CN104251945A - 电弧故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电弧故障检测装置，连接到具有开关电路的交流电路中，包括电源电路、信号采样电路、信号处理电路和脱扣电路；电源电路对获取的交流电进行限流、整流和滤波，电源电路向信号采样电路和信号处理电路供电；信号采样电路包括串接在交流电路中的互感器，通过互感器获取交流电路中的电流信号，将电流信号转换为电压信号，经滤波和放大后再进行A/D转换获得数字信号；信号处理电路根据信号采样电路获取的数字信号判断是否为电弧故障，在判断为电弧故障时产生脱扣控制信号并发送给脱扣电路；脱扣电路包括信号接收电路、可控硅和磁通，信号接收电路在接收到脱扣控制信号时控制可控硅和磁通使得开关电路断开。

Description

电弧故障检测装置

技术领域

本发明涉及低压电器技术领域，更具体地说，涉及一种电弧故障检测装置。

背景技术

城市的发展，建筑物的火灾事故，尤其是电气火灾事故，对人们的生命和财产造成越来越大的威胁。每年火灾事故中，电气火灾高居首位，且所占比例呈上升趋势，造成的损失十分惨重。

现有的传统的过电流保护电器和剩余电流保护电器对电气线路中由于短路、过负荷、接地故障电流等引起的电气火灾起了很好的防护作用，在一定程度上减轻了电气火灾的影响，但是对电弧故障引起的电气火灾不能防护。

发明内容

本发明旨在提出一种具备电弧故障检测功能的装置。

根据本发明的一实施例，提出一种电弧故障检测装置，连接到交流电路中，所述交流电路的输入端和输出端之间串接有开关电路，该电弧故障检测装置包括电源电路、信号采样电路、信号处理电路和脱扣电路；电源电路的输入端连接到所述交流电路的输出端，电源电路对从交流电路的输出端获取的交流电进行限流、整流和滤波，电源电路的输出端向信号采样电路和信号处理电路供电；信号采样电路包括串接在交流电路中的互感器，通过互感器获取交流电路中的电流信号，将电流信号转换为电压信号，经滤波和放大后再进行A/D转换获得数字信号；信号处理电路，包括微处理控制单元和辅助电路，由信号采样电路获取的数字信号输入微处理控制单元，微处理控制单元依据数字信号判断是否为电弧故障，在判断为电弧故障时产生脱扣控制信号并发送给脱扣电路；脱扣电路包括信号接收电路、可控硅和磁通，信号接收电路在接收到脱扣控制信号时控制可控硅和磁通使得开关电路断开，切断交流电路的输入端和输出端。

在一个实施例中，电源电路包括输入级电路、功率处理级电路和输出级电路；输入级电路包括用于抑制浪涌的压敏电阻、用于限流的限流电阻、由整流二极管构成的半波整流电路、以及由电容和电感构成的π型滤波电路；功率处理级电路包括电源开关芯片、分压电阻、旁路电容、由二极管和电容组成的自调节稳压电路、储能电容、降压限流电阻、三端稳压基准源及其调整电阻、以及滤波电阻；输出级电路包括限流电阻、滤波电容和电源指示灯。

在一个实施例中，信号采样电路从交流电路中采集工频信号和高频信号，对于所采集的工频信号和高频信号，分别将电流信号转换为电压信号，经滤波和放大后再进行A/D转换获得数字信号。

在一个实施例中，信号采样电路包括工频采样电路，包括：第一互感器，串接在交流电路中采集工频电流信号；采样电阻，将电流信号转换为电压信号；双向二极管，对电压信号进行限压；低通放大电路，包括第一运算放大器和一组电阻，低通放大电路的输出连接至微处理控制单元的管脚；低通滤波电路，包括第二运算放大器和一组电阻，低通滤波电路的输出连接至微处理控制单元的管脚；偏压电路，向第一和第二运算放大器提供偏置电压，还通过跟随电阻连接至微处理控制单元的管脚。

