專利名稱：包括中性電流傳感器的多極閃絡(luò)故障斷路器的制作方法
包括中性電流傳感器的多極閃絡(luò)故障斷路器發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及能夠探測(cè)接地故障和閃絡(luò)故障的多極斷路器。
發(fā)明背景
當(dāng)必須或期望同時(shí)中斷兩個(gè)或多個(gè)電源導(dǎo)線中的電流的流動(dòng)時(shí)，使用多極斷路器。一個(gè)例子是廣泛用于遵從多線分支電路中的所有未接地導(dǎo)線都同時(shí)被斷開的要求的兩極斷路器。在120/240V電源電路中，例如兩個(gè)線路導(dǎo)線可連接到單個(gè)240V負(fù)載例如電爐或兩個(gè)單獨(dú)的120V負(fù)載，且因此斷路器必須能夠同時(shí)斷開這兩個(gè)線路導(dǎo)線。能夠探測(cè)接地故障和閃絡(luò)故障的二極斷路器在一段時(shí)間是已知的，但這些斷路器對(duì)這兩個(gè)線路導(dǎo)線通常需要單獨(dú)的電流傳感器。
概述
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，提供用于具有至少第一和第二線路導(dǎo)線以及公共中性導(dǎo)線的配電系統(tǒng)的故障探測(cè)系統(tǒng)，第一和第二線路導(dǎo)線承載從源到負(fù)載的彼此異相的AC電流。系統(tǒng)包括閃絡(luò)故障電流傳感器，其包括纏繞在中空芯上并耦合到這兩個(gè)線路導(dǎo)線的線圈，使得在線路導(dǎo)線中的電流在中空芯內(nèi)部在相反的方向上流動(dòng)，并因而在線圈中引起作為線路導(dǎo)線中的電流的差的函數(shù)的第一輸出信號(hào)。中性電流傳感器產(chǎn)生表示中性導(dǎo)線中的電流的幅值和相方向的第二輸出信號(hào)。閃絡(luò)故障探測(cè)電路接收第一輸出信號(hào)，并包括接收第一和第二輸出信號(hào)的處理器，該處理器被編程為執(zhí)行下列操作:(1)響應(yīng)于第一輸出信號(hào)中的變化來分析第二輸出信號(hào)以確定第一輸出信號(hào)中的變化是否至少部分地可歸因于線間電路中的電流，(2)如果答案是肯定的，則確定用于調(diào)節(jié)第一輸出信號(hào)的值的比例因子，以及(3)分析經(jīng)調(diào)節(jié)的第一輸出信號(hào)以確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)并響應(yīng)于探測(cè)到閃絡(luò)故障而產(chǎn)生跳閘信號(hào)。
系統(tǒng)還可包 括接地故障電流傳感器和探測(cè)電路。接地故障探測(cè)電路從接地故障電流傳感器接收輸出信號(hào)，并響應(yīng)于探測(cè)到接地故障而產(chǎn)生跳閘信號(hào)。線到地故障在接地故障傳感器上產(chǎn)生電壓，但線間故障或線到中性線故障不在接地故障傳感器上產(chǎn)生電壓。
一個(gè)特定的應(yīng)用是用于三線單相120V到中性線、240V線間AC配電系統(tǒng)中的兩極斷路器，其中在兩個(gè)120伏線中的電流彼此異相180°。故障探測(cè)系統(tǒng)感測(cè)在包含中性導(dǎo)線的兩極斷路器的一個(gè)或兩個(gè)電路或極中的閃絡(luò)電流的存在，并通過斷開這兩個(gè)120伏線來使電弧熄滅，這兩個(gè)120伏線也是240伏線。
從線到中性線出現(xiàn)的并聯(lián)閃絡(luò)故障被感測(cè)為大電流波動(dòng)(通常比電路的連續(xù)電流額定值大三倍)。算法通過來自閃絡(luò)故障電流傳感器和中性電流傳感器的輸出信號(hào)中的同等的波動(dòng)的存在來確定電弧在線到中性線電路中。在中性電流傳感器的輸出信號(hào)中的無電流波動(dòng)指示任何電弧在線間出現(xiàn)，且算法將適當(dāng)?shù)谋壤蜃討?yīng)用于來自閃絡(luò)故障電流傳感器的信號(hào)。
根據(jù)本公開的另一方面，公開了計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。計(jì)算機(jī)產(chǎn)品包括一個(gè)或多個(gè)非短暫有形介質(zhì)，具有體現(xiàn)在其中的計(jì)算機(jī)可讀程序邏輯。計(jì)算機(jī)可讀程序邏輯配置成被執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)用于探測(cè)具有至少第一和第二線路導(dǎo)線以及公共中性導(dǎo)線的配電系統(tǒng)中的故障的方法，第一和第二線路導(dǎo)線承載從源到負(fù)載的彼此異相的AC電流。該方法包括產(chǎn)生作為第一和第二線路導(dǎo)線中的電流的差的函數(shù)的第一信號(hào)，以及產(chǎn)生表示所述中性導(dǎo)線中的電流的幅值和相方向的第二信號(hào)。該方法還包括響應(yīng)于第一信號(hào)中的變化來分析第二信號(hào)以確定第一信號(hào)中的變化是否至少部分地可歸因于線間電路中的電流，以及如果答案是肯定的，則確定用于調(diào)節(jié)第一信號(hào)的值的比例因子，并接著分析經(jīng)調(diào)節(jié)的第一信號(hào)以確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)。根據(jù)本公開的另一方面，公開了用于探測(cè)具有至少第一和第二線路導(dǎo)線以及公共中性導(dǎo)線的配電系統(tǒng)中的故障的方法，第一和第二線路導(dǎo)線承載從源到負(fù)載的彼此異相的AC電流。