CN113960436A - 单相故障电弧探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单相故障电弧探测器，通过故障电弧信号处理电路处理得到电压方波信号、电压正弦波信号、电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号，处理器基于获得的多个电流信号和电压信号并结合预设的运算规则准确地判断出用电线路中是否存在单相故障电弧。从电流采样信号中准确地提取出电流平肩脉冲信号即可准确地识别出平肩部的相关特性，再基于电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号综合识别出平肩部的数量和持续时间、电流值大小等特性，当识别出平肩部的数量超过14个，每个平肩部的持续时间超过420us，电流值超过额定电流值的5％时，即判定用电线路中存在单相故障电弧。

Description

单相故障电弧探测器
技术领域
本发明涉及故障电弧检测技术领域，特别地，涉及一种单相故障电弧探测器。
背景技术
故障电弧是电器线路中常见的安全隐患，它一般发生在线路绝缘不良或接触不良处，也可能发生在松动的电线连接处及老化或破损的线路中，因此，准确地检测出用电线路中存在的故障电弧对于用电安全来说至关重要。
发明内容
本发明提供了一种单相故障电弧探测器，可以准确地检测出用电线路中存在的故障电弧，保障了用电安全。
根据本发明的一个方面，提供一种单相故障电弧探测器，用于对单相故障电弧进行检测，包括：
电源转换电路，与市电的火线和零线连接，用于提供多种电源电压和电压采样信号；
电流信号输入电路，与电流互感器连接，用于提供电流采样信号；
故障电弧信号处理电路，分别与所述电源转换电路和电流信号输入电路连接，用于对所述电压采样信号和所述电流采样信号进行处理后输出电压方波信号、电压正弦波信号、电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号；
处理器，分别与所述电源转换电路和故障电弧信号处理电路连接，用于基于所述故障电弧信号处理电路输出的多个电流信号和电压信号并结合预设的运算规则判断是否存在单相故障电弧。
进一步地，所述故障电弧信号处理电路包括电压信号处理电路和电流信号处理电路，所述电压信号处理电路分别与所述电源转换电路和处理器连接，用于将所述电压采样信号分别转换为电压正弦波信号和电压方波信号后输出至所述处理器，所述电流信号处理电路分别与电流信号输入电路和处理器连接，用于将所述电流采样信号分别转换为电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号后输出至所述处理器。
进一步地，所述电流信号处理电路包括平肩脉冲信号提取电路和高频脉冲信号提取电路，所述平肩脉冲信号提取电路分别与所述电流信号输入电路、处理器连接，用于将所述电流采样信号分别转换为电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号后输出至处理器，所述高频脉冲信号提取电路分别与所述平肩脉冲信号提取电路、处理器连接，用于将所述电流正弦波信号转换为电流高频脉冲信号后输出至处理器。
进一步地，所述平肩脉冲信号提取电路包括电流差分放大电路、自动增益放大电路、电流正向方波发生电路、电流负向方波发生电路、平肩脉冲发生电路和第一电流整形电路，所述电流差分放大电路分别与所述电流信号输入电路、处理器、自动增益放大电路连接，用于对所述电流采样信号进行一次放大处理，将处理后的电流正弦波信号分别输出至处理器和自动增益放大电路，所述自动增益放大电路分别与处理器、电流正向方波发生电路、电流负向方波发生电路连接，用于在所述处理器的控制下对经过一次放大处理后的电流正弦波信号进行二次放大处理后输出，所述电流正向方波发生电路用于将经过二次放大处理后的电流正弦波信号转换为5.5V的电流正向方波信号，所述电流负向方波发生电路用于将经过二次放大处理后的电流正弦波信号转换为电流负向方波信号，所述平肩脉冲发生电路分别与所述电流正向方波发生电路、电流负向方波发生电路、处理器连接，用于将所述电流正向方波信号和电流负向方波信号进行叠加并提取出电流平肩脉冲信号后输出至处理器，所述第一电流整形电路与所述电流正向方波发生电路连接，用于将所述电流正向方波发生电路输出的5.5V电流正向方波信号转换为3.3V电流正向方波信号后输出至处理器。
进一步地，所述电流正向方波发生电路包括电容C25、电阻R48、电阻R59、正向方波发生器U2B、电阻R55、电阻R56，所述电容C25的第一端、正向方波发生器U2B的正相输入端均与所述自动增益放大电路连接，电阻R48的第二端与所述电源转换电路连接，电阻R48的第一端分别与电阻R59的第一端、正向方波发生器U2B的反相输入端连接，正向方波发生器U2B的输出端分别与电阻R55的第一端、电阻R56的第一端、第一电流整形电路连接，电阻R59的第二端、电容C25的第二端、电阻R55的第二端均接地，电阻R56的第二端与所述平肩脉冲发生电路连接。
进一步地，所述电流负向方波发生电路包括电阻R49、电阻R60、负向方波发生器U2C、电容C23、电容C27、电阻R58，所述负向方波发生器U2C的反相输入端与所述自动增益放大电路连接，正相输入端分别与电阻R49的第一端、电阻R60的第一端连接，电阻R49的第二端、电容C23的第一端、负向方波发生器U2C的4号引脚均与所述电源转换电路连接，负向方波发生器U2C的11号引脚和电容C27的第一端与所述电源转换电路连接，负向方波发生器U2C的输出端分别与电阻R58的第一端、第一电流整形电路连接，电阻R58的第二端、电容C23的第二端、电容C27的第二端、电阻R60的第二端均接地。
