CN205229344U - 串联电弧故障检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种串联电弧故障检测电路，本实用新型通过引入过零检测电路，在被检测线路的交流电压过零点附近来进行火线电流的检测信号(或进一步处理后的信号)的模数转换，并基于模数转换获得的数字信号检测是否存在电弧特征。由此，仅需要对整个周期内的一部分时间段的电流信号进行检测和模数转换，降低了对于电流检测电路以及模数转换电路的要求，同时可以保证对于小功率负载或者纯阻性负载的电弧故障检测的准确性。

Description

串联电弧故障检测电路

技术领域

本实用新型涉及电气检测领域，具体涉及一种串联电弧故障检测电路。

背景技术

电弧是指电通过绝缘介质产生的发光放电现象。电弧的特点是温度很高，电流很小，持续时间短，一旦出现击穿点则会频繁出现。电弧放电时，会产生大量的热，能引燃周围的易燃易爆品，造成火灾甚至爆炸。由于交流电广泛应用于各类电气设备，因此，交流电弧对于电器安全具有较大威胁。

在电器中，需要通过电弧故障检测来防止电器电源线接触不良、线路老化打火等电源故障，避免因发生线路打火引起的电气火灾。

串联电弧故障是指在同一电线上发生的电弧放电故障，其可以通过监控电源电流来进行检测。现有的串联故障电弧检测技术通常都是对电源线路的电流进行检测来实现。在发生电弧故障时，电源电流中会产生大量的高频信号，通过对高频信号幅值及数量的分析，从而确定是否产生故障电弧。

但是，现有的串联电弧故障检测电路和方法对电路要求较高，并且准确性较差。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种串联电弧故障检测电路，以减少串联电弧故障检测中的电路负荷，并增加对于小功率负载或者纯阻性负载产生的电弧故障进行检测的准确性。

所述串联电弧故障检测电路包括：

电流检测电路，设置于被检测线路的火线上，用于检测火线电流；

信号放大电路，用于对所述火电电流的检测信号进行放大,输出模拟检测信号；

过零检测电路，与被检测线路上的零线和火线连接，用于检测被检测线路的电压过零点；

信号处理电路，与所述信号放大电路和所述过零检测电路连接，用于在电压过零后对所述模拟检测信号进行模数转换，并检测采样获得的数字信号是否具有电弧特征。

优选地，所述电流检测电路包括电流互感器。

优选地，所述电流检测电路包括：

电流互感器，设置于所述被检测线路的火线上；

转换电阻，连接在所述电流互感器的二次侧；

电压抬升电路，与电流检测电路的输出端连接，用于将输出电压抬升预定值。

优选地，所述过零检测电路包括：

第一电阻网络，与所述零线连接；

第二电阻网络，与所述火线连接；

第一电容，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，输入侧与所述第一电容并联，输出侧连接在上拉电压端和控制输出端之间，用于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；

开关电路，连接在所述上拉电压端和接地端之间，控制端与所述控制输出端连接，在过零检测光耦开关导通和关断时输出不同的电平。

优选地，所述开关电路包括：

开关器件，具有第一端、第二端和控制端，其中所述第二端与接地端连接；

放电电阻和放电电容，并联连接在所述控制端和接地端之间；

上拉电阻，连接在所述开关器件的第一端和上拉电压端之间；

传递电阻，连接在开关电路的控制端和所述开关器件的控制端之间；

滤波电容，连接在所述开关器件的第一端和接地端之间。

优选地，所述信号处理电路在检测所述数字信号具有电弧特征时，输出提示信号。

优选地，所述信号处理电路用于在电压过零点后按照预定的频率对预定时长的所述模拟检测信号进行模数转换，并检测所述数字信号是否具有电弧特征。

通过引入过零检测电路，在被检测线路的交流电压过零点附近来进行火线电流的检测信号(或进一步处理后的信号)的模数转换，并基于模数转换获得的数字信号检测是否存在电弧特征。由此，仅需要对整个周期内的一部分时间段的电流信号进行检测和模数转换，降低了对于电流检测电路以及模数转换电路的要求，同时可以保证对于小功率负载或者纯阻性负载的电弧故障检测的准确性。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本实用新型实施例的串联电弧故障检测电路的示意图；

图2是本实用新型实施例的一个优选实施方式中的电流检测电路和信号放大电路的电路图；

图3是本实用新型实施例的一个优选实施方式中的过零检测电路的电路图。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

根据出现电弧的线路的电压电流检测可知，在发生串联电弧故障时，交流电弧电压十分特别，在半周期开始的时候，在电压过零点附近，电流也处于过零点附近，在电流过零前会出现电流迅速下降，其下降速度大于正弦波，而且在电压过零点附近电流会保持在一个较小的数值不变。因此，通过检测在电压过零点附近被检测线路的交流电流是否出现预定的特性可以检测到是否出现串联电弧故障。

