专利名称：低成本电弧故障检测技术的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于检测电弧故障的设备和方法，更具体地涉及低成本电弧检测设备和方法。
背景技术：
2005年9月13日提交的标题为“ARC FAULT DETECTIONTECHNIQUE”并被转让给本发明的同一受让人的美国专利申请No.11/225585(’585申请)公开了一种具有更不容易受滋扰跳闸影响的电弧故障检测设备。如’585申请中所公开的那样，电弧故障检测设备包括具有电流传感器、输入感测电路、和起弧感测电路的模拟前端；电源；跳闸(触发)电路；处理单元；和机电接口。电路传感器监视AC功率线电流输入，并提供AC电流的高频成分至输入感测电路。然后，输入感测电路在其输入端滤波和整流AC信号，并将整流后的信号提供给起弧感测电路。起弧感测电路然后向处理单元提供在预定采样周期上累加的电压电平、和指示在采样周期期间发生的可能的电气起弧事件(即di/dt事件)的一个或多个数字信号。然后，处理单元测量电压电平，存储关于所测量的电压的信息和被提供的数字信号，并利用一个或多个算法处理所存储的信息从而确定信号是否源自电弧故障或滋扰负载。如果信号源自电弧故障，则处理单元启动触发电路以释放机电接口，从而中断到负载的功率输出。
虽然’585申请中所公开的电弧故障检测设备可被成功地用于在宽范围的操作条件下检测和区别电气起弧和滋扰负载，但越来越需要适于在低成本应用中使用的电弧故障检测设备。例如，这样的低成本电弧故障检测设备可以与电线组件(cord set)结合用于灯具或任何其它合适的家用电器或工业设备。如上所述，传统电弧故障检测设备通常包括被配置以感测微分输入电流(di/dt)的模拟前端。然而，通常利用大量离散的电气和电子元件实施这样的模拟前端，这可能显著增加设备元件的总数目、元件的总成本、以及制造电弧故障检测设备的成本。传统电弧故障检测设备中包括的更多的离散元件还可能导致设备整体可靠性的减小。
因此，希望具有低成本的检测电弧故障的设备和方法。这样的电弧故障检测设备将包括更少的离散电气和电子元件。也希望具有能够更好地区分电弧故障与滋扰负载的低成本电弧故障检测设备和方法。
发明内容
按照本发明，提供了检测电弧故障的低成本设备和方法，用于更好地区分电弧故障和滋扰负载。当前公开的电弧故障检测设备具有较低成本，因为其包括能够利用更少的离散电气和电子元件实现的前端。此外，所公开的电弧故障检测设备能够更好地区分电弧故障和滋扰负载，因为响应于检测到可能的电气起弧条件，其不仅分析功率线电流的改变(di/dt)，而且分析的改变功率线电压(dv/dt)。注意，某些电气起弧事件的特征为可以与高di/dt的频率电平同时发生的高的dv/dt条件。通过分析功率线电流的变化(di/dt)和功率线电压的变化(dv/dt)，电弧故障检测设备可以以更高的精度区分这样的电气事件。
在一个实施例中，低成本电弧故障检测设备包括具有电流传感器和di/dt输入感测电路的前端、和处理单元。电流传感器包括变压器，其监视AC功率线电流输入并将AC电流的高频成分从其初级线圈磁耦合至其次级线圈。di/dt输入感测电路包括整流器电路，其接收来自电流传感器的高频AC电流成分，执行AC信号的全波或半波整流，并提供整流后的信号(“di/dt信号”)至处理单元的第一模拟输入端用于随后的分析。低成本电弧故障检测设备进一步包括具有用于获取携带关于功率线电压变化的信息的信号(“dv/dt信号”)的充电电容器和限流电阻器的dv/dt输入感测电路。在该实施例中，dv/dt信号从全波整流功率线电压中得出。dv/dt输入感测电路提供dv/dt信号至处理单元的第二模拟输入。
在指定的测量周期期间，处理单元分别轮询由di/dt和dv/dt输入感测电路所提供的di/dt和dv/dt信号的电压状态，并根据从中所获取的信息生成多个数据流。在当前所公开的实施例中，指定的测量周期稍小于AC输电线周期的一半。然后，处理单元在指定的测量周期期间生成三个数据流，特别地，第一数据流包括关于di/dt信号电平超过第一指定电压阈值的次数的信息，第二数据流包括关于dv/dt信号电平超过第二指定电压阈值的次数的信息，第三数据流包括关于di/dt信号电平超过第一指定阈值的时间长度的信息。例如，处理单元可通过分别计数在第一和第二模拟输入端所发生的状态转换的数目而生成第一和第二数据流。进一步，处理单元可通过累加在第一模拟输入端处di/dt信号保持为特定状态的时间长度而生成第三数据流。在测量周期结束之后，处理单元在存储器中存储关于第一、第二和第三数据流的信息。
