CN110812736A

CN110812736A - 一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置

Info

Publication number: CN110812736A
Application number: CN201910160316.XA
Authority: CN
Inventors: 李芊蓉; 雷雨婷
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2020-02-21

Abstract

一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置，包括瓶体，PCB电路板，红、紫外传感器，瓶体分为粉腔及控制腔，粉腔填充ABC超细干粉冷气溶胶灭火剂，控制腔内有PCB电路板及压力传感器，PCB电路板连接红、紫外传感器，红、紫外传感器能及时有效的检测电弧光和火焰信号，信号传输给PCB电路板，PCB电路板信号给瓶体，瓶体喷射ABC超细干粉冷气溶胶灭火剂，该装置体积小、结构简单、安装安全可靠、响应速度快（≤3ms），能及时检测弧光火焰信号并有效抑制，适用于低压电力开关柜由于电气短路、电弧性短路等引起的爆燃及爆轰，为确保电力系统安全运行提供保障。

Description

一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置

技术领域

本发明属于灭弧抑爆技术领域，涉及电力低压成套开关设备和控制设备的低压开关柜灭弧抑爆，具体涉及一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置。

背景技术

随着智能电网、基础设施的建设实施、制造业的投资以及新能源行业的发展，我国低压开关柜市场一直保持着快速增长的态势，对供电系统的可靠性和安全性的要求越来越高，虽然低压配电装置及配件技术不断更新，额电容量不断提高，新工艺、新器件不断更新，产品质量在不断提高，低压开关柜中的真空断路器、负荷开关等开关电器上都有灭弧室或灭弧管，为的就是在产生电弧时，能迅速灭弧，来保证设备的安全，但低压配电装置中以短路形式出现的低压电弧故障仍然不能杜绝，据统计，电气短路、接地故障电弧、电弧性短路等是引发火灾的主要因素，由于电弧的存在延长了开关电器断开故障电路的时间，同时产生高温引发火灾，烧坏电气和周围的其他部件，对充油设备还可能引起爆炸等危险，加重了电力系统短路故障的危害，危及电力系统的安全运行，造成人员伤亡和财产的重大损失。

因此，要保证电力系统的安全运行，低压开关柜在正常工作时必需采取主动有效的减轻型技术措施迅速可靠地熄灭电弧及引起的火灾爆炸。

发明内容

为了解决上述现有技术的问题，本发明的目的是提供一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置，一种超细干粉冷气溶胶自动灭弧抑爆装置，利用了紫、红外光学传感器，分别经过窄带滤光片滤除其他的弧光火焰特征光谱，只对256纳米和2.2微米这两个不同特征波段上的弧光火焰信号的变化做出响应，经后续电路分析处理，可快速、可靠地将弧光火焰信号拾取并识别，实现对弧光火焰的准确检测。当低压开关柜因故障产生弧光发生火灾时，能主动实时迅速检测到火焰的特征信息，并准确判断输出灭火信号去驱动超细干粉冷气溶胶灭火抑爆设备实施灭火，响应速度快（≤4ms）、安全性能好，相关技术已经过充分论证和应用，可弥补现有传统低压电力开关柜采用灭弧室或灭护管、罩预防措施的不足，确保低压电力开关柜灭火抑爆安全防护要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置，包括瓶体及PCB电路板，瓶体被隔断分为粉腔及控制腔；隔断中心设有通孔B，一侧设有通孔A；位于隔断粉腔这面的中心焊接有挡圈，挡圈与通孔B同心，挡圈与瓶体之间形成药盒放置腔，药盒放置腔放置产气药盒，挡圈内插入穿线管；穿线管中间设有挡台，挡台前方穿线管外设有螺纹；大垫片穿过穿线管紧贴瓶体凸台及挡台，大压环穿过穿线管紧贴大垫片，螺母通过螺纹固定大压环；喷头管过穿线管插入瓶体，接触大压环；喷头螺纹连接带通孔螺帽；位于隔断控制腔这面上放置PCB电路板，由固体灌封硅胶密封固定；PCB电路板通过耐高温线缆连接红外传传感器及紫外传感器，耐高温线缆由穿线管传出；PCB电路板同时电信号联通产气药盒及压力传感器；压力传感器螺纹固定在压圈上，之间设有垫片；压圈通过O形圈连接瓶体，压圈封螺纹压盖，螺纹压盖螺纹连接瓶体。