进一步地，所述平肩脉冲发生电路包括电阻R53、电容C24、与非门U3D、电容C26、电阻R50，所述电阻R53的第一端与所述电流负向方波发生电路的输出端连接，电阻R53的第二端分别与电容C24的第一端、与非门U3D的第一输入端连接，与非门U3D的第二输入端分别与所述电流正向方波发生电路的输出端、电容C26的第一端连接，与非门U3D的输出端分别与处理器、电阻R50的第二端连接，电阻R50的第一端与所述电源转换电路连接，电容C24的第二端、电容C26的第二端均接地。
进一步地，所述电压信号处理电路包括电压差分放大电路和电压整形电路，所述电压差分放大电路分别与电源转换电路、电压整形电路、处理器连接，用于对所述电压采样信号进行一次放大处理，将处理后的电压正弦波信号分别输出至所述电压整形电路和处理器，所述电压整形电路分别与所述电压差分放大电路、处理器连接，用于对经过一次放大处理后的电压正弦波信号依次进行二次放大处理、整形处理，转换为电压方波信号后输出至所述处理器。
进一步地，所述电压差分放大电路包括电阻R14、电阻R16、电阻R13、电容C20、电阻R22、差分放大器U1D、电阻R19、电阻R20和电容C19，所述电阻R14和电阻R16的第一端与所述电源转换电路连接以接入电压采样信号，电容C20的第一端与所述电源转换电路连接以接入电源电压，电阻R14的第二端分别与电阻R13的第一端、差分放大器U1D的反相输入端连接，电容C20的第二端与电阻R22的第一端连接，电阻R16的第二端分别与电阻R22的第二端、差分放大器U1D的正相输入端连接，差分放大器U1D的输出端分别与电阻R13的第二端、电容C19的第一端、电压整形电路连接，电容C19的第二端分别与电阻R19的第二端、电阻R20的第一端、处理器连接，电阻R19的第一端接地，电阻R20的第二端与所述电源转换电路连接。
进一步地，所述电压整形电路包括电阻R18、差分放大器U1C、电阻R17、电容C18、与非门U3A、电阻R12，所述电阻R18的第一端与所述电压差分放大电路的输出端连接，第二端与差分放大器U1C的正相输入端连接，差分放大器U1C的反相输入端接地，输出端与电阻R17的第一端连接，电阻R17的第二端分别与电容C18的第一端、与非门U3A的输入端连接，电容C18的第二端接地，与非门U3A的输出端分别与电阻R12的第一端、处理器连接，电阻R12的第二端与所述电源转换电路连接。
本发明具有以下效果：
本发明的单相故障电弧探测器，通过故障电弧信号处理电路对所述电压采样信号和所述电流采样信号进行处理可以得到电压方波信号、电压正弦波信号、电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号，处理器即可基于获得的多个电流信号和电压信号并结合预设的运算规则准确地判断出用电线路中是否存在单相故障电弧。其中，电流平肩脉冲信号即对应着故障电弧电流波形中的平肩部，通过从电流采样信号中准确地提取出电流平肩脉冲信号即可准确地识别出平肩部的相关特性，进而基于电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号综合识别出故障电弧电流波形中包含的平肩部的数量和持续时间、电流值大小等特性，当识别出平肩部的数量超过14个，每个平肩部的持续时间超过420us，电流值超过额定电流值的5％时，即判定用电线路中存在单相故障电弧，否则判定用电线路中不存在单相故障电弧。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的单相故障电弧探测器的模块结构示意图。
图2是正常电流波形的示意图。
图3是故障电弧电流波形的示意图。
图4是图1中的电源转换电路的具体电路结构示意图。
图5是图1中的故障电弧信号处理电路的具体电路结构示意图。
图6是本发明优选实施例的电流正向方波发生电路生成的故障电弧电流正向方波信号的波形示意图。
图7是本发明优选实施例的电流负向方波发生电路生成的故障电弧电流负向方波信号的波形示意图。
图8是本发明优选实施例的平肩脉冲发生电路对故障电弧电流正向方波信号和故障电弧电流负向方波信号进行叠加的示意图。
图9是本发明优选实施例的平肩脉冲发生电路合成的平肩脉冲反向信号的波形示意图。
图10是图1中的处理器的引脚布置示意图。
图11是图1中的声音报警电路的具体电路结构示意图。
图12是图1中的晶振调试接口电路的具体电路结构示意图。
图13是图1中的通讯联网电路的具体电路结构示意图。
图14是图1中的按键指示电路的具体电路结构示意图。
图15是图1中的报警脱扣电路的具体电路结构示意图。
图16是图1中的通讯接口电路的具体电路结构示意图。
图17是图1中的电流信号输入电路的具体电路结构示意图。
附图标记说明
10、电源转换电路；11、处理器；12、故障电弧信号处理电路；13、电流信号输入电路；14、晶振调试接口电路；15、通讯联网电路；16、声音报警电路；17、按键指示电路；18、报警脱扣电路；19、通讯接口电路；101、电压采样电路；102、第一电压转换电路；103、第二电压转换电路；104、第三电压转换电路；105、第四电压转换电路；121、电压信号处理电路；122、电流信号处理电路；123、平肩脉冲信号提取电路；124、高频脉冲信号提取电路；1231、电流差分放大电路；1232、自动增益放大电路；1233、电流正向方波发生电路；1234、电流负向方波发生电路；1235、平肩脉冲发生电路；1236、第一电流整形电路；1211、电压差分放大电路；1212、电压整形电路；1241、高通滤波电路；1242、低通滤波电路；1243、第二电流整形电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本发明的优选实施例提供一种单相故障电弧探测器，用于对单相故障电弧进行检测，包括：
电源转换电路10，与市电的火线和零线连接，用于提供多种电源电压和电压采样信号；
电流信号输入电路13，与电流互感器连接，用于提供电流采样信号；
