廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本項目涉及到電力領(lǐng)域的強電供電電路的故障電弧保護以及電子通訊領(lǐng)域的信號檢測及數(shù)字信號處理等。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]剩余電流保護器(RCD )可以通過檢測電氣裝置內(nèi)的泄漏電流和由電痕化電流引起的對地燃弧而有效降低火災(zāi)危險。然而事實上RCD、熔斷器或小型斷路器(MCB)不能降低由帶電導(dǎo)體之間的串聯(lián)電弧或并聯(lián)電弧引起的電氣火災(zāi)危險。在串聯(lián)電弧故障發(fā)生時，由于沒有產(chǎn)生對地泄漏電流，因而RCD無法檢測到這類故障。而且串聯(lián)電弧的故障阻抗降低了負載電流，使得電流低于MCB或熔斷器的脫扣閾值。在相線與中性導(dǎo)體之間產(chǎn)生并聯(lián)電弧的情況下，電流僅受限于裝置的阻抗。最嚴重的情況是偶發(fā)電弧，傳統(tǒng)的斷路器并不是為此目的而設(shè)計的。實踐經(jīng)驗和現(xiàn)有的信息證實，引發(fā)火災(zāi)的接地故障電流的均方根值不能局限于50/60HZ的額定電源頻率，可能包括測試RCD時不考慮的較高頻譜。因此，針對于上述情況，本發(fā)明設(shè)計出了一種可以準確檢測出包括微小的短時間出現(xiàn)的從高頻頻譜到低頻頻譜的廣譜的串聯(lián)電弧及并聯(lián)電弧的檢測傳感器及保護器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]電流變化的帶電導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，當電路中產(chǎn)生無論是并聯(lián)還是串聯(lián)電弧時，導(dǎo)線中的電流都會產(chǎn)生快速的變化。這種變化迅速地反應(yīng)在了周圍的磁場中。因此只要能夠準確的檢測帶電導(dǎo)線周圍的磁場及磁場的變化率就能夠得到電弧相關(guān)的信息。關(guān)鍵的問題是:1、設(shè)計出能夠在廣譜范圍內(nèi)，高靈敏地檢測出故障電弧信號的高頻磁場檢測傳感模塊。2、用電負載不同的情況下，電流信號非常的復(fù)雜。特別是在多個負載同時工作的情況下。要采用比較復(fù)雜的信號檢測與數(shù)字信號處理技術(shù)才能檢測出故障電弧。該功能由核心信號處理數(shù)學算法故障電弧檢測與處理單元完成。
[0005]廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器(000)如圖1所示。圖1中(001)模塊為輸電線，故障電弧檢測傳感器設(shè)計為一個矩形立方體，立方體的上表面中心位置向下開一個凹槽，輸電線(001)放置在凹槽之中。當變化的電流通過輸電線(001)時會在傳感器(000 )立方體內(nèi)產(chǎn)生變化的磁場。傳感器(000)內(nèi)包含電源供電電路(006)、高頻磁場檢測傳感模塊(002)、低噪聲信號放大單元(003)、核心信號處理數(shù)學算法故障電弧檢測與處理單元
(004)。電源供電電路(006)從交流電源取電，經(jīng)過變換后輸出直流低壓電供整個模塊使用。高頻磁場檢測傳感模塊(002)檢測磁場的變化，將得到的信號進行積分處理，將積分后的信號輸出給低噪聲信號放大單元(003)進行低噪聲放大，確保信號幅度可以滿足后面的A/D轉(zhuǎn)換。核心信號處理數(shù)學算法故障電弧檢測與處理單元(004)將信號進行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。采樣頻率根據(jù)實際測試得到的最高故障電弧頻譜的大于兩倍值選取，實際中選不低于2.5倍。按采樣頻率采樣后，信號進行核心信號處理。該單元采用了數(shù)字信號處理器DSP和(或)高性能CPU (MCU)信號在此通過復(fù)雜的數(shù)學運算，從而快速提取出了廣譜的，微弱的故障電弧信號。該模塊使用了隨機噪聲信號(包括白噪聲及有色噪聲)的功率譜分析技術(shù)、噪聲信號的卷積、相關(guān)技術(shù)、噪聲中的信號檢測技術(shù)及根據(jù)實際故障電弧信號的特征開發(fā)出的算法。核心信號處理數(shù)學算法故障電弧檢測與處理單元(004)檢測出故障電弧信號，通過引腳輸出故障電弧指示信號(005)。
[0006]廣譜快速高靈敏故障電弧保護器見圖2。該保護器使用了廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器。傳感器檢測出故障電弧信號后，通過引腳將故障電弧指示信號輸出給保護脫鉤執(zhí)行機構(gòu)(012)，該機構(gòu)是由電信號驅(qū)動的機械執(zhí)行機構(gòu)，收到故障電弧指示信號驅(qū)動后，機械機構(gòu)執(zhí)行斷路動作，切斷電源，起到安全防護作用。
[0007]故障電弧檢測傳感器設(shè)計為一個矩形立方體，立方體的上表面中心位置向下開一個凹槽，輸電線(001)放置在凹槽之中，可以通過膠進行粘接，也可以直接通過機械結(jié)構(gòu)固定。該立方體為采用厚膜電路的封裝形式，將整個電路封裝成一個封閉的集成模塊。從而保證傳感器的抗震性、抗潮濕性及可靠性。高頻磁場檢測傳感模塊(002)在實際實現(xiàn)中使用了多匝空心線圈作為磁場的檢測裝置，多匝空心線圈可以通過兩種方式實現(xiàn):1、使用細銅線繞制的空心線圈。2、通過在印刷線路板上使用光刻的辦法做出的空心線圈。為了保證在很寬的頻譜范圍內(nèi)，故障電弧信號不失真的被檢測出來，因此使用了空心線圈而不使用鐵氧體做芯的實心線圈。該線圈串聯(lián)上一個取樣電阻，取樣電阻兩端的信號電壓輸出給由運算放大器及電阻和電容構(gòu)成的積分電路進行積分，然后輸出。