一种快速的电气线路故障检测和线路切断设备及控制方法与流程

本发明涉及对正常电工作情况的不希望有的变化直接响应的自动断开紧急保护电路装置，有或无事后再连接的技术领域，特别涉及一种快速的电气线路故障检测和线路切断设备及控制方法。

背景技术：

在实际工作中，电气故障时有发生，其产生的原因很多，而排除故障的方法及方式只能根据故障的具体情况而定，这让部分维修人员感到困难，在排除故障的过程中，往往会走不少弯路，甚至造成较大损失。

常见的电气故障一般分为三类，包括电源故障、电路故障和设备及元件故障，这其中，电路故障主要包括断线、短路、短接，接地、接线错误，断路和短路的问题尤为重要，断路将导致用电器不能工作，也包括火警报警设备，而短路是电路中电流不流经用电器，而是直接连接电源正负两极，导致电路上的电流突然增大，造成电源损坏，直至导致导线的温度升高、诱发火灾。对于这类电气故障应当做到即时断开线路，最大程度保证用电设备的安全，保障用户的人身安全。

现有技术中，针对交流应用场合实现的断路设备，一般采用空开方式、机械继电器等方式，然而由于执行机构采用此类机械断开方式，故都存在断开时间过长的问题，而当采用固态继电器进行断开处理时，断路设备本身也受到交流频率影响，如常规50hz的供电网络，固态继电器的断开时间最大为10ms，远不能满足快速切断线路的要求；而在电气火灾监控系统中，由于断路引起的火灾占绝大多数，短路时产生的高温、大电流又是引起火灾的关键因素，当发生短路时，快速切断线路是避免电气火灾的重要手段之一，如果不能实现快速切断线路，则将造成更大的损失。

技术实现要素：

本发明解决了现有技术中，由于执行机构采用机械断开方式，故断开时间均过长，而当采用固态继电器进行断开处理时，断路设备本身也受到交流频率影响，远不能满足快速切断线路的要求，如果不能实现快速切断线路，则将造成更大损失的问题，提供了一种优化的快速的电气线路故障检测和线路切断设备及控制方法。

本发明所采用的技术方案是，一种快速的电气线路故障检测和线路切断设备，所述设备包括双向电流截停单元，所述双向电流截停单元的两端搭接于电气线路两端，所述双向电流截停单元外设有电路保护单元；所述设备还包括设于电气线路的采样端。

优选地，所述双向电流截停单元包括双向晶闸管，所述双向晶闸管的两端分别与电气线路的输入端和输出端连接。

优选地，所述双向晶闸管为2个单向晶闸管，2个所述单向晶闸管首尾连接。

优选地，所述电路保护单元包括顺次连接储能电容和储能电感，所述储能电容通过模拟开关连接至双向电流截停单元的一端，所述储能电感与双向电流截停单元的另一端连接。

优选地，所述电路保护单元还包括保护电阻，所述保护电阻的一端与双向电流截停单元的任一端连接，保护电阻的另一端连接至对应端的电气线路。

一种采用所述的快速的电气线路故障检测和线路切断设备的控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：初始化电缆使用环境，电缆工作频率为a；选定检测点进行采样布线；

