CN107991587B - 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，在发生电弧时，检测线圈输出的电弧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，输出给逻辑控制单元作为判断条件；所述燃弧信号检测单元对检测线圈输出且经滤波单元滤波后的燃弧信号进行处理并获得信号交流幅值，随后输出给逻辑控制单元；通过逻辑控制单元比较燃弧信号检测单元输出的信号与其设定值之间的大小，若满足各路输出信号超过设定值，且时间超过设定值，则输出故障电弧信号。本发明在收到脉冲启动信号后，能对燃弧脉冲信号幅值和时间进行判别，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。

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逻辑控制单元，

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，滤波后的电弧信号发送至启动脉冲比较单元，所述启动脉冲比较单元将接收的电弧信号幅值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，并输出给逻辑控制单元作为判断条件；

所述燃弧信号检测单元对检测线圈输出且经滤波单元滤波后的燃弧信号进行处理并获得信号交流幅值，随后输出给逻辑控制单元；

所述逻辑控制单元，在接收到燃弧检测启动脉冲后的给定的时间内，比较燃弧信号检测单元输出的信号与其设定值之间的大小，如果各路输出信号超过设定值，且时间超过时间设定值，则输出信号1。在本发明一个实施中，给定时间取100毫秒，时间设定值取30毫秒。

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，专用集成电路，双极型三极管和MOS型场效应管中任一种，其输出信号输出给逻辑控制单元。

进一步的，所述燃弧信号检测单元用于将燃弧信号的交流幅值转换成直流信号；该交流幅值可以是信号取绝对值运算后的平均值或者信号的交流有效值，交流峰值或交流峰峰值。

进一步的，所述燃弧信号检测单元可采用：信号整流，峰值检波器，乘法器或者AD采样经程序运算中任意一种得到信号交流幅值。其中信号整流得到的幅值可以是信号整流后的平均值或者信号的有效值，峰值或峰峰值。

进一步的，所述逻辑控制单元用于完成逻辑运算，幅值比较，时间比较，最后输出故障电弧信号。

进一步的，所述逻辑控制单元的实现可以是分立器件，模拟集成电路，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。

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信号(如50HZ/60HZ)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甚至几MHZ，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。

由于待检测供电回路一般为低频正弦波电流信号或者直流电流，在正常工作时，其电流变化率低，在检测线圈上能够输出的电压值很低，经滤波单元后，其幅值不能驱动幅值比较单元输出脉冲信号。

当发生电弧故障时，会发生电流突变，检测线圈会产生较大的感应电压信号，经过滤波单元，滤除不必要的干扰信号后，与启动脉冲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，引起干扰。经滤波器后这些干扰信号都予以滤除。

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幅值的3倍以上。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。设置启动脉冲比较单元的比较值，使得待检测回路发生电弧故障时，能够输出脉冲信号；而并联回路发生电弧故障时，不能输出脉冲信号。通过设置启动脉冲比较单元的比较值，能够避免并联回路电弧故障引起的误动。

经试验发现，在发生电弧燃烧时，在探测线圈上会输出一个幅值较低的高频信号，信号持续时间会比较长。由于该高频信号幅值低，甚至需要放大器放大后，才能幅值检测。检测的方法可以是整流，乘法器，或者高速AD采样计算。

如果检测到的电弧燃烧信号的都满足幅值超过设定值且时间超过设定时间，则输出故障电弧信号。

试验发现，每次故障电弧发生时，总是伴随至少一个电流突变产生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。本专利通过检测启动脉冲信号和紧随的燃弧信号的幅值并进行处理，所以，通过本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，由于本发明的检测线圈仅仅对高频突变电流信号敏感，所以输出电压信号很小，不足以使得启动脉冲比较单元有脉冲信号输出。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，不足以使得启动脉冲比较单元有脉冲信号输出。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，其电流信号在每个半周或者每个周期都会有一个突变信号，启动脉冲比较单元会产生连续的脉冲信号输出。这种类型的脉冲信号输出是连续的，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，但是在脉冲信号输出之后，并没有燃弧信号。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，检测线圈输出信号的幅值不足以引起启动脉冲比较单元有脉冲信号输出。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，都不足以引起启动脉冲比较单元有脉冲信号输出，只有通电瞬间，电流突变启动脉冲比较单元会有脉冲信号输出，且跟随燃弧信号，但是其持续时间很短。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，能够在检测线圈上产生较高的电压，启动脉冲比较单元会有一个或者多个脉冲输出，并且有紧随的燃信号，且其持续时间长。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逻辑控制单元构成。

