TWI737294B - 具觸電保護功能之傳輸配電系統及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一種具觸電保護功能之傳輸配電系統包含一傳送端與一接受端。該傳送端包含一開關、一電流量測器、一信號產生器以及一控制器。該接受端包含一濾波器。該開關耦接一第一直流電源與一傳輸線。該電流量測器耦接該傳輸線，量測該傳輸線的一電流，且提供一電流信號。該信號產生器提供一擾動信號至該傳輸線。控制器接收該電流信號，且提供一控制信號控制該開關。該控制器判斷該電流信號具有該擾動信號時，該控制信號控制該開關關斷。

Description

具觸電保護功能之傳輸配電系統及其操作方法

本發明係有關一種傳輸配電系統，尤指一種具觸電保護功能之傳輸配電系統及其操作方法。

基站對於遠端設備的供電，因為傳輸距離較遠的原因，係透過在傳送端將交流電源轉換為高壓的直流電壓，再透過電力傳輸線的方式，傳送該高壓的直流電壓(例如190伏特)至遠端的接受端，並且再透過降壓為低壓的直流電壓(例如48伏特)對直流負載設備供電。而因為傳輸的電壓較高且傳輸距離較遠的關係，有可能會發生人體或其它生物誤觸導致感電的危險，在遠端傳輸產品的應用上，需要符合ATIS-0600030的規定，亦即需符合生物感電保護的規定。

一般而言，若人體碰觸的位置是直流電壓的某一端與大地之間時，因部分電流通過大地而沒有回到直流電壓，此時傳送出的電流與返回的電流不相等，傳送端可以得知發生了接地異常而斷電。然而，若人體碰觸的位置是位於直流電壓的正、負端子之間，則傳送端並無法判斷是正常負載還是發生了人體感電意外，所以應考慮如何避免人體感電意外。

請參見圖1所示，其係為現有傳輸配電系統用以偵測觸電與否之系統方塊圖。該傳輸配電系統具有一傳送端(側)與一接受端(側)，其中該接受端係透過一傳輸線L_X，例如一電力傳輸線，接收該傳送端所傳送的電力，進而對一負載100供電。該傳送端係包含一交直流轉換器12A、一開關14A、一傳送端電流量測器16A以及一傳送端控制器18A。該接受端包含一直流轉換器22A、一接受端電流量測器24A以及一接受端控制器26A。

該交直流轉換器12A係為一升壓轉換器，用以將一交流輸入電源V_AC轉換為一第一直流電源V_DC1，其中該第一直流電源V_DC1可為例如但不限定為190伏特的直流高電壓。該開關14A耦接該交直流轉換器12A的輸出側與該傳輸線L_X。該傳送端電流量測器16A耦接該傳輸線L_X與該傳送端控制器18A，用以量測在該傳送端流經該傳輸線L_X的電流大小，且提供一傳送端電流信號S_IT。該傳送端控制器18A接收該傳送端電流信號S_IT可得知在該傳送端流經該傳輸線L_X的電流大小，且提供一開關控制信號S_W，以控制該開關14A的導通與關斷，進而控制該傳送端所提供的電力是否傳送至該接受端。

該直流轉換器22A係為一降壓轉換器，用以將該第一直流電源V_DC1降壓為一第二直流電源V_DC2，該第二直流電源V_DC2可為例如但不限定為48伏特的直流低電壓。該接受端電流量測器24A耦接該傳輸線L_X與該接受端控制器26A，用以量測在該接受端流經該傳輸線L_X的電流大小，且提供一接受端電流信號S_IR。該接受端控制器26A接收該接受端電流信號S_IR可得知在該接受端流經該傳輸線L_X的電流大小。

