一种电弧故障检测系统的制作方法

1.本实用新型涉及电气领域，具体涉及一种电弧故障检测系统。


背景技术：

2.目前，在国内的中低压电气领域，随着用电设备种类的增多和用电规模的增大，电气火灾发生频率越来越高，在全国占火灾总比30％以上。这些电气火灾中，故障电弧是引起电气火灾的主要原因，而普通常规的电气保护开关及断路器，仅对过载、短路、漏电、过压进行保护，对故障电弧无任何响应，不能够降低电气火灾的发生，电弧是广泛存在于电力设备中，小到日常用电器的插头插拔，大到高压输电线路的投切，根据电弧给系统和设备带来的影响程度，能够分为好弧和坏弧，日常生活中用电器插头插拔时产生的电弧，俗称电火花，伴有轻微的放电声音，就是好弧的一种，不会影响用电器的正常工作，也不会带来安全隐患，而当电缆、电线的绝缘皮破损或电缆断裂时，产生的电弧则是坏弧的一种，电弧会持续燃烧，释放热能，若不能及时发现并熄灭电弧，很可能引发火灾等造成人员伤亡和财产损失的事故。
3.针对电弧可能带来的危险，需要配备故障电弧检测及保护装置，目前大多数故障电弧的检测方法包括：时域特征法、小波变换法、fft+神经网络法、谐波含量法等等，以上检测方法均属于纯软件算法，需高速采样率。在电路中发生故障电弧时，其电流高频带通状特征分量明显增加，且主要分布在10khz～200khz频段内，这使得纯软件方法存在以下局限：
4.1.需要2倍带宽以上的采样率，才能保证波形不失真，并在后续处理中完整提取故障电弧的特征，使得adc与cpu运算量太高，开销大，总成本高。
5.2.电流的动态范围超过60db，需要对前级进行agc动态控制增益，才能保证幅度上低失真的转换为数字信号，这对电路的前级放大以和agc控制提出了较高的要求。
6.3.在高速adc采样之前，还需要设计比较陡峭的抗混叠滤波器，增加了一定的电路复杂度。
7.由于电弧信号横跨从几千赫兹到几百兆赫兹甚至上亿赫兹的宽频谱特性决定了通过以上方法采集数据的局限性，数据信息虽然庞大却不完整，采样范围过宽，导致采样精度下降，或者通过多增益回路的方式，既增加了电路的复杂性和高成本，也导致因电路过于复杂庞大而导致的高失效率、低可靠性。
8.所以会造成电弧拒动和误动情况，在出现某些故障电弧时，本应准确检出并及时动作，却经常出现拒动的问题，导致无法有效对故障电弧进行断电保护，引发火灾等电气事故，本应正常的电弧出现时不应保护动作的，却因为误检而出现误动断电，导致客户使用体验极差，成为当今电弧检测领域的一大痛点。
9.针对现有技术存在的问题，特别需要一种电弧故障检测系统及保护技术，以解决现有技术的不足。


