專利名稱：響應(yīng)于積分檢測電流值間隔間變化模式的電弧故障檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施形態(tài)被指向這樣的設(shè)備其由負載電流中的特征擾動檢 測電弧故障，同時，避免由于其他現(xiàn)象產(chǎn)生的負栽電流擾動而導(dǎo)致的非必 要跳閘。
背景技術(shù)：
用于AC與DC電力系統(tǒng)的電弧故障檢測器典型地監(jiān)視負栽電流是否 存在這類故障的隨機擾動特征。然而，存在許多可能在負栽電流中引起擾 動的"正常"事件，必須將其與電弧進行區(qū)分，以避免有害的跳閘。有些 這類事件為例如電煲斗、烤餅?zāi)＞呋驙t恒溫器等溫度開關(guān)引起的負載電 流中斷，調(diào)光器(dimmer)的運行、特別是當(dāng)設(shè)置被改變時，電容運行電 動機，壓縮機的啟動，等等。已經(jīng)提出了用于將電弧與其他負栽電流事件進行區(qū)分的許多技術(shù)。美 國專利No.5933305使用循環(huán)電流積分比較，其中，將檢測電流對于重復(fù)時 間間隔(典型地為AC系統(tǒng)的一個周期)的積分值與前一間隔的值進行比 較。對于每個時間間隔，對選定數(shù)量(例如六個)的最近時間間隔的積分 值中的間隔間增大和減小的指示進行計數(shù)。如果該計數(shù)的加權(quán)時間衰減累 積(time attenuated accumulation)達到預(yù)定的量，產(chǎn)生電弧檢測信號， 該信號可4皮用于例如對斷路器進行跳間。在電弧故障檢測中--特別是在滿足Underwriter LaboratoriesStandard UL1699描述的與清除時間(clearing time)、有害跳閘、電弧事件 的掩蔽以及多種負栽測試有關(guān)的性能中一一存在改進空間。還存在對簡化 技術(shù)方法的挑戰(zhàn)，其可潛在地降低電孤故障檢測器的成本。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施形態(tài)被指向電弧故障檢測器，其中，分析積分電流的間隔間增大或減小的計數(shù)序列中的模式(pattern)是否存在電弧故障的模式 特征。當(dāng)電弧故障以外的現(xiàn)象的模式特征被檢測出時，計lt^列被復(fù)位， 以便避免有害的跳閘。具體而言，本發(fā)明的實施形態(tài)被指向 一種電氣系統(tǒng)用電弧故障檢測器， 其包含由電氣系統(tǒng)中流動的電流產(chǎn)生檢測電流信號的檢測電流信號發(fā)生 器。積分器重復(fù)地在相等的時間間隔上對檢測電流信號的絕對值進行積分， 以便產(chǎn)生積分檢測電流值。當(dāng)對于最近完成的時間間隔的積分檢測電流值 由對于前一時間間隔的積分檢測電流值變化至少閾值量時，變化指示器為 每個最近完成的時間間隔產(chǎn)生變化指示。合計器重復(fù)地對于每個最近完成 的時間間隔合計在選定數(shù)量的最近完成時間間隔上產(chǎn)生的變化指示的數(shù) 量，以便產(chǎn)生變化計數(shù)。存儲器在變化計數(shù)序列中對選定的最近完成間隔 的變化計數(shù)進行存儲。處理器包括對指示出電弧的、變化計數(shù)序列中的模 式做出響應(yīng)地產(chǎn)生電弧信號的檢測器裝置。處理器還包含復(fù)位裝置，其對 表示電弧以外的事件的、變化計*列中的預(yù)定其他模式做出響應(yīng)地清除 變化計數(shù)序列的存儲器。在本發(fā)明的一個實施例中，在計算變化計數(shù)之前，分別確定正負半周 期的積分電流變化，并接著對之進行交錯(interleave)。


