本發(fā)明涉及一種低壓電源供電系統(tǒng)中浪涌保護(hù)器（surgeprotectivedevice:spd)性能的實(shí)時(shí)智能在線檢測(cè)方法,這種方法可應(yīng)用于檢測(cè)低壓電源spd的關(guān)鍵元件：低壓壓敏電阻的漏電流。

背景技術(shù)：

浪涌保護(hù)器（surgeprotectivedevice:spd）也被稱作電涌保護(hù)器,俗稱為避雷器,主要用于各種電源系統(tǒng)的浪涌過電壓防護(hù)。氧化鋅壓敏電阻（metaloxidevaristor:mov,簡稱為壓敏電阻)具有陡峭的非線性伏安曲線,當(dāng)壓敏電阻兩端所施加的電壓超過規(guī)定的電壓時(shí),其電阻在納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)趨近于0,當(dāng)對(duì)壓敏電阻施加正常電壓時(shí),其電阻接近于無窮大,因而壓敏電阻常被并聯(lián)在電路中作為過壓泄放的途徑。壓敏電阻因?yàn)閯?dòng)作迅速,殘壓低,過壓消失后立刻自恢復(fù)常態(tài),無續(xù)流,漏電流小,耐過壓沖擊能力強(qiáng)而成為限壓型浪涌保護(hù)器最常用的關(guān)鍵功能元件。然而,壓敏電阻防雷有一個(gè)不足,就是需要壓敏電阻劣化后的處理措施。壓敏電阻的劣化有短路型和斷路型兩種形式,壓敏電阻的劣化導(dǎo)致spd的浪涌電壓防護(hù)能力削弱甚至完全喪失,從浪涌保護(hù)安全的角度,必須及時(shí)更換新的spd。短路型是壓敏電阻劣化最常見的形式,即劣化后壓敏電阻的漏電流會(huì)不斷增大,甚至接近于短路形式,若不從電路中斷開,會(huì)導(dǎo)致spd積熱而溫度升高,有使得壓敏電阻燃燒或產(chǎn)生電弧的危險(xiǎn),這會(huì)給被保護(hù)系統(tǒng)帶來起火的危險(xiǎn)。因此,劣化的壓敏電阻必須從電路中斷開（即脫扣：disconnection）,脫扣裝置是spd必備的標(biāo)準(zhǔn)配置。壓敏電阻斷路型的劣化,常發(fā)生在壓敏電阻受到比較大的過壓沖擊時(shí),大的沖擊電流使的壓敏電阻的接線端子與壓敏電阻斷開。對(duì)于斷路型的劣化,電路的浪涌保護(hù)已失效,也需要顯示其失效狀態(tài),以便及時(shí)更換。

參照我國工頻交流電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn),將交流1000伏以下視為低壓電源,低壓電源主要用于交流電的配電線路,在社會(huì)生活與生產(chǎn)中使用最普遍。低壓浪涌保護(hù)器常用于電信、移動(dòng)通信、鐵路系統(tǒng)、石化業(yè)、軍用電子系統(tǒng)等重要部門電源系統(tǒng)的浪涌保護(hù)。合格的低壓壓敏電阻性能的漏電流≤20μa,這一漏電流信號(hào)值小到足以淹沒于電源系統(tǒng)的噪聲之中,相比電源系統(tǒng)的噪聲是微弱信號(hào)。低壓壓敏電阻性能的測(cè)試需要特制儀器離線測(cè)量,其在線測(cè)試則是防雷業(yè)界長期以來未解決的難題。低壓電源浪涌保護(hù)器的脫扣,現(xiàn)有技術(shù)是基于極限值的物理脫扣,即以低溫焊錫焊接壓敏電阻的接線端子,并為端子附加彈簧杠桿機(jī)構(gòu),當(dāng)壓敏電阻劣化后溫度升高到設(shè)定值,低溫焊錫軟化,彈簧把端子拉開。這種脫扣裝置制造工藝復(fù)雜,是一次性產(chǎn)品,不可重用（reuse）,且響應(yīng)不及時(shí),誤動(dòng)作難以避免,因而基于物理脫扣的低壓浪涌保護(hù)器導(dǎo)致燃燒的事故常有發(fā)生。對(duì)于壓敏電阻斷路型的失效,若雷電沖擊造成的斷路未能觸發(fā)物理脫扣的杠桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)作,則壓敏電阻斷路后物理脫扣裝置即失去作用,劣化的低壓浪涌保護(hù)器依然顯示為正常狀態(tài),這會(huì)造成安全隱患。低壓浪涌保護(hù)器的精確和及時(shí)脫扣需要實(shí)時(shí)在線檢測(cè)其壓敏電阻的漏電流,根據(jù)壓敏電阻的漏電流來判別浪涌保護(hù)器,實(shí)現(xiàn)智能脫扣,淘汰物理脫扣技術(shù),而壓敏電阻的漏電流的大小是判斷低壓壓敏電阻性能好壞的標(biāo)志性參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供成本低、檢測(cè)精度高、能實(shí)時(shí)在線檢測(cè)低壓壓敏電阻漏電流,并以此來判斷低壓電源浪涌保護(hù)器性能的智能檢測(cè)方法,為低壓電源浪涌保護(hù)器實(shí)現(xiàn)智能脫扣提供判斷依據(jù)。