图1是本实用新型实施例的串联电弧故障检测电路的示意图。

如图1所示，本实施例的串联电弧故障检测电路包括电流检测电路1、信号放大电路2、过零检测电路3和信号处理电路4。

其中，电流检测电路1设置于被检测线路的火线上，用于检测火线电流。

优选地，电流检测电路1通过电流互感器来感应火线上的电流，从而形成火线电流的检测信号输出。

图2是本实用新型实施例的一个优选实施方式中的电流检测电路和信号放大电路的电路。如图2所示，电流检测电路1包括电流互感器11、转换电阻R1和电压抬升电路12。

其中，电流互感器11设置于所述被检测线路的火线上。转换电阻R1连接在所述电流互感器11的二次侧，将其输出的电流检测信号转换为电压信号。电压抬升电路与电流检测电路的第一输出端o1连接，用于将输出电压抬升预定值。

具体地，如图2所示电压抬升电路包括电阻R8、电阻R9、电容C4、电容C5组成的阻抗网络，所述阻抗网络连接在上拉电压端S(在本实施例中，上拉电压为3.3V)和接地端之间。在所述阻抗网络中，电阻R8连接在上拉电压端S和阻抗网络的输出端之间，电容C4连接在上拉电压端S和接地端之间，电阻R9和电容C5并联连接在阻抗网络的输出端和接地端之间。

电压抬升电路12还包括运算放大器U1，其同相输入端与所述阻抗网络的输出端连接，其反相输入端与输出端连接，其电源端连接电源电压P(在本实施例中为5V)。在电源端和接地端之间可以设置电容C6以提供保护。运算放大器U1的输出端与所述转换电阻R1的一端连接，通过向电阻R4注入电流从而抬升输出端o的电压。

电压抬升电路还包括设置于转换电阻R1的一端和电流检测电路1的第一输出端o1之间的抬升电阻R4。通过抬升电阻R4可以将抬升电路生成的抬升电压附加在转换电阻R1生成的电压检测信号，由此，可以将所述转换电阻R1的输出电压抬高3.3*(R9/(R8+R9))V，可以使得电流检测电路的输出电压幅值与后级电路相适配。

优选地，电流检测电路1还可以包括设置于转换电阻R1的一端与接地端之间的电容C1、连接在转换电阻R1的另一端和电流检测电路1的第二输出端o2之间的电阻R2、连接在转换电阻R1的一端以及电流检测电路1的第二输出端之间的电容C2。

电流检测电路还可以在转换电阻R1的一端以及第二输出端o2之间设置双向二极管D1和电阻R3的串联电路，以提供保护。

信号放大电路2用于对所述检测到的表征火电电流的检测信号(为电压信号)进行放大输出模拟检测信号。

如图2所示，信号放大电路2包括运算放大器U2以及电阻R5。运算放大器U2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。电阻R5连接在运算放大器U2的反相输入端和输出端之间。利用电流检测电路1中的抬升电阻R4，信号放大电路2可以将输入的电压放大R5/R4倍。

优选地，如图2所示，信号放大电路2还可以在运算放大器U2的输出端设置由电阻R6、电阻R7和电容C3组成的阻抗网络对输出的信号进行整理以获得更佳的模拟检测信号Vd。

所述模拟检测信号Vd可以表征火线电流的变化。模拟检测信号Vd被输入到信号处理电路4。

过零检测电路3与被检测线路上的零线N和火线L连接，用于检测被检测线路的电压过零点。过零检测电路3与信号处理电路4连接，将用于表征被检测线路的电压过零点的过零信号Z输入到信号处理电路4。

图3是本实用新型实施例的一个优选实施方式中的过零检测电路的电路图。

如图3所示，过零检测电路3包括由电阻R10、电阻R11、电阻R12和电阻R13构成的第一电阻网络，由电阻R13、电阻R15、电阻R16和电阻R17构成的第二电阻网络、保护电容C8、过零检测光耦开关U3和开关电路31。

其中，第一电阻网络与所述零线N连接；第二电阻网络与所述火线L连接。保护电容C8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U3具有输入侧和输出侧，输入侧和输出侧之间通过光耦控制。其中，输入侧与所述电容并联，为一以阳极和阴极相反的方式并联的二极管对，其在输入电压过零时输出的光会发生变化。同时，输出侧为光控开关，其两端连接在上拉电压端S和控制输出端cr之间。所述过零检测光耦开关U3用于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U3进行过零检测可以隔离被检测线路的谐波对于信号处理电路的影响。

开关电路31连接在所述上拉电压端S和接地端之间，控制端与控制输出端连接，在过零检测光耦开关导通和关断时输出不同的电平。

具体地，开关电路31包括开关器件Q1(例如三极管)、放电电阻R18和放电电容C9、上拉电阻R20、传递电阻R19以及滤波电容C10。

开关器件Q1具有第一端(集电极)、第二端(发射极)和控制端(基极)，其中所述第二端与接地端连接。放电电阻R18和放电电容C9并联连接在所述控制输出端cr和接地端之间。上拉电阻R19连接在所述开关器件Q1的第一端和上拉电压端之间。传递电阻R19连接在开关电路的控制端和所述开关器件的控制端之间。滤波电容C10连接在所述开关器件的第一端和接地端之间。