該方法包括產(chǎn)生作為第一和第二線路導(dǎo)線中的電流的差的函數(shù)的第一信號(hào)，以及產(chǎn)生表示所述中性導(dǎo)線中的電流的幅值和相方向的第二信號(hào)。該方法還包括響應(yīng)于第一信號(hào)中的變化來分析第二信號(hào)以確定第一信號(hào)中的變化是否至少部分地可歸因于線間電路中的電流，以及如果答案是肯定的，則確定用于調(diào)節(jié)第一信號(hào)的值的比例因子，并接著分析經(jīng)調(diào)節(jié)的第一信號(hào)以確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)。鑒于參考附圖進(jìn)行的各種實(shí)施方式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和額外方面將對(duì)本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員是明顯的，接下來提供附圖的簡(jiǎn)要描述。附圖的簡(jiǎn)要描述參考附圖從優(yōu)選實(shí)施方式一起的下面的描述中將更好地理解本發(fā)明，其中:

圖1是配備有雙極斷路器的三線單相120V到中性線、240V線間AC配電系統(tǒng)的示意圖。圖2是閃絡(luò)故障電流傳感器和中性電流傳感器的對(duì)照彼此繪制的輸出的曲線圖，兩個(gè)信號(hào)被表示為額定電流的倍數(shù)。圖3是利用圖1的傳感器布置的故障探測(cè)系統(tǒng)的更詳細(xì)的功能方框圖。詳細(xì)描述雖然將關(guān)于某些優(yōu)選實(shí)施方式描述本發(fā)明，將理解，本發(fā)明不限于那些特定的實(shí)施方式。相反，本發(fā)明旨在涵蓋可包括在如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有可選形式、修改和等效布置。在圖1中，一對(duì)120伏電源IOa和IOb經(jīng)由三條線L1、L2和N連接到一個(gè)或多個(gè)電力負(fù)載11。電源IOa和IOb —般由降壓變壓器的中心抽頭次級(jí)繞組提供，降壓變壓器具有從公用事業(yè)輸電線接收輸入電壓的初級(jí)繞組。次級(jí)繞組的中心抽頭連接到接地中性線N，且次級(jí)繞組的相對(duì)端連接到線LI和L2。該布置形成橫跨線LI和N的第一 120伏電源、橫跨線L2和N的第二 120伏電源以及橫跨線LI和L2的240伏電源。這三個(gè)電源中的每個(gè)是單相的，且這兩個(gè)120電源是彼此180°異相的。這些是一般提供給美國(guó)電力的住宅和小商業(yè)用戶的三種電源。斷路器的跳閘機(jī)構(gòu)12耦合到在源10a、IOb和負(fù)載11之間的線L1、L2和N，用于在各種類型的故障在電源電路中被探測(cè)到時(shí)斷開兩對(duì)觸頭13a、13b和14a、14b。這樣的故障的例子是接地故障例如線L2到地的故障Fl、并聯(lián)閃絡(luò)故障例如在LI和L2之間的故障F2、以及在線L2和中性線之間的故障F3、以及可由在任一線中的松開的連接、斷掉的導(dǎo)線或磨損的絕緣引起的串聯(lián)閃絡(luò)故障。

為了探測(cè)例證性系統(tǒng)中的接地故障，接地故障電流傳感器20耦合到所有三條線L1、L2和N。所有三個(gè)導(dǎo)線L1、L2和N穿過環(huán)形芯21以在該芯上形成單匝初級(jí)繞組。這三個(gè)導(dǎo)線L1、L2和N中的電流IL1, Il2和In分別在次級(jí)繞組22中感應(yīng)出電流Igf。感應(yīng)電流的幅值是:
Igf-1u Il2 In
當(dāng)接地故障出現(xiàn)時(shí)，在次級(jí)繞組22中感應(yīng)出的凈電流Igf增加到可由控制器30探測(cè)到的電平，如在本領(lǐng)域中公知的。在沒有接地故障時(shí)，在次級(jí)繞組22中感應(yīng)出的凈電流Igf為零或接近零。接地故障傳感器20感測(cè)不穿過這三條線之一返回的任何電流。通常銅繞組圍繞可磁化芯，該可磁化芯具有大于大約5000的高磁導(dǎo)率和大到足以使兩個(gè)相線LI和L2以及一個(gè)中性線N穿過的窗口，類似于在Brown的美國(guó)專利7，079, 365中描述的接地故障傳感器，該專利被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。接地故障信號(hào)通常引起瞬時(shí)跳閘。
如在圖1中所示的，控制器30包括接地故障探測(cè)電路31和閃絡(luò)故障探測(cè)電路32。這兩個(gè)電路31和32優(yōu)選地共享公共處理器，用于分析其相應(yīng)的輸入信號(hào)以探測(cè)故障的出現(xiàn)。
當(dāng)故障狀況由探測(cè)電路31和32中的任一個(gè)探測(cè)到時(shí)，控制器30產(chǎn)生啟動(dòng)機(jī)械地耦合到在兩對(duì)觸頭13a、13b和14a、14b的每對(duì)中的可移動(dòng)觸頭的跳閘機(jī)構(gòu)12的跳閘信號(hào)，以斷開線LI和L2。跳閘機(jī)構(gòu)一般包括具有耦合到可移動(dòng)觸頭中的一個(gè)或兩個(gè)的螺線管，當(dāng)螺線管電樞耦合到可移動(dòng)觸頭中的僅僅一個(gè)時(shí)，可移動(dòng)觸頭可機(jī)械地耦合到彼此。如在斷路器中常規(guī)的，可移動(dòng)觸頭也可被手動(dòng)斷開，且一般可只通過手動(dòng)操作閉合。
