一种直流电弧故障检测保护方法及装置和检测电路

摘要

本发明公开一种直流电弧故障检测保护方法及装置和检测电路，采用特定时间段内电弧电流的交流分量中高频分量的累积能量作为判断是否发生电弧故障的依据。直流电弧故障检测装置包括固态开关或机械式继电器、交流分量检测电路、第一与门和直流电弧故障检测电路。本发明的直流电弧故障检测保护方法简单、检测速度快、可靠性高，且直流电弧故障检测功能很方便地仅采用模拟和数字集成电路实现，实现和制造的成本低。本发明可广泛应用于飞机、舰船的低压和高压电力系统、光伏电池系统以及民用高压直流输配电系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流电力系统中电弧故障的检测保护方法、装置及检测电路，属于电工技术领域。 

背景技术

由于电线电缆的绝缘性能老化、绝缘破损及空气潮湿、连接端子松动等原因造成的电弧故障，易直接或间接对供配电系统及用电设备等造成损害。按照电弧故障所处的电源系统的性质划分，可以分为交流电弧故障和直流电弧故障。电弧故障伴随着火花、明光和高温，会导致电线电缆的绝缘进一步损坏，甚至引起电气火灾。 

直流电弧故障特征与交流电弧故障特征差别很大：交流电弧电流周期性和过零时存在“零休区”；而直流则没有周期性，不存在基波的概念，并且具有很强的随机性和非平稳性。因此交流电弧故障检测的特征判据不适用于直流电弧故障的检测。另外由于直流电弧不存在过零点、不容易灭弧，如不及时保护，可能会出现长时间的燃弧，导致故障扩大，所以直流电弧故障检测要求更准确和快速。 

大量理论和实验研究表明，直流电弧故障发生过程中电弧故障电流的时域和频域特征均有明显变化：时域一般表现为电流的突变，电流变化率较高；频率特征表现为高频分量具有显著的增加。因此目前常规的直流电弧故障检测方法有傅里叶分解（FFT）、小波分析、电弧电流电流变化率检测等，或者综合利用以上方法、特征。例如专利CN103384446A中公开了一种基于PCB空心变压器检测电弧电流变化率(di/dt)的装置和方法。专利US2011/0141644中公开了一种基于傅里叶分解几个特定频率点特征的直流电弧故障检测方法和装置。专利CN103245897A中公开了一种基于电流变化率绝对值和FFT电弧高频分量的多重判据检测方法。 

以上这类电弧检测方法和装置均比较复杂，一般必须采用数字微机芯片如MCU、DSP或FPGA实现电弧故障检测算法，检测实时性和速度稍差，实现成本也较高。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，发明一 种直流电弧故障检测保护方法、装置及检测电路，其中直流电弧故障检测方法简单、检测速度快，且直流电弧故障检测功能很方便地仅采用模拟和数字集成电路实现，实现和制造的成本低。 

为了解决背景技术中现有技术方案的问题，本发明采用的具体技术方案如下。 

一种直流电弧故障检测保护方法，其特征在于具体步骤如下： 

步骤1：检测功率电路电流的交流分量； 

步骤2：对步骤1检测得到的交流分量进行限幅处理； 

步骤3：对步骤2限幅处理后得到的信号进行带通滤波处理； 

步骤4：对步骤3带通滤波处理后得到的信号进行绝对值化处理； 

步骤5：当步骤4绝对值化处理后得到的绝对值大于第一基准电压时，即时开始累积设定时间段内所述绝对值的积分值；在积分过程中，如果所述绝对值在设定时间段内一直小于第一基准电压，则对所述绝对值的积分值进行清零； 

步骤6：当所述绝对值的积分值大于设定的第二基准电压时，判断为发生电弧故障并锁存电弧故障信号； 

步骤7：根据电弧故障的判断结果发出电弧故障保护信号，通过保护装置关断电路。 

一种直流电弧故障检测电路，其特征在于包括：调理电路、双向限幅电路、带通滤波器、绝对值电路、第一比较器、积分器、单稳态触发器、第二比较器、RS锁存器，功率电路电流的交流分量通过调理电路输入双向限幅电路，双向限幅电路的输出连于带通滤波器，带通滤波器的输出连于绝对值电路，绝对值电路的输出连于第一比较器的正相输入端和积分器的积分输入端，第一比较器的反相输入端连接第一基准电压，第一比较器的输出端连于单稳态触发器的输入端，单稳态触发器的输出端连于积分器的清零端，积分器的输出端连于第二比较器的反相输入端，第二比较器的正相输入端连接第二基准电压，第二比较器的输出端连于RS锁存器的清零端，RS锁存器的复位端作为直流电弧故障检测电路的复位端，RS锁存器的Q输出端作为直流电弧故障检测电路的电弧故障保护信号输出端。 

