专利名称：包括延迟的电弧故障电路检测方法、系统以及装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电路中的电弧故障检测，并且更具体地涉及用于检测并减轻电气系统中电弧故障的方法、系统以及装置。
背景技术：
因为许多周知的原因，电气系统会经历不必要的电弧故障。组合电弧故障断路器(Arc Fault Circuit Interrupters,缩写为AFCIs)适用于检测低电流电弧故障。然而,这种组合AFCIs可以监测其中会有相当量RF(Radio Frequency,射频)噪声存在的电流波形。RF噪声可以是由于短历时飞弧(arcing)所引起的，诸如接通以及断开家用开关时。此RF噪声在某些情况下可以与电弧故障极为类似，并且导致组合AFCI的不必要的跳闸。所以，对于AFCI以及检测方法存在这样的需求，可以在实际电弧故障与类似电弧故障的情况(诸如被监控电流波形中存在RF噪声)之间加以区分。
发明内容
根据第一方面，提供了一种电弧故障检测方法。本方法包括判定是否满足第一飞弧判据，如果满足第一飞弧判据则开始延迟期，在此延迟期期间判定是否满足延迟判据，以及如果满足延迟判据则判定是否满足第二飞弧判据。根据另一方面，提供了一种电弧故障检测方法。本方法包括判定是否满足第一飞弧判据，判定是否满足延迟判据，如果满足该延迟判据则在延迟期内实现延迟，以及判定是否满足第二飞弧判据。根据本发明的又一方面，提供了一种电气故障检测装置。本电气故障检测装置包括适合于监测电流波形和高频噪声的电路、以及与电路耦合的微处理器，该微处理器适合于判定是否满足第一飞弧判据，并且基于是否满足延迟判据开始延迟，以及，如果满足第二飞弧判据则发送跳闸信号。根据本发明的又一方面，提供了一种电气保护系统。本电气保护系统中包括电力负载以及电气故障中断装置，该电气故障中断装置与电力负载耦合并且具有适合于监测电流波形和高频噪声的电路、以及与电路耦合的微处理器，该微处理器适合于判定是否满足第一飞弧判据，并且基于是否满足延迟判据开始延迟，以及，在延迟之后，如果满足第二飞弧判据则发送跳闸信号以中断至负载的电流。通过举例说明一些示范实施例以及实现，包括用于实现本发明所设想的最佳模式，根据下面的详细描述，容易理解本发明的其它方面、特征以及优点。本发明也能是其他的以及不同的实施方式，并且在各个方面可以修改其若干细节，所有这些都不会脱离本发明的本质及范围。据此，附图以及描述自然应当视为说明性的而非限制性的。这些附图不一定按比例绘制。本发明覆盖落入本发明本质及范围内的所有修改、等效置换以及替换。
图I图示根据本发明第一方面的方法的实施例的流程图；图2图示根据本发明另一方面的方法的示范可选实施例的流程图；图3图示根据本发明又一方面的方法的另一示范可选实施例的流程图；图4图示电流波形迹线以及高频(例如，射频噪声)的接收信号强度指示(RSSI)的迹线指示；图5图示整流电流波形(AFout)以及输出波形总和的各种曲线； 图6A图示延迟计数定时器、整流负载电流波形(AFout)的总和、以及差信号的各种曲线；图6B图示的整流电流波形(AFout)；图6C图示基于相对高幅值整流电流波形(AFout)的脉冲宽度调制(PWM)信号的曲线图；图6D图示基于相对低幅值整流电流波形(AFout)的信号的曲线；图7图示根据本发明方面的示范电弧故障中断系统和装置的实施例；以及图8图示根据本发明方面的示范比较器电路的实施例。
具体实施例方式现在，具体参照说明本发明各方面的示范实施例，其示例示于附图中。只要可能，全部附图中使用相同的附图标记指代相同或相似的部分。本发明克服了与现有技术的电弧故障检测方法及装置有关的上述滋扰跳闸问题。在普通家庭中，使用常规的弹簧开关(典型用于照明)时，在正常操作情况下会产生大量高频噪声(例如，RF噪声)。由于打开或关闭开关时所出现的飞弧，会产生这种高频噪声。结果,如图4所示,这种高频噪声(例如,RF噪声)可以由接收信号强度指示(Received SignalStrength Indicator，RSSI)信号表征，其可以具有大幅动态幅值范围并且可以存在差不多80毫秒。这样的信号，因为它们与飞弧事件极为相似，将导致微处理器产生跳闸信号。如果高频噪声具有足够幅值并且其在足够长的一段时间内存在从而导致递增后的故障计数值超过电弧故障门限值，将发送跳闸信号并且触发跳闸机构。据此，现有技术的组合AFCIs将检测此类似电弧高频噪声(例如，射频噪声)的存在并且触发跳闸机构，从而导致不必要的跳闸。