然后，处理单元分析在最近测量周期期间所生成的第一、第二和第三数据流中所包括的信息，并可选地分析在前面一个或多个测量周期期间所生成的数据流中所包括的信息。在当前所公开的实施例中，处理单元通过确定各测量周期期间di/dt信号电平超过第一指定阈值的次数而分析第一数据流。特别地，处理单元保持在一个或多个连续测量周期期间di/dt信号电平超过第一阈值的次数的第一运行计数(running count)。如果第一运行计数超过第一预定值，从而表示电气起弧条件，则处理单元启动触发电路，以释放机电接口以便中断到负载的功率输出。类似地，处理单元通过确定dv/dt信号电平在各测量周期期间超过第二指定阈值的次数而分析第二数据流。特别地，处理单元保持在一个或多个连续测量周期期间dv/dt信号电平超过第二阈值的次数的第二运行计数。如果第二运行计数超过第二预定值，从而表示可能的电气起弧条件，则处理单元将指定的量加到第一运行计数上，从而提高释放机电接口从而中断到负载的功率输出的速度和可能性。
处理单元通过累加一个或多个测量周期期间di/dt信号保持在特定状态的时间长度，并通过相对于di/dt信号电平超过第一阈值的次数的第一运行计数估计所累加的时间，从而分析第三数据流。如果di/dt信号保留在特定状态的累加时间相对于di/dt信号电平超过第一阈值的次数高，则处理单元阻止释放机电接口，因为这样的条件可能表明滋扰负载。
本发明的其它特征、功能和方面可从下面的发明详细说明中显然看出。
结合附图参考下面本发明的详细描述将更充分地理解本发明。
图1是示意图，其示出电弧故障检测设备的传统前端电路，其中传统前端电路包括电流传感器、di/dt输入感测电路、和起弧感测电路；图2a是示意图，其示出按照本发明的电弧故障检测设备的前端电路，其中前端电路包括电流传感器和di/dt输入感测电路；图2b是示意图，其示出可结合图2a的di/dt输入感测电路使用的dv/dt输入感测电路；图3a是时序图，其示出图2b的dv/dt输入感测电路的运行；图3b是时序图，其示出图2b的dv/dt输入感测电路在存在功率线瞬变时的运行，表明可能的电气起弧事件；图4是代表性电气起弧事件的时序图，特征为频繁的高di/dt电平，与电压源阻抗相互作用从而同时引起高dv/dt条件；以及图5a-5d是流程图，其示出分析经由图2a的di/dt输入感测电路和图2b的dv/dt输入感测电路所获得的信息、以便更好地区分电弧故障与滋扰负载的方法。
具体实施例方式
公开了低成本的检测电弧故障的设备和方法，其能够更好地区分电弧故障和滋扰负载。低成本电弧故障检测设备包括可以利用更少的离散电气和电子元件实施的前端。此外，响应于检测到可能的电气起弧条件，低成本电弧故障检测设备不仅分析功率线电流的变化(di/dt)，而且分析功率线电压的变化(dv/dt)，从而更精确地区分电气事件。
图1示出电弧故障检测设备的传统前端电路100的说明性实施例。在所示实施例中，传统前端电路100包括电流传感器101、di/dt输入感测电路102、和起弧感测电路104。电流传感器101包括变压器TR1，其通过监视流过可经由负载线相端子TP9和负载中性端子TP10及TP22耦合至功率输出的负载的交流电流(AC)i而监视功率输入。变压器TR1被配置用于将AC电流i的高频成分从其初级线圈磁性耦合到其次级线圈，从而提供AC电流I至di/dt输入感测电路102。
di/dt输入感测电路102包括电阻器R1-R2、电容器C0-C1、和二极管D1-D6。变压器TR1的次级线圈跨接共享到地的公共节点连接的电阻器R1-R2。电阻器R1-R2为变压器TR1的次级线圈提供接地基准。电容器C1和二极管D1与电阻器R1并联，电容器C1和二极管D2与电阻器R2并联。此外，二极管D1的阴极连接至二极管D3-D4的阳极，二极管D2的阴极连接到二极管D5-D6的阳极。二极管D4-D5的阴极接地，二极管D3和D6的阴极连接至节点114提供di/dt输入感测电路102的输出。二极管D1-D2和D4-D5被配置形成全波整流桥，并因此，节点114处所提供的输出是全波整流信号。进一步，二极管D3-D6和包括在起弧感测电路104中的电容器C2形成记录电路，从而使在节点114处所提供的输出的电平与di/dt输入感测电路102的输入的记录成比例。
