專利名稱：一種故障電弧保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電路保護(hù)設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種用于配電終端系統(tǒng)中 檢測(cè)故障電弧的保護(hù)裝置。
背景技術(shù)：
住宅內(nèi)電氣線路和設(shè)備，如電氣布線、插座、家用電器內(nèi)部的電線或電 器的電源線等，由于長(zhǎng)時(shí)間的過負(fù)荷運(yùn)行，或者存在不良的電氣連接等情況， 使電線的絕緣層出現(xiàn)老化，絕緣效果降低，或者絕緣層發(fā)生破損，都可能發(fā)生 故障電弧。電弧火花引燃線路會(huì)造成火災(zāi)的發(fā)生。現(xiàn)在常用的電路保護(hù)裝置熔斷器和接地故障斷路器還不能有效的檢測(cè)故障電弧并形成斷路保護(hù)。AFCI (Arc Fault Circuit Interr叩ter)技術(shù)是一項(xiàng)最新的電路保護(hù)技術(shù)，能夠提供故障 電弧保護(hù)，其主要作用是為了在發(fā)生故障電弧時(shí)及時(shí)分?jǐn)嚯娐?，避免?fù)荷損壞， 并降低火災(zāi)的可能性。目前，國(guó)內(nèi)外專家提出了一些可行的AFCI檢測(cè)方法和保護(hù)電路，但是針對(duì) 50Hz交流電路的設(shè)備較少，同時(shí)設(shè)備的誤動(dòng)率較高，主要體現(xiàn)在無法有效地將 故障電弧電流與啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流分開。典型家用負(fù)荷啟動(dòng)電流波形如圖5所示，啟動(dòng)電流的波形陡峭，而正常電 流波形穩(wěn)定；典型家用負(fù)荷故障電弧電流波形如圖6所示，故障電弧電流波形 存在幅值降低、正負(fù)半周不對(duì)稱、平肩部和波形陡峭等特征。現(xiàn)在大多數(shù)AFCI 檢測(cè)方法和保護(hù)電路都是通過判斷電流波形的導(dǎo)數(shù)(di/dt，即波形陡峭程度) 是否超過閥值并且累積電弧周期是否超過閥值來識(shí)別故障電弧電流，但是，啟動(dòng)電流和故障電弧電流均存在波形陡峭的特征，所以，該種AFCI檢測(cè)方法和保護(hù)電路較難分辨啟動(dòng)電流和故障電弧電流，容易產(chǎn)生識(shí)別錯(cuò)誤和誤動(dòng)作。發(fā)明內(nèi)容為了解決上述的技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種故障電弧保護(hù)裝 置，可以有效的識(shí)別故障電弧，通過復(fù)合判別邏輯可以減少設(shè)備的誤動(dòng)率。為了達(dá)到上述的目的，本實(shí)用新型采用了以下的技術(shù)方案-一種故障電弧保護(hù)裝置，包括電源電路，電流互感器TR1，電流互感器TR1 兩端并聯(lián)有信號(hào)負(fù)載電阻Rll，電流互感器TR1 —端依次連接有電壓跟隨電路、 信號(hào)調(diào)理放大電路、A/D采樣電路、微處理器和脫扣驅(qū)動(dòng)電路及其控制脫扣組件， 其中，電流互感器TR1產(chǎn)生的電壓信號(hào)通過電壓跟隨電路傳遞至調(diào)理放大電路 轉(zhuǎn)換為適合于A/D采樣的電流信號(hào)，A/D采樣電路對(duì)該電流信號(hào)進(jìn)行采樣，微處 理器對(duì)A/D采樣的信號(hào)進(jìn)行電弧特性判別，在該電流信號(hào)滿足幅值小于正常電 流的幅值或者波形在過零點(diǎn)處有平肩部現(xiàn)象，并且滿足波形正負(fù)半周不對(duì)稱或 者波形陡峭的情況下，微處理器產(chǎn)生脫扣信號(hào)給脫扣驅(qū)動(dòng)電路，脫扣驅(qū)動(dòng)電路 控制脫扣組件。