專利名稱：檢測電弧故障的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于檢測電弧故障的設(shè)備和方法，且更具體地涉及不易受擾亂脫扣影響的電弧故障檢測設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
已知的電弧故障檢測設(shè)備和方法采用微控制器來測量與負(fù)荷有關(guān)的電壓，并處理代表電壓測量結(jié)果的數(shù)據(jù)，以確定電弧的存在。例如，常規(guī)電弧故障檢測設(shè)備可配置為感測交變負(fù)荷電流，對AC信號進(jìn)行濾波和整流，并向積分電容器提供整流信號。接著，常規(guī)電弧故障檢測設(shè)備可以使用微控制器測量積分電容器上的電壓，并通過算法把電壓測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以進(jìn)行后續(xù)的處理。例如，可采用算法來分析所測量的與各個(gè)線電壓周期相應(yīng)的電壓電平，并確定電壓測量結(jié)果是電弧故障的特征，還是擾亂負(fù)荷，如調(diào)光器負(fù)荷、器具恒溫器切換、鉆孔機(jī)電流變化、隨機(jī)線電壓尖峰、和/或EMI突發(fā)的特征。在電壓測量結(jié)果是電弧故障特征的情況下，常規(guī)電弧故障檢測設(shè)備通常使斷路器脫扣，以使電力線與電路斷開。
盡管上述常規(guī)電弧故障檢測設(shè)備已經(jīng)成功地用于檢測和區(qū)分電弧和擾亂負(fù)荷，但還需要可靠性更高的電弧故障檢測技術(shù)。例如，由于電弧通常的混沌性質(zhì)，電弧故障一般每個(gè)線電壓半周期產(chǎn)生不同數(shù)量的電弧事件。相反，擾亂負(fù)荷，如三端雙向可控硅開關(guān)控制的調(diào)光器電路，一般每個(gè)半周期產(chǎn)生相同數(shù)量的電弧事件，從而，在多個(gè)半周期上周期性地產(chǎn)生電弧事件。然而，常規(guī)電弧故障檢測設(shè)備經(jīng)常不能可靠地區(qū)分周期性的和非周期性的電弧事件，從而容易發(fā)生擾亂脫扣。而且，這些常規(guī)設(shè)備往往難以區(qū)分某些啟動和停機(jī)工況以及電弧。另外，盡管一些負(fù)荷會產(chǎn)生具有相對較大電壓電平的干擾切換信號，但這些信號不一定都表示電弧，而可能是由常規(guī)電弧故障檢測設(shè)備錯(cuò)誤地表現(xiàn)為電弧故障。
從而希望有改進(jìn)的電弧故障檢測設(shè)備和方法，以避免上述常規(guī)設(shè)備和方法的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種不易受擾亂脫扣影響的電弧故障檢測設(shè)備和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，電弧故障檢測設(shè)備包括電流傳感器、輸入檢測電路、電弧感測電路、電源、脫扣(觸發(fā))電路、處理單元以及機(jī)電接口。在一種操作模式中，電流傳感器監(jiān)視包括交變電流(AC)的功率輸入，并向輸入檢測電路提供AC電流的高頻分量。隨后，輸入檢測電路在其輸入處對AC信號進(jìn)行濾波和整流，并把整流信號提供給電弧感測電路。電弧感測電路接著向處理單元提供在預(yù)定采樣周期上累積的電壓電平、表示在該采樣周期過程中發(fā)生的可能電弧的一個(gè)或多個(gè)數(shù)字信號。處理單元測量電壓電平，儲存與提供給它的測量電壓和數(shù)字信號有關(guān)的信息，并使用一種或多種算法處理儲存的信息，由此確定所述信號是由電弧故障還是由擾亂負(fù)荷產(chǎn)生。在所述信號由電弧故障產(chǎn)生的情況下，處理單元激發(fā)觸發(fā)電路，使機(jī)電接口脫扣，由此使功率輸出與負(fù)荷斷開。
在目前公開的實(shí)施例中，微控制器執(zhí)行用于區(qū)分電弧故障和擾亂負(fù)荷的多種算法，包括用于確定電壓波動的三周期算法(TCA)，所述TCA消除重復(fù)或連續(xù)變化類型的擾亂負(fù)荷所造成的干擾。TCA可表達(dá)如下TCA＝|(|V[n-1]-V[n]|+|Y[n+1]-V[n]|-|Y[n+1]-V[n-1]|)|，其中，V[n-1]表示與第一線電壓周期相應(yīng)的第一電壓測量結(jié)果，V[n]代表與第二線電壓周期相應(yīng)的第二電壓測量結(jié)果，并且，V[n+1]代表與第三線電壓周期相應(yīng)的第三電壓測量結(jié)果。所述多種算法進(jìn)一步包括用于對每個(gè)線電壓半周期內(nèi)所發(fā)生電弧事件數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)的第一脈沖計(jì)數(shù)器算法，用于捕捉與一個(gè)或多個(gè)電弧事件有關(guān)的定時(shí)信息的第二脈沖計(jì)數(shù)器算法，以及用于對電壓測量結(jié)果的至少一個(gè)求和中所包括的電弧事件數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)的電弧事件計(jì)數(shù)器算法。通過執(zhí)行一種或多種算法來區(qū)分電弧故障和擾亂負(fù)荷，電弧故障檢測設(shè)備能夠以更高的可靠性來檢測電弧故障，由此減小設(shè)備對擾亂脫扣的敏感性。
從以下的本發(fā)明詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其它特征、功能和方面將顯而易見。


從以下結(jié)合附圖的本發(fā)明詳細(xì)描述中，將更加充分地理解本發(fā)明，在附圖中圖1a為根據(jù)本發(fā)明的電弧故障檢測設(shè)備的框圖；圖1b為示出圖1a中電弧故障檢測設(shè)備的示意圖；圖2a-2b示出可在圖1a的電弧故障檢測設(shè)備中使用的變壓器配置的圖；圖2c-2d示出在圖2a-2b的變壓器配置中包括的變壓器的視圖；圖3a-3b為示出可在圖1a的電弧故障檢測設(shè)備中使用的對數(shù)和電路的示意圖；圖3c-3d為示出可在圖1a的電弧故障檢測設(shè)備中使用的比較器電路的示意圖；圖4為示出由圖1a的電弧故障檢測設(shè)備執(zhí)行的包括三周期算法的操作方法的流程圖；圖5a-5b為示出由圖1a的電弧故障檢測設(shè)備執(zhí)行的脈沖計(jì)數(shù)器算法的流程圖；圖6為示出圖5a-5b的脈沖計(jì)數(shù)器算法所采用的測量數(shù)據(jù)組的映射的表格；圖7為示出由圖1a的電弧故障檢測設(shè)備執(zhí)行的電弧事件計(jì)數(shù)器算法的流程圖；圖8為示出由圖1a的電弧故障檢測設(shè)備執(zhí)行的使用數(shù)字計(jì)數(shù)器對比較器電路的輸出進(jìn)行積分的方法的流程圖；以及圖9為示出由圖1a的電弧故障檢測設(shè)備執(zhí)行的包括圖5a-5b的脈沖計(jì)數(shù)器算法、圖4的三周期算法和圖7的電弧事件計(jì)數(shù)器算法的操作方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1a示出根據(jù)本發(fā)明的電弧故障檢測設(shè)備100的說明性實(shí)施例。