无外部供电的电弧报警器的制作方法

本发明涉及电弧监测技术领域，特别涉及一种无外部供电的电弧报警器。

背景技术：

在中国火灾原因分析中，由于电气原因引起的火灾占比在30％以上。

电气火灾发生的原因很多，短路、绝缘老化、过流、接地故障、接触不良、家电或电热设备引燃可燃物等等。从本质上讲，在所有电气火灾发生过程中，都会有电弧发生。

在美国，根据cpsc(美国消费品安全委员会)1998年的统计，每年由于配电线路老化引起电弧造成的火灾有超过40000起，造成直接经济损失16.8亿美元。

目前已经存在电弧故障断路器，在传统的断路器的基础上添加了对故障电弧起保护作用的功能，以防范由于故障电弧而引发的火灾。但是，现有的电弧故障断路器在有些应用场景下容易误动，而且直接跳闸，可能会影响正常的生产和生活，目前的电弧故障保护一般都是安装在局部的单独的负载上，如空调等。

另外，现有的电弧故障断路器的安装需要停电，属于事先安装的设施，大量的场合目前还没有这样的设施。电弧的发生并不一定总是引起火灾，如果仅仅是因为一个插座的松动就将整个家庭或者房间的电源跳开，扩大了停电的范围，严重影响生产和生活。实际大多数应用中，仅仅需要告警，能够提醒使用者即可。

目前市面上存在的电弧故障断路器或者告警器，都是需要接线的，需要停电安装，对安装人员是有限制的。并且，已经存在的电弧故障断路器或者告警器都需要供电。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提供一种无外部供电的电弧报警器。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种无外部供电的电弧报警器，包括：无功耗电弧检测单元、波形处理电路、脉冲处理电路、报警器、供电单元，其中，所述波形处理电路与所述无功耗电弧检测单元和脉冲处理电路连接，所述脉冲处理电路与所述报警器连接，所述供电单元与所述无功耗电弧检测单元、报警器连接；

所述无功耗电弧检测单元包括至少一组检测回路和至少一个开关单元，当发生电弧故障时，由于电弧故障下的电流具有较大的高频分量，每组检测回路感应的电压均能驱动对应的开关单元导通，输出脉冲信号时，则判断检测到电弧信号，将输出的脉冲信号发送至所述波形处理电路；

所述波形处理电路用于接收所述脉冲信号，对脉冲信号的幅值，波形和周期和脉冲宽度进行处理，输出给脉冲处理电路，如果脉冲处理电路是数字的，则产生一个给定脉宽的信号和一个脉冲信号；如果脉冲处理电路是模拟的，则产生一个定脉宽的信号。

所述脉冲处理电路如果是数字的，则在逻辑上实现在给定的脉冲宽度的时间内进行脉冲计数，计数值超过设定值，如16，则输出一个报警信号，认为有电弧故障发生。所述脉冲处理电路如果是模拟的，则波形处理电路输出的信号，通过一个rc积分电路，若积分电路的输出超过输出比较器的阈值，则输出一个报警信号，认为有电弧故障发生。

所述报警器接收来所述脉冲处理电路的报警指令，并根据所述报警指令发出电弧报警信号，以提示用户。

进一步，所述报警器包括报警单元和无线信号发射单元，

所述无线信号发射单元接收来自所述脉冲处理电路的报警指令，并进行报警处理；

所述报警单元根据所述报警指令，发出电弧报警信号，所述电弧报警信号采用至少以下一种形式：声音、光线、振动、非调制无线电信号、调制的无线电信号。

进一步，所述无线信号发射器采用以下形式之一的无线通讯方式：zigbee、lora、lorawan、nbiot。

进一步，所述至少一组检测回路包括至少一个检测线圈，每个所述检测线圈采用没有磁芯的空心线圈或者有磁芯的线圈。

进一步，所述开关单元采用低阈值的mos管或三极管或者超低功耗集成电路。

进一步，温度传感器采用ntc电阻，与3个电阻组成一个桥电路，接入一个比较器，当温度高于设定温度则输出温度报警信号。电流传感器电路也通过一个比较器电路与设定电流值比较，当回路电流值超过设定电流值则输出电流报警信号。这两个报警信号经过rc低通滤器后，送给迟滞比较器，输出给报警器。

