CN109901025A - 用电设备及其拉弧检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种用电设备及其拉弧检测方法和装置，该方法包括：对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号；对所述采样信号放大至拉弧检测装置能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围；根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。本申请实施例可提高拉弧检测的精度，且实现简单成本较低。

Description

用电设备及其拉弧检测方法和装置

技术领域

本申请涉及拉弧检测技术领域，尤其是涉及一种用电设备及其拉弧检测方法和装置。

背景技术

拉弧是指当电压超过空气的耐受力使空气电离变成导体而产生电弧的现象。而拉弧所产生的高温可能会带来很多危害，比如拉弧可能会损坏设备(例如使部件融化或碎裂等)，甚至可能会引发火灾。因此，拉弧检测具有重要意义。

目前现有技术中，拉弧检测是将经采样、放大、模数转换等处理后的时域检测信号转换成频域信号或脉冲信号，然后再基于转换后获得的频域信号或脉冲信号判断是否产生拉弧。由于时域检测信号转换成频域信号或脉冲信号过程中会有部分真实信号的丢失，这影响了现有的拉弧检测方案的精度。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种用电设备及其拉弧检测方法和装置，以提高拉弧检测的精度。

为达到上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种拉弧检测方法，包括：

对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号；

对所述采样信号放大至拉弧检测装置能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围；

根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。

优选的，在所述根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧之前，还包括：

对放大后的采样信号进行直流偏置；

相应的，所述根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧，包括：根据直流偏置后的采样信号处理值和包含直流偏置量的预设值确定是否存在拉弧。

优选的，在所述根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧之前，还包括：

对放大后的采样信号的负半周信号进行反相处理；

相应的，所述根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧，包括：根据反相处理后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。

优选的，所述根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧，包括以下方式之一：

根据比较放大后的采样信号和基准电压范围确定是否存在拉弧；

根据比较斜率和预设斜率范围确定是否存在拉弧，所述斜率为放大后的当次采样信号与所述当次采样信号前若干次采样信号的斜率；

根据比较差值和预设差值范围确定是否存在拉弧，所述差值为放大后的当次采样信号与所述当次采样信号前若干次采样信号的差值。

优选的，所述根据比较放大后的采样信号和基准电压范围确定是否存在拉弧，包括：

当阻性负载处于运行状态时，如果连续采集的N个电压采样值均位于所述基准电压范围内，则确认检测到一次拉弧；其中N为预设的第一数量阈值。

优选的，所述方法还包括：

当连续检测到M次拉弧时，进行拉弧报警和/或将阻性负载与电源断开；其中M为预设的第二数量阈值。

优选的，所述方法还包括：

确定所述阻性负载是否处于运行状态。

优选的，所述确认所述阻性负载是否处于运行状态，包括：

当连续采集的R个电压采样值均大于预设电压阈值时，确认所述阻性负载处于运行状态；其中R为预设的第三数量阈值。

优选的，所述确认所述阻性负载是否处于运行状态，还包括：

当连续采集的S个电压采样值均位于所述基准电压范围时，确认所述负载处于停止状态，并将针对其中M和N的计数清零；其中S为预设的第四数量阈值。

优选的，所述基准电压范围预先根据以下方式获取：

在阻性负载未启动时，对所述阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号，并根据所述采样信号确定所述基准电压范围。

优选的，所述拉弧临界点电压的电压值预先根据以下方式获取：

预定需要识别的拉弧过程中负载电流为零的持续最小时长T；

根据公式确定拉弧临界点电压的相位；

根据公式U_A＝U₀sinθ确定拉弧临界点电压的电压值；

其中，θ为拉弧临界点电压的相位角，T₀为交流电电压周期，U_A为拉弧临界点电压的电压值，U₀为交流电电压峰值。

优选的，所述对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号；对所述采样信号进行放大至拉弧检测装置能够区分拉弧临界电压和基准电压范围，包括：

获取阻性负载的电流信号并转换为对应的电压信号，对所述电压信号放大至所述拉弧检测装置能够区分拉弧临界电压和基准电压范围；或者，

获取阻性负载的电流信号，对所述电流信号进行放大并将放大后的电流信号转换成对应的电压信号，以使所述拉弧检测装置能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。

另一方面，本申请实施例还提供了一种拉弧检测装置，包括：

采样放大模块和与所述采样放大模块的信号输出端连接的信号处理模块；其中，

采样放大模块，用于对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号，将采样信号放大至所述信号处理模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围；