所以，现有技术方法在基于高频噪声(例如，射频噪声)的组合AFCI中检测类似电弧故障的存在，而不注意负载电流存在的强度。本发明避免对这种类似电弧的高频噪声(例如，射频噪声)跳闸。本发明通过实现时间延迟来避免滋扰跳闸。一方面，基于满足一定延迟判据判定时间延迟。这里使用术语“判据”可能指单一条件或一组条件。例如，延迟判据可以与电流波形(例如，负载电流波形)的相对强度有关。特别地，在第一方面中，提供了一种检测电弧故障方法，其中，(例如，通过监测RSSI信号)检测高频噪声(例如，射频噪声)的存在。通过监测RSSI信号的幅值特征以及电流波形的幅值，本发明检测高频噪声(例如，RF噪声)的存在，然后，在跳闸计算中可以实现时间延迟并且在一定时期后，诸如在一些时间或一些半周期后，或者直至满足一定条件或判据，再触发跳闸电路。所以，加入本发明的组合AFCI，能容许在家用开关的开关操作期间由飞弧所导致的高频率噪声(例如，RF噪声)。在一些实施例中，如果不满足延迟判据，那么，例程简单地继续监测以判定是否满足第一飞弧判据。例如，如果负载电流的幅值特性在一定的有限时段内低于一定门限值，或者，如果高频噪声(例如，RF噪声)的存在没有持续超过一定时段使得没有满足延迟判据，那么，不会触发跳闸。然而，如果由电气布线中实际电弧故障所导致的RF噪声持续超过一定时段使得满足延迟判据，并仍然满足第一飞弧判据，本发明将判定是否满足第二飞弧判据，以及，如果满足，则触发跳闸机构以分离电源与负载。显而易见，在一些实施例中，时间延迟可以与电流波形(例如，负载电流波形)的幅值强度成比例。因此，这种延迟的引入导致基于电流幅值的动态可变跳闸时间。本文还公开了检测电流波形强度的几种不同方法。然而，应当理解，根据任何合适的方法，基于电流 波形幅值都可以动态地设置此延迟。因此，本发明可以引入与电流幅值(例如，负载电流幅值)成比例的延迟，以保证跳闸机构(例如，致动器)的触发只有在类似电弧的高频噪声(例如，射频噪声)存在相对较长一段时间才会发生。在另一方法方面，首先判定是否满足第一飞弧判据，如果满足，则判定是否满足延迟判据。如果没有满足延迟准侧，则不会实现任何延迟。如果满足延迟判据，则可以实现延迟。无论是否实现延迟，本方法判定是否满足第二飞弧判据，然后，如果满足第二飞弧判据，则发送跳闸信号以使断路器跳闸。在另一方面，为了避免对类似电弧故障事件(例如，由于RF噪声所致)的电流波形不必要的断路器跳闸，提供了一种改进的电气故障中断装置。本电气故障中断装置在电保护系统中使用，并且适于实现上述方法方面，而且在下文中具体进行描述。下面，参照图I至图8，说明本发明的方法、系统、以及装置的这些和其他的实施方式。2007年10月30日提交的、美国专利申请序列号为11/978，969、名称为“Systems AndMethods For Arc Fault Detection”的专利申请描述了低电流电弧故障检测方法,其公开的全部内容在此以引用方式并入本文。现在，参照图I和图4描述本发明方法的第一示范实施例。方法100包括在块102中确定波形特征。确定波形特征可以包括测量电流波形的幅值。例如，确定波形特征可以包括确定通过零线709 (图7)的电流幅值。可选地，可以使用火线(hot line)715中的电流幅值。在一些实施例中，确定波形特征可以包括确定所叠加高频(例如，射频噪声)分量的特征。可以对来自电流传感器711和变换器712 (图7)的输入进行处理，并且可以从中提取高频(例如，RF噪声)噪声幅值的信号波形指示。例如，所提取信号可以是如图4中所示的RSSI信号404。诸如图7中所示，RSSI信号可以由任何合适的电路得到。例如，RSSI信号可以从专用集成电路(application-specific integrated circuit, ASIC) 710 提供。ASIC 710接收来自电流传感器711的第一电流波形、以及来自RF变换器712的第二波形(电流或电压)。ASIC 710处理波形以产生AFout信号(其可以是经整流以及调节的波形)以及RSSI信号、还有过零信号。然后，本方法可以使用这些信号，以确定是否发送跳闸信号、或者实现根据本发明的延迟。然而，应当理解，本发明并不局限于处理由监测高频噪声(例如，RF噪声)的电路所产生的RSSI信号。可以使用判定是否使断路器跳闸的其它常规方法，诸如检查电流波形的斜率和/或幅值。