CN107884660A - 航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路，由信号采集电路、调理电路和故障检测电路组成，信号采集电路，采用可采集交直流电流的电流传感器采集配电系统中最前级和最后级电流；调理电路，采用加偏置的差分放大电路保证交直流差动信号的调理；故障检测电路，将差分放大后的信号进行差动故障检测。本发明的电路，可有效地保证信号的幅值范围，保证差动信号的精确放大，减小共模干扰带来的影响，实现交直流差动故障的检测。

Description

航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路
技术领域
本发明涉及航空电气系统故障，属于电气安全领域。具体涉及一种航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，电气化程度越来越高，电路保护也越来重要。航空配电系统差动故障是由于航空配电系统中线路由于某些原因与地、其它线路或者机壳等发生连接，导致线路中的电流泄漏到地、其他线路中的现象，该故障产生时配电系统中某些线路的电流会出现较大变化，导致负载工作异常。同时其电流泄露到系统中其它的位置，可能会导致其它线路中电流增大、负载烧毁，导致维修人员触电出现伤亡等情况。
交直流差动故障检测在航空配电领域暂无应用，而在航空发电机系统中使用较多，发电机系统中差动保护采用两组电流互感器CT1和CT2，如图1所示，其中CT1安装在发电机内部，称为机内互感器，CT2安装在馈线上，两组互感器检测进入发电机的电流和发电机输出的电流，理论上两个传感器电流应相等，但实际应用过程中可能出现线路搭接、线路接地等现象，因此CT2的电流有效值通常比CT1要小，差动保护正是检测两个电流之间差值的大小以判定是否出现差动故障。
发电机差动保护主要针对大电流发电机进行差动故障检测与保护，采用电流互感器，它的优点是两个电流互感器的输出可以直连以减小复杂线路带来的干扰，而缺点则是只能应用于交流系统，且器件体积较大、重量较大、智能化程度较低，难以适应交直流航空配电系统。
发明内容
本发明的目的是为航空交直流配电系统的差动故障检测提供一种信号采集及故障检测的电路，以解决航空交直流配电系统中缺乏差动故障检测保护的问题。
考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：
航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路，由信号采集电路、调理电路和故障检测电路组成；
其中，信号采集电路，通过传感器采集配电系统前端和负载端的差动信号；
调理电路由运放M1A、采集电阻R1和比例调节电阻R2-R5组成，采集电阻R1采集两个传感器获得的差动信号，进行调理，比例调节电阻R2一端接差动信号的采集电阻R1一端，另一端接运放的反相端，运放M1A的反相端同时还接比例调节电阻R5的一端，比例调节电阻R5的另一端接运放M1A输出端，比例调节电阻R3一端接差动信号的采集电阻R1另一端，另一端接运放M1A的同相端，运放M1A的同相端同时还接比例调节电阻R4的一端，比例调节电阻R4的另一端接参考电平Vref；
故障检测电路由高低阈值比较电路组成，其中运放M2A和阈值调节电阻R6和R7构成低阈值比较电路，运放M2B和阈值调节电阻R8和R9构成高阈值比较电路，调理电路的输出分别接运放M2A的反相端和运放M2B的同相端，阈值调节电阻R6和阈值调节电阻R9一端连接电源正端，阈值调节电阻R6的另一端接运放M2A的同相端，阈值调节电阻R9的另一端接运放M2B的反相端，阈值调节电阻R7和阈值调节电阻R8一端接地，阈值调节电阻R7的另一端接运放M2A的同相端，阈值调节电阻R8的另一端接运放M2B的反相端，通过高低阈值的比较结果判断配电系统是否出现差动故障。
其特征在于，如果传感器输出电压信号，差动信号为两个传感器输出的电压差；如果传感器输出电流信号，采集电阻R1两端电压为两个传感器输出电流差与采集电阻R1的乘积。
其特征在于，信号采集电路的传感器能采集交流和直流电流。
其特征在于，信号采集电路的传感器使用霍尔传感器。
