專利名稱：包括延遲的電弧故障電路檢測方法、系統(tǒng)以及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電路中的電弧故障檢測，并且更具體地涉及用于檢測并減輕電氣系統(tǒng)中電弧故障的方法、系統(tǒng)以及裝置。
背景技術(shù)：
因為許多周知的原因，電氣系統(tǒng)會經(jīng)歷不必要的電弧故障。組合電弧故障斷路器(Arc Fault Circuit Interrupters,縮寫為AFCIs)適用于檢測低電流電弧故障。然而,這種組合AFCIs可以監(jiān)測其中會有相當(dāng)量RF(Radio Frequency,射頻)噪聲存在的電流波形。RF噪聲可以是由于短歷時飛弧(arcing)所引起的，諸如接通以及斷開家用開關(guān)時。此RF噪聲在某些情況下可以與電弧故障極為類似，并且導(dǎo)致組合AFCI的不必要的跳閘。所以，對于AFCI以及檢測方法存在這樣的需求，可以在實際電弧故障與類似電弧故障的情況(諸如被監(jiān)控電流波形中存在RF噪聲)之間加以區(qū)分。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，提供了一種電弧故障檢測方法。本方法包括判定是否滿足第一飛弧判據(jù)，如果滿足第一飛弧判據(jù)則開始延遲期，在此延遲期期間判定是否滿足延遲判據(jù)，以及如果滿足延遲判據(jù)則判定是否滿足第二飛弧判據(jù)。根據(jù)另一方面，提供了一種電弧故障檢測方法。本方法包括判定是否滿足第一飛弧判據(jù)，判定是否滿足延遲判據(jù)，如果滿足該延遲判據(jù)則在延遲期內(nèi)實現(xiàn)延遲，以及判定是否滿足第二飛弧判據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種電氣故障檢測裝置。本電氣故障檢測裝置包括適合于監(jiān)測電流波形和高頻噪聲的電路、以及與電路耦合的微處理器，該微處理器適合于判定是否滿足第一飛弧判據(jù)，并且基于是否滿足延遲判據(jù)開始延遲，以及，如果滿足第二飛弧判據(jù)則發(fā)送跳閘信號。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種電氣保護系統(tǒng)。本電氣保護系統(tǒng)中包括電力負(fù)載以及電氣故障中斷裝置，該電氣故障中斷裝置與電力負(fù)載耦合并且具有適合于監(jiān)測電流波形和高頻噪聲的電路、以及與電路耦合的微處理器，該微處理器適合于判定是否滿足第一飛弧判據(jù)，并且基于是否滿足延遲判據(jù)開始延遲，以及，在延遲之后，如果滿足第二飛弧判據(jù)則發(fā)送跳閘信號以中斷至負(fù)載的電流。通過舉例說明一些示范實施例以及實現(xiàn)，包括用于實現(xiàn)本發(fā)明所設(shè)想的最佳模式，根據(jù)下面的詳細(xì)描述，容易理解本發(fā)明的其它方面、特征以及優(yōu)點。本發(fā)明也能是其他的以及不同的實施方式，并且在各個方面可以修改其若干細(xì)節(jié)，所有這些都不會脫離本發(fā)明的本質(zhì)及范圍。據(jù)此，附圖以及描述自然應(yīng)當(dāng)視為說明性的而非限制性的。這些附圖不一定按比例繪制。本發(fā)明覆蓋落入本發(fā)明本質(zhì)及范圍內(nèi)的所有修改、等效置換以及替換。


圖I圖示根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法的實施例的流程圖；圖2圖示根據(jù)本發(fā)明另一方面的方法的示范可選實施例的流程圖；圖3圖示根據(jù)本發(fā)明又一方面的方法的另一示范可選實施例的流程圖；圖4圖示電流波形跡線以及高頻(例如，射頻噪聲)的接收信號強度指示(RSSI)的跡線指示；圖5圖示整流電流波形(AFout)以及輸出波形總和的各種曲線； 圖6A圖示延遲計數(shù)定時器、整流負(fù)載電流波形(AFout)的總和、以及差信號的各種曲線；圖6B圖示的整流電流波形(AFout)；圖6C圖示基于相對高幅值整流電流波形(AFout)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號的曲線圖；圖6D圖示基于相對低幅值整流電流波形(AFout)的信號的曲線；圖7圖示根據(jù)本發(fā)明方面的示范電弧故障中斷系統(tǒng)和裝置的實施例；以及圖8圖示根據(jù)本發(fā)明方面的示范比較器電路的實施例。
具體實施例方式現(xiàn)在，具體參照說明本發(fā)明各方面的示范實施例，其示例示于附圖中。只要可能，全部附圖中使用相同的附圖標(biāo)記指代相同或相似的部分。本發(fā)明克服了與現(xiàn)有技術(shù)的電弧故障檢測方法及裝置有關(guān)的上述滋擾跳閘問題。在普通家庭中，使用常規(guī)的彈簧開關(guān)(典型用于照明)時，在正常操作情況下會產(chǎn)生大量高頻噪聲(例如，RF噪聲)。由于打開或關(guān)閉開關(guān)時所出現(xiàn)的飛弧，會產(chǎn)生這種高頻噪聲。結(jié)果,如圖4所示,這種高頻噪聲(例如,RF噪聲)可以由接收信號強度指示(Received SignalStrength Indicator，RSSI)信號表征，其可以具有大幅動態(tài)幅值范圍并且可以存在差不多80毫秒。這樣的信號，因為它們與飛弧事件極為相似，將導(dǎo)致微處理器產(chǎn)生跳閘信號。