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低压电弧故障检测方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种低压电弧故障检测方法及装置，低压电弧故障检测装置包括有顺次连接的电流互感器、I/V变换电路、运放整流电路、脉冲整形电路及微控制器。本发明通过电流互感器检测负载电流信号，通过I/V变换电路将电流信号转变为相应的电压信号，电压信号输入运放整流电路进行放大并整流，获得合适比例的绝对值信号，绝对值信号再通过脉冲整形电路整形成矩形脉冲信号，微控制器捕获脉冲整形电路输出的脉冲信号的脉宽时间，通过判断相邻周期电流半波对应的脉宽时间变化比率是否超出相应电流水平下的阈值或是否连续捕获到高频脉冲，来判定当前电流半波是否为电弧故障半波，可准确检测出一般负载电弧故障，并予以及时断开电路，保证用电安全。
【专利说明】低压电弧故障检测方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及低压配电系统电弧故障检测领域，具体涉及一种不易受正常工作电流变化干扰的低压电弧故障检测方法及装置。
【背景技术】
[0002]据有关资料统计，因电气原因引发的火灾在各类火灾中高居榜首，约占30%。而电气火灾很大比重是由于电弧故障引发的。这些危险的电弧可能发生在设计不合理或者老化的供电线路上、电器插头以及家用电器的电源线、内部线束或零部件绝缘上。故障电弧的特点是线路中电流可能减小，但温度高，并使故障迅速扩大，直至点燃附近的可燃物而引发火灾。所以预防这种由电弧故障引发的火灾尤为重要。
[0003]传统的过电流保护断路器和剩余电流保护断路器一般起不到故障电弧保护的作用。目前国内对家用电路电弧故障领域还处于研究开发阶段，虽然有少数公司已研发出针对家用电路的电弧故障断路器，但其在市面上的流通还未真正开始，其可靠性还尚未得到很好的验证。
[0004]目前我国电弧故障保护装置虽然还未强制要求安装，市面上也未曾出现此类产品。但是为了保护家用电器的用电安全，针对我国220V/50HZ的单相电源线供电的家用电器设计一款体积小，便于安装并有效提供电弧故障保护的装置是有非常必要的。对于电弧故障断路器的安装也是我国将来保证用电安全的一种必然趋势。

【发明内容】

[0005]本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种可准确检测出一般负载电弧故障的发生，并予以及时断开电路，保证用电安全的低压电弧故障检测方法及装置。
[0006]本发明采用如下技术方案:
[0007]低压电弧故障检测装置，包括有用于采集负载电流信号的电流互感器、用于将电流互感器输出的电流信号转变为电压信号的I/V变换电路、用于将I/V变换电路输出的电压信号进行放大并整流获得绝对值信号的运放整流电路、用于将整流后信号整形成脉冲信号的脉冲整形电路及用于捕获脉冲信号的脉宽时间并进行电弧故障判定的微控制器，所述电流互感器的一次侧串联在被保护线路上，二次侧连接I/V变换电路，所述I/V变换电路、运放整流电路、脉冲整形电路与微控制器顺次连接。
[0008]进一步地，所述I/V变换电路采用匹配电阻。
[0009]进一步地，所述运放整流电路采用高输入阻抗运放精密整流电路。
[0010]进一步地，所述脉冲整形电路采用滞回电压比较电路。
[0011]一种低压电弧故障检测方法，通过检测相邻周期电流半波对应的脉宽时间变化比率是否超出相应电流水平下的阈值或是否连续捕获到高频脉冲来确定是否产生电弧故障，包括以下步骤:
[0012]①通过电流互感器对被保护线路的电流进行采样，获得负载电流信号；再通过连接于电流互感器二次侧的I/V变换电路将该电流信号转变为相应的电压信号；I/V变换电路输出的电压信号输入运放整流电路进行放大并整流，获得合适比例的绝对值信号；运放整流电路输出的绝对值信号通过脉冲整形电路整形成矩形脉冲信号；
[0013]②微控制器通过定时器的PWM输入模式捕获脉冲整形电路输出的脉冲信号的脉宽时间；并依据设定的频率范围，将捕获到的脉冲分类为低频脉冲、中频脉冲和高频脉冲；微控制器通过判断相邻周期电流半波对应的低频脉宽时间变化率是否超出相应电流水平下的阈值，来判定当前电流半波是否为电弧故障半波，根据低频脉宽时间T估算电流有效值，估算公式为:I=(H+L)/(2 V 2 Ji f*T)，其中，H为高电平电压值，L为低电平电压值，f?为频率，根据当前负载电流值I大小不同，定义相应阈值，阈值公式为:Kl=45%+5%*(15-1)/5 ；同时，若连续捕获到高频脉冲，直到下一个低频脉冲来临前计一个故障信号；当设定时间t内累计监测到的故障信号超过设定阈值K2时，即判定为发生电弧故障；
[0014]③当微控制器判定发生电弧故障时，微控制器输出脱扣信号断开电路。
[0015]进一步地，所述微控制器将小于5us的脉冲定义为高频脉冲，将大于IOOus的脉冲定义为低频脉冲，将大于等于5us小于等于IOOus的脉冲定义为中频脉冲。
[0016]进一步地，所述设定时间t为50个半波时间，设定阈值K2为10。
[0017]进一步地，所述微控制器统计设定时间内电弧半波故障信号个数的算法为:定义一个变量Temp用于存储当前信号的判定结果，当前信号判定为非故障信号时，Temp=O,当前信号判定为故障信号时，Temp=I ;定义一个长度为50的整型数组D [50]用于存储50个半波时间的判定结果，每个半波时间进行判定后，将数组中第0-48个元素每位向高位移动一位，将当前Temp值 存入数组的最低位D[0]中，对数组D[50]求和，即可得出50个半波时间内累计监测到的故障信号个数N。
[0018]由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明的有益效果是:微控制器捕获脉冲整形电路输出的脉冲信号的脉宽时间，通过判断相邻周期电流半波对应的脉宽时间变化比率是否超出相应电流水平下的阈值或是否连续捕获到高频脉冲，来判定当前电流半波是否为电弧故障半波，可以准确检测出一般负载电弧故障的发生，并予以及时断开电路，保证用电安全。
【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1为本发明【具体实施方式】的低压电弧故障检测装置的硬件电路系统示意图；
[0020]图2为本发明【具体实施方式】的电弧故障检测主程序流程图；
[0021]图3为本发明【具体实施方式】的微处理器定时中断程序流程图；
[0022]图4为本发明【具体实施方式】的电弧故障检测算法的流程图。
[0023]图中:1.电流互感器，2.1/V变换电路，3.运放整流电路，4.脉冲整形电路，5.微控制器。
【具体实施方式】
[0024]以下通过【具体实施方式】对本发明作进一步的描述。
[0025]参照图1，低压电弧故障检测装置，包括有用于采集负载电流信号的电流互感器
1、用于将电流互感器I输出的电流信号转变为电压信号的I/V变换电路2、用于将I/V变换电路2输出的电压信号进行放大并整流获得绝对值信号的运放整流电路3、用于将整流后信号整形成脉冲信号的脉冲整形电路4及用于捕获脉冲信号的脉宽时间并进行电弧故障判定的微控制器5，所述电流互感器I的一次侧串联在被保护线路上，二次侧连接I/V变换电路2，所述I/V变换电路2、运放整流电路3、脉冲整形电路4与微控制器5顺次连接。所述I/V变换电路2采用匹配电阻；所述运放整流电路3采用高输入阻抗运放精密整流电路；所述脉冲整形电路4采用滞回电压比较电路。