一种直流电弧故障检测保护装置，包括：固态开关或机械式继电器、交流分 量检测电路、第一与门和直流电弧故障检测电路；交流分量检测电路检测功率电路电流的交流分量并将其输入到直流电弧故障检测电路；直流电弧故障检测保护装置的开关命令接第一与门的一个输入端和直流电弧故障检测电路的复位端；直流电弧故障检测电路的电弧故障保护信号输出端连于第一与门的另一个输入端；其特征在于所述直流电弧故障检测电路包括：调理电路、双向限幅电路、带通滤波器、绝对值电路、第一比较器、积分器、单稳态触发器、第二比较器、RS锁存器，功率电路电流的交流分量通过调理电路输入双向限幅电路，双向限幅电路的输出连于带通滤波器，带通滤波器的输出连于绝对值电路，绝对值电路的输出连于第一比较器的正相输入端和积分器的积分输入端，第一比较器的反相输入端连接第一基准电压，第一比较器的输出端连于单稳态触发器的输入端，单稳态触发器的输出端连于积分器的清零端，积分器的输出端连于第二比较器的反相输入端，第二比较器的正相输入端连接第二基准电压，第二比较器的输出端连于RS锁存器的清零端，RS锁存器的复位端作为直流电弧故障检测电路的复位端，RS锁存器的Q输出端作为直流电弧故障检测电路的电弧故障保护信号输出端。 

由于电弧故障发生的时间段内电弧电流的高频分量相比正常电流高出很多，因此本发明采用特定时间段内电弧电流的交流分量中高频分量的累积能量作为判断是否发生电弧故障的依据。其中带通滤波器的中心频率为10kHz左右，下限频率为1kHz左右，上限频率为100kHz左右。 

采用本发明技术方案后带来的有益效果如下： 

（1）方法和实现简单，故障检测速度快； 

（2）不采用数字微机芯片，可靠性高； 

（3）电路结构能很方便地仅采用模拟和数字集成电路实现，实现和制造的成本低。 

本发明的技术方案可广泛应用于飞机、舰船的低压和高压电力系统、光伏电池系统以及民用高压直流输配电系统。 

附图说明

图1是直流电弧故障检测保护方法的流程图； 

图2是直流电弧故障检测保护装置的原理框图； 

图3是本发明中直流电弧故障检测电路的原理框图； 

图4是本发明中直流电弧故障检测电路的具体实现电路。 

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明所涉及的一些关键技术，以支持权利要求部分。 

直流电弧故障检测保护方法如图1所示。 

步骤1：通过交流分量检测电路检测功率电路电流的交流分量，交流分量检测电路可以采用电流互感器或电流检测电阻； 

步骤2：对步骤1检测得到的交流分量进行限幅处理； 

步骤3：对步骤2限幅处理后得到的信号进行带通滤波处理，带通滤波器的中心频率为10kHz左右，下限频率为1kHz左右，上限频率为100kHz左右； 

步骤4：对步骤3带通滤波处理后得到的信号进行绝对值化处理； 

步骤5：当步骤4绝对值化处理后得到的绝对值大于第一基准电压Vth1时，即时开始累积设定ΔT时间段内所述绝对值的积分值；在积分过程中，如果绝对值在设定ΔT时间段内一直小于设定的第一基准电压，则对所述绝对值的积分值进行清零；其中Vth1的设定依据是：近似等于负载额定电流波动对应的调理电压值的5%～10%；ΔT的时间取为5ms～10ms； 

步骤6：当所述绝对值的积分值大于设定的第二基准电压Vth2时，判断为发生电弧故障并锁存电弧故障信号；Vth2的设定依据是：近似等于电弧故障电流在ΔT时间内的累积能量对应的调理电压值； 

步骤7：根据电弧故障的判断结果发出电弧故障保护信号，通过保护装置关断电路。 

图2为直流电弧故障检测保护装置的原理框图。直流电弧故障检测电路5通过交流分量检测电路3检测继电器或固态开关电流的交流分量并输入到直流电弧故障检测电路5，交流分量检测电路3可以采用电流互感器或电流检测电阻，当直流电弧故障检测电路5检测到发生电弧故障时，其电弧故障保护信号ArcFault变低电平，该低电平信号通过第一与门4作用于继电器或固态开关的开关命令CMD，使继电器或固态开关关断。继电器或固态开关的开关命令CMD还连接直流电弧故障检测电路5的复位端。 