然而，在所描绘的实施例中，将高频噪声信号定义为包括I兆赫以上、甚至在一些实施例中10兆赫以上的频率。在一些实施例中，将RSSI信号调节至包括18兆赫-25兆赫之间的频率。使用合适的变换器或其他可能的电耦合部件，从零线709、火线715或二者可以提取高频分量。同样，可以从电流传感器711、诸如零线709或负载线(load line)715中的分接头(tap)中提取电流波形。然而，图7中描绘了零线中的电流传感器711。再次参照图1，在判断块104中，如果满足第一飞弧判据，那么，不是如现有技术中那样立即跳闸，而是在块106中实现时间延迟。块104中的第一飞弧判据可以是常规断路器系统中所使用的任何合适的电飞弧判据。在一些实施例中，通过检查高频噪声分量的幅值，诸如由ASIC 710提取并提供至微处理器720 (图7)的RSSI信号404的幅值，可以判定是否满足第一飞弧判据。例如，第一飞弧判据可以对第一预定数量的样本来检查RSSI信号404。对于其中满足特定飞弧判据的每个样本，可以使电弧计数递增。例如，如果关于该样 本的RSSI信号幅值高于预置RSSI门限，则可以判定对于该样本飞弧判据得到满足。在一种实现中，例如，对于第一预定数量的半周期诸如4-5个周期的负载电流如果满足特定判据，则满足第一飞弧判据。可以使用其它数量的周期。也可以使用其它第一飞弧判据。例如，如果半周期过零点处电流波形的斜率以及关于该半周期的电流波形幅值二者都高于预置门限值，则可以确定第一飞弧判据。如果不满足第一电弧(否)，那么，电弧故障检测方法100可以继续监测波形特征。取决于预定时间长度内是否满足特定飞弧判据(例如，RSSI高于门限)，可以使电弧故障计数器递减或可以将其复位为零。例如，如果在预定时间长度内(例如，约100毫秒)由过零信号没有感知到电流波形402中的任何负载电流，则可以复位或者递减电弧计数器。然而，如果在104中满足第一飞弧判据(是)，例如，如由电弧故障计数器的电弧故障计数确定一旦第一次超过预置电弧计数值，那么在块106开始延迟期。在块106的延迟期期间，电弧故障检测方法测试电流波形的特征，以在块108中判定是否满足延迟判据。延迟判据可以是任何合适的延迟判据，其与例如电流波形402中的电流强度或幅值有关。延迟期可以是任何大于零秒的预定时间长度。例如，延迟期可以是大于O的固定时间至约I. O秒，或甚至在O. 5秒与约I. O秒之间，或者在有些实施例中甚至约I. O秒。可选地，延迟可以是预定数量的半周期。可以使用其它延迟期。如以上所讨论的，延迟判据可以是任何延迟判据，其检查电流波形诸如预定数量半周期的负载电流的幅值。例如，在一种实施例中，如图5中清楚示出，可以将整流并调节后的负载电流信号(AFout)从ASIC 710提供至微处理器720。信号AFout可以是代表零线709中交流电流的整流了的半波信号，并且可以从ASIC 710提供至微处理器720的模拟-数字转换器(Anolog to Digital converter, ADC)块。ADC块可以得到例如10比特的结果。然后，微处理器720可以用任何合适的方法计算出提供至ADC块的信号AFout的最大幅值。例如，可以使用平均方法、或采样保持以及比较方法。也可以使用其它峰幅值检测方法。可以以任何合适的采样率对AFout信号的样本进行采样，诸如每160微秒一次采样。可以使用其它合适的采样率。所采样的最大幅值可以存储在存储器中。存储器可以包括缓冲区，其可以分类为容纳预定数量样本的先进先出(First In First Out，FIFO)缓冲区。例如，取决于所选择的采样率，缓冲区中预定数量的样本可以在约50个样本与约200个样本之间。在一些实施例中，缓冲区中的样本数量可以是约100个样本。缓冲区中可以使用其它数量的样本。可以计算缓冲区中的样本总和，以提供遍及缓冲区总采样周期的AFout幅值信号的总和。例如，缓冲区可以对预定数量的AFout样本进行求和。在其它实施例中，缓冲区可以是预定数量AFout样本的平方和。可以采用AFout信号的一些方面的其它总和。在本发明的这种实施例中，根据FIFO方法，将新样本存储在缓冲区的前面，并且从缓冲区中删除最早的样本。因此，这些所存储样本(例如，100个缓冲区单元)的总和在每个采样周期(例如，约每160微秒)中进行更新。所以，所有被存储样本的总和(例如，100个所存储样本的总和)提供了一种方法，以对信号进行平均并且跟踪AFout信号峰值的趋势。