CN109946491B - 电弧发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧发生器，包括设在火线上并用于检测电流信号的电流检测电路、用于检测电压过零点的过零检测电路、用于控制脱扣器的脱扣电路、用于模数转换并对模数转换之后得到的数字信号进行数据处理的MCU、为MCU供电的电源电路，过零检测电路分别与零线、火线连接，过零检测电路、脱扣电路、电源电路分别与MCU连接；本发明采用电流检测电路、过零检测电路、脱扣电路、MCU、电源电路组成的电弧发生器，提高了故障电弧检测的准确性和可靠性，保证了系统运行的安全性；该电弧发生器具有抗干扰能力强、运行稳定性高、检测准确可靠、运行过程安全且成本较低等诸多优点。

Description

电弧发生器

技术领域

本发明涉及一种电弧发生器。

背景技术

电弧是电流通过绝缘介质所产生的瞬间火花。由于电弧具有电流很小、持续时间短且一旦出现击穿点则会频繁出现的特点，当电弧发生时，会在短时间内释放巨大的热量，极易引燃周围的可燃物形成火灾。因此，故障电弧已经成为引起电气火灾的主要原因之一，严重危害了广大人民群众的生命财产安全。

目前，现有的电弧发生器主要存在如下缺点：一是现有的电弧检测通常采用电流互感器对电源线路电流进行检测：当电弧发生时，电源线路电流中包含大量的高频信号，通过对高频信号幅值及数量的分析，从而确定是否发生故障电弧；而现有的电弧检测系统普遍存在判断是否出现电弧的条件单一并对电路要求较高且准确性较差的缺点，使得容易受外界干扰信号的影响而导致系统检测出现误判的问题，从而影响了系统检测的准确性和工作可靠性；二是由于检测系统及其电路设计不合理，使得对电弧的判断存在一定的偏差而不能充分识别出回路发生的电弧，大大降低了电路安全性；三是脱扣器及其脱扣电路结构设计复杂，成本较高；四是由于检测系统的电源电路设计存在电磁干扰较大的缺点，使得系统运行不稳定。

发明内容

本发明解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种具有较高故障电弧检测准确性、工作可靠性和安全性的电弧发生器。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

电弧发生器，包括设在火线上并用于检测电流信号的电流检测电路、用于检测电压过零点的过零检测电路、用于控制脱扣器的脱扣电路、用于模数转换并对模数转换之后得到的数字信号进行数据处理的MCU、为MCU供电的电源电路，过零检测电路分别与零线、火线连接，过零检测电路、脱扣电路、电源电路分别与MCU连接。采用电流检测电路、过零检测电路、脱扣电路、MCU、电源电路组成的电弧发生器，提高了故障电弧检测的准确性和可靠性，保证了系统运行的安全性。

作为优选，电流检测电路包括用于检测电流信号的电流互感器、用于对输入的电流信号进行整流分压的整流分压电路、用于对整流分压之后的电路信号进行信号转换的信号转换电路、用于判断信号转换电路的输出电压是否超过预定的第一基准电压并当输出电平超过第一基准电压时产生与输入值幅值相同的输出信号的电平判断电路、用于对电平判断电路的输出信号进行积分并判定积分信号是否超过预定的第二基准电压的积分电路、用于输出信号的输出电路，电流互感器、整流分压电路、信号转换电路、电平判断电路、积分电路、输出电路依次串联连接，电流互感器设在火线上。其中，电流互感器对线路的电流信号进行采样，获得电流信号；整流分压电路将电流互感器输出的电流信号进行整流和按照预定比率进行分压，以便于与后级电路的配合和分析；信号转换电路将整流分压电路输出的信号通过滤波延迟电路、电平限制电路和后级滤波电路变换为判定是否发生电弧作用的电流信号；电平判断电路在信号转换电路输出的电平超过预定的第一基准电压的时候，产生与输入值幅值相同的输出信号；积分电路对电平判断电路的输出信号进行积分，并判定积分信号结果是否超过预定的第二基准电压；当积分信号超过第二基准电压时，输出电路产生故障电弧信号；

作为优选，整流分压电路包括用于对电流互感器的输出信号进行整流的第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、用于对整流之后的电流信号转换为电压信号并对电压信号进行分压的第二十六电阻、第二十七电阻。

作为优选，信号转换电路包括依次串联连接的一级滤波电路、电平限制电路、二级滤波电路，一级滤波电路与整流分压电路连接，二级滤波电路与电平判断电路连接；一级滤波电路包括第二十八电阻、第二十九电阻、第十七电容，电平限制电路包括电平限制器、第三十电阻，二级滤波电路包括第三十一电阻、第十八电容。

作为优选，电平判断电路包括第一比较器。

作为优选，积分电路包括第三运算放大器、第三十二电阻、第三十三电阻、第十九电容。

作为优选，输出电路包括第二比较器。

本发明的电弧发生器还设计了另一种电流检测电路：电流检测电路包括电流互感器、第一电阻、电压抬升电路，电流互感器设在火线上，第一电阻连接在电流互感器的二次侧，电压抬升电路与电流检测电路的第一输出端连接；

具体地，电压抬升电路包括第一运算放大器、第一电容、第一阻抗网络、第二电阻，第一运算放大器的同相输入端与第一阻抗网络的输出端连接，第一运算放大器的反相输入端与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的电源端与电源电压连接，第一电容连接在第一运算放大器的电源端与第一运算放大器的接地端之间，第一阻抗网络连接在上拉电压端和接地端之间，第二电阻连接在第一电阻与电流检测电路的第一输出端之间；第一阻抗网络包括第二电容、第三电容、第三电阻、第四电阻，第三电阻连接在上拉电压端与第一阻抗网络的输出端之间，第二电容连接在上拉电压端和接地端之间，第四电阻与第三电容并联连接在第一阻抗网络的输出端与接地端之间；

