利用电流变化检测电弧的方法和装置的制作方法

专利名称：利用电流变化检测电弧的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电路保护技术，更具体地说，涉及因太小而不能使断路器之类跳闸的电弧的检测。
本发明是在电路保护技术的发展期间出现的，包括民用的商业和工业应用的具有用来防止财产损坏与/或人身伤害的过流保护与/或接地故障遮断(GFI)系统。过流保护系统一般包括一个负荷中心或配电盘，用来接收来自电力公司变压器的电力，并通过主电路断路器或保险装置然后通过分支断路器或保险装置把电力供给一个或多个电气负荷。如果电流超过或落在导线和负载设计限制值之外或表明出现电流不平衡时，断路器或保险装置就把电流切断，以减少包括火灾在内的危险、人身伤害和财产破坏。通常较多地使用断路器，是因为它们可以借助于复位而被简单地再利用。
电路断路器具有热/磁跳闸特性。热特性是响应持续的过电流，它加热双金属片而使其运动，接着使一个闩释放而打开一组接点。例如，热行性在15安培的电路中会响应吸取的30安培的电流而动作。磁物性是一种响应突发的高幅值过电流的操作，并使用在磁心中产生的磁场吸引一个衔铁，衔铁的运动使闩释放而打开一组接点。例如，响应由导体直接接地而把负载旁路引起的短路而发生磁型动作。
电路保护的另一种形式是接地故障遮断器，它响应给定电路的火线和中性线之间的电流不平衡来使断路器跳闸，在人处在接地路径中的情况下这尤其是需要的。
本发明属于另一类型的电路保护和监测，即检测电路中的电弧。被监测的电弧不仅包括通过气体或跨过绝缘的放电，也包括高阻抗故障或其它预期的或非预期的电路通路，它没有足够的能量或电流使断路器跳闸，然而可以产生破坏性过热或其它不希望的影响。电弧可以和负载串连或并连发生，并可由于大量原因，例如接头松动、导线或绝缘的磨损或老化，原先的由夹或扭引起的机械或电气应力，使用过度，先前的雷电冲击等。这种电弧中的电流可以在断路器的热动作或磁动作设定值以下，并/或可能在火线和中线之间不存在电流的不平衡，因而这种电弧检测不到。这种电弧带来的害处在于沿住宅或类似物内的电线形成热点，它会带来火灾的危险。这些电线可以包括墙壁导线，接线盒，接线座，开关，插头，延长软线以及负载装置本身。
本发明提供了一种有效的电弧检测。本发明尤其适用于识别潜在的破坏性电弧和无电弧故障或暂时的短时间转换的事件，为了防止误动作，这是需要的。本发明不是响应所有电弧而跳闸，也不响应类似电弧的情况而跳闸，而是依靠统计的可能性来响应很可能有电弧的情况来提供电弧揭示信号。要企图响应所有的电弧就会导致不可接受的误动作的经常发生，这是不希望的，因为它会关断应该继续运行的机械或安全设备，除了那些实际上具有高的统计可能性的电弧现象之外。


图1是一个配电电路示意图，取自美国专利5,185,685，在此作为参考。
图2是图1中电路的一部分示意图，与上述′685专利中的图2类似；图3是本发明的电弧检测器的功能框图；图4是表明一个具体例子的交流线电流的波形图；图5是说明图3中的电路部分工作的波形图；图6是说明图3中电路部分工作的波形图；图7—11是说明图3中电路部分的累积的操作的波形图；图12是图3的电弧检测器的功能电路方框图；图13和14表明具有在标记的相中相关点的参考正弦波。
图1表示一种电流分配电路20，它包括一负载中心22，其具有一进线侧24，用来接受来自预定频率的电压源的电力，和负载侧28，给负载30与/或31分配电力。电压源可以是电力公司的变压器，它在第一和第二线路上以240伏以及相对于第一第二线路120伏的中性线上都以60Hz供电。本发明不限于这一个例子，可以应用于任何电压和频率的交流系统，包括480伏和660伏，50、60以及400Hz。负载中心具有一主电响应的电路断路器32，用来接收来自变压器26的电能，并将其分配给支路断路器34、36等。支路断路器接着在例如38的支路上向电气插座40、42等供电，插座内由插头44插入负载30，或支路38直接供电给负载31。如图2所示，支路电路38包括火线46和中线48，用来把电供给负载30。支路电路也可以包括地线50。电路断路器34包括一过载跳闸机构52，它具有一热/磁特性使断路器触头54跳闸，从而响应给定的电路过载条件断开电路，使负载30从电源26断开，如现有技术那样。在现有技术中也已经知道提供具有接地故障遮断电路56的电路断路器34，响应火线或中线的接地故障使可控硅58导通，从而激励打开断路器触点54的线圈60。一种GFI电路的例子如US Re30，678所示，在此列为参考。
本发明提供一电弧检测器64和电弧检测方法，用于从给定频率的交流电源26给负载30提供交流线电流的电路，给定频率提供重复的周期，例如，60Hz的频率提供具有16.67毫秒的重复周期。电弧检测器64感知在交流线电流中周期与周期间的改变，并产生代表这一改变的差值信号，并响应该差值信号的给定条件，在线67上产生一电弧指示跳闸信号，给SCR58的控制极提供控制信号使其导通并且激励线圈60，从而断开断路器接点54。电路56和64的输出在公共点65上被连到SCR58的控制极。如果电路断路器没有GFI电路56，则增加SCR58和线圈60。