如果高頻噪聲具有足夠幅值并且其在足夠長的一段時間內(nèi)存在從而導(dǎo)致遞增后的故障計數(shù)值超過電弧故障門限值，將發(fā)送跳閘信號并且觸發(fā)跳閘機構(gòu)。據(jù)此，現(xiàn)有技術(shù)的組合AFCIs將檢測此類似電弧高頻噪聲(例如，射頻噪聲)的存在并且觸發(fā)跳閘機構(gòu)，從而導(dǎo)致不必要的跳閘。所以，現(xiàn)有技術(shù)方法在基于高頻噪聲(例如，射頻噪聲)的組合AFCI中檢測類似電弧故障的存在，而不注意負(fù)載電流存在的強度。本發(fā)明避免對這種類似電弧的高頻噪聲(例如，射頻噪聲)跳閘。本發(fā)明通過實現(xiàn)時間延遲來避免滋擾跳閘。一方面，基于滿足一定延遲判據(jù)判定時間延遲。這里使用術(shù)語“判據(jù)”可能指單一條件或一組條件。例如，延遲判據(jù)可以與電流波形(例如，負(fù)載電流波形)的相對強度有關(guān)。特別地，在第一方面中，提供了一種檢測電弧故障方法，其中，(例如，通過監(jiān)測RSSI信號)檢測高頻噪聲(例如，射頻噪聲)的存在。通過監(jiān)測RSSI信號的幅值特征以及電流波形的幅值，本發(fā)明檢測高頻噪聲(例如，RF噪聲)的存在，然后，在跳閘計算中可以實現(xiàn)時間延遲并且在一定時期后，諸如在一些時間或一些半周期后，或者直至滿足一定條件或判據(jù)，再觸發(fā)跳閘電路。所以，加入本發(fā)明的組合AFCI，能容許在家用開關(guān)的開關(guān)操作期間由飛弧所導(dǎo)致的高頻率噪聲(例如，RF噪聲)。在一些實施例中，如果不滿足延遲判據(jù)，那么，例程簡單地繼續(xù)監(jiān)測以判定是否滿足第一飛弧判據(jù)。例如，如果負(fù)載電流的幅值特性在一定的有限時段內(nèi)低于一定門限值，或者，如果高頻噪聲(例如，RF噪聲)的存在沒有持續(xù)超過一定時段使得沒有滿足延遲判據(jù)，那么，不會觸發(fā)跳閘。然而，如果由電氣布線中實際電弧故障所導(dǎo)致的RF噪聲持續(xù)超過一定時段使得滿足延遲判據(jù)，并仍然滿足第一飛弧判據(jù)，本發(fā)明將判定是否滿足第二飛弧判據(jù)，以及，如果滿足，則觸發(fā)跳閘機構(gòu)以分離電源與負(fù)載。顯而易見，在一些實施例中，時間延遲可以與電流波形(例如，負(fù)載電流波形)的幅值強度成比例。因此，這種延遲的引入導(dǎo)致基于電流幅值的動態(tài)可變跳閘時間。本文還公開了檢測電流波形強度的幾種不同方法。然而，應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)任何合適的方法，基于電流 波形幅值都可以動態(tài)地設(shè)置此延遲。因此，本發(fā)明可以引入與電流幅值(例如，負(fù)載電流幅值)成比例的延遲，以保證跳閘機構(gòu)(例如，致動器)的觸發(fā)只有在類似電弧的高頻噪聲(例如，射頻噪聲)存在相對較長一段時間才會發(fā)生。在另一方法方面，首先判定是否滿足第一飛弧判據(jù)，如果滿足，則判定是否滿足延遲判據(jù)。如果沒有滿足延遲準(zhǔn)側(cè)，則不會實現(xiàn)任何延遲。如果滿足延遲判據(jù)，則可以實現(xiàn)延遲。無論是否實現(xiàn)延遲，本方法判定是否滿足第二飛弧判據(jù)，然后，如果滿足第二飛弧判據(jù)，則發(fā)送跳閘信號以使斷路器跳閘。在另一方面，為了避免對類似電弧故障事件(例如，由于RF噪聲所致)的電流波形不必要的斷路器跳閘，提供了一種改進的電氣故障中斷裝置。本電氣故障中斷裝置在電保護系統(tǒng)中使用，并且適于實現(xiàn)上述方法方面，而且在下文中具體進行描述。下面，參照圖I至圖8，說明本發(fā)明的方法、系統(tǒng)、以及裝置的這些和其他的實施方式。2007年10月30日提交的、美國專利申請序列號為11/978，969、名稱為“Systems AndMethods For Arc Fault Detection”的專利申請描述了低電流電弧故障檢測方法,其公開的全部內(nèi)容在此以引用方式并入本文?，F(xiàn)在，參照圖I和圖4描述本發(fā)明方法的第一示范實施例。方法100包括在塊102中確定波形特征。確定波形特征可以包括測量電流波形的幅值。例如，確定波形特征可以包括確定通過零線709 (圖7)的電流幅值?？蛇x地，可以使用火線(hot line)715中的電流幅值。在一些實施例中，確定波形特征可以包括確定所疊加高頻(例如，射頻噪聲)分量的特征?？梢詫碜噪娏鱾鞲衅?11和變換器712 (圖7)的輸入進行處理，并且可以從中提取高頻(例如，RF噪聲)噪聲幅值的信號波形指示。例如，所提取信號可以是如圖4中所示的RSSI信號404。諸如圖7中所示，RSSI信號可以由任何合適的電路得到。例如，RSSI信號可以從專用集成電路(application-specific integrated circuit, ASIC) 710 提供。ASIC 710接收來自電流傳感器711的第一電流波形、以及來自RF變換器712的第二波形(電流或電壓)。ASIC 710處理波形以產(chǎn)生AFout信號(其可以是經(jīng)整流以及調(diào)節(jié)的波形)以及RSSI信號、還有過零信號。然后，本方法可以使用這些信號，以確定是否發(fā)送跳閘信號、或者實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的延遲。