小型電弧故障電流傳感器和系統的製作方法

2024-02-06 05:15:15

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本申請要求2015年2月11日提交的標題為miniaturearcfaultcurrentsensor的共同未決的且共同擁有的美國臨時專利申請序列號62/115,078的優先權，所述申請以引用的方式整體併入本文。

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本公開大體上涉及電路元件，並且更具體地涉及用於感測電弧故障電流的設備以及利用和製造所述設備的方法。

背景技術：

電弧故障是在兩個或更多個導體之間的電力的高功率放電。這种放電產生熱量，其可以損壞電線的絕緣性，並點燃附近的易燃材料，從而引起火災。電弧故障範圍從幾安培至數千安培，並且產生可檢測的寬帶電特徵。所述特徵通常可以處於100hz至1ghz的範圍內，這取決於發生電弧的電氣系統的帶寬。

自從廣泛使用電力以來，人們已經認識到電弧故障的危險。美國消費品安全委員會(cpsc)在二十世紀後半葉認識到，美國的火災死亡率大部分都是由電來源的住宅火災引起的。1990年代，電弧故障檢測和電路中斷技術達到商業可行性。美國保險商實驗室(ul)和美國電氣製造商協會(nema)認識到與過載斷路器類似的電弧故障電路斷流器(afci)的需求和生產標準。1999年，國家電氣規範開始在臥室電路中要求電弧故障電路斷流器(afci)。由於光伏太陽能直流(dc)電弧故障的危險，nec最近將afci的要求擴大到所有生活空間以及光伏太陽能(pv)設施中的電路。最近的ul標準1699，電弧故障電路斷流器定義了在電路中檢測到電弧故障特徵時中斷電路(類似於斷路器)的afci的ul認證的要求。

現代afci由電弧故障傳感器部件、檢測器電路和電路中斷機構組成。配電系統afci通常集成在斷路器和ac插頭/插座中。對於pv系統，afci集成在串聯逆變器、dc均衡器、微逆變器和組合箱中。

為了在電弧故障載流導體和afci傳感器部件之間提供電隔離，afci系統中使用的電弧故障傳感器大多數是具有磁芯或環形羅可夫斯基線圈(rc)的環形電流互感器(ct)，沒有磁芯封裝在環形塑料殼體內。這些afci傳感器存在許多問題：

1)它們傾向於較大(直徑幾釐米，並且高一釐米)，對於薄(例如0.5英寸)的斷路器、ac插座和pv組合箱、微逆變器和dc均衡器來說太大了。

2)主集(承載待感測的電弧故障信號的導體)必須途經這些afci傳感器環形線圈的中心。這種路由限制靈活性，不方便，而且昂貴。

3)ct(<1mhz)、羅可夫斯基線圈(100的μr值足以實現所需的磁場集中效果。遠大於100(諸如5,000至10,000)的相對磁導率(μr)值不能提供比接近100的值顯著更大的輸出，並且通常比低磁導率材料的成本高。其他實施方案可能需要大於100的μr值。

位置——此參數是從下凸緣112的邊緣到載流導體116的邊緣的距離。在所有其他參數相等的情況下，小型電弧故障電流傳感器的輸出電壓隨著此距離的增加而減小。因為離在x方向上延伸的線性跡線的距離十倍大於y中凸緣的寬度，所以輸出電壓的減小接近所述距離的平方反比。最小距離為零，並且最大距離可以是凸緣的寬度的許多倍，其中輸出降低到電弧故障檢測器電子器件不能利用的水平。通常，小型電弧故障電流傳感器將如隔離電壓要求所允許的在靠近載流導體處來放置。應注意，如前面所討論的，除了一個取向之外，凸緣優選地不與載流導體的邊緣重疊。

在第一示例性實施方案中，從下凸緣112的邊緣到載流跡線116的距離小於四毫米。在第二示例性實施方案中，從下凸緣112的邊緣到載流跡線116的距離小於三毫米。在第三示例性實施方案中，從下凸緣112的邊緣到載流跡線116的距離小於二毫米。在第四示例性實施方案中，從下凸緣112的邊緣到載流跡線116的距離小於一毫米。在第五示例性實施方案中，下凸緣112的邊緣接近跡線116，其間具有最小的間隙。