信号处理模块，用于根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。

优选的，所述拉弧检测装置还包括：

直流偏置模块，用于对采样放大模块放大后的采样信号进行直流偏置；所述直流偏置模块的信号输入端与所述采样放大模块的信号输出端连接，所述直流偏置模块的信号输出端与所述信号处理模块的信号输入端连接；

相应的，所述信号处理模块用于根据直流偏置后的采样信号处理值和包含直流偏置量的预设值确定是否存在拉弧。

优选的，所述拉弧检测装置还包括：

全波整流模块，用于对放大后的采样信号的负半周信号进行反相处理；所述全波整流模块的信号输入端与所述采样放大模块的信号输出端连接，所述全波整流模块的信号输出端与所述信号处理模块的信号输入端连接；

相应的，所述信号处理模块用于根据反相处理后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。

优选的，所述采样放大模块包括信号采样模块和放大模块，所述信号采样模块的信号输出端与所述放大模块的信号输入端连接；其中，信号采样模块用于对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号；放大模块用于将所述采样信号放大至所述信号处理模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。

优选的，所述信号处理模块包括模数转换模块和处理器，所述模数转换模块的信号输入端与所述放大模块的信号输出端连接，所述模数转换模块的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接；相应的，所述采样放大模块用于将所述采样信号放大至所述模数转换模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。

优选的，所述信号处理模块根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧，包括以下方式之一：

根据比较放大后的采样信号和基准电压范围确定是否存在拉弧；

根据比较斜率和预设斜率范围确定是否存在拉弧，所述斜率为放大后的当次采样信号与所述当次采样信号前若干次采样信号的斜率；

根据比较差值和预设差值范围确定是否存在拉弧，所述差值为放大后的当次采样信号与所述当次采样信号前若干次采样信号的差值。

优选的，所述信号处理模块根据比较放大后的采样信号和预设的基准电压范围确定是否存在拉弧，包括：

当负载处于工作状态时，连续采集的N个电压采样值均位于所述基准电压范围内时，确认检测到一次拉弧；其中N为预设的第一数量阈值。

优选的，所述拉弧检测装置还包括：报警和或负载断开装置，用于当所述信号处理模块连续检测到M次拉弧时，进行拉弧报警和/或将负载与电源断开；其中M为预设的第二数量阈值。

优选的，所述信号处理模块还用于确定所述阻性负载是否处于运行状态。

优选的，所述信号处理模块确认所述阻性负载是否处于运行状态，包括：

当所述模数转换模块连续采集的R个电压采样值均大于预设电压阈值时，所述信号处理模块确认所述阻性负载处于运行状态；其中R为预设的第三数量阈值。

优选的，所述信号处理模块确认所述阻性负载是否处于运行状态，还包括：

当所述模数转换模块连续采集的S个电压采样值均位于所述基准电压范围时，所述信号处理模块确认所述负载处于停止状态，并将针对其中M和N的计数清零；其中S为预设的第四数量阈值。

优选的，所述拉弧临界点电压的电压值预先根据以下方式获取：

预定需要识别的拉弧过程中负载电流为零的持续最小时长T；

根据公式确定拉弧临界点电压的相位；

根据公式U_A＝U₀sinθ确定拉弧临界点电压的电压值；

其中，θ为拉弧临界点电压的相位角，T₀为交流电电压周期，U_A为拉弧临界点电压的电压值，U₀为交流电电压峰值。

优选的，所述放大模块和所述直流偏置模块通过隔离运算放大器实现。

优选的，所述信号采样模块包括电流互感器。

优选的，述阻性负载包括电加热元件。

另一方面，本申请实施例还提供了一种用电设备，所述用电设备包括：

电源端，

与所述电源端连接的阻性负载，以及，

设置于所述电源端和所述阻性负载之间的如权利要求13至27任意一项所述的拉弧检测装置。

优选的，所述用电设备包括电热水器，所述阻性负载包括所述电热水器的电加热元件。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例的拉弧检测方案在对阻性负载的电流信号进行采样而得到采样信号后，可将对采样信号放大至拉弧检测装置能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围的程度，从而使得拉弧检测装置可直接在时域根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧，从而提高了拉弧检测的精度和抗干扰能力。并且，与现有技术相比，本申请实施例还避免了将时域信号转换成频域信号或脉冲信号所造成的部分真实信号丢失的问题，从而有利于进一步提高拉弧检测的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请一实施方式中用电设备的结构框图；