技术实现要素：

10.针对现有技术中存在的不足，影响用电设备的安全，本实用新型提出一种电弧故障检测系统，设计新颖，能够精准、灵敏的实现电弧检测，以达到保护电气线路安全的目的，已解决现有技术的缺陷。
11.本实用新型的技术方案具体如下：
12.一种电弧故障检测系统，
13.包括电流检测互感器、电源电路、电弧电压信号采集电路、电弧电流信号采集电路、信号处理及控制电路、驱动电路；
14.电流检测互感器穿设于火线或零线，用于在采集电流信号的同时获取感应电流；
15.电源电路分别与电流检测互感器的输出端以及电弧电压信号采集电路、电弧电流信号采集电路、信号处理及控制电路、驱动电路连接，用于在电流检测互感器获取感应电流后，将输入的交流电源转换成低压直流电源分别输出至电弧电压信号采集电路、电弧电流信号采集电路、信号处理及控制电路、驱动电路；
16.电弧电压信号采集电路包含有滤波电路、放大电路、对数运算电路，滤波电路连接交流输入电源的火线或者零线中的电压波形，滤波器首先提取所需特征频段的电压信号，同时去除不相关以及干扰信号频段的信号，放大电路对提取频段的电压信号进行放大，通过对数运算电路将整个有效宽频段有用的频普信号全面收集，收集的有用信号集中通过对数运算电路的压缩效应转换为全副段的电压模拟信号，将转换的电压幅值模拟信号输送至信号处理及控制电路；
17.电弧电流信号采集电路连接电流检测互感器的输出端，电弧电流信号采集电路包含有滤波电路、放大电路，滤波器首先提取所需特征频段的电流信号，同时去除不相关以及干扰信号频段的信号，放大电路对提取频段的电流信号进行放大后输送至信号处理及控制电路；
18.信号处理及控制电路在接收到电源电路输出的低压直流电源后启动运行，信号处理及控制电路将数据进行对比生成开关控制信号输出至驱动电路；驱动电路控制电气线路脱扣器的开关断点，以实现电气线路的保护。
19.进一步，所述滤波电路采用由电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管或其组合组成的无源滤波电路。
20.进一步，所述滤波电路采用基于运放的有源滤波电路。
21.进一步，所述滤波电路由分立元件或集成运放组成的一阶或多阶带通、带阻混合滤波电路。
22.进一步，所述对数运算电路采用由分立元件或集成运放组成。
23.进一步，所述对数运算电路采用由运放组成的电弧频谱信号处理电路。
24.进一步，所述信号处理及控制电路采用单片机处理器。
25.进一步，所述电源电路包括整流电路、阻容降压限流电路、隔离的过零检测电路、稳压电路，整流电路采用半波或全波整流电路，整流电路连接电流检测互感器的输出端，整流电路转换成的低压直流电源通过稳压电路输出。
26.进一步，所述驱动电路包含有触发电路、开关电路，触发电路由阻容元件或二极管或三极管或场效应管构成，开关电路由单相或双相可控硅或晶闸管和脱扣器构成。
27.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
28.本实用新型结构简单，对电弧进行全频段的电流和电压信号的综合采样和全面准确的电弧信号分析，将故障电弧准确及时的检出进行断电保护，从而有效的避免了因电弧故障引起的诸如火灾等电气事故的发生，而且进行全频段的电流和电压信号的综合采样和全面准确的电弧信号分析，将故障电弧和正常电弧进行准确有效的区分，从而避免了误动，极大的改善了客户的使用体验，减少投诉，以达到保护电气线路安全的目的。
附图说明
29.图1是本实用新型结构框图；
30.图2是本实用新型电源电路结构框图；
31.图3是本实用新型电弧电压信号采集处理电路结构框图；
32.图4是本实用新型电弧电流信号采集处理电路结构框图；
33.图5是本实用新型信号处理及控制电路结构框图；
34.图6是本实用新型驱动电路及脱扣结构框图；
35.图7是本实用新型实施例电源电路图；
36.图8是本实用新型实施例电弧电压信号采集处理电路；
37.图9是本实用新型实施例电弧电流信号采集处理电路；
38.图10是本实用新型实施例驱动电路图；
39.图11是使用本实用新型滤波器后的信号示意图；
40.图12是使用本实用新型对数运算电路后的信号采集示意图；
具体实施方式：
41.为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。
42.参见图1，一种电弧故障检测系统，包括电流检测互感器231、电源电路21、电弧电压信号采集电路22、电弧电流信号采集电路23、信号处理及控制电路24、驱动电路25；电流检测互感器231穿设于电气线路1，用于在采集电流信号的同时获取感应电流；
43.参见图2，电源电路21包括整流电路、阻容降压限流电路211、隔离的过零检测电路、稳压电路212，整流电路采用半波或全波整流电路，整流电路连接电流检测互感器的输出端，整流电路转换成的低压直流电源通过稳压电路输出，电源电路分别与电流检测互感器的输出端以及电弧电压信号采集电路、电弧电流信号采集电路、信号处理及控制电路、驱动电路连接，用于在电流检测互感器获取感应电流后，将输入的交流电源转换成低压直流电源分别输出至电弧电压信号采集电路、电弧电流信号采集电路、信号处理及控制电路、驱动电路；