傳感器的安裝——使用多種技術之一將傳感器102安裝到pcb118的上表面。在示例性實施方案中，殼體104被安裝到pcb118的上表面並且設置在pcb118與下凸緣112之間。在替代性實施方案中，傳感器102沒有外部殼體104，並且下凸緣直接安裝到pcb118的上表面。在示例性實施方案中，將感測線圈繞組106的接線柱焊接到跡線120提供了傳感器102與pcb118的上表面之間的結構安裝接頭。在其他替代性實施方案中，粘合劑(諸如環氧樹脂)可用於將下凸緣112或殼體104安裝到pcb118的上表面。環氧樹脂可以是柔性環氧樹脂，以最小化部件應力並最大化衝擊強度。

頻率——此參數是載流導體中電弧故障電流的頻率或頻率含量。對於單個頻率，小型電弧故障電流傳感器的輸出隨頻率線性增加，所有其他參數相等。傳感器的輸出是在寬帶電弧故障電流中組合的所有單個頻率電流的總和。如本公開前面所討論的，這些頻率範圍為從1khz至1ghz。

其他電流感測應用——

本文所述的示例性電流感測裝置相對簡單且製造經濟。此外，本文所述的電流感測裝置與旨在感測的導體(諸如通過例如非導電聚合物殼體)電絕緣。在示例性實施方案中，電流感測裝置可用於感測從1khz至多於1ghz的頻率範圍內的寬帶電流。此類電流感測裝置的潛在附加(電弧故障電流感測以外)應用包括但不限於使用在工業環境中消耗的電能的大約百分之六十(60％)的電動機。

用於本文所述的電流感測裝置的一個此類應用是為了保護電動機免受由於電流過載的破壞。保護電動機免受由於電流過載的破壞的各種實例包括但不限於：輸送機阻塞(無論是通過內部機械故障還是通過外部物體的幹擾)；破碎機/粉碎機/研磨機過載(例如當被破碎/粉碎/研磨的材料大於特定機器的設計限制時)；鋸過載和泵阻塞。

用於本文所述的電流感測裝置的替代性應用包括識別內部絕緣破壞或其他電器設備故障(通過感測電流增加)，以允許尤其是預防性維護。這些應用的各種實例包括識別故障的電機軸承；電機繞組絕緣惡化；由於電流增加和/或高頻ac電流的局部放電的變壓器繞組絕緣惡化；電加熱元件部分故障；電加熱元件絕緣惡化；燈具惡化；紫外線和紅外線處理燈惡化等。

此外，良好的工程實踐表明，每個控制輸出應具有對應的狀態輸入，用於驗證以及用於通過由電流感測電負載來控制各種過程，所述電流被消耗並調整機構以便產生更常見的電負載。因此，本文描述的電流感測裝置可以用於確保ac感應電機電流與負載成比例。例如，感測電流以及調整負責增加負載的機構的運行可用於泵、鋸、輸送機、研磨機、粉碎機、鑽頭等。電焊焊接質量也與消耗的電流的量成比例。因此，通過感測電流以及調整送絲和尖端運動，本文所述的電流感測裝置也可以在焊接設備中發揮效用。此外，還可以用本文所述的電流感測裝置來監測ac發電機和變壓器負載監測和負載削減，以便防止例如電流過載。也可以通過本文所述的電流感測裝置來監測基於電流對電壓相位比較的功率因數檢測，並且可以通過任何數量的不同方法進行校正動作。

最後，本文描述的電流感測裝置可以用於故障報警以產生任何數量的校正動作。例如，基於燈電流測量可以更可靠地監測關鍵照明基礎設施(諸如用於機場跑道上使用)，與通過可能變髒、霧化等的光檢測器來監控完全不同。通過監測加熱器電流可以更快速且更可靠地檢測例如化學和工業過程中的關鍵ac電加熱元件故障，與使用熱傳感器完全不同。檢測用於光伏系統的低電壓ac配電設備中的關鍵絕緣故障的電導體的電弧故障檢測可從本文所述的電流感測裝置中受益。也可以使用本文所述的電流感測裝置來監測部分放電檢測。

因此，雖然上面已經描述了許多具體應用，但應容易理解，本文所述的電流感測裝置通過利用簡單、經濟、寬帶ac電流傳感器而具有更廣泛的效用，所述ac電流傳感器具有與ac電流大小(例如，以安培為單位)和感測的ac電流的頻率含量成比例的電輸出電壓。

雖然上文的詳細描述已經在應用於各種實施方案時示出、描述並指出本公開的新穎特徵，但是應理解，在不脫離本公開的情況下，本領域技術人員可以做出在所示出的設備或方法的形式和細節上的各種省略、替代和改變。前述描述是當前設想的執行本公開的最佳模式。這種描述絕不是限制性的，而應被認為是對本公開的一般原理的說明。本公開的範圍應參考權利要求書來確定。