CN109239558B - 一种直流故障电弧检测及保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流故障电弧检测及保护装置，属于电气工程领域。该装置包括高频电流互感器、霍尔电流传感器、放大器、带通滤波器、高精度ADC、数字信号处理器DSP和IGBT断路器；高频电流互感器的输出端与放大器的输入端相连，放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端与AD采样电路的输入端相连，AD采样电路的输出端连接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器DSP的输出端与IGBT断路器相连；电流信号通过高频电流互感器耦合出高频电流分量，经放大器放大10倍后通过带通滤波器，再由ADC对信号进行采样，并将信号传递给DSP进行算法处理，霍尔电流传感器将检测到的直流电流值传递给DSP进行动态阈值计算，检测到电弧产生后通过断路器断开电弧以实现保护。

Description

一种直流故障电弧检测及保护装置

技术领域

本发明属于电气工程领域，涉及一种直流故障电弧检测及保护装置。

背景技术

随着社会经济的不断发展，大功率电力电子器件得到了广泛的应用。随之而来的是直流系统在航天领域、太阳能发电领域、大型电网储能领域等的迅速普及。在直流系统中，金属连接头松动、动物抓咬、输电线路等绝缘层破损等原因都有可能导致发生直流电弧。

由于直流故障电弧没有交流故障电弧的过零点特征，电弧不易熄灭；另外发生故障电弧，尤其是串联型直流故障电弧时，类似于串入电阻，电路电流反而会下降，不能达到断路器和熔断器的动作条件，因而这些保护装置对直流故障电弧的保护无能为力。如果不能及时检测出电弧并采取相应的保护措施，持续燃烧的电弧产生的高温极易烧毁器件并点燃周围的易燃易爆品，最终导致火灾。因此，研究和完善直流故障电弧检测装置，有利于在电弧发生时刻快速保护动作、断开支路并报警，保证电力系统安全、可靠地运行。

目前工程上缺少成熟的直流故障电弧检测及保护装置，学术上多用电流或电压的时域数据进行一定的处理或是电流的频域分析等电学参数对系统状态进行判断，或是通过弧光、弧声、温度等进行判断。但是现有的电流、电压的时域分析结果不一定是由故障电弧引起，准确性有待验证。弧光、弧声、温度等检测对检测环境要求很高，而且传感器的安装位置固定，可监控区域较小，难以满足户外大型直流系统的应用场合。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直流故障电弧检测及保护装置，只需将装置串联在电流支路中，即可有效检测是否发生故障电弧，检测到发生故障电弧后及时断开并报警，安装方便、检测精度高、响应速度快，提高了系统安全性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种直流故障电弧检测及保护装置，该装置包括高频电流互感器、霍尔电流传感器、放大器、带通滤波器、高精度ADC、数字信号处理器DSP和IGBT断路器；

其中，霍尔电流传感器的输出端与数字信号处理器的输入端相连，高频电流互感器的输出端与放大器的输入端相连，放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端与AD采样电路的输入端相连，AD采样电路的输出端连接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器DSP的输出端与IGBT断路器相连；

电流信号通过高频电流互感器耦合出高频电流分量，经放大器放大10倍后通过带通滤波器，再由ADC对信号进行采样，并将信号传递给DSP进行算法处理，霍尔电流传感器将检测到的直流电流值传递给DSP进行动态阈值计算，检测到电弧产生后通过断路器断开电弧以实现保护。

进一步，所述断路器为IGBT结构的固态继电器，没有机械触点，通断过程不会产生电弧。

进一步，所述高频电流互感器的型号为PA3655，线圈匝数比为1:200，通频带为50kHz-500kHz；

所述放大器为精密运算放大器，用于对耦合后的信号放大10倍后再进入滤波器，以提高信噪比。

进一步，所述带通滤波器为十阶巴特沃斯带通滤波器，中心频率为65kHz，-3dB通带为30kHz，-40dB阻带为80kHz，通带增益为20dB。

进一步，所述高精度ADC为TI公司高精度16位精密ADC芯片SM73201，采样率达250kHz。

进一步，所述数字信号处理器DSP为TMS320F28035处理器；控制系统采样频率f＝240kHz，经FFT后频谱数据以f/2为界左右对称，采用奈奎斯特采样定律，对120kHz以内信号进行分析。

进一步，所述检测的流程为：

程序开始后对电流进行采样，每次采样1024点数据作为序列i；

对序列i进行预处理，即为序列i加汉宁窗；

对加窗后序列进行FFT变换得到频域序列j；

分别对序列j中位于频段1和频段2间的数据进行快速排序，再分别去掉两组排序结果中最大5个值和最小5个值，对剩下的65点数据计算平均值，分别得到均值p1和p2；并对计算结果进行加权，得到结果p；

p＝p1×0.6+p2×0.4 (1)

将p存入FIFO数组q，并保持FIFO数组长度为5；并计算历史5次结果加权和，加权方式见式(2)；

若结果大于设定阈值，则认定为检测到电弧；控制器立即通过GPIO输出控制电平，断开断路器；

设FIFO最新值为q0，历史依次值为q1、q2、q3、q4，则加权结果a为：

a＝q0×0.4+q1×0.2+q2×0.2+q3×0.1+q4×0.1 (2)

