电弧故障检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型的实施例提供了一种用于电气火灾监控系统的电弧故障检测装置。该装置包括：故障电弧检测模块，用于检测线路和负载的故障电弧；以及报警通信模块，用于根据所述检测的故障电弧，提供故障的报警和通信。根据本实用新型的实施例，该装置的功能包括探测其下游线路和特定负载的各种电弧故障，包括串联电弧，并联电弧，接地电弧以及漏电故障，给出现场声光报警并通过CAN总线通信网络将故障信息传至远端的火灾监控系统等。
【专利说明】电弧故障检测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型的实施例涉及电气火灾监控领域，更具体地，涉及用于电气火灾监控的电弧故障检测领域。
【背景技术】
[0002]电气火灾监控系统为可能发生的电气火灾提供先期预报警，是预防电气火灾的重要手段。电气火灾监控系统一般分为三层结构，最上层是监控主机，最下层是各种现场探测器，其中电弧故障探测器作为现场探测器中的一种，是电气火灾监控系统的一个重要组成部分。故障电弧是由于电线等的电气绝缘老化、破损、空气潮湿引起的空气击穿或者电气连接松动等原因造成的。电弧能量大，温度高，故障电弧容易引起火灾甚至爆炸，危害十分大。因此，于2012年12月份发布的国标GB14287.4明确提出在电气火灾监控系统中应用电弧故障检测装置的相关要求。
[0003]但是，目前已有的电气火灾监控系统无法提供完整良好的电弧故障检测功能。并且，中国的电压网络和负载类型复杂，电能质量不高，电网中谐波含量丰富，线路中可能存在各种电弧故障，已有的电弧故障检测装置无法提供良好的电弧故障检测功能。即使单独的电弧故障检测装置能在一定程度上起到电弧故障检测的作用，但是质量差，可靠性低，故障报警不实时，无法为电气火灾监控系统提供可靠及时的报警，因此无法为用户提供一个完整的包含电弧故障检测功能，并且满足用户需求的电气火灾监控系统。
[0004]因此，需要一种电弧故障检测装置，能够克服以上缺陷，为用户提供完整的包含电弧故障检测功能的电气火灾监控系统。
实用新型内容
[0005]针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的实施例提供了一种电弧故障检测装置。该装置包括:故障电弧检测模块，用于检测线路和负载的故障电弧；以及报警通信模块，用于根据所述检测的故障电弧，提供故障的报警和通信。
[0006]根据本实用新型的一个实施例，所述故障电弧检测模块包括:电弧检测电路，用于获取所述线路的高频信号；以及电弧检测控制器，用于接收来自所述电弧检测电路的所述高频信号，并且获得故障判断信息。
[0007]根据本实用新型的一个实施例，所述故障电弧检测模块进一步包括:漏电检测电路，用于将获取的低频信号输出到所述电弧检测控制器。
[0008]根据本实用新型的一个实施例，所述故障电弧检测模块进一步包括:电压检测电路，用于执行过零点同步，并且将同步信号输出到所述电弧检测控制器。
[0009]根据本实用新型的一个实施例，所述故障电弧检测模块进一步包括:温度补偿电路，用于获得实时温度，并且将温度补偿信号输出到所述电弧检测控制器。
[0010]根据本实用新型的一个实施例，所述故障电弧检测模块进一步包括:功能测试电路，用于验证所述电弧故障检测装置的功能。
[0011]根据本实用新型的一个实施例，所述报警通信模块包括:数据通信控制器，用于产生所述报警通信模块的报警信息。
[0012]根据本实用新型的一个实施例，所述报警通信模块还包括:电气隔离单元，用于将所述报警通信模块与非安全电压电路隔离。
[0013]根据本实用新型的一个实施例，所述报警通信模块进一步包括:通信地址设置电路，用于设置所述电弧故障检测装置的通信地址；以及系统通信接口电路，用于根据所述通信地址，将所述数据通信控制器产生的所述报警信息发送至火灾监控系统的监控主机。
[0014]根据本实用新型的一个实施例，所述报警通信模块进一步包括:报警指示电路，用于根据所述数据通信控制器产生的所述报警信息，输出指示信号。
[0015]根据本实用新型的一个实施例，所述报警指示电路包括:光报警电路，用于输出光报警信号。