图3示出了电弧检测器64。在图3和图4中，电流波形70为交流线电流波形，它就是从交流电源26在图2的中线46上供给负载30的电流。该电流最好由一电流互感器检测，例如在上述′685号专利中的68所示，虽然此电流也可以用其它检测器检测。检测到的交流线电流由谐波陷波滤波器72在m个周期期内在几个采样点或相n处被采样，代表采样点的相关的相位具有相同的周期。
例如，参照图4，在交流电源的第一周期期间在相位Q1，1采样交流线电流，从而提供第一采样电流I1，1。第一个下标是采样点的相位，第二个下标是周期；此处I1，1是在第一周期内在第一相位或第一采样点的电流。在交流电源的第二周期期间在第一相位或第一采样点Q1，2采样交流线电流，提供采样电流I1，2它是第二周期内在第一相位或第一采样点的电流。在第一和第二周期的每一个期间内在同一相关相位采样交流线电流，即Q1，1和Q1，2。换句话说，Q1，1和Q1，2相隔交流电源的一周期或360°或其整数倍。在60Hz交流电的情况下，Q1，1和Q1，2相隔1/60秒即16.67毫秒或其整数倍，所述差值信号由I1，2减去I1，1得到。
在交流电源的第一周期期间，在几个相位Q1，1到Qn，1用谐波陷波滤波器采样交流线电流，从而提供第一周期的几个采样电流I1，1到In，1。在交流电的第二周期内在几个相位Q1，2到Qn，2用谐波陷波滤波器采样交流线电流，从而提供第二周期的几个采样电流I1，2到In，2。Q1，1到Qn，1分别等于Q1，2到Qn，2，即第一周期内的第一采样点和第二周期内的第一采样点出现在同一相关相位，在第一周期内的第二采样点和第二周期内的第二采样点出现在同一相关相位，如此等等。借助于谐波陷波滤波器，从采样电流I1，2到In，2中点对点地减去采样电流I1，1到In，1，从而提供所述的差值信号。最好第一、第二等周期是连续的。
谐波陷波滤波器72完成所述的从I1，2到In，2中分别减去I1，1到In，1的点对点的相减，从而提供谐波陷波滤波器电流差信号HNFI，其绝对值即是由流差信号ID。例如，采样信号I1，1，它是在第一周期内在第一采样点即Q1，1被采样的电流，被从采样电流I1，2中减去，I1，2是在第二周期在第一采样点即Q1，2被采样的电流，从而提供一个HNFI信号，其绝对值就是电流差信号ID1，2-1，即在第一相位或第一采样点处的第一和第二周期之间采样电流之差的绝对值。同样，交流线电流在交流电的第三周期内在相Q1，3被采样，从而提供采样电流I1，3，此处Q1，2等于Q1，3。I1，2是在第二周期内在第一采样点被采样的电流，它被从I1，3中减去，I1，3是在第三周期内在第一采样点的采样电流，从而提供一HNFI差值信号，其绝对值就是电流差信号ID1，3-2，它是在第三周期内在第一采样相位的采样电流与在第二周期内在第一采样相位的采样电流之差的绝对值。
图5中实线表示当前周期内的电流，虚线表示紧接的前一周期的电流。这样，在第一周期，第一周期电流I1用实线表示，前一个或开始周期的电流I0用虚线表示。同样，在第二周期，第二周期电流I2用实线表示，第一周期的电流用虚线表示，如此继续从周期3到5。
在图5所示的具体实现中，在第一周期内从I1减去I0的点对点的相减产生图6所示的一短暂时间74内的HNFI差值信号。在图5的第二周期中，从当前周期电流I2中减去先前周期电流I1的点对点的相减产生图6中在短暂时刻76内表示的HNFI差值信号。在图5的第三周期内，从I3减去I2的点对点地相减产生图6所示短暂时刻78内的HMFI差值信号。在图5的第四周期中，I4减去I3的点点相减产生图6所示的短暂时刻80内的HNFI差值信号，在第5周期中，I5减去I4的点对点地相减产生图6中短暂时刻82内的HNFI差值信号。
谐波陷波滤波器94实现交流线电流的点对点地相减，从而提供谐波陷波滤波器电流差值信号HNFI，其绝对值提供在t时刻的电流差值信号IDID(t)＝|HNFI(t)|＝|I(t)－I(t－T)|(1)此处I(t)是在时刻t的采样电流，I(t－T)是前一周期的采样电流，即在T秒以前时刻的采样电流，这里T是交流电的周期，即16.67毫秒，式1在时域内定义了谐波陷波滤波器。
绝对值电流差信号ID在图3的同步求和器94被同步求和，从而提供和S(t)S(t)＝ID(t)＋ID(t－T)＋ID(t－2T)＋ID(t－3T)＋ID(t－4T)(2)参见图6，在短暂时刻74内差信号的绝对值和时间76内差信号的绝对值点对点地相加，后者又和时间78内的差信号的绝对值点对点地相加，后者又和时间80内的差信号的绝对值点对点相加，后者又和时间82内的差信号的绝对值点对点地相加。在所示的例子中，累积的绝对值电流差信号ID的5个周期被求和，从而产生S5(t)，即5个ID信号的和。在图7—11中示出了ID信号的累加。图7表示在1个周期之后的时间74内的ID信号产生S1(t)。图8表示在两个周期之后在时间74＋76内累积的ID信号产生S2(t)。图9表示三个周期之后时间74＋76＋78内的累加的ID信号，产生信号S3(t)。图10表示在4个周期之后在时间74＋76＋78＋80内累加的ID信号，产生S4(t)。图11表示在5个周期后在时间74＋76＋78＋80＋82内积累的ID信号，产生S5(t)。对每一相位的5个累计周期，绝对值电流差信号ID被同步地求和，从而提供图11所示在83时刻的累积电流差信号。如果给定的累积电流差信号的条件满足关于84、86、88、90的特征，这下面还要描述，则在线67上发出电弧指示跳闸信号，这下面要说明。
