CN204992550U - 用电安全检测防护电路、开关设备和插座 - Google Patents

用电安全检测防护电路、开关设备和插座 Download PDF

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刘战红
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Abstract

一种用电安全检测防护电路、开关设备和插座，防护电路连接在用电负载的供电线路上，包括：电流传感器，采集所述供电线路上的电流信号；电压传感器，采集所述供电线路上的电压信号；剩余电流传感器，采集所述供电线路上的剩余电流信号；信号处理电路，接收所述电流信号、电压信号和剩余电流信号并进行预处理；控制器与所述信号处理电路连接，判断所述预处理后的所述电流信号、电压信号和剩余电流信号是否超过对应的阈值，若是则控制发出警报和/或切断用电负载供电。该防护电路利用检测传感器，构成一个电气监控***，在保证智能家居的便利性的同时，实时监控负载的状态，构建安全家居***。

Description

用电安全检测防护电路、开关设备和插座
技术领域
本实用新型涉及智能家居领域，特别是涉及一种用电安全检测防护电路、开关设备和插座。
背景技术
普通的插座：有一个或一个以上电路接线可***的座，通过它可***各种接线，便于与其他电路接通。通过线路与铜件之间的连接与断开，来达到最终达到该部分电路的接通与断开。随着经济的飞速发展和人民生活的提高，用电量也在不断增加，新的用电设备、智能设备也在不停的涌现；而传统的插座只是对电线的接插方便的一种物理器件，缺少保护功能。尤其对引起电气火灾的漏电和电弧缺少保护机构和实现方法。
PDU插座：PDU(PowerDistributionUnit)是PDU具备电源分配和管理功能的电源分配管理器。PDU插座所连接的设备一般是放置在机房，例如高级的计算机、服务器等设备，因此具有防雷功能、总控开关、过载保护、电流电压显示、远程监控功能、烟感温湿度在线检测等功能。但是，也缺少对漏电、电弧的保护和实现方法。
关于电弧的产生，插座松动引起的打火属于串联电弧；线路破损导致的火线和零线间打火引起的电弧是并联电弧。
现有技术中，通过检测线路上的电流采用电流互感器能有效的解决的串联电弧的问题，并且该检测方法是行业内通用的检测方法；但是很难解决并联电弧的问题，因为并联电弧打火产生的电流很小，能量高，只通过检测电流无法对并联电弧准确的识别或者识别率不高。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种用电安全检测防护电路，旨在解决用电过程中的开关或插座松动或线路破损时产生电弧及漏电的问题。
本实用新型提供了一种用电安全检测防护电路，连接在用电负载的供电线路上，包括：
电流传感器，采集所述供电线路上用以分析串联电弧的电流信号；
电压传感器，采集所述供电线路上用以分析并联电弧的电压信号；
剩余电流传感器，采集所述供电线路上用以分析漏电电流的剩余电流信号；
信号处理电路，与所述电流传感器、电压传感器和剩余电流传感器连接，接收所述电流信号、电压信号和剩余电流信号并进行预处理；
控制器，与所述信号处理电路连接，接收预处理后的所述电流信号、电压信号和剩余电流信号，判断所述预处理后的所述电流信号、电压信号和剩余电流信号是否超过对应的阈值，若是则控制发出警报和/或切断用电负载供电。
进一步地，所述信号处理电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和AD转换芯片，其中：
所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器的负输入端分别通过第一电容与所述电流传感器、电压传感器、剩余电流传感器连接；所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器的正输入端分别接基准电压，并通过第二电容接地，所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器的输出端分别与所述AD转换芯片的输入端连接，所述AD转换芯片的输出端接所述控制器。
进一步地，所述控制器为单片机。
本实用新型还提供了一种开关设备，设有上述的用电安全检测防护电路。
本实用新型还提供了一种插座，设有上述的用电安全检测防护电路。