图5图示了 AFout信号502的迹线的示例以及描述采样时间周期内100个AFout样本504总和的对应迹线。如图所示，AFout样本的总和捕获并跟踪AFout信号的峰值。许多家庭开关的典型负载电流额定值是约15安培峰值。额定电流的90%是约13. 5安培。由 ASIC处理的13. 5安培典型负载电流的分析、以及由微处理器720采样得到的全波整流信号得到AFout样本的总和。对于100个样本的这种总和均值发现接近于约2375的常数。据此，挑选此数字作为负载电流延迟门限常数的代表。然而，对于负载电流延迟门限常数，也可以选择并使用其他值。再次参见图1，一旦电弧故障计数值达到故障计数门限一次(即在104中满足第一飞弧判据)，即可将内部跳闸计数器置I (延迟模式)，并且，在块106中可以触发微处理器720中的内部延迟计数定时器。每一采样周期，延迟计数定时器可以按预定量递增。例如，每一采样周期(例如，每160微秒)，可以使延迟计数定时器按整数I递增。可以使用其它整数增量，诸如2、3、4等。如果通过例如检查预定时间(例如，约104毫秒)以上的过零遮蔽信号(zero crossing mask signal)证明没有任何负载电流活动,可以复位或清零延迟计数定时器。如果对于预定数量的样本从ASIC 710中没有检测到任何飞弧活动(例如，没有或较低的RSSI信号活动(低于门限))，从而表示没有飞弧，那么也可以复位或者清零延迟计数定时器。一旦经过了预定的固定延迟时间(例如，经过I秒的延迟时间)，也可以复位或者清零延迟计数定时器。这些各自是在块108中不满足延迟判据(否)的示例，并且，其中，本方法简单地继续在块104中监测关于第一飞弧判据活动的波形。图6中示出满足延迟判据(是)时的示例。在延迟期间，基于来自ASIC710的RSSI信号强度，电弧故障计数值继续递增或递减。块106中在延迟周期期间(在延迟模式期间)一旦触发延迟计数定时器，电弧故障计数值可能多次达到跳闸门限值。然而，跳闸计数器继续置I (延迟模式)，而警报状态不发生任何变化，直至在块108中满足延迟判据(是)。如图6所示，延时计数器示为按迹线602递增。对于发生的每次连续采样，延迟计数定时器示为按固定数值单位递增。还可以提供差信号604。差信号604可以是预定常数减去与来自ASIC 710的AFout信号有关的任意参数的总和。在一些实施例中，与AFout信号有关的参数是预定时间的或预定采样数的AFout样本的总和。例如，用迹线504表示对100个样本缓冲区的AFout信号总和。如图6中所示，由于从ASIC 710检测到增大的AFout幅值，缓冲区中的AFout总和的值随时间增加。实际上，发生这种情况是因为基于先进先出规则删除了相对低的值并且将相对较高的值添加至缓冲区。
在此示例中，差信号604由常数(例如，2375)减去在容纳多样本的缓冲区中的AFout样本的总和构成。一旦在块106中开始延迟期，则对每一采样周期使延时计数定时器递增，因而也使差信号递增。对于每次递增，将延迟计数值与差信号(例如，2375减去AFout样本的总和)进行比较。当延迟定时器计数大于或等于差信号(例如，2375减去AFout样本的总和)时，触发跳闸动作模式(例如，警报模式2)。跳闸动作模式是在块108中满足延迟判据(是)时实现的警报模式。一旦触发跳闸动作模式，本方法继续监视电流波形402。如果在块110中诸如对于第二预定个数的样本或半周期个数满足第二飞弧判据(是)，那么，通过在块111中从微处理器720向跳闸电路705发送跳闸信号，使电弧故障检测装置(例如，断路器)700跳闸。跳闸信号触发跳闸致动器709，以打开开关716，从而 从负载706 (参见图7)中除去电源。因此，根据本发明的第一方面，在达到电弧计数门限值之后实现延迟。取代发送跳闸信号，微处理器720继续处理波形信号并且递增/递减电弧故障计数值。例如，监测可以基于与ASIC710的通信。在所描述的实施例中，在延迟定时器因达到固定延迟时间完全超时之前，如果满足延迟判据(是)，只是触发跳闸动作模式。在延迟定时器达到其预定极限之前如果满足延迟判据(是)，那么，本发明有效操作以实现与电流波形402的负载电流幅值特性成比例的延迟。在块108中满足延迟判据(是)之后，本方法继续监测关于第二飞弧判据的波形特征。第二飞弧判据可以与第一飞弧判据相同。例如，针对RSSI门限值，可以检测并且测量来自ASIC 710的RSSI信号404。对于预定的时间、采样、或半周期数，如果在块110中满足第二飞弧判据(是)，那么，在块111中发送跳闸信号。