TW201740125A - 用於電壓偵測器之隔離和驗證技術 - Google Patents

用於電壓偵測器之隔離和驗證技術

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Abstract

檢測和監視電源品質或安全應用的電壓需要主電壓和電壓檢測電路之間的隔離。需要此隔離有兩個目的：a)保護檢測電路(由獨立於主線路電壓的源供電，電壓小於50V，並且被認為是非危險的)，以及b)防止主線路電壓(通常大於50V)的任何可能性到達人員。存在可用於此的各種隔離方法，包括光學、熱、磁場和電場技術。這個記錄草圖描述了這些各種技術，並且還描述了驗證從每種隔離技術產生的後續結果的方法，以確保結果和任何後續指示是準確的。

Description

用於電壓偵測器之隔離和驗證技術
本發明係有關於用於電壓檢測器之隔離和驗證技術。
操作在50V或以上之電路通常被認為是危險的。在50V或以上對電絕緣/設備進行工作之前，需要電氣資格的工人來驗證設備是否處於電氣安全狀態。建立電氣安全工作條件的過程包括藉由隔離所有能量源、施加閉鎖裝置並驗證電壓的不存在來使設備斷電。除非另有說明，否則必須假定設備已通電，並採取所有必要的預防措施，包括使用適當的個人防護設備(PPE)。
電氣安全工作條件的驗證的一部分包括用於電壓的不存在或「live-dead-live test」的測試。這個測試由電氣合格的人員使用充分額定的電壓測試儀器(通常為便攜式電壓表或萬用電表)執行。合格的工人首先在已知的通電源上測試便攜式測試儀器，以確保其正常工作。然後工人藉由計量相間(phase-to-phase)和相對地(phase- to-ground)來驗證電氣設備中不存在電壓。最後，工人在已知的通電源上重新測試便攜式測試儀器，以確保其在相間和相對地測試期間仍然正常工作並且沒有損壞。雖然電壓驗證是NFPA 70E要求，並且被認為是最佳實踐，測試本身仍然存在危險，因為在測試的「有效」驗證部分期間使用電壓測試器時，工人暴露於通電的電路和導體。
一種新的方法是用安裝的裝置替換便攜式測試儀器，該裝置能夠以可靠和故障安全的方式從面板外部檢測、驗證和正確地指示電壓的不存在，而不使工人受到電氣危害。
這種安裝的電壓測試系統的一個關鍵要求包括將被監視系統上的主電壓與被耦合到主電源的安裝設備的電路隔離以便檢測主電壓的存在或不存在的方式。這種隔離技術很重要，有兩個原因：a)保護電壓檢測、測試和驗證系統的電路，以及b)防止主電壓(通常大於50V)在通電時暴露給人員並帶來危險的可能性。主電壓可以是單相或多相AC或DC，而此種安裝的測試系統的電路必須單獨導出並且獨立於主電源並且在非危險(小於50V)位準下操作(參見圖1)。檢測電路可以將在主線路上檢測到的電壓與預定臨限值進行比較，或者可以測量主線路上的任何電位的幅度。用以隔離主電壓之多個技術在本發明中敘述。
在處理安全應用時，關鍵是要對任何結果或測量進行驗證，以確保其準確性並以故障安全的方式輸 送。有多種方法可以驗證結果。驗證訊號不存在的一種方法是執行檢查以驗證檢測電路將識別已知電壓(有時稱為「測試測試器」，並且類似於便攜式電壓表測試之「有效」部分)。另一個步驟是驗證該單元係實際地測量訊號，並且沒有註冊無電壓條件，因為裝置在不知不覺中已斷開連接(連接測試)。這些驗證方法在本文中描述。
圖1顯示如何在包括單相和三相AC系統的各種系統中使用隔離和檢測技術的系統概述。
圖2顯示可以如何使用各種隔離技術來保護檢測電路免受電力線的高電壓的影響。
圖3顯示熱隔離技術。
圖4顯示電阻隔離技術。
圖5顯示光學隔離技術。
圖6顯示磁性隔離技術。
圖7顯示霍爾效應隔離技術。
圖8顯示頻率調變技術。
圖9顯示相移技術。
圖10顯示脈寬調變技術。
