電弧檢測設備和方法
2023-07-11 12:14:31 2
專利名稱：電弧檢測設備和方法
技術領域：
一般地說本發明涉及電路，更具體地說涉及電弧的檢測和在檢 測這種電弧時電路斷續器的^J'司。
背景技術：
在交流電流(AC)的電力線上的電弧檢測在本領域中是公知 的。已有技術的檢測器實例包括McEachern等人的美國專利 US4，694,402 、 Baxter等人的US5，229，651和Zuercher等人的 US5，452，223。 McEachern等人教導比較相鄰的周期以檢測波形幹 擾。Baxter等人教導將電流周期與從許多在先周期中構造的參考周 期相比較，以及Zuercher等人教導使用在許多周期的預定點上的累 計差值信號來檢測電弧。然而，McEachern等人和Baxter等人的比 較信號受到由不同的負載帶來的阻擾跳閘的影響。Zuercher等人通 過進一步分析信號以檢測電弧來解決了這種局限性。所有的三種方法 都要求相對較高的成本、功耗大、快速的數字處理，因為需要每周期 採樣多個點。
發明內容
本發明的目的是提供一種設備和方法，這種設備和方法檢測在 電路中的電弧並在阻擾負載中沒有跳閘的同時使斷續器跳閘以中斷電 路，這種負載例如，在特定的電路中通常存在的負載，不管它是否是
家用、商用飛行器等。
本發明的另一方面是提供一種電弧檢測設備，它的尺寸緊湊、 製造成本低廉，並且功耗小。本發明的另一目的是提供一種具有用於 使斷路器跳閘的自測試特徵的電弧檢測設備。本發明的另 一 目的是提 供一種區別由阻擾負載(比如光衰減器)引起的波形幹擾和由負載所 屏蔽的電弧的方法。
簡而言之，根據本發明，通過弱耦合的變壓器(即，具有大約
20-50pH量級的較小的互感)監測流經負栽的電流。該變壓器具有包 括串聯連接到負載相的幾個線匝的初級和具有相對較大數量的線叵 (例如幾百個線匝)以傳輸初級電流的高頻分量的次級。在優選實施 例中次級的每端連接到相應的第一和第二二極體的陰極，該二極體的 陽極接地。第一和第二二極體與其陰極接地的第三和第四二極體形成 全波整流橋。分別與第三和第四二極體匹配的第五和第六二極體連接 到橋路，他們的陰極連接到電容器，該電容器又接地。電容器連接到 微控制器的模擬至數字轉換器，在進行測量之後該微處理器使電容器 短路到地端以使電容器復位到零電壓。來自變壓器的任何電流通過上 述的二極體網絡根據下述的公式產生與積分整流電流的對數成比例的 電壓
V ( P2.1) ~vt*In (|Q|C/vt+l-V ( P2.1) /vt)
這裡
V (P2.1)是自最後電容器電壓復位之後所產生的電容器電壓 vt-熱電壓(在室溫下kT/q 26mV )
Q是輸送給二極體網絡的電荷 C是電容
這提供了在較大的動態範圍上測量來自變壓器的電荷的能力。 對數函數簡化了信號處理並能夠實現比在已有技術中通常使用的數字 信號處理器相對更低成本的微控制器的使用。
根據所描述的實施例，在由線電壓的絕對值所確定的時間上每 半個周期進行兩次電容器電壓測量(即電荷的對數的測量值)。在線
電壓零交叉之前並接近它時進行一次測量，在線電壓零交叉之後立刻 進行第二次測量。每半個周期的兩次測量作為字存儲在堆棧中，在一 種優選實施例中，加在一起並作為字存儲在堆棧中，然後通過三周期 算法進行處理以確定消除由重複性地或連續地改變的類型的阻擾負載
所引起的幹擾的波動。根據這種算法，通過如下的方式確定波動將 字l加上2 (來自周期l)和字3加上4 (來自周期3)和減去字2加 3 (來自周期2)的兩倍。在所述的實施例中，使用60個字的下推堆 棧。通過微控制器將60個字的波動與稱為maxjimit的極限進行比 較。通過使用三周期算法考慮60Hz測量的最後半秒的所有的波動， 忽略第一和最後的測量，然後如果總和超過max一limit則表示產生了 電弧，則激發SCR以使電路斷續器跳閘。根據本發明，重疊三個周 期，即僅需要四個相鄰的半周期，儘管如果需要的話可以使用6個。 在另一種實施例中，使用5周期算法以使在60Hz線電流中的非線性 變化(即在燈和馬達的啟動電流中存在的非線性變化)的影響最小。