一般地说，在m个周期中的每个周期在相位Q1到Qn采样交流线电流。谐波陷波滤波器72提供n个周期对周期的电流差信号ID，各自对应于相位Q1到Qn中的一个。同步求和器94对周期1到m在相位Q1对m个电流差信号求和，从而提供第一累积电流差信号。所述求和过程被继续到第n个相位，它包括对周期1在相位Qn对电流差信号的m求和，从而提供第n个累积电流差信号。在本实施例中，n等于1，341，即在每个周期内，有1，341个采样点或相位。在本实施例中，m等于5，即同步求和器94在5个周期内求和电流差信号ID，从而产生如方程2定义的如图11所示的S5(t)。周期对周期的电流差信号最好取连续周期之间的差进行计算，尽管可以不如此。第一到第n次累积电流差信号提供在图11中间隔83内的轨迹(trace)，m＝5。图3中的条件检查器116响应给定条件，例如图11中累积电流差信号的84、86、88、90，从而产生电弧指示跳闸信号，下面要说明。
谐波陷波滤波器72在所述交流电的m个周期的每个周期内，在所述的Q1到Qn的n个相位采样交流线电流，此外对m个周期中的每个周期而言Q1，1等于Q1，2等于…Qn，m，并且Q2，1等于Q2，2等于…Q2，m，…，并且Qn，1等于Qn，2等于…Qn，m，从而提供一组电流In，m，此处n是相位数，m是周期数，谐波陷波滤波器完成方程1，从而确定差值(In，m)－(In，m-x)，其中x是指定的周期数，从而提供一组电流差信号ID。在本实施例中，x等于1，从而提供连续的周期电流差信号，虽然周期对周期的电流改变可用不连续的周期确定。同步求和器94在给定的周期数内，最好为5，即m＝5对电流差信号ID求和，虽然也可使用m的其它值。同步求和器94执行2式的运算，ID1，1-(1-x)＋ID1，2-(2-x)＋…＋ID1，m-(m-x)，从而提供在Q1的第一累积电流差信号ID1，并且加ID2，1-(1-x)＋ID2，2-(2-x)＋…＋ID2，m-(m-x)，从而提供在Q2的第二累积电流差信号ID2，继续进行求和直到第n个相位，它包括加IDn，1-(1-x)＋IDn，2-(2-x)＋…＋IDn，m-(m-x)，从而提供第n次在Qn的累积电流差信号IDn。如上最佳实施例中所述，n等于1，341，m等于5，X等于1。
如上所述，条件检查器116响应来自求和器94的累积电流差信号ID的给定条件S(t)，从而产生电弧指示跳闸信号。一般地，这个和是Sm(t)，在最佳实施例中m＝5。在最佳实施例中，S5(t)也可以每5个周期计算一次。在另一个实施例中，S5(t)或其它的Sm(t)可在滑动窗口(Sliding Window)的基础上每周期计算一次。
被图3中条件检查器116检查到的对于S(t)的第一个所述条件，是累积电流差信号ID1到IDn的平均值超过一个给定的门限电流，在最佳实施例中对于m＝5，即对S5(t)为0.4安培。仅在平均值超过门限电流时发出电弧指示跳闸信号。如果累积电流差ID1到IDn的平均值，即S5(t)超过0.4安培，在线118上给与门120提供高输入。参见图11，对于m＝5，如果在间隔83内的电流轨迹的平均值超过0.4安培，则在线118上对与门120提供高输入。
被图3中条件检查器116检查到的对于S(t)的第二个所述条件，是累积电流差信号ID1至IDn峰值对平均值之比超过一给定门限值，其中峰值为S(t)的最大值，平均值即S(t)的平均值。只要峰值对平均值之比超过给定门限值，就发出电弧指示跳闸信号。在最佳实施例中m＝5，给定的门限值为4。如果ID1到IDn的峰值对平均值的比超过4，则在线122上对与门120提供高输入。参见图11，对S5(t)，峰值由86表示。
被图3中条件检查器116检查的对于S(t)的第三个所述条件是，每周期至少有两个静区(qwiet zones)，每个静区是一个最小的时间长度，其中静区为一周期的一部分，其中没有产生大于给定的动作门限的各个累积电流差信号ID。例如，在图11中，有两个静区88、90。在这些静区期间，S(t)处于给定动作门限值之下。只要每周期至少有两个静区，就发出电弧指示跳闸信号。在交流波形中点89a的状态和点89b的状态相同，使得区90包括这一点。在最佳实施例中，对每一静区的最小时间长度是相同的，等于1.56毫秒。给定电流动作门限为1.5倍的ID1至IDn的累积电流差信号的平均值，即S(t)平均值的1.5倍。例如，在图11中，在88和90每个部分中的电流小于在间隔83内平均电流的1.5倍，因而不满足所述的第三个条件，因而在线128上对与门120提供高输入。在最佳实施例中，间隔小于0.311毫秒的非静区被忽略，从而避免高频异常。换句话说，要求大于0.311毫秒的静区才算有效。如果电流动作信号S(t)上升到高于所述的1.5门限，例如在84或86，而持续间隔小地0.311毫秒，则认为它是静区的一部分，被静区吸收。