上述的设置有用电安全检测防护电路的开关或插座设置电流电压检测传感器，构成一个电气监控***，在保证智能家居的便利性的同时，实时监控负载或用电线路的状态，构建安全家居***。同时通过漏电、电弧、用电量状态信息，实时做全***监控，了解各个负载或用电线路的情况，利用综合算法和大数据分析方式，对单位用电设备进行状态老化预测和分析，进行提前预警，实现设备的安全监控和节能。
附图说明
图1为本实用新型较佳实施例中用电安全检测防护电路的电路模块图；
图2为本实用新型较佳实施例中用电安全检测防护电路的电路原理图。
具体实施方式
为了使本实用新型要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图1，本实用新型较佳实施例中的用电安全检测防护电路，连接在在用电负载或供电线路上，如设置在用电开关、用电插座、混合继电器、智能转换继电器、调光模块、灯光控制模块或总线电源模块中。用电安全检测防护电路，包括电流传感器110、电压传感器120、剩余电流传感器130、信号处理电路140以及控制器150。
电流传感器110用于采集所述供电线路上的用以分析串联电弧的电流信号；电压传感器120用于采集所述供电线路上用以分析并联电弧的电压信号；剩余电流传感器130用于采集所述供电线路上用以分析漏电电流的剩余电流信号；信号处理电路140与所述电流传感器110、电压传感器120和剩余电流传感器130连接，接收所述电流信号、电压信号和剩余电流信号并进行预处理；控制器150与所述信号处理电路140连接，接收预处理后的所述电流信号、电压信号和剩余电流信号，判断所述预处理后的所述电流信号、电压信号和剩余电流信号是否超过对应的阈值，若是则控制发出警报和/或切断用电负载供电。或将预处理后的所述电流信号、电压信号和剩余电流信号与预设阈值进行比较得到比较结果，根据比较结果控制发出警报和/或切断用电负载供电。
所述控制器150为单片机，控制器150内设的漏电分析模块151，通过对采集到的剩余电流信息的分析，依据获取漏电与预设阈值对比，超过预设阈值则记录为鉴定结果一。其后控制器150根据该结果一发出执行发出警报和/或切断用电负载供电的指令。
具体地，所述控制器150的漏电分析模块151建立与正常剩余电流对应的初始曲线，在正常状态下，自动建立负载的正常漏电值(剩余电流)的初始曲线。其中，所述剩余电流信号至少包含剩余电流持续时间和/或剩余电流电量。将当前剩余电流并拟合到对应的所述初始曲线，判断当前剩余电流是否超过预设阈值，若是则控制发出警报和/或切断用电负载供电。通过确定误差级别，确定负载或电线的漏电级别，每达到一个级别进行不同等级的预警。
本实施例中，当检测到的剩余电流大于第一预设阈值(如初始的剩余电流超过30％～50％)时，则发出警报；当检测到的剩余电流大于第二预设阈值(如初始的剩余电流超过65％～80％)时，则控制发出警报并切断用电负载的供电。
控制器150还内设故障电弧分析模块152，该故障电弧分析模块152通过对采集到的电流信息的分析，依据国家标准判定是故障电弧则记录为鉴定结果二，由于串联电弧影响的主要是电流，对电压影响比较小，故该电流判定主要是应对串联电路的判定。该故障电弧分析模块152通过对采集到的电压信息的分析，依据国家标准判定是故障电弧则记录为鉴定结果三；由于并联电弧主要是影响局部电压，电弧发生时会影响局部的电压曲线，因此电压主要是判定并联电弧。其后控制器150根据该结果二、3发出执行发出警报和/或切断用电负载供电的指令。
具体地，故障电弧分析模块152判断当前的电流信号和电压信号是否超过相应预设阈值；具体是指电流信号和电压信号中所包含的串联电弧和并联电弧的相关参数(电弧发生持续周期及电弧幅值)是否超过预设阈值。关于该预设阈值，国家标准认为电弧持续13个周期以上，且电弧的幅值达到用负载电流的10％，为有害电流需要及时报警。微弱电弧电流和短周期的电弧电流认为是一种偶然，可以不报警。但是电弧具有很强的危害性，出现电弧会引燃周围的易燃物，因此加强电弧分析具有很大的意义。
若超过，则判定为故障电弧，控制发出警报并切断用电负载供电；若未超过，则对当前的电流信号和电压信号进行以电弧发生持续周期及电弧幅值进行分类并统计分析，即对于不符合故障电弧标准，但是可能会进一步发展为故障电弧的信息同样保存，并进行分析。
当电弧趋势信息在逐步恶化时，则进行预警。首先控制器150对收到的电弧进行以周期长短进行分类，分类后进行拟合，寻找趋势。对于一个统计分析，当电弧趋势在逐步恶化，例如：3周期电弧向5周期电弧过渡，通过占用比例在提升，则进行预警，提示智能节点的位置和可能的故障。即所述电弧趋势信息在逐步恶化的状态包括：电弧的发生持续周期在持续增大和/或电弧的电弧幅值在持续增大。
