CN207215960U - 故障电弧探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种故障电弧探测器，包括处理器、信号采集器、通讯电路、供电电源、电流波形信号采样电路、剩余电流采样电路、电压过零检测电路、无源信号输出电路和接口显示电路；信号采集器的输出端和所述剩余电流采样电路的输出端均连接到所述处理器的输入端；所述处理器的输出端分别与所述通讯电路、所述无源信号输出电路和所述接口显示电路连接。优点为：同时集成电流波形信号采样电路、剩余电流采样电路和电压过零检测电路三种采样电路，能够全面探测电气电路中的状态，从而更为准确的确定线路中是否存在故障电弧，提高了故障电弧检测的准确度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种探测器，具体涉及一种故障电弧探测器。
背景技术
故障电弧是由于用电回路电线的电气绝缘老化、破损，空气潮湿引起的空气击穿或者电气连接松动等原因造成的。电弧能量大，危害大，严重威胁了设备和人员的安全。
故障电弧探测器是用于探测是否发生异常电弧的设备。现有的故障电弧探测器，主要是通过探测电气电路中的电流，从而确定线路中是否存在故障电弧。具有以下不足：由于探测的参数少，降低了故障电弧检测的准确度。
实用新型内容
针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种故障电弧探测器，可有效解决上述问题。
本实用新型采用的技术方案如下：
本实用新型提供一种故障电弧探测器，包括处理器、信号采集器、通讯电路、供电电源、电流波形信号采样电路、剩余电流采样电路、电压过零检测电路、无源信号输出电路和接口显示电路；
所述电流波形信号采样电路和所述电压过零检测电路的输出端均连接到所述信号采集器的输入端；所述供电电源包括AC/DC转换电路和稳压电路；所述AC/DC转换电路的一端取自被探测的供电线路，所述AC/DC转换电路的另一端通过所述稳压电路，连接到所述信号采集器的输入端；
所述信号采集器的输出端和所述剩余电流采样电路的输出端均连接到所述处理器的输入端；所述处理器的输出端分别与所述通讯电路、所述无源信号输出电路和所述接口显示电路连接。
优选的，所述电流波形信号采样电路包括：电流互感器、第1运放电路、第2运放电路、第1RC滤波电路和RC滤波并限伏电路；
所述电流互感器具有两个引线，分别为第1引线和第2引线；第1引线和第2引线之间并联第6信号采样电阻；所述第1引线依次串联第1限伏电路和第5电容后，连接到所述第1运放电路的正向输入端；所述第2引线依次经过第9电阻、第8电容和第10电阻后，连接到所述第2运放电路的正向输入端；所述第1运放电路和所述第2运放电路的输出端相接后，依次经过第1RC滤波电路和RC滤波并限伏电路后，连接到信号采集器的电流波形信号采样引脚；所述电流互感器的输出端通过第1电容后，连接到信号采集器的电流值采样引脚。
优选的，所述剩余电流采样电路包括剩余电流互感器、第21采样电阻、第2RC滤波电路和第2限伏电路；所述剩余电流互感器的输出端依次经过所述第21采样电阻、所述第2RC滤波电路和所述第2限伏电路后，连接到所述处理器的输入端。
优选的，所述电压过零检测电路包括：交流电压的火线和零线之间并联压敏电阻和第6电容后，火线和零线分别接到整流桥的交流输入端，通过整流桥，将交流电压转换为直流电压；整流桥的直流输出正极经过第7分压电阻后，连接到光耦隔离芯片的第1输入端；整流桥的直流输出负极经过第8分压电阻后，连接到光耦隔离芯片的第2输入端；光耦隔离芯片的集电极输出端接上拉电阻后，连接到信号采集器的输入端；光耦隔离芯片的发射极输出端接地。
本实用新型提供的故障电弧探测器具有以下优点：
同时集成电流波形信号采样电路、剩余电流采样电路和电压过零检测电路三种采样电路，能够全面探测电气电路中的状态，从而更为准确的确定线路中是否存在故障电弧，提高了故障电弧检测的准确度。
附图说明
图1为本实用新型提供的故障电弧探测器的整体原理示意图。
图2为本实用新型提供的处理器的电路图；
