用于电弧故障检测的装置和方法与流程

本申请依据35 U.S.C. § 119要求2012年5月1日提交的英国专利申请号12075347的优先权，其披露内容通过引用并入本文。

背景技术：

如飞行器航空系统中使用的那些的电路可以使用较高的电压并且能够供给高电流。其中可能发生如电弧故障的电气故障，并且典型地使得电流流经导电介质或跨非导电介质从一个导体跳到另一个导体。能够检测到此类电弧故障是重要的，因为如果未及时检测到，则故障可能发展成短路、功能失效和这些电子电路服务的设备中的其他问题。

技术实现要素：

在一个实施例中，印刷电路板（PCB）包括多个电组件、配置成耦合到PCB外部的供电源并向多个电组件提供功率的电源线（power conductor）、以及电弧故障检测器，该电弧故障检测器包括第一空芯变压器，该第一空芯变压器位于电源线附近以与通过电源线的电流所产生的第一磁场耦合并提供输出电压Vout，输出电压Vout与通过电源线的电流的变化率dI/dt成比例。

在另一个实施例中，一种检测PCB上的电源线中的电弧故障的方法，包括通过位于印刷电路板上的空芯变压器感测指示通过电源线的电流的变化率的值，以及基于感测的值来确定电弧故障状况。

根据一个方面，提供了一种印刷电路板（PCB），其包括：多个电组件；电源线，其配置成耦合到所述PCB外部的供电源并向所述多个电组件提供功率；以及电弧故障检测器，该电弧故障检测器包括第一空芯变压器，所述第一空芯变压器位于所述电源线附近以与通过所述电源线的电流产生的磁场耦合并提供输出电压Vout，所述输出电压Vout与通过所述电源线的所述电流的变化率dI/dt成比例。

优选地，所述电弧故障检测器还包括信号处理电路，所述信号处理电路接收Vout并确定电弧故障的存在。进一步地，所述的PCB还包括继电器和SSPC的至少其中之一，所述继电器和SSPC的至少其中之一在确定电弧故障时将所述电源线与所述供电源解耦合。

优选地，所述电弧故障检测器还包括相对于所述第一空芯变压器串联且反相布线的第二空芯变压器，跨过所述第一空芯变压器和第二空芯变压器两端的电压是Vout。进一步地，将所述第一空芯变压器和第二空芯变压器置于所述电源线附近以便相长性地增大通过所述电源线的所述电流产生的所述磁场的正分量和负分量。更进一步地，将所述第一空芯变压器和第二空芯变压器反相布线以便实现所述磁场的所述正分量和负分量的相长性增大。再进一步地，所述第一空芯变压器和第二空芯变压器分别包括第一线圈和第二线圈。又进一步地，所述第一线圈和第二线圈的每一个线圈由按相同旋转方向缠绕的绕组形成。

更进一步优选地，每个线圈包括至少一个螺旋。再进一步优选地，每个线圈包括布置在所述PCB中的不同层的多个螺旋。

更进一步优选地，所述绕组包括所述PCB上的迹线。

优选地，所述第一空芯变压器包括第一线圈。进一步地，所述第一线圈由按相同旋转方向缠绕的绕组形成。更进一步地，所述线圈包括至少一个螺旋。再进一步地，所述线圈包括布置在所述PCB中的不同层的多个螺旋。又进一步地，所述绕组包括所述PCB上的迹线。

优选地，所述电源线包括汇流条。

根据另一个方面，提供了一种检测使用印刷电路板（PCB）上的电源线的电弧故障的方法，所述电源线从外部电源向所述PCB上的电组件供给功率，所述方法包括：通过位于所述印刷电路板上的空芯变压器感测指示通过所述电源线的电流的变化率的值；以及基于所感测的值来确定电弧故障状况。

优选地，所述方法包括从至少两个空芯变压器感测所述值，所述至少两个空芯变压器位于所述电源线附近以相长性地增大通过电源线的所述电流产生的磁场的正分量和负分量。

优选地，所述方法还包括将所述电源线与所述外部电源断开连接。进一步地，所述外部电源至少60伏。更进一步地，所述外部电源至少220伏。

附图说明

在这些附图中：

图1A和图1B是根据本发明实施例的PCB的示意图图示。

图2A是可以与图1的PCB一起使用的示范线圈的示意图图示。

图2B图示图2A的简化等效示意图，以允许评估线圈的电磁耦合参数。

图3是根据本发明实施例的示范测试电路配置的示意图。

图4A图示图3所示的电路中通过串联电弧故障行进的电流的曲线图，以及图4B图示放大空芯线圈输出电压的响应的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施例包括使用PCB实例化的空芯变流器来检测快速电流的变化率（dI/dt），作为非限制性示例，这可以在串联和并联电弧故障事件期间在飞行器配电馈线中创建。在历史电弧故障检测系统中，过去使用电阻器电容器硬件微分器来从固态功率控制器（SSPC）输出电流测量电路来确定dI/dt。SSPC典型地设计成读出它们的额定电流的约600%才能在预期环境中实现功能。高电压下的电弧故障产生约该额定电流的仅5%的电流扰动。因此，电弧故障扰动可能难以与电路的普通噪声分开。SSPC往往使用分流电阻器作为测量通过其端子的电流的装置，这些分流电阻器根据上文范围来设置大小，这意味着限定了可用于电弧故障检测的信噪比。分流电阻器在低电压应用中表现良好，但是随着电压提高，失去将电弧故障扰动与电路的普通噪声区分的能力。可以结合特定示例来说明此难题。