被图3的条件检查器116检查的S(t)的所述条件中的第四个是，没有大于给定静止时间上限的静区。只要静区例如88或90持续时间大于给定的静止时间上限，就禁止发出电弧指示跳闸信号。在最佳实施例中，给定静止时间上限是9.17毫秒。只要静区持续时间大于9.17毫秒，就在线130上给与门120提供低输入。
被图3的条件检查器116检查的S(t)的所述条件中的第五个是，同步求和器94的输出为零的时间不大于给定的零值时间上限。只要同步求和器的零输出持续时间大于给定的零输出时间上限，就禁止发出电弧指示跳闸信号。在最佳实施例中，给定的零时间上限为1.24毫秒。如果同步求和器94的输出为零的时间大地1.24毫秒，就在线132上给与门120提供低输出。
如果上述条件中的每一个都满足，则与门120的输入端118、122、128、130、132为高，在线138上提供高输出信号，接着便产生电弧指示跳闸信号。第一条件是图11中时间83内的S(t)的平均值超过给定的门限电流，在线118上提供高状态。第二个条件是S(t)的峰值对平均值之比超过给定的门限值，在线122上提供高状态。第三个条件是每周期至少有两个静区，每个具有最小时间长度，在线128上提供高状态。第四个条件是没有大于给定静止时间上限的静区，在线130上提供高状态。如果一个静区持续时间大于给定静止时间上限，则在线130上提供低状态，使与门120封锁，从而禁止电弧指示跳闸信号。第五个条件是提供S(t)的同步求和器94的输出为零的时间不大于给定的零时间上限，在线136上提供高状态。如果同步求和器的输出S(t)为零的时间大于给定的零时间上限，则在线132上提供低状态，使与门120封锁，禁止发出电弧指示跳闸信号。
所述要求累积电流差信号S(t)的平均值超过给定门限值例如0.4安培的目的在于，保证在噪声电平以上有某一最小活动性。这一条件也减少误跳闸，其中非电弧瞬变可能引起比图11的尖峰信号84或86窄得多的尖峰信号。在图11中窄尖峰信号的情况下，包括窄尖峰信号的图11中的一个整周期的平均值可能不会上升到高于0.4安培。因此，如果图11中的峰值或尖峰信号没有足够的宽度，在该周期内和平均值就不会升到给定门限值之上，因而丢弃这一检测，使在图3中的线118上呈现低状态。用这种方式窄的尖峰瞬变或其它操作例如在恒定工作周期内的相控负载被忽略，从而减少误动作。
所述要求累积电流差信号S(t)的峰值对平均值之比超过一给定门限值的第二个条件的目的在于，保证例如图11中84和86的尖峰信号不会太宽。一般由燃弧不会引起图11的尖峰信号太宽，即持续太长时间，但存在例如起动瞬变为代表的同步活动性。图11中的尖峰信号越宽，累积电流差信号一周期的平均值则越大，因而峰值对平均值之比不会超过所述给定门限，例如4，因此便丢弃这一检测，在图3的线122上提供低状态。
所述第一第二条件的组合借助于保证图11中的电弧指示峰值具有某一最小宽度和高度而又不至于太宽来提供电弧识别。正是这种合适的宽度和活动性来区分燃弧事件和其它事件。
所述第三条件要求例如图11中所示88和90的静区至少有两个的目的在于，保证每周期至少有两个尖峰信号或脉冲，例如84和86，电弧的一种特征是，它一般发生在正弦交流电26的正负半周上。图11所示为累积电流差信号的绝对值。如果在图11中只有1个尖峰信号，则只在交流电的一个半周内发生的事件一般不是燃弧事件。没有这第三条件或检测，许多半波负载将会引起误动作。
所述第三条件使得电弧检测器忽略只在交流电的一个半周内引起尖峰信号的事件，因而减少误动作。电弧的不可预极性有时可能引起在图7—11中的5个累加周期中的一个周期的半周内不燃弧。即使电弧在5个周期内的1个或2个中只产生一个尖峰信号，其余的周期仍然可以建立并累加足够的图11的电流差信号，从而提供第二个尖峰信号。已经观察到，电弧总是发生在交流电的两个半周期间，这个特性作为识别非电弧事件的另一个检测被所述第三条件完全地采用了。
还已经观察到，在图11的各周期中许多电弧有4个峰值。这是由在每个半周内击穿和恢复以及再击穿和恢复引起的，选择要求的静区的时间长度能容许这种再击穿，即允许在图11中的一个周期内有4个峰值。
所述要求没有大于给定时间长度的静区的第四个所述条件的目的在于，确保图11中两个峰值84和86大约有180°的相称，并有所述合适的厚度或宽度。给定静区时间上限选择为一周期的55％，即9.17毫秒，即为16.67毫秒的55％。按照这一禁止或检测条件，如果例如图11中的任何静区88或90大于一周期的55％，则该事件被忽略，认为没有电弧。没有该第四条件或检测，在各种负载下例如运行在低的RPM半波的大部分可变速的钻床将经变大量误动作。