其特征在于，阈值调节电阻R6/R7为分压电阻对，Vol＝3.3×[R7/(R6+R7)]，通过调节二者之间的比例可实现低阈值的设计；阈值调节电阻R8/R9为分压电阻对，Voh＝3.3×[R8/(R8+R9)]，通过调节二者之间的比例可实现高阈值的设计。
其特征在于，两组分压电阻对中R6＝R8，R7＝R9，且R8>R9。
其特征在于，运放M1A，M2A，M2B的供电端还接有滤波电容，滤除高频干扰。
有益效果：
本发明的航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路，选用单电源供电的轨对轨运放，可有效地保证信号的幅值范围，调理电路不仅可应用于直流差动信号采集调理，还可应用于交流差动信号采集调理，保证差动信号的精确放大，减小共模干扰带来的影响，通过故障检测电路中高低阈值比较电路的设计，可实现交直流差动故障的检测。
附图说明
图1为发电机系统差动故障检测框图
图2是本发明差动故障检测框图
图3是本发明馈线与地搭接出现差动故障
图4是本发明馈线之间搭接出现差动故障
图5是本发明差动信号调理电路
图6是本发明差动故障检测电路
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
图2本发明差动故障检测框图，馈线为配电系统中线路，它的一端与汇流条连接，另一端与负载相连，它的主要功能是将汇流条的电引入负载中，供负载正常工作使用。
从汇流条到负载端之间的线路中仅仅会存在断路器或者SSPC，两个装置对线路的电流基本无影响，因此在配电系统正常工作时，线路在汇流条端的电流应该与负载端电流相等或者相差很小，差值为线路电阻消耗的电流。
图3为馈线与大地由于某种原因出现了搭接，此时电流会大量的流入大地中，负载端电流将会远小于汇流条端电流，此时线路中的SSPC和断路器会检测到短路故障，而差动故障检测装置则可检测到差动故障。
图4为两根馈线由于某种原因出现了搭接的现象，此时两个线路中的电流会根据各自负载的大小进行电流再分配，如果CD段负载较小，那么通过搭接，CD段负载端电流将会比汇流条端电流大；而如果CD段负载较大，那么通过搭接，CD段负载端电流将会比汇流条端电流小。当两端差值达到一定程度，则认为出现差动故障。
一根馈线上的差动信号采集是通过两个可测交直流电流传感器实现的，两个传感器分别布置在靠近汇流条和靠近负载的位置，测量这两个位置的电流。采用电压输出型电流传感器可将采集到的电流信号转换为电压信号，因此采集电阻R1两端为两个传感器输出电压信号的差值ΔV；如果采用电流输出型电流传感器，互感器输出信号为电流信号，因此电阻R1两端的电压为两个互感器采集电流差值乘电阻值(ΔV＝Δi×R1)；
如图5所示，采集电阻R1两端的差动信号进入差分放大电路中进行调理。调理电路由单电源供电的轨对轨运放和差分放大电阻对构成。比例调节电阻R2一端接差动信号的采集电阻R1的IN端，另一端接运放M1A的反相端，运放M1A的反相端同时还接比例调节电阻R5的一端，比例调节电阻R5的另一端接运放M1A输出。比例调节电阻R3一端接差动信号的采集电阻R1的IA端，另一端接运放M1A的同相端，运放M1A的同相端同时还接比例调节电阻R4的一端，比例调节电阻R4的另一端接参考电平Vref。
电阻R2/R5构成反相分压电阻对，电阻R3/R4构成同相分压电阻对。电路中QGND可看做零电势，Vref以QGND为参考，其电势为运放供电电压的一半(1.65V)，ΔV为时变的差动故障电压差，其电势随差动故障回路电特性变化而变化，可正可负。
采集电阻R1两端电压差为ΔV时，运放输出电压为
由运放的电特性可知，运放的同反相端和输出不能超过运放的供电正负电压，调理电路选用单电源供电的运放，运放的同反相端和输出不能小于0V和大于3.3V，因此如果以GND为参考，幅值为负的交流信号将不适用该类型运放。但是由式(1)可看出，如果增加一个直流偏置，将基准点拉高即可让交流信号满足需求。运放的输出为差动信号ΔV的放大值与直流偏置Vref的和，直流偏置将运放输出电平提高，当输入差分信号ΔV小于0，运放输出小于直流偏置，但大于零(这种情况通常出现在交流信号的负半周)；当输入差分信号ΔV大于0时运放输出大于直流偏置，但小于运放供电电压(这种情况通常出现在直流信号和交流信号的正半周)。因此该差分放大通过增加直流偏置Vref，将参考信号VGND调整为Vref，拓展了电路的使用范围，保证交直流差动故障信号的精确采集和调理。同时差分电路还可有效地抑制共模信号带来的干扰。