接地故障探測(cè)電路31可以是用于響應(yīng)于探測(cè)到接地故障而產(chǎn)生跳閘信號(hào)的常規(guī)電路。在美國(guó)專利7，193，827中描述了這樣的接地故障探測(cè)電路的一個(gè)例子，該專利被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。在該專利中描述的探測(cè)電路只使用單個(gè)電流傳感器探測(cè)接地故障和接地中性線。一般熱磁電流感測(cè)部件例如雙金屬超負(fù)載和瞬時(shí)磁鎖存器也可能存在。
為了探測(cè)例證性系統(tǒng)中的閃絡(luò)故障，兩條線LI和L2耦合到共享故障電流傳感器40，其包括由低磁導(dǎo)率的磁性材料組成的芯41以形成di/dt傳感器。穿過芯41的線LI和L2的節(jié)段在相對(duì)側(cè)上進(jìn)入和退出芯的內(nèi)部，使得在這兩個(gè)導(dǎo)線LI和L2中流動(dòng)的電流對(duì)纏繞在芯41上的次級(jí)繞組42有相同的影響。具體地，如圖1所示，穿過芯41的導(dǎo)線LI的節(jié)段的源端Lla在芯41的頂部處，且導(dǎo)線LI的該節(jié)段的負(fù)載端Llb在芯41的底部處。對(duì)于導(dǎo)線L2，穿過芯41的導(dǎo)線L2的節(jié)段的源端L2a在芯41的底部處，且導(dǎo)線LI的該節(jié)段的負(fù)載端L2b在芯41的頂部處 。
在這兩個(gè)線路導(dǎo)線LI和L2中的電流彼此異相180°。然而，因?yàn)樵谛?1內(nèi)的兩條線LI和L2的節(jié)段中的異相電流在相反的方向上流動(dòng)，它們都在次級(jí)繞組42中在同一方向上感應(yīng)出電流。因此，當(dāng)線間閃絡(luò)故障出現(xiàn)時(shí)，在次級(jí)繞組42中感應(yīng)出的信號(hào)的振幅通過在芯41內(nèi)的兩個(gè)線電流的額外效應(yīng)而增加。芯41優(yōu)選地具有低水平磁導(dǎo)率，使得在次級(jí)繞組42中感應(yīng)出的信號(hào)是di/dt信號(hào)，且來自次級(jí)繞組42的最終輸出信號(hào)是在該繞組中由在穿過芯41的兩個(gè)線路導(dǎo)線LI和L2的節(jié)段中流動(dòng)的電流感應(yīng)出的兩個(gè)di/dt信號(hào)的差。線間電弧將產(chǎn)生兩倍于線到中性線電弧的信號(hào)。在線間負(fù)載電路中的串聯(lián)電弧將產(chǎn)生兩倍于在線到中性線負(fù)載電路中的串聯(lián)電弧的信號(hào)。
共享的閃絡(luò)故障di/dt傳感器芯41具有足夠數(shù)量的繞組匝以允許傳感器和相關(guān)的濾波器部件產(chǎn)生在斷路器的特定電流范圍上的適當(dāng)?shù)妮敵鲂盘?hào)。例如，電弧可被探測(cè)到的有用的電流范圍可大約為3到1000安培。(可探測(cè)低至5毫安的接地故障。)傳感器40感測(cè)在電流的兩個(gè)相中的波動(dòng)，且不在高達(dá)瞬時(shí)磁性跳閘部件的跳閘電平(例如，高達(dá)電路的連續(xù)電流額定值的15倍，其為斷路器設(shè)計(jì)成在沒有過熱或機(jī)械過應(yīng)力的情況下連續(xù)地承載的電流)的電流范圍上磁性地飽和。傳感器40通常是纏繞在具有小于大約300mu (空氣=1)的低磁導(dǎo)率和大到足以使兩個(gè)相線穿過的窗口的可磁化芯周圍的銅。輸出信號(hào)是等于穿過窗口的兩個(gè)相的di/dt的時(shí)間導(dǎo)數(shù)信號(hào)。這個(gè)輸出信號(hào)可以時(shí)間積分到Isaf，即，實(shí)際電流值。在一個(gè)例子中，閃絡(luò)故障傳感器40是具有在10到IOOmu的范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率的環(huán)形線圈型傳感器，在繞組42中有200到1000匝。傳感器的可選結(jié)構(gòu)包括多部分芯和線圈，其在被組裝時(shí)形成單個(gè)傳感器以及還有霍爾效應(yīng)的或類似的巨磁電阻(“GMR”)傳感器。三極電弧故障斷路器的額外配置可使用兩個(gè)di/dt電流傳感器而不是通常預(yù)期的三個(gè)傳感器。當(dāng)閃絡(luò)故障出現(xiàn)時(shí)，在次級(jí)繞組42中感應(yīng)出的電流的因而產(chǎn)生的高頻分量使故障感測(cè)電路32能夠探測(cè)閃絡(luò)故障的出現(xiàn)，如在本領(lǐng)域中公知的。閃絡(luò)故障探測(cè)電路包括被編程為分析來自線圈42的第二輸出信號(hào)并響應(yīng)于閃絡(luò)故障的探測(cè)而產(chǎn)生跳閘信號(hào)的處理器。在美國(guó)專利7，345，860中描述了這樣的閃絡(luò)故障探測(cè)電路的一個(gè)例子，該專利被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。為了探測(cè)電弧故障信號(hào)是來自通過di/dt傳感器40的一個(gè)匝或相還是兩個(gè)匝或相，中性電流傳感器50使用由圖1的電阻器Rl表示的中性線的內(nèi)在阻抗。中性電流傳感器由低電阻(例如，0.0005歐姆)分流導(dǎo)線組成，分流導(dǎo)線在20安培的中性電流下產(chǎn)生低電壓(例如，10毫伏)，并在必要時(shí)可承載全短路電流而沒有破壞?？蛇x地，中性電流傳感器可以是給出中性電流的幅值的指示的電感器。中性電流傳感器的主要目的是指示中性線N中的電流的電平和相方向。這使用于電弧探測(cè)的算法能夠使用下面的方程來確定閃絡(luò)故障信號(hào)可能是由于線到中性線故障還是線間故障:Ili=1/2 (Isaf-1N)IL2=-l/2 (Isaf+IN)確定來自共享閃絡(luò)故障傳感器40的輸出信號(hào)中的變化是可歸因于在線間負(fù)載中的電流中的變化還是在線到中性線負(fù)載中的電流中的變化很重要，使得來自傳感器40的輸出信號(hào)可被正確地按比例調(diào)整以準(zhǔn)確地表示在變化出現(xiàn)的電路中的電流的實(shí)際幅值。