一种电弧检测传感器及电弧检测电路的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种电弧检测传感器及电弧检测电路。


背景技术：

2.随着光伏发电的发展，光伏发电系统的直流电压越来越高，比如1500v的光伏组串电压；系统众多的连接点中如果某连接点连接不良，就会出现拉弧现象，并且由于是直流电，没有过零点，这种电弧一旦燃烧就不容易熄灭，会造成严重的危害。所以，对于光伏发电系统进行电弧检测是十分必要的。
3.目前，直流电弧的检测思路是：基于直流线缆上交流电流的频域与时域的变化量，来确定是否出现电弧；也即，需要对直流线缆上的交流电流进行采集。当前逆变器在实现直流电弧检测时，为了节约成本，通常会由一个霍尔电流传感器在采集直流电流的同时，对其交流电流进行一并采集；然后利用后续电路同时实现对于光伏组串的电流测量和电弧检测。
4.实际应用中，由于光伏发电系统中的直流电流可以达20a以上，因此电流测量中存在些许误差是可以接受的；但是由于发生直流拉弧时产生的交流电流很小，一般为ma级别，因此霍尔电流传感器的误差就会影响到电弧检测的结果。而且，一旦霍尔电流传感器损坏，其直流电流检测和交流电流检测都会失效，电弧检测的功能也就失效了。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供一种电弧检测传感器及电弧检测电路，以提高电弧检测的可靠性。
6.为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：
7.本实用新型第一方面提供了一种电弧检测传感器，包括：封装外壳，以及，设置于所述封装外壳内部的直流电流传感器和拉弧互感器；其中：
8.待检测电流流经的线缆同时穿过所述直流电流传感器的磁芯和所述拉弧互感器的磁芯；
9.所述直流电流传感器的输出端输出电流测量信号；
10.所述拉弧互感器的输出端输出高频电流检测信号。
11.优选的，所述直流电流传感器和所述拉弧互感器，共用同一磁芯。
12.优选的，所述直流电流传感器为霍尔电流传感器。
13.优选的，所述拉弧互感器为高频交流互感器。
14.本实用新型第二方面还提供了一种电弧检测电路，包括：信号转换电路、带通滤波器、微处理器及如上述第一方面任一段落所述的电弧检测传感器；其中：
15.所述电弧检测传感器中拉弧互感器的输出端，与所述信号转换电路的输入端相连；
16.所述信号转换电路的输出端与所述带通滤波器的输入端相连；
17.所述带通滤波器的输出端与所述微处理器的第一输入端相连；
18.所述电弧检测传感器中直流电流传感器的输出端，与所述微处理器的第二输入端相连。
19.优选的，所述带通滤波器包括：有源高通滤波放大模块和有源低通滤波放大模块；
20.所述有源高通滤波放大模块的输入端为所述带通滤波器的输入端；
21.所述有源高通滤波放大模块的输出端与所述有源低通滤波放大模块的输入端相连；
22.所述有源低通滤波放大模块的输出端为所述带通滤波器的输出端。
23.优选的，所述有源高通滤波放大模块为二阶高通sallen
‑
key滤波器；
24.所述有源低通滤波放大模块为二阶低通sallen
‑
key滤波器。
25.优选的，所述有源高通滤波放大模块为四阶高通sallen
‑
key滤波器；
26.所述有源低通滤波放大模块为四阶低通sallen
‑
key滤波器。
27.优选的，所述信号转换电路包括：电阻和电容；
28.所述电阻的两端作为所述信号转换电路的输入端、连接于所述拉弧互感器的输出端两极之间；
29.所述电阻的一端接收参考电压，并通过所述电容接地；
30.所述电阻的另一端作为所述信号转换电路的输出端。
31.优选的，该电弧检测电路，还包括：第一多路选择器，第二多路选择器，和，另外至少一个所述电弧检测传感器及其后级所接的所述信号转换电路；
32.所述第一多路选择器设置于各所述信号转换电路与所述带通滤波器之间，其各输入端分别与各所述信号转换电路的输出端一一对应相连，其输出端连接所述带通滤波器的输入端；
33.所述第二多路选择器设置于各所述电弧检测电路与所述微处理器之间，其各输入端分别与各所述直流电流传感器的输出端一一对应相连，其输出端与所述微处理器的第二输入端相连。
34.优选的，所述所述第一多路选择器和所述第二多路选择器，均受控于所述微处理器。
35.优选的，所述微处理器的另一侧设置有拉弧报警信号端以及通信端。
36.本实用新型提供的电弧检测传感器，其封装外壳内同时设置有直流电流传感器和拉弧互感器；待检测电流流经的线缆同时穿过直流电流传感器的磁芯和拉弧互感器的磁芯，而且，直流电流传感器的输出端输出电流测量信号，拉弧互感器的输出端输出高频电流检测信号；也即，直流电流传感器和拉弧互感器虽然集成设置，却相互独立工作，避免了现有技术中霍尔电流传感器的误差对电弧检测结果的影响，同时还避免了霍尔电流传感器失效时交直流采样同步失效的问题，相对于现有技术提高了电弧检测的可靠性。并且，采用互感器采样交流信号，还进一步提升了电弧检测的采样精度。