其中，电流检测电路还包括连接在第一电阻与接地端之间的第四电容、连接在第一电阻与电流检测电路的第二输出端之间的第五电阻、连接在第一电阻与电流检测电路的第二输出端之间的第五电容；

其中，电流检测电路还包括连接在第一电阻与电流检测电路的第二输出端之间并串联连接的第一二极管、第六电阻；

具体地，电弧发生器还包括用于对电流检测电路检测得到的电流信号进行放大并输出模拟电流信号的信号放大电路，电流检测电路通过信号放大电路与MCU连接；信号放大电路包括第二运算放大器、第七电阻、第二阻抗网络，第二运算放大器的反相输入端和同相输入端分别与电流检测电路的第一输出端和第二输出端连接，第七电阻连接在第二运算放大器的反相输入端与输出端之间，第二阻抗网络连接在第二运算放大器的输出端；第二阻抗网络包括第八电阻、第九电阻、第六电容，第八电阻连接在第二运算放大器的输出端，第九电阻与第六电容并联连接之后再与第八电阻串联连接。

作为优选，过零检测电路包括第一电阻网络、第二电阻网络、第七电容、过零检测光耦开关、开关电路，第一电阻网络与零线连接，第二电阻网络与火线连接，第七电容连接在第一电阻网络和第二电阻网络的输出端之间，过零检测光耦开关的输入侧和输出侧之间通过光耦控制，过零检测光耦开关与第七电容并联；第一电阻网络包括并联连接的第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻，第二电阻网络包括并联连接的第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻；开关电路包括第一三极管、第十八电阻、第八电容、第十九电阻、第二十电阻、第九电容，第一三极管的发射极与接地端连接，第十八电阻与第八电容并联连接在控制输出端与接地端之间，第十九电阻连接在第一三极管的集电极和上拉电压端之间，第二十电阻连接在过零检测光耦开关和第一三极管的基极之间，第九电容连接在第一三极管的集电极和接地端之间。

作为优选，脱扣电路包括第一开关管、第二二极管、第二十一电阻，脱扣器的动作机构串联在火线上，第一开关管的控制端通过第二十一电阻与MCU的输出端连接，第一开关管的输出端与接地端连接，第一开关管的输入端与脱扣器的跳闸线圈一端连接，脱扣器的跳闸线圈另一端与第二二极管的阴极连接，第二二极管的阳极与火线连接。

作为优选，电源电路包括第二开关管、稳压芯片、第十电容、第三二极管，第二开关管的引脚依次通过第一电感、第四二极管、第二十二电阻连接市电的正极并依次通过第十一电容和第五二极管连接市电的负极，第一电感与第四二极管之间、第十一电容与第五二极管之间并联有第十二电容；第二开关管的引脚依次通过第二十三电阻、第二电感与稳压芯片的IN引脚连接并依次通过第二十四电阻、第六二极管输出+6.8V电源，第十电容并联于第二十四电阻与第六二极管之间、第二十三电阻与第二电感之间，第二开关管的引脚依次通过第十三电容、第七二极管、第十四电容、第十五电容与稳压芯片的IN引脚连接；串接连接的第十四电容、第十五电容的两端并联有串联连接的第三二极管、第八二极管并输出-6.8V电源，稳压芯片的IN引脚通过第二十五电阻、发光二极管接地、OUT引脚输出+3.3V电源并通过第十六电容接地。

本发明中，电弧发生器还包括分别与MCU连接的三个指示灯，三个指示灯分别为黄色LED灯、红色LED灯、绿色LED灯，通过MCU分别控制黄色LED灯、红色LED灯、绿色LED灯的不同指示情况，从而实现对回路故障的警示；如：当回路无故障时，绿色LED灯闪烁而黄色LED灯和红色LED灯均不亮；当出现故障电弧时，红色LED灯闪烁8次，绿色LED灯和黄色LED灯均不亮；当出现漏电故障时，黄色LED灯闪烁8次，绿色LED灯和红色LED灯均不亮。

本发明的电弧发生器通过检测线路的电流波形变化确定是否产生故障电弧，MCU通过故障电弧检测算法对故障电弧进行检测，故障电弧检测算法具体内如如下：

MCU通过定时A/D转换获取50个工频周期的积分值并存储于定义的积分值数组内，计算该积分值数组内的相邻两个工频周期的积分值差值，并设定相应的阈值将所得到差值量化为-1、0、1，得到相应的一组具有时间序列的量化数组，并统计该量化数组中不为0的量化值个数Na，得出电流波形变化情况，具体算法为：

定义两个变量m与n，m存储当前A/D采集的周期积分值，n存储前一个A/D采集的工频周期积分值，对相邻的电流周期积分值之间的差值关系设定不同阈值界限t1、t2、-t1、-t2进行量化，当m-n的差值大于等于设定值t1，将差值量化为1，表示递增；当差值绝对值小于t2，将差值量化为0，表示不变；当差值小于等于-t1时，量化为-1，表示递减；

定义一个长度为50的数组T[50]用于存储相邻工频周期积分差值量化值，定时器中断每隔20毫秒将数组的第0-48个元素每位向高位移动一位，并将当前积分值差值的量化值存储在数组的最低位T[0]中，计算数组T[50]中不为0的量化值个数Na；