步骤2：采用高速ad采样芯片对所述检测点进行电流和电压采样；

步骤3：实时对采样的电流和电压进行预处理；

步骤4：将预处理后的电流和电压进行微分运算，以对应的采样时间和电压分别为x轴和y轴，得到检测xoy坐标图；

步骤5：以标定电流和电压的微分后的xoy坐标图与检测xoy坐标图进行实时跟踪比对；

步骤6：若任一曲线段无法拟合，则当前线路出现短路，进行下一步，否则，重复步骤5；

步骤7：以当前时间点的检测xoy坐标图中电压为正值或负值确定对应的电流方向，对双向电流截停单元进行操作，截停对应线路的电流；结束控制。

优选地，所述步骤2中，采用高速ad采样芯片对检测点进行电流和电压采样的频率为b，b=n*a，n＞0。

优选地，所述步骤3中，预处理包括以下步骤：

步骤3.1：对采样得到的电流和电压进行放大；

步骤3.2：将放大后的电流和电压通过高通滤波模块进行滤波，滤除低频噪声和工频干扰；

步骤3.3：将滤波后的放大的电流和电压通过模数转换模块进行转换，得到数字化的电流和电压。

优选地，所述标定电流和电压的微分后的xoy坐标图为以时间顺序反向交替的尖脉冲信号。

优选地，所述步骤6中，当检测xoy坐标图中的任一尖脉冲信号无法拟合标定电流和电压的微分后的xoy坐标图时，表示线路出现短路；当双向晶闸管正向导通时，则闭合模拟开关，提供双向晶闸管反向电流进行关断；当双向晶闸管反向导通时，则闭合模拟开关，提供双向晶闸管正向电流进行关断。

本发明提供了一种优化的快速的电气线路故障检测和线路切断设备及控制方法，通过对线路的电流和电压进行采样，对每个采样点的电流和电压进行计算，判断电流和电压的变化趋势，对电流和电压进行微分运算，根据电流和电压的突变曲线判断当前线路是否存在短路，检测到线路短路时，根据当前电流矢量方向，以双向电流截停单元强制关断线路电流。

本发明解决了交流线路切断时响应慢的问题，能实现快速切断交流线路，使线路切断速度达到us级，有利于实现电气火灾监控系统的布控，即时发现线路故障，避免电气火灾造成更大的损失。

附图说明

图1为本发明中设备的结构示意图；

图2中，上图为本发明中标定电流和电压的xoy坐标图，下图为标定电流和电压的微分后的xoy坐标图，其中，y轴最大值为电压最大值，相邻2个虚线间为半个采样周期。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明涉及一种快速的电气线路故障检测和线路切断设备，所述设备包括双向电流截停单元，所述双向电流截停单元的两端搭接于电气线路1两端，所述双向电流截停单元外设有电路保护单元；所述设备还包括设于电气线路的采样端2。

本发明中，双向电流截停单元与待检测的电气线路1连接，并与电路保护单元构成完整的线路切断机构，以设于电气线路1上的采样端2完成电气线路故障检测采样作业。

所述双向电流截停单元包括双向晶闸管，所述双向晶闸管的两端分别与电气线路1的输入端和输出端连接。

所述双向晶闸管为2个单向晶闸管3，2个所述单向晶闸管3首尾连接。

所述电路保护单元包括顺次连接储能电容4和储能电感5，所述储能电容4通过模拟开关6连接至双向电流截停单元的一端，所述储能电感5与双向电流截停单元的另一端连接。

本发明中，具体来说，双向电流截停单元采用双向晶闸管完成线路切断作业，并在双向晶闸管两端设置储能电容4、储能电感5和模拟开关6，当双向晶闸管正向导通时，只需要闭合模拟开关6则提供双向晶闸管反向电流，从而迫使双向晶闸管关断，完成快速关断的功能；反向导通原理相同。

所述电路保护单元还包括保护电阻7，所述保护电阻7的一端与双向电流截停单元的任一端连接，保护电阻7的另一端连接至对应端的电气线路1。

本发明中，以保护电阻7分别与双向电流截停单元和电气线路1相接，保护电阻7一般为10ω的小电阻，保证电流不过载，当出现大电流且双向电流截停单元没有正常工作时进行电路截断，保证用电安全。