所述的粉腔内填充ABC超细干粉冷气溶胶灭火剂。

所述的红外传传感器设有窄带滤光片A，紫外传感器设有窄带滤光片B。

所述的PCB电路板板包括一级放大电路、二级放大滤波电路、自动增益调整电路、MCU微处理器电路、驱动输出电路、稳压电路、脉冲调整电路、总线接口电路、电源电路；

一级放大电路连接红外传传感器；一级放大电路、二级放大滤波电路、自动增益调整电路依次连通，自动增益调整放大电路连通MCU微处理器电路，MCU微处理器电路连通驱动输出电路，驱动输出电路连通产气药盒；MCU微处理器电路连通高压脉冲电源电路，电源电路给紫外传感器供电，紫外传感器、稳压电路、脉冲调整电路依次连通，脉冲调整电路连通MCU微处理器电路，MCU微处理器电路连接总线接口电路；

所述的一级放大电路由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、运算放大器U1A、电容C3、及电容E1组成。

所述的二级放大滤波电路由数字电位器U2、运算放大器U1D、电容C2及C4组成。

所述的自动增益调整电路由电阻R6、电阻R7、数字电位器U2及运算放大器U1C组成。

所述的MCU微处理器电路由U5微处理器、电容C40、电容C42、电容C43、电容C44、电容C45、晶振M1、电阻R38、电阻R39及电容C41组成。

所述的驱动输出电路由电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、二极管D3、Q1三极管、Q2达林顿管、电阻R35及电容C14组成。

所述的稳压电路由稳压二极管D4、电阻R28及二极管D5组成。

所述的脉冲调整电路由U4施密特触发器、电容E7及电容C21组成。

所述的总线接口电路由电容C51、总线收发模块U6、电阻R52、瞬态抑制器Q5及共模电感T2组成。

所述的电源电路由电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、三极管Q3、Q4、脉冲变压器T1、整理桥U3、电阻R25、电阻R26、钽电容E5、E6及电阻R27组成。

所述的MCU微处理器电路中芯片型号为MCUSTM32F205。

本发明的有益效果是：

本发明相对于现有技术而言，紫、红外灭弧抑爆装置结构简单、安装方便、响应速度快（≤4ms）能及时有效的检测电弧光和火焰信号，有效灭火和抑制爆炸，适用于低压电力开关柜由于电气短路、电弧性短路等引起的火灾，保护电力设备安全。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明PCB电路板的电路原理框图。

图3为本发明一级放大电路的电路图。

图4为本发明二级放大滤波电路的电路图。

图5为本发明自动增益调整电路的电路图。

图6为本发明MCU微处理器电路的电路图。

图7为本发明驱动输出电路的电路图。

图8为本发明稳压电路的电路图。

图9为本发明脉冲调整电路的电路图。

图10为本发明总线接口电路的电路图。

图11为本发明电源电路的电路图。

其中，1为带通孔螺帽；2为喷头；3为穿线管；4为耐高温线缆；5为螺母；6为小压环；7为小垫片；8为膜片；9为大压环；10为大垫片；11为瓶体；12为产气药盒；13为PCB电路板；14为压力开关；15为垫片；16为压圈；17为O形圈；18为螺纹压盖；19为密封垫片；20为固体灌封硅胶；21为ABC超细干粉冷气溶胶灭火剂；22为隔板；23为通孔A；24为药盒放置腔；25为挡圈；26为挡台；27为通孔B；28为螺纹；101为红外传传感器；1011为窄带滤光片A ；102为紫外传感器；1021为窄带滤光片B；103为一级放大电路； 104为二级放大滤波电路；105为自动增益调整电路；106为MCU微处理器电路；107为驱动输出电路；108为稳压电路；109为脉冲调整电路；111为总线接口电路；112为电源电路。