根據本發明的一種特徵，自測試按鈕連接到微控制器，在按下 該按鈕時微控制器通過電阻使電容器充電，由此模擬電孤的檢測。
根據本發明的可選擇的特徵，如果需要的話，小的電容器與變 壓器次級串聯或並聯以分別增加對低頻分量或高頻分量的阻止。
根據本發明的另一可選擇的特徵，對數電荷轉換器電路可以由 電晶體而不是二極體組成以簡化相關的公式。
結合附圖本通過下文的詳細描述發明的其它的目的、特徵和優 點是顯然的。
在附圖中
附圖1所示為電弧檢測和斷路器電路的示意圖； 附圖2所示為根據優選實施例的附圖1的電弧檢測和斷路器電路 的操作的流程圖；和
附圖3所示為交流對數電荷轉換器電路的示意圖。
具體實施例方式
參考附圖1，繼電器線圏Ll連接到相線並設置成控制主觸點 2， 4的激勵狀態，該主觸點2, 4使幹線中線和相線與負載中線和負 載相線分別連接或分離。通常，在線圏中的功率足夠低到使繼電器觸 點保持關閉。然而，如下文將會描述，在SCR1接通時，在繼電器線 圏中的電流增加以斷開觸點。金屬氧化物變阻器MOV1連接在中線 和相線之間以防止過高的線電壓。
通過負載的電流由變壓器Trl監測，該變壓器Trl大致包括三 個線匝的初級線圏和弱耦合(即具有大約20-50微亨利量級的較低的 互感電感的耦合)的幾百個線臣的次級線圏以將初級電流的高頻分量 傳遞給監測電路。對次級電流進行整流並反饋給包括電容器的對數電 荷轉換器網絡。從零電壓的電荷開始，施加在電容器上的電壓與電荷 的對數成比例。根據優選的實施例，使用微控制器在通過線電壓的絕 對值所確定的時間上每半周期測量電容器或對數電荷兩次。在每次測 量之後微控制器使電容器復位到零電壓。這提供了許多數量級幅值 (例如6個數量級幅值)的測量電荷的監測電壓範圍。
對數電荷轉換器的使用不僅形成了在較寬的範圍上從變壓器上 測量電荷的能力，對數函數還導致更簡單的信號處理以使能夠使用微 控制器而不使用數位訊號處理器(一種昂貴得多的器件)，否則要求 使用這種昂貴的器件。由於電荷代表電流隨著時間的積分，因此電荷 的測量使得不需要在半周期上進行多個單次電流測量。注意，對數加 法等效於乘法操作，但比乘法操作快得多。還應該注意，對數減法形 成了自動歸一化，由此不需要除法操作。
返回到附圖1，所示為變壓器Trl的次級連接到可選的電容器 CIO， Cll，這些電容器連接在次級的相對端和地端之間以提供高通 濾波。如果需要的話，通過與電感器串聯放置的電容器(未示)可以 提供進一步的濾波。除了可選電容器CIO、 Cll之外， 一對電阻器 Rl、 R2連接到變壓器電路並連接到地端以作為次級線圏的參考地端。除了電阻器Rl、 R2之外，陽極連接到地端的二極體D5和D6 連接到變壓器電路。在二極體D5和D6之後陰極連接到地端的兩個 附加二極體D7和D8連接到變壓器電路，形成全波整流橋路。另一 對二極體D9、 D10連接到變壓器電路，他們的陰極連接到電容器 C2。 二極體D9和D10分別與它們相鄰的二極體D7、 D8匹配。如果 需要的話，二極體D5和D6可以與其它的二極體匹配或不匹配。如 上文所指出，從變壓器中所接收的電流產生與積分整流電流的對數成 比例的電壓。電容器C2連接到微控制器U1的管腳9。在根據附圖1 的電弧檢測和電路斷續器設備的實例中，Ul是具有大約2MHz時鐘 頻率的Texas Intruments微控制器MSP430F1122。管腳9連接到在 微控制器內的10位模擬至數字轉換器。在通過微控制器進行每次測 量之後，管腳9被內部短路到地以準備電容器對下一時間周期的電流 進行積分，這將在下文中討論。
