CN204231296U - 一种检测电路中的电弧的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种检测电路中的电弧的装置，所述电路设有太阳能面板组件，所述装置包括：电压测量器，其耦合到所述电路以测量所述太阳能电池面板组件所产生的电压；输入/输出装置，其与所述电压测量器耦合以接收指示所述太阳能电池面板组件所产生的电压的电压信息；以及处理器，其与所述输入/输出装置耦合并且用于判断所述太阳能电池面板组件产生的电压低于阈值电压，并以此表明所述电路中产生了电弧。当该装置判断所述太阳能面板组件产生的电压低于阈值电压，表明所述电路中产生了电弧。

Description

一种检测电路中的电弧的装置

技术领域

本实用新型涉及检测电路故障的领域，特别地、但不仅限于一种检测电路中的电弧的装置，其中该电路中设有太阳能电池面板。

背景技术

电能可以通过电气配电系统以多种不同的方法进行分配，这些方法包括：架空具有暴露导体的电缆、绝缘地下电缆或通过电气变电站中的固定导体。电气配电系统中可能因多种原因而产生电气故障，包括绝缘组件水浸、绝缘子绝缘性能下降，例如由于绝缘子老化，或使绝缘子暴露至元器件，以及异物或导电物体掉落在母线上。诸如电弧等的电气故障通常会产生大量的热，从而可能是危险的且可导致产生火灾和/或损坏电气配电系统的部件。

太阳能面板在太阳辐射时作为电源会产生直流电压。太阳能面板的输出电压和该太阳能面板上的辐射水平相关，甚至在很低的辐射水平时，太阳能面板也能产生较大的直流电压(>100V DC)。相应地，具有一个或多个太阳能面板的系统若发生故障则会产生大量的热，或者甚至是产生火灾，从而会损坏元器件并危及故障附近的人。

实用新型内容

本实用新型的各个方面和特征在以下得以说明。

为了克服上述问题，本实用新型提供了一种检测电路中的电弧的装置，该电路设有太阳能电池面板，其特征在于，该装置设置用于判断所述太阳能面板组件产生的电压低于阈值电压时，表明所述电路中产生了电弧。

上述装置可设置用于接收指示所述太阳能面板组件的太阳辐照度水平的太阳辐照度水平信息，并基于该接收到的太阳辐照度水平信息确定所述阈值电压，可选地，当所述太阳能面板组件受到由所述太阳辐照度水平信息表明的太阳辐照度水平时，所述阈值电压是和所述电路正常运行有关的下限电压。

上述装置被用来测量太阳辐照度水平，以表明所述太阳能面板组件的太阳辐照度水平的太阳辐照度，可选地，其中，所述装置用于测量所述太阳能面板组件的太阳辐照度水平。

上述装置进一步设置用于测量太阳辐照度水平。

上述装置设置用于测量所述太阳能面板组件的太阳辐照度水平。

上述装置包括至少下面其中一个:该装置用于接收指示所述太阳能面板组件的温度的温度信息，并基于所述接收到的温度信息确定所述阈值电压；该装置用于接收指示连接到所述太阳能面板组件的负载的负载信息，并基于所述接收到的负载信息确定所述阈值电压；当确定所述太阳能面板组件产生的电压已表明所述电路中有电弧产生时，该装置作出响应，发送一个指示电弧产生的信号；当确定所述太阳能面板组件产生的电压已表明所述电路中有电弧产生时，该装置作出响应，对所述太阳能面板组件的至少一部分进行电气隔离；以及该装置用于测量所述太阳能面板组件产生的电压，可选地，该装置用于测量所述太阳能面板产生的直流母线的电压。

根据本实用新型的其中一个实施例，提供了一种检测电路故障的方法，该电路包括由一个或多个太阳能面板组成的太阳能面板组件。指示所述太阳能面板组件的太阳辐照度水平的太阳辐照度水平信息被接收。该接收到的辐照度信息是在所述太阳能面板或其附近的地方获取到的太阳辐照度水平信息–例如，在所述太阳能面板组件场地获取。所述太阳能面板组件产生的电压的信息被接收并且基于所述接收到的太阳辐照度水平信息指示的太阳辐照度水平的阈值电压被确定。所述阈值电压和由所述接收到的电压信息所确定的电压值相对比，并且当由所述接收到的电压信息所确定的电压值超出该确定的阈值电压时，则可判断接收到的电压信息所指示的电压值能够说明故障发生。一旦确定存在发生故障的可能性，会发送表明该故障的信号，该信号使隔离器能够在接收到该信号时隔离该电路的一部分从而消除故障。

