CN112345890B - 一种故障电弧及电流检测的复合检测电路装置 - Google Patents

一种故障电弧及电流检测的复合检测电路装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种故障电弧领域的复合检测电路，该电路复用了断路器脱扣装置的电感线圈，可以完成电弧信号检测、旁路串扰信号检测、低频电流检测以及自检信号检测等多种功能。该电路主要由Y型采样电路，单端转差分电路，可编程增益放大器，巴特沃斯滤波器，RC抗混叠滤波器，AD采样电路以及DSP等模块组成。单端转差分运放将采样的单端信号转为差分信号，PGA对采样信号进行放大。巴特沃斯滤波器将200MHZ以上的频率分量滤除，抗混叠滤波滤除15KHZ以上的频率分量。本发明中采用了过采样技术，高频电流信号通道采样频率1GSPS，低频电流信号通道采样频率50KSPS。DSP用于电弧特征值计算以及计量电流统计，并根据信号幅度平均值调整PGA增益，输出PWM波用于系统自检。

Description

一种故障电弧及电流检测的复合检测电路装置
技术领域
本发明属于故障电弧检测领域，主要涉及一种故障电弧和电流检测信号以及系统自检信号的复合检测电路装置。
背景技术
电气火灾在当今社会中的火灾事故中占有很高的比例，而电弧故障是导致电气火灾的重要原因之一。故障电弧通常是由于线路、设备绝缘老化和破损，或不良的电气连接造成的，当发生故障电弧时，电弧的发生会释放高温，极其容易引起火灾。发生的电弧依据其故障类型可以分为串联故障电弧和并联故障电弧，由于并联故障电弧发生时的电流比较大，现有的过流保护装置和短路保护装置可以起到保护作用。而串联电弧发生时，电流虽然有异常，但是电流值低于保护阈值，导致现有的过流保护其不能有效检测故障电弧和保护电路。
故障电弧的检测和发现有赖于对电弧信号的采样，实际操作中，有利用电弧发生时的弧光、温度等物理现象进行采样和监测的手段，但是在家庭环境中该方案并不适合。现有的方案中一般通过对电路中电压或电流信号的检测来实现，目前市场上常见的检测方案均是通过电流互感器实现火线上电流的采样，然后通过后续模块的处理来判断是否发生了电弧信号。
发生故障电弧时，线路中的电信号会发生较为明显的畸变，富含高频成分。电流互感器在对电弧进行采样时会受限于其本身的工作频率范围，一般其工作频率在几十KHz到数百KHz之内，而电弧中含有的频率分量可以达到数MHz 以上，传统采用电流互感器的采样方式会对高频范围内的频率分量造成衰减。同时，采用电流互感器增加了产品的体积和整体成本。
本发明中提出的采样方案复用了脱扣装置中的电感线圈，降低了额外的成本，减小了体积。和电流互感器采样方案相比，工作频率范围更宽。同时，本方案复用该电感线圈对低频电流进行采样，可以用于计算计量电量和低频电弧的分析，避免使用传统方案中的热双金属进行电流过流检测和保护。
当发生旁路串扰电弧时，本发明中的采样电路可以在电感和电阻两路采样信号中引入相位差，在两路采样电阻电压信号上引入幅值差异，辅助识别本地打弧和旁路串扰。
为了测试采样信号通道是否正常工作，通过DSP输出PWM波进行信号注入，复用高频信号采样通道，通过DSP是否检测到该自检信号决定采样通道是否处于正常状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本、高效的复合检测电路装置，该电路复用了断路器中脱扣装置的电感线圈，能够对故障电弧、旁路串扰电弧、低频电流以及系统自检信号等进行采样和预处理。
为达到上述目的，在本发明中提供的电弧信号采样电路结构如图1所示，主要包括：连接在火线和零线之间的电阻R1、R2以及电容C组成的Y型电路结构，串联在火线上且连接在R1、R2之间电阻R3和电感L，其中电阻R3和电感L 以并联形式连接在R1和R2之间。
