专利名称：电弧故障检测设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测配电系统中的电弧故障的设备，具体涉及一种电弧故障检测设备，它可将造成起火的有害电弧与起动电气设备时和操作调光器(dimmer)时产生的电压有效地区别开，其中这些电压常常被误认为是电弧。
背景技术：
电弧故障的原因各种各样，例如，老化，绝缘材料和导线的破损，由过量使用或过高电压引起的机械和电应力，连接故障，以及导线受到的过量机械故障。一般，在住宅楼或商务楼中发生的电弧故障可划分为三种情况。
第一种，在与负载串联连接的导线间会发生串联电弧(接触电弧)。图1示出了发生串联电弧的情况。参照图1，构成电缆10的导线14和16由绝缘材料12隔离并覆盖，从而实现绝缘。在图1中，上导线14在预定区域中断裂，并产生串联间隙18。当在该状态下发生电弧时，在电缆中局部地产生大量热量。并且，当继续产生热量从而足以使与电弧发生区域邻接的绝缘材料破裂或碳化时，将会起火。在串联电弧中，电弧中流动的电流大小由负载控制。
第二种，如图2所示，在导线间会发生并联电弧(线路电弧)。参照图2，电缆20中的导线24和26由外绝缘层22包围并由内绝缘层28隔离。当内绝缘层28如部分21那样老化或损伤时，在上导线24和下导线26之间会发生电弧故障23。对线路系统有影响的过量直接光照或雷击导致的碳化，或者当电缆被压在椅子之类的家具下时电缆加长接头部分所受到的切割机械操作都会使内绝缘层发生老化或损伤。
第三种，如图3所示，在导线和大地之间会发生接地电弧。参照图3，如并联电弧那样，当电缆30的用于对导线34和36加以保护的绝缘层38发生破损，并且导线36通过破损部分39接地时，会发生接地电弧。
特别是，由于并联电弧和接地电弧是与负载并联的，因而电弧中流动的电流会根据负载的而变化。如上所述，当电缆的老化现象长时间继续时，电缆外覆层由于电缆碳化而受损，并且由于电弧电流而产生焦耳热，使得电缆老化更严重。此时，焦耳热为J＝(电弧电流)2×时间，并且根据焦耳热，由于电缆碳化而发生电弧。
图4是示出本领域中的一般电弧故障检测设备的构成的方框图。
参照图4，常规电弧故障检测设备包括电流检测器400、信号转换器402、电平判定单元404、电弧信号检测器406、以及断路器408。在常规电弧故障检测设备中，检测器400检测流过相导线416的电流，信号转换器402把电流检测器中检测到的信号变换成适合于判定电弧的信号。
电平判定单元404判定信号转换器402的输出电平是否超过预定基准电压，并当输出电平超过基准电压时产生输出信号。电弧信号检测器406对电平判定单元404的输出信号进行积分，并判定积分信号是否超过预定基准电压，当积分信号超过基准电压时，产生电弧检测信号。电弧检测信号被输入到断路器408，断路器切断连接电源410与负载412的相导线。
提到电弧检测器，最困难的问题是起动电气设备时的信号和来自调光器的信号。这两种信号在形式上很相似，使得常规电弧故障检测器会把起动电气设备时发生的信号和由调光器发生的信号误认为是电弧并经常切断电路。
由于起动电气设备时发生的波形和引起火灾等的有害电弧的波形类似，因而常规电弧故障检测设备利用这两种波形具有不同占空系数这一特征来区分这两种波形，并切断电路。电弧信号检测器406对电平判定单元的输出信号进行积分的原因就是为了确定信号的占空系数。
操作调光器时产生的信号与电弧信号在波形上类似，并也具有占空系数较长这一特征，这与起动电气设备时产生的信号是不同的。因此，常规电弧故障检测设备存在的问题是，它把操作调光器时发生的信号误认为电弧信号并切断固定电路。而且，由于操作调光器时发生的信号与电弧信号在幅度上很相似，因而利用常规信号的幅度来检测电弧的设备不能把有害电弧与操作调光器时发生的信号区分开。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，本发明的目的是提供一种通过把电弧信号与操作调光器时和起动电气设备时发生的信号区别开来，从而防止错误跳闸的电弧故障检测设备。
本发明的另一目的是提供一种利用电弧信号的频率高于操作调光器时和起动电气设备时发生的信号的频率这一特征，从而把电弧信号与操作调光器时和起动电气设备时发生的信号区别开的电弧故障检测设备。
本发明的另一目的是提供一种放大所检测的信号、确定频率成分并检测电弧信号，以便更精确地了解所检测信号的频率特征的电弧故障检测设备。
根据本发明，上述和其他目的可通过提供一种电弧故障检测设备来达到，该电弧故障检测设备包括电流检测器，用于检测流过导线的电流的变化量，并产生与该变化量成正比的信号；信号转换器，用于使从电流检测器输出的信号的高频成分通过，并限制该信号的电平，以不超过一个固定的信号电平；第一电平限制放大器，用于放大从信号转换器输出的信号，以限制该输出信号的电平；信号电平检测器，用于判定输入信号是否超过固定的第一电压，并产生检测信号；脉冲发生器，用于把从信号电平检测器输出的检测信号变换成归一化脉冲的形式；第一电弧判定单元，用于在预定时间中对从脉冲发生器输出的脉冲信号进行计数，判定是否发生电弧，并产生电弧检测信号；以及断路器，用于在产生了电弧检测信号时切断导线。
通过以下的详细说明，结合附图，可以更清楚地理解本发明的其他目的、特征和优点。在图中