在圖示實(shí)施例中，設(shè)備100包括電流傳感器101、輸入感測電路102、電弧感測電路104、電源106、脫扣(觸發(fā))電路108、處理單元112、以及機(jī)電接口117。在例示性的操作模式中，電流傳感器101監(jiān)視經(jīng)過機(jī)電接口117的功率輸入，并且把功率輸入的高頻分量提供給輸入感測電路102。接著，輸入感測電路102在其輸入處對AC信號進(jìn)行濾波和整流，并向電弧感測電路104提供經(jīng)過整流的信號。接著，電弧感測電路104向處理單元112提供表示有可能發(fā)生電弧的電壓電平和數(shù)字信號。隨后，處理單元112測量電壓電平，并使用一種或多種算法分析電壓測量結(jié)果和數(shù)字信號，以確定所述信號是由電弧故障還是由擾亂負(fù)荷產(chǎn)生。在所述信號由電弧故障產(chǎn)生的情況下，處理單元112激活觸發(fā)電路108，由此使機(jī)電接口117脫扣，使功率輸出與負(fù)荷斷開。通過在使機(jī)電接口117脫扣之前確定輸入感測電路102感測的AC信號是由電弧產(chǎn)生還是由擾亂負(fù)荷產(chǎn)生，處理單元112減小電弧故障檢測設(shè)備100對擾亂脫扣的敏感性。
圖1b示出電弧故障檢測設(shè)備100的說明性實(shí)施例。在圖示實(shí)施例中，電流傳感器101包括變壓器TR1，變壓器TR1通過監(jiān)視流經(jīng)負(fù)荷的交變電流(AC)i而監(jiān)視功率輸入，其中，所述負(fù)荷可通過負(fù)荷線路相位端TP9和負(fù)荷中性線端TP10和TP22而耦合到功率輸出。變壓器TR1配置為把AC電流i的高頻分量從其初級線圈L1磁耦合到其次級線圈L2，由此向輸入感測電路102提供AC電流I。在目前公開的實(shí)施例中，在諸如層壓印刷電路板(PCB)基板、陶瓷基板或任何其它適當(dāng)基板的基板上實(shí)現(xiàn)電弧故障檢測設(shè)備100。進(jìn)一步地，變壓器TR1的初級線圈L1圍繞次級線圈L2(參見圖2c-2d)，其中，次級線圈L2具有與基板正交的磁軸。在優(yōu)選實(shí)施例中，變壓器TR1的次級線圈L2提供相對較弱的磁耦合。例如，弱耦合變壓器TR1可提供大約20-50μH的互導(dǎo)。
如圖1b所示，輸入感測電路102包括電容器C1、電阻器R1-R2以及二極管D1-D6。變壓器TR1的次級線圈L2連接在電容器C1和電阻器R2之間。電容器C1還連接到電阻器R1，并且，電阻器R1-R2接地。電容器C1對變壓器次級線圈L2提供的AC信號進(jìn)行高通濾波，并且，電阻器R1-R2為次級線圈L2提供接地基準(zhǔn)。二極管D1的陰極連接到電容器C1和電阻器R1，二極管D2的陰極連接到次級線圈L2和電阻器R2，并且，二極管D1-D2的陽極接地。二極管D1的陰極還連接到二極管D3-D4的陽極，并且，二極管D2的陰極還連接到二極管D5-D6的陽極。二極管D4-D5的陰極接地，并且，二極管D3和D6的陰極連接到節(jié)點(diǎn)114，其中，節(jié)點(diǎn)114提供輸入感測電路102的輸出。二極管D1-D2和D4-D5配置為形成全波整流橋，從而，在節(jié)點(diǎn)114提供的輸出是全波整流信號。在優(yōu)選實(shí)施例中，二極管D3和D6與二極管D4-D5匹配。進(jìn)一步地，包括在電弧檢測電路104中的二極管D3-D6和電容器C2形成記錄電路，由此使節(jié)點(diǎn)114提供的輸出電平與輸入感測電路102的輸入記錄成正比。
在圖示實(shí)施例中，電弧感測電路104包括電容器C2、積分電容器C3、電阻器R3-R7、運(yùn)算放大器(op amp)116以及二極管D7。如圖1a所示，電容器C2和電阻器R4連接在節(jié)點(diǎn)114和地之間。進(jìn)一步地，電阻器R3連接在節(jié)點(diǎn)114和微控制器的引腳10之間，其中，微控制器執(zhí)行處理單元112的功能(參見圖1a)。op amp 116和電阻器R5-R6配置為形成非反相放大器105。電容器C2連接到op amp 116的非反相輸入，并且，電容器C2上的電壓被緩沖，并且通過二極管D7和電阻器R7而提供給積分電容器C3。電容器C3連接在微控制器112的引腳9和地之間。二極管D7配置為防止從電容器C3流出反相電流。進(jìn)一步地，電阻器R7和電容器C3的組合形成低通濾波器，以過濾高頻噪聲。
應(yīng)指出，電容器C2上的電壓以大約(C2)*(R4)秒的衰減時(shí)間重置。例如，如果R4等于10kΩ并且電容器C2等于1nf，那么，電容器C2的衰減時(shí)間就為約10μsec。電弧感測電路104配置為把電容器C2上的電壓變化(ΔVC2)轉(zhuǎn)換為寬度為tpw的脈沖，其中，寬度tpw由以下確定G*ΔVC2*e(-tpw/C2*R4)＝Vcc/2 (1)其中，“G”為op amp 116的增益。響應(yīng)有效di/dt事件(“電弧事件”)而產(chǎn)生的每個(gè)脈沖導(dǎo)致電容器C3上的電壓變化(ΔVC3)，其中，ΔVC3由以下表示ΔVC3＝(VCC-Vbe-VC3)*(1-e(-tpw/C3*R7))-VC3(2)相應(yīng)地，公式(1)-(2)證明隨著電弧事件數(shù)量增加，ΔVC3隨著ΔVC2的記錄而增加，由此增加電弧故障檢測設(shè)備100的動態(tài)范圍。
微控制器112測量微控制器的引腳9上的積分電容器C3上的電壓VC3。例如，微控制器112可包括Texas Instruments Inc.(TI)，Dallas，Texas，USA銷售的MSP430F1122微控制器、或任何其它適當(dāng)?shù)奈⒖刂破?。在一個(gè)實(shí)施例中，微控制器112在每個(gè)線電壓半周期在靠近線電壓過零處測量一次電容器C3的電壓VC3。測量電壓代表積分電容器C3所累積的電壓和，積分電容器C3通過簡單的衰減時(shí)間而重置。相應(yīng)地，進(jìn)行每次測量的采樣周期具有從發(fā)生電弧事件開始持續(xù)大約一個(gè)衰減時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。
在替代實(shí)施例中，微控制器112每個(gè)線電壓半周期多次測量積分電容器C3的電壓VC3。例如，在由線電壓絕對值確定的時(shí)間，微控制器112每個(gè)半周期測量兩次電壓VC3，并且，在每次測量之后把電容器C3重置為0V。具體地，微控制器112在與每個(gè)半周期的兩個(gè)預(yù)定區(qū)域相應(yīng)的時(shí)間測量電壓VC3。接著，微控制器112通過首先在每個(gè)預(yù)定區(qū)域開始時(shí)把電容器C3重置為0V，并接著在每個(gè)區(qū)域終點(diǎn)測量電容器電壓而對這些測量結(jié)果求和。在優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)半周期的兩次電壓測量都在線電壓過零處附近進(jìn)行，例如，在過零處之前立即進(jìn)行一次測量，在過零處之后立即進(jìn)行另一次測量。
