CN117054832A - 拉弧检测装置及方法、直流系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拉弧检测装置及方法、直流系统。拉弧检测装置包括：电流采集转换模块、滤波模块、放大模块和控制模块。电流采集转换模块用于采集直流系统中的待测电流，并根据所述待测电流生成差分电压信号；滤波模块连接所述电流采集转换模块的输出端，用于过滤所述差分电压信号中的直流成分，得到交流电压并输出；放大模块连接所述滤波模块的输出端，用于将所述交流电压放大，得到拉弧电压并输出；控制模块连接所述放大模块的输出端，用于根据所述拉弧电压确定是否存在拉弧。本发明实施例可以使拉弧检测装置能够同时检测直流系统中的待测电流以及进行拉弧检测，简化直流系统中检测装置的整体结构。

Description

拉弧检测装置及方法、直流系统
技术领域
本发明涉及拉弧检测技术领域，尤其涉及一种拉弧检测装置及方法、直流系统。
背景技术
拉弧是指当电压超过空气的耐受力使空气电离变成导体而产生电弧的现象。拉弧所产生的高温可能会损坏系统中的设备，例如使设备部件融化或碎裂等，甚至可能引发火灾。近年来，直流系统的发展越来越迅速，对直流系统的安全要求也越来越高，而电弧故障是电气火灾的重要因素，因此在直流系统中必须安装电弧故障保护装置。
目前，在直流系统中，通常将系统电流信号检测和拉弧检测的部件分开设置，导致系统的检测装置结构复杂，体积较大。
发明内容
本发明提供了一种拉弧检测装置及方法、直流系统，使拉弧检测装置能够同时检测直流系统中的待测电流以及进行拉弧检测，简化直流系统中检测装置的整体结构。
第一方面，本发明实施例提供了一种拉弧检测装置，包括：
电流采集转换模块，用于采集直流系统中的待测电流，并根据所述待测电流生成差分电压信号；
滤波模块，连接所述电流采集转换模块的输出端，用于过滤所述差分电压信号中的直流成分，得到交流电压并输出；
放大模块，连接所述滤波模块的输出端，用于将所述交流电压放大，得到拉弧电压并输出；
控制模块，连接所述放大模块的输出端，用于根据所述拉弧电压确定是否存在拉弧。
可选地，所述电流采集转换模块包括：
磁感应单元，用于采集所述待测电流产生的磁场信号，并将所述磁场信号转换为电信号；
放大单元，所述放大单元的输入端连接所述磁感应单元的输出端，所述放大单元的输出端连接所述电流采集转换模块的输出端；所述放大单元用于将所述电信号转换为所述差分电压信号。
可选地，所述磁感应单元包括：磁感应元件；
所述放大单元包括：可编程增益放大器，所述可编程增益放大器的输入端连接所述磁感应元件的输出端，所述可编程增益放大器的输出端连接所述电流采集转换模块的输出端。
可选地，所述差分电压信号包括互为反相的第一差分信号和第二差分信号；所述电流采集转换模块的输出端包括：第一输出端和第二输出端；所述第一输出端用于输出所述第一差分信号，所述第二输出端用于输出第二差分信号；
所述滤波模块包括：
第一滤波单元，连接于所述第一输出端和所述放大模块的第一输入端之间，用于过滤所述第一差分信号中的直流成分，得到第一交流电压并输出；
第二滤波单元，连接于所述第二输出端和所述放大模块的第二输入端之间，用于过滤所述第二差分信号中的直流成分，得到第二交流电压并输出。
可选地，所述放大模块包括：
信号放大单元，所述信号放大单元的第一输入端连接所述第一滤波单元的输出端，所述信号放大单元的第二输入端连接所述第二滤波单元的输出端，所述信号放大单元的输出端连接所述放大模块的输出端；
偏置单元，所述偏置单元的第一端接入偏置电压，所述偏置单元的第二端连接所述信号放大单元的第二输入端。
可选地，所述第一滤波单元包括：第一电容；所述第二滤波单元包括：第二电容；所述信号放大单元包括：运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第三电容；所述偏置单元包括：第四电阻；
所述第一电容连接于所述第一输出端和所述第一电阻的第一端之间；所述第一电阻的第二端连接所述运算放大器的第一输入端；所述第二电阻和所述第三电容并联连接于所述运算放大器的第一输入端和输出端之间；所述第二电容连接于所述第二输出端和所述第三电阻的第一端之间；所述第三电阻的第二端连接所述运算放大器的第二输入端；所述第四电阻的第一端接入所述偏置电压，所述第四电阻的第二端连接所述运算放大器的第二输入端；所述运算放大器的输出端连接所述放大模块的输出端。
