CN102955090A - 大功率电器电弧故障检测方法及电路系统 - Google Patents

大功率电器电弧故障检测方法及电路系统 Download PDF

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杨建红
吴晓梅
吴其勇
黄莉
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Abstract

本发明涉及低压配电系统电弧故障检测领域，尤其涉及大功率家用电器的电弧故障检测方法及电路系统。本方法发明包括以下步骤：获得大功率电器电流信号，该电流信号经过运放整流电路，比较电路后形成矩形脉冲信号，由单片机系统捕获该信号，并对该信号的高电平时间长度进行检测判断，从而判断电弧故障事件的发生与否。根据该方法发明还提供了一种大功率家用电器的电弧故障检测电路系统，上述方法及电路系统通过电流信号结合故障电弧模型参数进行判断，够准确判断出大功率电器电弧故障的发生、避免误判，提高了故障检测的可靠性，并予以脱扣切断电路，为大功率电器用电安全提供保障，同时具有体积小，适合安装于大功率电器插头插座的优点。

Description

大功率电器电弧故障检测方法及电路系统
技术领域
本发明涉及低压配电系统电弧故障检测领域，尤其涉及大功率家用电器的电弧故障检测方法及电路系统。
背景技术
随着我国经济的发展，居民用电负荷的急剧增加，加上线路老化等原因，电气火灾频频发生。据有关资料统计，因电气原因引发的火灾在各类火灾中高居榜首，约占30%。而电气火灾很大比重是由于电弧故障引发的。这些危险的电弧可能发生在设计不合理或者老化的供电线路上、电器插头以及家用电器的电源线、内部线束或零部件绝缘上。故障电弧的特点是线路中电流可能减小，但温度高，并使故障迅速扩大，直至点燃附近的可燃物而引发火灾。所以预防这种由电弧故障引发的火灾尤为重要。
传统的过电流保护断路器和剩余电流保护断路器已广泛采用，但它在一些场合起不到故障电弧保护的作用。目前国内对家用电路电弧故障领域还处于研究开发阶段，虽然有少数公司已研发出针对家用电路的电弧故障断路器，但其在市面上的流通还未真正开始，其可靠性还尚未得到很好的验证。
国外对于电弧危害的认识较早，对电弧故障检测的研究起步早，美国针对120V/60Hz的家用电弧故障断路器已在市面上销售，并于2002年全国电器条例（NEC）要求所有在卧室内安装的支路，都要安装法令列出的电弧故障断路器，以保护整条支路。2002全国电气条例还要求单相电源线加插头连接的室内空气调节器需要有工厂安装的LCDI和AFCI保护装置。自2004年8月1日后，在美国市场销售的家用大功率电器要求必须带具有AFCI功能的电源插头。
目前我国针对大功率电器插头的电弧故障保护装置虽然还未强制要求安装，市面上也未曾出现此类产品。但是为了保护大功率电器的用电安全，如空调等，针对我国240V/50Hz的单相电源线加插头连接的大功率电器设计一款体积小，便于安装并有效提供电弧故障保护的装置是有必要的。对于大功率电器电弧故障断路器的安装也是我国将来保证用电安全的一种必然趋势。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种大功率电器电弧故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，通过电流信号互感器，采集一个周期内离散的电流信号；
步骤二，电流信号通过运放精密整流电路，获得电流信号的绝对值，形成正脉冲信号；
步骤三，将正脉冲信号整形成矩形脉冲信号；
步骤四，将步骤三的矩形脉冲信号通过电压跟随器，进行前后级阻抗匹配后输入单片机系统，通过单片机系统定时器的PWM输入模式捕获矩形脉冲信号的高电平时间长度；
步骤五，单片机系统通中设置高电平时间长度阀值区间，根据高电平时间长度判定电弧半波发生的个数，统计电弧半波发生个数作为识别电弧故障事件的发生的判据，当电弧半波个数大于等于一定数量时，判定为一个电弧故障事件发生。
进一步的，电流信号互感器采集240V/50Hz交流电的一个周期的电流信号。
进一步的，正脉冲信号通过由555搭建的单限比较电路当信号为设定值时，比较输出高电平，反之输出低电平，进而整形成矩形脉冲信号。