在一个实施例中，信号采样电路包括高频采样电路，包括：第二互感器，串接在交流电路中采集高频电流信号；高通滤波电路；包络检波电路；二极管滤波电路；二极管限压电路；放电回路；信号放大电路，包括第三运算放大器和一组电阻，信号放大电路的输出连接至微处理控制单元的管脚；接地电阻，提供快速放电通路。

在一个实施例中，信号处理电路包括微处理控制单元、用于下载单片机程序的下载头、滤波电容、按键电路、复位电路、外部时钟源、分压电路，所述下载头、滤波电容、按键电路、复位电路、外部时钟源、分压电路连接到微处理控制单元管脚。

在一个实施例中，信号接收电路包括限流分压电阻、滤波电路和分压电路，信号接收电路从微处理控制单元接收脱扣控制信号，滤波电路防止可控硅的误导通，分压电路调整可控硅的控制级的电压。

本发明的电弧故障检测装置具有串联电弧检测、并联电弧检测以及接地电弧检测功能，它能检测电气线路中的电弧故障，并在引发电气火灾以前切断电路，弥补了其他保护装置的不足，有效地防止电弧故障引起的电气火灾，极大地提高了电气火灾的防护水平。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置的电路结构图。

图2揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中电源电路的输入级电路的电路图。

图3揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中电源电路的功率处理级电路的电路图。

图4揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中电源电路的输出级电路的电路图。

图5揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置的信号采样电路中工频采样电路的电路图。

图6揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中信号采样电路中高频采样电路的电路图。

图7揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中信号处理电路的电路图。

图8揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中信号处理电路中微处理控制单元的外围电路框图。

图9揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中脱扣电路的电路图。

具体实施方式

参考图1所示，图1揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置的电路结构图。该电弧故障检测装置100连接到交流电路中，交流电路的输入端Lin及Nin和输出端Lout及Nout之间串接有开关电路K，该电弧故障检测装置100包括电源电路102、信号采样电路104、信号处理电路106和脱扣电路108。

电源电路102的输入端连接到交流电路的输出端Lout及Nout，电源电路102对从交流电路的输出端获取的交流电进行限流、整流和滤波，电源电路的输出端向信号采样电路104和信号处理电路106供电。电源电路采用开关电源芯片。电源电路的拓扑结构为降压型（BUCK）。交流220V经限流、整流、滤波再输入到集成开关电源芯片。输入级电源滤波电路的作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。市电经整流和电容滤波后，形成直流高电压（供给开关电源芯片，构成DC/DC变换器，它将输入的直流高压变成所需要的直流小电压输出。电路的工作频率为66kHz，振荡元件已固化在开关电源芯片内。电源电路102具有体积小、抗干扰能力强、可靠性高、输入电压范围宽等特点。

电源电路102包括输入级电路、功率处理级电路和输出级电路。图2揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中电源电路的输入级电路的电路图。输入级电路包括用于抑制浪涌的压敏电阻、用于限流的限流电阻、由整流二极管构成的半波整流电路、以及由电容和电感构成的π型滤波电路。参考图2所示，压敏电阻RY1对来自加流电路的L、N线的市电起浪涌抑制与浪涌保护作用。限流电阻RF1可以抑制开机瞬间冲击，并能够起到保护磁通的作用，还可消减高频干扰。整流二极管VD2、VD6起半波整流作用，构成半波整流电路。电解电容C5、C6及工字电感L3组成π型滤波电路，减少传导发射干扰，同时也能减少电网干扰对后续电路的影响。图3揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中电源电路的功率处理级电路的电路图。功率处理级电路包括电源开关芯片、分压电阻、旁路电容、由二极管和电容组成的自调节稳压电路、储能电容、降压限流电阻、三端稳压基准源及其调整电阻、以及滤波电阻。如图3所示，开关电源芯片U4能够将半波整流后的电压降低并稳定在所需值，该值由分压电阻R2、R4值决定，具体计算方式为R4/1.65×(R2+R4)V。电容C1为旁路电容，实现高频去耦与能量存储。电感L2与快恢复二极管VD1起储能续流作用。二极管VD4与VD1有相同的正向导通电压，可以保证电容C4两端电压实时跟踪输出端的电压，构成自调节稳压电路，达到自动调节稳压的效果。储能电容C7起储能作用，限制输出电压的纹波。降压限流电阻R6起降压限流作用，在前端异常时可保护后续电路不受损坏。三端稳压基准源U2（TL431）的参考极是一个2.5V的基准，经过调整电阻R5与R8调整可以在输出端得到(1+R5/R8)×2.5V的电压。图4揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中电源电路的输出级电路的电路图。输出级电路包括限流电阻、滤波电容和电源指示灯。如图4所示，限流电阻R1起滤除高频干扰的作用。发光二极管VD3为电源指示灯，电阻R3限流作用，降低VD3功耗。滤波电容C2、C3起滤波作用。

