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直流電弧故障檢測(cè)器和電路斷續(xù)器以及檢測(cè)直流電力電路中的電弧的方法

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直流電弧故障檢測(cè)器和電路斷續(xù)器以及檢測(cè)直流電力電路中的電弧的方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】直流電弧故障檢測(cè)器和電路斷續(xù)器以及檢測(cè)直流電力電路中的電弧的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年9月28日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/629,714的優(yōu)先權(quán)并要求其權(quán)益,其通過(guò)引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開(kāi)概念一般涉及直流(DC)電路斷續(xù)器,并且更具體地,涉及DC電弧故障電路斷續(xù)器。本公開(kāi)概念還涉及DC故障檢測(cè)器。本公開(kāi)概念還涉及檢測(cè)DC電力電路中的電弧的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]當(dāng)在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)有害電弧時(shí),它產(chǎn)生通過(guò)電力系統(tǒng)導(dǎo)體傳播的寬頻帶電噪聲。大部分電弧故障檢測(cè)器(AFD)的工作方式為:監(jiān)視電力電路中的寬頻帶噪聲,并且如果寬頻帶噪聲符合電弧的預(yù)期信號(hào)特性,則導(dǎo)致跳閘。
[0005]美國(guó)專(zhuān)利號(hào)8,089, 737公開(kāi)了交流(AC)電弧故障電路斷續(xù)器(AFCI),該AFCI包括可分離觸點(diǎn)、操作機(jī)構(gòu)和電弧故障檢測(cè)器,所述操作機(jī)構(gòu)用于斷開(kāi)和閉合所述可分離觸點(diǎn),并且所述電弧故障檢測(cè)器用于檢測(cè)與所述可分離觸點(diǎn)在操作上關(guān)聯(lián)的電弧故障條件。所述電弧故障檢測(cè)器包括調(diào)節(jié)的電流傳感器和諸如解調(diào)對(duì)數(shù)放大器的壓縮電路,所述調(diào)節(jié)的電流傳感器用于感測(cè)流過(guò)所述可分離觸點(diǎn)的AC電流的寬頻帶噪聲,所述壓縮電路包括具有來(lái)自調(diào)節(jié)的電流傳感器的所感測(cè)的寬頻帶噪聲的輸入,以及輸出。所述壓縮電路壓縮所感測(cè)的寬頻帶噪聲的動(dòng)態(tài)范圍。最小檢測(cè)器包括輸入和輸出,該輸入為壓縮電路輸出,并且該輸出為最小檢測(cè)器輸入的最小值。處理器包括多個(gè)輸入和輸出。其中一個(gè)輸入是最小檢測(cè)器的最小值輸出。響應(yīng)于檢測(cè)的電弧故障條件,跳閘機(jī)構(gòu)配合處理器輸出和操作機(jī)構(gòu)以跳閘斷開(kāi)所述可分離觸點(diǎn)。
[0006]太陽(yáng)能電池板(例如,但不限于,相對(duì)較大的光電二極管的集合)是無(wú)源器件,并且通常在生成電力時(shí)不產(chǎn)生寬頻帶噪聲。在太陽(yáng)能電力系統(tǒng)中,逆變器用于將由光伏(PV)陣列生成的直流(DC)電力變換成類(lèi)似于由常規(guī)電氣設(shè)施所分配的AC電力。當(dāng)逆變器內(nèi)的功率器件改變狀態(tài)時(shí),逆變器趨于產(chǎn)生寬頻帶噪聲的離散突發(fā)。因?yàn)樵谀孀兤髦泻纳⒌碾娏Φ妮^大成分直接與逆變器開(kāi)關(guān)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間的持續(xù)時(shí)間成比例,通常最小化該切換時(shí)間。
[0007]在另一方面,一旦觸發(fā),電弧趨于無(wú)限地傳導(dǎo)。在太陽(yáng)能電力系統(tǒng)中尤其如此,在該系統(tǒng)中,可用的電壓(其可以是數(shù)百伏直流電壓)通常遠(yuǎn)大于維持電弧所需的最小電壓(例如,大約30到70VDC),并且在該系統(tǒng)中,不存在如AC電力系統(tǒng)的電壓“過(guò)零”。
[0008]因此,DC電弧故障檢測(cè)器需要精確地區(qū)分由逆變器產(chǎn)生的相對(duì)較短持續(xù)時(shí)間的噪聲突發(fā)(正常情況)與由電弧故障產(chǎn)生的連續(xù)的、相對(duì)較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的噪聲(極其罕見(jiàn)的情況)。
[0009]另一個(gè)難點(diǎn)是由特定逆變器產(chǎn)生的噪聲突發(fā)可能在幅度上遠(yuǎn)高于由電弧故障造成的連續(xù)噪聲。
[0010]更進(jìn)一步挑戰(zhàn)是將由電弧故障產(chǎn)生的噪聲與可從輻射源耦合到PV陣列中或從逆變器的AC側(cè)漏入PV陣列中的寄生信號(hào)正確地區(qū)分開(kāi)。
[0011]在用于直流電力電路的電弧故障檢測(cè)器中存在改進(jìn)余地。