具体实施方式

以下结合附图及工作原理对本发明进一步叙述。

如图1所示，一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置，包括瓶体11及PCB电路板13，其特征在于，瓶体11被隔断22分为粉腔29及控制腔30；隔断22中心设有通孔B27，一侧设有通孔A23；位于隔断22粉腔29这面的中心焊接有挡圈25，挡圈22与通孔B27同心，挡圈22与瓶体11之间形成药盒放置腔24，药盒放置腔24放置产气药盒12，挡圈22内插入穿线管3；穿线管3中间设有挡台26，挡台26前方穿线管3外设有螺纹28；大垫片10穿过穿线管3紧贴瓶体11凸台及挡台26，大压环9穿过穿线管3紧贴大垫片10，螺母5通过螺纹28固定大压环9；喷头2管过穿线管3插入瓶体11，接触大压环9；喷头2螺纹连接带通孔螺帽1；位于隔断22控制腔30这面上放置PCB电路板14，由固体灌封硅胶20密封固定；PCB电路板14通过耐高温线缆4连接红外传传感器101及紫外传感器102，耐高温线缆4由穿线管3传出；PCB电路板14同时电信号联通产气药盒12及压力传感器14；压力传感器14螺纹固定在压圈16上，之间设有垫片15；压圈16通过O形圈17连接瓶体11，压圈16封螺纹压盖18，螺纹压盖18螺纹连接瓶体11。

所述的粉腔29内填充ABC超细干粉冷气溶胶灭火剂。

所述的产气药盒12内放置有电爆管药头，设有启动部件。

如图2所示，所述的PCB电路板14板包括一级放大电路103、二级放大滤波电路104、自动增益调整电路105、MCU微处理器电路106、驱动输出电路107、稳压电路108、脉冲调整电路109、总线接口电路111、电源电路112；

一级放大电路103连接红外传传感器101；一级放大电路103、二级放大滤波电路104、自动增益调整电路105依次连通，自动增益调整电路105连通MCU微处理器电路106，MCU微处理器电路106连通驱动输出电路107，驱动输出电路107连通产气药盒12；MCU微处理器电路106连通电源电路112，电源电路112连通紫外传感器102，紫外传感器102、稳压电路108、脉冲调整电路109依次连通，脉冲调整电路109连通MCU微处理器电路106，MCU微处理器电路106连接总线接口电路111；

所述的红外传传感器101设有窄带滤光片A1011，紫外传感器102设有窄带滤光片B1021。

如图3所示，所述的一级放大电路103由红外管D1连接电阻R1、R2导通产生电压，连接到至运算放大器U1A负向端和正向端，经电阻R5、电容C2连接至运算放大器U1A输出端，运放U1电源连接滤波电容E1、C3。

如图4所示，所述的二级放大滤波电路104由运算放大器U1D正向端连接基准电压VD端，数字电位器U2连接至运算放大器U1C负向端，高通滤波电容C4连接第一级输出与第二级的输入端组成，。

如图5所示，所述的自动增益调整电路105由第二级放大U1C输出连接电阻R6、数字电位器U2连接运算放大器U1C的负向端和输出端，U1C的输出连接电阻R8、电容C7，接电阻R9对地输出至微处理器的PA0端口；数字电位器U2的控制端分别连接至微处理器的PA2、PA3及PA4端口。

如图6所示，所述的MCU微处理器电路106由A3.3V电源连接电阻R39连接电容C41到地，复位脉冲连接至微处理器U5的NRST端；晶振M1连接电阻R38至微处理器U5的振荡输入端；电源V3.3V对地连接电容C40、电容C42、电容C43、电容C44、电容C45。

如图7所示，所述的驱动输出电路107由微处理的PC9端口连接电阻R31，电阻R34到地，驱动三极管Q1基极，Q1发射极接地，集电极连接电阻R33、R32、达林顿管Q2栅极；+12V电源连接二极管D3、达林顿管Q2的漏极，Q2的源级连接电阻R35至产气药盒，启动冷气溶胶灭火剂灭火。

如图8所示，所述的稳压电路108由稳压二极管D4连接电阻R28到模拟地，并连接二极管D5输出。

如图9所示，所述的脉冲调整电路109由施密特触发器U4连接电阻R29组成，紫外信号脉冲输出连接微处理器PA8端口。

如图10所示，所述的总线接口电路111由总线收发模块U6连接微处理器的RX、TX端口，U6输出端连接电阻R52，经共模电感T2滤波输出，同时总线对地连接瞬态抑制器Q5。