本發(fā)明采用微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)低壓電源浪涌保護(hù)器的關(guān)鍵功能元件壓敏電阻的漏電流值,并通過壓敏電阻漏電流的大小判斷低壓電源浪涌保護(hù)器性能是否合格。本發(fā)明所采用的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)由差分檢測(cè)模塊與降噪處理模塊實(shí)現(xiàn)。差分檢測(cè)模塊由兩個(gè)電流互感器（ct1,ct2）和差分放大器組成,兩個(gè)電流互感器（ct1,ct2）分別感測(cè)電路中低壓電源浪涌保護(hù)器前后的負(fù)載電流,其中電流互感器ct1感測(cè)的電流包括電路的負(fù)載電流與低壓電源浪涌保護(hù)器的漏電流,電流互感器ct2感測(cè)的電流只包括電路的負(fù)載電流。電流互感器（ct1,ct2）可采用鐵芯式變壓器或羅氏線圈（rogowskicoil）實(shí)現(xiàn),并將負(fù)載電流值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)幅值為v1,v2,經(jīng)過差分放大器進(jìn)行減法運(yùn)算,得到與低壓電源浪涌保護(hù)器的壓敏電阻漏電流幅值為(il)成比例(k)的差分電壓vad,：

vad=a(v1-v2)=kil（式1）

式1中系數(shù)a和k是由電流互感器的變比、電流互感器串聯(lián)的電阻值以及差分放大電路的增益所決定的常數(shù),vad經(jīng)過降噪處理模塊除去隨機(jī)噪聲,然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換（adc）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),傳輸?shù)轿⒖刂破鳎╩cu）或微處理器（mpu）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并對(duì)低壓電源浪涌保護(hù)器的性能進(jìn)行判別,顯示輸出檢測(cè)信息,并可執(zhí)行脫扣與告警控制。降噪處理模塊由降噪處理算法和實(shí)現(xiàn)算法的電路組成。降噪處理算法采用抑制載波的雙邊帶調(diào)幅算法消除噪聲,實(shí)現(xiàn)降噪處理算法的電路由兩級(jí)吉爾伯特乘法器電路與低通濾波電路實(shí)現(xiàn)。降噪算法處理算法如下：

設(shè)檢測(cè)信號(hào)頻率為ωs=50hz,幅值為|vs(t)|=vad=ki＝a1的工頻交流信號(hào),參考信號(hào)為幅值為a2的載波vc（t）,參考信號(hào)可選擇適宜頻率范圍為30khz-60khz,設(shè)混合在檢測(cè)信號(hào)中的噪聲信號(hào)為vn(t),

vs(t)=a1cos(ωst+θ1)（式2）

vc(t)=a2cos(ωct+θ2)（式3）

設(shè)乘法器的增益為g,檢測(cè)信號(hào)值vs（t）與噪聲信號(hào)vn(t)經(jīng)乘法器與vc(t)后得已調(diào)制信號(hào)vm(t)：

vm(t)＝[vs(t)+vn(t)]×vc(t)=vs(t)vc(t)+vn(t)vc(t)