这里也描述了一种检测电路中故障的方法和对应的装置，其中该电路设有太阳能面板组件，该方法包括测量所述太阳能面板组件的太阳辐照度水平，测量所述太阳能面板组件产生的电压，将所述测量的电压和与所述测量的辐照度水平有关的阈值电压进行对比，根据对比结果作出相应，确定所述测量的电压是否能够表明故障产生。

作为一个优势，太阳能电厂可能已有测量太阳能面板附近的辐照度（例如采用气象站的数据）的方法，故可以在无需安装额外的太阳辐照度水平测量设备的情况下实施这里所描述的方法。更进一步，由于太阳能面板组件通过直流母线提供直流电压，它可能已经有测量直流母线的电压的装置，因此，可以在无需额外的电压测量电路的情况下实施这里所描述的方法。另外，太阳能面板组件可能有相关的隔离装置，因此可以在无需额外的隔离装置的情况下实施这里所描述的方法。

当太阳能面板或太阳能面板组件的正负端子间发生短路或电弧时，提供的电压会大幅下降，并且产生的电流会因此增加。相应地，产生的电弧直到电源（太阳能面板和/或太阳能面板组件）被隔离时才会消失。通过提供检测故障产生的方法，可采取措施以防止该故障产生的火灾和/或损害。

附图说明

通过以下对附图的描述，本实用新型实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，其中

图1给出了一种检测电路的故障的装置示例图，其中该电路设有太阳能面板组件；

图2给出了检测电路的故障的方法流程图，其中该电路设有太阳能面板组件；

图3给出了太阳能组件面板所受到的太阳辐照度水平和相应产生的输出电压之间关系的曲线图；

图4显示了图3的示例关系以及图3中太阳辐照度水平对应的阈值电压曲线；

图5给出了在不同温度下太阳能组件面板的太阳辐照度水平和所述组件产生的输出电压之间关系的曲线图；

图6给出了在温度或负载信息未知的情况下，图5的曲线图以及示例的阈值电压；

图7给出了在负载信息已知但温度信息未知的情况下，图5的曲线图以及示例的阈值电压；

图8给出了在温度信息已知但负载信息未知的情况下，图5的曲线图以及示例的阈值电压；以及

图9给出了在温度和负载信息已知的情况下，图5的曲线图以及示例的阈值电压。

具体实施方式

下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的，而绝不是对本实用新型及其应用或用法的限制。在各个附图中采用相同的附图标记来表示相同的部件，因此相同部件的构造将不再重复描述。

以下结合附图以及具体实施方式对本实用新型的技术方案做进一步说明。

一些电源，比如太阳能面板，其电流可被严格地限制。对于一些太阳能面板，一旦暴露在少量太阳能辐射下，辐照度的增加不会导致太阳能面板产生的电流大幅上升。当由限流式电源供电的电路产生故障时，发明者希望该电流源不能提供额外的电流，这样该故障不会大幅增加电流消耗。因此，过流检测故障的方法在这种情况下不适用。

