CN216285473U - 一种基于数字处理技术的电弧侦测电路及系统 - Google Patents

一种基于数字处理技术的电弧侦测电路及系统 Download PDF

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张华彬
李明高
杨伟
廖宏南
刘小龙
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Abstract

本实用新型提供了一种基于数字处理技术的电弧侦测电路及系统,包括电流取样电阻、频域分析支路、时域分析支路以及FPGA芯片,电流取样电阻串联接入被测电路,电流取样电阻的分别连接频域分析支路以及时域分析支路,频域分析支路包括依次连接的滤波器、第一信号调理电路以及第一ADC芯片,时域分析支路包括依次连接的第二信号调理电路以及第二ADC芯片,第一ADC芯片与第二ADC芯片分别连接FPGA芯片,滤波器与电流取样电阻连接;本实用新型通过电流采样电阻采集电流采样电阻两端的电压,电压信号分别经过频域分析支路以及时域分析支路进行分析,后将信号传输至FPGA芯片完成数据处理。

Description

一种基于数字处理技术的电弧侦测电路及系统
技术领域
本实用新型涉及电弧侦测技术领域,具体而言,涉及一种基于数字处理技术的电弧侦测模块及系统。
背景技术
电气电子技术的不断发展,让工业电气设备和家用电器的种类不断丰富,在为人们带来效益和方便的同时增大了用电量,也带来了诸多安全隐患,最常见的就是电气火灾,而电弧故障是引起电气火灾事故的重要诱因。电弧是电气设备由于用电线路绝缘设计存在缺陷或长期使用过程中,线路绝缘破损老化、电气接触不良、外力损坏绝缘等产生的气隙击穿现象。电弧产生时伴随着剧烈的电磁变化,同时产生温度高达2000℃以上的火花,可见足以将任何可燃物引燃。而且据测量,能够维持电弧稳定燃炽的电压比较低,仅有20V的电压即可使电弧连续稳定的燃炽。除了直接引发的火灾事故,电弧还会改变所在导体接触面,使局部线路的阻抗增大,造成热能积累,加剧线路绝缘恶化,为以后更多的电气安全事故埋下隐患。
电弧的产生原因很多,通常来说与线路绝缘被破坏有关。比如说,通电线路中,单根导线被外力破坏,如导体刺穿、线截面被部分破坏的情况,被部分截断的线端之间存在气隙且有电流通过,易引发电弧;一回线路之间的绝缘出现老化或破损,破损处金属导线之间近距离暴露且存在电势差,具备电弧产生的条件;此外线路转接头处,插座插头连接处等,当不稳定连接存在气隙、电流持续通过时,构成电弧形成的条件。电弧的强弱直接与电压等级、电流大小、放电环境(气隙介质和间距)、电极材料等因素有关。
现有的电弧检测技术通常应用于大电流直流电路测试;但在实际电路作业中,模块化的微电流线路同样需要对电弧进行侦测,因此提出一种基于数字处理技术的电弧侦测电路及系统,来实现对微电流电路中的电弧侦测。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于数字处理技术的电弧侦测电路及系统,其能够实现对微电流电路中的电弧进行侦测。
本实用新型的实施例通过以下技术方案实现:
一方面,提供一种基于数字处理技术的电弧侦测电路,包括电流取样电阻、频域分析支路、时域分析支路以及FPGA芯片,所述电流取样电阻串联接入被测电路,所述电流取样电阻分别连接频域分析支路的输入端以及时域分析支路的输入端,所述频域分析支路的输出端以及时域分析支路的输出端分别连接所述FPGA芯片,所述频域分析支路包括依次连接的滤波器、第一信号调理电路以及第一ADC芯片,所述时域分析支路包括依次连接的第二信号调理电路以及第二ADC芯片,所述第一ADC芯片与所述第二ADC 芯片分别连接所述FPGA芯片。
优选地,所述第一信号调理电路包括第一放大器以及第一NMOS管,所述第一放大器的输入端连接所述滤波器,所述第一放大器的输出端连接所述第一NMOS管的栅极,所述第一NMOS管的源极与所述第一ADC芯片连接,所述第一NMOS管的漏极与所述电流取样电阻的第一端连接。
优选地,所述第二信号调理电路与所述第一信号调理电路结构相同,包括第二放大器以及第二NMOS管,所述第二放大器的同向输入端连接所述电流取样电阻的第一端,所述第二放大器的反向输入端连接所述电流取样电阻的第二端,所述第二放大器的输出端连接所述第二NMOS管的栅极,所述第二NMOS管的漏极连接所述电流取样电阻的第一端,所述第二NMOS管的源极连接所述第二ADC芯片。
