一種直流電弧故障檢測(cè)電路及保護(hù)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)一種直流電弧故障檢測(cè)電路及保護(hù)裝置，直流電弧故障檢測(cè)保護(hù)裝置包括固態(tài)開(kāi)關(guān)或機(jī)械式繼電器、交流分量檢測(cè)電路、第一與門和直流電弧故障檢測(cè)電路。本實(shí)用新型的直流電弧故障檢測(cè)電路及保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、可靠性高，能很方便地僅采用模擬和數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)和制造的成本低。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船的低壓和高壓電力系統(tǒng)、光伏電池系統(tǒng)以及民用高壓直流輸配電系統(tǒng)。
【專利說(shuō)明】一種直流電弧故障檢測(cè)電路及保護(hù)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種直流電力系統(tǒng)中電弧故障的檢測(cè)電路及保護(hù)裝置，屬于電工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]由于電線電纜的絕緣性能老化、絕緣破損及空氣潮濕、連接端子松動(dòng)等原因造成的電弧故障，易直接或間接對(duì)供配電系統(tǒng)及用電設(shè)備等造成損害。按照電弧故障所處的電源系統(tǒng)的性質(zhì)劃分，可以分為交流電弧故障和直流電弧故障。電弧故障伴隨著火花、明光和高溫，會(huì)導(dǎo)致電線電纜的絕緣進(jìn)一步損壞，甚至引起電氣火災(zāi)。
[0003]直流電弧故障特征與交流電弧故障特征差別很大:交流電弧電流周期性和過(guò)零時(shí)存在“零休區(qū)”;而直流則沒(méi)有周期性，不存在基波的概念，并且具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和非平穩(wěn)性。因此交流電弧故障檢測(cè)的特征判據(jù)不適用于直流電弧故障的檢測(cè)。另外由于直流電弧不存在過(guò)零點(diǎn)、不容易滅弧，如不及時(shí)保護(hù)，可能會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的燃弧，導(dǎo)致故障擴(kuò)大，所以直流電弧故障檢測(cè)要求更準(zhǔn)確和快速。
[0004]大量理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，直流電弧故障發(fā)生過(guò)程中電弧故障電流的時(shí)域和頻域特征均有明顯變化:時(shí)域一般表現(xiàn)為電流的突變，電流變化率較高；頻率特征表現(xiàn)為高頻分量具有顯著的增加。因此目前常規(guī)的直流電弧故障檢測(cè)方法有傅里葉分解(FFT)、小波分析、電弧電流電流變化率檢測(cè)等，或者綜合利用以上方法、特征。例如專利CN103384446A中公開(kāi)了一種基于PCB空心變壓器檢測(cè)電弧電流變化率(di/dt)的裝置和方法。專利US2011/0141644中公開(kāi)了一種基于傅里葉分解幾個(gè)特定頻率點(diǎn)特征的直流電弧故障檢測(cè)方法和裝置。專利CN103245897A中公開(kāi)了一種基于電流變化率絕對(duì)值和FFT電弧高頻分量的多重判據(jù)檢測(cè)方法。
[0005]以上這類電弧檢測(cè)方法和裝置均比較復(fù)雜，一般必須采用數(shù)字微機(jī)芯片如MCU、DSP或FPGA實(shí)現(xiàn)電弧故障檢測(cè)算法，檢測(cè)實(shí)時(shí)性和速度稍差，實(shí)現(xiàn)成本也較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題，是針對(duì)前述【背景技術(shù)】中的缺陷和不足，提供一種直流電弧故障檢測(cè)電路及保護(hù)裝置。
[0007]本實(shí)用新型采用的具體技術(shù)方案如下。
