用于电弧故障管理的系统、设备和方法

专利名称：用于电弧故障管理的系统、设备和方法
用于电弧故障管理的系统、设备和方法
背景技术：
美国专利6,421,214 (Packard)的全部内容以参考的方式并入本发明，依其 申述描述了 "自测试电弧故障或接地故障检测器包括电弧故障检测电路和部件。 该检测器包括测试电路，其测试至少部分电路和部件，并且当测i誠功完成时 产生循环信号。如果测试没有成功完成，信号丢失。这种信号丢^1过连接至 测试电路的指示器而用信号指示。在一个方案中，信号丢失激活电路断流器， 所述电路断流器将检测器的负载侧从线S柳斷开。"参见其摘要。
美国专利6,477,021 (Haun)的全部内容以参考的方式并入本发明，依其申 述描述了 "用于确定电路中是否存在弧化的系统包括用于监控电路中的电流波 形的传感器，以及响应于传 而确定是否存在电弧故障的电弧故障检测电路。 该电弧故障检测电路包括控制器，其响应于电路中存在电弧故障的确定而产生 跳闸信号，以及抑制J/闭锁功能，其用于在一个或多个预定条件下防止产生跳闸 信号。"参见其摘要。
美国专利6,532,139 (Kim)的全部内容以参考的方式并入本发明，依其申 述描述了 "用于将交流电源从相线和中性线切断的断路器具有检测电弧故障、 接地故障和过载的能力。该断路器包括电弧故障电路断流器(AFCI (arc fault circuit interrupter))、接地故障电路断流器(GFCI (ground fault circuit interrupter))、 过载电路断流器(OLCI (overbad circuit interrupter))禾口跳闸电路。该AFCI、 GFCI和OLCI跨在交流电源线的相线和中性线之间并且分别检测电弧故障、接 地故障和过载。跳闸电路用于在电弧故障、接地故障和过载中的至少一个发生 时将交流源从断路器切断。当电弧故障跳闸信号、接地故障跳闸信号和过载跳 闸信号中的至少一个的电平大于特定的参考跳闸电平时，断路器被切断。"参见 其摘要。

发明内容
某些示例性实航式包括故障检测系统，该故障检测系统可以包括微处理 器。该微处理器可以被配置用以响应于指示电弧故障的输入信号而自动产生输
出信号至输出管脚。该输出信号可以被配置用以使断路器跳闸。


参照示例性的附图，通过下面的某些示例性实施方式的详细说明，将会更 容易地理解多种可能的实用和有效的实1 式，其中 图1是系统1000的示例性实施方式的方框亂
图2A是电弧故障信号调节电路2000的示例性实施方式的方框图2B是示例性的电弧故障信号调节电路输入波形； 图2C ^例性的电弧故障信号调节电路输入波形； 图2D歸例性的电弧故障信号调节电路输出波形； 图3是与电弧故障信号调节电路相关的波形的示例性实施方式的图3000; 图4A是接地故障信号调节电路4000的示例性实施方式的方框图； 图4B是示例性的接地故障信号调节电路输入波形4100; 图4C歸例性的接地故障信号调节电路输出波形4200; 图5是仿真电弧波形的示例性实施方式的图5000; 图6是方法6000的示例性实施方式的流程图； 图7是方法7000的示例性实施方式的流程亂以及 图8是信息设备8000的示例性实施方式的方框图。 定义
当在此实质上使用下列术语时，所附的定义适用 一个(a):至少一个。
动作行动、行为、步骤和/或过程，或者其一部分。 适于使得适用于或者适M特定应用或情况。 放大器增加经过其的信号的强度的设备。 模拟的由连续的观懂和/繊入而形成的信号。
模数转换器被配置用以接收模拟输入并产生与该模拟输入相关的数字输 出的设备。
禾口/或与……一起或者二中择一。 装置用于特定目的的仪器或设备。 大约几乎相同。
电弧故障在两个或多个导体之间的电力放电，该放电至少与预定的电压、
电流和/或功率电平相关。 与……相关关于。
自动地以基本上独立于外部影响或控制的方式《养力或运行。例如，当在 其视野内"看到"人时，自动照明开关可以打开，而不用人手动操作该照明开 关。
自动地以基本独立于外界影响或控制的方式行动或运行。例如，当在其 视野内"看到"人时，自动照明开关可以打开，而不用人手动操作该照明开关。 校准通过与标准比较而检查、调整和/或确定。 會^在至少一些实M式中，會,。 电路导电路径。
断路器适于自动断开交流电路的设备。 代码机器可读指令。 包括包含但是不限于。 被,用以育g够执fi^寺定功能。 校正改变为更期望的值。 恶化从期望形式被改变的状态。 电流电能流。
:明确的信息±央，通常以特定的或预定的方式格式化和域被组织起来 以表示概念。
致力全部委托和/或纟好特定的4柳、动作、原因和域实体。 定义KdO^廓、形式或结构。 检测感测、察觉和/或识别。 设备机器、制造品和/或其集合。
差分电流第一电导体中的第一电荷流禾瞎二电导体中的第二电荷流之间 的差。
数字的 一一莫拟的；离散的。 直流电(DC):非交变电流。
占空比脉冲序列位于高逻辑状态的时间百分比。
电的与电有关的。
电耦合以适于传递电能的方式连接。
育^量有用功。
故障电弧故障或接地故障。
与参考相比在数量上少。 增益信号功率、电压和/或电流的增加或减少，以输出与输A^比表示。 产生引起和/或使开始。 接地故障电气装置或电路对地短路。
