CN104678254B - 电弧故障检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电弧故障检测电路，包括：电弧检测电路，用于检测供电线上的电弧，并输出第一信号；电弧筛选电路，与电弧检测电路的输出端电连接，用于去除第一信号中与电弧无关的信号，并输出第二信号；电弧处理电路，与电弧检测电路的输出端电连接，用于基于接收到的第二信号产生表征电弧故障的第三信号。本发明通过采用模拟电路来实现电弧检测，相较于传统的采用数字电路实现的产品，本发明具有精度高、成本低、功耗小以及速度快的特点。

Description

电弧故障检测电路

技术领域

本发明概括而言涉及用电安全保护领域，更具体而言，涉及一种能够精确检测并判别电弧故障的电路。

背景技术

目前，由于用户布线原因或家用电器内部的L线对N线之间、L线对L线之间、L线对地线之间产生故障电弧时，容易引起火灾等情况，对人们的财产和生命构成了极大的威胁。目前有极少的针对电弧故障检测的产品，但大多采用数字电路、微处理器MCU等来完成，这些产品的可靠性不强。譬如，数字电路或MCU在接收到检测的信号时，当检测信号不够强，处于似弧非弧状态时，往往会让电路误判，即不能正确识别电弧与非电弧信号。另外，电弧信号的检测，也会受到各种用电器负载的串扰和电磁干扰的影响，同样也会引起一些误判。

因此，亟需一种可靠性高、能够准确检测电弧信号并实现相应的供电保护的电路。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种能够准确检测电弧信号并实现相应的供电保护的电路。

根据本发明的第一个方面，提供了一种电弧故障检测电路，包括：电弧检测电路，用于检测供电线上的电弧，并输出第一信号；电弧筛选电路，与所述电弧检测电路的输出端电连接，用于去除所述第一信号中与电弧无关的信号，并输出第二信号；电弧处理电路，与所述电弧筛选电路的输出端电连接，用于基于接收到的所述第二信号产生表征电弧故障的第三信号。

根据本发明的一个实施例，所述电弧处理电路包括：电弧放大模块，用于放大所接收到的所述第二信号；电弧触发模块，与所述电弧放大模块的输出端电连接，基于放大后的所述第二信号产生振荡的所述第三信号。

如此，可以使得原始幅度较小的第二信号具有一定的驱动能力。

根据本发明的一个实施例，所述电弧放大模块包括至少一个线性放大器。

根据本发明的一个实施例，所述电弧放大模块包括两个级联的线性运算放大器。

如此，可以逐步地将放大第二信号，降低对运算放大器的要求，提高了电路的可靠性。

根据本发明的一个实施例，所述电弧触发模块包括至少一个振荡器。

根据本发明的一个实施例，所述振荡器包括至少一个运算放大器或至少一个555定时器。

根据本发明的一个实施例，所述电弧触发模块包括至少一个逻辑门电路。

根据本发明的一个实施例，所述电弧检测电路包括至少一个电弧检测环，其中，当输入至所述电弧检测环电流至少为1A时，其能够输出至少0.5V的电压。

如此，电弧检测电路能够精确地检测电弧是否存在，并且当输出具有一定的幅值时，能够便于后续电路的使用，降低了设计难度。

根据本发明的一个实施例，所述电弧筛选电路包含：稳压模块，与所述电弧检测电路电连接，用于输出与所述第一信号对应的、具有多幅值的周期性电压信号，其中所述周期性电压信号的相位一致；相移模块，与所述稳压模块的输出端电连接，用于从所述周期性电压信号中提取所述第二信号。

如此，该周期性电压信号能够精确反映出电弧检测环的周期性输出电压，进而方便后续电路进行筛选。

根据本发明的一个实施例，所述相移模块为至少两级的RC微分电路。

如此，可以将与电弧相关的较高频信号选取出来。

根据本发明的一个实施例，所述电弧故障检测电路包括：电弧故障驱动电路，包含至少一个螺线管，与所述电弧处理电路电连接，用于基于所述第三信号产生开关控制信号；开关电路，与所述电弧故障驱动电路电连接，用于根据所述开关控制信号断开或闭合所述供电线的输入/输出开关。

