CN112946409A - 故障电弧检测电路及电子设备 - Google Patents

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CN112946409A
CN112946409A CN202110353317.3A CN202110353317A CN112946409A CN 112946409 A CN112946409 A CN 112946409A CN 202110353317 A CN202110353317 A CN 202110353317A CN 112946409 A CN112946409 A CN 112946409A
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arc
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capacitor
frequency
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吕颜
叶紫权
陈金玲
李军
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Abstract

本发明公开了一种故障电弧检测电路及电子设备。所述故障电弧检测电路包括电弧采样电路、扫频电路及故障判定电路；电弧采样电路的输入端与火线或零线连接，电弧采样电路的输出端及扫频电路的输出端均与故障判定电路的输入端连接，故障判定电路的输出端与扫频电路的输入端连接；电弧采样电路对电弧进行采样，获得电弧信号；故障判定电路通过其输出端向扫频电路发送不同的电压信号，扫频电路根据不同的电压信号向故障判定电路的输入端对应输出不同的本振信号；故障判定电路对电弧信号及各本振信号进行混频后进行故障判定。由于故障判定电路以电弧信号和多种本振信号混频后的信号作为故障判定依据，避免了信号缺失，提高了检测的准确性。

Description

故障电弧检测电路及电子设备
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种故障电弧检测电路及电子设备。
背景技术
电弧是一种气体游离放电现象，具有温度高，电流小，持续时间短等特点。线路上的电弧可分为两种，一种是正常的操作弧，另一种是故障电弧。当故障电弧产生时，其中心温度高达3000℃～4000℃，并且伴有金属熔化物喷溅出来，故障电弧产生的高温高热极易引燃线路绝缘层导致线路起火，进而引发火灾。
目前对于故障电弧的检测采用的方案是：在获取电弧信号后，将电弧信号输入至谐振放大电路中，电弧信号中与谐振放大电路的谐振频率相同的信号会被输出，对该输出的信号进行故障判定。该方案中谐振放大电路能输出的信号单一，容易造成电弧信号的缺失，进而影响检测的准确性。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种故障电弧检测电路及电子设备，旨在解决现有技术中故障电弧的检测准确性不高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种故障电弧检测电路，所述电路包括电弧采样电路、扫频电路及故障判定电路；所述电弧采样电路的输入端与火线或零线连接，所述电弧采样电路的输出端及所述扫频电路的输出端均与所述故障判定电路的输入端连接，所述故障判定电路的输出端与所述扫频电路的输入端连接；其中，
所述电弧采样电路，用于对所述火线或所述零线的电弧进行采样，获得电弧信号，并发送所述电弧信号至所述故障判定电路；
所述故障判定电路，用于通过所述故障判定电路的输出端向所述扫频电路发送不同的电压信号，以使所述扫频电路根据所述不同的电压信号向所述故障判定电路的输入端对应输出不同的本振信号；
所述故障判定电路，还用于在接收到所述电弧信号及各本振信号后，将所述各本振信号与所述电弧信号进行混频，获得混频信号，并根据所述混频信号进行故障判定。
优选地，所述电弧采样电路包括罗氏线圈，所述罗氏线圈穿射于所述火线或所述零线上，所述罗氏线圈的输出端与所述故障判定电路的输入端连接。
优选地，所述扫频电路包括反馈单元及选频单元；所述反馈单元的第一端分别与所述选频单元的第一端及所述故障判定电路的输入端连接，所述反馈单元的第二端与所述选频单元的第二端连接，所述选频单元的第三端与所述故障判定电路的输出端连接。
优选地，所述反馈单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一三极管及第一电容；其中，
所述第一电阻的第一端与电源连接，所述第一电阻的第二端分别与所述第一电容的第一端、所述第二电阻的第一端及所述第一三极管的基极连接；