微處理器采集每個(gè)周期的電流波形，通過至少兩個(gè)波形特征來識(shí)別確認(rèn)故 障電弧周期，通過判斷是否存在多個(gè)連續(xù)故障電弧周期來確認(rèn)故障電??；如果， 其波形在滿足幅值小于正常電流的幅值或者在過零點(diǎn)處有平肩部現(xiàn)象的條件 下，還滿足正負(fù)半周波形不對(duì)稱或者di/dt在某一時(shí)刻過大，則判定該周期為 故障電弧周期，如果連續(xù)多個(gè)周期為故障電弧周期則判定存在故障電弧。上述電壓跟隨電路由電阻R2、電阻R3和運(yùn)放U5A組成，運(yùn)放U5A的同相輸 入端接電阻R2，電阻R2接信號(hào)負(fù)載電阻R11，運(yùn)放U5A的反向輸入端和輸出端 之間接電阻R3。上述信號(hào)調(diào)理放大電路由變阻器VR2、電阻R12和運(yùn)放U5B組成，運(yùn)放U5B 的同相輸入端接電壓跟隨電路的輸出端，運(yùn)放U5B的反向相輸入端接電阻R12， 運(yùn)放U5B的反向輸入端和輸出端之間接變阻器VR2，運(yùn)放U5B輸出端連接由電阻 R4和電阻R10組成的上拉電路，上拉電路的接出端連接A/D采樣電路。上述微處理器可以為自帶A/D采樣電路的微處理器。上述脫扣驅(qū)動(dòng)電路由相串聯(lián)的電阻R1和光耦Ol組成。上述脫扣組件為連接光耦01的脫扣器Kl 。本實(shí)用新型由于采用了以上的技術(shù)方案，通過電流互感器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行 采集，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理放大電路，送入A/D轉(zhuǎn)換芯片，微處理器對(duì)電流波形進(jìn)行 分析，通過分析電流是否具有幅值較小、正負(fù)半周波形不對(duì)稱、平肩部現(xiàn)象和 di/dt過大等特性，來判斷是否發(fā)生故障電??；脫扣組件會(huì)在檢測(cè)到故障電弧的 情況下動(dòng)作，切斷電源，達(dá)到對(duì)負(fù)載的保護(hù)，避免火災(zāi)的發(fā)生。本實(shí)用新型能 在正常供電時(shí)檢測(cè)故障電弧，在極短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷電源，同時(shí)可將故障電 弧電流與啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流分辨出，減少誤動(dòng)率。


圖1是本實(shí)用新型裝置的電路原理圖。 圖2是本實(shí)用新型裝置的原理框圖。 圖3是本實(shí)用新型裝置中微處理器的流程圖。 圖4是圖3中電弧判別子程序的流程圖。 圖5是典型家用負(fù)荷啟動(dòng)電流波形圖。 圖6是典型家用負(fù)荷故障電弧電流波形圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
做一個(gè)詳細(xì)的說明。如圖l、圖2所示的故障電弧保護(hù)裝置，包括電源電路7，包括電流互感器 TR1，電流互感器TRl兩端并聯(lián)有信號(hào)負(fù)載電阻Rll，電流互感器TR1—端依次 連接有電壓跟隨電路4、信號(hào)調(diào)理放大電路6、 A/D采樣電路5、微處理器2和 脫扣驅(qū)動(dòng)電路1及其控制脫扣組件3，其中，電流互感器TR1產(chǎn)生的電壓信號(hào)通 過電壓跟隨電路4傳遞至調(diào)理放大電路6轉(zhuǎn)換為適合于A/D采樣的電流信號(hào)， A/D采樣電路5對(duì)該電流信號(hào)進(jìn)行采樣，微處理器2對(duì)A/D采樣的信號(hào)進(jìn)行電弧 特性判別，在該電流信號(hào)滿足幅值小于正常電流的幅值或者波形在過零點(diǎn)處有 平肩部現(xiàn)象，并且滿足波形正負(fù)半周不對(duì)稱或者波形陡峭的情況下，微處理器2 產(chǎn)生脫扣信號(hào)給脫扣驅(qū)動(dòng)電路1，脫扣驅(qū)動(dòng)電路1控制脫扣組件3。