进一步的，单片机系统中设置五个高电平时间长度阈值区间，分别对应判断没有电弧半波发生、一个电弧半波发生、两个电弧半波发生、三个电弧半波发生、方波脉冲的抖动干扰，单片机系统计算0.5s内在高电平长度阀值区间发生的电弧半波总个数，电弧半波发生总个数大于等于8个判定一个电弧故障事件发生。
进一步的，所述单片机系统中设置方波脉冲变化阀值区间，当一个电弧事故障件发生以后，单片机系统以电弧故障事件发生的时间内的方波脉冲变化为第二判据，当方波脉冲变化累加值超出阀值区间时单片机系统给出脱扣信号、断开电路。
根据上述的方法提供的大功率电器电弧故障检测系统，其特征在于：包括
电流信号互感器，用于获得电器的电流信号作为电弧故障检测的信号源；
运放精密整流电路，用于将电流信号整形成正脉冲信号；
比较电路，用于将正脉冲信号整形成矩形脉冲信号；
电压跟随器电路，用于匹配前级系统和单片机系统的阻抗，隔离前后级之间的影响，使单片机系统可以得到正确的矩形脉冲信号；
单片机系统，所述单片机系统包括定时器中断程序和电弧判断程序，
所述定时器中断程序，设置高电平时间长度阀值区间，用于在线捕获矩形脉冲信号的高电平时间长度，并根据高电平时间长度判定电弧半波发生的个数，
所述电弧判断程序，统计电弧半波发生个数作为识别电弧故障事件的发生的判据，当电弧半波个数大于等于一定数量时，判定为一个电弧故障事件发生。
进一步的，电流信号互感器采集240V/50Hz交流电的一个周期的电流信号。
进一步的，正脉冲信号通过由555搭建的单限比较电路，当信号为设定值时比较输出高电平，反之输出低电平，既整形成矩形脉冲信号。
进一步的，定时器中断程序在单片机系统中设置五个高电平时间长度阈值区间，分别对应判断没有电弧半波发生、一个电弧半波发生、两个电弧半波发生、三个电弧半波发生、方波脉冲的抖动干扰；所述电弧判断程序，单片机系统计算0.5s内在高电平长度阀值区间发生的电弧半波总个数，电弧半波发生总个数大于等于8个判定一个电弧故障事件发生。
进一步的，所述单片机系统中设置方波脉冲变化阀值区间，当一个电弧事故障件发生以后，单片机系统以电弧故障事件发生的时间内的方波脉冲变化为第二判据，当方波脉冲变化累加值超出阀值区间时单片机系统给出脱扣信号、断开电路。
本发明具有如下有益效果：
本发明通过电流互感器获得装有大功率电器支路进线电流，经过运放整流电路，比较电路后，形成矩形脉冲波，由单片机系统捕获该信号，并对该信号的高电平时间长度进行检测判断，从而判断电弧故障事件的发生与否。该种电路系统通过电流信号结合故障电弧模型参数进行判断，够准确判断出大功率电器电弧故障的发生、避免误判，提高了故障检测的可靠性，并予以脱扣切断电路，为大功率电器用电安全提供保障，同时具有体积小，适合安装于大功率电器插头插座的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例电路系统示意图。
图2为本发明实施例单片机系统主程序示意图。
图3为本发明实施例单片机系统定时器TIM1中断程序示意图。
图4为本发明实施例单片机系统定时器TIM2中断程序示意图。
图5为本发明实施例单片机系统电弧判断程序示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例。
参照图1、图2、图3、图4所示，一种该种大功率电器电弧故障检测方法包括以下步骤：
步骤一，获得大功率电器电流信号，通过电流信号互感器1，外接合适电阻，采集一个周期的离散的电流信号；
步骤二，将步骤一获得的电流信号通过运放精密整流电路2，获得大功率电器电流信号的绝对值，形成正脉冲信号；
步骤三，将步骤二取绝对值后的信号通过由555搭建的单限比较电路3，当信号小于等于接近于零的某个值时，比较输出为高电平，反之输出低电平，即整形成矩形脉冲信号；
步骤四，将步骤三的矩形脉冲信号通过电压跟随器4，进行前后级阻抗匹配后输入单片机系统5，通过单片机系统定时器的PWM输入模式捕获矩形脉冲信号的高电平时间长度；
步骤五，单片机系统5通中设置高电平时间长度阀值区间，根据高电平时间长度判定电弧半波发生的个数，统计电弧半波发生个数作为识别电弧故障事件的发生的判据，当电弧半波个数大于等于一定数量时，判定为一个电弧故障事件发生。