[0026]参照图1、图2、图3和图4，一种低压电弧故障检测方法，通过检测相邻周期电流半波对应的脉宽时间变化比率是否超出相应电流水平下的阈值或是否连续捕获到高频脉冲来确定是否产生电弧故障，包括以下步骤:
[0027]①通过电流互感器I对被保护线路的电流进行采样，获得负载电流信号；再通过连接于电流互感器I 二次侧的匹配电阻将该电流信号转变为相应的电压信号；匹配电阻输出的电压信号输入运放精密整流电路进行放大并整流，获得合适比例的绝对值信号；运放精密整流电路输出的绝对值信号通过滞回电压比较电路整形成矩形脉冲信号；
[0028]②微控制器5运行电弧故障检测算法进行故障判定:
[0029]I)通过定时器的PWM输入模式捕获滞回电压比较电路输出的脉冲信号的脉宽时间；并依据设定的频率范围，将捕获到的脉冲分类为低频脉冲、中频脉冲和高频脉冲，具体将小于5us的脉冲定义为高频脉冲，将大于IOOus的脉冲定义为低频脉冲，将大于等于5us小于等于IOOus的脉冲定义为中频脉冲；
[0030]2)微控制器5通过判断相邻周期电流半波对应的低频脉宽时间变化率是否超出相应电流水平下的阈值或是否连续捕获到高频脉冲，来判定当前电流半波是否为电弧故障半波，具体算法为:
[0031]根据低频脉宽时间T估算电流有效值，估算公式为:1= (H+L)/(2 V 2Jif*T)，其中，H为高电平电压值，L为低电平电压值，f为频率，根据当前负载电流值I大小不同，定义相应阈值，阈值公式为:Kl=45%+5%*(15-1)/5，当相邻周期电流半波对应的低频脉宽时间变化率超出相应电流水平下的阈值时，累计一个故障信号；
[0032]同时，若连续捕获到高频脉冲，直到下一个低频脉冲来临前计一个故障信号；
[0033]3)当50个半波时间内累计监测到的故障信号个数超过10个时，即判定为发生电弧故障；
[0034]所述微控制器5统计50个半波时间内电弧半波故障信号个数的算法为:定义一个变量Temp用于存储当前信号的判定结果，当前信号判定为非故障信号时，Temp=O,当前信号判定为故障信号时，Temp=I ;定义一个长度为50的整型数组D [50]用于存储50个半波时间的判定结果，每个半波时间进行判定后，将数组中第0-48个元素每位向高位移动一位，将当前Temp值存入数组的最低位D[0]中，对数组D[50]求和，即可得出50个半波时间内累计监测到的故障信号个数N。
[0035]③当微控制器5判定发生电弧故障时，微控制器5输出脱扣信号断开电路。
[0036]参照图1、图2、图3和图4，本发明的微控制器5进行电弧故障检测的算法程序包括主程序、定时器中断程序和电弧故障检测算法程序三大部分，其程序运行流程如下:
[0037]①主程序中对定时器TMl初始化，并将定时器TMl配置为PWM模式输入，定义全局变量，配置中断参数并启动中断使能，然后程序处于while循环等待中断状态；[0038]②TIMl捕获到下降沿中断时，提取寄存器中的高电平时间长度，根据脉宽时间数据确定捕获到的脉冲类型；
[0039]③根据步骤②的结果，若脉冲判定为高频脉冲，则故障信号个数N是否自增I取决于是否连续捕获到了高频脉冲；若脉冲判定为中频脉冲，则不作操作；
[0040]④若步骤②的脉冲判定为低频脉冲，则根据低频脉冲统计结果计算并更新电流有效值I，进而确定出阈值参数Kl=45%+5%*(15-1)/5 ；
[0041]⑤计算相邻周期脉冲时间的变化率dt,若dt>Kl,则更新N的值；
[0042]⑥所述电弧故障检测方法中，已定义的一个长度为50的整型数组D[50]，进而计算数组a[50]的数值总和，即电弧个数总和N，当N大于等于10时，判定为发生电弧故障，微控制器5输出脱扣信号，断开电路。