在目前公開的實(shí)施例中，微控制器112的引腳9連接到微控制器112內(nèi)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC把在積分電容器C3上測量的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，由此允許微控制器112在內(nèi)部存儲器中儲存測量數(shù)據(jù)。在每次測量之后，微控制器112把引腳9短路到接地，以使電容器C3準(zhǔn)備為下一采樣周期求電流的積分。另外，微控制器112的引腳10連接到op amp 116的輸出，其中，op amp 116直接向微控制器112的引腳13提供脈沖計(jì)數(shù)器信號。微控制器112使用內(nèi)部計(jì)數(shù)器監(jiān)視脈沖計(jì)數(shù)器信號，以跟蹤在信號內(nèi)發(fā)生的脈沖。接著，微控制器112儲存與測量電壓和所監(jiān)視脈沖有關(guān)的數(shù)據(jù)，并且使用一種或多種算法處理所述數(shù)據(jù)，以確定所述電壓/脈沖是由電弧事件還是由擾亂負(fù)荷產(chǎn)生。
電弧故障檢測設(shè)備100進(jìn)一步包括重置電路110，其中，重置電路110包括電容器C4、電阻器R8-R10、齊納二極管D8、以及可用于把相線連接到微控制器112的引腳12的按鈕PB1。在圖示實(shí)施例中，串聯(lián)的電阻器R9-R10以及連接在引腳12和地之間的電阻器R8把線電壓和線電流減小到適合微控制器112的水平。即使TI MSP430F1122微控制器包括內(nèi)部保護(hù)二極管，也在引腳12和地之間連接齊納二極管D8，以提供冗余電壓限制。電容器C4連接在引腳12和地之間，以過濾高頻噪聲。當(dāng)激活按鈕PB1開始測試時(shí)，微控制器112在引腳10提供脈沖寬度增加的感測測試信號。結(jié)果，隨著脈沖寬度增加，微控制器112通過電阻器R3向電容器C2施加增加的電壓，從而在不同的電壓創(chuàng)造模擬電弧。
如圖1b所示，觸發(fā)電路108包括電容器C5-C7、電阻器R11-R12、二極管D9、以及可控硅整流器(SCR1)。具體地，電容器C7連接在SCR1的陽極和陰極之間，并且，電容器C6和電阻器R12連接在SCR1的柵極和陰極之間，以防止因有效dv/dt事件而非故意觸發(fā)SCR1。電容器C5串聯(lián)在微控制器112的引腳14和限流電阻器R11之間，以防止電源過度損耗。機(jī)電接口117包括二極管橋、螺線管118以及金屬氧化物變阻器(MOV1)，其中，二極管橋包括二極管D12-D15，金屬氧化物變阻器(MOV1)連接在中線和相線端之間，以防止過大線電壓。二極管D9連接在二極管橋D12-D15和SCR1的陽極之間。二極管D9使電容器C7與線電壓監(jiān)視電路隔離開，其中，線電壓監(jiān)視電路包括連接到微控制器112的引腳8的電阻器R16-R17和電容器C8。相應(yīng)地，當(dāng)觸發(fā)SCR1時(shí)，SCR1通過二極管橋D12-D15汲取增加的電流，并且，與線電壓大致相等的電壓電平使螺線管118脫扣，以使功率輸出與負(fù)荷斷開。
在圖示實(shí)施例中，電源106包括電阻器R13-R20、電容器C8-C10以及二極管D10-D11。串聯(lián)的電阻器R13-R15限制提供給齊納二極管D11的電流的量。如圖1b所示，在二極管D10和齊納二極管D11的連接處與微控制器112的正電源Vcc(引腳2)之間連接電阻器R20。二極管D10防止從電容器C9流出反向電流，其中，電容器C9連接在二極管D10-D11的連接處與地之間。進(jìn)一步地，連接在微控制器112的引腳2與地之間的電容器C10向微控制器112提供電壓Vcc。串聯(lián)電阻器R16-R17連接在電阻器R14-R15的連接處與地之間。進(jìn)一步地，連接在電阻器R16-R17的連接處與地之間的電容器C8向微控制器112的引腳8提供基準(zhǔn)電壓(VREF)?；鶞?zhǔn)電壓VREF與二極管橋D12-D15的電壓成正比，其中，所述二極管橋D12-D15的電壓大致等于線電壓的絕對值。在目前公開的實(shí)施例中，微控制器112通過VREF監(jiān)視線電壓，并且基于所監(jiān)視的線電壓而確定何時(shí)測量電容器C3的電壓。在替代實(shí)施例中，微控制器112可以監(jiān)視數(shù)字計(jì)時(shí)器的輸出，并且基于計(jì)時(shí)器輸出而執(zhí)行積分電容器C3上的電壓測量。
如上所述，微控制器112通過用一種或多種算法處理儲存的電壓/脈沖數(shù)據(jù)而確定電弧事件的發(fā)生。以下結(jié)合圖1b和4描述操作電弧故障檢測設(shè)備100的方法，其中，該方法使用三周期算法(TCA)來減少擾亂負(fù)荷上脫扣的發(fā)生。如步驟402中所述，積分電容器C3重置為0V，并且，微控制器112內(nèi)的所有標(biāo)記初始化。步驟406-409形成子程序，在此子程序中，所述方法持續(xù)循環(huán)，直到在微控制器112的引腳8上監(jiān)視的基準(zhǔn)電壓VREF超過預(yù)定值samp_hi并接著低于所選值sample1為止，由此確定線電壓過零處附近的采樣或測量點(diǎn)。接著，如步驟414中所述，在微控制器112的引腳9測量電容器C3上的電壓，此后，電容器C3重置為0V。隨后，如步驟416中所述，確定按鈕PB1是否被激活。在按鈕PB1被激活的情況下，如步驟420中所述，電弧狀噪聲通過連接到微控制器112的引腳10的電阻器R3而注入到電容器C2中，其中，利用在多個(gè)線電壓半周期上注入的足夠噪聲，微控制器112使螺線管118以與在負(fù)荷電流中所檢測的電弧相同的方式脫扣，其中，所述噪聲由TCA在下述步驟440中處理。
在優(yōu)選實(shí)施例中，由于維持電弧需要例如大約15V的最小電壓，因此，通常選擇高達(dá)50V的窗口用于電壓測量，以計(jì)算線電流和線電壓之間的相位差。線電壓過零點(diǎn)附近的此窗口捕捉通常在過零點(diǎn)附近產(chǎn)生或熄滅的相對較小的電弧。
接著，電壓測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并且如步驟434中所述，壓入到微控制器112內(nèi)的堆棧中，以保留測量數(shù)據(jù)的歷史。在目前公開的實(shí)施例中，連續(xù)的電壓測量值作為字輸入到堆棧中。接著，如步驟440中所述，執(zhí)行TCA。具體地，計(jì)算周期1的字(即V[n-1])減去周期2的字(即V[n])，并且，求絕對值，以獲得第一計(jì)算值；計(jì)算周期3的字(即V[n+1])減去周期2的字(即V[n])，并且，求絕對值，以獲得第二計(jì)算值；計(jì)算周期3的字(即V[n+1])減去周期1的字(即V[n-1])，并且，求絕對值，以獲得第三計(jì)算值。接著計(jì)算第一值加第二值減去第三值，并求絕對值。從而，在步驟440中執(zhí)行的TCA可表達(dá)如下TCA＝|(|V[n-1]-V[n]|+|V[n+1]-V[n]|-|V[n+1]-V[n-1]|)|(3)可以理解，公式(3)中最外一對絕對值符號不是嚴(yán)格要求的，而包括它是用于強(qiáng)調(diào)在TCA的執(zhí)行過程中必須避免發(fā)生最低有效位(LSB)錯(cuò)誤。應(yīng)指出，在TCA中使用的相鄰全周期1-3可以重疊也可以不重疊。如果三個(gè)周期不重疊，那么，就需要6個(gè)半周期來執(zhí)行TCA。如果三個(gè)周期重疊，那么就只需要4個(gè)半周期來執(zhí)行TCA。
