WO2021051401A1 - 电弧检测装置、电弧故障保护电器和用于制造电弧检测装置的方法 - Google Patents

电弧检测装置、电弧故障保护电器和用于制造电弧检测装置的方法 Download PDF

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frequency
signal
detection device
frequency bands
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易星
杜峰
陈维刚
傅玲
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西门子股份公司
西门子（中国）有限公司
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/26—Means for detecting the presence of an arc or other discharge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing

Definitions

  • Figure 2 shows a schematic diagram of the frequency spectrum of an ideal signal, a noise signal, and an arc signal
  • Fig. 6 shows a schematic circuit diagram of an example of a variable bandpass filter according to an embodiment of the present disclosure.
  • C6 Capacitor
  • C16 Variable capacitor
  • the existing overcurrent protection appliances and residual current protection appliances cannot reduce the risk of electrical fire caused by arc faults between live conductors.
  • arc fault protection appliances used to detect the occurrence of arcs.
  • conventional arc fault protection appliances can determine whether an arc occurs by analyzing the current and/or voltage in the electrical system.
  • the existing arc fault protection electrical appliances may misdetect the arc or fail to correctly detect the occurrence of the arc.
  • the existing known arc protection circuit usually only includes a single frequency band detection device, which cannot detect components outside the frequency band.
  • the inventor of the present application realized that although the spectral distribution of the arc signal usually spreads over the high-frequency region and usually detecting a single high-frequency frequency band can determine the occurrence of the arc, in some cases, the component of the noise signal located in a certain frequency band can be compared with the arc. The components of the signal in this frequency band are equivalent. Therefore, if the high-frequency detection frequency band of the arc detection device is located in this frequency band, and the component of random noise in this frequency band satisfies the arc determination condition, the presence of the noise signal may lead to the occurrence of false detection.
  • the arc detection device in a situation where no arc is generated, due to the presence of a noise signal, the arc detection device erroneously determines that an arc is generated, and accordingly implements protective measures. This affects normal power usage and may lead to serious consequences, such as data loss caused by power failure, or interruption of production.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of a conventional arc detection device.
  • the conventional arc fault protection appliance 10 includes a low-frequency component detection device 20, a high-frequency component detection device 30, an arc determination device 40, and an actuator 50.
  • the low-frequency component detection device 20, the high-frequency component detection device 30, and the arc determination device 40 constitute Arc detection device.
  • the low-frequency component detection device 20 includes two detection paths.
  • One of the two detection paths includes a low-frequency current detection device 21, a low-pass filter 23, and an operational amplifier 25.
  • the low-frequency current detection device 21 may be a low-frequency current sensor and is configured to detect the low-frequency component of the current in the power system.
  • the low-pass filter 23 can filter the current signal from the low-frequency current detection device 21 to obtain a desired low-frequency component signal. Since the filtered signal is usually weak in amplitude and needs to be amplified, in one example, the operational amplifier 25 can be set to amplify the filtered signal.
  • the other of the two detection paths includes a low-frequency voltage detection device 22, a low-pass filter 24, and an operational amplifier 26.
  • the low-frequency voltage detection device 22 may be a low-frequency voltage sensor and is configured to detect medium and low-frequency components of the voltage in the power system.
  • the low-pass filter 24 can filter the voltage signal from the low-frequency voltage detection device 22 to obtain a desired low-frequency component signal. Since the filtered signal is usually weak in amplitude and needs to be amplified, in one example, the operational amplifier 26 can be set to amplify the filtered signal.
  • the arc determination device 40 includes an analog-to-digital converter 41 and a microcontroller 42.
  • the analog-to-digital converter 41 is configured to convert the received filtered low-frequency voltage signal and low-frequency current signal and the filtered high-frequency voltage signal and/or current signal from signals in analog form to signals in digital form.
  • the microcontroller 42 may then perform calculations, comparisons, and/or judgments based on the received signals in digital form to determine whether there is an arc.
  • the microcontroller 42 controls the actuator 50 to perform corresponding protection operations, such as disconnecting the circuit in the power system.
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of an arc fault protection appliance 100 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the arc fault protection appliance 100 includes a low-frequency component detection device 120, a high-frequency component detection device 130, an arc determination device 140, and an actuator 150.
  • the low-frequency component detection device 120, the high-frequency component detection device 130, and the arc determination device 140 constitute an arc. Detection device.
  • the operational amplifier 125 is shown in FIG. 3, this is only for illustration and does not limit the scope of the present disclosure. In one embodiment, the operational amplifier 125 may not be provided, but the low-pass filter 123 directly outputs the filtered signal to the arc determination device 140. Although the low-frequency current detection device 121, the low-pass filter 123, and the operational amplifier 125 are shown as separate devices in FIG. 3, this is only an illustration and does not limit the scope of the present disclosure. In one embodiment, at least two of the low-frequency current detection device 121, the low-pass filter 123, and the operational amplifier 125 may be integrated into a single device. In another example, the operational amplifier 125 may be integrated into the arc determination device 140.
  • the other of the two detection paths includes a low-frequency voltage detection device 122, a low-pass filter 124, and an operational amplifier 126.
  • the low-frequency voltage detection device 122 may be a low-frequency voltage sensor and is configured to detect medium and low-frequency components of the voltage in the power system.
  • the low-pass filter 124 may perform low-pass filtering on the voltage signal from the low-frequency voltage detection device 122 to obtain a desired low-frequency component signal. Since the filtered signal is generally weak in amplitude and needs to be amplified, in one example, the operational amplifier 126 may be set to amplify the filtered signal.
  • the frequency sweep filter circuit 132 sequentially sweeps and filters the frequency from the first frequency band to the fifth frequency band and then returns to the first frequency band to continue the frequency sweep and filtering, but this is only an illustration and does not limit the scope of the present disclosure.
  • the frequency sweep filter circuit 132 may also sequentially sweep and filter from the fifth frequency band to the first frequency band and then return to the fifth frequency band to continue the frequency sweep and filtering.