图1显示了发生串联电弧的情况；图2显示了发生并联电弧的情况；图3显示了发生接地电弧的情况；图4是本领域中的普通电弧故障检测设备的方框图；图5是根据本发明一优选实施例的电弧故障检测设备的方框图；图6a示出了根据本发明一优选实施例的电流检测器的电路结构；图6b示出了根据本发明另一优选实施例的电流检测器的电路结构；图7a示出了从电流检测器输出的电弧信号波形的示例，图7b示出了从电流检测器输出的调光器信号波形的示例，图7c示出了从电流检测器输出的起动电气设备时发生的信号波形的示例，图7d示出了从电流检测器输出的正常信号波形的示例；图8示出根据本发明一优选实施例的信号转换器的详细结构的方框图；图9a示出了从第一电平限制放大器输出的电弧信号波形的示例，图9b示出了从第一电平限制放大器输出的调光器信号波形的示例，图9c示出了从第一电平限制放大器输出的起动电气设备时发生的信号波形的示例，图9d示出了从第一电平限制放大器输出的正常信号波形的示例；图10示出了根据本发明一优选实施例的信号电平检测器的详细结构图；图11示出了根据本发明一优选实施例的脉冲发生器的详细结构的方框图；图12示出了根据本发明一优选实施例的第一电弧判定单元的详细结构的方框图；图13示出了根据本发明一优选实施例的整流器的电路结构图；图14示出了根据本发明一优选实施例的分压器和滤波/延迟单元的电路结构图；图15示出了根据本发明一优选实施例的电平限制器的电路结构图；图16示出了根据本发明一优选实施例的滤波器的电路结构图；图17a示出了根据本发明一优选实施例的第一电平限制放大器的电路结构图；图17b示出了根据本发明一优选实施例的第一电平限制放大器的电路结构图；图18a示出了从高通滤波器输出的电弧信号波形的示例，图18b示出了从高通滤波器输出的调光器信号波形的示例，图18c示出了从高通滤波器输出的当起动电气设备时发生的信号波形的示例，图18d示出了从高通滤波器输出的正常信号波形的示例；图19示出了根据本发明一优选实施例的第二电平限制放大器的电路结构图；图20a示出了从第二电平限制放大器输出的电弧信号波形的示例，图20b示出了从第二电平限制放大器输出的调光器信号波形的示例，图20c示出了从第二电平限制放大器输出的当起动电气设备时发生的信号波形的示例，图20d示出了从第二电平限制放大器输出的正常信号波形的示例；图21示出了根据本发明一优选实施例的信号电平检测器的电路结构图；图22示出了根据本发明一优选实施例的脉冲发生器的信号传感器的电路结构图；图23示出了根据本发明一优选实施例的脉冲发生器的充电器和比较器的电路结构图；图24示出了根据本发明一优选实施例的脉冲发生器的信号延迟单元的电路结构图；图25示出了根据本发明一优选实施例的第一电弧判定单元的电路结构图；图26示出了根据本发明一优选实施例的第二电弧判定单元的结构图；图27a示出了在发生电弧的情况下在计数器中积分的信号波形，图27b示出了在使用调光器的情况下在计数器中积分的信号波形，图27c示出了在起动电气设备的情况下在计数器中积分的信号波形，图27d示出了在正常状态下在计数器中积分的信号波形；图28示出了根据本发明第三实施例的电弧故障检测设备的方框图；图29示出了根据本发明第五实施例的电弧故障检测设备的方框图。
具体实施例方式
现在，将参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
图5示出了根据本发明一优选实施例的电弧故障检测设备的方框图。
如图5所示，电弧故障检测设备可以包括电流检测器500、信号转换器502、第一电平限制放大器504、高通滤波器526和第二电平限制放大器506、信号电平检测器508、脉冲发生器510和第一电弧判定单元512、断路器514和第二电弧判定单元524。电流检测器500检测流过相导线518的电流的变化量，并输出电流检测信号。虽然图5显示的是电流检测器与连接在电源和负载之间的相导线518连接的情况，然而本领域技术人员将意识到，电流检测器500与中性线以及与中性线和相导线连接的情况也包括在本发明的范围中。
信号转换器502执行把电流检测器500的输出信号变换成判定是否发生电弧所用的信号的功能。从电流检测器500输出的电流检测信号是交流形式，一般具有非常高的均方根。因此，信号转换器对电流检测信号进行整流，并把信号电平的大小限制到特定的值，以保护固定电路。同时，信号转换器502执行使从电流检测器500输出的信号中的高频信号通过的功能。由于电弧信号包含很多高频信号，并且正常的市电频率是低频率，因而信号转换器仅使高频率通过。
第一电平限制放大器504执行放大从信号转换器输出的信号的功能。本发明利用电弧信号与起动电气设备时的信号和调光器信号相比包含更多高频成分这一特征来检测电弧。从电流检测器输出的信号由具有高幅值的主信号和主信号之间的具有小幅值的副信号组成。由于电弧信号是高频信号，因而主信号间的副信号产生得更多。
然而，由于副信号具有非常小的幅值，因而难以检测它们。因此，根据本发明，由第一电平限制放大器504对信号转换器502输出的信号进行放大，以便精确地检测副信号。由于主信号具有高幅值，并且对具有高幅值的信号进行再次放大时可能会损坏电路，因而根据本发明，可以通过限制放大程度来放大信号。
根据本发明的一个实施例，可使用普通的OP放大器来放大信号转换器502的输出信号。
高通滤波器526仅通过第一电平限制放大器504的输出信号中具有高频成分的信号。
第二电平限制放大器506放大高通滤波器526的输出信号。当通过高通滤波器526时，由于阻抗分布和低频信号的去除而使信号电平衰减。因此，第二电平限制放大器对衰减后的信号进行再次放大，通过两次放大，副信号和主信号之间的幅值差减小。下面结合另一图对第二电平限制放大器的详细构成进行说明。
第二电弧判定单元524通过在预定时间中对第二电平限制放大器506的输出信号求积分来判定是否检测到了电弧。第二电弧判定单元执行判定诸如并联电弧那样的瞬时电弧的功能。
信号电平检测器508执行把第二电平限制放大器506的输出信号与基准信号电平进行比较，并当放大器506的输出信号高于基准信号电平时输出检测信号的功能。
根据本发明的一个实施例，可在第二电平限制放大器506和信号电平检测器508之间包括一个稳压电路，在该情况下，稳压电路的输出信号被输入到信号电平检测器508。
脉冲信号发生器510在信号电平检测器508输出了检测信号的情况下实现生成具有预定宽度和高度的脉冲信号的功能。本发明利用了电弧信号与调光器信号和起动电气设备时发生的信号相比具有更多高频成分这一特征，以便把调光器信号和起动电气设备时发生的信号与电弧信号区别开。即，与调光器信号和起动电气设备时发生的信号相比，电弧信号会使信号电平检测器508更频繁地输出检测信号。然而，调光器信号和起动电气设备时发生的信号的信号幅值和信号宽度不是固定的而且会发生不同的变化。因此，为了对信号的检测频度进行精确计数，根据本发明，当从信号电平检测器508输出检测信号时，产生具有固定的信号宽度和幅值的脉冲。下面结合其他图对脉冲发生器510的详细构成进行说明。