如图11所示，所述的电源电路112由微处理器的PWM1、PWM2端口分别连接电阻R21、R22，经电阻R23、R24到地，驱动三极管Q3、Q4导通，连接脉冲变压器T1的两输入端，另一输入端接12V电源，T1输出端连接整流桥U3交流端；整流桥U3输出高压脉冲电源连接电阻R25、电阻R26到地；连接滤波钽电容E5到地；连接电阻R27、钽电容E6到地。

所述的MCU微处理器电路106中芯片型号为MCUSTM32F205。

本发明的工作原理是：

紫、红外传感器通过大气窗口和窄带滤光后的特征吸收峰，接受远距离和近距离紫、红外辐射，在不影响对探测辐射波段响应的前提下，尽量减少和降低对非探测辐射波段的响应，达到降低环境干扰和提高工作可靠性的目的，检测低压电力控制柜内的火焰信息，并执行智能探测算法，依据信号的幅度、变化沿和频率等，综合两路信号的相关性，将检测到火焰信息传递给MCU处理单元，MCU处理单元实时采集两个信号处理通道数据，经过分析、判断、确认后，经过缓冲驱动电路控制启动产气药盒，驱动冷气溶胶超细干粉灭火剂实施灭火抑爆，同时处理单元接受压力传感器的状态信息并将所有信息通过CAN总线接口传递到控制管理中心。

本发明的电路原理框图是：

如图2所示，一路2.2um红外传感器101检测环境中的弧光火焰光谱信号，经过一级放大电路103、二级放大滤波电路104、自动增益调整电路105，将2.2um的光谱信号转换成电压信号输入到MCU微处理器电路106的PA0端口；同时另一路256nm的紫外传感器102，检测环境中的另一波段的弧光火焰光谱信号，通过稳压电路108、脉冲调整电路109，将256nm的光谱信号转换成电压信号输入到MCU微处理器电路106的PA8端口，MCU微处理器电路106经过综合分析、判断、确认火灾信息后控制驱动输出电路107，驱动输出电路107将信号发给产气药盒12，同时压力传感器14将灭火设备的反馈信息反馈给PCB电路板14，PCB电路板14把信息由总线接口电路111将所有信息上报控制管理中心。

如图3所示，弧光火焰信号经窄带滤光片后基本为红外和紫外光，红外光由2.2um的红外传感器，通过电路R1、R2将光信号转变成电压，经运算放大器U1A放大输出。

如图4所示，U1A输出红外信号经电容C4、数字电位器U2及电容C5高通滤波，由运算放大器U1D放大输出，构成了第二级放大滤波。

如图5所示，U1D输出的红外信号经电阻R6、数字电位器U2、滤波电容C6及运算放大器U1C，组成第三级放大，放大的倍数通过MCU进行自动调整。

如图6所示，微处理器U5选用STM32F405芯片，振荡源端口接8M晶振M1；复位端连接电阻R39和电容C41接地，上电复位；PA口分别连接红外火警信号输入ADC1、压力传感器状态输入ADSTU、数字电位器的控制端SCL、CS及MOSI、紫外火警信号输入PA8、紫外探测器电源控制端PWM1、PWM2、灭火驱动输出PC9，PB10和PB11口连接收发模块RX和TX。

如图7所示，微处理器确认火情则输出高电平给驱动电路电阻R31、R34，三极管Q1导通，进一步达林顿管Q2导通，+12V电源通过大功率达林顿管Q2启动产气药盒，驱动超细干粉冷气溶胶灭火剂实施灭火抑爆。

如图8所示，紫外光由256nm的紫外传感器通过电路D4、R27将光信号转变成电压，经电阻R28和稳压二极管D4，将信号稳定在3.6V,通过二极管D5隔离输出。

如图9所示，稳压输出的紫外信号通过电阻R29和由施密特脉冲触发器U4整形，输出连续的矩形脉冲电压信号，提供给微处理器的PA8端口。

如图10所示，微处理器的接收和发送端口RX、TX连接CAN收发模块U6，输出总线分别接瞬态抑制器Q5保护，通过工模电感T2滤波将数据信息上传控制管理中心。

如图11所示，微处理器交替输出PW1和PW2脉冲通过电阻R21、R22、R23、R24控制三极管Q3、Q4导通，将12V直流电压变换成高压交流脉冲，再经整流桥U3变换成直流，经电阻R25、R26、钽电容E5保护滤波，由R27、E6积分滤波，给紫外管工作提供电源电压。