  • the frequency sweep filter circuit 132 may randomly select the first frequency band from 1.75 MHz to 2.25 MHz, the second frequency band from 5.65 MHz to 6.35 MHz, the third frequency band from 9.5 MHz to 10.5 MHz, and from 13.35 MHz. Sweep and filter to the fourth frequency band of 14.65MHz and the fifth frequency band from 17MHz to 19MHz.
  • the frequency sweep filter circuit 132 may randomly select the third frequency band, the second frequency band, the fifth frequency band, the fifth frequency band, the first frequency band, and so on, to perform frequency sweep filtering.
  • the frequency sweep filter circuit 132 is shown to select from five frequency bands in the above example, this is only an illustration and does not limit the scope of the present disclosure.
  • the sweep filter circuit 132 may alternately or randomly select the first frequency band from 1.75 MHz to 2.25 MHz, the third frequency band from 9.5 MHz to 10.5 MHz, and the fifth frequency band from 17 MHz to 19 MHz for frequency sweep filtering.
  • the frequency sweep filter circuit 132 may randomly select the first frequency band from 1.75 MHz to 2.25 MHz, the third frequency band from 9.5 MHz to 10.5 MHz, the fourth frequency band from 13.35 MHz to 14.65 MHz, and the first frequency band from 17 MHz to 19 MHz. Sweep filtering is performed on five frequency bands.
  • the first to fifth frequency bands in the above example are shown as 1.75MHz to 2.25MHz, from 5.65MHz to 6.35MHz, from 9.5MHz to 10.5MHz, from 13.35MHz to 14.65MHz, and from 17MHz to 19MHz, this is only It is an illustration rather than a limitation to the scope of the present disclosure.
  • the first to fifth frequency bands may be 1.8 MHz to 2.2 MHz, from 5.6 MHz to 6.4 MHz, from 9.3 MHz to 10.7 MHz, from 13.3 MHz to 14.7 MHz, and from 16 MHz to 20 MHz.
  • the sweep frequency for the first to fifth frequency bands is set to be at least 5 times the period corresponding to the mains frequency (50 Hz/60 Hz) to ensure that the five frequency bands are scanned in a single period.
  • the sweep period for each frequency band can be set to at least the period corresponding to the mains frequency (50 Hz/60 Hz), for example, 0.02 seconds. It can be understood that other settings of the frequency sweep period can also be used.
  • the arc determination device 140 includes an analog-to-digital converter 141 and a microcontroller 142.
  • the analog-to-digital converter 141 is configured to convert the received filtered low-frequency voltage signal and low-frequency current signal and the filtered high-frequency voltage signal and/or current signal from signals in analog form to signals in digital form.
  • the microcontroller 142 may then perform calculations, comparisons, and/or judgments based on the received signals in digital form to determine whether there is an arc.
  • the microcontroller 142 controls the actuator 150 to perform corresponding protection operations, such as disconnecting the circuit in the power system.
  • the above three arc determination methods are shown in the examples of the present disclosure, this is only an example and does not limit the present disclosure.
  • the above three determination methods can be used alone to determine whether an arc is generated, the above three methods can also be combined to improve the accuracy of arc determination. In other examples, other methods may also be used to determine whether there is an arc based on the received data.
  • the plurality of band-pass filters 136 includes five band-pass filters 136A, 136B, 136C, 136D, and 136E, which respectively correspond to the first frequency band from 1.75MHz to 2.25MHz, from 5.65MHz to The second frequency band of 6.35MHz, the third frequency band from 9.5MHz to 10.5MHz, the fourth frequency band from 13.35MHz to 14.65MHz, and the fifth frequency band from 17MHz to 19MHz. It can be understood that more or less number of bandpass filters can be used, and the filter frequency band can also be adjusted or changed accordingly as needed.
  • the second channel switch 137 may be implemented by a high-frequency switch, and has multiple input terminals and a single output terminal to form multiple selectable transmission channels.
  • the second channel switch 137 is configured to receive input from the plurality of band-pass filters 136 and to selectively turn on one transmission channel of the multiple channels to transmit the input.
  • the second channel switch 137 may turn on multiple channels alternately or randomly. It can be understood that the number of selectable channels in the second channel switch 137 corresponds to the number of band-pass filters in the plurality of band-pass filters 136 so as to correspond to the first multi-channel switch 135 in a one-to-one correspondence to form multiple pairs of channels.
  • the second multi-channel switch 137 is configured to simultaneously turn on a pair of channels of the plurality of pairs of channels together with the first multi-channel switch 135 to transmit the filtered signal.
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram of an example of the frequency sweep filter circuit 132, this is only an example and does not limit the scope of the present disclosure.
  • the frequency sweep filter circuit 132 may have a single variable band pass filter, and the sweep frequency band of the variable band pass filter can be configured as required to achieve band pass filtering of different frequency bands.
  • the variable bandpass filter may include a variable capacitor and/or a variable resistor. The capacitance value and/or resistance value of the variable capacitor and/or variable resistor can be changed to adjust the filtering frequency band of the variable bandpass filter. In this case, the first multi-channel switch 135 and the second multi-channel switch 137 are not needed.
  • the five bandpass filters 136A, 136B, 136C, 136D, and 136E in FIG. 4 can have the same component configuration and the same connection relationship, and the difference lies only in the value of the component (such as resistance value, capacitance value and/or The inductance value) can be different to achieve different frequency band filtering.
  • variable bandpass filter is implemented by adjusting the capacitance value of the variable capacitor in the example of FIG. 6, this is only an example, and does not limit the scope of the present disclosure.
  • variable bandpass filter can be implemented by adjusting the resistance value of the variable resistor and/or the inductance value of the variable inductor.
  • the capacitors, inductors, and resistors in FIG. 6 are all variable devices to have different capacitance values, inductance values, and capacitance values, so as to achieve different frequency sweep filtering frequency bands.
  • FIG. 7 shows a schematic flowchart of a method 200 for manufacturing an arc detection device according to an embodiment of the present disclosure.
