CN107703426B - 一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，该方法包括检测电弧信号的幅值，在检测到启动信号后，启动燃弧检测，比较燃弧信号的幅值与设定值，输出燃弧信号脉冲并进行计数，按照一定的方法，判别故障电弧，从而实现故障电弧告警或者断开故障回路。本发明在收到脉冲启动信号后，能对燃弧脉冲信号进行计数判别，通过本发明所述的判别方法能够很好的区分故障电弧和干扰性负载。

Description

一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法

技术领域

本发明涉及电弧监测技术领域，特别涉及一种由电弧脉冲信号启动，且通过检测燃弧脉冲判定故障电弧的检测方法；本发明适用于交流供电线路和直流供电线路，对于电网频率不敏感。

背景技术

在中国火灾原因分析中，由于电气原因引起的火灾占比在30%以上。电气火灾发生的原因很多，如短路、绝缘老化、过流、接地故障、接触不良、家电或电热设备引燃可燃物等等。从本质上讲，在所有电气火灾发生过程中，都会有电弧发生。

在美国，根据CPSC(美国消费品安全委员会)1998年的统计，每年由于配电线路老化引起电弧造成的火灾有超过40000起，造成直接经济损失16.8亿美元。

目前在电气火灾预警中，已经存在电弧故障断路器和故障电弧报警器，其在传统的断路器的基础上添加了对故障电弧起保护作用的功能，以防范由于故障电弧而引发的火灾。或者检测到故障电弧后发出报警信息。

同时，目前故障电弧的判定方法基本上都是要判定电流信号的畸变和电压信号的畸变，需要同时连接电压和电流回路，需要用到高速的数据采样和复杂的数学计算，如傅立叶变换或者小波分析，这些对处理器的计算能力有很高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由电弧脉冲信号启动，通过检测燃弧脉冲信号来判定故障电弧的检测方法。

本发明采取的技术方案是：一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其包括设置可检测电弧信号和燃弧信号的电弧检测系统，该电弧检测系统包括套在待检测供电回路上的检测线圈、滤波单元、启动脉冲比较单元、燃弧信号检测单元和信号处理单元，所述检测线圈用于检测供电回路上的电弧信号和燃弧信号，检测的信号发送至滤波单元进行滤波，滤波后的电弧启动脉冲信号发送至启动脉冲比较单元，滤波后的燃弧脉冲信号发送至燃弧信号检测单元；所述启动脉冲比较单元将接收的电弧启动脉冲信号与启动脉冲设定值大小进行比较，在发生电弧时，检测线圈输出的电弧启动脉冲信号幅值大于启动脉冲设定值，启动脉冲比较单元给出燃弧检测启动脉冲，并输出给信号处理单元，作为燃弧脉冲计数启动信号；检测线圈上检测的燃弧脉冲信号通过滤波单元滤波后发送至燃弧信号检测单元，然后燃弧信号检测单元比较该燃弧脉冲信号的信号幅值与燃弧信号设定值之间大小，在发生电弧燃烧时，该燃弧脉冲信号的信号幅值将大于燃弧信号设定值，此时燃弧信号检测单元输出燃弧信号脉冲给信号处理单元进行计数；所述信号处理单元在接收到燃弧脉冲计数启动信号后，开始对燃弧脉冲信号进行计数，按照给定的判别方法进行故障电弧判别，输出故障电弧信号。

进一步的，所述检测线圈采用没有磁芯的空心线圈或者有低导磁率磁芯的线圈，磁芯的导磁率不超过10000，且流过正常负载电流磁芯不饱和。

进一步的，所述滤波单元为低通滤波或者带通滤波器；检测线圈可以作为滤波器电路的元件。

进一步的，所述启动脉冲比较单元为一个幅值比较器，当滤波单元输出信号幅值大于启动脉冲设定值，脉冲信号输出1，否则输出0；该幅值比较器可选用比较器，迟滞比较器，逻辑门电路，双极型三极管，MOS型场效应管或信号处理单元的IO口中任一种，其输出信号给信号处理单元。