[0008]一種直流電弧故障檢測(cè)電路，其特征在于包括:調(diào)理電路、雙向限幅電路、帶通濾波器、絕對(duì)值電路、第一比較器、積分器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、第二比較器、RS鎖存器，功率電路電流的交流分量通過(guò)調(diào)理電路輸入雙向限幅電路，雙向限幅電路的輸出連于帶通濾波器，帶通濾波器的輸出連于絕對(duì)值電路，絕對(duì)值電路的輸出連于第一比較器的正相輸入端和積分器的積分輸入端，第一比較器的反相輸入端連接第一基準(zhǔn)電壓，第一比較器的輸出端連于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端連于積分器的清零端，積分器的輸出端連于第二比較器的反相輸入端，第二比較器的正相輸入端連接第二基準(zhǔn)電壓，第二比較器的輸出端連于RS鎖存器的清零端，RS鎖存器的復(fù)位端作為直流電弧故障檢測(cè)電路的復(fù)位端，RS鎖存器的Q輸出端作為直流電弧故障檢測(cè)電路的電弧故障保護(hù)信號(hào)輸出端。
[0009]一種直流電弧故障檢測(cè)保護(hù)裝置，包括:固態(tài)開(kāi)關(guān)或機(jī)械式繼電器、交流分量檢測(cè)電路、第一與門和直流電弧故障檢測(cè)電路；交流分量檢測(cè)電路檢測(cè)功率電路電流的交流分量并將其輸入到直流電弧故障檢測(cè)電路；直流電弧故障檢測(cè)保護(hù)裝置的開(kāi)關(guān)命令接第一與門的一個(gè)輸入端和直流電弧故障檢測(cè)電路的復(fù)位端；直流電弧故障檢測(cè)電路的電弧故障保護(hù)信號(hào)輸出端連于第一與門的另一個(gè)輸入端；其特征在于所述直流電弧故障檢測(cè)電路包括:調(diào)理電路、雙向限幅電路、帶通濾波器、絕對(duì)值電路、第一比較器、積分器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、第二比較器、RS鎖存器，功率電路電流的交流分量通過(guò)調(diào)理電路輸入雙向限幅電路，雙向限幅電路的輸出連于帶通濾波器，帶通濾波器的輸出連于絕對(duì)值電路，絕對(duì)值電路的輸出連于第一比較器的正相輸入端和積分器的積分輸入端，第一比較器的反相輸入端連接第一基準(zhǔn)電壓，第一比較器的輸出端連于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端連于積分器的清零端，積分器的輸出端連于第二比較器的反相輸入端，第二比較器的正相輸入端連接第二基準(zhǔn)電壓，第二比較器的輸出端連于RS鎖存器的清零端，RS鎖存器的復(fù)位端作為直流電弧故障檢測(cè)電路的復(fù)位端，RS鎖存器的Q輸出端作為直流電弧故障檢測(cè)電路的電弧故障保護(hù)信號(hào)輸出端。
[0010]由于電弧故障發(fā)生的時(shí)間段內(nèi)電弧電流的高頻分量相比正常電流高出很多，因此本實(shí)用新型采用特定時(shí)間段內(nèi)電弧電流的交流分量中高頻分量的累積能量作為判斷是否發(fā)生電弧故障的依據(jù)。其中帶通濾波器的中心頻率為IOkHz左右，下限頻率為IkHz左右，上限頻率為IOOkHz左右。
[0011]采用本實(shí)用新型技術(shù)方案后帶來(lái)的有益效果如下:
[0012](I)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障檢測(cè)速度快；
[0013](2)不采用數(shù)字微機(jī)芯片，可靠性高；
[0014](3)能很方便地僅采用模擬和數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)和制造的成本低。
[0015]本實(shí)用新型的技術(shù)方案可廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船的低壓和高壓電力系統(tǒng)、光伏電池系統(tǒng)以及民用高壓直流輸配電系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是直流電弧故障檢測(cè)保護(hù)裝置的原理框圖；
[0017]圖2是本實(shí)用新型中直流電弧故障檢測(cè)電路的原理框圖；
