一种用电设备电弧故障保护装置和用电设备控制系统的制作方法

本发明涉及设备工况检测与保护技术领域，具体涉及一种用电设备电弧故障保护装置和用电设备控制系统。

背景技术：

随着生活质量的提高，空调、冰箱等用电设备逐步走入了千家万户，这些设备内部线路复杂，由于线路老化或内部器件质量不合格等原因，可能存在不良电气连接或内部线路因为绝缘老化而发生故障电弧的问题。常见的故障电弧原因有以下几点：

1、尖锐器件刺破电源线挤压导致绝缘层被损坏；

2、连接线路中线与线接头出现虚焊、松动或氧化，导致接触电阻过大，发热大。

3、没有采用正确的保护装置，如断路器等。

4、电线绝缘老化导致绝缘层被击穿。

常用的防止电弧火灾的方法是采用加装空气开关(例如断路器)的方式对用电设备进行保护，当用电设备供电数据异常时控制所述空气开关断开，由于上述方式通过检测用电设备的供电电流对用电设备进行保护，当用电设备中的某个器件出现故障电流时，不能立即对设备进行保护，只有当该故障电流体现在用电设备的供电电流且使得所述供电电流满足设定的断路条件时，才能够对设备进行断电保护，如果供电电流达不到断路条件，则所述断路器无法对用电设备进行断路保护，由此，传统的技术方案可靠性差，无法保证当用电设备出现故障电弧时对设备进行及时断电保护。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种用电设备电弧故障保护装置，以实现当用电设备出现故障电弧时能够及时发现，并对用电设备进行断电保护。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种用电设备电弧故障保护装置，包括：

设置于用电设备的供电线路上的断路保护器；

用于对用电设备的工作电流进行检测的电流检测电路；

输入端与所述电流检测电路的输出端相连的电弧检测微处理器，所述电弧故障检测微处理器的输出端与所述断路保护器的控制端相连。

优选的，上述用电设备电弧故障保护装置，还可以包括：

设置在所述电流检测电路和所述电弧检测微处理器之间的信号调制电路和模数转换电路。

优选的，上述用电设备电弧故障保护装置中，还可以包括：

测试电路，用于向所述电弧检测微处理器输出模拟故障电弧电流信号。

优选的，上述用电设备电弧故障保护装置中，还可以包括：

设置在所述电弧故障检测微处理器的输出端与所述断路保护器的控制端之间的断路保护器驱动电路。

优选的，上述用电设备电弧故障保护装置中，所述断路保护器为电磁保持继电器，所述断路保护器驱动电路为电磁保持继电器驱动电路，所述电磁保持继电器驱动电路用于依据所述电弧故障检测微处理器输出的触发信号，驱动所述电磁保持继电器脱扣。

优选的，上述用电设备电弧故障保护装置中，还可以包括：

与所述电弧检测微处理器相连的、用于对用电设备进行检测的漏电检测电路、过流检测电路、过压检测电路、欠压检测电路和/或短路检测电路。

优选的，上述用电设备电弧故障保护装置中，还可以包括：

与所述电弧检测微处理器相连的无线信号发送器；

与所述断路保护器驱动电路相连的无线信号接收器，所述无线信号接收器用于通过无线网络获取所述无线信号发送器输出的用于对断路保护器的工作状态进行控制的控制信号。

优选的，上述用电设备电弧故障保护装置中，所述无线信号发送器为所述用电设备自带的无线通信模块中的无线信号发送器。

优选的，上述用电设备电弧故障保护装置中，所述电流检测电路的数量为多个，每个电流检测电路对应检测所述用电设备中的一个预设的功能模块的工作电流。

优选的，上述用电设备电弧故障保护装置中，还包括：

网络服务器，用于获取当所述电弧检测微处理器检测到用电设备出现电弧故障时生成的故障信号，依据预设地址向用户终端输出设备故障告警信号。

一种用电设备控制系统，应用于用电设备中，包括：

上述任意一项所述的用电设备电弧故障保护装置。

优选的，上述用电设备控制系统应用于空调设备中。

基于上述技术方案，本发明实施例提供的用电设备电弧故障保护装置和用电设备控制系统，通过所述采样电路自动对所述用电设备的工作电流进行采样，将采样电流发送至所述电弧故障检测微处理器，所述电弧故障检测微处理器依据所述采样电流进行故障电弧判断，当判定所述用电设备出现故障电弧时，控制所述断路保护器断开，以对用电设备进行断电保护，从而当用电设备出现故障电弧时能够及时发现，并对用电设备进行断电保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种用电设备电弧故障保护装置的结构示意图；