本发明还涉及一种采用所述的快速的电气线路故障检测和线路切断设备的控制方法，所述方法包括以下步骤。

步骤1：初始化电缆使用环境，电缆工作频率为a；选定检测点进行采样布线。

本发明中，检测点可以依据本领域技术人员对于电气线路1故障的常规判断进行设置，此为本领域技术人员容易理解的内容。

步骤2：采用高速ad采样芯片对所述检测点进行电流和电压采样。

所述步骤2中，采用高速ad采样芯片对检测点进行电流和电压采样的频率为b，b=n*a，n＞0。

本发明中，利用n倍于a的频率控制采样动作对检测点进行采样，由于频率较大，可以获得失真度较小的采样值。

本发明中，一般情况下，可以将n设置为30-50的值，如20，可以较好的采样到各点数值，又不会由于采样过于密集导致后续的图像失真。

步骤3：实时对采样的电流和电压进行预处理。

所述步骤3中，预处理包括以下步骤：

步骤3.1：对采样得到的电流和电压进行放大；

步骤3.2：将放大后的电流和电压通过高通滤波模块进行滤波，滤除低频噪声和工频干扰；

步骤3.3：将滤波后的放大的电流和电压通过模数转换模块进行转换，得到数字化的电流和电压。

本发明中，滤波可以去除存在干扰等原因而导致数据不稳定的因素。一般情况下，本发明可以采用中值滤波，将数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，让周围的像素值接近的真实值，从而消除孤立的噪声点，其优点在于能保护边缘信息，是经典的平滑噪声的方法。

步骤4：将预处理后的电流和电压进行微分运算，以对应的采样时间和电压分别为x轴和y轴，得到检测xoy坐标图。

本发明中，将预处理后的电流和电压进行微分运算后，出现的是电压和时间关系的曲线图，以充放电的不同而导致的电流方向不同，存在整体上扬或整体下降的趋势，后续处理此xoy坐标图即可。

步骤5：以标定电流和电压的微分后的xoy坐标图与检测xoy坐标图进行实时跟踪比对。

所述标定电流和电压的微分后的xoy坐标图为以时间顺序反向交替的尖脉冲信号。

本发明中，原则上，以0时刻为基准，此为rc串联电路的零状态响应，此时输出电压产生突变，从0突跳到umax，随后相当于对电气线路充电，故电压在突变到最大值后缓慢下降，出现正的尖脉冲信号；而下半个周期则是rc串联电路的零输入响应状态，随后相当于对电气线路放电，则出现负的尖脉冲信号；在这种状态下，可以较为容易跟踪xoy坐标图的动向，进行电气故障的判定。

本发明中，当使用一段时间后，umax的值将逐渐减小，但只要其不发生突变，则认为其仍处于正常工作状态中。

步骤6：若任一曲线段无法拟合，则当前线路出现短路，进行下一步，否则，重复步骤5。

所述步骤6中，当检测xoy坐标图中的任一尖脉冲信号无法拟合标定电流和电压的微分后的xoy坐标图时，表示线路出现短路；当双向晶闸管正向导通时，则闭合模拟开关6，提供双向晶闸管反向电流进行关断；当双向晶闸管反向导通时，则闭合模拟开关6，提供双向晶闸管正向电流进行关断。

步骤7：以当前时间点的检测xoy坐标图中电压为正值或负值确定对应的电流方向，对双向电流截停单元进行操作，截停对应线路的电流；结束控制。

本发明中，当无法拟合标定的图像时，则判断线路出现故障，此时闭合模拟开关6，不管是双向晶闸管中的电流是朝向何方向，都可以经由相同的闭合操作进行关断，保证线路的安全。

本发明通过对线路的电流和电压进行采样，对每个采样点的电流和电压进行计算，判断电流和电压的变化趋势，对电流和电压进行微分运算，根据电流和电压的突变曲线判断当前线路是否存在短路，检测到线路短路时，根据当前电流矢量方向，以双向电流截停单元强制关断线路电流。

本发明解决了交流线路切断时响应慢的问题，能实现快速切断交流线路，使线路切断速度达到us级，有利于实现电气火灾监控系统的布控，即时发现线路故障，避免电气火灾造成更大的损失。