当量化数组T[50]中不为0的量化值个数Na超过设定阈值8时，通过周期积分值的单调性判断是发生故障电弧还是负载正常启动、功率调节等引起的干扰，具体算法为：

当量化数组T[50]中不为0的量化值个数Na超过设定阈值8时，统计量化数组T[50]中连续为-1或者连续为1的单调区间个数以及每个单调区间的时间长度，并统计量化数组中由-1变到1或由1变到-1的次数，即50工频周期内电流周期积分值的单调性方向变化次数Nb；

MCU通过多特征综合判定是否发生故障电弧，当采样时间窗内电流周期积分值单调性方向变化次数Nb大于所设定的阈值K2，并且Na/Nb大于所设定的阈值K3时，判定为发生故障电弧；

当MCU判定发生故障电弧时，MCU通过脱扣电路输出脱扣信号并触发脱扣器执行脱扣动作，从而断开电路。

MCU进行故障电弧检测的算法程序包括主程序、定时器中断程序和故障电弧检测算法程序三大部分，其程序运行流程包括如下步骤：

步骤一：主程序中对定时器进行初始化，配置为20ms定时中断，程序处于while循环等待中断状态；

步骤二：定时器通过A/D转换采集工频周期积分电路中的积分值，并复位积分器，将积分值进行存储；

步骤三：运行故障电弧检测算法，进行故障判定。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：采用电流检测电路、过零检测电路、脱扣电路、MCU、电源电路组成的电弧发生器，提高了故障电弧检测的准确性和可靠性，保证了系统运行的安全性；该电弧发生器具有抗干扰能力强、运行稳定性高、检测准确可靠、运行过程安全且成本较低等诸多优点。

附图说明

图1为本发明的电弧发生器第一实施例的功能框图。

图2为本发明的电弧发生器第二实施例的功能框图。

图3为本发明的整流分压电路实施例的电路原理图。

图4为本发明的信号转换电路实施例的电路原理图。

图5为本发明的一级滤波电路实施例的电路原理图。

图6为本发明的电平限制电路实施例的电路原理图。

图7为本发明的二级滤波电路实施例的电路原理图。

图8为本发明的电平判定电路实施例的电路原理图。

图9为本发明的积分电路实施例的电路原理图。

图10为本发明的输出电路实施例的电路原理图。

图11为本发明的过零检测电路实施例的电路原理图。

图12为本发明的脱扣电路实施例的电路原理图。

图13为本发明的电压抬升电路与信号放大电路连接实施例的电路原理图。

图14为本发明的电源电路实施例的电路原理图。

图15为本发明的故障电弧检测算法实施例的流程图。

图16为本发明的故障电弧检测主程序实施例的流程图。

图17为本发明的MCU定时中断程序实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

电弧发生器，如图1、3-12、14-17所示，包括设在火线上并用于检测电流信号的电流检测电路4、用于检测电压过零点的过零检测电路5、用于控制脱扣器6的脱扣电路60、用于模数转换并对模数转换之后得到的数字信号进行数据处理的MCU1、为MCU1供电的电源电路3，过零检测电路5分别与零线、火线连接，过零检测电路5、脱扣电路60、电源电路3分别与MCU1连接；电流检测电路检测得到电流信号并传输至MCU，过零检测电路对线路的电压过零点进行检测并将得到的故障电弧信号传输至MCU，MCU依据电流检测电路和过零检测电路通过脱扣电路控制脱扣器的动作机构执行脱扣动作。

本实施例中，电流检测电路4包括用于检测电流信号的电流互感器41、用于对输入的电流信号进行整流分压的整流分压电路42、用于对整流分压之后的电路信号进行信号转换的信号转换电路43、用于判断信号转换电路43的输出电压是否超过预定的第一基准电压并当输出电平超过第一基准电压时产生与输入值幅值相同的输出信号的电平判断电路44、用于对电平判断电路44的输出信号进行积分并判定积分信号是否超过预定的第二基准电压的积分电路45、用于输出信号的输出电路46，电流互感器41、整流分压电路42、信号转换电路43、电平判断电路44、积分电路45、输出电路46依次串联连接，电流互感器41设在火线上。电流互感器通过对线路上的电流检测，实时动态地输出所检测到的电流信号；整流分压电路将电流互感器输出的电流信号进行整流和按照预定比率进行分压，以便于与后级电路的配合和分析；信号转换电路将整流分压电路输出的信号通过滤波延迟电路、电平限制电路和后级滤波电路变换为判定是否发生电弧作用的电流信号；电平判断电路在信号转换电路输出的电平超过预定的第一基准电压的时候，产生与输入值幅值相同的输出信号；积分电路对电平判断电路的输出信号进行积分，并判定积分信号结果是否超过预定的第二基准电压；当积分信号超过第二基准电压时，输出电路产生故障电弧信号。

本实施例中，整流分压电路42包括用于对电流互感器41的输出信号进行整流的第八二极管421、第九二极管422、第十二极管423、第十一二极管424、用于对整流之后的电流信号转换为电压信号并对电压信号进行分压的第二十六电阻425、第二十七电阻426；由第八二极管421、第九二极管422、第十二极管423、第十一二极管424四个二极管组成的整流电路对电流互感器输出信号进行整流，将交变的电流信号变为直流信号；第二十六电阻425、第二十七电阻426组成了分压器，对高幅值的电流信号转换为电压信号，同时对其按照设定比率进行分压。