步骤五中所述的单片机系统中设置五个高电平时间长度阈值区间，分别对应判断没有电弧半波发生、一个电弧半波发生、两个电弧半波发生、三个电弧半波发生、方波脉冲的抖动干扰，单片机系统计算0.5s内在高电平长度阀值区间发生的电弧半波总个数，电弧半波发生总个数大于等于8个判定一个电弧故障事件发生。为了避免发生误判,在单片机系统中设置方波脉冲变化阀值区间，当一个电弧事故障件发生以后，单片机系统计算电弧故障事件发生的时间内的方波脉冲变化的累加值为第二判据，当方波脉冲变化累加值超出阀值区间时单片机系统给出脱扣信号、断开电路。通过上述信号处理判断方法，可以检测出空调电弧故障的发生，并予以及时断开电路，保证空调用电安全。
根据上述的方法提供的一种大功率电器电弧故障检测方法及电路系统，参照图1、图2、图3、图4、图5所示，适用于家用大功率电器上，所述大功率电器电弧故障检测电路包括电流信号传感器1、运放整流电路2、555比较电路3、电压跟随器4、单片机系统5，单片机系统5包括主程序、定时器中断程序、电弧判断程序三大部分，
电流信号互感器1，采集240V/50Hz交流电的一个周期的电流信号作为电弧故障检测的信号源；
运放精密整流电路2，用于将电流信号整形成正脉冲信号；
比较电路3，用于将正脉冲信号整形成矩形脉冲信号；
电压跟随器电路4，用于匹配前级系统和单片机系统的阻抗，隔离前后级之间的影响，使单片机系统可以得到正确的矩形脉冲信号；
单片机系统5，所述单片机系统包括定时器中断程序和电弧判断程序，所述定时器中断程序，设置高电平时间长度阀值区间，用于在线捕获矩形脉冲信号的高电平时间长度，并根据高电平时间长度判定电弧半波发生的个数，所述电弧判断程序，统计电弧半波发生个数作为识别电弧故障事件的发生的判据，当电弧半波个数大于等于一定数量时，判定为一个电弧故障事件发生。在单片机系统中设置五个高电平时间长度阈值区间，分别对应判断没有电弧半波发生、一个电弧半波发生、两个电弧半波发生、三个电弧半波发生、方波脉冲的抖动干扰；所述电弧判断程序，单片机系统计算0.5s内在高电平长度阀值区间发生的电弧半波总个数，电弧半波发生总个数大于等于8个判定一个电弧故障事件发生。定时器中断程序，还设有方波脉冲变化阀值区间，所述电弧判断程序，当一个电弧事故障件发生以后，单片机系统计算电弧故障事件发生的时间内的方波脉冲变化的累加值为第二判据，当方波脉冲变化累加值超出阀值区间时单片机系统给出脱扣信号、断开电路。
单片机系统5的程序运行流程如下：
①主程序中对定时器TIM1、TIM2初始化并将定时器TIM1配置为PWM模式输入，定时器TIM2配置为定时10ms，然后程序处于while循环等待中断状态；
②当TIM1捕获到下降沿中断时，提取寄存器中的高电平时间长度，设定五个高电平时间长度阈值区间，所测得的高电平时间长度分别对应这五个阈值区间，单片机分别可对这个高电平判定为没有电弧半波发生、一个电弧半波的发生、两个电弧半波的发生、三个电弧半波的发生或方波脉冲的抖动干扰，用变量Arc_num为存储10ms能的电弧个数，并用变量f置1表示TIM1中断有效；
③当TIM2定时的10ms时间到，进入中断向已定义的长度为50的整型数组中写入当前发生的电弧个数情况，且对0.5s内所发生的电弧半波总数统计并判断，满足八个半波后，进入第二判据，如果满足第二判据的条件就判断为电弧故障，即电弧检测最后作出动作响应，最后清零变量f；
④所述空调电弧故障检测方法中，定义一个长度为50的结构体数组ArcRecord[50]，定时中断每隔十毫秒将结构体的高49个数向低49个数移动，当没有电弧半波发生时向数ArcRecord[49]中ArcNum成员写入0，向ArcRate成员写入脉冲变化；当有一个电弧半波发生时向数ArcNum[0]中写入1，向ArcRate成员写入脉冲变化；当有两个电弧半波发生时向数ArcRecord[49]、ArcRecord[48]中分别写入1，向ArcRate成员写入脉冲变化；当有三个电弧半波发生时向数ArcRecord[47]、ArcRecord[48]、ArcRecord[49]分别写入1......当为方波脉冲的抖动干扰时，程序不做任何处理。进而计算结构体ArcRate[50]的ArcNum成员数值总和，即电弧个数总和，当总和大于等于八时初步判定为一个电弧故障事件的发生，然后进一步求取结构体中ArcRate成员的数值总和,当此变化率超出阈值,单片机给出脱扣信号，断开电路。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.大功率电器电弧故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，通过电流信号互感器，采集一个周期内离散的电流信号；
