CN107144745A - 一种低压电源浪涌保护器性能的智能在线检测方法 - Google Patents

一种低压电源浪涌保护器性能的智能在线检测方法 Download PDF

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Abstract

一种低压电源供电系统中浪涌保护器性能的实时智能在线检测方法，这种方法可应用于检测低压电源浪涌保护器的关键元件低压压敏电阻的漏电流。所述方法综合采用差分检测与抑制载波的双边带调幅算法电路来消除噪声，采用微控制器或微处理器处理数据，并根据低压压敏电阻的漏电流判断低压电源浪涌保护器的性能是否合格。

Description

一种低压电源浪涌保护器性能的智能在线检测方法
技术领域
本发明涉及一种低压电源供电系统中浪涌保护器（Surge Protective Device:SPD)性能的实时智能在线检测方法,这种方法可应用于检测低压电源SPD的关键元件：低压压敏电阻的漏电流。
背景技术
浪涌保护器（Surge Protective Device: SPD）也被称作电涌保护器,俗称为避雷器,主要用于各种电源系统的浪涌过电压防护。氧化锌压敏电阻（Metal Oxide Varistor:MOV, 简称为压敏电阻)具有陡峭的非线性伏安曲线,当压敏电阻两端所施加的电压超过规定的电压时,其电阻在纳秒级的时间内趋近于0,当对压敏电阻施加正常电压时,其电阻接近于无穷大,因而压敏电阻常被并联在电路中作为过压泄放的途径。压敏电阻因为动作迅速,残压低,过压消失后立刻自恢复常态,无续流,漏电流小,耐过压冲击能力强而成为限压型浪涌保护器最常用的关键功能元件。然而,压敏电阻防雷有一个不足,就是需要压敏电阻劣化后的处理措施。压敏电阻的劣化有短路型和断路型两种形式,压敏电阻的劣化导致SPD的浪涌电压防护能力削弱甚至完全丧失,从浪涌保护安全的角度,必须及时更换新的SPD。短路型是压敏电阻劣化最常见的形式,即劣化后压敏电阻的漏电流会不断增大,甚至接近于短路形式,若不从电路中断开,会导致SPD积热而温度升高,有使得压敏电阻燃烧或产生电弧的危险,这会给被保护系统带来起火的危险。因此,劣化的压敏电阻必须从电路中断开（即脱扣：Disconnection）,脱扣装置是SPD必备的标准配置。压敏电阻断路型的劣化,常发生在压敏电阻受到比较大的过压冲击时,大的冲击电流使的压敏电阻的接线端子与压敏电阻断开。对于断路型的劣化,电路的浪涌保护已失效,也需要显示其失效状态,以便及时更换。
参照我国工频交流电压等级的标准,将交流1000伏以下视为低压电源,低压电源主要用于交流电的配电线路,在社会生活与生产中使用最普遍。低压浪涌保护器常用于电信、移动通信、铁路系统、石化业、军用电子系统等重要部门电源系统的浪涌保护。合格的低压压敏电阻性能的漏电流≤20μA,这一漏电流信号值小到足以淹没于电源系统的噪声之中,相比电源系统的噪声是微弱信号。低压压敏电阻性能的测试需要特制仪器离线测量,其在线测试则是防雷业界长期以来未解决的难题。低压电源浪涌保护器的脱扣,现有技术是基于极限值的物理脱扣,即以低温焊锡焊接压敏电阻的接线端子,并为端子附加弹簧杠杆机构,当压敏电阻劣化后温度升高到设定值,低温焊锡软化,弹簧把端子拉开。这种脱扣装置制造工艺复杂,是一次性产品,不可重用（reuse）,且响应不及时,误动作难以避免,因而基于物理脱扣的低压浪涌保护器导致燃烧的事故常有发生。对于压敏电阻断路型的失效,若雷电冲击造成的断路未能触发物理脱扣的杠杆机构的动作,则压敏电阻断路后物理脱扣装置即失去作用,劣化的低压浪涌保护器依然显示为正常状态,这会造成安全隐患。低压浪涌保护器的精确和及时脱扣需要实时在线检测其压敏电阻的漏电流,根据压敏电阻的漏电流来判别浪涌保护器,实现智能脱扣,淘汰物理脱扣技术,而压敏电阻的漏电流的大小是判断低压压敏电阻性能好坏的标志性参数。