本实施例中，信号转换电路43包括依次串联连接的一级滤波电路431、电平限制电路432、二级滤波电路433，一级滤波电路431与整流分压电路42连接，二级滤波电路433与电平判断电路44连接；一级滤波电路431包括第二十八电阻4311、第二十九电阻4312、第十七电容4313，电平限制电路432包括电平限制器4322、第三十电阻4321，二级滤波电路433包括第三十一电阻4331、第十八电容4332；由于电弧信号存在较多高频信号，且通常市电信号为低频信号，信号转换电路只能使高频信号通过；一级滤波电路为滤波延时电路，对分压信号进行低频信号滤波，滤除电压信号中的低频信号；其中，第二十八电阻4311、第二十九电阻4312组成分压器对前级分压信号再进行分压，以分担电路的功率；第二十九电阻4312、第十七电容4313组成高通滤波延时电路，对电路中的低频信号进行滤除处理；电平限制电路限制输入二级滤波电路的幅值，避免高电压损坏后级电路；其中，由于当第二十六电阻425、第二十七电阻426构成的分压器使整流信号按照固定比率进行了衰减以稳定电路之后，仍需电平限制器4322限制输入到后级电路的电压电平，原因在于：当发生过量脉冲时，即使是衰减后的信号也会对电路产生影响，而电平限制电路则起到了对后级电路的保护作用；第三十电阻4321具有承担电路中的功率的作用；由第三十一电阻4331、第十八电容4332组成的二级滤波电路对电平限制电路输出的信号进一步滤波，避免了干扰信号的影响。

本实施例中，电平判断电路44包括第一比较器440，第一比较器440对由第三十一电阻4331、第十八电容4332组成的二级滤波电路的输出信号和已设定的第一基准电压进行比较，当该输出信号高于第一基准电压时，第一比较器440输出与滤波信号同幅值的跟随信号。

本实施例中，积分电路45包括第三运算放大器453、第三十二电阻451、第三十三电阻452、第十九电容454。由第三运算放大器453、第三十二电阻451、第三十三电阻452、第十九电容454组成的积分电路45，实现了对电平判断电路的输出信号的积分。

本实施例中，输出电路46包括第二比较器460，第二比较器460对由积分电路输出的积分信号与已设定好的第二基准电压进行比较，当积分信号高于第二基准电压时，输出电源电平并同时传输至MCU1。

本实施例中，过零检测电路5包括第一电阻网络51、第一电阻网络52、第七电容53、过零检测光耦开关54、开关电路55，第一电阻网络51与零线连接，第一电阻网络52与火线连接，第七电容53连接在第一电阻网络51和第一电阻网络52的输出端之间，过零检测光耦开关54的输入侧和输出侧之间通过光耦控制，过零检测光耦开关54与第七电容53并联；第一电阻网络51包括并联连接的第十电阻511、第十一电阻512、第十二电阻513、第十三电阻514，第一电阻网络52包括并联连接的第十四电阻521、第十五电阻522、第十六电阻523、第十七电阻524；开关电路55包括第一三极管553、第十八电阻551、第八电容552、第十九电阻555、第二十电阻556、第九电容554，第一三极管553的发射极与接地端连接，第十八电阻551与第八电容552并联连接在控制输出端与接地端之间，第十九电阻555连接在第一三极管553的集电极和上拉电压端之间，第二十电阻556连接在过零检测光耦开关54和第一三极管553的基极之间，第九电容554连接在第一三极管553的集电极和接地端之间。

其中，过零检测光耦开关54具有输入侧和输出侧，输入侧和输出侧之间通过光耦控制，过零检测光耦开关54根据输入侧两端电压是否过零控制输出侧两端导通或关断，通过过零检测光耦开关54进行过零检测能隔离线路的谐波对于信号处理电路的影响；具体地，过零检测光耦开关54为一以阳极和阴极相反的方式并联的二极管对，在输入电压过零时输出的光会发生变化；过零检测光耦开关54的输出侧为光控开关，两端连接在上拉电压端S和控制输出端cr之间。

其中，开关电路55连接在上拉电压端S和接地端之间，控制端与控制输出端cr连接，在过零检测光耦开关54导通和关断时输出不同的电平；具体地，当检测到线路的电压远离过零点时，过零检测光耦开关54处于导通状态，此时第一三极管553的控制端的电压被上拉为较高电平，第一三极管553导通，开关电路55的输出端输出低电平；而当检测到线路的电压处于电压过零点附近时，过零检测光耦开关54截止，此时第一三极管553的控制端的电流通过第二十电阻556、第十八电阻551流向接地端，使得第一三极管553断开，开关电路55的输出端输出高电平；因此，开关电路55会在每个过零点附近输出高电平的脉冲。

本实施例中，脱扣电路60包括第一开关管603、第二二极管601、第二十一电阻604，脱扣器6的动作机构串联在火线上，第一开关管603的控制端通过第二十一电阻604与MCU1的输出端连接，第一开关管603的输出端与接地端连接，第一开关管603的输入端与脱扣器6的跳闸线圈602一端连接，脱扣器6的跳闸线圈602另一端与第二二极管601的阴极连接，第二二极管601的阳极与火线连接；当MCU1输出断路控制信号之后，通过第二十一电阻604给第一开关管603的控制端提供触发脉冲信号控制第一开关管603导通，此时脱扣器的跳闸线圈602所在的回路被接通，使得直流电流流过跳闸线圈602，脱扣器的动作机构执行脱扣动作，从而断开电路。

本实施例中，电源电路3包括第二开关管308、稳压芯片301、第十电容304、第三二极管319，第二开关管308的引脚依次通过第一电感309、第四二极管310、第二十二电阻311连接市电的正极并依次通过第十一电容314和第五二极管312连接市电的负极，第一电感309与第四二极管310之间、第十一电容314与第五二极管312之间并联有第十二电容313；第二开关管308的引脚依次通过第二十三电阻306、第二电感302与稳压芯片301的IN引脚连接并依次通过第二十四电阻305、第六二极管303输出+6.8V电源，第十电容304并联于第二十四电阻305与第六二极管303之间、第二十三电阻306与第二电感302之间，第二开关管308的引脚依次通过第十三电容307、第七二极管315、第十四电容317、第十五电容316与稳压芯片301的IN引脚连接；串接连接的第十四电容317、第十五电容316的两端并联有串联连接的第三二极管319、第八二极管421并输出-6.8V电源，稳压芯片301的IN引脚通过第二十五电阻321、发光二极管320接地、OUT引脚输出+3.3V电源并通过第十六电容322接地。采用第二开关管308的三路输出稳压电源，具有系统稳定运行、可靠性高、实用性强且成本较低的优点。

