拉弧故障检测装置、系统及方法与流程

1.本发明属于故障检测技术领域，具体涉及一种拉弧故障检测装置、系统及方法。


背景技术：

2.在变频器中，母线将配电装置中的各个载流分支回路连接在一起，起着汇集、分配和传送电能的作用。母线通常采用铜排或者铝排，具有结构紧凑、电流密度大、电阻小、集肤效应小等特点。
3.由于变频器母线间距小，工作环境中存在金属性粉尘或有小动物侵入等都极易造成变频器母线的短路拉弧。变频器母线发生拉弧故障时容易引起燃烧和爆炸，如果拉弧故障没有及时被发现和排除，将会造成严重的安全事故。
4.因此，当变频器母线发生拉弧故障时，如何能够及时发现，以便及时采取相应措施避免安全事故的发生，是本领域领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种拉弧故障检测装置、系统及方法，旨在实时监测变频器是否发生拉弧故障，以便当变频器发生拉弧故障时能够及时采取相应措施避免安全事故的发生。
6.本发明为达到其目的，所采用的技术方案如下：
7.一种拉弧故障检测装置，所述拉弧故障检测装置包括：
8.光强检测模块，用于检测指定区域内的环境光强，并将检测到的光强信号转换为电信号；
9.比较模块，用于将所述电信号的信号强度值与预设的信号强度阈值进行比较，且当所述电信号的信号强度值大于所述预设的信号强度阈值时，输出故障信号。
10.进一步地，所述光强检测模块，包括：
11.光强检测单元，用于检测指定区域内的环境光强，并将检测到的光强信号转换为电流信号；
12.信号转化单元，用于将所述电流信号转化电压信号；
13.信号放大单元，用于对所述电压信号进行放大，并将放大后的所述电压信号输出至所述比较模块。
14.进一步地，所述比较模块，包括：
15.比较单元，用于将所述电压信号的电压值与预设的电压阈值进行比较，且当所述电压值大于所述预设的电压阈值时，输出所述故障信号；其中，所述故障信号为高电平信号或低电平信号。
16.进一步地，所述比较模块，还包括：
17.信号调理单元，用于将所述故障信号转换为对应的数字信号并输出。
18.进一步地，所述拉弧故障检测装置还包括印制电路板，所述光强检测模块和所述
比较模块均固定于所述印制电路板上，且所述光强检测模块通过所述印制电路板与所述比较模块电连接。
19.进一步地，所述印制电路板上设置有若干个焊盘和/或若干个螺丝安装孔。
20.进一步地，所述拉弧故障检测装置还包括信号线，所述信号线的一端固定于所述焊盘上并与所述焊盘电连接。
21.对应地，本发明还提出一种拉弧故障检测系统，所述拉弧故障检测系统包括主控模块、至少用于为变频器进行供电的供电模块以及前述的拉弧故障检测装置，所述主控模块分别与所述供电模块、所述比较模块电连接；其中，当所述主控模块接收到所述比较模块输出的所述故障信号时，所述主控模块控制所述供电模块停止向所述变频器供电。
22.进一步地，所述主控模块为上位机或者所述变频器的控制电路板。
23.对应地，本发明还提出一种拉弧故障检测方法，所述拉弧故障检测方法包括以下步骤：
24.检测指定区域内的环境光强，并将检测到的光强信号转换为电流信号；
25.将所述电流信号转换为电压信号，并对所述电压信号进行放大处理；
26.将经过放大处理后的所述电压信号的电压值与预设的电压阈值进行比较，判断所述电压值是否大于所述预设的电压阈值；
27.若所述电压值大于所述预设的电压阈值，则输出故障信号。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.本发明提出的拉弧故障检测装置，利用变频器发生拉弧故障时会发出强烈的光的特点，通过设置光强检测模块用以检测拉弧故障易发区域内的环境光强，光强检测模块将检测到的光强信号转换为对应的电信号后输出至比较模块，比较模块接收到光强检测模块输出的电信号后，判断该电信号的信号强度值是否大于预设的信号强度阈值，若是，则输出用以表明当前变频器发生了拉弧故障的故障信号，从而实现了拉弧故障问题的实时监测，便于当变频器发生拉弧故障时能够及时采取相应措施避免安全事故的发生。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
31.图1为本发明一实施例中拉弧故障检测装置的结构示意图；
32.图2为本发明一实施例中拉弧故障检测装置的电路原理图；