起弧感测电路104包括电容器C2、积分电容器C3、旁通电容器C4、电阻器R4-R8、运算放大器(op amp)116、和二极管D7。如图1所示，电容器C2和电阻器R4连接在节点114和地之间。进一步，运算放大器116和电阻器R5-R6被配置形成非反相放大器。电容器C2连接至运算放大器116的非反相输入端，该运算放大器缓冲电容器C2两端的电压并经由二极管D7和电阻器R7将缓冲的电压提供至由限流电阻器R8和积分电容器C3共享的公共节点连接。电阻器R8和电容器C3连接在处理单元112的模拟输入端PA0和地之间。二极管D7可操作以防止来自积分电容器C3的反向电流。注意，电阻器R7和电容器C3的组合形成低通滤波器以滤出高频噪声。
起弧感测电路104接收来自di/dt输入感测电路102的全波整流信号，并将在预定测量周期上所积累的电压电平提供至处理单元112的模拟输入端PA0，处理单元112随后测量电压电平，存储关于所测量电压电平的信息，并利用一个或多个算法处理所存储的信息从而确定电流传感器101所提供的AC电流的高频成分是由电弧故障还是由滋扰负载产生的。如果高频AC电流成分是由电弧故障导致的，则处理单元启动触发电路(未示出)，以释放机电接口，从而中断到负载的功率输出。因为图1的传统前端电路100是利用大量离散电气和电子元件实施的，所以电弧故障检测设备的总元件和制造成本增加，同时设备的整体可靠性降低。
图2a示出按照本发明的电弧故障检测设备的前端电路200的说明性实施例。在所示的实施例中，前端电路200包括电流传感器201、di/dt输入感测电路200、和处理单元212。注意，图2a中的电流传感器201和处理单元212分别类似于图1中的电流传感器101和处理单元112。特别地，电流传感器201包括变压器TR1，其通过监视流过可经由负载线相端子TP9和负载中性端子TP10和TP22耦合至功率输出(参看图2a)的负载的AC电流i而监视功率输入(参看图2b)。变压器TR1将AC电流i的高频成分从其初级线圈磁性耦合到其次级线圈，从而提供AC电流I至di/dt输入感测电路202。进一步，处理单元212分析由di/dt输入感测电路202所生成的AC信号(“di/dt信号)所携带的信息，从而确定AC电流i的高频成分是由电弧故障还是由滋扰负载产生的。例如，处理单元212可以用美国Texas洲Dallas的Texas Instruments Inc.(TI)所出售的MSP430F1122微控制器或任何其他合适的处理器/控制器实施。
如图2a所示，di/dt输入感测电路202包括二极管D8-D11、和电阻器R9。在所示实施例中，二极管D8-D11被配置执行变压器TR1的次级线圈处所提供的AC信号的全波整流。特别地，二极管D8的阴极和二极管D10的阳极连接至次级线圈的第一端子，二极管D9的阴极和二极管D11的阳极连接至次级线圈的第二端子。进一步，二极管D8-D9的阳极接地，二极管D10-D11的阴极连接至处理单元212的第一模拟输入端PA1。电阻器R9连接在处理单元212的模拟输入端PA1和地之间。
应该注意，在一个可选实施例中，di/dt输入感测电路202可被配置执行变压器TR1的次级线圈处所提供的AC信号的半波整流。此外，在其他可选实施例中，整流器电路(包括二极管D8-D11)和电阻器R9中一个或两者可从前端电路200中略去，di/dt信号可直接被提供给处理单元212的模拟输入端PA1。
在当前公开的实施例中，变压器TR1被配置以在其初级线圈提供低激磁电感，并在其次级线圈上提供高匝数比。此外，整流二极管D8-D11被包括在前端电路200中，以格式化di/dt信号所携带的信息，且电阻器R9被包括在电路200中从而限制di/dt信号由于共振而出现的峰化，从而有利于处理单元212对该信息的分析。
因此，如图1所示的传统前端电路100一样，次级线圈上的电压是流过初级线圈和次级负载的功率线电流的改变率(di/dt)的二元(dual)函数。然而，不同于前端电路100，图2a的前端电路200不提供对数响应。因为传统前端电路100的提供对数响应的电气元件从前端电路200中略去了，因此前端电路200的总成本降低了。此外，由前端电路200所提供的di/dt信号的频率内容能够更容易地被处理单元212分析。
图2b描绘了可结合di/dt输入感测电路(参看图2a)使用以更好地区分电气起弧事件和滋扰负载的dv/dt输入感测电路204的说明性实施例。在所示实施例中，dv/dt输入感测电路204包括电阻器R18-R19和电容器C18。注意，电容器C18是充电电容器，电阻器R18是限流电阻器。dv/dt输入感测电路204从包括由二极管D12-D15和螺线管218实施的二极管桥的机电接口217接收全波整流的功率线电压VFM。如果包括前端电路200的电弧故障检测设备检测到电气起弧条件，则处理电路212控制机电接口217以释放螺线管218，从而中断至负载的功率输出(参看图2a)。在2005年9月13日提交的标题为“ARC FAULT DETECTION TECHNIQUE”的共同未决美国专利申请No.11/225,585(’585申请)中描述了处理单元对机电接口的这种控制，该专利申请的整个内容包括在此以供参考。