图2为本申请一实施方式中拉弧检测装置的原理框图；

图3为本申请另一实施方式中拉弧检测装置的原理框图；

图4为本申请一实施方式中拉弧检测装置的电路原理图；

图5为本申请另一实施方式中拉弧检测装置的电路原理图；

图6为本申请另一实施方式中拉弧检测装置的原理框图；

图7为本申请另一实施方式中拉弧检测装置的电路原理图；

图8为本申请一实施方式中拉弧检测方法的方法流程图；

图9为本申请一实施方式中电压信号及电压放大信号的波形示意图；

图10为本申请一实施方式中的电压信号、电压放大信号及直流偏置后的电压放大信号的波形示意图；

图11为本申请一实施方式中经全波整流后获得的电压信号的波形示意图；

图12为本申请一实施方式中存在拉弧时的电压变化示意图(未直流偏置)；

图13为本申请一实施方式中存在拉弧时的电压变化示意图(已直流偏置)。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

研究表明，阻性负载(尤其是纯电阻负载)的用电设备在接触不良等状态下容易导致拉弧的产生。具体的，当阻性负载接入的某个位置存在接触不良或断路间隙小等情况下，在两侧触头之间容易形成电压，这个电压遵循正弦波波形的变化。电压在逐渐升高到达某个电压点(即击穿电压点)时，击穿空气使空气分子电离，从而形成弧电流(即拉弧)，弧电流产生高温可进一步加剧电离作用，从而形成通路；当电压到达正弦波波峰后慢慢降低，随着电压降低，拉弧和通路会在某个电压点(即断开电压点)断开并持续一段时间；此后，随着电压再次升高，当电压再次到达击穿电压点后会再次击穿空气形成拉弧和通路，当电压从峰值再次降低至断开电压点后拉弧和通路会再次断开并持续一段时间，如此反复。

为准确检测阻性负载是否存在拉弧，在本申请实施方式中可对相应的用电设备进行改进。参考图1所示，在本申请的一些实施方式中，改进后的用电设备可以包括：电源端，与所述电源端连接的阻性负载，以及连接于所述电源端和所述阻性负载之间的拉弧检测装置。其中，所述电源端可用作电源接口；所述拉弧检测装置可用于检测所述阻性负载是否存在拉弧。其中，所述用电设备可以为任何阻性负载设备，例如在一些示例性实施方式中，所述用电设备可以为电热水器等；相应的，在所述用电设备为电热水器时，所述阻性负载可以为所述电热水器的电加热元件(例如加热棒等)。

在本申请的一些实施方式中，本实施方式所述拉弧检测装置可以包括采样放大模块和与采样放大模块信号输出端连接的信号处理模块。其中，采样放大模块可用于对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号，将采样信号放大至信号处理模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围；信号处理模块可用于根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。

在本申请的一实施方式中，结合图2所示，优选的，所述采样放大模块可以包括信号采样模块和放大模块。其中，所述信号采样模块的信号输出端与所述放大模块的信号输入端连接；信号采样模块用于对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号；放大模块用于将所述采样信号放大至所述信号处理模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。例如在一实施方式中，信号采样模块可由电流互感器和采样电阻实现，放大模块可由放大电路或集成的放大器(例如运算放大器)等实现。在本申请的另一实施方式中，所述采样放大模块也可以由具备放大功能的电流互感器和采样电阻实现。其中，所述具备放大功能的电流互感器，例如可采用多组绕线的形式实现。在此情况下，所述电流传感器可用于获取阻性负载的电流信号并将其进行放大，而采样电阻则可以用于将放大后的电流信号转换成对应的电压信号，以使所述拉弧检测装置能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。

在本申请的一些实施方式中，所述信号处理模块根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧的具体实现可以有很多方式。具体的，例如可以根据比较放大后的采样信号和基准电压范围确定是否存在拉弧；也可以根据比较斜率和预设斜率范围确定是否存在拉弧，所述斜率为放大后的当次采样信号分别与所述当次采样信号前若干次采样信号间的斜率；还可以根据比较差值和预设差值范围确定是否存在拉弧，所述差值为放大后的当次采样信号与所述当次采样信号前若干次采样信号的差值，等等。其中，处理值可以是直接获取、或者做斜率计算、做差值计算等等。因此，与现有技术相比，本申请对所述采样信号放大至拉弧检测装置能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围，具有拉弧检测精度高，抗干扰能力强的特点。