根据本发明的一个实施例，所述电弧故障检测电路包括：模拟电弧试验电路，其输出端连接至所述电弧筛选电路或电弧处理电路，用于产生模拟电弧信号，从而使得所述开关电路根据所述模拟电弧信号断开所述供电线的输入/输出开关。

根据本发明的一个实施例，所述模拟电弧试验电路包括用户可接触的试验开关和振荡频率大于等于100Hz的电弧振荡器，其中，所述模拟电弧试验电路根据所述试验开关的状态决定是否输出所述模拟电弧信号。

如此，便可以模拟电弧信号，从而对各模块电路进行检测。

根据本发明的一个实施例，所述电弧振荡器包括至少一个运算放大器或至少一个555振荡器或至少一个RC振荡电路或至少一个LC振荡电路。

根据本发明的一个实施例，所述LC振荡电路中，由所述螺线管作为电感元件。

如此，该LC振荡电路采用了最少的元件并且实现了电感元件复用，能够有效降低产品的体积、散热和成本。

根据本发明的一个实施例，所述电弧故障检测电路还包括：电源供电电路，其包括整流桥、螺线管，用于为所述电弧处理电路、电弧故障驱动电路以及模拟电弧试验电路提供电源。

根据本发明的一个实施例，所述电弧故障驱动电路包括可控硅元件，并且所述可控硅的控制端与所述电弧处理电路的输出端电连接。

本发明主要是通过采用模拟电路来实现电弧检测，相较于传统的采用数字电路实现的产品，本发明具有精度高、成本低、功耗小以及速度快的特点。

附图说明

通过以下参考下列附图所给出的本发明的具体实施方式的描述之后，将更好地理解本发明，并且本发明的其他目的、细节、特点和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1为电弧故障检测电路的系统架构图；

图2a为依据本发明一个实施例的电弧故障检测电路的原理图；

图2b为依据本发明一个实施例的电弧故障波形图；

图2c为依据本发明另一个实施例的电弧故障检测电路的原理图；

图3a为依据本发明另一个实施例的电弧故障检测电路的原理图；

图3b为依据本发明另一实施例的电弧故障波形图；

图3c为依据本发明另一个实施例的电弧故障检测电路的原理图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1为电弧故障检测电路的系统架构图。该电弧故障检测电路包括：电源供电电路1、电弧故障驱动电路2、开关电路3、模拟电弧试验电路4、电弧检测环5、稳压电路6、RC相移网络电路7以及电弧处理模拟电路8，其中，电弧处理模拟电路8包含第一放大电路9、第二放大电路10、第一触发电路11和第二触发电路14。

当电路正常工作无故障电弧产生时，L、N线上的电压传输波形呈规整的正弦波。当因为线路或用电器出现故障时，交流电路中产生电弧。在本实施例中，该电弧为L、N线之间的电弧。此时，串接在L线上的电弧检测环5将检测并输出包含该电弧信号的第一信号。可以理解的是，第一信号至少包含两部分：1)与所产生的电弧对应的电压信号；2)与L线上交流传输所对应的电压信号。

在开关3供电断开之前，电弧检测环5将持续传输第一信号至与其耦合的稳压电路6，从而第一信号的幅值能够得到限制，降低了对后续处理电路的要求，也增加了电路的安全性。

为了增加电弧检测环5的灵敏度，其可以采用片状的导磁材料卷绕而成，譬如，矽钢或硅钢。当电弧检测环5的输入电流为1A时，其能够至少产生0.5V的电压。

相移网络电路7用于从稳压电路6的输出的第一信号中筛选出于仅仅与该电弧相关的信号，即滤除第一信号中与L线上交流传输所对应的电压信号。然后，相移网络电路7将仅与该电弧相关的信号，即第二信号，传输至电弧处理模拟电路8。

随后，由电弧处理模拟电路8对所接收到的第二信号进行处理，并产生用于触发电弧故障驱动电路2的第三信号，从而改变L、N线的连接状态。显然，第三信号能够表征L、N线之间的电弧。