可选地，所述第一电阻的阻值以及所述第一电容的容值根据所述运算放大器的目标带宽的下限值选取；
和/或，
所述第二电阻的阻值以及所述第三电容的容值根据所述运算放大器的目标带宽的上限值选取。
可选地，所述控制模块还连接所述电流采集转换模块的输出端，所述控制模块还用于根据所述差分电压信号分析所述直流系统的运行状态。
第二方面，本发明实施例还提供了一种拉弧检测方法，由本发明任意实施例所提供的拉弧检测装置执行，所述拉弧检测方法包括：
所述电流采集转换模块采集直流系统中的待测电流，并根据所述待测电流生成差分电压信号；
所述滤波模块过滤所述差分电压信号中的直流成分，得到交流电压；
所述放大模块将所述交流电压放大，得到拉弧电压；
所述控制模块根据所述拉弧电压确定是否存在拉弧。
第三方面，本发明实施例还提供了一种直流系统，包括：本发明任意实施例所提供的拉弧检测装置。
本发明实施例提供的拉弧检测装置中，通过电流采集转换模块可采集待测电流并转换为差分电压信号，从而实现对待测电流的信息提取，即实现直流系统中原本流通的直流电流+交流电流的原电流检测。通过设置滤波模块和放大模块，可实现对差分电压信号中交流分量的提取和放大，得到拉弧电压，以便控制模块准确分析是否产生拉弧。因此，相比于现有技术，本发明实施例相当于将待测电流检测功能和拉弧检测功能进行集成设计，利用差分电压信号提取拉弧电压，可同时进行直流系统中待测电流的提取和拉弧检测，简化直流系统中检测装置的整体结构。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种拉弧检测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种拉弧检测装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种拉弧检测方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本发明实施例提供了一种拉弧检测装置，可同时检测直流系统中的待测电流以及进行拉弧检测。图1是本发明实施例提供的一种拉弧检测装置的结构示意图。参见图1，该拉弧检测装置包括：电流采集转换模块10、滤波模块20、放大模块30和控制模块40。
其中，电流采集转换模块10的输出端连接滤波模块20，滤波模块20的输出端连接放大模块30，放大模块30的输出端连接控制模块40。
电流采集转换模块10用于采集直流系统中的待测电流Ip，并根据待测电流Ip生成差分电压信号Vout1。示例性的，电流采集转换模块10可以待测电流Ip等比转换为电压信号，并进行全差分输出，得到差分电压信号Vout1。差分电压信号Vout1中可包含待测电流Ip中的全部信息，例如包括直流系统目标输出的直流分量和由于干扰等原因引入的非预期的交流分量。
滤波模块20用于过滤差分电压信号Vout1中的直流成分，得到交流电压Vac并输出。其中，差分电压信号Vout1中的交流分量是产生拉弧的原因，例如直流系统工作于高湿环境等恶劣工况下，或者系统中存在短路等故障时，可能导致出现一些频段的交流信号，使系统存在拉弧防线，威胁系统正常运行。但直流系统中通常直流分量比较大，交流分量近似于纹波或噪声信号，其幅值较小。现有技术中，在待测电流Ip的检测装置中，将根据待测电流Ip转换出的电压信号输出之后不做其他处理，直接传输给控制装置分析，这样无法针对交流分量作分析判断，无法利用该电压信号实现拉弧检测。相比于现有技术，本实施例通过设置滤波模块20，可以提取差分电压信号Vout1中的交流分量输出，有利于后续对交流分量进行提取，并进行信号判断。示例性的，滤波模块20可采用任意能够隔直流通交流的元件或芯片等实现。
放大模块30用于将交流电压Vac放大，得到拉弧电压Vout2并输出。其中，由上述分析可知，差分电压信号Vout1中的交流分量幅值较小，经放大模块30放大后，有利于控制模块40对拉弧电压Vout2进行分析判断。
控制模块40用于根据拉弧电压Vout2确定是否存在拉弧。示例性的，控制模块40可采用现有的任意拉弧检测策略，从时域和/或频域角度对拉弧电压Vout2进行分析，以判断是否存在拉弧，具体分析方法此处不再赘述。