图2为本申请另一实施例公开的一种用电设备电弧故障保护装置的结构示意图；

图3为本申请又一实施例公开的一种用电设备电弧故障保护装置的结构示意图；

图4为本申请再一实施例公开的一种用电设备电弧故障保护装置的结构示意图；

图5为本申请实施例公开的一种用电设备电弧故障保护装置的封装结构示意图；

图6为本申请另一实施例公开的一种用电设备电弧故障保护装置的封装结构示意图；

图7为本申请又一实施例公开的一种用电设备电弧故障保护装置的封装结构示意图；

图8为本申请再一实施例公开的一种用电设备电弧故障保护装置的封装结构示意图；

图9为本申请实施例公开的一种电弧故障检测微处理器的具体工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对于现有技术中，通过断路器对用电设备进行保护的方案可靠性差的问题，本申请公开了一种用电设备电弧故障保护装置，参见图1，该装置可以包括：

设置于用电设备的供电线路上的断路保护器10，所述断路保护器10用于当用电设备的供电电流超过其自身配置的保护值时，对所述用电设备进行断电保护，以及当获取到电弧检测微处理器30输出的用于表征用电设备出现故障电弧的触发信号时，对所述用电设备进行断电保护；

用于对用电设备的工作电流进行检测的电流检测电路20，所述电流检测电路20用于对用电设备的工作电流进行采样，将采样得到的采样电流发送至所述电弧检测微处理器30，其中，所述工作电流可以指的是用电设备供电线路上的电流，也可以指的是所述用电设备内某个功能模块的工作电流；

输入端与所述电流检测电路20的输出端相连的电弧检测微处理器30，所述电弧故障检测微处理器30的输出端与所述断路保护器10的控制端相连，所述电弧故障检测微处理器30用于依据所述电流检测电路20输出的采样电流对所述用电设备进行故障判断，判断所述用电设备是否出现故障电弧，如果是，输出用于触发所述断路保护器10断开的控制信号。

当所述用电设备处于工作状态时，通过所述采样电路20自动对所述用电设备的工作电流进行采样，将采样电流发送至所述电弧故障检测微处理器30，所述电弧故障检测微处理器30依据所述采样电流进行故障电弧判断，当判定所述用电设备出现故障电弧时，控制所述断路保护器10断开，以对用电设备进行断电保护，从而当用电设备出现故障电弧时能够及时发现，并对用电设备进行断电保护。

在本申请实施例公开的上述方案中，所述电弧故障检测微处理器30可以选取现有技术中已有的故障电弧检测装置。当然，为了提高判断结果的精准性，可参考故障电弧的混沌属性，按混沌辨识思想提取故障电弧判断过程中所需的有关判断规则，由此，本申请可预先在所述电弧故障检测微处理器30中设置电弧故障的判定规则，当电流采样电路20输出的采样电流满足上述规则时，即判定用电设备出现故障电弧。为了更好的制定上述判定规则，申请人预先收集了大量的电弧信号数据，建立故障电弧数据库，尽可能多的选用多种负载，通过分析多种负载下的故障电弧波形，总结出具有用电设备出现故障电弧时，工作电流的普遍性质和特殊性质，为电弧故障的分析提供基础保障，申请人通过分析发现，故障电弧的特征概括起来可以包括：

(1)电弧电流不再具有周期性，在某些电流周期波形不完整，前后相邻周期内的电流波形差异较大。

(2)电弧电流不具有对称性，同一周期内正负半周波形差异性较大。

(3)电弧电流在过零点位置出现电流为零的一段时间，即“零休时间”。

(4)电弧电流在出现大量的高频谐波，在电弧燃烧过程中电弧电流局部有高频干扰，在电弧初始导通的时刻电流存在高频脉冲，这一现象在感性负载和容性负载的电路中更明显。

(5)过零点附近电弧电流中存在电流突变时刻。

(6)电弧电流比正常电流幅值稍小。

当用电设备的工作电流中出现上述特征量的电流时，即表明上述用电设备出现故障电弧，控制断路保护器10对用电设备进行断电保护。

具体的，所述电弧故障检测微处理器30被配置为：获取所述电流采样电路20输出的采样电流，当所述采样电流满足任意一项预设判定规则时，控制断路保护器对用电设备进行断电保护；

