測試用於串聯電弧檢測的afci設備的方法和裝置的製作方法

2023-10-09 15:38:44 2

專利名稱：測試用於串聯電弧檢測的afci設備的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及測試AFCI設備。更特別地，本發明包括用於測試用於串聯電弧 檢測的AFCI設備的方法和裝置。
背景技術：
電弧故障斷路器(AFCI)是一種被設計成當檢測到電弧故障時通過起作用以使電 路斷電來減輕電弧故障的影響的設備。具體來說，AFCI設備檢測AC電力系統中並聯電弧 放電和串聯電弧放電的存在。當檢測到電弧放電(arcing)時，AFCI設備斷開由該設備所 保護的電分支。電弧放電故障通常在損壞或破損的導線和軟線中出現。造成損壞或破損的 布線的一些原因包括導線絕緣穿刺、自然老化以及將導線暴露於排熱口或惡劣的環境條件 下。用於測試AFCI設備的現有技術設備通常使用諸如機電電弧間隙 (electromechanical arc gap)和點接觸繼電器之類的串聯電弧放電設備。這些設備通常 將與測試負載串聯使用以生成實際串聯電弧放電，從而測試AFCI設備檢測串聯電弧放電 的能力。然而，這樣的現有技術設備具有許多缺點。例如，機電電弧間隙和繼電器是佔用 很大空間的大型機械設備。另一個缺點是閉合和斷開點接觸繼電器產生串聯電弧放電，其 可能干擾由機電電弧間隙感應的預期信號。而且，難以建立具有利用可重複的結果來測試 AFCI設備所必需的一致的信號特性的機電電弧間隙，尤其難以大量建立。此外，難以控制或 校準由前述現有技術串聯電弧設備生成的電弧信號的特性。這樣的控制和校準是必需的， 以便實現利用可重複的結果來測試AFCI設備。另一個缺點是串聯電弧放電對電弧間隙兩 端的電極有破壞性並且需要經常更換。又一個缺點是電弧信號的特性受到電弧間隙兩端的 電極的破壞、電弧間隙兩端的電極的升溫、電弧間隙內部和周圍的環境的升溫、以及電弧間 隙內部和周圍的環境的相對溼度的影響。最後，如果暴露電弧間隙的話存在電擊的可能性。因此，需要基本上消除前述問題的用於測試用於串聯電弧檢測的AFCI設備的方 法和裝置。

發明內容
本發明通過提供一種用於測試用於串聯電弧檢測的AFCI設備的新型裝置和方法 來克服用於測試AFCI設備的現有技術設備的問題和不足。具體來說，本發明的方法和裝置 生成模擬AC電力系統中的串聯電弧放電的信號特性的測試信號。所模擬的信號被用來測 試AFCI設備檢測AC電力系統中的串聯電弧放電的能力。該測試信號被耦合到負載電路中，從而消除對該負載電路中實際串聯電弧放電設備和點接觸繼電器開關的需要。本發明的突出優點是它可以被用於測試大量AFCI設備，例如測試生產線中的 AFCI設備。本發明的另一個優點是它可以被配置為用於測試已經安裝在住所中的AFCI設備 的可攜式測試器。本發明的又一個優點是它提供表示串聯電弧放電的一致的信號。本發明的一個目的是提供一種可以以合理成本實施的用於測試用於串聯電弧檢 測的AFCI設備的方法和裝置。本發明的另一個目的是提供一種比現有技術裝置佔用相對更少空間的用於測試 用於串聯電弧檢測的AFCI設備的裝置。因此，在一個方面，本發明針對一種用於測試AFCI設備的方法，該方法包括下述 步驟提供測試中AFCI設備和負載，其中該AFCI設備和負載形成電路；將AC功率施加於該 AFCI設備；生成高頻寬帶噪聲信號；利用與負載電流或負載電壓同步的信號來調製該高頻 寬帶噪聲信號以提供同步高頻寬帶噪聲脈衝串(burst)；將該同步高頻寬帶噪聲脈衝串耦 合到所述電路中以模擬串聯電弧放電信號；以及確定該AFCI設備是否斷開所述電路。在另一個方面，本發明針對一種用於測試AFCI設備的方法。在一個實施例中，該 方法包括下述步驟提供要被測試的AFCI設備和負載，其中該AFCI設備和負載形成電路； 將AC功率施加於該AFCI設備；生成高頻寬帶噪聲信號；放大該高頻寬帶噪聲信號以提供 放大的高頻寬帶噪聲信號；利用與負載電流或負載電壓同步的信號來調製該放大的高頻寬 帶噪聲信號以提供同步高頻寬帶噪聲脈衝串；將該同步高頻寬帶噪聲脈衝串耦合到所述電 路中以模擬串聯電弧放電信號；確定該AFCI設備是否在預定時間量內斷開所述電路；如果 該AFCI設備在預定時間量內斷開所述電路，則指示該AFCI設備已通過測試；以及如果該 AFCI設備未能在預定時間量內斷開所述電路，則指示該AFCI設備未能通過測試。在後續說明中描述本發明的其它目的、優點和特徵。