触觉的包括动觉运动的人类感觉和/或接触的人类感觉。在许多潜在触觉 体验中有大量感觉，身体位置的感觉差异以及至少部分地以非视觉、非听觉和 非嗅觉的方式所感知的基于时间的感觉变化，包括以下的体验触觉接触(正 被接触)、主动接触、抓紧、压、摩擦、牵引、滑动、拉伸、推动、扭转、碰撞、 击穿、振动、运动、加速、痉挛、脉动、定向、肢定位、重力、纹理、裂口、 凹陷、粘稠、疼痛、发痒、潮湿、纟鹏、导热性和热容量。
指示的用于指示。
指示符用于吸引注意力的信号。
信息设备育滩M信息的任何设备，例如任何通用计^t几和减专用计算 机，例如个人计算机、工作站、月艮务器、小型计^t几、大型机、巨型计算机、 计^m终端、膝上型电脑、可穿戴计算机、和/或个人数字助理(PDA)、移动终
端、蓝牙设备、通信體、"智能"电话(例如對以Treo的设备)、消息服务(例
如黑莓)接收器、寻呼机、传真机、蜂窝电话、传统电话、电话设备、程序控
制微处理器或微控制器和/或外围集成电路元件、ASIC或其他集成电路、例如离 t^i件电路的硬件电子逻辑电路、和/或例如PLD、 PLA、 FPGA或PAL等的可 编程逻辑设备等等。通常，在其上具有肖^多实现这里描述的方法、结构和减图 形用户界面的至少一部分的有限状态机的任何设备可以用作信息设备。信息设 备可以包括例如一个或多个网络接口、 一个或多个处理器、 一个或多个包含指 令的存储器、和/或一个或多賴A/输出(I/O)设备、 一个或多,禹合至I/O设 备的用户界面等等的部件。
输入涉及iSA设备的电力。
输A/输出(I/O)设备任何面向感觉的输A!B/或输出设备，例如面向听 觉、视觉、触觉、嗅觉和/或味觉的设备，例如包括，监视器、显示器、投影仪、 高位显示器(overhead display)、键盘、小键盘、鼠标、跟踪球、操纵杆、游戏
键盘、滚轮、触盘、触板、指示设备、麦克风、扬声器、摄像机、照相机、扫 描仪、打印机、触觉设备、振动驢、触觉仿麟、和/或触觉盘，还可能包括 I/O设备可以附于或连接至的端口 。
发光二极管(LED): —种当电流经过时发光的二极管。
机謝旨令适于使例如信息设备的机器执行特定操作或功能附旨示。 机器可读介质 一种物理结构，机器从其可以获得数据和/或信息。例如包 括存储器、穿孔卡等。
管理指导或控制。
可以在至少一些实施方式中表示允许和/或许可。 测量确定与标准有关的某物的值。
存储器器件育,存储例如指令和/微据的模拟微對言息的器件。例如 包括非易失性存储器、易失性存储器、随机存取存储器、RAM、只读存储器、 ROM、闪存、磁性介质、！赠、软盘、磁带、光学介质、光盘、压缩盘、CD、 数字多用織、DVD、和/或Raid阵列等。存储器器件可以耦合至处理器和/或 可以存储适于由处理器执行的指令，例如根据这里公开的实施方式。
方法用于完成某事项的过程、流程和/或相关动作的集合。 微处理器包括中央处理单元的集成电路。
网络通信耦合的多个节点。网络可以是和/或禾拥多付网络的任何一个， 其中所述子网络例如是电路交换的、公共交换的、分组交换的、数据、电话、 电信、视频分配、电缆、陆地、广播、卫星、宽带、公司、全球的、国家的、 区域性的、广域、骨干、分组交换的TCP/IP、快以太网、令牌环、公共互联网、
私人的、ATM、多域、和/或多区的子网络、 一个或多个互联剛艮务供应商、和 /或不直接连接至局域网的一个或多个信息设备，例如开关、路由器和/或网关等 等。
网会維口育,^t息设备耦合至网络的任何设备、系统或子系统。例如， 网络接口可以是电话、蜂窝电话、蜂窝式调制解调器、电话数据调制解调器、 传真调制解调器、无线收发器、以太网卡、电缆调制解调器、数字用户线路接 口、网桥、网络集线器、路由器或其他相似设备。
获得接收、计算、确定和/或估算。
输出产生和/或生成的某物。
分组分散的通信实例。
管脚微处理器的导电附件。
多个复数个和/或多于一个的状态。
电源电能的源。
预定的预先确定的。
防止阻止事件发生。
处理器用于执行一个或多个预定任务的设备和/或机器可读指令集。处理 器可以包括硬件、固件和/或软件中的任何一个或其组合。处理器可以利用机械 的、气动的、、ffi的、电的、磁的、光学的、信息的、化学的和/或生物的原理、 信号和/繊入以执行(多个)任务。在某些实施方式中，通鹏纵、分析、修 改、转换、传输由可执行流序和/或信息设备所4OT的信息，禾口/或糊言息路由到 输出设备，处理器可以对信息起作用。处理器可以起到中央处理单元、本地控 制器、远程控制器、平行控制器和/或分布式控制器等的作用。除非另有说明， 处理器可以是例如微控制器和/或微处理器的通用设备，例如由位于加利福尼亚
的圣克拉拉的Intel公司制造的Pentium IV系列微处理器。在某些实施方式中， 处理器可以是例如专用集成电路(ASIC (Application Spec迅c Integrated Circuit)) ^iJ见场可编程门阵列(FPGA (Field Programmable Gate Array))的专用设备，该 ASIC或FPGA已被设计用以以其硬件和/或固件的方式实现这里公开的实施方 式的至少一部分。
