CN106950476A - 一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器 - Google Patents

Abstract

针对需要检测故障电弧的应用，发明了一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器，给出了构成整个传感器系统的电磁信号检测、微弱信号放大、电弧信号特征的提取与判断、信号输出等4个功能模块的实现方式，该传感器的特点之一是传感器的某个面与被检测的导线平行安装。针对电磁信号检测模块的实现，给出了两种实现的具体结构。发明中使用了一种对称结构的线圈，详细给出了这种特殊线圈的设计和特点，详细说明了各个模块的实现方法，特别是给出了电弧信号特征的提取与判断模块的两种实现方法。阐述了传感器的具体的实施方法、一些指标和注意的问题。

Description

一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器

技术领域

本项目涉及到低压供电电路的故障电弧保护领域。

背景技术

剩余电流保护器（RCD）可以通过检测电气装置内的泄漏电流和由电痕化电流引起的对地燃弧而有效降低火灾危险。但是 RCD、熔断器或小型断路器（MCB）不能降低由带电导体之间的串联电弧或并联电弧引起的电气火灾危险。在这类电弧故障发生时，由于没有产生对地泄漏电流，因而 RCD 无法检测到这类故障。而且串联电弧的故障阻抗降低了负载电流，使得电流低于RCD，MCB或熔断器的脱扣阈值，设备不脱扣，不能起到电弧保护作用。为了对带电导体之间发生串联故障电弧或并联故障电弧进行检测，进而设计出保护机构，设计发明了电弧检测传感器。当电弧检测传感器检测出有电弧发生时，就输出脱扣信号给保护机构，执行脱扣。这种故障电弧检测传感器的电磁信号的检测方法之一是使载流导线穿过绕有线圈的磁环，由磁环上缠绕着的线圈输出检测信号，从而完成电磁信号的检测。这种方法的问题是磁环必须要与载流导线垂直放置，占用了空间，安装不方便，有时由于空间的限制，甚至没有办法安装。为此发明了一种侧面与载流导线平行安装的故障电弧检测传感器。

发明内容

电流变化的带电导线周围产生磁场，当电路中产生无论是并联还是串联电弧时，导线中的电流都会产生快速的变化，这种变化迅速地反应在了周围的磁场中。因此只要能够准确的检测带电导线周围的磁场及磁场的变化率就能够得到包含着电弧信息的信号，然后通过硬件电路或通过软件进行电弧信息的提取，就可以判断电路中是否存在着故障电弧了。本发明以故障电弧传感器模块的形态出现，它由电磁信号检测、微弱信号放大、电弧信号特征的提取与判断、信号输出等4个功能模块构成。本发明中，载流导线放置在故障电弧检测传感器的某个面上，导线与故障电弧检测传感器的某个面相互平行放置，保持一个固定的距离及固定的相对位置。一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器有多种实现方式，其中的两种结构实现分别如图1、图2所示。图1中最上面的扁平长方体是传感器，某个面与被测量导线平行安装，在某个面上具有一个可以穿过并固定被测导线的孔，安装时，导线穿过并固定在该孔中，被测导线与传感器的某个面平行。图1中，中间的圆柱体为输电线，最下面的图显示输电线穿过传感器的中间孔。图2中，最上面的扁平长方体是传感器，最大面与被测量导线平行安装，在某个面上，具有一个可以容纳导线放置的凹槽，凹槽的横截面可以是各种形状。 安装时，导线穿过并固定在该凹槽中，被测导线与传感器的某个面平行。图2中，中间两个圆柱体与一个扁平立方体是特殊形状的被测导线，最下面的组合体是导线通过传感器。磁场信号检测的实现方式之一是通过空心线圈来感应磁场信号，当使用多匝空心线圈时，多匝空心线圈要求使用两个一模一样的子线圈，两个子线圈以载流导线的中心为中轴，分别分布在中轴的两边的同一个平面的对称的位置上，这个平面称为线圈平面，线圈放置在传感器的内部，线圈平面与传感器的某个面平行。两个线圈的法线方向与线圈平面垂直。每只子线圈都由外向里在一个平面上，一圈贴一圈的紧密绕制。两只子线圈的最内侧接线端子相连，最外侧的两个接线端子为本层线圈的输出端子，两个子线圈构成了一个线圈。子线圈可以制作在印刷线路板上，可以采用多层线路板，在每层上加工出一样的两只子线圈，每一层子线圈的内侧端子相连，子线圈外侧的两个端子为本层线圈的输出端子。相邻层的上层线圈的输出端子中的右面端子与下层线圈的左面端子连接，最上层与最下层的剩余的两个端子为整个检测线圈的输出端子。多匝空心线圈可以制作在印刷线路板上，也可以通过使用导线绕在骨架上的方法实现。对于每一层线圈，任何同时作用于两个子线圈的干扰信号在线圈上产生两个共模信号，如果干扰信号的变化率在每一个子线圈上产生的信号相等，则相互抵消，总体没有任何干扰。如果不相等，则会得到部分抵消。两个子线圈中感应的载流导线的磁场检测信号与载流导线的电流变化率成正比，是差模信号，信号幅度增加一倍。该线圈在结构上具有共模干扰信号抑制，差模检测信号增强的特点。