  • a frequency sweep filter circuit is provided, and the frequency sweep filter circuit is configured to receive at least one signal of a voltage signal or a current signal, and generate a plurality of signals in a plurality of frequency bands based on the at least one signal.
  • an arc determination device is provided. The arc determination device is coupled to the frequency sweep filter circuit to receive a plurality of signals in a plurality of frequency bands, and determines the generation of an arc based on at least one signal of the plurality of signals.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of a system environment including an arc detection device 10 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the power system 1 is, for example, a commercial power system such as a household power system and a museum power system.
  • the electric power system 1 can be connected to the home electric wire of the mains power grid to receive the alternating current V AC .
  • the power system 1 includes, for example, the arc detection device 100 shown in FIG. 3, an actuator 150, and at least one load.

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Abstract

提供了电弧检测装置、电弧故障保护电器和用于制造电弧检测装置的方法。一种电弧检测装置，包括：扫频滤波电路（132），被配置为接收电力系统的电压信号或电流信号中的至少一个信号，并且基于至少一个信号生成多个频段的多个信号；以及电弧确定装置（140），耦合至扫频滤波电路以接收多个频段的多个信号，并且基于多个信号中的至少一个信号确定电弧的生成。通过扫频滤波获得多个频段的信号，可以避免或减少噪声信号导致的误检测，并且提高抗干扰能力。

Description

电弧检测装置、电弧故障保护电器和用于制造电弧检测装置的方法 技术领域
本公开的实施例涉及电气领域，并且更具体地，涉及电弧检测装置、电弧故障保护电器和用于制造电弧检测装置的方法。
背景技术
传统的过电流保护电器，诸如低压断路器和熔断器和剩余电流保护电器，可以对电气设备、线路的过载和短路进行保护，防止由过载和分支线路中安装短路电流引起的电气火灾，或者可对电气设备因绝缘故障而产生的接地故障电流提供保护，防止持续存在的接地故障电流或对地燃弧引起电气火灾事故。这些保护电器在很大程度上减少了电气火灾的发生，提高了用电的安全。然而事实上，现有的过电流保护电器和剩余电流保护电器并不能降低由带电导体之间的电弧故障引起的电气火灾的危险。
目前已有一些电弧故障保护电器用于检测电弧的产生。例如，常规的电弧故障保护电器可以通过分析电气系统中的电流和/或电压来确定电弧是否产生。然而常规的电弧故障保护电器存在噪声误检测或是无法正确地检测到电弧的产生的情形。
发明内容
尽管常规的电弧故障保护电器为电气设备和系统提供了电弧故障保护，但常规的电弧故障有时不能正确地识别出电弧的产生。例如，由于电力系统的负载的多样性，在电力系统中可能产生位于各个频段的各种噪声信号。这些噪声信号有可能在某些频段的分量与电弧产生时的频谱在该频段的分量相当。如果常规电弧检测装置所检测的频段恰好位于该频段，则有可能导致将噪声信号错误地判断为产生了电弧，从而引起实际并不需要的保护动作。
为了至少部分地解决上述问题中的一个或多个以及其他潜在问题，本公开的实施例提供了电弧检测装置、电弧故障保护电器和用于制造电弧检测装置的方法。根据本公开的实施例，检测电流和/或电压信号中的多个高频分量，可以获得电流和/或电 压信号中的不同频段的信号特征，并且基于多个频段的信号确定电弧是否产生。以此方式，通过检测多个频段的信号，可以正确地识别电弧是否产生，并且提供抗噪声干扰的能力。
在本公开的第一方面中，提供了电弧检测装置，包括：扫频滤波电路，被配置为接收电力系统的电压信号或电流信号中的至少一个信号，并且基于至少一个信号生成多个频段的多个信号；以及电弧确定装置，耦合至扫频滤波电路以接收多个频段的多个信号，并且基于多个信号中的至少一个信号确定电弧的生成。
以此方式，可以检测电压信号或电流信号中的至少一个信号在多个频段的分量，并且基于多个频段的分量来全面评估电弧是否产生。例如，虽然在多个频段中的多个其它频段中的分量表示未产生电弧，但是在一个特定频段的分量表示电弧的产生。由此，可以基于该频段的分量，确定出产生了电弧。以此方式，可以防止常规的单高频电弧检测装置无法正确地检测到特定高频的电弧的情形(例如单高频的检测频段位于1.7MHz-2.3MHz，而某种类型的电弧的高频分量主要集中于5MHz-15MHz)的出现，从而正确地检测电弧的产生。
在一些实施例中，多个频段选自大于100KHz的至少三个频段。
在一些实施例中，多个频段包括：从1.75MHz到2.25MHz的第一频段、从5.65MHz到6.35MHz的第二频段、从9.5MHz到10.5MHz的第三频段、从13.35MHz到14.65MHz的第四频段以及从17MHz到19MHz的第五频段。