图5是本发明中差动故障检测电路，由高低阈值比较电路组成，其中运放M2A和阈值调节电阻R6/R7构成低阈值比较电路，运放M2B和阈值调节电阻R8/R9构成高阈值比较电路。
电阻R6/R7为分压电阻对，Vol＝3.3×[R7/(R6+R7)]，通过调节二者之间的比例可实现低阈值的设计。
电阻R8/R9为分压电阻对，Voh＝3.3×[R8/(R8+R9)]，通过调节二者之间的比例可实现高阈值的设计。
两组分压电阻对中R6＝R8，R7＝R9，且R8>R9。
经过差分调理后的差动信号Vout与两个比较器进行比较，当信号大于Voh时表明IA大于IN，且二者的差值大于预设的阈值，此时可判定出现交流或直流差动故障；当信号小于Vol时表明IA小于IN，且二者的差值的绝对值大于预设的阈值，此时可判定出现交流差动故障。

Claims (7)

1.航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路，由信号采集电路、调理电路和故障检测电路组成；
其中，信号采集电路，通过传感器采集配电系统前端和负载端的差动信号；
调理电路由运放M1A、采集电阻R1和比例调节电阻R2-R5组成，采集电阻R1采集两个传感器获得的差动信号，进行调理，比例调节电阻R2一端接差动信号的采集电阻R1一端，另一端接运放的反相端，运放M1A的反相端同时还接比例调节电阻R5的一端，比例调节电阻R5的另一端接运放M1A输出端，比例调节电阻R3一端接差动信号的采集电阻R1另一端，另一端接运放M1A的同相端，运放M1A的同相端同时还接比例调节电阻R4的一端，比例调节电阻R4的另一端接参考电平Vref；
故障检测电路由高低阈值比较电路组成，其中运放M2A和阈值调节电阻R6和R7构成低阈值比较电路，运放M2B和阈值调节电阻R8和R9构成高阈值比较电路，调理电路的输出分别接运放M2A的反相端和运放M2B的同相端，阈值调节电阻R6和阈值调节电阻R9一端连接电源正端，阈值调节电阻R6的另一端接运放M2A的同相端，阈值调节电阻R9的另一端接运放M2B的反相端，阈值调节电阻R7和阈值调节电阻R8一端接地，阈值调节电阻R7的另一端接运放M2A的同相端，阈值调节电阻R8的另一端接运放M2B的反相端，通过高低阈值的比较结果判断配电系统是否出现差动故障。
2.如权利要求1所述的航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路，其特征在于，如果传感器输出电压信号，差动信号为两个传感器输出的电压差；如果传感器输出电流信号，采集电阻R1两端电压为两个传感器输出电流差与采集电阻R1的乘积。
3.如权利要求1所述的航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路，其特征在于，信号采集电路的传感器能采集交流和直流电流。
4.如权利要求3所述的航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路，其特征在于，信号采集电路的传感器使用霍尔传感器。
5.如权利要求1所述的航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路，其特征在于，阈值调节电阻R6/R7为分压电阻对，Vol＝3.3×[R7/(R6+R7)]，通过调节二者之间的比例可实现低阈值的设计；阈值调节电阻R8/R9为分压电阻对，Voh＝3.3×[R8/(R8+R9)]，通过调节二者之间的比例可实现高阈值的设计。
6.如权利要求5所述的航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路，其特征在于，两组分压电阻对中R6＝R8，R7＝R9，且R8>R9。
7.如权利要求1所述的航空交直流配电系统差动信号采集与故障检测电路，其特征在于，运放M1A，M2A，M2B的供电端还接有滤波电容，滤除高频干扰。
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