結(jié)合附圖閱讀下面對優(yōu)選實施例的介紹可獲得對本發(fā)明的全面理解。 在附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施形態(tài)的電弧故障檢測器的框圖； 圖2為一流程圖，其示出了圖1中的電弧故障檢測器根據(jù)本發(fā)明一實 施例的運4?。粓D3為一流程圖，其示出了圖1中的電弧故障檢測器根據(jù)本發(fā)明另一 實施例的運4亍。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的實施例可應(yīng)用于檢測電氣系統(tǒng)1中的電弧故障，該系統(tǒng)包括線路導(dǎo)體3和中性導(dǎo)體5。示例性電氣系統(tǒng)1為AC系統(tǒng)，典 型地為50或60赫茲的配電系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)1受到提供過流和過載保護的 傳統(tǒng)斷路器7的保護。另外，電弧故障檢測器9提,對電氣系統(tǒng)1中的 電弧故障的保護。典型地，電弧故障檢測器9可被裝入斷路器7,然而， 為清楚起見，其在圖1中被示為是分立的。電弧故障檢測器9包含信號發(fā)生器11，信號發(fā)生器11包含耦合到線 路導(dǎo)體3的電流互感器13、低通濾波器15、絕對值電路17。電流互感器 13產(chǎn)生檢測電流信號，低通濾波器15對檢測電流信號進行過濾以防止后 續(xù)數(shù)字化中的假信號，絕對值電路17提取險測電流信號正負半周期的絕對 值。檢測電流信號的絕對值被積分器19重復(fù)進行積分。電弧故障檢測器9 產(chǎn)生在連續(xù)相等時間間隔上積分的檢測電流信號的積分檢測電流值。對于 AC電氣系統(tǒng)，時間間隔與頻率有關(guān)。在本發(fā)明的一個實施例中，時間間 隔為全周期，對于60赫茲系統(tǒng)為16.67ms，對于50赫茲系統(tǒng)為20ms。在 本發(fā)明的第二實施例中，時間間隔為半周期。對于DC電氣系統(tǒng)，時間間 隔可以為任何任意值，例如，可以在典型AC系統(tǒng)的相等時間間隔的持續(xù) 范圍內(nèi)。盡管積分可完全在軟件中進行，在示例性電弧故障檢測器9中，離散 積分器19用于每半個周期對檢測電流信號的絕對值重復(fù)積分八次。在微處 理器21中，結(jié)果得到的積分值被模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器23數(shù)字化。如將會看 到的那樣，對這些增量(incremental)積分在選定時間間隔(例如一個周 期或半個周期)上進行合計。通過允許其動態(tài)范圍僅僅跨選定時間間隔的 一部分，這樣的增量積分增加了微處理器中的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的有效分 辨率。檢測電流信號絕對值的模擬值也被數(shù)字化，以便由處理器中的另一 模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器25輸入到微處理器21中。此模擬信號每半周期被采樣16次。電弧故障檢測器9也對線路-中性間電壓進行監(jiān)視，電壓過零電路27 將電壓#作為數(shù)字輸入輸入到微處理器21中。在對于每個間隔的初始積 分由電壓過零同步的情況下，數(shù)字處理器每半周期對積分器19復(fù)位八次。 微處理器具有軟件29，該軟件對積分絕對值檢測電流值和過零點進行處 理，以^更檢測AC電氣系統(tǒng)l中電弧的存在。在檢測到這種電弧時，電弧 信號在數(shù)字輸出31上被輸出，其對斷路器7進行跳閘，以便中斷電氣系統(tǒng) 1中的電流。圖2為對于本發(fā)明一實施例的流程圖33，其中，選定重復(fù)時間間隔為 AC電流的一個周期。因此，在35中輸入的每正半周期八個和每負半周期 八個檢測電流積分(16個采樣)在37中相加以產(chǎn)生對于最近完成的周期 的積分檢測電流值。將對于最近完成的周期的此當(dāng)前積分檢測電流值在39 中與對于前一周期的值加上閾值或滯后值ll (其在示例性電弧故障檢測器中可具有大約1.5A-ms的值)進行比較。如果最近積分檢測電流值大于前 一值，將'T，置于變化緩沖器41中，否則，將零記錄在緩沖器41中。