CN1407345A - 在遭受循环干扰的dc电气系统中检测电弧和过电流的装置 - Google Patents

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Abstract

在遭受循环干扰的dc电气系统(1)中用一个电流传感器(13)检测电弧，并用一个对电弧噪声敏感的带通滤波器(17)对传感器电流滤波。在一个可复位的模拟积分器(27)中按照重复的间隔对带通滤波信号(19)的绝对值积分。用一个廉价的微处理器(25)按照低于通带的频率采样并将模拟积分器(17)复位，并产生采样的时间衰减积累，如果它达到预定的限制就产生一个电弧信号。为了改善抗干扰性，在一个高速比较器(37)中将检测的dc电流(15)与平均检测dc电流(35)相比较，仅仅积累微处理器(25)在检测的dc电流(15)超过平均检测dc电流(35)之后的预定时间周期期间提取的采样。微处理器(25)还用平均检测dc电流(35)提供过载保护。

Description

在遭受循环干扰的DC电气系统中检测电弧和过电流的装置
发明背景
发明领域
本发明涉及到在DC电气系统特别是遭受诸如AC波动或脉宽调制负载等循环干扰的DC电气系统中检测电弧的装置或方法。
背景信息
DC电气系统的保护通常会提供过载和某些过电流保护。过载保护通常是用热元件模仿分布导线的发热并在双金属达到预定温度时断开一个触点或者是用模仿这一发热过程的一种电子电路来提供的。过电流保护通常是由在电流超过一特定门限例如是接近短路时快速断开断路器的一种瞬时跳闸装置来提供的，并且通过磁跳闸装置或电子模拟来实现。熔断器是一种没有瞬变能力的一次性热跳闸装置。
除了过载和短路保护之外，研发中还注意到要保护dc电气系统避免电弧故障。电弧故障包含发热的高度密集区也就是“热点”，它会导致绝缘击穿，产生燃烧产物，并且射出热金属微粒。它也可能是导体断裂或不良连接造成的结果。
电弧故障可能是串联或并联的。串联电弧的例子可能是断裂导线的端部过于靠近造成电弧，或者是不良电气连接。在导体和接地等不同电位的导体之间会产生并联电弧。电弧故障与电源串联，并且串联电弧还与负载串联。电弧故障具有相当高的阻抗。因此，串联电弧会导致负载电流下降，并且用常规保护装置的普通过载和过电流保护检测不到。即使是并联电弧也总会在电路中引起超出正常额定电流的电流，偶然产生的电流足以产生小于达到热跳闸所需的RMS值的电流，至少会延迟动作。电弧电压和线路阻抗的影响往往能避免并联电弧达到足以启动瞬时跳闸功能的电流电平。
出于许多原因，汽车电路有可能转用于36或42伏的较高电压，它不相称地比现有的14伏电路更易于招致电弧，因为电弧电压主要是在12到30伏之间。即便是航空工业惯用的28伏电路也表现出会提供维持持续电弧的环境。单纯的最严重因素乃至在住宅电力系统中会因潮湿或灰尘而发生振动，有时会成为加重的因素。另外，电信领域采用的24伏(并有可能采用48伏)dc电气系统极易产生电弧。在这些电压上先前不能有电弧，即必须通过断开触点来“平息”。如果最初就用开路熄灭这些电弧，从理论上说就不会复发。但是，产生的碳化物或是动作中带来的其他污物，(寿命很短的)离子化气体和振动会影响到表面，有可能造成多次复发。特别是在自然环境中行驶的运动中的车辆会有这种情况。
可以利用dc电气系统中的电弧特别是并联电弧所产生的噪声来检测这一现象。但是在dc电气系统中还有其他噪声源。例如，装备有整流器的交流发电机产生的dc功率一般都具有波动成分。当今越来越普遍采用脉宽调制来控制dc电气系统的负载。脉宽调制在电流中产生的台阶会形成虚假的高频信号。另外，切断感性负载会在这些dc电气系统中引入二倍额定电压(和电流)值的低能正，负尖峰。此外，再生制动，电池充电，以及集中在汽车dc电气系统中的启动器/发电机还会产生双向电流。
因此就需要有一种改进的装置和方法来检测dc电气系统中的电弧。
所采取的方法还需要有一种装置，能响应dc电气系统中存在的其他噪声，从而免于麻烦的检测。
还需要这样的装置和方法具有经济的制造和维护成本。
发明概述
