[發明專利]廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器及保護器

在審

• 申請號: 201510740305.0
• 申請日: 2015-11-04
• 公開（公告）號: CN105259446A
• 公開（公告）日: 2016-01-20
• 發明（設計）人: 李吉廣;陳存;馬俊光
• 申請（專利權）人: 北京騰銳視訊科技有限公司
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00;H02H3/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本項目涉及到電力領域的強電供電電路的故障電弧保護以及電子通訊領域的信號檢測及數字信號處理等。

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。然而事實上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電弧或并聯電弧引起的電氣火災危險。在串聯電弧故障發生時，由于沒有產生對地泄漏電流，因而RCD無法檢測到這類故障。而且串聯電弧的故障阻抗降低了負載電流，使得電流低于MCB或熔斷器的脫扣閾值。在相線與中性導體之間產生并聯電弧的情況下，電流僅受限于裝置的阻抗。最嚴重的情況是偶發電弧，傳統的斷路器并不是為此目的而設計的。實踐經驗和現有的信息證實，引發火災的接地故障電流的均方根值不能局限于50/60Hz的額定電源頻率，可能包括測試RCD時不考慮的較高頻譜。因此，針對于上述情況，本發明設計出了一種可以準確檢測出包括微小的短時間出現的從高頻頻譜到低頻頻譜的廣譜的串聯電弧及并聯電弧的檢測傳感器及保護器。

發明內容

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還是串聯電弧時，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電弧相關的信息。關鍵的問題是：1、設計出能夠在廣譜范圍內，高靈敏地檢測出故障電弧信號的高頻磁場檢測傳感模塊。2、用電負載不同的情況下，電流信號非常的復雜。特別是在多個負載同時工作的情況下。要采用比較復雜的信號檢測與數字信號處理技術才能檢測出故障電弧。該功能由核心信號處理數學算法故障電弧檢測與處理單元完成。

廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器（000）如圖1所示。圖1中（001）模塊為輸電線，故障電弧檢測傳感器設計為一個矩形立方體，立方體的上表面中心位置向下開一個凹槽，輸電線（001）放置在凹槽之中。當變化的電流通過輸電線（001）時會在傳感器（000）立方體內產生變化的磁場。傳感器（000）內包含電源供電電路（006）、高頻磁場檢測傳感模塊（002）、低噪聲信號放大單元（003）、核心信號處理數學算法故障電弧檢測與處理單元（004）。電源供電電路（006）從交流電源取電，經過變換后輸出直流低壓電供整個模塊使用。高頻磁場檢測傳感模塊（002）檢測磁場的變化，將得到的信號進行積分處理，將積分后的信號輸出給低噪聲信號放大單元（003）進行低噪聲放大，確保信號幅度可以滿足后面的A/D轉換。核心信號處理數學算法故障電弧檢測與處理單元（004）將信號進行模擬數字轉換。采樣頻率根據實際測試得到的最高故障電弧頻譜的大于兩倍值選取，實際中選不低于2.5倍。按采樣頻率采樣后，信號進行核心信號處理。該單元采用了數字信號處理器DSP和（或）高性能CPU（MCU）信號在此通過復雜的數學運算，從而快速提取出了廣譜的，微弱的故障電弧信號。該模塊使用了隨機噪聲信號(包括白噪聲及有色噪聲)的功率譜分析技術、噪聲信號的卷積、相關技術、噪聲中的信號檢測技術及根據實際故障電弧信號的特征開發出的算法。核心信號處理數學算法故障電弧檢測與處理單元（004）檢測出故障電弧信號，通過引腳輸出故障電弧指示信號（005)。

廣譜快速高靈敏故障電弧保護器見圖2。該保護器使用了廣譜快速高靈敏故障電弧檢測傳感器。傳感器檢測出故障電弧信號后，通過引腳將故障電弧指示信號輸出給保護脫鉤執行機構（012），該機構是由電信號驅動的機械執行機構，收到故障電弧指示信號驅動后，機械機構執行斷路動作，切斷電源，起到安全防護作用。

故障電弧檢測傳感器設計為一個矩形立方體，立方體的上表面中心位置向下開一個凹槽，輸電線（001）放置在凹槽之中，可以通過膠進行粘接，也可以直接通過機械結構固定。該立方體為采用厚膜電路的封裝形式，將整個電路封裝成一個封閉的集成模塊。從而保證傳感器的抗震性、抗潮濕性及可靠性。高頻磁場檢測傳感模塊（002）在實際實現中使用了多匝空心線圈作為磁場的檢測裝置，多匝空心線圈可以通過兩種方式實現：1、使用細銅線繞制的空心線圈。2、通過在印刷線路板上使用光刻的辦法做出的空心線圈。為了保證在很寬的頻譜范圍內，故障電弧信號不失真的被檢測出來，因此使用了空心線圈而不使用鐵氧體做芯的實心線圈。該線圈串聯上一個取樣電阻，取樣電阻兩端的信號電壓輸出給由運算放大器及電阻和電容構成的積分電路進行積分，然后輸出。信號輸出給低噪聲信號放大單元（003），該單元使用了二級運算放大器將小信號放大到幅度足夠模擬數字變換器的變換幅度需要。運算放大器均需要滿足寬頻響范圍，增益帶寬積足夠高，噪聲系數足夠低。核心信號處理數學算法故障電弧檢測與處理單元（004）主要實現模擬數字變換及通過對信號進行數學運算，實現信號的檢測功能。該模塊采用兩種辦法實現。1、使用帶A/D變換器的數字信號處理器（DSP）。2、使用帶A/D變換器的CPU性能強大的MCU完成。該模塊的實現主要考慮選取運算能力足夠強大的處理器（CPU）。軟件算法部分主要通過在各種負載情況下進行各種信號的采樣，同時采樣各種情況下故障電弧的信號樣本。在積累足夠多的工作信號及故障信號樣本空間的情況下，通過使用隨機噪聲信號(包括白噪聲及有色噪聲)的功率譜分析技術、噪聲信號的卷積、相關技術、噪聲中的信號檢測技術等技術，根據實際故障電弧信號的特征開發出合適的算法。為了獲得足夠的具有典型特征的信號樣本，要收集足夠的各種各樣的典型負載，并且設計實現一個故障電弧模擬裝置來模擬產生故障電弧。廣譜快速高靈敏故障電弧保護器由以下方法實現：在標準的斷路器機殼內設計一個機械結構的斷路器，該斷路器由電信號觸發。斷路器收到觸發信號后使供電電源機構脫鉤，切斷供電電源。只有手動復位才能夠重新接通供電電源。