提供供给和/或供应。
范围 一组值的广度的度量。
接收取得、得到、获得和/或被纟合予。
相沐与……比较。
再现例如通过任何视觉、听觉和/鄉虫觉装置，例如fflil显示器、监视器、
导电纸(electic paper)、眼部gA物、耳蜗植入物、扬声器等，作为例如数据、 命令、文本、图形、音频、视频、动画和Mli链接等^A类感知。
重复地 一次又一次；反复地。 请求(名词)要求某事的消息。 请求(动词)要求某事。
电阻性电流传感器被配置用以ii31电阻两端的电压降测量电流的装置。
电阻器用于通过阻止电子流动而控制电路中的电流的装置。
响应的对影响和/或、激励反应。
运行状态运行或非运行的指示。
传感器适于自动检测或感觉的^g或系统。
集相关的多个。
信号可检测的所传输的能量，例如脉冲或诸如电压、电流或电场纟贩的 波动电量。
仿真粒另一个事物的表示或模型。 单 一项。
存储通常在存储器中放置、保持和/或保留数据。 基本上很大范围或程度上。
系统机制、设备、 和/或指令的集合，该集合被设计用以执行一个或 多个特定功能。
温度物质样本中分子的平均动能的度量，根据标准刻度指定的单位或程 度表示。
跳闸(名词)使电路中的电流流动中断的电路断开。 瑕M司(动词)断开电路；自动中断电路中的电流流动。 用户{鲷设备的任何人、过程、设备、程序、协议和减系统。 用户界面用于向用户再现信息和/或要求来自用户的信息的任何设备。用 户界面包括文本、图形、音频、视频、动画禾B/鄉虫觉元件中的至少一个。例如 文本元件可以由打印机、监视器、显示器、投影仪等提供。例如图形元件可以 iIM视器、显示器、 仪和/或例如光、标记、信标的可视指示设备，供。 例如音频元件可以通过扬声器、麦克风和减其他产生和/或接收声音的设备提 供。例如视频元件或动画元件可以M^视器、显示器、投影仪和/或其他可视 设备提供。例如触觉元件可以通过甚低频扬声器、振动器、触觉仿真器、触觉 盘、仿真器、键盘、小麟、鼠标、跟踪球、操纵杆、游戏m、滚轮、触盘、 触板、指示设备和/或其他触觉设备等提供。用户界面可以包括一个或多个文本 元件，例如一个或多个字母、数字、符号等。用户界面可以包括一个或多个图 形元件，例如图像、照片、图、图标、窗口、标题栏、面板、图表、标签、绘
图器(dmwer)、矩阵、表格、表单、日历、大纲视图、框架、对话框、静态文
本、文本框、列表、选项表、弹出列表、下拉列表、菜单、工具条、停靠栏(dock)、
Si^框、单选按钮、超链接、浏览器、按钮、控件、调色板、预览面板、色盘、
刻度盘、滑±央、滚动条、光标、状态栏、分档器和/或进度指示符等。文本和/ 或图形元件可以用于对外观、背景颜色、背景风格、边界风格、边界厚度、前 景颜色、字体、字体贿、字体大小、对齐、行距、缩进、最大娜长度、确 认、查瓶光标类型、指针翻、自动尺寸监控、位置和/或尺寸等的选择、编 程、调整、改变、指定等。用户界面可以包括一个或多賴频元件，例如音量 控制、音调控制、速度控制、声音选择器和/或一个或多个用于控制音频播放、 速度、暂停、快进、倒带等的元件。用户界面可以包括一个或多个视频元件， 例如控制视频播放、速度、暂停、快进、倒带、放大、縮小、旋转和/或倾斜等 的元件。用户界面可以包括一个或多个动画元件，例如控制动画播放、暂停、 快进、倒带、放大、縮小、旋转、倾斜、颜色、纟贼、速度、频率、外观等的 元件。用户界面可以包括一个或多^i虫觉元件，例如利用触觉刺激、推力、压 力、振动、运动、位移、纟鹏等的元件。
值指定的或计算的数字量。
3151:由……的方式和减利用。
电压电路的任意两个导体之间的电位差。
具体实施例方式
某些示例性实驗式提供故障检观係统，其可以包括微处理器。该微处理 器可以被配置用以响应于指示电弧故障的输入信号而自动产生输出信号至输出 管脚(pin)。该输出信号可以被隨用以使断路器跳闸。
某些示例性实施方式提供招氐压交流(AC)配电系统中检测电弧故障和接
地故障的方法。该方法可以利用硬件、固件和/或软件。该方法可以基于包括微
处理器和/或数字信号处理器(DSP)的系统。在某些示例性实施方式中，对于
相对低成本的应用可以将5更件简化，并且以相对紧凑的尺寸为特征。该方法可 以包括电弧故障和/或接地故障检测、校准、用于电路观赋的仿真电弧和/或接地 故障信号产生、禾口/或^J^补偿等等。
图1是系统1000的示例性实施方式的方框图，该系统1000可以包括包含 在单片微^S器1100中的电弧故障和/或接地故障检测器。在某些示例性实施方 式中，单片微处理器1100可以是数荆言号舰器(DSP)。在某些示例性实施方
式中，单片微处理器iioo可以是单断路器专用微处理器。
