电弧检测设备和方法

专利名称：电弧检测设备和方法
技术领域：
一般地说本发明涉及电路，更具体地说涉及电弧的检测和在检测这种电弧时电路断续器的跳闸。
背景技术：
在交流电流(AC)的电力线上的电弧检测在本领域中是公知的。已有技术的检测器实例包括McEachern等人的美国专利US4,694,402、Baxter等人的US5,229,651和Zuercher等人的US5,452,223。McEachern等人教导比较相邻的周期以检测波形干扰。Baxter等人教导将电流周期与从许多在先周期中构造的参考周期相比较，以及Zuercher等人教导使用在许多周期的预定点上的累计差值信号来检测电弧。然而，McEachern等人和Baxter等人的比较信号受到由不同的负载带来的阻扰跳闸的影响。Zuercher等人通过进一步分析信号以检测电弧来解决了这种局限性。所有的三种方法都要求相对较高的成本、功耗大、快速的数字处理，因为需要每周期采样多个点。

发明内容
本发明的目的是提供一种设备和方法，这种设备和方法检测在电路中的电弧并在阻扰负载中没有跳闸的同时使断续器跳闸以中断电路，这种负载例如，在特定的电路中通常存在的负载，不管它是否是家用、商用飞行器等。
本发明的另一方面是提供一种电弧检测设备，它的尺寸紧凑、制造成本低廉，并且功耗小。本发明的另一目的是提供一种具有用于使断路器跳闸的自测试特征的电弧检测设备。本发明的另一目的是提供一种区别由阻扰负载(比如光衰减器)引起的波形干扰和由负载所屏蔽的电弧的方法。
简而言之，根据本发明，通过弱耦合的变压器(即，具有大约20-50μH量级的较小的互感)监测流经负载的电流。该变压器具有包括串联连接到负载相的几个线匝的初级和具有相对较大数量的线匝(例如几百个线匝)以传输初级电流的高频分量的次级。在优选实施例中次级的每端连接到相应的第一和第二二极管的阴极，该二极管的阳极接地。第一和第二二极管与其阴极接地的第三和第四二极管形成全波整流桥。分别与第三和第四二极管匹配的第五和第六二极管连接到桥路，他们的阴极连接到电容器，该电容器又接地。电容器连接到微控制器的模拟至数字转换器，在进行测量之后该微处理器使电容器短路到地端以使电容器复位到零电压。来自变压器的任何电流通过上述的二极管网络根据下述的公式产生与积分整流电流的对数成比例的电压V(P2.1)～vt*In(|Q|C/vt+1-V(P2.1)/vt)这里V(P2.1)是自最后电容器电压复位之后所产生的电容器电压vt＝热电压(在室温下kT/q～26mV)Q是输送给二极管网络的电荷C是电容这提供了在较大的动态范围上测量来自变压器的电荷的能力。对数函数简化了信号处理并能够实现比在已有技术中通常使用的数字信号处理器相对更低成本的微控制器的使用。
根据所描述的实施例，在由线电压的绝对值所确定的时间上每半个周期进行两次电容器电压测量(即电荷的对数的测量值)。在线电压零交叉之前并接近它时进行一次测量，在线电压零交叉之后立刻进行第二次测量。每半个周期的两次测量作为字存储在堆栈中，在一种优选实施例中，加在一起并作为字存储在堆栈中，然后通过三周期算法进行处理以确定消除由重复性地或连续地改变的类型的阻扰负载所引起的干扰的波动。根据这种算法，通过如下的方式确定波动将字1加上2(来自周期1)和字3加上4(来自周期3)和减去字2加3(来自周期2)的两倍。在所述的实施例中，使用60个字的下推堆栈。通过微控制器将60个字的波动与称为max_limit的极限进行比较。通过使用三周期算法考虑60Hz测量的最后半秒的所有的波动，忽略第一和最后的测量，然后如果总和超过max_limit则表示产生了电弧，则激发SCR以使电路断续器跳闸。根据本发明，重叠三个周期，即仅需要四个相邻的半周期，尽管如果需要的话可以使用6个。在另一种实施例中，使用5周期算法以使在60Hz线电流中的非线性变化(即在灯和马达的启动电流中存在的非线性变化)的影响最小。
根据本发明的一种特征，自测试按钮连接到微控制器，在按下该按钮时微控制器通过电阻使电容器充电，由此模拟电弧的检测。
根据本发明的可选择的特征，如果需要的话，小的电容器与变压器次级串联或并联以分别增加对低频分量或高频分量的阻止。
根据本发明的另一可选择的特征，对数电荷转换器电路可以由晶体管而不是二极管组成以简化相关的公式。