本發明的新穎的特徵以及本發明的元件特性在所附權利要求書中詳盡地闡明。附 圖僅用於說明目的並且沒有按照比例繪製。此外，在附圖中，相似數字表示相似特徵。通過 參考下面結合附圖的詳細說明可以最佳地理解關於組織和操作方法的本發明本身，在附圖 中圖1是具有AFCI設備和電路分支的AC電力系統的框圖，該AC電力系統經歷該電 路分支中的串聯電弧放電；圖2是當負載是電阻性負載時由圖1的AC電力系統中的串聯電弧放電產生的電 壓波形，其中電流與電壓同相；圖3是由圖1的AC電力系統中的串聯電弧放電產生的電流波形；圖4是由圖1的AC電力系統中的串聯電弧放電產生的高頻寬帶噪聲脈衝串的波 形；圖5是信號功率和頻率之間的關係的圖形，其說明在一個脈衝串期間在固定時間 點時高頻寬帶噪聲級的幅度，該幅度在更高的頻率處降低；
圖6是用於AFCI設備的現有技術串聯電弧測試器的框圖；圖7是本發明的串聯電弧放電模擬器裝置的框圖；圖8是由圖7中所示的高頻寬帶噪聲源生成的高頻寬帶噪聲的波形；圖9是由圖7中所示的低頻耦合器輸出的信號的波形；圖10是由圖7中所示的調製信號發生器輸出的信號的波形；圖11是由圖7中所示的調幅器輸出的信號的波形；圖12是由圖7中所示的高頻耦合器輸出的信號的波形；圖13是根據本發明的另一個實施例的串聯電弧放電模擬器裝置的框圖；圖14是根據本發明的又一個實施例的串聯電弧放電模擬器裝置的框圖；以及圖15是根據本發明的另一個實施例的串聯電弧放電模擬器裝置的框圖。
具體實施例方式參考圖1，示出了包括電源22和AFCI設備24的典型的AC供電的電氣系統20。線 電壓導線26和中性導線(neutral wire) 28連接到電源22和AFCI設備24並且連接在該 電源22和AFCI設備24之間。AFCI設備24的輸出端通過線電壓導線30和中性導線32連 接到負載26，由此形成總體上由參考數字34表示的電路分支。由於在前述「背景技術」部 分中所討論的原因中的任何一個原因，例如布線中的不良連接或電路分支34中的任何其 它破損狀況，在電路分支34中出現小的電弧放電間隙36。當利用負載使電路閉合時出現串 聯電弧放電，並且在電弧放電間隙36兩端產生足以擊穿介質(通常是空氣)的高電壓。這 允許電流流過負載。在圖3中示出了所得到的電流波形。在圖2中針對(電阻性)有效負 載示出了所得到的電壓波形，其中電流與電壓同相。在AC電力系統中串聯電弧放電的出現 還導致電分支中高頻寬帶噪聲脈衝串。倘若負載在AC功率波形的正半周期和負半周期期 間汲取電流，則高頻寬帶噪聲脈衝串以兩倍於AC電力系統的頻率的速率出現。高頻寬帶噪 聲的幅度通常在脈衝串開始和結束時較高。在圖4中示出了去除了低頻分量的高頻寬帶噪 聲。如圖5中所示，在一個脈衝串期間在固定時間點時高頻寬帶噪聲的幅度在較高的頻率 處降低。參考圖6，示出了現有技術串聯電弧測試裝置50。裝置50包括通過線電壓導線56 和中性導線58連接到測試中AFCI設備54的電源52。測試中AFCI設備54具有連接到線 電壓導線60和中性導線62的輸出端。連續性檢測器64連接在線電壓導線60和中性導線 62之間。連續性檢測器64將信號65輸出到定時器設備66。點接觸單刀單擲(SPST)繼電 器開關68、機電電弧間隙設備70和有效負載72串聯連接在線電壓導線60和中性導線62 之間。定時器設備66提供連接到繼電器開關68的控制信號74。定時器設備66還提供用 於輸入到指示器設備80的信號76。定時器設備66具有用於接收測試開始信號82的輸入 端。測試操作員使得生成被輸入到定時器設備66中的測試開始信號82。測試開始信號82 使得定時器設備66重置、開始時鐘，並且輸出閉合繼電器開關68的控制信號74。當被閉合 時，繼電器開關68通過機電電弧間隙設備70為有效負載72提供功率。負載電流通常是5 安培，並且目前是按照UL 1699的當前要求。按照UL 1699，測試中AFCI設備54應該在不 到1秒內檢測電弧故障並且斷開電路。連續性檢測器64檢測開路並且將信號65輸出給定 時器設備66以停止時鐘。如果時鐘上逝去的時間超過一(1)秒，定時器設備66則將信號
