低壓電弧故障檢測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低壓電弧故障檢測方法及裝置，低壓電弧故障檢測裝置包括有順次連接的電流互感器、I/V變換電路、運(yùn)放整流電路、脈沖整形電路及微控制器。本發(fā)明通過電流互感器檢測負(fù)載電流信號，通過I/V變換電路將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號，電壓信號輸入運(yùn)放整流電路進(jìn)行放大并整流，獲得合適比例的絕對值信號，絕對值信號再通過脈沖整形電路整形成矩形脈沖信號，微控制器捕獲脈沖整形電路輸出的脈沖信號的脈寬時(shí)間，通過判斷相鄰周期電流半波對應(yīng)的脈寬時(shí)間變化比率是否超出相應(yīng)電流水平下的閾值或是否連續(xù)捕獲到高頻脈沖，來判定當(dāng)前電流半波是否為電弧故障半波，可準(zhǔn)確檢測出一般負(fù)載電弧故障，并予以及時(shí)斷開電路，保證用電安全。
【專利說明】低壓電弧故障檢測方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低壓配電系統(tǒng)電弧故障檢測領(lǐng)域，具體涉及一種不易受正常工作電流變化干擾的低壓電弧故障檢測方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，因電氣原因引發(fā)的火災(zāi)在各類火災(zāi)中高居榜首，約占30%。而電氣火災(zāi)很大比重是由于電弧故障引發(fā)的。這些危險(xiǎn)的電弧可能發(fā)生在設(shè)計(jì)不合理或者老化的供電線路上、電器插頭以及家用電器的電源線、內(nèi)部線束或零部件絕緣上。故障電弧的特點(diǎn)是線路中電流可能減小，但溫度高，并使故障迅速擴(kuò)大，直至點(diǎn)燃附近的可燃物而引發(fā)火災(zāi)。所以預(yù)防這種由電弧故障引發(fā)的火災(zāi)尤為重要。
[0003]傳統(tǒng)的過電流保護(hù)斷路器和剩余電流保護(hù)斷路器一般起不到故障電弧保護(hù)的作用。目前國內(nèi)對家用電路電弧故障領(lǐng)域還處于研究開發(fā)階段，雖然有少數(shù)公司已研發(fā)出針對家用電路的電弧故障斷路器，但其在市面上的流通還未真正開始，其可靠性還尚未得到很好的驗(yàn)證。
[0004]目前我國電弧故障保護(hù)裝置雖然還未強(qiáng)制要求安裝，市面上也未曾出現(xiàn)此類產(chǎn)品。但是為了保護(hù)家用電器的用電安全，針對我國220V/50HZ的單相電源線供電的家用電器設(shè)計(jì)一款體積小，便于安裝并有效提供電弧故障保護(hù)的裝置是有非常必要的。對于電弧故障斷路器的安裝也是我國將來保證用電安全的一種必然趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種可準(zhǔn)確檢測出一般負(fù)載電弧故障的發(fā)生，并予以及時(shí)斷開電路，保證用電安全的低壓電弧故障檢測方法及裝置。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]低壓電弧故障檢測裝置，包括有用于采集負(fù)載電流信號的電流互感器、用于將電流互感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕腎/V變換電路、用于將I/V變換電路輸出的電壓信號進(jìn)行放大并整流獲得絕對值信號的運(yùn)放整流電路、用于將整流后信號整形成脈沖信號的脈沖整形電路及用于捕獲脈沖信號的脈寬時(shí)間并進(jìn)行電弧故障判定的微控制器，所述電流互感器的一次側(cè)串聯(lián)在被保護(hù)線路上，二次側(cè)連接I/V變換電路，所述I/V變換電路、運(yùn)放整流電路、脈沖整形電路與微控制器順次連接。
[0008]進(jìn)一步地，所述I/V變換電路采用匹配電阻。