圖11顯示脈寬調變工作循環。
圖12為顯示如何使用冗餘來驗證結果的流程圖。
圖13為顯示如何使用測試方法來驗證結果的 流程圖。
圖14為用以驗證結果的混合方法或方法的組合的流程圖。
【發明內容及實施方式】 隔離技術
對於諸如電力品質或安全應用的應用，檢測和監測單相或多相電力線上的電壓需要在被測試電力線和電壓測量(或檢測)電路之間的非常可靠和穩健的隔離技術。需要這種隔離以便保護電壓檢測電路以及防止線電壓(從安全角度)到達人員的任何可能性。存在可用於此的各種隔離方法，包括光學、熱、磁場和電場技術(如圖2所示)。這些隔離方法可以用於測量(或檢測臨限值位準)電力線上的電壓位準，以及可以用作檢測或測量電路的自測試，以提高系統的可靠性。藉由向電力線施加已知的向外的限制電壓訊號來實現自測試；如果電路能夠檢測到這個訊號，則其確認檢測電路是正常工作的並且如預期地操作。注意，隨後將描述的技術可以應用於單相和多相AC電力系統以及DC系統。這些用於檢測和自測試的技術可以均質地(所有一種類型)應用或異質地(檢測和自測試之間的混合類型)應用。
熱隔離
熱隔離技術利用在被監測的線電壓上的電阻 器(或電壓到熱轉換器裝置，諸如紅外線檢測器)和檢測電路內的溫度敏感電阻器(或熱感測器)。這兩者經由導熱基板耦接。因此，當線路電壓具有高於特定臨限值之電壓，電阻器將加熱並且該熱將轉移到熱感測器並且向系統指示存在不安全的線路電壓。如果線路電壓小於特定臨限值，電阻器的熱將不足以指示不安全的線路電壓(圖3)。
電阻隔離技術
在現有技術中用以提供主線路電壓至檢測電路隔離之電阻器隔離技術使用具有串聯電阻器的歐姆定律來執行分壓器。圖4顯示兩電阻器串聯，但是也可以使用一系列幾個電阻器。多個電阻器通常用來減少單個電阻器中的物理尺寸和功率耗損。分壓器比必須使得對於最大線路電壓、最大輸出或感測電壓處於非危險或安全的操作範圍中，並且在適於進行精確的電壓測量的預定操作範圍內。從輸入到輸出的關係是線性的，如現有技術的電壓圖(圖4)所示。該範例顯示當線路電壓範圍非常大並且最大值遠高於測量電壓以支持測量精度時，測量所需的動態範圍。大的動態範圍和測量精確性要求由微處理器使用的ADC(類比數位轉換器)在每個操作範圍內具有更多的位元。
用於電阻器隔離的新技術在串聯電阻器分壓器鏈中使用PTC(正溫度係數)電阻器。PTC電阻器的特 性使得其操作好像具有兩個電阻器值，為了簡單起見，圖4藉由圖中的紅線示出了低R和高R。當線路電壓低時，PTC電阻器作為小值電阻器，隨著線路電壓增加以及裝置中的功率增加，其通過臨限值區域，並且裝置的電阻也增加，從而限制輸出功率。在電阻器鏈中實現的PTC之所得輸出電壓在圖4(A)中由藍線示出。由圖4(B)中的藍線表示的新技術操作如下：當線路或V in 電壓從零伏增加，沿著V in 軸從左向右移動時，與現有技術範例中一樣存在與V out 電壓的線性關係，PTC電阻器處於低R值操作範圍。然後，在這範例中，當V in 電壓達到約100V時，PTC電阻器轉變到由V out 值的下降所示的高R操作範圍，並且V out 值更逐漸地上升到其最大。新技術的電壓測量技術的好處是V out 值的動態範圍比現有技術中的低得多。如果電壓藉由ADC轉換為數位值，可以使用較低精度的ADC。當僅需要知道輸出電壓(表示線路電壓)何時高於某一臨限值時，新技術是有益的。
光學隔離(透過LED和PTC電阻器的使用)技術