在高电压系统中，因串联电弧故障导致输出电流中的变化根据如下公式减少：

在现代环境中，典型的电弧故障事件将导致20 伏信号。在28伏DC系统中，20伏串联电弧故障事件期间的电流降低得到如下关系：deltaI / ILOAD = 20 / 28 = 0.714 = 71.4%。但是，在270伏DC系统中，相似20伏串联电弧故障事件期间的电流降低得到如下关系：deltaI / ILOAD = 20 / 270 = .074 = 7.4%。在SSPC内的典型电流监视系统中，测量范围典型地覆盖额定电流的0%至600%。施加到SSPC的典型负载将额定值降低到额定电流值的75%附近，因此，假定270伏DC的线电压下由于串联电弧故障导致的电流变化是75%负载电流的7.4%，且仅是600%满程范围的仅5.6%电流值。相比之下，在28伏DC系统中，降低额定值的负载电流是53.6%，几乎大了10倍。与600%范围成比例的5.6%电流值仅是600%满程范围的0.93%，相比之下，对于28伏系统为8.9%。这种串联电弧故障所致的0.93%电流变化与SSPC内电路监视系统的精度处于相同数量级。28伏系统的变化在量值上更高。因此，虽然28伏DC系统中的电弧故障事件容易利用分流电阻器来确定，但是对于270伏DC系统中的电弧故障事件并不同样如此。

实现电弧故障检测所需的信息单纯是对给定负载提供功率的DC信号的AC内容。因此，可以忽略信号的DC内容，并且可以使用变压器的AC耦合特征。因为该系统中的DC电流电平高，所以由于磁芯饱和的原因而无法使用典型基于铁芯的变流器。PCB实例化的空芯变流器不会饱和，并且因此通过忽略任何DC电流分量并直接地提供dI/dt来解决此问题。

本发明提供用于确定高电压环境中的电弧故障事件的解决方案。PCB 10应用环境中的图１A中图示了本发明的一个实施例，PCB 10可以包括具有多个电组件（为了简明而未示出）的板12、电源线14和电弧故障检测器16。板12可以由如基材或层压板的任何适合材料形成，其一般是不导热的。多种部件包括存储器、微处理器11和其他电组件13（例如，电阻器、二极管和电容器），它们可以安装到板12。

电源线14可以是汇流条或板12上提供的任何其他类型的导体。出于说明的目的，电源线14图示为汇流条。电源线14可以配置成耦合到PCB 10外部的供电源（未示出）以向位于板12上的多个电组件提供功率。外部电源可以是至少60伏，并且可以设想为更高，包括至少220伏。

电弧故障检测器16图示为包括位于电源线14附近的第一空芯变压器20和与第一空芯变压器20串联布线的第二空芯变压器22。电弧故障检测器16还可以包括信号处理电路或电弧故障检测电路21。可设想电弧故障检测电路21可以向微处理器11提供输出，并且微处理器11可以使用信号输入来确定是否存在电弧故障事件。作为备选，可以将电弧故障检测电路21耦合到微处理器11或可以是微处理器11的一部分，并且可以实现算法以检测电弧故障的初始发生，并基于感测的值来确定电弧故障状况。

可以将第一空芯变压器和第二空芯变压器20和22置于电源线14附近以便相长性地增大通过电源线14的电流产生的磁场的正分量和负分量。第一空芯变压器和第二空芯变压器20和22的每一个可以包括板上实例化的线圈。正如图1B中可以更清楚地见到的，第一空芯变压器20图示为包括绕组24形成的第一线圈，以及第二空芯变压器22图示为包括与绕组24相同旋转方向缠绕的绕组26形成的第二线圈。可以采用此方式将第一空芯变压器和第二空芯变压器20和22反相布线以便在工作期间实现磁场的正分量和负分量的相长性增加。

绕组24和绕组26图示为包括板12上螺旋形式的的迹线，图2A中予以更好地图示。这些绕组形成逐渐减小的矩形螺旋可以等效于多个几何形状上相似且尺寸不同的矩形，如图2B中的线圈30所示。还可设想每个线圈可以包括布置在PCB 10的板12中不同层上的多个螺旋。注意，为了简明起见，上文描述的附图中仅图示一个线圈。 开口32图示PCB 10的多个层上的多个螺旋可以在何处串联布线。