微弱信号放大模块采用两路放大方式，空心线圈输出的信号分成两路，通过高通滤波器将载流导线上的工作电流的微分信号的高频特征提取出来了，该信号作为第一路信号进行放大。直接输出的被测导线上的工作电流的微分信号作为第二路信号进行放大。两路放大均使用运算放大器和阻容器件构成的放大电路进行放大，同时使用自动增益控制电路进行增益的自动控制。

电弧信号特征的提取与判断模块可以采用两种方式实现：第一种方式，使用硬件对信号进行特征提取，将信号与门限进行比较。将经过第一路放大器放大后的载流导线的工作电流的微分信号的高频特征信号输出给由运算放大器构成的比较器1的一个输入端，比较器1的另一个输入端输入固定电平，正常情况下，放大器的输出信号超过比较门限的概率很低，或者几乎不会超过比较门限。比较器1的信号输出几乎一直为低，这样的信号在时间上的积分会很低。如果发生了电弧，会有大量的高于比较器1门限的高频信号输入，这时比较器1的信号输出会出现大量的高电平，这样的信号在时间上的积分会很高。比较器1输出信号给由运算放大器和阻容器件构成的有源积分电路，然后再将积分的结果输出给另两个由运放构成的比较器2和比较器3，比较器2和3输出的信号经过由晶体三极管构成的射极跟随器，控制输出信号继电器1和继电器2。比较器2和比较器3 的不同点在于比较器2 的比较门限电平会比比较器3 的比较门限电平低很多。当电弧信号来时，首先比较器2以很大的概率输出高电平，从而推动继电器1吸合，输出检测到微弱电弧的报警信号。如果电弧持续的时间很长，这时比较器3 也会输出高电平，推动继电器2 输出检测到强电弧的报警信号。对信号特征提取可以采用的第二种方式如下：第二路的载流导线的工作电流的微分信号经过第二路放大器进行放大后进入由运放组成的有源积分器，经积分后进入CPU。第一路的载流导线的工作电流的微分的高频部分经过放大后进入CPU。CPU将第二路信号分别在时间域和频率域与预先采样的电弧信号的典型的时间域和频率域的信号进行求相关函数的运算，如果发现相关函数大于预先设定的阈值，就判断为发现了电弧信号。CPU将第二路信号与一个事先设定好的阈值进行比较，如果大于该阈值，就进一步判定为发现了电弧信号，输出检测出电弧信号。

附图说明

图1是一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器的实施方式之一。

图2是一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器的实施方式之二。

具体实施方式

按照发明内容的说明，可以实施完成这个产品。实施过程中需要注意以下问题：空心线圈具有动态范围很大，非常不容易饱和，几乎不存在磁滞现象，频响范围非常宽，线性度很好，温度稳定性非常好的特点。信号放大通道的带宽要求大于50~100KHZ。放大倍数在1000~6000倍左右，根据具体情况进行调整。并且具有大于40db的自动增益控制范围。输出的继电器的通过电流为5安培。外壳使用电磁波可以穿透的塑料制造，线路板调试完成后，进行装配。

Claims (8)

1.一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器，其特征在于，产品以故障电弧检测传感器模块的形态出现，它由电磁信号检测，微弱信号放大，电弧信号特征的提取与判断，信号输出等4个功能模块构成，被测导线放置在故障电弧检测传感器的某个面上，导线与故障电弧检测传感器的某个面相互平行放置，保持一个固定的距离及固定的相对位置。

2.根据权利要求1所述的一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器，其特征在于，它的其中一种实现方式是传感器是扁平立方体，它的某个面与被测量导线平行安装，在某个面上具有一个可以穿过并固定被测导线的孔，安装时，导线穿过并固定在该孔中，被测导线与传感器的某个面平行。

3.根据权利要求1所述的一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器，其特征在于，它的其中一种实现方式是传感器是扁平立方体，它的某个面与被测量导线平行安装，在某个面上具有一个可以容纳导线放置的凹槽，凹槽的横截面可以是各种形状，安装时，导线穿过并固定在该凹槽中，被测导线与传感器的某个面平行。