微控制器Ul的管腳10連接到電阻器R3,該電阻器R3又連接 到電容器C2。這使得微控制器對電容器C2進行充電以模擬電弧， 如下文討論。按鈕PB1將負載相連接到管腳11。串聯連接的電阻器 R4、 R5以及連接在管腳11和地端之間的電阻器R6將線電壓和電流 減小到適合於微控制器的電平。雖然微控制器Ul具有內部保護二極 管，連接在管腳11和地端之間的齊納二極體Zl提供了冗餘的3伏 特限度。連接在管腳11和地端之間的電容器C3提供對在負載上的 任何高頻噪聲的濾波。在按鈕PB1壓下以啟動自測試時，微控制器 在管腳10上提供脈衝寬度變化的脈衝，隨著脈衝寬度的增加，脈沖 寬度給電容器施加更大電壓以產生變化電壓的電弧狀信號。
SCR激發電路連接到微控制器的管腳13，並包括具有連接在 SCR的陽極和陰極之間的常規電容器C4的SCR1。連接在SCR的 柵極和陰極之間的電容器C5有助於防止SCR被高dv/dt無意地接 通。也連接在柵極和陰極之間的電阻器R7有助於防止無意地接通。 電阻器R8是電流限制電阻器，串聯連接在電阻器R8和管腳13之間 的電容器C6防止電源的過度消耗。二極體Dll連接在包括四個二極
管Dl-D4的第二二極體橋路和SCR1的陽極之間。在SCR1接通時 它通過帶有接近施加到線圏Ll的線電壓的第二二極體橋路拉出更大 的電流以使斷路器跳閘。二極體Dll用於將電容器C4與下文要討論 的連接到管腳8的線監測電路隔離。
串聯連接的電阻器R9、 RIO、 Rll和齊納二極體Z2形成了檢 測電路的電源部分。這些電阻器限制了到齊納二極體Z2的電流量。 連接在電阻Rll和齊納二極體Z2的節點和微控制器Ul的VCC管 腳2之間的二極體D12阻止了來自連接在管腳2和地端之間的電容 器C7的反向電流，該電容器C7與電容器C8並聯以給微控制器提 供3伏特電源。
串聯連接的電阻器R12和R13連接在電阻器RIO， Rll的節點 和地端之間。電阻器R12和R13的節點連接到電容器C9，電容器 C9又連接到地端，提供了與二極體橋路Dl-D4的電壓成比例的電容 器電壓。這個電壓大致等於線電壓的絕對值。電容器電壓連接到微控 制器Ul的管腳8並用於確定何時執行在管腳9上的電壓測量。
連接到微控制器Ul的管腳7的電阻器R14和電容器C12和連 接到管腳1的電阻器R15是控制器Ul的特定結構所要求的。
對數電荷轉換器電路可以包括電晶體和電容器以及附圖1的匹 配的二極體和電容器。附圖3所示為具有連接雙電晶體Tl和T2的 二極體的變型對數電荷轉換器電路。雖然附圖3的電路要求電晶體 T2的電源，但與附圖1的二極體網絡相反，電容器電壓vx=vt*In (Q/C/vt+l) ~vt*In (Q/C/vt),這裡vt-熱電壓-kT/q 26mV (在室 溫下)，並且Q-自最後電容器復位以來傳遞的電荷。在附圖1的電 路中，電容器電壓vx=vt*In ( Q/C/vt國vx/vt+l) vt*In ( Q/C/vt)。 作為替換，電晶體具有的優點是vx/vt項沒有出現在相關的公式 中。然而，對於Q C*vx， 二極體網絡的電路操作接近於電晶體網 絡的電路操作。雖然在附圖1的二極體網絡通過vt項對環境溫度敏 感，但微控制器U1包括溫度傳感器，由此提供了適當的溫度補償。
參考附圖2，根據優選實施例的程序在100和第一步驟102處開
始，電容器C2復位到零伏特並初始化所有的標誌。在步驟104中， 使用提供在微控制器Ul中的溫度傳感器隨著溫度成比例地縮放靈敏 度閾值，該溫度傳感器提供與絕對溫度成比例的輸出電壓。
步驟106-112形成了一個子程序，在該子程序中程序繼續循環 直到在管腳8上測量的線電壓超過第一選擇值samp一hi，然後低於第 二值samplel。這定義了在使電容器C2復位之後在步驟114上進行 的 一 個測量點。該子程序提供了所選擇的滯後以避免在不希望的時間 點上噪聲線電壓啟動採樣。
如果測試按鈕沒有按下，在決定步驟116之後，在步驟120中 程序繼續以使微控制器定時器復位。使用定時器監測線電壓半循環周 期以檢測某些異常的線電壓情況，而如上文所討論通過在管腳8上的 線電壓確定電容器C2的電壓測量。如果測試按鈕PB1已經按下，則 在步驟118中，電弧狀噪聲引入到電容器C2中，隨著在多個半周期 上引入足夠的噪聲並通過要討論的算法處理，該電容器C2使斷路器 以如在線電流中所檢測的電弧相同的方式跳閘。