信号采样电路104包括串接在交流电路中的互感器，通过互感器获取交流电路中的电流信号，将电流信号转换为电压信号，经滤波和放大后再进行A/D转换获得数字信号。在一个实施例中，信号采样电路102从交流电路中采集工频信号和高频信号，对于所采集的工频信号和高频信号，分别将电流信号转换为电压信号，经滤波和放大后再进行A/D转换获得数字信号。信号采样电路104执行如下的操作：电流信号检测、前端预处理、后端A/D转换。后端A/D转换由微处理单元内部集成A/D转换器来完成。电流信号的检测主要指通过罗氏线圈互感器来获取线路上的电流信号，分高频与工频两路，双互感器采样可以减少高频信号与工频信号的互相干扰，提高采样数据的准确性；预处理主要指对获取到的电流信号进行整流、滤波、放大等处理，将电流信号转换成电压信号并满足后端A/D采样的电压范围要求。

图5揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置的信号采样电路中工频采样电路的电路图。如图5所示，信号采样电路中的工频采样电路包括串接在交流电路中采集工频电流信号的第一互感器、将电流信号转换为电压信号的采样电阻、对电压信号进行限压的双向二极管、低通放大电路，低通放大电路包括第一运算放大器和一组电阻，低通放大电路的输出连接至微处理控制单元的管脚；低通滤波电路，低通滤波电路包括第二运算放大器和一组电阻，低通滤波电路的输出连接至微处理控制单元的管脚；偏压电路，偏压电路向第一和第二运算放大器提供偏置电压，还通过跟随电阻连接至微处理控制单元的管脚。偏置电路包括偏置电阻R22、R26，偏置电阻R22、R26进行分压提供VDD/2偏置电压给运算放大器，包括第一运算放大器和第二运算放大器。偏置电路同时还通过一个跟随电路通过跟随电阻R39连接到微处理单元的AD3端口。第一互感器L5是罗氏线圈互感器，感应交流电路中的电流信号。电流信号经过采样电阻R40转换为电压信号。双向二极管D1起限压作用，防止浪涌电流影响。电阻R17与电容C14组成一个截止频率为100Hz的滤波电路。低通放大电路由电阻R21、R19、C15与第一运算放大器组成，低通放大电路在输入电流在200A时输出将达到满偏，低通放大电路的输出连接单片机AD0端口。电阻R20、R12、R18，电容C12与第二运算放大器组成低通滤波电路，低通滤波电路在输入电流达到40A时输出将达到满偏，低通滤波电路连接单片机AD4端口。

图6揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中信号采样电路中高频采样电路的电路图。高频采样电路包括串接在交流电路中采集高频电流信号的第二互感器、高通滤波电路、包络检波电路、二极管滤波电路、二极管限压电路、放电回路、信号放大电路，包括第三运算放大器和一组电阻，信号放大电路的输出连接至微处理控制单元的管脚、接地电阻，提供快速放电通路。如图6所示，第二互感器L4是罗氏线圈互感器，感应交流电路中的电流信号。电容C17与电阻R32、R36组成的高通滤波电路。双向二极管D2、D3与电容C18组成的包络检波电路。同时双向二极管D2、D3的正向导通电压可以滤除信号中的小信号杂波干扰，构成二极管滤波电路。二极管VD9起限压保护作用，形成二极管限压电路。电阻R15为C18形成放电回路，放电周期为67us，保证采样信号的有效性。同时R15、电阻R34、R29与第三运算放大器组成信号放大电路，信号放大电路的输出通过电阻R33接单片机AD7端口。接地电阻R31提供快速放电通路。