图1给出了一种用于检测电路110的故障的装置示例图，该电路110具有太阳能面板组件112，包括一个或多个太阳能面板以向负载114提供电能。辐照度测量器116和温度测量器117位于太阳能面板112的附近以能够分别测量指示太阳能面板组件112所接受的太阳辐射度的太阳辐照度水平和指示太阳能面板112温度的温度值。电压测量器118耦合到电路110以能够测量太阳能面板组件112产生的电压。在一个例子中，电路110具有一个由太阳能面板组件供电的直流电压母线，并且该电压在该直流电压母排处被测量。图1也显示了具有输入/输出装置122、处理器124和存储器126的计算机120，计算机120可通过输入/输出装置122操作负载，且从计算机可读介质123，计算机可读程序指令存储在存储器126中，当该指令在处理器124上执行时，该指令时可使该计算机120实施这里所描述的全部和部分方法。输入/输出装置122耦合到辐照度测量器116上,从而使其可接收来自辐照度测量器116的、指示太阳能面板组件112的的太阳辐照度水平的太阳辐照度水平信息。输入/输出装置122进一步可接收来自电压测量器118的、指示太阳能面板组件112在电路节点113所产生的电压的电压信息。输入/输出装置122耦合到隔离器128，隔离器128在接收到来自输入/输出装置122的信号时会电气隔离电路110的至少一部分–在该例子中，隔离器128被用来隔离负载114和太阳能面板组件112。作为一种可能性，隔离器采取断路器装置的形式以机械的方式对电路进行物理断路。可选地，负载114可以连接到输入/输出装置122以能够为计算机120提供负载信息。

本领域的技术人员应该明白：尽管上述方法中使用太阳能面板组件给负载供电以及使用隔离器隔离负载和太阳能面板组件，作为另外一种可能性，该隔离器可用来把太阳能面板组件的一个或多个子部分和该太阳能面板组件的另一个或多个子部分隔离。

图2给出了检测图1中的电路的故障的方法流程图。在步骤202，来自辐照度测量器116的、指示太阳能面板组件112的太阳辐照度水平的太阳辐照度水平信息被计算机120接收。该太阳辐照度水平信息可能以数字信号的形式，例如分组化数据传输，和/或模拟信号的形式，例如光伏电池提供的电压。

在步骤204，来自电压测量器118的、指示太阳能面板组件112所产生的电压的电压信息被计算机120接收。该电压信息可能数字信号的形式，例如分组化数据传输，和/或模拟信号的形式。

在步骤206，为太阳辐照度水平确定阈值电压，且该太阳辐照度水平由太阳辐照度水平信息指示，当太阳能面板组件受到的太阳辐照度水平和由接收到的太阳辐照度水平信息所指示的太阳辐照度水平一致时，该阈值电压可指示至少部分太阳能面板组件所期望的和/或可接受的工作电压极的限值。确定阈值电压的示例方法包括：参考制造商的、关于至少部分太阳能面板组件112运行特性的规格，参考至少部分太阳能面板组件112的性能的经验测量值，参考至少部分太阳能面板组件112的校准数据，和/或从理论上计算阈值电压。该方法的步骤206进一步涉及访问查询表、数据库、和/或存储的方程参数以确定该阈值电压。

在步骤208，将确定的阈值电压和由接收到的电压信息所指示的电压值进行对比。基于这种对比，在步骤210，确定由接收到的电压信息所指示的电压值是否指示存在故障。在图2所示的例子中，确定的标准为：由接收到的电压信息所指示的电压值是否超出阈值电压。若接收到的电压信息所指示的电压值超出阈值电压，则通过了期望的和/或可接受的工作电压的极限，并且由接收到的电压信息所指示的电压值指示有故障发生。

在图2所示的方法的进一步步骤中，若在步骤210确定发生故障，则该方法会继续执行步骤212。另外，若在步骤210确定没发生故障，则该方法会返回至步骤202。

在步骤212，指示存在该故障的信号产生，并且该信号由计算机120通过输入/输出装置122传输。该信号可以是告警的形式，例如，声告警、闪光等或其它视觉指示器，和/或可能为电子信号，比如分组化通信或电路交换通信，且可能包含能够用来录入确定故障的信息–例如通过记录故障/信号的日期和/或时间。

在步骤214，该方法会继续隔离至少一部分电路–例如负载114。特别地，隔离器128被配置成，在接收到步骤212产生的信号后对电路110进行隔离–例如把负载114和太阳能面板组件112进行电气隔离。

尽管步骤202和204在图2中是顺序执行的，本领域技术人员应该理解，步骤202和204可以以任何顺序或同时被执行。

尽管图2中步骤212在步骤214前发生，本领域技术人员应该理解，步骤212和214可以互换或组合，并且它们中的其中一个或两个步骤可以被省略。

图3描绘了太阳能面板组件的太阳辐照度水平和该组件产生的电压之间关系的示例曲线图（曲线300）。X轴是太阳能面板组件的太阳辐照度水平，Y轴是太阳能面板组件所产生的电压。相应地，若太阳能面板组件的辐照度水平与产生的电压之间具有策划的关系，且该太阳能面板组件受到数值为‘a’的太阳辐照度水平，那么在正常运行过程中，可期望该太阳能面板组件产生数值为‘b’的电压。

