用于电弧故障检测和中断的系统和结合方法

用于电弧故障检测和中断的系统和结合方法
【专利摘要】为防止财产着火，需要保护电路不受由线路对线路、线路对中性和线路对地的导电导致的电弧故障(被称为大电流并联电弧放电)影响，并且不受沿线路对线路、线路对负载、负载对负载、负载对中性和中性对中性导体配置发生的电弧故障(被称为小电流串联电弧放电)影响。保护电路不受这些电弧故障影响的设备被称为组合型电弧故障断路器(AFCI)。与满足用于低至5安培的串联电弧故障检测的UL1699标准要求的现有技术AFCI设计不同，本AFCI发明采用双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路、HECS测量相移修正电路和具有用来检测大电流并联电弧放电和小电流串联电弧放电的结合方法的微处理器，同时还减轻由像吊扇这样的正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断。
【专利说明】用于电弧故障检测和中断的系统和结合方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年10月14日提交的美国专利申请N0.13/274, 291的优先权。【技术领域】
[0003]本发明涉及通过检测并联和串联电弧故障，同时此外通过检测由过电流、短路、电涌和接地泄露导致的故障以及通过检测系统误引线、寿命终止以及相位损失状况，对电路进行保护。
【背景技术】
[0004]电路典型地包括将电功率供给分配成受通常所知的断路器保护的分支电路的分配面板，断路器针对过电流和短路故障使电路中断。接近易受水影响的区域的分支电路受通常已知的接地故障电路中断器保护，接地故障电路中断器测量由对地面的电流泄露导致的线导体和中性导体之间的电流失衡。分支电路还通过通常已知的电涌保护器被保护不受电功率供给中的电涌或者雷击影响。
[0005]电路中的电弧是故障状况，其中沿导体或跨导体或向地面发生电流的间歇流动导致释放热能，该热能时间上积聚直至电弧放电燃烧导线绝缘层以及然后燃烧周围的材料以致导致电生火灾。当两个或更多个分离的导体之间的电场达到分离介质的电离电势时，发生电弧，分离介质经常是导体之间的间隙。电弧可能产生自:腐蚀的、磨损的和松散的连接，恶化的导体绝缘层，穿过导体不正确地应用的结构肘钉(staple)，不适当的柱结构交叠，通过壁中的隐藏导体非故意地驱动的钉等，以及甚至更有问题的在分配面板断路器断开以前由来自电功率供给过载损坏的导体。
[0006]根据2010年国家消防协会(NFPA)，美国消防队在2003-2007的时间长度内对每年估计平均50，900起被报告的、涉及作为对起火有贡献的因素电气故障或失效的家庭/寓所结构火灾做出响应。这些电气火灾导致每年估计平均490个居民死亡、1，440个居民手上以及13亿美元的直接财产损失。NFPA进一步报告，电路电弧放电似乎承担大多数家庭/寓所电火灾的原因。
[0007]为了防止财产着火和挽救生命，需要保护电路不受由线路对线路、线路对中性以及线路对地面的导电性导致的电弧故障(被称为大电流并联电弧放电)影响，并且保护电路不受沿线路对线路、线路对负载、负载对负载、负载对中性以及中性对中性导体配置发生的故障(被称为小电流串联电弧放电)影响。保护电路不受这些电弧故障影响的设备通常被称为组合式电弧故障断路器(AFCI)，其在检测到并联或串联电弧故障时打开电路。尽管现有技术AFCI设计使用分离的方法和技术来进行并联和串联电弧故障检测，但是本AFCI发明使用时域算法利用微处理器执行的结合方法检测并联和串联电弧故障。
[0008]本AFCI发明可以被制造为呈断路器、插座、插座插口、电线连接插头、便携式多插口板形式的外壳设备，或者可以被集成到用于单相或多相AC或DC应用的别的电气设备或系统内。作为本AFCI发明的一部分，还可以检测其它通常已知的包括过电流、短路、电涌和接地泄露在内的电路故障。
[0009]根据2008年国家电气法规(National Electric Code)，被列出的组合式AFCI需要保护120伏特的单相AC、15/20安培的家庭/寓所电路插口不发生并联和串联电弧故障。为了商业地可供销售使用，AFCI设备必须满足UL1699AFCI标准资格要求。对小电流负载水平处的串联电弧故障检测的现有技术描述局限于以5安培的UL1699AFCI标准最小要求操作。与满足用于低至5安培的串联电弧故障检测的UL1699标准要求的现有技术AFCI设计不同，本AFCI发明是采用双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路、HECS测量相移修正电路的系统，并且除其它部件以外，具有作为任何特定设计的用来检测大电流并联电弧放电和低至0.5安培或更低的小电流串联电弧放电的结合方法的微处理器可能需要使用时域算法。
[0010]在小电流负载水平下检测串联电弧故障是对现有技术AFCI设计的改进，因为家庭/寓所卧室电路可能典型地以比5安培的UL1699AFCI标准最低要求更低的安培操作，因此在小电流负载水平下的那些串联电弧故障将可能不被现有技术AFCI设计检测到，并且可能导致电气火灾。在小电流负载水平下的串联电弧故障检测的重要性对2007年颁布的“能量自主及安全法(Energy Independence and Security Act) ”更加显著，该“能量自主及安全法”逐步撤出浪费能量的白炽灯泡并且用像小型荧光等(CFL)灯泡这样的30%或更多能量节省的替代物替代他们。
[0011]UL1699AFCI标准还包括对利用屏蔽负载的电弧故障检测的资格要求，该屏蔽负载不同于电阻性负载，因为屏蔽负载模拟或短路对电弧放电电阻性负载发生的谱分量。屏蔽负载可以包括在计算机中使用的开关模式电源(switch-mode power supply)、在空调单元中使用的电容起动压缩机马达(capacitor-start compressor motor)、调光器控制的照明、荧光灯和真空清洁器。由于非电弧放电屏蔽负载谱分量可能隐藏或看上去像电弧放电电阻性负载谱分量，所以对屏蔽负载的UL1699标准要求指示使用频域分析来检测串联电弧故障的现有技术AFCI设计不可商业地供销售利用。
[0012]本AFCI发明使用具有结合方法的微处理器执行的时域算法，以检测线性负载(电阻式)和非线性负载(屏蔽)电流波形上的并联和串联电弧故障。尽管频域分析不可被用来检测具有屏蔽负载的串联电弧故障，但是本AFCI发明的确使用频域算法来减轻由正常电弧放电动机驱动的装置(像吊扇和电钻)导致的错误电弧放电电路检测和中断(讨厌的断开)。这些装置产生与其3次谐波相比明显的2次谐波谱分量，因此此频谱不与具有电阻性或屏蔽负载的电弧故障的谱分量相一致。
[0013]如由有限多个商用AFCI供应者反映的，许多现有技术AFCI设计未成功地解决电路电弧故障检测和中断中的许多现实挑战。
[0014]美国专利N0.7，864，492 (雷斯特雷波(Restr印O)等人)公开了图示，该图示示出其实施例使用用于检测并联和串联电弧故障的分离方法，并且公开了其它图示，其它图示示出其零交叉屏蔽(zero crossing mask)技术如何对线性负载(电阻性)电弧故障状况起作用。没有公开用来检测具有非线性负载(UL1699 “屏蔽负载”)的电弧放电状况的方法和技术。本AFCI发明使用微处理器执行的结合方法来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障。
[0015]美国专利N0.7，440,245(米勒等人)公开了检测电源电路中的电弧故障的方法，所述方法包括:确定在所述电源电路中流动的电流的电流脉冲的峰值振幅；确定所述电流脉冲的峰值振幅是否大于所确定的幅度；响应性地利用至少一个算法和所述峰值振幅来确定在所述电源电路中是否存在电弧故障状况。图示公开了方法对线性负载(电阻性)电弧故障状况起作用。没有公开用来检测具有非线性负载(UL1699 “屏蔽负载”)的电弧放电状况的方法和技术。本AFCI发明使用微处理器执行的结合方法来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障。
[0016]美国专利N0.7，391，218 (科洛吉(Kojori)等人)公开一种用于检测AC和DC系统中的串联和/或并联电弧故障的方法和装置，其中使用离散傅里叶变换(DFT)算法提取AC电流信号的基频分量并且监视AC电流信号的基频分量来获得振幅变化作为第一电弧检测措施以及AC电流信号中的非静态频域变化作为第二电弧故障检测措施。本AFCI发明不使用频域分析用于电弧故障检测，因为此方法不对检测具有屏蔽负载的电弧故障起作用。
[0017]美国专利N0.7，253，637 (德沃夏克(Dvorak)等人)认识到频域分析对检测具有屏蔽负载的串联电弧故障不起作用，并且公开了一种用于响应于与电路中的电流对应的输入传感器信号确定在所述电路中是否存在电弧放电的电路，该输入传感器信号实际上是“di/dt”传感器信号。本AFCI发明使用HECS集成电路，该HECS集成电路测量“i (电流)”作为输入感应信号，而非“di/dt(电流的变化除以时间的变化)”。
[0018]美国专利N0.7，062，388 (小里佛斯(Rivers)等人)公开一种用于检测电力线上的串联电弧的频率谐波识别器，其包括用于提供所感应的电流信号的谐波成分的频率分析器和用于将所测试的信号与至少一个参考信号进行比较的判决逻辑。本AFCI发明不使用频域分析用于电弧故障检测，因为此方法不对检测具有屏蔽负载的电弧故障起作用。
[0019]美国专利N0.6，876,528(麦克白(Macbeth)等人)公开了一种故障检测器传感器，其包括具有两个多匝绕组的电流转换器，每个多匝绕组围绕芯的一部分形成，一个绕组与被保护的电力线的热且中性的导线中的每个相邻。该现有技术公开了电流转换器作为电流感应部件，其还被用在用于电气故障检测的许多其它现有技术设计中。本AFCI发明使用HECS集成电路，该HECS集成电路不同于提到电流转换器作为“霍尔传感器”、“电流传感器”、“二转换器谐振电路”、“箝位电路(clamp) ”或任何其它误使用的术语的许多现有技术设计。
[0020]美国专利N0.6，751，528 (道赫蒂(Dougherty)等人)公开了一种以电子方式控制的断路器，该断路器包括:线路电流传感器，感应线路电流信号；处理器，用于确定电流信号的基频，其中该处理器处理基频的预选择的多个倍数，并且将多个倍数进行平方和相加来产生偶、奇和基础值；处理器内的用于容纳偶、奇和基础值的偶、奇和基础仓(bin)，其中该处理器处理来自仓中的偶值、奇值和基础值中的偶电弧信号和非谐波电弧信号；以及该处理器内的专家电弧算法，具有用于基于偶电弧信号和非谐波电弧信号输入计算递增值的累加器。本AFCI发明不使用频域分析用于电弧故障检测，因为此方法不对检测具有屏蔽负载的电弧故障起作用。