所述第三电阻的第一端与所述电源连接，所述第三电阻的第二端分别与所述第一三极管的集电极、所述故障判定电路的输入端及所述选频单元的第一端连接；
所述第一三极管的发射极分别与所述选频单元的第二端及所述第四电阻的第一端连接；
所述第四电阻的第二端、所述第二电阻的第二端及所述第一电容的第二端均接地。
优选地，所述选频单元包括第二电容、第三电容、第四电容、第五电容及电感；所述第四电容为变容二极管；其中，
所述第二电容的第一端分别与所述一三极管的集电极、所述故障判定电路的输入端及所述第四电容的第一端连接，所述第二电容的第二端分别与所述第三电容的第一端及所述第一三极管的发射极连接；
所述第四电容的第一端还与所述故障判定电路的输出端连接，所述第四电容的第二端分别与电感的第一端及所述第五电容的第一端连接；
所述第三电容的第二端、所述电感的第二端及所述第五电容的第二端均接地。
优选地，所述反馈单元包括还包括第六电容，所述第六电容的第一端与所述第一三极管的集电极连接，所述第六电容的第二端分别与所述第二电容的第一端及所述故障判定电路的输入端连接。
优选地，所述故障判定电路包括混频器、滤波单元、放大单元、比较器及控制器；所述混频器的输入端分别与所述电弧采样电路的输出端及所述扫频电路的输出端连接，所述混频器的输出端依次经所述滤波单元、所述放大单元及所述比较器与所述控制器连接；其中，
所述混频器，用于接收所述电弧信号及各本振信号，并将所述电弧信号及所述各本振信号进行混频，获得混频信号后发送至所述滤波单元；
所述滤波单元，用于对所述混频信号进行滤波，获得滤波后的信号后发送至所述放大单元；
所述放大单元，用于对所述滤波后的信号进行放大，获得放大后的信号后发送至比较器；
所述比较器，用于在所述放大后的信号对应的值大于第一预设阈值时，输出高电平至所述控制器，以使所述控制器根据所述高电平进行故障判定。
优选地，所述滤波单元，还用于保留所述混频信号中频率为预设频率的信号；其中，所述预设频率根据所述电弧信号与所述各本振信号的差频值设置。
优选地，所述控制器包括计数器或模数转换接口，所述比较器与所述计数器或所述模数转换接口连接，所述控制器，还用于当检测到所述计数器或所述模数转换接口在预设时间内接收到的高电平数量为第二预设阈值时，输出报警信号。
本发明还提出一种电子设备，所述电子设备包括如上所述的故障电弧检测电路。
本发明通过在故障电弧检测电路中设置电弧采样电路、扫频电路及故障判定电路；电弧采样电路的输入端与火线或零线连接，电弧采样电路的输出端及扫频电路的输出端均与故障判定电路的输入端连接，故障判定电路的输出端与扫频电路的输入端连接；电弧采样电路对火线或零线的电弧进行采样，获得电弧信号，并发送电弧信号至故障判定电路；故障判定电路通过故障判定电路的输出端向扫频电路发送不同的电压信号，以使扫频电路根据不同的电压信号向故障判定电路的输入端对应输出不同的本振信号；故障判定电路在接收到电弧信号及各本振信号后，将各本振信号与电弧信号进行混频，获得混频信号，并根据混频信号进行故障判定。其中，由于故障判定电路能以电弧信号和多种不同的本振信号形成的混频信号作为故障判定依据，避免了信号的缺失，提高了检测的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明故障电弧检测电路一实施例的功能模块图；
图2是图1故障电弧检测电路一可选的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 电弧采样电路 N 零线
200 扫频电路 L 火线
300 故障判定电路 KM1 罗氏线圈
210 反馈单元 VCC 电源
220 选频单元 R1～R4 第一电阻至第四电阻
310 混频器 C1～C6 第一电容至第六电容
320 滤波单元 L1 电感
330 放大单元 Q1 第一三极管
340 比较器 MCU 控制器
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种故障电弧检测电路。
参照图1，在一实施例中，所述电路包括电弧采样电路100、扫频电路200及故障判定电路300；所述电弧采样电路100的输入端与火线L或零线N连接，所述电弧采样电路100的输出端及所述扫频电路200的输出端均与所述故障判定电路300的输入端连接，所述故障判定电路300的输出端与所述扫频电路200的输入端连接；其中，所述电弧采样电路100，用于对所述火线L或所述零线N的电弧进行采样，获得电弧信号，并发送所述电弧信号至所述故障判定电路300；所述故障判定电路300，用于通过所述故障判定电路300的输出端向所述扫频电路200发送不同的电压信号，以使所述扫频电路200根据所述不同的电压信号向所述故障判定电路300的输入端对应输出不同的本振信号；所述故障判定电路300，还用于在接收到所述电弧信号及各本振信号后，将所述各本振信号与所述电弧信号进行混频，获得混频信号，并根据所述混频信号进行故障判定。