如上所述，dv/dt输入感测电路204接收来自机电接口217的全波整流功率线电压VFM。充电电容器C18和限流电阻器R18被配置以根据该全波整流电压得到AC信号z(t)(“dv/dt信号”，参看图2b)。dv/dt信号携带关于功率线电压VFM改变的信息。特别地，包括在dv/dt输入感测电路204中的电容器C18和电阻器R19形成RC微分器电路，其提供的输出y(t)可表达为y(t)=R·C·dx(t)dt,---(1)]]>其中“R”是电阻器R19的值，“C”是电容器C18的值，“x(t)”是RC微分器电路的输入，而“y(t)”是RC微分器电路的输出(参看图2b)。由电容器C18和电阻器R19形成的RC微分器电路因此产生等于输入x(t)的微分乘以常数R·C的输出y(t)。dv/dt输入感测电路204提供输出y(t)至限流电阻器R18，限流电阻器R18又提供dv/dt信号z(t)给处理单元212的第二模拟输入端PA2以供随后的分析。
在一个实施例中，一旦全波整流功率线电压VFM的每个半周期接近线电压零交点，处理单元212测量提供给模拟输入端PA1的di/dt信号的电压(参看图2a)。在当前公开的实施例中，处理单元212不仅采用dv/dt信号z(t)来获得关于功率线电压VFM的改变的信息，而且还采用dv/dt信号z(t)来建立线电压同步定时以便测量di/dt信号的电压。特别地，处理单元212中内置的电阻器R18和二极管D18-D19形成零交点检测器。注意，二极管D18-D19通常被包括在处理单元212中，从而相对于静电放电(ESD)在短时间周期中保护模拟输入端PA2上的过电压瞬变。在所示实施例中，二极管D18-D19是高度限流的，且因此也可以被稳态使用。
因此，只要dv/dt信号z(t)的电压超过VCC加二极管D18或D19的一个电压降Vdiode，二极管D18就正偏(“导通”)，从而通过电阻器R18使电流进入VCC。处理单元212读取所得到的dv/dt信号z(t)的电压作为逻辑高或“1”。此外，只要dv/dt信号z(t)的电压低于VCC加一个二极管电压降Vdiode，二极管D18将不导通。在该情形中，处理单元212读取所得到的dv/dt信号z(t)的电压作为逻辑低或“0”。注意，当全波整流功率线电压VFM被提供作为输入x(t)时(参看图2b)，处理单元212读取逻辑低、即靠近功率线电压的零交点的情形通常被限制在相对短的时间周期中。
因此，由电容器C18和电阻器R19所形成的RC微分器电路及由电阻器R18和二极管D18-D19所形成的零交点检测器使模拟输入端PA2处的dv/dt信号z(t)响应如下。如果R·C·d(VFW)dt>VCC+Vdiode,---(2)]]>则处理单元212读取dv/dt信号z(t)的电压作为逻辑高。可替换地，如果R·C·d(VFW)dt<VCC+Vdiode,---(3)]]>则处理单元212读取dv/dt信号z(t)的电压作为逻辑低。
图3a-3b是时序图，其示出全波整流功率线电压VFM和dv/dt信号z(t)的表示(参看图2b)。如图3a所示，在时间T1、T3、和T5，由上面等式(2)所表达的条件被满足，且因此dv/dt信号z(t)从逻辑低电压0转换到逻辑高电压1。进一步，在时间T2、T4、和T6，由上面等式(3)所表达的条件被满足，且因此dv/dt信号z(t)从逻辑高电压1转换至逻辑低电压0。因此，通过检测模拟输入端PA2处从0到1的转换，处理单元212的操作定时可与全波功率线电压VFM同步。
如图3b所示，在时间T1、T3和T5，dv/dt信号z(t)从逻辑低电压0转换至逻辑高电压1，并在时间T2、T4和T6，dv/dt信号z(t)从逻辑高电压1转换至逻辑低电压0。此外，图3b描绘时间T3.1-T3.2之间发生的功率线瞬变，其使dv/dt信号z(t)在时间T3.1附近进行从逻辑高电压1到逻辑低电压0的另一转换，并在时间T3.2附近进行从逻辑低电压0到逻辑高电压1的另一转换。dv/dt信号的附加状态改变表示可能的电气起弧，并可被应用作为一个或多个用于确定状态变化源自电弧故障还是滋扰负载的合适算法的信息输入。