例如，第二飞弧判据可以是对于一定数量的样本满足RSSI门限值。也可以使用其它合适的第二飞弧判据。因此，现在应该显而易见的是，在块108中满足延迟判据(是)之后，如果在一定附加时期(例如，时间段、采样、或半周期数)之后类似电弧的噪声没有消退，则电弧故障检测装置700将除去负载706的供电。如图7所示，模拟ASIC 710可以包括交流电流调节系统，其调节由电流传感器711检测出的电流波形。交流电流调节逻辑单元可以产生一种信号，其代表流过由组合AFCI所监测支路的负载电流。交流电流调节系统还可以提供全波整流，其处理交流信号用于半波信号分析以便诸如确定半周期幅值以及过零。来自ASIC 710的调节输出信号在这里称为“AFout”信号，并且是简单的整流及滤波后的正弦曲线，如图6B所示。根据一种可选实施例，也可以考虑AFout样本总和的变化，因而，如果负载电流半周期的幅值迅速增加，可以相应更改延迟定时器或差信号。例如，对于每预定数量的样本(例如，每100次循环)，可以捕获AFout样本的总和并且作为变量(NewSum)存储在存储器中。可以将此总和(NewSum)与自先前预定数量样本(例如，先前100个样本)计算出的先前值(PrevSum)进行比较。如果在这种情况下计算出的AFout样本总和(NewSum)大于先前总和(PrevSum),那么，可以使用差之比(NewSum/PrevSum)来动态修改延迟定时器的增量。例如，如果该时间通常按每个采样周期以整数I递增，NewSum是1000,而PrevSum是500,那么，可以按1000/500=2即整数2的倍数使延迟定时器递增。在这种方式中，可以加快延时定时器，使得延迟缩短，并且相对较快达到跳闸动作模式。任选地，可以将该倍数应用于差信号，具有相对较快达到跳闸动作模式的相同结果。可以使用基于负载电流变化率提供增量的可选方法。因此，有效的是，如果检测到电流波形幅值减小，使延迟周期增大，以及，如果检测到电流波形幅值增大，则使延迟周期减小。图2示出电弧故障检测方法200的另一实施例。在本实施例中，与先前实施例中一样，在块202中确定并测量波形特征。可以调节电流波形以如前所述提供高频噪声信号(例如，RSSI信号404)。与先前实施例中一样，首先在块204中确定是否满足第一飞弧判据。例如，如果在第一预定时间段(时间段、采样、半周期或电流波形个数)超过RSSI门限值，则满足第一飞弧判据。接着，在块208中确定是否满足延迟判据。延迟判据可以是半周期的电流幅值是否满足(例如，来自ASIC 710的)AFout信号的电流幅值门限。用于判定是否超过幅值门限的任何合适方法都可以使用。判定是否超过电流门限值的一种方法可以利用图8所示的比较器电路800实现。此比较器电路800可以置于图7中的ASIC 710和微处理器720之间。图8图示在分接头805处将ASIC 710的AFout信号连接至比较器电路800，并且将比较器电路800的输出分接头810 (显示为ZCtest)馈送至微处理器720的输入端。比较的相对电平可以更改至任意门限值。出于说明的目的，比较电平的门限值可以设定为10安培。对于幅值大于10安
培的负载电流，在分接头810处比较器电路800的输出是脉冲宽度调制(PWM)信号，如图6C所示。将此脉冲宽度调制(PWM)信号馈送至操作以监测PWM的微处理器720。如果在比较器电路800的输出中存在以及检测到低的、非脉冲宽度调制的信号(如图6D中所示)，那么AFout解释为低于10安培。可选择地，将幅值以60赫兹变化(例如，检测到方波)的PWM(反复(toggling)信号，如图6C所示)解释为大于10安培。换句话说，如果AFout信号高于幅值门限，则提供反复信号(如图6C中)，而如果低于幅值门限，则不从比较器电路800提供任何信号(在图6D所示)。再次参见图2，如果PWM信号存在，则在块208中不满足延迟判据(否)，即检测到AFout中高于门限的相对高电流，并且，在块210中不提供任何延迟。然而，如果在分接头810处检测到低，也就是，没有检测到PWM信号，如图6D所示，则在块208中满足延迟判据(是)，并且，在块212中实现延迟。块212中延迟的延迟期可以是固定的时间长度或半周期数。例如，延迟时间可以是约大于零且小于约I. O秒。可以使用其他的延迟时间。一旦在块214中满足延迟期(是)，电弧故障检测方法200在块216中判定是否满足第二飞弧判据。