如圖1所示，上述電流互感器TR1串接在交流電源的火線或者零線上，電 流互感器TRl兩端跨接信號(hào)負(fù)載電阻Rll，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)；上述電壓 跟隨電路4由電阻R2、電阻R3和運(yùn)放U5A組成，運(yùn)放U5A的同相輸入端接電阻 R2，電阻R2接信號(hào)負(fù)載電阻R11，運(yùn)放U5A的反向輸入端和輸出端之間接電阻 R3，將電壓信號(hào)隔離傳遞至信號(hào)調(diào)理放大電路6;上述信號(hào)調(diào)理放大電路6由變 阻器VR2、電阻R12和運(yùn)放U5B組成，運(yùn)放U5B的同相輸入端接電壓跟隨電路4 的輸出端，運(yùn)放U5B的反向相輸入端接電阻R12，運(yùn)放U5B的反向輸入端和輸出 端之間接變阻器VR2，由此構(gòu)成同相放大器，R12為輸入電阻，VR2為反饋電阻， 其放大倍數(shù)A=l+ VR2/R12;運(yùn)放U5B輸出端連接由電阻R4和電阻R10組成的上 拉電路，上拉電路的接出端連接A/D采樣電路5，將調(diào)理放大電路6的輸出轉(zhuǎn)換 為0 5V之間的直流信號(hào)；A/D采樣電路5可以與微處理器2獨(dú)立分開，也可以 選用自帶A/D采樣電路的微處理器。圖1中，運(yùn)放U5A和U5B采用運(yùn)放芯片的第一和第二通道，微處理器U1和A/D芯片U2間通過數(shù)據(jù)總線P0. 0-P0. 7進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每隔一固定的時(shí)間T， 微處理器U1進(jìn)入定時(shí)中斷，從A/D芯片U2獲取當(dāng)前的信號(hào)幅值，Ul的地址線 通過控制芯片X2A和X2B (X2A和X2B是型號(hào)為SN74HC02N的控制芯片的兩個(gè)通 道)產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)A/D芯片U2進(jìn)行同步、讀寫控制。脫扣驅(qū)動(dòng)電路1由相串聯(lián)的電阻Rl和光耦01組成；脫扣組件3為連接光 耦01的脫扣器Kl 。微處理器Ul的I/O 口 Pl. 7通過電阻Rl接光耦01的輸入端， 工作后微處理器U1若檢測(cè)到故障電弧，則將此I/0口置高電平，光耦01工作， 光耦Ol的輸出三極管短接，脫扣器K1的線圈通電，吸合觸頭，將接到負(fù)荷上 的開關(guān)斷開。電源電路7包括電容C4和C5跨接在交流電源兩端，二極管D2、 D3、 D4、 D5組成整流電路，將電容C5上的交流電源整流成直流，通過穩(wěn)壓芯片U4輸出 直流電源；電容C2、 C3并聯(lián)在穩(wěn)壓芯片U4的輸入端和接地端之間，起到濾波 的作用；二極管D6、 D7跨接在進(jìn)線端，防止過電壓。電源電路7為各電路模塊 提供穩(wěn)定的直流電。如圖3所示，微處理器的工作流程如下-1、 上電復(fù)位；2、 程序初始化，所有標(biāo)志位置為O，所有I/0口清零；3、 設(shè)定定時(shí)時(shí)間參數(shù)，開啟定時(shí)中斷；4、 啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；5、 以時(shí)間T1為間隔，采集一個(gè)周期20個(gè)數(shù)據(jù)；(此間每個(gè)周期采集20個(gè) 數(shù)據(jù)，即Tl二lms)6、 以時(shí)間T2為間隔，更新參考參數(shù)正常時(shí)刻的電流峰值Imaxref、 Indnref，電流中值Imidref，以及電流最大變化率A Imaxref;(此間T2二lmin)7、 調(diào)用電弧判別子程序，電弧判別的邏輯方法如圖5所示；8、 