876輸出給指示器設備80以提醒操作員測試中AFCI設備54未通過。逝去的時間還可以被 發送給指示器設備80並且被記錄。參考圖7，示出了本發明的串聯電弧放電模擬器裝置100。首先，現在描述裝置100 的一般配置，之後詳細討論裝置100的各部件之間的電氣關係。電源102通過線電壓導線 106和中性導線108連接到測試中AFCI設備104。測試中AFCI設備104具有連接到線電 壓導線110和中性導線112的輸出端。連續性檢測器114連接在線電壓導線110和中性導 線112之間。連續性檢測器114將信號116提供給定時器設備118。高頻耦合器120、低頻 耦合器122和有效負載124串聯連接在線電壓導線110和中性導線112之間。低頻耦合器 122將信號126提供給調製信號發生器128。信號126是由電源102提供的AC功率信號的 低頻分量。定時器設備118將控制信號130提供給調製信號發生器128。定時器設備118 還將信號132提供給指示器設備134。定時器設備118包括用於接收由測試操作員發起的 測試開始信號136的輸入端。裝置100包括輸出高頻寬帶噪聲信號140的高頻寬帶噪聲源 138，所述高頻寬帶噪聲信號140被輸入到放大器142中。放大器142輸出放大的高頻寬帶 噪聲信號144，所述放大的高頻寬帶噪聲信號144被輸入到低通濾波器146中。低通濾波器 146輸出經過濾波的信號148，所述經過濾波的信號148被饋送給調幅器150。調幅器150 利用調製信號154來調製信號148以產生經過調製的信號152。經過調製的信號152被饋 送給高頻耦合器120。調幅器150還接收由調製信號發生器128生成的信號154。信號154 與負載電流或負載電壓同步。通電的測試中AFCI設備104為有效負載124提供功率。負 載電流通常是5安培，並且目前是按照UL 1699的要求。在將AC功率施加於測試中AFCI 設備104並且開啟設備104以閉合電路之後，測試操作員發起測試開始信號136。測試開始 信號136重置定時器設備118、開始時鐘並且啟用串聯電弧放電模擬器裝置100。因此，高 頻寬帶噪聲信號140通過放大器142被放大、通過低通濾波器146被濾波、通過調幅器150 被調製、然後通過高頻耦合器120被耦合到電路中以模擬串聯電弧放電。按照UL 1699，測 試中AFCI設備104應該在不到1秒內檢測被耦合到電路故障中的所模擬的串聯電弧放電 信號的信號特性並且斷開電路。連續性檢測器114檢測開路並且將信號116發送給定時器 設備118以停止時鐘。然後，定時器設備118將信號130發送給指示器設備134以提醒操 作員測試中AFCI設備104已通過。逝去的時間也可以被發送給指示器設備134並且被記 錄。如果時鐘上逝去的時間超過1秒，則信號30將指示測試中AFCI設備104未通過。參考圖7，高頻寬帶噪聲源138優選地具有IOkHz到IOOMHz的帶寬。根據特定測 試中AFCI設備的檢測方法，隨著AFCI設備的檢測方法的未來技術的發展，可能需要明顯更 小的帶寬，或者可能需要明顯更大的帶寬。在一個實施例中，使用市場上可買到的噪聲二極 管來生成高頻寬帶噪聲。已發現噪聲二極體對於模擬電弧放電噪聲來說是理想的。在可替 換實施例中，市場上可買到的任意的波形生成器被用來生成高達80MHz的高頻寬帶噪聲。 由高頻寬帶噪聲源138生成的高頻寬帶噪聲信號140可以被表示為時間的函數n(t)。高 頻寬帶噪聲信號140具有相對低的幅度，但通過放大器142被放大。在優選實施例中，放大 器142是具有可調整的增益的寬帶高增益放大器。在一個實施例中，放大器142包括多個 放大器級。放大器142將幅度增加到與實際串聯電弧放電的輸出水平類似的輸出水平。因 為放大器142的增益是可調整的，所以它允許測試操作員校準所模擬的串聯電弧放電信號 的幅度。