若采用固定的阈值进行电弧检测，可能会出现误判或者漏判的情况，为提高检测灵敏度以及提高检测系统鲁棒性，引入动态阈值算法；

检测算法阈值和支路直流电流强度具有正相关关系；

采用一次函数的关系，来动态的确定检测阈值；确定关系式为：

T＝5*I+255 (3)

每次采样高频分量数据前首先采样一次支路电流值，计算动态阈值，然后运行检测算法。

进一步，所述检测算法阈值和支路直流电流强度具有正相关关系具体为：

当支路电流为2A时，最佳阈值为265；

当支路电流为3A时，最佳阈值为270；

当支路电流为4A时，最佳阈值为276；

当支路电流为5A时，最佳阈值为281；

当支路电流为6A时，最佳阈值为285；

当支路电流为7A时，最佳阈值为292；

当支路电流为8A时，最佳阈值为299。

本发明的有益效果在于：

1、基于电弧电流的频域谐波分量丰富的原理进行检测，结构简单，只需将装置串联在待检测支路的任意位置即可，安装位置无须靠近电弧发生位置，检测精度高；

2、检测到故障电弧后，能自行断开装置内的IGBT断路器，从而熄灭电弧。响应时间快，从电弧产生到熄弧整个过程小于100ms；

3、采用动态阈值，避免单一阈值造成误判、漏判。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是直流故障电弧检测及保护装置原理图；

图2是滤波器的幅频特性；

图3是产生电弧情况下采集到的支路电流；

图4是产生电弧情况下检测装置计算的电弧频域数据；

图5是软件检测识别电弧的流程；

图6是装置在检测到电弧发生至保护动作的响应过程。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本实施例公开了一种直流故障电弧检测及保护装置，包括电流互感器、放大器、带通滤波器、高精度ADC、数字信号处理器(DSP)和IGBT断路器。

前期对电弧电流进行频域分析表明：电弧电流的高频分量主要集中在30-100kHz的频率范围内。为了测量电弧电流高频分量，可通过高频电流互感器耦合高频电流分量。本实施例中所用互感器型号为PA3655，线圈匝数比为1:200，通频带为50kHz-500kHz。由于耦合后的信号幅值比较小，使用精密运算放大器对信号放大10倍后再进入滤波器，以提高信噪比。

考虑到耦合信号叠加了各个频段的噪声，必须先经过带通滤波器对放大后的信号进行滤波，对目标频段内信号进行进一步放大。针对本实施例设计的十阶巴特沃斯带通滤波器中心频率为65kHz，-3dB通带为30kHz，-40dB阻带为80kHz，通带增益为20dB。滤波器幅频特性如图2所示。

本实施例中数据采集使用TI公司高精度16位精密ADC芯片SM73201，其采样率可达250kHz。使用TMS320F28035处理器驱动ADC芯片，控制系统采样频率f＝240kHz，经FFT后频谱数据以f/2为界左右对称，由奈奎斯特采样定律，可对120kHz以内信号进行分析。

图3为产生电弧情况下采集到的支路电流，图4为产生电弧情况下检测装置计算的电弧频域数据。可见，电弧发生后，在时域上电流波动加剧，体现在频谱中40kHz-80kHz范围内的谐波幅值增加，即证明了电弧发生会伴随着电流频域谐波分量的增加。

本实施例针对40kHz-80kHz特征频段进行电弧检测。对于1024点FFT，前512点数据有效，位于40kHz-80kHz之间有170点数据。将数据分为两个频段，将40kHz-60kHz定义为频段1，将60kHz-80kHz定义为频段2，每个频段有85点数据。通过实验发现频段1产生电弧前后变化大于频段2，通过对两个频段计算值加权以提高效果。

软件检测识别电弧的流程如图5，具体流程为：程序开始后对电流进行采样，每次采样1024点数据作为序列i。由于采样后数据会发生频谱能量泄漏，需要对序列i进行预处理，即为序列i加汉宁窗。对加窗后序列进行FFT变换得到频域序列j。分别对序列j中位于频段1和频段2间的数据进行快速排序，再分别去掉两组排序结果中最大5个值和最小5个值，对剩下的65点数据计算平均值，分别得到均值p1和p2。并对计算结果进行加权，得到结果p。

p＝p1×0.6+p2×0.4 (1)

将p存入FIFO数组q，并保持FIFO数组长度为5。并计算历史5次结果加权和，加权方式见式(2)，若结果大于设定阈值，则认定为检测到电弧。控制器立即通过GPIO输出控制电平，断开断路器。本实施例中所用断路器为IGBT结构的固态继电器，没有机械触点，通断过程不会产生电弧。

设FIFO最新值为q0，历史依次值为q1、q2、q3、q4，则加权结果a为：

a＝q0×0.4+q1×0.2+q2×0.2+q3×0.1+q4×0.1 (2)