[0016]根据本实用新型的一个实施例，所述报警指示电路包括:声音报警电路，用于输出声音报警信号。
[0017]根据本实用新型的一个实施例，所述报警指示电包括:干接点输出电路，用于输出干接点信号。
[0018]根据本实用新型的一个实施例，所述报警指示电路包括:工作状态指示电路，用于指示所述电弧故障检测装置的工作状态。
[0019]根据本实用新型的一个实施例，所述报警通信模块进一步包括:报警复位电路，用于将报警复位信号输出至所述数据通信控制器。
[0020]根据本实用新型实施例提供的电弧故障检测报警装置，符合电气火灾监控系统标准GB14287.4的相关要求；根据中国电网和电气负载特点而设计；在紧凑结构中实现故障电弧检测、报警通信、电网直接供电等功能；使用CAN总线，可以主动迅速的将现场报警传递至远处的监控室；提供现场的声、光报警功能。为用户提供了一种高质量，高可靠性，高性价比的电弧故障检测产品，具有报警通信功能，为完整的电气火灾监控系统的重要组成部分。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面将结合附图对本实用新型的实施例进行详细描述，以便本领域技术人员能够通过阅读本说明书而实施本实用新型。
[0022]图1图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置。
[0023]图2图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的各组成部分。
[0024]图3图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的故障电弧及漏电检测电路框图。
[0025]图4A、4B图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的高频检测电路图。
[0026]图5图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的线电流检测电路图。
[0027]图6图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的漏电检测电路图。
[0028]图7图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的线电压检测和过零检测电路图。
[0029]图8图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的上位机通信电路图。
[0030]图9A、9B图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的声光报警电路图。
[0031]图10图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的控制输出电路图。
【具体实施方式】
[0032]现在将仅通过示例性方式来详细地描述本实用新型的各种实施方式。
[0033]电气火灾监控系统分为三层结构:最上层是监控主机，最下层是各种现场探测器，探测器可以直接或者通过监控单元与监控主机相连。其中电弧故障检测装置作为现场探测器的一种加入该火灾监控系统。当电弧故障检测装置检测到被其监控的下游电路中出现故障电弧时，会发送报警信息给最上层的监控主机。报警信息传递的路径可以是直接由电弧故障探测器到监控主机，或者是通过监控单元发送给监控主机。用户也可以通过监控主机设置电弧故障检测装置的各种工作参数。监控主机通过通信网络将这些工作参数下发到对应的电弧故障检测装置。
[0034]根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置被安装在25A以下的配电支路中，串联在断路器与被监控负载之间。