故障电弧信号处理电路12，分别与所述电源转换电路10和电流信号输入电路13连接，用于对所述电压采样信号和所述电流采样信号进行处理后输出电压方波信号、电压正弦波信号、电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号；
处理器11，分别与所述电源转换电路10和故障电弧信号处理电路12连接，用于基于所述故障电弧信号处理电路12输出的多个电流信号和电压信号并结合预设的运算规则判断是否存在单相故障电弧。
可以理解，如图2和图3所示，图2为正常电流波形，图3为故障电弧电流波形，从图2和图3的波形对比可以看出，故障电弧电流一般具有以下特性：1、故障电弧电流每半个周期都存在“零休”现象，即故障电弧电流波形存在平肩部；2、故障电弧电流的上升速率一般比正常电流高，且电流每半个周期都有突变，突变是随机的等等。国标“GB14287.4-2014”中明确记载了故障电弧检测的标准，检测过程中产生每秒最多9个及以下半周期的故障电弧或者14个及以上半周期的故障电弧，才能成为有效检测，而且，电弧持续时间不超过0.42ms或者电流值不超过额定电流值5％的微小电弧不作为电弧统计。因此，准确地提取出故障电弧电流波形中的平肩部对于故障电弧检测而言至关重要。
可以理解，本实施例的单相故障电弧探测器，通过故障电弧信号处理电路12对所述电压采样信号和所述电流采样信号进行处理可以得到电压方波信号、电压正弦波信号、电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号，处理器11即可基于获得的多个电流信号和电压信号并结合预设的运算规则准确地判断出用电线路中是否存在单相故障电弧。其中，电流平肩脉冲信号即对应着故障电弧电流波形中的平肩部，通过从电流采样信号中准确地提取出电流平肩脉冲信号即可准确地识别出平肩部的相关特性，进而基于电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号综合识别出故障电弧电流波形中包含的平肩部的数量和持续时间、电流值大小等特性，当识别出平肩部的数量超过14个，每个平肩部的持续时间超过420us，电流值超过额定电流值的5％时，即判定用电线路中存在单相故障电弧，否则判定用电线路中不存在单相故障电弧。而电压方波信号、电流方波信号、电压正弦波信号和电流正弦波信号则是更多地作为触发信号，当处理器11识别出这些信号异常时即启动故障电弧检测功能，即开始采样电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号，从而在保证探测器灵敏度的同时，提高了探测器的精确度而降低了误报率。可以理解，具体的判断规则通过程序预先搭载在处理器中，处理器只需获取上述电流信号和电压信号即可自动判断出是否存在单相故障电弧。
可以理解，如图4所示，所述电源转换电路10包括保险丝F1、电压采样电路101、第一电压转换电路102、第二电压转换电路103、第三电压转换电路104和第四电压转换电路105，所述电压采样电路101和第一电压转换电路102均分别与市电的火线和零线连接，所述保险丝F1位于所述第一电压转换电路102与市电的火线之间，用于起到过载保护作用，所述电压采样电路101用于对市电的电压信号进行采样，所述第一电压转换电路102用于将市电220V交流电压转换为+12V直流电压，所述第二电压转换电路103与第一电压转换电路102的输出端连接并用于将+12V直流电压转换为+5V直流电压，所述第三电压转换电路104与第二电压转换电路103的输出端连接并用于将+5V直流电压转换为±5.5V直流电压，所述第四电压转换电路105与第二电压转换电路103的输出端连接并用于将+5V直流电压转换为+3.3V直流电压。可以理解，所述电源转换电路10还可以根据实际情况需要设置更多的电压转换电路，以提供不同电源电压。
具体地，所述电压采样电路101包括电阻R1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9，电阻R1的第一端通过保险丝F1与市电的火线连接，电阻R1的第二端与电阻R4的第一端连接，电阻R4的第二端与电阻R5的第一端连接，电阻R3的第一端与市电的零线连接，电阻R3的第二端与电阻R6的第一端连接，电阻R6的第二端与电阻R7的第一端连接，电阻R7的第二端分别与电阻R8的第一端、故障电弧信号处理电路12连接，电阻R8的第二端和电阻R9的第一端接地，电阻R9的第二端、电阻R5的第二端均与故障电弧信号处理电路12连接。所述电压采样电路101通过采用电阻分压采样的方式可以为故障电弧信号处理电路12提供电压采样信号，以便于后续进行电压信号分析。
所述第一电压转换电路102包括电容C3、第一电压转换模块DY2、滤波电感T1、电容C7、电容C12、电容C16，所述电容C3的第一端通过保险丝F1与市电的火线连接，第二端与市电的零线连接，第一电压转换模块DY2的两个输入端分别与市电的火线和零线连接，第一电压转换模块DY2的两个输出端分别与滤波电感T1的输入端连接，滤波电感T1的第一输出端分别与电容C7的第一端、第二电压转换电路103连接，第二输出端接地，电容C12的第二端与电阻R5的第二端连接，电容C7的第二端、电容C16的第一端、电容C12的第一端均接地，电容C16的第二端与电阻R7的第二端连接。所述第一电压转换模块DY2为交流转直流的EMC电源转换模块，通过所述第一电压转换模块DY2将市电的220V交流电源电压转换为12V的直流电源电压。
所述第二电压转换电路103包括极性电容C8、第二电压转换模块TM1、电容C4、极性电容C5，极性电容C8的正极端、第二电压转换模块TM1的输入端均与滤波电感T1的第一输出端连接，第二电压转换模块TM1的输出端分别与电容C4的第一端、极性电容C5的正极端、故障电弧信号处理电路12、第三电压转换电路104连接，电容C4的第二端、极性电容C5的负极端、极性电容C8的负极端均接地。通过所述第二电压转换模块TM1可以将12V直流电压转换为5V直流电压。