在一些实施例中，扫频滤波电路包括：第一多通道开关，被配置为接收至少一个信号并且响应于第一多通道中的一个通道的导通来将至少一个信号传输通过一个通道；多个带通滤波器，分别具有不同的滤波频段并且分别耦合至第一多通道开关中的一个通道以对至少一个信号进行带通滤波；以及第二多通道开关，第二多通道开关中的每个通道分别耦合至多个带通滤波器中的一个带通滤波器以与第一多通道开关中的相应通道构成多对通道，并且第二多通道开关被配置为与第一多通道开关同时导通多对通道中的一对通道以传输经滤波的信号。
在一些实施例中，第一多通道开关和第二多通道开关被配置为轮流导通多对通道。
在一些实施例中，第一多通道开关和第二多通道开关被配置为随机地导通多对通道。
在一些实施例中，扫频滤波电路包括可变带通滤波器，可变带通滤波器被配置为调整滤波频段，以对至少一个信号中的不同频段进行滤波，从而输出位于不同频段的经滤波的信号。
在一些实施例中，可变带通滤波器被配置为从预定滤波频段集合中轮流选择不同的滤波频段来进行滤波。
在一些实施例中，可变带通滤波器被配置为从预定滤波频段集合中随机选择不同的滤波频段来进行滤波。
在一些实施例中，可变带通滤波器包括可变电容器和可变电阻器中的至少一项，并且被配置为改变至少一项的值来调整滤波频段。
在一些实施例中，电弧检测装置还包括：对数检波放大器和运算放大器中的至少一项，耦合在扫频滤波电路和电弧确定装置之间，并且被配置为放大多个信号。
在一些实施例中，电弧确定装置包括：模数转换器，被配置为将多个信号从模拟信号转换为数字信号；以及微控制器，耦合至模数转换器，并且被配置为基于数字信号确定电弧的生成。
在一些实施例中，确定电弧的生成包括：将数字信号与预定幅值阈值进行比较来确定电弧的生成；将数字信号的统计值与预定统计阈值进行比较来确定电弧的生成；或使用神经网络或深度学习从数字信号提取特征，基于所提取的特征进行分类，并且基于分类结果来确定电弧的生成。
在本公开的第二方面中，提供了电弧故障保护电器，包括：根据第一方面的电弧检测装置；以及致动器，耦合至电弧检测装置并且被配置为响应于确定出电弧的生成，切断被保护的电路。
在本公开的第三方面中，提供了用于制造电弧检测装置的方法，包括：提供扫频滤波电路，扫频滤波电路被配置为接收电压信号或电流信号中的至少一个信号，并且基于至少一个信号生成多个频段的多个信号；以及提供电弧确定装置，电弧确定装置耦合至扫频滤波电路以接收多个频段的多个信号，并且基于多个信号中的至少一个信号确定电弧的生成。
在本公开的第四方面中，提供了电力系统。该电力系统包括：根据第二方面的电弧故障保护电器；以及负载，耦合至电弧故障保护电器中的致动器并且被配置为经由致动器接收电力。
提供发明内容部分是为了简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的关键特征或主要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本公开上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明，其中：
图1示出了常规的电弧故障保护电器的示意框图；
图2示出了理想信号、噪声信号和电弧信号的频谱示意图；
图3示出了根据本公开的一个实施例的电弧故障保护电器的示意框图；
图4示出了图3中的扫频滤波电路的一个示例的示意框图；
图5示出了图4中的一个带通滤波器的一个示例的示意电路图；
图6示出了根据本公开的一个实施例的可变带通滤波器的一个示例的示意电路图；以及
图7示出了根据本公开的一个实施例的用于制造电弧检测装置的方法的示意流程图；以及
图8示出了根据本公开的一个实施例的包含电弧检测装置的系统环境示意图。
附图标记列表：
1：电力系统；
10：常规电弧检测装置；
12：负载；
14：负载；
16：负载；
20：低频分量检测装置；
21:低频电流检测装置；
22：低频电压检测装置；
23：低通滤波器；
24：低通滤波器；
25：运算放大器；
26：运算放大器：
30：高频分量检测装置；
31：高频电压/电流检测装置；
32：带通滤波器；
33：对数检波放大器；
40：电弧确定装置；
41：模数转换器；
42：微控制器；
50：致动器；
61：理想信号频谱；
62：噪声信号频谱：
63：电弧信号频谱：
100：电弧检测装置；
120：低频分量检测装置；
121:低频电流检测装置；
122：低频电压检测装置；
123：低通滤波器；
124：低通滤波器；
125：运算放大器；
126：运算放大器：
130：高频分量检测装置；
131：高频电压/电流检测装置；
132：扫频滤波电路；
133：对数检波放大器；
135：第一多通道开关；
136：可变带通滤波装置；
136A:带通滤波器1；
136B:带通滤波器2；
136C:带通滤波器3；
136D:带通滤波器4；
136E:带通滤波器5；
137：第二多通道开关；
140：电弧确定装置；
141：模数转换器；
142：微控制器；
150：致动器；
IN：输入端；
OUT：输出端；
R1：电阻器；
R2：电阻器；
R11：电阻器；
R12：电阻器；
C1：电容器；
C2：电容器；
C3：电容器；
C4：电容器；
C5：电容器；
C6：电容器；
C7：电容器；
C11：可变电容器；
C12：可变电容器；
C13：可变电容器；
C14：可变电容器；
C15：可变电容器；
C16：可变电容器；
C17：可变电容器；
L1：电感器；
L2：电感器；
L3：电感器；
L4：电感器；
L11：电感器；
L12：电感器；
L13：电感器；
L14：电感器；
具体实施方式
下面将参考附图中示出的若干示例实施例来描述本公开的原理。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，但应当理解，描述这些实施例仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本公开，而并非以任何方式限制本公开的范围。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