附图说明
37.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例
或现有技术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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
38.图1为本实用新型实施例提供的一种电弧检测传感器的电路示意图；
39.图2为本实用新型实施例提供的一种电弧检测电路的结构示意图；
40.图3为本实用新型实施例提供的一种电弧检测电路的结构示意图；
41.图4为本实用新型实施例提供的有源高通滤波放大模块的一种电路图；
42.图5为本实用新型实施例提供的有源低通滤波放大模块的一种电路图；
43.图6为本实用新型实施例提供的信号转换电路的一种电路图；
44.图7为本实用新型实施例提供的一种电弧检测电路的结构示意图；
45.图8为本实用新型实施例提供的一种电弧检测电路的电路图。
具体实施方式
46.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
47.在本技术中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
48.本实用新型提供一种电弧检测传感器，以提高电弧检测的可靠性。
49.参见图1，该电弧检测传感器，包括：封装外壳101，以及，设置于封装外壳101内部的直流电流传感器102和拉弧互感器103。
50.其中，待检测电流ip流经的线缆同时穿过直流电流传感器102的磁芯和拉弧互感器103的磁芯；进而以一个集成的传感器同时实现对于待检测电流ip的直流电流采集和交流电流采集，以同时实现对于待检测电流ip的电流测量和高频电流检测。
51.具体的，当该待检测电流ip流过相应线缆时，通过直流电流传感器102的磁芯和拉弧互感器103的磁芯的感应，使直流电流传感器102的输出端vout输出电流测量信号，以实现对于待检测电流ip的直流电流测量；并使拉弧互感器103的输出端ct+/ct
‑
输出高频电流检测信号，以完成对于待检测电流ip的高频电流检测，进而可以实现电弧检测功能。
52.实际应用中，该待检测电流ip可以是任何需要同时实现电流测量和高频电流检测的电流，比如光伏组串的直流电流，此处不做限定，均在本技术的保护范围内。
53.并且，该直流电流传感器102可选为霍尔电流传感器，其电源端vcc接相应的电源，接地端gnd接地；实际应用中，该直流电流传感器102也可以为现有技术中的其他器件，能够实现对于待检测电流ip的直流电流测量即可，此处不做限定，视其具体应用环境而定，均在本技术的保护范围内。
54.另外，该拉弧互感器103可选为高频交流互感器，也可以为现有技术中的其他器
件，能够实现对于待检测电流ip的高频电流检测即可，此处也不做限定，视其具体应用环境而定，均在本技术的保护范围内。
55.相比于现有技术仅采用一个霍尔电流传感器同时实现电流测量和电弧检测，本实施例在原有直流电流传感器的基础上叠加一个高频交流互感器，其直流电流采样依然使用直流电流传感器，而微弱的拉弧交流电流信号采用独立的互感器进行采样；进而可以同时采集交直流电流信号且分别输出相关信号，同时实现电流测量功能和高频电流检测功能；而且两个传感器功能独立，互不影响，避免了现有技术中霍尔电流传感器的误差对电弧检测结果的影响，同时还避免了霍尔电流传感器失效时交直流采样同步失效的问题，相对于现有技术提高了电弧检测的可靠性。
56.并且，本实施例由于采用互感器采样交流信号，因此相比于现有技术还进一步提升了电弧检测的采样精度。
57.值得说明的是，现有技术中还存在另外一种电弧检测的方案，其主要是在光伏逆变器内部另外安装一套高频电流互感器，以单独用于采集交流信号。这种方式虽然电弧检测的采样精度能够保证，但是系统成本高，体积大，集成度低。
58.而本实施例提供的该电弧检测传感器，在电弧检测可靠性和采样精度均能够得到保证的基础上，将直流电流传感器102和拉弧互感器103封装成一个整体的集成电流传感器，相比于现有技术中单独安装一套高频电流互感器的实现方式，实现了高度集成的封装，有效减小了高频电流互感器和直流电流传感器分离设置时所产生的安装空间问题，减小了占用面积，降低了系统成本。也即，本实施例提供的该电弧检测传感器，不仅可以同步检测交直流信号，相互独立工作，而且集成度较高、成本低。
59.实际应用中，直流电流传感器102和拉弧互感器103独立设置时，两者均需要配备有相应的磁芯，而本实施例在上述实施例的基础之上，优选的，该电弧检测传感器中，其直流电流传感器102和拉弧互感器103，可以使用同一套规格的磁芯，即共用同一磁芯，以减少器件重复设置的成本，使得交直流传感器封装在一起的集成度更高，进一步有效降低成本。