为方便分析，将所述采样信号的处理分为低频电流采样通道，高频电流采样通道以及系统自检信号检测通道。
所述的低频电流采样通道中，利用电感线圈具有一定内阻的特点，对电感L 和电阻R3两侧的端压进行采样，采样信号经过单端转差分电路后转为全差分信号，并进行PGA放大。放大后的信号通过抗混叠滤波器，然后进行AD采样，用于电弧信号低频成分的分析和计量参数的计算。
所述的高频电流采样通道中，电路中的C对高频成分而言阻抗很小，构成高频小信号通路，因此在电阻R1和R2两端可采样信号中的高频成分。采样信号通过电容C1滤除50HZ的工频信号和低频信号，通过单端转差分电路将单端电压信号转换为全差分信号，然后通过PGA对采样的高频小信号进行放大。通过巴特沃斯滤波器滤除200MHZ外的频率成分，对滤波后的信号进行AD转换并送给DSP进行电弧特征的提取和识别判断，AD转换器采用过采样技术，采样速率为1GSPS。
在上述高频电流采样通道中，当本地发生故障电弧时，电阻R1两端电压
Figure RE-GDA0002229558110000021
的相位要超前于电感L两端电压
Figure RE-GDA0002229558110000022
的相位，考虑到采样电路中共地点的位置，两路电压信号相位差为钝角。同时，电阻R1的电压
Figure RE-GDA0002229558110000031
的模值要小于电阻R2两端的电压
Figure RE-GDA0002229558110000032
的模值。
在上述高频电流采样通道中，当发生旁路串扰打弧时，R1的端压
Figure RE-GDA0002229558110000033
滞后于电感L两侧的电压
Figure RE-GDA0002229558110000034
且为锐角关系。同时，电阻R1两端的电压
Figure RE-GDA0002229558110000035
的模值要大于电阻R2两端的电压
Figure RE-GDA0002229558110000036
的模值。
根据上述关系，当发生本地打弧和串扰打弧时，电阻R1端压
Figure RE-GDA0002229558110000037
和电感L端压
Figure RE-GDA0002229558110000038
之间具有不同的相位差，电阻R1和电阻R2具有不同的幅值大小关系。利用这种相位差与幅值关系，进行旁路串扰和本地打弧的区分。
所述的系统自检信号检测通道中，DSP产生并输出PWM脉冲信号，将PWM 脉冲注入到采样电路中R2和电感L连接的节点以及电阻R1和R2连接的节点。其采样与信号预处理复用了高频电流采样通道，通过DSP对采样信号处理，DSP 能够检测到该脉冲信号则说明该检测电路和高频电流采样通道状态正常，否则输出告警信息。
所述的DSP模块对高频电流采样通道输入的信号进行高频电弧特征提取和分析，并对低频采样电流通道输入的信号进行低频特征提取和分析，并计算相关的计量参数，联合低频判别与高频。并且根据判别结果输出控制信号。DSP 根据采样信号的幅度平均值控制PGA的增益变化，输出相应的增益调整控制信号。
利用本发明中提出的检测电路，可以分别对电流信号中的高频成分和低频成分采样,同时复用高频电流采样通道来进行自检。在高频电流采样通道中，利用采样信号间不同的相位差关系和幅值关系，完成旁路串扰电弧与本地故障电弧的检测和识别。
附图说明
图1是本发明中提出的电弧信号采样和检测电路图。
图2是本发明中当发生本地故障电弧时，使用本采集电路获得的电阻R1、R2和电感L上的电压相位差与模值关系。
图3是本发明中当发生旁路串扰电弧时，使用本采集电路获得的电阻R1、R2和电感L上的电压相位差与模值关系。
具体实施方式
下面结合图1对本发明所提供的电弧与串扰采样电路结构、原理及方法进行说明。
