CN105334425A - 电弧故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电弧故障检测装置，包括：电弧检测单元，其用于检测供电通路上的电弧，并输出第一信号；电弧处理单元，其耦接至电弧检测单元，用于基于接收到的第一信号产生能够表征电弧故障的第二信号；至少一个储能滤波单元，其设置在检测装置的输入端与负载之间的供电通路中，用于对由负载所造成的干扰信号进行滤除。本发明通过在电弧故障检测装置中采用储能滤波单元，消除了用电器对供电通路所造成的干扰，避免了因电弧检测电路将干扰信号识别为电弧故障信号而造成的误脱扣，并且维护了电网的质量。

Description

电弧故障检测装置

技术领域

本发明涉及用电安全保护领域，更具体而言，涉及一种可以对交流电信号的进行过滤并消除干扰信号的电弧故障检测装置。

背景技术

随着家用电器的日益普及，人们对家用电器的使用安全越来越重视，通常在家用电器的电源输入侧安装电弧故障断路器来防止因家用电器产品产生故障电弧引起的火灾，比如通过电弧故障断路器和电弧检测电路来检测故障电弧，并且在有故障电弧的情况下切断输入电源。但目前的电弧故障断路器和电弧检测电路仍然存在缺陷，由于家用电器的种类繁多，结构原理也有很大的差异，很多家用电器在正常工作时很有可能产生一些高频信号、噪声信号、电磁信号等，比如除湿机、电磁炉等，这些信号很有可能干扰电弧故障断路器的正常检测、分析及处理，造成电弧故障断路器误脱扣，影响家用电器正常工作，严重时，还有可能通过电源线将此信号传给输入电网，造成电网质量下降。

因此，亟需一种可靠性高、可以过滤、消除这些高频干扰信号、噪声干扰信号、电磁干扰信号的电弧故障断路器。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种，可靠性高、成本低廉，用于电弧故障检测装置，过滤、消除因在同一干线或者支路中并联的负载产生的高频、噪声、电磁等干扰信号的保护电路。

本发明一方面提出了一种电弧故障检测装置，包括：电弧检测单元，其用于检测供电通路上的电弧，并输出第一信号；电弧处理单元，其耦接至所述电弧检测单元，用于基于接收到的所述第一信号产生能够表征电弧故障的第二信号；至少一个储能滤波单元，其设置在所述检测装置的输入端与负载之间的供电通路中，用于对由电源和/或所述负载所造成的干扰信号进行滤除。

优选的，所述储能滤波单元包括至少一个电感元件和至少一个电容元件，其中，所述和至少一个电感元件设置在所述供电线中的零线和/或火线上，所述和至少一个电容元件并联连接在所述零线和所述火线之间。

在这种实施方式中，储能滤波单元可以是由多个电感元件、电容元件组成的LC滤波器。

优选的，所述储能滤波单元包括至少一个电阻元件和至少一个电容元件，其中，所述至少一个电阻元件设置在所述供电线中的零线和/或火线上，所述和至少一个电容元件并联连接在所述零线和所述火线之间。

在这种实施方式中，储能滤波单元可以是由多个电阻元件、电容元件组成的RC滤波器。

优选的，所述电弧故障检测装置还包括：开关单元，用于基于所述第二信号断开或闭合所述供电通路中的复位开关。

优选的，所述储能滤波单元设置在所述复位开关与所述检测装置的输入端之间。

在这种实施方式中，对储能滤波单元的位置进行了进一步限定。

优选的，所述储能滤波单元设置在所述电弧检测单元与所述负载之间。

在这种实施方式中，对储能滤波单元的位置进行了进一步限定。

优选的，所述储能滤波单元包括两个电感元件和一个电容元件，其中，所述两个电感元件分别设置在所述零线和所述火线上，并且所述电容元件并联连接在所述零线和所述火线之间。

在这种实施方式中，对储能滤波单元的具体实现的方式做了更加详细的限定，位置进行了进一步限定，该实施方式不仅具有更好的滤波性能，还能有效消除共模噪声，进一步提升了该检测装置的抗干扰性。

优选的，所述电弧检测单元包括至少一个电弧检测环，其中，当所述电弧检测环中的电流至少为1A时，其能够输出至少0.5V的电压。

优选的，所述电弧故障检测装置还包括：电弧故障驱动单元，其包含至少一个螺线管，与所述电弧处理单元电连接，用于基于所述第二信号产生用于控制所述开关单元的控制信号。

优选的，所述电弧故障检测装置还包括：模拟电弧试验单元，其输出端连接至所述电弧处理单元，用于产生模拟电弧信号，从而使得所述开关单元根据所述模拟电弧信号断开所述供电通路的复位开关；和/或电弧读出单元，设置在所述电弧检测单元与所述电弧处理单元之间，用于读取所述第一信号中的电弧信号，并将所述电弧信号发送至所述电弧处理单元，使得所述电弧处理单元产生所述第二信号。

