本項目涉及到低壓供電電路的故障電弧保護領域。

背景技術：

剩余電流保護器（rcd）可以通過檢測電氣裝置內的泄漏電流和由電痕化電流引起的對地燃弧而有效降低火災危險。但是rcd、熔斷器或小型斷路器（mcb）不能降低由帶電導體之間的串聯(lián)電弧或并聯(lián)電弧引起的電氣火災危險。在這類電弧故障發(fā)生時，由于沒有產生對地泄漏電流，因而rcd無法檢測到這類故障。而且串聯(lián)電弧的故障阻抗降低了負載電流，使得電流低于rcd，mcb或熔斷器的脫扣閾值，設備不脫扣，不能起到電弧保護作用。為了對帶電導體之間發(fā)生串聯(lián)故障電弧或并聯(lián)故障電弧進行檢測，進而設計出保護機構，設計發(fā)明了電弧檢測傳感器。當電弧檢測傳感器檢測出有電弧發(fā)生時，就輸出脫扣信號給保護機構，執(zhí)行脫扣。這種故障電弧檢測傳感器的電磁信號的檢測方法之一是使載流導線穿過繞有線圈的磁環(huán)，由磁環(huán)上纏繞著的線圈輸出檢測信號，從而完成電磁信號的檢測。這種方法的問題是磁環(huán)必須要與載流導線垂直放置，占用了空間，安裝不方便，有時由于空間的限制，甚至沒有辦法安裝。為此發(fā)明了一種側面與載流導線平行安裝的故障電弧檢測傳感器。

技術實現(xiàn)要素：

電流變化的帶電導線周圍產生磁場，當電路中產生無論是并聯(lián)還是串聯(lián)電弧時，導線中的電流都會產生快速的變化，這種變化迅速地反應在了周圍的磁場中。因此只要能夠準確的檢測帶電導線周圍的磁場及磁場的變化率就能夠得到包含著電弧信息的信號，然后通過硬件電路或通過軟件進行電弧信息的提取，就可以判斷電路中是否存在著故障電弧了。本發(fā)明以故障電弧傳感器模塊的形態(tài)出現(xiàn)，它由電磁信號檢測、微弱信號放大、電弧信號特征的提取與判斷、信號輸出等4個功能模塊構成。本發(fā)明中，載流導線放置在故障電弧檢測傳感器的某個面上，導線與故障電弧檢測傳感器的某個面相互平行放置，保持一個固定的距離及固定的相對位置。一種某個面與被檢測導線平行安裝的故障電弧檢測傳感器有多種實現(xiàn)方式，其中的兩種結構實現(xiàn)分別如圖1、圖2所示。圖1中最上面的扁平長方體是傳感器，某個面與被測量導線平行安裝，在某個面上具有一個可以穿過并固定被測導線的孔，安裝時，導線穿過并固定在該孔中，被測導線與傳感器的某個面平行。圖1中，中間的圓柱體為輸電線，最下面的圖顯示輸電線穿過傳感器的中間孔。圖2中，最上面的扁平長方體是傳感器，最大面與被測量導線平行安裝，在某個面上，具有一個可以容納導線放置的凹槽，凹槽的橫截面可以是各種形狀。安裝時，導線穿過并固定在該凹槽中，被測導線與傳感器的某個面平行。圖2中，中間兩個圓柱體與一個扁平立方體是特殊形狀的被測導線，最下面的組合體是導線通過傳感器。磁場信號檢測的實現(xiàn)方式之一是通過空心線圈來感應磁場信號，當使用多匝空心線圈時，多匝空心線圈要求使用兩個一模一樣的子線圈，兩個子線圈以載流導線的中心為中軸，分別分布在中軸的兩邊的同一個平面的對稱的位置上，這個平面稱為線圈平面，線圈放置在傳感器的內部，線圈平面與傳感器的某個面平行。兩個線圈的法線方向與線圈平面垂直。每只子線圈都由外向里在一個平面上，一圈貼一圈的緊密繞制。兩只子線圈的最內側接線端子相連，最外側的兩個接線端子為本層線圈的輸出端子，兩個子線圈構成了一個線圈。子線圈可以制作在印刷線路板上，可以采用多層線路板，在每層上加工出一樣的兩只子線圈，每一層子線圈的內側端子相連，子線圈外側的兩個端子為本層線圈的輸出端子。相鄰層的上層線圈的輸出端子中的右面端子與下層線圈的左面端子連接，最上層與最下層的剩余的兩個端子為整個檢測線圈的輸出端子。多匝空心線圈可以制作在印刷線路板上，也可以通過使用導線繞在骨架上的方法實現(xiàn)。對于每一層線圈，任何同時作用于兩個子線圈的干擾信號在線圈上產生兩個共模信號，如果干擾信號的變化率在每一個子線圈上產生的信號相等，則相互抵消，總體沒有任何干擾。如果不相等，則會得到部分抵消。兩個子線圈中感應的載流導線的磁場檢測信號與載流導線的電流變化率成正比，是差模信號，信號幅度增加一倍。該線圈在結構上具有共模干擾信號抑制，差模檢測信號增強的特點。