[0009]進(jìn)一步地，所述運(yùn)放整流電路采用高輸入阻抗運(yùn)放精密整流電路。
[0010]進(jìn)一步地，所述脈沖整形電路采用滯回電壓比較電路。
[0011]一種低壓電弧故障檢測方法，通過檢測相鄰周期電流半波對應(yīng)的脈寬時(shí)間變化比率是否超出相應(yīng)電流水平下的閾值或是否連續(xù)捕獲到高頻脈沖來確定是否產(chǎn)生電弧故障，包括以下步驟:
[0012]①通過電流互感器對被保護(hù)線路的電流進(jìn)行采樣，獲得負(fù)載電流信號；再通過連接于電流互感器二次側(cè)的I/V變換電路將該電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號；I/V變換電路輸出的電壓信號輸入運(yùn)放整流電路進(jìn)行放大并整流，獲得合適比例的絕對值信號；運(yùn)放整流電路輸出的絕對值信號通過脈沖整形電路整形成矩形脈沖信號；
[0013]②微控制器通過定時(shí)器的PWM輸入模式捕獲脈沖整形電路輸出的脈沖信號的脈寬時(shí)間；并依據(jù)設(shè)定的頻率范圍，將捕獲到的脈沖分類為低頻脈沖、中頻脈沖和高頻脈沖；微控制器通過判斷相鄰周期電流半波對應(yīng)的低頻脈寬時(shí)間變化率是否超出相應(yīng)電流水平下的閾值，來判定當(dāng)前電流半波是否為電弧故障半波，根據(jù)低頻脈寬時(shí)間T估算電流有效值，估算公式為:I=(H+L)/(2 V 2 Ji f*T)，其中，H為高電平電壓值，L為低電平電壓值，f?為頻率，根據(jù)當(dāng)前負(fù)載電流值I大小不同，定義相應(yīng)閾值，閾值公式為:Kl=45%+5%*(15-1)/5 ；同時(shí)，若連續(xù)捕獲到高頻脈沖，直到下一個(gè)低頻脈沖來臨前計(jì)一個(gè)故障信號；當(dāng)設(shè)定時(shí)間t內(nèi)累計(jì)監(jiān)測到的故障信號超過設(shè)定閾值K2時(shí)，即判定為發(fā)生電弧故障；
[0014]③當(dāng)微控制器判定發(fā)生電弧故障時(shí)，微控制器輸出脫扣信號斷開電路。
[0015]進(jìn)一步地，所述微控制器將小于5us的脈沖定義為高頻脈沖，將大于IOOus的脈沖定義為低頻脈沖，將大于等于5us小于等于IOOus的脈沖定義為中頻脈沖。
[0016]進(jìn)一步地，所述設(shè)定時(shí)間t為50個(gè)半波時(shí)間，設(shè)定閾值K2為10。
[0017]進(jìn)一步地，所述微控制器統(tǒng)計(jì)設(shè)定時(shí)間內(nèi)電弧半波故障信號個(gè)數(shù)的算法為:定義一個(gè)變量Temp用于存儲當(dāng)前信號的判定結(jié)果，當(dāng)前信號判定為非故障信號時(shí)，Temp=O,當(dāng)前信號判定為故障信號時(shí)，Temp=I ;定義一個(gè)長度為50的整型數(shù)組D [50]用于存儲50個(gè)半波時(shí)間的判定結(jié)果，每個(gè)半波時(shí)間進(jìn)行判定后，將數(shù)組中第0-48個(gè)元素每位向高位移動一位，將當(dāng)前Temp值 存入數(shù)組的最低位D[0]中，對數(shù)組D[50]求和，即可得出50個(gè)半波時(shí)間內(nèi)累計(jì)監(jiān)測到的故障信號個(gè)數(shù)N。
[0018]由上述對本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:微控制器捕獲脈沖整形電路輸出的脈沖信號的脈寬時(shí)間，通過判斷相鄰周期電流半波對應(yīng)的脈寬時(shí)間變化比率是否超出相應(yīng)電流水平下的閾值或是否連續(xù)捕獲到高頻脈沖，來判定當(dāng)前電流半波是否為電弧故障半波，可以準(zhǔn)確檢測出一般負(fù)載電弧故障的發(fā)生，并予以及時(shí)斷開電路，保證用電安全。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的低壓電弧故障檢測裝置的硬件電路系統(tǒng)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的電弧故障檢測主程序流程圖；