第一电弧判定单元512执行接收在脉冲发生器510中发生的脉冲信号并判定是否发生电弧的功能。第一电弧判定单元512执行对在脉冲发生器510中产生的脉冲进行计数并判定是否发生电弧的功能。即，第一电弧判定单元512把预定脉冲数与在固定时间中收到的脉冲数进行比较，并当收到的脉冲数大于该预定脉冲数时输出电弧检出信号。如上所述，电弧信号与调光器信号和起动电气设备时发生的信号相比具有更多的高频成分。因此，调光器信号和起动电气设备时发生的信号与电弧信号相比产生更少的脉冲数。同时，由于高频成分的信号由第一和第二电平限制放大器放大，因而可更精确地检测高频成分。
断路器514执行接收从第一电弧判定单元512输出的第一电弧检测信号和从第二电弧判定单元输出的第二电弧检测信号并切断连接电源与负载的相导线的功能。虽然图5示出了断路器514与相导线518连接并切断相导线518，然而显然，本领域技术人员将明白，断路器514可以与中性线516连接并切断中性线516。
根据本发明，断路器514可以包括电磁线圈和开关，当收到电弧检测信号时接通电磁线圈，并利用电磁线圈的磁信号改变开关的位置来切断电路。
图6a示出了根据本发明一优选实施例的电流检测器的电路结构图。
如图6a所示，根据本发明的电流检测器可实施为电流互感器600。以上对电流互感器600不与相导线连接而与中性线连接并可检测电流变化量的事实作了说明。
图6b示出了根据本发明的另一优选实施例的电流检测器的电路结构图。
图6b所示的电流检测电路是用于使用分流法检测电流量的电路。
在图6b中，与相导线并联连接的电阻R601用作并联电阻。虽然图6b示出了并联电阻与相导线连接的配置，然而本领域技术人员将意识到，使中性线与该并联电阻连接也包含在本发明的范围内。当电阻R601与相导线并联连接时，电流将根据相导线的固有阻抗与并联电阻的大小之比而流到并联电阻。由于流过相导线和电阻R601的电流大小成比例关系，因而流过并联电阻的电流大小的信息可用来确定电流量。
根据本发明的另一实施例，电流检测器500构成为logosky传感器，并可以输出与电流随电压而变化的量成比例的信号，这与电流互感器类似。
图7a示出了从电流检测器输出的电弧信号波形的示例，图7b示出了从电流检测器输出的调光器信号波形的示例，图7c示出了从电流检测器输出的起动电气设备时发生的信号波形的示例，图7d示出了从电流检测器输出的正常信号波形的示例。
如图7a至图7d所示，可以确定，调光器的输出信号或起动电气设备时发生的信号具有高信号电平，而它一般是高频信号。对于电弧信号，除了主信号以外还存在许多在主信号间具有较低电压电平的副信号，它们与其他信号相比被确认为是高频信号。而且，电弧信号与正常信号相比具有高幅值。可以确定，正常信号波形具有低幅值和低频信号。
图8示出了根据本发明一优选实施例的信号转换器的详细结构框图。如图8所示，根据本发明的一个实施例的信号转换器502可以包括整流器800、分压器802、滤波/延迟单元804、电平限制器806以及滤波器808。
整流器800执行对电流检测信号进行整流的功能。
分压器802执行把从整流器800输出的电压按照预定比率进行分配的功能。从整流器800输出的电压根据情况可以是高电压，因为这种信号对电路部件有影响，因此要进行衰减。分压可使用分压电阻来实施。
滤波/延迟单元804执行使信号的高频带通过并使从滤波器输出的信号延迟的功能。从分压器802输出的信号包括具有直流成分的所有频带的信号。然而，由于直流成分等的低频成分与电弧无关，因而仅使高频带的信号通过高通滤波器。而且，由于高通滤波器包括电容部件，因而它使用电容使输入信号延迟，以便不输出脉冲信号。
如果从滤波/延迟单元804输出的信号电平超过预定电平，则电平限制器806执行限制所超过的信号电平的功能。分压器802和滤波/延迟单元804使电流检测器的输出信号衰减到某种程度，但是存在一种情况是，输出了具有非常高的输出电平的脉冲信号，从而电平限制器806要把信号的输出电平限制在预定电平以下，以保护固定电路。根据本发明的一个实施例，电平限制器806可以使用齐纳二极管来实施。滤波器808用作为使电平限制器806的输出信号的高频信号通过的高通滤波器。
图10示出了根据本发明一优选实施例的信号电平检测器的详细结构图。
如图10所示，根据本发明一优选实施例的信号电平检测器包括比较器1000和第一基准电压发生器1002。第一基准电压发生器1002执行产生第一基准电压并将其输入到比较器1000的功能。
比较器1000把第二电平限制放大器506的输出信号电平与从第一基准电压发生器1002输出的信号进行比较。并且，当第二电平限制放大器506的输出信号高于第一基准电压发生器1002的输出电压电平时，比较器输出检测信号。如上所述，可以在第二电平限制放大器506和信号电平检测器之间插入一个稳压电路，并且在该情况下，比较器把稳压电路的输出信号与第一基准电压进行比较。
由于副信号由第一电平限制放大器504和第二电平限制放大器506充分放大，因而信号电平检测器508可更精确地检测副信号。
图11示出了根据本发明一优选实施例的脉冲发生器的详细结构框图。
如图11所示，根据本发明一优选实施例的脉冲发生器510包括信号传感器1100、充电器1102、比较器1104、第二基准电压发生器1106以及信号延迟单元1108。
信号传感器1100执行探测信号电平检测器508是否输出了检测信号的功能。根据本发明的优选实施例，信号传感器1100与信号电平检测器的输出级连接，并判定检测信号是否超过固定的基准信号电平，以探测检测信号。当信号检测器1100探测检测信号的输出时，它产生探测信号并将其输入到充电器1102和信号延迟单元1108。
当信号传感器1100输出探测信号时，充电器1102开始充电。充电器1102可以构成为电阻和电容，构成普通的充电电路和提供充电电压的电源。充电时间决定在脉冲发生器510中产生的脉冲宽度。