再者，該傳送端控制器18A與該接受端控制器26A係透過一通訊線L_C進行雙向通訊。具體地，該傳送端控制器18A可透過該通訊線L_C將在該傳送端流經該傳輸線L_X的電流大小的資訊傳送至該接受端，或者該接受端控制器26A可透過該通訊線L_C將在該接受端流經該傳輸線L_X的電流大小的資訊傳送至該傳送端，藉此，透過該傳送端控制器18A或該接受端控制器26A判斷該在該傳送端流經該傳輸線L_X的電流大小與在該接受端流經該傳輸線L_X的電流大小兩者之間的差異。

在現有傳輸配電系統用以偵測觸電與否的方式(作法)係透過利用該傳送端與該接受端之間的網路傳輸電流資訊，進而偵測兩者之間的該傳輸線L_X是否發生人員誤觸感電的意外。

惟，在現有傳輸配電系統由於該傳送端與該接受端兩者的距離甚遠，若使用有線通訊將產生通訊線架設的問題，即便使用無線通訊，一旦發生網路中斷、網路傳輸功率不足或者無網路可用，則該通訊線L_C將失效而無法作為該傳送端控制器18A與該接受端控制器26A之間的通訊，如此將無法實現觸電保護的功能，將造成人員生命財產安全的損失。

本發明之目的在於提供一種具觸電保護功能之傳輸配電系統，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的具觸電保護功能之傳輸配電系統包含一傳送端與一接受端。該傳送端透過一傳輸線傳送一第一直流電源至該 接受端。該傳送端包含一開關、一電流量測器、一信號產生器以及一控制器。該開關耦接該第一直流電源與該傳輸線。該電流量測器耦接該傳輸線，量測該傳輸線的一電流，且提供一電流信號。該信號產生器提供一擾動信號至該傳輸線。該控制器接收該電流信號，且提供一控制信號控制該開關。該接受端包含一濾波器。該濾波器耦接該傳輸線。其中該控制器判斷該電流信號具有該擾動信號時，該控制信號控制該開關關斷。

在一實施例中，該擾動信號載於該第一直流電源上。

在一實施例中，該擾動信號係為一電壓高頻信號。

在一實施例中，該擾動信號係具有至少一種頻率。

在一實施例中，該傳輸線的一正端和一負端之間有一阻抗時，該電流信號具有該擾動信號。

在一實施例中，該控制器具有一高通濾波器，用以過濾出該電壓高頻信號。

在一實施例中，該電流量測器係為一霍爾效應感測器。

在一實施例中，該控制器對該電流信號進行快速傅立葉轉換，以解析出是否具有該擾動信號。

在一實施例中，該接受端更包含一直流轉換器。該直流轉換器耦接該濾波器，用以將該第一直流電源降壓為一第二直流電源。

在一實施例中，該直流轉換器為一開關模式電源，且該開關模式電源的一最大開關切換頻率小於該擾動信號的一頻率。

在一實施例中，當該電流量測器無量測到該擾動信號時，該控制信號控制該開關導通。

藉由所提出的具觸電保護功能之傳輸配電系統，可偵測出是否發生人員誤觸感電的情事，並且當誤觸感電的情事發生時，能夠立即中斷供電，立即地排除誤觸感電的情事，以達到觸電保護的功能。

本發明之另一目的在於提供一種具觸電保護功能之傳輸配電系統的操作方法，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的具觸電保護功能之傳輸配電系統的操作方法包含：透過一傳輸線從一傳送端傳送一第一直流電源至一接受端；提供一擾動信號至該傳輸線；量測該傳輸線的一電流，且提供一電流信號；及判斷該電流信號具有該擾動信號時，關斷該第一直流電源傳送至該接受端。

在一實施例中，該擾動信號載於該第一直流電源上。

在一實施例中，該擾動信號係為一電壓高頻信號，且具有至少一種頻率。

在一實施例中，該傳輸線的一正端和一負端之間有一阻抗時，判斷該電流信號具有該擾動信號。

在一實施例中，對該電流信號進行快速傅立葉轉換，以解析出是否具有該擾動信號。

藉由所提出的具觸電保護功能之傳輸配電系統的操作方法，可偵測出是否發生人員誤觸感電的情事，並且當誤觸感電的情事發生時，能夠立即中斷供電，立即地排除誤觸感電的情事，以達到觸電保護的功能。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與 特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