[0021]本AFCI发明的系统和结合方法解决现有技术中的需要，以不仅满足而且超过对检测和中断低于5安培的电流水平下在电阻性和屏蔽负载上的电路并联和串联电弧故障的UL1699AFCI标准要求，因此通过防止电火灾的主要成因来保护资产和挽救生命。
【发明内容】

[0022]与本发明的被公开实施例相一致的系统和结合方法针对一种组合型的电弧故障断路器(AFCI)，其保护电路不受并联和串联电弧故障影响，同时减轻由正常电弧放电电机驱动的装置导致的错误电弧放电电路检测和中断。本AFCI发明可以被制造为呈断路器、插座、插座插口、电线连接插头、便携式多插口板形式的外壳设备，或者可以被集成到用于单相或多相AC或DC应用的别的电气设备或系统内。作为本AFCI发明的一部分，还可以检测其它通常已知的包括过电流、短路、电涌和接地泄露在内的电路故障。
[0023]本AFCI发明的示例性实施例使用双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路、HECS测量相移修正电路、用于系统DC电源的开关模式电源(SMPS)、HECS测量抗混叠滤波器、具有集成模数转换器(ADC)的微处理器、电磁断开和复位机构、断开和复位切换电路、断开和复位感应电路、复位和测试开关以及用于电路故障和系统通电、误引线、寿命终止和相损失状况的可视和可听指示器。还可以显示像电压、电流、功率和能量这样的电路测量仪器。示例性实施例还按照任何特定设计可能要求的那样利用微处理器执行的时域算法，该时域算法使用用来检测低至0.5安培或更低的线性负载(电阻性)和非线性负载(屏蔽)电流波形上的并联和串联电弧故障的集成方法。同时还使用频域算法减轻由像吊扇和电钻这样的正常电弧放电电机驱动的装置导致的错误电弧放电电路检测和终端(讨厌的断开)。
【专利附图】

【附图说明】
[0024]图1是根据本发明的示例性实施例的具有120伏特、单相AC电弧故障断路器(AFCI)的功能系统框图。
[0025]图2是根据本发明的示例性实施例的被示出为AFCI系统的可选一部分的具有120伏特、单相AC接地故障断路器(GFCI)的功能系统框图。
[0026]图3是根据本发明的示例性实施例的具有120/240伏特、双相AC AFCI的功能系统框图。
[0027]图4是根据本发明的示例性实施例的商业地可获得的双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路的功能框图。
[0028]图5是根据本发明的示例性实施例的用于系统DC电源的开关模式电源(SMPS)的功能系统框图。
[0029]图6是根据本发明的示例性实施例的使用两个螺线管促动器的电磁断开和复位机构的图。
[0030]图7是根据本发明的示例性实施例的使用两个螺线管促动器的电磁断开和复位机构的剖面图。
[0031]图8是根据本发明的示例性实施例的使用一个螺线管促动器的电磁断开和复位机构的图。
[0032]图9是根据本发明的示例性实施例的使用一个螺线管促动器的电磁断开和复位机构的分解视图。
[0033]图10是根据本发明的示例性实施例的使用一个螺线管促动器的电磁断开和复位机构的上锁和移位杆的平坦的表面视图。[0034]图11是根据本发明的示例性实施例的示出用于电路电涌保护的金属氧化物变阻器(MOV)和示出用于被编程为检测系统误引线状况的微处理器的系统误引线通电能力的AFCI电路的部分示意图。
[0035]图12是根据本发明的示例性实施例的具有用来检测并联和串联电弧故障的结合方法的时域算法和减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的频域算法的软件流程图。
[0036]图13是根据本发明的示例性实施例的对HECS ADC测量结果执行范围比例缩放并且检测电路过电流和短路故障的时域算法的软件流程图。
[0037]图14图示根据本发明的示例性实施例检测电路过电流故障的时域算法的示例性响应信号。
[0038]图15A-15B图示根据本发明的示例性实施例对HECS ADC测量结果执行范围比例缩放的时域算法的示例性响应信号。
[0039]图16是根据本发明的示例性实施例检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的时域算法的软件流程图。
[0040]图17图示根据本发明的示例性实施例具有N个采样时间仓(time bin)的M个过去中断周期(cycle)的经比例缩放的HECS测量结果的先进先出N个时间、M个过去周期的存储器映射。
[0041]图18图示根据本发明的示例性实施例的具有用来检测电阻性负载电流波形上的电弧故障的结合方法的时域算法的示例性响应信号。
[0042]图19图示根据本发明的示例性实施例的具有用来检测电阻性和屏蔽组合负载电流波形上的电弧故障的结合方法的时域算法的示例性响应信号。
[0043]图20图示根据本发明的示例性实施例的具有用来检测屏蔽负载电流波形上的电弧故障的结合方法的时域算法的示例性响应信号。
[0044]图21是根据本发明的示例性实施例减轻由正常电弧放电电机驱动的装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的频域算法的软件流程图。
[0045]图22A-22B图示根据本发明的示例性实施例减轻由正常电弧放电电机驱动的装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的频域算法的示例性响应信号。
【具体实施方式】
[0046]现在将详细地进行参考来描述本发明的示例性实施例，示例性实施例在附图中图示。本文公开的具体细节不应当被解释为限制，而相反作为权利要求的基础并且教导本领域技术人员如何可以以任何适当详细的系统、结构或方式采用本发明。在任何可能的地方，在全部附图中相同的附图标记会被用来表示相同或相似的部件、电路或功能。
[0047]图1是根据本发明的示例性实施例的具有120伏特、单相AC电弧故障断路器(AFCI)的功能系统框图。此AFCI系统包括双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路1、HECS测量相移修正电路2、用于系统DC电源的开关模式电源(SMPS) 3、HECS测量抗混叠滤波器4、具有集成模数转换器(ADC)的微处理器5、电磁断开和复位机构6、断开和复位切换电路7、断开和复位感应电路8、复位开关9和测试开关10以及用于电路故障和系统通电、误引线和寿命终止状况的可视指示器11和可听指示器12。[0048]当电磁断开和复位机构16被复位时，所故障保护的电路从线路侧线路导体13开始，经过HECS集成电路I和电磁断开和复位机构6到达负载侧线路导体6，然后经过所连接的负载并且返回至负载侧中性导体14，负载侧中性导体14用导线连接至线路侧中性导体
14。在系统各处连接电路接地导体15。在系统各处使用的DC电力驱动部件由开关模式电源(SMPS) 3供电,开关模式电源3在大的电源AC电压范围内操作并且产生稳定的输出DC电压。
[0049]HECS集成电路I测量从线路侧至负载侧流经线路导体13/16的电路电流。HECS集成电路I输出电压与具有稳定输出偏置电压的电路电流负载波形成比例。HECS测量抗混叠滤波器4从HECS ADC测量结果中移除高频谐波和噪声。HECS测量相移修正电路2使用与线路侧线路导体13连接的缓冲器放大器17来控制微处理器基础频率中断过程18，该微处理器基础频率中断过程18将HECS ADC测量结果19的相位与基础电流负载频率的相位进行匹配。微处理器中断过程18使用内置比较器和与HECS集成电路I的稳定输出偏置电压值相等的经软件调整的HECS零参考偏置电压值。微处理器5程序根据HECS ADC测量结果19的数字分析来检测电路电弧、过电流和短路故障，并且在图12-22中更详细地描述。
[0050]当微处理器5程序检测到电路故障时，将断开命令发送至断开和复位切换电路7，该断开和复位切换电路7通过断开电磁断开(trip)和复位机构6中断所故障保护的电路13/16/14。然后启用用于电路故障的可见指示器11和可听指示器12。当随后启用系统复位开关9时，微处理器5程序对值进行初始化并且禁用故障指示器，通过评估该断开和复位感应电路8和通过向断开和复位切换电路7发送断开和复位命令来利用电磁断开和复位机构6打开和闭合所保护的电路13/16/14，检查系统误引线和寿命终止情况。当已经成功地完成系统复位检查时，保持所保护的电路13/16/14闭合，直至微处理器5程序检测到另一电路故障。
[0051]微处理器5被编程为通过初始地和定期地测试系统部件检测系统寿命终止状况，并且然后作为结果，系统中断电路并且启用可视指示器11和/或可听指示器12。系统寿命终止通过以下状况中的任何状况确定:
[0052]a)微处理器5时钟计数达到预确定的寿命限度。
[0053]b)电磁断开和复位机构6不能够使线路侧和负载侧之间的接触接合。这是通过微处理器5测试程序检测的，微处理器5测试程序确定在启用复位命令以后接触不接合，这可能意味着电子的或机械的故障或者电子的和机械的故障。
[0054]c)电磁断开和复位机构6不能够使线路侧和负载侧之间的接触解接合。这是通过微处理器5测试程序检测的，微处理器5测试程序确定在启用断开命令以后接触保持接合，这可能意味着电子的或机械的故障或者电子的和机械的故障。
[0055]当启用系统测试开关10时，微处理器5程序通过模拟特定电路故障来对电路故障检测和中断算法是否在正常地工作进行检查，该特定电路故障导致断开和复位命令被发送至断开和复位切换电路7。在系统测试期间，微处理器5程序检查断开和测试感应电路8，以验证所保护的电路13/16/14正被电磁断开和复位机构6正确地打开和闭合。
[0056]图2是根据本发明的示例性实施例的被示出为AFCI系统的可选一部分的具有120伏特、单相AC接地故障断路器(GFCI)的功能系统框图。伴随HECS集成电路I测量从线路侧至负载侧流经线路导体13/16的电流，使用附加HECS集成电路I来测量从负载侧至线路侧流经中性导体14的电路电流。
[0057]本发明的此组合AFCI/GFCI实施例使用来自HECS集成电路I和差分电流电路20二者的HECS测量结果，来确定是否要将接地故障信号发送至微处理器5。差分电流电路20使用通常已知的电路来在两个输入信号之间存在充分差异时发送输出信号。如果在两个HECS集成电路I的测量结果之间存在充分差异，则所故障保护的电路13/16/14向地面15泄露电流，并且产生接地故障信号。对其它电路故障来说，微处理器5程序向断开和复位切换电路7发送断开命令，该断开命令通过断开电磁断开和复位机构6来中断所保护的电路13/16/14。