注意，在当前公开的实施例中，dv/dt输入感测电路204从全波整流功率线电压VFM中得出dv/dt信号，以减小充电电容器C18上的压力，从而允许电容器C18以低成本电气元件被实施。然而，应该理解，dv/dt信号可替换地可以从半波整流功率线电压、或直接从功率线电压中获得。此外，图2b描绘了电阻器R17、发光二极管(LED)D16、齐纳二极管D17、和电容器C19。电阻器R17、二极管D16-D17、和电容器C19被配置以便为处理单元212生成本地电源VCC，例如+5VDC。LED D16提供上电指示。电阻器R17和LED D16与电容器C19一起也提供到地的电气路径，以对充电电容器C18放电，从而确保电容器C18不响应于所施加的全波整流线电压而使电荷达到峰值。在可替换实施例中，为处理单元212的模拟输入端PA2提供限流保护的电阻器R18可从dv/dt输入感测电路204中略去。齐纳二极管D17与电容器C19并联从而提供冗余的电压限制。
图4示出功率线电压如何能被被称为剪式电弧(guillotine arc)的电气起弧事件影响，其特征通常为与电压源阻抗相互作用以同时引起高dv/dt条件的高di/dt的频繁电平。例如，这样的剪式电弧可能在薄金属片切割电器的功率线时产生。特别地，图4描绘功率线电压402、与功率线电压402相关联的dv/dt信号404。例如，功率线电压402可对应于图2b中在线相端子和线中性端子之间所提供的功率线电压。进一步，dv/dt信号404可对应于由dv/dt输入感测电路204生成并提供至处理单元212的模拟输入端PA2的dv/dt信号(参看图2b)。因为当前公开的电弧故障检测设备可分析功率线电流的变化(di/dt)和功率线电压的变化(dv/dt)，因此电气起弧事件、诸如剪式电弧可更精确地被区分。
在当前公开的实施例中，电弧故障检测设备分析功率线电流的变化(di/dt)和功率线电压的变化(dv/dt)，如下面所述。在指定的测量周期中，处理单元212分别轮询在模拟输入端PA1和pA2处的di/dt信号和dv/dt信号的电压状态(参看图2a-2b)，并根据从中所获得的信息生成一个或多个数据流。例如，指定的测量周期可稍微小于AC输电线的半个周期或等于任意其他合适的时间周期。进一步，指定的测量周期可由dv/dt信号达到高电压状态来启动，或通过任何其他合适的事件或信号条件来启动。在一个实施例中，处理单元212在指定的测量周期中生成三个数据流，特别地，第一数据流包括关于di/dt信号电平超过第一指定电压阈值的次数的信息，第二数据流包括关于dv/dt信号电平超过第二指定电压阈值的次数的信息，第三数据流包括关于di/dt信号电平超过第一指定阈值的时间长度的信息。例如，第一指定电压阈值可等于约100mV或任何其他合适的电压电平，第二指定电压阈值可等于约VCC加一个二极管电压降Vdiode，即约5.7伏，或任何其他合适的电压电平。处理单元212可通过分别计数模拟输入端PA1和PA2中出现的状态转换次数而生成第一和第二数据流。进一步，处理单元212可通过累加模拟输入端PA1处的di/dt信号保持在特定状态的时间长度而生成第三数据流。在测量周期结束后，处理单元212在内部存储器或外部存储器中存储关于第一、第二、和第三数据流的信息。
然后，处理单元212(参看图2a-2b)分析在最近测量周期中所生成的第一、第二、和第三数据流中所包括的信息，并可选地分析在一个或多个前面测量周期中所生成的数据流中所包括的信息。在当前公开的实施例中，处理单元212通过确定在各测量周期中di/dt信号电平超过第一指定阈值的次数而分析第一数据流。特别地，处理单元212保持在一个或多个连续测量周期中di/dt信号电平超过第一阈值的次数的第一运行计数。如果第一运行计数超过第一预定值(“跳闸阈值”)，从而指示电气起弧条件，则处理单元212启动触发电路(未示出)，以释放机电接口217(参看图2b)，以便中断至负载的功率输出(参看图2a)。例如，对应于跳闸阈值的第一预定值可以等于di/dt信号的100个状态转换或任何其他合适的状态转换次数。在一个实施例中，每半个AC输电线周期从第一运行计数中减去一个预定量，以说明负载的di/dt特征，同时防止第一运行计数降至零以下。
类似地，处理单元212通过确定dv/dt信号电平在各测量周期中超过第二指定阈值的次数而分析第二数据流。特别地，处理单元212保持dv/dt信号电平在一个或多个连续测量周期中超过第二阈值的次数的第二运行计数。如果第二运行计数超过第二预定值，从而指示可能的电气起弧条件，则处理单元212将指定的量加至第一运行计数，从而提高释放机电接口217以中断至负载的功率输出的速度和可能性。例如，第二预定值可等于dv/dt信号的4个状态转换或任何其他合适数目的状态转换，而被加到di/dt信号的状态转换的第一运行计数上的指定量可等于40或任何其他合适的量。这个指定的量不被加到第一运行计数，除非第二运行计数超过第二预定值，从而说明负载的dv/dt特征。