图4显示了图3中的图形，基于图3，曲线410显示了确定的阈值电压随太阳能面板组件的辐照度水平而变化。另外，显示了指示故障的电压。特别地，对于太阳辐照度水平为‘a’，在期望的电压值‘b’和阈值电压值‘c’之间的电压将会与太阳能面板组件正常/可接受的工作电压有关。然而，低于与辐照度水平‘a’有关的可接受电压的下限电压范围的电压值‘d’将指示故障的产生。

太阳能面板组件可以给一个或多个逆变器或其它具有多个工作状态的负载供电。例如，逆变器可能具有“开机”状态，在该状态下，逆变器从太阳能面板组件获取电能，以及具有“关机”状态，在该状态下，逆变器将其从太阳能面板组件上断开。由于处于“开机”状态的逆变器可能会向与其连接的太阳能面板组件反馈电流，在电弧或其它故障产生时，该逆变器反馈给太阳能面板组件的电流会发生变化，并因此可能改变状态进入“关机”状态。然而，仅逆变器进入“关机”状态并不足以使故障停止。另外，处于“开机”状态的逆变器加载太阳能面板组件的方式和处于“关机”状态的逆变器不同。更进一步地，改变连接到太阳能面板组件的负载会导致太阳能面板组件产生的电压发生变化，因此连接到太阳能面板组件的负载的信息可用来改善对阈值电压的判断。作为一种可能性，包含逆变器的负载可用于向计算机提供其状态信息，使确定阈值电压时也将该信息考虑在内。

太阳能面板组件产生的电压可以取决于太阳能板阵列的温度。图5描绘了不同温度下太阳能面板组件的太阳辐照度水平和太阳能面板组件所产生电压之间关系的示例曲线图。该关系在两种情况下被显示：(i)当负载连接到具有太阳能面板组件的电路（虚线图）；以及(ii)当负载没有连接到具有太阳能面板组件的电路（实线图）。X轴是太阳能面板组件的太阳辐照度水平，Y轴是相应太阳能面板组件所产生的电压。

曲线510描绘了在-25℃以及与负载断开时，太阳能面板组件所产生的电压和太阳能面板组件的太阳辐照度水平之间的关系。即，曲线510显示了当太阳能面板温度在-25℃时，期望的开路电压和辐照度之间的关系。曲线550显示了在-25℃以及与负载连接时，太阳能面板组件所产生的电压和太阳能面板组件的太阳辐照度水平之间的关系。曲线520显示了太阳能面板组件在0℃以及与负载未连接时，太阳能面板组件所产生的电压和太阳能面板组件的辐照度水平之间的关系。曲线560显示了太阳能面板组件在0℃以及与负载连接时，太阳能面板组件所产生的电压和太阳能面板组件的辐照度水平之间的关系。曲线530显示了太阳能面板组件在25℃以及与负载未连接时，太阳能面板组件所产生的电压和太阳能面板组件的辐照度水平之间的关系；曲线570显示了太阳能面板组件在25℃以及与负载连接时，太阳能面板组件所产生的电压和太阳能面板组件的辐照度水平之间的关系。曲线540显示了太阳能面板组件在50℃以及与负载未连接时，太阳能面板组件所产生的电压和太阳能面板组件的辐照度水平之间的关系；曲线560显示了太阳能面板组件在50℃以及与负载连接时，太阳能面板组件所产生的电压和太阳能面板组件的辐照度水平之间的关系。

例如，若具有图5所示特性的太阳能面板组件在温度-25℃并连接到负载时，且其受到的太阳辐照度水平为300W/m²，则在正常运行中，可期望产生约750V的电压。在此情况下，太阳能面板组件期望的开路电压将大约是900V。