來自中性電流傳感器50的信號(hào)使這個(gè)確定變得可能，因?yàn)樵谥行詫?dǎo)線中流動(dòng)的電流(In=-1l1-1l2)在傳感器40所探測(cè)到的電流變化只由線間電路中的電流中的變化引起時(shí)將為零，且在傳感器40所探測(cè)到的電流變化只由單線到中性線電路中的電流中的變化引起時(shí)將等于傳感器40所探測(cè)到的電流。因此，來自中性電流傳感器50的信號(hào)的幅值可在用于在由來自傳感器40的輸出信號(hào)表示的值被用于在算法中確定閃絡(luò)故障是否被探測(cè)到之前，確定什么比例因子(SF)應(yīng)當(dāng)應(yīng)用于該值。當(dāng)中性導(dǎo)線中的電流為零時(shí)，選擇0.5的比例因子SF，而當(dāng)中性導(dǎo)線中的電流等于閃絡(luò)故障電流傳感器40所探測(cè)到的電流時(shí)，選擇1.0的比例因子SF(g卩，沒有比例調(diào)整)。當(dāng)來自中性電 流傳感器50的輸出信號(hào)表示在零和閃絡(luò)故障電流傳感器40所探測(cè)到的電流的幅值之間的中性電流幅值時(shí)，選擇在0.5和1.0之間的比例因子SF。當(dāng)中性電流或其波動(dòng)與線電流的幅值比較具有低幅值時(shí)，閃絡(luò)可能是由于線間電流引起的，且因此0.5的比例因子應(yīng)用于來自共享閃絡(luò)故障傳感器40的輸出信號(hào)，S卩，SF=0.5(1+IN/Isaf)。當(dāng)中性電流具有較高的幅值時(shí)，類似于相電流的幅值，則閃絡(luò)可能是由于單相線(即，線LI或L2)引起的，且因此來自共享閃絡(luò)故障傳感器40的輸出信號(hào)保持按1.0的比例調(diào)整。對(duì)于可能的串聯(lián)閃絡(luò)故障，比例因子對(duì)于所有的信號(hào)保持在1.0，假定1,和Isaf的和小于額定電流的6倍。
并聯(lián)閃絡(luò)故障是在線間或線到中性線出現(xiàn)的電弧，并可能是額定電流的至少三倍，其將被稱為“3X電流”。3X閃絡(luò)故障電流如果從線到中性線出現(xiàn)則由di/dt傳感器感測(cè)為3X電流，或如果在線間出現(xiàn)則被感測(cè)為6X電流。
用于確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)的閃絡(luò)故障算法一般需要線電流以及負(fù)載的功率因子的估計(jì)。共享電弧故障傳感器40的性質(zhì)是，穿過在線間連接的負(fù)載的電流將在共享閃絡(luò)故障傳感器中產(chǎn)生兩倍于穿過線到中性線負(fù)載的電流的信號(hào)。在負(fù)載是線到中性線和線間負(fù)載的混合的情況下，與可能的閃絡(luò)事件相關(guān)的電流的一部分可被估計(jì)。圖2示出0.5到1.0的比例因子，其可被共享閃絡(luò)故障傳感器40的輸出信號(hào)相乘以校正由該傳感器探測(cè)的線間電流。這個(gè)比例因子應(yīng)用于表示至少3X額定相電流的電流信號(hào)。
當(dāng)中性電流為零時(shí)，閃絡(luò)信號(hào)被已知是完全由于線間閃絡(luò)或具有線間負(fù)載的串聯(lián)電弧。因而產(chǎn)生的閃絡(luò)信號(hào)因此由0.5調(diào)整，以考慮到通過傳感器的兩匝的2x信號(hào)倍增器。
當(dāng)中性電流的幅值等于時(shí)間積分共享閃絡(luò)故障傳感器輸出信號(hào)時(shí)，閃絡(luò)信號(hào)被已知是完全由于單線到中性線間電弧或負(fù)載，且因此1.0的比例因子應(yīng)用于傳感器輸出信號(hào)。
當(dāng)中性電流幅值的幅值在零和來自共享閃絡(luò)故障傳感器的時(shí)間積分輸出信號(hào)的幅值之間時(shí)，閃絡(luò)信號(hào)被分配給兩個(gè)可能的相電流的較差情況(較大)，且算法基于圖2的比例因子計(jì)算電弧概率。
圖2是對(duì)照In繪制的Isaf的曲線圖，這兩個(gè)信號(hào)被表示為額定電流的倍數(shù)。在右邊垂直軸上的標(biāo)度和圖2中的線B是滿足方程SF=0.5(1+IN/Isaf)所需的SF值。如圖2所示，該比例因子SF只應(yīng)用于落在“并聯(lián)故障區(qū)”內(nèi)的Isaf值，該并聯(lián)故障區(qū)是在線A之下、在線B與右邊垂直軸之間的區(qū)域。線A表示IN=Isaf,而線B表示(IN+Isaf)=6。
在線A之上的區(qū)域被表示為“可能的配線錯(cuò)誤區(qū)”，因?yàn)橛芍行噪娏鱾鞲衅?0感測(cè)的電流比閃絡(luò)故障傳感·器40所感測(cè)的電流具有額定電流的更高倍數(shù)，這指示閃絡(luò)故障不存在，但配線錯(cuò)誤可能存在。
在線A之下和在線B左邊的區(qū)域被表示為“串聯(lián)故障區(qū)”，因?yàn)橛芍行噪娏鱾鞲衅?0和閃絡(luò)故障電流傳感器40感測(cè)的電流的倍數(shù)的和小于6(IN+Isaf〈6)，這指示所存在的任何閃絡(luò)故障可能是串聯(lián)閃絡(luò)故障，而不是并聯(lián)閃絡(luò)故障。因此，對(duì)落在這個(gè)區(qū)域中的所有Isaf值使用1.0的比例因子。在共享閃絡(luò)故障電流傳感器40中的兩個(gè)有效匝對(duì)在線到中性線負(fù)載中或線間負(fù)載中出現(xiàn)的一般串聯(lián)電弧自動(dòng)產(chǎn)生同一電平的信號(hào)。