緩 沖器41在先入先出的基礎(chǔ)上存儲對于選定數(shù)量的最近時間間隔的1和0。 在示例性電弧故障檢測器中，選定數(shù)量為六個周期。39處的比較與緩沖器 41 一起構(gòu)成變化指示器，其對于六個最近的周期保持積分檢測電流值相對 于前一周期的積分檢測電流值增大和減小的指示。在43中，合計器計算選定數(shù)量的周期上(在示例性檢測器中又一次為 六個周期)緩沖器41中的變化的數(shù)量。在對于閾值以上的增大記錄"1"、 否則為"0"的示例性系統(tǒng)中，對于每次從"0"到"1"和從'T，到"0" 的轉(zhuǎn)變，對變化進行計數(shù)。作為替代地，可對超過閾值的每次增大和減小 記錄'T，，對沒有變化記錄"0"，通過累加'T，對最近完成的間隔確定 變化的數(shù)量。無論如何計算，計數(shù)被存儲在采用模式緩沖器45形式的存儲 器中。此模式存儲器45也為先入先出緩沖器，其中，43中由變化緩沖器 41對于選定的例如六個最近完成間隔計算得出的計數(shù)被存儲為變化計數(shù) 序列。處理器程序47對模式緩沖器45中的變化計數(shù)序列進行分析。此處理 器程序47包括電弧檢測器部分49,其在變化計數(shù)序列中尋找指示電弧故 障的模式。本質(zhì)上，檢測器部分49查找計數(shù)中的隨機性?？稍诹鶄€間隔間 被記錄的最大計數(shù)個數(shù)為五，當(dāng)然，最小為零。如果已經(jīng)記錄了五個變化， 則積分檢測電流值在每個周期之間均變化，其不是隨機性的指示，因此不 是電弧故障的指示。顯然，零的計數(shù)不表示一一至少對于該間隔和前面的 五個間隔一一任何隨機行為。因此，示例性電弧故障檢測器中的檢測器部 分49尋找作為與電弧故障相關(guān)聯(lián)的隨機性的指示的1、 2、 3、 4個變化的 發(fā)生。這些計數(shù)不必按順序發(fā)生，它們不必連續(xù)發(fā)生，也不必在最后的六 個間隔中發(fā)生，每當(dāng)這些計數(shù)數(shù)量中的一個被檢測到時，設(shè)置對應(yīng)的標(biāo)志。 當(dāng)所有四個標(biāo)志被設(shè)置時，產(chǎn)生電弧檢測信號。然而，如果順序檢測到四 個計數(shù)，也即l、 2、 3、 4,則決定被延期，且電弧故障檢測信號僅在該序 列繼以四個計數(shù)的重復(fù)出現(xiàn)的條件下產(chǎn)生。在這種情況下，將產(chǎn)生延遲的 電弧故障信號。處理器程序47也包括復(fù)位部分51，其清除模式緩沖器45中的計IUf 列并對標(biāo)志進行復(fù)位。模式緩沖器被復(fù)位的一種情況是當(dāng)四個計數(shù)沒有在 由復(fù)位計時器53建立的選定時間周期(其在示例性電弧故障檢測器中為大 約一秒)中4皮檢測到時。如果"0"出現(xiàn)在緩沖器中，復(fù)位部分51也將再 度初始化模式緩沖器45,即將模式緩沖器設(shè)置為全零，因為這表示最后六 個間隔的任何一個中不存在超過閾值的增大或減小。另外，如果計數(shù)序列 在最后六個周期中保持恒定，即同一計數(shù)在最后六個周期中出現(xiàn)，模式緩 沖器45,皮重新初始化。另外，如果計*列振蕩兩次，即X, Y, X， Y， 模式緩沖器45被重新初始化。復(fù)位裝置51還包含"跳閘避免"規(guī)則，其也將模式緩沖器45復(fù)位為 全零。為了避免響應(yīng)于極低電流現(xiàn)象的跳閘，如果積分檢測電流值低于低 電流闊值(其在示例性系統(tǒng)中為大約44.5A-ms),復(fù)位被初始化。這避免 了電弧信號的發(fā)生，也因此避免了響應(yīng)于沒有構(gòu)成任何明顯威脅的現(xiàn)象地 對斷路器7進行跳閘。如果模擬電流對于三個連續(xù)周期來說太高(其表示與某些負載的開啟相關(guān)聯(lián)的浪涌電流)，模式緩沖器也被復(fù)位。在示例性系統(tǒng)中，此高電流閾值被設(shè)置為等效正弦波的大約51A rms。