CN104215826A - 一种故障电弧式电气火灾监控探测装置和识别故障电弧和报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了故障电弧式电气火灾监控探测装置主要包括电源变换单元，输出电流信号取样放大单元，电弧频谱特征提取单元，频谱脉冲整形单元，电压参考基准，输入电压信号取样放大单元，DSP处理单元，CAN的通讯接口单元，输出控制及指示单元等组成。该探测装置可以有效的对配电回路中接触不良产生的故障电弧进行监测，同时也能对过流或短路时产生的故障电弧进行监测，还具有与监控设备实时通讯，报警信息主动上报的功能。

Description

一种故障电弧式电气火灾监控探测装置和识别故障电弧和报警方法

技术领域

本发明属于电气火灾监控技术领域，尤其是一种故障电弧式电气火灾监控探测装置和识别故障电弧和报警方法。

 

背景技术

根据最近几年的火灾调查统计结果，我国每年30%以上的火灾事故直接是由电气火灾引起，有效预防和减少电气火灾对于提高人民生命财产安全具有极为重要的现实意义。电气火灾的预防重点除了在整体上提升用电、配电系统的水平以及提升全民安全防范意识之外，提高电气火灾探测技术和预警技术是预防和减少电气火灾的最为有效的方法。

目前，我国进行电气火灾探测技术的主要是针对线路的剩余电流和温度进行检测，根据剩余电流和温度的检测值进行判断以达到提前发现火灾隐患的目的。尽管在预防电气火灾方面有一定的效果。但是该技术无法检测因接触不良、短路、接地故障所产生的故障电弧。而由于故障电弧引发的火灾占火灾总数较大的份额。因此对于故障电弧的准确检测对于预防电气火灾具有重要的意义。

目前现有的故障电弧检测方法包括三周期法，频域上的信号处理方法等，但是这些方法都是基于微处理器的运算，由于故障电弧的频域范围较宽，要想精确预测，对微处理器的性能要求很高，导致整体成本偏高。特别是目前现有的故障电弧检测装置没有将故障电弧检测，实时通讯和报警信息主动上报等三项功能集为一体，不能在火灾产生的初期第一时间给出预警信息，也不具备电气火灾监控所特有的迅速定位故障点及自动辨别故障类别功能。

发明内容

本发明的主要目的是旨在提供一种能识别故障电弧的电气火灾探测装置，该装置能方便接入现有电气火灾监控系统，能实时监测被监控线路或设备的电压电流及故障电弧的数据，能在故障电弧超出报警阈值后立即发出报警信号，报警信号能保持，需经现场确认后并发送复位命令后才能解除。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种故障电弧式电气火灾监控探测装置，包括电源变换电路，用于输入电压变换成各电路单元所需要直流电压，提供电源电压采样信号；

同步信号提取电路，用于提取输入电压过零点信号，作为周期电流及电压信号的采样时基；

电压参考基准产生电路，用于为电压和电流信号放大电路和频谱特征脉冲提取电路提供参考基准电压，实现双极性输入和单极性输出的转换；

输入电压信号取样放大电路，用于对输入市电电压信号进行取样和放大；；

输出电流信号取样放大电路，用于对电流互感器提取的电流信号进行取样放大；

电弧频谱特征提取电路，用于提取故障电弧的典型特征频谱，并对滤波后的信号进行放大处理；

频谱特征脉冲整形电路，用于对提取到的频谱信号根据其电压幅值转换成不同脉宽的脉冲信号用于故障电弧特征辨别；

对各功能单元采集的数据进行处理和输出控制信号的DSP处理单元。

检测流经探测器的输入电压和输出电流，以输入电压过零触发信号作为电流、电压瞬时值采样及计算的同步信号。处理器在每半个周期对电流、电压的有效值进行计算，对电流瞬时值进行故障电弧特征分析。

电流互感器的输出连接了两个不同增益的放大电路，选择高输入增益放大电路的输出连接到电弧频谱特征提取电路的输入，经放大和脉冲形成电路作为串并联故障电弧频域特征分析的输入参量。同时该放大电路的输出连接至微处理器的ADC的输入端作为串联故障电弧特征时域分析的输入参量。选择低输入增益的放大电路的输出连接至微处理器的ADC的输入端作为并联故障电弧的特征时域分析的输入参量。