串聯(lián)電弧具有強(qiáng)加與在負(fù)載兩端的總電壓降串聯(lián)的電壓波動(dòng)的特性。在線到中性線連接的負(fù)載電路中的串聯(lián)電弧電流的因而產(chǎn)生的電流波動(dòng)是線間電路中的電流波動(dòng)的兩倍大。在串聯(lián)電弧中的小I伏變化引起在線到中性線120伏電路中的電流變化或di/dt，其為在類似的線間240伏負(fù)載電流中的電流變化的兩倍。
在線到中性線電弧期間通過di/dt傳感器的一匝、但在線間電弧期間通過傳感器的兩匝，來感測(cè)在串聯(lián)連接中出現(xiàn)的閃絡(luò)事件。匝的效應(yīng)是在線間電路中使串聯(lián)電弧信號(hào)乘以二。這意味著在串聯(lián)電弧中的I伏波動(dòng)將在di/dt傳感器中產(chǎn)生相同的信號(hào)，而不考慮電路是包含線間負(fù)載還是線到中性線負(fù)載。在“并聯(lián)故障區(qū)”內(nèi)，^和Isaf的組合值指示潛在的閃絡(luò)故障，且因此在這個(gè)區(qū)中的SF值用于調(diào)節(jié)Isaf的時(shí)間積分值(在它在用于確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)的算法中被使用之前)。通常，來自傳感器40的至少為額定電流的3倍的輸出信號(hào)將被認(rèn)為是閃絡(luò)故障，如果該電流的“識(shí)別特征”以另外方式滿足對(duì)閃絡(luò)故障的標(biāo)準(zhǔn)。然而，當(dāng)傳感器40所探測(cè)的電流穿過線間負(fù)載時(shí)，來自傳感器40的輸出信號(hào)將具有兩倍于穿過線到中性線負(fù)載的電流所產(chǎn)生的幅值的幅值。這是因?yàn)橛砷W絡(luò)故障產(chǎn)生的電流變化出現(xiàn)在具有線間負(fù)載的兩條線LI和L2中，但在具有線到中性線負(fù)載的線中的僅僅一個(gè)(LI或L2)中。例如，如果閃絡(luò)故障傳感器40產(chǎn)生當(dāng)被時(shí)間積分時(shí)表示200A的電流Isaf的信號(hào)且中性電流傳感器產(chǎn)生表示60A的電流In的信號(hào)，且斷路器的額定電流為20A，則Isaf是額定電流的10倍，而是In額定電流的3倍。如可從圖2中看到的，本例的比例因子SF是0.65(由圖2中的“X”標(biāo)識(shí))，且因此Isaf的200A值在用于確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)的算法中被使用之前乘以0.65。換句話說，由那些算法使用的值Isaf是130A而不是200A。當(dāng)來自中性電流傳感器50的輸出信號(hào)表示在零和閃絡(luò)故障傳感器40所探測(cè)的電流之間的中性電流幅值時(shí)，在這兩個(gè)傳感器40和50的輸出中的變化的方向可用于使所探測(cè)到的并聯(lián)閃絡(luò)與這兩條線LI和L2之一相關(guān)。具體地，來自中性電流傳感器50的中性電流信號(hào)中的增加在來自閃絡(luò)故障傳感器40的輸出信號(hào)減少的情況下將與線LI相關(guān)，而在來自閃絡(luò)故障傳感器40的輸出信號(hào)增加的情況下將與線L2相關(guān)。類似地，來自中性電流傳感器50的中性電流信號(hào)中的減少在來自閃絡(luò)故障傳感器40的輸出信號(hào)增加的情況下將與線LI相關(guān)，而在來自閃絡(luò)故障傳感器40的輸出信號(hào)減少的情況下將與線L2相關(guān)。作為另一改進(jìn)，來自中性電流傳感器50的信號(hào)可用于確定閃絡(luò)故障是在120伏電路中還是在240伏電路中，使得不同的算法可被利用。例如，如果閃絡(luò)故障在240伏電路中，則所利用的算法可 以比用于120伏電路中的閃絡(luò)故障的算法使斷路器更快地跳閘。(現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)例如UL1699對(duì)閃絡(luò)故障電流的更高水平規(guī)定更快的跳閘。)如果來自中性電流傳感器50的信號(hào)指示可能的閃絡(luò)且在與來自閃絡(luò)故障傳感器40的信號(hào)同相波動(dòng)，則閃絡(luò)故障在120伏電路中。120伏電路算法用于分析由來自中性電流傳感器的輸出信號(hào)所表示的電流的極性指示的是哪個(gè)線電流，且沒有比例因子應(yīng)用于來自閃絡(luò)故障傳感器40的輸出信號(hào)。如果來自中性電流傳感器50的信號(hào)指示電流在中性導(dǎo)線中流動(dòng)而不波動(dòng)，則閃絡(luò)故障在240伏電路中。240伏電路算法被用于使用0.5的比例因子分析來自閃絡(luò)故障傳感器40的輸出信號(hào)。圖3是利用圖1的傳感器布置的故障探測(cè)系統(tǒng)的更詳細(xì)的功能方框圖。在一個(gè)實(shí)施方式中，接地故障傳感器電路31的部件和閃絡(luò)故障傳感器電路32的閃絡(luò)故障電路探測(cè)器設(shè)置在專用集成電路(ASIC)60上。來自ASIC60的適當(dāng)輸出信號(hào)被饋送到微控制器或微處理器61，其基于由ASIC60提供的信號(hào)的分析和進(jìn)一步處理而做出關(guān)于是否發(fā)送跳閘信號(hào)的決定。該跳閘信號(hào)用于啟動(dòng)跳閘機(jī)構(gòu)12。寬帶噪聲 探測(cè)器62包括接收來自di/dt傳感器40的電流信號(hào)的變化率的一個(gè)或多個(gè)帶通濾波器電路63。