所述要求没有持续时间大于给定零时间上限的同步求和器的零输出的第五条件是为了保证能减少商业应用的成本。如果不考虑成本因素，又希望一宽的动态范围，这又要求更贵的电流互感器、更多的数字存储和大的电源电压可用范围。如果不增加额外费用，则可使用较低费用的元件，它们可能在交流波形的峰值到来之前饱和，这便减少动态范围。输入的交流波形在由系统方案限定的饱和点上被斩平，这便人为地产生两个零区，其中同步求和器的输出为绝对的零值。该第五条件把这种零区限制于给定的零时间上限，例如1.24毫秒，使得任何较长的持续时间被认为是非电弧事件。从技术的观点而言，最好不包括所述的第五条件或检测。从经济节约的观点而言，最好包括第五条件或检测。
电弧是随机地不可预测地发生的。正是这种随机性，其中电弧和其发生的相对时间在周期对周期中总是不十分相同，使得能用电弧检测器64来检测电弧。如果没有周期对周期的电流变化，也便没有谐波陷波滤波器72的电流差输出信号ID。如果随机性是唯一的需要检测的电弧特性，那么谐波陷波滤波器本身的输出就提供了电弧检测指示。最好在提供电弧指示跳闸信号之前也检测上述的附加特征。为了减少误动作，同步求和条件检测是需要的。如果误动作不是问题，或需要进一步的节约成本，谐波陷波滤波器的输出可以根据电弧的随机特性以及在每周的同一相对相点不会击穿的特性提供电弧指示跳闸信号。在这后一种情况下，给定的检测条件可以是存在电流差信号本身。附加规定或条件的目的是在交流电周期内使随机活动集聚，这便能使电弧和一般运行负载区别开来。
当部分检测器140在交流线电流的给定的几部分中检测来自与门120的线路138上的信号。如上所述，在m个周期例如5周期内，同步求和器94累加绝对值电流差信号ID，从而提供图3所示的第一部分作为部分1。同步求和器在几个部分重复m个周期的累加。在最佳实施例中，大约交流线电流波形的1秒(实际上55个交流周期)被分成11个部分，每个有5个周期。部分检测器140只要在其来自与门120的输入端138对于给定的部分数是高的，就在线142有一高输出。在最佳实施例中，线138上的信号对于11个部分中的3个部分必须为高，即由条件检查器116检查的所述的5个条件必须在11个连续部分中的至少3个中满足。这样，只要在预定数的连续部分期间在给定部分数内满足所述条件，就发出电弧指示跳闸信号。线142上的高信号能使与门144开通，它接着在线67输出电弧指示跳闸信号，如果电压条件满足的话。下面还要进行说明。
部分检测器140的目的在于，识别例如开灯关灯的开关事件。11个连续的部分是55个周期，这几乎1秒长的时间。如果灯开关被接通或断开，被条件检测器116检测的所述条件可以对于1个或者可能最多两个部分可能满足，而极其不可能对于11个部分中的3个部分满足所述条件，因为这种开关事件持续时间很短。没有部分检测器140，短的开关事件可能引起伪电弧指示跳闸信号，这被认为是误动作。部分检测器140可减少这种误动作。
图3中的电压谐波陷波滤波器146检测交流线电压的周期到周期的变化，并产生代表这些变化的电压差信号。当电压差信号超过给定门限时，不发出电弧指示跳闸信号。谐波陷波滤波器146进行交流电压的点对点地相减，从而提供谐波陷波滤波器电压差信号HN-FV，其绝对值在时间t提供电压差信号VDVD(t)＝|NHFV(t)|＝|V(t)－V(t－T)|(3)交流电压的变化最好在连续的周期之间检测，虽然也可以检测其它的或中间的周期对周期的变化。电压最好通过与线46相连的使用欧姆定律的电压分压器检测，虽然也可以使用例如在′685专利中66所示的其它电压传感器。
在交流电源的第一周期内交流线电压在相位φ1，1被采样，从而提供电压V1，1，这里第1个下标是采样点或相位，第二个下标是周期。在交流电压第二周期内在相位φ1，2采样交流电压，提供电压V1，2，这里φ1，1=φ1，2，即在第一和第二周期内在同一个相位对相位或采样点采样交流电压。V1，2减去V1，1，提供HNFV差值信号，其绝对值就是电压差信号VD。
在交流电源的第一周期内的由相位φ1，1到φp，1的多个采样点用谐波陷波滤波器146采样交流电压，提供多个采样信号V1，1到Vp，1。在最佳实施例中，p＝n，因而有1，341个电压采样点或相位，它们在最佳实施例中持续16.67毫秒。在交流电源的第二周期内的多个相位由1，2到φp，2用谐波陷波滤波器采样交流线电压，提供多个采样电压V1，2到Vp，2，这里φ1，1到φp，1分别等于φ1，2至Pp，2。分别从V1，2至Vp，2点对点地减去V1，1到Vp，1，提供HNFV差信号，其绝对值提供电压差信号VD1到VDp。求和器148在p个采样点或相位上对电压差信号VD的绝对值求和，提供一个和数。当此和超过由门限检测器150确定的门限时，不发出电弧指示跳闸信号。在最佳实施例中，门限值为采样点数p的3.73倍。