本发明实施例提供的拉弧检测装置中，通过电流采集转换模块10可采集待测电流Ip并转换为差分电压信号Vout1，从而实现对待测电流Ip的信息提取，即实现直流系统中原本流通的直流电流+交流电流的原电流检测。通过设置滤波模块20和放大模块30，可实现对差分电压信号Vout1中交流分量的提取和放大，得到拉弧电压Vout2，以便控制模块40准确分析是否产生拉弧。因此，相比于现有技术，本发明实施例相当于将待测电流检测功能和拉弧检测功能进行集成设计，利用差分电压信号Vout1提取拉弧电压Vout2，可同时进行直流系统中待测电流Ip的提取和拉弧检测，简化直流系统中检测装置的整体结构。
继续参见图1，在上述各实施方式的基础上，可选地，控制模块40还连接电流采集转换模块10的输出端，控制模块40还用于根据差分电压信号Vout1分析直流系统的运行状态。其中，差分电压信号Vout1携带待测电流Ip的全部信息，不经过滤波之类的处理，直接传输至控制模块40，以便控制模块40分析并获取直流系统的运行状况。示例性的，待测电流Ip可以是直流系统中任意线路上传输的电流，例如直流系统的母线上的电流等。控制模块40可采用直流系统中配备的控制部件构成。
上述各实施方式中示例性地解释了拉弧检测装置中各功能模块的作用，下面结合图2，就各功能模块可能具有的具体结构进行示例性说明。图2中主要示出了电流采集转换模块10、滤波模块20和放大模块30构成的信号采集和处理部件，省略了控制模块这一信号分析部件。
参见图2，在一种实施方式中，可选地，电流采集转换模块10包括：磁感应单元11和放大单元12。磁感应单元11用于采集待测电流Ip产生的磁场信号，并将磁场信号转换为电信号。其中，磁感应单元11可根据其具体包含的元件的作用方式，以适应的方式与流通待测电流Ip的导线对位，以获取待测电流Ip在导线周围生成的磁场，磁感应单元11输出的电信号例如为电压信号。放大单元12的输入端连接磁感应单元11的输出端，放大单元12的输出端连接电流采集转换模块10的输出端；放大单元12用于将磁感应单元11输出的电信号转换为差分电压信号Vout1。其中，差分电压信号Vout1可包括互为反相的第一差分信号Vout1P和第二差分信号Vout1N；电流采集转换模块10的输出端包括：第一输出端，用于输出第一差分信号Vout1P；以及第二输出端，用于输出第二差分信号Vout1N。
具体地，磁感应单元11可包括：磁感应元件B；放大单元12可包括：可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier，PGA)S，可编程增益放大器S的输入端连接磁感应元件B的输出端，可编程增益放大器S的输出端连接电流采集转换模块10的输出端。那么，第一差分信号Vout1P可表示为：Vout1P＝Ip*B1*S1；第二差分信号Vout1N可表示为：Vout1N＝-Ip*B1*S1；其中，B1可理解为磁感应元件B感应出的磁场，S1可理解为可编程增益放大器S的放大倍数。
本实施例中，直接采用磁感应元件B读取待测电流Ip产生的磁场，可实现芯片化的检测方案，既不需要现有技术中采用磁环+互感器测量交流，也不需要现有技术中设置磁芯测量直流的方案，本实施例提供的检测装置结构简单，体积更小。示例性地，磁感应元件B中可包括传感器芯片(例如霍尔传感器或磁阻传感器等)及其必备的外围电路(例如抗干扰组件等)。可编程增益放大器S可选用现有任意结构的低噪声的可调增益的高精度放大器，以实现对磁感应元件B输出信号更精确的放大和输出，以使控制模块40准确提取与待测电流Ip相关的信息。
继续参见图2，在上述各实施方式的基础上，可选地，滤波模块20包括：第一滤波单元21和第二滤波单元22。第一滤波单元21连接于电流采集转换模块10的第一输出端和放大模块30的第一输入端之间，用于过滤第一差分信号Vout1P中的直流成分，得到第一交流电压Vac1并输出。第二滤波单元22连接于电流采集转换模块10的第二输出端和放大模块30的第二输入端之间，用于过滤第二差分信号Vout1N中的直流成分，得到第二交流电压Vac2并输出。第一交流电压Vac1和第二交流电压Vac2共同构成滤波模块20输出的交流电压Vac。其中，第一滤波单元21和第二滤波单元22可采用相同的结构构成。例如，第一滤波单元21包括：第一电容C1；第二滤波单元22包括：第二电容C2。第一电容C1和第二电容C2均可以是高通滤波电容，进行隔直处理后将差分电压信号中的交流分量提取并输出至放大模块30进行处理。二者的具体选型可根据实际需求进行选取，此处不做限定。
