簡介

電弧故障檢測需要將危險電弧條件與各種其他噪聲負載條件和受控電弧條件（例如有刷電機）區(qū)分開來。在發(fā)生絕緣故障或接線連接不良的情況下，會產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致導(dǎo)體之間的間隙足夠接近，允許電子跳過間隙。

當該間隙電壓達到使間隙電離所需的電平時，電弧信號會以瞬時電流階躍的形式開始出現(xiàn)。一旦電離傳導(dǎo)路徑形成，電流路徑在電離電弧上就會產(chǎn)生隨時間變化的電阻。這會導(dǎo)致寬帶頻率變化，其振幅比負載電流小 40-60dB。

電弧點火時的初始峰值看起來可能像繼電器開關(guān)或調(diào)光器的初始峰值。開關(guān)模式電源和有刷電機會產(chǎn)生與電弧特征相似的噪聲負載條件。因此，使用信號重疊較少的更高頻率信息來區(qū)分受控電弧和不受控電弧非常有用。電弧特征噪聲延伸到 1MHz 至 20MHz，其中大部分負載噪聲特征都有所減少。

要以數(shù)字方式對該信號進行采樣和處理，需要 >20MSPS 的采樣率和具有足夠處理帶寬的 MCU（以便實時過濾數(shù)據(jù)）。電弧檢測系統(tǒng)面臨的另一個挑戰(zhàn)是電弧電流的范圍可以跨越多個數(shù)量級。例如，UL1699 需要中斷 5A-500A 的電流。

為了解決上述難題，該應(yīng)用優(yōu)先選擇對數(shù)檢測器，因為它能夠包絡(luò)傳入的高頻信號并根據(jù)輸入信號的振幅輸出直流/低頻信號。除了能將高頻轉(zhuǎn)換為低頻之外，這些對數(shù)檢測器還擁有 80-90dB 的動態(tài)檢測范圍以及低輸入電壓靈敏度，因此可作為此應(yīng)用的首選。具有 40MHz 帶寬和 98dB 動態(tài)范圍的 LOG300 可以滿足上述條件，并能根據(jù)傳入的高頻電弧信號的振幅以對數(shù)方式調(diào)節(jié)輸出。

圖 1 展示了有刷電機真空腔，當電機中的電刷旋轉(zhuǎn)時，該真空腔內(nèi)出現(xiàn)了少量正常電弧。3D 圖展示了 1–30MHz 頻率下，0-40ms（兩個周期）時間內(nèi)的電流量級。有刷電機正常運行的情況下，15MHz 和 5MHz 處存在接近恒定的小峰值。

圖 2 展示了一個真空電機及一連串電弧。每 8.3ms（60Hz 下的半個周期）就會有一個明顯的因電弧點火產(chǎn)生的峰值，雖然基本噪聲水平只是略高，但在此情況下，本底噪聲來自用于測量電流的探頭。下一節(jié)展示了一種清晰的電路設(shè)計，其中包含用于提取這種高峰值噪聲的對數(shù)檢測器，以及用于電弧檢測的低電平基本噪聲。

示例：使用 LOG300 進行電弧檢測

圖 4 展示了使用 TIDA-010971 模擬前端與 UL1699 中定義的電弧發(fā)生器收集的電弧數(shù)據(jù)示例。該 TI 參考設(shè)計使用精密運算放大器 TLV387 來集成寬帶寬 PCB di/dt 電流傳感器。該參考設(shè)計還采用 LOG300 AFE，這是一款整合了低噪聲放大器輸入級和對數(shù)檢測器的器件。由于 10MHz 無源濾波器可消除大部分負載噪聲，因此在典型負載下 LOG300 的輸出幾乎保持恒定。在具有 10MHz 頻率內(nèi)容的電弧事件期間，LOG300 輸出以對數(shù)方式響應(yīng)，表現(xiàn)為所施加輸入的包絡(luò)。包絡(luò)輸出的頻率要低得多，因此可以對該數(shù)據(jù)進行采樣和處理，并且這種方式對采樣率和 MCU 帶寬的要求要低得多。

即使面對調(diào)光器等非正弦負載，LOG300 也能夠提供與正常運行明顯分離的信號。由于電路和負載阻抗的變化，簡單的線性算法可能不足以實現(xiàn)通用電弧檢測。為了實現(xiàn)更穩(wěn)健的電弧故障檢測，LOG300 模擬輸出數(shù)據(jù)可用于訓練機器學習算法，以便對電弧進行分類。（邊緣 AI Studio 中提供了相關(guān)示例）

商標

所有商標均為其各自所有者所有。