Claims

1.一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置，包括瓶体（11）及PCB电路板（13），其特征在于，瓶体（11）被隔断（22）分为粉腔（29）及控制腔（30）；隔断（22）中心设有通孔B（27），一侧设有通孔A（23）；位于隔断（22）粉腔（29）这面的中心焊接有挡圈（25），挡圈（22）与通孔B（27）同心，挡圈（22）与瓶体（11）之间形成药盒放置腔（24），药盒放置腔（24）放置产气药盒（12），挡圈（22）内插入穿线管（3）；穿线管（3）中间设有挡台（26），挡台（26）前方穿线管（3）外设有螺纹（28）；大垫片（10）穿过穿线管（3）紧贴瓶体（11）凸台及挡台（26），大压环（9）穿过穿线管（3）紧贴大垫片（10），螺母（5）通过螺纹（28）固定大压环（9）；喷头（2）管过穿线管（3）插入瓶体（11），接触大压环（9）；喷头（2）螺纹连接带通孔螺帽（1）；位于隔断（22）控制腔（30）这面上放置PCB电路板（14），由固体灌封硅胶（20）密封固定；PCB电路板（14）通过耐高温线缆（4）连接红外传传感器（101）及紫外传感器（102），耐高温线缆（4）由穿线管（3）传出；PCB电路板（14）同时电信号联通产气药盒（12）及压力传感器（14）；压力传感器（14）螺纹固定在压圈（16）上，之间设有垫片（15）；压圈（16）通过O形圈（17）连接瓶体（11），压圈（16）封螺纹压盖（18），螺纹压盖（18）螺纹连接瓶体（11）。

2.根据权利要求1所述的一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置，其特征在于，所述的粉腔（29）内填充ABC超细干粉冷气溶胶灭火剂。

3.根据权利要求1所述的一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置，其特征在于，所述的红外传传感器（101）设有窄带滤光片A（1011），紫外传感器（102）设有窄带滤光片B（1021）。

4.根据权利要求1所述的一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置，其特征在于，所述的PCB电路板（14）板包括一级放大电路（103）、二级放大滤波电路（104）、自动增益调整电路（105）、MCU微处理器电路（106）、驱动输出电路（107）、稳压电路（108）、脉冲调整电路（109）、总线接口电路（111）、电源电路（112）；

一级放大电路（103）连接红外传传感器（101）；一级放大电路（103）、二级放大滤波电路（104）、自动增益调整电路（105）依次连通，自动增益调整电路（105）连通MCU微处理器电路（106），MCU微处理器电路（106）连通驱动输出电路（106），驱动输出电路（107）连通产气药盒（12）；MCU微处理器电路（106）连通电源电路（112），电源电路（112）连通紫外传感器（102），紫外传感器（102）、稳压电路（108）、脉冲调整电路（109）依次连通，脉冲调整电路（109）连通MCU微处理器电路（106），MCU微处理器电路（106）连接总线接口电路（111）；

所述的一级放大电路（103）由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、运算放大器U1A、电容C3、及电容E1组成；

所述的二级放大滤波电路（104）由数字电位器U2、运算放大器U1D、电容C2及电容C4组成；

所述的自动增益调整电路（105）由电阻R6、电阻R7、数字电位器U2及运算放大器U1C组成；

所述的MCU微处理器电路（106）由U5微处理器、电容C40、电容C42、电容C43、电容C44、电容C45、晶振M1、电阻R38、电阻R39及电容C41组成；

所述的驱动输出电路（107）由电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、二极管D3、Q1三极管、Q2达林顿管、电阻R35及电容C14组成；

所述的稳压电路（108）由稳压二极管D4、电阻R28及二极管D5组成；

所述的脉冲调整电路（109）由U4施密特触发器、电阻R29、电容E7及电容C21组成；

所述的总线接口电路（111）由电容C51、总线收发模块U6、电阻R52、瞬态抑制器Q5及共模电感T2组成；

所述的电源电路（112）由电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、三极管Q3、Q4、脉冲变压器T1、整理桥U3、电阻R25、电阻R26、钽电容E5、E6及电阻R27组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于紫、红外光学探测的电力控制自动灭弧抑爆装置，其特征在于，所述的MCU微处理器电路（106）中芯片型号为MCUSTM32F205。