结合附图本通过下文的详细描述发明的其它的目的、特征和优点是显然的。


在附图中附图1所示为电弧检测和断路器电路的示意图；附图2所示为根据优选实施例的附图1的电弧检测和断路器电路的操作的流程图；和附图3所示为交流对数电荷转换器电路的示意图。
具体实施例方式
参考附图1，继电器线圈L1连接到相线并设置成控制主触点2，4的激励状态，该主触点2，4使干线中线和相线与负载中线和负载相线分别连接或分离。通常，在线圈中的功率足够低到使继电器触点保持关闭。然而，如下文将会描述，在SCR1接通时，在继电器线圈中的电流增加以断开触点。金属氧化物变阻器MOV1连接在中线和相线之间以防止过高的线电压。
通过负载的电流由变压器Tr1监测，该变压器Tr1大致包括三个线匝的初级线圈和弱耦合(即具有大约20-50微亨利量级的较低的互感电感的耦合)的几百个线匝的次级线圈以将初级电流的高频分量传递给监测电路。对次级电流进行整流并反馈给包括电容器的对数电荷转换器网络。从零电压的电荷开始，施加在电容器上的电压与电荷的对数成比例。根据优选的实施例，使用微控制器在通过线电压的绝对值所确定的时间上每半周期测量电容器或对数电荷两次。在每次测量之后微控制器使电容器复位到零电压。这提供了许多数量级幅值(例如6个数量级幅值)的测量电荷的监测电压范围。
对数电荷转换器的使用不仅形成了在较宽的范围上从变压器上测量电荷的能力，对数函数还导致更简单的信号处理以使能够使用微控制器而不使用数字信号处理器(一种昂贵得多的器件)，否则要求使用这种昂贵的器件。由于电荷代表电流随着时间的积分，因此电荷的测量使得不需要在半周期上进行多个单次电流测量。注意，对数加法等效于乘法操作，但比乘法操作快得多。还应该注意，对数减法形成了自动归一化，由此不需要除法操作。
返回到附图1，所示为变压器Tr1的次级连接到可选的电容器C10，C11，这些电容器连接在次级的相对端和地端之间以提供高通滤波。如果需要的话，通过与电感器串联放置的电容器(未示)可以提供进一步的滤波。除了可选电容器C10、C11之外，一对电阻器R1、R2连接到变压器电路并连接到地端以作为次级线圈的参考地端。除了电阻器R1、R2之外，阳极连接到地端的二极管D5和D6连接到变压器电路。在二极管D5和D6之后阴极连接到地端的两个附加二极管D7和D8连接到变压器电路，形成全波整流桥路。另一对二极管D9、D10连接到变压器电路，他们的阴极连接到电容器C2。二极管D9和D10分别与它们相邻的二极管D7、D8匹配。如果需要的话，二极管D5和D6可以与其它的二极管匹配或不匹配。如上文所指出，从变压器中所接收的电流产生与积分整流电流的对数成比例的电压。电容器C2连接到微控制器U1的管脚9。在根据附图1的电弧检测和电路断续器设备的实例中，U1是具有大约2MHz时钟频率的Texas Intruments微控制器MSP430F1122。管脚9连接到在微控制器内的10位模拟至数字转换器。在通过微控制器进行每次测量之后，管脚9被内部短路到地以准备电容器对下一时间周期的电流进行积分，这将在下文中讨论。
微控制器U1的管脚10连接到电阻器R3，该电阻器R3又连接到电容器C2。这使得微控制器对电容器C2进行充电以模拟电弧，如下文讨论。按钮PB1将负载相连接到管脚11。串联连接的电阻器R4、R5以及连接在管脚11和地端之间的电阻器R6将线电压和电流减小到适合于微控制器的电平。虽然微控制器U1具有内部保护二极管，连接在管脚11和地端之间的齐纳二极管Z1提供了冗余的3伏特限度。连接在管脚11和地端之间的电容器C3提供对在负载上的任何高频噪声的滤波。在按钮PB1压下以启动自测试时，微控制器在管脚10上提供脉冲宽度变化的脉冲，随着脉冲宽度的增加，脉冲宽度给电容器施加更大电压以产生变化电压的电弧状信号。
SCR激发电路连接到微控制器的管脚13，并包括具有连接在SCR的阳极和阴极之间的常规电容器C4的SCR1。连接在SCR的栅极和阴极之间的电容器C5有助于防止SCR被高dv/dt无意地接通。也连接在栅极和阴极之间的电阻器R7有助于防止无意地接通。电阻器R8是电流限制电阻器，串联连接在电阻器R8和管脚13之间的电容器C6防止电源的过度消耗。二极管D11连接在包括四个二极管D1-D4的第二二极管桥路和SCR1的阳极之间。在SCR1接通时它通过带有接近施加到线圈L1的线电压的第二二极管桥路拉出更大的电流以使断路器跳闸。二极管D11用于将电容器C4与下文要讨论的连接到管脚8的线监测电路隔离。