4.根据权利要求1所述的一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器，其特征在于，磁场信号检测的实现方式之一是通过空心线圈来感应磁场信号，当使用多匝空心线圈时，多匝空心线圈要求使用两个一模一样的子线圈，两个子线圈以载流导线的中心为中轴，分别分布在中轴的两边的同一个平面的对称的位置上，这个平面称为线圈平面，线圈放置在传感器的内部，线圈平面与传感器的某个面平行，两个线圈的法线方向与线圈平面垂直，每只子线圈都由外向里在一个平面上，一圈贴一圈的紧密绕制，两只子线圈的最内侧接线端子相连，最外侧的两个接线端子为本层线圈的输出端子，两个子线圈构成了一个线圈，子线圈可以制作在印刷线路板上，可以采用多层线路板，在每层上加工出一样的两只子线圈，每一层子线圈的内侧端子相连，子线圈外侧的两个端子为本层线圈的输出端子，相邻层的上层线圈的输出端子中的右面端子与下层线圈的左面端子连接，最上层与最下层的剩余的两个端子为整个检测线圈的输出端子，多匝空心线圈可以制作在印刷线路板上，也可以通过使用导线绕在骨架上的方法实现，对于每一层线圈，任何同时作用于两个子线圈的干扰信号在线圈上产生两个共模信号，如果干扰信号的变化率在每一个子线圈上产生的信号相等，则相互抵消，总体没有任何干扰，如果不相等，则会得到部分抵消，两个子线圈中感应的载流导线的磁场检测信号与载流导线的电流变化率成正比，是差模信号，信号幅度增加一倍，该线圈在结构上具有共模干扰信号抑制，差模检测信号增强的特点。

5.根据权利要求1所述的一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器，其特征在于，微弱信号放大模块采用两路放大方式，空心线圈输出的信号分成两路，通过高通滤波器将载流导线上的工作电流的微分信号的高频特征提取出来了，该信号作为第一路信号进行放大，直接输出的载流导线上的工作电流的微分信号作为第二路信号进行放大，两路放大均使用运算放大器和阻容器件构成的放大电路进行放大，同时使用自动增益控制电路进行增益的自动控制。

6.根据权利要求1所述的一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器，其特征在于，电弧信号特征的提取与判断模块的一种实现方式是使用硬件对信号进行特征提取，将信号与门限进行比较，将经过第一路放大器放大后的载流导线的工作电流的微分的高频特征信号输出给由运算放大器构成的比较器1的一个输入端，比较器1的另一个输入端输入固定电平，正常情况下，放大器的输出信号超过比较门限的概率很低，或者几乎不会超过比较门限，比较器1的信号输出几乎一直为低，这样的信号在时间上的积分会很低，如果发生了电弧，会有大量的高于比较器1门限的高频信号输入，这时比较器1的信号输出会出现大量的高电平，这样的信号在时间上的积分会很高，比较器1输出信号给由运算放大器和阻容器件构成的有源积分电路，然后再将积分的结果输出给另两个由运放构成的比较器2和比较器3，比较器2和比较器3输出的信号经过由晶体三极管构成的射极跟随器，控制输出信号继电器1和继电器2，比较器2和比较器3 的不同点在于比较器2 的比较门限电平会比比较器3 的低很多，当电弧信号来时，首先比较器2以很大的概率输出高电平，从而推动继电器1吸合，输出检测到微弱电弧的报警信号，如果电弧持续的时间很长，这时比较器3也会输出高电平，推动继电器2 输出检测到强电弧的报警信号。

7.根据权利要求1所述的一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器，其特征在于，电弧信号特征的提取与判断模块的一种实现方式是，第二路的载流导线的工作电流的微分信号经过第二路放大器进行放大后进入由运放组成的有源积分器，经积分后进入CPU，第一路的载流导线的工作电流的微分的高频部分经过放大后进入CPU，CPU将第二路信号分别在时间域和频率域与预先采样的电弧信号的典型的时间域和频率域的信号进行求相关函数的运算，如果发现相关函数大于预先设定的阈值，就判断为发现了电弧信号，CPU将第二路信号与一个事先设定好的阈值进行比较，如果大于该阈值，就进一步判定发现了电弧信号，输出检测出电弧信号。

8.根据权利要求1所述的一种某个面与被检测导线平行安装的故障电弧检测传感器，其特征在于，电磁信号的检测的方式之一是，使载流导线穿过绕有线圈的磁环，由磁环上缠绕着的线圈输出检测信号，从而完成电磁信号的检测。