图1中提供了本实施例的复合检测电路装置原理图。其中N和L分别表示零线和火线，负载0和负载1表示本路的不同用电负载。其中本发明所提出的复合采样电路主要包括由电阻R1、R2和电容C组成的Y型电路结构，以及串联在火线上且连接在R1、R2之间电阻R3和电感L，其中电阻R3和电感L以并联形式连接在R1和R2之间。其中，电容C主要是为了隔断低频信号，保护采样电阻R1和R2，使得在R1和R2两端采集到高频信号。
为方便分析，将所述采样信号的处理分为低频电流采样通道，高频电流采样通道以及系统自检信号检测通道。
在该优选实施例中，低频电流采样通道主要用于采集电流中的低频信号。由于电感线圈L具有一定的内阻，利用该内阻采样流经电感线圈L和电阻R3的低频电流，利用该低频电流可以进行相关计量参数的计算和过流保护，同时可以进行电弧的低频特征分析，协助进行电弧判决。在图1中所述的低频电流采样通道中，将采样的单端低频电流信号通过单端转差分电路转换成全差分信号，并通过PGA进行放大。在进行AD采样之前，使用截止频率为15KHZ的抗混叠滤波器进行处理，防止频谱混叠。抗混叠滤波器由图1中的R4和C3组成RC低通滤波器，滤波后的信号使用采样率为50KSPS的AD转换为数字信号，通过低频电流采样通道送给DSP模块处理。
在该优选实施例中，高频电流采样通道主要是采集电阻R1、R2以及电感L 两端的电压，用于故障电弧检测与旁路串扰电弧的检测识别。如图1中所示，对于高频信号而言，电感L的感抗增加，电容C的容抗减小，对电阻R1、R2以及电感L两端电压采样可以得到电流中的高频信号。通过电容C1隔直流并且滤除掉50HZ的工频以及500KHZ以下的低频信号，关注工频信号上叠加的高频小信号，通过单端转差分电路将采样的单端信号转换为差分信号，并且提供一定的增益。在PGA中对高频小信号进行放大，在本设计中PGA的增益范围为 -15dB～50dB，平滑响应带宽350MHZ，PGA增益由DSP根据采样信号的幅值平均值实时调节。通过巴特沃斯滤波器对PGA放大后的信号进行滤波，滤除高于 200MHZ的频率成分。AD转换器将滤波后的信号转换为数字信号，为了降低目标频段的频谱混叠，同时降低噪声，在该实施例中采用了过采样技术，AD采样速率为1GSPS，采样后的信号提供给DSP模块。
进一步的，对图1中高频电流采样通道实现对本地故障电弧和旁路串扰电弧区分的原理分析如下：
在所述的高频电流采样通道中，当发生本地电弧时，由于R3和L的并联为感性阻抗，表达式如下：
Figure RE-GDA0002229558110000051
由于阻抗呈感性，其电流相位滞后于电压相位，电阻R3纯阻性，其采样电压相位与电流相位保持一致。当电弧发生时，电阻R1两端电压
Figure RE-GDA0002229558110000052
电感两侧采集的电压信号幅值
Figure RE-GDA0002229558110000053
考虑到共地点位和方向性，
Figure RE-GDA0002229558110000054
的相位要超前于
Figure RE-GDA0002229558110000055
的相位，两路采集信号相位差为钝角，即满足：
Figure RE-GDA0002229558110000056
其中
Figure RE-GDA0002229558110000057
表示电阻R1端压
Figure RE-GDA0002229558110000058
的相位，
Figure RE-GDA0002229558110000059
表示电阻R2端压
Figure RE-GDA00022295581100000510
的相位，上述相位关系如图2中所示。
在所述的高频电流采样通道中，当发生旁路打弧时，在电阻R1和电阻R2通道的采样信号的幅值关系上，从图2中可见，电阻R2两端的电压满足如下关系：
Figure RE-GDA00022295581100000511
由于
Figure RE-GDA00022295581100000512
和
Figure RE-GDA00022295581100000513