44.参见图3，电弧电压信号采集电路22包含有滤波电路221、放大电路、对数运算电路222，滤波电路连接交流输入电源的火线或者零线中的电压波形，滤波器首先提取所需特征频段的电压信号，同时去除不相关以及干扰信号频段的信号，放大电路对提取频段的电压信号进行放大，通过对数运算电路将整个宽频段有用的频普信号全面收集，收集的有用信号集中通过对数运算电路的压缩效应转换为全副段的电压模拟信号，将转换的电压幅值模
拟信号输送至信号处理及控制电路；对数运算电路采用由分立元件或集成运放组成。
45.参见图4，电弧电流信号采集电路23连接电流检测互感器的输出端，电弧电流信号采集电路23包含有滤波电路、放大电路232，滤波器首先提取所需特征频段的电流信号，同时去除不相关以及干扰信号频段的信号，放大电路对提取频段的电流信号进行放大后输送至信号处理及控制电路；
46.另外，滤波电路采用由电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管或其组合组成的无源滤波电路，或者采用基于运放的有源滤波电路，滤波电路由分立元件或集成运放组成的一阶或多阶带通、带阻混合滤波电路。
47.参见图5、图6，信号处理及控制电路24采用单片机处理器241，单片机处理器241采用stm8系列或51系列或8位单片机，信号处理及控制电路在接收到电源电路输出的低压直流电源后启动运行，信号处理及控制电路将数据进行对比生成开关控制信号输出至驱动电路25；驱动电路25包含有触发电路251、开关电路252，触发电路由阻容元件或二极管或三极管或场效应管构成，开关电路由单相或双相可控硅或晶闸管和脱扣器构成，驱动电路控制电气线路脱扣器的开关断点，以实现电气线路的保护。
48.本实用新型采用硬件创新的方式，采用滤波电路和对数运算电路结合的方式，先通过滤波电路首先提取所需特征频段的电流电压信号，同时去除不相关以及干扰信号频段的信号，然后通过对数运算电路将整个宽频段的有用信号集中的通过运算电路的压缩效应转换为全幅段的电压特性来输出体现，幅值即电压峰值的对数，将转换的电压峰值传输至单片机，降低对单片机的要求，单片机的里边有电弧库，通过采集的电弧电压电流信号和电弧库内的电弧进行比对，然后确定是否电弧出现故障，电弧出现故障的时候，通过驱动电路控制脱扣器进行动作，以达到保护电气线路安全的目的。
49.实施例：
50.参见图7，电源电路包含有压敏电阻限压电路、降压整流电路、限压开通电路、上位截至电路、导通充电电源电路、过压保护电路、线性稳压电路以及隔离的过零检测电路，电源电路采用线性开关电源，以达到成本低，而且能耗小，以利于更好的采集电弧信号，完全电气隔离的电压过零检测电路，极大降低了电源噪声对电弧电压信号检测干扰。
51.参见图8，电弧电压信号采集电路包含有降压取样电路、测试电路、降压钳位电路、低频电弧电压处理电路、无源滤波电路，对数运算电路采用由运放组成的电弧频谱信号处理电路，性价比极高的电弧电压检测电路采用普通晶体管和普通运算放大器，滤波器首先提取所需特征频段的电流电压信号，将电弧信号的全频段都进行了采集和放大，同时去除不相关以及干扰信号频段的信号，然后通过对数运算电路将整个宽频段的有用信号集中的通过运算电路的压缩效应转换为全幅段的电压特性来输出体现，幅值即电压峰值的对数，将电压峰值模拟信号输送至单片机，极大的降低了成本，也有效的避免了因信号缺失导致的电弧故障的拒动事故。
52.参见图9，电弧电流信号采信电路包含有限流保护电路、取样电路、信号隔直电路、电弧电流低通滤波电路、电弧电流高通滤波电路，滤波电路提取频段的电流信号进行放大后输送至信号处理及控制电路，性价比极高的电弧电流检测电路采用了几个极低的最普通的电流互感器和普通的运算放大器，将电弧电流信号进行了采集和放大，及极大的降低了成本，也有效的避免了因信号缺失导致的电弧故障的拒动事故。
53.参见图10，单片机对采集的电弧信号和电弧库内的数据进行对比，然后确定是否是电弧出现故障，电弧出现故障的时候，通过驱动电路控制脱扣器进行动作，驱动电路包含有隔离前触发信号输出和低通过滤波电路，隔离后的触发电路和低通滤波电路，电子开关电路，导通时给脱扣器提供电流，单片机通过驱动电路控制开关断点。
54.参见图11，通过一个带通、带阻滤波电路将180mhz附近的有用信号放大，而将电网中的1mhz左右的plc干扰信号进行了衰减，参见图12，通过一个对数运算电路将所有的有用信号全部采集出来，见波形图上左半部分，当有用信号不足时则输出幅值相应降低，见波形图的右半部分。
55.本实用新型通过一种全新的性价比极高的电弧故障检测的硬件技术与应用于通用微处理器的嵌入式软件技术，即滤波电路和对算运算电路的结合，通过对算运算电路的压缩效应转换为全幅段的电压特性来输出体现，以达到采集全频段电弧电流和电弧电压的技术效果，通过单片机对采集的电弧信号经过比对处理，区分正常电弧与故障电弧，对正常电弧免疫不误动，对故障电弧不漏检不误检，以达到满足电气线路安全的目的。
56.最后，应当指出，以上实施例仅是本实用新型较有代表性的例子。显然，本实用新型不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本实用新型的保护范围。