发明内容
本发明的目的在于提供成本低、检测精度高、能实时在线检测低压压敏电阻漏电流,并以此来判断低压电源浪涌保护器性能的智能检测方法,为低压电源浪涌保护器实现智能脱扣提供判断依据。
本发明采用微弱信号检测技术实时在线检测低压电源浪涌保护器的关键功能元件压敏电阻的漏电流值,并通过压敏电阻漏电流的大小判断低压电源浪涌保护器性能是否合格。本发明所采用的微弱信号检测技术由差分检测模块与降噪处理模块实现。差分检测模块由两个电流互感器（CT1,CT2）和差分放大器组成,两个电流互感器（CT1,CT2）分别感测电路中低压电源浪涌保护器前后的负载电流,其中电流互感器CT1感测的电流包括电路的负载电流与低压电源浪涌保护器的漏电流,电流互感器CT2感测的电流只包括电路的负载电流。电流互感器（CT1,CT2）可采用铁芯式变压器或罗氏线圈（Rogowski coil）实现,并将负载电流值转换成电压信号幅值为V1,V2,经过差分放大器进行减法运算,得到与低压电源浪涌保护器的压敏电阻漏电流幅值为(IL)成比例(k)的差分电压VAD,：
VAD=A(V1-V2)=kIL （式1）
式1中系数A和k是由电流互感器的变比、电流互感器串联的电阻值以及差分放大电路的增益所决定的常数,VAD经过降噪处理模块除去随机噪声,然后经过模数转换（ADC）转换成数字信号,传输到微控制器（MCU）或微处理器（MPU）进行数据处理,并对低压电源浪涌保护器的性能进行判别,显示输出检测信息,并可执行脱扣与告警控制。降噪处理模块由降噪处理算法和实现算法的电路组成。降噪处理算法采用抑制载波的双边带调幅算法消除噪声,实现降噪处理算法的电路由两级吉尔伯特乘法器电路与低通滤波电路实现。降噪算法处理算法如下：
设检测信号频率为ωs=50Hz,幅值为|Vs(t)|=VAD=kI＝A1的工频交流信号,参考信号为幅值为A2的载波VC（t）,参考信号可选择适宜频率范围为30KHz-60KHz,设混合在检测信号中的噪声信号为Vn(t),
Vs(t) =A1cos(ωst+ θ1) （式2）
Vc(t) =A2cos(ωCt+ θ2) （式3）
设乘法器的增益为G,检测信号值Vs（t）与噪声信号Vn(t)经乘法器与Vc(t)后得已调制信号Vm(t)：
Vm(t)＝[ Vs(t)+ Vn(t)]×Vc(t)= Vs(t) Vc(t)+ Vn(t) Vc(t)
=GA2[A1cos(ωst+θ1) cos(ωCt+ θ2)+ Vn(t) cos(ωCt+ θ2)] （式4）
式4中Vn(t)一般为随机噪声和电源中二次及高次的谐波,随机噪声的平均值为0,经低通滤波电路的积分效果后消除,电源谐波经乘法处理以后相对于低通滤波电路的截止频率为高频信号,可用低通滤波电路滤去,因此式4可以简化为式5。
Vm(t)＝GA2A1cos(ωst+ θ1) cos(ωCt+ θ2) （式5）
由式5积化和差得到如式6中ωC+ωS与ωC-ωS两个边频信号：
Vm(t)＝0.5GA2A1{cos[(ωC+ωS)t+ θ1 + θ2)]+ cos[(ωCt-ωS)t+ θ2-θ1]} （式6）
信号解调：Vd(t)=Vm(t)×VC(t),如式7
Vd(t)=0.5GA2A1{cos[(ωC+ωS)t+ θ1 + θ2)]+ cos[(ωCt-ωS)t+ θ2-θ1]} A2cos(ωCt+ θ2)
=C{ cos[(2ωC+ωS)t+ θ1 + 2θ2)]+ cos[(2ωCt-ωS)t+ θ2-θ1]+2 cos(ωst+ θ1)}（式7）
式7中C为常数,C=G2A1A2 2/4。ωS为工频交流电角频率,ωC为参考信号的角频率,则2ωC+ωS与ωC-ωS均为较高频率项,只有2cos(ωS+θ1)为低频项,式7经过低通滤波（LPF）滤去随机噪声与高频谐波后得式8：
Vd(t)= 2C cos(ωst+ θ1)=0.5G2A1A2 2 cos(ωst+ θ1) （式8）