本发明通过在电弧故障检测装置中采用储能滤波单元，消除了用电器对供电通路所造成的干扰，避免了因电弧检测电路将干扰信号识别为电弧故障信号而造成的误脱扣，并且维护了电网的质量。

附图说明

通过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为电弧故障检测装置的系统架构图；

图2为依据本发明实施例的电弧故障检测装置的电路图；

图3a为具有用电器干扰的交流电信号的测试波形；

图3b为采用依据本发明实施例的储能滤波单元时的交流电信号的测试波形。

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。

结合图示对本发明的实施例进行阐述。

图1为电弧故障检测装置的系统架构图。该电弧故障检测电路包括：开关单元10、储能滤波单元11、电弧检测单元12、电弧处理单元14、电弧故障驱动单元15、模拟电弧试验单元16。可选的，还包括电弧读出单元13。

当电路正常工作无故障电弧产生时，火线、零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，电弧检测单元12将检测并输出包含该电弧信号的第一信号。

电弧处理单元14基于接收到的第一信号，并产生能够表征电弧故障的第二信号，该第二信号用于触发电弧故障驱动单元15，决定是否断开电弧故障检测装置与供电线L、N的连接。

优选的，在电弧检测单元12与电弧处理单元14之间还设置有电弧读出单元13。在开关单元10断开之前，电弧检测单元12将持续传输第一信号至与其耦合的电弧读出单元13，电弧读出单元13用于从第一信号中筛选出仅包含电弧信号的信号，然后将该信号输出至电弧处理单元14。

优选的，电弧读出单元13具有稳压功能，可以限制第一信号的幅值，从而降低了对后续处理电路的要求，也增加了电路的安全性。

优选的，为了能够检测电弧故障检测装置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单元16。在图1中，模拟电弧试验单元16的输出端耦合至电弧读出单元13，从而当模拟电弧试验单元16根据用户的需求发出模拟电弧信号时，电弧读出单元13将把其接收到的模拟电弧信号发送至电弧处理单元14。然后，若电弧故障驱动单元16能够使得开关单元10断开，则说明电弧读出单元13与电弧故障驱动单元15之间的电路工作正常，未发生故障。

储能滤波单元11设置在检测装置的输入端与负载之间的供电通路中，用于对供电通路中的供电信号(交流信号)进行滤波。当供电信号由大变小时，储能滤波单元释放能量，以对供电信号进行滤波并补偿。

可以理解的是，由于存在储能滤波单元，与供电线连接的负载能够得到更加优质的输入信号，不存在可能损害负载或其他的后续电路的干扰信号。同样，由负载和/或电源所产生的干扰信号也将有储能滤波单元消除，使得供电通路上的其它用电器也不受该干扰信号影响。另外，由于该单元的储能作用，可以使得供电信号变化平缓。譬如，当输入至负载的供电信号由大变小时，可以相应地补偿供电信号，从而使得供电信号的变化趋于平缓。

图2为依据本发明实施例的电弧故障检测装置的电路图。

检测装置200包括：

(1)输入端，用于接收外部供电信号；

(2)复位开关210，用于断开/闭合供电通路；

(3)LC滤波电路211，其中电感元件L串联在供电线上，譬如火线，电容元件C并联耦接在火线与零线之间；

(4)电弧检测环212，用于检测火线上是否产生了电弧，为了增加电弧检测环的灵敏度，其可以采用片状的导磁材料卷绕而成，当电弧检测环的输入电流为1A时，其能够至少产生0.5V的电压；

(5)电弧读出电路213，由电容元件、电阻元件以及二极管构成，该电路耦接至电弧检测环212，用于从电弧检测环212检测并输出的信号中，读出电弧信号；

(6)电弧处理单元214，耦接至电弧读出电路213，用于基于电弧信号产生相应的电弧故障驱动信号；

(7)电弧故障驱动单元215，耦接至电弧处理单元214，用于基于该电弧故障驱动信号驱动复位开关210，进而断开用电器217与输入端之间的电连接，避免电弧损坏用电器。

优选的，检测装置200还包括测试电路216，当测试开关216闭合时，测试电路216将输出一个模拟电弧信号；电弧处理单元214接收到该信号后，其将驱动电弧故障驱动电路215，从而使得螺线管SOL将复位开关210断开。

对于供电通路而言，绝大部分的干扰波形均是在正弦交流波形上出现的一些毛刺。因此，LC滤波电路211中的电感元件L可以过滤回路中的电流干扰波形，使波形变得平滑。

具体是，当供电线中的输入电压增高时，与用电器217串联的电感元件L中的电流将增加，因此电感元件L将存储部分磁场能量，当供电线中的电流减小时，电感元件L又能将能量释放出来，使输入至用电器217的电流变得平滑，因此，电感元件L起到了过滤、消除干扰信号的作用。另外LC滤波电路211中的电容元件C可以过滤火线与零线之间的电压干扰波形，使波形变得平滑。具体是，并联的电容元件C在输入电压升高时，给电容元件C充电，可把部分能量存储在电容元件C中。而当供电线输入电压降低时，电容元件C两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过LC滤波电路211向用电器217放电，用电器217上得到的检测装置200的输出电压就比较平滑，起到了过滤、消除干扰信号的作用。