需要说明的是，现有技术中通常是将电弧信号输入至谐振放大电路中，只有与谐振放大电路的谐振频率相同的信号才会被输出进行故障判定，如此导致电弧信号中仅极少信号被检测，影响了检测的准确性。本申请中故障判定电路300的输出端输出不同的电压信号至扫频电路200，由扫频电路200对应生成不同频率的信号作为本振信号，当电弧信号与各本振信号混频后，更多的信号会被输出进行故障判定，有效提高了检测的全面性及准确性。
可理解的是，电弧采样电路100对火线L或零线N的电弧进行采样，可以采用线圈的方式，如将CT取电线圈或罗氏线圈KM1穿射于火线L或零线N，将CT取电线圈或罗氏线圈KM1的输出端与故障判定电路300的输入端连接，以使采样获得的电弧信号被传输至故障判定电路300的输入端。
在具体实现中，故障判定电路300将电弧信号及不同频率的各本振信号进行混频后，获得的混频信号包括原始电弧信号、本振信号、差频信号、和频信号等。通过将该混频信号进行滤波、放大、比较等处理后，根据预设的判定条件判定是否存在故障电弧。
本实施例通过在故障电弧检测电路中设置电弧采样电路100、扫频电路200及故障判定电路300；电弧采样电路100的输入端与火线L或零线N连接，电弧采样电路100的输出端及扫频电路200的输出端均与故障判定电路300的输入端连接，故障判定电路300的输出端与扫频电路200的输入端连接；电弧采样电路100对火线L或零线N的电弧进行采样，获得电弧信号，并发送电弧信号至故障判定电路300；故障判定电路300通过故障判定电路300的输出端向扫频电路200发送不同的电压信号，以使扫频电路200根据不同的电压信号向故障判定电路300的输入端对应输出不同的本振信号；故障判定电路300在接收到电弧信号及各本振信号后，将各本振信号与电弧信号进行混频，获得混频信号，并根据混频信号进行故障判定。其中，由于故障判定电路300能以电弧信号和多种不同的本振信号形成的混频信号作为故障判定依据，避免了信号的缺失，提高了检测的准确性。
请一并参照图1及图2，图2是图1故障电弧检测电路一可选的结构示意图。
本实施例中，所述扫频电路200包括反馈单元210及选频单元220；所述反馈单元210的第一端分别与所述选频单元220的第一端及所述故障判定电路300的输入端连接，所述反馈单元210的第二端与所述选频单元220的第二端连接，所述选频单元220的第三端与所述故障判定电路300的输出端连接。
可理解的是，选频单元220接收故障判定电路300的输出端输出的不同的电压信号，将不同频率的信号反馈至反馈单元210，反馈单元210将该信号放大后对应输出不同的本振信号。
进一步地，所述反馈单元210包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管Q1及第一电容C1；其中，所述第一电阻R1的第一端与电源VCC连接，所述第一电阻R1的第二端分别与所述第一电容C1的第一端、所述第二电阻R2的第一端及所述第一三极管Q1的基极连接；所述第三电阻R3的第一端与所述电源VCC连接，所述第三电阻R3的第二端分别与所述第一三极管Q1的集电极、所述故障判定电路300的输入端及所述选频单元220的第一端连接；所述第一三极管Q1的发射极分别与所述选频单元220的第二端及所述第四电阻R4的第一端连接；所述第四电阻R4的第二端、所述第二电阻R2的第二端及所述第一电容C1的第二端均接地。
应当理解的是，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4为静态工作电阻，用于设置三极管的静态工作点，第一电容C1为去耦电容，用于去除噪声对第一三极管Q1的影响。
进一步地，所述选频单元220包括第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5及电感L1；所述第四电容C4为变容二极管；其中，所述第二电容C2的第一端分别与所述一三极管的集电极、所述故障判定电路300的输入端及所述第四电容C4的第一端连接，所述第二电容C2的第二端分别与所述第三电容C3的第一端及所述第一三极管Q1的发射极连接；所述第四电容C4的第一端还与所述故障判定电路300的输出端连接，所述第四电容C4的第二端分别与电感L1的第一端及所述第五电容C5的第一端连接；所述第三电容C3的第二端、所述电感L1的第二端及所述第五电容C5的第二端均接地。