进一步的，所述燃弧信号检测单元为一个幅值比较器，当输入信号幅值大于燃弧信号设定值，输出1，否则输出0。

进一步的，所述幅值比较器可选用比较器，迟滞比较器，逻辑门电路，双极型三极管，MOS型场效应管或信号处理单元的IO口中任一种，其输出信号给信号处理单元。

进一步的，当燃弧信号的幅值较小时，需要经过放大后再作比较。

进一步的，所述信号处理单元可采用数字逻辑电路，单片机，微处理器，可编程逻辑器件，数字信号处理器或者专用集成电路ASIC中的任一种。

进一步的，所述信号处理单元包含至少1个检测线圈，以及与检测线圈数量一致的脉冲计数启动单元和脉冲计数单元，在启动脉冲比较单元输出的脉冲启动信号为1时，在设定时间内对燃弧脉冲信号进行计数。

进一步的，所述信号处理单元对故障电弧判别的方法采用程序逻辑实现或者数字逻辑实现，具体步骤为：

系统设置故障电弧计数器和燃弧脉冲计数器，系统初始化后故障电弧计数器清0，燃弧脉冲计数器清0；

当信号处理单元收到启动脉冲后，启动燃弧脉冲计数，收到一个燃弧脉冲，燃弧脉冲计数器加1；在时间T后，读取燃弧脉冲计数器的值，如果燃弧脉冲计数值大于设定值A，则故障电弧计数器加1；

如果在第一个脉冲后，在小于设定时间B内，满足：故障电弧计数器的值大于等于定值C ，则电弧故障信号输出1；

如果不满足上述条件，则故障电弧计数器清零，燃弧脉冲计数器清零，系统回到初始化状态，继续等待脉冲信号。在本发明的一个实施应用中，取：T=8mS,设定值A=100，设定值C=3,设定时间B=100mS。

本发明的原理及效果说明如下：

检测线圈为空心线圈或者低导磁率线圈，且在正常负载电流下，线圈磁芯不饱和。根据电磁学原理，套在待检测供电回路上的检测线圈的输出电压正比于其检测的电流变化率，电流变化率正比于电流的值和电流信号频率。套在待检测供电回路上的检测线圈的输出电压在待检测供电回路为低频正弦波电流 (如50HZ/60HZ)或者直流电流时，输出电压很低，为毫伏级信号。有电流发生突变时，突变电流的幅值为负载电流的瞬时值，电流信号带宽在几十KHZ，或者几百KHZ甚至更大，检测线圈能够输出较大的脉冲电压，可以达到几伏甚至更高。

由于电力信号一般为低频正弦波信号，其电流变化率低，在检测回路上能够输出的电压值很低，经滤波单元后，其幅值不能驱动启动脉冲比较单元输出信号。

当发生电弧故障时，突变电流的幅值为负载电流的瞬时值，电流信号带宽在几十KHZ，或者几百KHZ甚至更大，检测线圈会产生较大的感应脉冲电压信号，经过滤波单元，滤除不必要的干扰信号后，与幅值比较单元的设定值进行比较，其幅值超过设定值，会输出一个或者一串脉冲信号。

设置滤波单元的目的是为了滤除不必要的干扰信号，比如在线路合闸时，线路分布电容充电，会有一个非常大的高频电流，引起干扰；日光灯启辉器放电时，会有一个非常大的高频信号，引起的干扰。经过滤波单元后，这些干扰信号都予以滤除。

设置启动脉冲比较单元，主要是为了区分与待检测回路的电弧故障和并联回路电弧故障。通过设置启动脉冲设定值，使得待检测回路发生电弧故障时，能够输出启动脉冲信号；而并联回路发生电弧故障时，不能输出启动脉冲信号。试验证明，待检测回路发生故障时，输出信号的幅值为并联回路发生电弧故障时输出信号的3倍以上，通过设置启动脉冲设定值，能够避免并联回路电弧故障引起的误动。

在发生电弧燃烧时，经试验发现，在探测线圈上会输出一个幅值较低的高频脉冲信号，而且脉冲数量非常多。由于脉冲信号幅值低，甚至需要放大器放大后，才能进行比较。燃弧信号检测单元比较这些脉冲信号与燃弧信号设定值，转换成燃弧信号脉冲，输入到信号处理单元，信号处理单元在收到燃弧检测启动脉冲后，在给定的时间内，对燃弧信号脉冲计数处理。按照给定的判别方法进行故障电弧判别，输出故障电弧信号。