信号处理电路106包括微处理控制单元MCU和辅助电路，由信号采样电路104获取的数字信号输入微处理控制单元MCU，微处理控制单元MCU依据数字信号判断是否为电弧故障，在判断为电弧故障时产生脱扣控制信号并发送给脱扣电路108。信号处理电路中108中的微处理控制单元MCU主要完成以下3个功能：1）电弧故障检测与判断；2）指示脱扣；3）功能测试。电弧故障检测与判断部分主要负责对A/D转换得到的数据进行数据统计处理和算法分析，进行电弧故障的检测，判断是否存在电弧故障；若存在故障电弧，则向脱扣电路发出脱扣命令，指示脱扣；功能测试指的是对AFDD进行功能性验证，判断AFDD工作状态，确定其能否正常使用。信号处理电路106包括微处理控制单元MCU、用于下载单片机程序的下载头、滤波电容、按键电路、复位电路、外部时钟源、分压电路，所述下载头、滤波电容、按键电路、复位电路、外部时钟源、分压电路连接到微处理控制单元管脚。图7揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中信号处理电路的电路图。图8揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中信号处理电路中微处理控制单元的外围电路框图。如图所示，P2为下载头，用于下载供微处理控制单元MCU使用的程序。下载头P2的1脚接微处理控制单元MCU的程序烧入管脚，2脚接地，3、5脚悬空，4脚接微处理控制单元MCU的复位管脚，6脚接VDD。电容C10、C11为滤波电容，并联接在微处理控制单元MCU的VDD与VSS之间。电容C16和头P3组成按键电路，电容C16起滤波作用，防止误触发，接微处理控制单元MCU的第7管脚。电阻R16与电容C13串接同时接微处理控制单元MCU的复位管脚，构成复位电路提供复位电平。电阻R25、R27，晶振XTAL为单片机提供外部时钟源。电阻R23、R28分别接单片机的I/O口第10、11管脚，与电阻R35组成分压电路，提供测试用电压波形。微处理控制单元MCU的第8管脚、第15管脚接信号指示灯，微处理控制单元MCU的第9管脚、第12管脚、第13管脚、第16管脚接四路采样信号（来自信号采样电路），微处理控制单元MCU的第14管脚接脱扣电路108。图7是围绕微处理控制单元的具体电路图，图8是微处理控制单元的外围电路框图。

脱扣电路108包括信号接收电路、可控硅和磁通，信号接收电路在接收到脱扣控制信号时控制可控硅和磁通使得开关电路断开，切断交流电路的输入端和输出端。脱扣电路的功能是分断电路，主要是为了保证检测到电弧故障信号时，能在短时间内执行脱扣动作（断开交流电源），保护整个电路的安全。当检测到的异常信号经处理分析后被确认为电弧故障信号，单片机立即通过控制信号令可控硅导通，此时磁通回路中产生一个很大的电流，脱扣机构执行脱扣动作。脱扣电路108中的信号接收电路包括限流分压电阻、滤波电路和分压电路，信号接收电路从微处理控制单元接收脱扣控制信号，滤波电路防止可控硅的误导通，分压电路调整可控硅的控制级的电压。

图9揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中脱扣电路的电路图。如图9所示，微处理控制单元MCU的第14管脚作为控制I/O口，输出高电平为脱扣有效信号。电阻R10为限流分压电阻，防止三级管V1导通时将VDD拉低。电容C8为滤波电容，防止上电瞬间与其它干扰可能造成的三极管V1误导通。电阻R7、R14与三极管构成分压电路，电阻R38连接GND与GND-M，保证可控硅Q1控制级的电压。电阻R9、R11、C9组成滤波电路，防止上电瞬间与其它干扰可能造成的可控硅Q1误导通。可控硅Q1导通后，限流电阻RF1、磁通L1、二极管VD5、可控硅Q1与交流电路的L、N线组成回路，产生很大电流，磁通L1形成磁力，脱扣机构动作，断开电源。限流电阻RF1、磁通L1、二极管VD5、可控硅Q1也可以视为是串接在交流电路中的开关电路K。