电弧故障检测器16还可以包括响应电弧故障检测器16的继电器或SSPC（未示出）。电弧故障检测器16可以包括在检测到电弧故障时控制继电器或SSPC（未示出）以将电源线14与供电源解耦合的电路（未示出）。这种继电器可以包括断路器或用于在发生电弧故障时将电源线14与供电源解耦合的任何其他适合机构，并且实现继电器动作的特定方式不影响本文描述的系统。

操作中，可以由电弧故障检测器16在电源线14中检测电弧故障。由电弧故障检测器16感测电弧故障的发生，电弧故障检测器16优选地作为时间t的函数测量电源线14中的电流I的变化率或dI/dt。操作期间，空芯变压器可以与通过电源线14的电流（如箭头28所示）产生的磁场（如图1A中箭头B所示）耦合并提供输出电压Vout，输出电压Vout与通过电源线14的电流的变化率dI/dt成比例。在图示的实施例中，第一空芯变压器和第二空芯变压器20和22两端的电压可以是Vout。电弧故障检测器16可以接收Vout并可以据此确定电弧故障的存在。更确切地来说，电弧故障检测器16可以感测指示通过电源线14的电流的变化率的值，并基于感测的值来确定电弧故障状况。可以基于感测的值是否超过允许的最大变化率值来进行电弧故障的检测。将理解，这种确定可以容易地更改为通过肯定/否定比较或真/假比较来满足。例如，可以通过将数据在数值上逆变换时应用大于测试来容易地满足小于阈值。可以通过试验来确定允许的最大变化率值。

为了确定电弧故障，电弧故障检测器16感测来自第一空芯变压器和第二空芯变压器20和22的值以便相长性地增大通过电源线14的电流产生的磁场的正分量和负分量。给定指示的参数下，可以在汇流条电流微分dI/dt与线圈输出电压Vout之间推导变换函数。可以使用如下公式计算线圈电压：

其中Vout = 串联布线的两个线圈两端的电压；

=通过供电汇流条的电流的变化率；

K = 线圈的数量；

N = 匝数；

a = 从汇流条的中心至线圈边缘的距离；

w = 线圈的宽度；

l = 线圈的长度；以及

s = 每个线圈中匝之间的间距。

对于图1A和图1B中示出双线圈的五匝示范实施例，可以按如下公式对该串联求值：

该电压信号指示电流随时间的变化率，以及以此方式，电弧故障检测器16可以确定变化率是否超过允许的最大变化率。

每个线圈匝越多，以及每个线圈使用的层越多，dI/dt与线圈输出电压Vout之间的耦合越大。线圈长度与输出电压之间的关系是线性的，但是Vout比线圈宽度的关系与ln(b/a)的比值的关系成比例，所以需要w或b中（图1B）较大的增加来得到耦合中任何显著的增加，因此期望将线圈长度增到最大（如果可能的话）。

图3图示根据本发明实施例的具有Vout输出的示范测试配置电路100。在测试配置电路100中，测试了尺寸为l = 38mm、w = 5mm、a = 10mm，因此b = 15mm的双空芯线圈。在根据SAE AS5692标准的随机振动下，包含松动端配置的振动台上产生串联电弧故障。在270伏DC线电压下，执行该测试。图4A中的曲线图图示赋能时松动端摇晃时图3所示的电路100中通过串联电弧故障的电流。图4B中的曲线图图示放大的空芯线圈输出电压的响应，其示出串联电弧故障的击穿导致的负dI/dt事件期间的负脉冲。电弧故障期间脉冲的振幅被放大10倍。

上文描述的实施例提供多种优点，包括能够检测AC和DC系统中的串联和/或并联电弧故障，以及对于检测高电压系统中的串联电弧故障尤其有用。上文描述的实施例可以用于检测PCB内部和外部的电弧故障。空芯变流器提供确定配电馈线中dI/dt信号的装置，而无需测量绝对电流以及不会在后续有将此信号微分的开销。上文的实施例还提供较之将绝对电流信号微分改善的dI/dt动态范围。上文描述的实施例还提供电流测量系统的电流隔离，这样让所需的任何信号处理电路中具有灵活性。在高电压系统中，所使用的传感器的电流感测放大器无需像用于高端分流电流传感器所必须的那样在线电压上浮动。上文描述的实施例可以在不饱和的情况下检测高量值DC电流的AC分量，并提供对抗飞行器环境中见到的远场干扰源的良好抑制。该解决方案只需非常少的外围组件，且与备选解决方案相比实现成本较低。

本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。

部件表

10 PCB

11 微处理器

12 板

13 电组件

14 电源线

16 电弧故障检测器

20 第一空芯变压器

21 电弧故障检测电路

22 第二空芯变压器

24 绕组

26 绕组

28 箭头

30 线圈

32 开口

100 配置电路。