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于處理由監(jiān)測高頻噪聲(例如，RF噪聲)的電路所產(chǎn)生的RSSI信號?？梢允褂门卸ㄊ欠袷箶嗦菲魈l的其它常規(guī)方法，諸如檢查電流波形的斜率和/或幅值。然而，在所描繪的實施例中，將高頻噪聲信號定義為包括I兆赫以上、甚至在一些實施例中10兆赫以上的頻率。在一些實施例中，將RSSI信號調(diào)節(jié)至包括18兆赫-25兆赫之間的頻率。使用合適的變換器或其他可能的電耦合部件，從零線709、火線715或二者可以提取高頻分量。同樣，可以從電流傳感器711、諸如零線709或負(fù)載線(load line)715中的分接頭(tap)中提取電流波形。然而，圖7中描繪了零線中的電流傳感器711。再次參照圖1，在判斷塊104中，如果滿足第一飛弧判據(jù)，那么，不是如現(xiàn)有技術(shù)中那樣立即跳閘，而是在塊106中實現(xiàn)時間延遲。塊104中的第一飛弧判據(jù)可以是常規(guī)斷路器系統(tǒng)中所使用的任何合適的電飛弧判據(jù)。在一些實施例中，通過檢查高頻噪聲分量的幅值，諸如由ASIC 710提取并提供至微處理器720 (圖7)的RSSI信號404的幅值，可以判定是否滿足第一飛弧判據(jù)。例如，第一飛弧判據(jù)可以對第一預(yù)定數(shù)量的樣本來檢查RSSI信號404。對于其中滿足特定飛弧判據(jù)的每個樣本，可以使電弧計數(shù)遞增。例如，如果關(guān)于該樣 本的RSSI信號幅值高于預(yù)置RSSI門限，則可以判定對于該樣本飛弧判據(jù)得到滿足。在一種實現(xiàn)中，例如，對于第一預(yù)定數(shù)量的半周期諸如4-5個周期的負(fù)載電流如果滿足特定判據(jù)，則滿足第一飛弧判據(jù)。可以使用其它數(shù)量的周期。也可以使用其它第一飛弧判據(jù)。例如，如果半周期過零點處電流波形的斜率以及關(guān)于該半周期的電流波形幅值二者都高于預(yù)置門限值，則可以確定第一飛弧判據(jù)。如果不滿足第一電弧(否)，那么，電弧故障檢測方法100可以繼續(xù)監(jiān)測波形特征。取決于預(yù)定時間長度內(nèi)是否滿足特定飛弧判據(jù)(例如，RSSI高于門限)，可以使電弧故障計數(shù)器遞減或可以將其復(fù)位為零。例如，如果在預(yù)定時間長度內(nèi)(例如，約100毫秒)由過零信號沒有感知到電流波形402中的任何負(fù)載電流，則可以復(fù)位或者遞減電弧計數(shù)器。然而，如果在104中滿足第一飛弧判據(jù)(是)，例如，如由電弧故障計數(shù)器的電弧故障計數(shù)確定一旦第一次超過預(yù)置電弧計數(shù)值，那么在塊106開始延遲期。在塊106的延遲期期間，電弧故障檢測方法測試電流波形的特征，以在塊108中判定是否滿足延遲判據(jù)。延遲判據(jù)可以是任何合適的延遲判據(jù)，其與例如電流波形402中的電流強度或幅值有關(guān)。延遲期可以是任何大于零秒的預(yù)定時間長度。例如，延遲期可以是大于O的固定時間至約I. O秒，或甚至在O. 5秒與約I. O秒之間，或者在有些實施例中甚至約I. O秒?？蛇x地，延遲可以是預(yù)定數(shù)量的半周期?？梢允褂闷渌舆t期。如以上所討論的，延遲判據(jù)可以是任何延遲判據(jù)，其檢查電流波形諸如預(yù)定數(shù)量半周期的負(fù)載電流的幅值。例如，在一種實施例中，如圖5中清楚示出，可以將整流并調(diào)節(jié)后的負(fù)載電流信號(AFout)從ASIC 710提供至微處理器720。信號AFout可以是代表零線709中交流電流的整流了的半波信號，并且可以從ASIC 710提供至微處理器720的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Anolog to Digital converter, ADC)塊。ADC塊可以得到例如10比特的結(jié)果。然后，微處理器720可以用任何合適的方法計算出提供至ADC塊的信號AFout的最大幅值。例如，可以使用平均方法、或采樣保持以及比較方法。也可以使用其它峰幅值檢測方法?？梢砸匀魏魏线m的采樣率對AFout信號的樣本進行采樣，諸如每160微秒一次采樣。可以使用其它合適的采樣率。所采樣的最大幅值可以存儲在存儲器中。存儲器可以包括緩沖區(qū)，其可以分類為容納預(yù)定數(shù)量樣本的先進先出(First In First Out，F(xiàn)IFO)緩沖區(qū)。例如，取決于所選擇的采樣率，緩沖區(qū)中預(yù)定數(shù)量的樣本可以在約50個樣本與約200個樣本之間。在一些實施例中，緩沖區(qū)中的樣本數(shù)量可以是約100個樣本。緩沖區(qū)中可以使用其它數(shù)量的樣本。可以計算緩沖區(qū)中的樣本總和，以提供遍及緩沖區(qū)總采樣周期的AFout幅值信號的總和。例如，緩沖區(qū)可以對預(yù)定數(shù)量的AFout樣本進行求和。在其它實施例中，緩沖區(qū)可以是預(yù)定數(shù)量AFout樣本的平方和。可以采用AFout信號的一些方面的其它總和。在本發(fā)明的這種實施例中，根據(jù)FIFO方法，將新樣本存儲在緩沖區(qū)的前面，并且從緩沖區(qū)中刪除最早的樣本。因此，這些所存儲樣本(例如，100個緩沖區(qū)單元)的總和在每個采樣周期(例如，約每160微秒)中進行更新。所以，所有被存儲樣本的總和(例如，100個所存儲樣本的總和)提供了一種方法，以對信號進行平均并且跟蹤AFout信號峰值的趨勢。