接著，如步驟444中所述，保留TCA計(jì)算的至少一個(gè)連續(xù)求和。TCA計(jì)算的每個(gè)求和代表在各自采樣周期內(nèi)發(fā)生的電弧總數(shù)。如步驟446中所述，在采樣周期終點(diǎn)確定求和是否超過預(yù)定的最大閾值max_limit。在求和值超過max_limit的情況下，如步驟448中所述，檢測到電弧故障，并且觸發(fā)SCR1，以使功率輸出與負(fù)荷斷開。在優(yōu)選實(shí)施例中，SCR1被觸發(fā)三次，以保證即使線電壓有簡短的中斷也能觸發(fā)。在目前公開的實(shí)施例中，為SCR1提供具有所選寬度如30μsec的脈沖。接著，所述方法循環(huán)回到步驟402，以使積分電容器C3為隨后的電壓測量作準(zhǔn)備。
除以上已經(jīng)描述的說明性實(shí)施例之外，還可有其它的替代實(shí)施例或變化。例如，前面描述在基板上實(shí)現(xiàn)電弧故障檢測設(shè)備100，并且，變壓器TR1的初級線圈L1圍繞其磁軸與基板正交的感應(yīng)式拾波線圈。圖2a描述第一替代實(shí)施例，其中，初級線圈L1作為布置在基板202中且與基板202平行的第一U形導(dǎo)電軌跡212。在此實(shí)施例中，感應(yīng)式拾波線圈的磁軸與基板202平行，并且，流經(jīng)初級線圈L1的電流與拾波線圈的軸正交。如圖2a所示，在第一軌跡和拾波線圈之間布置包括第二導(dǎo)電軌跡214的靜電屏蔽。應(yīng)指出，變壓器TR1可作為單一表面安裝拾波線圈，或作為雙表面安裝拾波線圈TR2-TR3而實(shí)現(xiàn)，以提供用于減小在初級和拾波線圈之間電容耦合的接地中心抽頭。在目前公開的實(shí)施例中，兩個(gè)拾波線圈TR2-TR3的極性獨(dú)立地繞著與磁軸正交的軸旋轉(zhuǎn)180°。另外，基板202用作初級線圈212和拾波線圈之間的絕緣體。
如圖2a所示，雙表面安裝拾波線圈TR2-TR3布置在基板202的一側(cè)上，并且，初級線圈軌跡212在拾波線圈的磁軸下面并與磁軸正交。應(yīng)該理解，初級線圈L1的U形軌跡212可由一根線電流軌跡和一根回流軌跡取代，其中，所述U形軌跡212連接到線電流。以此方式，即使線路和返回連接相反，也可提供電弧檢測能力。
圖2b示出第二替代實(shí)施例，其中，雙表面安裝拾波線圈TR2-TR3基本上互相相對地布置在基板202的相反側(cè)上，并且，初級線圈軌跡212布置在拾波線圈之間，由此提供增加的互感。例如，每個(gè)拾波線圈可包括Coilcraft Corporation，Cary，Illinois，USA銷售的5315TC(Ferrite)系列RFID轉(zhuǎn)發(fā)器線圈，或任何其它適當(dāng)?shù)氖安ň€圈。
前面還描述輸入感測電路102(參見圖1b)可配置為允許微控制器112每個(gè)線電壓半周期執(zhí)行一次電壓測量。圖3a示出對數(shù)和電路102a，此電路是輸入感測電路102的第一替代實(shí)施例。與輸入檢測電路102相同，對數(shù)和電路102a允許微控制器112在線電壓過零處附近每個(gè)半周期測量一次電容器C3上的電壓。如圖3a所示，對數(shù)和電路102a包括電容器C1、電容器C12-C13、電阻器R23-R26、二極管D14-D15、以及晶體管T1-T4。晶體管T1-T4和電容器C13形成記錄電路，并且，電容器C13上的電壓變化可表達(dá)如下ΔVC13≈vT*ln(|Q|/(C*vT)+1)， (4)其中，“|Q|”等于流經(jīng)變壓器TR1的初級線圈L1的產(chǎn)生電弧的電荷，并且，vT＝kt/q， (5)其中，“vT”在室溫下等于約26mV。在目前公開的實(shí)施例中，每個(gè)電弧事件使電容器C2上的電壓增加(C13/C2)*ΔV。進(jìn)一步地，電容器C13上的電壓以大約(C13)*(R23)秒的衰減時(shí)間重置。例如，如果電阻器R23-R26中每一個(gè)都等于10kΩ并且電容器C13等于10nf，那么，衰減時(shí)間就為約100μsec。相應(yīng)地，從電弧事件開始到大約過去衰減時(shí)間為止，由電弧事件注入到電容器C1中的電荷等于注入到電容器C13中的電荷。
圖3b示出對數(shù)和電路102b，此電路是輸入感測電路102(參見圖1b)的第二替代實(shí)施例。如圖3b所示，對數(shù)和電路102b包括電容器C1、電阻器R27-R29、電容器C14-C16、晶體管T5-T6、以及二極管D16-D19。在此替代實(shí)施例中，對數(shù)和電路102b在記錄電路中僅使用一個(gè)匹配的晶體管對T5-T6。
前面還描述電弧感測電路104(參見圖1b)包括形成非反相放大器105的op amp 116和電阻器R5-R6。圖3c示出可替代非反相放大器105使用的比較器電路105a。如圖3c所示，比較器電路105a包括比較器120、電阻器R30-R32、二極管D7、以及電容器C3。具體地，電阻器R30-R31形成對比較器的反相輸入加偏壓的分壓器。當(dāng)輸入感測電路102提供給比較器120的非反相輸入的信號電平超過比較器120的反相輸入的電平時(shí)，比較器120以與(R23)*(C3)成正比的速率通過電阻器R32對電容器C3充電。應(yīng)指出，只要比較器120的非反相輸入的信號電平保持比Vcc*[R31/R30+R31)]更大，電容器C3就繼續(xù)對電容器C3充電。相應(yīng)地，每當(dāng)在比較器電路105a的輸入上檢測到負(fù)荷電流的有效變化時(shí)(即每當(dāng)發(fā)生有效di/dt事件時(shí))，比較器的輸出就被驅(qū)動為其正干線(rail)，由此產(chǎn)生通過二極管D7和電阻器R7對電容器C3充電的脈沖。
在目前公開的實(shí)施例中，微控制器112用于執(zhí)行第一脈沖計(jì)數(shù)器算法，在每個(gè)半周期過程中對比較器電路105a(或非反相放大器105)的輸出被驅(qū)動為高的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于電弧通常的混沌性質(zhì)，電弧故障一般每個(gè)線電壓半周期產(chǎn)生可變數(shù)量的電弧事件。相反，擾亂負(fù)荷一般每個(gè)半周期產(chǎn)生相同數(shù)量的電弧事件，從而，在多個(gè)半周期上周期性地產(chǎn)生電弧事件。此信息可用于在正常工況下禁止擾亂脫扣，并且在檢測到電弧故障時(shí)允許發(fā)生脫扣。具體地，比較器電路105a向微控制器112的引腳13提供脈沖計(jì)數(shù)器信號，其中，微控制器112在第一脈沖計(jì)數(shù)器算法的執(zhí)行過程中使用此信號。每當(dāng)比較器電路105a的輸出在每個(gè)半周期過程中被驅(qū)動為高時(shí)，如脈沖計(jì)數(shù)器信號的電平所示，微控制器112內(nèi)的數(shù)字計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值增加。當(dāng)電容器C3由微控制器112重置時(shí)，計(jì)數(shù)器值儲存在微控制器112內(nèi)，并且，執(zhí)行第一脈沖計(jì)數(shù)器算法。在目前公開的實(shí)施例中，微控制器112執(zhí)行第一脈沖計(jì)數(shù)器算法，以確定儲存在微控制器112內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)測量數(shù)據(jù)組中預(yù)定數(shù)量數(shù)據(jù)元素的周期性。例如，在儲存的計(jì)數(shù)器值等于4的情況下，第一脈沖計(jì)數(shù)器算法可用于確定至少一個(gè)測量數(shù)據(jù)組中1-4個(gè)數(shù)據(jù)元素的周期性。
