一种直流故障电弧检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型针对直流故障电弧检测提出一种新方法，有效区分是否发生故障电弧，检测到发生故障电弧后及时报错，提高系统安全性，本实用新型可应用于直流功率变换器领域中，如UPS电池系统，光伏发电系统等。
【背景技术】
[0002]近年来，随着清洁能源、储能系统等快速发展，直流电力变换系统获得很大的发展，由于这些系统电流大、电压高从而更易产生故障电弧。
[0003]电弧是指流经大电流的导体，由于接头的不可靠连接或接头、导线绝缘退化，导致的接触不良，触点之间或触点与其他导体之间的不可靠连接而形成的放电现象。电弧是直流系统中导致火灾的主要原因，及时准确的侦测电弧的发生，直接影响直流系统的安全性和可靠性。
[0004]电弧包含串联拉弧和并联拉弧，前者指线缆之间的拉弧，后者指直流端对安全地的放电。本实用新型主要解决的是串联拉弧。
[0005]光伏发电系统就是这种高电压大电流的直流应用。随着光伏产业的高速增长，安装的光伏系统设备越来越多。投入运行的光伏发电设备逐渐老化和人为安装过程中的疏忽给光伏系统的安全性带来挑战。光伏系统直流侧电压随光伏面板的配置可高达几百上千伏，如果产生故障电弧，由于没有过零点保护，直流电弧比交流电弧更加危险。光伏系统的光伏面板受到阳光持续照射产生能量，如果产生故障电弧而没有及时觉察并切断线路，面板给电弧提供了源源不断的能量，对输电线路和光伏设备本身都会造成巨大损伤，严重时会引起火灾，危及生命安全。
[0006]基于安全可靠考虑，越来越多的直流应用对直流拉弧提出检测要求，有些已被强制要求执行，如美国电工法规NEC 2011年版开始要求针对光伏发电系统装置电弧故障侦测断路器。针对NEC中有关直流故障电弧检测的要求，UL1699B标准给出了详细的规定。该规定要求当逆变器检测到故障电弧时应提供可视的告警提示，该告警不能自动清除。电源断电重新上电后该告警应仍然显示，必须手动清除逆变器才能并网工作。逆变器需具有故障电弧手动自检功能，逆变器执行自检时必须有可视界面提示，若自检未通过，必须手动清除，否则此告警保存，断电重启后依然存在。UL1699B还对保护时间和外界环境等做了详细规范要求。
[0007]—方面，可靠准确的电弧检测对直流系统的安全性无疑是非常重要，另一方面，如何避免检测单元误侦测也是实际中的难点。如美国NEC2011要求，当检测单元发出拉弧告警后，光伏逆变器需停止发电并等待操作人员检测并手动清除才允许继续并网发电，因此误侦测会导致光伏发电系统频繁关机，影响系统发电收益。
[0008]目前常见的检测如下:
[0009]1、基于拉弧产生的射频噪音判断
[0010]WO 95/25374中，根据直流电流电弧发生后，会产生一定频段的射频噪音，通过射频接收装置接收噪音信号，并进行一定分频处理，根据电弧发生前后的噪音幅值进行判断，从而侦测电弧是否发生。
[0011]由于电力电子设备本身会产生噪音，且电子设备使用日益广泛，因此此方案无法避免误侦测，且多个设备同时运行的话，无法准确判断和定位电弧产生的位置。
[0012]2、基于直流电流高频分量幅值变化的检测
[0013]Nat1nal instrument公司提出根据直流电流频谱幅值进行判断
[0014]此方案的原理，同样是根据直流电弧产生后会对电流带来一定程度的高频噪音的原理，但检测方式是通过采集直流电流并对其进行快速傅里叶分解(FFT)，从而获取电流的幅频特性，通过判断电弧产生前后的一定频带的幅值差异，判断电弧是否产生。
[0015]此方案由于检测相对准确，成本低廉而被广泛采用。但缺点在于同样受制于电力电子电路本身和周围设备带来的噪音干扰，当设备本身的直流电流中的噪音信号较大，此方案便无法使用或者频繁误报。
【发明内容】
[0016]本实用新型的目的是提供一种能够避免误侦测，且不会受制于电力电子电路本身和周围设备带来的噪音干扰的串联拉弧检测方法。
[0017]为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种直流故障电弧检测装置，包括脉冲变压器，其特征在于，还包括带通滤波放大电路、AD采样电路及M⑶处理单元，其中，脉冲变压器的电流输出端与带通滤波放大电路的输入端相连，带通滤波放大电路的输出端连接AD采样电路的输入端，AD采样电路的输出端与MCU处理单元的输入端相连
[0018]对于直流功率变换器领域，本实用新型提出一种新的直流故障电弧检测方法，利用变换器自身特性，直流电流高频分量在变换器开关频率的倍频处都会产生噪声信号，利用此噪声信号对故障电弧频谱进行分析计算，以此来检测是否发生故障电弧。
【附图说明】
[0019]图1为常用的BOOST电路；
[0020]图2为BOOST电路的驱动信号；
[0021]图3为未发生电弧时的幅频特性曲线；
[0022]图4为发生电弧时的幅频特性曲线；
[0023]图5为以光伏逆变器为例，利用本实用新型提供的方法进行电弧检测的实施方案；
[0024]图6为M⑶处理部分的流程图；
[0025]图7为本实用新型的总体流程图。
【具体实施方式】