如以上提及的，现有的过电流保护电器和剩余电流保护电器并不能降低由带电导体之间的电弧故障引起的电气火灾的危险。目前，存在一些电弧故障保护电器用于检测电弧的产生。例如，常规的电弧故障保护电器可以通过分析电气系统中的电流和/或电压来确定电弧是否产生。然而现有的电弧故障保护电器存在误检测电弧或是无法正确地检测电弧的产生的情形。例如，现有的电弧公知保护电路通常仅包括单频段检测装置，其对于该频段外的分量无法进行检测。
本申请的发明人意识到，虽然电弧信号的频谱分布通常遍布高频区域并且通常检测单个高频频段可以确定电弧的产生，但是在一些情形下，噪声信号的位于某个频段的分量可以与电弧信号在该频段的分量相当。因此，如果电弧检测装置的高频检测频段位于该频段，并且随机噪声在该频段的分量满足电弧确定条件，则可能由于噪声信号的存在而导致误检测的情形的出现。例如，在没有产生电弧的情形下，由于噪声信号的存在，导致电弧检测装置错误地判断产生了电弧，并且相应地执行保护措施。 这影响了正常的电力使用，并且可能导致严重的后果，诸如断电引起的数据丢失、或生产的中断等。
此外，由于电弧信号的频谱分布的随机性，因此在另一些情形下，虽然产生了电弧，但该电弧在常规电弧检测装置所检测的频段中的分量不能满足电弧确定条件(例如略低于阈值)，但电弧在其它频段中的分量却相当高。这导致电弧的产生无法被正确识别，因此无法对电力系统进行有效保护。虽然可以通过展宽常规电弧检测装置所检测的单个频段来避免遗漏，但是展宽的频带对于滤波电路和随后的放大电路要求极为复杂和苛刻，并且成本相应地大幅增加。
根据本公开的一个实施例，提供了用于检测电弧的方案。在该方案中，通过扫频滤波电路对电流和/或电压信号中的至少一个信号进行扫频滤波，可以获得该至少一个信号在不同频段中的分量，并且可以基于该不同频段分量中的至少一个分量信号来确定电弧是否产生。以此方式，可以避免噪声信号的干扰，更为准确地确定出电弧的产生，从而不会导致电弧产生的误判断和无操作。此外，还可以克服常规电弧检测装置的单频段检测的局限性，防止电弧判断的遗漏。
以下参考附图来描述本公开的一些示例实施例。图1示出了常规的电弧检测装置的示意框图。常规电弧故障保护电器10包括低频分量检测装置20、高频分量检测装置30、电弧确定装置40和致动器50，其中低频分量检测装置20、高频分量检测装置30、电弧确定装置40构成了电弧检测装置。
低频分量检测装置20包括两个检测路径。该两个检测路径之一包括低频电流检测装置21、低通滤波器23和运算放大器25。低频电流检测装置21可以是低频电流传感器并且被配置用于检测电力系统中的电流中低频分量。低通滤波器23可以对来自低频电流检测装置21的电流信号进行滤波，以获得期望的低频分量信号。由于经滤波的信号通常幅度较弱，并且需要对其进行放大，因此在一个示例中可以设置运算放大器25对经滤波的信号进行放大。
该两个检测路径中的另一个路径包括低频电压检测装置22、低通滤波器24和运算放大器26。低频电压检测装置22可以是低频电压传感器并且被配置用于检测电力系统中的电压中低频分量。低通滤波器24可以对来自低频电压检测装置22的电压信号进行滤波，以获得期望的低频分量信号。由于经滤波的信号通常幅度较弱，并且需要对其进行放大，因此在一个示例中可以设置运算放大器26对经滤波的信号进行 放大。
高频分量检测装置30包括高频电压/电流检测装置31、带通滤波器32和对数检波放大器33。可以理解，在本公开中，低频通常表示较低的频率，例如不高于100kHz,而高频通常表示较高的频率，例如高于100kHz。与低频电流检测装置21和低频电压检测装置22相类似，高频电压/电流检测装置31可以是高频电压/电流传感器并且被配置用于检测电力系统中的电压和/或电流中的高频分量。带通滤波器可以对来自高频电压/电流检测装置31的电压信号和/或电流信号进行滤波，以获得期望的高频分量信号。由于经滤波的信号通常幅度较弱，并且需要对其进行放大，因此在一个示例中可以设置对数检波放大器33对经滤波的信号进行放大。
电弧确定装置40包括模数转换器41和微控制器42。模数转换器41被配置为将所接收的经滤波的低频电压信号和低频电流信号以及经滤波的高频电压信号和/或电流信号从模拟形式的信号转换为数字形式的信号。微控制器42继而可以基于所接收的数字形式的信号进行计算、比较和/或判断，以确定是否存在电弧。在确定出产生电弧的情形下，微控制器42控制致动器50执行相应的保护操作，例如断开电力系统中的电路的连接。
图2示出了理想信号、噪声信号和电弧信号的频谱示意图，其中横轴表示频率(MHz)，纵轴表示高频功率(dBm/300kHz BB)，曲线61表示理想状况下的信号频谱分布，曲线62表示随机噪声信号的频谱分布，曲线63表示电弧的频谱分布。如图2所示，随机噪声信号62在一个示例中在15MHz处的信号分量与电弧信号63在该示例中在15MHz处的信号分量相当。在此情形下，如果常规电弧故障保护电器10的检测频段位于15MHz附近，则常规电弧故障保护电器10可能将随机噪声信号错误地确定为电弧信号，并且执行相应的误操作。
可以理解，由于电力系统中所产生的随机噪声信号的随机性和多样性，尤其是负载的复杂性和多样性，因此随机噪声信号的频谱分布可以具有各种不同的频谱分布图案模式。另外，可以看出，电弧信号在全频谱范围内的分布也并非均匀分布，存在随着频率而变化的可能性。因此，可能存在电弧在某个频段的分量幅值较低，而在其他某些频段的分量幅值较高。当使用常规的单个固定高频频段检测的电弧检测装置时，该电弧检测装置可能无法正确地检测到电弧的产生。
图3示出了根据本公开的一个实施例的电弧故障保护电器100的示意框图。电 弧故障保护电器100包括低频分量检测装置120、高频分量检测装置130、电弧确定装置140和致动器150，其中低频分量检测装置120、高频分量检测装置130、电弧确定装置140构成了电弧检测装置。
低频分量检测装置120包括两个检测路径。该两个检测路径之一包括低频电流检测装置121、低通滤波器123和运算放大器125。低频电流检测装置121可以是低频电流传感器并且被配置用于检测电力系统中的电流中低频分量。低通滤波器123可以对来自低频电流检测装置121的电流信号进行低通滤波，以获得期望的低频分量信号。由于经滤波的信号通常幅度较弱，并且需要对其进行放大，因此在一个示例中可以设置运算放大器125对经滤波的信号进行放大。
