电气安全检测装置及智能插座的制作方法

本实用新型涉及智能插座技术领域，尤其涉及一种电气安全检测装置及智能插座。

背景技术：

电弧是一种气体游离放电现象，也是一种等离子体。电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果，其中电子的移动构成电流的主要部分。电弧的特点是温度很高，电流很小，持续时间短。在电路中线路绝缘老化与接触不良容易引发故障电弧，而故障电弧仅需要几个安培大小的电弧电流就能产生2000-4000℃的局部高温，引燃周边易燃物，引发大面积的火灾事故。

传统的电气保护装置，例如熔断器、断路器、剩余电流动作保护器等，只能检测出过载、短路和接地故障电流，并对电路进行保护，当前的充电插座由于仅预装有上述电气保护装置，因此对故障电弧检测无能无力，存在充电安全隐患。

上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种电气安全检测装置及智能插座，旨在解决现有技术中插座充电时因故障电弧导致充电安全隐患的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种电气安全检测装置，所述装置包括故障检测模块及管理模块；所述故障检测模块包括电流检测电路及过零检测电路，所述管理模块包括模数转换器、计数器及微控制器；所述过零检测电路与火线及所述微控制器分别连接，所述电流检测电路与所述火线、所述微控制器、所述模数转换器及所述计数器分别连接，所述模数转换器及所述计数器还分别与所述微控制器连接；其中，

所述故障检测模块，用于在接收到所述微控制器发送的pwm信号时，通过过零检测电路实现故障检测模块自检；

所述故障检测模块，还用于通过过零检测电路对输入的电流信号进行过零检测，获得过零信号并发送所述过零信号至所述管理模块；

所述管理模块，用于根据所述过零信号确定采样周期；

所述故障检测模块，还用于在所述采样周期内通过电流检测电路从所述电流信号中获取频率小于第一预设阈值的低频信号后发送所述低频信号至模数转换器，并从所述电流信号中获取频率不小于第一预设阈值的高频信号后发送所述高频信号至计数器；

所述管理模块，还用于通过所述模数转换器对所述低频信号进行电流变化率检测，以使通过所述微控制器根据电流变化率检测结果设置低频特征标志位；

所述管理模块，还用于通过所述计数器对所述高频信号进行脉冲数检测，以通过使所述微控制器根据脉冲数检测结果设置高频特征标志位；

所述管理模块，还用于通过所述微控制器根据所述低频特征标志位及所述高频特征标志位判定是否有故障电弧。

优选地，所述电流检测电路包括电流采样单元、第一信号调理单元、低通滤波器、放大器、高通滤波器、第一比较器；所述电流采样单元穿射于与火线，所述电流采样单元还与所述第一信号调理单元连接，所述第一信号调理单元与所述低通滤波器及所述高通滤波器分别连接，所述低通滤波器与所述放大器连接，所述放大器与所述模数转换器连接，所述高通滤波器与所述第一比较器连接，所述第一比较器与所述计数器连接。

优选地，所述电流采样单元包括电流互感器、分流器或罗氏线圈。

优选地，所述电流检测电路还包括模拟开关及第二信号调理单元；所述第二信号调理单元与所述微控制器的第一io端口及所述模拟开关连接，所述模拟开关与所述微控制器的第二io端口、所述电流采样单元及所述第一信号调理单元分别连接。

优选地，所述过零检测电路包括电压检测单元、第三信号调理单元及第二比较器；所述电压检测单元与所述火线及所述第三信号调理单元分别连接，所述第三信号调理单元与所述第二比较器连接，所述第二比较器与所述微控制器的第三io端口连接。

优选地，还包括非隔离式电源模块，所述非隔离式电源模块包括ac-dc电路及dc-dc电路，所述ac-dc电路与所述火线、所述零线及所述dc-dc电路分别连接，所述dc-dc电路与所述管理模块及所述故障检测模块分别连接。

优选地，还包括计量模块，所述计量模块与所述微控制器的第一串口、所述电流检测电路及所述过零检测电路分别连接，用于对所述电流检测电路及所述过零检测电路的用电量进行计量。

优选地，还包括通讯模块，所述通讯模块包括wifi单元、gprs单元及4g单元中的至少一种，所述通讯模块与所述微控制器的第二串口连接。

本实用新型还提出一种智能插座，所述智能插座包括如上所述的电气安全检测装置。

优选地，还包括面板模块，所述面板模块包括插孔、故障复位按钮及测试按钮，所述面板模块与所述微控制器连接。

本实用新型包括故障检测模块及管理模块；故障检测模块包括电流检测电路及过零检测电路，管理模块包括模数转换器、计数器及微控制器；过零检测电路与火线及微控制器分别连接，电流检测电路与火线、微控制器、模数转换器及计数器分别连接，模数转换器及计数器分别与微控制器连接。通过过零检测电路进行自检、获取低频信号及高频信号，模数转换器对低频信号进行电流变化率检测，计数器对高频信号进行脉冲数检测，微控制器根据检测结果判定是否有故障电弧。其中，通过在充电过程中持续收集和分析电流特征，能够对充电线路中的故障电弧进行准确检测，避免了插座充电时因故障电弧导致的充电安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用新型一种电气安全检测装置第一实施例的功能模块图；

