一种电焊机外壳保护接地状态监测与强制警示方法与流程

本发明涉及电气安全监测，具体涉及一种电焊机外壳保护接地状态监测与强制警示方法。

背景技术：

1、电焊机作为金属加工与工程建设中的常见设备，被广泛应用于工业制造、建筑施工及设备检修等诸多领域。在实际作业过程中，电焊机通常处于工况复杂、环境恶劣的现场，其内部包含大功率的变压与逆变元件，工作时伴随着较高的工作电压和大电流输出。

2、为保障操作人员的生命安全，防止设备绝缘老化或内部故障导致金属外壳带电，现有的安全规范（如gb 15579.1-2017《弧焊设备 安全要求》）明确要求电焊机的金属外壳必须与大地进行可靠的电气连接。在常规的电气保护方案中，通常采用被动式的漏电保护机制。此类机制主要通过在供电回路中设置零序电流互感器等检测元件，当设备发生漏电且部分电流经由外壳流入大地时，检测元件感应到供电线路中的输入与回流电流不再平衡，进而产生感应信号并触发后级的保护电路跳闸切断电源。

3、然而，现有的被动式漏电保护机制存在局限性。这种保护方式仅在设备已经发生实质性漏电故障时才会触发动作，无法在正常工作状态下主动感知外壳接地回路的完整性与真实阻抗。如果在作业过程中接地导线未被正确安装、意外脱落或接地阻抗超过安全标准，由于此时并未发生漏电，被动检测元件完全无法察觉异常。若试图引入常规的主动阻抗测量手段来排查此隐患，由于电焊机在起弧与焊接逆变时会产生强电磁干扰与负载瞬变，常规测量方法难以在强背景噪声下精准提取微弱的接地阻抗特征信号，且极易因滤波迟滞引发保护机构的误脱扣；同时，常规单一的电气触发执行回路在复杂恶劣工况下，缺乏多重独立的触发机制，在复杂故障工况下存在失效风险。这就导致现有技术无法在电焊机正常作业且未漏电的状况下，精准、稳定地实现在线接地状态排查与可靠闭锁，一旦后续突发绝缘击穿漏电，将直接威胁现场作业人员的生命安全。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对现有被动式漏电保护机制无法在正常作业且未漏电状态下主动排查外壳接地失效或阻抗超标隐患的问题；同时针对常规主动阻抗测量手段在电焊机强电磁干扰与瞬态负载突变工况下，难以精准提取微弱信号且易因滤波迟滞引发误脱扣的缺陷；以及针对单一电气触发执行回路在恶劣现场环境下难以保障最终强制断电绝对可靠性的局限，提供一种电焊机外壳保护接地状态监测与强制警示方法。

2、本发明提供一种电焊机外壳保护接地状态监测与强制警示方法，包括以下步骤：

3、步骤s100，监测与强制警示系统随电焊机主电源接通同步上电，降压变压器供电单元输出12v交流安全电压，蜂鸣器报警支路执行短暂的上电自检鸣响提示，微处理器启动并完成内部寄存器与外设接口的初始化后主动关闭自检鸣响；

4、步骤s200，磁平衡物理执行机构执行硬件级被动监测，当电焊机发生外壳漏电致使火线与零线的瞬时电流相量和产生偏差时，检测磁环线圈内部磁场不平衡，检测磁环线圈两端产生交变感应电动势，交变感应电动势经整流桥整流后，输出直流触发电压，直流触发电压  经第一隔离二极管传输至可控硅的门极，可控硅导通致使脱扣吸合线圈通电产生磁吸力，拉动脱扣连杆强制断开电焊机主供电接触器；

5、步骤s300，微处理器控制主动阻抗监测模块执行接地回路状态主动测量，微处理器依据载波频谱侦测回路获取的电焊机噪声频段，向高频特征信号发生器发送频率控制字，注入避开噪声频带的特征交流电压信号，宽带电流互感器采集回流信号，正交解调硬件电路对回流信号进行模拟混频与低通滤波，提取出与接地回路阻抗相关的直流电平信号，并输送至微处理器的模数转换引脚；

6、步骤s400，微处理器计算阻抗模值  并执行软件级强制闭锁动作，预设接地安全阈值为 ，当计算结果满足条件 ，或接地回路呈现开路特征时，微处理器输出高电平触发脉冲 ，高电平触发脉冲  经第二隔离二极管传输至可控硅的门极，高电平触发脉冲  导通可控硅，驱动脱扣吸合线圈动作，切断电焊机输入电源，并维持蜂鸣器报警支路动作。

7、在磁平衡硬件级被动监测环节，利用环形磁芯检测主供电回路火线与零线电流不平衡产生的净交变磁通。净交变磁通在二次侧感应出交变电动势，经全波整流转化为单向脉动直流触发电压，并经过限流电阻进行幅值衰减后通过第一隔离二极管单向注入可控硅门极，完成漏电故障下的硬件级脱扣响应。