所述预设判定规则包括：当前周期内采样电流波形与其相邻周期内的电流波形不一致、当前周期内的采样电流波形不具备对称性、采样电流在过零点持续保持为0的时长超过预设时长、采样电流出现高频谐波，且所述高频谐波的持续时长超过设定阀值、以过零点为中间时间点的预设时间区间内存在突变电流和/或采样电流的幅值小于设定幅值。

在本申请另一实施例公开的技术方案中，参见图9，在判断用电设备中是否出现故障电弧时所述电弧故障检测微处理器30具体被配置为：

步骤S101：对一个周期的采样电流进行FFT变换；

步骤S102：计算各次谐波的模值；

所述电流采样电路的采样频率可以设计为工频的A次倍频，因此处理长度为A的序列得到A个谐波系数，然后计算得到各个谐波的模值；

步骤S103：计算特征向量；

本步骤中，由于DFT的共扼对称性，因此只保留采集到的A/2个谐波系数，上述A/2个谐波系数指的是采样电流的直流分量、基波和(A/2)-1次谐波分量的有效值，对上述A/2个谐波系数进行归一化处理，得到谐波有效值，保留的谐波有效值除以基波有效值，去除基波分量，计算出长度为(A/2)-1的谐波特征向量，特征向量所述包含了信号波形信息。谐波系数模：P(n)，n＝1，2,……,(A/2)-1；特征向量：X(n)＝P(n)/P(1)，提取特征向量；

步骤S104：当检测到出现电弧时，判断电弧的类型，当检测到设备出现异常故障电弧时，执行步骤S105，当检测到设备出现异常电弧时，执行步骤S106；

在本步骤中，通过计算各次谐波分量的大小，就检测采样电流的波形信息，以及波形的畸变程度，从而识别出用电设备中是否有故障电弧产生；

步骤S105：判断预设时间段内所述异常电弧出现的次数是否达到设定值，如果是，执行步骤S107；

步骤S106：控制所述断路保护器断开；

步骤S107：控制设备进入停机保护状态，判断所述异常电弧是否消失，如果否，执行步骤S106。

在本申请另一实施例公开的方案中，考虑到某些状态下的故障电弧不影响用电设备工作，或对用电设备的损害较小，此时可以不对所述用电设备进行断电保护的情况，所述电弧故障检测微处理器30还可以被配置为：

当依据所述采样电流判定所述用电设备中出现故障电弧时，判断所述故障电弧是否为第一类型的故障电弧时，如果是，控制所述断路保护器10对用电设备进行断电保护，如果否，计数器、计时器开始计时，当所述计时器达到设定时长时，判断所述计数器的计数值是否大于设定值，如果大于设定值，控制所述断路保护器10对所述用电设备进行断电保护，其中，所述第一类故障电弧为预设的能够对用电设备造成较大危害的故障电弧。

为了提高所述电弧故障检测微处理器30检测结果的正确性，防止其因采样电流中的干扰信号产生误判断，参见图2，本申请上述实施例公开的技术方案中，还可以包括：

设置在所述电流检测电10和所述电弧检测微处理器30之间的信号调制电路40和模数转换电路50，其中，所述信号调制电路40用于对所述电流采样电路采集到的采样电流进行调制，所述模数转换电路50，用于将调制后的采样电流转换为方便所述电弧检测微处理器30判断的数字信号。

当采用上述用电设备电弧故障保护装置对用电设备进行保护时，只有当用电设备出现故障电弧时，上述设备才可控制断路保护器10关断，而当用电设备内不出现故障电弧时，用户无法主动判断所述用电设备电弧故障保护装置是否能够正常响应用电设备的故障电弧，当用户用电设备电弧故障保护装置无法响应所述故障电弧且用户没有及时发现时，当所述用电设备出现故障电弧后，可能会直接造成用电设备起火，对此，参见图2，本申请上述实施例公开的上述装置中，还可以包括：