进一步，所述报警器与监测回路采用卡扣安装的形式，打开紧固体，将所述报警器套在监测回路上，然后闭合紧固体，以使得电路互感器和检测线圈均套在检测回路上。

进一步，所述紧固体为卡扣或者螺丝或者卡簧。

进一步，还包括：能量搜集及电流检测单元，所述能量搜集及电流检测单元与所述无功耗电弧检测单元、波形处理电路、脉冲处理电路和报警器连接，以及与外部的电流互感器、供电单元连接，所述能量搜集及电流检测单元用于从所述电流互感器搜集能量，将搜集的能量向所述供电单元、报警器、无功耗电弧检测单元和单稳态电路供电，以及检测用户负载的电流值。

根据本发明实施例的无外部供电的电弧报警器，采用无功耗电弧检测单元中的至少一组检测回路检测是否出现电弧故障，并采用能量采集电路将从电流互感器采集的能量提供至供电单元，以实现无需外部供电和接线就能监测到交流供电回路的电弧故障，并发出声音或者其他告警信息。本发明可以广泛应用于电弧故障报警，配电箱过热报警，电缆接头的过热报警和电缆沟温度报警等等场合。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的无外部供电的电弧报警器的结构图；

图2a和图2b为根据本发明实施例的报警器的安装示意图；

图3为本发明实施例的无功耗电弧监测单元的电路图；

图4为本发明实施例的能量搜集及电流检测单元的电路图；

图5a为本发明实施例的温度检测的电路图；

图5b为本发明实施例的回路电流检测的电路图；

图5c为本发明实施例的rc积分电路的电路图；

图5d为本发明实施例的单稳电路的电路图；

图6为本发明实施例的模拟方式的脉冲处理电路的电路图；

图7为本发明另一个实施例的无外部供电的电弧报警器的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的无外部供电的电弧报警器，包括：无功耗电弧检测单元1(包括检测线圈)、波形处理电路2、、脉冲处理电路9、报警器42、供电单元6。需要说明的是，图1为检测线圈和电流互感器铁芯闭合后的示意图。

具体地，波形处理电路2与无功耗电弧检测单元1和脉冲处理电路9连接，脉冲处理电路9与报警器42连接。

无功耗电弧检测单元1包括至少一组检测回路和至少一个开关单元，当发生电弧故障时，由于电弧故障下的电流具有较大的高频分量，当每组检测回路均能驱动对应的开关单元导通，输出脉冲信号时，则判断检测到电弧信号，将输出的脉冲信号发送至波形处理电路2。在本发明的一个实施例中，开关单元采用低阈值的mos管或三极管或者超低功耗集成电路。

在本发明的一个实施例中，至少一组检测回路包括至少一个检测线圈或者至少一个检测线圈与同等数量的外部电容构成，具体包括以下三种情况：

(1)1个检测线圈

(2)1个检测线圈+1个电容

上述(1)、(2)中的1个线圈，1个线圈+1个电容的组合，只要能够驱动开关单元就认为电弧故障可能，通过波形处理电路和脉冲处理电路来判别。

(3)两个及以上检测线圈+同等数量电容或者两个及以上检测线圈+非等数量电容

两个及以上检测线圈+同等数量电容或者两个及以上检测线圈+非等数量电容的组合，只有能够驱动所有开关单元才认为电弧故障可能，通过软件计数比较来判别。

具体地，为了区分正常的电网干扰信号和故障电弧信号，采用至少一组检测回路包括至少一个检测线圈或者至少一个检测线圈与同等数量的外部电容构成，每个检测线圈采用没有磁芯的空心线圈或者有磁芯的线圈，磁芯的导磁率μ<2000。