一种判定故障电弧和报警的方法包括：在每半周期同步信号触发后选择前４个的半周期内电流ＡＤＣ采样的瞬时值计算结果进行故障电弧特征辨别，选择前４个的半周期内检测到脉冲，根据其相位及数量进行故障电弧特征辨别，要求所选择的４个半周期在时间上是连续的。对两种辨别结果都满足判定依据的定义为检测到一个故障电弧。预设一个时间窗口，窗口单位为1秒，在每个半周期同步信号后判断故障电弧特征，以第一检测到的故障电弧特征作为预设时间窗口的起点，记录每次检测到故障电弧特征后所对应时间窗口的位置（相对于起点的时间长度）在预设的时间窗口内检测到故障电弧的数量大于预设值时触发报警，如果故障电弧的数量没有达到预设值且当前位置等于单位时间窗口则重新调整时间窗口的起点，选择检测到的第二个故障电弧的位置作为窗口的起点。依次类推。

本发明能实时监控通信总线的读写命令并将检测到的电压及电流的有效值及故障电弧数量上通过ＣＡＮ总线上传至电气火灾监控设备。检测到故障电弧满足报警条件后，根据被保护线路的级别选择是否切断故障电源，同时发出光报警信号并保持，直至手动服位。同时主动发出一条报警命令通过ＣＡＮ总线上传至监控设备。

本发明的有益效果是：该探测装置可以有效的对配电回路中接触不良产生的故障电弧进行监测，同时也能对过流或短路时产生的故障电弧进行监测，增加了实时通讯功能，数据实时通讯，报警信息主动上报。该装置能方便接入现有电气火灾监控系统，能实时监测被监控线路或设备的电压电流及故障电弧的数据，能在故障电弧超出报警阈值后立即发出报警信号，报警信号能保持，需经现场确认后并发送复位命令后才能解除。在故障电弧检测方面与现有技术相比能大大减少微处理器的运算量，故障电弧识别方法主要采用了时域和频域同时运算处理的方法，DSP处理单元只对脉冲进行相位识别和脉冲计算，不需要进行高速数据采样和FFT处理等算法，从而使的对处理器的性能的要求大大的降低，通过对频域和时域的运算处理结果实现了故障电弧特征的辨别，此方法受负载的类别影响较小，且能对小电流信号故障电弧有效的识别。

附图说明

图1故障电弧式电气火灾监控探测器原理框图；

图2电源变换及同步信号提取电路图；

图3电压参考基准产生电路图；

图4输入电压信号取样放大电路图；

图5输出电流信号取样放大电路图；

图6电弧频谱特征提取电路图；

图7频谱特征脉冲整形电路图；

图8 CAN通讯接口电路图；

图9基于DSP的信号处理电路图；

图10输出控制及工作状态指示电路图；

图11故障电弧识别运算周期示意图；

图12故障电弧识别流程示意图；

图13故障电弧报警确认流程示意图；

图14数据通讯流程图；

图15报警信号处理流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

故障电弧式电气火灾监控探测装置原理框图如图1所示，主要包括电源变换单元，输出电流信号取样放大单元，电弧频谱特征提取单元，频谱脉冲整形单元，电压参考基准，输入电压信号取样放大单元，DSP处理单元， CAN的通讯接口单元，输出控制及指示单元等组成。

检测流经探测器的输入电压和输出电流，以输入电压过零触发信号作为电流、电压瞬时值采样及计算的同步信号。处理器在每个电压半个周期对电流、电压的有效值进行计算，对电流瞬时值进行故障电弧特征分析，处理流程参加图12。

电流互感器的输出连接了两个不同增益的放大电路，选择高输入增益放大电路的输出连接到电弧频谱特征提取电路的输入，经放大和脉冲形成电路作为串并联故障电弧频域特征分析的输入参量。同时该放大电路的输出连接至微处理器的ADC的输入端作为串联故障电弧特征时域分析的输入参量。 选择低输入增益的放大电路的输出连接至微处理器的ADC的输入端作为并联故障电弧的特征时域分析的输入参量。

探测器实时监控通信总线的读写命令并将检测到的电压及电流的有效值及故障电弧数量上通过ＣＡＮ总线上传至电气火灾监控设备。检测到故障电弧满足报警条件后，根据被保护线路的级别选择是否切断故障电源，同时发出光报警信号并保持，直至手动服位。同时主动发出一条报警命令通过ＣＡＮ总线上传至监控设备。

图2是电源变换电路，同步信号提取电路。

如图2所示：电源变换单元将AC220V电源输入电压变换成探测器各电路单元所需要的DC5V和DC3.3V直流电压。同时实现电源输入电路和探测器信号处理电路的电气隔离。同时还提供一组电源电压采样信号，用于电源电压的检测。