=ga2[a1cos(ωst+θ1)cos(ωct+θ2)+vn(t)cos(ωct+θ2)]（式4）

式4中vn(t)一般為隨機(jī)噪聲和電源中二次及高次的諧波,隨機(jī)噪聲的平均值為0,經(jīng)低通濾波電路的積分效果后消除,電源諧波經(jīng)乘法處理以后相對(duì)于低通濾波電路的截止頻率為高頻信號(hào),可用低通濾波電路濾去,因此式4可以簡化為式5。

vm(t)＝ga2a1cos(ωst+θ1)cos(ωct+θ2)（式5）

由式5積化和差得到如式6中ωc+ωs與ωc-ωs兩個(gè)邊頻信號(hào)：

vm(t)＝0.5ga2a1{cos[(ωc+ωs)t+θ1+θ2)]+cos[(ωct-ωs)t+θ2-θ1]}（式6）

信號(hào)解調(diào)：vd(t)=vm(t)×vc(t),如式7

vd(t)=0.5ga2a1{cos[(ωc+ωs)t+θ1+θ2)]+cos[(ωct-ωs)t+θ2-θ1]}a2cos(ωct+θ2)

=c{cos[(2ωc+ωs)t+θ1+2θ2)]+cos[(2ωct-ωs)t+θ2-θ1]+2cos(ωst+θ1)}（式7）

式7中c為常數(shù),c=g²a1a2²/4。ωs為工頻交流電角頻率,ωc為參考信號(hào)的角頻率,則2ωc+ωs與ωc-ωs均為較高頻率項(xiàng),只有2cos(ωs+θ1)為低頻項(xiàng),式7經(jīng)過低通濾波（lpf）濾去隨機(jī)噪聲與高頻諧波后得式8：

vd(t)=2ccos(ωst+θ1)=0.5g²a1a2²cos(ωst+θ1)（式8）

式8中vd(t)為降噪模塊的最終輸出,進(jìn)一步,取vad的輸出為vs（t）,則a1=kil,vd(t)=0.5g²kila2²cos(ωst+θ1),測(cè)得vd(t)的幅值vd,即可求得壓敏電阻漏電流幅值il=2vd/(g²ka2²)。（比例系數(shù)為g²a1a2²k）的電壓值,vd(t)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),由微控制器（mcu）或微處理器（mpu）處理,可求得低壓電源浪涌保護(hù)器漏電流的數(shù)值。為了論述簡便,微控制器（mcu）或微處理器（mpu）以下簡稱為處理器。

當(dāng)?shù)蛪弘娫蠢擞勘Ｗo(hù)器所在系統(tǒng)遭受到雷電時(shí),壓敏電阻發(fā)生保護(hù)動(dòng)作,會(huì)有瞬間的大電流值,因而vd(t)會(huì)有瞬間的極大值,由微控制器記錄規(guī)定時(shí)間內(nèi)的這一極大值的次數(shù),則可為這一智能檢測(cè)系統(tǒng)附加雷電統(tǒng)計(jì)功能。

根據(jù)低壓電源浪涌保護(hù)器所使用的壓敏電阻的合格性能參數(shù)為處理器設(shè)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表,由處理器對(duì)vd(t)的進(jìn)行延時(shí)循環(huán)檢測(cè),當(dāng)檢測(cè)到低壓電源浪涌保護(hù)器的漏電流大于規(guī)定值時(shí),則延時(shí)3-10秒,再次檢測(cè),若后一次檢測(cè)到的值比前一次小,則前一值為低壓電源浪涌保護(hù)器執(zhí)行浪涌保護(hù)動(dòng)作的電流,若后一次檢測(cè)到的值大于或等于前一次結(jié)果,且電源電壓檢測(cè)電路未檢測(cè)到所保護(hù)的低壓電源系統(tǒng)中有持續(xù)性過壓,則再進(jìn)行一次延時(shí)檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果依然如前,則可判斷為低壓電源浪涌保護(hù)器已劣化。由此通過延時(shí)循環(huán)檢測(cè)來提高判斷的準(zhǔn)確性,避免因雷擊或浪涌電壓的干擾所造成的誤動(dòng)作。

處理器對(duì)vd(t)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果判斷低壓電源浪涌保護(hù)器的性能,報(bào)告電源系統(tǒng)中持續(xù)過壓異常狀況與低壓電源浪涌保護(hù)器的性能狀態(tài),并可執(zhí)行低壓電源浪涌保護(hù)器劣化后的告警與脫扣控制。