[0018]圖3是本實(shí)用新型中直流電弧故障檢測(cè)電路的具體實(shí)現(xiàn)電路。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本實(shí)用新型所涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)，以支持權(quán)利要求部分。
[0020]圖1為直流電弧故障檢測(cè)保護(hù)裝置的原理框圖。直流電弧故障檢測(cè)電路5通過(guò)交流分量檢測(cè)電路3檢測(cè)繼電器或固態(tài)開(kāi)關(guān)電流的交流分量并輸入到直流電弧故障檢測(cè)電路5，交流分量檢測(cè)電路3可以采用電流互感器或電流檢測(cè)電阻，當(dāng)直流電弧故障檢測(cè)電路5檢測(cè)到發(fā)生電弧故障時(shí)，其電弧故障保護(hù)信號(hào)ArcFault變低電平，該低電平信號(hào)通過(guò)第一與門4作用于繼電器或固態(tài)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)命令CMD，使繼電器或固態(tài)開(kāi)關(guān)關(guān)斷。繼電器或固態(tài)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)命令CMD還連接直流電弧故障檢測(cè)電路5的復(fù)位端。
[0021]圖2是直流電弧故障檢測(cè)電路的原理框圖，首先將被檢測(cè)的功率電路電流的交流分量作為輸入量連接到調(diào)理電路6，調(diào)理成合適范圍的交流電壓信號(hào)Ia。，再通過(guò)雙向限幅電路7對(duì)該信號(hào)Ia。進(jìn)行雙向限幅得到信號(hào)ΙΑα，以降低功率電路瞬態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程對(duì)后續(xù)積分電路的影響，ΙΑα通過(guò)帶通濾波器8得到信號(hào)ΙΑαΒΡ，帶通濾波器8的通帶頻率范圍約為IkHz~100kHz，中心頻率為IOkHz ;然后通過(guò)絕對(duì)值電路(或有效值電路)9計(jì)算絕對(duì)值
Iaclbp。絕對(duì)值電路9的輸出連于第一比較器10的正相輸入端和積分器11的積分輸入端，第一基準(zhǔn)電壓Vthl連于第一比較器10的反相輸入端,第一比較器10的輸出端連于上升沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器12的輸入端。當(dāng)絕對(duì)值IiacmpI大于第一基準(zhǔn)電壓vthi時(shí),第一比較器10的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器12產(chǎn)生維持時(shí)間為設(shè)定時(shí)間段AT的低電平脈沖。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器12的輸出端連于積分器11的清零端(高電平有效)，積分器11在Λ T時(shí)間內(nèi)對(duì)絕對(duì)值電路9輸出的絕對(duì)值|?ΑαΒΡ|進(jìn)行積分，計(jì)算在λ T時(shí)間內(nèi)的通帶頻率分量的累積能量。積分器的輸出連于第二比較器13的反相輸入端，第二比較器13的正相輸入端連接第二基準(zhǔn)電壓Vth2，第二比較器13的輸出端連于RS鎖存器14的清零端，RS鎖存器14的復(fù)位端作為直流電弧故障檢測(cè)電路的復(fù)位端，Q輸出端作為直流電弧故障檢測(cè)電路的電弧故障保護(hù)信號(hào)輸出端。當(dāng)積分器11的輸出大于第二基準(zhǔn)電壓Vth2時(shí)，第二比較器13輸出低電平，RS鎖存器Q端輸出為低電平，即檢測(cè)到電弧故障。在積分過(guò)程中，當(dāng)絕對(duì)值|?ΑαΒΡΙ小于第一基準(zhǔn)電壓Vthl的時(shí)間≥Λ T時(shí)，則積分器清零。其中，Vthl的設(shè)定依據(jù)是:近似等于負(fù)載額定電流波動(dòng)對(duì)應(yīng)的調(diào)理電壓值的5%~10% ； Δ T的時(shí)間取為5ms~IOms ；Vth2的設(shè)定依據(jù)是:近似等于電弧故障電流在AT時(shí)間內(nèi)的累積能量對(duì)應(yīng)的調(diào)理電壓值。