第二子程序包括步驟122-128,在這些步驟中程序繼續循環直到 線電壓低於第三選擇值samp—lo,然後超過第四選擇值sample2。這 定義了在零交叉之後第二測量點(步驟130)。由於要求最小的電壓 維持例如大約15伏特的電弧，選擇通常高達50伏特的窗口進行電壓 測量以考慮在線電流和線電壓之間的相位差值。在線電壓的零交叉周 圍的這個窗口捕獲在零交叉附近產生或熄滅的那些典型的小電弧。
在步驟130中將在步驟114中進行的第一電壓測量值加入到第 二電壓測量值，然後使電容器C2復位。在132中將所得的值輸入到 下推寄存器，並在步驟134中該程序對相鄰的電壓寄存器值進行求和 並將超過最小值min」imit的這些和值放到另 一寄存器。這些和值消 除了由負載電流幅值對線電壓極性的任何依賴性所造成的任何二極體 影響。使用這個最小值將寄存器值限制到在所選擇的值之上的那些 值。
在步驟136中，計算3周期算法。計算周期1的字加上周期3的字減去周期2的字的兩倍，然後取其絕對值。這些相鄰的全周期可 以根據需要疊加或不疊加。注意，如果這3周期不是疊加的，則要求 6個半周期以進行計算，以及如果3周期是疊加的，則僅要求4個半 周期。
在步驟138中，忽略第一和最後寄存器值以防止單個的事件對 結果影響太大，例如由接通和切斷引起的事件(決定步驟140)。在 最後的半秒中給剩餘的寄存器值應用3周期算法，如果所計算的3周 期算法的和值大於所選擇的值max一limit，則在步驟142中指示故 障。
在和值超過max—limit值時，激發SCR1。這重複三次以確保甚 至線電壓簡短中斷時激發。將所選擇的脈衝(例如30微秒脈衝)提 供給SCR。
如果需要的話，使用不同的寄存器來記錄第一兩個測量值而不 是如上文所述地將它們加在單個寄存器中。然後將這種算法分別應用 到每個寄存器中。
如上文所指出，重疊的3周期算法要求四個半周期的信息。這 種算法計算信號(1)減去2倍的信號(2)加信號(3)的絕對值。 這種算法消除了信號(t) =a+b*t隨著時間的偏差對波動的影響。消 除了 t的更高階的奇次冪，但不能消除等於或大於P的偶次冪。
可以使用5周期算法以消除信號(t) -3+1)4+"12隨著時間的偏 差對波動的影響。這種算法計算信號(1)減去4倍的信號(2)加6 倍的信號(3)減4倍的信號(4)加信號(5)的絕對值。消除了 t 的更高階的奇次冪，但不能消除等於或大於一的偶次冪。
應該理解的是，如果需要的話，在每半周期中在前兩段中描述 的算法可與單個測量值或從任何選擇的多個測量值中 一起使用，不管
是重疊還是相鄰，項目信號是指每個周期的複合值。
根據附圖1的電弧檢測和電路斷續器設備具有如下的部件 部件
Ul TI MSP430F1122@~2MHz R12 100千歐姆
C210nFR133.3千歐姆
C310nFR1333k千歐姆
C410nFR1533k千歐姆
C533nFDlIN4005
C6100nFD2IN4005
C710|liFD3IN楊5
C8100nFD4IN4005
C910nFD5MMBD1505A
C102.2nFD6MMBD1505A
Cll2.2nFD7MMBD1505A
C1210nFD8MMBD1505A
Rl10千歐姆D9 MMBD1505A (匹配D7 )R210千歐姆D10 MMBD1505A (匹配D8 )R333千歐姆DllIN4005
R4100千歐姆D12IN4148
R5100千歐姆ZlBZX84-B3V3
R6100千歐姆Z2BZX84畫B3V3
R73.3千歐姆Trll L==10mH, M=30^iH
R8470歐姆SCR1R922千歐姆
R1022千歐姆
Rll22千歐姆
應該理解的是，本發明並不限於在此實例性地示出的特定的實施例，而是包括落在下面的權利要求的範圍內的所有的改進形式。
權利要求