图3是直流电弧故障检测电路的原理框图，首先将被检测的功率电路电流的交流分量作为输入量连接到调理电路6，调理成合适范围的交流电压信号I_AC，再通过双向限幅电路7对该信号I_AC进行双向限幅得到信号I_ACL，以降低功率电 路瞬态开关过程对后续积分电路的影响，I_ACL通过带通滤波器8得到信号I_ACLBP，带通滤波器8的通带频率范围约为1kHz～100kHz，中心频率为10kHz；然后通过绝对值电路（或有效值电路）9计算绝对值|I_ACLBP|。绝对值电路9的输出连于第一比较器10的正相输入端和积分器11的积分输入端，第一基准电压Vth1连于第一比较器10的反相输入端，第一比较器10的输出端连于上升沿触发的单稳态触发器12的输入端。当绝对值|I_ACLBP|大于第一基准电压Vth1时，第一比较器10的输出由低电平变为高电平，使单稳态触发器12产生维持时间为设定时间段ΔT的低电平脉冲。单稳态触发器12的输出端连于积分器11的清零端（高电平有效），积分器11在ΔT时间内对绝对值电路9输出的绝对值|I_ACLBP|进行积分，计算在ΔT时间内的通带频率分量的累积能量。积分器的输出连于第二比较器13的反相输入端，第二比较器13的正相输入端连接第二基准电压Vth2，第二比较器13的输出端连于RS锁存器14的清零端，RS锁存器14的复位端作为直流电弧故障检测电路的复位端，Q输出端作为直流电弧故障检测电路的电弧故障保护信号输出端。当积分器11的输出大于第二基准电压Vth2时，第二比较器13输出低电平，RS锁存器Q端输出为低电平，即检测到电弧故障。在积分过程中，当绝对值|I_ACLBP|小于第一基准电压Vth1的时间≥ΔT时，则积分器清零。 

图4是直流电弧故障检测电路的具体实现。如图4所示，电流互感器检测功率电路电流的交流分量，其输出经过电阻R0形成电压，经过二极管D1、D2的双向限幅后连于电容C1，运算放大器U1、电容C1、电阻R1和R2组成交流耦合电路，电容C1另一端连于电阻R1和运算放大器U1的正极性输入端，电阻R1的另一端接地，电阻R2连于运算放大器U1的输出端。运算放大器U2、电容C2和C3、电阻R3、R4和R5组成二阶带通滤波器，U1输出连于电阻R3的一端，R3另一端连于电容C2、C3和电阻R4，电容C2另一端接地，R4另一端接U2输出端，电容C3连于电阻R5和U2正极性输入端，电阻R6一端接地，另一端接U2负极性输入端和电阻R7，R7另一端接U2输出端，运算放大器U3和U4、电阻R8、R9、R10、R11、R12、二极管D3、D4、D5、D6组成绝对值电路，运算放大器U2输出端分别连至电阻R9，电阻R9另一端接U3负极性端和R10以及二极管D5的阳极，二极管D5的阴极接U3的输出端，U3的输出端连于二极管D6的阳极，D6的阴极连于R10的另一端，U3的正极性输入端通 过电阻R8接地，运算放大器U2输出端还连于电阻R12一端，电阻R12的另一端连于U4的正极性输入端，U4的负极性输入端连于二极管D3的阳极和R11的一端，二极管D1的阴极连于U4的输出和二极管D4的阳极，D4的阴极连于电阻R11的另一端、二极管D6的阴极、电阻R16、比较器U5的正极性输入端，U5的负极性输入端同时连于电阻R13和R14，电阻R13另一端连于电源VCC，电阻R14另一端接地，比较器U5的输出通过电阻R15上拉至电源VCC，比较器U5的输出同时还连于单稳态触发器U7（图中选用型号为MC14528）的上升沿触发端（A端），U7的Cx/Rx端连于电阻R24和电容C6，电阻R24的另一端接电源VCC，电容C5的另一端接地，U7的下降沿触发端（B端）和清零端（端）接电源VCC，U7的输出端接模拟开关S的控制端，电阻R16、R17、R18、R19、电容C4、运算放大器U6和U8组成积分器，R16的另一端接运算放大器U6的负极性输入端，U6的正极性输入端接地，开关S、R17、电容C4并联，U6的负极性输入端连于电容C4、电阻R17和开关S的一个并联端，电容C4、电阻R17和开关S的另一个并联端连于U6的输出，U6的输出连于电阻R18，R18的另一端连于U8的负极性输入端和电阻R19，U8的正极性输入端接地，电阻R19的另一端连于U8的输出端，U8的输出端经过电阻R20连于比较器U9的负极性输入端，U8的正极性比较端连于电阻R21和电阻R22，电阻R21的另一端连于电源VCC，电阻R22的另一端接地，比较器U9的输出端经过电阻R23上拉至电源VCC，U9的输出端还连于RS锁存器U10的清零端（），RS锁存器U10的置位端（）连于开关命令CMD用于电弧故障信号输出端ArcFault的复位，RS锁存器的Q输出端作为直流电弧故障检测电路的电弧故障信号输出端ArcFault。 

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内 。