圖5圖示了 AFout信號502的跡線的示例以及描述采樣時間周期內(nèi)100個AFout樣本504總和的對應(yīng)跡線。如圖所示，AFout樣本的總和捕獲并跟蹤AFout信號的峰值。許多家庭開關(guān)的典型負(fù)載電流額定值是約15安培峰值。額定電流的90%是約13. 5安培。由 ASIC處理的13. 5安培典型負(fù)載電流的分析、以及由微處理器720采樣得到的全波整流信號得到AFout樣本的總和。對于100個樣本的這種總和均值發(fā)現(xiàn)接近于約2375的常數(shù)。據(jù)此，挑選此數(shù)字作為負(fù)載電流延遲門限常數(shù)的代表。然而，對于負(fù)載電流延遲門限常數(shù)，也可以選擇并使用其他值。再次參見圖1，一旦電弧故障計數(shù)值達(dá)到故障計數(shù)門限一次(即在104中滿足第一飛弧判據(jù))，即可將內(nèi)部跳閘計數(shù)器置I (延遲模式)，并且，在塊106中可以觸發(fā)微處理器720中的內(nèi)部延遲計數(shù)定時器。每一采樣周期，延遲計數(shù)定時器可以按預(yù)定量遞增。例如，每一采樣周期(例如，每160微秒)，可以使延遲計數(shù)定時器按整數(shù)I遞增。可以使用其它整數(shù)增量，諸如2、3、4等。如果通過例如檢查預(yù)定時間(例如，約104毫秒)以上的過零遮蔽信號(zero crossing mask signal)證明沒有任何負(fù)載電流活動,可以復(fù)位或清零延遲計數(shù)定時器。如果對于預(yù)定數(shù)量的樣本從ASIC 710中沒有檢測到任何飛弧活動(例如，沒有或較低的RSSI信號活動(低于門限))，從而表示沒有飛弧，那么也可以復(fù)位或者清零延遲計數(shù)定時器。一旦經(jīng)過了預(yù)定的固定延遲時間(例如，經(jīng)過I秒的延遲時間)，也可以復(fù)位或者清零延遲計數(shù)定時器。這些各自是在塊108中不滿足延遲判據(jù)(否)的示例，并且，其中，本方法簡單地繼續(xù)在塊104中監(jiān)測關(guān)于第一飛弧判據(jù)活動的波形。圖6中示出滿足延遲判據(jù)(是)時的示例。在延遲期間，基于來自ASIC710的RSSI信號強度，電弧故障計數(shù)值繼續(xù)遞增或遞減。塊106中在延遲周期期間(在延遲模式期間)一旦觸發(fā)延遲計數(shù)定時器，電弧故障計數(shù)值可能多次達(dá)到跳閘門限值。然而，跳閘計數(shù)器繼續(xù)置I (延遲模式)，而警報狀態(tài)不發(fā)生任何變化，直至在塊108中滿足延遲判據(jù)(是)。如圖6所示，延時計數(shù)器示為按跡線602遞增。對于發(fā)生的每次連續(xù)采樣，延遲計數(shù)定時器示為按固定數(shù)值單位遞增。還可以提供差信號604。差信號604可以是預(yù)定常數(shù)減去與來自ASIC 710的AFout信號有關(guān)的任意參數(shù)的總和。在一些實施例中，與AFout信號有關(guān)的參數(shù)是預(yù)定時間的或預(yù)定采樣數(shù)的AFout樣本的總和。例如，用跡線504表示對100個樣本緩沖區(qū)的AFout信號總和。如圖6中所示，由于從ASIC 710檢測到增大的AFout幅值，緩沖區(qū)中的AFout總和的值隨時間增加。實際上，發(fā)生這種情況是因為基于先進先出規(guī)則刪除了相對低的值并且將相對較高的值添加至緩沖區(qū)。
在此示例中，差信號604由常數(shù)(例如，2375)減去在容納多樣本的緩沖區(qū)中的AFout樣本的總和構(gòu)成。一旦在塊106中開始延遲期，則對每一采樣周期使延時計數(shù)定時器遞增，因而也使差信號遞增。對于每次遞增，將延遲計數(shù)值與差信號(例如，2375減去AFout樣本的總和)進行比較。當(dāng)延遲定時器計數(shù)大于或等于差信號(例如，2375減去AFout樣本的總和)時，觸發(fā)跳閘動作模式(例如，警報模式2)。跳閘動作模式是在塊108中滿足延遲判據(jù)(是)時實現(xiàn)的警報模式。一旦觸發(fā)跳閘動作模式，本方法繼續(xù)監(jiān)視電流波形402。如果在塊110中諸如對于第二預(yù)定個數(shù)的樣本或半周期個數(shù)滿足第二飛弧判據(jù)(是)，那么，通過在塊111中從微處理器720向跳閘電路705發(fā)送跳閘信號，使電弧故障檢測裝置(例如，斷路器)700跳閘。跳閘信號觸發(fā)跳閘致動器709，以打開開關(guān)716，從而 從負(fù)載706 (參見圖7)中除去電源。因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，在達(dá)到電弧計數(shù)門限值之后實現(xiàn)延遲。取代發(fā)送跳閘信號，微處理器720繼續(xù)處理波形信號并且遞增/遞減電弧故障計數(shù)值。例如，監(jiān)測可以基于與ASIC710的通信。在所描述的實施例中，在延遲定時器因達(dá)到固定延遲時間完全超時之前，如果滿足延遲判據(jù)(是)，只是觸發(fā)跳閘動作模式。在延遲定時器達(dá)到其預(yù)定極限之前如果滿足延遲判據(jù)(是)，那么，本發(fā)明有效操作以實現(xiàn)與電流波形402的負(fù)載電流幅值特性成比例的延遲。在塊108中滿足延遲判據(jù)(是)之后，本方法繼續(xù)監(jiān)測關(guān)于第二飛弧判據(jù)的波形特征。