图3为本实用新型提供的信号采集器的电路图；
图4为本实用新型提供的电流波形信号采样电路的电路图；
图5为本实用新型提供的剩余电流采样电路的电路图；
图6为本实用新型提供的电压过零检测电路和AD/DC电源电路的电路图；
图7为本实用新型提供的稳压电源电路图；
图8为本实用新型提供的接口显示电路的电路图；
图9为本实用新型提供的无源信号输出电路的电路图；
图10为本实用新型提供的CANBUS通讯电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型提供一种故障电弧探测器，参考图1，包括处理器、信号采集器、通讯电路、供电电源、电流波形信号采样电路、剩余电流采样电路、电压过零检测电路、无源信号输出电路和接口显示电路；
电流波形信号采样电路和电压过零检测电路的输出端均连接到信号采集器的输入端；供电电源包括AC/DC转换电路和稳压电路；AC/DC转换电路的一端取自被探测的供电线路，AC/DC转换电路的另一端通过稳压电路，连接到信号采集器的输入端；
信号采集器的输出端和剩余电流采样电路的输出端均连接到处理器的输入端；处理器的输出端分别与通讯电路、无源信号输出电路和接口显示电路连接。
同时既有电流波形采样，又有剩余电流采样和电压过零检测。即：可判断出用电回路是否有虚接，碳化，短路，漏电等状况，并将信息通过通讯接口实时上传至监控设备，可更为安全可靠的进行用电回路监控。
下面对各部分详细介绍：
(1)处理器单片机MCU1
处理器采用单片机MCU，参考图2，本实用新型采用意法公司出品的芯片STM32F103C6T6作为故障电弧探测器的剩余电流检测、电弧故障信号的中断输入、接口显示和CAN通讯接口控制芯片，该芯片的特点是功耗小，运算速度快，成本低，十分适合作为故障电弧探测器的控制器。
当处理器接收到信号采集器传来的异常信号时，处理器发出声光报警的控制信号，无源信号输出点改变状态，直至检测到复位信号，将状态复位。通过CAN通讯电路与上位机联网通讯。
(2)信号采集器
参考图3，信号采集器采用恩智浦公司出品的芯片P89LPC915G作为交流电流波形检测和交流电压过零检测的输入，和故障电弧信号的中断输出到处理器。P89LPC915单片机是14管脚的带8位A/D转换的飞利浦公司生产的低成本单片机，采用高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，完全满足对故障电弧的周期判断。有故障产生时，信号采集器产生一个中断信号(INT0)传递给处理器，并一直保持，直至检测到复位信号后，将状态复位。
(3)电流波形信号采样电路
电流波形信号采样电路，参考图4和图1，包括：电流互感器、第1运放电路、第2运放电路、第1RC滤波电路和RC滤波并限伏电路；
电流互感器具有两个引线，分别为第1引线和第2引线；第1引线和第2引线之间并联第6信号采样电阻；第1引线依次串联第1限伏电路和第5电容后，连接到第1运放电路的正向输入端；第2引线依次经过第9电阻、第8电容和第10电阻后，连接到第2运放电路的正向输入端；第1运放电路和第2运放电路的输出端相接后，依次经过第1RC滤波电路和RC滤波并限伏电路后，连接到信号采集器的电流波形信号采样引脚；电流互感器的输出端通过第1电容后，连接到信号采集器的电流值采样引脚。
具体的，交流电源线L穿过电流互感器TP1，电流互感器的两端和第6信号采样电阻R6并联，将回路中电流信号转变成电压信号，方便运算放大。第1电容C1一端也与电流互感器连接，另一端连接到信号采集器的ADC采样输入端连接，用于使信号采集器直接采集回路电流的大小，作为故障电弧的判断一个依据。
运算放大器U2有两个单独的运放电路，分别对电流互感器的两端产生的信号进行放大，其中，U2A，R11，R12，R4组成第1运放电路；U2B,R16，R17，R14组成第2运放电路。
运算放大器为TL3472CDR高速运算放大器。