试验证明，每次电弧发生时，总是伴随一个有电流突变引起的较大脉冲信号和紧随的一串燃弧信号，而正常负载没有燃弧信号。本发明专利的方法就是在收到脉冲启动信号后，对燃弧脉冲信号进行计数判别，所以，通过本发明专利所述的判别方法能够很好的区分故障电弧和干扰性负载。

对于线性负载设备，如电炉，加热器，电动机等，在正常工作时，由于本发明专利的检测线圈仅仅对高频突变信号敏感，所以输出电压信号很小，不足以使得幅值比较器有脉冲信号输出。接通瞬间引起的电流突变信号，一般会引起1个或者多个电弧脉冲信号，但是其后没有紧随的燃弧脉冲信号。本发明的方法可以非常容易的判别。

一般的非线性负载，比如计算机，大功率开关电源，微波炉，变频器等，在正常工作时，由于本发明的检测线圈仅仅对高频突变信号敏感，所以输出电压信号很小，不足以使得幅值比较器有脉冲信号输出，只有在接通电源的瞬间会有脉冲信号输出，但是其后没有紧随的燃弧脉冲信号。本发明的方法可以非常容易的判别。

通过调整可控硅的导通角进行调压调功的非线性负载会产生连续的脉冲信号输出。这种类型的脉冲信号输出都是连续的，按照电力信号的周期，呈严格的周期性，称为周期性干扰信号，但是在电流突变脉冲之后，没有燃弧信号。本发明的方法可以非常容易的判别。

电弧性负载，如带有碳刷的手电钻，吸尘器等，在正常工作时，由于电枢感生的反生电动势的原因，以及电枢是一个感性元件的原因，其电弧信号幅值不足以引起脉冲信号输出。我们试验了手电钻，吸尘器等负载，都证实了上述观点。即使在其启动过程中，都不足以引起脉冲信号输出，只有通电瞬间，会有脉冲信号输出，且跟随燃弧信号，但是其持续时间短。本发明的方法可以非常容易的判别。

只有真正的故障电弧电流，其能量大，才能够在起始时刻产生一个较高的电压脉冲输出，并且又紧随一串小的电压脉冲信号，且小的电压脉冲信号持续时间较长。即，起始时的大的脉冲信号为上述的电弧信号，后面的一串小的电压脉冲信号就是燃弧信号。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明实施例的电路原理图。

图3为本发明实施例的能量搜集及电流检测单元的电路图。

图4为本发明实施例的温度湿度监测单元的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示， 一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其包括设置可检测电弧信号和燃弧信号的电弧检测系统，该电弧检测系统由至少1个套在待检测供电回路上的检测线圈，同等数量的滤波单元，同等数量的启动脉冲比较单元，同等数量的燃弧信号检测单元和一个信号处理单元构成。

检测线圈与滤波单元连接，滤波单元与启动脉冲比较单元连接，滤波单元与燃弧信号检测单元连接，信号处理单元与启动脉冲比较单元连接，信号处理单元与燃弧信号检测单元连接，信号处理单元输出故障电弧信号。

所述检测线圈用于检测供电回路上的电弧信号和燃弧信号，检测的信号发送至滤波单元进行滤波，滤波后的电弧启动脉冲信号发送至启动脉冲比较单元，滤波后的燃弧脉冲信号发送至燃弧信号检测单元；

所述启动脉冲比较单元将接收的电弧启动脉冲信号与启动脉冲设定值大小进行比较，在发生电弧时，检测线圈输出的电弧启动脉冲信号幅值大于启动脉冲设定值，启动脉冲比较单元给出燃弧检测启动脉冲，并输出给信号处理单元，作为燃弧脉冲计数启动信号；

检测线圈上检测的燃弧脉冲信号通过滤波单元滤波后发送至燃弧信号检测单元，然后燃弧信号检测单元比较该燃弧脉冲信号的信号幅值与燃弧信号设定值之间大小，在发生电弧燃烧时，该燃弧脉冲信号的信号幅值将超过燃弧信号设定值，此时燃弧信号检测单元输出燃弧信号脉冲给信号处理单元进行计数；