本发明能满足上述及其他需要，它涉及到一种在具有循环干扰的dc电气系统中检测电弧的装置，并包括一个传感器，它检测dc电气系统中的电流，并产生检测的dc电流信号，一个带通滤波器按照选择的对dc电气系统中电弧噪声敏感的通带对检测的dc电流信号滤波，产生一个滤波电流信号，以及用来处理滤波电流信号的一个处理装置。处理装置按重复的间隔对滤波电流信号积分，产生积分的滤波电流信号。然后产生积分滤波电流信号的时间衰减积累，并在时间衰减积累达到预定值时产生一个指示存在电弧的输出信号。为了能够利用采样速率比带通滤波器对电弧噪声敏感的通带要慢的一种廉价数字处理器实现本发明，处理装置包括一个可复位模拟积分器，用来对绝对值滤波电流信号积分。廉价数字处理器随后在各个重复周期中对积分值采样，并且用数字化结果来计算时间衰减积累。
为了进一步避免用这种装置麻烦地产生电弧信号，仅仅将预定时间周期内产生的积分值用来产生时间衰减积累，在以下的例子中采用的预定方式是在检测的dc电流信号超过检测的dc电流信号平均值达到一个选定的差额或倍数时的积分值。这样的处理装置可以包括一个比较器，将检测的dc电流信号与检测的dc电流信号平均值相比较，并且启动微处理器按可以延伸到多个积分循环的预定时间周期接受采样。
按照本发明的另一方面，微处理器也可以处理由一个低通滤波器产生的检测的dc电流信号平均值，用来提供过载保护。
按照本发明的又一方面，按预定方式从当前值中减去在当前值超过平均值之前选定数目的最近积分的滤波电流值的运行平均值，用于产生时间衰减积累，以便进一步降低该装置对脉宽调制等负载造成的循环干扰的灵敏度。
另外，本发明包含一种在具有循环干扰的dc电气系统中检测电弧的方法，它包括检测dc电气系统中的电流并产生一个检测的dc电流信号，按照选择的对dc电气系统中电弧噪声敏感的通带对检测的dc电流信号带通滤波，产生一个绝对值电流信号，按重复的周期反复对绝对值带通滤波信号积分，产生一个平均检测dc电流信号。并且处理积分信号，检测的dc电流信号和平均检测dc电流信号，以确定电弧的存在。
附图简介
以下结合附图对最佳实施例的描述有助于对本发明的充分理解，在附图中：
图1是按照本发明的装置的一个示意图。
图1A表示电流传感器在图1所示装置中的另一种布置方式。
图2是一个流程图，用来解释图1所示装置之一部分的微处理器所执行的程序。
图3表示对图2的流程图的局部修改。
最佳实施例的说明
参见图1，本发明被用来在dc电气系统中检测电弧和过电压，系统中包括由电源5供电的dc总线，电源例如是一个带整流器的交流发电机。电池7为dc总线3提供交流功率并且可由电源5充电。用dc总线为负载9供电。
dc电气系统1可以是汽车系统，航空系统，电信系统或易于产生电弧的24伏以上的其他dc电气系统。本发明涉及到在这种系统中检测并联电弧的装置和方法。也就是导体之间或不同电位的导体或导体与地之间的电弧。这种电弧会产生虚假的高频噪声。这种动作必须区别于dc电气系统中其他的噪声源，这其中大部分是循环噪声。例如，在汽车电气系统中，由交流发电机产生的整流电流会在dc电流中产生波动。另外，有些负载是用脉宽调制来控制的，会产生高频噪声。在系统中必须加以区别的其他干扰包括切断感性负载时产生的尖峰。
按照本发明的电弧检测装置11分析dc电气系统1中与电弧有关的高频噪声。用dc总线3提供的电源12为装置11供电，并且包括一个传感器13例如是Hall效应传感器或一个分流装置，用来产生检测的dc电流信号15。将传感器13与电池7相邻布置的好处是提高传感器对高频噪声的灵敏度，因为电池的ac阻抗比典型负载9和电源5要低。检测的dc电流信号15被提供给具有对电弧噪声敏感的通带的带通滤波器17。在例举的装置中，通带的中心频率大约是3KHz，而Q大约是5。带通滤波器17的输出通过一个绝对值电路19产生绝对值带通滤波器信号21。绝对值电路19使该装置能够响应ac耦合的带通滤波波形中的正，负台阶。
装置11还包括处理电路23，用于处理绝对值带通滤波器信号21而检测出电弧。处理电路23可以是全数字的。然而，本发明的目的之一是提供一种廉价的装置。作为一个具体实施例，处理电路23包括一个廉价的微型计算机25，例如是PIC微型计算机。这种微型计算机25不具备按避免混淆所需的足够高的频率将绝对值带通滤波器信号数字化的能力。因此，处理电路23包括一个可复位的模拟积分器27，在重复的采样间隔上对绝对值滤波电流信号21积分，产生一个积分的滤波电流信号29。在微型计算机25中用A/D转换器将这一模拟的积分滤波电流信号29数字化，按下文所述用电弧故障子程序进行分析，但是产生积分电流信号采样的时间衰减积累，并在时间衰减积累达到预定值时产生一个输出作为电弧故障信号。微型计算机25在提取各个采样之后提供一个复位信号31将模拟积分器27复位，该系统中的复位信号是10μsec。