由此，在被检测线路的电压远离过零点时，过零检测光耦开关U3处于导通状态，此时，开关器件控制端的电压被上拉为较高电平，开关器件导通，由此，在开关电路31的输出端输出低电平。而在被检测线路的电压在电压过零点附近时，过零检测光耦开关截止，此时，开关器件Q1控制端的电荷通过传递电阻R19、放电电阻R18流向接地端，由此使得开关器件Q1关断，由此，在开关电路31的输出端输出高电平。由此，开关电路31会在每个过零点附近输出高电平的脉冲。

信号处理电路4与所述信号放大电路2和所述过零检测电路3连接，用于在电压过零后对所述模拟检测信号进行模数转换，并检测采样获得的数字信号是否具有电弧特征。

优选地，信号处理电路4可以采用集成有模数转换器的微处理器。也可以采用独立的模数转换器与具有数据处理能力的数据处理电路构成的电路。

具体地，信号处理电路4用于在电压过零点后按照预定的频率对预定时长的所述模拟检测信号进行模数转换，并检测所述数字信号是否具有电弧特征。也即，信号处理电路4在检测到电压过零信号切换为高电平后，开始对表征火线电流的模拟检测信号进行模数转换，获得持续具有预定长度的数字信号(对应于预定时长)。如上所述，由于出现串联电弧故障的电器线路的火线电流会在电压过零点附近出现较为明显的电弧故障特征(例如保持为较低值)，由此，仅对在电压过零点附近的信号进行检测既可以检测到是否出现串联电弧故障。由此，不需要在整个交变周期内都进行模数转换。这可以降低对于模数转换器的性能要求，降低成本。同时，对于电流检测电路的要求也相应有所降低。

优选地，所述信号处理电路4在采样获得的采样信号检测到具有电弧特征时，输出提示信号。由此，可以基于提示信号进而控制提示设备对用户进行提示，或控制对应的灭弧装置进行灭弧。

本实施例通过引入过零检测电路，在被检测线路的交流电压过零点附近来进行火线电流的检测信号(或进一步处理后的信号)的模数转换，并基于模数转换获得的数字信号检测是否存在电弧特征。由此，仅需要对整个周期内的一部分时间段的电流信号进行检测和模数转换，降低了对于电流检测电路以及模数转换电路的要求，同时可以保证对于小功率负载或者纯阻性负载的电弧故障检测的准确性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种串联电弧故障检测电路，包括：

电流检测电路，设置于被检测线路的火线上，用于检测火线电流；

信号放大电路，用于对所述火电电流的检测信号进行放大,输出模拟检测信号；

过零检测电路，与被检测线路上的零线和火线连接，用于检测被检测线路的电压过零点；

信号处理电路，与所述信号放大电路和所述过零检测电路连接，用于在电压过零后对所述模拟检测信号进行模数转换，并检测采样获得的数字信号是否具有电弧特征。

2.根据权利要求1所述的串联电弧故障检测电路，其特征在于，所述电流检测电路包括电流互感器。

3.根据权利要求2所述的串联电弧故障检测电路，其特征在于，所述电流检测电路包括：

电流互感器，设置于所述被检测线路的火线上；

转换电阻，连接在所述电流互感器的二次侧；

电压抬升电路，与电流检测电路的输出端连接，用于将输出电压抬升预定值。

4.根据权利要求1所述的串联电弧故障检测电路，其特征在于，所述过零检测电路包括：

第一电阻网络，与所述零线连接；

第二电阻网络，与所述火线连接；

第一电容，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，输入侧与所述第一电容并联，输出侧连接在上拉电压端和控制输出端之间，用于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；

开关电路，连接在所述上拉电压端和接地端之间，控制端与所述控制输出端连接，在过零检测光耦开关导通和关断时输出不同的电平。

5.根据权利要求4所述的串联电弧故障检测电路，其特征在于，所述开关电路包括：

开关器件，具有第一端、第二端和控制端，其中所述第二端与接地端连接；

放电电阻和放电电容，并联连接在所述控制端和接地端之间；

上拉电阻，连接在所述开关器件的第一端和上拉电压端之间；

传递电阻，连接在开关电路的控制端和所述开关器件的控制端之间；

滤波电容，连接在所述开关器件的第一端和接地端之间。

6.根据权利要求1所述的串联电弧故障检测电路，其特征在于，所述信号处理电路在检测所述数字信号具有电弧特征时，输出提示信号。

7.根据权利要求1所述的串联电弧故障检测电路，其特征在于，所述信号处理电路用于在电压过零点后按照预定的频率对预定时长的所述模拟检测信号进行模数转换，并检测所述数字信号是否具有电弧特征。