所述第三电压转换电路104包括第三电压转换模块DY1、电容C1、电容C10、极性电容C2、极性电容C9，所述第三电压转换模块DY1的1号引脚与第二电压转换模块TM1的输出端连接，2号引脚接地，5号引脚作为-5.5V电压的输出端，6号引脚接地，7号引脚分别与电容C1的第一端、极性电容C2的正极端连接，作为+5.5V电压的输出端，电容C1的第二端、极性电容C2的负极端、电容C10的第一端、极性电容C9的正极端均接地，电容C10的第二端和极性电容C9的负极端均与第三电压转换模块DY1的5号引脚连接。
所述第四电压转换电路105包括电容C13、极性电容C17、第四电压转换模块U1、电容C14和极性电容C15，所述电容C13的第一端、极性电容C17的正极端、第四电压转换模块U1的输入端均与第二电压转换模块TM1的输出端连接，第四电压转换模块U1的输出端分别与电容C14的第一端、极性电容C15的正极端连接，电容C13的第二端、极性电容C17的负极端、电容C14的第二端、极性电容C15的负极端均接地。通过所述第四电压转换模块U1可以将5V的直流电压转换为3.3V，可以为处理器11供电。
可以理解，结合图1、图5所示，所述故障电弧信号处理电路12包括电压信号处理电路121和电流信号处理电路122，所述电压信号处理电路121分别与所述电源转换电路10和处理器11连接，用于将所述电压采样信号分别转换为电压正弦波信号和电压方波信号后输出至所述处理器11，所述电流信号处理电路122分别与电流信号输入电路13和处理器11连接，用于将所述电流采样信号分别转换为电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号后输出至所述处理器11。
具体地，所述电压信号处理电路121包括电压差分放大电路1211和电压整形电路1212，所述电压差分放大电路1211分别与电源转换电路10、电压整形电路1212、处理器11连接，用于对所述电压采样信号进行一次放大处理，将放大处理后的电压正弦波信号分别输出至所述电压整形电路1212和处理器11，所述电压整形电路1212分别与所述电压差分放大电路1211、处理器11连接，用于对经过一次放大处理后的电压正弦波信号依次进行二次放大处理、整形处理，将电压正弦波信号转换为3.3V的电压方波信号后输出至所述处理器11。所述处理器11根据所述电压正弦波信号和电压方波信号可以识别出故障电弧电压信号的相关特性，例如在单相故障电弧发生时，线电压骤降，而且波形接近矩形，因此，所述处理器11可以通过所述电压正弦波信号和电压方波信号初步判定用电线路中是否存在单相故障电弧。
具体地，所述电压差分放大电路1211包括电阻R14、电阻R16、电阻R13、电容C20、电阻R22、差分放大器U1D、电阻R19、电阻R20和电容C19，所述电阻R14和电阻R16的第一端与所述电源转换电路10连接以接入电压采样信号，即与电压采样电路101的输出端连接，电容C20的第一端与所述电源转换电路10连接以接入5V的电源电压，电阻R14的第二端分别与电阻R13的第一端、差分放大器U1D的反相输入端连接，电容C20的第二端与电阻R22的第一端连接，电阻R16的第二端分别与电阻R22的第二端、差分放大器U1D的正相输入端连接，差分放大器U1D的输出端分别与电阻R13的第二端、电容C19的第一端、电压整形电路1212连接，电容C19的第二端分别与电阻R19的第二端、电阻R20的第一端、处理器11连接，电阻R19的第一端接地，电阻R20的第二端与所述电源转换电路10连接以接入3.3V的电源电压。
所述电压整形电路1212包括电阻R18、差分放大器U1C、电阻R17、电容C18、与非门U3A、电阻R12，所述电阻R18的第一端与所述电压差分放大电路1211的输出端连接，即与差分放大器U1D的输出端连接，电阻R18的第二端与差分放大器U1C的正相输入端连接，差分放大器U1C的反相输入端接地，输出端与电阻R17的第一端连接，电阻R17的第二端分别与电容C18的第一端、与非门U3A的两个输入端连接，电容C18的第二端接地，与非门U3A的输出端分别与电阻R12的第一端、处理器11连接，电阻R12的第二端与所述电源转换电路10连接。通过差分放大器U1C对经过一次放大处理后的电压正弦波信号进行二次放大，然后利用与非门U3A对二次放大后的电压正弦波信号进行整形处理，将电压正弦波信号转换为3.3V的电压方波信号，以便于处理器11进行识别处理。
所述电流信号处理电路122包括平肩脉冲信号提取电路123和高频脉冲信号提取电路124，所述平肩脉冲信号提取电路123分别与所述电流信号输入电路13、处理器11连接，用于将所述电流采样信号分别转换为电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号后输出至处理器11，所述高频脉冲信号提取电路124分别与所述平肩脉冲信号提取电路123、处理器11连接，用于将所述电流正弦波信号转换为电流高频脉冲信号后输出至处理器11。
具体地，所述平肩脉冲信号提取电路123包括电流差分放大电路1231、自动增益放大电路1232、电流正向方波发生电路1233、电流负向方波发生电路1234、平肩脉冲发生电路1235和第一电流整形电路1236，所述电流差分放大电路1231分别与所述电流信号输入电路13、处理器11、自动增益放大电路1232连接，用于对所述电流采样信号进行一次放大处理，将放大处理后的电流正弦波信号分别输出至处理器11和自动增益放大电路1232，所述自动增益放大电路1232分别与处理器11、电流正向方波发生电路1233、电流负向方波发生电路1234连接，用于在所述处理器11的控制下对经过一次放大处理后的电流正弦波信号进行二次放大处理后输出，所述电流正向方波发生电路1233用于将经过二次放大处理后的电流正弦波信号转换为5.5V的电流正向方波信号，所述电流负向方波发生电路1234用于将经过二次放大处理后的电流正弦波信号转换为电流负向方波信号，所述平肩脉冲发生电路1235分别与所述电流正向方波发生电路1233、电流负向方波发生电路1234、处理器11连接，用于将所述电流正向方波信号和电流负向方波信号进行叠加并提取出电流平肩脉冲信号后输出至处理器11，所述第一电流整形电路1236与所述电流正向方波发生电路1233连接，用于将所述电流正向方波发生电路1233输出的5.5V电流正向方波信号转换为3.3V电流正向方波信号后输出至处理器11。