此外，处理单元212通过累加在一个或多个测量周期中di/dt信号保持在特定状态的时间长度、并通过相对于di/dt信号电平超过第一阈值的次数的第一运行计数估计累加时间，分析第三数据流。如果di/dt信号保持在特定状态的累加时间相对于di/dt信号电平超过第一阈值的次数高时，处理单元212阻止释放机电接口，因为这样的条件可能指示滋扰负载。例如，di/dt信号保持在特定状态的累加时间的最小长度可等于2毫秒或任何其他合适的时间长度。此外，机电接口的释放可通过增加用于启动触发电路的跳闸阈值或通过其他任何合适的技术而被阻止。
分析分别由di/dt输入感测电路202和dv/dt输入感测电路204(参看图2a-2b)所生成的di/dt信号和dv/dt信号以便更好地区分电气起弧事件的方法将在下面参考图5a-5d描述。应该理解，di/dt信号和dv/dt信号的这样的分析可通过图2a-2b的处理单元212执行。如在步骤502(参看图5a)中的描述的那样，如果处理单元检测到dv/dt信号从低电压状态转换到高电压状态的电压状态，则处理单元启动定时器以便跟踪测量周期。例如，定时器可以被实现为初始计数值为零的8位定时器。进一步，定时器可在处理单元内部被实施，或可以被实现为外部定时器。如上所述，di/dt信号由di/dt输入感测电路202提供给处理单元212的模拟输入端PA1(参看图2a)。然后，处理单元计数dv/dt信号的状态转换，如步骤504所示。如上所述，dv/dt信号由dv/dt输入感测电路204提供给处理单元212的模拟输入端PA2(参看图2b)。特别地，如步骤504.1(参看图5c)中所述，确定是否检测到dv/dt信号的电压状态从低转换为高。这样的确定可利用比较dv/dt信号的电平与指定电压阈值的第一比较器而进行。例如，第一比较器可在处理单元内部被实现或被实现为外部比较器。如果dv/dt信号的状态被检测到从低到高转换，则第一计数器加1，以便计数在测量周期中发生的dv/dt信号的状态转换，如步骤504.2中所述。与上面所述的定时器和第一比较器相同，第一计数器可被实现在处理单元内部或被实现为外部计数器。
然后，处理单元计数di/dt信号的状态转换，如步骤506(参看图5a)中的描绘。特别地，如步骤506.1的描述(参看图5d)，确定di/dt信号的电压状态是否被检测到从低转换到高。这样的确定可利用比较di/dt信号的电平和指定电压阈值的第二比较器来执行。例如，第二比较器可被实现在处理单元内部或被实现为外部比较器。如果di/dt信号的状态被检测到从低转换到高，则第二计数器加1，以便计数在测量周期中发生的di/dt信号的状态转换，如步骤506.2所示。类似于上述定时器、第一和第二比较器、以及第一计数器，第二计数器可被实现在处理单元的内部或被实现为外部计数器。
然后，如步骤508所述(参看图5a)，处理单元读取跟踪di/dt信号保持在特定状态、例如高电压状态中的时间长度的内部或外部累加器。特别地，处理单元在检测到di/dt信号的状态从低转换到高时读取定时器的值，并将定时器值存储在与变量“Tbeg”相关联的存储器中，如步骤508.1中所述(参看图5d)。如果随后确定di/dt信号的状态是否被检测到从低转换到高，如步骤506.1中所述，并且没有检测到di/dt信号的这样的状态转换，则还确定di/dt信号的状态是否当前为高，如步骤508.2所述。如果di/dt信号的状态当前为高，则定时器的值被读取并被存储在与变量“Tend”相关联的存储器中，如步骤508.3所述。然后，di/dt信号保持在高电压状态的时间长度“Tacc”是按照下面的表达式累加的T＝Tend-Tbeg(4)Tacc＝Tacc+T然后确定测量周期是否已经结束，如步骤510所述(参看图5a和5d)。如果测量周期还没有结束，则方法循环回到步骤504.1(参看图5c)。