中性导线1300上使用的电流传li^ 1600可以被配置用以提供用在电弧故 障监控中的信号。来自电流传感器1600的信号可以通过中性电流调节电路 (neutral current conditioning circuit) 1650来调节。用于测量中性导线1300和线 路导线1200之间的差分电流的差分电流传 1500可以提供用在接地故障监 控中的信号。在某些示例性实施方式中，差分电流传感器1500和/或电流传 1600可以是电阻性电流传感器。来自差分电流传感器1500的信号可以ffl31差分 电流调节电路1550来调节。可以将来自中性电流调节电路1650和/或差分电流 调节电路1550的信号提供至单片微处理器1100。单片微处理器1100可以被配 置用以接收来自电流传感器1600的指示电弧故障的输入信号。单片微处理器 1100可以被配置用以接收来自差分电流传感器1500的指示接地故障的输入信 号。
单片微处理器1100可以被配置用以调节禾tl/^^文大输入信号、检测电弧故 障、检测接地故障、调整电压、响应于仿真电弧故障信号1700而测试系统1000 中的一个或多个部件、在加电(powerup)期间使故障检测计数器复位、补偿电 流传感器1600和/或差分电流传感器1500的 鹏变动、和/或控制断路器跳闸功 能、提供故P章和/或误差通知和/或警报等等。在某些示例性实施方式中，单片微 处理器1100可以包括多通道芯片内(on chip)模数(A/D)转换器。该多通道 芯片内A/D转换器可以被配置用以接受来自电流传麟1600和/或差分电流传 感器1500的模拟输入，并且可以提供数字输出至包含在单片微处理器1100中 的其他电路。单片微处理器1100可以被配置用以产生能被提供至单片微处理器 1100的输入管脚用于系统测试的仿真电弧故障信号1700。在某些示例性实施方 式中，系统1000可以包括机械按钮，该机械按钮被配置用以当被按下时启动系 统测试，所述系统测试可以包括产生仿真电弧故障信号1700。在某些示例性实 施方式中，系统1000可以包括非易失性存储器，其可以包含在与单片微处理器 1100相关的存储器器件中。
至单片微处理器1100的例如来自联网信息设备和/或用户界面的数字输入 可以用于激活或选择一个或多个系统功能。例如，可以禾,开关信号(导通(ON) 或关断(OFF))来使能或禁用仿真电弧故障信号1700。作为另一个实施例，可 以歡活校准流程。在某些示例性实驗式中，单片微处理器1100可以被配置用
以自动校准电流传^！ 1600禾口/，分电流传 1500。在某些示例性实 式中，单片微处理器1100可以被ra用以接收用户请求来校准电流传感器1600 和/廳分电流传繊1500。在这些实船式中，单片微处理器1100可以响应 于用户请求而校准电流传感器1600和/或差分电流传感器1500。在某些示例性 实施方式中，单片微处理器1100可以被配置用以自动校准电耦合至电流传 | 1600的模数转换器的增益。
在某些示例性实施方式中，^^传感器1940可以包含在单片微处理器1100 中和/或电耦合至单片微处理器1100。温度传感器1940可以被配置用以提供温 度細于校正电流传感器1600和/廳分电流传感器1500的测量值。纟鹏传感 器1940可以包含在单片微处理器1100中和/或电耦合至单片微处理器1100。在 某些示例性实施方式中，单片微处理器1100可以被配置用以自动校正从电流传 麟1600禾口/或差分电流传感器1500所获得的值。在某些示例性实施方式中， 单片微处理器1100可以被配置用以检测包含在单片微处理器1100中的代码恶 化(coiruption)。该代码可以与单片微处理器1100的输出信号相关和/或被, 用以产生单片微处理器IIOO的输出信号，该输出信号提供指令以断开开关从而 停止被单片微处理器1100监控的电路中的电流的流动。
系统1000可以包括具有信号电压输出和电流容量的直流电源1800。直流 电源1800可以被配置用以提供电能至单片微处理器1100。在某些示例性实施方 式中，系统1000中的功率损耗可以比较低。
在某些示例性实施方式中，单片微处理器1100可以被配置用以响应于指示 故障的输入信号而自动产生输出信号至输出管脚。在某些示例性实施方式中， 该输出信号可以被配置用以使单断路器跳闸。单片微处理器1100可以被配置用 以如果检测到电弧故障或接地故障则产生跳闸控制信号，该跳闸控制信号可以 驱动例如螺线管1900的设备，其可以适于使与系统1000相关的电路跳闸。例 如，螺线管1900可以被配置用以、聽机械跳闸机制1950，以通过例如SCR和/ 或螺线管1900导致开关1400断开而断开至负载的功率。
发光二极管(LED) 1850指示器可以电耦合至单片微处理器1100的数字 输出。LED1850可以用于指示单片微处理器1100的运行状态。LED1850中的 任何预定改变或改变的集可以与系统1000的任何预定状态有关。下面的实施例 是说明性的而不限于它们对于状态的可能指示的描述。在某些示例性实施方式
中，如果LED1850关，可以做出系统己停电的推论。在某些示例性实施方式中， 如果LED1850开，可以做出系统已加电的推论，但是单片微处理器1100不运 行。在某些示例性实施方式中，如果LED1850以恒定的可视频率闪烁，可以做 出单片微M器1100正常运行的推论。在某些示例性实施方式中，如果LED1850 以不一致的频率闪烁，可以做出单片微处理器1100检测到了故障的推论。