V_AC:交流輸入電源

V_DC1:第一直流電源

V_DC2:第二直流電源

L_X:傳輸線

L_C:通訊線

100:負載

12A:交直流轉換器

14A:開關

16A:傳送端電流量測器

18A:傳送端控制器

22A:直流轉換器

24A:接受端電流量測器

26A:接受端控制器

S_W:開關控制信號

S_IT:傳送端電流信號

S_IR:接受端電流信號

10:傳送端

20:接受端

12:控制器

14:開關

16:電流量測器

18:信號產生器

22:濾波器

24:直流轉換器

V_D:擾動信號

S_I:電流信號

S_W:控制信號

I_X:電流值

R_L:線路阻抗

R_B:阻抗

S11~S14:步驟

圖1：為現有傳輸配電系統用以偵測觸電與否之系統方塊圖。

圖2：為本發明具觸電保護功能之傳輸配電系統的方塊圖。

圖3：為本發明具觸電保護功能之傳輸配電系統發生人員觸電的示意圖。

圖4：為本發明具觸電保護功能之傳輸配電系統的操作方法的流程圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

請參見圖2所示，其係為本發明具觸電保護功能之傳輸配電系統的方塊圖。該具觸電保護功能之傳輸配電系統包含一傳送端(transmitting terminal)10與一接受端(receiving terminal)20，其中該傳送端10與該接受端20相距甚遠，有時可達數公里。該傳送端10透過一傳輸線L_X傳送一第一直流電源V_DC1至該接受端20，其中該傳輸線L_X具有一等效的線路阻抗R_L。其中該第一直流電源V_DC1係經由一交直流轉換器(圖未示)將一交流電源(圖未示)轉換所得到，然不限於此。於某些實施例，該第一直流電源V_DC1係經由一直流直流轉換器將一直流電源轉換所得到。該第一直流電源V_DC1係可為190伏特的直流電壓，然不以此為限制本發明。

該傳送端10包含一開關14、一電流量測器16、一信號產生器18以及一控制器12。該開關14耦接該第一直流電源V_DC1與該傳輸線L_X。其中該開關14不限制為機械式開關或者為功率電晶體開關。該電流量測器16耦接該傳輸線L_X，用以量測該傳輸線L_X的一電流值I_X，且根據該電流值I_X提供一電流信號S_I，量測位置不限於正端或負端。其中該電流量測器16係為一霍爾效應感測器(Hall sensor)或羅氏線圈(Rogowski Coil)，然不以此為限制。在本實施例中，該電流值I_X係由該接受端20往該傳送端10方向流動的電流大小。

該信號產生器18提供一擾動信號V_D至該傳輸線L_X。其中該擾動信號V_D與該第一直流電源V_DC1係為疊加的關係，即該擾動信號V_D載於該第一直流電源V_DC1上。相較於該第一直流電源V_DC1的大小(為190伏特)，該擾動信號V_D可為5伏特的大小。在本實施例中，該擾動信號V_D為高頻的電壓信號，例如500kHz，但不以此為限制本發明。又或者，該擾動信號V_D具有兩種以上頻率所組成的信號，可根據人體或其它生物的等效阻抗模型來選擇適當的擾動頻率。該控制器12接收該電流信號S_I，且提供一控制信號S_W控制該開關14的導通或關斷(容後詳細說明)。

該接受端20包含一濾波器22與一直流轉換器24。該濾波器22耦接該傳輸線L_X，其中該濾波器22可為但不限制為一電感或一電磁干擾濾波器(EMI filter)。該直流轉換器24耦接該濾波器22，用以將該第一直流電源V_DC1降壓為一第二直流電源V_DC2，以對一負載100供電之用。其中該第二直流電源V_DC2係可為48伏特的直流電壓，然不以此為限制本發明。值得一提，圖2的該傳送端10並非限制是單獨的模組，該傳送端10亦可整合於圖1所示的交直流轉換 器或直流直流轉換器(依輸入為交流或直流而定)；相同的，圖2的該直流轉換器24與該濾波器22亦可整合於同一個模組或分開。