[0035]参考图1，图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置，其可以包括:故障电弧检测模块20，用于检测线路和负载的故障电弧；以及报警通信模块40，用于根据所述检测的故障电弧，提供故障的报警和通信。其中故障电弧检测模块20采集线路和负载的各种电气量，并进行分析和判断，形成故障电弧的检测信息，并与报警通信模块40进行内部通信，将有关故障电弧的检测信息发送至报警通信模块40，由报警通信模块40与电气火灾监控系统的监控主机进行通信，实现电弧故障的通信，从而实现电气火灾的预警。可选择地，当电弧故障检测装置检测到故障电弧之后，也可以在将故障电弧信息发送至远端的监控主机的同时，在现场通过声或光等形式进行报警，从而提供全方位的电气火灾预警功倉泛。
[0036]图1示出根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置还可以包括开关电源模块60，为故障电弧检测模块20和报警通信模块40供电，保持其正常工作。电弧故障检测装置的内部电路的工作电源可以直接取自公共电网，将220V/50HZ的电网交流电压转换为3V、3.3V或5V直流电压供给内部电路。可选地，开关电源模块60还可以包括掉电保护单元，保证电弧故障检测装置的持续工作。掉电保护单元可以是电池模块。
[0037]参考图2，图示根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的各组成部分。如图所示，其中故障电弧检测模块20包括:电弧检测电路24，用于获取所述线路的高频信号；以及电弧检测控制器22，用于接收来自所述电弧检测电路24的所述高频信号，并且获得故障判断信息。具体来说，电弧检测电路24包括高频电流信号检测线圈，以及带通滤波器，依靠电弧故障时线路的电流波形包含丰富的高频分量这一特点，提取高频谐波分量作为故障电弧的判断准则。一般来说，提取的高频谐波分量的频率为20kHZ，30kHZ，和50kHZ。所提取的高频谐波信号被发送至电弧检测控制器22进行分析、判断和处理。
[0038]电弧检测控制器22用于计算、比较、分析来自电弧检测电路24的高频谐波信号，并判断线路中是否发生电弧故障。由于线路中存在一些特定的负载，例如开关模式电源等，也可能导致电弧检测电路24检测到高频谐波分量，但此时并没有发生电弧故障，即所谓的假电弧故障。由电弧检测控制器22判断是否是假电弧故障，并进行区别对待。当判断为发生真电弧故障时，通过UART通信口通知数据通信控制器44进行相应的声、光报警等后续处理。
[0039]电弧检测控制器22接收到的用于进行电弧故障判断的信息，除了高频信号之外，还包括其他信号例如漏电检测信号、温度补偿信号等，将在下文进一步描述。
[0040]根据本实用新型的一个实施例，所述故障电弧检测模块20进一步包括:漏电检测电路26，用于将获取的低频信号输出到所述电弧检测控制器22。漏电检测电路26包括低频电流互感器和低通滤波器，并将其获得的低频漏电检测信号输出连接至电弧检测控制器22，由电弧检测控制器22进行漏电检测。通过漏电检测电路26，实现了电弧故障检测装置的漏电检测功能，以便为用户提供更全面的故障检测，节省额外的投资。
[0041]根据本实用新型的一个实施例，所述故障电弧检测模块20进一步包括:电压检测电路28，用于执行过零点同步，并且将同步信号输出到所述电弧检测控制器22。具体来说，电压检测电路28对电网电压进行采样，执行电压过零点同步，并且其输出连接至电弧检测控制器22，用于进行准确的电弧故障检测。
[0042]根据本实用新型的一个实施例，所述故障电弧检测模块20进一步包括:温度补偿电路27，用于获得实时温度，并且将温度补偿信号输出到所述电弧检测控制器22。由于检测电弧故障所使用的电流互感器具有温度敏感特性，该电路可以实时检测电流互感器或电压互感器周围的温度，并将结果发送至电弧检测控制器22进行分析、判断，以矫正电流互感器或电压互感器的各项参数，用于进行准确的电弧故障检测。
[0043]根据本实用新型的一个实施例，所述故障电弧检测模块20进一步包括:功能测试电路29，用于验证所述电弧故障检测装置的功能。此电路可以方便用户对电弧故障检测装置进行定期的功能验证，包括电弧检测功能、漏电检测功能、数据通信功能等，以便确保电弧故障检测装置的可靠性。此电路由一个机构测试按钮和一组电路组成。当按下按钮时，会产生漏电流，并触发电弧检测控制器22输出一串高频信号给电弧检测线圈。当电弧故障检测器22检测到漏电检测电路26和电弧检测电路24的有效输出后，会通知数据通信控制器44发出短暂的声、光报警，以示整个功能电流工作正常。