本发明的电弧故障检测装置具有串联电弧检测、并联电弧检测以及接地电弧检测功能，它能检测电气线路中的电弧故障，并在引发电气火灾以前切断电路，弥补了其他保护装置的不足，有效地防止电弧故障引起的电气火灾，极大地提高了电气火灾的防护水平。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (7)

1.一种电弧故障检测装置，其特征在于，连接到交流电路中，所述交流电路的输入端和输出端之间串接有开关电路，该电弧故障检测装置包括电源电路、信号采样电路、信号处理电路和脱扣电路；

电源电路的输入端连接到所述交流电路的输出端，电源电路对从交流电路的输出端获取的交流电进行限流、整流和滤波，电源电路的输出端向信号采样电路和信号处理电路供电；

信号采样电路包括串接在交流电路中的互感器，通过互感器获取交流电路中的电流信号，将电流信号转换为电压信号，经滤波和放大后再进行A/D转换获得数字信号；

信号处理电路，包括微处理控制单元和辅助电路，由信号采样电路获取的数字信号输入微处理控制单元，微处理控制单元依据数字信号判断是否为电弧故障，在判断为电弧故障时产生脱扣控制信号并发送给脱扣电路；

脱扣电路包括信号接收电路、可控硅和磁通，信号接收电路在接收到脱扣控制信号时控制可控硅和磁通使得开关电路断开，切断交流电路的输入端和输出端。

2.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述电源电路包括输入级电路、功率处理级电路和输出级电路；

所述输入级电路包括用于抑制浪涌的压敏电阻、用于限流的限流电阻、由整流二极管构成的半波整流电路、以及由电容和电感构成的π型滤波电路；

所述功率处理级电路包括电源开关芯片、分压电阻、旁路电容、由二极管和电容组成的自调节稳压电路、储能电容、降压限流电阻、三端稳压基准源及其调整电阻、以及滤波电阻；

所述输出级电路包括限流电阻、滤波电容和电源指示灯。

3.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述信号采样电路从交流电路中采集工频信号和高频信号，对于所采集的工频信号和高频信号，分别将电流信号转换为电压信号，经滤波和放大后再进行A/D转换获得数字信号。

4.如权利要求3所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述信号采样电路包括工频采样电路，包括：

第一互感器，串接在交流电路中采集工频电流信号；

采样电阻，将电流信号转换为电压信号；

双向二极管，对电压信号进行限压；

低通放大电路，包括第一运算放大器和一组电阻，低通放大电路的输出连接至微处理控制单元的管脚；

低通滤波电路，包括第二运算放大器和一组电阻，低通滤波电路的输出连接至微处理控制单元的管脚；

偏压电路，向第一和第二运算放大器提供偏置电压，还通过跟随电阻连接至微处理控制单元的管脚。

5.如权利要求3所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述信号采样电路包括高频采样电路，包括：

第二互感器，串接在交流电路中采集高频电流信号；

高通滤波电路；

包络检波电路；

二极管滤波电路；

二极管限压电路；

放电回路；

信号放大电路，包括第三运算放大器和一组电阻，信号放大电路的输出连接至微处理控制单元的管脚；

接地电阻，提供快速放电通路。

6.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述信号处理电路包括微处理控制单元、用于下载单片机程序的下载头、滤波电容、按键电路、复位电路、外部时钟源、分压电路，所述下载头、滤波电容、按键电路、复位电路、外部时钟源、分压电路连接到微处理控制单元管脚。

7.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述信号接收电路包括限流分压电阻、滤波电路和分压电路，

信号接收电路从微处理控制单元接收脱扣控制信号，滤波电路防止可控硅的误导通，分压电路调整可控硅的控制级的电压。