如果高頻寬帶噪聲源138被配置為輸出噪聲密度為-140dBm/Hz的噪聲二極體電路，則放大器142被配置成具有60dB的增益，從而實現-80dBm/Hz的輸出噪聲密度。可以 由下面的公式來表示所輸出的高頻寬帶噪聲信號140 AXn(t),其中「A」是放大器的可調整的增益；以及η⑴是作為時間的函數的噪聲信號。由於串聯電弧放電噪聲而引起的高頻寬帶噪聲歸因於作為時間的函數的串聯電 弧放電的脈衝特性δ (t)(理想情況)。傅立葉變換示出平坦的功率信號響應X (f) = 1。實 際上，作為時間的函數的脈衝被更接近地定義為e_a W。功率信號具有隨著頻率增加而減小 的幅度響應，也就是說X(f) = (2 a ) / ( a 2+4 π 2f2).因此，可取的是將低通濾波器146配置成提供雙極點低通濾波器響應以便模擬串 聯電弧放電的功率與頻率響應的關係。在可替換實施例中，低通濾波器146與放大器142 或調幅器150相結合。在另一個實施例中，放大器142被配置為具有期望的頻率響應的放 大器。在又一個實施例中，交換低通濾波器146和放大器142的位置以使得低通濾波器146 在高頻寬帶噪聲源138和放大器142之間。當測試中AFCI設備的感興趣的頻率帶寬相對 窄並且幅度相對平坦時，不需要低通濾波器響應，因此可以省略低通濾波器146。對換低通 濾波器和放大器的次序的明顯優點是對於放大器來說放鬆了頻率和功率要求。所得到的高 頻寬帶噪聲信號140可以由下面的公式表示N(t) = h(t) * AXn(t)其中h(t)是低通濾波器時間響應。在圖8中示出了噪聲信號波形。參考圖7，低頻耦合器122提供表示由電源102提供的AC功率的低頻分量的輸出 信號126。信號126可以是代表負載電流或線與中性點間電壓的信號。信號126的主要功 能是使所模擬的串聯電弧放電噪聲信號與負載電流或線與中性點間電壓同步。信號126被 表示為如圖9中所示的Sin (2 π ft)。參考圖7和圖10，調製信號發生器128將信號154提供給調幅器150以對所模擬 的高頻寬帶噪聲信號的幅度進行整形。在圖10中示出了信號154的波形。使用由低頻耦 合器122提供的信號126來使信號154與負載電流或線與中性點間電壓同步。直接從信號 126得到信號154。在可替換實施例中，以另一種方式生成信號154，並且使所述信號154與 信號126同步。如果直接從信號126得到信號154，則該信號154由下面的公式表示m(t) = CX [1-BX Sin(2 π ft) ) X [u(t-Td-(ηXΤ/2))-u(t-(T/2-Td)-(ηXΤ/2))]其中Τ = Ι/f, Td =脈衝串延遲，η = 0,1,2,...半周期。當測試中AFCI設備104不使用在一個脈衝串期間幅度和時間的關係的變化時，則 信號126可簡單地由下面的公式表示m(t) = C X [u (t-Td- (η X Τ/2)) _u (t- (T/2-Td) - (η X Τ/2))]其中Τ = 1/f, Td =脈衝串延遲，η = 0,1,2,...半周期。脈衝串延遲應該是可調整的，因此它可以被校準。參考圖7和圖11，調幅器150使高頻寬帶噪聲與同步調製信號154相乘。所得到 的輸出信號152是高頻寬帶噪聲脈衝串，其中脈衝串包絡通過調製信號154被整形為圖11中所示的那樣。信號152可以由下面的公式表示s(t) = m(t) XN(t)其中m(t)和N(t)是在上面定義的。調幅器150可以被配置為電壓或電流控制的放大器或衰減器。參考圖7和圖12，高頻耦合器120將同步高頻寬帶噪聲脈衝串注入(inject)到 負載電流或線與中性點間電壓中以產生由測試中AFCI設備所檢測的所模擬的串聯電弧放 電信號。具有同步高頻寬帶噪聲脈衝串的信號由圖12中所示的波形表示。該信號具有與 圖2中所示的由實際串聯電弧放電生成的信號相同的特性。圖12中所示的所模擬的串聯 電弧放電信號可以由下面的公式表示r(t) =s (t) +Sin (2 π ft)其中s(t)是在上面定義的。