另一用以從電壓檢測電路隔離線路電壓的技術係採用光學隔離。在這技術中，線路電壓(在電力線上被監視)產生光學輸出訊號(例如經由LED)，其傳輸至在檢測電路中的接收器電路內。圖5敘述用以實施這個光學隔離技術的幾種方式。圖5a利用電阻器以偵測線路電壓。當線路電壓增加，通過R1之電流增加，其將導致更 高基極電流進入電晶體內。電晶體之增益將放大該增加的基極電流並且增加集極電流，其為通過諸如LED之光學裝置的電流。增加通過LED之電流將增加光輸出功率。這個光輸出功率的增加將導致增加接收器中的檢測電流，並且因此指示電力線路電壓的增加。在電晶體的基極-射極和由R1和PTC電阻形成的串聯電阻之間設置有一個分壓器。最小可檢測電壓(由於電晶體典型最小基極-發射極電壓約為0.7伏特)為：電力線上最小可檢測電壓=0.7*[PTC-R||R 3 +R 1 +R 2 ]/R 2
使用如圖5b所示的範例值導致7V的最小可檢測電壓。還要注意，如果電力線路電壓增加到500V rms，不使用PTC電阻器消耗的功率將是：在R3上=274W、在R2上=2W以及在R1上=18W。PTC電阻器有助於大大降低R3電阻器所需的功率。
圖5c在電晶體前面使用OpAmp，使得可以檢測到較小的電力線路電壓。OpAmp電路將能夠檢測到低於1V的電力線路電壓，並且使用PTC電阻器可以最小化R3中需要耗散的功率量。因此，這是較佳的組態。
磁性隔離
另一用以從電壓檢測電路隔離線路電壓的技術係採用磁場隔離。在這技術中，線路電壓產生磁性訊號，其將耦接至在電壓檢測電路中的磁性接收器。圖6和7顯示用以實施這個磁性隔離技術的各種方式。
採用PTC和電阻器之磁性隔離技術
磁性隔離技術在變壓器的次要側上在主線路電壓側和檢測電路側電路之間提供隔離。在現有技術之電路中，使用與變壓器串聯的電阻器，其中高壓繞組與低壓繞組隔離。R1串聯電阻器(圖6中所示)限制在電壓器主繞組中的電流。通過變壓器主繞組之電流以及變壓器之匝數比(turn’s ratio)決定了變壓器次要側的輸出電壓範圍。電壓轉移函數(由輸入線路電壓到變壓器次要側上的輸出電壓限定)必須使得對於最大線路電壓、最大輸出或感測電壓處於非危險或安全的操作範圍中，並且在適於進行精確的電壓測量的預定操作範圍內。通過變壓器之輸入電流(Itrsf)與輸出電壓之間的關係為線性的，如現有技術的電壓圖(圖6)所示。該範例顯示當線路電壓範圍非常大並且最大值遠高於測量電壓以支持測量精度時，測量所需的動態範圍。大的動態範圍和測量精確性要求由微處理器使用的ADC(類比數位轉換器)在每個操作範圍內具有更多的位元。
用於磁性隔離的新技術使用與電阻器R1串聯的PTC(正溫度係數)電阻器，並且與變壓器的線路電壓側串聯(參見圖6)。PTC電阻器的特性使得其操作好像具有兩個電阻器值，為了簡單起見，該圖藉由圖中的紅線示出了低R和高R(圖6)。當線路電壓低時，PTC電阻器作為小值電阻器，隨著線路電壓增加以及裝置中的功率 增加，其通過臨限值區域，使得裝置的電阻增加，從而限制輸出功率。與主線路電壓變壓器繞組串聯實現的PTC的所得輸出電流在圖(圖6)中由藍線示出。
用圖(圖6)中的藍線描述的新技術操作如下：當線路電壓從零增加時，沿著V in 軸從左向右移動，存在與變壓器電流的線性關係，正如在現有技術範例中，PTC電阻器處於低R值操作範圍。然後，在這範例中，當V in 電壓達到約100V時，PTC電阻器轉變到由I trsf 值的下降所示的高R操作範圍，並且I trsf 值更逐漸地上升到其最大。新技術的電壓測量技術的好處是I trsf 值的動態範圍比現有技術中的低得多。如果變壓器次要側上的電壓值由微處理器中的ADC(類比數位轉換器)轉換為數位值，則可以使用不太精確的ADC。當僅需要知道輸出電壓(表示線路電壓)何時高於某一臨限值時，新技術是有益的。
霍爾效應技術 磁性隔離(透過霍爾效應裝置和PTC電阻器的使用)技術