可以理解，虽然在图3中示出了运算放大器125，但这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。在一个实施例中，可以不具有运算放大器125，而是由低通滤波器123将经滤波的信号直接输出至电弧确定装置140。虽然在图3中将低频电流检测装置121、低通滤波器123和运算放大器125示出为分离的装置，但这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。在一个实施例中，可以将低频电流检测装置121、低通滤波器123和运算放大器125中的至少两个集成为单个装置。在另一个示例中，可以将运算放大器125集成到电弧确定装置140中。
该两个检测路径中的另一个路径包括低频电压检测装置122、低通滤波器124和运算放大器126。低频电压检测装置122可以是低频电压传感器并且被配置用于检测电力系统中的电压中低频分量。低通滤波器124可以对来自低频电压检测装置122的电压信号进行低通滤波，以获得期望的低频分量信号。由于经滤波的信号通常幅度较弱，并且需要对其进行放大，因此在一个示例中可以设置运算放大器126对经滤波的信号进行放大。
可以理解，虽然在图3中示出了运算放大器126，但这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。在一个实施例中，可以不具有运算放大器126，而是由低通滤波器124将经滤波的信号直接输出至电弧确定装置140。虽然在图3中将低频电流检测装置122、低通滤波器124和运算放大器126示出为分离的装置，但这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。在一个实施例中，可以将低频电流检测装置122、低通滤波器124和运算放大器126中的至少两个集成为单个装置。在另一个示例中，可以将运算放大器126集成到电弧确定装置140中。
高频分量检测装置130包括高频电压/电流检测装置131、扫频滤波电路132和对数检波放大器133。可以理解，在本公开中，低频通常表示较低的频率，例如不高于100kHz,而高频通常表示较高的频率，例如高于100kHz。与低频电流检测装置121和低频电压检测装置122相类似，高频电压/电流检测装置131可以是高频电压/电流传感器并且被配置用于检测电力系统中的电压和/或电流中的高频分量。
扫频滤波电路132可以对来自高频电压/电流检测装置131的电压信号和/或电流信号进行扫频滤波，以获得期望的不同频段的高频分量信号。在一个示例中，扫频滤波电路132可以对来自高频电压/电流检测装置131的电压信号和/或电流信号的多个不同频段的分量轮流扫频滤波。例如，扫频滤波电路132可以依次对从1.75MHz到2.25MHz的第一频段、从5.65MHz到6.35MHz的第二频段、从9.5MHz到10.5MHz的第三频段、从13.35MHz到14.65MHz的第四频段以及从17MHz到19MHz的第五频段进行扫频滤波。在此之后，扫频滤波电路132可以从第五频段返回至第一频段继续扫频滤波。
虽然在该示例中扫频滤波电路132从第一频段依次扫频滤波至第五频段并且再返回至第一频段继续扫频滤波，但这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。例如，扫频滤波电路132也可以从第五频段依次扫频滤波至第一频段并且再返回至第五频段继续扫频滤波。
在另一个示例中，扫频滤波电路132可以对来自高频电压/电流检测装置131的电压信号和/或电流信号的多个不同频段的分量随机地扫频滤波。例如，多个频段可以选自大于100KHz的至少三个频段。
在一个示例中，扫频滤波电路132可以随机地选择从1.75MHz到2.25MHz的第一频段、从5.65MHz到6.35MHz的第二频段、从9.5MHz到10.5MHz的第三频段、从13.35MHz到14.65MHz的第四频段以及从17MHz到19MHz的第五频段进行扫频滤波。例如，扫频滤波电路132可以随机地依次选择第三频段、第二频段、第五频段、第五频段、第一频段……进行扫频滤波。
虽然在上述示例中扫频滤波电路132被示出为从五个频段中进行选择，但这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。例如，扫频滤波电路132可以轮流地或随机地选择从1.75MHz到2.25MHz的第一频段、从9.5MHz到10.5MHz的第三频段、以及从17MHz到19MHz的第五频段进行扫频滤波。例如，扫频滤波电路132可以随机地 选择从1.75MHz到2.25MHz的第一频段、从9.5MHz到10.5MHz的第三频段、从13.35MHz到14.65MHz的第四频段以及从17MHz到19MHz的第五频段进行扫频滤波。
虽然上述示例中第一频段至第五频段被示出为1.75MHz到2.25MHz、从5.65MHz到6.35MHz、从9.5MHz到10.5MHz、从13.35MHz到14.65MHz以及从17MHz到19MHz，但这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。例如，第一频段至第五频段可以为1.8MHz到2.2MHz、从5.6MHz到6.4MHz、从9.3MHz到10.7MHz、从13.3MHz到14.7MHz以及从16MHz到20MHz。
在上述示例中，对于第一至第五频段的扫频被设置为市电频率(50Hz/60Hz)所对应的周期的至少5倍以确保在单个周期内实现对五个频段的扫描。换言之，对于每个频段的扫频周期可以设置至少为市电频率(50Hz/60Hz)所对应的周期，例如为0.02秒。可以理解，也可以使用其它扫频时段的设置。
由于经滤波的信号通常幅度较弱，并且需要对其进行放大，因此在一个示例中可以设置对数检波放大器133对经滤波的信号进行放大，以生成接收信号强度指示(RSSI)信号。可以理解，虽然在图3中示出了数检波放大器133，但这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。
在一个实施例中，可以不具有运算放大器126，而是使用运算放大器对经滤波的信号进行放大，或者由扫频滤波电路132将经滤波的信号直接输出至电弧确定装置140。虽然在图3中将高频电压/电流检测装置131、扫频滤波电路132和数检波放大器133示出为分离的装置，但这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。在一个实施例中，可以将高频电压/电流检测装置131、扫频滤波电路132和数检波放大器133中的至少两个集成为单个装置。在另一个示例中，可以将数检波放大器133集成到电弧确定装置140中。