在一示例性实施方式中，所述根据比较放大后的采样信号和基准电压范围确定是否存在拉弧，例如可以包括：当阻性负载处于运行状态时，如果连续采集的N个电压采样值均位于所述基准电压范围内，则确认检测到一次拉弧；其中N为预设的第一数量阈值，具体可根据需要、根据实验或根据经验确定，较佳的，N≥2。可以看出，本实施方式判断疑似拉弧和上述判断拉弧的过程中，都强调了以连续采样点判断为前提，这样可以避免依据单个采样点进行判断而造成的误判。这种基于连续采样点的判断，实际上也可视为一种对拉弧持续时间的判断。例如对上述判断疑似拉弧的判断，所述模数转换模块连续采集的N个电压采样值均位于所述基准电压范围内，可认为是所述模数转换模块在时长为N个Δt的连续采样时段内输出的电压采样值均位于所述基准电压范围内。

在本申请的一些实施方式中，所述信号处理模块可以模数转换模块和处理器。相应的，所述模数转换模块的信号输入端与放大模块的信号输出端连接，所述模数转换模块的信号输出端与处理器的信号输入端连接；相应的，放大模块用于将采样信号放大至模数转换模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。而在本申请的另一些实施方式中，如果处理器自身集成有模数转换功能，则所述信号处理模块也可以是这种集成有模数转换功能的处理器。

本申请实施例的拉弧检测方案在对阻性负载的电流信号进行采样而得到采样信号后，可将对采样信号放大至拉弧检测装置能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围的程度，从而使得拉弧检测装置可直接在时域根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧，从而提高了拉弧检测的精度和抗干扰能力。并且，与现有技术相比，本申请实施例还避免了将时域信号转换成频域信号或脉冲信号所造成的部分真实信号丢失的问题，从而有利于进一步提高拉弧检测的精度。此外，与现有技术相比，本申请实施方式的拉弧检测方案去掉了将时域信号转换成频域信号或脉冲信号的处理过程，方案简单，易于实现。

在本申请一实施方式中，在正常状态下，当施加的电场强度增强至超过空气的耐受范围，使空气电离变成导体而形成拉弧时所对应的电压，可称之为击穿点电压。相应的，在拉弧状态下，当施加的电场强度减弱至不足以击穿空气的时候，使空气终止电离而断开拉弧时所对应的电压，可称之为断开点电压。由此，由于所述击穿点电压和所述断开点电压均属于拉弧临界状态的分界点，其可以统称为拉弧临界点电压。

在本申请一实施方式中，一般情况下，采样放大模块获得的电压信号是按正弦波变化的电压信号，其有峰值和谷值(例如峰值可以为250mV，谷值可以为-250mV)。理论上基准电压范围对应的就是负载电流为零的时对应的电压点，但由于临界点电压的信号电压值小，同时由于信号抖动和外部干扰，造成临界点电压与零点附近的干扰信号区分不开，所以要进行信号放大；为了提高系统的本身容错性和便于拉弧的检测，所以本实施方式需要设置基准电压的允许偏差既基准电压范围，基准电压范围的设置标准为在放大之后能够覆盖零点附近的干扰信号，并能够将拉弧临界点电压区分在基准电压范围之外。

在本申请一实施方式中，在指定了模数转换模块后(例如对于内置有模数转换模块的处理器而言，当处理器选定了，模数转换模块也确定了)，相应的，模数转换模块的分辨率也就确定了。在此情况下，为了使模数转换模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围，需要将所述采样信号进行充分放大，在一些情况下，甚至可以允许将信号放大至失真状态，或在必要的情况下对信号超出模数转换模块的允许输入电压值的信号部分进行钳位处理。

上述的能够区分可以这样理解：模数转换模块的分辨能力是有限的，如果放大的倍数不够，可能会使模数转换模块误以为采集到的拉弧临界点电压为负载电流为零时对应的采样信号电压值，从而无法与基准电压范围进行区别；在此情况下，例如图12所示，当电压从断开点电压变化至零点电压，再从零点电压变化至击穿点电压这个阶段内，无论是否发生拉弧，模数转换模块均会将该阶段内的电压值识别为负载电流为零时对应的采样信号电压值(除非电压值大于拉弧临界点电压)，如此，后续无法进行有效的拉弧检测判断了。因此，需要将所述电压信号至少放大至所述模数转换模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。

考虑实际干扰、电压波动等不确定因素，可预先根据实际试验数据和计算结果设定基准电压范围(0±Δu)以用于判断是有拉弧产生。其中，±Δu为允许偏差(如果在放大后增加直流偏置V的情况下，则基准电压范围可以为V±Δu)。

如图9所示，①为放大前的电压波形，②为放大后的波形，t1和t2对应的点为拉弧临界点。设需要识别的拉弧时长为Δt＝t2-t1，Δt≥T，T为设定的需要识别的拉弧过程中负载电流为零的持续最小时长。在一示例性实施方式中，T的数值可以根据美国UL标准进行设定；而在其他实施方式中，T的数值可以根据实际情况进行设定，因此，本申请对此不做限定。