[0021]圖3為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的微處理器定時(shí)中斷程序流程圖；
[0022]圖4為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的電弧故障檢測算法的流程圖。
[0023]圖中:1.電流互感器，2.1/V變換電路，3.運(yùn)放整流電路，4.脈沖整形電路，5.微控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下通過【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0025]參照圖1，低壓電弧故障檢測裝置，包括有用于采集負(fù)載電流信號的電流互感器
1、用于將電流互感器I輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕腎/V變換電路2、用于將I/V變換電路2輸出的電壓信號進(jìn)行放大并整流獲得絕對值信號的運(yùn)放整流電路3、用于將整流后信號整形成脈沖信號的脈沖整形電路4及用于捕獲脈沖信號的脈寬時(shí)間并進(jìn)行電弧故障判定的微控制器5，所述電流互感器I的一次側(cè)串聯(lián)在被保護(hù)線路上，二次側(cè)連接I/V變換電路2，所述I/V變換電路2、運(yùn)放整流電路3、脈沖整形電路4與微控制器5順次連接。所述I/V變換電路2采用匹配電阻；所述運(yùn)放整流電路3采用高輸入阻抗運(yùn)放精密整流電路；所述脈沖整形電路4采用滯回電壓比較電路。
[0026]參照圖1、圖2、圖3和圖4，一種低壓電弧故障檢測方法，通過檢測相鄰周期電流半波對應(yīng)的脈寬時(shí)間變化比率是否超出相應(yīng)電流水平下的閾值或是否連續(xù)捕獲到高頻脈沖來確定是否產(chǎn)生電弧故障，包括以下步驟:
[0027]①通過電流互感器I對被保護(hù)線路的電流進(jìn)行采樣，獲得負(fù)載電流信號；再通過連接于電流互感器I 二次側(cè)的匹配電阻將該電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號；匹配電阻輸出的電壓信號輸入運(yùn)放精密整流電路進(jìn)行放大并整流，獲得合適比例的絕對值信號；運(yùn)放精密整流電路輸出的絕對值信號通過滯回電壓比較電路整形成矩形脈沖信號；
[0028]②微控制器5運(yùn)行電弧故障檢測算法進(jìn)行故障判定:
[0029]I)通過定時(shí)器的PWM輸入模式捕獲滯回電壓比較電路輸出的脈沖信號的脈寬時(shí)間；并依據(jù)設(shè)定的頻率范圍，將捕獲到的脈沖分類為低頻脈沖、中頻脈沖和高頻脈沖，具體將小于5us的脈沖定義為高頻脈沖，將大于IOOus的脈沖定義為低頻脈沖，將大于等于5us小于等于IOOus的脈沖定義為中頻脈沖；
[0030]2)微控制器5通過判斷相鄰周期電流半波對應(yīng)的低頻脈寬時(shí)間變化率是否超出相應(yīng)電流水平下的閾值或是否連續(xù)捕獲到高頻脈沖，來判定當(dāng)前電流半波是否為電弧故障半波，具體算法為:
[0031]根據(jù)低頻脈寬時(shí)間T估算電流有效值，估算公式為:1= (H+L)/(2 V 2Jif*T)，其中，H為高電平電壓值，L為低電平電壓值，f為頻率，根據(jù)當(dāng)前負(fù)載電流值I大小不同，定義相應(yīng)閾值，閾值公式為:Kl=45%+5%*(15-1)/5，當(dāng)相鄰周期電流半波對應(yīng)的低頻脈寬時(shí)間變化率超出相應(yīng)電流水平下的閾值時(shí)，累計(jì)一個(gè)故障信號；
[0032]同時(shí)，若連續(xù)捕獲到高頻脈沖，直到下一個(gè)低頻脈沖來臨前計(jì)一個(gè)故障信號；