33.图3为本发明一实施例中拉弧故障检测装置的安装示意图；
34.图4为本发明另一实施例中拉弧故障检测装置的安装示意图；
35.图5为本发明一实施例中拉弧故障检测方法的流程示意图。
36.附图标记说明：
[0037]1‑
光强检测模块，11
‑
光强检测单元，12
‑
信号转化单元，13
‑
信号放大单元；
[0038]2‑
比较模块，21
‑
比较单元，22
‑
信号调理单元；
[0039]3‑
印制电路板，31
‑
焊盘，32
‑
螺丝安装孔；
[0040]4‑
信号线，5
‑
主控模块，51
‑
控制电路板，6
‑
变频器机壳，7
‑
固定螺丝。
[0041]
本发明目的的实现、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
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0043]
在变频器技术领域中，变频器的母线将配电装置中的各个载流分支回路连接在一起，起着汇集、分配和传送电能的作用。母线通常采用铜排或者铝排，具有结构紧凑、电流密度大、电阻小、集肤效应小等特点。
[0044]
由于变频器母线间距小，工作环境中存在金属性粉尘或有小动物侵入等都极易造成变频器母线的短路拉弧。变频器母线发生拉弧故障时会发出强烈的光和热，并容易引起燃烧和爆炸，因此如果拉弧故障没有及时被发现和排除，将会造成严重的安全事故。
[0045]
对于变频器的防拉弧设计，目前一般采用增大母线间距、加强柜体结构(包括采用防爆柜体)和采用简单的短路保护等方式，然而这些形式的防拉弧设计存在的缺陷是：
[0046]
(1)增大母线间距以及加强柜体结构都会很明显地增大变频器的整体尺寸，如此不仅会增加物料成本，而且不利于变频器的安装与运输。
[0047]
(2)变频器的一些故障点发生拉弧时，由于回路电感以及滤波电抗器等可能在短时间内不会触发短路保护，因此无法有效避免起火、爆炸等安全事故的发生。
[0048]
针对现有防拉弧设计的缺陷，本发明实施例提供一种拉弧故障检测装置，该拉弧故障检测装置不仅能够在不影响原来变频器的功能的前提下实时监测相关线路是否发生拉弧故障，而且具有结构简单、成本低的优点。具体地，参照图1，该拉弧故障检测装置包括：
[0049]
光强检测模块1，用于检测指定区域内的环境光强，并将检测到的光强信号转换为电信号；
[0050]
比较模块2，用于将电信号的信号强度值与预设的信号强度阈值进行比较，以判断电信号的信号强度值是否大于预设的信号强度阈值；其中，当电信号的信号强度值大于预设的信号强度阈值时，比较模块2输出用以表明当前变频器发生了拉弧故障的故障信号；而当电信号的信号强度值小于预设的信号强度阈值时，比较模块2不输出任何信号或者输出用以表明当前变频器工作正常的正常信号。
[0051]
在本实施例中，具体地，在应用于变频器的应用场景中，安装使用时，将光强检测模块1置于变频器中需要监测的指定区域内，例如将光强检测模块1正对变频器的母线区域等容易发生拉弧故障的区域。在监测过程中，光强检测模块1可输出与检测到的环境光强成正比的电信号，其中，当变频器处于正常状态时，光强检测模块1所处环境的环境光光强较弱，此时光强检测模块1输出的电信号较为微弱；而当变频器发生拉弧故障时，光强检测模块1所处环境会产生很强烈的弧光，光强较强的弧光照射在光强检测模块1上，会使其输出的电信号显著增大。因此，可事先在比较模块2中设置一定的信号强度阈值，如此，只有在发生拉弧故障时，强烈的弧光才会触发拉弧故障检测装置输出故障信号，而普通环境光则不会触发拉弧故障检测装置输出故障信号，因此本实施例的拉弧故障检测装置具有良好的可
靠性和抗干扰性。
[0052]
本实施例提出的拉弧故障检测装置，利用变频器发生拉弧故障时会发出强烈的光的特点，通过设置光强检测模块1用以检测拉弧故障易发区域内的环境光强，光强检测模块1将检测到的光强信号转换为对应的电信号后输出至比较模块2，比较模块2接收到光强检测模块1输出的电信号后，判断该电信号的信号强度值是否大于预设的信号强度阈值，若是，则输出用以表明当前变频器发生了拉弧故障的故障信号，从而实现了拉弧故障问题的实时监测，便于当变频器发生拉弧故障时能够及时采取相应措施避免安全事故的发生，例如，可将故障信号输出至上位机或者变频器的主控单元，使得上位机或者变频器的主控单元可据此及时采取自动报警、自动切断供电等保护策略，从而当发生拉弧故障时可有效避免安全事故的发生。