优选地,所述电流取样电阻的第一端串联有第一限流电阻,所述电流取样电阻的第二端串联有第二限流电阻。
优选的,所述电流取样电阻的第一端还串联有第一耦合电容,所述电流取样电阻的第二端还连接有第二耦合电容。
优选地,所述第一NMOS管的源极还连接有第三限流电阻以及第三耦合电容。
优选地,所述第二NMOS管的源极还连接有第四限流电阻以及第四耦合电容。
优选地,所述滤波器采用高通滤波器。
优选地,所述滤波器采用频率范围为10kHz-200KHz的带通滤波器。
另一方面,提供一种基于数字处理技术的电弧侦测系统,包括如上述的电弧侦测电路。
本实用新型实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果:
本实用新型采用电流取样电阻来采集被测电路的电流,能够应对微电路中的直流以及交流电路,实现对微电路进行电弧侦测;
本实用新型同时对时域和频域进行分析,时域支路提供畸变波形的标定,频域支路提供电弧检测和电弧等级的判定,相对于单一分析方法,对波形畸变的指向性更强,分析的准确性也更高;
本实用新型设计合理、结构简单,实用性强。
附图说明
图1为本实用新型实施例1提供的电弧侦测电路的拓扑结构示意图;
图2为本实用新型实施例1提供的电弧侦测电路的电路结构图;
图3为本实用新型实施例1提供的电弧检测的流程图;
图标:1-电流取样电阻,2-高通滤波器,3-第一ADC芯片,4-第二ADC 芯片,5-第一放大器,6-第一NMOS管,7-第二放大器,8-第二NMOS管, 9-第一限流电阻,10-第二限流电阻,11-第一耦合电容,12-第二耦合电容,13-第三限流电阻,14-第三耦合电阻,15-第四限流电阻,16-第四耦合电容,17-被测电路。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
如图1-2所示,一方面,提供一种基于数字处理技术的电弧侦测电路,包括电流取样电阻1、频域分析支路、时域分析支路以及FPGA芯片,所述电流取样电阻1串联接入被测电路17,所述电流取样电阻1分别连接频域分析支路的输入端以及时域分析支路的输入端,所述频域分析支路的输出端以及时域分析支路的输出端分别连接所述FPGA芯片,所述频域分析支路包括依次连接的滤波器2、第一信号调理电路以及第一ADC芯片3,所述时域分析支路包括依次连接的第二信号调理电路以及第二ADC芯片4,所述第一ADC芯片3与所述第二ADC芯片4分别连接所述FPGA芯片。滤波器用于将输出的电压信号进行滤波,得到电压信号高频分量后输出至第一信号调理电路进行信号放大。
将电流取样电阻1串联接入被测电路17中,通过采集电流取样电阻1 两端的电压,既可以测得被测电路17的电流,电压信号分别通过频域分析支路以及时域分析支路进行采集,频域分析支路用于采集频域信号,时域分析支路用于采集时域信号,频域分析用于捕捉电流的波形畸变,频域分析用于分析高频能量分量。FPGA芯片用于对采集的频域信号以及时域信号分析处理,判断电弧是否产生。
具体的,FPGA通过分析电流信号的高频分量确定电弧是否产生,再根据电弧电流的大小与指定的电弧等级比较,当电弧电流大于指定等级时,计数器加一,供测试完成后统计查看。
所述第一信号调理电路包括第一放大器5以及第一NMOS管6,所述第一放大器5的输入端连接所述滤波器2,所述第一放大器5的输出端连接所述第一NMOS管6的栅极,所述第一NMOS管6的源极与所述第一ADC芯片3 连接,所述第一NMOS管6的漏极与所述电流取样电阻1的第一端连接。
所述第二信号调理电路与所述第一信号调理电路结构相同,包括第二放大器7以及第二NMOS管8,所述第二放大器7的同向输入端连接所述电流取样电阻1的第一端,所述第二放大器7的反向输入端连接所述电流取样电阻1的第二端,所述第二放大器7的输出端连接所述第二NMOS管8的栅极,所述第二NMOS管8的漏极连接所述电流取样电阻1的第一端,所述第二NMOS管8的源极连接所述第二ADC芯片4。
所述电流取样电阻1的第一端串联有第一限流电阻9,所述电流取样电阻1的第二端串联有第二限流电阻10。
所述电流取样电阻1的第一端还串联有第一耦合电容11,所述电流取样电阻1的第二端还连接有第二耦合电容12。
所述第一NMOS管6的源极还连接有第三限流电阻13以及第三耦合电容。
所述第二NMOS管8的源极还连接有第四限流电阻15以及第四耦合电容16。