[0033]3)當(dāng)50個(gè)半波時(shí)間內(nèi)累計(jì)監(jiān)測到的故障信號個(gè)數(shù)超過10個(gè)時(shí)，即判定為發(fā)生電弧故障；
[0034]所述微控制器5統(tǒng)計(jì)50個(gè)半波時(shí)間內(nèi)電弧半波故障信號個(gè)數(shù)的算法為:定義一個(gè)變量Temp用于存儲當(dāng)前信號的判定結(jié)果，當(dāng)前信號判定為非故障信號時(shí)，Temp=O,當(dāng)前信號判定為故障信號時(shí)，Temp=I ;定義一個(gè)長度為50的整型數(shù)組D [50]用于存儲50個(gè)半波時(shí)間的判定結(jié)果，每個(gè)半波時(shí)間進(jìn)行判定后，將數(shù)組中第0-48個(gè)元素每位向高位移動一位，將當(dāng)前Temp值存入數(shù)組的最低位D[0]中，對數(shù)組D[50]求和，即可得出50個(gè)半波時(shí)間內(nèi)累計(jì)監(jiān)測到的故障信號個(gè)數(shù)N。
[0035]③當(dāng)微控制器5判定發(fā)生電弧故障時(shí)，微控制器5輸出脫扣信號斷開電路。
[0036]參照圖1、圖2、圖3和圖4，本發(fā)明的微控制器5進(jìn)行電弧故障檢測的算法程序包括主程序、定時(shí)器中斷程序和電弧故障檢測算法程序三大部分，其程序運(yùn)行流程如下:
[0037]①主程序中對定時(shí)器TMl初始化，并將定時(shí)器TMl配置為PWM模式輸入，定義全局變量，配置中斷參數(shù)并啟動中斷使能，然后程序處于while循環(huán)等待中斷狀態(tài)；[0038]②TIMl捕獲到下降沿中斷時(shí)，提取寄存器中的高電平時(shí)間長度，根據(jù)脈寬時(shí)間數(shù)據(jù)確定捕獲到的脈沖類型；
[0039]③根據(jù)步驟②的結(jié)果，若脈沖判定為高頻脈沖，則故障信號個(gè)數(shù)N是否自增I取決于是否連續(xù)捕獲到了高頻脈沖；若脈沖判定為中頻脈沖，則不作操作；
[0040]④若步驟②的脈沖判定為低頻脈沖，則根據(jù)低頻脈沖統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算并更新電流有效值I，進(jìn)而確定出閾值參數(shù)Kl=45%+5%*(15-1)/5 ；
[0041]⑤計(jì)算相鄰周期脈沖時(shí)間的變化率dt,若dt>Kl,則更新N的值；
[0042]⑥所述電弧故障檢測方法中，已定義的一個(gè)長度為50的整型數(shù)組D[50]，進(jìn)而計(jì)算數(shù)組a[50]的數(shù)值總和，即電弧個(gè)數(shù)總和N，當(dāng)N大于等于10時(shí)，判定為發(fā)生電弧故障，微控制器5輸出脫扣信號，斷開電路。
[0043]上述僅為本發(fā)明的一個(gè)【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)范圍的行為。
【權(quán)利要求】
1.低壓電弧故障檢測裝置，其特征在于:包括有用于采集負(fù)載電流信號的電流互感器、用于將電流互感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕腎/V變換電路、用于將I/V變換電路輸出的電壓信號進(jìn)行放大并整流獲得絕對值信號的運(yùn)放整流電路、用于將整流后信號整形成脈沖信號的脈沖整形電路及用于捕獲脈沖信號的脈寬時(shí)間并進(jìn)行電弧故障判定的微控制器，所述電流互感器的一次側(cè)串聯(lián)在被保護(hù)線路上，二次側(cè)連接I/V變換電路，所述I/V變換電路、運(yùn)放整流電路、脈沖整形電路與微控制器順次連接。