优选的，为了让用户能够了解电弧故障检测电路是否存在工作故障或测试各个模块的性能，本实施例还包含模拟电弧试验电路4。在图1中，该电路的输出端耦合至相移网络电路7，从而当模拟电弧试验电路4根据用户的需求发出模拟电弧信号时，相移网络电路7将从接收到的模拟电弧信号中选出与电弧故障相关的信号，进而发送至电弧处理模拟电路8。若电弧故障驱动电路2能够根据接收到的模拟电弧信号切断L、N线的供电传输，则说明RC相移网络电路7与电弧故障驱动电路2之间的电路工作正常，未发生故障。

本领域技术人员可以理解的是，模拟电弧试验电路4的输出端也可以连接至稳压电路6或电弧处理模拟电路8中的一个模块，从而可以一次对多个电路模块进行测试，如此，则极大地方便了电路故障的判定，便于后续的修理与维护。

图2a为依据本发明一个实施例的电弧故障检测电路的原理图；图2b为依据本发明一个实施例的电弧故障波形图。

电弧检测环5的绕线两端通过电容C2相连，并将产生的电压信号输出至稳压模块6。稳压模块6包含限流电阻R5、稳压管ZD2和二极管D5，其中，二极管D5用于限制负相位的电压信号通过。

当正常工作无故障电弧时，L线上的波形为完整的正弦波形，当产生电弧故障时，L线输出的电压波形产生缺失。相应的，当产生电弧故障时，电流检测环5的输出也将产生相应的变化，如图2b中的右部所示，电流检测环5的输出波形变得尖锐且产生了毛刺，显然，该毛刺便是与电弧故障相关的信号。由于二极管D5对输出信号相位的选择作用，稳压模块6的输出将只包含正相位的信号，该信号能够反映电弧检测环5的输出特性。相移网络电路7由三级的RC微分电路构成，包括电阻R6、R23、R24和电容C3、C11、C12。通过该微分电路，能够对所接收到的信号进行相应的相移，从而选择出具有所需相位和频率且与电弧故障对应的信号，并输出至下一级电路。

优选的，在交流电频率为50-60Hz时，相移网络电路7配置为去除60Hz以下的信号，从而保留大于60Hz的信号。

本领域技术人员可以理解的是，稳压电路6、相移网络电路7的实现方式不仅限于上述形式，譬如，这两个电路均可以由至少一个运算放大器构成，或相移网络电路7还可以由至少两级以上的RC电路构成等等。

在本实施例中，电弧处理模拟电路8包含第一放大电路9、第二放大电路10、第一触发电路11和第二触发电路12。其中，第一放大电路9为正向放大的线性放大器，包括运放OP1、电阻R7-R9；第二放大电路10为反向放大的线性放大器，包括OP2、C4、R10-R12。运放OP1的正向输入端耦合至相移网络电路7的输出，OP1的输出通过电容C4耦合至OP2的反向输入端。因此，静态时，第一放大电路9输出低电平，第二放大电路10则输出高电平。图2b中的运放10的反向脉冲逐渐增大，这是由于运放自身的性能所造成。在运放内部，相较于正向输入端，运放反向输入端至输出往往需要经过更多的节点，当运放从静态转换为动态时，运放的工作电流需要对这些节点处的电容进行充电，因此，OP2的输出将逐渐增大。

本领域技术人员可以理解的是，第一、二放大模块也可以是其他类型的放大器，并不仅限于线性放大器。

第一触发电路11是单稳态电路，包括运放OP3、电阻R13-15、电容C5以及二极管D6，运放OP3的反向输入端耦合至二极管D6的阳极，运放OP2的输出端耦合至二极管D6的阴极。当OP2输出高电平时，二极管D6截止，当OP2反相输出，即输出低电平时，二极管D6导通，第一触发模块11中的运放OP3的反向输入端的电压将产生突变，即从高电平突降至低电平，从而造成输出信号翻转。随着运放OP2周期性地输出低电平信号，OP3周期性输出脉冲信号。