电弧确定装置140包括模数转换器141和微控制器142。模数转换器141被配置为将所接收的经滤波的低频电压信号和低频电流信号以及经滤波的高频电压信号和/或电流信号从模拟形式的信号转换为数字形式的信号。微控制器142继而可以基于所接收的数字形式的信号进行计算、比较和/或判断，以确定是否存在电弧。在确定出产生电弧的情形下，微控制器142控制致动器150执行相应的保护操作，例如断开电力系统中的电路的连接。
虽然在本示例中电弧确定装置140被示出为包括模数转换器141和微控制器142，但这仅是示意而非对本公开的范围进行限制。电弧确定装置140可以包括比较器和积分器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路器件(ASIC)等来执行电弧确定的功能。
在一个示例中，电弧确定装置140将所述数字信号与预定幅值阈值进行比较来确定所述电弧的生成。在另一个示例中，电弧确定装置140将所述数字信号的统计值与预定统计阈值进行比较来确定所述电弧的生成。在又一个示例中，电弧确定装置140使用神经网络或深度学习从所述数字信号提取特征，基于所提取的特征进行分类，并且基于分类结果来确定所述电弧的生成。
虽然在本公开的示例中示出如上三种方式的电弧确定方法，但是这仅是示例而非对本公开进行限制。例如可以理解，虽然可以单独使用上述三种确定方法来判断是否有电弧产生，但是也可以将上述三种方法进行组合以提高电弧判断的准确度。在其它示例中，也可以使用其它方式来根据所接收到的数据来确定是否有电弧产生。
图4示出了图3中的扫频滤波电路132的一个示例的示意框图。在图4的示例中，扫频滤波电路132包括第一多通道开关135、多个带通滤波器136和第二多通道开关137。第一多通道开关135可以由高频开关实现，并且具有单个输入端和多个输出端以形成多个可选传输通道。第一多通道开关135被配置为接收来自高频电压/电流检测装置131的输入，以及选择性地导通多通道中的一个传输通道以传输该输入。
例如，根据上述的轮流扫频滤波或随机扫频滤波，第一多通道开关135可以轮流或随机地导通多个通道。可以理解，第一多通道开关135中的可选通道数目与多个带通滤波器136中的带通滤波器的数目对应。
在图4的示例中，多个带通滤波器136包括5个带通滤波器136A、136B、136C、136D和136E，其分别对应于从1.75MHz到2.25MHz的第一频段、从5.65MHz到6.35MHz的第二频段、从9.5MHz到10.5MHz的第三频段、从13.35MHz到14.65MHz的第四频段以及从17MHz到19MHz的第五频段。可以理解，可以使用更多或更少的带通滤波器的数目，并且滤波频段也可以根据需要相应地调整或改变。
第二通道开关137可以由高频开关实现，并且具有多个输入端和单个输出端以形成多个可选传输通道。第二通道开关137被配置为接收来自多个带通滤波器136的输入，以及选择性地导通多通道中的一个传输通道以传输该输入。
例如，根据上述的轮流扫频滤波或随机扫频滤波，第二通道开关137可以轮流或随机地导通多个通道。可以理解，第二通道开关137中的可选通道数目与多个带通滤波器136中的带通滤波器的数目对应，以与第一多通道开关135一一对应以形成多对通道。由此，第二多通道开关137被配置为与第一多通道开关135同时导通多对通道中的一对通道以传输经滤波的信号。
例如，第一多通道开关135和第二多通道开关137被配置为轮流导通多对通道。在另一个示例中，第一多通道开关135和第二多通道开关137被配置为随机地导通多对通道。
虽然在图4中示出了扫频滤波电路132的一个示例的示意框图，但是这仅是示例，而非对本公开的范围进行限制。例如，扫频滤波电路132可以具有单个的可变带通滤波器，可变带通滤波器的扫频频段可以根据需要配置以实现对不同频段的带通滤波。例如，可变带通滤波器可以包括可变电容器和/或可变电阻器。该可变电容器和/或可变电阻器的电容值和/或电阻值可以改变以调节可变带通滤波器的滤波频段。在此情形下，无需第一多通道开关135和第二多通道开关137。
图5示出了图4中的一个带通滤波器136A的一个示例的示意电路图。带通滤波器136A在输入端IN接收输入信号，并且在输出端OUT输出经滤波的信号。带通滤波器136A可以包括电阻器R1、电阻器R2、电容器C1、电容器C2、电容器C3、电容器C4、电容器C5、电容器C6、电容器C7、电感器L1、电感器L2、电感器L3和电感器L4。虽然在图5中示出了带通滤波器136A的一个具体器件配置和器件连接关系，但是可以理解，可以使用其它器件配置和连接的带通滤波器。
图4中的5个带通滤波器136A、136B、136C、136D和136E可以具有相同的元器件配置和相同连接关系，不同之处仅在于元器件的值(诸如电阻值、电容值和/或电感值)可以不同，以实现不同的频段滤波。
图6示出了根据本公开的一个实施例的可变带通滤波器的一个示例的示意电路图。图6中的可变带通滤波器具有与图5中相似的器件拓扑结构，在输入端IN接收输入信号，并且在输出端OUT输出经滤波的信号。图6中的可变带通滤波器可以包括电阻器R11、电阻器R12、可变电容器C11、可变电容器C12、可变电容器C13、可变电容器C14、可变电容器C15、可变电容器C16、可变电容器C17、电感器L1、电感器L2、电感器L3和电感器L4。
可变电容器C11、可变电容器C12、可变电容器C13、可变电容器C14、可变电容器C15、可变电容器C16和可变电容器C17可以被施加不同配置电压以具有不同的电容值，从而使得可变带通滤波器具有不同的扫频滤波频段。
虽然在图6的示例中通过调节可变电容器的电容值来实现可变带通滤波器，但是这仅是示例，而非对本公开的范围进行限制。在另一示例中，可以通过调节可变电阻器的电阻值和/或可变电感器的电感值来实现可变带通滤波器。在又一示例中，图6中的电容器、电感器和电阻器均为可变器件以具有不同的电容值、电感值和电容值，从而实现不同的扫频滤波频段。
在另一实施例中，可以使用可变带通滤波器和具有固定滤波频段的滤波器的组合来实现扫频滤波电路。例如，可以将图4中的带通滤波器集合136A-136E中的至少一个带通滤波器替换为可变带通滤波器以实现扫频滤波电路。