例如，在交流电的第一周期内在第一相位φ1，1采样交流电压，提供V1，1。在交流电的第一周期内的第二相位2，1采样交流电压，提供V2，1。在交流电源第二周期内在第一相位φ1，2采样交流电压；提供V1，2，其中φ1，1在交流电压第二周期内在第二相位φ2，2采样交流电压，提供V2，2，此处φ2，1=φ2，2。从V1，2减去V1，1提供HNFV差信号，其绝对值提供电压差信号VD1，2-1，从V2，2减去V2，1提供HNFV差信号，其绝对值提供电压差信号VD2，2-1。求和器148对VD1，2-1和VD2，2-1求和，提供从第一周期到第二周期代表电压改变的和。如上所述，最好是p＝n＝1341。根据应用可以改变采样点或相位数P。
在一周期内的几个相位φ1至φp采样交流线电压。谐波陷波滤波器146提供P个周期到周期的绝对值电压差信号VD1至VDp，每个对应于相位φ1至φp中的一个。每个电压差信号VD表示在当前周期内的各自的相位的电压与前一周期的，最好是紧跟着的前一周期，相同各自相位的电压之间的差的绝对值。求和器148对第一个到第P个绝对值电压差信号求和，提供总的电压改变动作信号。
当求和器148输出的总的电压改变动作信号超过所述给定门限时，线152上门限检测器150的输出为高。由反相器15把线152的高状态变成低状态，在线156上提供一低状态，送到与门144，使其封锁，因而在线67上阻止产生电弧指示跳闸信号。
线152上的高状态也给部分检测器140提供一复位信号，从而中断任一进行的检测过程而重新起动同一检测过程，从而收到线138上的高状态后对11个连续部分开始计数。线138上的高状态起动部分检测器140，开始对11个连续的部分计数。只要在下面10个部分中的两个存在高状态，输出142就为高，而不需等待任何其余部分。例如，如果线138对部分1，3，8为高电位，则在部分8输出142变为高，而不等待部分9到11。158的复位信号中断部分检测，不管多么多的部分已被计数，并开始一0.1秒的延迟，在此期间，部分检测器140清除，然后按下一个收到的138的高状态开始计数，这一高状态开始第11部分的计数处理。这样，在新开始的计数处理的部分1发生下一个收到的高状态，提供3个要求部分中的第一个以便产生电弧指示跳闸信号。
线152上的高状态表明电压变化来自配电电路20的电源侧，即图2中电路的左侧交流电源26处，而不是来自负载侧，即图2中电路的右侧负载30或31处。如果在电流和电压中存在周期到周期的变化，它们分别由电流谐波陷波滤波器72和电压谐波陷波滤波器146检测，则不发出电弧指示跳闸信号，这是因为变化的电源侧电压可能正引起该电流的变化，或至少不知道是否电弧正引起电流变化。在这种情况下，希望断路器不由于电源侧的事件跳闸，因此当线152为高，表明所述的电压改变时在线67上不发出跳闸信号。
如果存在由电流谐波陷波滤波器72检测到的周期对周期的电流变化，而不存在所述的电压变化，则电弧是在负载侧。没有适当的电压改变则维持线152为低，便接着打开与门144，从而在线142的状态控制下在线67上产生电弧指示跳闸信号。
电弧是一种可变的阻抗。当该阻抗改变时，则电流改变，然而由电力公司提供的交流电源26的供电电压是相当硬的并且不改变。因而，没有由电压谐波陷波缺口滤波器146检测的电压改变，因而线152保持为低。由电流滤波器检测的变化的电流是由某种事件引起的，而不是由于电流26的变化的供电电压。如上所述，需要不把电源26的变化的供电电压认为是一电弧而使断路器34跳闸。
图12进一步表明电弧检测器64，交流线电流由电流互感器提供的电流检测器170检测，如上所述，其输出端具有高阻抗负载，并提供电流对时间的一阶导数，然后送入具有增益的运算放大器172，并提供DI/DT信号的积分还原成电流信号。该电流信号通过2极点蝶形(Butter worth)抗干扰滤波器174和8极点蝶形(Butter-wrth)低通开关电容滤波器176。全部滤波器有10个极点，从而在Nyquist频率把信号减少60dB。该信号送入12位A/D转换器178，它由Analog Devices，Inc.AD7886提供，把模拟输入变成数字输出，然后被送入由Actel C orp.A1280—IPQ160C提供的场可偏程序控制矩阵(FPGA)180。
交流线电压由电压检测器182检测。最好是包括无源滤波器的电压分压器，然后经运算放大顺184，2极点蝶形(Butterworth)滤波器186，8极点蝶形滤波器188和由Analog Devices，Inc.AD7886提供的12位A/D转换器190，送入FPGA180。FPGA180提供所述60Hz的谐波陷波滤波器和同步求和器，并由外部的电源接通复位发生器192和提供4.9152MHz和16 MHz的时钟信号的时钟发生器控制。存储器196由Integrated Device TechnologyCorp.IDT71586提供，包括用于电流谐波陷波滤波器的4K×16的RAM，用于电压谐波陷波滤波器的4K×16的RAM，以及用于同步求和器的4K×16RAM。FPGA180通过一先进先出FIFO缓冲器198，它是由Advanced Micro Devices，Inc.AM7204—35提供的，连接到16位微处理器200，由Motorola MC68HCOOO提供，用来传递同步求和器数据。微处理器200配备有存储器202，由Zntegrated Device Technology Corp.IDT71586提供，包括4K×16同步求和器RAM，4K×16数据RAM，和8K×16编码ROM。微处理器200和FPGA按图3所示工作。期望在将来发展中FPGA或许连微处理器用ASIC，即特殊应用集成电路代替。最好是数字信号处理，虽然如果需要本发明可以由模拟处理系统实现。