以下，說明本發明該具觸電保護功能之傳輸配電系統的操作原理。如圖2所示，由該傳送端10傳送至該接受端20的電源為該第一直流電源V_DC1加上該擾動信號V_D(即V_DC1+V_D)。當無人員誤觸感電發生時，該第一直流電源V_DC1加上該擾動信號V_D的電源傳送至該接受端20。然而，經由該濾波器22，高頻信號的該擾動信號V_D將被濾除，因此得到的該第一直流電源V_DC1通過該濾波器22到達該直流轉換器24。經過該直流轉換器24將該第一直流電源V_DC1降壓得到48伏特的該第二直流電源V_DC2對該負載100(例如一直流負載)供電。

在此情況下，因為該濾波器22的存在，高頻的該擾動信號V_D無法在迴路中形成相應的電流，該電流量測器16量測到的該電流值I_X並沒有明顯高頻的該擾動信號V_D所造成的電流。因此，當該電流量測器16量測到該電流值I_X，該電流量測器16提供該電流信號S_I至該控制器12。該控制器12內部可透過例如快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)對該電流信號S_I進行運算，但不以此為限制，可解析出是否具有該擾動信號V_D的高頻成分。在本實施例中，由於從該接受端20往該傳送端10流經的該電流值I_X並沒有明顯高頻的該擾動信號V_D所造成的電流，因此該電流信號S_I經該控制器12進行快速傅立葉轉換並沒有解析出具有該擾動信號V_D的高頻成分，因此該控制器12提供的該控制信號S_W控制該開關14導通，使得該第一直流電源V_DC1能夠正常且持續地傳送至該接受端20對該負載100供電。

而另一實施方式，可藉由該電流量測器16量測該電流值I_X的漣波，例如使用一些感應線圈式的電流感測器來量測變動的電流大小，並提供該電 流信號S_I至該控制器12，該控制器12設定一個閾值，當判斷該電流信號S_I的漣波值低於閾值，則該控制器12提供的該控制信號S_W控制該開關14導通，使得該第一直流電源V_DC1能夠正常且持續地傳送至該接受端20對該負載100供電。

請參見圖3所示，其係為本發明具觸電保護功能之傳輸配電系統發生人員觸電的示意圖。由該傳送端10傳送至該接受端20的電源為該第一直流電源V_DC1加上該擾動信號V_D(即V_DC1+V_D)。當發生人員誤觸感電時，人體將等效在該傳輸線L_X的正、負兩端有一阻抗R_B，此處以簡單的電阻說明人體阻抗。在此情況下，流往該傳送端10方向的該電流值I_X存在高頻信號的該擾動信號V_D(由於該高頻信號的該擾動信號V_D未經過該濾波器22，並且人體不具濾波功能)，經過該阻抗R_B所形成的迴路流回至該傳送端10。因此，該電流量測器16量測該電流值I_X，該電流量測器16提供該電流信號S_I至該控制器12，此時該電流信號S_I的漣波值也會變大，控制器12可以判斷出該漣波值已超過閾值，或該控制器12內部透過快速傅立葉轉換對該電流信號S_I進行運算，可解析出具有該擾動信號V_D的高頻成分。

由於發生人員誤觸感電使得該控制器12判斷出具有該擾動信號V_D的高頻成分，因此該控制器12提供的該控制信號S_W控制該開關14關斷，以中斷該第一直流電源V_DC1傳送至該接受端20，進而使人員誤觸感電的情事立即地排除，以達到觸電保護的功能。