图6显示了图5中的图形，另外给出了“跳闸区”600，其边界为阈值电压610。在给定条件下，若在图6的曲线中太阳能面板组件产生的电压和辐照度水平的交汇点位于跳闸区600内，则电弧检测装置将确定太阳能面板组件所产生的电压表明产生电弧。在图6所示的例子中，阈值电压610在太阳能面板组件的一定辐照度数值下不会持续变化，而是保持一些数值恒定。特别地，阈值电压610在低辐照度数值下为0，但在辐照度高于阈值辐照度640时为非0的数值。若太阳能面板组件的辐照度水平低于阈值辐照度640，则电弧检测装置不会确定任何接收到的电压信息表明了电弧的发生。

为防止隔离器错误动作，定义图6中的跳闸区域600，低于图6中的曲线510-580。这使得装置被配置为按照图6中的跳闸区域工作，该区域对于太阳能板阵列的温度和负载的存在或缺失都不敏感。

由于可能会发生与理论上的、图6中的曲线510-580的偏离，并且这在实际应用中发生过–例如，由于测量误差，选择的阈值电压在期望的工作温度、负载的范围内低于最低期望电压。最低期望电压和阈值电压之间的差别由图6中的参考符号620指示。图6也通过参考符号630指示了太阳能面板组件产生的电压的最大电压范围,该电压可能和未指示产生故障的曲线510-580的最高值不同。

图7显示了图5中的曲线，另外给出了具有阈值电压710和阈值辐照度水平740的跳闸区700。在这种情况下，装置接收到负载信息，该负载信息指示负载未连接到具有太阳能面板组件的电路，但未接收到指示太阳能面板组件温度的温度信息。阈值电压710被确定为数值足够低，以便对太阳能板阵列的温度不敏感，然而该数值足够高以至于需要考虑接受到的指示负载未连接信息。最低期望电压和阈值电压之间的差别由图7的参考符号720表示，且太阳能面板组件产生的电压的最大电压范围由图7中参考符号730表示，该电压可能和未指示产生故障的曲线510-580的最高值不同。可以看到的是，通过考虑所接收到的负载未连接的信息，和图6中的相比时，电压的最大范围730被减小，在该范围内太阳能面板组件产生的电压可能和未指示产生故障的曲线510-580的最高值不同。

图8显示了图5中的曲线，另外给出了具有阈值电压810和阈值辐照度水平840的跳闸区800。在这种情况下，装置接收到指示太阳能面板组件温度为-25℃的温度信息，但未接收到指示负载是否连接到具有太阳能面板组件的电路的负载信息。阈值电压810被确定为足够低的数值，从而对于负载是否连接到具有太阳能面板组件的电路不敏感，然而也足够高以至于需考虑所接收到的温度信息。最低期望电压和阈值电压的差别在图8中由参考符号820表示，且太阳能面板组件产生的电压的最大电压范围由图8中参考符号830表示，该电压可能和未指示产生故障的曲线510-580的最高值不同。可以看到的是，通过考虑接收到的温度信息，和图6中的相比时，电压的最大范围830被减小，在该范围内太阳能面板组件产生的电压可能和未指示产生故障的曲线510-580的最高值不同。

该装置可接收指示太阳能面板组件温度的温度信息和指示负载未连接的负载信息。图9显示了图5中的曲线，另外给出了具有阈值电压910和阈值辐照度水平940的跳闸区900。在这种情况下，装置接收到指示太阳能面板组件温度为-25℃的温度信息，也接收到指示负载未连接到具有太阳能面板组件的电路的负载信息。阈值电压910被确定为足够高的数值以便考虑接收到的温度信息和负载信息。最低期望电压和阈值电压的差别在图9中由参考符号920表示，且太阳能面板组件产生的电压的最大电压范围由图9中参考符号930表示，该电压可能和未指示产生故障的曲线510-580的最高值不同。可以看到的是，通过考虑接收到的温度信息和负载信息，和图6，7及8中的相比时，电压的最大范围930被减小，在该范围内太阳能面板组件产生的电压和未指示产生故障的曲线510-580的最高值不同。