[0044]根据本实用新型的一个实施例的，所述报警通信模块40包括:数据通信控制器44，用于产生所述报警通信模块的报警信息。数据通信控制器44是整个报警通信模块40的主控单元，其功能包括:控制报警通信模块的其他电路，转发电弧检测模块20的报警信息，接收来自火灾监控系统的各种命令和控制参数。
[0045]根据本实用新型的一个实施例，所述报警通信模块40还包括:电气隔离单元41，用于将所述报警通信模块40与非安全电压电路隔离。报警通信模块40中进行系统通信、声光报警等的电路用于信号处理，这些电路的电压均属于不伤害人身安全的电压等级。电气隔离单元41可以通过例如光耦合或者磁耦合的方式将非安全电压电路隔离与报警通信模块40的电路隔离开来，保证操作者的人身安全。
[0046]根据本实用新型的一个实施例，所述报警通信模块40进一步包括:通信地址设置电路45，用于设置所述电弧故障检测装置的通信地址；以及系统通信接口电路47，用于根据所述通信地址，将所述数据通信控制器44产生的所述报警信息发送至火灾监控系统的监控主机。具体来说，通信地址设置电路45为电弧故障检测装置赋予一个通信地址，在火灾监控系统中，包括电弧故障检测装置在内的每一个通信终端均有唯一的物理地址，该通信地址用于火灾监控系统的监控主机与电弧故障检测装置之间的通信。通信系统接口电路47用于电弧故障检测装置与火灾监控系统连接。通过通信系统接口电路47，各种报警信息被发送至火灾监控系统的监控主机，具体包括串联电弧、并联电弧、接地故障等。同时，通过通信系统接口电路47，电弧故障检测装置接收监控主机发送过来的各种设置参数，例如故障电弧报警阈值、报警延时等可以通过用户设定的参数。
[0047]根据本实用新型的一个实施例，所述报警通信模块40进一步包括:报警指示电路42，用于根据所述数据通信控制器44产生的所述报警信息，输出指示信号。数据通信控制器44根据故障电弧检测模块20发送给报警通信模块40的各种故障信息，形成报警信息，并将报警信息发送至报警指示电路42，用于发出报警信息和指示信息，实现火灾监控系统的监控和预警功能。
[0048]根据本实用新型的一个实施例，所述报警指示电路42包括:光报警电路424，用于输出光报警信号。当数据通信控制器44接收到电弧检测控制器22发送过来的各种故障信息之后，形成报警信息，驱动光报警电路动作，发出光报警信号。
[0049]可选地或者可替换地，所述报警指示电路42包括:声音报警电路426，用于输出声音报警信号。当数据通信控制器44接收到电弧检测控制器22发送过来的各种故障信息之后，形成报警信息，驱动声音报警电路动作，发出声音报警信号。
[0050]可选地或者可替换地，所述报警指示电路42包括:干接点输出电路422，用于输出干接点信号。干接点信号通常可以包括两种状态，分别与电弧故障检测结果相关联，表达是否检测到电弧故障。提供干接点输出电路的原因在于某些特定用户不需要复杂的通信功能，而仅需要在检测到电弧故障时触发继电器动作，或者给出指示信号。干接点输出电路422即是针对这类用户需求，提供简单的控制输出。
[0051 ] 可选地或者可替换地，所述报警指示电路42包括:工作状态指示电路423，用于指示所述电弧故障检测装置的工作状态，例如可以包括供电正常、通信故障等等。
[0052]根据本实用新型的一个实施例，所述报警通信模块40进一步包括:报警复位电路43，用于将报警复位信号输出至所述数据通信控制器44。具体来说，对于已发生的报警，用户可以选择用远程通信或者现场手动的方式将报警复位。针对现场手动复位方式，报警复位电路43的输出信号连接至数据通信控制器44，当输出通信控制器44接收到有效的报警复位信号后，将声、光报警关闭，并通过通信电路将报警复位动作发送给火灾监控系统监控主机。
