CN106683318A - 一种故障电弧火灾报警检测器 - Google Patents

一种故障电弧火灾报警检测器 Download PDF

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李吉广
陈存
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明用于故障电弧火灾报警领域，在需要火灾报警器的场所的供电电路上安装火灾报警检测器，供电电路穿过故障电弧火灾报警检测器的检测孔，报警器检测器内置的环绕检测孔从而环绕供电电路的线圈或霍尔器件检测到供电导线周围的磁场信号，该信号经过处理，使用硬件电路比较判断信号内是否含有具有电弧信号特征的信号，如果检测到含有电弧信号特征的信号，就输出电弧报警信号。具有小、大电弧报警等两种报警信号。可用于单相和三相供电***中。

Description

一种故障电弧火灾报警检测器
技术领域
本项目涉及到故障电弧检测和故障电弧火灾报警。
背景技术
故障电弧引起的电气火灾与日俱增。电路老化引起故障电弧，从而造成的电气火灾在所有火灾事故中占有最高的比例。因此，需要发明自动检测出故障电弧从而进行火灾报警的故障电弧火灾报警检测器，从而自动减少及避免电器火灾的发生。故障电弧火灾报警检测器作为故障电弧火灾报警器的通用关键器件，将用在任何需要检测电弧的产品中。现在的火灾报警器还不具有电弧检测功能，一般通过烟、光、温度等传感器在发生火灾时进行检测。故障电弧火灾报警检测器是通过放置在通电导体周围的电磁传感器检测出电流的信息，通过判断信号特征的方法，在刚发生电弧时，检测出该信号，及时报警，或进一步切断电源。
发明内容
发明的总体思路如下：在需要火灾报警器的场所的供电电路上安装火灾报警检测器，供电电路穿过故障电弧火灾报警检测器的检测孔，报警器检测器内置的环绕检测孔从而环绕供电电路的检测线圈检测到供电导线周围的磁场信号，该信号经过处理，比较判断信号内是否含有具有电弧信号特征的信号，如果检测到含有电弧信号特征的信号，就输出电弧报警信号。故障电弧火灾报警检测器具有小电弧报警和大电弧报警两个信号输出端，在刚发生电弧的短时间内，小电弧报警输出报警信号，电弧持续一段时间后，大电弧报警输出报警信号。如图1所示，最上部分是故障电弧火灾报警检测器与被检测的4根方形铜导线组合在一起工作的组合方式。图中4根平行放置的长方体柱是通电铜柱导线，自左向右分别是A,B,C相火线和中线。4根铜柱导线穿过故障电弧火灾报警检测器的检测孔。上图右侧的12根排线输出信号，排线自上而下，每4根为一组，分为三组，分别对应着A,B,C三相。其中每组的前两根线是持续时间短的小电弧报警信号输出，后两根是持续时间长的大电弧报警信号输出。上图左侧的两根线是220伏电源的输入线。图中中间部分的物体是故障电弧火灾报警检测器和通电铜柱导线的组合体的正视图。图中最下面的两个图是将故障电弧火灾报警检测器剖开后的内部结构，可以看到在A，B，C相铜柱导线穿过的检测孔上，在检测器的内部分别套着一个检测线圈，该线圈相当于套在了铜柱导线上了，该线圈采用空心线圈。电路板放置在最里侧，电路板的法线方向与4根铜柱导线平行。电流变化的带电导体周围产生磁场，当电路中产生无论是并联还是串联电弧时，导体中的电流都会快速的变化。