[0058]图3是根据本发明的示例性实施例的具有120/240伏特、双相AC AFCI的功能系统框图。双相AC AFCI系统部件与图1的单相AC AFCI系统相同，除了使用两个HECS集成电路I和两个HECS测量抗混叠滤波器4以外，这导致两组HECS ADC测量结果19。120/240伏特、双相AC AFCI系统保护三个电路不受故障影响:120伏特、相位I电路21/24/22，120伏特、相位2电路23/25/22，以及240伏特电路21/24/25/23。
[0059]根据两组HECS ADC测量结果19的分离和组合的数字分析，微处理器5程序检测电路电弧、过电流和短路故障。当微处理器5程序检测到任何所保护的电路中的故障时，将断开命令发送至开关和复位切换电路7，以通过断开电磁断开和复位机构6来中断全部三个所故障保护的电路21/24/22、23/25/22和21/24/25/23。对图1的单相AC AFCI系统描述的全部其它系统断开/复位/测试操作以及系统误引线和寿命终止状况功能，也适用于此双相AC AFCI系统。
[0060]此外，通过检查图1和图3，本领域技术人员可以认识到如何通过使用三个HECS集成电路I和三个HECS测量抗混叠滤波器4并且对微处理器5程序进行适当的改变来将本ACFI发明应用于三相AC MCI系统。能够利用三相AC AFCI系统实现的附加系统功能是使微处理器5程序确定这三个HECS集成电路I中的一个不在测量可感到的电流，因此使系统针对系统相损失状况中断此三相电路。
[0061]图4是根据本发明的示例性实施例的商业地可获得的双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路I的功能框图。商业上可获得的双向HECS集成电路I包括:霍尔电流驱动26、动态偏置消除27、增益和温度系数调整28、放大器29/33/24、信号恢复31、零电流调整32、模拟输出36和可选的模数转换器37和数字输出38。可选的电容器可以连接35来设置输出带宽，并且接地输入30需要连接至系统地。
[0062]双向HECS集成电路I输出电压38与具有稳定输出偏置电压和接近零磁滞的电气电路电流负载波形成比例。许多现有技术MCI设计使用电流转换器来生成用于检测电气电路故障的次电流，并且典型地用像“霍尔传感器”、“电流传感器”、“二转换器谐振电路”或“箍位电路”这样的误使用的术语描述电流转换器。尽管许多现有技术MCI设计使用电流变换器，它们在设计、构造和其它特性方面不同来满足它们的电流感应要求。然而，已知过多噪声和误差与使用电流转换器检测电弧和其它电气电路故障关联。具有更少噪声的更准确的电气电路电流感应是利用本AFCI发明通过采用双向HECS集成电路I实现的。对数个满标度额定电流应用的商业上可获得的HECS精度粗略地是0.1安培峰到峰值，此外HECS具有接近零的磁滞，该磁滞使已知对电流转换器是普遍问题的输出噪声和频率失真最小化。这导致本ACFI发明能够检测低至0.5安排的大电流并联电弧放电和小电流串联电弧放电。双向HECS集成电路I是DC电源驱动电流传感器并且不同于使用电流转换器的许多现有技术设计，无论使用什么误用的术语来描述它们。
[0063]图5是根据本发明的示例性实施例的用于系统DC电源的开关模式电源(SMPS)3的功能系统框图。SMPS3在宽的电源AC电压范围内操作来产生稳定的输出DC电压，并且是包括输入整流器和滤波器39、逆变器/斩波器40和控制器41、高频变压器42以及输出整流器和滤波器43的通常已知设计。
[0064]SMPS3向对于图1至图3中图示的DC电源驱动的部件的稳定DC电源提供宽的电源AC电压范围，并且通过使用高频变压器和微电子电路来避免使用高热耗散部件，使封闭电路中的内部发热最低。大多数现有技术AFCI和GFCI设计是不同的并且使用线性电源，线性电源在窄的电源AC电压范围内操作来产生稳定的输出DC电压。结果，由于电源电压中的瞬变，现有技术设计会在设备内产生过多发热并且可能导致对于DC电源驱动的部件的不稳定DC电源。
[0065]图6-图7是根据本发明的示例性实施例的使用两个螺线管促动器的电磁断开和复位机构6的图。该双螺线管促动器机构在2005年9月9日提交的美国专利N0.7, 298, 236 (陈)“Circuit Breaker Electromagnetic Tripping Device (断路器电磁断开设备)”中完全地公开。图6图示电磁断开和复位机构6包括复位螺线管促动器44、断开或测试螺线管促动器45、用于可移动接触件46的杠杆臂、用于单相AC或DC电路的线路导体或双相AC电路的线路相位I导体的可移动接触件配件47以及用于双相AC电路的线路相位2导体的可移动接触件配件48。电磁断开和复位机构6的这两个分离操作的复位和断开或测试螺线管促动器44/45是弹簧加载的并且通过图1-图3中图示的断开和复位切换电路7由微处理器5控制。当启用系统复位开关9时，复位螺线管促动器44被激活并且将杠杆臂46向上拉动来将可移动接触件与两个可移动接触件配件47/48内部在可移动接触件正上方放置的固定接触件接合，这将线路侧连接至负载侧。
[0066]图7图示复位螺线管促动器44中的促动器轴49附接至用于可移动接触件46的杠杆臂。杠杆臂46上的槽锁闩51形成滑块，该滑块与断开或测试螺线管促动器45中的促动器轴50円在一起。在没有复位螺线管促动器44的继续激活的情况下，促动器轴50通过复进弹簧52保持在此位置上，直至断开或测试螺线管促动器45被激活并且释放槽锁闩51。然后，用于可移动接触件46的杠杆臂通过复进弹簧53向下推进来将该可移动接触件从固定接触件上松开，这将负载侧与线路侧断开。在没有断开或测试螺线管促动器45的继续激活的情况下，促动器轴49通过复进弹簧53保持在此位置上，直至复位螺线管促动器45被再次激活。
[0067]图8-图10是根据本发明的示例性实施例的使用一个螺线管促动器的电磁断开和复位机构的图。此单螺线管促动器机构在2010年4月12日提交的美国专利申请N0.12/758，790(汤米班(Tomimbang))并且在 2011 年 6 月 23 日作为 2011/0148552A1公布 的 “Solenoid Actuator with an Integrated Mechanical Locking and UnlockingFixture (具有集成机械上锁和解锁夹具的螺线管促动器)”中完全公开。
[0068]图8图示电磁断开和复位机构6包括复位螺线管促动器54、机械上锁和移位配件55、用于可移动接触件56的杠杆臂、用于单相AC或DC电路的线路导体或双相AC电路的线路相位I导体的可移动接触件配件47以及用于双相AC电路的线路相位2导体的可移动接触件配件48。电磁断开和复位机构6的螺线管促动器54是弹簧加载的，并且通过图1-图3中图示的断开和复位切换电路7由微处理器5控制。大多数现有技术AFCI和GFCI设计是不同的并且使用具有人工地操作的复位开关的螺线管促动器。
[0069]图9图示电磁断开和复位机构6的分解图包括螺线管促动器54、移位和上锁引导杆57、促动器轴58、上锁杆59、移位杆60、用于可移动接触件的杠杆臂56、两个可移动接触件配件47/48、复进弹簧61以及杠杆臂引导和止动盖62。
[0070]图10图不上锁和移位杆的平坦表面视图包括移位和上锁引导杆57的内表面图以及上锁杆59和移位杆60的外表面图。在移位和上锁引导杆57内部是引导移位杆60的运动的锯齿状凸起57a/57b和槽57c。主锯齿状凸起57a担当上部锁57d位置，而次要的锯齿状凸起57b倾斜到下部锁57e位置所处于的槽57c内。锯齿形凸起57a/57b以与移位杆60的外表面上的引导肋条60a的锯齿状凸起60b相同但相反的角朝向倾斜。
[0071]上锁杆59的外表面配备有沿移位和上锁引导杆57的内表面上槽57c移动的引导肋59c，以将移位杆60牢固地保持在适当位置。上锁杆59的顶部具有锯齿形凸起59a/59b，锯齿形凸起59a/59b与移位杆60的外表面上锯齿状凸起60b锁在一起。对于促动器轴58的每次螺线管促动来说，三个上锁和移位杆57/59/60的锯齿形凸起之间的楔进动作导致移位杆60递增地转动。这将锯齿状凸起60b置于上部锁57d位置或槽57c内，在槽57c内它们靠在下部锁57e位置中的引导肋59c的上面。上部锁57d和下部锁57e位置分别对应于关于图6-图7描述的复位和断开或测试机构功能。
[0072]图11是根据本发明的示例性实施例的示出用于电路电涌保护的金属氧化物变阻器(MOV)63和示出用于被编程为检测系统误引线状况的微处理器的系统误引线通电能力的AFCI电路的部分示意图。图11图示AFCI电路的部分示意图比图1的AFCI功能系统框图更详细。此详细电路示出用于电涌保护的通常已知M0V63连接至哪里以及如何设计系统误引线通电能力。
[0073]系统误引线是电源线路侧布线不正确地连接至负载侧16/14或者电源线路和中性导体被误引线在线路侧13/14上的情况。为了符合适用的UL标准，仅对于插座型外壳设备要求误引线保护。然而，可以在任何适当的应用中包含系统误引线保护。系统误引线电路操作来对开关模式电源(SMPS) 3和微处理器通电，以检测系统误引线状况和利用用于系统安装者的可视和/或可听指示器将电气电路13/16/14保持在断开保护状态。每当AFCI插座型设备被施加或被恢复电源或者启用系统复位开关时，需要进行系统误引线测试。
[0074]本AFCI发明使用SMPS3内的两个AC桥集成电路64来对SMPS电路65的剩余部分提供任何误引线的电供给源，于是这能够向微处理器识别和指示线路侧13/14上的电源线路和中性导体误引线状况。当电源线路侧布线不正确地连接至负载侧16/14时，微处理器可以通过向断开和复位切换电路7发送断开命令(这激活断开线圈66)并且然后通过检测断开和复位感应单元8指示复位状况而非预期的断开状况，来识别该误引线状况。
[0075]图12是根据本发明的示例性实施例具有用来检测并联和串联电弧故障的结合方法的时域算法和减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的频域算法的软件流程图。尽管现有技术AFCI设计使用分离的方法和技术来进行并联和串联电弧故障检测，但是本AFCI发明按任何特定设计可能要求的那样对低至0.5安培或更低的电阻性和屏蔽负载电流波形使用时域算法67利用结合方法检测并联和串联电弧故障。尽管频域分析不能够被用来检测具有屏蔽负载的串联电弧故障，但是使用频域算法68来减轻由正常电弧放电电机驱动装置(像吊扇和电钻)导致的错误电弧放电电路检测和中断(讨厌的断开)。