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，启动脉冲比较单元、燃弧信号检测单元分别与逻辑控制单元连接。

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，滤波后的电弧信号发送至启动脉冲比较单元，所述启动脉冲比较单元将接收的电弧信号幅值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，输出给逻辑控制单元作为判断条件；所述燃弧信号检测单元对检测线圈输出且经滤波单元滤波后的燃弧信号进行处理并获得信号交流幅值，随后输出给逻辑控制单元；所述逻辑控制单元，在接收到燃弧检测启动脉冲后的给定的时间内，比较燃弧信号检测单元输出的信号与其设定值之间的大小，如果各路输出信号超过设定值，且时间超过设定值，则输出信号1。

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，图中检测线圈1。

滤波单元采用一个简单的高频陶瓷电容器，图中外接电容1，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U，Q1能够导通，而滤波电容两端最高电压为U/3时，Q1不导通。二极管起到保护作用。Q1导通后，C2快速放电，PMOS管Q3导通，给燃弧信号检测单元供电。即使在Q1导通后截至，由于R8给C2充电需要时间，Q3可以维持导通一段时间，该时间和R8*C2的时间常数有关。通过调节R8的大小可以调节时间常数。在本实施中，该时间常数为100毫秒，即权利要求中的给定时间。

燃弧信号检测单元由放大器和整流电路构成。由C1,放大器电阻1，放大器电阻2，R7，保护二极管和Q2构成一个简单的三极管交流放大电路,改变放大器电阻1的阻值，可以改变放大倍数。其输出经过C4耦合，经过整流二极管1和整流二极管2构成整流电路，其输出给逻辑控制单元。燃弧信号检测单元的电源来自启动脉冲比较单元的输出，如果启动比较单元没有输出，燃弧信号检测单元不工作。

燃弧信号检测单元输出信号，输出给R6,C3构成的滤波电路，如果输出的幅值大于NMOS管的阈值，且持续时间超过X倍的(R7+R6)*C3的时间常数，则NMOS管导通输出故障电弧信号。通过调节R6的大小，可以调节时间常数。在本实施中，该时间常数为30毫秒。NMOS管的阈值为2.0V，X需要计算，在此取值为1.5。

图2中的电阻R5在报警发生后，对电容C3进行放电。也维持上电时，电容C3两端电压为0。

如图3所示，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。该电路仅对于被检测回路为交流供电时有效。

电池给整个系统供电，电池电压为3.6V。

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 (8)

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逻辑控制单元，

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，滤波后的电弧信号发送至启动脉冲比较单元，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信号幅值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，输出给逻辑控制单元作为判断条件；

所述燃弧信号检测单元对检测线圈输出且经滤波单元滤波后的燃弧信号进行处理并获得信号交流幅值，随后输出给逻辑控制单元；

所述逻辑控制单元，在接收到燃弧检测启动脉冲后的给定的时间内，比较燃弧信号检测单元输出的信号与其设定值之间的大小，如果该路输出信号超过设定值，且时间超过设定值，则输出信号1。

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，专用集成电路，双极型三极管和MOS型场效应管中任一种，其输出信号输出给逻辑控制单元。

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用于将燃弧信号的交流幅值转换成直流信号；该交流幅值可以是信号取绝对值运算后的平均值或者信号的交流有效值，交流峰值或交流峰峰值。

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，其特征在于所述燃弧信号检测单元可采用：信号整流，峰值检波器，乘法器或者AD采样经程序运算中任意一种得到信号交流幅值。

7.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，其特征在于所述逻辑控制单元用于完成逻辑运算，幅值比较，时间比较，最后输出故障电弧信号。

8.根据权利要求1或7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，其特征在于所述逻辑控制单元的实现可以是分立器件，模拟集成电路，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。