对于第1运放电路，第1引线依次串联第1限伏电路和第5电容后，连接到第1运放电路的正向输入端。其中，利用电容通交阻直的原理，第5电容C5将第1运放电路的直流分量阻断，电流的交流波形通过；电阻R1和二极管D1、D2组成第1限伏电路，保护第1运放电路的输入端，防止电流波形信号过大烧毁第1运放电路。其中，第1运放电路采用单极供电运放电路，最终第1运放电路输出正向的电流信号。
对于第2运放电路，第2引线依次经过第9电阻、第8电容和第10电阻后，连接到第2运放电路的正向输入端；其中，第8电容C8将第2运放电路的直流分量阻断，电流的交流波形通过；第9电阻R9和第10电阻R10为第2运放电路的采样电阻，通过采样电阻第8电容，使第2运放电路输出滞后180度相位且翻转后的正向电流信号。
第1运放电路和第2运放电路的输出端相接后，依次经过第1RC滤波电路和RC滤波并限伏电路后，连接到信号采集器的电流波形信号采样引脚，含义为：R2和C7组成第1RC滤波电路。R3、C9和D3组成RC滤波并限伏电路。将第1运放电路和第2运放电路输出的电流波形信号进行叠加，并输出到信号采集器，从而使信号采集器采集到处理后非常容易判断是否异常的电流波形信号。也就是说，如果没有发生故障电弧时，信号采集器采集到的波形信号是有规律的；当发生故障电弧时，波形和脉冲信号会产生位移和变形，据此判断出已发生故障电弧。
(4)剩余电流采样电路
剩余电流采样电路，参考图5和图1，包括剩余电流互感器、第21采样电阻、第2RC滤波电路和第2限伏电路；剩余电流互感器的输出端依次经过第21采样电阻、第2RC滤波电路和第2限伏电路后，连接到处理器的输入端。
交流电源线火线和零线穿过剩余电流互感器TP2，剩余电流互感器的两个输出端与第21采样电阻R21并联，第21采样电阻R21其中一端接地。R19，C13，C12，R22组成第2RC滤波电路，对剩余电流信号滤波，加强抗干扰能力。二极管D4,D6组成第2限伏电路，限制输入信号在0V—3.3V之间。剩余电流信号TP2接入到处理器的输入端。处理器实时检测用电回路的漏电状态，漏电电流值达到设定阈值时，产生报警信号，直至复位。
(5)电压过零检测电路和AD/DC电源电路
电压过零检测电路和AD/DC电源电路，参考图6。压敏电阻RY1和第6电容C6并联在交流电压火线和零线上面，作为EMC保护。AC/DC电源转换模块U1将交流电压AC220V转换为DC5V(VCC),电容C2和C4是DC5V电源滤波电容，从而得到电源。
整流桥VD1将交流电压转换为直流电压，整流桥的直流输出正极经过第7分压电阻R7后，连接到光耦隔离芯片U3的第1输入端；整流桥的直流输出负极经过第8分压电阻R8后，连接到光耦隔离芯片的第2输入端；光耦隔离芯片的集电极输出端接上拉电阻R5后，连接到信号采集器的输入端；光耦隔离芯片的发射极输出端接地。
因此，在交流电压的每个过零点，光耦隔离芯片U3的输出端产生对应的一个下降沿T0，产生一个脉冲波输入到信号采集器。当脉冲波形变得没有规律和消失时，可以判断用电回路发生了故障。
(6)稳压电源电路
稳压电源电路的结构参考图7，包括：用三端稳压芯片U6(TL431)、三极管Q2(S8050)、电阻R39、R40、R41、R42、二极管D11、电容C23—C24设计一个恒压源。DC4V作为运算放大器的电源，DC3.3V作为MCU的电源。
(7)接口显示电路
单片机还连接有接口显示电路，参考图8，故障电弧探测器有四个按键，三个指示灯，一个OLED128*64液晶显示屏，一个无源蜂鸣器，可以实时显示监控回路的泄露电流数值，运行状态，声光提示(声光报警)，设置地址等工作。方便管理。
(8)无源信号输出电路
无源信号输出电路的结构参考图9，采用微型继电器HF49FD/1H11的常开触点作为无源输出信号，三极管S8050(Q1)控制继电器线圈的通断，二极管1N4148(D7)吸收在继电器线圈断开时产生的反向电动势，以保护继电器的线圈。
(9)通讯电路
通讯电路为CANBUS通讯电路，参考图10，采用CAN收发芯片PCA82C250(U8)作为与电气火灾监控设备的通讯接口，用磁隔离通讯芯片ADUM1281ARZ(U7)和一个DC/DC隔离电源模块(U10)组成光电隔离电路，保证通讯稳定工作，避免现场不同模块之间的电位差烧毁电路。在通迅输出端H,L有静电保护芯片PESD1CAN(U9)和瞬态抑制二极管(VD2—VD4)做EMC保护。