串联连接的电阻器R9、R10、R11和齐纳二极管Z2形成了检测电路的电源部分。这些电阻器限制了到齐纳二极管Z2的电流量。连接在电阻R11和齐纳二极管Z2的节点和微控制器U1的VCC管脚2之间的二极管D12阻止了来自连接在管脚2和地端之间的电容器C7的反向电流，该电容器C7与电容器C8并联以给微控制器提供3伏特电源。
串联连接的电阻器R12和R13连接在电阻器R10，R11的节点和地端之间。电阻器R12和R13的节点连接到电容器C9，电容器C9又连接到地端，提供了与二极管桥路D1-D4的电压成比例的电容器电压。这个电压大致等于线电压的绝对值。电容器电压连接到微控制器U1的管脚8并用于确定何时执行在管脚9上的电压测量。
连接到微控制器U1的管脚7的电阻器R14和电容器C12和连接到管脚1的电阻器R15是控制器U1的特定结构所要求的。
对数电荷转换器电路可以包括晶体管和电容器以及附图1的匹配的二极管和电容器。附图3所示为具有连接双晶体管T1和T2的二极管的变型对数电荷转换器电路。虽然附图3的电路要求晶体管T2的电源，但与附图1的二极管网络相反，电容器电压vx＝vt*In(Q/C/vt+1)～vt*In(Q/C/vt)，这里vt＝热电压＝kT/q～26mV(在室温下)，并且Q＝自最后电容器复位以来传递的电荷。在附图1的电路中，电容器电压vx＝vt*In(Q/C/vt-vx/vt+1)～vt*In(Q/C/vt)。作为替换，晶体管具有的优点是vx/vt项没有出现在相关的公式中。然而，对于Q＞＞C*vx，二极管网络的电路操作接近于晶体管网络的电路操作。虽然在附图1的二极管网络通过vt项对环境温度敏感，但微控制器U1包括温度传感器，由此提供了适当的温度补偿。
参考附图2，根据优选实施例的程序在100和第一步骤102处开始，电容器C2复位到零伏特并初始化所有的标志。在步骤104中，使用提供在微控制器U1中的温度传感器随着温度成比例地缩放灵敏度阈值，该温度传感器提供与绝对温度成比例的输出电压。
步骤106-112形成了一个子程序，在该子程序中程序继续循环直到在管脚8上测量的线电压超过第一选择值samp_hi，然后低于第二值samplel。这定义了在使电容器C2复位之后在步骤114上进行的一个测量点。该子程序提供了所选择的滞后以避免在不希望的时间点上噪声线电压启动采样。
如果测试按钮没有按下，在决定步骤116之后，在步骤120中程序继续以使微控制器定时器复位。使用定时器监测线电压半循环周期以检测某些异常的线电压情况，而如上文所讨论通过在管脚8上的线电压确定电容器C2的电压测量。如果测试按钮PB1已经按下，则在步骤118中，电弧状噪声引入到电容器C2中，随着在多个半周期上引入足够的噪声并通过要讨论的算法处理，该电容器C2使断路器以如在线电流中所检测的电弧相同的方式跳闸。
第二子程序包括步骤122-128，在这些步骤中程序继续循环直到线电压低于第三选择值samp_lo，然后超过第四选择值sample2。这定义了在零交叉之后第二测量点(步骤130)。由于要求最小的电压维持例如大约15伏特的电弧，选择通常高达50伏特的窗口进行电压测量以考虑在线电流和线电压之间的相位差值。在线电压的零交叉周围的这个窗口捕获在零交叉附近产生或熄灭的那些典型的小电弧。
在步骤130中将在步骤114中进行的第一电压测量值加入到第二电压测量值，然后使电容器C2复位。在132中将所得的值输入到下推寄存器，并在步骤134中该程序对相邻的电压寄存器值进行求和并将超过最小值min_limit的这些和值放到另一寄存器。这些和值消除了由负载电流幅值对线电压极性的任何依赖性所造成的任何二极管影响。使用这个最小值将寄存器值限制到在所选择的值之上的那些值。
在步骤136中，计算3周期算法。计算周期1的字加上周期3的字减去周期2的字的两倍，然后取其绝对值。这些相邻的全周期可以根据需要叠加或不叠加。注意，如果这3周期不是叠加的，则要求6个半周期以进行计算，以及如果3周期是叠加的，则仅要求4个半周期。