如果返回脫扣信號(hào)，則微處理器發(fā)出脫扣命令，切斷電源，如果沒有脫扣信號(hào)，返回?cái)?shù)據(jù)采集程序，繼續(xù)對(duì)上一周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如圖4所示，電弧檢測(cè)子程序的流程如下1、 采集一周期的電流波形數(shù)據(jù)，作為一個(gè)數(shù)據(jù)集合進(jìn)行下階段分析；2、 選擇出集合中電流的峰值Lnax和Imin;3、 計(jì)算相鄰數(shù)據(jù)差A(yù)I的最大值A(chǔ)Lnax;4、 計(jì)算集合中接近數(shù)據(jù)中心(滿足il-Inddrefl < m)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N;5、 判斷電流幅值是否過小，如果I隨re廣Imax > Q 2或者Imif Iminref > II 2， $兆 轉(zhuǎn)到正負(fù)半周不對(duì)稱判別(步驟7)，否則跳轉(zhuǎn)到平肩部判別(步驟6);6、 判斷是否有平肩部現(xiàn)象，如果N〉 n3，跳轉(zhuǎn)正負(fù)半周不對(duì)稱判別(步驟 7)，否則判斷電弧次數(shù)是否已經(jīng)清零(步驟10);7、 判斷是否有正負(fù)半周不對(duì)稱，如果| (Lnax+Imin)-2Imidrefl〉ri5，電弧次數(shù) + 1，跳轉(zhuǎn)到電弧次數(shù)判別(步驟9)，否則跳轉(zhuǎn)di/dt判別(步驟8);8、 判斷di/dt是否過大，如果AI隨-AI隨ref > IU，電弧次數(shù)+1，跳轉(zhuǎn)到 電弧次數(shù)判別(步驟9)，否則判斷電弧次數(shù)是否已經(jīng)清零(步驟10);9、 判斷電弧次數(shù)是否已經(jīng)累積到預(yù)設(shè)值116，如果已經(jīng)達(dá)到，發(fā)送脫扣信 號(hào)，否則返回主程序；10、 判斷電弧次數(shù)是否已經(jīng)清零，如果電弧次數(shù)已經(jīng)清零，返回主程序， 否則電弧次數(shù)-1并返回主程序。其中，ni、 n2、 iU、 ru、 ris、 iU為給定閥值；Imaxre廣Imax〉 A 2或者Irain—Irainref > 1^2，為波形幅值小于正常電流的幅值； I (Imax+ImirO-2Lnidrefl〉 115，為波形正負(fù)半周不對(duì)稱；滿足ll-Imidrefl < A 1的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N > ri3，為波形在過零點(diǎn)處有平肩部現(xiàn)象; A Imax-A Imaxref > IU，為波形陡峭di/dt在某時(shí)刻過大。本實(shí)用新型不局限于以上具體實(shí)施方式
，無論采用何種電源電路或者信號(hào) 采樣處理電路或者微處理芯片或者脫扣驅(qū)動(dòng)電路或者脫扣組件或者其他等同替 換，都落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。本實(shí)用新型的故障電弧保護(hù)電路既可 以作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，也可以與其它現(xiàn)有的電路斷路器如接地故障斷路器或 者漏電流保護(hù)器或者過電流保護(hù)器相結(jié)合，組成多功能的電路保護(hù)裝置。