其中，通过并联连接的第三二极管319、第六二极管303进行稳压限幅，反馈到第十电容304上的电压是串联连接的第十四电容317、第十五电容316两端的电压之和；当第二开关管308断开时，快速恢复第七二极管315的导通，使得第十四电容317被充电至设定的稳压值为6.8V；为了减小第十电容304两端电压对输出电压的跟踪误差，第三二极管319和第七二极管315选用相同管压降的二极管；在电路的低压返回端增加第五二极管312，改善了半波整流设计的电磁干扰性能。

本实施例中，电弧发生器还包括分别与MCU连接的三个指示灯2，三个指示灯2分别为黄色LED灯21、红色LED灯22、绿色LED灯23，通过MCU1分别控制黄色LED灯21、红色LED灯22、绿色LED灯23的不同指示情况，从而实现对回路故障的警示；如：当回路无故障时，绿色LED灯闪烁而黄色LED灯和红色LED灯均不亮；当出现故障电弧时，红色LED灯闪烁8次，绿色LED灯和黄色LED灯均不亮；当出现漏电故障时，黄色LED灯闪烁8次，绿色LED灯和红色LED灯均不亮。

本实施例的电弧发生器通过检测线路的电流波形变化确定是否产生故障电弧，MCU通过故障电弧检测算法对故障电弧进行检测，故障电弧检测算法具体内如如下：

MCU通过定时A/D转换获取50个工频周期的积分值并存储于定义的积分值数组内，计算该积分值数组内的相邻两个工频周期的积分值差值，并设定相应的阈值将所得到差值量化为-1、0、1，得到相应的一组具有时间序列的量化数组，并统计该量化数组中不为0的量化值个数Na，得出电流波形变化情况，具体算法为：

定义两个变量m与n，m存储当前A/D采集的周期积分值，n存储前一个A/D采集的工频周期积分值，对相邻的电流周期积分值之间的差值关系设定不同阈值界限t1、t2、-t1、-t2进行量化，当m-n的差值大于等于设定值t1，将差值量化为1，表示递增；当差值绝对值小于t2，将差值量化为0，表示不变；当差值小于等于-t1时，量化为-1，表示递减；

定义一个长度为50的数组T[50]用于存储相邻工频周期积分差值量化值，定时器中断每隔20毫秒将数组的第0-48个元素每位向高位移动一位，并将当前积分值差值的量化值存储在数组的最低位T[0]中，计算数组T[50]中不为0的量化值个数Na；

当量化数组T[50]中不为0的量化值个数Na超过设定阈值8时，通过周期积分值的单调性判断是发生故障电弧还是负载正常启动、功率调节等引起的干扰，具体算法为：

当量化数组T[50]中不为0的量化值个数Na超过设定阈值8时，统计量化数组T[50]中连续为-1或者连续为1的单调区间个数以及每个单调区间的时间长度，并统计量化数组中由-1变到1或由1变到-1的次数，即50工频周期内电流周期积分值的单调性方向变化次数Nb；

MCU通过多特征综合判定是否发生故障电弧，当采样时间窗内电流周期积分值单调性方向变化次数Nb大于所设定的阈值K2，并且Na/Nb大于所设定的阈值K3时，判定为发生故障电弧；

当MCU判定发生故障电弧时，MCU通过脱扣电路输出脱扣信号并触发脱扣器执行脱扣动作，从而断开电路。

MCU进行故障电弧检测的算法程序包括主程序、定时器中断程序和故障电弧检测算法程序三大部分，其程序运行流程包括如下步骤：

步骤一：主程序中对定时器进行初始化，配置为20ms定时中断，程序处于while循环等待中断状态；

步骤二：定时器通过A/D转换采集工频周期积分电路中的积分值，并复位积分器，将积分值进行存储；

步骤三：运行故障电弧检测算法，进行故障判定。

实施例2

电弧发生器，如图2、11-17所示，包括设在火线上并用于检测电流信号的电流检测电路4、用于检测电压过零点的过零检测电路5、用于控制脱扣器6的脱扣电路60、用于模数转换并对模数转换之后得到的数字信号进行数据处理的MCU1、为MCU1供电的电源电路3，过零检测电路5分别与零线、火线连接，过零检测电路5、脱扣电路60、电源电路3分别与MCU1连接；电流检测电路检测得到电流信号并传输至MCU，过零检测电路对线路的电压过零点进行检测并将得到的故障电弧信号传输至MCU，MCU依据电流检测电路和过零检测电路通过脱扣电路控制脱扣器的动作机构执行脱扣动作。

本实施例中，电流检测电路4包括电流互感器41、第一电阻47、电压抬升电路48，电流互感器41设在火线上，第一电阻47连接在电流互感器41的二次侧，电压抬升电路48与电流检测电路4的第一输出端o1连接，用于将输出电压抬升预定值；