參考圖7，連續性檢測器114監控線電壓或負載電流以確定測試中AFCI設備140 是斷開的還是閉合的，並且將信號116發送給定時器設備118以指示測試中AFCI設備104 是斷開的還是閉合的。定時器設備118 —接收到開始測試信號136就被激活。儘管將信號 136施加到定時器設備118是由測試操作員發起的，但是信號136實際上由計算機、微控制 器或其它適當電路生成。一接收到開始測試信號136，定時器設備118就重置內部時鐘並啟 用模擬串聯電弧放電裝置100。通過啟用調製信號發生器128、高頻寬帶噪聲源138、或調製 信號路徑或高頻寬帶噪聲信號路徑中的任何其它元件來實現裝置100的啟用。在可替換實 施例中，這通過斷開或閉合調製信號路徑或高頻寬帶噪聲信號路徑中的開關來實現。定時 器設備118還監控來自連續性檢測器114的信號。在定時器設備118接收到測試中AFCI 設備104被閉合的信號的時候，定時器設備118允許其內部時鐘運行。如果定時器設備118 在預定時間量逝去之前接收到測試中AFCI設備104被斷開的信號，則定時器設備118將提 醒測試操作員測試中AFCI設備104已通過的信號130發射給指示器設備134。如果在信號 136被發送到指示器設備118以指示測試中AFCI設備104被斷開之前預定時間量逝去，則 定時器設備118發送指示測試中AFCI設備104未通過的信號136。定時器設備118還禁 用模擬串聯電弧放電裝置100。在可替換實施例中，定時器設備118被配置成使得信號136 還包括實際數據、例如在定時器設備118的內部時鐘上逝去的時間量。參考圖7，指示器設備134將對測試中AFCI設備104執行的測試的狀態或結果提 供給測試操作員。指示器設備134可以被配置成通過任何適當的技術(例如視覺顯示、聽 覺信號等等)來提醒測試操作員。例如，指示器設備118可以被配置成通過LCD顯示器顯 示數據。在另一個實例中，可以通過聽覺設備來朗讀數據。在可替換實施例中，指示器設備 134可以被配置成具有用於存儲數據的數據存儲元件。在另一個實施例中，指示器設備134 包括計算機或微控制器。圖13示出可替換的串聯電弧放電模擬器裝置100，其中連續性檢測器114監控由 低頻耦合器122提供的信號126。如在前面的說明中所描述的那樣，信號126代表負載電流 或線與中性點間電壓。在可替換實施例中，連續性檢測器114和低頻耦合器122可以被結 合成單個部件。參考圖14，示出了根據本發明的另一個實施例的模擬串聯電弧放電測試裝置 200。裝置200包括為AFCI設備202提供功率的電源201。裝置200還包括有效負載203，其優選地為5安培的負載。變流器204與有效負載203串聯，並且執行低頻耦合器122 (參見 圖7)的功能。因此，變流器204將負載電流的低頻分量提供給過零發生器(zero-crossing generator) 2060過零發生器206執行調製信號發生器128 (參見圖7)的功能並且將與負 載電流同步的TTL級信號207輸出到任意波形發生器208中。一個合適的任意波形發生器 是安捷倫(Agilent) 33250A。在過零信號發生器206中脈衝串延遲是可調整的，這對裝置 200的校準來說是重要的。在市場上的一些AFCI設備的情況下，為了串聯電弧檢測不需要 對脈衝串進行整形。在優選實施例中，任意波形發生器208包括高頻寬帶噪聲源、放大器、 低通濾波器和調幅器。因此，任意波形發生器208執行在前面的說明中所討論的並且在圖7 中示出的高頻寬帶噪聲源138、放大器142、低通濾波器146和調幅器150的功能。任意波 形發生器208被配置成生成具有達到約80MHz的平坦頻率響應的高頻寬帶噪聲。優選地， 任意波形發生器208的輸出水平容量超過-80dBm/Hz，並且該輸出水平是可調整的以便允 許校準裝置200。由過零信號發生器206輸出的信號被饋送到任意波形生成器208的脈衝 串埠中，其選通(gate)(以100%調幅)高頻寬帶噪聲輸出。裝置200還包括RF變壓器 210和串聯電容器212和214。RF變壓器210和串聯電容器212和214用作將同步高頻寬 帶噪聲脈衝串注入到有效負載203中的高頻耦合器。裝置200包括定時器設備218。