[0076]当应用或恢复电源或者启用系统复位开关时，微处理器程序对值进行初始化、禁用故障指示器、检查系统误引线和寿命终止状况69，并且开始电路故障检测算法70。双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路测量从线路侧至负载侧流过所保护的电路的电流。HECS集成电路输出电压与电路电流负载波形成比例，并且HECS测量抗混叠滤波器从HECS模数转换器(ADC)测量结果中移除高频谐波和噪声。HECS测量相移修正电路使用与线路侧线路导体连接的缓冲器放大器来控制等待下一微处理器基础频率中断时间周期71，该微处理器基础频率中断时间周期71将HECS ADC测量结果72的相位与基础电流负载频率的相位进行匹配。如果基础电流负载频率类型是DC，那么微处理器基础频率中断使用固定时间周期。在基础频率中断时间周期内，以与作用在基础电流负载频率上的电弧放电现象的充分数字表示相一致的频率对HECS ADC测量结果72进行采样。
[0077]在上一中断周期期间采样的HECS ADC测量结果72被输入到结合方法的第一时域算法73内，来检测并联和串联电弧故障67。第一时域算法73对HECS ADC测量结果72执行范围比例调整，并且检测电路过电流和短路故障，这关于图13更详细地描述。如果检测到过电流或短路故障74，则微处理器程序发出电路断开命令75并且停止电路故障检测算法76，直至启用系统复位开关。来自用来检测并联和串联电弧故障67的结合方法的第一时域算法73的输出是经比例调整的HECS测量结果和“GainChange”标志77。这些输出是对减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的频率算法68的输入，以及对用来检测并联和串联电弧故障67的结合方法的第二时域算法78的输入，该结合方法检测电阻性和屏蔽负载上的并联和串联电弧故障。
[0078]频域算法68输出是“ArcFaultPossible”标志79，并且是用来检测并联和串联电弧故障67的结合方法的时域算法78的另一输入，这关于图16更详细地描述。此外，关于图21更详细地描述频域算法68。来自此第二时域算法78的输出是检测到或未检测到电路电弧故障。如果检测到电弧故障80，则微处理器程序发出电路断开命令75并且停止电路故障检测算法76，直至启用系统复位开关。如果未检测到电路故障81，则故障检测算法等待下一中断时间周期71来再次继续来自上一中断周期的HECS ADC测量结果72。
[0079]图13是根据本发明的示例性实施例的对HECS ADC测量结果执行范围比例缩放并且检测电路过电流和短路故障的时域算法的软件流程图。如图12中图示的，这是用来检测并联和串联电弧故障的结合方法的两个时域算法中的第一个73，其导致本AFCI发明使用商业上可获得的双向HECS集成电路来检测低至0.5安培的电阻性和屏蔽负载电流波形上的大电流并联电弧放电和小电流串联电弧放电。
[0080]在本AFCI发明可以检测电路电弧故障以前，必须首先检测其它通常已知的过电流和短路故障并且还识别负载瞬变。此算法的过电流和短路检测82部分通过确定来自上一中断周期的充分多个HECS ADC测量结果72是否大于依赖于系统应用的由软件管理的满标度限度84开始83，如果真，则检测到短路故障85并且此算法结束86。如果非真，则该算法确定来自上一中断周期的HECS ADC测量结果72的最大绝对值是否大于由软件管理的满标度限度87，这确定是否正在发生满标度削波。如果根据系统应用在数个连续的周期88内发生满标度削波，那么检测到过电流故障89并且该算法结束90。
[0081]图14图示根据本发明的示例性实施例检测电路过电流故障的时域算法的示例性响应信号。图14示出在HECS ADC测量结果72的数个连续AC周期正在削波由软件管理的满标度限度以后发生的过电流故障91。
[0082]图13中图示的算法的下一部分是HECS ADC测量结果72的范围比例缩放92。如果HECS ADC测量结果72经历从负载被打开或被关闭或负载失效的电源瞬变或负载瞬变，那么经比例缩放的HECS测量结果的最大绝对值可能变得比预确定的上或下范围限度93/94更大或更小。当此发生时，改变“RangeScalingGain”95/96，因此经缩放的HECS测量结果的最大绝对值保持在该范围限度内。接下来，如果必要，限制“RangeScalingGain”,并且如果可应用97，在算法结束98以前设置“GainChange”标志。如图12中图示的，算法输出是经比例缩放的HECS测量结果和“GainChange”标志77。当“RangeScalingGain”改变并且设置“GainChange”标志然后清除时，其它算法68/78具有它们经比例缩放的HECS测量结果输入已经经历电源瞬变或负载瞬变的指示，并且在再次操作那些输入测量结果以前会等待预确定的时间段。此外，范围比例缩放92算法将HECS ADC测量结果72从宽的高值和低值范围转变成一个经比例缩放的值范围，这导致显著更少的微处理器程序内存、RAM和执行时间，因为在该数学算法中会使用整数变量而非浮点变量。
[0083]图15A-15B图示根据本发明的示例性实施例对HECS ADC测量结果执行范围比例缩放的时域算法的示例性响应信号。图15A-15B示出在经适当的范围比例缩放的HECS测量结果的两个AC周期以后发生的范围比例缩放。图15A示出对于第三AC周期的经比例缩放的HECS测量结果的最大绝对值变得低于下范围限度，其然后使“RangeScalingGain”99加倍并且导致保持在范围限度内的经比例缩放的HECS测量结果的最大绝对值。图15B示出对于第三AC周期的经比例缩放的HECS测量结果的最大绝对值变得大于上范围限度，其然后使“RangeScalingGain” 100减半并且导致保持在范围限度内的经比例缩放的HECS测量结果的最大绝对值。
[0084]图16是根据本发明的示例性实施例检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的时域算法的软件流程图。如图12中图示的，这是用来检测并联和串联电弧故障的结合方法的两个时域算法中的第二个78，这两个时域算法导致本AFCI发明使用商业上可获得的双向HECS集成电路检测低至0.5安培的电阻性和屏蔽负载电流波形上的大电流并联电弧放电和小电流串联电弧放电。对此第二时域算法的输入是来自第一时域算法73的经比例缩放的HECS测量结果和“GainChange”标志77以及来自频域算法68的“ArcFaultPossible”标志79,该频域算法68减轻由像吊扇和电钻这样的正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断。
[0085]通过确定在初始化70以后是否电路故障检测算法已经开始、是否“GainChange”标志77被设置然后被清除达预确定的时间段、是否“ArcFaultPossible”标志79未被设置以及是否复位模式102时间段未结束103，该算法开始101。如果任何条件为真，那么初始化算法变量并且在算法终止105以前，先进先出过去周期的存储器映射继续装满上一中断周期的经比例缩放的HECS测量结果104。如果全部条件为假(其包括复位模式102时间段结束并且除一个周期以外的过去周期的存储器映射的经比例缩放的HECS测量结果被充满，那么上一中断周期的经比例缩放的HECS测量结果被更新到该过去周期的存储器映射106，并且算法继续。
[0086]图17图示根据本发明的示例性实施例具有N个采样时间仓的M个过去中断周期(cycle)的经比例缩放的HECS测量结果的先进先出N个时间、M个过去周期的存储器映射。包含N个采样时间仓的经比例缩放的HECS测量结果的上一中断周期被指定为m = 1107，并且在M个更多中断周期以后被从先进先出N个时间、M个过去周期的存储器映射中移除。N和M的值依据系统应用而变化。
[0087]如图16中图示的，该算法接下来使用下面的公式在过去周期的存储器映射内对每第η个采样时间仓计算经缩放的HECS测量结果的平均值108:
[0088]Mean (n) = m = IM Map (n, m) M(I) ## 公式 00001##
[0089]公式⑴的结果被用来使用下面的公式跨N个采样时间仓计算经比例缩放的HECS测量结果的平均功率值109:
[0090]MeanPower = η = IN (Mean (n) *Mean (η)) N (2) ## 公式 00002##
[0091]公式(I)的结果还被用来使用下面的公式计算经缩放的HECS测量结果的过去周期的存储器映射和每第η个采样时间仓的对应均值之间的数据差值110:
[0092]Data iff (n, m).quadrature.Map (n, m).quadrature.Mean (n) (3)
[0093]来自公式(3)的结果被用来使用下面的公式在过去周期的存储器映射内对每第η个采样时间仓 计算数据差值零交叉的量111:
[0094]DataDiffCount (n) = m = 2M ZeroCross (a, b) (4) ## 公式 00003##,其中:
[0095]a.quadrature.DataDiff (n, m)
[0096]b.quadrature.DataDiff (n, m_l)
[0097]在公式⑷中使用的ZeiOCross (a, b)函数仅查找“a”和“b”输入之间的符号变化并且如果真则返回“ I ”，或者如果假，则返回“O”。
[0098]来自公式(4)的结果被用来确定是否存在对特定的第η个采样时间仓充分量的数据差值零交叉112。如果根据系统应用存在充分的量，那么使用下面的公式对那些特定的第η个采样时间仓计算经比例缩放的HECS测量结果的零交叉方差值113:
[0099]ZeroCrossVar (n) = m = IM (DataDiff (n, m) ^DataDiff (n, m)) M (5) ## 公式00004##
[0100]接下来，算法用公式(2)对公式(5)进行归一化，这使用具有对于系统应用可能作为常数的最大均值(MaxMean)的下面公式对那些充分量的第η个采样时间仓，给出经比例缩放的HECS测量结果的均值功率归一化零交叉方差值114:
[0101]Zero CrossVarNorm(n) = ZeroCrossVar(n)*MaxMean2MeanPower(6)## 公式00005##