为了进一步减少装置11的多余动作，噪声必须按预定方式超过dc电流的平均值。这样，低通滤波器33就能由检测的dc电流信号15产生一个平均检测dc电流信号35。然后在一个高速比较器37中将检测的dc电流信号15与其平均检测dc电流信号35相比较。高速的意思是说比较器必须具有至少二倍于带通滤波器17的高端频率响应的频率响应。在例举的装置中，这一频率是10KHz。脉冲延伸器39在延伸到微处理器25的一个或几个采样间隔的时间周期上维持高速比较器37的逻辑输出。在本发明的实施例中，微处理器25的采样速率是1KHz，而脉冲延伸器将高速比较器37的逻辑输出维持大约1-5毫秒。脉冲延伸器的这一输出是一个输入到微处理器25的启动信号41，启动微处理器的电弧故障子程序直接将启动信号持续时间段内产生的这些采样加到时间衰减积累上。
检测的dc电流信号15必须超过平均检测dc电流信号35一定的量才能使高速比较器37根据各种标准产生一个启动信号41。例如可以在检测的dc电流大于脉宽调制负载电流最坏情况下的总和时产生启动信号41，或是在检测的dc电流信号达到平均检测dc电流信号值的二到三倍时产生启动信号41。后者是考虑到这样的事实，即并联电弧会偶然并在瞬间大大超过低频负载电流。工作点被设置在能够减少对dc电气系统中其他噪声的多余响应的那一电平的门限上。
图1A表示对图1所示装置的一种修改，其中的传感器13是位于电池电缆7c中而不是在dc总线3上。尽管这种变更的装置不能检测由电源5提供给负载9的稳态dc电流，但因为电池的ac阻抗很低，仍然能够检测dc电气系统1中任何位置的电弧电流和诸如脉宽调制等循环干扰。其特别的优越性在于可以用微处理器运行的过载子程序为电池电缆提供过载保护，无论是在电池为负载供电时还是在电池充电和再生发电制动过程中。这种特征对安装在远距离位置例如是车尾行李箱内的电池特别有用。
图2表示微处理器25所执行的一例子程序43。采样时钟45建立1KHz时钟速率来控制对模拟积分器27上的积分滤波电流信号29的模数转换47。在提取各个采样之后，在49用产生的10μsec复位信号31使积分器复位。如上所述，仅仅在检测的dc电流按预定方式超过其平均检测dc信号之后的预定时间段期间提取的那些采样被微处理器用来确定有没有电弧。这样就能用微处理器构成一个定时器，由来自高速比较器37的启动信号41来启动。如图2所示，如果定时器在51没有启动，而启动信号43在53处变高，就在55将定时器的一击(shot)设置成K.t毫秒，K例如是1到5毫秒。如果定时器在51已启动，就在57将采样加到时间衰减积累(TAA)上。然后在59将时间衰减积累递减K.decarc。可以用各种函数来递减TAA，例如是按每一周期定量或是累加值的百分数。如果时间衰减积累在61尚未达到限值Karc，程序就在63返回等待下一个采样。然而，如果时间衰减积累在61已达到限值，就在65以2Hz脉冲的形式产生一表示电弧脉冲的输出信号。子程序43还按采样时钟45确定的速率在67周期性提取平均检测dc电流信号35的采样。然后在69按照由SAE J1284制定的过电流曲线为采样定标。然后在71将定标值加到过载累加器上。接着在73按K.decol递减过载累加器的时间，获得理想的过载响应曲线。如果累加过载值在75尚未达到过载限值Kol，子程序就在77等待下一个采样。如果在75已达到过载跳闸限值，就在75启动一个锁存器，在79产生一过载跳闸信号。
在本发明的上述实施例中，高速比较器37的输出启动微处理器25从可复位积分器27上收集3KHz信号。这样做的目的是仅仅在瞬时电流按预定方式超过平均电流时才收集信息。如果没有足够高的电流尖峰，这样就能防止脉宽调制信号对时间衰减积累起作用。