2.如權(quán)利要求1所述的低壓電弧故障檢測裝置，其特征在于:所述I/V變換電路采用匹配電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的低壓電弧故障檢測裝置，其特征在于:所述運(yùn)放整流電路采用高輸入阻抗運(yùn)放精密整流電路。
4.如權(quán)利要求1所述的低壓電弧故障檢測裝置，其特征在于:所述脈沖整形電路采用滯回電壓比較電路。
5.一種基于權(quán)利要求1至權(quán)利要求4所述的低壓電弧故障檢測裝置的低壓電弧故障檢測方法，其特征在于:通過檢測相鄰周期電流半波對應(yīng)的脈寬時(shí)間變化比率是否超出相應(yīng)電流水平下的閾值或是否連續(xù)捕獲到高頻脈沖來確定是否產(chǎn)生電弧故障，包括以下步驟: ①通過電流互感器對被保護(hù)線路的電流進(jìn)行采樣，獲得負(fù)載電流信號；再通過連接于電流互感器二次側(cè)的I/V變換電路將該電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號；I/V變換電路輸出的電壓信號輸入運(yùn)放整流電路進(jìn)行放大并整流，獲得合適比例的絕對值信號；運(yùn)放整流電路輸出的絕對值信號通過脈沖整形電路整形成矩形脈沖信號； ②微控制器通過定時(shí)器的PWM輸入模式捕獲脈沖整形電路輸出的脈沖信號的脈寬時(shí)間；并依據(jù)設(shè)定的頻率范圍，將捕獲到的脈沖分類為低頻脈沖、中頻脈沖和高頻脈沖；微控制器通過判斷相鄰周期電流半波對應(yīng)的低頻脈寬時(shí)間變化率是否超出相應(yīng)電流水平下的閾值，來判定當(dāng)前電流半波是否為電弧故障半波，根據(jù)低頻脈寬時(shí)間T估算電流有效值，估算公式為:I=(H+L)/(2 V 2 f*T)，其中，H為高電平電壓值，L為低電平電壓值，f為頻率，根據(jù)當(dāng)前負(fù)載電流值I大小不同，定義相應(yīng)閾值，閾值公式為:Kl=45%+5%*(15-1)/5 ;同時(shí)，若連續(xù)捕獲到高頻脈沖，直到下一個(gè)低頻脈沖來臨前計(jì)一個(gè)故障信號；當(dāng)設(shè)定時(shí)間t內(nèi)累計(jì)監(jiān)測到的故障信號超過設(shè)定閾值K2時(shí)，即判定為發(fā)生電弧故障； ③當(dāng)微控制器判定發(fā)生電弧故障時(shí)，微控制器輸出脫扣信號斷開電路。
6.如權(quán)利要求5所述的低壓電弧故障檢測方法，其特征在于:所述微控制器將小于5us的脈沖定義為高頻脈沖，將大于IOOus的脈沖定義為低頻脈沖，將大于等于5us小于等于IOOus的脈沖定義為中頻脈沖。
7.如權(quán)利要求5所述的低壓電弧故障檢測方法，其特征在于:所述設(shè)定時(shí)間t為50個(gè)半波時(shí)間，設(shè)定閾值K2為10。
8.如權(quán)利要求7所述的低壓電弧故障檢測方法，其特征在于:所述微控制器統(tǒng)計(jì)設(shè)定時(shí)間內(nèi)電弧半波故障信號個(gè)數(shù)的算法為:定義一個(gè)變量Temp用于存儲當(dāng)前信號的判定結(jié)果，當(dāng)前信號判定為非故障信號時(shí)，Temp=O,當(dāng)前信號判定為故障信號時(shí)，Temp=I ;定義一個(gè)長度為50的整型數(shù)組D[50]用于存儲50個(gè)半波時(shí)間的判定結(jié)果，每個(gè)半波時(shí)間進(jìn)行判定后，將數(shù)組中第0-48個(gè)元素每位向高位移動一位，將當(dāng)前Temp值存入數(shù)組的最低位D[0]中，對數(shù)組D[50]求和，即可得出50個(gè)半波時(shí)間內(nèi)累計(jì)監(jiān)測到的故障信號個(gè)數(shù)N。
【文檔編號】G01R31/00GK103645396SQ201310603349
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】楊建紅, 王錚, 張認(rèn)成, 楊凱, 占友雄 申請人:泉州市嘉凱機(jī)電科技有限公司