测试电路60，用于向所述电弧检测微处理器30输出模拟故障电弧电流信号，设计人员在所述测试电路60中设置一种或多种不同类型的故障电弧信号，当用户触发所述测试电路60时，所述测试电路60向所述信号调制电路40、模数转换电路50或直接向所述电弧检测微处理器30输出与用户操作相匹配的故障电弧信号。此时，当用户触发所述测试电路60后，如果所述断路保护器10断开，则表明所述用电设备电弧故障保护装置可正常工作。

在本申请上述实施例公开的技术方案中，所述断路保护器10的类型可以依据用户需求自行选择，例如其可以为电磁保持继电器。当所述电弧检测微处理器30判定用电设备中出现故障电弧时，所述电弧检测微处理器30输出的可能仅是一瞬时的电平信号，常规的断路保护器难以直接响应该电平信号执行断电保护动作，对此，参见图2，本申请上述实施例公开的技术方案中，还可以包括：

设置在所述电弧故障检测微处理器30的输出端与所述断路保护器10的控制端之间的断路保护器驱动电路70，所述断路保护器驱动电路70用于获取所述电弧故障检测微处理器30输出的用于表征所述用电设备出现故障电流的触发信号，当获取到所述触发信号后，向所述断路保护器10输出驱动信号，以驱动所述断路保护器10断开，对用电设备进行断电保护。

在本申请上述实施例公开的技术方案中，为了保证更加安全可靠的对设备断电，所述断路保护器10可以为电磁保持继电器，此时，所述断路保护器驱动电路70为电磁保持继电器驱动电路，所述电磁保持继电器驱动电路用于当获取到所述电弧故障检测微处理器30输出的触发信号后，驱动所述电磁保持继电器执行脱扣动作，以使得用电设备与电源之间的物理断电，提高断电的可靠性，有效降低了用户在维修用电设备时出现误触电的可能。

在本申请上述实施例公开的方案中，参见图2，还配置有用于向各个工作模块供电的电源模块90，该电源模块90可以包括：开关电源91和电压转换电路92，所述电压转换模块92用于将所述开关电源91输出的电压转换成各个工作模块所需的工作电压。

用电设备在工作过程中，如果设备长期处于漏电状态、过流状态、过压状态、欠压状态或短路状态时，有可能会对设备造成不可修复的损伤，对此，为了对所述用电设备进行更加严格的保护，参见图2，上述方案中还可以包括：

漏电检测电路80、过流检测电路81、过压检测电路82、欠压检测电路83和/或短路检测电路84，且上述各个电路均可以通过所述电流采样电路20检测到的采样电流对用电设备进行相关故障判断，当判断到用电设备处于故障状态时，控制所述断路保护器10对用电设备进行断电保护，其中，上述漏电检测电路80、过流检测电路81、过压检测电路82、欠压检测电路83和短路检测电路84判断到用电设备处于故障状态时，可以直接向所述断路保护器10输出用于控制其断开的控制信号，当然也可以通过所述断路保护器驱动电路70控制所述断路保护器10断开，当然，其也可以将该控制信号发送至所述电弧检测微处理器30中，由所述电弧检测微处理器30控制所述断路保护器30对所述用电设备执行断电保护，此时，所述电弧检测微处理器30被配置为，当检测到用电设备出现故障电弧或者是获取到所述电检测电路80、过流检测电路81、过压检测电路82、欠压检测电路83和/或短路检测电路84输出的控制信号后，直接或通过所述断路保护器驱动电路70控制所述断路保护器10对用电设备进行断电保护。

为了简化现场环境，参见图3和图4，本申请上述方案中，所述断路保护器驱动电路70和所述电弧检测微处理器30之间可以通过无线网络进行通信，即，上述方案中，还可以包括：

与所述电弧检测微处理器30相连的第一无线通信模块W1，所述无线通信模块W1至少内置有无线信号发送器；

与所述断路保护器驱动电路70相连的第二无线通信模块W2，其中图4中，所述第一无线通信模块W1为所述用电设备自带的无线通信模块，所述第二无线通信模块内至少内置有无线信号接收器，所述无线信号接收器用于通过无线网络获取所述无线信号发送器输出的用于对断路保护器10的工作状态进行控制的控制信号。其中，当所述用电设备为可以进行远程控制的智能设备时，所述第一无线通信模块W1可以为所述用电设备自带的无线通信模块。