然而，如果存在这样的尖峰并且比较器启动了微处理器，脉宽调制信号就会对整个积分起作用。为了消除脉宽调制信号的影响，微处理器可以在一个选定时间内用程序持续跟踪3KHz频带(信号21)中的平均信号，例如是在最后5个采样周期中。平均信号可以是采样平均值或加权平均值。然后，在高速比较器37启动微处理器25时，可以从启动的3KHz信号中减去启动信号产生之前的最后一个采样所记录的平均3KHz信号，用结果来产生时间衰减积累。图3表示对图2中用来产生电弧信号的子程序部分采用这一特征的情况。如图所示，积分器在49被复位之后，在50产生最后5个采样的运行平均值。如果比较器在53变高并在55引发定时器的一击，就在56锁存先前产生的运行平均值来检测电弧，并且在56a从积分滤波电流信号的当前值中减去该值，在57将差值加到时间衰减积累上。
从中可以看出，按照本发明在dc电气系统中检测电弧的方法包括用传感器13检测dc电流，在带通滤波器17中对检测的dc电流信号带通滤波，并且用绝对值电路19提取滤波信号的绝对值，产生一个绝对值滤波电流信号，按照重复的时间周期对该信号积分，产生一个积分的带通滤波电流信号。该方法还包括产生一个平均检测dc电流信号，并且处理积分的带通滤波信号，检测的dc电流信号和平均检测dc电流信号以确定有没有电弧。具体地说，该方法包括对绝对值带通滤波电流信号模拟积分，并且用微处理器对积分信号周期性采样，然后用这种采样产生时间衰减积累，在达到时间衰减积累的选定限值时产生一个指示电弧的输出信号。
尽管上文已经详细描述了本发明的具体实施例，本领域的技术人员按照说明书中全面的提示完全能够对其细节作出各种各样的修改和变更。因此，本文所公开的具体结构仅仅具有解释的意义，而并非是对本发明范围的限制，本发明的范围由附带的权利要求书及其等效物来体现。

Claims (25)

1.在具有循环干扰的dc电气系统(1)中检测电弧的装置(11)，该装置包括：
一个传感器(13)，它检测dc电气系统中的电流，并产生检测的dc电流信号(15)；
一个带通滤波器(17)，按照选择的对dc电气系统中电弧噪声敏感的通带对检测的dc电流信号滤波，产生一个滤波电流信号(21)；以及
处理装置(23)，它按照重复的间隔对滤波电流信号积分，产生积分的滤波电流值，产生积分滤波电流值的时间衰减积累，并在时间衰减积累达到预定值时产生一个输出信号。
2.按照权利要求1的装置(11)，其特征是处理装置(23)包括一个可复位的模拟积分器(27)，它按照重复的间隔反复产生积分的滤波电流值，以及数字处理装置(25)，它处理积分的滤波电流值，产生时间衰减积累，并且在时间衰减积累达到预定值时产生输出信号。
3.按照权利要求2的装置(11)，其特征是处理装置(23)还包括由检测的dc电流信号产生一平均dc电流信号的装置(33)，并且数字处理装置包括过载装置(67-79)，它处理平均dc电流信号，并且在平均dc电流信号超过预定的时间/电流限制时产生输出信号。
4.按照权利要求2的装置(11)，其特征是处理装置(23)还包括启动装置(33，37)，启动数字处理装置(25)，按照预定方式仅仅在检测的dc电流超过平均dc电流之后按预定时间周期将积分的滤波电流值加到时间衰减积累上。
5.按照权利要求4的装置(11)，其特征是预定时间周期包括一个以上重复间隔。
6.按照权利要求4的装置(11)，其特征是启动装置(33，37)包括低通滤波器(33)，它产生平均检测dc电流信号(35)，和一个比较器(37)，将检测的dc电流信号(15)与平均检测dc电流信号相比较，并在检测的dc电流信号按预定方式超过平均检测dc电流信号时启动数字处理装置(25)。
7.按照权利要求6的装置(11)，其特征是数字处理装置(23)包括过载装置(67-79)，它处理平均检测dc电流信号(35)，并且在平均检测dc电流信号超过预定的时间/电流限制时产生输出信号。
8.按照权利要求7的装置(11)，其特征是适合用于这样一种dc电气系统(1)，它具有用电池电缆连接到负载(9)和电源(5)的一个电池(7)，用传感器(13)检测电池电缆中的电流。
9.按照权利要求2的装置，其特征是数字处理装置(25)包括产生选定数目的最近积分滤波电流值的运行平均值的装置(50)，以及用来产生当前积分滤波电流信号值与运行平均值之间的差的装置(56a)，装置(57)用这个差产生时间衰减积累。
10.按照权利要求1的装置(11)，其特征是适合用于这样一种dc电气系统(1)，它具有用电池电缆连接到负载(9)和电源(5)的一个电池(7)，用传感器(13)检测电池电缆中的电流。