在块216中如果满足第二飞弧判据(是)，那么，在块211中发送跳闸信号给跳闸电路，以及，在块218中使电弧故障检测装置700 (例如，断路器)跳闸。一旦跳闸，电弧故障检测方法200可以停止，直至使电弧故障检测装置700复位，此时，可以再次开始电弧故障检测方法200。如果在块216中不满足第二飞弧判据(否)，电弧故障检测方法200继续监测关于电弧判据的波形特征，并且可以复位所有计数器。如果在块214中不满足延迟期(否)，则如果在块220中仍满足电弧判据，电弧故障检测方法200可以继续测试是否满足延时判据。电弧判据可以是RSSI信号的幅值仍然高于门限幅值。可以使用其他的电弧判据。如果在块220中仍满足电弧判据(是)，并且在块208中仍满足延迟判据(是)，那么，电弧故障检测方法200继续循环，直到满足延迟期。在循环期间的任何时间如果在块208中不满足延迟判据(否)，诸如在AFout信号中检测到高电流，则不再实现进一步延迟，以及，如果在块216中满足第二飞弧判据(是)，则在块218中使电弧故障检测装置700跳闸。图3图示可以实现多延迟的电弧故障检测方法300的另一可选实现。如前所述，可以检测从比较器电路800的分接头810输出的PWM输出的存在。本实施例实现两级延迟。在块302中测量并确定波形特征，并且在块304中判定满足第一飞弧判据(是)。如果PWM是反复的，也就是，因为AFout信号相对较大在块308中不满足第一延迟判据，则在块314中实现较短延迟。例如，当电弧故障计数值达到电弧计数门限以指示跳闸2次时，微处理器720可以发送触发电路断路器的跳闸信号。如果PWM不反复，也就是，在块308中满足第一延迟判据(是)，当故障计数值达到用于跳闸的电弧故障门限4次时微处理器可以发送跳闸信号，在块322中触发电弧故障检测装置700。在可选方案中，如果需要，可以动态改变用于“较慢”跳闸的跳闸计数。换而言之，如果AFout信号的幅值相对较大，则可以应用倍数，因此，允许相对较快跳闸。与前述实施例中一样，一旦在块320中满足第二飞弧判据，则跳闸信号的发送可以是任选地视条件而定的(contingent)。可以使用任何合适的第二飞弧判据，诸如对于一段时间、采样数或者例如电流波形的半周期数，超过RSSI门限幅值。也可以使用其他第二飞弧判据。按照与本文所描述的类似方式，可以实现两级以上延迟(诸如3、4、5级等)，其中延迟的等级(长度)与AFout信号的幅值成比例或与之相关。
如图7所示，电气故障检测装置700可以包括容纳故障检测电路的壳体701以及跳闸电路705，跳闸电路705适合于接收线721中来自微处理器720的跳闸信号并且在线722中发送致动信号至跳闸致动器709，以使电气故障检测装置700的开关716开路。跳闸致动器709与开关716之间所连接的虚线718表示一种机械联动或组件，一旦致动跳闸致动器709，这种机械联动或组件将导致开关716的机械开路，从而中断给负载706供电。可以设置电源电路704，并且使其适合于给各种系统组件(例如，微处理器720、跳闸电路705、跳闸致动器709、传感器等)供电。电气故障中断装置700还可以包括测试电路(未示出)，其包括按钮或开关，用于手动方式启动自检过程，并且可以包括可听或可视指示器，诸如显示器(未不出)，用于输出状态、健康、和/或与电气故障检测装置700相关的故障信息。可以设想，电气故障检测装置700可以包括附加的、不同的和/或比以上所列更少的组成部分。如图7所示，电气故障检测装置700可以在其端子处电连接至配电盘零线和火线，并且电连接至包括一个或多个电气负载706的一个或多个电气负载电路。本发明的电气故障检测装置700构造成并且适合于监测与一个或多个电气负载电路相关的电信号。特别地，在所描述的实施例中监测可以由零线709中的至少一个电流传感器711实现。电流传感器711可以提取零线709中电流幅值及频率的信号指示。另外，可以设置变换器712以监测火线715、零线709或这火线715与零线709 二者中的高频噪声(例如，RF噪声)。变换器712可以是美国伊利诺伊州Cary的C0ILCRAFT公司可供应的Part#WBC16_lTLB、或美国马萨诸塞州Lowell的M-A/C0M公司技术解决方案可供应的Part#ETC16_lTR_2TR。可以使用其他的变换器。同样，电流传感器可以在火线715上实现。ASIC 710可以设置成对来自电流传感器711和变换器712的信号进行处理。