理想情况下，拉弧发生中的两处拉弧临界点相对于0点对称。则根据T可以理论上计算出模数转换模块能够识别的拉弧临界点电压以及对应的相位θ，具体的：

设电网交流周期为T₀，则根据公式可确定最小拉弧临界点电压处对应的相位角为于是，需要识别区分的拉弧临界点电压为U_A＝U₀sinθ；其中，U₀为放大前的电压波形的峰值。

显然，若U_A≤Δu，则需要进行信号的放大处理。而为了便于识别区分，放大倍数需要满足N≥Δu/U_A，即认为在此放大倍数N下，所述模数转换模块能够区分拉弧临界点电压和过零点电压。

若放大倍数超出所述模数转换模块的采样电平极值(如采样电平范围0～3.3V，则相应的极大值为3.3V，极小值为0V)，还需要额外对超出采样电平极值的部分进行钳位处理。放大后的拉弧临界点电压在至少需要满足U_b＝N*U_A的前提下，需要适度放大，例如可根据经验可将放大倍数定为Δu/U_A，较佳的，若放大后信号幅值超出采样电平极值，则需要进行钳位处理。

在一示例性实施方式中，根据相关的美国UL安全性标准，可设定常数T＝0.00042s，市电频率为50Hz，则其周期T0＝0.02s，从而可计算出相应的，U_A＝U₀sinθ＝0.555*sin0.021π＝0.0366V。

显然，0.036＜0.15(即U_min＜Δu)，因此需要进行放大处理。在放大倍数为的情况下，虽然实际上N越大，测试误差越小，但考虑实际情况下两个相邻临界点的不对称性和干扰，可选择5倍以上放大能力的放大模块，以便于可为测试留有足够余量。而隔离运放有多种选择，其放大倍数也种类繁多，一般隔离运放自带输出主动偏置电压。假设允许偏差Δu为0.1V，则在采用直流偏置1.65的情况下，可设定基准电压范围为1.65±0.1V。

需要说明的是，上述设定基准电压范围的方式仅是举例说明，而不应视为对本申请的限制。在本申请其他实施方式中，还可以从功率等角度设定基准电压范围。

参考图3所示，在本申请另一实施方式中，所述拉弧检测装置还可以包括直流偏置模块，其可以用于对采样放大模块放大后的采样信号进行直流偏置；所述直流偏置模块的信号输入端与所述采样放大模块的信号输出端连接，所述直流偏置模块的信号输出端与所述信号处理模块的信号输入端连接；相应的，所述信号处理模块可根据直流偏置后的采样信号处理值和包含直流偏置量的预设值确定是否存在拉弧。当然，在此情况下，预设的基准电压范围也应是进行直流偏置的情况下而得到的基准电压范围。如此，根据直流偏置将基准电压范围抬高，例如图13所示，从而可以确保整个拉弧的波形在处理器的可检测范围，即使得位于负半周的拉弧也可以被检测到。在图13中，U_d、U₀和U_j分别表示断开点电压、过零点电压和击穿点电压，Δt表示模数转换模块的采样周期，T＝t2-t1为需要判断的是否存在拉弧的时段。

参考图4所示，在本申请一实施方式中，所述信号采样模块可以包括电流互感器L2、电阻R1和电阻R9。这样的信号采样模块的结构简单可靠，且实现成本低。其中，所述电流互感器L2可用于采集阻性负载的电流信号，而电阻R1则可用于将所述电流互感器L2采集的电流信号转换成相应的电压信号。其中，电流互感器L2的原边的两端(即3端和4端)作为输入端，用于连接阻性负载的回路；电流互感器L2的副边的两端(即1端和2端)作为输出端；电阻R1跨接于电流互感器L2的副边的两端，电阻R9的一端与电流互感器L2的副边的2端相连，电阻R9的另一端与放大模块相连，以将转换后得到的电压信号提供给放大模块处理。当然，在本申请其他实施方式中，所述信号采样模块也可以根据其他方式实现，例如其中的电流互感器可替换为霍尔传感器等电流传感器。

结合图4所示，在本申请一示例性实施方式中，所述放大模块例如可以为运算放大器。在图4中，作为放大模块的运算放大器的同相输入端与所述信号采样模块的电阻R9连接，以接收所述信号采样模块提供的电压信号；运算放大器的输出端根据电容C3与直流偏置模块相连，以将放大后的电压信号提供给所述直流偏置模块处理。