第二触发模块12包括运放OP4，其正向输入端通过二极管D8、电阻R17连接至运放OP3的输出端，第二触发模块12输出驱动能力更大的脉冲信号。

本领域技术人员可以理解的是，第一、二触发模块除了可以是运放构成的振荡器，也可以是包含555定时器的振荡器。

电弧故障驱动电路2包括螺线管SOL、可控硅SCR、电容C10电阻R21和R22。运放OP4的输出端通过电阻R21连接至可控硅的控制端，从而可以根据其接收到的信号来控制电弧故障驱动电路2。也就是说，通过OP4输出脉冲信号控制可控硅SCR是否导通。当可控硅SCR导通时，输入/输出开关电路3将断开电力连接，即螺线管SOL流过较大的电流，进而产生磁力，其内部的铁芯将移动使得开关电路3断开。

通过上述过程，电弧检测电路完成了从“检测电弧信号”至“断开电力连接”的流程。

电弧检测电路还包括模拟电弧试验电路4，其用于响应用户的输入以产生模拟电弧信号，从而检测该电弧检测电路能否根据该电弧模拟信号断开电力连接，进而判断电路的各模块是否有故障。

优选的，模拟电弧试验电路4通过多联开关与稳压模块6、相移模块7、电弧处理模块8相连，从而用户可以根据需要，选择相应的模块进行测试。

优选的，模拟电弧试验电路4产生振荡频率大于等于100Hz的电弧模拟信号。

模拟电弧试验电路4的实现形式可以有多种。图2a中的模拟电弧试验电路4包括构成正反馈的两个三极管Q1、Q2以及测试按钮。当用户按下测试按钮时，三极管Q2的集电极将产生一个电弧的模拟信号，并将其输出至相移模块7。

另外，电弧故障检测电路还包括电源供电电路1，其包括整流桥M7、螺线管SOL，用于为电弧处理电路、电弧故障驱动电路以及模拟电弧试验电路提供电源。

模拟电弧试验电路4的其他实现形式将在下面结合整体电路做进一步介绍。

图2c为依据本发明另一个实施例的电弧故障检测电路的原理图。与图2a的区别是，在该图中，电弧检测电路包含两个检测线圈CT5，分别串接在相线L1、L2上。在该实施例中，电弧检测电路用于检测相线L1、L2上的电弧，当相线L1和/或L2上产生电弧时，电弧检测电路将根据检测到的信号断开电力连接。

当L1、L2上同时产生电弧时，此时两个检测信号将在同一节点进行叠加，但由于限流电阻R5以及稳压管ZD2的稳压作用，稳压模块6的输出值仍然会被限定在一定的范围。因此，稳压模块6提升了电路的稳定性和适用性。

图3a为依据本发明另一个实施例的电弧故障检测电路的原理图。图3b为依据本发明另一实施例的电弧故障波形图。与图2a不同的是，运放OP1、OP2为同相连接，因此二极管D26的连接方式也与图2a中的相反。

工作时，当运放OP2输出高电平时，二极管D26导通，从而使得运放OP3的输出正向脉冲，随后，该正向脉冲通过第二触发模块12的作用提升了驱动能力，进而能够控制可控硅SCR，使得其导通。

在该实施例中，模拟电弧测试电路4包括测试按键TEST、电容C14、稳压管ZD8、稳压管ZD9、电阻R25、电阻R26和R28。当用户按下测试按键TEST时，模拟电弧测试电路4将会产生周期性的电压信号，即电弧的模拟信号，从而可以对相应的模块进行检测。由于电弧的模拟信号是直接施加在相移网络电路7上，因此，稳压管ZD9用于限制该模拟信号的幅值。

图3c为依据本发明另一个实施例的电弧故障检测电路的原理图。与图3a不同的是，第一触发模块11为具有限幅功能的单稳态电路。

模拟电弧测试电路4包含螺线管SOL、电容C14、稳压管ZD9和测试按键TEST。显然，螺线管SOL与电容C14构成了LC串联谐振电路，同样，稳压管ZD9用于限制输出信号的幅度。图3c中的模拟电弧测试电路4，采用了最少的元件且实现了电感元件复用，因此，对于产品的体积、散热、成本均有益处。