应当理解的是，第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4及第五电容C5均为谐振电容，电感L1为谐振电感，扫频电路200的谐振频率(即本振信号的频率)为
Figure BDA0003002419510000081
其中CX是扫描电路中的总等效电容，约等于第四电容C4和第五电容C5的和。
需要说明的是，第四电容C4为变容二极管，变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量，反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的，通过控制器MCU的数模转换接口DAC在第四电容C4的两端施加一个电压信号ux，第四电容C4的容值随ux的改变而改变，扫频电路200的谐振频率也随第四电容C4的容值的改变而改变，在不同的时间下，输出不同的谐振信号作为故障判定电路300中混频设备的本振信号，实现了扫频的功能。
进一步地，所述反馈单元210包括还包括第六电容C6，所述第六电容C6的第一端与所述第一三极管Q1的集电极连接，所述第六电容C6的第二端分别与所述第二电容C2的第一端及所述故障判定电路300的输入端连接。
应当理解的是，第六电容C6为输出耦合电容，用于耦合输出本振信号。
进一步地，所述故障判定电路300包括混频器310、滤波单元320、放大单元330、比较器340及控制器MCU；所述混频器310的输入端分别与所述电弧采样电路100的输出端及所述扫频电路200的输出端连接，所述混频器310的输出端依次经所述滤波单元320、所述放大单元330及所述比较器340与所述控制器MCU连接；其中，所述混频器310，用于接收所述电弧信号及各本振信号，并将所述电弧信号及所述各本振信号进行混频，获得混频信号后发送至所述滤波单元320；所述滤波单元320，用于对所述混频信号进行滤波，获得滤波后的信号后发送至所述放大单元330；所述放大单元330，用于对所述滤波后的信号进行放大，获得放大后的信号后发送至比较器340；所述比较器340，用于在所述放大后的信号对应的值大于第一预设阈值时，输出高电平至所述控制器MCU，以使所述控制器MCU根据所述高电平进行故障判定。
应当理解的是，混频器310将电弧信号与扫频电路200产生的多种本振信号进行混频，输出的混频信号包括原始电弧信号、本振信号、差频信号、和频信号等，本实施例中对混频器310的型号不加以限定。
滤波单元320将混频信号进行滤波，以滤除不符合要求的信号，具体的，滤波单元320可以保留混频信号中频率为预设频率的信号；其中，预设频率根据电弧信号与各本振信号的差频值设置。比如，可以设置滤波单元320允许电弧信号与本振信号的差频值为455kHz的信号通过。
比较器340通过设置第一预设阈值，并将第一预设阈值与放大后的信号对应的值进行比较，当第一预设阈值小于等于放大后的信号对应的值时，比较器340输出高电平至控制器MCU。
进一步地，所述控制器MCU包括计数器或模数转换接口AD，所述比较器340与所述计数器或所述模数转换接口AD连接，所述控制器MCU，还用于当检测到所述计数器或所述模数转换接口在预设时间内接收到的高电平数量为第二预设阈值时，输出报警信号。
在具体实现中，可以将第二预设阈值设置为14，预设时间设置为1秒，即当控制器MCU检测到其计数器或模数转换接口在1S内的高电平脉冲数达到14个时，控制器MCU输出报警信号。当然，预设时间和第二预设阈值还可以根据经验进行其他设置，本实施例对此不加以限制。
本实施例通过电弧采样电路、扫频电路及故障判定电路的具体设计，对线路上的电弧信号进行采样，并输出不同频率的本振信号至混频器，混频器将电弧信号与本振信号进行混频，滤波单元将混频信号进行滤波，放大单元将滤波后的信号进行放大；比较器将放大后的信号与第一预设阈值进行比较，当放大后的信号对应的值大于第一预设阈值时，比较器输出高电平到控制器的计数器或模数转换接口，控制器根据预设时间内高电平的数量判定是否存在故障电弧。由于本实施例中混频器可以输出多频段的电弧信号，丰富了被检测的电弧信号的特征量，提高了检测的准确性。
本发明还提出一种电子设备，所述电子设备包括如上所述的故障电弧检测电路，所述电子设备的故障电弧检测电路的电路结构可参照上述实施例，在此不再赘述；可以理解的是，由于本实施例的电子设备采用了上述故障电弧检测电路的技术方案，因此所述电子设备具有上述所有的有益效果。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种故障电弧检测电路，其特征在于，包括电弧采样电路、扫频电路及故障判定电路；所述电弧采样电路的输入端与火线或零线连接，所述电弧采样电路的输出端及所述扫频电路的输出端均与所述故障判定电路的输入端连接，所述故障判定电路的输出端与所述扫频电路的输入端连接；其中，