[0102]如果对特定第η个采样时间仓不存在充分的零交叉量，那么通过下面的公式使对那些特定第η个采样时间仓的经比例缩放的HECS测量结果的归一化零交叉方差值归零115:
[0103]ZeroCrossVarNorm (n) =0(7)
[0104]关于这一点描述的算法是本AFCI发明的主要创新。对电阻性和屏蔽负载二者的电路电弧放电现象被表现为过去周期的存储器映射中对经比例缩放的HECS测量结果的每第η个采样时间仓的围绕平均值的零交叉扰动。那些零交叉扰动是对过去周期的存储器映射中的每第η个采样时间仓通过公式(6)和(7)测量的，并且那些测量结果是通过均值功率归一化独立于经比例缩放的HECS测量结果的幅度值做出的。此算法中的下列步骤将公式(6)和(7)的这些电弧放电现象测量结果116转换成对并联和串联电弧故障的检测信号。
[0105]此算法中的下一步是要查找具有经比例缩放的HECS测量结果的最大归一化零交叉方差值的采样时间仓117并且使用该最大值的采样时间仓作为五个采样时间仓的中心118。尽管本AFCI发明的此实施例使用五个被定中心的采样时间仓，但是被定中心的采样时间仓的X数量根据系统应用变化。然后使用下面的公式合并来自公式(6)和(7)的经比例缩放的HECS测量结果的归一化零交叉方差值的、以最大值为中心的五个采样时间仓:
[0106]out(x) = X = 2Χ ((in (X)+in (χ-l) 2)+out (χ-l)) ## 公式 00006##,其中:
[0107]in (X) = ZeroCrossVarNorm (x),
[0108]X = 5，这导致使用下面公式的经比例缩放的HECS测量结果的经结合的归一化的零交叉方差端点值:
[0109]ZeroCrossVarNormlntg = out (X) (8)
[0110]根据系统应用在数个周期内保存来自公式⑶的所结合的端点值，并且对这些过去的值求平均120。将经比例缩放的HECS测量结果的、经平均的过去结合的归一化的零交叉方差端点值与依赖于系统应用的电弧故障检测限度相比较121。如果经平均的过去结合的端点值大于该限度，那么本AFCI发明确定电弧故障被检测到122并且算法结束123。否贝U，电弧故障未被检测到并且算法结束123。
[0111]如图12中图示的，本AFCI发明利用使用时域算法67的结合方法检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障。因为对HECS ADC测量结果73的范围比例缩放以及公式(6)的平均功率归一化，无论电路电弧放电是在大电流并联配置还是在小电流串联配置中发生的，本AFCI发明使电路电流测量结果的幅度值不相关114。因此，下面的使用电阻性和屏蔽负载的示例性响应信号的图适用于并联和串联电路电弧放电配置二者。
[0112]图18图示根据本发明的示例性实施例的具有用来检测电阻性负载电流波形上的电弧故障的结合方法的时域算法的示例性响应信号。左列的四个图表包含来自对像白炽灯泡灯这样的正常电阻性负载124操作的算法的信号。右列的四个图表包含来自对电弧放电电阻性负载125操作的算法的信号。使用根据UL1699标准的AFCI测试要求的电弧发生器测试装置产生电路电弧放电。
[0113]第一组图表126/127是对于正常和电弧放电电阻性负载的在过去周期的存储器映射中的经比例缩放的HECS测量结果。用于此AC应用的经比例缩放的HECS测量结果的先进先出N个时间、M个过去周期的存储器映射，具有N= 12个采样时间仓的M= 12个过去中断周期。来自第一组图表126/127的信号的直观检查示出在辨别正在发生电路电弧放电方面的某一困难。如在第二组图表128/129中看到的，对过去周期的存储器映射中的经比例缩放的HECS测量结果的每第η个采样时间仓计算平均功率归一化的零交叉方差值的本AFCI发明创新表明，对M= 12个过去中断周期中的全部在第3个采样时间仓附近正在发生电弧放电现象。第三组图表130/131示出居于每个过去中断周期的经比例缩放的HECS测量结果的经归一化的零交叉方差值的五个采样时间仓中心的最大值，第四组图表132/133示出那些信号的五个点结合。[0114]左侧第四个图表132示出来自对正常电阻性负载操作的算法的过去周期信号从未大于电弧故障检测限度134，该电弧故障检测限度134是根据系统应用被预确定的，并且正确地，算法未检测到电弧故障。右侧第四个图表133示出来自对电弧放电电阻性负载操作的算法的过去周期信号。该算法在根据系统应用预确定的时间段内对那些过去周期信号的端点进行平均，在该情况中该时间段是M= 12个过去中断周期。当端点过去周期平均值大于电弧故障检测限度135时，那么本AFCI发明确定对电阻性负载检测到电弧故障。
[0115]图19图示根据本发明的示例性实施例的具有用来检测电阻性和屏蔽组合负载电流波形上的电弧故障的结合方法的时域算法的示例性响应信号。左列的四个图表包含来自对像白炽灯泡灯以及受调光器控制的发光装置这样的正常电阻性和屏蔽组合负载136操作的算法的信号。右列的四个图表包含来自对电弧放电电阻性和屏蔽组合负载137操作的算法的信号。使用根据UL1699标准的AFCI测试要求的电弧发生器测试装置，产生电路电弧放电。
[0116]第一组图表138/139是对于正常和电弧放电电阻性和屏蔽组合负载的在过去周期存储器映射中的经比例缩放的HECS测量结果。用于此AC应用的经比例缩放的HECS测量结果的先进先出N个时间、M个过去周期的存储器映射，具有N = 12个采样时间仓的M=12个过去中断周期。来自第一组图表138/139的信号的直观检查示出在辨别正在发生电路电弧放电方面的很小的困难。如在第二组图表140/141中看到的，对过去周期的存储器映射中的经比例缩放的HECS测量结果的每第η个采样时间仓计算平均功率归一化的零交叉方差值的本AFCI发明创新表明，对M = 12个过去中断周期中的大多数在第5个采样时间仓附近正在发生电弧放电现象。第三组图表142/143示出居于每个过去中断周期的经比例缩放的HECS测量结果的经归一化的零交叉方差值的五个采样时间仓中心的最大值，第四组图表144/145示出那些信号的五个点结合。
[0117]左侧第四个图表144示出来自对正常电阻性和屏蔽组合负载操作的算法的过去周期信号从未大于电弧故障检测限度134，该电弧故障检测限度134是根据系统应用被预确定的，并且正确地，算法未检测到电弧故障。右侧第四个图表145示出来自对电弧放电电阻性和屏蔽组合负载操作的算法的过去周期信号。该算法在根据系统应用预确定的时间段内对那些过去周期信号的端点进行平均，在该情况中该时间段是M = 12个过去中断周期。当端点过去周期平均值大于电弧故障检测限度135时，那么本AFCI发明确定对电阻性和屏蔽组合负载检测到电弧故障。
[0118]图20图示根据本发明的示例性实施例的具有用来检测屏蔽负载电流波形上的电弧故障的结合方法的时域算法的示例性响应信号。左列的四个图表包含来自对像受调光器控制的发光装置这样的正常屏蔽负载146操作的算法的信号。右列的四个图表包含来自对电弧放电屏蔽负载147操作的算法的信号。使用根据UL1699标准的AFCI测试要求的电弧发生器测试装置，产生电路电弧放电。
[0119]第一组图表148/149是对于正常和电弧放电屏蔽负载的在过去周期的存储器映射中的经比例缩放的HECS测量结果。用于此AC应用的经比例缩放的HECS测量结果的先进先出N个时间、M个过去周期的存储器映射，具有N= 12个采样时间仓的M= 12个过去中断周期。来自第一组图表148/149的信号的直观检查示出在辨别正在发生电路电弧放电方面没有困难。如在第二组图表150/151中看到的，对过去周期的存储器映射中的经比例缩放的HECS测量结果的每第η个采样时间仓计算平均功率归一化的零交叉方差值的本AFCI发明创新表明，对M= 12个过去中断周期中的大多数在第9个采样时间仓附近正在发生电弧放电现象。第三组图表152/153示出居于每个过去中断周期的经比例缩放的HECS测量结果的经归一化的零交叉方差值的五个采样时间仓中心的最大值，第四组图表154/155示出那些信号的五个点结合。
[0120]左侧第四个图表154示出来自对正常屏蔽负载操作的算法的过去周期信号从未大于电弧故障检测限度134，该电弧故障检测限度134是根据系统应用被预确定的，并且正确地，算法未检测到电弧故障。右侧第四个图表155示出来自对电弧放电屏蔽负载操作的算法的过去周期信号。该算法在根据系统应用预确定的时间段内对那些过去周期信号的端点进行平均，在该情况中该时间段是M= 12个过去中断周期。当端点过去周期平均值大于电弧故障检测限度135时，那么本AFCI发明确定对屏蔽负载检测到电弧故障。
[0121]如关于图18-20说明的和在图12中图示的，本AFCI发明利用使用时域算法67的结合方法检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障。尽管频域分析不能够被用来检测具有屏蔽负载的串联电弧故障，但是使用频域算法68来减轻由正常电弧放电电机驱动装置(像吊扇和电钻)导致的错误电弧放电电路检测和中断(讨厌的断开)。
[0122]频域算法68使用离散傅里叶变换(DFT)，离散傅里叶变换(DFT)是将经采样的时域信号分解成由被分配给频域频谱仓的特定幅度表示的分量正弦的傅里叶分析方法。在特定DFT应用中，经采样的时域信号的频率是未知的，这导致频率旁瓣泄露误差，因为在数据窗内部均匀地间隔的多个时间样本描述具有端点不连续性的输入频率。旁瓣泄露可以通过选择将数据窗端点加权降至零的多个加权加窗函数来减少。然而，对于本AFCI发明来说，经采样的时域信号的频率对系统应用来说是已知的，在数据窗内选择的均匀间隔的多个样本完全地描述了没有端点不连续性的预期频率。这被称为相干时间采样，在该相干时间采样中在数据窗端点处没有预期输入频率的不连续性。当端对端放置数个经相干采样的时域数据窗时，在端点处连续地描述预期的输入频率。从相干时间采样产生的DFT输出，是在没有需要加权加窗函数的旁瓣泄露误差的条件下被指派给频域频谱仓(spectral bin)的特定幅度。
[0123]对于AFCI系统应用来说，基础电流负载频率是已知的。频域算法68仅需要计算关于基础电流负载频率的DFT幅度和关于基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的DFT幅度，以减轻由像吊扇和电钻这样的正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断。在微处理器基础频率中断时间周期内，根据下面的公式，以与用于基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的DFT处理的相干时间采样一致的频率对HECS ADC测量结果72进行采样:
[0124]N 个样本=倍数 * (2*3) (9)
[0125]其中下面在基础电流负载频率数据窗内的均匀间隔的N个时域数据样本导致相干2次和3次谐波分量时间采样:
[0126]N 个样本=2* (2*3) = 12
[0127]N 个样本=3* (2*3) = 18
[0128]N 个样本=4* (2*3) = 24
[0129]N 个样本=5* (2*3) = 30[0130]N 个样本=M*(2*3) = M*6
[0131]用于本AFCI发明的系统应用的N个样本来自于公式(9)，但是最终根据来自也与作用在基础电流负载频率上的电弧放电现象的充分数字表示相一致的公式(9)的所需N个样本来确定。HECS ADC测量结果72的N个样本是在上一中断周期期间被采样的，并且被输入给用来检测并联和串联电弧故障的结合方法67的第一时域算法73，该第一时域算法73将经比例缩放的HECS测量结果和“GainChange”标志77输出给频域算法68。
[0132]图21是根据本发明的示例性实施例减轻由正常电弧放电电机驱动的装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的频域算法的软件流程图。通过确定在初始化以后电路故障检测算法是否已经开始70以及“GainChange”标志77对预确定的时间段是否被设置然后被清除157，该频域算法开始156。如果这两个条件任一条件为真，那么初始化算法变量158并且在算法结束160以前清除“ArcFaultPossible”标志输出159。如果两个条件都为假，则通过将经比例缩放的HECS测量结果的样本更新成与基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的相干时间采样相一致的N规模的DFT样本时间输入阵列161，算法继续。
[0133]经比例缩放的HECS测量结果DFT的实部和虚部可以使用下面众所周知的公式针对基础电流负载频率和基础电流负载频率的2次和3次谐波分量来计算:
[0134]Real X (k) k = 1:3 = η = IN (x (n) *cos (2.p1.k (η-1) N)) (10) -1mag X (k) | k = 1:3=η = 1Ν(χ (n) *sin (2.p1.k (n-1) N)) (11)## 公式 00007##
[0135]其中[x(n)].sub.η = 1:N是经比例缩放的HECS测量结果的N规模样本时间输入阵列。然而，为更快地执行，使用下面的公式将公式(10)和(11)的DFT实部和虚部分解成利用预计算的正弦和余弦DFT基函数操作162。
[0136]Real X (k) | k = 1:3 = η = 1Ν(χ (n) *CosBasis (k (n_l) % N)) (12) -1mag X (k) k=1:3 = n = IN(x (n) *SinBasis (k (n-1) % N)) (13) ## 公式 00008##
[0137]其中是模运算符并且通过下面的公式限定与基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的相干时间采样相一致的正弦和余弦DFT基函数的预计算的N规模阵列163:
[0138][SinBasis (x) ]x = O:N-1 = [sin (2.p1.x N) ]x = 0:N_1 (14) [CosBasis (x) ]x =0: N-1 = [cos (2.p1.X N) ] X = 0: N-1 (15) ## 公式 00009##
[0139]使用来自公式(12)和(13)的DFT实部和虚部以及来自公式(14)和(15)的预计算的正弦和余弦DFT基函数，算法接下来使用下面的公式计算基础电流负载频率的经比例缩放的HECS测量结果的DFT幅度和基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的经比例缩放的HECS测量结果的DFT幅度164:
[0140]MagX(I) = {(Real X(I).sup.2+lmagX(I).sup.2)的平方根} {(Real X(I).sup.2+lmagX ⑴.sup.2)的平方根} (16)
[0141]MagX(k).sub.k = 2:3 = {(Real X(k).sup.2+lmagX(k).sup.2)的平方根}{(Real X(k).sup.2+lmagX (k).sup.2)的平方根} (17)
[0142]接下来，算法使用下面的公式利用公式(16)对公式(17)进行归一化，这给出基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的经比例缩放的HECS测量结果的经基础电流负载频率归一化的DFT幅度165:
[0143]MagNorm X(k) k = 2:3 = (Mag X(k)*IOOOMag X(I)) [% *10] (18)## 公式 00010##
[0144]根据系统应用关于数个周期保存来自公式(18)的基础电流负载频率的二次和三次谐波分量的经比例缩放的HECS测量结果的归一化DFT幅度，并且对这些过去归一化的2次和3次谐波DFT幅度求平均166。将经比例缩放的HECS测量结果的过去平均的经基础电流负载频率归一化的2次和3次谐波DFT幅度输入给算法的“ArcFaultPossbile”磁滞标志控制部分167，这在算法结束171以前输出用于“ArcFaultPossible “标志的设置条件168或清除条件169或不改变条件170。
[0145]图22A-22B图示根据本发明的示例性实施例减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的频域算法的示例性响应信号。图22A示出在公式(18)的单位中具有归一化DFT幅度y轴的典型地对电弧放电电阻性负载和非电弧放电或电弧放电屏蔽负载发生的频谱。如美国专利N0.7，253，637(德沃夏克等人)认识到的，频域分析对检测具有屏蔽负载的串联电弧故障不起作用，因为用于非电弧屏蔽负载的频谱看上去类似于用于电弧放电电阻性负载的频谱。然而，本AFCI发明的频域算法使用图22A所示的频谱来确定“ArcFaultPossible”输出标志是否处于被设置的条件172并且使用图22B所示的典型地对像吊扇和电钻这样的正常电弧放电电机驱动装置发生的频谱来确定“ArcFaultPossible”输出标记处于被清除的条件173。这些装置产生与其3次谐波相比明显的2次谐波谱分量，因此该频谱不与具有电阻性或屏蔽负载的电弧故障的谱分量相一致。此算法的“ArcFaultPossible”磁滞标志控制部分167的操作提供从一个“ArcFaultPossible”输出标志条件至另一个的平滑过渡，并且应当为本领域技术人员所熟悉。
【权利要求】
1.一种用于电气电路故障检测和中断的系统，包括:电气电路电流传感器，呈以下形式:双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路，其测量电气电路电流并且将所述电流测量结果转换成具有稳定输出偏置电压的成比例的输出电压；或任何其它可用的电气电路电流传感器；电流传感器测量相移修正电路，其控制微处理器中断过程来将电流传感器模数转换器(ADC)测量结果的相位与电气电路基础电流负载频率的相位进行匹配；电流传感器测量抗混叠滤波器，其从电流传感器ADC测量结果中移除高频谐波和噪声；微处理器，被编程来执行:时域算法，该时域算法具有用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的结合方法；当检测到电气电路故障时的断开命令；断开和复位切换电路，具有对电气电路的闭合和打开进行控制的断开和复位命令输入；电磁断开和复位机构，其通过闭合该电气电路对所述机构进行复位以及通过断开所述机构和打开所述电气电路使所述电气电路中断；断开和复位感应电路，其指示所述电气电路的打开和闭合；DC电源电路，由以下供电:在宽的输入AC电压范围内操作来产生稳定输出DC电压的开关模式电源(SMPS);或在窄的输入AC电压范围内操作来产生稳定输出DC电压的线性电源；或产生稳定输出DC电压的任何其它可用DC电源。
2.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括:外壳设备，呈以下形式:断路器；或插座；或插座插口 ；或电线连接插头；或便携式多插头板；或任何其它外壳设备。
3.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括:到另一电气设备、或电气系统、或任何其它电气布置内的集成。
4.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括:具有基础电流负载频率类型:AC单相、或AC多相、或DC的操作。
5.根据权利要求1 所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路进一步包括:霍尔电流驱动、动态偏置消除、增益和温度系数调整、放大器、零电流调整、模数转换器、模数输出；从而所述HECS测量电气电路电流并且将所述电流的测量结果转换成具有稳定输出偏置电压的成比例的输出电压。
6.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中所述开关模式电源(SMPS)进一步包括输入整流器和滤波器、逆变器/斩波器和控制器、高频变压器以及输出整流器和滤波器；从而所述SMPS通过使用高频变压器和微电子电路来避免使用高热耗散部件，使封闭电路中的内部发热最低。
7.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括复位开关，所述复位开关用于微处理器程序电子地命令电磁断开和复位机构来复位所述系统。
8.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括复位开关，所述复位开关用于电磁断开和复位机构来人工地复位所述系统。
9.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括微处理器，所述微处理器被编程为当电流传感器ADC测量结果正在对数个AC周期内的正和负由软件管理的满标度限度进行削波时检测该电气电路中的过电流故障。