式8中Vd(t)为降噪模块的最终输出,进一步,取VAD的输出为Vs（t）,则A1=kIL, Vd(t)=0.5G2 kIL A2 2 cos(ωst+ θ1),测得Vd(t)的幅值Vd,即可求得压敏电阻漏电流幅值IL=2Vd/( G2 k A2 2)。（比例系数为G2A1A2 2k）的电压值,Vd(t)经过模数转换器（ADC）转换成数字信号,由微控制器（MCU）或微处理器（MPU）处理,可求得低压电源浪涌保护器漏电流的数值。为了论述简便,微控制器（MCU）或微处理器（MPU）以下简称为处理器。
当低压电源浪涌保护器所在系统遭受到雷电时,压敏电阻发生保护动作,会有瞬间的大电流值,因而Vd(t)会有瞬间的极大值,由微控制器记录规定时间内的这一极大值的次数,则可为这一智能检测系统附加雷电统计功能。
根据低压电源浪涌保护器所使用的压敏电阻的合格性能参数为处理器设定数据存储表,由处理器对Vd(t)的进行延时循环检测,当检测到低压电源浪涌保护器的漏电流大于规定值时,则延时3-10秒,再次检测,若后一次检测到的值比前一次小,则前一值为低压电源浪涌保护器执行浪涌保护动作的电流,若后一次检测到的值大于或等于前一次结果,且电源电压检测电路未检测到所保护的低压电源系统中有持续性过压,则再进行一次延时检测,检测结果依然如前,则可判断为低压电源浪涌保护器已劣化。由此通过延时循环检测来提高判断的准确性,避免因雷击或浪涌电压的干扰所造成的误动作。
处理器对Vd(t)进行数据处理,根据数据处理的结果判断低压电源浪涌保护器的性能,报告电源系统中持续过压异常状况与低压电源浪涌保护器的性能状态,并可执行低压电源浪涌保护器劣化后的告警与脱扣控制。
处理器通过ZigBee器件以物联网的形式或以无线局域网WLAN的形式连接互联网,将数据发送到PC端,并通过PC机的应用软件通知运维部门的工作人员,可实现对无人值守机房的远程监控与及时维护,及大地节省运维人员人工巡查的劳动。
低压电源浪涌保护器性能实时在线智能检测系统检测灵敏度高,判断准确,无误动作,且可长期重复使用,成本低。
附图说明
图1 本发明实施例顶层设计的总体功能框图。
图2为本发明实施例的漏电流感测电路图。
图3为本发明实施例的差分放大器电路图。
图4为本发明实施例的降噪处理模块电路图。
图5为本发明实施例的降噪处理模块中乘法器电路。
具体实施方式
实施例:
结合附图予以说明,图1为本发明的顶层设计的总体功能框图,如图1所示,差分检测模块与降噪处理模块实现对低压电源浪涌保护器的压敏电阻漏电流的精确检测。一个差分检测模块与一个降噪处理模块组成一个低压电源浪涌保护器监测处理模块,可实现对一个低压电源浪涌保护器的压敏电阻漏电流的监测。本发明所设计的应用系统可配置一个或多个监测处理模块,根据应用实际的需求,一般常为4个到8个监测处理模块。图1中示出监测处理模块1（即图1中的差分检测模块1及降噪处理模块1）和监测处理模块n（即图1中的差分检测模块n及降噪处理模块n）。降噪处理模块的输出信号经模数转换器（ADC）转化成数字信号,传输给处理器进行处理。图1中模数转换器（ADC）根据需要设计为可实现多路数据转换,模数转换器（ADC）实现的方式可以有多种选择,可选择专用的ADC芯片,如ADC0809,也可以选择处理器芯片内集成的ADC。图1中所示电源电源电压检测模块是用来检测所保护的低压电源系统的电压而设,可用廉价的电阻串联分压来按比例降低所保护的低压电源系统的电压,或用变压器降压,经桥式整流与滤波后转变为直流电压由模数转换器（ADC）转换成数字电压,供控制器判断所保护低压电源系统有无持续过压。
图1中的处理器模块可读取ADC的数据,进行比较和判断处理,使显示器显示检测数据与处理结果,处理器模块也可以通过ZigBee器件以物联网的形式或以无线局域网WLAN的形式连接互联网,将数据发送到PC端,并通过PC机的应用软件通知运维部门的工作人员,可实现对无人值守机房的远程监控与及时维护,及大地节省运维人员人工巡查的劳动。