单片微处理器1100可以通信耦合至网络1960。在某些示例性实施方式中， 单片微处理器1100可以包括无线收发器，其可以通过网络1960无线地传输信 号。单片微处理器1100可以通过网络1960通信耦合至信息设备1970。信息设 备1970可以包括用户界面1980和/或用户程序1990。信息设备1970可以被配 置用以接收、处理和/或再现从单片微处理器1100所获得的信息，该信息与关于 系统1000的故障检测和/或诊断测试有关。用户程序1990可以被配置用以分析 故障和/或诊断信息。用户界面1980可以被配置用以向用户再现关于系统1000 的信息。
图2A是电弧故障信号调节电路2000的示例性实施方式的方框图，该电弧 故障信号调节电路2000可以被配置用以接收来自电流传感器2350的输入信号， 例如图2B中所说明的示例性输入信号。电流传感器2350可以被配置用以测量 中性导线2300上的电流。电弧故障信号调节电路2000可以被配置用以接收来 自电流传感器2350的差^lr入，该电流传感器2350可以提供相对精确的信号 输入和相对好的噪声免疫。通过微处理器可以将仿真输入2250 (例如图2C中 所说明的示例性输入信号)提供至电弧故障信号调节电路2000。
电弧故障信号调节电路2000可以包括信号电压放大器2700。信号电压放 大器2700可以被配置用以放大来自电流传 2350的模拟信号。放大器2700 可以电耦合至微M器。
电弧故障信号调节电路2000可以包括多个电阻器，例如电阻器2400、电 阻器2450、电阻器2550、电阻器2600、电阻器2650、电阻器2750、电阻器2900、 和/或电阻器2950，其中可以选择所述电阻器中的每一个并且设置其尺寸，从而 设置放大器2700的增益用以匹配放大器2700的正和负输入端的阻抗，和/或将 信号输出的偏移电压设置到预定直流电压范围的中心。可以将例如图2D中所说 明的示例性输出信号的输出提供至微处理器和/或DSP的模拟输入端。微处理器 和/或DSP可以被配置用以执行信号输出2200的模数转换。电弧故障信号调节电路2000可以包括多个电容器，例如电容器2500和/ 或电容器2800，其中可以选择所述电容器和/或设置其尺寸，从而设置电弧故障 信号调节电路2000的频率响应以控制高频信号的增益。该高频信号的增益在电 弧故障检测方案中可以解释为噪音。可以选择电容器2850和/或设置其尺寸，以 提供相对低的信号偏移误差。来自微处理器和/或DSP的数字方波输出可以用于 /A^文大器2700到与电弧故障信号调节电路2000相关的机械跳闸机制仿真电弧 输入来测试包括电弧故障信号调节电路2000的系统的功能。
图2B是示例性的电弧故障信号调节电路输入波形。
图2C ^/，例性的电弧故障信号调节电路输入波形。
图3是可以与图2的电弧故障信号调节电路2000相关的示例性电流波形 3200和示例性电压波形3100的图3000。电流波形3200可以是与图2的电流传 感器2350相关的用于75安培点接触电弧测试的波形。电压波形3100可以与发 ，微处理器(例如图1的单片微处理器IIOO)的模拟输入端的电压信号相关。 可以将电压波形3100提供至模数转换器。在电压波形3100的产生过程中，可 以禾,+3.3V的电源。示例性的第一电压波形3100以大约3.3/2V的偏移信号为 特征。i!31模数(A/D)转换器，可以将电压波形发送至微处理器和/或DSP用 于处理。在不同的预定直流电压下，例如大约25、 21.2、 15、 10.2、 8.5、 5、 3.9、 2.7、 l和/或0.5等和/或它们之间的任何其他值或子范围，可以产生相似的结果。
图4A是电路4000的示例性实施方式的方框图，该电路4000可以被配置 用以调节被监控以检测接地故障的信号。电路4000可以包括图1的差分电流传 感器1500和/或差分电流调节电路1550的示例性实施方式。电路4000可以接收 来自差分电流传繊4350的输入信号4400，繊入信号4400以例如图4A中 所说明的示例性输入信号的输入波形为特征。差分电流传感器4350可以确定线 路导线(line conductor) 4250和中性导线(neutral conductor) 4300之间的电流 差别。
电路4000的输出信号4980可以以例如图4C中所说明的示例性输出信号 的输出波形为特征，i^I出波形可以在预定直流电压范围中大致居中。该输出 波形可以被配置用以被传输至微，器和/或DSP的输入端。该微处理器和/或 DSP可以包括被配置用以对输出信号4980执行模数(A/D)转换的电路。电路 4000可以包括信号电压放大器4800。电路4000可以相对简单并且制造便宜。
电路4000可以包括多个电阻器，例如电阻器4500、电阻器4550、电阻器 4600、电阻器4700、电阻器4750、电阻器4850、电阻器4940和/或电阻器4960， 可以选择其中的每一个并且设置其尺寸，从而设置放大器4800的增益以匹配放 大器4800的正和负输入端的阻抗，禾B/或将输出信号4980的偏移电压设置到预 定直流电压范围的中心。
