[发明专利]用于检测DC电路中的电弧的方法与装置

说明书

本发明涉及用于检测DC电路中的电弧的方法，其中测量并分析电路中的高频信号。本发明还涉及用于检测电弧的装置并且涉及包括这种装置的逆变器。

在高电压连同高电流一起发生的电路中，尤其是在DC（直流）电路中，存在形成电弧的危险。例如，电弧会在维护工作（断开电流流经的线路）期间、在螺丝连接器或插入式连接器的触点劣化的情况下、在差的焊点或紧固不足的螺丝连接或者在受损的线路绝缘的情况下发生。已经产生的电弧通常只能通过大幅减小流经该电弧的电流来熄灭。

在光伏安装（在下文中简称为PV安装）中，由于高DC电压和占优势的高直流电流，因此电弧是一个不能被低估的问题，而且是PV安装中火灾的主要造成原因之一。

因此，用于检测已经发生的电弧的可靠方法是非常受关注的。为了安全，在这种情况下已经发生的电弧应当被可靠地检测。另一方面，被断定的电弧的不正确检测的可能性应当保持尽可能低，尤其是如果自动切断系统与电弧的检测相关联的话，在这种系统中，PV安装的自动重启被阻止，如在有些国家所要求的。

电弧通常发射延伸到高频范围内的宽带AC（交流）信号。用于基于电路中这种AC信号的检测来检测电弧的方法与装置是很普遍的并且例如在文档WO95/25374A中描述。

关于这种方法的一个问题是高频干扰信号会不正确地被认为是电弧引起的，从而导致用于检测电弧的装置的不正确触发。干扰信号的可能来源是，例如，高频无线电发送器、在十分靠近被监测系统经过的电气列车或电车的集电器中短暂出现的电弧，或者具有不足电磁屏蔽或干扰信号抑制的电气或电子设备。相邻电路中的电弧也可以耦合到所考虑的系统中并且可以不正确地触发用于监测电弧的装置。在PV安装中常常提供多个并联的DC电路、一PV部分发电机以及布置在每个DC电路中的逆变器。电路中不是源自在这个电路中发生的电弧的所有高频信号或信号成分在下文中都概要地称为“干扰信号”并且其来源被称为“干扰源”或者“干扰者”。

为了提高检测电弧的可靠性，文档US7,633,727B2公开了一种电弧检测系统，该系统具有两个在不同频率操作的窄带带通滤波器。只有在具有处于由带通滤波器确定的这两个不同频率范围内的信号成分的高频信号被观察到时，电弧才被确定为发生。但是，如果干扰信号具有与电弧的典型频率频谱相似宽度的频率频谱，则这种干扰信号不能与源自电弧的高频信号区分。

文档EP1772936A2公开了用于检测AC电路中的电弧的装置与方法，其中，除高频信号成分之外，电路中电流的变化率也被检测。如果这个变化率指示电路中从根本上讲可以作为电弧触发器的过程，例如突然的电流上升或下降，并且同时观察到指示电弧的高频信号，则假设电弧实际存在。但是，尤其是在其中发生非常高整体电流的电路中，例如在PV安装的DC电路中，触发电弧的过程不一定能利用整体电流的变化率很明确地检测到。

因此，本发明的一个目标是提供用于检测电弧的方法，该方法允许可靠地区分干扰信号和那些基于在电路中实际发生的电弧的高频信号。另一个目标是提供对干扰信号相对不灵敏的、用于检测电路中的电弧的装置。

这个目标是通过具有各个独立权利要求的特征的方法和装置来实现的。有利的发展与改进是从属权利要求的主题。

根据本发明用于检测DC电路中的电弧的方法包括以下步骤：测量并分析在DC电路中流动的电流的AC成分，并且确定该AC成分的至少一个参数，并且改变在DC电路中流动的电流的DC成分的电平。此外，确定在DC电路中流动的电流的电平与电流的AC成分的所述至少一个参数之间的相关程度。依赖于所确定的相关程度，检测并用信号通知电弧。

在电弧中，在由电路中的电弧发射的较高频AC信号的属性与流经该电弧的电流的电平之间存在一个关系。根据本发明，这个关系用于确定测得的包含较高频信号的AC成分是否真正源自在电路中发生的电弧。为此，在电路中流动的直流电流的电平改变，并且确定测得的较高频信号的参数与在电路中流动的直流电流的电平的相关程度。基于以这种方式确定的相关程度，认为已检测到电弧并且用信号通知电弧。由于干扰信号（并且尤其是从外部注入电路的干扰信号）的属性通常不受在所考虑的电路中流动的直流电流的电平的影响，因此该方法使得能够可靠地区分电弧信号和干扰信号。在本申请的范围内，频率在大约10kHz（千赫兹）至大约1MHz（兆赫兹）范围内的信号可以被认为是相对较高频率的AC信号。

在该方法的一种优选改进中，测得的AC成分的信号强度被认为是所述参数。如果信号强度随着增加的电流电平而下降，则所确定的相关程度特别优选地增加。以这种方式确定的相关程度特别好地反映了电弧的发生。