模擬電流值 在55中由輸入到微處理器的數(shù)字采樣得出，并用于在57中確定峰值電流 值。在示例性檢測器中，僅正半周期在每半周期16個采樣以及一個附加采 樣以達到總共17個采樣地被數(shù)字化。最后，如果移動的調(diào)光器被檢測到，避免跳閘，且模式緩沖器45被復(fù) 位。移動的調(diào)光器意味著設(shè)置在其中被增大或減小的調(diào)光器。如同人們所 知道的，在基波波形的過零點后，調(diào)光器延遲選定數(shù)量的角度(degree) 上的旋轉(zhuǎn)(turn)。由在三個連續(xù)積分上增大或減小的積分檢測電流值連 同表示正弦波的旋轉(zhuǎn)后的波形的采樣指示這種移動的調(diào)光器。在示例性電 弧故障檢測器中，后者通過檢測出模擬電流波形值的15th-17th個采樣典型 地為正弦波來檢測，例如，這些電流值大于波峰模擬電流的最小設(shè)置分數(shù)。當(dāng)電弧故障信號被處理器程序47檢測出來時，在59中產(chǎn)生跳閘信號。 跳閘信號于是使斷路器7跳閘。在本發(fā)明另 一實施例中，檢測電流在電流的正半周期和負半周期上分 別積分，以^^產(chǎn)生正半周期積分電流值和負半周期積分電流值。在圖3中 示出了對于此實施例的流程圖61。此流程圖與圖2中的流程圖33的不同 之處在于電流的正半周期和負半周期被分別處理，以檢測正負半周期積分 電流值中的周期間變化。因此，由于半周期積分檢測電流值被分別但與圖 3中的全周期電流類似地得到處理，對應(yīng)的塊用同樣的參考標(biāo)號表示但分 別具有正負半周期的后綴"P，，和"n"?？梢?，在正變化緩沖器41p和負 變化緩沖器41n中產(chǎn)生最近三個正半周期和負半周期中的變化指示。這兩 個緩沖器中的變化指示于是在63中被交錯，以得到六個最近的半周期。也 就是說，來自正變化緩沖器41p和負變換緩沖器41ii的變化指示分別被輸 入到新緩沖器中。此緩沖器中在最近和先前五個半周期上的變化的數(shù)量于 是在43'中計算并被置于模式緩沖器45中。對于最后的五個半周期(正與 負，即交替為最后的三正兩負或最后的兩正三負)的計數(shù)變化由處理裝置 47以與結(jié)合圖3介紹的全周期積分一樣的形式進行分析。盡管詳細介紹了本發(fā)明的具體實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明了，在 本^^開的總體教授下，可建立多種修改和替代。因此，所公開的特定布置 僅僅是示例性的，不對本發(fā)明的范圍進行限制。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利 要求書的全部寬度及其任何以及全部等同內(nèi)容給出。
權(quán)利要求
1.一種用于電氣系統(tǒng)(1)的電弧故障檢測器，所述電弧故障檢測器包含檢測電流信號發(fā)生器(11)，其由在所述電氣系統(tǒng)(1)中流動的電流產(chǎn)生檢測電流信號；積分器(19)，其在相等的時間間隔上對檢測電流信號的絕對值重復(fù)進行積分，以產(chǎn)生積分檢測電流值；變化指示器(39，41)，其在對于最近完成的時間間隔的積分檢測電流值由對于前一時間間隔的積分檢測電流值變化至少閾值量時為每個最近完成的時間間隔產(chǎn)生變化指示；合計器(43)，其重復(fù)地為每個最近完成的時間間隔合計在選定數(shù)量的最近完成時間間隔上產(chǎn)生的變化指示的數(shù)量，以產(chǎn)生變化計數(shù)；存儲器(45)，其在變化計數(shù)的序列中為選定的最近完成間隔存儲變化計數(shù)；以及處理器(47)，其包含檢測器裝置(49)，其對所述變化計數(shù)序列中表示電弧的模式做出響應(yīng)地產(chǎn)生電弧信號；以及復(fù)位裝置(51)，其對變化計數(shù)序列中表示電弧以外的事件的預(yù)定其他模式做出響應(yīng)地清除變化計數(shù)序列的存儲器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的電弧故障檢測器(9),其中，檢測器裝置(49) 