图7示出了根据本公开的一个实施例的用于制造电弧检测装置的方法200的示意流程图。在202处，提供扫频滤波电路，该扫频滤波电路被配置为接收电压信号或电流信号中的至少一个信号，并且基于该至少一个信号生成多个频段的多个信号。在204处，提供电弧确定装置。该电弧确定装置耦合至所述扫频滤波电路以接收多个频段的多个信号，并且基于该多个信号中的至少一个信号确定电弧的生成。
可以理解，上面参考图3-图6所描述的特征可以被应用至图7的方法200。
图8示出了根据本公开的一个实施例的包含电弧检测装置10的系统环境示意图。电力系统1例如为诸如家庭用电系统、博物馆用电系统等市电系统。电力系统1可以接入市电电网的入户电线以接收交流电V AC。电力系统1包括例如图3中所示的电弧检测装置100、致动器150和至少一个负载。
至少一个负载经由致动器150接收交流电V AC。至少一个负载可以是例如家庭或博物馆中使用的用电设备，诸如显示器、空调、灯具等。在图8的示例中，至少一个负载包括第一负载12、第二负载14和第三负载16。可以理解，虽然在图8中示出了三个负载，但是电力系统1可以包括更少或更多个负载，并且各个负载彼此的类型可以相同或不同。
当电弧检测装置100检测到电弧产生的时候，电弧检测装置100可以控制致动器150断开供电线路以保护各个负载并且确保用电安全。
应当理解，尽管在上文的详细描述中提及了设备的若干装置或子装置，但是这 种划分仅仅是示例性而非强制性的。实际上，根据本公开的实施例，上文描述的两个或更多装置的特征和功能可以在一个装置中具体化。反之，上文描述的一个装置的特征和功能可以进一步划分为由多个装置来具体化。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等效替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (16)

  1. 电弧检测装置(100)，包括：
    扫频滤波电路(132)，被配置为接收电力系统的电压信号或电流信号中的至少一个信号，并且基于所述至少一个信号生成多个频段的多个信号；以及
    电弧确定装置(140)，耦合至所述扫频滤波电路以接收所述多个频段的多个信号，并且基于所述多个信号中的至少一个信号确定电弧的生成。
  2. 根据权利要求1所述的电弧检测装置(100)，其中所述多个频段选自大于100KHz的至少三个频段。
  3. 根据权利要求2所述的电弧检测装置(100)，其中所述多个频段包括：从1.75MHz到2.25MHz的第一频段、从5.65MHz到6.35MHz的第二频段、从9.5MHz到10.5MHz的第三频段、从13.35MHz到14.65MHz的第四频段以及从17MHz到19MHz的第五频段。
  4. 根据权利要求1所述的电弧检测装置(100)，其中所述扫频滤波电路包括：
    第一多通道开关，被配置为接收所述至少一个信号并且响应于所述第一多通道中的一个通道的导通来将所述至少一个信号传输通过所述一个通道；
    多个带通滤波器，分别具有不同的滤波频段并且分别耦合至所述第一多通道开关中的一个通道以对所述至少一个信号进行带通滤波；以及
    第二多通道开关，所述第二多通道开关中的每个通道分别耦合至所述多个带通滤波器中的一个带通滤波器以与所述第一多通道开关中的相应通道构成多对通道，并且第二多通道开关被配置为与所述第一多通道开关同时导通所述多对通道中的一对通道以传输经滤波的信号。
  5. 根据权利要求4所述的电弧检测装置(100)，其中所述第一多通道开关和所述第二多通道开关被配置为轮流导通所述多对通道。
  6. 根据权利要求4所述的电弧检测装置(100)，其中所述第一多通道开关和所述第二多通道开关被配置为随机地导通所述多对通道。
  7. 根据权利要求1所述的电弧检测装置(100)，其中所述扫频滤波电路包括可变带通滤波器，所述可变带通滤波器被配置为调整滤波频段，以对所述至少一个信号中的不同频段进行滤波，从而输出位于不同频段的经滤波的信号。
  8. 根据权利要求7所述的电弧检测装置(100)，其中所述可变带通滤波器被配置为 从预定滤波频段集合中轮流选择不同的滤波频段来进行滤波。
  9. 根据权利要求7所述的电弧检测装置(100)，其中所述可变带通滤波器被配置为从预定滤波频段集合中随机选择不同的滤波频段来进行滤波。
  10. 根据权利要求7所述的电弧检测装置(100)，其中所述可变带通滤波器包括可变电容器和可变电阻器中的至少一项，并且被配置为改变所述至少一项的值来调整所述滤波频段。
  11. 根据权利要求1所述的电弧检测装置(100)，还包括：
    对数检波放大器和运算放大器中的至少一项，耦合在所述扫频滤波电路和所述电弧确定装置之间，并且被配置为放大所述多个信号。
  12. 根据权利要求1所述的电弧检测装置(100)，其中所述电弧确定装置包括：
    模数转换器，被配置为将所述多个信号从模拟信号转换为数字信号；以及
    微控制器，耦合至所述模数转换器，并且被配置为基于所述数字信号确定所述电弧的生成。
  13. 根据权利要求12所述的电弧检测装置(100)，其中确定所述电弧的生成包括：
    将所述数字信号与预定幅值阈值进行比较来确定所述电弧的生成；
    将所述数字信号的统计值与预定统计阈值进行比较来确定所述电弧的生成；或
    使用神经网络或深度学习从所述数字信号提取特征，基于所提取的特征进行分类，并且基于分类结果来确定所述电弧的生成。
  14. 电弧故障保护电器，包括：
    根据权利要求1-13中的任一项所述的电弧检测装置(100)；以及
    致动器(150)，耦合至所述电弧检测装置并且被配置为响应于确定出电弧的生成，切断被保护的电路。
  15. 用于制造电弧检测装置的方法(200)，包括：
    提供扫频滤波电路(202)，所述扫频滤波电路被配置为接收电压信号或电流信号中的至少一个信号，并且基于所述至少一个信号生成多个频段的多个信号；以及
    提供电弧确定装置(204)，所述电弧确定装置耦合至所述扫频滤波电路以接收所述多个频段的多个信号，并且基于所述多个信号中的至少一个信号确定电弧的生成。
  16. 电力系统，包括：
    根据权利要求14所述的电弧故障保护电器；以及
    负载，耦合至所述电弧故障保护电器中致动器并且被配置为经由所述致动器接收电力。
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