值得一提，該直流轉換器24將該第一直流電源V_DC1轉換為該負載100所需的電壓，該直流轉換器24可使用例如線性穩壓器或開關模式電源(Switch Mode Power Supply,SMPS)等來實現。當使用開關模式電源時，不管開關切換頻率是變頻控制或定頻控制都會造成電流有開關切換頻率的成分。因此，該擾動信號 V_D的頻率選擇必須能區隔開關切換頻率，以避免造成偵測的誤判。舉例說明，當該直流轉換器24的最大開關切換頻率在100kHz附近時，該擾動信號V_D的頻率可選擇大於100kHz的500kHz，然不以此為限，只要該直流轉換器24的最大開關切換頻率小於該擾動信號V_D的頻率即可。頻率愈接近會讓控制器的設計較為複雜，透過適當的設計該擾動信號V_D的頻率，該控制器12便可透過設置簡單的一高通濾波器將該電流信號S_I的特定頻率(例如，該擾動信號V_D的頻率)過濾出，並判斷是否有超過一設定的閾值。或者，透過快速傅立葉轉換對該電流信號S_I進行運算，可解析出具有該擾動信號V_D的高頻成分。

請參見圖4所示，其係為本發明具觸電保護功能之傳輸配電系統的操作方法的流程圖。所述具觸電保護功能之傳輸配電系統包含一傳送端與一接受端，該傳送端與該接受端係透過一傳輸線連接。該操作方法包含以下步驟：首先，透過該傳輸線從該傳送端傳送一第一直流電源至該接受端(S11)。該第一直流電源係經由一交直流轉換器將一交流電源轉換所得到，或者該第一直流電源係經由一直流直流轉換器將一直流電源轉換所得到。

然後，提供一擾動信號至該傳輸線(S12)。透過一信號產生器產生該擾動信號，其中該擾動信號與該第一直流電源為疊加的關係，即該擾動信號載於該第一直流電源上。該擾動信號為高頻的電壓信號，例如500kHz，但不以此為限制本發明。又或者，該擾動信號具有兩種以上頻率所組成的信號，可根據人體或其它生物的等效阻抗模型來選擇適當的擾動頻率。

然後，量測該傳輸線的一電流，且提供一電流信號(S13)。透過耦接該傳輸線的一電流量測器量測該傳輸線的電流大小，且根據該電流大小提供該電流信號。

最後，判斷該電流信號具有該擾動信號時，關斷該第一直流電源傳送至該接受端(S14)。當無人員誤觸感電發生時，該第一直流電源加上該擾動信號的電源傳送至該接受端。然而，由於該接受端具有耦接該傳輸線的一濾波器，因此，經由該濾波器，高頻信號的該擾動信號將被濾除，因此得到的該第一直流電源通過該濾波器到達該接受端。在此情況下，因為該濾波器的存在，高頻的擾動信號無法在迴路中形成相應的電流，該電流量測器量測到的該電流大小並沒有明顯高頻的該擾動信號所造成的電流。因此，當該電流量測器量測到該電流大小，該電流量測器提供該電流信號至一控制器。該控制器內部可透過例如快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)對該電流信號進行運算，但不以此為限制，可解析出是否具有該擾動信號的高頻成分。當從該接受端往該傳送端流經的該電流大小並沒有明顯高頻的該擾動信號所造成的電流，因此該控制器控制連接於該傳輸線的一開關導通，使得該第一直流電源能夠正常且持續地傳送至該接受端對一負載供電。而另一實施方式，可藉由該電流量測器量測該電流值的漣波，例如使用一些感應線圈式的電流感測器來量測變動的電流大小，並提供該電流信號至該控制器，該控制器設定一個閾值，當判斷該電流信號的漣波值低於閾值，則該控制器提供的該控制信號控制該開關導通，使得該第一直流電源能夠正常且持續地傳送至該接受端對該負載供電。