[0012]在用于直流電力電路的電弧故障電路斷續(xù)器中也存在改進(jìn)余地。
[0013]在檢測(cè)直流電力電路中的電弧的方法中仍進(jìn)一步存在改進(jìn)余地。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]通過(guò)本公開(kāi)概念的實(shí)施例可滿(mǎn)足這些或其它需要,其中帶通濾波器對(duì)在直流電力電路中流動(dòng)的電流的所感測(cè)的交流成分進(jìn)行濾波;解調(diào)對(duì)數(shù)放大器包括具有在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的濾波后的交流成分的輸入端,以及輸出端;積分器或最小檢測(cè)器電路包括電連接到所述解調(diào)對(duì)數(shù)放大器的所述輸出端的輸入端,以及輸出端;以及處理器:
(i)重復(fù)地輸入并且然后重置所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端,并且(ii)當(dāng)發(fā)生如下情況達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)確定在所述直流電力電路中存在電弧:(a)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的所感測(cè)的直流成分大于第一預(yù)定值,以及(b)所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的當(dāng)前值比所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的先前值大第二預(yù)定值以上或與所述先前值相差所述第二預(yù)定值以上,或者所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的所述當(dāng)前值大于第三預(yù)定值。
[0015]依照本公開(kāi)概念的一個(gè)方面,一種直流電弧故障檢測(cè)器用于直流電力電路,所述直流電力電路具有在其中流動(dòng)的電流。所述直流電弧故障檢測(cè)器包括:第一電流傳感器,其被構(gòu)造為感測(cè)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的交流成分;第二電流傳感器,其被構(gòu)造為感測(cè)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的直流成分;帶通濾波器,其被構(gòu)造為對(duì)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的所感測(cè)的交流成分進(jìn)行濾波;解調(diào)對(duì)數(shù)放大器,其包括具有在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的濾波后的交流成分的輸入端,以及輸出端;積分器或最小檢測(cè)器電路,其包括電連接到所述解調(diào)對(duì)數(shù)放大器的所述輸出端的輸入端,以及輸出端;以及處理器,其被構(gòu)造為:(i)重復(fù)地輸入并且然后重置所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端,以及(ii)當(dāng)發(fā)生如下情況達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)確定在所述直流電力電路中存在電弧:(a)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的所感測(cè)的直流成分大于第一預(yù)定值,以及(b)所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的當(dāng)前值比所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的先前值大第二預(yù)定值以上或與所述先前值相差所述第二預(yù)定值以上,或者所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的所述當(dāng)前值大于第三預(yù)定值。
[0016]作為本公開(kāi)概念的另一個(gè)方面,一種直流電弧故障電路斷續(xù)器用于直流電力電路,所述直流電力電路具有在其中流動(dòng)的電流。所述直流電弧故障電路斷續(xù)器包括:可分離觸點(diǎn),其可與所述直流電力電路串聯(lián)電連接;操作機(jī)構(gòu),其被構(gòu)造為斷開(kāi)和閉合所述可分離觸點(diǎn);第一電流傳感器,其被構(gòu)造為感測(cè)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的交流成分;第二電流傳感器,其被構(gòu)造為感測(cè)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的直流成分;帶通濾波器,其被構(gòu)造為對(duì)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的所感測(cè)的交流成分進(jìn)行濾波;解調(diào)對(duì)