其中，所述电流差分放大电路1231包括电阻30、电阻R41、电阻R42、差分放大器U1D、电阻R31、电阻R36、电阻R37、电容C22、电阻R44，所述电阻R41的第一端、电阻R30的第一端均与电流信号输入电路13连接，电阻R30的第二端分别与电阻R31的第一端、差分放大器U1D的反相输入端连接，电阻R41的第二端、电阻R42的第二端均与差分放大器U1D的同相输入端连接，电阻R42的第一端接地，差分放大器U1D的输出端分别与电阻R31的第二端、电容C22的第一端、电阻R36的第二端、高频脉冲信号提取电路124连接，电阻R36的第一端与自动增益放大电路1232连接，电容C22的第二端分别与电阻R37的第二端、电阻R44的第一端、处理器11连接，电阻R37的第一端与电源转换电路10连接以接入3.3V电源电压，电阻R44的第二端接地。
所述自动增益放大电路1232包括电阻R28、电阻R23、电阻R29、同相放大器U1A、电阻R43、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R45、电阻R46、电阻R47、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3，电阻R28的第一端接地，电阻R28的第二端、电阻R23的第一端与同相放大器U1A的反相输入端连接，电阻R29的第一端与同相放大器U1A的正相输入端连接，同相放大器U1A的输出端分别与电阻R23的第二端、电阻R43的第一端连接，电阻R43的第二端分别与电流正向方波发生电路1233和电流负向方波发生电路1234连接。电阻R29的第二端分别与电阻R36的第一端、电阻R32的第一端、电阻R33的第一端、电阻R34的第一端、电阻R35的第一端连接，电阻R33的第二端与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极分别与电阻R38的第二端、电阻R45的第一端连接，电阻R38的第一端、电阻R39的第一端、电阻R40的第一端均与处理器11连接，三极管Q2的集电极与电阻R34的第二端连接，基极分别与电阻R39的第二端、电阻R46的第一端连接，三极管Q3的集电极与电阻R35的第一端连接，基极分别与电阻R40的第二端、电阻R47的第一端连接，电阻R32的第二端、三极管Q1的发射极、三极管Q2的发射极、三极管Q3的发射极、电阻R45的第二端、电阻R46的第二端、电阻R47的第二端均接地。所述处理器11通过控制施加在电阻R38、电阻R39和电阻R40上的电平高低，来控制三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3是否导通，从而控制投入到电路中的电阻数量和多个电阻之间的连接结构，以改变同相放大器U1A的输入信号的衰减强度，从而实现8档衰减控制。
所述电流正向方波发生电路1233包括电容C25、电阻R48、电阻R59、正向方波发生器U2B、电阻R55、电阻R56，所述电容C25的第一端、正向方波发生器U2B的正相输入端均与所述自动增益放大电路1232连接，即与电阻R43的第二端连接，以接入放大处理后的电流正弦波信号，电阻R48的第二端与所述电源转换电路10连接以接入-5.5V的电源电压，电阻R48的第一端分别与电阻R59的第一端、正向方波发生器U2B的反相输入端连接，正向方波发生器U2B的输出端分别与电阻R55的第一端、电阻R56的第一端、第一电流整形电路1236连接，电阻R59的第二端、电容C25的第二端、电阻R55的第二端均接地，电阻R56的第二端与所述平肩脉冲发生电路1235连接。所述电流正向方波发生电路1233生成的故障电弧电流正向方波信号如图6所示。
所述电流负向方波发生电路1234包括电阻R49、电阻R60、负向方波发生器U2C、电容C23、电容C27、电阻R58，所述负向方波发生器U2C的反相输入端与所述自动增益放大电路1232连接，即与电阻R43的第二端连接，正相输入端分别与电阻R49的第一端、电阻R60的第一端连接，电阻R49的第二端、电容C23的第一端、负向方波发生器U2C的4号引脚均与所述电源转换电路10连接以接入+5.5V电源电压，负向方波发生器U2C的11号引脚和电容C27的第一端与所述电源转换电路10连接以接入-5.5V电源电压，负向方波发生器U2C的输出端分别与电阻R58的第一端、第一电流整形电路1236连接，电阻R58的第二端、电容C23的第二端、电容C27的第二端、电阻R60的第二端均接地。所述电流负向方波发生电路1234生成的故障电弧电流负向方波信号如图7所示。
所述平肩脉冲发生电路1235包括电阻R53、电容C24、电容C26、与非门U3D、电阻R50，所述电阻R53的第一端与负向方波发生器U2C的输出端连接，电阻R53的第二端分别与电容C24的第一端、与非门U3D的第一输入端连接，与非门U3D的第二输入端分别与电容C26的第一端、电流正向方波发生电路的输出端(即电阻R56的第二端)连接，与非门U3D的输出端分别与处理器11、电阻R50的第二端连接，电阻R50的第一端与电源转换电路10连接以接入3.3V电源电压，电容C24的第二端、电容C26的第二端接地。如图8和图9所示，通过与非门U3D将故障电弧电流正向方波信号与故障电弧电流负向方波信号进行叠加，并提取出平肩脉冲反向波形，即电流平肩脉冲信号。其中，图8为与非门U3D对故障电弧电流正向方波信号和故障电弧电流负向方波信号进行叠加的示意图，图9为与非门U3D合成的平肩脉冲反向信号的波形示意图。