以下結(jié)合圖5a描述第一脈沖計(jì)數(shù)器算法的操作。如步驟502中所述，脈沖計(jì)數(shù)器算法在具有相同第一數(shù)據(jù)值k的測量數(shù)據(jù)組中搜索預(yù)定數(shù)量的數(shù)據(jù)元素。接著，如步驟504中所述，分析整個(gè)測量數(shù)據(jù)組，確定具有零(0)值的數(shù)據(jù)元素的存在，確定具有第一數(shù)據(jù)值(k)的附加數(shù)據(jù)元素的存在，并確定具有不同于第一數(shù)據(jù)值的第二數(shù)據(jù)值(j)的數(shù)據(jù)元素的存在。接著，如步驟506中所述，數(shù)據(jù)組被映射。例如，典型的數(shù)據(jù)組可以包含具有零值的第一數(shù)據(jù)元素、具有第一值3的第二數(shù)據(jù)元素、具有相同第一值3的第三數(shù)據(jù)元素、以及具有不同第二值2的第四數(shù)據(jù)元素，從而，可被映射到
。接著，如步驟508中所述，確定映射的數(shù)據(jù)組是否與表示多個(gè)電弧事件周期性的多個(gè)預(yù)定數(shù)據(jù)組的至少一個(gè)匹配。如以上所解釋地，擾亂負(fù)荷通常產(chǎn)生周期性電弧事件，而電弧故障產(chǎn)生的電弧事件一般是非周期性的。另外，某些啟動和停機(jī)工況可能與周期性電弧事件類似。圖6示出表示周期性電弧事件的多個(gè)數(shù)據(jù)組的示例性映射。例如，上述典型映射
與圖6所示任一個(gè)數(shù)據(jù)組都不匹配。在此情況下，脈沖計(jì)數(shù)器不被看作是“有效的”(N)，并且允許脫扣。在匹配的情況下，如步驟510中所述，脈沖計(jì)數(shù)器被看作是“有效的”(Y)，并且禁止脫扣，由此減小在正常工況下發(fā)生擾亂脫扣。例如，通過增加上述三周期算法(TCA)所用的預(yù)定最大閾值max_limit和/或任何其它適當(dāng)?shù)某?shù)和/或系數(shù)，可禁止脫扣。應(yīng)理解，也可適當(dāng)?shù)匦薷腡CA所用的常數(shù)/系數(shù)，使得能在檢測到有效電弧故障時(shí)脫扣。
如上所述，第一脈沖計(jì)數(shù)器算法包括以下步驟確定映射數(shù)據(jù)組是否與表示電弧事件周期性的至少一個(gè)預(yù)定數(shù)據(jù)組相匹配。在替代實(shí)施例中，還確定映射數(shù)據(jù)組是否與表示數(shù)據(jù)歷史中無效事件(如噪聲)的一個(gè)或多個(gè)預(yù)定數(shù)據(jù)組相匹配。例如，此數(shù)據(jù)組可映射到
，這表示映射中除單個(gè)“j”元素之外的周期性。通過在發(fā)生此匹配時(shí)禁止脫扣，噪聲過濾程度可引入到第一脈沖計(jì)數(shù)器算法中。
在目前公開的實(shí)施例中，還執(zhí)行第二脈沖計(jì)數(shù)器算法，以捕捉與一個(gè)或多個(gè)電弧事件有關(guān)的定時(shí)信息。以下結(jié)合圖5b描述第二脈沖計(jì)數(shù)器算法。如步驟514中所述，使用微控制器112內(nèi)的計(jì)數(shù)器來跟蹤采樣周期內(nèi)發(fā)生電弧事件所需的時(shí)間量。例如，計(jì)數(shù)器可用于測量從采樣周期開始到在采樣周期內(nèi)發(fā)生電弧事件的時(shí)間。接著，如步驟516中所述，在一定數(shù)量的采樣周期上儲存多個(gè)測量時(shí)間值，以提供電弧事件時(shí)間的歷史。接著，如步驟518中所述，分析時(shí)間歷史，以確定電弧時(shí)間的隨機(jī)性。接著，如步驟520中所述，確定在每個(gè)采樣周期內(nèi)是否在基本相同的時(shí)間發(fā)生電弧事件。在每個(gè)采樣周期內(nèi)在基本相同的時(shí)間發(fā)生電弧事件的情況下，就認(rèn)為電弧是由擾亂負(fù)荷引起的，并且禁止脫扣，如步驟522中所述?？梢岳斫猓蛇m當(dāng)?shù)匦薷纳鲜鋈芷谒惴ㄋ玫某?shù)/系數(shù)，以便基于第二脈沖計(jì)數(shù)器算法所得到的電弧時(shí)間歷史而禁止和/或允許脫扣。
為了考慮電弧信號的非線性，可修改比較器電路105a，以提供與各個(gè)電壓閾值相應(yīng)的多個(gè)數(shù)字輸出信號。圖3d示出提供多個(gè)數(shù)字輸出的比較器電路105b的說明性實(shí)施例。如圖3d所示，比較器電路105b包括比較器121和123、以及電阻器R33、R35、R37和R39。進(jìn)一步地，比較器121和123的非反相輸入可連接到節(jié)點(diǎn)114(參見圖1b)，并且，比較器121和123的輸出可連接到微控制器112的適當(dāng)數(shù)字輸入。具體地，電阻器R33、R35和R37、R39分別形成對比較器121和123的反相輸入加偏壓的分壓器。例如，分壓器分別在預(yù)定的低和高電壓電平對比較器121和123加偏壓。在此替代實(shí)施例中，當(dāng)比較器121提供表示電弧信號電平已經(jīng)超過低電壓閾值的第一數(shù)字輸出時(shí)，微控制器112內(nèi)的數(shù)字計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值開始增加。接著，如比較器123提供的第二數(shù)字輸出所表示的，當(dāng)電弧電平超過高電壓閾值時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值增加的速率增加。接著，如各個(gè)比較器121和123提供的第一和第二數(shù)字輸出所表示的，當(dāng)電弧電平在連續(xù)的閾值之下時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值增加的速率減小。
前面還描述TCA可表達(dá)如下TCA＝|(|V[n-1]-V[n]|+|V[n+1]-V[n]|-|V[n+1]-V[n-1]|)|(參見公式(3))。然而，公式(3)提供對單一電弧事件的相對平滑的響應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)對更具脈沖特性的單一電弧事件的響應(yīng)，修改TCA可表達(dá)如下
Knob_TCA＝TCA_1+(knob)*TCA_2 (6)其中，“TCA_1”如公式(3)所表示，“knob”是常數(shù)，并且，“TCA_2”表達(dá)為TCA_2＝|V[n-1]-2*V[n]+V[n+1]|(7)其中，V[n-1]代表與第一線電壓周期相應(yīng)的第一電壓測量結(jié)果，V[n]代表與第二線電壓周期相應(yīng)的第二電壓測量結(jié)果，并且，V[n+1]代表與第三線電壓周期相應(yīng)的第三電壓測量結(jié)果。應(yīng)指出，TCA_2提供對單一電弧事件更多的脈沖響應(yīng)。在以上公式(6)中，可調(diào)整knob常數(shù)(如，knob常數(shù)可設(shè)定為1/8或任何其它適當(dāng)?shù)闹?，以提供變化數(shù)量的脈沖響應(yīng)。