[0022]圖3是直流電弧故障檢測(cè)電路的具體實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，電流互感器檢測(cè)功率電路電流的交流分量，其輸出經(jīng)過(guò)電阻RO形成電壓，經(jīng)過(guò)二極管D1、D2的雙向限幅后連于電容Cl，運(yùn)算放大器Ul、電容Cl、電阻Rl和R2組成交流耦合電路，電容Cl另一端連于電阻Rl和運(yùn)算放大器Ul的正極性輸入端，電阻Rl的另一端接地，電阻R2連于運(yùn)算放大器Ul的輸出端。運(yùn)算放大器U2、電容C2和C3、電阻R3、R4和R5組成二階帶通濾波器，Ul輸出連于電阻R3的一端，R3另一端連于電容C2、C3和電阻R4，電容C2另一端接地，R4另一端接U2輸出端，電容C3連于電阻R5和U2正極性輸入端，電阻R6 —端接地，另一端接U2負(fù)極性輸入端和電阻R7，R7另一端接U2輸出端，運(yùn)算放大器U3和U4、電阻R8、R9、R10、R11、R12、二極管D3、D4、D5、D6組成絕對(duì)值電路，運(yùn)算放大器U2輸出端分別連至電阻R9，電阻R9另一端接U3負(fù)極性端和RlO以及二極管D5的陽(yáng)極，二極管D5的陰極接U3的輸出端，U3的輸出端連于二極管D6的陽(yáng)極，D6的陰極連于RlO的另一端，U3的正極性輸入端通過(guò)電阻R8接地，運(yùn)算放大器U2輸出端還連于電阻R12 —端，電阻R12的另一端連于U4的正極性輸入端，U4的負(fù)極性輸入端連于二極管D3的陽(yáng)極和Rll的一端，二極管Dl的陰極連于U4的輸出和二極管D4的陽(yáng)極，D4的陰極連于電阻Rll的另一端、二極管D6的陰極、電阻R16、比較器U5的正極性輸入端，U5的負(fù)極性輸入端同時(shí)連于電阻R13和R14,電阻R13另一端連于電源VCC，電阻R14另一端接地，比較器U5的輸出通過(guò)電阻R15上拉至電源VCC，比較器U5的輸出同時(shí)還連于單 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U7 (圖中選用型號(hào)為MC14528)的上升沿觸發(fā)端(A端)，U7的Cx/Rx端連于電阻R24和電容C6，電阻R24的另一端接電源VCC，電容C5的另一端接地，U7的下降沿觸發(fā)端(B端)和清零端(行玉端)接電源VCC，U7的g輸出端接模擬開(kāi)關(guān)S的控制端，電阻R16、R17、R18、R19、電容C4、運(yùn)算放大器U6和U8組成積分器，R16的另一端接運(yùn)算放大器U6的負(fù)極性輸入端，U6的正極性輸入端接地，開(kāi)關(guān)S、Rl7、電容C4并聯(lián)，U6的負(fù)極性輸入端連于電容C4、電阻R17和開(kāi)關(guān)S的一個(gè)并聯(lián)端，電容C4、電阻R17和開(kāi)關(guān)S的另一個(gè)并聯(lián)端連于U6的輸出，U6的輸出連于電阻R18,R18的另一端連于U8的負(fù)極性輸入端和電阻R19，U8的正極性輸入端接地，電阻R19的另一端連于U8的輸出端，U8的輸出端經(jīng)過(guò)電阻R20連于比較器U9的負(fù)極性輸入端，U8的正極性比較端連于電阻R21和電阻R22，電阻R21的另一端連于電源VCC，電阻R22的另一端接地，比較器U9的輸出端經(jīng)過(guò)電阻R23上拉至電源VCC，U9的輸出端還連于RS鎖存器UlO的清零端(互)，RS鎖存器UlO的置位端(S )連于開(kāi)關(guān)命令CMD用于電弧故障信號(hào)輸出端ArcFault的復(fù)位，RS鎖存器的Q輸出端作力直流電弧故障檢測(cè)電路的電弧故障信號(hào)輸出端ArcFault。