[0053]
进一步地，参照图1和图2，在一个示例性的实施例中，上述光强检测模块1，具体包括：
[0054]
光强检测单元11，用于检测指定区域内的环境光强，并将检测到的光强信号转换为电流信号；
[0055]
信号转化单元12，用于将电流信号转化电压信号；
[0056]
信号放大单元13，用于对电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输出至比较模块2。
[0057]
在本实施例中，在具体实施时，上述光强检测单元11可以为光敏二极管、光敏三极管或者其他能够检测光强的光电转换元件，上述信号转化单元12可以是串联电阻，上述信号放大单元13可以是通用的放大电路。具体地，光强检测单元11可根据所处环境的光强强度输出与检测到的光强强度成正比的电流信号，当变频器处于正常状态时，光强检测单元11所处环境的环境光光强较弱，此时光强检测单元11输出的电流信号较小；而当变频器发生拉弧故障时，光强检测单元11所处环境会产生很强烈的弧光，光强较强的弧光照射在光强检测单元11上，会使其输出的电流信号显著增大。由于光强检测单元11输出的信号为微弱的电流信号，难以直接使用，因此需要对该电流信号进行转化，具体地，通过信号转化单元12将电流信号转换为电压信号，并通过信号放大单元13将该电压信号进行一定比例的放大，从而便于后续比较模块2进行识别。
[0058]
进一步地，参照图1和图2，在一个示例性的实施例中，上述比较模块2，包括：
[0059]
比较单元21，用于将电压信号的电压值与预设的电压阈值进行比较，且当电压值大于预设的电压阈值时，输出故障信号；其中，故障信号为高电平信号或低电平信号。
[0060]
在本实施例中，由于信号转化单元12输出的电压信号与光强检测单元11检测到的光强成正相关，因此可事先给比较单元21设置一个电压阈值，如此，在监测过程中，当比较单元21接收到信号放大单元13输出的电压信号时，比较单元21将该电压信号的电压值与该电压阈值进行比较，当该电压值小于该电压阈值时，比较单元21不动作或者输出用以表明当前变频器工作正常的低电平信号(假设故障信号为高电平)；而当该电压值大于该电压阈值时，比较单元21输出信号形式为高电平的故障信号，用以提示上位机或变频器的主控单元当前变频器发生了拉弧故障，以便上位机或变频器的主控单元及时采取相应的保护策略。
[0061]
进一步地，参照图1和图2，在一个示例性的实施例中，上述比较模块2，还包括：
[0062]
信号调理单元22，用于将故障信号转换为对应的数字信号并输出。
[0063]
在本实施例中，考虑到变频器中的电磁环境较为复杂，在一些需要长距离传输信号的应用场景中，若直接传输信号形式为电信号的故障信号，故障信号在输出的过程中将会受到很大的干扰而影响后续识别，因此在故障信号输出之前先通过信号调理单元22对该故障信号进行调理，将其转换为抗干扰能力强且易于传输和识别的数字信号，例如可采用传感器领域通用的4
‑
20ma电流传输方式进行调理，或者通用的24v电平的数字量输出方式进行调理，如此，使得本实施例的拉弧故障检测装置能够更方便地应用在现有的变频器产品中。其中，在具体实施时，信号调理单元22可以是专用的集成芯片，也可以是由分立的电子器件组成的信号转换电路，只要能将信号形式为电信号的故障信号转换为对应的数字信号即可，本实施例对此不作具体的限制。
[0064]
进一步地，参照图1和图2，在一个示例性的实施例中，上述拉弧故障检测装置还包括印制电路板3，光强检测模块1和比较模块2均固定于印制电路板3上，且光强检测模块1通过印制电路板3与比较模块2电连接。
[0065]
在本实施例中，通过设置印制电路板3，并将光强检测模块1和比较模块2集成于印制电路板3上，不仅可方便各个功能元件的固定，而且有利于提高拉弧故障检测装置的集成度，方便安装使用。在具体实施时，可通过焊接的方式将光强检测单元11固定于印制电路板3上，信号转化单元12、信号放大单元13、比较单元21和信号调理单元22可通过封装的方式集成于一体，并通过焊接的方式固定于印制电路板3上，其中，封装的形式可以多种样式，可以是两个引脚或者三个及以上引脚的封装方式；光强检测单元11具体可通过印制电路板3上的引线与封装后的信号转化单元12电连接。