[0026]为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0027]本实用新型提出的一种装置基于结合电力电子变换器本身特性的直流电弧检测方法。目前电力电子变换器大多为PWM(pulse width modulat1n)高频斩波原理，利用开关器件的高频切换(一般为几kHz?500Hz)，将直流电流斩波成直流脉冲脉冲电流，这样直流电流本身在开关频率处和开关频率倍数的频段会产生相比于附近频率较高幅值的信号。而在电弧产生时，由于电流的频谱被整体抬高，变换器本身的开关频率及其倍数频率的噪音幅值相比于附近频段则变化相对较小。
[0028]以常用的如图1所示的BOOST电路为例进行说明。开关Q是高频开关，其驱动信号见图2中VgS，电感电流和输入电流分别是iL和i in。由波形可知，输入直流电流含有丰富的开关频率次噪音。
[0029]对输入电流进行FFT，可以得到输入电流的幅频特性如图3所示，以开关频率16kH为例，可以看出，在Fl?F2的频带内，开关频率16kHz的噪音峰值Dl远高于频带内的平均值D2，在16kHz的倍频处，如32kHz、48kHz，也存在着同样的状况。
[0030]在频带Fl?F2内，定义D3为峰值Dl和均值D2的差值，则量化参数D3与D2的比值D3/D2则可以被用来判断电弧是否发生，在无电弧时，D3/D2较大。
[0031]在电弧产生后输入电流的FFT幅频特性如图4所示，可以看出，由于电弧产生的高频噪音将整体的幅值抬高，在包含开关频率及倍频的频带内的峰值Dl相对于频带内平均值D2大大的减小。
[0032]由以上分析可知，对于高频电力电子变换器而言，电弧产生后的电流幅频特性具有两个明显特征:
[0033]1、在某些频段，幅值明显抬高；
[0034]2、在开关频率及其倍频附近，由于变换器本身的高频信号幅值被电弧噪音淹没或相对峰值明显变小，即开关变换器本身在开关频率及其倍频处的噪音不变，但其他频段由于电弧噪音变大；
[0035]根据以上分析，本实用新型提出的电弧检测过程如下:
[0036]1、对输入电流进行采样、滤波和FFT，得到电流高频分量的幅频特性；
[0037]2、根据变换器自身的开关特性选择比较频段，判断幅值是否变大；
[0038]3、选定一个或多个包含开关频率或倍数频率的频段，计算频段内的最大值Dl以及平均值D2，利用发生电弧后均值变大而最大值基本不变的现象经过逻辑计算，判断电弧是否发生。
[0039]以光伏逆变器为例，下面提供一种利用本实用新型进行电弧检测的实施方案:
[0040]I)直流电流经脉冲变压器，带通滤波器，AD转换器和M⑶处理器采样得到电流数据，如图5。
[0041 ] 2 )MCU处理部分，采样数据经汉林窗然后做FFT，将时域转换至频域，计算高频信号幅值后在进行数据逻辑处理，如图6。
[0042]3)数据逻辑处理部分主要利用机器自身特性产生的噪声信号，机器的噪声信号主要在机器开关频率的倍频处，图4是发生故障电弧的频谱，图3是没有发生故障电弧的频谱。
[0043]图中示例机器开关频率16k，如频谱所示无论是否发生电弧故障机器在16k，32k，48k附近有明显噪声信号。
[0044]基于以上两点M⑶选择倍频附近频段进行处理，如图3及图4可以选择27k_37k和43k-53k两个频段分别处理。结合图7，处理过程如下(图3中标出Dl，D2，D3)
[0045]步骤一、计算频段中Y个数的滑动平均值，比较选择最大值D1。在本实用新型中，不直接用最大值而用滑动平均最大值，从而将干扰考虑在内，利用滑动平均达到一定程度的滤波。
[0046]步骤二、去掉频段中的一定比例的高值和低值剩下值求均值D2。
[0047]步骤三、用最大值Dl减去D2求得差值D3。
[0048]步骤四、用差值D3除以均值D2求得百分比D4，统计10个数据中小于阈值Tl的百分比D4的个数X，若X大于阈值T2，则有电弧发生，否则，无电弧发生。
[0049]此算法与仅仅判断某一频段内幅值大小相比更有优势:首先，发生电弧故障时的差值D3小于没有发生电弧故障时的差值D3 ；其次，发生电弧故障时的均值D2大于没有发生电弧故障时的均值D2;最后，用D3除以D2，发生电弧故障时分子更小而分母更大，所得数值当然更小，更有利区分。
[0050]本实用新型从以下两点考虑使用此噪声信号:第一:发生电弧故障时整体频谱幅值抬高;第二:倍频处峰值幅值基本不变。
【主权项】
1.一种直流故障电弧检测装置，包括脉冲变压器，其特征在于，还包括带通滤波放大电路、AD采样电路及MCU处理单元，其中，脉冲变压器的电流输出端与带通滤波放大电路的输入端相连，带通滤波放大电路的输出端连接AD采样电路的输入端，AD采样电路的输出端与MCU处理单元的输入端相连。
【专利摘要】本实用新型涉及一种直流故障电弧检测装置，包括脉冲变压器，其特征在于，还包括带通滤波放大电路、AD采样电路及MCU处理单元，其中，脉冲变压器的电流输出端与带通滤波放大电路的输入端相连，带通滤波放大电路的输出端连接AD采样电路的输入端，AD采样电路的输出端与MCU处理单元的输入端相连。对于直流功率变换器领域，本实用新型提出一种新的直流故障电弧检测方法，利用变换器自身特性，直流电流高频分量在变换器开关频率的倍频处都会产生噪声信号，利用此噪声信号对故障电弧频谱进行分析计算，以此来检测是否发生故障电弧。
【IPC分类】G01R31/12, H02S50/00
【公开号】CN205193210
【申请号】CN201520669687
【发明人】张玉林, 刘蓉, 张俊
【申请人】上海正泰电源系统有限公司
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2015年8月31日