电源变换单元由工频电源变压器T1，整流桥Z1，输入端滤波电容C9，C5，C11。三端稳压器U5，U7输出端滤波电容C6，C7，C10，C12。自恢复保险PTC1，压敏电阻VSR1 等组成。电源变换电路中还包括：工频电源电压检测取样单元，由变压器T1辅助绕组及电阻R12实现。工频电源电流检测取样单元由互感器CT1及电阻R25实现。同步信号提取电路提取输入电压过零点信号，作为周期电流及电压信号的采样时基。也用于故障电弧识别。主要由限流电阻R11 ,光耦U2，U3，三级管Q1，偏置电阻R3和R4组成。主要作用提取输入电压的过零信号，在进行时域和频域的运算处理时用作基准同步时基信号。

压敏电阻VSR1用作输入过压保护，自恢复保险PTC1实现对各功能单元出现过电流故障进行保护。

技术方案中所给出的故障电弧的检测主要是通过检测电压和电流的特征参数实现的，交流电压和电流信号需要变换成单极性信号给ADC转换单元，如图3所示电压参考基准主要作用为被测的交流信号提供偏置。元件包括电阻 R1,R6,R10，R9，R2，电容C2，运放U1等构成。

技术方案中给出的输入电源电压的信号放大电路如图4所示，电路主要对叠加直流偏置的交流双极性信号进行低通滤波和信号放大。该电路主要包括电阻R5，R7，C1，R8电容C1，C3及运放U1组成。

关于输出电流信号取样的选择应充分考虑到两个特定的限值，研究表明仅仅2A~10A的电弧电流就可以产生2000℃~4000℃的局部高温，0.5A的电弧电流就足以引发火灾。另一方面通过引用美国的UL1699规定：故障电弧探测保护装置应能对短路故障引发的电弧进行识别和保护。上述条件说明故障电弧式电气火灾监控探测器应能兼顾对小于数倍额定电流和超出数倍额定电流的两种极限进行识别。本方案中给出的关于电流信号的取样和放大是通过两个不同增益的且相互独立的电路实现的，其中小于额定电流包括额定电流的检测以U8的输出信号参与计算。大于额定电流的检测以电流增益衰减10的U10的输出参与计算。如图5所示输出电流信号取样放大电路主要包括电阻R29，R32，R38，R40，R41，R35，R42电容C16，C17，C24，C25，C22，C23运放U8，U10,电压抑制器DZ1和DZ2组成。

故障电弧的典型特征之一是电压和电流有比较宽范围的频谱分布，本专利主要对电流的2KHZ-100KHZ的频率成分进行取样并进行放大。如图6所示电弧频谱特征提取电路主要包括一组高通滤波器，一组低通滤波器，和一组通带放大器等组成。高通滤波器由电阻R34，R36，电容C14，C15和运放U8组成。低通滤波器由电阻R30，R31,C19，C21和运放U9B组成。通带放大器由电阻R33，R39，R37电容C18，C20和U9A组成。

本专利给出的故障电弧识别方法，主要包括对所检测频带范围内的脉冲个数，脉冲的宽度，脉冲的相位。专利还包含一个由同步时基所给定的采样运算窗口，得到的脉冲会自动填入相应的窗口中进行运算处理。如图7所示：本单元电路主要作用是对由ARC-IN的输入信号的幅值与给定的阈值进行比较并根据其谐波分量的大小转换成不同脉宽的脉冲，同时也将输入信号分离出正负两个半轴的脉冲信号。然后由ARC-OUT输出至基于DSP的信号处理单元。

本单元电路主要由电阻R13，R14，R15，R16，R18，R19，R21，R22，R23，R27，R28,电容C4，C8，C13比较器U4整理元件D1和模拟开关U6组成。

本专利的主要包括接入电气火灾监控系统典型接口电路，根据故障电弧引发火灾特点：在很短的时间内可以直接引燃周围的可燃物并引发火灾。因此探测器应该具备当检测到故障电弧特征信息后，并经过几个半周期的识别和确认后能立即将报警信息上传至监控设备，同时在操作级别允许的范围内输出控制信号切断故障电源，并确保在失电之前发送一帧报警消息给上位机。因此本专利采用基于CAN总线的无主从通讯方式来满足报警要求。如图8所示：本单元电路主要由电阻R43，R44电容C26浪涌抑制器U11，TVS2快恢复保险PTC2，PTC3和CAN驱动器U12组成。