在步骤138中，忽略第一和最后寄存器值以防止单个的事件对结果影响太大，例如由接通和切断引起的事件(决定步骤140)。在最后的半秒中给剩余的寄存器值应用3周期算法，如果所计算的3周期算法的和值大于所选择的值max_limit，则在步骤142中指示故障。
在和值超过max_limit值时，激发SCR1。这重复三次以确保甚至线电压简短中断时激发。将所选择的脉冲(例如30微秒脉冲)提供给SCR。
如果需要的话，使用不同的寄存器来记录第一两个测量值而不是如上文所述地将它们加在单个寄存器中。然后将这种算法分别应用到每个寄存器中。
如上文所指出，重叠的3周期算法要求四个半周期的信息。这种算法计算信号(1)减去2倍的信号(2)加信号(3)的绝对值。这种算法消除了信号(t)＝a+b*t随着时间的偏差对波动的影响。消除了t的更高阶的奇次幂，但不能消除等于或大于t2的偶次幂。
可以使用5周期算法以消除信号(t)＝a+b*t+c*t2随着时间的偏差对波动的影响。这种算法计算信号(1)减去4倍的信号(2)加6倍的信号(3)减4倍的信号(4)加信号(5)的绝对值。消除了t的更高阶的奇次幂，但不能消除等于或大于t4的偶次幂。
应该理解的是，如果需要的话，在每半周期中在前两段中描述的算法可与单个测量值或从任何选择的多个测量值中一起使用，不管是重叠还是相邻，项目信号是指每个周期的复合值。
根据附图1的电弧检测和电路断续器设备具有如下的部件部件U1 TI MSP430F1122@～2MHz R12 100千欧姆C2 10nF R13 3.3千欧姆C3 10nF R13 33k千欧姆C4 10nF R15 33k千欧姆C5 33nF D1 IN4005
C6 100nF D2IN4005C7 10μF D3IN4005C8 100nF D4IN4005C9 10nFD5MMBD1505AC10 2.2nF D6MMBD1505AC11 2.2nF D7MMBD1505AC12 10nFD8MMBD1505AR1 10千欧姆D9MMBD1505A(匹配D7)R2 10千欧姆D10 MMBD1505A(匹配D8)R3 33千欧姆D11 IN4005R4 100千欧姆 D12 IN4148R5 100千欧姆 Z1BZX84-B3V3R6 100千欧姆 Z2BZX84-B3V3R7 3.3千欧姆 Trl1 L＝10mH，M＝30μHR8 470欧姆 SCR1R9 22千欧姆R10 22千欧姆R11 22千欧姆应该理解的是，本发明并不限于在此实例性地示出的特定的实施例，而是包括落在下面的权利要求的范围内的所有的改进形式。
权利要求
1.一种电弧故障电路断续器，包括具有连接到线电流的初级绕组和弱耦合的次级绕组的变压器，连接到次级绕组的整流器电路，该整流器电路连接到转换器电路，所说的转换器电路具有其电压与由整流器电路所输送的电荷的对数成比例的电压的电容器，具有输入和输出的微控制器，该电容器连接到微控制器的输入以测量所说的电容器电压，以及连接到输出以使电容器电压复位，产生与线电压成比例的信号的线电压检测电路，线电压检测电路连接到微控制器的输入以启动微控制器来测量在线电压所选择的绝对值上的电容器电压，该微控制器响应所测量的电容器电压产生输出，所说的输出提供存在电弧故障的指示。
2.根据权利要求1所述的电弧故障电路断续器，其中变压器的互感为20-50μH量级。
3.根据权利要求1所述的电弧故障电路断续器，其中整流器电路是全波二极管桥路，该桥路具有在一起短路的输出，并进一步包括连接到整流器电路的附加二极管以产生电容器电压。
4.根据权利要求1所述的电弧故障电路断续器，其中整流器电路是全波二极管桥路，并进一步包括连接到整流器电路的晶体管以产生电容器电压。
5.根据权利要求1所述的电弧故障电路断续器，其中电容器电压是具有零整流电荷的零。
6.根据权利要求1所述的电弧故障电路断续器，进一步包括连接在负载相和微控制器的输入之间的按钮开关，电阻器连接在微控制器的测试输出和电容器之间，在按下该按钮时给微控制器输入信号以通过该电阻器对电容器进行充电以引入电弧状信号并使微控制器产生电弧检测信号。