10.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括微处理器，所述微处理器被编程为当充分的电流传感器ADC测量结果大于所述由软件管理的满标度限度时检测所述电气电路中的短路故障。
11.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括用于电涌故障保护的金属氧化物变阻器(MOV)。
12.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括接地泄露故障检测电路和由微处理器命令的所述电气电路的接地泄露故障中断。
13.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括测试开关，所述测试开关用来命令微处理器程序检测模拟的电气电路电弧、过电流、短路或接地泄漏故障并且用于所述系统然后对所述电气电路进行中断和复位。
14.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括系统误引线通电电路和微处理器，所述微处理器被编程为如果所述系统未被正确地安装则检测系统误引线状况并且用于所述系统然后中断所述电气电路。
15.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括微处理器，所述微处理器被编程为通过最初地和周期地测试系统部件来检测系统寿命终止状况并且用于所述系统然后中断所述电气电路。
16.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括微处理器，所述微处理器被编程为如果多相AC系统应用中的多个电流传感器中的一个或多个未在测量可感到的电流则检测系统相损失状况并且用于所述系统然后中断所述多相电气电路。
17.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括微处理器，所述微处理器被编程为控制关于电气电路故障和系统通电、误引线、寿命终止和相损失状况的可视和可听指示器。
18.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括关于电气电路故障和系统通电、误引线、寿命终止和相损失状况的可视和可听指示器。
19.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括微处理器，所述微处理器被编程为监视并且所述系统显示像电压、电流、功率和能量的电气电路仪器测量。
20.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生以与作用在基础电流负载频率上的电弧放电现象的充分数字表示相一致的频率采样的电流传感器ADC测量结果。
21.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生范围经比例缩放的电流传感器测量结果以及发生范围比例缩放改变的指示。
22.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，利用N个样本时间仓的M个过去中断周期产生经比例缩放的电流传感器测量结果的先进先出N个时间、M个过去周期存储器映射。
23.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，对过去周期的存储器映射内的每个样本时间仓产生经比例缩放的电流传感器测量结果的均值。
24.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生跨N个样本时间仓的经比例缩放的电流传感器测量结果的平均功率值。
25.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生经比例缩放的电流传感器测量结果的过去周期的存储器映射和每个样本时间仓的对应的均值之间的数据差值。
26.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，对过去周期的存储器映射内的每个样本时间仓产生数据差值零交叉的量。
27.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，对具有充分量的数据差值零交叉的特定样本时间仓产生经比例缩放的电流传感器测量结果的零交叉方差值。
28.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，对具有充分量的数据差值零交叉的特定样本时间仓产生经比例缩放的电流传感器测量结果的平均功率归一化的零交叉方差值。
29.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，对没有充分量的数据差值零交叉的特定样本时间仓产生经比例缩放的电流传感器测量结果的被归零值的归一化零交叉方差。
30.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生以具有最大归一化零交叉方差值的样本时间仓为中心的具有经比例缩放的电流传感器测量结果的归一化零交叉方差值的X个样本时间仓。
31.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，跨以具有最大归一化零交叉方差值的仓为中心的X个采样时间仓产生经比例缩放的电流传感器测量结果的结合归一化零交叉方差值。
32.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生经比例缩放的电流传感器测量结果的经平均的过去结合的归一化零交叉方差值。
33.根据权利要求32所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置产生在经比例缩放的电流传感器测量结果的经平均的过去结合的归一化零交叉方差值大于电弧故障检测限度时。
34.根据权利要求1所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，进一步包括微处理器，所述微处理器被编程为执行频域算法，所述频域算法减轻由像吊扇和电钻这样的正常电弧放电电机驱动的装置导致的错误电弧放电电路检测和中断。
35.根据权利要求34所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，利用与基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的离散傅里叶变换(DFT)处理的相干时间采样相一致的采样频率产生电流传感器ADC测量结果。
36.根据权利要求34所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生范围经比例缩放的电流传感器测量结果以及发生范围比例缩放改变的指示。
37.根据权利要求34所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生与基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的相干时间采样相一致的经比例缩放的电流传感器测量结果的N规模DFT样本时间输入阵列。
38.根据权利要求34所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生与基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的相干时间采样相一致的被预计算的正弦和余弦DFT基函数的N规模阵列。
39.根据权利要求34所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的经比例缩放的电流传感器测量结果的DFT实部和虚部。
40.根据权利要求34所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的经比例缩放的电流传感器测量结果的DFT幅度。
41.根据权利要求34所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置 导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的经比例缩放的电流传感器测量结果的DFT实部和虚部。
42.根据权利要求34所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的经比例缩放的电流传感器测量结果的DFT幅度。
43.根据权利要求34所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的、经比例缩放的电流传感器测量结果的、基础电流负载频率归一化的DFT幅度。
44.根据权利要求34所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的、经比例缩放的电流传感器测量结果的、过去经平均的基础电流负载频率归一化的DFT幅度。
45.根据权利要求44所述的用于电气电路故障检测和中断的系统，其中用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置产生自“ArcFaultPossible”标志的磁滞控制,该磁滞控制包括以下步骤:当“ArcFaultPossible”标志处于被清除状态并且经比例缩放的电流传感器测量结果的过去经平均的、基础电流负载频率归一化的2次谐波DFT幅度小于通过经比例缩放的电流传感器测量结果的过去经平均的、基础电流负载频率归一化的3次谐波DFT幅度调整的3次谐波下限时，设置“ArcFaultPossible”标志；当该“ArcFaultPossible”标志处于被设置状态并且经比例缩放的电流传感器测量结果的过去经平均的、基础电流负载频率归一化的2次谐波DFT幅度大于通过经比例缩放的电流传感器测量结果的过去经平均的、基础电流负载频率归一化的3次谐波DFT幅度调整的3次谐波上限时，清除该“ArcFaultPossible”标志。