60.本实用新型另一实施例还提供了一种电弧检测电路，如图2所示，包括：信号转换电路20、带通滤波器30、微处理器40及如上述任一实施例所述的电弧检测传感器10；其中：
61.该电弧检测传感器10的具体结构及原理，参见上述实施例即可，此处不再赘述。
62.该电弧检测传感器10中，拉弧互感器103的输出端，与信号转换电路20的输入端相连。
63.该信号转换电路20的输出端与带通滤波器30的输入端相连。
64.该带通滤波器30的输出端与微处理器40的第一输入端相连。
65.电弧检测传感器10中直流电流传感器102的输出端，与微处理器40的第二输入端相连。
66.图2所示的电弧检测电路，其具体工作原理为：
67.拉弧互感器103输出的是电流信号，需通过该信号转换电路20转换成电压信号才能别其他电路和器件处理。
68.该带通滤波器30主要用于对该信号转换电路20输出的信号进行滤波，只保留电弧敏感的频率信号并对其进行放大，而把其他信号滤掉；实际应用中，一般可以设计带通频率为20khz
‑
200khz之间，此处不做具体限定，视其应用环境而定即可，均在本技术的保护范围
内。
69.微处理器40用于对该带通滤波器30输出的信号进行采样，做算法分析，并最终做出是否有拉弧信号的判断；以及，对该直流电流传感器102输出的电流测量信号进行模数采样和数字处理后，从而得到待检测电流ip的电流大小信息。
70.在上述实施例的基础之上，本实施例提供了带通滤波器30的一种优选结构，如图3所示，其具体包括：有源高通滤波放大模块301和有源低通滤波放大模块302；其中：
71.有源高通滤波放大模块301的输入端作为带通滤波器30的输入端，接收信号转换电路20输出的信号。
72.有源高通滤波放大模块301的输出端与有源低通滤波放大模块302的输入端相连。
73.有源低通滤波放大模块302的输出端作为带通滤波器30的输出端，连接微处理器40的第一输入端。
74.实际应用中，优选的，该有源高通滤波放大模块301为二阶高通sallen
‑
key滤波器；有源低通滤波放大模块302为二阶低通sallen
‑
key滤波器。
75.参见图4，该二阶高通sallen
‑
key滤波器具体包括：第一运算放大器u1a、第三电容c3、第四电容c4、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5及第六电阻r6；其具体的器件连接关系为：
76.第三电容c3的一端作为该有源高通滤波放大模块301的输入端。
77.该第三电容c3的另一端分别连接第四电容c4的一端以及第四电阻r4的一端。
78.该第四电容c4的另一端分别连接第三电阻r3的一端以及该第一运算放大器u1a的同向输入端。
79.该第三电阻r3的另一端接地。
80.该第一运算放大器u1a的反向输入端分别连接第五电阻r5的一端和第六电阻r6的一端。
81.第五电阻r5的另一端接地。
82.第六电阻r6的另一端以及第四电阻r4的另一端，均与该第一运算放大器u1a的输出端相连，连接点作为该有源高通滤波放大模块301的输出端。
83.该第一运算放大器u1a的供电端正极接电源vdd，该第一运算放大器u1a的供电端负极接地。
84.参见图5，该二阶低通sallen
‑
key滤波器具体包括：第二运算放大器u1b、第七电阻r7、第八电阻r8、第五电容c5、第六电容c6、第九电阻r9及第十电阻r10；其具体的器件连接关系为：
85.第七电阻r7的一端作为该有源低通滤波放大模块302的输入端。
86.该第七电阻r7的另一端分别连接第八电阻r8的一端以及第六电容c6的一端。
87.该第八电阻r8的另一端分别连接第五电容c5的一端以及该第二运算放大器u1b的同向输入端。
88.该第五电容c5的另一端接地。
89.该第二运算放大器u1b的反向输入端分别连接第九电阻r9的一端和第十电阻r10的一端。
90.第九电阻r9的另一端接地。
91.第十电阻r10的另一端以及第六电容c6的另一端，均与该第二运算放大器u1b的输出端相连，连接点作为该有源低通滤波放大模块302的输出端。
92.该第二运算放大器u1b的供电端正极接电源vdd，该第二运算放大器u1b的供电端负极接地。
93.实际应用中，可以通过对第五电阻r5和第六电阻r6的阻值选择，实现对于该二阶高通sallen
‑
key滤波器的放大比例设置；并能通过对第九电阻r9以及第十电阻r10的阻值选择，实现对于该二阶低通sallen
‑
key滤波器的放大比例设置。各个阻值的大小以及两者所实现的放大比例，此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。
94.需要说明的是，带通滤波器30的实现方式有很多种，二阶高通sallen
‑
key滤波器+二阶低通sallen