本实用新型提供的故障电弧探测器具有以下优点：
(1)同时集成电流波形信号采样电路、剩余电流采样电路和电压过零检测电路三种采样电路，能够全面探测电气电路中的状态，从而更为准确的确定线路中是否存在故障电弧，提高了故障电弧检测的准确度。
(2)采用高速集成运算放大器电路采集信号，测量准确，精度高，对不同类型的故障电弧都可以分辨出来，同时具有剩余电流检测的功能。
(3)电流波形信号采样电路和电压过零检测电路采用信号采集器采集；而剩余电流检测采用处理器采集，探测器实际运行中抗干扰能力强，运行稳定。
(4)还具有结构简单、体积小、占用空间少、安装方便的优点。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种故障电弧探测器，其特征在于，包括处理器、信号采集器、通讯电路、供电电源、电流波形信号采样电路、剩余电流采样电路、电压过零检测电路、无源信号输出电路和接口显示电路；
所述电流波形信号采样电路和所述电压过零检测电路的输出端均连接到所述信号采集器的输入端；所述供电电源包括AC/DC转换电路和稳压电路；所述AC/DC转换电路的一端取自被探测的供电线路，所述AC/DC转换电路的另一端通过所述稳压电路，连接到所述信号采集器的输入端；
所述信号采集器的输出端和所述剩余电流采样电路的输出端均连接到所述处理器的输入端；所述处理器的输出端分别与所述通讯电路、所述无源信号输出电路和所述接口显示电路连接。
2.根据权利要求1所述的故障电弧探测器，其特征在于，所述电流波形信号采样电路包括：电流互感器、第1运放电路、第2运放电路、第1RC滤波电路和RC滤波并限伏电路；
所述电流互感器具有两个引线，分别为第1引线和第2引线；第1引线和第2引线之间并联第6信号采样电阻；所述第1引线依次串联第1限伏电路和第5电容后，连接到所述第1运放电路的正向输入端；所述第2引线依次经过第9电阻、第8电容和第10电阻后，连接到所述第2运放电路的正向输入端；所述第1运放电路和所述第2运放电路的输出端相接后，依次经过第1RC滤波电路和RC滤波并限伏电路后，连接到信号采集器的电流波形信号采样引脚；所述电流互感器的输出端通过第1电容后，连接到信号采集器的电流值采样引脚。
3.根据权利要求1所述的故障电弧探测器，其特征在于，所述剩余电流采样电路包括剩余电流互感器、第21采样电阻、第2RC滤波电路和第2限伏电路；所述剩余电流互感器的输出端依次经过所述第21采样电阻、所述第2RC滤波电路和所述第2限伏电路后，连接到所述处理器的输入端。
4.根据权利要求1所述的故障电弧探测器，其特征在于，所述电压过零检测电路包括：交流电压的火线和零线之间并联压敏电阻和第6电容后，火线和零线分别接到整流桥的交流输入端，通过整流桥，将交流电压转换为直流电压；整流桥的直流输出正极经过第7分压电阻后，连接到光耦隔离芯片的第1输入端；整流桥的直流输出负极经过第8分压电阻后，连接到光耦隔离芯片的第2输入端；光耦隔离芯片的集电极输出端接上拉电阻后，连接到信号采集器的输入端；光耦隔离芯片的发射极输出端接地。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN110286282A (zh) * | 2019-06-19 | 2019-09-27 | 河南辉煌科技股份有限公司 | 一种驼峰测长设备在线监测系统及方法 |
| CN112505469A (zh) * | 2020-08-17 | 2021-03-16 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种直流电弧故障处理装置、方法和电源系统 |
| CN113311361A (zh) * | 2021-06-05 | 2021-08-27 | 温州理工学院 | 一种多功能智慧用电监控终端 |
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