[0043]上述仅为本发明的一个【具体实施方式】，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
【权利要求】
1.低压电弧故障检测装置，其特征在于:包括有用于采集负载电流信号的电流互感器、用于将电流互感器输出的电流信号转变为电压信号的I/V变换电路、用于将I/V变换电路输出的电压信号进行放大并整流获得绝对值信号的运放整流电路、用于将整流后信号整形成脉冲信号的脉冲整形电路及用于捕获脉冲信号的脉宽时间并进行电弧故障判定的微控制器，所述电流互感器的一次侧串联在被保护线路上，二次侧连接I/V变换电路，所述I/V变换电路、运放整流电路、脉冲整形电路与微控制器顺次连接。
2.如权利要求1所述的低压电弧故障检测装置，其特征在于:所述I/V变换电路采用匹配电阻。
3.如权利要求1所述的低压电弧故障检测装置，其特征在于:所述运放整流电路采用高输入阻抗运放精密整流电路。
4.如权利要求1所述的低压电弧故障检测装置，其特征在于:所述脉冲整形电路采用滞回电压比较电路。
5.一种基于权利要求1至权利要求4所述的低压电弧故障检测装置的低压电弧故障检测方法，其特征在于:通过检测相邻周期电流半波对应的脉宽时间变化比率是否超出相应电流水平下的阈值或是否连续捕获到高频脉冲来确定是否产生电弧故障，包括以下步骤: ①通过电流互感器对被保护线路的电流进行采样，获得负载电流信号；再通过连接于电流互感器二次侧的I/V变换电路将该电流信号转变为相应的电压信号；I/V变换电路输出的电压信号输入运放整流电路进行放大并整流，获得合适比例的绝对值信号；运放整流电路输出的绝对值信号通过脉冲整形电路整形成矩形脉冲信号； ②微控制器通过定时器的PWM输入模式捕获脉冲整形电路输出的脉冲信号的脉宽时间；并依据设定的频率范围，将捕获到的脉冲分类为低频脉冲、中频脉冲和高频脉冲；微控制器通过判断相邻周期电流半波对应的低频脉宽时间变化率是否超出相应电流水平下的阈值，来判定当前电流半波是否为电弧故障半波，根据低频脉宽时间T估算电流有效值，估算公式为:I=(H+L)/(2 V 2 f*T)，其中，H为高电平电压值，L为低电平电压值，f为频率，根据当前负载电流值I大小不同，定义相应阈值，阈值公式为:Kl=45%+5%*(15-1)/5 ;同时，若连续捕获到高频脉冲，直到下一个低频脉冲来临前计一个故障信号；当设定时间t内累计监测到的故障信号超过设定阈值K2时，即判定为发生电弧故障； ③当微控制器判定发生电弧故障时，微控制器输出脱扣信号断开电路。
6.如权利要求5所述的低压电弧故障检测方法，其特征在于:所述微控制器将小于5us的脉冲定义为高频脉冲，将大于IOOus的脉冲定义为低频脉冲，将大于等于5us小于等于IOOus的脉冲定义为中频脉冲。
7.如权利要求5所述的低压电弧故障检测方法，其特征在于:所述设定时间t为50个半波时间，设定阈值K2为10。
8.如权利要求7所述的低压电弧故障检测方法，其特征在于:所述微控制器统计设定时间内电弧半波故障信号个数的算法为:定义一个变量Temp用于存储当前信号的判定结果，当前信号判定为非故障信号时，Temp=O,当前信号判定为故障信号时，Temp=I ;定义一个长度为50的整型数组D[50]用于存储50个半波时间的判定结果，每个半波时间进行判定后，将数组中第0-48个元素每位向高位移动一位，将当前Temp值存入数组的最低位D[0]中，对数组D[50]求和，即可得出50个半波时间内累计监测到的故障信号个数N。
【文档编号】G01R31/00GK103645396SQ201310603349
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】杨建红, 王铮, 张认成, 杨凯, 占友雄 申请人:泉州市嘉凯机电科技有限公司