數(shù)放大器,其包括具有在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的濾波后的交流成分的輸入端,以及輸出端;積分器或最小檢測(cè)器電路,其包括電連接到所述解調(diào)對(duì)數(shù)放大器的所述輸出端的輸入端,以及輸出端;以及處理器,其被構(gòu)造為:(i)重復(fù)地輸入并且然后重置所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端,并且(ii)當(dāng)發(fā)生如下情況達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)確定在所述直流電力電路中存在電弧:(a)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的所感測(cè)的直流成分大于第一預(yù)定值,以及(b)所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的當(dāng)前值比所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的先前值大第二預(yù)定值以上或與所述先前值相差所述第二預(yù)定值以上,或者所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的所述當(dāng)前值大于第三預(yù)定值,其中所述處理器包括例程和輸出端,所述例程和輸出端被構(gòu)造為響應(yīng)于如下項(xiàng)而導(dǎo)致所述操作機(jī)構(gòu)跳閘斷開(kāi)所述可分離觸點(diǎn):(i)當(dāng)發(fā)生如下情況時(shí)遞增電弧故障累加器:(a)所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的當(dāng)前值比所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的先前值大第二預(yù)定值以上或與所述先前值相差所述第二預(yù)定值以上,或者(b)所述積分器或最小檢測(cè)器電路的輸出端的所述當(dāng)前值大于第三預(yù)定值達(dá)預(yù)定時(shí)間,否則遞減所述電弧故障累加器,以及(ii)確定所述電弧故障累加器大于第四預(yù)定值,并響應(yīng)地設(shè)定所述處理器的輸出端以導(dǎo)致所述操作機(jī)構(gòu)跳閘斷開(kāi)所述可分離觸點(diǎn)。
[0017]作為本公開(kāi)概念的又一個(gè)方面,一種檢測(cè)在其中具有流動(dòng)電流的直流電力電路中的電弧的方法包括:感測(cè)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的交流成分;感測(cè)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的直流成分;對(duì)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的所感測(cè)的交流成分進(jìn)行帶通濾波;提供與在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的帶通濾波后的交流成分的包絡(luò)的對(duì)數(shù)成比例的值;對(duì)所述值求積分以提供積分值;以及重復(fù)地輸入并且然后重置所述積分值;當(dāng)發(fā)生如下情況達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)確定在所述直流電力電路中存在電弧:(a)在所述直流電力電路中流動(dòng)的電流的所感測(cè)的直流成分大于第一預(yù)定值,以及(b)所述積分值的當(dāng)前值比所述積分值的先前值大第二預(yù)定值以上或與所述先前值相差所述第二預(yù)定值以上,或者所述積分值的所述當(dāng)前值大于第三預(yù)定值。
【附圖說(shuō)明】
[0018]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí),可以從如下優(yōu)選實(shí)施例的描述中獲得本公開(kāi)概念的完全理解,其中:
[0019]圖1是依照本公開(kāi)概念的實(shí)施例的電弧故障電路斷續(xù)器的示意形式的框圖;
[0020]圖2是由逆變器產(chǎn)生的周期性噪聲突發(fā)和由電弧產(chǎn)生的連續(xù)噪聲的繪圖;
[0021]圖3A和圖3B1-3B2是由圖1的處理器執(zhí)行的例程的流程圖;
[0022]圖4和圖5是由圖3B1-3B2的例程響應(yīng)于第一類(lèi)型的直流(DC)電弧所采用的模擬和數(shù)字變量的繪圖;
[0023]圖6和圖7是由圖3B1-3B2的例程響應(yīng)于第二類(lèi)型的DC電弧所采用的模擬和數(shù)字變量的繪圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]如在本文中采用的,術(shù)語(yǔ)“數(shù)個(gè)”將意為一或大于一的整數(shù)(即多個(gè))。
[0025]如在本文中采用的,術(shù)語(yǔ)“處理器”將意為可存儲(chǔ)、檢索并
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