[0053]图2所示的根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的组成部分，是按照其功能对各组成部分进行划分。作为具体的硬件设计，图2中所示的一个部分，可以在硬件设计中被实施成多个部分，而在图2中的多个部分，可以在硬件设计中被实施成为一个部分。这样的变化，对于本领域技术人员来说，是可以根据本说明书所公开的内容以及本领域的公知常识进行的。下面将结合具体电路图，对图2所示的根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置进行进一步的描述。应当注意，所示出的具体电路图，仅出于示意的目的帮助进一步阐述本实用新型的原理，而不在于将本实用新型限制于所示实施例的具体电路图。
[0054]参考图3，所示为根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的故障电弧及漏电检测电路框图。在该电路中，通过高频检测电路、线电流检测电路、线电压检测和电压过零检测电路、漏电检测电路收集线路中的电压和电流信号，被送至微处理器，并由微处理器进行分析处理，判断是否有故障电弧或漏电发生。其中所示的微处理器用于实现电弧检测控制器22，接收来自于电弧检测、漏电检测等电路获取的各种信息，判断是否存在电弧故障以及是否为真电弧故障。图中所示的电流互感器、积分电路和高频电流检测电路用于实现电弧检测电路24。图中所示的接地故障检测互感器和差分电流传感电路用于实现漏电检测电路26。图中所示的过零点电压监控电路用于实现电压检测电路28。图中所示的PTT按钮以及PTT电路用于实现功能测试电路29。电弧检测电路24、漏电检测电路26、电压检测电路28、以及功能测试电路29不一定必须按照图示的硬件电路进行实施，而是可以根据本领域技术人员的常用技术手段进行替换。例如，用于实现电弧检测电路24的电流互感器、积分电路和高频电流检测电路，也可以使用电流感测电阻和运算放大器来搭建的滤波电路来替代，同样实现对高频信号的检测。
[0055]参考图4A、4B，图示为根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的高频检测电路图。该电路用于实现电弧检测电路24，具体由三个带通滤波器组成，对电流互感器TRl输出的信号进行滤波处理，分别采集负载线路中20kHZ、30kHz、50kHz的高频电流分量，输出给微处理器。
[0056]参考图5，图示为根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的线电流检测电路图。该电路用于检测线电流，具体来说，该电路与高频检测电路共用一个电流互感器，即图4A所示的TR1，输出线电流信号给微处理器。
[0057]参考图6，图示为根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的漏电检测电路图。该电路用于实现漏电检测电路26，具体来说，该电路通过电流互感器TR2，即接地故障检测互感器，检测线路上的漏电信号，输出给微处理器。
[0058]参考图7，图示为根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的线电压检测和过零检测电路图。该电路用于实现电压检测电路28，具体来说，该电路对输入电压进行分压处理，输出线电压信号和电压过零信号给微处理器，其中电压过零信号为方波形式。
[0059]参考图8，图示为根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的上位机通信电路图。该电路通过CAN总线与上位机通信，所述上位机例如可以是火灾监控系统的监控主机，或者可以是火灾监控系统的监控单元。
[0060]参考图9A、9B，图示为根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的声光报警电路图。其中图9A用于实现光报警电路424，具体通过LED灯来实现报警。图9B用于实现声音报警电路426，具体通过蜂鸣器来实现报警。
[0061]参考图10，图示为根据本实用新型的一个实施例的电弧故障检测装置的控制输出电路图。该电路用于实现干接点输出电路422，其输出的干接点信号用于驱动继电器，继电器的输出具有掉电自保持功能。