所述第一电流整形电路1236包括电阻R24、电容C21、与非门U3B、电阻R21，所述电阻R24的第一端与正向方波发生器U2B的输出端连接，电阻R24的第二端分别与电容C21的第一端、与非门U3B的输入端连接，电容C21的第二端接地，与非门U3B的输出端分别与处理器11、电阻R21的第二端连接，电阻R21的第一端与电源转换电路10连接以接入3.3V的电源电压。通过与非门U3B将5.5V的电流正向方波信号转换为3.3V电流正向方波信号后输出至处理器11，以便于处理器11进行识别处理。可以理解，所述第一电流整形电路1236输出的电流方波信号为电流正向方波信号，即半波信号。
所述高频脉冲信号提取电路124包括高通滤波电路1241、低通滤波电路1242和第二电流整形电路1243，所述高通滤波电路1241与电流差分放大电路1231连接，低通滤波电路1242分别与高通滤波电路1241、第二电流整形电路1243连接，所述高通滤波电路1241用于过滤放大处理后的电流正弦波信号中的低频干扰信号，所述低通滤波电路1242则用于过滤电流正弦波信号中的高频干扰信号，只有中频的电流正弦波信号可以通过两次带通滤波后进入到第二电流整形电路1243中，所述第二电流整形电路1243则用于将电流正弦波信号整形为3.3V的电流方波信号后输出至处理器11。可以理解，所述第二电流整形电路1243输出的电流方波信号为完整的方波信号。在本发明的优选实施例中，所述高通滤波电路1241允许通过的临界信号频率为700kHz，即只允许超过700kHz的信号通过，而所述低通滤波电路1242允许通过的临界信号频率为900kHz，即只允许小于900kHz的信号通过，而电流正弦波信号为800kHz左右。
具体地，所述高通滤波电路1241包括电容C29、电阻R77、电容C30、电阻R64、运算放大器U2A、电阻R79、电阻R68，所述电容C29的第一端与电流差分放大电路1231的输出端连接，即与差分放大器U1D的输出端连接，电容C29的第二端分别与电容C30的第一端、电阻R77的第一端连接，电容C30的第二端分别与电阻R79的第一端、运算放大器U2A的正相输入端连接，电阻R79的第二端、电阻R64的第一端接地，运算放大器U2A的反相输入端分别与电阻R64的第二端、电阻R68的第一端连接，运算放大器U2A的输出端分别与电阻R68的第二端、电阻R77的第二端、低通滤波电路1242连接。
所述低通滤波电路1242包括电阻R71、电容C33、电阻R72、电容C31、运算放大器U2B、电阻R63、电阻R65，电阻R71的第一端与高通滤波电路1241的输出端连接，即与运算放大器U2A的输出端连接，电阻R71的第二端分别与电容C33的第一端、电阻R72的第一端连接，电阻R72的第二端分别与电容C31的第一端、运算放大器U2B的正相输入端连接，运算放大器U2B的反相输入端分别与电阻R63的第二端、电阻R65的第一端连接，电阻R63的第一端、电容C31的第二端接地，运算放大器U2B的输出端分别与电容C33的第二端、电阻R65的第二端、第二电流整形电路1243连接。
所述第二电流整形电路1243包括电阻R69、电容C32、与非门U3C、电阻R66，电阻R69的第一端与低通滤波电路1242的输出端连接，即与运算放大器U2B的输出端连接，电阻R69的第二端分别与电容C32的第一端、与非门U3C的输入端连接，电容C32的第二端接地，与非门U3C的输出端分别与电阻R66的第二端、处理器11连接，电阻R66的第一端与电源转换电路10连接以接入3.3V电源电压。通过与非门U3C将经过二级带通滤波处理后的电流正弦波信号整形为3.3V的完整电流方波信号，以便于处理器11进行识别处理。另外，处理器11的电路引脚图如图10所示，共有48位引脚。
可以理解，作为优选的，如图1和图11所示，所述单相故障电弧探测器还包括与所述处理器11连接并用于发出声音报警提醒的声音报警电路16，当所述处理器11判断出用电线路中存在单相故障电弧时，控制所述声音报警电路16发出报警提醒。具体地，所述声音报警电路16包括蜂鸣器BE1、二极管D2、电容C28、电阻R73、电阻R76、三极管Q5，所述电阻R73的第一端与处理器11连接以接入控制信号，电阻R73的第二端分别与电阻R76的第一端、三极管Q5的基极连接，电阻R76的第二端、三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的集电极分别与蜂鸣器BE1、二极管D2的正极端、电容C28的第二端连接，蜂鸣器BE1、二极管D2的负极端、电容C28的第一端均与电源转换电路10连接以接入+12V的电源电压。整体电路结构较为简单，而且使用的都是市场上较为常见的电子元器件，制造成本较低。
可以理解，作为优选的，如图1和图12所示，所述单相故障电弧探测器还包括与所述处理器11连接的晶振调试接口电路14。具体地，所述晶振调试接口电路14包括接口PZ1、电阻R2、电容C6、电容C11和晶振Y1，接口PZ1、电阻R2的第一端、电容C6的第一端、晶振Y1的两端、电容C11的第二端均与处理器11连接，电阻R2的第二端、电容C6的第二端、电容C11的第一端均接地。通过PZ1与外部晶振调试设备连接，可以对晶振Y1的工作参数进行调试。