ASIC 710可以起到给微处理器720提供AFout信号、过零信号、以及高频信号(例如，RSSI信号)的作用。在电弧故障检测系统700中，来自电流传感器711的电流波形信号的交流电流的调节、放大、滤波、以及全波整流都可以由ASIC 710提供。可以将来自ASIC 710的AFout信号提供至微处理器720，以由微处理器720进行分析。通过混合、滤波、以及放大从变换器712耦合过来的高频噪声(例如，RF噪声)，ASIC710也可以产生RSSI信号。使用ASIC 710中的比较器，由AFout信号可以产生过零信号。这些信号如以上所讨论的那样进行处理，以确定是否应当在线路721中发送跳闸信号至跳闸电路705。电气故障中断装置700可任选地包括与差动传感器708电耦合的差动电路707。差动传感器708可以是差动变换器。这种差动变换器是周知的，本文不再进一步说明。在所描绘的实施例中，零线709和火线715 二者都可以穿过差动传感器708。将来自差动传感器708的信号提供至差动电路707。差动电路707的功能是给微处理器720提供两个PWM信号。两个PWM信号与输入信号对应，其大于分别为例如50毫安和250毫安电流确定的固定门限。可以使用其他门限值。一旦PWM信号由微处理器720接收，则计算并存储该信号的脉冲宽度。例如，如果PWM信号的脉冲宽度是在用于50mA比较器的限制之间(例如，大于3毫秒且小于9毫秒)，可以使差动故障计数器递增。如果差动故障计数器大于预先确定的门限，微处理器720发送跳闸信号至跳闸电路705。具有一个或多个放大器的差动电路707可以电连接至差动传感器708 (例如，变换器)。差动电路707中可以包括附加的模拟或数字滤波和/或调节组件。放大器在至微处理器720的输出节点处可以产生输出数字信号。 输出节点处的输出表示两个不同差动故障电流，并且被用来确定分别对应于例如50毫安和250毫安的差动故障电流电平。电弧故障检测装置700可以包括与微处理器720电耦合的一个或多个电气元件或者模拟或数字电路。微处理器720可以是例如ATMEL可供应的ATtiny461处理器。微处理器720可包括一个或多个存储装置，用于存储与电弧故障检测装置700相关的信息。存储装置可以包括任何类型的存储器件，其适合于存储与电弧故障检测装置700操作相关的数据。可以使用其他类型的微处理器720。能处理输入电流波形和高频率(例如，RF噪声)信号、处理它们并给予跳闸信号至跳闸电路705的任何合适的处理器都可以使用。可以设想，可以使另外的、更少的、和/或不同的组件与电弧故障检测装置700相关联。应当理解，在可选实施例中，放大并调节的信号可以从传感器711和变换器712提供至微处理器720，以及，所有整流和计算都可以由微处理器720完成，而不是在ASIC 710中完成。当处于跳闸动作模式时，根据本文所描述的本发明方面的内部计算和比较可以递增电弧计数器。当超过电弧计数门限时，在电路721中发送跳闸信号至跳闸电路705。在其它实施例中，通过对含有电容器的模拟电路提供合适的充电，可以实现电弧故障计数器。一旦达到预定充电幅值(类同于计数器门限)时，可以提供跳闸信号至跳闸致动器709以断开开关716。随着跳闸信号的发送，可以使所有电弧故障计数器和延迟计数器清零。本领域技术人员应当容易理解本发明易于有广泛的实用及应用。除了本文所描述的之外，根据本发明及其以上描述，本发明的许多实施方式和演变、以及许多变化、变更、以及等效布置都是显而易见的或者可以合理地提出，而不脱离本发明的实质或范围。据此，虽然就具体实施方式
在此描述了本发明，但应当理解，本公开仅是本发明的说明和示例，并且只是为了提供本发明的完整和授予专利的披露。本公开并不打算将本发明限制于所披露的特定装置或方法，而是与之相反，意图是覆盖落入本发明的本质和范围内的所有修改、等效置换及替换。
权利要求
1.一种电弧故障检测方法，包括 判定是否满足第一飞弧判据； 如果满足第一飞弧判据，则开始延迟期； 在所述延迟期期间，判定是否满足延迟判据；以及 如果满足所述延迟判据，则判定是否满足第二飞弧判据。
2.根据权利要求I所述的方法，进一步包括 如果满足第二飞弧判据，则发送跳闸信号。
3.根据权利要求I所述的方法，进一步包括 如果不满足所述延迟判据，则在固定量的延迟时间之后，将延迟计数器置零；以及 继续判定是否满足第一飞弧判据。
4.根据权利要求I所述的方法，进一步包括在满足所述第二飞弧判据之后，发送跳闸信号并使断路器跳闸。