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体周围的磁场及磁场的变化率就能够得到电弧相关的信息。使用空心线圈来检测载流导体周围的磁场的变化率，空心线圈检测出的信号与工作电流的微分呈线性关系，对信号特征提取可以采用两种方式：第一种方式，使用硬件对信号进行特征提取，将信号与门限进行比较，从而检测出电弧信号。空心线圈输出信号，信号输入给一个高通滤波器，这样就将工作电流的微分的高频特征提取出来了。将该信号输入一个由运算放大器和阻容器件构成的放大电路。该信号输出给由运算放大器构成的比较器1的一个输入端，比较器1的另一个输入端输入固定电平，正常情况下，放大器的输出信号超过比较门限的概率很低，或者几乎不会超过比较门限，比较器1的信号输出几乎一直为低，这样的信号在时间上的积分会很低。如果发生了电弧，会有大量的高于比较器1门限的信号输入，这时比较器1的信号输出会出现大量的高电平，这样的信号在时间上的积分会很高。比较器1输出信号给由运算放大器和阻容器件构成的有源积分电路，然后再将积分的结果输出给另两个由运放构成的比较器2和比较器3，比较器2和3输出的信号经过由晶体三极管构成的射极跟随器，控制输出信号继电器1和2。比较器2和3 的不同点在于2 的比较门限电平会比3 的低很多。当电弧信号来时，首先比较器2以很大的概率输出高电平，从而推动继电器1吸合，输出检测到微弱电弧的报警信号。如果电弧持续的时间很长，这时比较器3 也会输出高电平，推动继电器2 输出检测到强电弧的报警信号。对信号特征提取可以采用的第二种方式如下：信号由检测线圈输出后分为两路信号，一路经过由运放及阻容元件组成的信号放大器，然后进入由运放组成的有源积分器，经积分后进入CPU。另一路经过高通滤波器，然后经过运放及阻容元件构成的信号放大器，经过放大后进入CPU。两路放大都具有自动增益控制功能。CPU将第一路信号分别在时间域和频率域与预先采样的电弧信号的典型的时间域和频率域的信号进行匹配，求相关函数，如果发现相关函数大于预先设定的阈值，就判断为发现了电弧信号。CPU将第二路信号与一个事先设定好的阈值进行比较，如果大于该阈值，就进一步判定发现了电弧信号，输出报警信号。在单相***中，检测孔改为两个，一个是火线检测孔，一个是零线检测孔。检测线圈可以是带磁芯的线圈，也可以是霍尔器件。
附图说明
图1是故障电弧火灾报警检测器结构图。
具体实施方式
矩形检测孔是针对使用矩型导线的情况，如果使用圆形或其它形状的导线时。穿导线的检测孔可以改成与穿过的导线的截面积一致的形状。也可以保持现有的形状，只要导线能穿过就可以了。空心线圈具有动态范围很大，非常不容易饱和，几乎不存在磁滞现象，频响范围非常宽，线性度很好，温度稳定性非常好的特点。信号放大通道的带宽要求大于50~100KHZ。放大倍数在2000~5000倍左右，并且具有大于40db的自动增益控制。输出的继电器的通过电流为5安培。外壳使用电磁波可以穿透的塑料制造，线路板调试完成后，进行装配，然后整个产品由灌封胶封成一个整体。故障电弧火灾报警检测器可以安装在供电电路的导线上，也可以安装在楼宇的配电柜或配电间里。其中的一种实施方式是用在单相***中的具有双检测孔的故障电弧火灾报警检测器。