46.一种用于电气电路故障检测和中断的方法，包括: 使电气电路电流传感器呈以下形式:双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路，其测量电气电路电流并且将所述电流测量结果转换成具有稳定输出偏置电压的成比例的输出电压；或任何其它可用的电气电路电流传感器；电流传感器测量相移修正电路，其控制微处理器中断过程来将电流传感器模数转换器(ADC)测量结果的相位与电气电路基础电流负载频率的相位进行匹配；电流传感器测量抗混叠滤波器，其从所述电流传感器ADC测量结果中移除高频谐波和噪声；微处理器，被编程来执行:时域算法，该时域算法具有用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的结合方法；当检测到电气电路故障时的断开命令；断开和复位切换电路，具有对该电气电路的闭合和打开进行控制的断开和复位命令输入；电磁断开和复位机构，其通过闭合该电气电路对所述机构进行复位以及通过断开所述机构和打开所述电气电路使所述电气电路中断；断开和复位感应电路，其指示所述电气电路的打开和闭合；DC电源电路，由以下供电:在宽的输入AC电压范围内操作来产生稳定的输出DC电压的开关模式电源(SMPS);或在窄的输入AC电压范围内操作来产生稳定的输出DC电压的线性电源；或产生稳定的输出DC电压的任何其它可用DC电源。
47.根据权利要求46所述的用于电气电路故障检测和中断的方法，进一步包括: 使外壳设备呈以下形式:断路器；或插座；或插座插口 ；或电线连接插头；或便携式多插头板；或任何其它外壳设备。 具有到另一电气设备、或电气系统、或任何其它电气布置内的集成的能力。 使操作具有基础电流负载频率类型=AC单相或AC多相或DC。 使双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路进一步包括:霍尔电流驱动、动态偏置消除、增益和温度系数调整、放大器、零电流调整、模数转换器、模数输出，从而所述HECS测量电气电路电流并且将所述电流的测量结果转换成具有稳定输出偏置电压的成比例的输出电压。 使开关模式电源(SMPS)进一步包括输入整流器和滤波器、逆变器/斩波器和控制器、高频变压器以及输出整流器和滤波器，从而所述SMPS通过使用高频变压器和微电子电路来避免使用高热耗散部件，使封闭电路中的内部发热最低。 使复位开关用于微处理器程序电子地命令电磁断开和复位机构来复位所述系统。 使复位开关用于电磁断开和复位机构来人工地复位所述系统。 使微处理器被编程为当电流传感器ADC测量结果正在对数个AC周期内的正和负由软件管理的满标度限度进行削波时检测该电气电路中的过电流故障。 使微处理器被编程为当充分的电流传感器ADC测量结果大于所述由软件管理的满标度限度时检测所述电气电路中的短路故障。 使金属氧化物变阻器(MOV)用于电涌故障保护。 具有接地泄露故障检测电路和由微处理器命令的所述电气电路的接地泄露故障中断。 使测试开关用来命令微处理器程序检测模拟的电气电路电弧、过电流、短路或接地泄漏故障并且用于所述系统然后对所述电气电路进行中断和复位。具有系统误引线通电电路和使微处理器被编程为如果所述系统未被正确地安装则检测系统误引线状况并且用于所述系统然后中断所述电气电路。 使微处理器被编程为通过最初地以及定期地测试系统部件来检测系统寿命终止状况并且用于所述系统然后中断所述电气电路。 使微处理器被编程为如果多相AC系统应用中的多个电流传感器中的一个或多个未在测量可感到的电流则检测系统相损失状况并且用于所述系统然后中断所述多相电气电路。 使微处理器被编程为控制关于电气电路故障和系统通电、误引线、寿命终止和相损失状况的可视和可听指示器。 使可视和可听指示器用于电气电路故障和系统通电、误引线、寿命终止和相损失状况。 使微处理器被编程为监视并且所述系统显示像电压、电流、功率和能量这样的电气电路仪器测量。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生以与作用在基础电流负载频率上的电弧放电现象的充分数字表示相一致的频率采样的电流传感器ADC测量结果。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生范围经比例缩放的电流传感器测量结果以及发生范围比例缩放改变的指示。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，利用N个样本时间仓的M个过去中断周期产生经比例缩放的电流传感器测量结果的先进先出N个时间、M个过去周期存储器映射。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，对过去周期的存储器映射内的每个样本时间仓产生经比例缩放的电流传感器测量结果的均值。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生跨N个样本时间仓的经比例缩放的电流传感器测量结果的平均功率值。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生经比例缩放的电流传感器测量结果的过去周期的存储器映射和每个样本时间仓的对应的均值之间的数据差值。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，对过去周期的存储器映射内的每个样本时间仓产生数据差值零交叉的量。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，对具有充分量的数据差值零交叉的特定样本时间仓产生经比例缩放的电流传感器测量结果的零交叉方差值。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，对具有充分量的数据差值零交叉的特定样本时间仓产生经比例缩放的电流传感器测量结果的平均功率归一化的零交叉方差值。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，对没有充分量的数据差值零交叉的特定样本时间仓产生经比例缩放的电流传感器测量结果的被归零值的归一化零交叉方差。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生以具有最大归一化零交叉方差值的样本时间仓为中心的具有经比例缩放的电流传感器测量结果的归一化零交叉方差值的X个样本时间仓。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，跨以具有最大归一化零交叉方差值的仓为中心的X个采样时间仓产生经比例缩放的电流传感器测量结果的结合归一化零交叉方差值。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置，产生经比例缩放的电流传感器测量结果的经平均的过去结合的归一化零交叉方差值。 使用来检测电阻性和屏蔽负载电流波形上的并联和串联电弧故障的装置在经比例缩放的电流传感器测量结果的经平均的过去结合的归一化零交叉方差值大于电弧故障检测限度时产生。 使微处理器被编程为执行减轻由像吊扇和电钻这样的正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的频域算法。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，利用与基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的离散傅里叶变换(DFT)处理的相干时间采样相一致的采样频率产生电流传感器ADC测量结果。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生范围经比例缩放的电流传感器测量结果以及发生范围比例缩放改变的指示。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生与基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的相干时间采样相一致的经比例缩放的电流传感器测量结果的N规模DFT样本时间输入阵列。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生与基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的相干时间采样相一致的被预计算的正弦和余弦DFT基函数的N规模阵列。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的经比例缩放的电流传感器测量结果的DFT实部和虚部。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的经比例缩放的电流传感器测量结果的DFT幅度。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的经比例缩放的电流传感器测量结果的DFT实部和虚部。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的经比例缩放的电流传感器测量结果的DFT幅度。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的经比例缩放的电流传感器测量结果的基础电流负载频率归一化DFT幅度。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置，产生基础电流负载频率的2次和3次谐波分量的经比例缩放的电流传感器测量结果的过去经平均的基础电流负载频率归一化DFT幅度。 使用来减轻由正常电弧放电电机驱动装置导致的错误电弧放电电路检测和中断的装置产生自“ArcFaultPossible”标志的磁滞控制，该磁滞控制包括以下步骤:当“ArcFaultPossible”标志处于被清除状态并且经比例缩放的电流传感器测量结果的过去经平 均的基础电流负载频率归一化2次谐波DFT幅度小于通过经比例缩放的电流传感器测量结果的过去经平均的基础电流负载频率归一化3次谐波DFT幅度调整的3次谐波下限时，设置“ArcFaultPossible”标志；当“ArcFaultPossible”标志处于被设置状态并且经比例缩放的电流传感器测量结果的过去经平均的基础电流负载频率归一化2次谐波DFT幅度大于通过经比例缩放的电流传感器测量结果的过去经平均的基础电流负载频率归一化3次谐波DFT幅度调整的3次谐波上限时，清除“ArcFaultPossible”标志。
【文档编号】H02H3/00GK103999309SQ201280062217
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年10月4日 优先权日:2011年10月14日
【发明者】温德尔·E·托米姆班, 兰德尔·J·穆拉韦齐 申请人:真安全技术有限公司