權(quán)利要求1.一種故障電弧保護(hù)裝置，包括電源電路(7)，其特征在于，還包括電流互感器TR1，電流互感器TR1兩端并聯(lián)有信號(hào)負(fù)載電阻R11，電流互感器TR1一端依次連接有電壓跟隨電路(4)、信號(hào)調(diào)理放大電路(6)、A/D采樣電路(5)、微處理器(2)和脫扣驅(qū)動(dòng)電路(1)及其控制脫扣組件(3)，其中，電流互感器TR1產(chǎn)生的電壓信號(hào)通過電壓跟隨電路(4)傳遞至調(diào)理放大電路(6)轉(zhuǎn)換為適合于A/D采樣的電流信號(hào)，A/D采樣電路(5)對(duì)該電流信號(hào)進(jìn)行采樣，微處理器(2)對(duì)A/D采樣的信號(hào)進(jìn)行電弧特性判別，在該電流信號(hào)滿足幅值小于正常電流的幅值或者波形在過零點(diǎn)處有平肩部現(xiàn)象，并且滿足波形正負(fù)半周不對(duì)稱或者波形陡峭的情況下，微處理器(2)產(chǎn)生脫扣信號(hào)給脫扣驅(qū)動(dòng)電路(1)，脫扣驅(qū)動(dòng)電路(1)控制脫扣組件(3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種故障電弧保護(hù)裝置，其特征在于，所述電壓 跟隨電路(4)由電阻R2、電阻R3和運(yùn)放U5A組成，運(yùn)放U5A的同相輸入端接 電阻R2，電阻R2接信號(hào)負(fù)載電阻R11，運(yùn)放U5A的反向輸入端和輸出端之間接 電阻R3。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種故障電弧保護(hù)裝置，其特征在于，所述信號(hào) 調(diào)理放大電路(6)由變阻器VR2、電阻R12和運(yùn)放U5B組成，運(yùn)放U5B的同相 輸入端接電壓跟隨電路(4)的輸出端，運(yùn)放U5B的反向相輸入端接電阻R12， 運(yùn)放U5B的反向輸入端和輸出端之間接變阻器VR2，運(yùn)放U5B輸出端連接由電阻 R4和電阻R10組成的上拉電路，上拉電路的接出端連接A/D采樣電路(5)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的一種故障電弧保護(hù)裝置，其特征在 于，所述微處理器(2)為自帶A/D采樣電路的微處理器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種故障電弧保護(hù)裝置，其特征在于，所述脫扣 驅(qū)動(dòng)電路(1)由相串聯(lián)的電阻R1和光耦01組成。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種故障電弧保護(hù)裝置，其特征在于，所述脫扣組件(3)為連接光耦Ol的脫扣器K1。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種故障電弧保護(hù)裝置，由電流互感器TR1產(chǎn)生的電壓信號(hào)通過電壓跟隨電路傳遞至調(diào)理放大電路轉(zhuǎn)換為適合于采樣的電流信號(hào)，采樣電路對(duì)該電流信號(hào)進(jìn)行采樣，微處理器對(duì)采樣的信號(hào)進(jìn)行電弧特性判別，在該電流信號(hào)滿足幅值小于正常電流的幅值或者波形在過零點(diǎn)處有平肩部現(xiàn)象，并且滿足波形正負(fù)半周不對(duì)稱或者波形陡峭的情況下，微處理器產(chǎn)生脫扣信號(hào)給脫扣驅(qū)動(dòng)電路，脫扣驅(qū)動(dòng)電路控制脫扣組件。本技術(shù)方案能在正常供電時(shí)檢測(cè)故障電弧，在極短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切斷電源，同時(shí)可將故障電弧電流與啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流分辨出，減少誤動(dòng)率。
文檔編號(hào)G01R31/08GK201113388SQ20072018439
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2007年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月19日
發(fā)明者吳為麟, 李智勇 申請(qǐng)人:吳為麟