下面结合上述检测回路的三种形式，对电弧检测原理进行说明：

首先，套在用户线路上检测回路的检测线圈的输出电压正比于其检测的电流值和频率值。由于电力信号一般为低频正弦波信号，在检测回路上能够输出的电压值很低，不足以驱动开关单元导通。然而故障电弧信号含有较大的高频信号，而检测线圈的电压输出与信号的频率成正比关系，在高频信号上能够输出较大的电压值，可以驱动开关单元。在本发明的一个实施例中，经实验得到，在高频信号上能够输出的电压可以超过1v。

若检测回路为单个线圈，则检测线圈的输出电压能驱动开关单元导通即认为有可能有电弧故障发生。若检测回路为单个线圈或者单个线圈和电容构成的检测回路，只有检测回路的输出电压能够驱动开关单元导通即认为有可能有电弧故障发生；若采用两个及以上检测回路，只有多个检测回路输出电压能够驱动开关单元导通即认为有可能有电弧故障发生。至少一组谐振回路的谐振点频率之间不为整倍数关系，至少一个回路均采用下述方式对电弧信号进行检测：每组谐振回路均能驱动对应的开关单元导通，输出脉冲信号时，则判断检测到电弧信号，只有当每个谐振回路均由脉冲输出时，才判断为电弧信号。

在没有电弧信号时，其待机功耗非常接近0微瓦，待机电流为三极管或者低阈值mos管的漏电流。

如图3所示，将待检测的用户线路穿过各个检测线圈，线路故障电弧信号在检测线圈上的感应电压，直接或者间接驱动低阈值的mos管或者三极管或者超低功耗集成电路，输出给波形处理电路和脉冲处理电路。

具体地，检测线圈1和外接电容1构成一组谐振回路，用于驱动相连接的低阈值mos管或三极管或者超低功耗集成电路的开断。检测线圈2和外接电容2构成另一组谐振回路，用于驱动相连接的低阈值mos管或三极管的开断。

下面对无功耗电弧检测单元1的工作原理：

当用户线路有电弧发生时，产生的高频脉冲。其中，高频信号是相比较于工频50hz,60hz或者中频400hz，800hz而言的，至少为其10倍以上的频率。

每个检测线圈上的感应电压能够直接或者间接触发对应的低阈值mos管或者使三极管电路导通，从而启动一个波形处理电路2。由波形处理电路2接收脉冲信号，进行波形，幅值，脉冲周期和宽度处理后，输出给脉冲处理电路9，由脉冲处理电路9根据脉冲信号并对脉冲个数进行计数处理，以判断是否检测到电弧故障。

波形处理电路2有2种处理方式，数字方式和模拟方式：

数字方式，脉冲输出信号经过数字迟滞比较器进行波形整形后，输出给1个单稳电路，产生一个固定脉冲宽度的信号，如200毫秒；同时输出给一个计数器，进行计数，单稳电路输出的固定脉冲宽度信号作为计数器的门控输入；如计数器最大计数值为16，如果计数器产生溢出，则输出报警信号。在固定脉冲宽度信号结束时，对计数器进行清0处理。

参考图5c、图5d和图6，模拟方式，脉冲信号经过数字迟滞比较器进行波形整形后输出给一个单稳电路，产生一个固定脉冲宽度的信号，比如1毫秒；该信号送给rc积分电路，rc积分电路的时间常数远大于脉冲信号的宽度，比如10倍；rc积分电路的输出给迟滞比较器的输入，设置比较器的比较电压值，使得当在设定的时间内接收到16个及以上脉冲后，比较器反转，输出报警信号。

报警器42接收来脉冲处理电路2的报警指令，并根据报警指令发出电弧报警信号，以提示用户。在本发明的一个实施例中，报警器42包括报警单元和无线信号发射单元41，

无线信号发射单元41接收来自脉冲处理电路的报警指令，并进行报警处理。其中，无线信号发射器采用以下形式之一的无线通讯方式：zigbee、lora、lorawan、nbiot等其他无线通讯方式。