對變化計M列中包含多個規(guī)定變化計數(shù)中每一個的存在的模式做出響應(yīng) 地產(chǎn)生電弧信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的電弧故障檢測器(9)，其中，所述存儲器(45) 存儲對于六個最近完成的間隔的變化計數(shù)以形成變化計數(shù)序列，且其中， 所述多個規(guī)定變化計數(shù)為四個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的電弧故障檢測器(9),其中，四個不同的變化 計數(shù)包含l、 2、 3、 4。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的電弧故障檢測器(9)，其中，除非序列l(wèi)、 2、 3、 4繼以四個的變化計數(shù)，否則除序列1、 2、 3、 4以外，當(dāng)變化計數(shù)l、 2、 3、 4在變化計數(shù)序列中以任意順序連續(xù)或不連續(xù)出現(xiàn)時，檢測器裝置(49)產(chǎn)生電弧故障信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的電弧故障檢測器(9)，其中，復(fù)位裝置(51) 包含定時器，其在變化計數(shù)l、 2、 3、 4在規(guī)定時間間隔中不出現(xiàn)時清除變 化計數(shù)中的變化序列。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的電弧故障檢測器(9)，其中，復(fù)位裝置(51) 包含定時器(53)，其對變化計數(shù)序列中特定的變化計數(shù)做出響應(yīng)地開始 時間段，并在該時間段結(jié)束時清除存儲器(45)中的變化計數(shù)序列。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的電弧故障檢測器(9)，其中，復(fù)位裝置(51) 對積分檢測電流值低于最小值的、第一選定數(shù)量的連續(xù)時間間隔做出響應(yīng) 地清除變化計數(shù)序列的存儲器(45)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的電弧故障檢測器(9)，其中，復(fù)位裝置(51) 對檢測電流信號超過浪涌電流值的、第二選定數(shù)量的連續(xù)時間間隔做出響 應(yīng)地清除變化計數(shù)序列的存儲器(45)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的電弧故障檢測器(9)，其中，復(fù)位裝置(51) 對表示移動的調(diào)光器的變化計數(shù)序列模式做出響應(yīng)地清除變化計數(shù)序列的 存儲器(45 )。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的電弧故障檢測器(9)，其中，表示移動的調(diào) 光器的變化計數(shù)序列的模式包含積分檢測電流值增大或減小的特定數(shù)量的 連續(xù)間隔，且達到過零的檢測電流值表示正弦波。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l的電弧故障檢測器(9)，其中，復(fù)位裝置(51) 對變化計數(shù)序列中特定的重復(fù)模式做出響應(yīng)地清除變化計數(shù)序列的存儲器(45)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的電弧故障檢測器(9)，其中，復(fù)位裝置(51) 