Claims (8)

1.一种故障电弧火灾报警检测器，其特征在于，在需要火灾报警器的场所的供电电路上安装故障电弧火灾报警检测器，供电电路穿过一种故障电弧火灾报警检测器的检测孔，故障电弧火灾报警检测器内置的环绕检测孔从而环绕供电电路的检测线圈检测供电导线周围的磁场信号，该信号经过处理，比较判断信号内是否含有具有电弧信号特征的信号，如果检测到含有电弧信号特征的信号，就输出电弧报警信号。
2.根据权利要求1所述的一种故障电弧火灾报警检测器，其特征在于，故障电弧火灾报警检测器与被检测的4根方形铜导线组合在一起工作，4根铜导线穿过故障电弧火灾报警检测器的检测孔，故障电弧火灾报警检测器的右侧的12根排线输出报警信号，排线自上而下，每4根为一组，分为三组，分别对应着A,B,C三相，每组的前两根线是持续时间短的小电弧报警信号输出引线，后两根是持续时间长的大电弧报警信号输出引线，左侧的两根线是220伏电源的输入线。
3.根据权利要求1所述的一种故障电弧火灾报警检测器，其特征在于，在检测器的内部，在A，B，C相铜柱导线穿过的检测孔上，分别套着一个检测线圈，该线圈相当于套在了铜柱导线上了，该线圈采用空心线圈，使用空心线圈来检测载流导体周围的磁场的变化率，空心线圈检测出的信号与铜柱导线上的电流的微分呈线性关系，检测线圈也可以是带磁芯的线圈，也可以是霍尔器件。
4.根据权利要求1所述的一种故障电弧火灾报警检测器，其特征在于，使用硬件对信号进行特征提取，将信号与门限进行比较，从而检测出电弧信号，空心线圈输出信号，信号输入给一个高通滤波器，这样就将工作电流的微分的高频特征提取出来了，将该信号输入一个由运算放大器和阻容器件构成的放大电路，然后输出给由运算放大器构成的比较器1的一个输入端，比较器1的另一个输入端输入固定电平，正常情况下，放大器的输出信号超过比较门限的概率很低，或者几乎不会超过比较门限，比较器1的信号输出几乎一直为低，这样的信号在时间上的积分会很低，如果发生了电弧，会有大量的高于比较器1门限的信号输入，这时比较器1的信号输出会出现大量的高电平，这样的信号在时间上的积分会很高，比较器1输出信号给由运算放大器和阻容器件构成的有源积分电路，然后再将积分的结果输出给另两个由运放构成的比较器2和比较器3，比较器2和3输出的信号经过由晶体三极管构成的射极跟随器，控制输出信号继电器1和2，比较器2和3 的不同点在于2 的比较门限电平会比3 的低很多，当电弧信号来时，首先比较器2以很大的概率输出高电平，从而推动继电器1吸合，输出检测到微弱电弧的报警信号，如果电弧持续的时间很长，这时比较器3 也会输出高电平，推动继电器2 输出检测到强电弧的报警信号。
5.根据权利要求1所述的一种故障电弧火灾报警检测器，其特征在于，对信号特征提取可以采用的第二种方式如下，信号由检测线圈输出后分为两路信号，一路经过由运放及阻容元件组成的信号放大器，然后进入由运放组成的有源积分器，经积分后进入CPU，另一路经过高通滤波器，然后经过运放及阻容元件构成的信号放大器，经过放大后进入CPU，两路放大都具有自动增益控制功能，CPU将第一路信号分别在时间域和频率域与预先采样的电弧信号的典型的时间域和频率域的信号进行求相关函数的运算，如果发现相关函数大于预先设定的阈值，就判断为发现了电弧信号，CPU将第二路信号与一个事先设定好的阈值进行比较，如果大于该阈值，就进一步判定发现了电弧信号，输出报警信号。
6.根据权利要求1所述的一种故障电弧火灾报警检测器，其特征在于，信号放大通道的带宽要求大于50~100KHZ，放大倍数在2000~5000倍左右，并且具有大于40db的自动增益控制。
7.根据权利要求1所述的一种故障电弧火灾报警检测器，其特征在于，检测孔为矩形孔是针对使用矩形导线的情况，如果使用圆形或其它形状的导线，穿导线的检测孔可以改成与穿过的导线的截面积一致的形状，也可以保持现有的形状，只要导线能穿过就可以了，也可以用在单相供电***中，设计成具有双检测孔的一种故障电弧火灾报警检测器。
8.根据权利要求1所述的一种故障电弧火灾报警检测器，其特征在于，故障电弧火灾报警检测器可以安装在供电电路的导线上，也可以安装在楼宇的配电柜或配电间里。
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