CN105259446A - 广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种安全保护用广谱、快速反应、高灵敏度故障电弧检测传感器及故障电弧保护断路器，包括：高频磁场检测传感模块（002），低噪声信号放大单元（003），核心信号处理数学算法故障电弧检测与处理单元（004），输电线（001）。输电线内流过的变化的广谱高频电流信号被检测出后经过积分放大及模数转换后进入数字信号处理CPU，信号经过使用了随机噪声信号(包括白噪声及有色噪声)的功率谱分析技术、噪声信号的卷积、相关技术、噪声中的信号检测技术及根据实际故障电弧信号的特征开发出的算法处理后，检测出是否有故障电弧，形成检测传感器。传感器与机械的脱钩执行机构（012）连接，共同组成故障电弧保护断路器。

Description

广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器

技术领域

本项目涉及到电力领域的强电供电电路的故障电弧保护以及电子通讯领域的信号检测及数字信号处理等。

背景技术

剩余电流保护器（RCD）可以通过检测电气装置内的泄漏电流和由电痕化电流引起的对地燃弧而有效降低火灾危险。然而事实上RCD、熔断器或小型断路器（MCB）不能降低由带电导体之间的串联电弧或并联电弧引起的电气火灾危险。在串联电弧故障发生时，由于没有产生对地泄漏电流，因而RCD无法检测到这类故障。而且串联电弧的故障阻抗降低了负载电流，使得电流低于MCB或熔断器的脱扣阈值。在相线与中性导体之间产生并联电弧的情况下，电流仅受限于装置的阻抗。最严重的情况是偶发电弧，传统的断路器并不是为此目的而设计的。实践经验和现有的信息证实，引发火灾的接地故障电流的均方根值不能局限于50/60Hz的额定电源频率，可能包括测试RCD时不考虑的较高频谱。因此，针对于上述情况，本发明设计出了一种可以准确检测出包括微小的短时间出现的从高频频谱到低频频谱的广谱的串联电弧及并联电弧的检测传感器及保护器。

发明内容

电流变化的带电导线周围产生磁场，当电路中产生无论是并联还是串联电弧时，导线中的电流都会产生快速的变化。这种变化迅速地反应在了周围的磁场中。因此只要能够准确的检测带电导线周围的磁场及磁场的变化率就能够得到电弧相关的信息。关键的问题是：1、设计出能够在广谱范围内，高灵敏地检测出故障电弧信号的高频磁场检测传感模块。2、用电负载不同的情况下，电流信号非常的复杂。特别是在多个负载同时工作的情况下。要采用比较复杂的信号检测与数字信号处理技术才能检测出故障电弧。该功能由核心信号处理数学算法故障电弧检测与处理单元完成。

广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器（000）如图1所示。图1中（001）模块为输电线，故障电弧检测传感器设计为一个矩形立方体，立方体的上表面中心位置向下开一个凹槽，输电线（001）放置在凹槽之中。当变化的电流通过输电线（001）时会在传感器（000）立方体内产生变化的磁场。传感器（000）内包含电源供电电路（006）、高频磁场检测传感模块（002）、低噪声信号放大单元（003）、核心信号处理数学算法故障电弧检测与处理单元（004）。电源供电电路（006）从交流电源取电，经过变换后输出直流低压电供整个模块使用。高频磁场检测传感模块（002）检测磁场的变化，将得到的信号进行积分处理，将积分后的信号输出给低噪声信号放大单元（003）进行低噪声放大，确保信号幅度可以满足后面的A/D转换。核心信号处理数学算法故障电弧检测与处理单元（004）将信号进行模拟数字转换。采样频率根据实际测试得到的最高故障电弧频谱的大于两倍值选取，实际中选不低于2.5倍。按采样频率采样后，信号进行核心信号处理。该单元采用了数字信号处理器DSP和（或）高性能CPU（MCU）信号在此通过复杂的数学运算，从而快速提取出了广谱的，微弱的故障电弧信号。该模块使用了随机噪声信号(包括白噪声及有色噪声)的功率谱分析技术、噪声信号的卷积、相关技术、噪声中的信号检测技术及根据实际故障电弧信号的特征开发出的算法。核心信号处理数学算法故障电弧检测与处理单元（004）检测出故障电弧信号，通过引脚输出故障电弧指示信号（005)。

广谱快速高灵敏故障电弧保护器见图2。该保护器使用了广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器。传感器检测出故障电弧信号后，通过引脚将故障电弧指示信号输出给保护脱钩执行机构（012），该机构是由电信号驱动的机械执行机构，收到故障电弧指示信号驱动后，机械机构执行断路动作，切断电源，起到安全防护作用。