本专利给出识别故障电弧的方法主要包括：在同步时基信号的触发下定时采集线路电压和电流信号，进行时域和频域分析，提取出主要特征参数并与保存在芯片内部的特征参数进行对比，在给定的时间内（本专利给定为1S）判定具有半个周期故障电弧特征的个数（本专利给定为10个半工频电压周期）确认是否报警。为满足上述数据采集运算处理方面的要求，本专利选用了集成有DSP处理能力的MCU，主要特点包括：运算处理速度：60MHz主频；3个32 位CPU 定时器；SARAM 高达20KB；2组多通道12位高速ADC，4.6MHz采样速率；支持 IEEE 单精度浮点运算，单周期浮点加、减、乘法；增强型局域网控制器（eCAN）等。如图9所示给出了处理单元的外围接口电路。主要包括电阻：R49-R71，电容C27-C40,仿真器接口JP1,石英晶振,TX1，电感L1等组成。

本专利包括探测器的输出控制及状态指示电路如图10所示，输出控制电路主要由电阻R20，R24，三级管Q1，二极管D2，继电器K1，输出端子P1等组成，主要作用是探测器检测到故障电弧报警时通过控制继电器K1，间接控制外接的分励脱扣装置实现切断故障电源功能。状态指示电路主要由电阻R45，R46，R47，R48，触发器U13，LED1-LED4指示灯组成。四个工作状态指示灯功能为1电源指示,2故障电弧报警指示，3通讯指示,4过流指示。

故障电弧的识别算法：

本专利所提到的故障电弧识别方法主要采用了时域和频域同时运算处理的方法，时域方面通过在给定的时间窗口中对采集的电压电流信号进行运算，包括计算每半个周期内电流有效值 ，自动选择不同增益电流放大电路的输出数据作为故障电弧识别运算处理单元，可以对串联或并联故障电弧有效的识别。（注:串联故障电弧一般小于或等于额定电流，并联故障电弧大于额定电流或者是几倍的额定电流），频域方面因为采用了基于硬件的电弧频谱特征提取电路，和脉冲整形电路，DSP处理单元只对脉冲进行相位识别和脉冲计算，不需要进行高速数据采样和FFT处理等算法，从而使的对处理器的性能的要求大大的降低。通过对频域和时域的运算处理结果实现了故障电弧特征的辨别，此方法受负载的类别影响较小，且能对小电流信号故障电弧有效的识别。

如图11所示，首先预设一个时间窗口Tw，作为故障电弧报警的判定时基。时间窗口单位时间给定为1s,然后以频率为50HZ的正弦半个周期T作为基本的计数单元，以电压过零点Pv作为同步信号触发计数单元，给每个计数单元设定一组时间标号，记为T1，T2，T3，T4---Tn。每半个正弦周期时间标号Tn加1，选取连续的4个计数单元Tc=4*T作为故障电弧特征识别运算周期。软件在每个电压过零中断触发后开始判定故障电弧特征，识别方法主要包括：(1)在每个运算周期 Tc的最后一个采样周期T4内进行识别故障电弧，计算每个半周期T1，T2，T3相邻两个采样点的电流积分值，计算T1周期和T2周期内各采样点对应In绝对值，计算T2周期和T3周期内各采样点对应In绝对值，计算T1周期和T3周期内各采样点对应In绝对值，计算T1和T2周期In值加上T2和T3周期In值，得到的结果与T1周期和T3周期In求绝对值ΣIn。保存每个采样区间对应的ΣIn值。(2)读取T1，T2，T3，T4周期是否有故障电弧特征脉冲产生，读取故障电弧特征脉冲Pu产生的相位区间（相位区间以半周期T中所选取的ADC采样周期确定）,查表滤除干扰脉冲和周期性脉冲，判断相位区间内的特征脉冲Pu是否大于给定阈值，判断T1-T4周期检测到的特征脉冲的相位差值是否大于给定阈值。（3）读取T3采样周期内IaN的采样值判断是否有平肩特征，确定平肩特征所在的相位区间。（4）如果平肩特征所在的区间也有特征脉冲Pu则判定当前运算周期有故障电弧产生。如果采样区间对应的ΣIn值大于给定阈值且此区间也有特征脉冲Pu 产生则判定当前运算周期有故障电弧产生。

故障电弧报警确认算法：

软件在每个电压过零中断触发后开始判定故障电弧特征，如果符合判定依据故障电弧数加1，并记录当前故障电弧所处计数单元的时间标号Tn，以判定得出的第一个故障电弧时间标号Tn作为当前时间窗口起点。每次电压过零中断触发后计算预设时间窗口Tw中故障电弧的个数，判定预设时间窗口中故障电弧的个数是否大于10，如果大于10判定为故障电弧符合报警条件，调用故障电弧报警程序。如果不满足报警条件的判定依据开始计算当前故障电弧时间标号和第一个故障电弧时间标号时间差，如果大于预设时间窗口，调整时间窗口的起点，将第二个故障电弧的时间标识作为新的时间窗口的起点。程序流程图如图13所示。