继续参见图2，在上述各实施方式的基础上，可选地，放大模块30包括：信号放大单元31和偏置单元32。信号放大单元31的第一输入端连接第一滤波单元21的输出端，信号放大单元31的第二输入端连接第二滤波单元22的输出端，信号放大单元31的输出端连接放大模块30的输出端。信号放大单元31用于对滤波模块20输出的信号进行放大处理。偏置单元32的第一端接入偏置电压Vref，偏置单元32的第二端连接信号放大单元31的第二输入端。偏置单元32用于向信号放大单元31提供偏置信号，以使信号放大单元31输出的信号满足控制模块40所需的信号类型。示例性地，偏置电压Vref可以是正的直流电压，偏置电压Vref的值可根据交流电压Vac的幅值以及信号放大单元31的倍数设置，以使工作于共模情况下的控制模块40可对拉弧电压Vout2进行可靠分析。
具体地，信号放大单元31包括：运算放大器OP、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第三电容C3；偏置单元32包括：第四电阻R4。第一电容C1连接于电流采集转换模块10的第一输出端和第一电阻R1的第一端之间；第一电阻R1的第二端连接运算放大器OP的第一输入端(例如为反相端)；第二电阻R2和第三电容C3并联连接于运算放大器OP的第一输入端和输出端之间；第二电容C2连接于电流采集转换模块10的第二输出端和第三电阻R3的第一端之间；第三电阻R3的第二端连接运算放大器OP的第二输入端(例如为正相端)；第四电阻R4的第一端接入偏置电压Vref，第四电阻R4的第二端连接运算放大器OP的第二输入端；运算放大器OP的输出端连接放大模块30的输出端，用于输出拉弧电压Vout2。
其中，上述各电容和电阻的选型均可根据实际需求进行选取，此处不做限定。示例性地，第一电容C1和第二电容C2的容值可以相同，第一电阻R1和第三电阻R3的阻值可以相同。拉弧电压Vout2可表示为：Vout2＝R2/R1*(Vac1-Vac2)+Vref。
在上述各实施方式的基础上，可选地，运算放大器OP的带宽可调，具体可根据实际工况确定运算放大器OP的带宽。实际应用中，可以通过调节第一电阻R1的阻值以及第一电容C1的容值来调节运算放大器OP的低频起始点；或者说，当运算放大器OP的目标带宽确定时，可根据该目标带宽的下限值确定第一电阻R1的阻值以及第一电容C1的容值配比。和/或，可以通过调节第二电阻R2的阻值以及第三电容C3的容值来调节运算放大器OP的高频截止点；或者说，当运算放大器OP的目标带宽确定时，可根据该目标带宽的上限值确定第二电阻R2的阻值以及第三电容C3的容值配比。示例性地，运算放大器OP的目标带宽可设置为：5kHz-100kHz。
综上所述，本发明实施例所提供的拉弧检测装置，无需设置磁芯和互感器等测量器件，可实现芯片化的解决方案，且可同时满足待测电流Ip的采集以及实现拉弧检测。
本发明实施例还提供了一种拉弧检测方法，由本发明任意实施例所提供的拉弧检测装置执行，具备相应的有益效果。图3是本发明实施例提供的一种拉弧检测方法的流程示意图。参见图3，该拉弧检测方法包括：
S110、电流采集转换模块采集直流系统中的待测电流，并根据待测电流生成差分电压信号。
S120、滤波模块过滤差分电压信号中的直流成分，得到交流电压。
S130、放大模块将交流电压放大，得到拉弧电压。
S140、控制模块根据拉弧电压确定是否存在拉弧。
本发明实施例提供的拉弧检测方法，通过电流采集转换模块采集待测电流并转换为差分电压信号，从而实现对待测电流的信息提取，即实现直流系统中原本流通的直流电流+交流电流的原电流检测。通过滤波模块20和放大模块实现对差分电压信号中交流分量的提取和放大，得到拉弧电压，以便控制模块准确分析是否产生拉弧。因此，相比于现有技术，本发明实施例相当于将待测电流检测功能和拉弧检测功能集成设计，利用差分电压信号提取拉弧电压，可同时进行直流系统中待测电流的提取和拉弧检测。
需要说明的是，在拉弧检测装置的各实施例中，针对各功能模块的具体结构和信号处理过程进行了具体说明，这些过程均可以认为是本发明实施例提供的拉弧检测方法中的具体过程，重复内容此处不再赘述。
本发明实施例还提供了一种直流系统，包括本发明任意实施例所提供的拉弧检测装置，具备相应的有益效果。示例性的，直流系统可以是直流供电系统或直流发电系统等。其中，可以直接采用直流系统中配备的控制部件作为拉弧检测装置的控制模块，无需为拉弧检测装置单独配备控制模块，从而简化系统结构。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种拉弧检测装置，其特征在于，包括：
电流采集转换模块，用于采集直流系统中的待测电流，并根据所述待测电流生成差分电压信号；