7.一种电弧故障电路断续器，具有产生大致随着通过连接到线电流的变压器输送的整流电荷的对数增加的信号的电路，在通过包括线电压零交叉的第一窗口和不包括零交叉的另一窗口中通过线电压确定的时间上测量所说的信号，该方法包括相加在一周期上的信号测量值的步骤，计算至少在所选择数量的周期上的波动，对在另一所选择数量的周期上的波动进行求和，将该波动之和与预定的阈值进行比较，和在波动之和超过该阈值时产生电弧检测信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中计算信号的波动的步骤包括取四个半周期，对相邻的半周期进行求和以产生三个值，以及计算值(1)减去2倍的值(2)加上值(3)的绝对值。
9.根据权利要求7所述的方法，其中计算信号的波动的步骤包括取六个半周期，对相邻的半周期进行求和以产生五个值，以及计算值(1)减去4倍的值(2)加上6倍的值(3)减去4倍的值(4)加上值(5)的绝对值。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所测量的信号是具有零整流电荷的零。
11.根据权利要求8所述的方法，其中包括线电压的零交叉的窗口也包括超过最小电弧维持电压的线电压。
12.一种电弧故障电路断续器，具有用于在线电压的每半个周期两次产生与线电流相关的信号的电路，该方法包括如下的步骤在每半个周期中获取在线电压零交叉之前并接近线电压零交叉的第一窗口中的信号测量值和在线电压零交叉之后并接近线电压零交叉的信号测量值，将在每个全周期中的测量值的总和作为字存储在下推堆栈中，取三个连续的字(字1-3)并计算字1加字3减去字2的两倍的绝对值以确定该信号的波动，存储该波动，对于三个连续的字的其它组重复相同的计算，对所选择的数量的字的波动进行求和，将所求和的波动与预定的阈值进行比较以确定电弧故障的发生，以及在所求和的波动超过预定的阈值时产生电弧故障信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中字从重叠的周期中导出。
14.根据权利要求12所述的方法，其中字从相邻的周期中导出。
15.一种电弧故障电路断续器，具有用于在线电压的每半个周期产生与线电流相关的信号的电路，该方法包括如下的步骤在4个相邻的半周期中取信号1-4，在四个相邻的半周期中计算信号1减去信号2减去信号3加上信号4的绝对值，对于四个相邻的半周期的其它组重复相同的计算，对四个半周期的至少所选择的多个组的上述计算进行求和以确定信号的波动，将所说的四个半周期的至少所选择的多个组的计算之和与预定的阈值进行比较以确定电弧故障的发生，以及在所说的四个半周期的至少所选择的多个组的求和计算超过预定的阈值时产生信号，由此该方法对表示正常负载的重复性地和连续地变化信号相对更加不敏感，而对无序的电弧信号相对更加敏感。
16.一种电弧故障电路断续器，具有产生大致随着通过连接到线电流的变压器输送的整流电荷的对数增加的信号的电路，在每个半周期上至少测量所说的信号一次，该方法包括相加在一周期上的信号测量值的步骤，计算至少在所选择数量的周期上的波动，对在另一所选择数量的周期上的波动进行求和，将该波动之和与预定的阈值进行比较，和在波动之和超过该阈值时产生电弧检测信号。
全文摘要
本发明涉及电弧检测设备和方法，其中的电弧故障电路断续器包括具有连接到线电流的初级绕组和弱耦合的次级绕组的变压器，连接到次级绕组的整流器电路，该整流器电路连接到转换器电路，所说的转换器电路具有其电压与由整流器电路所输送的电荷的对数成比例的电压的电容器，具有输入和输出的微控制器，该电容器连接到微控制器的输入以测量所说的电容器电压，以及连接到输出以使电容器电压复位，产生与线电压成比例的信号的线电压检测电路，线电压检测电路连接到微控制器的输入以启动微控制器来测量在线电压所选择的绝对值上的电容器电压，该微控制器响应所测量的电容器电压产生输出，所说的输出提供存在电弧故障的指示。
文档编号H01H83/00GK1506689SQ200310120219
公开日2004年6月23日 申请日期2003年12月9日 优先权日2002年12月9日
发明者基思·W·卡瓦塔, 克里斯蒂·V·佩隆, 基思 W 卡瓦塔, 蒂 V 佩隆 申请人:得州仪器公司