所述信号处理单元在接收到燃弧脉冲计数启动信号后，开始对燃弧脉冲信号进行计数，按照给定的判别方法进行故障电弧判别，输出故障电弧信号。

如图2所示，检测线圈绕在相对导磁率为75的磁环上，磁环外径约39mm，内径约21mm，厚度11mm的磁环的绕制200匝，构成检测线圈。

滤波单元采用一个简单的高频陶瓷电容器，容量470P，与检测线圈的电感一起构成一个谐振选频回路，接近其谐振频率的信号会有较大的输出。

启动脉冲比较单元采用一个保护二极管和比较简单的电阻分压回路，然后接一个三极管，调节门限电阻1，门限电阻2的大小，使得发生故障电弧时，滤波电容两端最高电压为U1，Q1能够导通，而滤波电容两端最高电压为U1/3时，Q1不导通。二极管起到保护作用。图中标有“脉冲计数启动”的信号输出直接送给单片机的具有中断检测功能的IO口P1.X。

燃弧信号检测单元由电容C1,放大器电阻1，放大器电阻2，电阻R12，保护二极管和三极管Q2构成。电路构成一个简单的三极管交流放大电路，对于输入幅值较大的信号，可以驱动处理器内部的IO口的逻辑电路，送给单片机内部的计数器TX。图中标有“燃弧脉冲输出”信号接单片机内部的计数器TX的相应引脚。

系统另外可配置一个电流互感器，20A/20mA，电流互感器输出通过整流，滤波，限压后通过能量搜集电路给电池充电，同时检测互感器电流输出；如图3所示。电池给整个系统供电，电压3.6V。

系统还可配置I2C接口的温湿度传感器，直接接单片机的I2C接口,如图4所示。

信号处理单元采用ST公司低功耗M0内核的处理器STM32L071RB的单片处理器，外围电路包括晶体振荡器，复位电路等。通过SPI接口，连接无线通信芯片，为SEMITECH公司的SX1278，SX1278外围包括晶体振荡器，收发天线开关，滤波器和天线等。

标有“燃弧脉冲输出”的输出，直接接入STM32L071RB的计数器（定时器）对应的IO口。

STM32L071RB的AD输入接电流检测电阻一端，如图3标注的“微处理器AD输入”。

STM32L071RB的一个输出IO口P1.Y，接一个MOS管的栅极，控制声光报警器输出。

STM32L071RB的I2C接口，接温湿度传感器。

对STM32L071RB微处理器编写程序，实现无线的通信底层代码，按照本发明给定的检测方法编写电弧故障检测软件，取T=8mS,设定值A=100，设定值C=3,设定时间B=100mS，并在检测到故障电弧后，输出信号，驱动MOS管，驱动声光报警器输出，同时通过无线通信发电弧故障报警信息发送给相应的接收设备，处理，显示，报警等。

软件流程如下：

初始化STM32L071RB，初始化IO口配置，配置P1.X为中断引脚，上升沿中断，初始化无线通信协议，初始化电弧故障计数器=0，初始化定时器T0为1mS中断定时，设置变量T8MS=0和T100MS和故障电弧计数器=0，初始化计数器TX。初始化AD转换，初始化I2C接口。

P1.X中断程序

若T8MS=0,则T8MS=8，启动计数器TX；

若T100MS=0, 则T100MS=100；

定时器T0中断程序

若T8MS大于1，则T8MS减1；

若T8M 等于1，则T8MS=0，停止计数器TX计数，读取计数器TX计数值，如果大于设定值A，则电弧故障计数器加1。计数器TX计数值=0。

若T100MS大于1，则T100MS减1。

若T100MS 等于1，则T100MS=0,若电弧故障计数器大于设定值C，则P1.Y=1，电弧故障计数器=0，输出报警信号；否则电弧故障计数器=0，T8MS=0。

主程序

初始化程序

进入如下死循环

有无报警信号，有则启动无线发送

检测报警清零信号，有则P1.Y=0

电流报警功能

温湿度报警功能

看门狗清零

STM32L071RB是一个基于COTEX M0的32位单片微控制器，LQFP64封装，192KBFLASH存储器，20KB RAM，51个IO引脚，16路12BIT AD转换器，具有RTC和外部晶振电路，7个16位定时器/计数器单元，2路SPI接口，3路I2C接口，其存储空间，处理能力，外围接口数量可以满足本发明专利的需要。

被检测回路的一根导线同时穿过探测线圈和电流互感器。

如果被检测回路为交流供电，供电回路的火线同时穿过探测线圈和电流互感器。

如果被检测回路为直流供电，取消电流互感器及相关外围电路。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其特征在于包括设置可检测电弧信号和燃弧信号的电弧检测系统，该电弧检测系统包括套在待检测供电回路上的检测线圈、滤波单元、启动脉冲比较单元、燃弧信号检测单元和信号处理单元，