第二飛弧判據(jù)可以與第一飛弧判據(jù)相同。例如，針對RSSI門限值，可以檢測并且測量來自ASIC 710的RSSI信號404。對于預(yù)定的時間、采樣、或半周期數(shù)，如果在塊110中滿足第二飛弧判據(jù)(是)，那么，在塊111中發(fā)送跳閘信號。例如，第二飛弧判據(jù)可以是對于一定數(shù)量的樣本滿足RSSI門限值。也可以使用其它合適的第二飛弧判據(jù)。因此，現(xiàn)在應(yīng)該顯而易見的是，在塊108中滿足延遲判據(jù)(是)之后，如果在一定附加時期(例如，時間段、采樣、或半周期數(shù))之后類似電弧的噪聲沒有消退，則電弧故障檢測裝置700將除去負(fù)載706的供電。如圖7所示，模擬ASIC 710可以包括交流電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)由電流傳感器711檢測出的電流波形。交流電流調(diào)節(jié)邏輯單元可以產(chǎn)生一種信號，其代表流過由組合AFCI所監(jiān)測支路的負(fù)載電流。交流電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)還可以提供全波整流，其處理交流信號用于半波信號分析以便諸如確定半周期幅值以及過零。來自ASIC 710的調(diào)節(jié)輸出信號在這里稱為“AFout”信號，并且是簡單的整流及濾波后的正弦曲線，如圖6B所示。根據(jù)一種可選實施例，也可以考慮AFout樣本總和的變化，因而，如果負(fù)載電流半周期的幅值迅速增加，可以相應(yīng)更改延遲定時器或差信號。例如，對于每預(yù)定數(shù)量的樣本(例如，每100次循環(huán))，可以捕獲AFout樣本的總和并且作為變量(NewSum)存儲在存儲器中?？梢詫⒋丝偤?NewSum)與自先前預(yù)定數(shù)量樣本(例如，先前100個樣本)計算出的先前值(PrevSum)進行比較。如果在這種情況下計算出的AFout樣本總和(NewSum)大于先前總和(PrevSum),那么，可以使用差之比(NewSum/PrevSum)來動態(tài)修改延遲定時器的增量。例如，如果該時間通常按每個采樣周期以整數(shù)I遞增，NewSum是1000,而PrevSum是500,那么，可以按1000/500=2即整數(shù)2的倍數(shù)使延遲定時器遞增。在這種方式中，可以加快延時定時器，使得延遲縮短，并且相對較快達(dá)到跳閘動作模式。任選地，可以將該倍數(shù)應(yīng)用于差信號，具有相對較快達(dá)到跳閘動作模式的相同結(jié)果?？梢允褂没谪?fù)載電流變化率提供增量的可選方法。因此，有效的是，如果檢測到電流波形幅值減小，使延遲周期增大，以及，如果檢測到電流波形幅值增大，則使延遲周期減小。圖2示出電弧故障檢測方法200的另一實施例。在本實施例中，與先前實施例中一樣，在塊202中確定并測量波形特征?？梢哉{(diào)節(jié)電流波形以如前所述提供高頻噪聲信號(例如，RSSI信號404)。與先前實施例中一樣，首先在塊204中確定是否滿足第一飛弧判據(jù)。例如，如果在第一預(yù)定時間段(時間段、采樣、半周期或電流波形個數(shù))超過RSSI門限值，則滿足第一飛弧判據(jù)。接著，在塊208中確定是否滿足延遲判據(jù)。延遲判據(jù)可以是半周期的電流幅值是否滿足(例如，來自ASIC 710的)AFout信號的電流幅值門限。用于判定是否超過幅值門限的任何合適方法都可以使用。判定是否超過電流門限值的一種方法可以利用圖8所示的比較器電路800實現(xiàn)。此比較器電路800可以置于圖7中的ASIC 710和微處理器720之間。圖8圖示在分接頭805處將ASIC 710的AFout信號連接至比較器電路800，并且將比較器電路800的輸出分接頭810 (顯示為ZCtest)饋送至微處理器720的輸入端。比較的相對電平可以更改至任意門限值。出于說明的目的，比較電平的門限值可以設(shè)定為10安培。對于幅值大于10安
培的負(fù)載電流，在分接頭810處比較器電路800的輸出是脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號，如圖6C所示。將此脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號饋送至操作以監(jiān)測PWM的微處理器720。如果在比較器電路800的輸出中存在以及檢測到低的、非脈沖寬度調(diào)制的信號(如圖6D中所示)，那么AFout解釋為低于10安培。可選擇地，將幅值以60赫茲變化(例如，檢測到方波)的PWM(反復(fù)(toggling)信號，如圖6C所示)解釋為大于10安培。換句話說，如果AFout信號高于幅值門限，則提供反復(fù)信號(如圖6C中)，而如果低于幅值門限，則不從比較器電路800提供任何信號(在圖6D所示)。再次參見圖2，如果PWM信號存在，則在塊208中不滿足延遲判據(jù)(否)，即檢測到AFout中高于門限的相對高電流，并且，在塊210中不提供任何延遲。然而，如果在分接頭810處檢測到低，也就是，沒有檢測到PWM信號，如圖6D所示，則在塊208中滿足延遲判據(jù)(是)，并且，在塊212中實現(xiàn)延遲。塊212中延遲的延遲期可以是固定的時間長度或半周期數(shù)。例如，延遲時間可以是約大于零且小于約I. O秒?？梢允褂闷渌难舆t時間。