图2是本实用新型一种电气安全检测装置第二实施例的结构示意图；

图3是本实用新型一种电气安全检测装置的应用场景图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提供一种电气安全检测装置。

参照图1，在第一实施例中，所述装置包括故障检测模块10及管理模块20；所述故障检测模块10包括电流检测电路110及过零检测电路120，所述管理模块20包括模数转换器(未标示)、计数器(未标示)及微控制器(未标示)；所述过零检测电路120与火线(即l线)及所述微控制器分别连接，所述电流检测电路110与所述火线l、所述微控制器、所述模数转换器及所述计数器分别连接，所述模数转换器及所述计数器还分别与所述微控制器连接；其中，所述故障检测模块10，用于在接收到所述微控制器发送的pwm信号时，通过过零检测电路120实现故障检测模块10自检；所述故障检测模块10，还用于通过过零检测电路120对输入的电流信号进行过零检测，获得过零信号并发送所述过零信号至所述管理模块20；所述管理模块20，用于根据所述过零信号确定采样周期；所述故障检测模块10，还用于在所述采样周期内通过电流检测电路110从所述电流信号中获取频率小于第一预设阈值的低频信号后发送所述低频信号至模数转换器，并从所述电流信号中获取频率不小于第一预设阈值的高频信号后发送所述高频信号至计数器；所述管理模块20，还用于通过所述模数转换器对所述低频信号进行电流变化率检测，以使通过所述微控制器根据电流变化率检测结果设置低频特征标志位；所述管理模块20，还用于通过所述计数器对所述高频信号进行脉冲数检测，以通过使所述微控制器根据脉冲数检测结果设置高频特征标志位；所述管理模块20，还用于通过所述微控制器根据所述低频特征标志位及所述高频特征标志位判定是否有故障电弧。

需要说明的是，故障电弧按类型可以分为并联电弧和串联电弧，现有熔断器、断路器、剩余电流动作保护器由于各自的特性最多只能在出现并联电弧时起保护作用，而串联电弧发生时电流一般小于额定电流，上述保护装置几乎不可能起保护作用，因此，依靠上述保护装置相应原理制作的智能插座无法准确地检测出故障电弧。本实施例采用充电电流的电流变化率大小以及高频脉冲数两个特征量作为判断依据，在充电过程中持续收集和分析电流特征量，能够对充电线路中的故障电弧进行准确检测。

可理解的是，所述低频信号指电流信号中频率小于第一预设阈值的信号，所述高频信号指电流信号中频率不小于第一预设阈值的信号，根据插座的不同应用场景，可以对第一预设阈值进行自定义设置。

在具体实现中，首先通过过零检测电路120对电网输入的电流信号进行过零检测，确定电网频率，以便确定采样周期。作为一实施例，对于频率为50hz的电网，针对电流检测电路110中的低频通路，模数转换器以不低于10khz的采样频率对电流进行采样，采样时间为半个周波，即10ms。电流检测电路110中的高频通路截止频率为10khz，滤除低频信号的同时将信号放大后送入比较器，由计数器统计脉冲数。最后通过微控制器根据电流变化率及脉冲数判定是否有故障电弧。

本实施例包括故障检测模块及管理模块；故障检测模块包括电流检测电路及过零检测电路，管理模块包括模数转换器、计数器及微控制器；过零检测电路与火线及微控制器分别连接，电流检测电路与火线、微控制器、模数转换器及计数器分别连接，模数转换器及计数器分别与微控制器连接。通过过零检测电路进行自检、获取低频信号及高频信号，模数转换器对低频信号进行电流变化率检测，计数器对高频信号进行脉冲数检测，微控制器根据检测结果判定是否有故障电弧。其中，通过在充电过程中持续收集和分析电流特征，能够对充电线路中的故障电弧进行准确检测，避免了插座充电时因故障电弧导致的充电安全隐患。

请一并参照图1和图2，图中各元器件虽未标号，但从图1和图2中可以准确且毫无疑义地确定各元器件的连接关系。所述电流检测电路110包括电流采样单元、第一信号调理单元、低通滤波器、放大器、高通滤波器、第一比较器；所述电流采样单元穿射于与火线，所述电流采样单元还与所述第一信号调理单元连接，所述第一信号调理单元与所述低通滤波器及所述高通滤波器分别连接，所述低通滤波器与所述放大器连接，所述放大器与所述模数转换器连接，所述高通滤波器与所述第一比较器连接，所述第一比较器与所述计数器连接。

应当理解的是，其中电流采样单元可以为电流互感器、分流器及罗氏线圈等。本实施例中优选最大工作频率为200khz的电流互感器作为电流采样单元，穿射于火线上，对电流进行采样，获取电流信号。