每个差分检测模块由漏电流感测电路和差分放大器电路构成,漏电流感测电路如图2所示,差分放大器电路如图3所示,漏电流感测电路的输出V1连到差分放大器电路的输入端口V1,同理,漏电流感测电路的输出V2连到差分放大器电路的输入端口V2。
在图2所示漏电流感测电路中,两个电流互感器CT1和CT2分别感测低压电源浪涌保护器所保护的低压电源系统中干路的负载电流,如图所示,CT1安装在SPD的压敏电阻VR1之前,CT2则安装在低压电源浪涌保护器的压敏电阻VR1之后,因而CT1感测到的电流值I1包含了压敏电阻VR1中流过的电流IL和低压电源系统中干路的负载电流,CT2感测到的电流值只包含低压电源系统中干路的负载电流,即IL=I1-I2。在低压电源浪涌保护器所保护的低压电源系统无雷击和浪涌过压时,IL与压敏电阻VR1的漏电流相当,其大小可反映VR1性能的好坏。图2所示漏电流感测电路中,四个电阻RS1-RS4用于将电流互感器感测的电流值转换为电压输出值V1,V2,两个电容C1,C2用于滤除信号的高频噪声,提高检测精度。低压电源浪涌保护器通过磁保持继电器K1接入电路,K1的控制信号A与B可由控制器发出,此为低压电源浪涌保护器附加自动脱扣控制功能之用。CT1,CT2后分别并接的TVS1与TVS2为瞬态二极管,用于对后续电路的浪涌过压保护。
差分放大器用来实现差分运算,消除共模干扰即对漏电流感测电路的输出值进行差分：V1-V2,差分放大器电路可采用专用的集成芯片设计,也可以用低噪声的仪表放大器设计差分电路。如图3所示,差分放大器电路采用差分放大器专用集成芯片INA105设计,差分放大电路将图2所示漏电流感测电路所感测的电压信号进行减法运算,即差分放大电路的输出VAD=V1-V2,图3所示电路是进行差分运算的低成本典型电路,其增益为1,其共模抑制比为80dB。若需将差分放大电路的增益提高,也有许多其他的专用差分放大器集成芯片可选,如INA106,可设置增益为10,其共模抑制比为80dB。
差分放大器电路的输出VAD传输给降噪处理模块电路的VAD输入端口,由降噪处理模块电路实现双边带调幅算法消除噪声,如图4所示,降噪处理模块电路由两个完全相同的乘法器电路电路与低通滤波电路组成。两个乘法器的Vr输入端口接30-60KHz的同频同相的参考信号,即载波Vc(t)。差分放大器电路的输出VAD连接第一级乘法器电路的输入端口Vs,与参考信号相乘后输出已调制信号Vm(t)，Vm(t)再输入下一级乘法器电路的输入端口Vs与参考信号相乘。下一级乘法器电路的输出Vm(t)由低通滤波电路处理得到解调输出Vd(t)。低通滤波电路可采用有源滤波电路,也可采用无源滤波电路。图4中电阻R21与电容C21构成经典的低通滤波电路,其传输函数为：,传输函数的模为,当频率为0时,低通滤波电路的传输函数的模最大,|H(s)|为1,随着频率的增大,|H(s)|减少,当模|H(s)|降为时所对应的频率值为截止频率,即:
,依据此式可设定低通滤波电路的截止频率。
降噪处理电路中的乘法器电路如图5所示,乘法器芯片可选用四象限乘法器MC1496或MC1596。在图5中检测信号Vs从MC1596的1脚输入,参考信号从10脚输入,输出信号从6脚输出,2脚、3脚接的电阻Re1用于扩大乘法器的输入值范围。电位器RP1用于乘法器载波馈通输出调零,R5,R6,R7用于输入信号的输入阻抗匹配。

Claims (5)

1.一种低压电源浪涌保护器性能的智能在线检测方法,其特征是使用微弱信号检测技术在线检测用于低压电源浪涌过压防护的低压电源浪涌保护器关键元件压敏电阻的漏电流值，所检测到漏电流值经模数转换器（ADC)电路转换成数字信号传输到微控制器（MCU)或微处理器（MPU)处理，并通过压敏电阻漏电流的大小判断低压电源浪涌保护器性能是否合格,为低压电源浪涌保护器的智能脱扣提供性能判断依据；所使用的微弱信号检测技术的特征是由差分检测模块与降噪处理模块实现。