具体地，电压抬升电路48包括第一运算放大器4801、第一电容4803、第一阻抗网络、第二电阻4804，第一运算放大器4801的同相输入端与第一阻抗网络的输出端连接，第一运算放大器4801的反相输入端与第一运算放大器4801的输出端连接，第一运算放大器4801的电源端与电源电压连接，第一电容连接在第一运算放大器4801的电源端与第一运算放大器4801的接地端之间，第一阻抗网络连接在上拉电压端S和接地端之间，第二电阻4804连接在第一电阻47与电流检测电路的第一输出端o1之间；第一阻抗网络包括第二电容4811、第三电容4802、第三电阻4812、第四电阻4810，第三电阻连接在上拉电压端S与第一阻抗网络的输出端之间，第二电容连接在上拉电压端S和接地端之间，第四电阻与第三电容并联连接在第一阻抗网络的输出端与接地端之间；通过第二电阻4804可以将电压抬升电路生成的抬升电压附加在第一电阻47生成的电压检测信号并将第一电阻47的输出电压抬高，使得电流检测电路的输出电压幅值与后级电路相适配；

其中，电流检测电路还包括连接在第一电阻47与接地端之间的第四电容4809、连接在第一电阻47与电流检测电路的第二输出端之间的第五电阻4808、连接在第一电阻47与电流检测电路的第二输出端之间的第五电容4807；

其中，电流检测电路还包括连接在第一电阻47与电流检测电路的第二输出端o2之间并串联连接的第一二极管4806、第六电阻4805，为电路提供保护；

具体地，电弧发生器还包括用于对电流检测电路检测得到的电流信号进行放大并输出模拟电流信号的信号放大电路7，电流检测电路4通过信号放大电路7与MCU1连接；信号放大电路7包括第二运算放大器71、第七电阻72、第二阻抗网络，第二运算放大器71的反相输入端和同相输入端分别与电流检测电路的第一输出端和第二输出端连接，第七电阻连接在第二运算放大器的反相输入端与输出端之间，第二阻抗网络连接在第二运算放大器的输出端；第二阻抗网络包括第八电阻73、第九电阻75、第六电容74，第八电阻连接在第二运算放大器的输出端，第九电阻与第六电容并联连接之后再与第八电阻串联连接；第二阻抗网络对输出的信号进行整理，从而获得更佳的模拟检测信号Vd并传输至MCU。

本实施例中，过零检测电路5包括第一电阻网络51、第一电阻网络52、第七电容53、过零检测光耦开关54、开关电路55，第一电阻网络51与零线连接，第一电阻网络52与火线连接，第七电容53连接在第一电阻网络51和第一电阻网络52的输出端之间，过零检测光耦开关54的输入侧和输出侧之间通过光耦控制，过零检测光耦开关54与第七电容53并联；第一电阻网络51包括并联连接的第十电阻511、第十一电阻512、第十二电阻513、第十三电阻514，第一电阻网络52包括并联连接的第十四电阻521、第十五电阻522、第十六电阻523、第十七电阻524；开关电路55包括第一三极管553、第十八电阻551、第八电容552、第十九电阻555、第二十电阻556、第九电容554，第一三极管553的发射极与接地端连接，第十八电阻551与第八电容552并联连接在控制输出端与接地端之间，第十九电阻555连接在第一三极管553的集电极和上拉电压端之间，第二十电阻556连接在过零检测光耦开关54和第一三极管553的基极之间，第九电容554连接在第一三极管553的集电极和接地端之间。

其中，过零检测光耦开关54具有输入侧和输出侧，输入侧和输出侧之间通过光耦控制，过零检测光耦开关54根据输入侧两端电压是否过零控制输出侧两端导通或关断，通过过零检测光耦开关54进行过零检测能隔离线路的谐波对于信号处理电路的影响；具体地，过零检测光耦开关54为一以阳极和阴极相反的方式并联的二极管对，在输入电压过零时输出的光会发生变化；过零检测光耦开关54的输出侧为光控开关，两端连接在上拉电压端S和控制输出端cr之间。

其中，开关电路55连接在上拉电压端S和接地端之间，控制端与控制输出端cr连接，在过零检测光耦开关54导通和关断时输出不同的电平；具体地，当检测到线路的电压远离过零点时，过零检测光耦开关54处于导通状态，此时第一三极管553的控制端的电压被上拉为较高电平，第一三极管553导通，开关电路55的输出端输出低电平；而当检测到线路的电压处于电压过零点附近时，过零检测光耦开关54截止，此时第一三极管553的控制端的电流通过第二十电阻556、第十八电阻551流向接地端，使得第一三极管553断开，开关电路55的输出端输出高电平；因此，开关电路55会在每个过零点附近输出高电平的脉冲。

本实施例中，脱扣电路60包括第一开关管603、第二二极管601、第二十一电阻604，脱扣器6的动作机构串联在火线上，第一开关管603的控制端通过第二十一电阻604与MCU1的输出端连接，第一开关管603的输出端与接地端连接，第一开关管603的输入端与脱扣器6的跳闸线圈602一端连接，脱扣器6的跳闸线圈602另一端与第二二极管601的阴极连接，第二二极管601的阳极与火线连接；当MCU1输出断路控制信号之后，通过第二十一电阻604给第一开关管603的控制端提供触发脉冲信号控制第一开关管603导通，此时脱扣器的跳闸线圈602所在的回路被接通，使得直流电流流过跳闸线圈602，脱扣器的动作机构执行脱扣动作，从而断开电路。

