低壓電弧故障檢測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發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、運放整流電路、脈沖整形電路及微控制器。本發明通過電流互感器檢測負載電流信號，通過I/V變換電路將電流信號轉變為相應的電壓信號，電壓信號輸入運放整流電路進行放大并整流，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間，通過判斷相鄰周期電流半波對應的脈寬時間變化比率是否超出相應電流水平下的閾值或是否連續捕獲到高頻脈沖，來判定當前電流半波是否為電弧故障半波，可準確檢測出一般負載電弧故障，并予以及時斷開電路，保證用電安全。
【專利說明】低壓電弧故障檢測方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及低壓配電系統電弧故障檢測領域，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】
[0002]據有關資料統計，因電氣原因引發的火災在各類火災中高居榜首，約占30%。而電氣火災很大比重是由于電弧故障引發的。這些危險的電弧可能發生在設計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、內部線束或零部件絕緣上。故障電弧的特點是線路中電流可能減小，但溫度高，并使故障迅速擴大，直至點燃附近的可燃物而引發火災。所以預防這種由電弧故障引發的火災尤為重要。
[0003]傳統的過電流保護斷路器和剩余電流保護斷路器一般起不到故障電弧保護的作用。目前國內對家用電路電弧故障領域還處于研究開發階段，雖然有少數公司已研發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證。
[0004]目前我國電弧故障保護裝置雖然還未強制要求安裝，市面上也未曾出現此類產品。但是為了保護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計一款體積小，便于安裝并有效提供電弧故障保護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。
【發明內容】
[0005]本發明的主要目的是克服現有技術的缺點，提供一種可準確檢測出一般負載電弧故障的發生，并予以及時斷開電路，保證用電安全的低壓電弧故障檢測方法及裝置。
[0006]本發明采用如下技術方案:
[0007]低壓電弧故障檢測裝置，包括有用于采集負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變為電壓信號的I/V變換電路、用于將I/V變換電路輸出的電壓信號進行放大并整流獲得絕對值信號的運放整流電路、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間并進行電弧故障判定的微控制器，所述電流互感器的一次側串聯在被保護線路上，二次側連接I/V變換電路，所述I/V變換電路、運放整流電路、脈沖整形電路與微控制器順次連接。
[0008]進一步地，所述I/V變換電路采用匹配電阻。
[0009]進一步地，所述運放整流電路采用高輸入阻抗運放精密整流電路。
[0010]進一步地，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的脈寬時間變化比率是否超出相應電流水平下的閾值或是否連續捕獲到高頻脈沖來確定是否產生電弧故障，包括以下步驟:
[0012]①通過電流互感器對被保護線路的電流進行采樣，獲得負載電流信號；再通過連接于電流互感器二次側的I/V變換電路將該電流信號轉變為相應的電壓信號；I/V變換電路輸出的電壓信號輸入運放整流電路進行放大并整流，獲得合適比例的絕對值信號；運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間；并依據設定的頻率范圍，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的低頻脈寬時間變化率是否超出相應電流水平下的閾值，來判定當前電流半波是否為電弧故障半波，根據低頻脈寬時間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，根據當前負載電流值I大小不同，定義相應閾值，閾值公式為:Kl=45%+5%*(15-1)/5 ；同時，若連續捕獲到高頻脈沖，直到下一個低頻脈沖來臨前計一個故障信號；當設定時間t內累計監測到的故障信號超過設定閾值K2時，即判定為發生電弧故障；
[0014]③當微控制器判定發生電弧故障時，微控制器輸出脫扣信號斷開電路。
[0015]進一步地，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]進一步地，所述設定時間t為50個半波時間，設定閾值K2為10。
[0017]進一步地，所述微控制器統計設定時間內電弧半波故障信號個數的算法為:定義一個變量Temp用于存儲當前信號的判定結果，當前信號判定為非故障信號時，Temp=O,當前信號判定為故障信號時，Temp=I ;定義一個長度為50的整型數組D [50]用于存儲50個半波時間的判定結果，每個半波時間進行判定后，將數組中第0-48個元素每位向高位移動一位，將當前Temp值 存入數組的最低位D[0]中，對數組D[50]求和，即可得出50個半波時間內累計監測到的故障信號個數N。
[0018]由上述對本發明的描述可知，與現有技術相比，本發明的有益效果是:微控制器捕獲脈沖整形電路輸出的脈沖信號的脈寬時間，通過判斷相鄰周期電流半波對應的脈寬時間變化比率是否超出相應電流水平下的閾值或是否連續捕獲到高頻脈沖，來判定當前電流半波是否為電弧故障半波，可以準確檢測出一般負載電弧故障的發生，并予以及時斷開電路，保證用電安全。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明【具體實施方式】的低壓電弧故障檢測裝置的硬件電路系統示意圖；
[0020]圖2為本發明【具體實施方式】的電弧故障檢測主程序流程圖；
[0021]圖3為本發明【具體實施方式】的微處理器定時中斷程序流程圖；
[0022]圖4為本發明【具體實施方式】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.運放整流電路，4.脈沖整形電路，5.微控制器。
【具體實施方式】
[0024]以下通過【具體實施方式】對本發明作進一步的描述。
[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輸出的電流信號轉變為電壓信號的I/V變換電路2、用于將I/V變換電路2輸出的電壓信號進行放大并整流獲得絕對值信號的運放整流電路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間并進行電弧故障判定的微控制器5，所述電流互感器I的一次側串聯在被保護線路上，二次側連接I/V變換電路2，所述I/V變換電路2、運放整流電路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；所述運放整流電路3采用高輸入阻抗運放精密整流電路；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的脈寬時間變化比率是否超出相應電流水平下的閾值或是否連續捕獲到高頻脈沖來確定是否產生電弧故障，包括以下步驟:
[0027]①通過電流互感器I對被保護線路的電流進行采樣，獲得負載電流信號；再通過連接于電流互感器I 二次側的匹配電阻將該電流信號轉變為相應的電壓信號；匹配電阻輸出的電壓信號輸入運放精密整流電路進行放大并整流，獲得合適比例的絕對值信號；運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運行電弧故障檢測算法進行故障判定:
[0029]I)通過定時器的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間；并依據設定的頻率范圍，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的低頻脈寬時間變化率是否超出相應電流水平下的閾值或是否連續捕獲到高頻脈沖，來判定當前電流半波是否為電弧故障半波，具體算法為:
[0031]根據低頻脈寬時間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，根據當前負載電流值I大小不同，定義相應閾值，閾值公式為:Kl=45%+5%*(15-1)/5，當相鄰周期電流半波對應的低頻脈寬時間變化率超出相應電流水平下的閾值時，累計一個故障信號；
[0032]同時，若連續捕獲到高頻脈沖，直到下一個低頻脈沖來臨前計一個故障信號；
[0033]3)當50個半波時間內累計監測到的故障信號個數超過10個時，即判定為發生電弧故障；
[0034]所述微控制器5統計50個半波時間內電弧半波故障信號個數的算法為:定義一個變量Temp用于存儲當前信號的判定結果，當前信號判定為非故障信號時，Temp=O,當前信號判定為故障信號時，Temp=I ;定義一個長度為50的整型數組D [50]用于存儲50個半波時間的判定結果，每個半波時間進行判定后，將數組中第0-48個元素每位向高位移動一位，將當前Temp值存入數組的最低位D[0]中，對數組D[50]求和，即可得出50個半波時間內累計監測到的故障信號個數N。
[0035]③當微控制器5判定發生電弧故障時，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，本發明的微控制器5進行電弧故障檢測的算法程序包括主程序、定時器中斷程序和電弧故障檢測算法程序三大部分，其程序運行流程如下:
[0037]①主程序中對定時器TMl初始化，并將定時器TMl配置為PWM模式輸入，定義全局變量，配置中斷參數并啟動中斷使能，然后程序處于while循環等待中斷狀態；[0038]②TIMl捕獲到下降沿中斷時，提取寄存器中的高電平時間長度，根據脈寬時間數據確定捕獲到的脈沖類型；
[0039]③根據步驟②的結果，若脈沖判定為高頻脈沖，則故障信號個數N是否自增I取決于是否連續捕獲到了高頻脈沖；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，則根據低頻脈沖統計結果計算并更新電流有效值I，進而確定出閾值參數Kl=45%+5%*(15-1)/5 ；
[0041]⑤計算相鄰周期脈沖時間的變化率dt,若dt>Kl,則更新N的值；
[0042]⑥所述電弧故障檢測方法中，已定義的一個長度為50的整型數組D[50]，進而計算數組a[50]的數值總和，即電弧個數總和N，當N大于等于10時，判定為發生電弧故障，微控制器5輸出脫扣信號，斷開電路。
[0043]上述僅為本發明的一個【具體實施方式】，但本發明的設計構思并不局限于此，凡利用此構思對本發明進行非實質性的改動，均應屬于侵犯本發明保護范圍的行為。
【權利要求】
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變為電壓信號的I/V變換電路、用于將I/V變換電路輸出的電壓信號進行放大并整流獲得絕對值信號的運放整流電路、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間并進行電弧故障判定的微控制器，所述電流互感器的一次側串聯在被保護線路上，二次側連接I/V變換電路，所述I/V變換電路、運放整流電路、脈沖整形電路與微控制器順次連接。
2.如權利要求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:所述運放整流電路采用高輸入阻抗運放精密整流電路。
4.如權利要求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。
5.一種基于權利要求1至權利要求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的脈寬時間變化比率是否超出相應電流水平下的閾值或是否連續捕獲到高頻脈沖來確定是否產生電弧故障，包括以下步驟: ①通過電流互感器對被保護線路的電流進行采樣，獲得負載電流信號；再通過連接于電流互感器二次側的I/V變換電路將該電流信號轉變為相應的電壓信號；I/V變換電路輸出的電壓信號輸入運放整流電路進行放大并整流，獲得合適比例的絕對值信號；運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間；并依據設定的頻率范圍，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的低頻脈寬時間變化率是否超出相應電流水平下的閾值，來判定當前電流半波是否為電弧故障半波，根據低頻脈寬時間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，根據當前負載電流值I大小不同，定義相應閾值，閾值公式為:Kl=45%+5%*(15-1)/5 ;同時，若連續捕獲到高頻脈沖，直到下一個低頻脈沖來臨前計一個故障信號；當設定時間t內累計監測到的故障信號超過設定閾值K2時，即判定為發生電弧故障； ③當微控制器判定發生電弧故障時，微控制器輸出脫扣信號斷開電路。
6.如權利要求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:所述設定時間t為50個半波時間，設定閾值K2為10。
8.如權利要求7所述的低壓電弧故障檢測方法，其特征在于:所述微控制器統計設定時間內電弧半波故障信號個數的算法為:定義一個變量Temp用于存儲當前信號的判定結果，當前信號判定為非故障信號時，Temp=O,當前信號判定為故障信號時，Temp=I ;定義一個長度為50的整型數組D[50]用于存儲50個半波時間的判定結果，每個半波時間進行判定后，將數組中第0-48個元素每位向高位移動一位，將當前Temp值存入數組的最低位D[0]中，對數組D[50]求和，即可得出50個半波時間內累計監測到的故障信號個數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 優先權日:2013年11月25日
【發明者】楊建紅, 王錚, 張認成, 楊凱, 占友雄 申請人:泉州市嘉凱機電科技有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
