上游并聯(lián)電弧故障插座保護(hù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體上涉及電氣系統(tǒng)中的故障檢測(cè)，以及更具體地，涉及通過在插座處的開關(guān)元件的上游電弧故障保護(hù)。
[0002]背景
[0003]傳統(tǒng)斷路器檢測(cè)斷路器下游的插座的過流條件。在從插入到下游插座中的一個(gè)插座中的負(fù)載檢測(cè)到過流情況正在發(fā)生時(shí)，此類斷路器跳閘。存在包括來自線路導(dǎo)體或中性導(dǎo)體的接地故障的其他的危險(xiǎn)。接地故障需要檢測(cè)和中斷至插座的電力的接地故障電路中斷器裝置。另一種故障形式是在插座和斷路器之間的中性線和/或?qū)w線之間可能出現(xiàn)的電弧故障。住宅設(shè)置中逐漸需要以電弧故障電路中斷器裝置(AFCI)形式的防止電弧故障的保護(hù)。此類裝置檢測(cè)中性導(dǎo)體和/或線導(dǎo)體中的電弧并在此類電弧引起電氣火災(zāi)之前去除電力。AFCI保護(hù)可位于插座中。此類插座用諸如在插座自身處的檢測(cè)模塊下游的一組觸點(diǎn)監(jiān)測(cè)和防范故障。故障通常通過在常規(guī)熱磁斷路器下游的一個(gè)插座或多個(gè)插座中的檢測(cè)傳感器檢測(cè)，其使AFCI插座中的觸點(diǎn)斷路并從而防止電流流過AFCI保護(hù)的插座下游的插座。
[0004]通過用于故障檢測(cè)的本裝置，AFCI插座的中斷僅可由于在插座下游檢測(cè)到的并聯(lián)電弧故障或串聯(lián)電弧故障而觸發(fā)。因此，插座和對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器不能中斷上游并聯(lián)電弧故障(出現(xiàn)在插座和斷路器之間的)，因?yàn)樵谝阎狝FCI插座處的觸點(diǎn)中斷裝置不能檢測(cè)此類故障，即使觸點(diǎn)中斷機(jī)構(gòu)被觸發(fā)，電流將繼續(xù)流過故障。在常規(guī)電氣系統(tǒng)中，常規(guī)斷路器不能對(duì)斷路器和插座之間的此類電弧故障足夠快地作出反應(yīng)。這造成潛在的危險(xiǎn)，因?yàn)樵跀嗦菲髦袛嘀敛遄碾娏χ翱赡茉试S故障繼續(xù)存在一段時(shí)間。
[0005]因此，存在對(duì)于在插座上游的點(diǎn)處檢測(cè)并聯(lián)電弧故障的電弧故障檢測(cè)和中斷系統(tǒng)的需要。還存在對(duì)于通過觸發(fā)插座上游的斷路器機(jī)構(gòu)來中斷電力的中斷系統(tǒng)的需要。還存在對(duì)于使用AFC插座中用于檢測(cè)插座上游的電弧故障的現(xiàn)有部件的電弧故障檢測(cè)系統(tǒng)的需要。
[0006]概要
[0007]所公開的一個(gè)示例是電弧故障電路中斷器(AFCI)插座，其結(jié)合常規(guī)熱磁斷路器來檢測(cè)和中斷上游并聯(lián)電弧故障。示例AFCI插座包括耦合在線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體之間的開關(guān)元件、耦合在中性導(dǎo)體和線導(dǎo)體之間的電壓傳感器和線導(dǎo)體上的電流傳感器。當(dāng)通過感測(cè)到大的電壓降而無電流來檢測(cè)出并聯(lián)上游電弧故障時(shí)，開關(guān)元件閉合并且電流流過相對(duì)較低電阻開關(guān)元件從而中斷流過電弧故障的電力。閉合的開關(guān)元件導(dǎo)致過流情況，從而引起上游常規(guī)熱磁斷路器跳閘。
[0008]因此，所提供的AFCI插座允許檢測(cè)目前不能由已知AFCI插座保護(hù)的上游并聯(lián)電弧故障。示例插座不需要來自已知AFCI插座的額外的傳感器部件，而是提供在接近檢測(cè)出的并聯(lián)電弧故障的位置處的中斷。對(duì)上游并聯(lián)故障的中斷發(fā)生在支路斷路器處。通過將支路斷路器的電流等級(jí)增加至過流保護(hù)等級(jí)，示例AFCI插座加快支路斷路器的響應(yīng)時(shí)間。示例插座致使危險(xiǎn)電弧電流轉(zhuǎn)變至嚴(yán)格過電流故障電流，從而降低火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。該布置也允許對(duì)于由放置在更接近用戶的位置(即，在AFCI插座中)的串聯(lián)電弧故障檢測(cè)造成的不必要跳閘的復(fù)位功能，且不需要與電子上游斷路器的跳閘信號(hào)通信。此外，在檢測(cè)到AFCI插座上游的并聯(lián)電弧故障時(shí)，開關(guān)元件系統(tǒng)產(chǎn)生確保所得電流總是超出支路斷路器的過流跳閘水平的短路，并因此消除用于有效中斷并聯(lián)故障的將AFCI插座連接至斷路器的導(dǎo)線(“主控電纜(home run)，，)長(zhǎng)度的實(shí)際限制。