可以理解，作为优选的，如图1和图13所示，所述单相故障电弧探测器还包括与所述处理器11连接的通讯联网电路15。具体地，所述通讯联网电路15包括分别与处理器11连接的Wifi接口模块和RS485通讯电路，所述Wifi接口模块用于进行Wifi信号的通信，所述RS485通讯电路用于进行485信号的通信。所述RS485通信电路包括电阻R61、电阻R54、电阻R62、RS485通讯模块U4，电阻R61、电阻R54、电阻R62的第一端均与电源转换电路10连接以接入5V的电源电压，电阻R61的第二端、电阻R54的第二端、电阻R62的第二端、RS485通讯模块U4的输出端均与处理器11连接，RS485通讯模块U4的输入端通过接口与外部通信设备连接。
可以理解，作为优选的，如图1和图14所示，所述单相故障电弧探测器还包括与所述处理器11连接的按键指示电路17，具体地，所述按键指示电路17包括电阻R67、电阻R70、电阻R74、电阻R75、电阻R78、按键开关S1、按键开关S2、发光二极管D3、发光二极管D4、发光二极管D5，所述电阻R67的第一端、电阻R70的第一端均与电源转换电路10连接以接入3.3V电源电压，电阻R67的第二端分别与处理器11、按键开关S1的第一端连接，电阻R70的第二端分别与处理器11、按键开关S2的第一端连接，电阻R74的第一端、电阻R75的第一端、电阻R78的第一端均与处理器11连接，电阻R74的第二端与发光二极管D3的第一端连接，电阻R75的第二端与发光二极管D4的第一端连接，电阻R78的第二端与发光二极管D5的第一端连接，发光二极管D3的第二端、发光二极管D4的第二端、发光二极管D5的第二端、按键开关S1的第二端、按键开关S2的第二端均接地。
可以理解，作为优选的，如图1和图15所示，所述单相故障电弧探测器还包括与所述处理器11连接的报警脱扣电路18，用于在所述处理器11的控制下控制用电线路中的安全开关断开，以起到安全防护作用。具体地，所述报警脱扣电路18包括电阻R57、电阻R51、电阻R52、三极管Q4、二极管D1、继电器K1，电阻R57的第一端与处理器11连接，电阻R57的第二端与电源转换电路10连接以接入3.3V的电源电压，电阻R51的第二端与处理器11连接，电阻R51的第一端、电阻R52的第一端均与三极管Q4的基极连接，电阻R52的第二端、三极管Q4的发射极均接地，三极管Q4的集电极分别与二极管D1的正极端、继电器K1连接，继电器K1、二极管D1的负极端均与电源转换电路10连接以接入+5V的电源电压，继电器K1的常闭触点与用电线路中的安全开关连接。所述处理器11发出控制信号控制三极管Q4导通，从而控制继电器K1通电，继电器K1动作，从而控制安全开关断开。
可以理解，作为优选的，如图1和图16所示，所述单相故障电弧探测器还包括与所述通讯联网电路15连接的通讯接口电路19，所述通讯接口电路19包括电阻R10、电阻R15、电阻R11，电阻R10的第一端接地，电阻R10的第二端、电阻R11的第一端与通讯联网电路15连接，电阻R11的第二端、电阻R15的第一端均与通讯联网电路15连接，电阻R15的第二端与电源转换电路10连接以接入5V的电源电压。
如图17所示，所述电流信号输入电路13包括电阻R25、电阻R26、电阻R27、滤波电感T2，电阻R25的两端、电阻R26的两端、电阻R27的两端、滤波电感T2的两个输入端均分别与互感器的两端连接，滤波电感T2的两个输出端均与故障电弧信号处理电路12连接，具体分别与电流差分放大电路1231中的电阻R30的第一端、电阻R41的第一端连接。通过设置滤波电感T2可以起到共模滤波作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单相故障电弧探测器，用于对单相故障电弧进行检测，其特征在于，包括：
电源转换电路(10)，与市电的火线和零线连接，用于提供多种电源电压和电压采样信号；
电流信号输入电路(13)，与电流互感器连接，用于提供电流采样信号；
故障电弧信号处理电路(12)，分别与所述电源转换电路(10)和电流信号输入电路(13)连接，用于对所述电压采样信号和所述电流采样信号进行处理后输出电压方波信号、电压正弦波信号、电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号；
处理器(11)，分别与所述电源转换电路(10)和故障电弧信号处理电路(12)连接，用于基于所述故障电弧信号处理电路(12)输出的多个电流信号和电压信号并结合预设的运算规则判断是否存在单相故障电弧。
2.如权利要求1所述的单相故障电弧探测器，其特征在于，所述故障电弧信号处理电路(12)包括电压信号处理电路(121)和电流信号处理电路(122)，所述电压信号处理电路(121)分别与所述电源转换电路(10)和处理器(11)连接，用于将所述电压采样信号分别转换为电压正弦波信号和电压方波信号后输出至所述处理器(11)，所述电流信号处理电路(122)分别与电流信号输入电路(13)和处理器(11)连接，用于将所述电流采样信号分别转换为电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号和电流高频脉冲信号后输出至所述处理器(11)。
3.如权利要求2所述的单相故障电弧探测器，其特征在于，所述电流信号处理电路(122)包括平肩脉冲信号提取电路(123)和高频脉冲信号提取电路(124)，所述平肩脉冲信号提取电路(123)分别与所述电流信号输入电路(13)、处理器(11)连接，用于将所述电流采样信号分别转换为电流正弦波信号、电流方波信号、电流平肩脉冲信号后输出至处理器(11)，所述高频脉冲信号提取电路(124)分别与所述平肩脉冲信号提取电路(123)、处理器(11)连接，用于将所述电流正弦波信号转换为电流高频脉冲信号后输出至处理器(11)。