上述的电弧检测方法涉及检测交流线电流中周期到周期的变化，并提供代表这种变化的差值信号，响应给定的这种差值信号的条件产生电弧指示信号。这在图13中说明了。其中在第一周期内的第一采样点或相位θ1，1的电流I1，1被从在第二周期的第一采样点或相位θ1，2检测到的电流I1，2中减去。这提供了周期到周期的交流电流变化的检测。
另一种方法涉及检测交流电流的准周期的变化，并产生代表这种变化的差值信号，响应给定的这种变化的条件，从而产生电弧指示信号，其中的准周期小于交流电的周期。这在图14中说明了。那里在θa、θb、θc和θd.处检测交流电流。首先讨论图14中从θa到θc的准周期，可以看出在交流波形的点θa处和点θc处的电流具有相同的绝对值，在没有例如电弧或瞬变的干扰时如此。因而在θc和θa检测的电流的差值信号的绝对值没有电弧时一般为零。点Qa和Qc与各自的交流波形的零点之间的相对距离相同。同样注意到，图14中点θa和点θb处的电流具有相同的绝对值，在没有扰动例如电弧的情况下。因而在没有电弧时，θb和θa之间的电流差一般为零。点θa和θb与交流波形各自过零点的相对距离相同。在θc、θd之间、θb、θd之间、θb、θc之间和θa、θd之间存在同样的关系。不同观测点之间的不同的时间间隔小于电源的一周期。点θa、θc之间的点θb、θd之间的时间间隔为电源周期的一半，点θa、θb之间、θb、θc之间以及θc、θd之间的时间间隔小于电源周期的一半。点θa、θd之间的时间间隔小于电源的一周期而大于电源的半个周期。当在相反的半周中的点上确定交流电流之间的差时，把其中的一个电流的代数符号反向。例如，当确定在点θc、θa之间的电流差时，θc的负电流值变成正值，θc点的正的电流减去θa点的正的电流，从而提供所述的HNFI差值信号，其绝对值提供所述的电源差信号ID。当在同一半周内的相位点之间的电流差时或当相位点都处在负半周或都位于正半周时，不需要改变电流的符号。
一般地，本方法涉及检测交流波形的预定点，例如图13中的θ1，1、θ1，2和图14中的θa、θc以及θa、θb等，之间的交流电流的变化，并产生代表此变化的差值信号，相应于这种差值的给定条件产生电弧指示信号。在没有例如电弧之类的干扰时，交流电流波形的所述点具有相同的绝对值。因而在没有电弧时电流差信号的绝对值之差一般为零。所述点相对于其各自的交流波形经过零点的相对间隔相同。在最佳实施例中，所述采样点之间的时间间隔等于交流电源的一个周期，即图3和13中的间隔T。在另一实施例中，采样点之间的时间间隔大于交流电源的一个周期，并且为其整数倍。在另一实施例中，采样点之间的间隔小于交流电源的一周期。在另一实施例中，采样点之间的间隔为所述交流电源频率的整数倍的倒数。在另一实施例中，可以对在一周期内的一点与另一周期内的相应点进行比较，两点之间不为周期的整数倍，例如，图14中的θa、θe。本发明的方法包括在交流波形预定的时间点上检测交流电流的谐波变化，并且提供代表这种变化的差值信号，响应这种差值信号的给定条件产生电弧指示信号。
有一些很明显应当导致电弧指示跳闸信号的事件。例如起毛的、污染的触头，或慢动，例如故障卡住，以及双金属控制等。本发明响应这些事件提供电弧指示跳闸信号。
可以提供具有类似电弧特性的电流的一类设备是某种SCR(可控硅整流器)控制的换向负载，例如当运行在全波方式低速(相对于最大)时，即不在整个半周内导通时，能及具有换向机构例如电刷时。类似电弧电流特征的理由是，在全波条件下相控工作循环保证存在两个静区，同时换向提供了所要求的周期到周期的改变。在这种方案中，根据使用SCR控制的负载的特点，即它们在过零时关断电流(自换向)，导致在低速时的非常低的功率因数来解决误动作或其它假电弧指示。例如由有关的同步求和特征，例如对峰值，计数，以及通过过零点对电压状态的检测来检测这些因素，可以提供用在条件检测中的条件，从而防止电弧指示输出跳闸信号。
少数的恒速换向(电刷)电机尤其是旧电机可以导致提供不希望的电弧指示的噪声轨迹。在这种情况下，已经发现，同步求和器波形由低于到高于静区门限值的转变总数大大超过相应于电弧的转换总数。这一特征可以被用来防止误动作，例如，借助于要求小于给定的例如图11中每周的84、86的峰值数，即借助于要求超过一给定门限的电流差信号在给定的时间间隔内不大于给定的次数。