本领域技术人员可以理解的是，模拟电弧测试电路4的实现方式不仅限于上述形式，还可以由至少一个运算放大器或555定时器构成。

本发明主要是通过采用模拟电路来实现电弧检测，相较于传统的采用数字电路实现的产品，本发明具有精度高、成本低、功耗小以及速度快的特点。

本领域普通技术人员还应当理解，结合本申请的实施例描述的各种示例性的逻辑块、模块、电路和算法步骤可以实现成电子硬件、计算机软件或二者的组合。为了清楚地表示硬件和软件之间的这种可互换性，上文对各种示例性的部件、块、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般性描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和施加在整个系统上的设计约束条件。本领域技术人员可以针对每种特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种电弧故障检测电路，包括：

电弧检测电路，用于检测供电线上的电弧，并输出第一信号；

电弧筛选电路，与所述电弧检测电路的输出端电连接，用于去除所述第一信号中与电弧无关的信号，并输出第二信号；

电弧处理电路，与所述电弧筛选电路的输出端电连接，用于基于接收到的所述第二信号产生表征电弧故障的第三信号；

其中所述电弧筛选电路包含：

稳压模块，与所述电弧检测电路电连接，用于输出与所述第一信号对应的、具有多幅值的周期性电压信号，其中所述周期性电压信号的相位一致；

相移模块，与所述稳压模块的输出端电连接，用于从所述周期性电压信号中提取所述第二信号。

2.如权利要求1所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述电弧处理电路包括：

电弧放大模块，用于放大所接收到的所述第二信号；

电弧触发模块，与所述电弧放大模块的输出端电连接，基于放大后的所述第二信号产生振荡的所述第三信号。

3.如权利要求2所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述电弧放大模块包括至少一个线性放大器。

4.如权利要求2所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述电弧放大模块包括两个级联的线性运算放大器。

5.如权利要求2所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述电弧触发模块包括至少一个振荡器。

6.如权利要求5所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述振荡器包括至少一个运算放大器或至少一个555定时器。

7.如权利要求2所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述电弧触发模块包括至少一个逻辑门电路。

8.如权利要求1所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述电弧检测电路包括至少一个电弧检测环，其中，当输入至所述电弧检测环的电流至少为1A时，其能够输出至少0.5V的电压。

9.如权利要求1所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述相移模块为至少两级的RC微分电路。

10.如权利要求1所述的电弧故障检测电路，其特征在于，还包括：

电弧故障驱动电路，包含至少一个螺线管，与所述电弧处理电路电连接，用于基于所述第三信号产生开关控制信号；

开关电路，与所述电弧故障驱动电路电连接，用于根据所述开关控制信号断开或闭合所述供电线的输入/输出开关。

11.如权利要求10所述的电弧故障检测电路，其特征在于，还包括：

模拟电弧试验电路，其输出端连接至所述电弧筛选电路或电弧处理电路，用于产生模拟电弧信号，从而使得所述开关电路根据所述模拟电弧信号断开所述供电线的输入/输出开关。

12.如权利要求11所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述模拟电弧试验电路包括用户可接触的试验开关和振荡频率大于等于100Hz的电弧振荡器，其中，所述模拟电弧试验电路根据所述试验开关的状态决定是否输出所述模拟电弧信号。

13.如权利要求11所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述电弧振荡器包括至少一个运算放大器或至少一个555定时器或至少一个RC振荡电路或至少一个LC振荡电路。

14.如权利要求13所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述LC振荡电路中，由所述螺线管作为电感元件。

15.如权利要求11所述的电弧故障检测电路，其特征在于，还包括：

电源供电电路，其包括整流桥和螺线管，用于为所述电弧处理电路、电弧故障驱动电路以及模拟电弧试验电路提供电源。

16.如权利要求10所述的电弧故障检测电路，其特征在于，所述电弧故障驱动电路包括可控硅元件，并且所述可控硅的控制端与所述电弧处理电路的输出端电连接。