前面還描述在TCA計(jì)算的連續(xù)求和上增加三周期算法(TCA)所得到的和，其中，所述連續(xù)求和代表在采樣周期上發(fā)生的電弧總數(shù)。在每個(gè)采樣周期結(jié)束時(shí)，所述求和與預(yù)定的最大閾值max_limit相比較，并且，在超過閾值的情況下，觸發(fā)SCR1。在替代實(shí)施例中，為進(jìn)一步地避免擾亂脫扣，微控制器112(參見圖1)用于執(zhí)行電弧事件計(jì)數(shù)器算法，以對所述求和中包括的電弧事件數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。
以下結(jié)合圖7描述電弧事件計(jì)數(shù)器算法。如步驟702中所述，測量電容器C3上的電壓。接著，如步驟704中所述，確定測量的電壓值是否超過第一預(yù)定閾值。如果測量的電壓值超過第一閾值，那么，微控制器112內(nèi)的第一事件計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就增加，如步驟706中所述。接著，如步驟708中所述，可選地執(zhí)行至少一次第二確定，以確定測量的電壓值是否超過第二預(yù)定閾值。如果測量的電壓值超過第二閾值，那么，微控制器112內(nèi)的第二事件計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就增加，如步驟710中所述。隨后，如步驟712中所述，通過至少一種算法，如上述的TCA，來處理電容器C3上電壓的測量。在優(yōu)選實(shí)施例中，電壓測量結(jié)果接著增加到電壓測量結(jié)果的第一和第二求和上。例如，電壓測量結(jié)果的第一求和可以與短采樣周期相對應(yīng)，在此短采樣周期內(nèi)，在短時(shí)間周期上監(jiān)視大電壓測量結(jié)果；電壓測量結(jié)果的第二求和與長采樣周期相對應(yīng)，在此長采樣周期內(nèi)，在更長的時(shí)間周期上監(jiān)視更小的電壓測量結(jié)果。如步驟714中所述，確定第一求和(求和1)是否超過第一預(yù)定脫扣閾值(脫扣閾值1)。在第一求和值超過第一脫扣閾值的情況下，如步驟716中所述，確定第一事件計(jì)數(shù)器(事件計(jì)數(shù)器1)的輸出是否超過第一預(yù)定最小事件數(shù)(最小事件數(shù)1)。在第一事件計(jì)數(shù)器輸出超過第一事件數(shù)的情況下，如步驟722中所述，發(fā)生脫扣，使功率輸出與負(fù)荷斷開。如步驟718中所述，確定第二求和(求和2)是否超過第二預(yù)定脫扣閾值(脫扣閾值2)。在第二求和值超過第二脫扣閾值的情況下，如步驟720中所述，確定第二事件計(jì)數(shù)器(事件計(jì)數(shù)器2)的輸出是否超過第二預(yù)定最小事件數(shù)(最小事件數(shù)2)。在第二事件計(jì)數(shù)器輸出超過第二事件數(shù)的情況下，如步驟722中所述，發(fā)生脫扣，使功率輸出與負(fù)荷斷開。相應(yīng)地，如果第一事件計(jì)數(shù)器輸出超過第一預(yù)定計(jì)數(shù)或者第二事件計(jì)數(shù)器輸出超過第二預(yù)定計(jì)數(shù)，就發(fā)生脫扣。否則，不發(fā)生脫扣。
以此方式，避免例如因干擾切換信號而引起的擾亂脫扣。盡管此干擾信號可導(dǎo)致相對較大的電壓測量結(jié)果，但它們不一定表示發(fā)生電弧。通過監(jiān)視測量電壓的求和的電平，并且通過跟蹤在求和中包括的電弧事件數(shù)，可更可靠地檢測包含幾個(gè)電弧事件半周期的電弧，并且，可以更安全地忽略僅包含有限數(shù)量電弧事件的擾亂負(fù)荷。
前面還描述微控制器112通過VREF監(jiān)視線電壓，并基于監(jiān)視的線電壓而確定何時(shí)測量電容器C3上的電壓。在正常工況下，這些電壓測量結(jié)果之間的時(shí)間是規(guī)則的和周期性的。然而，在高電流電弧工況下，由于瞬間硬短路造成的線電壓下降，VREF信號可能變差。如果微控制器112正在尋找線電壓半周期上的特定電壓點(diǎn)，此電壓下降就會導(dǎo)致被疏忽或過早命令進(jìn)行測量。另外，在此類型的電弧事件過程中，積分電容器C3上的電壓一般相對較高。在正常的線電壓下降(或降低)過程中，可通過微控制器發(fā)現(xiàn)有意義的測量點(diǎn)，但是，在電容器C3上沒有異常電壓。相反，在高電流電弧工況下，可發(fā)現(xiàn)有意義的測量點(diǎn)，并且，可在電容器C3上檢測相對較高的電壓。相應(yīng)地，為了檢測高電平電弧，微控制器112用于測量測量點(diǎn)之間的時(shí)間。在發(fā)現(xiàn)過早測量并且檢測到相對較大電容器電壓VC3的情況下，微控制器112激活觸發(fā)電路108，由此使螺線管118脫扣，使功率輸出與負(fù)荷斷開。
前面還描述微控制器112(參見圖1)每個(gè)半周期可測量兩次電容器C3上的電壓，使用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)把電壓測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，儲存測量的電壓數(shù)據(jù)，并在完成電壓測量時(shí)使電容器C3放電。應(yīng)指出，電容器C3上的電壓表示非反相放大器105所提供的信號的積分。在替代實(shí)施例中，微控制器112內(nèi)的數(shù)字計(jì)數(shù)器用作對非反相放大器105的輸出進(jìn)行有效積分的累加器，從而不必要對電容器C3和ADC積分。
在此替代實(shí)施例中，用比較器電路105a或105b來取代非反相放大器105，并且，比較器電路的數(shù)字輸出直接提供給微控制器112，用于增加內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。進(jìn)一步地，采樣周期被定義為具有與一個(gè)或多個(gè)線電壓半周期相應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。以下結(jié)合圖8描述微控制器112和內(nèi)部計(jì)數(shù)器對比較器電路105a的輸出進(jìn)行積分的操作。如步驟802中所述，在采樣周期開始時(shí)重置計(jì)數(shù)器。接著，如步驟804中所述，確定比較器電路105a的輸出是否有效，由此表示電弧的存在。在比較器電路輸出有效的情況下，計(jì)數(shù)器啟動，如步驟806中所述。接著，如步驟808中所述，確定比較器電路105a的輸出是否變?yōu)闊o效，這表示電弧終止。在電弧已經(jīng)終止的情況下，所述方法分支到步驟812。否則，如步驟810中所述，確定是否已經(jīng)到達(dá)采樣周期的終點(diǎn)。在已經(jīng)到達(dá)采樣周期終點(diǎn)的情況下，所述方法前進(jìn)到步驟812。否則，所述方法循環(huán)回步驟808。接著，如步驟812中所述，儲存計(jì)數(shù)器的輸出值。隨后，使用儲存的計(jì)數(shù)器輸出來取代上述電弧檢測算法中積分電容器C3上的電壓測量結(jié)果，其中，所述儲存的計(jì)數(shù)器輸出表示比較器電路105a輸出的積分。