在本实用新型中,第一限流电阻9、第二限流电阻10、第三限流电阻 13以及第四限流电阻15,第一耦合电容11、第二耦合电容12、第三耦合电容以及第四耦合电容16用于去耦合。
所述滤波器2采用高通滤波器。
所述滤波器2采用频率范围为10kHz-200KHz的带通滤波器。
关于电弧的判定方式:
当被测电路17为交流电路时,交流电路在产生电弧时会在交流波形的过零点处使电弧消失,再在交流波形幅值增大的过程中突然出现。通过这一特征,可以较为准确的捕捉到电弧是否存在。方法就是通过对电流时域波形的采集确定过零点出现的时刻,再在频域分析处针对过零点后的时间端进行FFT分析,以确定是否存在高频分量,进而判定电弧的存在。
当被测电路17为直流电路时,直流电路在产生电弧时降低电压,并在电弧结束时会在生成一个瞬时的电压脉冲,而电流则和电压相反。通过这一特征,可以较为准确的捕捉到电弧是否存在。方法就是通过对电流时域波形的采集确定大电压脉冲出现的时刻,再在频域分析处针对脉冲出现后的时间端进行FFT分析,以确定是否存在高频分量,进而判定电弧的存在。
电弧等级的判定方式:
在确定电弧存在后,根据频域分析支路采集到的信息,确定并计算出高频分量中电流峰值。根据将电流峰值与电弧等级评价表中规定的各等级的电弧电流值进行比较,记录大于规定值的次数。根据出现的次数判定被测电路17是否存在该等级的电弧。
另一方面,提供一种基于数字处理技术的电弧侦测系统,包括如上述的电弧侦测电路。
以上仅为本实用新型的优选实施例而已,并不用于限制本实用新型,对于本领域的技术人员来说,本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于数字处理技术的电弧侦测电路,其特征在于,包括电流取样电阻(1)、频域分析支路、时域分析支路以及FPGA芯片,所述电流取样电阻(1)串联接入被测电路(17),所述电流取样电阻(1)分别连接频域分析支路的输入端以及时域分析支路的输入端,所述频域分析支路的输出端以及时域分析支路的输出端分别连接所述FPGA芯片,所述频域分析支路包括依次连接的滤波器(2)、第一信号调理电路以及第一ADC芯片(3),所述时域分析支路包括依次连接的第二信号调理电路以及第二ADC芯片(4),所述第一ADC芯片(3)与所述第二ADC芯片(4)分别连接所述FPGA芯片。
2.根据权利要求1所述的电弧侦测电路,其特征在于,所述第一信号调理电路包括第一放大器(5)以及第一NMOS管(6),所述第一放大器(5)的输入端连接所述滤波器(2),所述第一放大器(5)的输出端连接所述第一NMOS管(6)的栅极,所述第一NMOS管(6)的源极与所述第一ADC芯片(3)连接,所述第一NMOS管(6)的漏极与所述电流取样电阻(1)的第一端连接。
3.根据权利要求2所述的电弧侦测电路,其特征在于,所述第二信号调理电路与所述第一信号调理电路结构相同,包括第二放大器(7)以及第二NMOS管(8),所述第二放大器(7)的同向输入端连接所述电流取样电阻(1)的第一端,所述第二放大器(7)的反向输入端连接所述电流取样电阻(1)的第二端,所述第二放大器(7)的输出端连接所述第二NMOS管(8)的栅极,所述第二NMOS管(8)的漏极连接所述电流取样电阻(1)的第一端,所述第二NMOS管(8)的源极连接所述第二ADC芯片(4)。
4.根据权利要求3所述的电弧侦测电路,其特征在于,所述电流取样电阻(1)的第一端串联有第一限流电阻(9),所述电流取样电阻(1)的第二端串联有第二限流电阻(10)。
5.根据权利要求4所述的电弧侦测电路,其特征在于,所述电流取样电阻(1)的第一端还串联有第一耦合电容(11),所述电流取样电阻(1)的第二端还连接有第二耦合电容(12)。
6.根据权利要求5所述的电弧侦测电路,其特征在于,所述第一NMOS管(6)的源极还连接有第三限流电阻(13)以及第三耦合电容。
7.根据权利要求6所述的电弧侦测电路,其特征在于,所述第二NMOS管(8)的源极还连接有第四限流电阻(15)以及第四耦合电容(16)。
8.根据权利要求1所述的电弧侦测电路,其特征在于,所述滤波器(2)采用高通滤波器。
9.根据权利要求1所述的电弧侦测电路,其特征在于,所述滤波器(2)采用频率范围为10kHz-200KHz的带通滤波器。
10.一种基于数字处理技术的电弧侦测系统,其特征在于,包括如权利要求1-9任意一条所述的电弧侦测电路。
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