對變化計數(shù)序列中重復(fù)的模式做出響應(yīng)地清除存儲器(45)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的電弧故障檢測器(9)，其中，復(fù)位裝置(51)對選定數(shù)量的變化計數(shù)序列中重復(fù)的模式做出響應(yīng)地清除存儲器(45)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l的電弧故障檢測器(9)，其中，復(fù)位裝置(51) 對變化計M列中的零做出響應(yīng)地清除存儲器(45)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l的電弧故障檢測器(9)，其中，電氣系統(tǒng)(1) 為AC電氣系統(tǒng)且時間間隔為半周期；檢測電流信號發(fā)生器(11)產(chǎn)生正 半周期檢測電流信號和負半周期檢測電流信號；積分器(19， 35， 37p, 37n ) 重復(fù)地在每個正半周期上對正半周期檢測電流信號的絕對值進行積分，以 產(chǎn)生正半周期積分檢測電流值，并重復(fù)地在每個負半周期上對負半周期檢 測電流信號的絕對值進行積分，以產(chǎn)生負半周期積分檢測電流值；變化指 示器(39， 41)包含正半周期變化指示器(39p， 41p)、負半周期變化指 示器(39n， 41n)以及裝置(63 )，正半周期變化指示器(3外，41p )在 對于最近完成的正半周期的正半周期積分電流值由對于前一正半周期的正 半周期積分電流值變化至少為閾值量時為每個最近完成的正半周期產(chǎn)生正 半周期變化指示，負半周期變化指示器(39n， 41n)在對于最近完成的負 半周期的負半周期積分電流值由對于前一 負半周期的負半周期積分電流值 變化至少為閾值量時為每個最近完成的負半周期產(chǎn)生負半周期變化指示， 裝置(63)對正半周期變化指示和負半周期變化指示進行交錯以產(chǎn)生交錯 的正半周期和負半周期變化指示；合計器(43')重復(fù)地對每個最近完成的 半周期合計在預(yù)定數(shù)量的正半周期與負半周期上交錯的正半周期和負半周 期變化指示的數(shù)量，以產(chǎn)生變化計數(shù)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的電弧故障檢測器(9)，其中，復(fù)位裝置(51) 對表示半波負載的變化計數(shù)序列模式做出響應(yīng)地清除計數(shù)序列的存儲器(45)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的電弧故障檢測器(9 )，其中，復(fù)位裝置(51) 對之做出響應(yīng)地清除變化計J^列的存儲器(45)的、表示半波負栽的模 式包含在一個極性半周期中在第 一半波值之上的以及在另 一極性半周期中 小于第二較低半波值的多個連續(xù)積分檢測電流值。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1的電弧故障檢測器(9),其中，電氣系統(tǒng)(1)為AC電氣系統(tǒng)，且時間間隔為一個周期。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的電弧故障檢測器(9)，其中，選定數(shù)量的時 間間隔包括六個周期。
全文摘要
電弧故障檢測器分析積分電流中的間隔間增大或減小的計數(shù)序列中的模式是否存在電弧故障的模式特征。在AC系統(tǒng)中，間隔可以為全周期，或者，在替代實施例中，在計算變化計數(shù)之前，分別確定正負半周期的積分電流變化并接著對之進行交錯。當(dāng)電弧故障以外的現(xiàn)象的模式特征被檢測到時，對計數(shù)序列進行復(fù)位，以便避免有害的跳閘。
文檔編號H02H1/00GK101238623SQ200680029148
公開日2008年8月6日 申請日期2006年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月6日
發(fā)明者B·帕爾, J·C·齊歇爾, J·K·黑斯廷斯 申請人:伊頓公司