結(jié)合圖1b和9描述使用電弧檢測算法來操作電弧故障檢測設(shè)備100的方法，其中，所述電弧檢測算法包括脈沖計(jì)數(shù)器算法、三周期算法(TCA)和電弧事件計(jì)數(shù)器算法。如步驟902中所述，積分電容器C3被重置為0V。接著，如步驟904中所述，確定是否檢測到進(jìn)行測量的過早命令。例如，如果VREF信號因線電壓下降而變差，微控制器112就可檢測到執(zhí)行電壓測量的過早命令。如步驟924中所述，在檢測到過早測量并且測量電容器C3上過大電壓的情況下，檢測到電弧故障，并且，螺線管118脫扣，以使功率輸出與負(fù)荷斷開。否則，如步驟906中所述，微控制器112監(jiān)視VREF信號，并且等待采樣或測量點(diǎn)到來。
當(dāng)測量點(diǎn)到來時(shí)，測量積分電容器C3上的電壓，如步驟908中所述，此后，電容器C3被重置為0V。接著，微控制器112監(jiān)視電弧感測電路104提供的脈沖計(jì)數(shù)器信號，并且，如步驟910中所述，儲存采樣周期過程中發(fā)生的脈沖計(jì)數(shù)。另外，如步驟912中所述，微控制器112把積分電容器電壓測量結(jié)果儲存到歷史數(shù)據(jù)存儲器(如堆棧)中。接著，如步驟914中所述，使用上述脈沖計(jì)數(shù)器算法分析儲存的脈沖計(jì)數(shù)信息。隨后，如步驟916中所述，使用儲存的電壓測量數(shù)據(jù)歷史執(zhí)行三周期算法(TCA)，并且，把得到的TCA計(jì)算增加到至少一個(gè)求和上。接著，如步驟918中所述，調(diào)整微控制器112內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)事件計(jì)數(shù)器，并且，使用上述電弧事件計(jì)數(shù)器算法分析電壓測量。然后，如步驟920中所述，確定一個(gè)或多個(gè)事件計(jì)數(shù)器是否超過預(yù)定的最小電弧事件數(shù)。如果事件計(jì)數(shù)超過預(yù)定的最小電弧事件數(shù)，就如步驟922中所述，進(jìn)行另一次確定，以確定TCA求和是否超過預(yù)定脫扣閾值。在TCA求和值超過預(yù)定脫扣閾值的情況下，如步驟924中所述，檢測電弧故障，并且，使螺線管118脫扣，以使功率輸出與負(fù)荷斷開。
應(yīng)該理解，上述電弧故障檢測設(shè)備100也可用來提供DC電弧故障檢測。在此情況下，微控制器112不通過VREF監(jiān)視線電壓來確定何時(shí)執(zhí)行電壓測量，而是可替代地使用內(nèi)部數(shù)字計(jì)數(shù)器作為時(shí)基，以產(chǎn)生對積分電容器C3上電壓進(jìn)行采樣的適當(dāng)周期。
本領(lǐng)域中技術(shù)人員應(yīng)進(jìn)一步理解，只要不偏離本文所公開的本發(fā)明概念，可對上述用于檢測電弧故障的設(shè)備和方法作出進(jìn)一步的變更和改變。相應(yīng)地，除了后附權(quán)利要求的范圍和精神以外，本發(fā)明不應(yīng)被看作是受限制的。
權(quán)利要求
1.一種電弧故障檢測設(shè)備，包括功率輸入；輸入感測電路，所述輸入感測電路配置為感測與功率輸入有關(guān)的信號，所感測的信號表示至少一個(gè)潛在電弧事件；包括放大子電路和累積子電路的電弧感測電路，所述放大子電路配置為接收所感測信號的表示并產(chǎn)生與至少一個(gè)潛在電弧事件相應(yīng)的各個(gè)脈沖，所述累積子電路配置為接收放大子電路產(chǎn)生的各個(gè)脈沖，并在預(yù)定時(shí)間周期上產(chǎn)生累積信號；以及處理器，所述處理器從電弧感測電路接收累積信號和各個(gè)脈沖，產(chǎn)生代表累積信號的第一數(shù)據(jù)和代表各個(gè)脈沖的第二數(shù)據(jù)，并且根據(jù)至少一種算法而處理第一和第二數(shù)據(jù)中的至少一個(gè)，以確定所述至少一個(gè)潛在電弧事件表示電弧故障還是擾亂工況。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備進(jìn)一步包括電流傳感器，所述電流傳感器配置為監(jiān)視功率輸入，并向輸入感測電路提供與功率輸入有關(guān)的信號。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，電流傳感器包括變壓器，所述變壓器包括初級線圈和次級線圈，所述次級線圈弱耦合到輸入感測電路。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備進(jìn)一步包括功率輸出、以及在功率輸入和功率輸出之間耦合的機(jī)電接口，其中，如果所述至少一個(gè)潛在電弧事件表示電弧故障，所述處理器就進(jìn)一步使機(jī)電接口脫扣，由此使功率輸出與可耦合到功率輸出的負(fù)荷斷開。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，機(jī)電接口包括螺線管。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，放大子電路包括比較器子電路。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，累積子電路包括積分電容器。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，累積子電路包括數(shù)字計(jì)數(shù)器。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，放大子電路包括多個(gè)比較器，每個(gè)比較器配置為在所感測信號超過各個(gè)預(yù)定閾值的情況下產(chǎn)生各個(gè)脈沖，其中，累積電路包括數(shù)字計(jì)數(shù)器，并且其中，處理器用于接收多個(gè)比較器產(chǎn)生的各個(gè)脈沖，并且基于所接收的脈沖而以不同的速率增加數(shù)字計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，處理器用于在一組周期上多次測量累積信號，以產(chǎn)生代表累積信號測量結(jié)果的第一數(shù)據(jù)，并根據(jù)以下算法處理第一數(shù)據(jù)，其中，所述算法包括計(jì)算與第一周期有關(guān)的第一測量結(jié)果減去與第二周期有關(guān)的第二測量結(jié)果，得到第一計(jì)算值；計(jì)算與第三周期有關(guān)的第三測量結(jié)果減去與第二周期有關(guān)的第二測量結(jié)果，得到第二計(jì)算值；計(jì)算與第三周期有關(guān)的第三測量結(jié)果減去與第一周期有關(guān)的第一測量結(jié)果，得到第三計(jì)算值；求第一、第二和第三計(jì)算值的絕對值，并計(jì)算第一值加上第二值減去第三值，得到第四計(jì)算值。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，處理器進(jìn)一步根據(jù)使用與至少一個(gè)不同周期組相應(yīng)的信號測量結(jié)果的算法來重復(fù)第一數(shù)據(jù)的處理，并保留第四計(jì)算值的求和，所述求和代表在預(yù)定時(shí)間周期內(nèi)發(fā)生的電弧總數(shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，處理器進(jìn)一步根據(jù)至少一種第二算法來處理第二數(shù)據(jù)，以對包括在求和中的電弧事件數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