电路4000可以包括多个电容器，例如电容器4650和/或电容器4900，可以 选择所述电容器和/或设置其尺寸，从而设置电路4000的频率响应以控制高频信 号的增益。该高频信号的增益可以被接地故障检测算法解释为噪音。可以选择 电容器4920和/或设置其尺寸，以提供相对低的信号偏移误差。来自微M器和 /或DSP的数字方波输出可以用于从放大器4800到与电路4000相关的机械跳闸 机制仿真接地故障来测试包括电路4000的系统的功能。
图4B是示例性的接地故障信号调节电路输入波形4100。
图4C歸例性的接地故障信号调节电路输出波形4200。
图5是仿真电弧电压波形的图5000，该仿真电弧电压波形可以被传输至例 如图1的单片微处理器IIOO的微处理器或DSP。可以响应于用户按压推测试按 钮(Push to Test Button)而产生该仿真电弧波形。在某些示例性实施方式中，至 微处理器或DSP的输入信号的参考点可以是预定直流电压范围的中点。可以使 传输至微处理器和/或DSP的某些示例性电弧波形脉动在少于预定电压的一半 (例如在某些示例性实施方式中在大约1.65V)。基于电弧检观鎮法中的定义可以 将某些示例性脉冲的幅度和形禱释为电弧事件。
图6是方法6000的示例性实施方式的流程图。在某些示例性实施方式中， 可以在机^l可读介质上实施包含在方法6000中的一个或多个动作。该机器可读 介质可以包括用于包含在方法6000中的一个或多个动作的机器指令。
在动作6100，可以设计和/或制造微处理器。该微处理器可以是单片微处理 器和/或单片数對言号处理器(DSP)。该微处理器可以被配置用以基于一个或多 个所接收的信号，确定接地故障和/或电弧故障的存在。该微M器可以被配置 用以响应于指示电弧故障的输入信号而自动产生输出信号至输出管脚。该输出 信号可以被配置用以4吏例如单断路器的断路器跳闸。该微处理器可以被配置用 以检测包含在微处理器中的代码恶化。该代码可以与输出信号相关。某些示例 性微处理器可以包括被配置用以测量纟显度的芯片内电阻性设备。可以由微处理
器利用该温度，以执行与接地故障和/或电弧故障确定相关的一个或多个传自 读数的温度补偿。
微处理器可以包括和/或电耦合至发光二极管(LED)。该LED可以被配置 用以指示微处理器和/或包括微处理器的系统的状态。
包含在微处理器中的电路(例如电弧故障和/或接地故障信号输入电路)中 的改变可以产生预料不至啲结果。增益校准可以用于至少部分地补偿和/或校正 这些改变。在制造期间可以利用观赋夹具(test fixture)而实施增益校准。在增 益校准期间，可以将比较好地定义的信号源提供至电弧故障和/或接地故障输入 电路。测试夹具的探头可以用于发送数字信号至微处理器的输入端口，用于增 益校准流程。该增益校准可以基于硬件、固件和/或软件。可以将模数(A/D) 转换器的输入值与理论值比较。电弧故障和/或接地输入电路可以处理信号使得 输出值与输入值近似成线性地变化。在用于每一，入电路的校准期间可以获 得比值并将其保存在一一易失性存储器器件中。每一个比值都可以用于校正通过 A/D输入所获得的值。在不执行增益校准的实施方式中，可以使用基于一个或 多个理论计算的默认值。
在某些示例性实施方式中，可以执行纟鹏校准以补偿传麟的 鹏引起的 变化，其中该变化被用作电弧故障和/或接地故障检测的输入。^J^校准可以被 配置用以测试包含在微处理器中的输入电路。在某些示例性实施方式中，可以 禾,、鹏传繊。可以在例如大约25摄氏度的预定驗下为 鹏补偿执行校准。 可以用实验方法预定和/或预测所感领啲信号的MS弓胞的变化。在校准TO传 繊之后，微处理器可以确定和/或估计大约的实际环境a^。 一旦建立数学公 式和/或存储与纟鹏W尝有关的预定值，微处理器可以被配置用以为来自一个或 多个传麟的电测量提供纟鹏补偿。
在动作6200，可以将微处理器安装在被配置用以确定接地故障和/或电弧故 障的存在的系统中。该系统可以包括被配置用以提供信号至微处理器的一个或 多个电流和/或差分电流传感器。该系统可以包括一个或多个调节电路，其中所 述调节电路被配置用以在将信号传输至'微处理器之前调节来自 一个或多个传感 器的信号。
在动作6300，可以初始化系统。例如，可以校准一个或多个传 。在某 些示例性实施方式中，微处理器可以被配置用以执行自测试。微处理器可以在
执行自测试的预定时间周期期间避免提供信号以打开开关从而停止电路中的电 流。在某些示例性实施方式中，可以作出关于开关状态的确定。可以提供指示
开关状态的一个或多个信号作为至微处理器或DSP的输入。
在动作6400，可以测试软fM戈码以检测代码恶化(code corruption)。可以 将软fHt码存储在存储器器件中。验证不存在代码恶化可以相对增强系统软件 稳定性。可以在任何时间潜在地、例如不定期地和/或以预定频率定期地测试软 靴码。
在动作6500，可以Mil—个或多个仿真信号测试系统性能。例如， 一个或 多个仿真信号可以包括指示电弧故障的信号和/或指示接地故障的信号。系统测 试可以包括检査开关状态和发送以仿真电弧波形为特征的信号用以测试电弧故 障电路。该测试可以被配置用以确定电弧信号输入是否Mil电和/或机械耦合的 跳闸机制来打开开关。可以在任何时间潜在地、例如不定期地和/或以预定频率 定期地执行该测试。当执行测试时，系统可以被配置用以不处理和/或不响应一 个或多个电路信号的变化。