滤波模块，连接所述电流采集转换模块的输出端，用于过滤所述差分电压信号中的直流成分，得到交流电压并输出；
放大模块，连接所述滤波模块的输出端，用于将所述交流电压放大，得到拉弧电压并输出；
控制模块，连接所述放大模块的输出端，用于根据所述拉弧电压确定是否存在拉弧。
2.根据权利要求1所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述电流采集转换模块包括：
磁感应单元，用于采集所述待测电流产生的磁场信号，并将所述磁场信号转换为电信号；
放大单元，所述放大单元的输入端连接所述磁感应单元的输出端，所述放大单元的输出端连接所述电流采集转换模块的输出端；所述放大单元用于将所述电信号转换为所述差分电压信号。
3.根据权利要求2所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述磁感应单元包括：磁感应元件；
所述放大单元包括：可编程增益放大器，所述可编程增益放大器的输入端连接所述磁感应元件的输出端，所述可编程增益放大器的输出端连接所述电流采集转换模块的输出端。
4.根据权利要求1-3任一项所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述差分电压信号包括互为反相的第一差分信号和第二差分信号；所述电流采集转换模块的输出端包括：第一输出端和第二输出端；所述第一输出端用于输出所述第一差分信号，所述第二输出端用于输出第二差分信号；
所述滤波模块包括：
第一滤波单元，连接于所述第一输出端和所述放大模块的第一输入端之间，用于过滤所述第一差分信号中的直流成分，得到第一交流电压并输出；
第二滤波单元，连接于所述第二输出端和所述放大模块的第二输入端之间，用于过滤所述第二差分信号中的直流成分，得到第二交流电压并输出。
5.根据权利要求4所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述放大模块包括：
信号放大单元，所述信号放大单元的第一输入端连接所述第一滤波单元的输出端，所述信号放大单元的第二输入端连接所述第二滤波单元的输出端，所述信号放大单元的输出端连接所述放大模块的输出端；
偏置单元，所述偏置单元的第一端接入偏置电压，所述偏置单元的第二端连接所述信号放大单元的第二输入端。
6.根据权利要求5所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述第一滤波单元包括：第一电容；所述第二滤波单元包括：第二电容；所述信号放大单元包括：运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第三电容；所述偏置单元包括：第四电阻；
所述第一电容连接于所述第一输出端和所述第一电阻的第一端之间；所述第一电阻的第二端连接所述运算放大器的第一输入端；所述第二电阻和所述第三电容并联连接于所述运算放大器的第一输入端和输出端之间；所述第二电容连接于所述第二输出端和所述第三电阻的第一端之间；所述第三电阻的第二端连接所述运算放大器的第二输入端；所述第四电阻的第一端接入所述偏置电压，所述第四电阻的第二端连接所述运算放大器的第二输入端；所述运算放大器的输出端连接所述放大模块的输出端。
7.根据权利要求6所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述第一电阻的阻值以及所述第一电容的容值根据所述运算放大器的目标带宽的下限值选取；
和/或，
所述第二电阻的阻值以及所述第三电容的容值根据所述运算放大器的目标带宽的上限值选取。
8.根据权利要求5所述的拉弧检测装置，其特征在于，所述控制模块还连接所述电流采集转换模块的输出端，所述控制模块还用于根据所述差分电压信号分析所述直流系统的运行状态。
9.一种拉弧检测方法，其特征在于，由权利要求1-8中任一项所述的拉弧检测装置执行，所述拉弧检测方法包括：
所述电流采集转换模块采集直流系统中的待测电流，并根据所述待测电流生成差分电压信号；
所述滤波模块过滤所述差分电压信号中的直流成分，得到交流电压；
所述放大模块将所述交流电压放大，得到拉弧电压；
所述控制模块根据所述拉弧电压确定是否存在拉弧。
10.一种直流系统，其特征在于，包括：权利要求1-8中任一项所述的拉弧检测装置。
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