之间的夹角大于90°，则根据矢量三角关系，则电阻R2两端电压
Figure RE-GDA00022295581100000514
的模值必然大于电阻R1两端电压
Figure RE-GDA00022295581100000515
的模值，即有
Figure RE-GDA00022295581100000516
在所述的高频电流采样通道中，当发生旁路打弧时，对于关注的高频信号而言，电容C的阻抗很小，电路等效为R3与电感L并联然后串联R2，再与R1并联，和旁路负载构成回路。则R1和R2、以及电感的端压构成环路，三者相量和为0，即满足
Figure RE-GDA00022295581100000517
在相位关系上，R1的端压
Figure RE-GDA00022295581100000518
滞后于电感L两侧的电压
Figure RE-GDA00022295581100000519
且为锐角关系，即满足：
Figure RE-GDA00022295581100000520
其相位关系如图3中所示。所以，在发生旁路串扰时，相比于本地打弧情况， R1两端电压与电感的端电压相位差明显缩小。
在所述的高频电流采样通道中，当发生旁路打弧时，在电阻R1和电阻R2通道的采样信号的幅值关系上，从图3中可以看出，由于
Figure RE-GDA0002229558110000061
和
Figure RE-GDA0002229558110000062
之间的夹角小于 90°，则根据矢量三角关系，则电阻R2两端的电压
Figure RE-GDA0002229558110000063
模值必然小于电阻R1两端的电压
Figure RE-GDA0002229558110000064
的模值，即有
Figure RE-GDA0002229558110000065
进一步的，根据上述的原理，当发生本地打弧和串扰打弧时，电阻R1的端压
Figure RE-GDA0002229558110000066
和电感L的端压
Figure RE-GDA0002229558110000067
之间具有不同的相位差，同时电阻R1和电阻R2两端的电压大小关系不同。利用在串扰和本地打弧时这种不同的相位差和幅值关系，可以进行串扰和本地打弧的检测和区分。
在该优选实施例中，系统自检信号采样通道中主要用来检测高频电流采样通道工作是否正常，该通道在电路中复用了高频电流采样通道。如图1中所示，通过DSP模块输出PWM脉冲，将PWM脉冲注入到采样电路中R2和电感L连接的节点以及电阻R1和R2连接的节点，通过复用高频电流采样通道采集该PWM 脉冲信号，提供给DSP模块进行分析，如果检测到该脉冲说明高频电流采样通道工作正常，否则输出告警信息。
在该优选实施例中，DSP模块主要用来对采样的高频信号和低频信号进行联合处理，用于判别是否发生电弧或串扰。并且根据采样的低频电流计算相关计量参数，输出PWM波进行系统自检，并且根据幅值平均值调整PGA增益。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种故障电弧与电流检测的混合检测电路装置，其特征在于：
主要包括连接在火线与零线之间的采样电路，采样电路主要包括电感L、电阻R1、R2、R3、电容C，其中电容C一端接零线，另外一端与电阻R1、R2连接成Y型电路结构；电阻R1另一端接火线进线侧，电阻R2另一端接火线出线侧；电阻R3和电感L并联，串联在火线上且连接在R1、R2之间；
对采样电路中的信号进行不同处理，分别形成高频信号采样通道、低频电流采样通道和系统自检信号采样通道，能够完成故障电弧信号检测，旁路串扰电弧检测，低频电流的采样以及系统自检信号的采样检测功能；
高频信号采样通道和系统自检信号采样通道中，将单端采样信号通过电容耦合的连接方式经过单端转差分电路，输出依次经过增益可编程的放大器，低通巴特沃斯滤波器，RC抗混叠滤波器，AD转换器以及DSP模块；