5.根据权利要求I所述的方法，其中，判定所述第一飞弧判据包括当满足特定电弧判据时使电弧计数器递增，以及将所述电弧计数器的电弧计数与电弧计数门限进行比较。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，判定所述第一飞弧判据包括判定接收到的信号强度指示信号的幅值是否在第一预定时段内高于门限。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，判定是否满足第二飞弧判据包括使电弧计数器递增，以及将所述电弧计数器的电弧计数与电弧计数门限进行比较。
8.根据权利要求I所述的方法，其中，所述延迟判据包括在预定时间段内延迟计数器大于差信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，每一采样周期使所述延迟计数器递增至少一个整数。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述差信号包括一个常数减去Afout信号数量总和，其中，所述Afout信号是调节后的电流波形数据样本。
11.一种电弧故障检测方法，包括 判定是否满足第一飞弧判据； 判定是否满足延迟判据； 如果满足所述延迟判据，则在延迟期内实现延迟；以及 判定是否满足第二飞弧判据。
12.根据权利要求11所述的方法，包括假定满足所述第二飞弧判据，在所述延迟期之后，发送跳闸信号以使电弧故障检测装置的开关跳闸。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，判定是否满足所述第一飞弧判据包括使电弧故障计数器递增，以及将所述电弧故障计数器的电弧故障计数与电弧故障计数门限进行比较。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，判定是否满足延迟判据包括在预定个数的半周期内电流波形的幅值是否低于电流幅值门限。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，如果在所述预定个数的半周期内所述电流波形的幅值低于所述幅值门限，则进一步包括 延迟固定量时间，或者延迟固定个数半周期。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，如果检测到电流波形幅值的增大则增大所述延迟期，以及，如果检测到电流波形幅值减小则减小所述延迟期。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，如果不满足所述延迟判据，则不实现任何延迟，以及，在满足第二飞弧判据之后，发送跳闸信号至电弧故障检测装置的开关。
18.根据权利要求11所述的方法，其中 如果不满足所述延迟判据，则实现较短延迟，以及， 如果满足所述延迟判据，则实现较长延迟。
19.一种电气故障检测装置，包括 适合于监测电流波形和高频噪声的电路；以及 与所述电路耦合的微处理器，所述微处理器适合于判定是否满足第一飞弧判据，基于是否满足延迟判据开始延迟，以及，如果满足第二飞弧判据则发送跳闸信号。
20.—种电气保护系统,包括 电力负载；以及 电气故障中断装置，其与所述电力负载耦合并且具有 适合于监测电流波形和高频噪声的电路，以及 与所述电路耦合的微处理器，所述微处理器适合于判定是否满足第一飞弧判据，并且基于是否满足延迟判据开始延迟，以及，在所述延迟之后，如果满足第二飞弧判据，则发送跳闸信号以中断至所述负载的电流。
全文摘要
在一方面，本发明披露了一种在高频(例如，射频噪声)存在时的电弧故障检测方法。该方法包括判定是否满足第一飞弧判据，判定是否满足延迟判据，如果满足延迟判据则在延迟期内实现延迟，并判定是否满足第二飞弧判据。如果满足第二飞弧判据，那么，可以发送跳闸信号以使电路断路器跳闸。在另一方面，所述方法包括判定是否满足第一飞弧判据，如果满足第一飞弧判据，开始延迟期。判定是否满足延迟判据，以及，如果满足延迟判据，判定是否满足第二飞弧判据。作为其他方面，本发明披露了适合于实现本方法的电弧故障检测装置、以及包括该电弧故障检测装置的系统。
文档编号H02H1/00GK102934308SQ201180028164
公开日2013年2月13日 申请日期2011年4月7日 优先权日2010年4月8日
发明者A.纳亚克, H.T.金塞尔 申请人:西门子工业公司