信號輸出給低噪聲信號放大單元(003)，該單元使用了二級運算放大器將小信號放大到幅度足夠模擬數(shù)字變換器的變換幅度需要。運算放大器均需要滿足寬頻響范圍，增益帶寬積足夠高，噪聲系數(shù)足夠低。核心信號處理數(shù)學算法故障電弧檢測與處理單元(004)主要實現(xiàn)模擬數(shù)字變換及通過對信號進行數(shù)學運算，實現(xiàn)信號的檢測功能。該模塊采用兩種辦法實現(xiàn)。1、使用帶A/D變換器的數(shù)字信號處理器(DSP)。2、使用帶A/D變換器的CPU性能強大的MCU完成。該模塊的實現(xiàn)主要考慮選取運算能力足夠強大的處理器(CPU)。軟件算法部分主要通過在各種負載情況下進行各種信號的采樣，同時采樣各種情況下故障電弧的信號樣本。在積累足夠多的工作信號及故障信號樣本空間的情況下，通過使用隨機噪聲信號(包括白噪聲及有色噪聲)的功率譜分析技術(shù)、噪聲信號的卷積、相關(guān)技術(shù)、噪聲中的信號檢測技術(shù)等技術(shù)，根據(jù)實際故障電弧信號的特征開發(fā)出合適的算法。為了獲得足夠的具有典型特征的信號樣本，要收集足夠的各種各樣的典型負載，并且設(shè)計實現(xiàn)一個故障電弧模擬裝置來模擬產(chǎn)生故障電弧。廣譜快速高靈敏故障電弧保護器由以下方法實現(xiàn):在標準的斷路器機殼內(nèi)設(shè)計一個機械結(jié)構(gòu)的斷路器，該斷路器由電信號觸發(fā)。斷路器收到觸發(fā)信號后使供電電源機構(gòu)脫鉤，切斷供電電源。只有手動復(fù)位才能夠重新接通供電電源。
【主權(quán)項】
1.廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器，其特征在于，包括高頻磁場檢測傳感模塊(002)，低噪聲信號放大單元(003)，核心信號處理數(shù)學算法故障電弧檢測與處理單元(004)，輸電線(001)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器，其特征在于，在實際實現(xiàn)中使用了多匝空心線圈作為磁場的檢測裝置，從而可以保證準確的檢測出高頻故障電弧信號而不丟失高頻成分。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器，其特征在于，多匝空心線圈通過在印刷線路板上使用光刻的辦法做出，線圈集成在了印刷線路板上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器，其特征在于，多匝空心線圈或者使用細銅線繞制的空心線圈，不使用磁芯。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器，其特征在于，信號電壓輸出給由運算放大器及電阻和電容構(gòu)成的積分電路進行積分，積分后輸出。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器，其特征在于，低噪聲信號放大單元(003)使用了運算放大器將小信號放大到幅度足夠模擬/數(shù)字變換器的變換幅度需要，運算放大器均需要滿足寬頻響范圍，增益帶寬積足夠高，噪聲系數(shù)足夠低。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器，其特征在于核心信號處理數(shù)學算法故障電弧檢測與處理單元(004)主要實現(xiàn)模擬/數(shù)字變換及通過對信號進行數(shù)學運算，實現(xiàn)信號的檢測功能，通過使用帶A/D變換器的數(shù)字信號處理器(DSP)或者使用帶A/D變換器的CPU性能強大的MCU完成。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器，其特征在于通過使用隨機噪聲信號(包括白噪聲及有色噪聲)的功率譜分析技術(shù)、噪聲信號的卷積、相關(guān)技術(shù)、噪聲中的信號檢測技術(shù)等技術(shù)，根據(jù)實際故障電弧信號的特征開發(fā)出合適的算法。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器，其特征在于執(zhí)行機構(gòu)是一個機械結(jié)構(gòu)的斷路器，該斷路器由電信號觸發(fā)，斷路器收到觸發(fā)信號后使供電電源機構(gòu)脫鉤，切斷供電電源，只有手動復(fù)位才能夠重新接通供電電源。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種安全保護用廣譜、快速反應(yīng)、高靈敏度故障電弧檢測傳感器及故障電弧保護斷路器，包括：高頻磁場檢測傳感模塊（002），低噪聲信號放大單元（003），核心信號處理數(shù)學算法故障電弧檢測與處理單元（004），輸電線（001）。輸電線內(nèi)流過的變化的廣譜高頻電流信號被檢測出后經(jīng)過積分放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換后進入數(shù)字信號處理CPU，信號經(jīng)過使用了隨機噪聲信號(包括白噪聲及有色噪聲)的功率譜分析技術(shù)、噪聲信號的卷積、相關(guān)技術(shù)、噪聲中的信號檢測技術(shù)及根據(jù)實際故障電弧信號的特征開發(fā)出的算法處理后，檢測出是否有故障電弧，形成檢測傳感器。傳感器與機械的脫鉤執(zhí)行機構(gòu)（012）連接，共同組成故障電弧保護斷路器。
【IPC分類】G01R31/00, H02H3/20
【公開號】CN105259446
【申請?zhí)枴緾N201510740305
【發(fā)明人】李吉廣, 陳存, 馬俊光
【申請人】北京騰銳視訊科技有限公司
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月4日