如果测量周期已经结束，则执行计算以区分电气事件和确定是否释放电弧故障检测设备的机电接口，如步骤512所述(参看图5b)。如上所述，在一个实施例中，处理单元在测量周期期间生成包括关于dv/dt信号和di/dt信号电平超过各电压阈值的次数的信息的第一和第二数据流、和包括关于di/dt信号电平超过其相应电压阈值的时间长度的信息的第三数据流。然后，处理单元保持dv/dt和di/dt信号电平在测量周期期间超过各电压阈值的次数的运行计数。此外，处理单元相对于di/dt信号电平在测量周期期间超过其相应电压阈值的次数的运行计数而估计di/dt信号保持在高电压状态的累加时间。然后，基于处理单元所保持和估计的运行计数和累加时间，确定机电接口是否要被释放，如步骤514中所述。如果确定机电接口应该被释放，则处理单元212释放机电接口217(参看图2b)从而中断到负载的功率输出，如步骤518中所述。否则，确定与电弧故障检测设备相关联的测试按钮是否已经被致动，如步骤516中所述。如果测试按钮已经被致动，则机电接口被释放，以中断到负载的功率输出，如步骤518所示，从而允许电弧故障检测设备的用户执行设备的功能测试。如果测试按钮没有被致动，则第一和第二计数器和累加器都被清除，如步骤520所示，定时器被停止和复位，如步骤522中所述，并且方法循环回到步骤502(参看图5a)。
应该理解，对于实现当前所公开的电弧故障检测设备所必需的功能-包括di/dt输入感测电路202(参看图2a)和dv/dt输入感测电路204(参看图2b)-可以全部或部分地利用硬件或软件或其组合，使用数字信号处理器、微控制器、微处理器、可编程逻辑阵列或其他任何合适的硬件和/或软件来实施。
进一步，本领域普通技术人员应该理解，可进行上述低成本电弧故障检测技术的进一步修改和变化，而不偏离这里所述的发明概念。因此，本发明不应该被视为受到限制，除非由权利要求的范围和精神限制。
权利要求
1.一种电弧故障检测设备，包括功率输入；微分电流输入感测电路，可操作地感测至少一个与所述功率输入相关的微分电流(di/dt)信号；和处理器，可操作地接收来自所述di/dt输入感测电路的di/dt信号，并基于所述di/dt信号的至少一个特征分析所述di/dt信号以便确定di/dt信号特征是否指示电弧故障，其中所述di/dt输入感测电路包括被配置接收所述功率输入的AC电流成分的整流器电路，以执行所述AC电流成分的整流从而发生所述di/dt信号，并提供所述di/dt信号至所述处理器。
2.如权利要求1所述的电弧故障检测设备，进一步包括微分电压输入感测电路，可操作地感测至少一个与所述功率输入相关的微分电压(dv/dt)信号，其中所述处理器进一步可操作以接收来自所述dv/dt输入感测电路的dv/dt信号，并分别基于所述di/dt和dv/dt信号的至少一个特征分析所述di/dt和dv/dt信号，以便确定所述di/dt和dv/dt信号特征是否指示电弧故障。
3.如权利要求1所述的电弧故障检测设备，其中从由全波整流器电路和半波整流器电路所组成的组中选择所述整流器电路。
4.如权利要求2所述的电弧故障检测设备，其中所述dv/dt输入感测电路包括可操作地耦合至所述功率输入的充电电容器，其中所述功率输入的AC电压成分引起所述充电电容器两端电压的变化，且所述dv/dt信号对应于所述充电电容器两端改变的电压。
5.如权利要求2所述的电弧故障检测设备，其中所述处理器可操作地分析至少一个指定测量周期期间的di/dt和dv/dt信号。
6.如权利要求5所述的电弧故障检测设备，其中所述指定的测量周期稍微小于AC输电线的半周期。
7.如权利要求5所述的电弧故障检测设备，其中所述dv/dt信号的第一特征对应于在所述指定测量周期期间发生的dv/dt信号的电压状态转换的数目。
8.如权利要求5所述的电弧故障检测设备，其中所述di/dt信号的第一特征对应于在所述指定测量周期期间发生的di/dt信号的电压状态转换的数目。
9.如权利要求8所述的电弧故障检测设备，其中di/dt信号的第二特征对应于所述di/dt信号保持在特定电压状态的时间长度。
10.如权利要求9所述的电弧故障检测设备，其中所述处理器进一步可操作地相对于在指定测量周期期间发生的所述di/dt信号的电压状态转换的数目来估计所述di/dt信号保持在特定电压状态的时间长度，从而确定所述di/dt信号的第一和第二特征是否指示电弧故障。
11.如权利要求8所述的电弧故障检测设备，其中所述dv/dt信号的第二特征对应于在所述指定测量周期期间发生的dv/dt信号的电压状态转换的数目，且其中所述处理器进一步可操作地保持在所述指定测量周期期间发生的di/dt信号的电压状态转换数目的第一运行计数，并保持在所述指定测量周期期间发生的dv/dt信号的电压状态转换数目的第二运行计数。
12.如权利要求11所述的电弧故障检测设备，其中所述处理器进一步可操作地在所述第一运行计数超过第一预定值时生成用于中断到负载的功率输出的处理器输出。
13.如权利要求11所述的电弧故障检测设备，其中所述处理器进一步可操作地在所述第二运行计数超过第二预定值时将指定量添加到所述第一运行计数。