磁性隔離技術(其利用霍爾效應裝置和PTC電阻器)提供圖7中所示之線電壓和電壓檢測電路之間的隔離。如圖所示，在現有技術中(圖7a)，電阻器被用來與提供與低電壓檢測電路隔離之霍爾效應裝置串聯。R1串聯電阻器(圖7中所示)限制在裝置規格內的電流。電流產生霍爾效應裝置轉換為輸出電壓的磁場。輸出電壓必 須使得對於最大線路電壓、最大輸出或感測電壓處於非危險或安全的操作範圍中，並且在適於進行精確的電壓測量的預定操作範圍內。通過霍爾效應裝置的輸入電流到輸出電壓的關係是線性的，如現有技術的電壓圖(圖7a)所示。該範例顯示當線路電壓範圍非常大並且最大值遠高於測量電壓以支持測量精度時，測量所需的動態範圍。大的動態範圍和測量精確性要求由微處理器使用的ADC(類比數位轉換器)在每個操作範圍內具有更多的位元。
用於磁性隔離的新技術使用與電阻器R2並聯的PTC(正溫度係數)電阻器，其與電阻器R1和霍爾效應裝置串聯，所有電阻器直接跨過線路電壓(參見圖7b)。PTC電阻器的特性使得其操作好像具有兩個電阻器值，為了簡單起見，該圖藉由圖中的紅線示出了低R和高R(圖7b)。當線路電壓低時，PTC電阻器作為小值電阻器，隨著線路電壓增加以及裝置中的功率增加，其通過臨限值區域，並且裝置的電阻也增加，從而限制輸出功率。被實施跨過線路電壓之通過PTC的所得輸出電流在圖(圖7b)中由藍線示出。
用圖(圖7b)中的藍線描述的新技術操作如下：當線路電壓從零增加時，沿著V in 軸從左向右移動，存在與霍爾效應裝置電流的線性關係以及PTC電阻器處於低R值操作範圍。然後，在這範例中，當V in 電壓達到約100V時，PTC電阻器轉變到由I Hall 值的下降所示的高R操作範圍，並且I Hall 值更逐漸地上升到其最大。新 技術的電壓測量技術的好處是I Hall 值的動態範圍比現有技術中的低得多。如果來自霍爾效應裝置之電壓值由在微處理器中的ADC轉換為數位值，則可以使用不太精確的ADC。當僅必須知道輸出電壓(表示線路電壓)何時高於某一臨限值時，新技術是有益的。
電氣隔離
另一用以從電壓檢測電路隔離線路電壓的技術係採用電氣隔離。在這技術中，主線路電壓產生電場訊號，其可耦接至在電壓檢測電路中的電場接收器。圖8至11顯示使用電場隔離技術實施的各種方式。
頻率調變(FM)技術
這個方法可以藉由使用變容器二極體(本質上是反向偏壓二極體)來實現，該變容二極體的電容隨施加的電壓變化。圖8敘述利用變容器二極體之直接頻率調變器。
這個電路藉由改變跨過變容器二極體的電容(由輸入電壓控制)來偏離晶體振盪器控制的頻率。跨過變容器二極體之電壓遵循輸入AC或DC線電壓，但受到齊納保護二極體的限制。電阻器的功能是將功率限制到並且保護檢測電路。跨過變容器二極體之電壓影響振盪之頻率。當輸入電壓增加，反向偏壓增加，導致二極體電容的減少並且因此增加振盪頻率。變容器二極體被置放在背靠 背模式中，使得無論輸入電壓是正還是負，電路行為都是對稱的。使用晶體振盪器意味著輸出波形非常穩定，但是這只有在頻率偏差保持非常小的情況下才是如此。
相移檢測技術
相移技術為一種其中RF(射頻)訊號之相位可以改變相位以傳送電壓位準至被露出的電路。有幾種方法可以用於完成這種方法來檢測電壓的存在。圖9示出用於利用這個調變方法以檢測線路電壓之範例。輸出電壓「領先」或「落後」輸入電壓一些小於90度之角度的電阻器-電容器網路。改變變容器之電容值導致RF訊號之相位變化之改變。差動放大器(differential amplifiers)輸出電壓將反映相對於參考相位訊號的相位變化量。
使用放電時間(discharge time)常數之脈寬調變(Pulse width modulation；PWM)技術
圖10示出具有放電時間常數之PWM技術。RC時間常數T為RC電路之時間常數並且等於電路電阻和電路電容的乘積：T=R * C
這是將電阻器兩端的電容器充電到驅動器電壓值的63.2%所需的時間。充電電容器之電壓對比時間由下式給出：V(t)=V0(1-e-t/T) (V 0 為電容器上的初始電壓)