處理器通過zigbee器件以物聯(lián)網(wǎng)的形式或以無線局域網(wǎng)wlan的形式連接互聯(lián)網(wǎng),將數(shù)據(jù)發(fā)送到pc端,并通過pc機(jī)的應(yīng)用軟件通知運(yùn)維部門的工作人員,可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人值守機(jī)房的遠(yuǎn)程監(jiān)控與及時(shí)維護(hù),及大地節(jié)省運(yùn)維人員人工巡查的勞動(dòng)。

低壓電源浪涌保護(hù)器性能實(shí)時(shí)在線智能檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度高,判斷準(zhǔn)確,無誤動(dòng)作,且可長期重復(fù)使用,成本低。

附圖說明

圖1本發(fā)明實(shí)施例頂層設(shè)計(jì)的總體功能框圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的漏電流感測(cè)電路圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的差分放大器電路圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的降噪處理模塊電路圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的降噪處理模塊中乘法器電路。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例:

結(jié)合附圖予以說明,圖1為本發(fā)明的頂層設(shè)計(jì)的總體功能框圖,如圖1所示,差分檢測(cè)模塊與降噪處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓電源浪涌保護(hù)器的壓敏電阻漏電流的精確檢測(cè)。一個(gè)差分檢測(cè)模塊與一個(gè)降噪處理模塊組成一個(gè)低壓電源浪涌保護(hù)器監(jiān)測(cè)處理模塊,可實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)低壓電源浪涌保護(hù)器的壓敏電阻漏電流的監(jiān)測(cè)。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)可配置一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)處理模塊,根據(jù)應(yīng)用實(shí)際的需求,一般常為4個(gè)到8個(gè)監(jiān)測(cè)處理模塊。圖1中示出監(jiān)測(cè)處理模塊1（即圖1中的差分檢測(cè)模塊1及降噪處理模塊1）和監(jiān)測(cè)處理模塊n（即圖1中的差分檢測(cè)模塊n及降噪處理模塊n）。降噪處理模塊的輸出信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),傳輸給處理器進(jìn)行處理。圖1中模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）根據(jù)需要設(shè)計(jì)為可實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）實(shí)現(xiàn)的方式可以有多種選擇,可選擇專用的adc芯片,如adc0809,也可以選擇處理器芯片內(nèi)集成的adc。圖1中所示電源電源電壓檢測(cè)模塊是用來檢測(cè)所保護(hù)的低壓電源系統(tǒng)的電壓而設(shè),可用廉價(jià)的電阻串聯(lián)分壓來按比例降低所保護(hù)的低壓電源系統(tǒng)的電壓,或用變壓器降壓,經(jīng)橋式整流與濾波后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷河赡?shù)轉(zhuǎn)換器（adc）轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓,供控制器判斷所保護(hù)低壓電源系統(tǒng)有無持續(xù)過壓。

圖1中的處理器模塊可讀取adc的數(shù)據(jù),進(jìn)行比較和判斷處理,使顯示器顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)與處理結(jié)果,處理器模塊也可以通過zigbee器件以物聯(lián)網(wǎng)的形式或以無線局域網(wǎng)wlan的形式連接互聯(lián)網(wǎng),將數(shù)據(jù)發(fā)送到pc端,并通過pc機(jī)的應(yīng)用軟件通知運(yùn)維部門的工作人員,可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人值守機(jī)房的遠(yuǎn)程監(jiān)控與及時(shí)維護(hù),及大地節(jié)省運(yùn)維人員人工巡查的勞動(dòng)。

每個(gè)差分檢測(cè)模塊由漏電流感測(cè)電路和差分放大器電路構(gòu)成,漏電流感測(cè)電路如圖2所示,差分放大器電路如圖3所示,漏電流感測(cè)電路的輸出v1連到差分放大器電路的輸入端口v1,同理,漏電流感測(cè)電路的輸出v2連到差分放大器電路的輸入端口v2。