当信号传感器输出探测信号时，信号延迟单元1108执行使探测信号延迟的功能。即，当信号电平检测器508输出检测信号并且信号传感器1100探测到该检测信号时，信号延迟单元使该信号延迟并产生方波脉冲。如上所述，信号电平检测信号是作为不同幅值和宽度的信号而输出的。当输出不同幅值和宽度的信号时，难以把握信号的精确频率成分。由于本发明利用了电弧信号与调光器信号和起动电气设备时发生的信号相比具有更高频率这一特征，因而通过使信号延迟来产生具有固定幅值和宽度的脉冲，以便精确地检测频率。
第二基准电压发生器1106产生预定的充电完成电压并将其提供给比较器1604。当在充电器1102中充入的电压超过在第二基准电压发生器中产生的充电完成电压时，比较器1104产生输出信号。
比较器1104的输出信号被输入到信号延迟单元1108，并且信号延迟单元1108接收到比较器的输出信号而停止使信号延迟。即，当信号传感器1100探测信号时，信号延迟单元1108使信号延迟，当比较器1104产生输出信号时，信号延迟单元1108停止使信号延迟，从而产生了方波脉冲。由于充电器的充电时间是固定的，因而信号延迟单元总是能产生具有固定宽度的脉冲。充电器1102在其接收到比较器的输出信号或者探测到信号延迟单元已停止信号延迟时，停止充电并释放所充入的电压。
图12示出了根据本发明一优选实施例的第一电弧判定单元的详细结构框图。
如图12所示，根据本发明一优选实施例的第一电弧判定单元可以包括计数器1200、第三基准电压发生器1202以及比较器1204。计数器1200执行对从脉冲发生器510输出的脉冲数进行计数的功能。根据本发明的一优选实施例，计数器1200通过对从脉冲发生器510输出的脉冲进行积分来对脉冲数进行计数。
第三基准电压发生器1202把判定为电弧信号的基准电压输入到比较器1204。比较器1204把计数器中的积分电压与从第三基准电压发生器输出的第三基准电压进行比较，当前者高于后者时输出第一电弧检测信号。
由于电弧信号与调光器信号和起动电气设备时发生的信号相比具有更多的高频成分，因而当发生电弧信号时，脉冲发生器在预定时间中产生更多脉冲。因此，当第三基准电压高于调光器信号或起动电气设备时发生的信号的脉冲的积分电压时，可仅对电弧信号进行检测。
如上所述，从比较器1704输出的第一电弧检测信号被输入到断路器1012，使得断路器1012切断连接电源与负载的导线。
图13示出了根据本发明一优选实施例的整流器的电路结构图。
图14示出了根据本发明一优选实施例的分压器和滤波/延迟单元的电路结构图。
在图14中，两个电阻R140和R141用作分压器。因此，从整流器800输出的信号根据电阻R140和R141的值进行分配。电阻R141和电容C142执行滤波/延迟单元的功能。电阻R141和电容C142用作高通滤波器并使高频信号通过。电容C142使信号延迟并防止输出过量的脉冲。
图15示出了根据本发明一优选实施例的电平限制器的电路结构图。
即使分压器802使整流信号按照固定比率进行了衰减以稳定电路，电平限制器806也要限制输入到电路的电压电平，这是由于，当发生过量脉冲时，即使是衰减后的信号也会对电路产生影响。
图16示出了根据本发明一优选实施例的滤波器的电路结构图。
图16所示的电路是高通滤波器电路，其仅通过电平限制器806输出的信号中与电弧有关的信号。
图17a示出了根据本发明一优选实施例的第一电平限制放大器的电路结构图。
第一电平限制放大器输出信号变换输出信号的放大 倍的信号。
而且，由于信号通过OP放大器170进行了放大，因而第一电平限制放大器不会把该信号放大到偏压Vcc以上。
图17b示出了根据本发明的另一实施例的第一电平限制放大器的电路结构图。
图17a所示的第一电平限制放大电路是在非反相状态下放大输出电压的电路，图17b所示的第一电平限制放大电路是在反相状态下放大输出电压的电路。
图17b所示的电平限制放大器把信号变换输出信号放大 倍并输出反相信号。
图9a是从第一电平限制放大器输出的电弧信号波形的示例，图9b是从第一电平限制放大器输出的调光器信号波形的示例，图9c是从第一电平限制放大器输出的起动电气设备时发生的信号波形的示例，图9d是从第一电平限制放大器输出的正常信号波形的示例。
如图9a至图9d所示，由于在限制信号电平后执行放大，因而输出的所有信号的幅值差不多。然而，对于电弧信号，由于其副信号被充分放大，因而电弧信号被判定为高频信号，并且电弧信号以外的信号被确认为频率比电弧信号频率低的信号。
图18a示出了从高通滤波器输出的电弧信号波形的示例，图18b示出了从高通滤波器输出的调光器信号波形的示例，图18c示出了从高通滤波器输出的起动电气设备时发生的信号波形的示例，图18d示出了从高通滤波器输出的正常信号波形的示例。
如图18a至图18d所示，可以确定，当信号通过高通滤波器时，信号电平由于分压和低频成分的去除而被衰减。
图19示出了根据本发明一优选实施例的第二电平限制放大器的电路结构图。
如图19所示，根据本发明一优选实施例的第二电平限制放大器可以包括OP放大器194；电阻R191，连接在OP放大器194的输出端和非反相输入端之间；电阻R192，连接在OP放大器194的输出端和反相输入端之间；以及电阻R193，连接在OP放大器194的反相输入端和地之间。
在图19中，高通滤波器的输出信号被输入到OP放大器104，OP放大器194使用 的放大率放大具有输入信号的高通滤波器的输出信号。
尽管第一电平限制放大器504的输出信号是正信号，然而在第一电平限制放大器的输出信号通过高通滤波器时，可以输出负信号。此时，OP放大器194也执行负信号的放大操作。负信号的放大率由从电阻R191和非反相输入端观察到的阻抗来决定。
电容可以用来取代电阻R191。在使用电容的情况下，可以使用第二电平限制放大器去除噪声。
图20a示出了从第二电平限制放大器输出的电弧信号波形的示例，图20b示出了从第二电平限制放大器输出的调光器信号波形的示例，图20c示出了从第二电平限制放大器输出的起动电气设备时发生的信号波形的示例，图20d示出了从第二电平限制放大器输出的正常信号波形的示例。
如图20a至图20d所示，来自高通滤波器的输出信号的正信号和负信号都使用第二电平限制放大器进行了放大。而且，通过两次放大，主信号和副信号之间的幅值差减小。因此，可以更清楚地看出电弧信号与其他信号相比是高频信号。