另外，在实际实验过程中发现若采用固定的阈值进行电弧检测，在支路电流较大(如7A)和较小(2A)时会可能会出现误判或者漏判的情况。为了提高检测灵敏度以及提高检测系统鲁棒性，引入了动态阈值算法。

经实验，检测算法阈值和支路直流电流强度具有正相关关系。实验中测量了不同电流下最合适的阈值，如表1所示。

表1不同电流下的最佳阈值

支路电流(A)	阈值
		2	265
3	270
		4	276
5	281
		6	285
7	292
		8	299

根据实验结果决定采用一次函数的关系，来动态的确定检测阈值。确定关系式为：

T＝5*I+255 (3)

每次采样高频分量数据前首先采样一次支路电流值，计算动态阈值，然后运行检测算法。通过对阈值进行动态化后极大提高了检测灵敏度和适应性。

通过实验，处理器每次迭代计算耗时16.9ms，理论最快能在5个迭代周期84.5ms内检测出电弧。实际检测过程中，装置能够在小于100ms内检测出电弧，并迅速反应启动保护。图6是装置检测到电弧发生至保护动作的响应过程，从电弧产生到熄弧整个过程小于100ms。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种直流故障电弧检测及保护装置，其特征在于：该装置包括高频电流互感器、霍尔电流传感器、放大器、带通滤波器、高精度ADC、数字信号处理器DSP和IGBT断路器；

其中，霍尔电流传感器的输出端与数字信号处理器的输入端相连，高频电流互感器的输出端与放大器的输入端相连，放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端与AD采样电路的输入端相连，AD采样电路的输出端连接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器DSP的输出端与IGBT断路器相连；

电流信号通过高频电流互感器耦合出高频电流分量，经放大器放大10倍后通过带通滤波器，再由ADC对信号进行采样，并将信号传递给DSP进行算法处理，霍尔电流传感器将检测到的直流电流值传递给DSP进行动态阈值计算，检测到电弧产生后通过断路器断开电弧以实现保护；

所述检测的流程为：

程序开始后对电流进行采样，每次采样1024点数据作为序列i；

对序列i进行预处理，即为序列i加汉宁窗；

对加窗后序列进行FFT变换得到频域序列j；

分别对序列j中位于频段1和频段2间的数据进行快速排序，再分别去掉两组排序结果中最大5个值和最小5个值，对剩下的65点数据计算平均值，分别得到均值p1和p2；并对计算结果进行加权，得到结果p；

p＝p1×0.6+p2×0.4 (1)

将p存入FIFO数组q，并保持FIFO数组长度为5；并计算历史5次结果加权和，加权方式见式(2)；

若结果大于设定阈值，则认定为检测到电弧；控制器立即通过GPIO输出控制电平，断开断路器；

设FIFO最新值为q0，历史依次值为q1、q2、q3、q4，则加权结果a为：

a＝q0×0.4+q1×0.2+q2×0.2+q3×0.1+q4×0.1 (2)

若采用固定的阈值进行电弧检测，可能会出现误判或者漏判的情况，为提高检测灵敏度以及提高检测系统鲁棒性，引入动态阈值算法；

检测算法阈值和支路直流电流强度具有正相关关系；

采用一次函数的关系，来动态的确定检测阈值；确定关系式为：

T＝5*I+255 (3)

每次采样高频分量数据前首先采样一次支路电流值，计算动态阈值，然后运行检测算法；

所述检测算法阈值和支路直流电流强度具有正相关关系具体为：

当支路电流为2A时，最佳阈值为265；

当支路电流为3A时，最佳阈值为270；

当支路电流为4A时，最佳阈值为276；

当支路电流为5A时，最佳阈值为281；

当支路电流为6A时，最佳阈值为285；

当支路电流为7A时，最佳阈值为292；

当支路电流为8A时，最佳阈值为299。

2.根据权利要求1所述的一种直流故障电弧检测及保护装置，其特征在于：所述断路器为IGBT结构的固态继电器，没有机械触点，通断过程不会产生电弧。

3.根据权利要求1所述的一种直流故障电弧检测及保护装置，其特征在于：所述高频电流互感器的型号为PA3655，线圈匝数比为1:200，通频带为50kHz-500kHz；

所述放大器为精密运算放大器，用于对耦合后的信号放大10倍后再进入滤波器，以提高信噪比。

4.根据权利要求1所述的一种直流故障电弧检测及保护装置，其特征在于：所述带通滤波器为十阶巴特沃斯带通滤波器，中心频率为65kHz，-3dB通带为30kHz，-40dB阻带为80kHz，通带增益为20dB。

5.根据权利要求1所述的一种直流故障电弧检测及保护装置，其特征在于：所述高精度ADC为TI公司高精度16位精密ADC芯片SM73201，采样率达250kHz。

6.根据权利要求1所述的一种直流故障电弧检测及保护装置，其特征在于：所述数字信号处理器DSP为TMS320F28035处理器；控制系统采样频率f＝240kHz，经FFT后频谱数据以f/2为界左右对称，采用奈奎斯特采样定律，对120kHz以内信号进行分析。

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