仿真电弧波形可以包括一系列大约矩形的脉冲。在某些示例性实施方式中， 所述脉冲可以在大约500毫秒的时间周期内包括在大约4和8个脉冲之间。在 某些示例性实施方式中，所述脉冲可以以大约60赫兹的频率和大约70%的占空 比为特征。图5中说明了仿真电弧故障波形的示例性实 式。
在动作6600，可以从被配置用以测量电流和/或差分电流的传mi中获得电 弧故障或接地故障信号。调节电路可以在传输至微处理器之前处理每个所获得 的信号。可以通过可包含在微处理器中的A/D转换器电路M信号。
在动作6700，可以过滤信号。为了相对好的噪音免疫，可以利用数字滤波 算法处理来自A/D转换器的信号输出。在已经执行校准的实施方式中，可以基 于校准的结果校正和/或补偿信号。在没有执行校准的实施方式中，在信号M 过程中可以使用默认值。
在动作6800，可以3131包含在微处理器中的用于电弧和接地检测的算法来 M被过滤3卩/或被校准的波形。
在动作6900，如果检测到电弧或接地故障，可以通过数字输出端口传输 SCR触发信号。该信号可以被配置用以通过螺线管控制的机MITL构将系统功率 与电路切断。如果没有检测到故障，可以循环执行方法6000以尝i微测故障。
在动作6950，可以报告结果。例如，如果检测到代码恶化，可以通过关联 至和/或通信耦合至微处理器的一个或多个1/0设备和/或信息设备，将关于恶化 的信息传输和/或报告给一个或多个用户。如果检测到故障和/或与微处理器相关 的断路器跳闸，可以通过一个或多个1/0设备和/或信息设备将关于故障的信息 传输和/或报告给一个或多个用户。
图7是方法7000的示例性实施方式的流程图。在动作7100，可以将与被 配置用以检测电路中的故障的微处理器相关的中断使能。某些示例性实施方式 可以包括看门狗计时器(watchdogtimer),其可以被配置用以响应于不以预期形 式执行软件过程的确定而复位软件过程。可以连续地增加和测试与看门狗计时 器有关的看门狗计数器，用以确定是否已经超过预定的阈值。可以响应于被配 置用以确定软件过程的正确操作的一个或多个预定准贝i」而复位看门狗计数器。
在某些示例性实施方式中，基于计时器的中断速率可以是相对快速的，例 如小于大约120微秒。该速率太高以至于如果在每次执行中断例程时都开关与 微处理器相关的LED贝舰得速率很不明显。在某些示例性实施方式中，软件计 数器可以用于将LED的闪烁率减少至可视的速率，例如在大约10和大约25次 /秒之间。
在动作7200，可以检查与微，器相关的存储器器件。例如，可以检查存 储器器件以确定软fM戈码是否已经恶化。例如，可以观赋闪存以确定闪存中的 存储单元(location)禾d/或包含在闪存中的存储单元中的数据是否为预期值。来 自闪存中的存储单元的意夕卜值或结果可以指示软fM戈码已经恶化。
在动作7300，如果作出软fH戈码已经恶化和/或存储器器件已经故障的确 定，则可以存储默认值。在某些示例性实施方式中，可以再现默认值用于用户 观察。
在动作7400，可以作出一个或多个参数是否已经改变的确定。可以通过循 环冗余校验(CRC (Cyclic Redundancy Check))作出一个或多个参数已经改变 的确定。如果循环冗余校验失败，某些示例性实施方式可以提供指令以开始看 门狗计时器，而不用复位看门狗计数器。
在动作7500，作出参数是否在预定范围内的确定。
在动作7600，可以响应于参数在预定范围之外的确定而改变参数。在某些 示例性实施方式中，如果参数已经改变并且在预定范围之外，则可以忽略参数
的改变并且将参数咴复为先前值。如果参数在预定范围内，贝何以测试一个或 多个输入信号以确定每一，入是否都在预定范围内。如果输入在范围之外， 可以将该输入设置为最小值。
图8是信息设备8000的示例性实M"式的方框图，在某些示例性实施方式 中该信息设备8000可以包括例如图1的信息设备1970。信息设备8000可以包 括多个部件中的任何一种，例如一个或多个网络接口 8100、 一个或多个处理器 8200、 一个或多賴括指令8400的存储器8300、 一个或多^llA/输出(I/O) 设备8500、禾B/或一个或多^M禺合至I/O设备8500的用户界面8600等等。
在某些示例性实施方式中，M—个或多个用户界面8600 (例如图形用户 界面)，用户可以查看关于电路中的电弧故P對口/或接地故障检测的信息的再现。
M阅读某些示例性实施方式的，详细说明和附图，本领域技术人员将 容易地明白其他实用的和有效的实施方式。应当理解，可能有许多变化、修改 和附加的实施方式，并且因此，所有这些变化、修改和实施方式都被认为落入 本申请的精神和范围内。
因此，不管本申请的任何部分(例如，标题、技术领域、背景技术、发明
内容、摘要、附图等等)的内容，除非通过例如明确定义、声明或论证来清楚 地作出相反说明，否则，无论是本申请、和/或要求其优先权的任何申请的权利 要求，也无论是否原始提出的或其他方面，对于
权利要求
不需要包括任何具体描述或说明的特征、功能、动作或元件，任何具体的 动作顺序或任何具体的元件相互关系；
任何元件可以被集成、分离和减复制