這些電路63所通過的頻帶被選擇成實(shí)現(xiàn)探測(cè)在頻帶中的寬帶噪聲的存在，其表示閃絡(luò)故障特有的頻譜。每個(gè)帶通濾波器電路63向信號(hào)探測(cè)器電路64饋送經(jīng)濾波的信號(hào)，包括來自di/dt傳感器的輸入信號(hào)的、落在其相應(yīng)的帶通頻帶內(nèi)的那些分量。傳感器40的輸出也可饋送時(shí)間積分或積分器電路65。積分器可以是跟隨有放大積分器的無源電阻器-電容器電路，其輸出與AC電流成比例。積分器65提供信號(hào)以由模數(shù)Α/D轉(zhuǎn)換器66米樣。在一個(gè)實(shí)施方式中,Α/D轉(zhuǎn)換器66的輸出是表不以每半周期32個(gè)樣本的速率的電流的一系列8位(最小)值。Α/D轉(zhuǎn)換器可以是微控制器61的一部分。當(dāng)頻率從標(biāo)稱值飄移時(shí)，在零交叉探測(cè)電路67處探測(cè)的電壓零交叉之間的時(shí)間使用內(nèi)部定時(shí)器來測(cè)量并用于改變采樣率以實(shí)現(xiàn)每周期不變數(shù)量的樣本。零交叉探測(cè)電路67從電壓傳感器71接收電壓 信號(hào)。寬帶噪聲探測(cè)器62確定在兩個(gè)或多個(gè)頻帶中是否同時(shí)有觸發(fā)電平信號(hào)。為了完成此，來自di/dt傳感器40的信號(hào)的一部分被按規(guī)定路線發(fā)送到帶通濾波器63。帶通濾波器的最小數(shù)量是二。在從IOkHz到IOOkHz的頻譜中選擇濾波器的頻帶。在一個(gè)例子中，對(duì)于雙頻帶實(shí)現(xiàn)，中心頻率是33kHz和58kHz。在本例中，來自帶通濾波器63的輸出信號(hào)被探測(cè)(整流)并使用具有5kHz的拐點(diǎn)頻率的低通濾波器來過濾。每個(gè)頻帶的信號(hào)輸出被按規(guī)定路線發(fā)送到比較器(信號(hào)探測(cè)器)64，其中它與參考電壓電平比較，且如果是足夠的，則弓丨起輸出脈沖。通過分析應(yīng)用的非閃絡(luò)負(fù)載產(chǎn)生的識(shí)別特征來確定產(chǎn)生來自比較器的輸出脈沖所需的來自每個(gè)頻帶的信號(hào)的“觸發(fā)電平”。每當(dāng)多個(gè)濾波頻帶同時(shí)接收在其頻帶中的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，額外的比較器(與門)用于發(fā)送脈沖。指示在多個(gè)頻帶中的信號(hào)采集的因而產(chǎn)生的脈沖由微控制器61計(jì)數(shù)并在一些電弧探測(cè)算法中使用。術(shù)語“帶通濾波器”、“比較器”、“與門”和“積分器”的使用并不將本發(fā)明限制到這些設(shè)備的硬件等效形式。這些功能的軟件等效形式可被實(shí)現(xiàn)，假定(來自傳感器40的)di/dt信號(hào)首先被放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。在例證性實(shí)施方式中，電壓傳感器71可被實(shí)現(xiàn)為電阻分壓器(未示出)，其提供與固態(tài)邏輯設(shè)備兼容的減弱的電壓電平。零交叉電路67可使用低通濾波器(拐點(diǎn)頻率IkHz)和比較器來實(shí)現(xiàn)以在電壓高于零伏時(shí)提供數(shù)字“I”而在電壓低于零伏時(shí)提供數(shù)字“O”。微控制器61接受邏輯電平并合并定時(shí)器，以確定系統(tǒng)頻率是否從以前的周期增加或減小。A/D采樣率接著被調(diào)節(jié)得更快或更慢，以維持每周期64±1個(gè)樣本。接地故障傳感器電路31饋入絕對(duì)值電路68，其將負(fù)向信號(hào)轉(zhuǎn)變成正信號(hào)并使正向信號(hào)不變地通過。正信號(hào)接著被提供到微控制器61。圖3示出用于執(zhí)行上述操作的ASIC60的一個(gè)實(shí)施方式?？稍诿绹?guó)專利6，246，556中找到ASIC60和等效電路的另外的細(xì)節(jié)，該專利被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人?？稍诿绹?guó)專利6，259，996中找到關(guān)于用于分析電流波形和寬帶噪聲以確定閃絡(luò)是否存在的算法的細(xì)節(jié)，該專利被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。雖然示出和描述了本發(fā)明的特定實(shí)施方式和應(yīng)用，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于本文公開的精確結(jié)構(gòu)和組成，以及從前述描述中，各種修改、改變和變更可能是明顯的，而不偏離如在所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于配電系統(tǒng)的故障探測(cè)系統(tǒng)，所述配電系統(tǒng)具有至少第一線路導(dǎo)線和第二線路導(dǎo)線以及公共中性導(dǎo)線，所述第一線路導(dǎo)線和所述第二線路導(dǎo)線承載從源到負(fù)載的彼此異相的AC電流,所述系統(tǒng)包括: 閃絡(luò)故障電流傳感器，其包括纏繞在中空芯上并適于耦合到兩個(gè)所述線路導(dǎo)線的線圈，使得在所述線路導(dǎo)線中的電流在所述中空芯內(nèi)部在相反的方向上流動(dòng)，并因而在所述線圈中引起作為所述線路導(dǎo)線中的電流的差的函數(shù)的第一輸出信號(hào)， 中性電流傳感器，其產(chǎn)生表示所述中性導(dǎo)線中的電流的幅值和相方向的第二輸出信號(hào)， 