低频电流采样通道中，将单端采样信号直接进入单端转差分电路，输出依次经过增益可编程的放大器，RC抗混叠滤波器，AD转换器以及DSP模块；
利用电压的幅值或相位的差异识别故障电弧；高频电流采样通道在进行旁路串扰故障电弧识别时具有下述特点：
当电路中发生本地故障电弧时，对电感和电阻R1两端的电压进行采样，电感L和电阻R3并联呈现感性阻抗形式，电压信号超前于电流信号一定的相位，因此在电感两侧采集到的电压信号和电阻R1两侧的电压信号具有一定的相位差,且呈钝角关系；
当电路中产生旁路故障电弧的串扰时，在电感两侧采样到的电压信号和电阻R1两侧采样到的电压信号之间的相位差减小，小于本地故障电弧时电感和电阻两路电压信号之间的相位差，且呈锐角关系，利用相位差异可以区分本地故障电弧和旁路串扰。
2.根据权利要求1所述的故障电弧与电流检测的混合检测电路装置，其特征在于：
通过电容C滤除低频，构成高频小信号通路。
3.根据权利要求1所述的故障电弧与电流检测的混合检测电路装置，其特征在于：
所述检测电路装置中复用了断路器脱扣装置的电感线圈，相比于电流互感器的方案具有更高的工作频率范围，能够有效采集到电弧信号中的高频成分。
4.根据权利要求1所述的故障电弧与电流检测的混合检测电路装置中的高频信号采样通道，其特征在于：
步骤1：电感L和电阻R1、R2上的采样信号通过第一电容，滤除50HZ工频和直流信号以及500KHZ以下的低频信号；
步骤2：通过单端转差分电路将采样后的单端信号转换成PGA需要的差分输入信号，并且为信号提供一定的增益；
步骤3：单端转差分运放电路的输出信号经过隔直第二电容提供给PGA，PGA对差分输入信号进行放大，其增益由DSP根据采样信号的幅值平均值进行调整；
步骤4：采用巴特沃斯带通滤波器，将200MHZ以上的高频部分滤除，500k～200MHZ内的信号作为电弧分析的特征频段；
步骤5：通过AD采样电路完成模拟信号到数字信号的转换，在本设计中，采用了过采样的技术，AD采样速率为1GSPS；
步骤6：采样后的高频信号送给DSP进行电弧和串扰信号的特征提取和检测。
5.根据权利要求1所述的故障电弧与电流检测的混合检测电路装置中的低频信号采样通道，其特征在于该通道的信号处理如下：
使用电感L采样低频电流信号时，对于低频信号感抗很小，利用电感线圈自身的内阻来对低频电流信号进行取样；得到电感L两端的端压。
6.根据权利要求1所述的故障电弧与电流检测的混合检测电路装置中的低频信号采样通道，其特征在于该通道的信号处理如下：
复用电感L上的端压，将单端采样信号通过单端转差分电路变为全差分信号，并提供给PGA进行信号放大，将放大后的信号通过RC抗混叠滤波器进行滤波，把高于15KHZ的频率成分滤除，滤波后的信号由AD采样电路转换为数字信号，AD采样速率为50KSPS；
其中抗混叠滤波器采用RC低通滤波器实现。
7.根据权利要求1所述的故障电弧与电流检测的混合检测电路装置中的系统自检信号采样通道，其特征在于：
系统自检信号采样通道复用高频信号采样通道，由DSP输出PWM脉冲信号，注入到采样电路中R2和电感L连接的节点以及电阻R1和R2连接的节点，通过复用高频信号采样通道采集该PWM脉冲信号提供给DSP模块进行分析，当DSP检测到该脉冲信号后，说明该通道处于正常工作状态，否则DSP输出报警信号。
8.根据权利要求1所述的故障电弧与电流检测的混合检测电路装置，其特征在于，高频电流采样通道在进行旁路串扰故障电弧识别时具有下述特点：
当产生旁路故障电弧的串扰信号时，在电阻R1两端的电压幅值要高于电阻R2两端的电压幅值；当发生本地故障电弧时，电阻R1通道上的电压幅值小于R2通道上的电压幅值，利用该幅值差异可以区分本地故障电弧和旁路串扰。
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