图21示出了根据本发明一优选实施例的信号电平检测器的电路结构图。
如图21所示，根据本发明的一个实施例的信号电平检测器可以包括3个晶体管Q210、Q211和Q212。第二电平限制放大器的输出信号被输入到晶体管Q210的基极端。图21所示的电路是共发射极电路，其中晶体管Q210和Q211的发射极连接在一起，将第一基准电压信号输入到晶体管Q210的基极端。
如果第二电平限制放大器的输出信号电平高于第一基准电压，则晶体管Q210的基极电压高于发射极电压，使得晶体管Q212导通。当晶体管Q210导通时，晶体管Q210的输出信号被输入到晶体管Q212的基极。当该输出信号被输入到晶体管Q212的基极时，晶体管Q212导通，并且晶体管Q212的集电极产生检测信号。如果第二电平限制放大器的输出信号电平低于第一基准电压，则由于晶体管Q210的基极电压不高于其发射极电压，因而晶体管Q212不导通，并且晶体管Q212的集电极不输出检测信号。
图22示出了根据本发明一优选实施例的脉冲发生器的信号传感器的电路结构图。
如图22所示，根据本发明的一个实施例的信号传感器可以包括3个晶体管Q220、Q221和Q212。
图22所示的电路与信号电平检测器连接，并通过判定检测信号是否超过预定基准电压来探测检测信号。检测信号被输入到晶体管Q220的基极端，基准电压被输入到晶体管Q221的基极端，两个晶体管Q220和Q221的发射极连接在一起。如果输入到晶体管Q220的基极端的信号是正常检测信号，则其输出电平高于基准电压的输出电平。因此，当输入正常检测信号时，晶体管Q220的基极电压高于其发射极电压，使得晶体管Q220导通。
当晶体管Q220导通时，晶体管Q220的输出信号被输入到晶体管Q222的基极。当该输出信号被输入到晶体管Q222的基极时，晶体管Q222导通，并且晶体管Q222的输出信号输出探测信号。
图23示出了根据本发明一优选实施例的脉冲发生器的充电器和比较器的电路结构图。
当信号传感器输出探测信号时，充电器的电容C231由偏压Vcc1充电。电容C231中的充电电压被输入到晶体管232的基极，第二基准电压被输入到晶体管Q233的基极。
当在电容C231中充入的电压超过第二基准电压时，晶体管Q232导通。当晶体管Q232导通时，晶体管Q232的输出信号被输入到晶体管Q234的基极，晶体管Q234导通。当晶体管Q234导通时，晶体管Q234的集电极产生充电完成信号，该充电完成信号被输入到信号延迟单元1108。
图24示出了根据本发明一优选实施例的脉冲发生器的信号延迟单元的电路结构图。
在图24中，从信号传感器1100输出的探测信号被输入到晶体管Q240的基极。当探测信号被输入到晶体管Q240的基极时，晶体管Q240导通。当晶体管Q240导通时，晶体管Q241截止，因此晶体管Q242导通。
如图24所示，晶体管Q242的集电极通过电阻R245与晶体管Q241的基极连接。即，晶体管Q242的输出端再次与晶体管Q241的输入端连接。因此，一旦输出了探测信号并且晶体管Q242导通，晶体管Q242就继续产生高态的输出。
在输出探测信号后，由于比较器1104每隔固定的时间就产生充电完成信号，因而晶体管Q242总是产生具有固定宽度和幅值的脉冲。从晶体管Q242输出的脉冲信号被输入到电弧判定单元512。当从比较器1104输入充电完成信号时，晶体管Q244导通，并且晶体管Q244的集电极与充电器1102的电容连接。因此，当晶体管Q244导通时，充电器1102的电容接地并放电。因此，当充电完成时，充电器的充电电压再次被释放。当输出新的探测信号时，比较器每隔固定的时间产生充电完成信号。
图25示出了根据本发明优选实施例的第一电弧判定单元的电路结构图。
在图25中，计数器1200由电阻R250和电容C251组成，比较器1204由3个晶体管Q252、Q253和Q254组成。从脉冲发生器输出的脉冲信号通过电阻R250被输入到电容C251，电容C251对输出脉冲信号进行积分。如上所述，在发生电弧的情况下，由于与使用调光器或者起动电气设备的情况相比输出更高频率信号，因而从脉冲发生器输出更多脉冲，并且在电容C251中积累了更高的电压。在电容C251中积累的电压被输入到晶体管Q252，并向晶体管Q253的基极输入第三基准电压。
如果在电容C253中充入的电压超过第三基准电压，则晶体管Q252导通，并且晶体管Q252的输出信号被输入到晶体管Q254。当晶体管Q252的输出信号被输入到晶体管Q254的基极时，晶体管Q254导通，并且晶体管Q254的集电极输出第二电弧检测信号。该电弧检测信号被输入到断路器514，断路器514通过切断相导线来停止从电源向负载传送电力。
图27a示出了在发生电弧的情况下在计数器中积分的信号波形的图，图27b示出了在使用调光器的情况下在计数器中积分的信号波形的图，图27c示出了当起动电气设备的情况下在计数器中积分的信号波形的图，图27d示出了在正常状态下在计数器中积分的信号波形的图。
如图27a至图27d所示，可以确定，当发生电弧而不是调光器信号和起动电气设备时发生的信号时，在计数器中积累了更高的电压。
图26示出了根据本发明一优选实施例的第二电弧判定单元的结构图。
如图26所示，根据本发明的一个实施例的第二电弧判定单元可以包括积分器260、比较器262以及第四基准电压发生器264。
第二电弧判定单元用于检测并联电弧，该并联电弧是当金属材料与导线接触，例如，把钉子钉入内部具有导线的墙壁中时发生的。这种并联电弧信号是瞬时发生的，并产生非常高幅值的信号。
因此，判定是否发生瞬时电弧不是与在上述正常电弧中一样通过分析频率成分来进行，而是通过分析信号幅值来进行。
在图26中，积分器260用于对从第二电平限制放大器506输出的信号进行积分。根据本发明的一优选实施例，积分器可以与第二电弧判定单元的计数器中一样，使用由电阻和电容组成的积分电路来实施，并且最好仅通过减小积分器的RC常数值而在短时间内对信号进行积分。