閃絡(luò)故障探測(cè)電路，其接收所述第一輸出信號(hào)，并包括接收所述第一輸出信號(hào)和所述第二輸出信號(hào)的處理器，并且所述處理器被編程為執(zhí)行下列操作: 響應(yīng)于所述第一輸出信號(hào)中的變化來分析所述第二輸出信號(hào)以確定所述第一輸出信號(hào)中的所述變化是否至少部分地可歸因于線間電路中的電流，以及如果答案是肯定的，則確定用于調(diào)節(jié)所述第一輸出信號(hào)的值的比例因子，以及 分析所述經(jīng)調(diào)節(jié)的第一輸出信號(hào)以確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的故障探測(cè)系統(tǒng)，其中所述配電系統(tǒng)具有額定電流，所述處理器被編程為比較由所述第一輸出信號(hào)和所述第二輸出信號(hào)表示的電流與所述額定電流，并且只有當(dāng)由所述第一輸出信號(hào)表示的所述電流超過所述額定電流的量為所述額定電流的倍數(shù)且所述倍數(shù)與由所述第 二輸出信號(hào)表示的所述電流超過所述額定電流的倍數(shù)至少一樣大時(shí)才分析所述第二輸出信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的故障探測(cè)系統(tǒng)，其中所述配電系統(tǒng)具有額定電流，所述處理器被編程為比較由所述第一輸出信號(hào)和所述第二輸出信號(hào)表示的電流與所述額定電流，并且只有當(dāng)由所述第一輸出信號(hào)和所述第二輸出信號(hào)表示的所述電流超過所述額定電流一預(yù)定的量時(shí)才分析所述第二輸出信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的故障探測(cè)系統(tǒng)，其中所述處理器被編程為確定比例因子，所述比例因子是一加所述第二輸出信號(hào)與所述第一輸出信號(hào)之比的和的一半。
5.如權(quán)利要求1所述的故障探測(cè)系統(tǒng)，其中所述處理器被編程為確定所述第一輸出信號(hào)中的所述變化是否只歸因于線間電路中的電流中的變化，且如果答案是肯定的，則將所述第一輸出信號(hào)的值減小50%。
6.如權(quán)利要求1所述的故障探測(cè)系統(tǒng)，其中所述處理器被編程為確定所述第一輸出信號(hào)中的所述變化是否只歸因于線到中性線電路中的電流中的變化，且如果答案是肯定的，則分析所述第一輸出信號(hào)而不做任何調(diào)節(jié)，以確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求1所述的故障探測(cè)系統(tǒng)，其中所述配電系統(tǒng)包括至少一個(gè)120伏電路和至少一個(gè)240伏電路，且所述處理器被編程為分析所述第一輸出信號(hào)和所述第二輸出信號(hào)以確定所述第一輸出信號(hào)中的變化是歸因于所述120伏電路中的電流中的變化還是所述240伏電路中的電流中的變化。
8.如權(quán)利要求1所述的故障探測(cè)系統(tǒng)，其中所述處理器被編程為基于所述第二輸出信號(hào)在線到中性線故障出現(xiàn)時(shí)比在線間閃絡(luò)故障出現(xiàn)時(shí)具有更大的幅值，使用所述第二輸出信號(hào)的幅值來確定所探測(cè)的閃絡(luò)故障是線到中性線閃絡(luò)故障還是線間閃絡(luò)故障。
9.如權(quán)利要求1所述的故障探測(cè)系統(tǒng)，其中所述配電系統(tǒng)具有額定電流，所述處理器被編程為比較由所述第一輸出信號(hào)和所述第二輸出信號(hào)表示的電流與所述額定電流，并且當(dāng)由所述第二輸出信號(hào)表示的所述電流超過所述額定電流的量為所述額定電流的倍數(shù)且所述倍數(shù)比由所述第一輸出信號(hào)表示的所述電流超過所述額定電流的倍數(shù)大時(shí)，確定潛在的配線誤差。
10.如權(quán)利要求1所述的故障探測(cè)系統(tǒng)，其中所述配電系統(tǒng)具有額定電流，所述處理器被編程為比較由所述第一輸出信號(hào)和所述第二輸出信號(hào)表示的電流與所述額定電流，并且當(dāng)由所述第一輸出信號(hào)和所述第二輸出信號(hào)表示的所述電流超過所述額定電流小于預(yù)定的量時(shí)確定串聯(lián)閃絡(luò)故障存在。
11.一種用于探測(cè)配電系統(tǒng)中的故障的方法，所述配電系統(tǒng)至少具有第一線路導(dǎo)線和第二線路導(dǎo)線以及公共中性導(dǎo)線，所述第一線路導(dǎo)線和所述第二線路導(dǎo)線承載從源到負(fù)載的彼此異相的AC電流，所述方法包括: 產(chǎn)生作為所述第一線路導(dǎo)線和所述第二線路導(dǎo)線中的電流的差的函數(shù)的第一信號(hào)， 產(chǎn)生表示所述中性導(dǎo)線中的電流的幅值和相方向的第二信號(hào)， 響應(yīng)于所述第一信號(hào)中的變化來分析所述第二信號(hào)以確定所述第一信號(hào)中的變化是否至少部分地可歸因于線間電路中的電流，以及如果答案是肯定的，則確定用于調(diào)節(jié)所述第一信號(hào)的值的比例因子，以及 分析所述經(jīng)調(diào)節(jié)的第一信號(hào)以確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述配電系統(tǒng)具有額定電流，且所述方法包括比較由所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)表示的電流與所述額定電流，并且只有當(dāng)由所述第二信號(hào)表示的所述電流超過所述額定電流的量為所述額定電流的倍數(shù)且所述倍數(shù)與由所述第一信號(hào)表示的所述電流超過所述額定電流的倍數(shù)至少一樣大時(shí)才分析所述第二信號(hào)。