如图14所示，数据通讯主要包括探测器实时监测CAN总线的数据，通过对总线上ID号和命令帧的识别，如果和本机ID一致的发出相应的响应数据。命令帧主要包括：读取当前的测量数据（电压有效值，电流有效值及故障电弧数）。复位探测器报警命令，远程切断电源操作命令（控制输出继电器K1动作）。

如图15所示，报警信号的处理主要包括点亮报警信号指示灯，读取预设的负载保护级别，根据预设的保护级别判定是否执行自动切断故障电源的操作（控制输出继电器K1动作）。同时向监控设备发出报警信息。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1. 一种故障电弧式电气火灾监控探测装置，其特征在于，包括电源变换电路，用于输入电压变换成各电路单元所需要直流电压，提供电源电压采样信号；

同步信号提取电路，用于提取输入电压过零点信号，作为周期电流及电压信号的采样时基；

电压参考基准产生电路，用于为电压和电流信号放大电路和频谱特征脉冲提取电路提供参考基准电压，实现双极性输入和单极性输出的转换；

输入电压信号取样放大电路，用于对输入市电电压信号进行取样和放大；

    输出电流信号取样放大电路，用于对电流互感器提取的电流信号进行采样放大；

电弧频谱特征提取电路，用于提取故障电弧的典型特征频谱，并对滤波后的信号进行放大处理；

频谱特征脉冲整形电路，用于对提取到的频谱信号根据其电压幅值转换成不同脉宽的脉冲信号用于故障电弧特征辨别；

对各功能单元采集的数据进行处理和输出控制信号的DSP处理单元。

2.根据权利要求1所述的故障电弧式电气火灾监控探测装置，其特征在于，所述DSP处理单元在每半个周期对电流、电压的有效值进行计算，对电流瞬时值进行故障电弧特征分析。

3.根据权利要求1所述的故障电弧式电气火灾监控探测装置，其特征在于，所述电流互感器的输出连接有高输入增益放大电路和低输入增益放大电路，所述高输入增益放大电路的输出连接到电弧频谱特征提取电路的输入，经放大和脉冲形成电路作为串并联故障电弧频域特征分析的输入参量，同时该放大电路的输出连接至DSP处理单元的ADC的输入端作为串联故障电弧特征时域分析的输入参量，所述低输入增益的放大电路的输出连接至DSP处理单元的ADC的输入端作为并联故障电弧的特征时域分析的输入参量。

4.根据权利要求1所述的故障电弧式电气火灾监控探测装置，其特征在于，所述频谱特征脉冲提取电路，包括高通滤波器、低通滤波器和通带增益放大器。

5.根据权利要求4所述的故障电弧式电气火灾监控探测装置，其特征在于，所述滤波器的带宽为2K-100KHZ。

6.根据权利要求1-5任一项所述的故障电弧式电气火灾监控探测装置，其特征在于，还包括有与上位机通讯，将报警信息的实时传送的CAN通讯接口电路。

7.根据权利要求1-5任一项所述的故障电弧式电气火灾监控探测装置，其特征在于，还包括用于切断故障电源的输出控制电路。

8.根据权利要求1所述的故障电弧式电气火灾监控探测装置的故障电弧的判定和报警方法为：

（1）在每半周期内，同步信号触发后选择前４个半周期内电流采样的瞬时值计算结果进行故障电弧特征辨别；

（2）选择前４个半周期内检测到的脉冲，根据其相位及数量进行故障电弧特征辨别；

（3）对两种辨别结果都满足判定依据的定义为检测到一个故障电弧；

（4）预设一个时间窗口，在每个半周期同步信号后判断故障电弧特征，以第一检测到的故障电弧特征作为预设时间窗口的起点，记录每次检测到故障电弧特征后所对应时间窗口的位置，在预设的时间窗口内检测到故障电弧的数量大于预设值时触发报警，如果故障电弧的数量没有达到预设值且当前位置等于单位时间窗口则重新调整时间窗口的起点，选择检测到的第二个故障电弧的位置作为窗口的起点。

9.根据权利要求8所述的故障电弧的判定和报警方法，其特征在于，所选择的４个半周期在时间上是连续的。