1.一種電弧故障電路斷續器，具有產生大致隨著通過連接到線電流的變壓器輸送的整流電荷的對數增加的信號的電路，在通過包括線電壓零交叉的第一窗口和不包括零交叉的另一窗口中通過線電壓確定的時間上測量所說的信號，該方法包括相加在一周期上的信號測量值的步驟，計算至少在所選擇數量的周期上的波動，對在另一所選擇數量的周期上的波動進行求和，將該波動之和與預定的閾值進行比較，和在波動之和超過該閾值時產生電弧檢測信號。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中計算信號的波動的步驟包 括取四個半周期，對相鄰的半周期進行求和以產生三個值，以及計算值(1)減去2倍的值(2)加上值(3)的絕對值。
3. 根據權利要求l所述的方法，其中計算信號的波動的步驟包 括取六個半周期，對相鄰的半周期進行求和以產生五個值，以及計算 值(1)減去4倍的值(2 )加上6倍的值(3 )減去4倍的值(4 )加 上值(5)的絕對值。
4. 根據權利要求2所述的方法，其中所測量的信號是具有零整流 電荷的零。-
5. 根據權利要求2所述的方法，其中包括線電壓的零交叉的窗 口也包括超過最小電弧維持電壓的線電壓。
6. —種電孤故障電路斷續器，具有用於在線電壓的每半個周期 兩次產生與線電流相關的信號的電路，該方法包括如下的步驟在每半個周期中獲取在線電壓零交叉之前並接近線電壓零交叉 的第一窗口中的信號測量值和在線電壓零交叉之後並接近線電壓零交 叉的信號測量值，將在每個全周期中的測量值的總和作為字存儲在下推堆棧中， 取三個連續的字(字l-3)並計算字1加字3減去字2的兩倍的 絕對值以確定該信號的波動， 存儲該波動，對於三個連續的字的其它組重複相同的計算， 對所選擇的數量的字的波動進行求和，將所求和的波動與預定的閾值進行比較以確定電弧故障的發 生，以及在所求和的波動超過預定的閾值時產生電孤故障信號。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中字從重疊的周期中導出。
8. 根據權利要求6所述的方法，其中字從相鄰的周期中導出。
9. 一種電弧故障電路斷續器，具有用於在線電壓的每半個周期 產生與線電流相關的信號的電路，該方法包括如下的步驟在4個相鄰的半周期中取信號1-4，在四個相鄰的半周期中計算信號1減去信號2減去信號3加上 信號4的絕對值，對於四個相鄰的半周期的其它組重複相同的計算，定信號的波動， 》將所說的四個半周期的至少所選擇的多個組的計算之和與預定的閾值進行比較以確定電弧故障的發生，以及在所說的四個半周期的至少所選擇的多個組的求和計算超過預定的閾值時產生信號，由此該方法對表示正常負載的重複性地和連續地變化信號相對更加不敏感，而對無序的電弧信號相對更加敏感。
10. —種電弧故障電路斷續器，具有產生大致隨著通過連接到線 電流的變壓器輸送的整流電荷的對數增加的信號的電路，在每個半周 期上至少測量所說的信號一次，該方法包括相加在一周期上的信號測 量值的步驟，計算至少在所選擇數量的周期上的波動， 對在另一所選擇數量的周期上的波動進行求和， 將該波動之和與預定的閾值進行比較，和 在波動之和超過該閾值時產生電弧檢測信號。
全文摘要
本發明涉及電弧檢測設備和方法，其中的電弧故障電路斷續器包括具有連接到線電流的初級繞組和弱耦合的次級繞組的變壓器，連接到次級繞組的整流器電路，該整流器電路連接到轉換器電路，所說的轉換器電路具有其電壓與由整流器電路所輸送的電荷的對數成比例的電壓的電容器，具有輸入和輸出的微控制器，該電容器連接到微控制器的輸入以測量所說的電容器電壓，以及連接到輸出以使電容器電壓復位，產生與線電壓成比例的信號的線電壓檢測電路，線電壓檢測電路連接到微控制器的輸入以啟動微控制器來測量在線電壓所選擇的絕對值上的電容器電壓，該微控制器響應所測量的電容器電壓產生輸出，所說的輸出提供存在電弧故障的指示。
文檔編號H02H3/20GK101173964SQ20071018083
公開日2008年5月7日 申請日期2003年12月9日 優先權日2002年12月9日
發明者克裡斯蒂·V·佩隆, 基思·W·卡瓦塔 申請人:森薩塔科技公司