在圖2所示漏電流感測(cè)電路中,兩個(gè)電流互感器ct1和ct2分別感測(cè)低壓電源浪涌保護(hù)器所保護(hù)的低壓電源系統(tǒng)中干路的負(fù)載電流,如圖所示,ct1安裝在spd的壓敏電阻vr1之前,ct2則安裝在低壓電源浪涌保護(hù)器的壓敏電阻vr1之后,因而ct1感測(cè)到的電流值i1包含了壓敏電阻vr1中流過的電流il和低壓電源系統(tǒng)中干路的負(fù)載電流,ct2感測(cè)到的電流值只包含低壓電源系統(tǒng)中干路的負(fù)載電流,即il=i1-i2。在低壓電源浪涌保護(hù)器所保護(hù)的低壓電源系統(tǒng)無雷擊和浪涌過壓時(shí),il與壓敏電阻vr1的漏電流相當(dāng),其大小可反映vr1性能的好壞。圖2所示漏電流感測(cè)電路中,四個(gè)電阻rs1-rs4用于將電流互感器感測(cè)的電流值轉(zhuǎn)換為電壓輸出值v1,v2,兩個(gè)電容c1,c2用于濾除信號(hào)的高頻噪聲,提高檢測(cè)精度。低壓電源浪涌保護(hù)器通過磁保持繼電器k1接入電路,k1的控制信號(hào)a與b可由控制器發(fā)出,此為低壓電源浪涌保護(hù)器附加自動(dòng)脫扣控制功能之用。ct1,ct2后分別并接的tvs1與tvs2為瞬態(tài)二極管,用于對(duì)后續(xù)電路的浪涌過壓保護(hù)。

差分放大器用來實(shí)現(xiàn)差分運(yùn)算,消除共模干擾即對(duì)漏電流感測(cè)電路的輸出值進(jìn)行差分：v1-v2,差分放大器電路可采用專用的集成芯片設(shè)計(jì),也可以用低噪聲的儀表放大器設(shè)計(jì)差分電路。如圖3所示,差分放大器電路采用差分放大器專用集成芯片ina105設(shè)計(jì),差分放大電路將圖2所示漏電流感測(cè)電路所感測(cè)的電壓信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算,即差分放大電路的輸出vad=v1-v2,圖3所示電路是進(jìn)行差分運(yùn)算的低成本典型電路,其增益為1,其共模抑制比為80db。若需將差分放大電路的增益提高,也有許多其他的專用差分放大器集成芯片可選,如ina106,可設(shè)置增益為10,其共模抑制比為80db。

差分放大器電路的輸出vad傳輸給降噪處理模塊電路的vad輸入端口,由降噪處理模塊電路實(shí)現(xiàn)雙邊帶調(diào)幅算法消除噪聲,如圖4所示,降噪處理模塊電路由兩個(gè)完全相同的乘法器電路電路與低通濾波電路組成。兩個(gè)乘法器的vr輸入端口接30-60khz的同頻同相的參考信號(hào),即載波vc(t)。差分放大器電路的輸出vad連接第一級(jí)乘法器電路的輸入端口vs,與參考信號(hào)相乘后輸出已調(diào)制信號(hào)vm(t)，vm(t)再輸入下一級(jí)乘法器電路的輸入端口vs與參考信號(hào)相乘。下一級(jí)乘法器電路的輸出vm(t)由低通濾波電路處理得到解調(diào)輸出vd(t)。低通濾波電路可采用有源濾波電路,也可采用無源濾波電路。圖4中電阻r21與電容c21構(gòu)成經(jīng)典的低通濾波電路,其傳輸函數(shù)為：,傳輸函數(shù)的模為,當(dāng)頻率為0時(shí),低通濾波電路的傳輸函數(shù)的模最大,|h(s)|為1,隨著頻率的增大,|h(s)|減少,當(dāng)模|h(s)|降為時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率值為截止頻率,即:

,依據(jù)此式可設(shè)定低通濾波電路的截止頻率。

降噪處理電路中的乘法器電路如圖5所示,乘法器芯片可選用四象限乘法器mc1496或mc1596。在圖5中檢測(cè)信號(hào)vs從mc1596的1腳輸入,參考信號(hào)從10腳輸入,輸出信號(hào)從6腳輸出,2腳、3腳接的電阻re1用于擴(kuò)大乘法器的輸入值范圍。電位器rp1用于乘法器載波饋通輸出調(diào)零,r5,r6,r7用于輸入信號(hào)的輸入阻抗匹配。