14.如权利要求13所述的电弧故障检测设备，其中所述处理器进一步可操作地在所述第一运行计数超过第一预定值时生成用于中断到负载的功率输出的处理器输出。
15.一种检测电弧故障的方法，包括以下步骤执行功率输入的AC电流成分的整流，以生成至少一个与所述功率输入相关的微分电流(di/dt)信号；和由处理器基于所述di/dt信号的至少一个特征分析所述di/dt信号，以便确定所述di/dt信号特征是否指示电弧故障。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤感测至少一个与所述功率输入相关的微分电压(dv/dt)信号，和由所述处理器分别基于所述di/dt和dv/dt信号的至少一个特征分析所述di/dt和dv/dt信号，以便确定所述di/dt和dv/dt信号特征是否指示电弧故障。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括感测由所述功率输入的AC电压成分所引起的充电电容器两端电压变化的步骤，其中所述dv/dt信号对应于所述充电电容器两端改变的电压。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述分析步骤包括分析至少一个指定测量周期期间的di/dt和dv/dt信号。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述分析步骤包括分析至少一个指定测量周期期间的di/dt和dv/dt信号，且其中dv/dt信号的第一特征对应于在所述指定测量周期期间发生的dv/dt信号的电压状态转换的数目。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述分析步骤包括分析所述至少一个指定测量周期期间的di/dt和dv/dt信号，且其中所述di/dt信号的第一特征对应于在所述指定测量周期期间发生的di/dt信号的电压状态转换的数目。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述分析步骤包括分析所述至少一个指定测量周期期间的di/dt和dv/dt信号，且其中所述di/dt信号的第二特征对应于所述di/dt信号保持在特定电压状态的时间长度。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述分析步骤包括相对于在指定测量周期期间发生的di/dt信号的电压状态转换数目估计所述di/dt信号保持在特定电压状态的时间长度，以便确定所述di/dt信号的第一和第二特征是否指示电弧故障。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述分析步骤包括分析在所述至少一个指定测量周期期间的di/dt和dv/dt信号，其中所述dv/dt信号的第二特征对应于在所述指定测量周期期间发生的dv/dt信号的电压状态转换的次数，且其中所述分析步骤进一步包括保持在所述指定测量周期期间发生的di/dt信号的电压状态转换次数的第一运行计数，并保持在所述指定测量周期期间发生的dv/dt信号的电压状态转换次数的第二运行计数。
24.如权利要求23所述的方法，进一步包括以下步骤如果所述第一运行计数超过第一预定值，则所述处理器生成处理器输出，用于中断到负载的功率输出。
25.如权利要求23所述的方法，进一步包括以下步骤如果所述第二运行计数超过第二预定值，则所述处理器将指定量添加至所述第一运行计数。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括以下步骤如果所述第一运行计数超过第一预定值，则所述处理器生成处理器输出，用于中断到负载的功率输出。
全文摘要
一种检测电弧故障以更好地区分电气事件的低成本设备和方法。电弧故障检测设备包括电流传感器、di/dt输入感测电路、dv/dt输入感测电路、和处理单元。电流传感器监视功率线电流，并提供功率线电流的高频成分给di/dt输入感测电路。dv/dt输入感测电路监视功率线电压。di/dt和dv/dt输入感测电路分别生成携带关于功率线电流和功率线电压变化的信息的信号。处理单元分析这些功率线电流和功率线电压变化，从而以更高的精度将检测到的电气起弧事件与滋扰负载相区分。
文档编号G01R19/12GK101039025SQ20061017129
公开日2007年9月19日 申请日期2006年12月28日 优先权日2005年12月29日
发明者克里斯蒂安·V·佩龙, 克里斯托夫·A·尼克尔斯, 麦克尔·T·帕克 申请人:森萨塔科技公司