第四基准电压发生器264把用于确定瞬时电压的基准电压提供给比较器。比较器262把从第四基准电压发生器提供的电压与在积分器260中积分的电压进行比较，并当积分电压高于来自第四基准电压发生器的电压时输出第一电弧检测信号。由于积分器260和比较器262的电路构成与第二电弧判定单元的计数器和比较器类似，因而省略对其详细说明。
图28示出了根据本发明的第三实施例的电弧故障检测设备的方框图。参照图28，该设备包括电弧判定单元715，用于判定从连接电源与负载的电路的相导线418中检测到的电弧信号是否是有害电弧信号；中性线检测器700，用于根据由电源端提供电力的中性线的状态检测结果以及电弧判定单元715的控制来切断中性线414和相导线416；第一电流检测器701，用于检测流经相导线418的RF电流；第一电弧检测器710，用于放大从第一电流检测器701输出的弱RF信号，并去除无用RF信号，以检测电弧信号并把所检测的电弧信号输出到电弧判定单元715；第二电流检测器702，用于检测流经相导线418的电流的变化，并产生与该电流变化成比例的信号；第二电弧检测器730，用于放大第二电流检测器702的输出信号，并通过高频带通滤波器(HPF)检测电弧信号；以及控制器720，用于根据第二电流检测器702的输出信号来控制第一电弧检测器710，去除无用信号并衰减输入信号的电平，以把衰减后的信号电平提供给电弧判定单元715，并衰减第二电弧检测器730的输出信号。
第一电弧检测器710包括第一放大器711，用于放大从第一电流检测器701输出的弱射频信号；第一滤波器712，用于对第一放大器711的输出信号进行滤波；以及第二和第三放大器713和714，用于对第一滤波器712的输出信号进行两级放大，并把两级放大后的信号输出到电弧判定单元715。
第二电弧检测器730包括第11滤波器731，用于使第二电流检测器702的输出信号的RF成分通过，以限制接收信号电平；第11放大器732，用于限制和放大第11滤波器731的输出信号电平；第12滤波器733，用于对第11放大器732的输出信号进行高通滤波；第12放大器734，用于把通过第12滤波器733时衰减了的RF信号放大到预定电平；以及第13滤波器735，用于从第12放大器734的输出RF信号中去除噪声。
控制器720包括第四放大器721，用于把第二电流检测器的输出信号放大到预定电平；第一直流变换器722，用于把第四放大器721的输出信号变换成直流信号；第一比较器723，用于把第一直流变换器722的输出直流信号与基准信号进行比较，并根据比较结果来控制第一电弧检测器710的第三放大器714的操作；第二比较器724，用于把第一直流变换器722的输出直流信号与预定电平信号进行比较，并确定浪涌/冲击信号(surge/inrush signal)；第一电平衰减器725，用于从第二比较器724的输出信号中去除无用的信号，并把去除了无用信号之后的信号输出到电弧判定单元715；第三比较器726，用于把第一直流变换器722的输出直流信号与预定信号进行比较，并判定是否存在负载；第二电平衰减器727，由第三比较器726的输出信号来驱动，用于在存在负载时衰减输入到电弧判定单元715的信号电平，并且当从第二电弧检测器730的第13滤波器735输出了信号时衰减输入到电弧判定单元715的信号电平；以及偏压电阻728，用于防止第二电平衰减器727的电压下降。
下面，将参照图28和图29对根据本发明的第三实施例的上述构成的设备的操作进行说明。
首先，从流经电源与负载之间的中性线和相导线的电流中检测电弧信号，然后判定所检测的电弧信号是有害电弧信号还是在诸如电气装置的通电/断电那样的正常操作中产生的正常电弧信号。
参照图28，当中性线414断开时，电源电压工作异常。因此，中性线检测器700在检测电流之前检测中性线414是否断开。换句话说，由于当中性线断开时电路不能正常工作，因而用于切断电力的电磁线圈(未示出)不工作，报警发生装置不工作，并且开关不接通。如果电磁线圈不工作，则磁铁不工作，因此电路工作不正常。
因此，在中性线414断开时或者由电弧判定单元715的控制切断相导线416的电源供应。
第一电流检测器701检测流经相导线418的RF电弧信号。第一电流检测器701采用并联方式检测电流。
由第一电流检测器701检测到的弱RF电弧信号通过第一电弧检测器710进行放大和滤波，并输出到电弧判定单元715。当判定为所检测到的电弧信号是有害电弧信号时，电弧判定单元715操作电路切断单元(未示出)，以阻止输入有害电弧信号。
第一电弧检测器710通过第一放大器711、第一滤波器712以及第二和第三放大器713和714把从第一电流检测器701输出的包含电弧信号的RF信号放大到预定电平，对放大后的RF信号进行滤波，并把滤波后的RF信号输出到电弧判定单元715。
第二电流检测器702检测流经相导线418的电流变化，并输出电流检测信号。
第二电弧检测器730根据从第二电流检测器702输出的电流检测信号来检测电弧。第二电流检测器702检测在设定区域中的所有电流，不管电流强度如何。
第二电弧检测器730通过第11滤波器及放大器731和732、第12滤波器及放大器733和734、以及第13滤波器来检测电弧。
第11滤波器731把第二电流检测器702的输出信号变换成用于判定是否产生电弧的信号。换句话说，第11滤波器731对电流检测信号进行整流，限制信号电平，去除低频(即正常市电频率)，并仅通过和输出RF信号。
第11放大器732把滤波器731的弱输出RF信号放大到预定电平。
第12滤波器733对第11放大器732的输出RF信号进行高通滤波，从而消除在第11放大器732的输出RF信号中包含的噪声。
第12放大器734把通过第12滤波器733时衰减了的信号电平放大到预定电平。
最后，第13滤波器735再次对经过第12放大器734放大的信号进行滤波，从而消除噪声，然后操作第二电平衰减器727。
控制器720使用由第二电流检测器702检测的电流检测信号来控制第一和第二电弧检测器710和730。
换句话说，由第二电流检测器702输出的弱电流检测信号通过第四放大器721放大，放大后的电流检测信号被变换成直流值，然后被输入到第一至第三比较器723、724和726。