结合图4所示，在本申请一示例性实施方式中，所述直流偏置模块可以包括电阻R25，电阻R25的一端作为输入端，分别接直流偏置电压(图4所示的UP端)及所述放大模块的输出端，以将所述放大模块输出的放大后的电压信号进行直流偏置处理；电阻R25的另一端作为输出端与所述处理器相连，以将直流偏置后的电压信号提供给所述处理器的模数转换模块处理。

在本申请另一示例性实施方式中，还可直接根据一个隔离运算放大器实现所述放大模块和所述直流偏置模块，例如图5所示，其中VINN引脚为隔离运算放大器U5的输入端；VOP引脚为隔离运算放大器U5的输出端，VOP引脚可根据电阻R10与处理器相连。采用这种隔离运算放大器不仅简化了电路结构，还可以消除由接地环路引起的测量误差，从而有利于进一步提高拉弧检测的精度。

在本申请一实施方式中，所述处理器包括但不限于微控制单元(MicrocontrollerUnit，即MCU)(例如单片机等)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)等。如图4所示，在一示例性实施方式中，所述处理器可以包括型号为PIC30F210的MCU，该型号为PIC30F210的MCU的第2引脚作为信号输入端，与直流偏置模块的输出端相连。如图5所示，在另一示例性实施方式中，当根据隔离运算放大器实现所述放大模块和所述直流偏置模块时，该型号为PIC30F210的MCU的第2引脚则可与所述隔离运算放大器的输出端相连。

参考图6所示，在本申请另一实施方式中，所述拉弧检测装置还可以包括全波整流模块，其可以用于对放大后的采样信号的负半周信号进行反相处理；所述全波整流模块的信号输入端与所述采样放大模块的信号输出端连接，所述全波整流模块的信号输出端与所述信号处理模块的信号输入端连接；相应的，所述信号处理模块可根据反相处理后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。

与上述直流偏置模块类似，增加全波整流模块的目的在于，根据将放大模块放大后的电压信号的负半周信号翻转至正半周(例如图11所示)，可以确保整个拉弧的波形在处理器的可检测范围，即使得位于负半周的拉弧也可以被检测到。

结合图7所示，在一示例性实施方式中，所述全波整流模块例如可以为单相全波整流模块，其可以包括二极管D1、二极管D2和电阻R25，其中，二极管D1和二极管D2反向并联后与电阻R25串联；电阻R25的一端与所述放大模块的输出端相连，以接收所述放大模块输出的放大后的电压信号；电阻R25的另一端与所述处理器的输入端相连，以将翻转后的电压信号提供给所述处理器的模数转换模块处理。

需要说明的是，在一些情况下，一些处理器内部集成有模数转换模块，因而无需考虑设置模数转换模块的问题。在另一些情况下，当处理器内部未集成有模数转换模块时，可以增设一个独立的模数转换模块，该模数转换模块可将放大模块、直流偏置模块或全波整流模块提供的电压模拟信号转换成对应的电压数字信号，并提供给所述处理器处理。

在本申请一实施方式中，所述拉弧检测装置还可以包括报警和或负载断开装置；其可以用于当所述信号处理模块连续检测到M次拉弧时，进行拉弧报警和/或将负载与电源断开，以避免或减少拉弧对用电设备的危害；其中M为预设的第二数量阈值。其中，所述拉弧报警可以是文字报警、语音报警和/或光信号报警等等。所述负载断开装置例如可以是串接于所述阻性负载的回路上的可控开关(如图2、图3或图6所示)等等。

有必要指出，上述拉弧检测方法在阻性负载处于运行状态时进行判断更有实际意义。因此，在本申请一实施方式中，在获取阻性负载的电流信号之前，所述信号处理模块还可以确定所述阻性负载是否处于运行状态。例如当所述模数转换模块连续采集的R个电压采样值均大于预设电压阈值时，可确认所述阻性负载处于运行状态；其中R为预设的第三数量阈值；而当所述模数转换模块连续采集的S个电压采样值均位于所述基准电压范围时，还可以确认所述负载处于停止状态，并将针对其中M和N的计数清零，以便于为下一次计数做好准备；其中S为预设的第四数量阈值。

需要说明的是，当上述的拉弧检测装置采用了直流偏置模块时，相应的，在所述根据比较放大后的电压信号和预设的基准电压范围确定是否存在拉弧之前，还可以包括：对放大后的电压信号进行直流偏置的步骤。在一示例性实施方式中，直流偏置后得到的电压信号可如图10中的点划线所示。相应的，所述根据比较放大后的电压信号和预设的基准电压范围确定是否存在拉弧，可以是根据直流偏置后的电压信号和预设的基准电压范围确定是否存在拉弧。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