4.如权利要求3所述的单相故障电弧探测器，其特征在于，所述平肩脉冲信号提取电路(123)包括电流差分放大电路(1231)、自动增益放大电路(1232)、电流正向方波发生电路(1233)、电流负向方波发生电路(1234)、平肩脉冲发生电路(1235)和第一电流整形电路(1236)，所述电流差分放大电路(1231)分别与所述电流信号输入电路(13)、处理器(11)、自动增益放大电路(1232)连接，用于对所述电流采样信号进行一次放大处理，将处理后的电流正弦波信号分别输出至处理器(11)和自动增益放大电路(1232)，所述自动增益放大电路(1232)分别与处理器(11)、电流正向方波发生电路(1233)、电流负向方波发生电路(1234)连接，用于在所述处理器(11)的控制下对经过一次放大处理后的电流正弦波信号进行二次放大处理后输出，所述电流正向方波发生电路(1233)用于将经过二次放大处理后的电流正弦波信号转换为5.5V的电流正向方波信号，所述电流负向方波发生电路(1234)用于将经过二次放大处理后的电流正弦波信号转换为电流负向方波信号，所述平肩脉冲发生电路(1235)分别与所述电流正向方波发生电路(1233)、电流负向方波发生电路(1234)、处理器(11)连接，用于将所述电流正向方波信号和电流负向方波信号进行叠加并提取出电流平肩脉冲信号后输出至处理器(11)，所述第一电流整形电路(1236)与所述电流正向方波发生电路(1233)连接，用于将所述电流正向方波发生电路(1233)输出的5.5V电流正向方波信号转换为3.3V电流正向方波信号后输出至处理器(11)。
5.如权利要求4所述的单相故障电弧探测器，其特征在于，所述电流正向方波发生电路(1233)包括电容C25、电阻R48、电阻R59、正向方波发生器U2B、电阻R55、电阻R56，所述电容C25的第一端、正向方波发生器U2B的正相输入端均与所述自动增益放大电路(1232)连接，电阻R48的第二端与所述电源转换电路(10)连接，电阻R48的第一端分别与电阻R59的第一端、正向方波发生器U2B的反相输入端连接，正向方波发生器U2B的输出端分别与电阻R55的第一端、电阻R56的第一端、第一电流整形电路(1236)连接，电阻R59的第二端、电容C25的第二端、电阻R55的第二端均接地，电阻R56的第二端与所述平肩脉冲发生电路(1235)连接。
6.如权利要求4所述的单相故障电弧探测器，其特征在于，所述电流负向方波发生电路(1234)包括电阻R49、电阻R60、负向方波发生器U2C、电容C23、电容C27、电阻R58，所述负向方波发生器U2C的反相输入端与所述自动增益放大电路(1232)连接，正相输入端分别与电阻R49的第一端、电阻R60的第一端连接，电阻R49的第二端、电容C23的第一端、负向方波发生器U2C的4号引脚均与所述电源转换电路(10)连接，负向方波发生器U2C的11号引脚和电容C27的第一端与所述电源转换电路(10)连接，负向方波发生器U2C的输出端分别与电阻R58的第一端、第一电流整形电路(1236)连接，电阻R58的第二端、电容C23的第二端、电容C27的第二端、电阻R60的第二端均接地。
7.如权利要求4所述的单相故障电弧探测器，其特征在于，所述平肩脉冲发生电路(1235)包括电阻R53、电容C24、与非门U3D、电容C26、电阻R50，所述电阻R53的第一端与所述电流负向方波发生电路(1234)的输出端连接，电阻R53的第二端分别与电容C24的第一端、与非门U3D的第一输入端连接，与非门U3D的第二输入端分别与所述电流正向方波发生电路(1233)的输出端、电容C26的第一端连接，与非门U3D的输出端分别与处理器(11)、电阻R50的第二端连接，电阻R50的第一端与所述电源转换电路(10)连接，电容C24的第二端、电容C26的第二端均接地。
8.如权利要求2所述的单相故障电弧探测器，其特征在于，所述电压信号处理电路(121)包括电压差分放大电路(1211)和电压整形电路(1212)，所述电压差分放大电路(1211)分别与电源转换电路(10)、电压整形电路(1212)、处理器(11)连接，用于对所述电压采样信号进行一次放大处理，将处理后的电压正弦波信号分别输出至所述电压整形电路(1212)和处理器(11)，所述电压整形电路(1212)分别与所述电压差分放大电路(1211)、处理器(11)连接，用于对经过一次放大处理后的电压正弦波信号依次进行二次放大处理、整形处理，转换为电压方波信号后输出至所述处理器(11)。
9.如权利要求8所述的单相故障电弧探测器，其特征在于，所述电压差分放大电路(1211)包括电阻R14、电阻R16、电阻R13、电容C20、电阻R22、差分放大器U1D、电阻R19、电阻R20和电容C19，所述电阻R14和电阻R16的第一端与所述电源转换电路(10)连接以接入电压采样信号，电容C20的第一端与所述电源转换电路(10)连接以接入电源电压，电阻R14的第二端分别与电阻R13的第一端、差分放大器U1D的反相输入端连接，电容C20的第二端与电阻R22的第一端连接，电阻R16的第二端分别与电阻R22的第二端、差分放大器U1D的正相输入端连接，差分放大器U1D的输出端分别与电阻R13的第二端、电容C19的第一端、电压整形电路(1212)连接，电容C19的第二端分别与电阻R19的第二端、电阻R20的第一端、处理器(11)连接，电阻R19的第一端接地，电阻R20的第二端与所述电源转换电路(10)连接。
10.如权利要求8所述的单相故障电弧探测器，其特征在于，所述电压整形电路(1212)包括电阻R18、差分放大器U1C、电阻R17、电容C18、与非门U3A、电阻R12，所述电阻R18的第一端与所述电压差分放大电路(1211)的输出端连接，第二端与差分放大器U1C的正相输入端连接，差分放大器U1C的反相输入端接地，输出端与电阻R17的第一端连接，电阻R17的第二端分别与电容C18的第一端、与非门U3A的输入端连接，电容C18的第二端接地，与非门U3A的输出端分别与电阻R12的第一端、处理器(11)连接，电阻R12的第二端与所述电源转换电路(10)连接。
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