第一比较器723把从第一直流变换器722输入的直流电流检测信号与基准信号进行比较，并根据比较结果来控制第三放大器714。
第二比较器724把从第一直流变换器722输入的直流电流检测信号与基准信号进行比较，判定输入的直流电流检测信号是否是浪涌/冲击信号，并向第一电平衰减器725输出信号。
当从第三放大器714输出了包含浪涌/冲击信号的信号时，第一电平衰减器725根据第二比较器724的比较结果信号，对包含浪涌/冲击信号的信号进行衰减。
当从第13滤波器730输出了包含浪涌/冲击信号的信号时，第一电平衰减器725对包含浪涌/冲击信号的信号进行衰减。
第三比较器726把第一直流变换器722的输出信号与设定的基准信号进行比较，判定是否存在负载，并输出比较结果。
第二电平衰减器727由第三比较器726控制，并在电力线中存在负载时对电弧判定单元715的输入电平进行衰减。而且，第二电平衰减器727对第二电弧检测器730的第13滤波器735的输出信号(无负载)进行衰减。
偏压电阻728防止第二电平衰减器727的电压降。
图29是根据本发明的第四实施例的电弧故障检测设备的方框图。参照图29，该设备包括电弧判定单元715，用于判定从连接电源与负载的电路的相导线418中检测的电弧信号是否是有害电弧信号；中性线检测器700，用于根据由电源端提供电力的中性线的状态检测结果以及电弧判定单元715的控制来切断中性线414和相导线416；第三电流检测器703，用于检测流经相导线418的电流变化，并产生与该电流变化成比例的信号；第21和第22放大器及第21和第22滤波器741至744，用于对第三电流检测器703的输出信号进行放大和滤波，并把放大和滤波之后的信号输出到电弧判定单元715；第一电平限制器751，由第三电流检测器703的预定电平的输出信号来打开或关闭，用于打开或关闭电弧判定单元715；错误防止单元753，用于当输入了预定电平的输出信号时，向电弧判定单元715输出复位信号；第二直流变换器761，用于把第三电流检测器703的输出信号变换成直流信号；以及第四比较器762，用于根据第二直流变换器761的输出信号来打开或关闭电弧判定单元715或者使其复位。
下面，将参照图29对根据本发明的第四实施例的上述构成的设备的操作进行说明。
与图28所示的第二电流检测器702一样，第三电流检测器703检测流经相导线418的电流变化并输出电流检测信号。
由第三电流检测器703输出的电流检测信号通过第21放大器741、第21滤波器742、第22放大器743和第22滤波器744进行放大和滤波，然后被输出到电弧判定单元715。
第一和第二电平限制器751和752各可以是齐纳二极管，并且在第三电流检测器703的输出检测信号被整流后，仅使具有设定的预定电平的电流检测信号通过。
第一电平限制器751的输出信号操作第二电平限制器752和错误防止单元753。
第二电平限制器752的输出信号被输入到电弧判定单元715的比较器。换句话说，如果第二电平限制器752打开，则比较器的基准信号相对于预定信号而变化，从而打开或关闭电弧判定单元715。
对错误防止单元753的输入信号进行充电或放电，从而向电弧判定单元715输入直流变换信号。
同时，第三电流检测器703的输出电流检测信号通过第二直流变换器761被变换成直流信号，然后被输入到第四比较器762。
第四比较器762把输入直流信号与所设定的基准信号进行比较，并把比较结果信号输入到电弧判定单元715作为基准值控制信号或复位信号。
如上所述，根据电弧故障检测设备，通过放大所检测到的信号，即使是相对较小的信号也能检测出来，因而具有可通过掌握检测信号的频率特征来判定是否发生电弧的优点。此外，由于通过去除在对有源设备输出的信号进行放大时发生的噪声成分来判定是否发生电弧，因而具有可事先防止错误的优点。
权利要求
1.一种用于检测连接电源与负载的电路导线中的电弧故障的设备，该设备包括电流检测器，用于检测在导线上流动的电流的变化量，并生成与该变化量成正比的信号；信号转换器，用于使电流检测器输出的信号的高频成分通过，并限制该信号的电平，以不超过固定的信号电平；第一电平限制放大器，用于放大从信号转换器输出的信号，以限制该输出信号的电平；信号电平检测器，用于判定输入信号是否超过固定的第一电压，并生成检测信号；脉冲发生器，用于把从信号电平检测器输出的检测信号变换成归一化脉冲的形式；第一电弧判定单元，用于在预定时间中对从脉冲发生器输出的脉冲信号进行计数，判定是否发生了电弧，并生成电弧检测信号；以及断路器，用于当生成了电弧检测信号时断开导线。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述信号转换器包括整流器，用于把从电流检测器输出的交流信号整流成直流信号；分压器，用于把整流器中的整流信号按照固定比率进行分配；滤波/延迟单元，用于使从分压器输出的信号的高频成分通过，并使该信号延迟；电平限制器，用于限制从滤波/延迟单元输出的信号，以不超过预定电平；以及滤波器，用于使电平限制器的输出信号中的高频成分通过。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括高通滤波器，用于从第一电平限制放大器的输出信号中去除低频成分；第二电平限制放大器，用于放大高通滤波器的输出信号，以限制该输出信号的电平；以及第二电弧判定单元，用于对第二电平限制放大器的输出信号进行积分，并判定是否发生了电弧。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述信号电平检测器包括第一基准电压发生器，用于生成与固定的第一基准电压电平对应的电压；以及比较器，用于把第二电平限制放大器的输出信号与第一基准电压进行比较，并生成检测信号。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述脉冲发生器包括信号检测器，用于判定是否输出了检测信号，并输出探测信号；充电器，用于当输出了探测信号时开始充电；第二基准电压发生器，用于针对充电器中的充电电压生成充电完成电压；比较器，用于把充电完成电压与充电器的电压进行比较，并生成充电完成信号；以及信号延迟单元，用于当信号检测器输出了探测信号时使信号延迟，并当比较器生成了充电完成信号时，在停止信号延迟后生成归一化脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电弧判定单元包括计数器，用于对从脉冲发生器输出的归一化脉冲信号进行计数；第三基准电压发生器，用于生成与固定的第三基准电压对应的电压；以及比较器，用于把要积分的信号电平与第三基准电压进行比较，并在计数器中生成第一电弧检测信号。