参见图5-图8，在本申请上述实施例公开的技术方案中，所述断路保护器可以与所述用电设备的电源插头整体封装，将这些部件封装在一起，所述用电设备电弧故障保护装置中的其他各个模块可集成在同一块PCB电路板上，安装在设定的保护壳体中。当所述用电设备电弧故障保护装置故障时，为了方便用户更换用电设备电弧故障保护装置，其与所述用电设备之间可相互独立放置；当然为了简化现场环境，所述用电设备电弧故障保护装置中的断路保护器10、所述断路保护器驱动电路70以及所述电源插头进行整体封装，所述用电设备电弧故障保护装置中的其他部件可集成在同一PCB电路板中，将该电路板集安装于所述用电设备内部，此时，所述电弧检测微处理器30和所述断路保护器驱动电路70之间的通信线路可设置于所述用电设备的电源线中；当然，需要说明的是，当所述断路保护器驱动电路70与所述电弧检测微处理器30之间进行无线通信时，所述第二无线通信模块W2同样也需与所述电源插头、断路保护器和断路保护器驱动电路整体封装于一起。

为了对用电设备进行更加精确地保护，所述用电设备电弧故障保护装置中可设置有多个电流检测电路，每个电流检测电路对应检测所述用电设备中的一个预设的功能模块的工作电流，例如所述用电设备为空调时，所述预设的功能模块可以指的是空调的电机、电加热和压缩机等。当然，也可以设置多个用电设备电弧故障保护装置以对用电设备中各个功能模块进行故障保护，此时，各个用电设备电弧故障保护装置之间共用一断路保护器10、短路保护器驱动电路70以及第二无线通信模块W2。

进一步的，上述方案中当需要对多个预设的功能模块进行故障判断时，由于功能模块的类型不同，其判断该功能模块是否出现电弧故障的判断规则也就不同，由此，上述方案中，所述电弧故障检测微处理器30还用于：计算由电流采样电路20采样得到的正常电流的谐波特征向量与预存储的所有功能模块的谐波特征向量进行比较，确定平方差最小的功能模块，调取与所述功能模块相匹配的判断规则作为所述功能模块是否出现故障电弧的判断依据。

在本申请一实施例公开的技术方案中，当用电设备出现故障时，为了能够及时对用户进行提醒，上述方案还可以包括一网络服务器，用于获取当所述电弧检测微处理器30检测到用电设备出现电弧故障时输出的故障信号，当获取到所述故障信号时，依据预设地址向用户终端输出设备故障告警信号，所述用户终端可以为手机、PC机等设备。

上述用电设备电弧故障保护装置可以无线接入小区消防报警中心，作为火灾预警使用，具体的，当控制所述断路保护器10对用电设备进行断路保护时，向所述小区消防报警中心输出一提示信号。

同时上述用电设备电弧故障保护装置中还可以内置烟雾或气体探测传感器，检测到发生电弧燃烧时的烟雾或气体时，输出告警信号。

可以理解的是，在上一方案中，所述电弧检测微处理器30还用于，当检测到用电设备出现电弧故障时生成并向网络服务器输出故障信号，其中，所述故障信号可以包括：设备的类型信息、设备地址信息、出现故障的功能模块的类型信息，所述网络服务器在获取到所述故障信号后，对所述故障信号进行解析，得到上述各项参数信息，再由预设映射表中获取与所述设备地址信息相匹配的预设地址信息，向与所述预设地址信息相匹配的用户中端输出告警信号，所述告警信号可以包括：设备的类型信息、出现故障的功能模块的类型信息、以及故障的类型信息，所述故障类型可以指的是，设备出现故障电弧、过流、过压或欠压等故障，当然，所述预设地址信息也可以直接包含于所述告警信号中。

对应于上述用电设备电弧故障保护装置，本申请还公开了一种用电设备控制系统，该用电设备控制系统中可以应用有本申请上述任意一项实施例公开的所述用电设备电弧故障保护装置，其中，所述用电设备可以指的是空调、冰箱等设备。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。