一旦在塊214中滿足延遲期(是)，電弧故障檢測方法200在塊216中判定是否滿足第二飛弧判據(jù)。在塊216中如果滿足第二飛弧判據(jù)(是)，那么，在塊211中發(fā)送跳閘信號給跳閘電路，以及，在塊218中使電弧故障檢測裝置700 (例如，斷路器)跳閘。一旦跳閘，電弧故障檢測方法200可以停止，直至使電弧故障檢測裝置700復(fù)位，此時，可以再次開始電弧故障檢測方法200。如果在塊216中不滿足第二飛弧判據(jù)(否)，電弧故障檢測方法200繼續(xù)監(jiān)測關(guān)于電弧判據(jù)的波形特征，并且可以復(fù)位所有計數(shù)器。如果在塊214中不滿足延遲期(否)，則如果在塊220中仍滿足電弧判據(jù)，電弧故障檢測方法200可以繼續(xù)測試是否滿足延時判據(jù)。電弧判據(jù)可以是RSSI信號的幅值仍然高于門限幅值?？梢允褂闷渌碾娀∨袚?jù)。如果在塊220中仍滿足電弧判據(jù)(是)，并且在塊208中仍滿足延遲判據(jù)(是)，那么，電弧故障檢測方法200繼續(xù)循環(huán)，直到滿足延遲期。在循環(huán)期間的任何時間如果在塊208中不滿足延遲判據(jù)(否)，諸如在AFout信號中檢測到高電流，則不再實現(xiàn)進一步延遲，以及，如果在塊216中滿足第二飛弧判據(jù)(是)，則在塊218中使電弧故障檢測裝置700跳閘。圖3圖示可以實現(xiàn)多延遲的電弧故障檢測方法300的另一可選實現(xiàn)。如前所述，可以檢測從比較器電路800的分接頭810輸出的PWM輸出的存在。本實施例實現(xiàn)兩級延遲。在塊302中測量并確定波形特征，并且在塊304中判定滿足第一飛弧判據(jù)(是)。如果PWM是反復(fù)的，也就是，因為AFout信號相對較大在塊308中不滿足第一延遲判據(jù)，則在塊314中實現(xiàn)較短延遲。例如，當(dāng)電弧故障計數(shù)值達(dá)到電弧計數(shù)門限以指示跳閘2次時，微處理器720可以發(fā)送觸發(fā)電路斷路器的跳閘信號。如果PWM不反復(fù)，也就是，在塊308中滿足第一延遲判據(jù)(是)，當(dāng)故障計數(shù)值達(dá)到用于跳閘的電弧故障門限4次時微處理器可以發(fā)送跳閘信號，在塊322中觸發(fā)電弧故障檢測裝置700。在可選方案中，如果需要，可以動態(tài)改變用于“較慢”跳閘的跳閘計數(shù)。換而言之，如果AFout信號的幅值相對較大，則可以應(yīng)用倍數(shù)，因此，允許相對較快跳閘。與前述實施例中一樣，一旦在塊320中滿足第二飛弧判據(jù)，則跳閘信號的發(fā)送可以是任選地視條件而定的(contingent)?？梢允褂萌魏魏线m的第二飛弧判據(jù)，諸如對于一段時間、采樣數(shù)或者例如電流波形的半周期數(shù)，超過RSSI門限幅值。也可以使用其他第二飛弧判據(jù)。按照與本文所描述的類似方式，可以實現(xiàn)兩級以上延遲(諸如3、4、5級等)，其中延遲的等級(長度)與AFout信號的幅值成比例或與之相關(guān)。
如圖7所示，電氣故障檢測裝置700可以包括容納故障檢測電路的殼體701以及跳閘電路705，跳閘電路705適合于接收線721中來自微處理器720的跳閘信號并且在線722中發(fā)送致動信號至跳閘致動器709，以使電氣故障檢測裝置700的開關(guān)716開路。跳閘致動器709與開關(guān)716之間所連接的虛線718表示一種機械聯(lián)動或組件，一旦致動跳閘致動器709，這種機械聯(lián)動或組件將導(dǎo)致開關(guān)716的機械開路，從而中斷給負(fù)載706供電。可以設(shè)置電源電路704，并且使其適合于給各種系統(tǒng)組件(例如，微處理器720、跳閘電路705、跳閘致動器709、傳感器等)供電。電氣故障中斷裝置700還可以包括測試電路(未示出)，其包括按鈕或開關(guān)，用于手動方式啟動自檢過程，并且可以包括可聽或可視指示器，諸如顯示器(未不出)，用于輸出狀態(tài)、健康、和/或與電氣故障檢測裝置700相關(guān)的故障信息?？梢栽O(shè)想，電氣故障檢測裝置700可以包括附加的、不同的和/或比以上所列更少的組成部分。如圖7所示，電氣故障檢測裝置700可以在其端子處電連接至配電盤零線和火線，并且電連接至包括一個或多個電氣負(fù)載706的一個或多個電氣負(fù)載電路。本發(fā)明的電氣故障檢測裝置700構(gòu)造成并且適合于監(jiān)測與一個或多個電氣負(fù)載電路相關(guān)的電信號。特別地，在所描述的實施例中監(jiān)測可以由零線709中的至少一個電流傳感器711實現(xiàn)。電流傳感器711可以提取零線709中電流幅值及頻率的信號指示。另外，可以設(shè)置變換器712以監(jiān)測火線715、零線709或這火線715與零線709 二者中的高頻噪聲(例如，RF噪聲)。變換器712可以是美國伊利諾伊州Cary的C0ILCRAFT公司可供應(yīng)的Part#WBC16_lTLB、或美國馬薩諸塞州Lowell的M-A/C0M公司技術(shù)解決方案可供應(yīng)的Part#ETC16_lTR_2TR?？梢允褂闷渌淖儞Q器。同樣，電流傳感器可以在火線715上實現(xiàn)。ASIC 710可以設(shè)置成對來自電流傳感器711和變換器712的信號進行處理。ASIC 710可以起到給微處理器720提供AFout信號、過零信號、以及高頻信號(例如，RSSI信號)的作用。