很显然，在所附权利要求的范围内可以作出各种改型。
权利要求
1.用于检测由给定基波频率的交流电源(26)向负载(30)提供交流线电流的电路(20)中的电弧的装置(46)，包括具有检测所述交流线电流装置的(170)的检测装置(170，182)，用来产生交流电流检测信号；装置(72)，由所述交流电流检测信号产生具有给定基波频率的并且除去其中谐波的滤波信号；装置(94)，在选定的所述交流电流的若干周期内，由所述滤波信号产生由滤波信号得到的累加信号，并保留所述滤波信号的相位和幅值信息；以及条件检查装置(116)，响应代表电弧的所述累加信号的选定条件，产生输出信号。
2.如权利要求1的装置，其中所述产生滤波信号的装置(72)包括在所述交流电流信号的相应点产生所述检测交流电流的幅值之间的差值信号的谐波陷滤波器；其中产生所述累加信号的装置(94)包括同步求和器，它把在所述交流电流选定周期数的所述相应点的所述差信号的绝对值之和作为所述累加信号发出。
3.如权利要求2的装置，其中所述产生所述累加信号的装置(94)在交流信号的几个连续部分重复发出所述累加信号，每个所述部分包括选定数目的交流电流周期，其中所述条件检查器(116)进一步包括部分检查装置(140)，它使得只有当所棕条件检查器(116)检查到以对于给定部分数的所选条件在所述交流信号的连续部分的预定数之外时才发出所述输出信号。
4.如权利要求3所述的装置(64)，其中所述产生累加信号的装置(94)在所述交流信号的几个连续的部分中重复发出所述累加信号，其中所述构成每个部分的选定的周期数为交流电流的5个周期，其中所述部分检查器(140)能够使得只当所述条件检查器检查到对于给定部分数的所选条件至少是预定的11个所述交流信号的连续的部分中的3个部分时才输出信号。
5.如权利要求1至4之一的装置(64)，其中所述条件检查器(116)响应从一组条件中选取的条件，包括所述累加信号的峰值对平均值之比超过给定门限值，检测的累加信号的平均值超过给定的平均值门限值，检测在每周期的累加信号中至少两个静区中的每一个是一周期的一部分，在这部分中所述累加信号不上升到给定的电流动作门限以上，并且持续至少一最小间隔，在所述累加信号中没有检测到持续时间大于给定静区时间上限的静区，检测所述累加信号具有不大于给定的零时间上限的零时间间隔，以及这些条件的组合，发出所述输出信号。
6.如权利要求1到4中任一权利要求的装置(64)，其中所述条件检查器(116)响应下述的每个条件发出输出信号检测的累加信号的峰值与平均值之比至少大约为4，检测的所述累加信号的平均值至少大约为0.4安培，在每周期中检测的所述累加信号至少有两个静区，每个静区持续至少约为1.5毫秒的时间，不存在大约大于9毫秒的静区，在累加信号中没有持续时间大于大约124毫秒的零区。
7.如权利要求1或2的装置(64)，其中所述检测装置(170，182)包括响应交流电提供的交流电压的交流电压检测装置(182)和响应所述电压检测装置(182)，用来响应给定的电压条件禁止发出所述输出信号的禁止装置(146—154)。
8.如权利要求7所述的装置(64)，其中所述禁止装置(146—154)包括谐波陷波滤波器(146)，用来在所述交流电压的相应点的所述交流电压的幅值之间产生差值信号，求和装置(148)，在所选的周期数内把差值信号相加产生累加电压信号，以及装置(150—154)，当所述累加电压信号超过给定的累加电压门限时，产生禁止所述输出信号的禁止信号。
9.用于由给定频率的交流电源(26)向负载(30)提供具有重复周期的交流线电流的电路(20)的电弧检测方法，包括如下步骤检测交流电流，从而发出检测电路信号；在交流电的所述周期内的相应的相位上产生检测电流信号之间的差的差值信号；在选定的若干周期内累加差值信号的绝对值，从而产生累加差信号；响应从下述一组条件中选取的累加差信号的条件产生电弧指示信号；所述一组条件包括所述累加差信号超过给定的门限值的峰值对平均值之比，所述累加差信号超过给定的平均值门限的平均值，在每周期内至少在累加差信号中有两个静区，每个静区是一个周期的一部分，其中所述累加差信号基本上不超过给定的电流动作门限，并且持续至少一个给定的最小间隔，在所述累加差信号中没有持续时间大于给定的静区上限的静区，所述电压差信号具有不大于给定的零时间上限的为零的间隔，以及所述条件的组合。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述累加差信号在包括选定的交流电的周期数的交流电流的部分被累加，并且其中所述电弧检测信号只当对于给定的交流电流的部分数超过预定的部分数时检测到所述条件才发出电弧检测信号。
全文摘要
检测交流电流周期到周期的改变来提供电弧检测。在交流电m个周期的每个周期内由Q
文档编号G01R31/14GK1129809SQ9410956
公开日1996年8月28日 申请日期1994年8月19日 优先权日1993年8月20日
发明者约瑟夫·C·朱尔彻, 查尔斯·J·坦尼尔斯 申请人:尹顿公司