2.根据权利要求项1，差分检测模块的特征是差分检测模块由两个电流互感器（CT1，CT2）和差分放大器组成，两个电流互感器（CT1，CT2）分别感测电路中低压电源浪涌保护器前后的负载电流，其中电流互感器CT1感测的电流包括电路的负载电流与低压电源浪涌保护器的漏电流，电流互感器CT2感测的电流只包括电路的负载电流；电流互感器（CT1，CT2）可采用铁芯式变压器或罗氏线圈（Rogowski coil）实现，并将负载电流值转换成电压信号幅值为V1，V2（如附图2），经过差分放大器进行减法运算，得到与低压电源浪涌保护器的压敏电阻漏电流幅值(IL)成比例(k)的差分电压幅值VAD=A(V1-V2)=kIL, A和k由电路设计所决定的常数（如附图3）。
3.根据权利要求项1，降噪处理模块的特征是降噪处理模块由降噪处理算法和降噪处理电路构成；降噪处理算法采用抑制载波的双边带调幅算法，降噪处理电路由两级吉尔伯特乘法器电路(MC1496或MC1596）以及输出级的低通滤波电路实现，两级吉尔伯特乘法器电路实现抑制载波的双边带调幅算法，低通滤波电路取出两级吉尔伯特乘法器电路输出中的低频信号，并通过滤波电路的积分作用实现平均值降噪算法（如附图4）。
4. 根据权利要求项3所述降噪处理算法，其中抑制载波的双边带调幅算法实现如下所述，设需检测的有用信号值为Vs（t）, 参考信号为载波VC（t），乘法器的增益为G，则：
Vs(t) =A1cos(ωst+ θ1) （式2）；
Vc(t) =A2cos(ωCt+ θ2) （式3）；
检测信号值Vs（t）与噪声信号Vn(t)经乘法器处理后得Vm(t)，
Vm(t)＝[ Vs(t)+ Vn(t)]×Vc(t)= Vs(t) Vc(t)+ Vn(t) Vc(t)
=GA2[A1cos(ωst+ θ1) cos(ωCt+ θ2)+ Vn(t) cos(ωCt+θ2)] （式4），
式（4）中的输出信号经低通滤波电路处理后消除了随机噪声以及高频噪声，简化为（式5），
Vm(t)＝GA2A1cos(ωst+θ1) cos(ωCt+θ2) （式5）,
由式5积化和差得到如式6中ωC+ωS与ωC-ωS两个边频信号,
Vm(t)＝0.5GA2A1{cos[(ωC+ωS)t+θ1 + θ2)]+ cos[(ωCt-ωS)t+θ2-θ1]} （式6）
信号解调：Vd(t)=Vm(t)×VC(t)，如式7：
Vd(t)=0.5GA2A1{cos[(ωC+ωS)t+θ1+θ2)]+ cos[(ωCt-ωS)t+θ2-θ1]} A2cos(ωCt+θ2)
=C{ cos[(2ωC+ωS)t+θ1+2θ2)]+ cos[(2ωCt-ωS)t+θ2-θ1]+2 cos(ωst+θ1)} （式7）,
式（7）中2cos(ωS+θ1)为低频项，经过低通滤波（LPF）滤去随机噪声与高频谐波后得：Vd(t)= 2C cos(ωst+ θ1)=0.5G2A1A2 2 cos(ωst+ θ1) （式8），
式8中Vd(t)即为降噪处理去除噪声的检测信号值，进一步，取VAD为Vs（t），则A1=kIL,
Vd(t)= 0.5G2 kIL A2 2 cos(ωst+ θ1)，测得Vd(t)的幅值Vd，即可求得压敏电阻漏电流幅值IL=2Vd/( G2 k A2 2)。
5.根据权利要求项1所述微控制器（MCU)或微处理器（MPU)，其特征是能够对模数转换器（ADC)电路的数据进行智能处理，微控制器（MCU)或微处理器（MPU)在进行循环延时读取所检测到的漏电流值时，同时读取电源电压值，根据漏电流前后检测值的对比，参考电源电压值，排除电源电压持续的过压，以及低压电源浪涌保护器性能的压敏电阻断路的影响，避免对低压电源浪涌保护器性能的误判。
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