所述检测线圈用于检测供电回路上的电弧信号和燃弧信号，检测的信号发送至滤波单元进行滤波，滤波后的电弧启动脉冲信号发送至启动脉冲比较单元，滤波后的燃弧脉冲信号发送至燃弧信号检测单元；

所述启动脉冲比较单元用于区分待检测供电回路的电弧故障和并联回路电弧故障，通过设置启动脉冲设定值，使得待检测供电回路发生电弧故障时，能够输出启动脉冲信号，而并联回路发生电弧故障时，不能输出启动脉冲信号；所述启动脉冲比较单元将接收的电弧启动脉冲信号与启动脉冲设定值大小进行比较，在发生电弧时，检测线圈输出的电弧启动脉冲信号幅值大于启动脉冲设定值，启动脉冲比较单元给出燃弧检测启动脉冲，并输出给信号处理单元，作为燃弧脉冲计数启动信号；

检测线圈上检测的燃弧脉冲信号通过滤波单元滤波后发送至燃弧信号检测单元，然后燃弧信号检测单元比较该燃弧脉冲信号的信号幅值与燃弧信号设定值之间大小，在发生电弧燃烧时，该燃弧脉冲信号的信号幅值将大于燃弧信号设定值，此时燃弧信号检测单元输出燃弧信号脉冲给信号处理单元进行计数；

所述信号处理单元在接收到燃弧脉冲计数启动信号后，开始对燃弧脉冲信号进行计数，按照给定的判别方法进行故障电弧判别，输出故障电弧信号；其中，所述信号处理单元对故障电弧判别的方法采用程序逻辑实现或者数字逻辑实现，具体步骤为：

系统设置故障电弧计数器和燃弧脉冲计数器，系统初始化后故障电弧计数器清0，燃弧脉冲计数器清0；

当信号处理单元收到启动脉冲后，启动燃弧脉冲计数，收到一个燃弧脉冲，燃弧脉冲计数器加1；在时间T后，读取燃弧脉冲计数器的值，如果燃弧脉冲计数值大于设定值A，则故障电弧计数器加1；

如果在第一个脉冲后，在小于设定时间B内，满足：故障电弧计数器的值大于等于定值C，则电弧故障信号输出1；

如果不满足以上条件，则故障电弧计数器清零，燃弧脉冲计数器清零，系统回到初始化状态，继续等待脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其特征在于所述检测线圈采用没有磁芯的空心线圈或者有低导磁率磁芯的线圈，磁芯的导磁率不超过10000，且流过正常负载电流磁芯不饱和。

3.根据权利要求1所述的一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其特征在于所述滤波单元为低通滤波或者带通滤波器；检测线圈可以作为滤波器电路的元件。

4.根据权利要求1所述的一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其特征在于所述启动脉冲比较单元为一个幅值比较器，当滤波单元输出信号幅值大于启动脉冲设定值，脉冲信号输出1，否则输出0；该幅值比较器可选用比较器，逻辑门电路，双极型三极管，MOS型场效应管或信号处理单元的IO口中任一种，其输出信号给信号处理单元。

5.根据权利要求1所述的一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其特征在于所述燃弧信号检测单元为一个幅值比较器，当输入信号幅值大于燃弧信号设定值，输出1，否则输出0。

6.根据权利要求5所述的一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其特征在于所述幅值比较器可选用比较器，逻辑门电路，双极型三极管，MOS型场效应管或信号处理单元的IO口中任一种，其输出信号给信号处理单元。

7.根据权利要求1或5所述的一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其特征在于当燃弧信号的幅值较小时，需要经过放大后再作比较。

8.根据权利要求1所述的一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其特征在于所述信号处理单元可采用数字逻辑电路，单片机，微处理器，可编程逻辑器件，数字信号处理器或者专用集成电路ASIC中的任一种。

9.根据权利要求1或8所述的一种由电弧脉冲信号启动检测的故障电弧检测方法，其特征在于所述信号处理单元包含至少1个检测线圈，以及与检测线圈数量一致的脉冲计数启动单元和脉冲计数单元，在启动脉冲比较单元输出的脉冲启动信号为1时，在设定时间内对燃弧脉冲信号进行计数。