信号处理电路140所述电流信号、电压信号和剩余电流信号并进行预处理包括信号滤波、信号放大和模数转换。参考图2，所述信号处理电路140包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3和AD转换芯片U4。
所述第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3的负输入端分别通过第一电容C1与所述电流传感器110、电压传感器120、剩余电流传感器130连接；所述第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3的正输入端分别接基准电压Vref，并通过第二电容C2接地，所述第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3的输出端分别与所述AD转换芯片U4的输入端连接，所述AD转换芯片U4的输出端接所述控制器150。
电压信号、电流信号以及剩余电流信号，经过分别经过第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3对信号放大滤波，送到AD转换芯片U4进行模/数转换，转换后的数据，经串行SPI的通讯方式传送到控制器150内部以供分析。
在其他实施方式中，控制器150接收预处理后的所述电流信号、电压信号和剩余电流信号后，将预处理后的所述电流信号、电压信号和剩余电流信号与预设阈值进行比较得到比较结果。将所述比较结果上传至智能家电控制中心(如现场服务器或云服务器)，智能家电控制中心根据所述比较结果发出执行警报和/或切供电的动作的指令至所述控制器150，控制器150执行相应动作。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述控制器的各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将所述控制器的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
综上所述，设置有用电安全检测防护电路的开关或插座设置电流电压检测传感器，构成一个电气监控***，在保证智能家居的便利性的同时，实时监控负载或用电线路的状态，构建安全家居***。同时通过漏电、电弧、用电量状态信息，实时做全***监控，了解各个负载或用电线路的情况，利用综合算法和大数据分析方式，对单位用电设备进行状态老化预测和分析，进行提前预警，实现设备的安全监控和节能。
所述集成的控制器单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本实用新型实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种用电安全检测防护电路，连接在用电负载的供电线路上，其特征在于，包括：
电流传感器，采集所述供电线路上用以分析串联电弧的电流信号；
电压传感器，采集所述供电线路上用以分析并联电弧的电压信号；
剩余电流传感器，采集所述供电线路上用以分析漏电电流的剩余电流信号；
信号处理电路，与所述电流传感器、电压传感器和剩余电流传感器连接，接收所述电流信号、电压信号和剩余电流信号并进行预处理；
控制器，与所述信号处理电路连接，接收预处理后的所述电流信号、电压信号和剩余电流信号，判断所述预处理后的所述电流信号、电压信号和剩余电流信号是否超过对应的阈值，若是则控制发出警报和/或切断用电负载供电。
2.如权利要求1所述的用电安全检测防护电路，其特征在于，所述信号处理电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和AD转换芯片，其中：
所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器的负输入端分别通过第一电容与所述电流传感器、电压传感器、剩余电流传感器连接；所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器的正输入端分别接基准电压，并通过第二电容接地，所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器的输出端分别与所述AD转换芯片的输入端连接，所述AD转换芯片的输出端接所述控制器。
3.如权利要求1所述的用电安全检测防护电路，其特征在于，所述控制器为单片机。
4.一种开关设备，其特征在于，设有权利要求1至3任一项所述的用电安全检测防护电路。
5.一种插座，其特征在于，设有权利要求1至3任一项所述的用电安全检测防护电路。
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