‑
key滤波器只是其中的一种可选构成方式，实际应用中，完全可以换成4阶高通sallen
‑
key滤波器+4阶低通sallen
‑
key滤波器，也即，该有源高通滤波放大模块301为四阶高通sallen
‑
key滤波器，该有源低通滤波放大模块302为四阶低通sallen
‑
key滤波器；另外，其他可以实现带通滤波功能的器件也可以用来实现该带通滤波器30，并不仅限于这两种方式，视其具体应用环境而定即可，均在本技术的保护范围内。
95.在上述实施例的基础之上，本实施例提供了一种信号转换电路20的优选实现形式，具体如图6所示，包括：电阻r和电容c；其中：
96.该电阻r的两端作为信号转换电路20的输入端、连接于拉弧互感器103的输出端两极ct+/ct
‑
之间。
97.电阻r的一端接收参考电压vref，并通过电容c接地；
98.电阻r的另一端作为信号转换电路20的输出端。
99.由图6可见，该结构的信号转换电路20，所用器件少且连接关系简单，成本低，利于该电弧检测电路的推广应用。
100.实际应用中，电阻r和电容c均可以由任何具有相同功能的器件通过串并联形式来实现，而且，该信号转换电路20也可以采用其他形式来实现，并不仅限于图6所示的一种形式，现有技术中能够将电流信号转换成电压信号的结构均可，同样属于本技术的保护范围内。
101.在上述实施例的基础之上，本实施例提供了一种微处理器40的优选形式，其具体可以是任何形式构成的，能够实现其相应功能即可，只要其另一侧设置有拉弧报警信号端以及通信端即可。
102.该拉弧报警信号端的作用是：当微处理器40检测到电弧强度达到一定的阈值时，即可通过该拉弧报警信号端输出拉弧报警信号进行报警，起到对于运维人员的拉弧检修提醒。
103.同时，该微处理器40所检测得到的电弧状态及电流大小信息，也将通过该通信端进行发送或读取，实现相应的检测上报功能。
104.需要说明的是，当前的光伏发电系统中通常存在多个光伏组串，对于其各个光伏组串的电流，均需要进行电弧检测，所以，为了实现对于多个待检测电流ip的电流测量功能和高频电流检测功能，本实施例提供了一种更为优选的电弧检测电路：
105.在上述实施例的基础之上，优选的，如图7所示，该电弧检测电路，还包括：第一多
路选择器50，第二多路选择器60，和，另外至少一个电弧检测传感器10及其后级所接的信号转换电路20。
106.具体的，第一多路选择器50设置于各信号转换电路20与带通滤波器30之间，其各输入端分别与各信号转换电路20的输出端一一对应相连，其输出端连接带通滤波器30的输入端。
107.第二多路选择器60设置于各电弧检测电路10与微处理器之间，其各输入端分别与各直流电流传感器102的输出端一一对应相连，其输出端与微处理器40的第二输入端相连。
108.优选的，第一多路选择器50和第二多路选择器60，均受控于微处理器40。
109.多个拉弧互感器103输出的信号经过其信号转换电路20后进入第一多路选择器50，然后这些信号依次往后级进入带通滤波器30，经频率选择并做信号放大后进入微处理器40的第一输入端；同样，直流电流传感器102输出的信号经第二多路选择器60后依次传递给微处理器40的第二输入端；微处理器40负责对送入的信号进行采样并做算法分析，并最终做出是否有拉弧信号的判断。
110.结合上述实施例，图8所示为该电弧检测电路的一种具体形式，拉弧互感器103的输出端两极ct+/ct
‑
，分别接适配的信号转换电路20(如图8中所示的r1和c1，以及，r2和c2)，将拉弧互感器130输出的电流信号转换成电压信号，然后接第一多路选择器50的一个输入端。
111.第一多路选择器50的作用是：在受控的情况下，将多个信号转换电路20输出的信号依次传递至后级电路(即带通滤波器30)，图8中所示具体是将信号依次送入二阶高通sallen
‑
key滤波器和二阶低通sallen
‑
key滤波器，经过这两级滤波器的滤波和放大之后，最后信号送入微处理器40，完成信号采样和数据分析处理。
112.需要说明的是，图8中仅以两个电弧检测传感器10为例进行展示，实际应用中，可以很方便的加大各多路选择器的输入通道，来扩展到更多个电弧检测传感器10的使用场景，以适配于对大功率的系统，比如大功率逆变器，其直流侧采用多个电弧检测传感器是很常见的配置，本实施例通过多路选择器的设置，使各个电弧检测传感器10共用了后级的带通滤波器30及微处理器40，节约了实现成本，利于推广应用。
113.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
114.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应
认为超出本实用新型的范围。
115.对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。