本实施例中，电源电路3包括第二开关管308、稳压芯片301、第十电容304、第三二极管319，第二开关管308的引脚依次通过第一电感309、第四二极管310、第二十二电阻311连接市电的正极并依次通过第十一电容314和第五二极管312连接市电的负极，第一电感309与第四二极管310之间、第十一电容314与第五二极管312之间并联有第十二电容313；第二开关管308的引脚依次通过第二十三电阻306、第二电感302与稳压芯片301的IN引脚连接并依次通过第二十四电阻305、第六二极管303输出+6.8V电源，第十电容304并联于第二十四电阻305与第六二极管303之间、第二十三电阻306与第二电感302之间，第二开关管308的引脚依次通过第十三电容307、第七二极管315、第十四电容317、第十五电容316与稳压芯片301的IN引脚连接；串接连接的第十四电容317、第十五电容316的两端并联有串联连接的第三二极管319、第八二极管421并输出-6.8V电源，稳压芯片301的IN引脚通过第二十五电阻321、发光二极管320接地、OUT引脚输出+3.3V电源并通过第十六电容322接地。采用第二开关管308的三路输出稳压电源，具有系统稳定运行、可靠性高、实用性强且成本较低的优点。

其中，通过并联连接的第三二极管319、第六二极管303进行稳压限幅，反馈到第十电容304上的电压是串联连接的第十四电容317、第十五电容316两端的电压之和；当第二开关管308断开时，快速恢复第七二极管315的导通，使得第十四电容317被充电至设定的稳压值为6.8V；为了减小第十电容304两端电压对输出电压的跟踪误差，第三二极管319和第七二极管315选用相同管压降的二极管；在电路的低压返回端增加第五二极管312，改善了半波整流设计的电磁干扰性能。

本实施例中，电弧发生器还包括分别与MCU连接的三个指示灯2，三个指示灯2分别为黄色LED灯21、红色LED灯22、绿色LED灯23，通过MCU1分别控制黄色LED灯21、红色LED灯22、绿色LED灯23的不同指示情况，从而实现对回路故障的警示；如：当回路无故障时，绿色LED灯闪烁而黄色LED灯和红色LED灯均不亮；当出现故障电弧时，红色LED灯闪烁8次，绿色LED灯和黄色LED灯均不亮；当出现漏电故障时，黄色LED灯闪烁8次，绿色LED灯和红色LED灯均不亮。

本实施例的电弧发生器通过检测线路的电流波形变化确定是否产生故障电弧，MCU通过故障电弧检测算法对故障电弧进行检测，故障电弧检测算法具体内如如下：

MCU通过定时A/D转换获取50个工频周期的积分值并存储于定义的积分值数组内，计算该积分值数组内的相邻两个工频周期的积分值差值，并设定相应的阈值将所得到差值量化为-1、0、1，得到相应的一组具有时间序列的量化数组，并统计该量化数组中不为0的量化值个数Na，得出电流波形变化情况，具体算法为：

定义两个变量m与n，m存储当前A/D采集的周期积分值，n存储前一个A/D采集的工频周期积分值，对相邻的电流周期积分值之间的差值关系设定不同阈值界限t1、t2、-t1、-t2进行量化，当m-n的差值大于等于设定值t1，将差值量化为1，表示递增；当差值绝对值小于t2，将差值量化为0，表示不变；当差值小于等于-t1时，量化为-1，表示递减；

定义一个长度为50的数组T[50]用于存储相邻工频周期积分差值量化值，定时器中断每隔20毫秒将数组的第0-48个元素每位向高位移动一位，并将当前积分值差值的量化值存储在数组的最低位T[0]中，计算数组T[50]中不为0的量化值个数Na；

当量化数组T[50]中不为0的量化值个数Na超过设定阈值8时，通过周期积分值的单调性判断是发生故障电弧还是负载正常启动、功率调节等引起的干扰，具体算法为：

当量化数组T[50]中不为0的量化值个数Na超过设定阈值8时，统计量化数组T[50]中连续为-1或者连续为1的单调区间个数以及每个单调区间的时间长度，并统计量化数组中由-1变到1或由1变到-1的次数，即50工频周期内电流周期积分值的单调性方向变化次数Nb；

MCU通过多特征综合判定是否发生故障电弧，当采样时间窗内电流周期积分值单调性方向变化次数Nb大于所设定的阈值K2，并且Na/Nb大于所设定的阈值K3时，判定为发生故障电弧；

当MCU判定发生故障电弧时，MCU通过脱扣电路输出脱扣信号并触发脱扣器执行脱扣动作，从而断开电路。

MCU进行故障电弧检测的算法程序包括主程序、定时器中断程序和故障电弧检测算法程序三大部分，其程序运行流程包括如下步骤：

步骤一：主程序中对定时器进行初始化，配置为20ms定时中断，程序处于while循环等待中断状态；

步骤二：定时器通过A/D转换采集工频周期积分电路中的积分值，并复位积分器，将积分值进行存储；

步骤三：运行故障电弧检测算法，进行故障判定。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (8)

1.电弧发生器的检测电路，其特征在于：包括设在火线上并用于检测电流信号的电流检测电路(4)、用于检测电压过零点的过零检测电路(5)、用于控制脱扣器(6)的脱扣电路(60)、用于模数转换并对模数转换之后得到的数字信号进行数据处理的MCU(1)，过零检测电路(5)分别与零线、火线连接，过零检测电路(5)、脱扣电路(60)分别与MCU(1)连接；

电弧发生器的检测电路通过检测线路的电流波形变化确定是否产生故障电弧，MCU通过故障电弧检测算法对故障电弧进行检测，故障电弧检测算法具体如下：

MCU通过定时A/D转换获取50个工频周期的积分值并存储于定义的积分值数组内，计算该积分值数组内的相邻两个工频周期的积分值差值，并设定相应的阈值将所得到差值量化为-1、0、1，得到相应的一组具有时间序列的量化数组，并统计该量化数组中不为0的量化值个数Na，得出电流波形变化情况，具体算法为：