11.在具有循环干扰的dc电气系统(1)中检测电弧的装置(11)，该装置包括：
一个传感器(13)，它检测dc系统中的电流，并产生检测的dc电流信号(15)；以及
处理装置(17，23，33，37)，它包括：
带通滤波器(17)，按照选择的对dc电气系统中电弧噪声敏感的通带对检测的dc电流信号滤波，产生一个绝对值滤波电流信号(21)；
可复位的模拟积分器(27)，按照重复的间隔对绝对值滤波电流信号积分，产生积分的滤波电流信号(29)；以及
数字处理器(25)，它在重复的间隔中提取可复位的模拟积分器产生的绝对值滤波电流信号的采样，在每次采样后将模拟积分器复位，产生采样的时间衰减积累，并在时间衰减积累达到预定电平时产生一个输出信号。
12.按照权利要求11的装置(11)，其特征是处理装置(17，23，33，37)进一步包括产生平均检测dc电流信号(35)的低通滤波器(33)，并且其中的数字处理器(25)具有过载装置(67-79)，它处理平均检测dc电流信号，并在平均检测dc信号超过预定的时间/电流限制时产生输出信号(OL)。
13.按照权利要求12的装置(11)，其特征是适合用于一种具有电池(7)的dc电气系统(1)，其中的传感器(13)在电池近旁耦合到dc电气系统。
14.按照权利要求13的装置(11)，其特征是适合用于这样一种dc电气系统(1)，其中的电池(7)用电池电缆连接到电源(5)和负载(9)，而传感器(13)在电池电缆处耦合到dc电气系统。
15.按照权利要求11的装置(11)，其特征是带通滤波器(17)具有预定的中心频率，而数字处理器(25)包括一个微型计算机，它按照低于带通滤波器中心频率的速率提取采样。
16.按照权利要求15的装置(11)，其特征是带通滤波器(17)的中心频率大约是3KHz。
17.按照权利要求16的装置(11)，其特征是微型计算机(25)按照大约1KHz的速率提取采样。
18.按照权利要求15的装置(11)，其特征是处理装置(17，23，33，37)包括低通滤波器(33)，它产生平均检测dc电流信号(35)，和一个比较器(37)，仅仅在检测的dc电流信号(15)按预定方式超过平均检测dc电流信号之后的预定时间周期期间才允许微处理器(25)提取绝对值滤波电流信号(29)的采样。
19.按照权利要求18的装置(11)，其特征是数字处理器(25)包括产生选定数目的最近采样的运行平均值的装置(50)，以及用来产生当前采样与刚好在检测的dc电流信号(15)按预定方式超过平均检测dc电流信号(35)之前产生的那一运行平均值之间的差的装置(56a)，数字处理器用这个差产生时间衰减积累。
20.按照权利要求18的装置(11)，其特征是比较器(37)的频率响应至少为带通滤波器(17)的通带频率的二倍。
21.按照权利要求20的装置(11)，其特征是带通滤波器(17)的中心频率大约是3KHz，而比较器(37)的频率响应至少为10KHz。
22.按照权利要求20的装置(11)，其特征是适合用于一种具有电池(7)的dc电气系统(1)，其中的传感器(13)在电池近旁耦合到dc电气系统。
23.一种在具有循环干扰的dc电气系统中检测电弧的方法，该方法包括：
检测dc电气系统中的电流并产生一个检测的dc电流信号(15)；
按照选择的对dc电气系统中电弧噪声敏感的通带对检测的dc电流信号带通滤波，产生一个绝对值滤波电流信号(19)；
由检测的dc电流信号产生一个平均检测dc电流信号(35)；
处理绝对值滤波电流信号，平均检测dc电流信号和检测的dc电流信号，以确定电弧的存在。
24.按照权利要求23的方法，其特征是处理步骤中包括将检测的dc电流信号(15)与平均检测dc电流信号(35)相比较，并对检测的dc电流信号按预定方式超过平均检测dc电流信号之后的预定时间周期期间提取的绝对值滤波电流信号的采样进行数字化处理，以确定电弧的存在。
25.按照权利要求24的方法，其特征是处理步骤中包括产生绝对值滤波电流信号的选定数目的最近几个采样的运行平均值，并且仅仅用绝对值滤波电流信号的当前采样值与检测的dc电流信号超过平均dc电流信号之前的采样所产生的运行平均值之间的差来确定电弧的存在。
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