[0009]根據(jù)參考附圖做出的對(duì)于各個(gè)實(shí)施方式的詳細(xì)說明，其他方面對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說將是明顯的，在下文中提供附圖簡(jiǎn)述。
[0010]附圖簡(jiǎn)述
[0011]在閱讀下面的詳細(xì)說明并參考附圖后，本發(fā)明的前述和其他優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。
[0012]圖1是具有用于上游電弧故障的檢測(cè)和防范的AFCI插座和常規(guī)斷路器的插座系統(tǒng)的電路圖；
[0013]圖2是圖1中的AFCI插座中用于檢測(cè)和中斷上游電弧故障的檢測(cè)元件和開關(guān)元件的詳細(xì)電路圖；以及
[0014]圖3是由在圖2中的插座處的控制器執(zhí)行以檢測(cè)和保護(hù)電弧故障的控制算法的流程圖。
[0015]雖然本發(fā)明容許各種更改和替代形式，但是已以示例的方式在附圖中示出并在本文詳細(xì)描述特定實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并非旨在僅局限于所公開的特定形式。相反，本發(fā)明旨在涵蓋落入如由附屬權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有更改、等效方案和替代方案。
[0016]詳細(xì)描述
[0017]所公開的一個(gè)示例是執(zhí)行電弧故障保護(hù)和檢測(cè)的插座。插座位于斷路器的下游。插座包括耦合在線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體之間的開關(guān)元件，該開關(guān)元件具有打開位置和將線導(dǎo)體耦合至中性導(dǎo)體的閉合位置。插座包括耦合在線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體之間的電壓傳感器和耦合在線導(dǎo)體上的電流傳感器?？刂破鞅获詈现灵_關(guān)元件、電流傳感器和電壓傳感器。控制器檢測(cè)表示插座和斷路器之間的并聯(lián)電弧故障的線導(dǎo)體上的大電壓降和線導(dǎo)體上的電流無對(duì)應(yīng)實(shí)質(zhì)增加。響應(yīng)于檢測(cè)，控制器閉合開關(guān)元件。
[0018]另一示例是確定經(jīng)由線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體耦合至斷路器的插座上游的電弧故障的方法。經(jīng)由耦合在插座中的線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體之間的電壓傳感器在線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體之間檢測(cè)高電壓降。當(dāng)檢測(cè)出高電壓時(shí)，經(jīng)由在插座的線導(dǎo)體上的電流檢測(cè)器未檢測(cè)出電流的實(shí)質(zhì)對(duì)應(yīng)增加。當(dāng)檢測(cè)出高電壓且未檢測(cè)出電流的實(shí)質(zhì)增加時(shí)，耦合在線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體之間的開關(guān)元件被閉合以在線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體之間創(chuàng)建低電阻電流路徑。
[0019]另一示例是當(dāng)檢測(cè)出并聯(lián)電弧故障時(shí)中斷電力的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體。斷路器被耦合至線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體。當(dāng)檢測(cè)出過流情況時(shí)，斷路器中斷電力流動(dòng)。電弧故障保護(hù)插座經(jīng)由中性導(dǎo)體和線導(dǎo)體被耦合至斷路器。插座包括耦合在中性導(dǎo)體和線導(dǎo)體之間的開關(guān)元件和用于連接負(fù)載的插座連接器。插座包括耦合至開關(guān)元件以控制該開關(guān)元件的控制器。電壓傳感器被耦合在中性導(dǎo)體和線導(dǎo)體之間，以及電流傳感器被耦合至線導(dǎo)體。當(dāng)檢測(cè)出高壓降而未檢測(cè)出電流的對(duì)應(yīng)實(shí)質(zhì)增加從而表示在插座和斷路器之間發(fā)生電弧故障時(shí)，控制器閉合開關(guān)元件以電耦合中性導(dǎo)體和線導(dǎo)體。