故障电弧检测传感器设计为一个矩形立方体，立方体的上表面中心位置向下开一个凹槽，输电线（001）放置在凹槽之中，可以通过胶进行粘接，也可以直接通过机械结构固定。该立方体为采用厚膜电路的封装形式，将整个电路封装成一个封闭的集成模块。从而保证传感器的抗震性、抗潮湿性及可靠性。高频磁场检测传感模块（002）在实际实现中使用了多匝空心线圈作为磁场的检测装置，多匝空心线圈可以通过两种方式实现：1、使用细铜线绕制的空心线圈。2、通过在印刷线路板上使用光刻的办法做出的空心线圈。为了保证在很宽的频谱范围内，故障电弧信号不失真的被检测出来，因此使用了空心线圈而不使用铁氧体做芯的实心线圈。该线圈串联上一个取样电阻，取样电阻两端的信号电压输出给由运算放大器及电阻和电容构成的积分电路进行积分，然后输出。信号输出给低噪声信号放大单元（003），该单元使用了二级运算放大器将小信号放大到幅度足够模拟数字变换器的变换幅度需要。运算放大器均需要满足宽频响范围，增益带宽积足够高，噪声系数足够低。核心信号处理数学算法故障电弧检测与处理单元（004）主要实现模拟数字变换及通过对信号进行数学运算，实现信号的检测功能。该模块采用两种办法实现。1、使用带A/D变换器的数字信号处理器（DSP）。2、使用带A/D变换器的CPU性能强大的MCU完成。该模块的实现主要考虑选取运算能力足够强大的处理器（CPU）。软件算法部分主要通过在各种负载情况下进行各种信号的采样，同时采样各种情况下故障电弧的信号样本。在积累足够多的工作信号及故障信号样本空间的情况下，通过使用随机噪声信号(包括白噪声及有色噪声)的功率谱分析技术、噪声信号的卷积、相关技术、噪声中的信号检测技术等技术，根据实际故障电弧信号的特征开发出合适的算法。为了获得足够的具有典型特征的信号样本，要收集足够的各种各样的典型负载，并且设计实现一个故障电弧模拟装置来模拟产生故障电弧。广谱快速高灵敏故障电弧保护器由以下方法实现：在标准的断路器机壳内设计一个机械结构的断路器，该断路器由电信号触发。断路器收到触发信号后使供电电源机构脱钩，切断供电电源。只有手动复位才能够重新接通供电电源。

Claims (9)

1.广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器，其特征在于，包括高频磁场检测传感模块（002），低噪声信号放大单元（003），核心信号处理数学算法故障电弧检测与处理单元（004），输电线（001）。

2.根据权利要求1所述的广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器，其特征在于，在实际实现中使用了多匝空心线圈作为磁场的检测装置，从而可以保证准确的检测出高频故障电弧信号而不丢失高频成分。

3.根据权利要求1所述的广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器，其特征在于，多匝空心线圈通过在印刷线路板上使用光刻的办法做出，线圈集成在了印刷线路板上。

4.根据权利要求1所述的广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器，其特征在于，多匝空心线圈或者使用细铜线绕制的空心线圈，不使用磁芯。

5.根据权利要求1所述的广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器，其特征在于，信号电压输出给由运算放大器及电阻和电容构成的积分电路进行积分，积分后输出。

6.根据权利要求1所述的广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器，其特征在于，低噪声信号放大单元（003）使用了运算放大器将小信号放大到幅度足够模拟/数字变换器的变换幅度需要，运算放大器均需要满足宽频响范围，增益带宽积足够高，噪声系数足够低。

7.根据权利要求1所述的广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器，其特征在于核心信号处理数学算法故障电弧检测与处理单元（004）主要实现模拟/数字变换及通过对信号进行数学运算，实现信号的检测功能，通过使用带A/D变换器的数字信号处理器（DSP）或者使用带A/D变换器的CPU性能强大的MCU完成。

8.根据权利要求1所述的广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器，其特征在于通过使用随机噪声信号(包括白噪声及有色噪声)的功率谱分析技术、噪声信号的卷积、相关技术、噪声中的信号检测技术等技术，根据实际故障电弧信号的特征开发出合适的算法。

9.根据权利要求1所述的广谱快速高灵敏故障电弧检测传感器及保护器，其特征在于执行机构是一个机械结构的断路器，该断路器由电信号触发，断路器收到触发信号后使供电电源机构脱钩，切断供电电源，只有手动复位才能够重新接通供电电源。