如圖10所示，藉由使用固定電阻器和固定電壓臨限值，可以感測到變容器二極體的電容值。變容器二極體的電容值為施加的電壓(DC或諸如60/50Hz之低頻率訊號)之函數。使用比較器電路，藉由將修改的訊號與初始輸入訊號進行比較，可以將上升時間的變化轉換為PWM(脈衝寬度調變)訊號以及並且差距可以轉換回類比訊號，其將指示在變容器上施加的低頻率電壓。圖11示出了變容器的電容之效應，其為所施加的電壓之函數(V(t)對於C varactor-2 以及V(t)對於C varactor-1 )，其改變如圖所示的PWM訊號工作循環上的充電時間。
驗證方法
當本文中描述的隔離和檢測技術或其它類似的測量技術被應用於安全應用時，諸如為了驗證電壓之不存在的目的，驗證結果的準確性變得至關重要，使得可以以故障安全方式提供任何後續指示。這個驗證步驟可以使用各種方法來實現，包括使用冗餘電路、測試方法或這些方法的一些組合。
經由冗餘之驗證
一種用以增加用於判定安全狀態之檢測電路的輸出之置信度的方式是在執行這些關鍵功能的檢測電路中採用冗餘(圖12)。在這方法中，需要至少兩組電路，並且增加所得到的輸出的置信度，因為獨立電路以相 同方式同時故障的可能性相對較小。
為了使用該方法驗證結果，每組檢測電路獨立地工作，然後比較結果。如果每組電路產生相同的結果，則結果很可能是有效的。如果結果之間存在差異，則無法判定結果，並且可以報告監視輸入係處於未知狀態。類似地，如果一或多個冗餘電路產生結果失敗，則任何報告的結果將被認為無效，並且將被報告為未知或故障安全狀態。
這個方法可以與兩或多個獨立的檢測電路組一起使用，並且與本文中描述的任何檢測技術一起工作。附加的冗餘電路可以與原始檢測電路或其他技術的組合相同。例如，這格方法可藉由使用兩個FM調製電路；一個FM調製電路和一個AM調製電路；一個FM調製電路和一個霍爾效應感測器；三個FM調製電路等示範。
經由測試法之驗證
用以實現用於判定安全狀態之檢測電路的輸出的置信度的另一替代方案是用以建立和注入已知參考訊號至線路上，並確認檢測電路準確地解讀結果。這個方法可以被認為是自測試或「測試測試者」類型的功能，並且在圖13中示出。用以測試檢測電路的這種方法可以在檢測電路分析來自被監測源的輸入之前、之後或同時使用，以建立檢測電路按預期執行的置信度。在電壓檢測器的情況下，其中指示訊號不存在必須是保證的安全狀態，其在 測試前後確保檢測電路在執行其主要功能時沒有被損壞都是有意義的。然而，在不太關鍵的應用中，在執行主要功能之前或之後確認檢測電路正常工作就足夠了。
可以使用各種技術來建立已知的參考，包括本文中描述的用於檢測目的之電氣、光學、熱和磁性技術。主要的差別在於，當為了驗證或測試功能的目的而實現該技術時，它必須從獨立於被監視源的單獨衍生的源產生。這對於確保當在被監視的線路上不存在訊號時可以執行測試和隨後的驗證是關鍵的。
用於檢測和測試的技術可以混合和匹配。例如，如果使用熱檢測技術，則互補測試電路可以基於相同的熱技術、替代熱技術或非熱技術。從成本觀點或性能敏感性來看，某些組合可能比其它組合更理想。最佳組合將由環境和應用限制來判定。
用以驗證之混方法
最後，本文所述的驗證方法可以使用冗餘和測試技術的各種組合結合成混合方法。在圖14中描繪了這個方法的一般描述。當使用這個方法時，除了從已知參考接收預期結果之外，冗餘電路的結果必須匹配，以便驗證結果。這個邏輯適用於實現的各個技術。

Claims (1)

  1. 一種用於隔離和檢測在電力線上之電壓的系統，包含：類比數位轉換器；變容器電路，其連接至該類比數位轉換器；分壓器，其連接至該變容器電路，其中該分壓器係連接至該電力線且具有電阻性組件，該電阻性組件為正溫度係數(PTC)電阻器。
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