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述配電系統(tǒng)具有額定電流，且所述方法包括比較由所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)表示的電流與所述額定電流，并且只有當(dāng)由所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)表示的所述電流超過所述額定電流一預(yù)定的量時(shí)才分析所述第二信號(hào)。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其包括確定比例因子，所述比例因子是一加所述第二信號(hào)與所述第一信號(hào)之比的和的一半。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其包括確定所述第一信號(hào)中的所述變化是否只歸因于線間電路中的電流中的變化，且如果答案是肯定的，則將所述第一信號(hào)的值減小50%。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其包括確定所述第一信號(hào)中的所述變化是否只歸因于線到中性線電路中的電流中的變化，且如果答案是肯定的，則分析所述第一信號(hào)而不做任何調(diào)節(jié)，以確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述配電系統(tǒng)包括至少一個(gè)120伏電路和至少一個(gè)240伏電路，且所述方法包括分析所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)以確定所述第一信號(hào)中的變化是歸因于所述120伏電路中的電流中的變化還是所述240伏電路中的電流中的變化。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其包括基于所述第二信號(hào)在線到中性線故障出現(xiàn)時(shí)比在線間閃絡(luò)故障出現(xiàn)時(shí)具有更大的幅值，使用所述第二信號(hào)的幅值來確定所探測(cè)的閃絡(luò)故障是線到中性線閃絡(luò) 故障還是線間閃絡(luò)故障。
19.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括具有體現(xiàn)在其中的計(jì)算機(jī)可讀程序邏輯的一個(gè)或多個(gè)非短暫有形介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀程序邏輯配置成被執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)用于探測(cè)配電系統(tǒng)中的故障的方法，所述配電系統(tǒng)至少具有第一線路導(dǎo)線和第二線路導(dǎo)線以及公共中性導(dǎo)線，所述第一線路導(dǎo)線和所述第二線路導(dǎo)線承載從源到負(fù)載的彼此異相的AC電流，所述方法包括:產(chǎn)生作為所述第一線路導(dǎo)線和所述第二線路導(dǎo)線中的電流的差的函數(shù)的第一信號(hào)，產(chǎn)生表示所述中性導(dǎo)線中的電流的幅值和相方向的第二信號(hào)， 響應(yīng)于所述第一信號(hào)中的變化 來分析所述第二信號(hào)以確定所述第一信號(hào)中的所述變化是否至少部分地可歸因于線間電路中的電流，以及如果答案是肯定的，則確定用于調(diào)節(jié)所述第一信號(hào)的值的比例因子，以及 分析所述經(jīng)調(diào)節(jié)的第一信號(hào)以確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)。
全文摘要
提供了用于至少具有承載從源到負(fù)載的彼此異相的AC電流的第一和第二線路導(dǎo)線以及公共中性導(dǎo)線的配電系統(tǒng)的故障探測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括閃絡(luò)故障電流傳感器，其包括纏繞在中空芯上并耦合到這兩個(gè)線路導(dǎo)線的線圈，使得在線路導(dǎo)線中的電流在中空芯內(nèi)部在相反的方向上流動(dòng)，因而在線圈中引起作為線路導(dǎo)線中的電流的差的函數(shù)的輸出信號(hào)。中性電流傳感器產(chǎn)生表示中性導(dǎo)線中的電流的幅值和相方向的輸出信號(hào)。閃絡(luò)故障探測(cè)電路包括被編程為執(zhí)行下列操作的處理器(1)響應(yīng)于第一輸出信號(hào)中的變化來分析第二輸出信號(hào)以確定第一輸出信號(hào)中的變化是否至少部分地可歸因于線間電路中的電流，(2)如果答案是肯定的，則確定用于調(diào)節(jié)第一輸出信號(hào)的值的比例因子，以及(3)分析經(jīng)調(diào)節(jié)的第一輸出信號(hào)以確定閃絡(luò)故障是否出現(xiàn)并響應(yīng)于探測(cè)到閃絡(luò)故障而產(chǎn)生跳閘信號(hào)。
文檔編號(hào)H02H1/00GK103250316SQ201180055146
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者加里·W·斯科特, 保羅·A·里德 申請(qǐng)人:施耐德電氣美國(guó)股份有限公司