所述电弧采样电路，用于对所述火线或所述零线的电弧进行采样，获得电弧信号，并发送所述电弧信号至所述故障判定电路；
所述故障判定电路，用于通过所述故障判定电路的输出端向所述扫频电路发送不同的电压信号，以使所述扫频电路根据所述不同的电压信号向所述故障判定电路的输入端对应输出不同的本振信号；
所述故障判定电路，还用于在接收到所述电弧信号及各本振信号后，将所述各本振信号与所述电弧信号进行混频，获得混频信号，并根据所述混频信号进行故障判定。
2.如权利要求1所述的故障电弧检测电路，其特征在于，所述电弧采样电路包括罗氏线圈，所述罗氏线圈穿射于所述火线或所述零线上，所述罗氏线圈的输出端与所述故障判定电路的输入端连接。
3.如权利要求1所述的故障电弧检测电路，其特征在于，所述扫频电路包括反馈单元及选频单元；所述反馈单元的第一端分别与所述选频单元的第一端及所述故障判定电路的输入端连接，所述反馈单元的第二端与所述选频单元的第二端连接，所述选频单元的第三端与所述故障判定电路的输出端连接。
4.如权利要求3所述的故障电弧检测电路，其特征在于，所述反馈单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一三极管及第一电容；其中，
所述第一电阻的第一端与电源连接，所述第一电阻的第二端分别与所述第一电容的第一端、所述第二电阻的第一端及所述第一三极管的基极连接；
所述第三电阻的第一端与所述电源连接，所述第三电阻的第二端分别与所述第一三极管的集电极、所述故障判定电路的输入端及所述选频单元的第一端连接；
所述第一三极管的发射极分别与所述选频单元的第二端及所述第四电阻的第一端连接；
所述第四电阻的第二端、所述第二电阻的第二端及所述第一电容的第二端均接地。
5.如权利要求4所述的故障电弧检测电路，其特征在于，所述选频单元包括第二电容、第三电容、第四电容、第五电容及电感；所述第四电容为变容二极管；其中，
所述第二电容的第一端分别与所述一三极管的集电极、所述故障判定电路的输入端及所述第四电容的第一端连接，所述第二电容的第二端分别与所述第三电容的第一端及所述第一三极管的发射极连接；
所述第四电容的第一端还与所述故障判定电路的输出端连接，所述第四电容的第二端分别与电感的第一端及所述第五电容的第一端连接；
所述第三电容的第二端、所述电感的第二端及所述第五电容的第二端均接地。
6.如权利要求5所述的故障电弧检测电路，其特征在于，所述反馈单元包括还包括第六电容，所述第六电容的第一端与所述第一三极管的集电极连接，所述第六电容的第二端分别与所述第二电容的第一端及所述故障判定电路的输入端连接。
7.如权利要求1至6中任一项所述的故障电弧检测电路，其特征在于，所述故障判定电路包括混频器、滤波单元、放大单元、比较器及控制器；所述混频器的输入端分别与所述电弧采样电路的输出端及所述扫频电路的输出端连接，所述混频器的输出端依次经所述滤波单元、所述放大单元及所述比较器与所述控制器连接；其中，
所述混频器，用于接收所述电弧信号及各本振信号，并将所述电弧信号及所述各本振信号进行混频，获得混频信号后发送至所述滤波单元；
所述滤波单元，用于对所述混频信号进行滤波，获得滤波后的信号后发送至所述放大单元；
所述放大单元，用于对所述滤波后的信号进行放大，获得放大后的信号后发送至比较器；
所述比较器，用于在所述放大后的信号对应的值大于第一预设阈值时，输出高电平至所述控制器，以使所述控制器根据所述高电平进行故障判定。
8.如权利要求7所述的故障电弧检测电路，其特征在于，所述滤波单元，还用于保留所述混频信号中频率为预设频率的信号；其中，所述预设频率根据所述电弧信号与所述各本振信号的差频值设置。
9.如权利要求8所述的故障电弧检测电路，其特征在于，所述控制器包括计数器或模数转换接口，所述比较器与所述计数器或所述模数转换接口连接，所述控制器，还用于当检测到所述计数器或所述模数转换接口在预设时间内接收到的高电平数量为第二预设阈值时，输出报警信号。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1～9任一权利要求所述的故障电弧检测电路。
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CN115881501A (zh) * 2023-03-03 2023-03-31 深圳市飞梵实业有限公司 一种电子显微镜的扫描信号检测及调节系统

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