[0020]圖1示出可用在居民住宅或其他建筑物中的供電系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括耦合至線導(dǎo)體104、中性導(dǎo)體106和接地導(dǎo)體108的交流電源102。交流電源102經(jīng)由線導(dǎo)體104和中性導(dǎo)體106被耦合至斷路器110。斷路器110被串聯(lián)耦合至在斷路器110下游和常規(guī)插座114和116上游的電弧故障保護(hù)插座112。插座112、114和116經(jīng)由常規(guī)的三叉插頭連接器為插入插座112、114和116的負(fù)載提供與線導(dǎo)體104、中性導(dǎo)體106和接地導(dǎo)體108的電連接。
[0021]如下面所要解釋的，電弧故障保護(hù)插座112為位于插座112下游的插座114和116提供電弧故障檢測(cè)和保護(hù)。并聯(lián)電弧故障120可發(fā)生在線導(dǎo)體104和中性導(dǎo)體106之間的電弧故障保護(hù)插座112的上游。諸如電弧故障130的其他并聯(lián)電弧故障可發(fā)生在保護(hù)插座112的下游。電弧故障保護(hù)插座112中的常規(guī)電弧故障檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)并防范下游的諸如電弧故障130的并聯(lián)電弧故障，但不能防范電弧故障保護(hù)插座112上游的諸如并聯(lián)電弧故障120的電弧故障，盡管故障120可發(fā)生在電弧故障保護(hù)插座112附近的事實(shí)。
[0022]圖2示出圖1中的電弧故障保護(hù)插座112的部件的詳細(xì)電氣圖。在本示例中的電弧故障保護(hù)插座112能夠檢測(cè)插座112上游支路上的并聯(lián)電弧故障并致使電力中斷以防止由電弧故障造成的火災(zāi)。面板202向負(fù)載裝置提供可從電弧故障保護(hù)插座112提供電力的常規(guī)三叉插頭連接器。電弧故障保護(hù)插座112包括耦合至圖1中的線導(dǎo)體104的線導(dǎo)體204和耦合至圖1中的中性導(dǎo)體106的中性導(dǎo)體206。線導(dǎo)體204和中性導(dǎo)體206向面板202提供電力。在該示例中，面板202包括兩個(gè)常規(guī)三叉連接器210和212?？蓪⒕哂谐Ｒ?guī)三叉插頭的負(fù)載插入三叉連接器210或212。當(dāng)插入負(fù)載時(shí)，通過線導(dǎo)體204和中性導(dǎo)體206提供電力以形成閉合電路。
[0023]插座212包括耦合在線導(dǎo)體204和中性導(dǎo)體206之間的開關(guān)元件220。在該示例中，開關(guān)元件220是固態(tài)晶體管，但可使用諸如繼電器、IGBT、M0SFETS等的其他類型的開關(guān)裝置。開關(guān)元件220具有允許在線導(dǎo)體204和中性導(dǎo)體206之間電氣連接的閉合位置。開關(guān)元件220還具有在線導(dǎo)體204和中性導(dǎo)體206之間形成開路的打開位置。在正常工作時(shí)，開關(guān)元件220處于打開位置，從而允許電力流過線導(dǎo)體204流至連接器210和212。
[0024]電弧故障保護(hù)插座112還包括控制器222、電流傳感器224、電壓傳感器226和接觸繼電器230。應(yīng)當(dāng)理解，控制器222連同電流傳感器224和電壓傳感器226 —起為電弧故障保護(hù)插座212提供下游電弧故障檢測(cè)和電流中斷。在電弧故障保護(hù)插座112下游發(fā)生并聯(lián)電弧故障的情況下，電壓傳感器226上檢測(cè)出電壓以及電流傳感器224上檢測(cè)出電流變化。在串聯(lián)電弧故障的情況下，由控制器222檢測(cè)出電流變化。在這兩種情況的任一情況下，控制器222激活接觸繼電器230并因此中斷線導(dǎo)體204上的連接，從而防止電流流向三叉連接器210和212以及電弧故障保護(hù)插座112下游的插座114和116上的三叉連接器。通?？赏ㄟ^按下面板202上的按鈕(未示出)來將接觸繼電器230復(fù)位。此類常規(guī)電弧故障檢測(cè)系統(tǒng)不能防止諸如圖1中的電弧故障120的上游并聯(lián)電弧故障，因?yàn)榧せ罱佑|繼電器230將不能防止電流流向電弧故