7.根据权利要求2所述的设备，其中，所述电平限制器包括齐纳二极管，用于把滤波/延迟单元的输出信号限制在一个固定信号以下。
8.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第二电平限制放大器包括OP放大器，用于通过其非反相输入端输入高通滤波器的输出信号；第一电阻，连接在高通滤波器和OP放大器的非反相输入端之间；第二电阻，连接在OP放大器的输出端和OP放大器的非反相输入端之间；第三电阻，连接在OP放大器的输出端和OP放大器的反相输入端之间；以及第四电阻，连接在OP放大器的反相输入端和地之间。
9.一种用于检测连接电源与负载的电路导线中的电弧信号并判定所检测的电弧信号是否是有害电弧信号的设备，该设备包括第一电流检测器，用于检测流经相导线的RF电流；第一电弧检测器，用于放大从第一电流检测器输出的弱RF信号并去除无用的RF信号，以检测电弧信号并把检测到的电弧信号输出给电弧判定单元；第二电流检测器，用于检测流经相导线的电流变化，并生成与该电流变化成正比的信号；第二电弧检测器，用于放大第二电流检测器的输出信号，并通过高频带通滤波器来检测电弧信号；以及控制器，用于根据第二电流检测器的输出信号来控制第一电弧检测器，去除无用信号并对输入信号电平进行衰减，以便把衰减后的信号电平提供给电弧判定单元，并对第二电弧检测器的输出信号进行衰减。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一电流检测器以并联方式检测相导线中的电流，第二电流检测器以串联方式检测电流。
11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一电弧检测器包括第一放大器，用于放大从第一电流检测器输出的弱RF信号；第一滤波器，用于对第一放大器的输出信号进行滤波；以及第二和第三放大器，用于对第一滤波器的输出信号进行两级放大，并把两级放大后的信号输出给电弧判定单元。
12.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第二电弧检测器包括第11滤波器，用于使第二电流检测器的输出信号的RF成分通过，以限制接收信号电平；第11放大器，用于限制和放大第11滤波器的输出信号的电平；第12滤波器，用于对第11放大器的输出信号进行高通滤波；第12放大器，用于把通过第12滤波器时衰减了的RF信号放大到预定电平；以及第13滤波器，用于从第12放大器的输出RF信号中去除噪声。
13.根据权利要求9所述的设备，其中，所述控制器包括第四放大器，用于把第二电流检测器的输出信号放大到预定电平；第一直流变换器，用于把第四放大器的输出信号变换成直流信号；第一比较器，用于把第一直流变换器的输出直流信号与基准信号进行比较，并根据比较结果来控制第一电弧检测器的第三放大器的操作；第二比较器，用于把第一直流变换器的输出直流信号与预定电平信号进行比较，并确定浪涌/冲击信号；第一电平衰减器，用于从第二比较器的输出信号中去除无用信号，并把去除了无用信号的信号输出给电弧判定单元；第三比较器，用于把第一直流变换器的输出直流信号与预定信号进行比较，并判定是否存在负载；第二电平衰减器，由第三比较器的输出信号驱动，用于在存在负载时衰减输入到电弧判定单元中的信号电平，并且在从第二电弧检测器的第13滤波器输出了信号时衰减输入到电弧判定单元中的信号电平；以及偏压电阻，用于防止第二电平衰减器的电压下降。
14.根据权利要求9所述的设备，还包括中性线检测器，用于根据由电源提供电力的中性线的状态检测结果以及电弧判定单元的控制来断开中性线和相导线。
15.一种用于检测连接电源与负载的电路导线中的电弧信号并判定所检测的电弧信号是否是有害电弧信号的设备，该设备包括第三电流检测器，用于检测流经相导线的电流变化，并生成与该电流变化成正比的信号；第21和第22放大器及第21和第22滤波器，用于对第三电流检测器的输出信号进行放大和滤波，并把放大和滤波后的信号输出给电弧判定单元；第一电平限制器，由第三电流检测器的预定电平的输出信号来打开或关闭，用于打开或关闭电弧判定单元；错误防止单元，用于在输入了预定电平的输出信号时向电弧判定单元输出复位信号；第二直流变换器，用于把第三电流检测器的输出信号变换成直流信号；以及第四比较器，用于根据第二直流变换器的输出信号来打开或关闭电弧判定单元或者使其复位。
16.根据权利要求15所述的设备，还包括中性线检测器，用于根据由电源提供电力的中性线的状态检测结果以及电弧判定单元的控制来断开中性线和相导线。
全文摘要
一种电弧故障检测设备。该设备包括电流检测器，用于检测流过导线的电流变化量，并生成与该变化量成正比的信号；信号转换器，用于使从电流检测器输出的信号的高频成分通过，并限制该信号的电平，以不超过固定的信号电平；第一电平限制放大器，用于放大从信号转换器输出的信号，以限制输出信号的电平；信号电平检测器，用于判定输入信号是否超过固定的第一电压，并生成检测信号；脉冲发生器，用于把从信号电平检测器输出的检测信号变换成归一化脉冲的形式；第一电弧判定单元，用于对预定时间中从脉冲发生器输出的脉冲信号进行计数，判定是否发生了电弧，并生成电弧检测信号；以及断路器，用于当生成了电弧检测信号时断开导线。
文档编号G01R31/08GK1696723SQ200410038188
公开日2005年11月16日 申请日期2004年5月14日 优先权日2004年5月14日
发明者金千然, 金东燮, 高 正明, 文济天 申请人:人间电气技术株式会社, 金千然