定义两个变量m与n，m存储当前A/D采集的周期积分值，n存储前一个A/D采集的工频周期积分值，对相邻的电流周期积分值之间的差值关系设定不同阈值界限t1、t2、-t1、-t2进行量化，当m-n的差值大于等于设定值t1，将差值量化为1，表示递增；当差值绝对值小于t2，将差值量化为0，表示不变；当差值小于等于-t1时，量化为-1，表示递减；

定义一个长度为50的数组T[50]用于存储相邻工频周期积分差值量化值，定时器中断每隔20毫秒将数组的第0-48个元素每位向高位移动一位，并将当前积分值差值的量化值存储在数组的最低位T[0]中，计算数组T[50]中不为0的量化值个数Na；

当量化数组T[50]中不为0的量化值个数Na超过设定阈值8时，通过周期积分值的单调性判断是发生故障电弧还是负载正常启动、功率调节等引起的干扰，具体算法为：

当量化数组T[50]中不为0的量化值个数Na超过设定阈值8时，统计量化数组T[50]中连续为-1或者连续为1的单调区间个数以及每个单调区间的时间长度，并统计量化数组中由-1变到1或由1变到-1的次数，即50工频周期内电流周期积分值的单调性方向变化次数Nb；

MCU通过多特征综合判定是否发生故障电弧，当采样时间窗内电流周期积分值单调性方向变化次数Nb大于所设定的阈值K2，并且Na/Nb大于所设定的阈值K3时，判定为发生故障电弧；

当MCU判定发生故障电弧时，MCU通过脱扣电路输出脱扣信号并触发脱扣器执行脱扣动作，从而断开电路；

MCU进行故障电弧检测的算法程序包括主程序、定时器中断程序和故障电弧检测算法程序三大部分，其程序运行流程包括如下步骤：

步骤一：主程序中对定时器进行初始化，配置为20ms定时中断，程序处于while循环等待中断状态；

步骤二：定时器通过A/D转换采集工频周期积分电路中的积分值，并复位积分器，将积分值进行存储；

步骤三：运行故障电弧检测算法，进行故障判定。

2.根据权利要求1所述的电弧发生器的检测电路，其特征在于：电流检测电路(4)包括用于检测电流信号的电流互感器(41)、用于对输入的电流信号进行整流分压的整流分压电路(42)、用于对整流分压之后的电路信号进行信号转换的信号转换电路(43)、用于判断信号转换电路(43)的输出电压是否超过预定的第一基准电压并当输出电平超过第一基准电压时产生与输入值幅值相同的输出信号的电平判断电路(44)、用于对电平判断电路(44)的输出信号进行积分并判定积分信号是否超过预定的第二基准电压的积分电路(45)、用于输出信号的输出电路(46)，电流互感器(41)、整流分压电路(42)、信号转换电路(43)、电平判断电路(44)、积分电路(45)、输出电路(46)依次串联连接，电流互感器(41)设在火线上。

3.根据权利要求2所述的电弧发生器的检测电路，其特征在于：整流分压电路(42)包括用于对电流互感器(41)的输出信号进行整流的第八二极管(421)、第九二极管(422)、第十二极管(423)、第十一二极管(424)、用于对整流之后的电流信号转换为电压信号并对电压信号进行分压的第二十六电阻(425)、第二十七电阻(426)。

4.根据权利要求2或3所述的电弧发生器的检测电路，其特征在于：信号转换电路(43)包括依次串联连接的一级滤波电路(431)、电平限制电路(432)、二级滤波电路(433)，一级滤波电路(431)与整流分压电路(42)连接，二级滤波电路(433)与电平判断电路(44)连接；一级滤波电路(431)包括第二十八电阻(4311)、第二十九电阻(4312)、第十七电容(4313)，电平限制电路(432)包括电平限制器(4322)、第三十电阻(4321)，二级滤波电路(433)包括第三十一电阻(4331)、第十八电容(4332)。

5.根据权利要求4所述的电弧发生器的检测电路，其特征在于：电平判断电路(44)包括第一比较器(440)。

6.根据权利要求2或3或5所述的电弧发生器的检测电路，其特征在于：积分电路(45)包括第三运算放大器(453)、第三十二电阻(451)、第三十三电阻(452)、第十九电容(454)。

7.根据权利要求6所述的电弧发生器的检测电路，其特征在于：输出电路(46)包括第二比较器(460)。

8.根据权利要求1或2或3或5或7所述的电弧发生器的检测电路，其特征在于：过零检测电路(5)包括第一电阻网络(51)、第二电阻网络(52)、第七电容(53)、过零检测光耦开关(54)、开关电路(55)，第一电阻网络(51)与零线连接，第二电阻网络(52)与火线连接，第七电容(53)连接在第一电阻网络(51)和第二电阻网络(52)的输出端之间，过零检测光耦开关(54)的输入侧和输出侧之间通过光耦控制，过零检测光耦开关(54)与第七电容(53)并联；第一电阻网络(51)包括并联连接的第十电阻(511)、第十一电阻(512)、第十二电阻(513)、第十三电阻(514)，第二电阻网络(52)包括并联连接的第十四电阻(521)、第十五电阻(522)、第十六电阻(523)、第十七电阻(524)；开关电路(55)包括第一三极管(553)、第十八电阻(551)、第八电容(552)、第十九电阻(555)、第二十电阻(556)、第九电容(554)，第一三极管(553)的发射极与接地端连接，第十八电阻(551)与第八电容(552)并联连接在控制输出端与接地端之间，第十九电阻(555)连接在第一三极管(553)的集电极和上拉电压端之间，第二十电阻(556)连接在过零检测光耦开关(54)和第一三极管(553)的基极之间，第九电容(554)连接在第一三极管(553)的集电极和接地端之间。