8、为实现在未漏电状态下对接地阻抗的主动量化，并规避逆变器产生的强电磁干扰，系统执行载波频谱侦测与自适应频率寻优。通过采集逆变控制的脉宽调制信号并执行离散傅里叶变换，获取频域幅值谱。计算频域幅值谱的平方值作为背景噪声能量密度函数，在剔除逆变器开关基频及其各次整数倍谐波的保护频带区间后，寻找该能量密度函数的全局极小值点，将其对应的频率坐标确定为最优注入频率。随后，依据最优注入频率生成离散正弦波序列并转化为模拟特征电压信号，通过高频耦合变压器实现特征信号向外壳接地闭合回路的非接触式耦合注入。

9、针对采集到的混有背景噪声的总回流信号，系统采用正交解调技术进行处理。将总回流信号分别与同频的模拟同相参考电压及模拟正交参考电压执行时域相乘，输出的混频信号经有源低通滤波滤除高频倍频分量与噪声，提取出同相直流特征电平和正交直流特征电平。通过计算同相与正交直流特征电平平方和的平方根，再乘以2，获取接地回路实际响应电流的幅值。进一步地，将预设的特征电压峰值幅值除以实际响应电流幅值，得出当前环境下的等效阻抗模值，以此表征接地物理连接状态。

10、为兼顾阻抗测量的抗噪精度与瞬态响应速度，系统在正交解调过程中引入基于逆变器工况识别的自适应滤波带宽切换机制。测量单个开关周期内高电平持续时间与总周期时间的比值获取实时占空比，并计算相邻离散采样周期占空比的离散差值除以采样时间间隔，提取时间微分绝对值，以此表征逆变负载的瞬态阶跃强度。当时间微分绝对值大于突变判定阈值时，判定设备处于起弧或脉冲阶跃工况，系统控制数字电位器调低有源低通滤波器反馈网络中的接入电阻，依据接入电阻与反馈电容乘积的倒数关系提高截止频率，展宽信号允许带宽以适应电磁干扰耦合引起的瞬变；当时间微分绝对值小于或等于判定阈值时，判定处于稳态工况，系统控制调高接入电阻，降低截止频率以收窄信号带宽，维持量化精度。

11、在阻抗数值比对研判与报警控制环节，系统首先将实际响应电流幅值与零电流死区阈值进行比对。当电流幅值低于死区阈值时，判定接地导线呈现物理断开的开路状态并直接触发报警，以规避后续阻抗计算中出现除数为零的软件溢出错误。当电流幅值大于或等于死区阈值且计算得出的等效阻抗模值大于设定的安全阻抗阈值时，判定存在接地电阻超标隐患，向驱动开关管输出高电平触发信号，导通闭合回路启动声光警示。

12、在最终的强制闭锁阶段，上述软件级计算输出的高电平触发脉冲与前述整流桥输出的硬件级直流触发电压，分别经过独立的隔离二极管汇聚至可控硅门极，形成双重触发信号汇聚电路。在漏电故障或阻抗超标的单独或并发工况下，取两路触发信号分别减去对应二极管正向导通压降后的最大值作为实际触发电压，实际触发电压驱动产生门极输入电流，当门极输入电流达到触发阈值时导通可控硅，强制接通脱扣吸合线圈。线圈激发的交变磁场产生电磁吸力，克服弹簧机械反作用力牵引脱扣连杆，实现主供电回路的物理切断闭锁。

13、本发明采用上述技术方案，能够带来如下有益效果：

14、1、本发明通过在电焊机主供电回路上引入载波频谱侦测回路与高频特征信号注入机制，利用正交解调硬件电路对接地回路回流信号进行实时相干提取与阻抗解析，实现了在强电磁干扰环境下对电焊机外壳保护接地状态的精准在线监测，彻底解决了现有被动式漏电保护方案中由于无法主动测量接地阻抗而导致的电焊机在未发生漏电时接地失效的安全盲区问题，确保了电焊作业人员的人身安全。

15、2、本发明通过构建基于逆变器工况识别的自适应滤波带宽切换架构，在微处理器内部实时提取逆变器控制量的瞬态变化率并以此动态调整有源低通滤波器的截止频率，使得正交解调模块能够在电焊机起弧瞬间及脉冲焊接等剧烈负载扰动工况下，根据焊接工况的瞬态扰动强度同步调节信号处理带宽，通过此种具备抗干扰自适应调节能力的逻辑，避免了传统监测方法因滤波迟滞引起的误触发，确保了系统运行的稳定性。

16、3、本发明通过设置包含第一隔离二极管、第二隔离二极管与可控硅的硬件级双重触发信号汇聚电路，将微处理器输出的软件级接地阻抗超标触发信号与磁平衡检测机构输出的硬件级漏电触发信号在物理层面实现无冲突汇聚，使得任一触发源均能有效导通可控硅并驱动脱扣吸合线圈执行断路器机械脱扣，通过软硬件双重冗余触发逻辑，实现了在复杂故障工况下对电焊机电源的可靠物理强制切断，提升了电气作业的整体可靠性。