换句话说，当用电器217和/或电源产生了高频信号和/或噪声信号和/或电磁信号时，LC滤波电路能够去除这些信号，以避免因电弧检测电路212将这些干扰信号识别为电弧故障信号而造成的误脱扣。

可以理解的是，电感元件L也可以串联在零线上或是同时串联在零线与火线上。当电感元件L同时串联在零线与火线上时，由于交流的供电信号具有正负半周，因此，两个电感元件L将分别在正负半周进行储能、释放能量的过程，不仅具有更好的滤波性能，还能有效消除共模噪声，进一步提升了该检测装置的抗干扰性。

同样，LC滤波电路211也可以设置在电弧故障检测装置的输入侧，即设置在输入端与复位开关前之前；也可以设置在输出侧，即电弧检测环212与用电器17之间。可以理解的是，无论LC滤波电路211被设置在上述三个位置中的任一位置，其均可以采用多种滤波器结构，而非仅限于图2中示出的形式。

另外，本发明也可以采用RC滤波电路，只要将上述LC滤波电路中的电感元件L替换成电阻元件R即可。

图3a为具有用电器干扰的交流电信号的测试波形；图3b为采用依据本发明实施例的储能滤波单元时的交流电信号的测试波形。

由图3a可以观察到，此时的交流电信号是干扰信号与正弦信号的叠加，用电器对交流电干扰的信号较强，具有较多的毛刺。因此，电弧检测环很容易将这些毛刺中较强的部分识别为电弧，进而切断供电线与用电器之间的电连接。

由图3b可以观察到，当采用了依据本发明实施例的LC滤波电路，交流电信号变成了平滑的正弦信号，没有了图3b中的毛刺，因此供电线与用电器之间的电连接不会被误切断。

本发明通过在电弧故障检测装置中采用储能滤波单元，消除了用电器和/或电源对供电通路所造成的干扰，避免了因电弧检测电路将干扰信号识别为电弧故障信号而造成的误脱扣，并且有利于维护电网的质量。

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 (10)

1.一种电弧故障检测装置，其特征在于，包括：

电弧检测单元，其用于检测供电通路上的电弧，并输出第一信号；

电弧处理单元，其耦接至所述电弧检测单元，用于基于接收到的所述第一信号产生能够表征电弧故障的第二信号；

至少一个储能滤波单元，其设置在所述检测装置的输入端与负载之间的供电通路中，用于对由电源和/或所述负载所造成的干扰信号进行滤除。

2.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述储能滤波单元包括至少一个电感元件和至少一个电容元件，其中，所述和至少一个电感元件设置在所述供电线中的零线和/或火线上，所述和至少一个电容元件并联连接在所述零线和所述火线之间。

3.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述储能滤波单元包括至少一个电阻元件和至少一个电容元件，其中，所述至少一个电阻元件设置在所述供电线中的零线和/或火线上，所述和至少一个电容元件并联连接在所述零线和所述火线之间。

4.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，还包括：开关单元，用于基于所述第二信号断开或闭合所述供电通路中的复位开关。

5.如权利要求4所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述储能滤波单元设置在所述复位开关与所述检测装置的输入端之间。

6.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述储能滤波单元设置在所述电弧检测单元与所述负载之间。

7.如权利要求2所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述储能滤波单元包括两个电感元件和一个电容元件，其中，所述两个电感元件分别设置在所述零线和所述火线上，并且所述电容元件并联连接在所述零线和所述火线之间。

8.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述电弧检测单元包括至少一个电弧检测环，其中，当所述电弧检测环中的电流至少为1A时，其能够输出至少0.5V的电压。

9.如权利要求4所述的电弧故障检测装置，其特征在于，还包括：

电弧故障驱动单元，其包含至少一个螺线管，与所述电弧处理单元电连接，用于基于所述第二信号产生用于控制所述开关单元的控制信号。

10.如权利要求4所述的电弧故障检测装置，其特征在于，还包括：

模拟电弧试验单元，其输出端电连接至所述电弧处理单元，用于产生模拟电弧信号，从而使得所述开关单元根据所述模拟电弧信号断开所述供电通路的复位开关；和/或

电弧读出单元，设置在所述电弧检测单元与所述电弧处理单元之间，用于读取所述第一信号中的电弧信号，并将所述电弧信号发送至所述电弧处理单元，使得所述电弧处理单元产生所述第二信号。