[0062]该产品作为电气火灾监控系统的一个重要组成部分，具有如下功能:探测其下游线路和特定负载的各种电弧故障，包括串联电弧，并联电弧，接地电弧以及漏电故障；给出现场声光报警；通过CAN总线通信网络将故障信息传至远端的火灾监控系统；提供一组干接点以方便和其它报警监控系统的联动；输出干接点在电源掉电之后仍然可以自动保持之前的状态；具有预警或者报警延时功能；报警发生后，可以选择使配接的断路器脱扣或不脱扣；作为配接附件，可以驱动小型断路器切断下游发生故障线路的电源。
[0063]以上已经出于示例和描述的目的给出了本实用新型的各个实施方式，但是其并不旨在穷举或者将本实用新型的保护范围限制于所公开的形式。本领域技术人员可以想到很多修改和变体。因此，实施例是为了更好地说明本实用新型的原理、实际应用以及使本领域技术人员中的其他人员能够理解以下内容而选择和描述的，即，在不脱离本实用新型的精神的前提下，做出的所有修改和替换都将落入所附权利要求定义的本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.一种电弧故障检测装置，包括: 故障电弧检测模块(20)，用于检测线路和负载的故障电弧；以及 报警通信模块(40)，用于根据所述检测的故障电弧，提供故障的报警和通信， 其中所述故障电弧检测模块(20)包括: 电弧检测电路(24)，用于获取所述线路的高频信号；以及 电弧检测控制器(22)，用于接收来自所述电弧检测电路(24)的所述高频信号，并且获得故障判断息。
2.根据权利要求1所述的电弧故障检测装置，其中所述故障电弧检测模块(20)进一步包括: 漏电检测电路(26)，用于将获取的低频信号输出到所述电弧检测控制器(22)。
3.根据权利要求2所述的电弧故障检测装置，其中所述故障电弧检测模块(20)进一步包括: 电压检测电路(28)，用于执行过零点同步，并且将同步信号输出到所述电弧检测控制器(22)。
4.根据权利要求3所述的电弧故障检测装置，其中所述故障电弧检测模块(20)进一步包括: 温度补偿电路(27)，用于获得实时温度，并且将温度补偿信号输出到所述电弧检测控制器(22)。
5.根据权利要求4所述的电弧故障检测装置，其中所述故障电弧检测模块(20)进一步包括: 功能测试电路(29)，用于验证所述电弧故障检测装置的功能。
6.根据权利要求1至5中任一所述的电弧故障检测装置，其中所述报警通信模块(40)包括: 数据通信控制器(44)，用于产生所述报警通信模块的报警信息。
7.根据权利要求6所述的电弧故障检测装置，其中所述报警通信模块(40)还包括: 电气隔离单元(41)，用于将所述报警通信模块(40)与非安全电压电路隔离。
8.根据权利要求7所述的电弧故障检测装置，其中所述报警通信模块(40)进一步包括: 通信地址设置电路(45)，用于设置所述电弧故障检测装置的通信地址；以及系统通信接口电路(47)，用于根据所述通信地址，将所述数据通信控制器(44)产生的所述报警信息发送至火灾监控系统的监控主机。
9.根据权利要求8所述的电弧故障检测装置，其中所述报警通信模块(40)进一步包括: 报警指示电路(42)，用于根据所述数据通信控制器(44)产生的所述报警信息，输出指不信号。
10.根据权利要求9所述的电弧故障检测装置，其中所述报警指示电路(42)包括: 光报警电路(424)，用于输出光报警信号。
11.根据权利要求9所述的电弧故障检测装置，其中所述报警指示电路(42)包括: 声音报警电路(426)，用于输出声音报警信号。
12.根据权利要求9所述的电弧故障检测装置，其中所述报警指示电路(42)包括: 干接点输出电路(422),用于输出干接点信号。
13.根据权利要求9所述的电弧故障检测装置，其中所述报警指示电路(42)包括: 工作状态指示电路(423)，用于指示所述电弧故障检测装置的工作状态。
14.根据权利要求8所述的电弧故障检测装置，其中所述报警通信模块(40)进一步包括: 报警复位电路(43)，用于将报警复位信号输出至所述数据通信控制器(44)。
【文档编号】G01R31/02GK203929969SQ201320844719
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】周磊, S·田, 李广利, 赵海军, 向乐, 李静, 龙丽, 刘向东, 李祎博, 杜振明 申请人:施耐德电气工业公司