步骤二，电流信号通过运放精密整流电路，获得电流信号的绝对值，形成正脉冲信号；
步骤三，将正脉冲信号整形成矩形脉冲信号；
步骤四，将步骤三的矩形脉冲信号通过电压跟随器，进行前后级阻抗匹配后输入单片机系统，通过单片机系统定时器的PWM输入模式捕获矩形脉冲信号的高电平时间长度；
步骤五，单片机系统通中设置高电平时间长度阀值区间，根据高电平时间长度判定电弧半波发生的个数，统计电弧半波发生个数作为识别电弧故障事件的发生的判据。
2.根据权利要求1所述的大功率电器电弧故障检测方法，其特征在于：所述电流信号互感器采集240V/50Hz交流电的一个周期的电流信号。
3.根据权利要求1所述的大功率电器电弧故障检测方法，其特征在于：所述正脉冲信号通过单限比较电路，当信号为设定值时比较输出高电平，反之输出低电平，进而整形成矩形脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的大功率电器电弧故障检测方法，其特征在于：所述单片机系统中设置五个高电平时间长度阈值区间，分别对应判断没有电弧半波发生、一个电弧半波发生、两个电弧半波发生、三个电弧半波发生、方波脉冲的抖动干扰，单片机系统计算0.5s内在高电平长度阀值区间发生的电弧半波总个数，电弧半波发生总个数大于等于8个判定一个电弧故障事件发生。
5.根据权利要求1或4所述的大功率电器电弧故障检测方法，其特征在于：所述单片机系统中设置方波脉冲变化阀值区间，当一个电弧事故障件发生以后，单片机系统以电弧故障事件发生的时间内的方波脉冲变化为第二判据，当方波脉冲变化累加值超出阀值区间时单片机系统给出脱扣信号、断开电路。
6.根据权利要求1所述的方法提供的大功率电器电弧故障检测系统，其特征在于：包括
电流信号互感器，用于获得电器的电流信号作为电弧故障检测的信号源；
运放精密整流电路，用于将电流信号整形成正脉冲信号；
比较电路，用于将正脉冲信号整形成矩形脉冲信号；
电压跟随器电路，用于匹配前级系统和单片机系统的阻抗，隔离前后级之间的影响，使单片机系统可以得到正确的矩形脉冲信号；
单片机系统，所述单片机系统包括主程序、定时器中断程序和电弧判断程序，
所述定时器中断程序，设置高电平时间长度阀值区间，用于在线捕获矩形脉冲信号的高电平时间长度，并根据高电平时间长度判定电弧半波发生的个数，
所述电弧判断程序，统计电弧半波发生个数作为识别电弧故障事件的发生的判据。
7.根据权利要求6所述的大功率电器电弧故障检测系统，其特征在于：所述电流信号互感器采集240V/50Hz交流电的一个周期的电流信号。
8.根据权利要求6所述的大功率电器电弧故障检测系统，其特征在于：所述正脉冲信号通过单限比较电路，当信号为设定值时比较输出高电平，反之输出低电平，既整形成矩形脉冲信号。
9.根据权利要求6所述的大功率电器电弧故障检测系统，其特征在于：所述定时器中断程序在单片机系统中设置五个高电平时间长度阈值区间，分别对应判断没有电弧半波发生、一个电弧半波发生、两个电弧半波发生、三个电弧半波发生、方波脉冲的抖动干扰；所述电弧判断程序，单片机系统计算0.5s内在高电平长度阀值区间发生的电弧半波总个数，电弧半波发生总个数大于等于8个判定一个电弧故障事件发生。
10.根据权利要求6或9所述的大功率电器电弧故障检测系统，其特征在于：所述单片机系统中设置方波脉冲变化阀值区间，当一个电弧事故障件发生以后，单片机系统以电弧故障事件发生的时间内的方波脉冲变化为第二判据，当方波脉冲变化累加值超出阀值区间时单片机系统给出脱扣信号、断开电路。
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