参考图8所示，在本申请一实施方式中，所述拉弧检测装置的拉弧检测方法可以包括如下步骤：

S801、获取阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号。在一示例性实施方式中，转换后得到的电压信号可如图10中的实线所示。

S802、对所述采样信号放大至拉弧检测装置能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。在一示例性实施方式中，放大后得到的电压信号可如图10中的虚线所示。

S803、根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。如果存在拉弧，则执行步骤S804，否则可跳转执行步骤S801。

S804、当连续检测到M次拉弧时，进行拉弧报警和/或将负载与电源断开；其中N其中M为预设的第二数量阈值；其中N其中M为预设的第二数量阈值，具体可根据标准、根据实验或根据经验确定。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述的比较简单，相关之处请参见装置实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的方法、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种方法、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的方法、装置或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (29)

1.一种拉弧检测方法，其特征在于，包括：

对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号；

对所述采样信号放大至拉弧检测装置能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围；

根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。

2.如权利要求1所述的拉弧检测方法，其特征在于，在所述根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧之前，还包括：

对放大后的采样信号进行直流偏置；

相应的，所述根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧，包括：根据直流偏置后的采样信号处理值和包含直流偏置量的预设值确定是否存在拉弧。

3.如权利要求1所述的拉弧检测方法，其特征在于，在所述根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧之前，还包括：

对放大后的采样信号的负半周信号进行反相处理；

相应的，所述根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧，包括：根据反相处理后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。

4.如权利要求1所述的拉弧检测方法，其特征在于，所述根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧，包括以下方式之一：

根据比较放大后的采样信号和基准电压范围确定是否存在拉弧；

根据比较斜率和预设斜率范围确定是否存在拉弧，所述斜率为放大后的当次采样信号与所述当次采样信号前若干次采样信号的斜率；

根据比较差值和预设差值范围确定是否存在拉弧，所述差值为放大后的当次采样信号与所述当次采样信号前若干次采样信号的差值。

5.如权利要求4所述的拉弧检测方法，其特征在于，所述根据比较放大后的采样信号和基准电压范围确定是否存在拉弧，包括：

当阻性负载处于运行状态时，如果连续采集的N个电压采样值均位于所述基准电压范围内，则确认检测到一次拉弧；其中N为预设的第一数量阈值。

6.如权利要求5所述的拉弧检测方法，其特征在于，还包括：

当连续检测到M次拉弧时，进行拉弧报警和/或将阻性负载与电源断开；其中M为预设的第二数量阈值。

7.如权利要求5所述的拉弧检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

确定所述阻性负载是否处于运行状态。

8.如权利要求7所述的拉弧检测方法，其特征在于，所述确认所述阻性负载是否处于运行状态，包括：

当连续采集的R个电压采样值均大于预设电压阈值时，确认所述阻性负载处于运行状态；其中R为预设的第三数量阈值。

9.如权利要求8所述的拉弧检测方法，其特征在于，所述确认所述阻性负载是否处于运行状态，还包括：

当连续采集的S个电压采样值均位于所述基准电压范围时，确认所述负载处于停止状态，并将针对其中M和N的计数清零；其中S为预设的第四数量阈值。

10.如权利要求1-9任意一项所述的拉弧检测方法，其特征在于，所述基准电压范围预先根据以下方式获取：

在阻性负载未启动时，对所述阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号，并根据所述采样信号确定所述基准电压范围。

11.如权利要求1-9任意一项所述的拉弧检测方法，其特征在于，所述拉弧临界点电压的电压值预先根据以下方式获取：

预定需要识别的拉弧过程中负载电流为零的持续最小时长T；

根据公式确定拉弧临界点电压的相位；

根据公式U_A＝U₀sinθ确定拉弧临界点电压的电压值；

其中，θ为拉弧临界点电压的相位角，T₀为交流电电压周期，U_A为拉弧临界点电压的电压值，U₀为交流电电压峰值。

12.如权利要求1-9任意一项所述的拉弧检测方法，其特征在于，所述对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号；对所述采样信号进行放大至拉弧检测装置能够区分拉弧临界电压和基准电压范围，包括：

获取阻性负载的电流信号并转换为对应的电压信号，对所述电压信号放大至所述拉弧检测装置能够区分拉弧临界电压和基准电压范围；或者，

获取阻性负载的电流信号，对所述电流信号进行放大并将放大后的电流信号转换成对应的电压信号，以使所述拉弧检测装置能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。