无线信号发射器采用zigbee,lora,lorawan或者其他的无线通讯方式，需要配置一个中心，接收无线报警信息，进行报警处理。主要适用于报警现场无人的场合。

报警单元根据报警指令，发出一种或多种电弧报警信号，电弧报警信号采用至少以下一种形式：声音、光线、振动、非调制无线电信号、调制的无线电信号。

在本发明的一个实施例中，报警单元采用声音报警器42时，其包括：外围驱动电路和压电陶瓷报警器42及相应的谐振腔体构成，脉冲处理电路给出报警信号则报警器42通电，报警器42发声。否则报警器42断电，报警器42不发声，不耗电。

如图7所示，能量搜集及电流检测单元3与电流互感器、供电单元6连接、无功耗电弧检测单元1、波形处理电路，脉冲处理电路2和报警器42连接。

能量搜集及电流检测单元3用于从电流互感器(7)搜集能量，将搜集的能量向供电单元6、报警器42、无功耗电弧检测单元1(包括检测线圈8)和单稳态电路2供电，以及检测用户负载的电流值。

具体地，如图4所示，能量搜集及电流检测单元3从电流互感器取电的能量搜集技术，靠用户负载电流感生在电流互感器次级的能量，为可供电单元6充电，使得整个报警器42不需要外部供电即可正常工；

供电单元6与无功耗电弧检测单元1、报警器42、能量搜集及电流检测单元3、温度参数检测单元5等连接，以向上述器件供电。

在本发明的一个实施例中，供电单元6可以为非可充电电池，充电电池，超级电容。

能量搜集及电流检测单元3，从电流互感器的输出搜集能量，给供电单元6供电。并且检测用户线路工作电流。

参考图4，电流互感器的输出经过整流桥整流滤波后给能量搜集电路，由能量搜集电路给供电单元6供电。ct的互感器变比要取得很大，比如2000：1，这样互感器能够输出比较高的电压，能够使得整流桥导通。在0.5a的负载条件下，大约能够输出1v约0.25ma，大约0.25mw的功率，考虑到待机功耗小于10uw的水平，足以给充电电池充电，目前很多能量搜集的集成电路都可以满足该要求。在负载电流更大的条件下，输出的功率会更大。能够保证报警器42长期稳定的工作。该电路还负责电流的检测，其信号与设定电流值进行比较，当大于设定电流值则比较器输出信号，经过rc积分电路和迟滞比较器后，输出电流报警信号。

参考图5a和图5b，本发明还包括环境参数检测单元，与能量搜集及电流检测单元连接，用于监测环境温度和回路电流，温度超过电路设定值且超过设定时间，或者电流超过设定值且超过设定时间，触发报警电路报警。

温度检测单元为温度传感器与电阻构成桥式电路，其输出接入一个比较器电路，当温度超过设定值，比较器输出信号，经过rc积分电路后，输出给迟滞比较器。

在本发明的一个实施例中，报警器42与监测回路采用卡扣安装的形式，安装简单，无需接线的安装方式。如图2a所示，打开紧固体，将报警器42套在监测的回路上，然后闭合紧固体，以使得电路互感器和检测线圈均套在检测回路上。如图2b所示即可工作。

优选的，紧固体为卡扣或者螺丝或者卡簧。

根据本发明实施例的无外部供电的电弧报警器，采用无功耗电弧检测单元中的至少一组检测回路检测是否出现电弧故障，并采用能量采集电路将从电流互感器采集的能量提供至供电单元，以实现无需外部供电和接线就能监测到交流供电回路的电弧故障，并发出声音或者其他告警信息。本发明可以广泛应用于电弧故障报警，配电箱过热报警，电缆接头的过热报警和电缆沟温度报警等等场合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。