當發生人員誤觸感電時，人體將等效在該傳輸線的正、負兩端有一阻抗。在此情況下，流往該傳送端方向的該電流大小存在高頻信號的該擾動信號(由於該高頻信號的該擾動信號未經過該濾波器，並且人體不具濾波功能)，經過該阻抗所形成的迴路流回至該傳送端。因此，該電流量測器量測該電流大小，該電流量測器提供該電流信號至該控制器，此時該電流信號的漣波值也會變大， 該控制器可以判斷出該漣波值已超過閾值，或該控制器內部透過快速傅立葉轉換對該電流信號進行運算，可解析出具有該擾動信號的高頻成分。由於發生人員誤觸感電使得該控制器判斷出具有該擾動信號的高頻成分，因此該控制器控制該開關關斷，以中斷該第一直流電源傳送至該接受端，進而使人員誤觸感電的情事立即地排除，以達到觸電保護的功能。

綜上所述，本發明係具有以下之特徵與優點：

1、透過簡單的提供擾動信號載於電源上，即可達到人員誤觸感電與否的判斷。

2、一旦發生人員誤觸感電，則透過立即地切斷供電，使人員誤觸感電的情事立即地排除，以達到觸電保護的功能。

以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

10:傳送端

20:接受端

12:控制器

14:開關

16:電流量測器

18:信號產生器

22:濾波器

24:直流轉換器

V_D:擾動信號

S_I:電流信號

S_W:控制信號

I_X:電流值

R_L:線路阻抗

R_B:阻抗

Claims (14)

1. 一種具觸電保護功能之傳輸配電系統，包含一傳送端與一接受端，其中該傳送端透過一傳輸線傳送一第一直流電源至該接受端，該傳輸配電系統包含：該傳送端，包含：一開關，耦接該第一直流電源與該傳輸線；一電流量測器，耦接該傳輸線，量測該傳輸線的一電流，且提供一電流信號；一信號產生器，提供一擾動信號至該傳輸線；及一控制器，接收該電流信號，且提供一控制信號控制該開關；該接受端，包含：一濾波器，耦接該傳輸線；及一直流轉換器，耦接該濾波器，用以將該第一直流電源降壓為一第二直流電源；其中該控制器判斷該電流信號具有該擾動信號時，該控制信號控制該開關關斷。
2. 如請求項1所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統，其中該擾動信號載於該第一直流電源上。
3. 如請求項1所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統，其中該擾動信號係為一電壓高頻信號。
4. 如請求項1所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統，其中該擾動信號係具有至少一種頻率。
5. 如請求項1所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統，其中該傳輸線的一正端和一負端之間有一阻抗時，該電流信號具有該擾動信號。
6. 如請求項3所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統，其中該控制器具有一高通濾波器，用以過濾出該電壓高頻信號。
7. 如請求項1所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統，其中該電流量測器係為一霍爾效應感測器。
8. 如請求項1所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統，其中該控制器對該電流信號進行快速傅立葉轉換，以解析出是否具有該擾動信號。
9. 如請求項1所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統，其中該直流轉換器為一開關模式電源，且該開關模式電源的一最大開關切換頻率小於該擾動信號的一頻率。
10. 如請求項1所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統，其中當該電流量測器無量測到該擾動信號時，該控制信號控制該開關導通。
11. 一種具觸電保護功能之傳輸配電系統的操作方法，包含：透過一傳輸線從一傳送端傳送一第一直流電源至一接受端；提供一擾動信號至該傳輸線；量測該傳輸線的一電流，且提供一電流信號；及判斷該電流信號具有該擾動信號時，關斷該第一直流電源傳送至該接受端；其中，對該電流信號進行快速傅立葉轉換，以解析出具有該擾動信號。
12. 如請求項11所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統的操作方法，其中該擾動信號載於該第一直流電源上。
13. 如請求項11所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統的操作方法，其中該擾動信號係為一電壓高頻信號，且具有至少一種頻率。
14. 如請求項11所述之具觸電保護功能之傳輸配電系統的操作方法，其中該傳輸線的一正端和一負端之間有一阻抗時，判斷該電流信號具有該擾動信號。

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