微弱信號放大模塊采用兩路放大方式，空心線圈輸出的信號分成兩路，通過高通濾波器將載流導線上的工作電流的微分信號的高頻特征提取出來了，該信號作為第一路信號進行放大。直接輸出的被測導線上的工作電流的微分信號作為第二路信號進行放大。兩路放大均使用運算放大器和阻容器件構成的放大電路進行放大，同時使用自動增益控制電路進行增益的自動控制。

電弧信號特征的提取與判斷模塊可以采用兩種方式實現(xiàn)：第一種方式，使用硬件對信號進行特征提取，將信號與門限進行比較。將經過第一路放大器放大后的載流導線的工作電流的微分信號的高頻特征信號輸出給由運算放大器構成的比較器1的一個輸入端，比較器1的另一個輸入端輸入固定電平，正常情況下，放大器的輸出信號超過比較門限的概率很低，或者幾乎不會超過比較門限。比較器1的信號輸出幾乎一直為低，這樣的信號在時間上的積分會很低。如果發(fā)生了電弧，會有大量的高于比較器1門限的高頻信號輸入，這時比較器1的信號輸出會出現(xiàn)大量的高電平，這樣的信號在時間上的積分會很高。比較器1輸出信號給由運算放大器和阻容器件構成的有源積分電路，然后再將積分的結果輸出給另兩個由運放構成的比較器2和比較器3，比較器2和3輸出的信號經過由晶體三極管構成的射極跟隨器，控制輸出信號繼電器1和繼電器2。比較器2和比較器3的不同點在于比較器2的比較門限電平會比比較器3的比較門限電平低很多。當電弧信號來時，首先比較器2以很大的概率輸出高電平，從而推動繼電器1吸合，輸出檢測到微弱電弧的報警信號。如果電弧持續(xù)的時間很長，這時比較器3也會輸出高電平，推動繼電器2輸出檢測到強電弧的報警信號。對信號特征提取可以采用的第二種方式如下：第二路的載流導線的工作電流的微分信號經過第二路放大器進行放大后進入由運放組成的有源積分器，經積分后進入cpu。第一路的載流導線的工作電流的微分的高頻部分經過放大后進入cpu。cpu將第二路信號分別在時間域和頻率域與預先采樣的電弧信號的典型的時間域和頻率域的信號進行求相關函數(shù)的運算，如果發(fā)現(xiàn)相關函數(shù)大于預先設定的閾值，就判斷為發(fā)現(xiàn)了電弧信號。cpu將第二路信號與一個事先設定好的閾值進行比較，如果大于該閾值，就進一步判定為發(fā)現(xiàn)了電弧信號，輸出檢測出電弧信號。

附圖說明

圖1是一種某個面與被檢測導線平行安裝的故障電弧檢測傳感器的實施方式之一。

圖2是一種某個面與被檢測導線平行安裝的故障電弧檢測傳感器的實施方式之二。

具體實施方式

按照發(fā)明內容的說明，可以實施完成這個產品。實施過程中需要注意以下問題：空心線圈具有動態(tài)范圍很大，非常不容易飽和，幾乎不存在磁滯現(xiàn)象，頻響范圍非常寬，線性度很好，溫度穩(wěn)定性非常好的特點。信號放大通道的帶寬要求大于50~100khz。放大倍數(shù)在1000~6000倍左右，根據(jù)具體情況進行調整。并且具有大于40db的自動增益控制范圍。輸出的繼電器的通過電流為5安培。外殼使用電磁波可以穿透的塑料制造，線路板調試完成后，進行裝配。

技術特征：

技術總結
針對需要檢測故障電弧的應用，發(fā)明了一種某個面與被檢測導線平行安裝的故障電弧檢測傳感器，給出了構成整個傳感器系統(tǒng)的電磁信號檢測、微弱信號放大、電弧信號特征的提取與判斷、信號輸出等4個功能模塊的實現(xiàn)方式，該傳感器的特點之一是傳感器的某個面與被檢測的導線平行安裝。針對電磁信號檢測模塊的實現(xiàn)，給出了兩種實現(xiàn)的具體結構。發(fā)明中使用了一種對稱結構的線圈，詳細給出了這種特殊線圈的設計和特點，詳細說明了各個模塊的實現(xiàn)方法，特別是給出了電弧信號特征的提取與判斷模塊的兩種實現(xiàn)方法。闡述了傳感器的具體的實施方法、一些指標和注意的問題。

技術研發(fā)人員：李吉廣;陳存
受保護的技術使用者：北京騰銳視訊科技有限公司
技術研發(fā)日：2017.03.31
技術公布日：2017.07.14