任何动作可以被重复、由多个实Wl行和/或以多个权限来执行；以及 任何动作^t件可以被特别地排除，动作顺序可以变化，和/或元件的相互 关系可以变化。
因此，说明书和附图实质上是说明性的，而不是限制性的。另外，当本文 描述任何数字或范围时，除非明确指出，否则所述数字和范围都是近似的。当 本文描述任何范围时，除非明确指出，否贝l」所述范围包括其中的全部值以及其 中的全部子范围。在这里通过引用被并入的任何资料(例如，美国专利、美国 专利申请、书籍、论文等)中的任何信息，只是在以下程度上舰弓间被并入， 即在本文所述的这种信息和其他声明或附图之间不存在冲突。如有这种冲突，
包括使这里的或需求其优先禾又的任何^l利要求无效的冲突，那么本文特别地不 通过弓间并入在M弓阅如此并入的资料中的任何这种冲突信息。
权利要求
1. 一种故障检测系统，包括单断路器专用微处理器，其被配置用以响应于指示电弧故障的输入信号而自动产生输出信号至输出管脚，所述输出信号被配置用以使单断路器跳闸；并且检测包含在所述微处理器中的代码的恶化，所述代码与所述输出信号相关。
2. 根据禾又利要求1所述的系统，还包括发光二极管指示器，其被配置用以指示所述微处理器的运行状态。
3. 根据禾又利要求1所述的系统，还包括 电耦合至所述微，器的电阻性电流传感器。
4. 根据权利要求1所述的系统，还包括 电耦合至所述微M器的差分电流传感器。
5. 根据权利要求1所述的系统，还包括被配置用以使与所述故障检测系统相关的电路跳闸的设备。
6. 根据权利要求1所述的系统，还包括、M传感器，其被配置用以提供、皿值用于校正电耦合至所述微处理器的 电流传感器的测量值。
7. 根据权利要求1所述的系统，还包括、 传感器，其被配置用以提供^^值用于校正电耦合至所述微处理器的 电流传感器的测量值；以及模数转换器，其被配置用以接受来自所述电流传,的模拟输入并且提供 数字输出至所述微鹏器。
8. 根据权利要求1所述的系统，还包括放大器，其被配置用以放大来自电流传繊的模拟信号，所述放大器电耦 合至所述微，器。
9. 根据权利要求1所述的系统，还包括才莫数转换器，其被配置用以接受来自电耦合至所述微处理器的电流传感器 的模拟输入并且提供数字输出至所述微处理器。
10. 根据权利要求1所述的系统，还包括 模数转换器，其被配置用以接受来自差分电流传 的模拟输入并且提供 数字输出至所述微处理器。
11. 根据权利要求1所述的系统，还包括 电源，其被配置用以提供电能至所述微处理器。
12. 根据权利要求1所述的系统，还包括多个电阻器，其被配置用以设置包含在所述故障检测系统中的放大器的增 益，并且在所述信号输出被模数转换器接收之前，将所述放大器的信号输出设 置在预定直流电压范围内的预定电平。
13. 根据权利要求1所述的系统，所述微处理器还被KS用以 提供仿真电弧故障信号以测i^f述故障检测系统。
14. 根据权利要求1所述的系统，所述微处理器还被配置用以 自动校准包含在所述故障检测系统中的电流传皿和差分电流传感器。
15. 根据权利要求1所述的系统，所述微处理器还被配置用以 接收用户请求以校准电耦合至所述微处理器的电流传 和差分电流传感器。
16. 根据权利要求1所述的系统，所述微处理器还被配置用以 提供指示接地故障的仿真信号以测i^f述故障检测系统。
17. 根据权利要求1所述的系统，所述微处理器还被配置用以 接收来自电耦合至所述微处理器的电流传感器的指示电弧故障的所述输入信号。
18. 根据权利要求1所述的系统，所述微处理器还被配置用以接收来自电耦合至所述微处理器的差分电流传感器的指示接地故障的信号。
19. 根据权利要求1所述的系统，所述微处理器还被配置用以 自动校准电耦合至电流传感器的模数转换器的增益，其中电流传感器电耦合至所述微，器。
20. 根据权利要求1所述的系统，所述微处理器还被配置用以 基于所测量的》鹏自动校正从电耦合至所述微处理器的电流传繊获得的值。
21. 根据权利要求1所述的系统，所述微处理器还被配置用以 基于所测量的纟鹏自动舰从电耦合至所述微处理器的差分电流传 获 得的值。
22. —种方法，包括 配置微处理器，用以响应于指示电弧故障的输入信号而自动产生输出信号至输出管脚，所述输 出信号被隨用以使单断路器跳闸；并且检测包含在所述微处理器中的代码的恶化，所述代码与所述输出信号相关。
23. 包含用于动作的机激旨令的机器可读介质，所述动作包括响应于指示电弧故障的输入信号而自动产生输出信号至输出管脚，所述输出信号被配置用以使单断路器跳闸；并且检测包含在所述微处理器中的代码的恶化，所述代码与所述输出信号相关。
全文摘要
本发明涉及用于电弧故障管理的系统、设备和方法。某些示例性实施方式可以包括故障检测系统，该故障检测系统可以包括微处理器。该微处理器可以被配置用以响应于指示电弧故障的输入信号而自动产生输出信号至输出管脚。该输出信号可以被配置用以使断路器跳闸。
文档编号H02H1/00GK101395777SQ200780007287
公开日2009年3月25日 申请日期2007年2月1日 优先权日2006年3月1日
发明者B·张, C·雷斯特雷波, M·戈罗德, S·希尔兹 申请人:西门子能量及自动化公司