在電弧故障檢測系統(tǒng)700中，來自電流傳感器711的電流波形信號的交流電流的調(diào)節(jié)、放大、濾波、以及全波整流都可以由ASIC 710提供。可以將來自ASIC 710的AFout信號提供至微處理器720，以由微處理器720進行分析。通過混合、濾波、以及放大從變換器712耦合過來的高頻噪聲(例如，RF噪聲)，ASIC710也可以產(chǎn)生RSSI信號。使用ASIC 710中的比較器，由AFout信號可以產(chǎn)生過零信號。這些信號如以上所討論的那樣進行處理，以確定是否應(yīng)當(dāng)在線路721中發(fā)送跳閘信號至跳閘電路705。電氣故障中斷裝置700可任選地包括與差動傳感器708電耦合的差動電路707。差動傳感器708可以是差動變換器。這種差動變換器是周知的，本文不再進一步說明。在所描繪的實施例中，零線709和火線715 二者都可以穿過差動傳感器708。將來自差動傳感器708的信號提供至差動電路707。差動電路707的功能是給微處理器720提供兩個PWM信號。兩個PWM信號與輸入信號對應(yīng)，其大于分別為例如50毫安和250毫安電流確定的固定門限?？梢允褂闷渌T限值。一旦PWM信號由微處理器720接收，則計算并存儲該信號的脈沖寬度。例如，如果PWM信號的脈沖寬度是在用于50mA比較器的限制之間(例如，大于3毫秒且小于9毫秒)，可以使差動故障計數(shù)器遞增。如果差動故障計數(shù)器大于預(yù)先確定的門限，微處理器720發(fā)送跳閘信號至跳閘電路705。具有一個或多個放大器的差動電路707可以電連接至差動傳感器708 (例如，變換器)。差動電路707中可以包括附加的模擬或數(shù)字濾波和/或調(diào)節(jié)組件。放大器在至微處理器720的輸出節(jié)點處可以產(chǎn)生輸出數(shù)字信號。 輸出節(jié)點處的輸出表示兩個不同差動故障電流，并且被用來確定分別對應(yīng)于例如50毫安和250毫安的差動故障電流電平。電弧故障檢測裝置700可以包括與微處理器720電耦合的一個或多個電氣元件或者模擬或數(shù)字電路。微處理器720可以是例如ATMEL可供應(yīng)的ATtiny461處理器。微處理器720可包括一個或多個存儲裝置，用于存儲與電弧故障檢測裝置700相關(guān)的信息。存儲裝置可以包括任何類型的存儲器件，其適合于存儲與電弧故障檢測裝置700操作相關(guān)的數(shù)據(jù)?？梢允褂闷渌愋偷奈⑻幚砥?20。能處理輸入電流波形和高頻率(例如，RF噪聲)信號、處理它們并給予跳閘信號至跳閘電路705的任何合適的處理器都可以使用。可以設(shè)想，可以使另外的、更少的、和/或不同的組件與電弧故障檢測裝置700相關(guān)聯(lián)。應(yīng)當(dāng)理解，在可選實施例中，放大并調(diào)節(jié)的信號可以從傳感器711和變換器712提供至微處理器720，以及，所有整流和計算都可以由微處理器720完成，而不是在ASIC 710中完成。當(dāng)處于跳閘動作模式時，根據(jù)本文所描述的本發(fā)明方面的內(nèi)部計算和比較可以遞增電弧計數(shù)器。當(dāng)超過電弧計數(shù)門限時，在電路721中發(fā)送跳閘信號至跳閘電路705。在其它實施例中，通過對含有電容器的模擬電路提供合適的充電，可以實現(xiàn)電弧故障計數(shù)器。一旦達(dá)到預(yù)定充電幅值(類同于計數(shù)器門限)時，可以提供跳閘信號至跳閘致動器709以斷開開關(guān)716。隨著跳閘信號的發(fā)送，可以使所有電弧故障計數(shù)器和延遲計數(shù)器清零。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解本發(fā)明易于有廣泛的實用及應(yīng)用。除了本文所描述的之外，根據(jù)本發(fā)明及其以上描述，本發(fā)明的許多實施方式和演變、以及許多變化、變更、以及等效布置都是顯而易見的或者可以合理地提出，而不脫離本發(fā)明的實質(zhì)或范圍。據(jù)此，雖然就具體實施方式
在此描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本公開僅是本發(fā)明的說明和示例，并且只是為了提供本發(fā)明的完整和授予專利的披露。本公開并不打算將本發(fā)明限制于所披露的特定裝置或方法，而是與之相反，意圖是覆蓋落入本發(fā)明的本質(zhì)和范圍內(nèi)的所有修改、等效置換及替換。
權(quán)利要求
1.一種電弧故障檢測方法，包括 判定是否滿足第一飛弧判據(jù)； 如果滿足第一飛弧判據(jù)，則開始延遲期； 在所述延遲期期間，判定是否滿足延遲判據(jù)；以及 如果滿足所述延遲判據(jù)，則判定是否滿足第二飛弧判據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進一步包括 如果滿足第二飛弧判據(jù)，則發(fā)送跳閘信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進一步包括 如果不滿足所述延遲判據(jù)，則在固定量的延遲時間之后，將延遲計數(shù)器置零；以及 繼續(xù)判定是否滿足第一飛弧判據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進一步包括在滿足所述第二飛弧判據(jù)之后，發(fā)送跳閘信號并使斷路器跳閘。