所述第一信号调理单元用于将电流采样单元输出的交流小信号(约±155mvpeak)进行电压抬升、放大，抬升电压优选+1.6v，放大倍数优选10倍。

在具体实现中，考虑到实时电流信号分析对处理器及内存资源的压力；将后续检测通路设计为低频、高频两部分；低频滤波器的截止频率可根据电网频率自定义设置，优选设置为10khz，模数转换器优选采用速度较快的12位逐次比较型模数转换器，当低频滤波器的截止频率为10khz时，模数转换器的采样率应不低于20khz；高频滤波器对应地提取10khz及以上信号，经过放大后与第一比较器中阈值k1进行比较，由微控制器统计脉冲个数。如此处理10khz以上的高频信号，不用通过复杂的fft(fastfouriertransform，快速傅立叶变换)环节对频谱进行分析，降低了处理器压力。

进一步地，所述电流检测电路110还包括模拟开关及第二信号调理单元；所述第二信号调理单元与所述微控制器的第一io端口及所述模拟开关连接，所述模拟开关与所述微控制器的第二io端口、所述电流采样单元及所述第一信号调理单元分别连接。

应当理解的是，模拟开关主要是完成信号链路中的信号切换功能，采用mos管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开。通过模拟开关和第二信号调理单元组成自检通路，自检通路由外部(如插座面板上的测试按键)触发，微控制器产生一个pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)信号，该信号通过第一io端口输出至第二信号调理单元，第二信号调理单元将pwm信号转换为自检信号，此时切换模拟开关，将自检信号送入第一信号调理单元，检验电气安全检测装置功能的有效性。

进一步地，所述过零检测电路120包括电压检测单元、第三信号调理单元及第二比较器；所述电压检测单元与所述火线及所述第三信号调理单元分别连接，所述第三信号调理单元与所述第二比较器连接，所述第二比较器与所述微控制器的第三io端口连接。

应当理解的是，由于故障电弧产生后，电流畸变严重，无法通过电流数据识别电网频率变化，为了识别电网频率，本实施例设计了一个过零检测电路；通过该电路不仅可以识别电网频率是50hz还是60hz，还可以识别电网频率的变化如49hz-51hz的变化；通过这个频率，可以调整模数转换器的采样频率和电流半波采样持续时间，保证后续对电流中的高频特征和低频特征进行识别的识别单元为一个完整的电流半波。

其中，所述电压检测单元用于对电网电压进行检测，并向第三信号调理单元输出电压，同时，还可以对线路进行过载检测，获得过载检测结果。所述第三信号调理单元用于将电压检测单元的输出电压进行升压后发送至第二比较器中。

进一步地，电气安全检测装置还可以包括非隔离式电源模块30，非隔离式电源模块30与火线、零线、管理模块20及故障检测模块10分别连接，从线路取电，依次通过ac-dc整流电路、dc-dc电压转换电路为管理模块20及故障检测模块10供电。本实施例中采用非隔离式电源供电方案取电，与隔离方案相比节省体积，效率更高。

进一步地，电气安全检测装置还可以包括漏电检测模块，所述漏电检测模块，用于对线路进行漏电检测，获得漏电检测结果。如此，微控制器可以根据漏电检测模块的漏电检测结果、电压检测单元的过载检测结果及电流检测电路110中的高频特征、低频特征进行充电线路的健康状态评估。

进一步地，电气安全检测装置还可以包括计量模块，计量模块与所述微控制器的第一串口uart1、所述电流检测电路110及所述过零检测电路120分别连接，可采用专用电能计量芯片，优选地采用rn8209g。

进一步地，电气安全检测装置还可以包括通讯模块；通讯模块与所述微控制器的第二串口uart2连接，可以为wi-fi单元、gprs单元及4g单元中的至少一种，优选地采用wi-fi单元。

本实施例通过电气安全检测装置的具体模块设计，通过将电流检测电路设计为低频和高频两部分，降低了实时电流信号分析对处理器及内存资源的压力，通过模数转换器获得电流变化率，计数器获得脉冲数，根据电流变化率和脉冲数两个特征进行电气安全检测，提高了检测准确率。

本实用新型还提出一种智能插座，所述智能插座包括如上所述的电气安全检测装置，所述智能插座的电气安全检测装置的电路结构可参照上述实施例，在此不再赘述；可以理解的是，由于本实施例的智能插座采用了上述电气安全检测装置的技术方案，因此所述智能插座具有上述所有的有益效果。

进一步地，智能插座还可以包括面板模块(图未示)，面板模块包括常规插孔、故障复位按钮及测试按钮，所述面板模块与所述微控制器连接，当测试按钮被按下后，微控制器产生一个pwm信号，此时切换模拟开关开始自检，如此可以将电气安全检测装置集成于智能插座中，将故障电弧检测功能与电动车充电插座深度融合，节省成本。

如图3所示，图3为电气安全检测装置的应用场景图，具备故障电弧检测功能的充电插座与手机app、云服务器搭配使用，插座面板上贴有二维码id，通过手机app扫描该二维码，即可与插座建立连接，插座通过无线通讯方式将用电量及充电状态信息上传至云端，完成费控及结算功能。通过无线通讯方式连接云端，将充电电流监控参数传输到云服务器，可以进行模型重建及参数升级，优化误报率和漏报率。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。