本领域的技术人员应该明白，尽管图1显示了隔离器128被用来隔离电路110中的负载114，当然该隔离器也可以被配置成隔离电路中的不同部分。例如，隔离器可被用来隔离负载114的一部分和/或隔离太阳能面板组件的一部分。本领域的技术人员应该理解，尽管上述隔离器描述为包括机械断路器以用来断开电路，当然其它具有相同或等同功能的装置也可以被采用。

作为一种可能性，提供了一种装置，包括：太阳能辐照度检测器、太阳能面板组件以及用于测量所述太阳能面板组件所产生的电压的电压测量器，该装置被用来确定所测量到电压是否指示太阳能面板组件产生故障。

本领域的技术人员应该理解，本文中的名词术语“隔离”和动词“隔离”是指对装置/元件及其相应元件的电气隔离，为了隔离该装置/元件，需要采取行动以防止电流在该装置/元件和电路中另一装置/元件之间流通。相应地，两个装置/元件可能有一个公共连接点，例如接地点，若电流没有在那些装置/元件中流通时，该公共连接点在实用新型中隔离。

本领域的技术人员应该明白，用于确定太阳能面板组件产生的电压能够指示产生故障的阈值电压可以随太阳能面板组件的辐照度水平连续或不连续的变化。

本领域的技术人员应该明白，有关接收到的电压信息所指示的电压值超出阈值电压的描述也可为接收到的电压信息所指示的电压值低于阈值电压。作为一种可能性，在接收到的辐照度水平信息已知的情况下，这里所述方法和装置确定的阈值电压描述了接收到的电压信息所指示的可接受电压值的范围。测量的电压和阈值电压相对比，若测量的电压低于阈值电压，则判断故障产生。

本领域的技术人员应该理解，术语“太阳辐照度水平”和传输到某个物体表面的单位面积的能量有关，由于太阳辐照至该物体上。当测量太阳辐照度水平时，包括瓦特/平方米在内，可采用不同的单位。本领域的技术人员应该理解，使用不同的单位测量物体单位面积受到的辐射能量不会改变固有的测量量的性质。实际上，在一些实施例中，例如采用模拟电信号指示太阳辐照度水平，测量量可能具有一个完全不同的单位（即伏特），但这不会背离辐照度测量量所具有的固有信息。作为一种可能性，可以用二进制数表示辐照度，“1”表示有太阳辐射，“0”表示无太阳辐射（或相反的表示方法）。相应地，指示太阳辐照度水平的太阳辐照度水平信息也可以用二进制数表示。本领域的技术人员也能够理解可以采用不同方法测量太阳辐照度，例如：天空辐照表、直接日射表和/或光伏电池。

本文描述了一种装置，该装置被用来检测电路的电弧，其中该电路具有太阳能面板组件。该装置可确定太阳能面板组件的输出低于阈值并由此指示电路中有电弧产生。

本领域的技术人员应该明白，虽然负载信息指示负载是否连接到太阳能面板组件，另外，可选地，负载信息可以指示连接到太阳能面板组件的负载的幅值，例如，指示负载阻抗。

本领域的技术人员应该明白，术语“辐照度”、“辐照度水平”和“照射水平”在本文中可以互换。

配备了可存储计算机可读指令的计算机可读介质，当处理器执行该指令时，可使该处理器实施这里所描述的全部或部分方法。

Claims (3)

1.一种检测电路中的电弧的装置，该电路设有太阳能电池面板组件，所述装置包括： 

电压测量器，其耦合到所述电路以测量所述太阳能电池面板组件所产生的电压； 

输入/输出装置，其与所述电压测量器耦合以接收指示所述太阳能电池面板组件所产生的电压的电压信息；以及 

处理器，其与所述输入/输出装置耦合并且用于判断所述太阳能电池面板组件产生的电压低于阈值电压，并以此表明所述电路中产生了电弧。 

2.如权利要求1中所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括辐照度测量器，该辐照度测量器与所述输入/输出装置耦合并且用于测量指示所述太阳能电池面板组件的太阳辐照度水平的太阳辐照度水平。 

3.如权利要求1或2中所述的装置，其特征在于，所述装置还包括隔离器，该隔离器与所述输入/输出装置耦合并且在接收到来自所述输入/输出装置的信号时对所述太阳能电池面板组件的至少一部分进行电气隔离。