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，判定所述第一飛弧判據(jù)包括當(dāng)滿足特定電弧判據(jù)時使電弧計數(shù)器遞增，以及將所述電弧計數(shù)器的電弧計數(shù)與電弧計數(shù)門限進行比較。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，判定所述第一飛弧判據(jù)包括判定接收到的信號強度指示信號的幅值是否在第一預(yù)定時段內(nèi)高于門限。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，判定是否滿足第二飛弧判據(jù)包括使電弧計數(shù)器遞增，以及將所述電弧計數(shù)器的電弧計數(shù)與電弧計數(shù)門限進行比較。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述延遲判據(jù)包括在預(yù)定時間段內(nèi)延遲計數(shù)器大于差信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，每一采樣周期使所述延遲計數(shù)器遞增至少一個整數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述差信號包括一個常數(shù)減去Afout信號數(shù)量總和，其中，所述Afout信號是調(diào)節(jié)后的電流波形數(shù)據(jù)樣本。
11.一種電弧故障檢測方法，包括 判定是否滿足第一飛弧判據(jù)； 判定是否滿足延遲判據(jù)； 如果滿足所述延遲判據(jù)，則在延遲期內(nèi)實現(xiàn)延遲；以及 判定是否滿足第二飛弧判據(jù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括假定滿足所述第二飛弧判據(jù)，在所述延遲期之后，發(fā)送跳閘信號以使電弧故障檢測裝置的開關(guān)跳閘。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，判定是否滿足所述第一飛弧判據(jù)包括使電弧故障計數(shù)器遞增，以及將所述電弧故障計數(shù)器的電弧故障計數(shù)與電弧故障計數(shù)門限進行比較。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，判定是否滿足延遲判據(jù)包括在預(yù)定個數(shù)的半周期內(nèi)電流波形的幅值是否低于電流幅值門限。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，如果在所述預(yù)定個數(shù)的半周期內(nèi)所述電流波形的幅值低于所述幅值門限，則進一步包括 延遲固定量時間，或者延遲固定個數(shù)半周期。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，如果檢測到電流波形幅值的增大則增大所述延遲期，以及，如果檢測到電流波形幅值減小則減小所述延遲期。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，如果不滿足所述延遲判據(jù)，則不實現(xiàn)任何延遲，以及，在滿足第二飛弧判據(jù)之后，發(fā)送跳閘信號至電弧故障檢測裝置的開關(guān)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中 如果不滿足所述延遲判據(jù)，則實現(xiàn)較短延遲，以及， 如果滿足所述延遲判據(jù)，則實現(xiàn)較長延遲。
19.一種電氣故障檢測裝置，包括 適合于監(jiān)測電流波形和高頻噪聲的電路；以及 與所述電路耦合的微處理器，所述微處理器適合于判定是否滿足第一飛弧判據(jù)，基于是否滿足延遲判據(jù)開始延遲，以及，如果滿足第二飛弧判據(jù)則發(fā)送跳閘信號。
20.—種電氣保護系統(tǒng),包括 電力負(fù)載；以及 電氣故障中斷裝置，其與所述電力負(fù)載耦合并且具有 適合于監(jiān)測電流波形和高頻噪聲的電路，以及 與所述電路耦合的微處理器，所述微處理器適合于判定是否滿足第一飛弧判據(jù)，并且基于是否滿足延遲判據(jù)開始延遲，以及，在所述延遲之后，如果滿足第二飛弧判據(jù)，則發(fā)送跳閘信號以中斷至所述負(fù)載的電流。
全文摘要
在一方面，本發(fā)明披露了一種在高頻(例如，射頻噪聲)存在時的電弧故障檢測方法。該方法包括判定是否滿足第一飛弧判據(jù)，判定是否滿足延遲判據(jù)，如果滿足延遲判據(jù)則在延遲期內(nèi)實現(xiàn)延遲，并判定是否滿足第二飛弧判據(jù)。如果滿足第二飛弧判據(jù)，那么，可以發(fā)送跳閘信號以使電路斷路器跳閘。在另一方面，所述方法包括判定是否滿足第一飛弧判據(jù)，如果滿足第一飛弧判據(jù)，開始延遲期。判定是否滿足延遲判據(jù)，以及，如果滿足延遲判據(jù)，判定是否滿足第二飛弧判據(jù)。作為其他方面，本發(fā)明披露了適合于實現(xiàn)本方法的電弧故障檢測裝置、以及包括該電弧故障檢測裝置的系統(tǒng)。
文檔編號H02H1/00GK102934308SQ201180028164
公開日2013年2月13日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者A.納亞克, H.T.金塞爾 申請人:西門子工業(yè)公司