[0023]以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種直流電弧故障檢測(cè)電路，其特征在于包括:調(diào)理電路(6)、雙向限幅電路(7)、帶通濾波器(8)、絕對(duì)值電路(9)、第一比較器(10)、積分器(11)、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(12)、第二比較器(13)、RS鎖存器(14)，功率電路電流的交流分量通過(guò)調(diào)理電路(6)輸入雙向限幅電路(7)，雙向限幅電路(7)的輸出連于帶通濾波器(8)，帶通濾波器(8)的輸出連于絕對(duì)值電路(9),絕對(duì)值電路(9)的輸出連于第一比較器(10)的正相輸入端和積分器(11)的積分輸入端，第一比較器(10)的反相輸入端連接第一基準(zhǔn)電壓，第一比較器(10)的輸出端連于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(12)的輸入端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(12)的輸出端連于積分器(11)的清零端，積分器的輸出端連于第二比較器(13)的反相輸入端，第二比較器(13)的正相輸入端連接第二基準(zhǔn)電壓，第二比較器(13)的輸出端連于RS鎖存器(14)的清零端，RS鎖存器(14)的復(fù)位端作為直流電弧故障檢測(cè)電路的復(fù)位端，RS鎖存器的Q輸出端作為直流電弧故障檢測(cè)電路的電弧故障保護(hù)信號(hào)輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種直流電弧故障檢測(cè)電路，其特征在于帶通濾波器的中心頻率為IOkHz，下限頻率為IkHz，上限頻率為IOOkHz。
3.一種直流電弧故障檢測(cè)保護(hù)裝置，包括:固態(tài)開(kāi)關(guān)或機(jī)械式繼電器(2)、交流分量檢測(cè)電路(3 )、第一與門(4)和直流電弧故障檢測(cè)電路(5 );交流分量檢測(cè)電路(3 )檢測(cè)功率電路電流的交流分量并將其輸入到直流電弧故障檢測(cè)電路(5);直流電弧故障檢測(cè)保護(hù)裝置的開(kāi)關(guān)命令接第一與門(4)的一個(gè)輸入端和直流電弧故障檢測(cè)電路(5)的復(fù)位端；直流電弧故障檢測(cè)電路(5)的電弧故障保護(hù)信號(hào)輸出端連于第一與門(4)的另一個(gè)輸入端；其特征在于所述直流電弧故障檢測(cè)電路(5)包括:調(diào)理電路(6)、雙向限幅電路(7)、帶通濾波器(8)、絕對(duì)值電路(9)、第一比較器(10)、積分器(11)、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(12)、第二比較器(13)、RS鎖存器(14 )，功率電路電流的交流分量通過(guò)調(diào)理電路(6 )輸入雙向限幅電路(7 )，雙向限幅電路(7 )的輸出連于帶通濾波器(8 )，帶通濾波器(8 )的輸出連于絕對(duì)值電路(9 )，絕對(duì)值電路(9)的輸出連于第一比較器(10)的正相輸入端和積分器(11)的積分輸入端，第一比較器(10)的反相輸入端連接第一基準(zhǔn)電壓,第一比較器(10)的輸出端連于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(12)的輸入端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(12)的輸出端連于積分器(11)的清零端，積分器的輸出端連于第二比較器(13)的反相輸入端，第二比較器(13)的正相輸入端連接第二基準(zhǔn)電壓，第二比較器(13)的輸出端連于RS鎖存器(14)的清零端，RS鎖存器(14)的復(fù)位端作為直流電弧故障檢測(cè)電路(5)的復(fù)位端，RS鎖存器的Q輸出端作為直流電弧故障檢測(cè)電路(5)的電弧故障保護(hù)信號(hào)輸出端。
4.如權(quán)利要求3所述的一種直流電弧故障檢測(cè)保護(hù)裝置，其特征在于帶通濾波器的中心頻率為IOkHz，下限頻率為IkHz，上限頻率為IOOkHz。
【文檔編號(hào)】H02H3/02GK203747363SQ201420086440
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】王莉, 阮立剛 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)