[0066]
进一步地，根据不同的检测性能要求，拉弧故障检测装置可能需要安装在变频器的不同位置，例如当拉弧故障检测装置与变频器的控制电路板51(即变频器的主控单元)距离较近时，拉弧故障检测装置优选通过焊接的方式固定在变频器的控制电路板51上，基于此，参照图4，在一个示例性的实施例中，印制电路板3上设置有若干个焊盘31。如此，通过在印制电路板3上设置焊盘31，使得整个拉弧故障检测装置可通过焊接的方式与变频器的控制电路板51(即变频器的主控单元)进行连接，从而，不仅方便了整个拉弧故障检测装置的安装，而且通过焊接的方式实现故障信号的短距离传输，节省了线缆的使用的同时，也简化了对故障信号的调理(即此时可以省去信号调理单元22的设置)，从而有利于降低拉弧故障检测装置的使用成本。
[0067]
进一步地，根据不同的检测性能要求，拉弧故障检测装置可能需要安装在变频器的不同位置，例如当拉弧故障检测装置与变频器的控制电路板51距离较远时，拉弧故障检测装置优选通过可调整的固定方式安装在变频器的机壳上，基于此，参照图3，在另一个示例性的实施例中，上述拉弧故障检测装置还包括信号线4，印制电路板3上还设置有若干个螺丝安装孔32，其中，信号线4的一端固定于焊盘31上并与焊盘31电连接(具体地，信号线4的一端与焊盘31相焊接)。如此，通过在印制电路板3上设置螺丝安装孔32，使得整个拉弧故障检测装置在变频器机壳6上的安装位置可以根据实际需要灵活调整(具体安装使用时，可通过往螺丝安装孔32拧上固定螺丝7的方式将整个拉弧故障检测装置固定在变频器机壳6上)，此时可通过信号线4对拉弧故障检测装置进行供电以及进行故障信号的长距离传输。具体实施时，信号线4与变频器高压侧需满足相应的安规距离要求，信号线4的另一端可接
入变频器或上位机通用的对外输入/输出端子，从而使得本实施例的拉弧故障检测装置可具有很好的兼容性。
[0068]
对应地，参照图1至图4，本发明实施例还提出一种拉弧故障检测系统，该拉弧故障检测系统包括主控模块5、至少用于为变频器进行供电的供电模块(图中未示意出)以及上述任一实施例中的拉弧故障检测装置，主控模块5分别与供电模块、比较模块2电连接；其中，当主控模块5接收到比较模块2输出的故障信号时，主控模块5控制供电模块停止向变频器供电。其中，主控模块5为上位机或者变频器的控制电路板51。
[0069]
在本实施例中，得益于上述拉弧故障检测装置的改进，本实施例的拉弧故障检测系统具有与上述拉弧故障检测装置相同的技术效果，此处不再赘述。
[0070]
对应地，参照图5，本发明实施例还提供一种拉弧故障检测方法，该拉弧故障检测方法包括以下步骤：
[0071]
步骤s11，检测指定区域内的环境光强，并将检测到的光强信号转换为电流信号；
[0072]
步骤s12，将电流信号转换为电压信号，并对电压信号进行放大处理；
[0073]
步骤s13，将经过放大处理后的电压信号的电压值与预设的电压阈值进行比较，判断电压值是否大于预设的电压阈值；
[0074]
若是，则执行步骤s14，输出故障信号。
[0075]
本实施例的拉弧故障检测方法，利用变频器发生拉弧故障时会发出强烈的光的特点，基于上述步骤可实现拉弧故障问题的实时监测，从而便于当变频器发生拉弧故障时能够及时采取相应措施避免安全事故的发生，例如，可将故障信号输出至上位机或者变频器的主控单元，使得上位机或者变频器的主控单元可据此及时采取自动报警、自动切断供电等保护策略，从而当发生拉弧故障时可有效避免安全事故的发生。此处需要说明的是，本实施例的拉弧故障检测方法的具体实现方式可参考上述关于拉弧故障检测装置实施例的内容描述，此处不再赘述。
[0076]
需要说明的是，本发明公开的拉弧故障检测装置、系统及方法的其它内容可参见现有技术，在此不再赘述。
[0077]
另外，需要说明的是，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，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0078]
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。