13.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，處理器根據(jù)對預(yù)定時(shí)間周期內(nèi)所發(fā)生電弧事件數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的算法來處理第二數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，處理器進(jìn)一步捕捉與電弧事件有關(guān)的定時(shí)信息。
15.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所感測信號是AC信號。
16.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所感測信號是DC信號。
17.一種檢測電弧故障的方法，包括以下步驟通過輸入感測電路感測與功率輸入有關(guān)的信號，所感測信號表示至少一個(gè)潛在電弧事件；通過放大電路接收所感測信號的表示；通過放大電路產(chǎn)生與至少一個(gè)潛在電弧事件相應(yīng)的各個(gè)脈沖；通過累積電路接收各個(gè)脈沖；通過累積電路在預(yù)定時(shí)間周期內(nèi)產(chǎn)生累積信號；通過處理器接收累積信號和各個(gè)脈沖；通過處理器產(chǎn)生代表累積信號的第一數(shù)據(jù)和代表各個(gè)脈沖的第二數(shù)據(jù)；以及通過處理器，根據(jù)至少一種算法而處理第一和第二數(shù)據(jù)中的至少一個(gè)，由此確定所述至少一個(gè)潛在電弧事件表示電弧故障還是擾亂工況。
18.如權(quán)利要求17所述的方法進(jìn)一步包括以下步驟通過電流傳感器監(jiān)視功率輸入并通過電流傳感器向輸入感測電路提供與功率輸入有關(guān)的信號。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，電流傳感器包括變壓器，所述變壓器具有初級線圈和次級線圈，所述次級線圈弱耦合到輸入感測電路。
20.如權(quán)利要求17所述的方法進(jìn)一步包括以下步驟如果所述至少一個(gè)潛在電弧事件表示電弧故障，就使在功率輸入和功率輸出之間耦合的機(jī)電接口脫扣，由此使功率輸出與可耦合到功率輸出的負(fù)荷斷開。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，機(jī)電接口包括螺線管。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，放大電路包括比較器。
23.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，累積電路包括積分電容器。
24.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，累積電路包括數(shù)字計(jì)數(shù)器。
25.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，放大電路包括多個(gè)比較器，并且進(jìn)一步包括以下步驟在所感測信號超過各個(gè)預(yù)定閾值的情況下，由各個(gè)比較器產(chǎn)生各個(gè)脈沖，通過處理器接收多個(gè)比較器產(chǎn)生的各個(gè)脈沖，并且通過處理器基于所接收的脈沖而以不同的速率增加數(shù)字計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。
26.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟通過處理器在一組周期上多次測量累積信號，通過處理器產(chǎn)生代表累積信號測量結(jié)果的第一數(shù)據(jù)，并根據(jù)以下算法處理第一數(shù)據(jù)，其中，所述算法包括以下子步驟計(jì)算與第一周期有關(guān)的第一測量結(jié)果減去與第二周期有關(guān)的第二測量結(jié)果，得到第一計(jì)算值；計(jì)算與第三周期有關(guān)的第三測量結(jié)果減去與第二周期有關(guān)的第二測量結(jié)果，得到第二計(jì)算值；計(jì)算與第三周期有關(guān)的第三測量結(jié)果減去與第一周期有關(guān)的第一測量結(jié)果，得到第三計(jì)算值；求第一、第二和第三計(jì)算值的絕對值，并計(jì)算第一值加上第二值減去第三值，得到第四計(jì)算值。
27.如權(quán)利要求26所述的方法進(jìn)一步包括以下步驟根據(jù)使用與至少一個(gè)不同周期組相應(yīng)的信號測量結(jié)果的算法來重復(fù)第一數(shù)據(jù)的處理，并保留第四計(jì)算值的求和，所述求和代表在預(yù)定時(shí)間周期內(nèi)發(fā)生的電弧總數(shù)。
28.如權(quán)利要求27所述的方法進(jìn)一步包括以下步驟根據(jù)至少一種第二算法來處理第二數(shù)據(jù)，以對包括在求和中的電弧事件數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
29.如權(quán)利要求17所述的方法進(jìn)一步包括以下步驟通過處理器根據(jù)對預(yù)定時(shí)間周期內(nèi)所發(fā)生電弧事件數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的算法來處理第二數(shù)據(jù)。
30.如權(quán)利要求29所述的方法進(jìn)一步包括以下步驟捕捉與電弧事件有關(guān)的定時(shí)信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及檢測電弧故障的設(shè)備和方法，具體公開了一種不易受擾亂脫扣影響的電弧故障檢測設(shè)備和方法。所述設(shè)備包括電流傳感器、輸入感測電路、電弧感測電路、電源、脫扣(觸發(fā))電路、處理器以及機(jī)電接口。電流傳感器監(jiān)視包括AC電流的功率輸入，并向輸入感測電路提供AC電流的高頻分量。輸入感測電路對AC信號進(jìn)行濾波和整流，并把整流信號提供給電弧感測電路。電弧感測電路向處理器提供在預(yù)定時(shí)間周期上累積的電壓電平、表示在采樣周期過程中發(fā)生的可能電弧的數(shù)字信號。處理器測量電壓電平，儲存與測量電壓和數(shù)字信號有關(guān)的信息，并使用一種或多種算法處理儲存的信息，由此確定所述信號是由電弧故障還是由擾亂負(fù)荷產(chǎn)生。
文檔編號H02H3/08GK1746688SQ20051010373
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者克里斯蒂·V·派倫, 馬克·D·拉比納, 邁克爾·派克, 克里斯托弗·A·尼考斯, 基思·W·卡沃泰, 羅伯特·扎奈里, 羅杰·D·梅爾, 露西恩·方丹, 邁克爾·J·拉瓦多, 林沃德·埃德蒙, 杰弗里·B·蒂格 申請人:得州儀器公司