13.一种拉弧检测装置，其特征在于，包括：

采样放大模块和与所述采样放大模块的信号输出端连接的信号处理模块；其中，

采样放大模块，用于对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号，将采样信号放大至所述信号处理模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围；

信号处理模块，用于根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。

14.如权利要求13所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述拉弧检测装置还包括：

直流偏置模块，用于对采样放大模块放大后的采样信号进行直流偏置；所述直流偏置模块的信号输入端与所述采样放大模块的信号输出端连接，所述直流偏置模块的信号输出端与所述信号处理模块的信号输入端连接；

相应的，所述信号处理模块用于根据直流偏置后的采样信号处理值和包含直流偏置量的预设值确定是否存在拉弧。

15.如权利要求13所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述拉弧检测装置还包括：

全波整流模块，用于对放大后的采样信号的负半周信号进行反相处理；所述全波整流模块的信号输入端与所述采样放大模块的信号输出端连接，所述全波整流模块的信号输出端与所述信号处理模块的信号输入端连接；

相应的，所述信号处理模块用于根据反相处理后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧。

16.如权利要求14所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述采样放大模块包括信号采样模块和放大模块，所述信号采样模块的信号输出端与所述放大模块的信号输入端连接；其中，信号采样模块用于对阻性负载的电流信号进行采样得到采样信号；放大模块用于将所述采样信号放大至所述信号处理模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。

17.如权利要求13所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括模数转换模块和处理器，所述模数转换模块的信号输入端与所述放大模块的信号输出端连接，所述模数转换模块的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接；相应的，所述采样放大模块用于将所述采样信号放大至所述模数转换模块能够区分拉弧临界点电压和基准电压范围。

18.如权利要求17所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述信号处理模块根据比较放大后的采样信号处理值和预设值确定是否存在拉弧，包括以下方式之一：

根据比较放大后的采样信号和基准电压范围确定是否存在拉弧；

根据比较斜率和预设斜率范围确定是否存在拉弧，所述斜率为放大后的当次采样信号与所述当次采样信号前若干次采样信号的斜率；

根据比较差值和预设差值范围确定是否存在拉弧，所述差值为放大后的当次采样信号与所述当次采样信号前若干次采样信号的差值。

19.如权利要求18所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述信号处理模块根据比较放大后的采样信号和预设的基准电压范围确定是否存在拉弧，包括：

当负载处于工作状态时，连续采集的N个电压采样值均位于所述基准电压范围内时，确认检测到一次拉弧；其中N为预设的第一数量阈值。

20.如权利要求19所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述拉弧检测装置还包括：报警和或负载断开装置，用于当所述信号处理模块连续检测到M次拉弧时，进行拉弧报警和/或将负载与电源断开；其中M为预设的第二数量阈值。

21.如权利要求20所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述信号处理模块还用于确定所述阻性负载是否处于运行状态。

22.如权利要求21所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述信号处理模块确认所述阻性负载是否处于运行状态，包括：

当所述模数转换模块连续采集的R个电压采样值均大于预设电压阈值时，所述信号处理模块确认所述阻性负载处于运行状态；其中R为预设的第三数量阈值。

23.如权利要求22所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述信号处理模块确认所述阻性负载是否处于运行状态，还包括：

当所述模数转换模块连续采集的S个电压采样值均位于所述基准电压范围时，所述信号处理模块确认所述负载处于停止状态，并将针对其中M和N的计数清零；其中S为预设的第四数量阈值。

24.如权利要求13-23任意一项所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述拉弧临界点电压的电压值预先根据以下方式获取：

预定需要识别的拉弧过程中负载电流为零的持续最小时长T；

根据公式确定拉弧临界点电压的相位；

根据公式U_A＝U₀sinθ确定拉弧临界点电压的电压值；

其中，θ为拉弧临界点电压的相位角，T₀为交流电电压周期，U_A为拉弧临界点电压的电压值，U₀为交流电电压峰值。

25.如权利要求16所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述放大模块和所述直流偏置模块通过隔离运算放大器实现。

26.如权利要求16所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述信号采样模块包括电流互感器。

27.如权利要求13所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述阻性负载包括电加热元件。

28.一种用电设备，其特征在于，所述用电设备包括：

电源端，

与所述电源端连接的阻性负载，以及，

设置于所述电源端和所述阻性负载之间的如权利要求13至27任意一项所述的拉弧检测装置。

29.如权利要求28所述的用电设备，其特征在于，所述用电设备包括电热水器，所述阻性负载包括所述电热水器的电加热元件。