定時 器設備218總體上執行與圖7中所示的定時器設備118相同的功能。除了那些功能之外， 定時器設備218還啟用和禁用過零發生器206。在可替換實施例中，定時器設備218在測試 開始和結束時啟用和禁用任意波形發生器208的輸出。裝置200包括圖14中沒有示出的 連續性檢測器。 參考圖15，示出了根據本發明的又一個實施例的串聯電弧放電模擬器裝置300。 裝置300包括向測試中AFCI設備304提供功率的AC電源302。有效負載306處於測試中 AFCI設備304的輸出端。優選地，有效負載是5.0安培的負載。裝置300包括接口板308，其 具有多個光耦合器。在一個實施例中，接口板308被配置為市場上可買到的IES 10394503 接口板。前述光耦合器之一用作向過零發生器310提供線與中性點間電壓的低頻分量的低 頻耦合器。在一個實施例中，過零發生器310被配置為軟體現場可編程門陣列(PXI7833R)。 過零發生器310用作調製信號發生器並且將過零信號(脈衝信號)312輸出到任意波形發 生器314(例如PXI5422)中，所述過零信號(脈衝信號)312與線與中性點間電壓同步。因 為負載306是有效負載，所以過零信號312也與負載電流同步。在過零發生器310中脈衝 寬度和延遲是可調整的，這對裝置300的校準來說是重要的。任意波形發生器314包括高 頻寬帶噪聲源、放大器、低通濾波器和調幅器，在前面的說明中描述了這些部件的功能。任 意波形發生器314生成具有達到約80MHz的平坦頻率響應的經過調幅的高頻寬帶噪聲信號 315。優選地，任意波形發生器314具有超過-80dBm/Hz的輸出水平容量，並且信號315的 輸出水平是可調整的，這對裝置300的校準來說是重要的。如果測試中AFCI設備具有相對 窄的頻率帶寬，則可以省略低通濾波器分量。信號312被輸入到任意波形發生器314的脈 衝串埠中，其選通(以100%調幅)高頻寬帶噪聲輸出信號315。裝置300包括RF變壓 器316和串聯電容器318和320，它們協作以用作將同步高頻寬帶噪聲脈衝串315注入到有 效負載306中的高頻耦合器。在一個實施例中，每一個電容器318和320都具有0. 01 μ F 的電容。接口板308上的另一個光耦合器用作連續性檢測器。在一個實施例中，RF變壓器 316是市場上可買到的線藝(Coilcraft)WBC1-1TL。
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裝置300包括計算機設備322。計算機設備322執行與在前面的說明中所討論的並 且在圖7中示出的定時器設備118和指示器設備134相同的功能。計算機設備322提供顯 示器，其指示測試中AFCI設備304通過測試還是未通過測試並顯示測試數據(測試中AFCI 設備304檢測串聯電弧放電並且斷開電路所逝去的時間)。計算機設備322包括在每個測 試開始時進行重置的定時電路。該定時電路還開始時鐘、啟用和禁用過零發生器310和任 意波形發生器314，並且在每個測試開始和結束時接通和關斷任意波形發生器314的輸出 信號315。計算機設備322還為測試操作員提供用戶界面以校準裝置300、開始並執行串聯 電弧放電測試以及對AFCI設備執行的許多其它測試、並且將測試數據記錄到存儲器中。因此，本發明提供下面的優點和益處(a)消除了對電弧間隙和繼電器的需要，並且消除了相關聯的缺點；(b)本發明的裝置的電子器件(electronics)可以被集成到非常小的ASIC中並且 可以由低壓電源(例如標準AA或其它種類的電池)供電，並且因為所有其它電子部件在尺 寸上相對小，所以本發明的裝置可以容易地被配置為可攜式AFCI測試器；(c)由本發明的裝置生成的所模擬的電弧放電信號的特性(幅度和時間)是一致 的且可重複的，該特性產生一致的、可重複的、可測量的且可靠的測試結果；(d)可以使用電子調整來調整由本發明的裝置生成的所模擬的電弧放電信號的特 性(幅度和時間)並且因此所述特性可以被重複校準以產生期望的測試信號；(e)可以使用電子器件來補償歸因於環境狀況的、所模擬的電弧放電信號的特性 的任何變化；(f)本發明的裝置的電子部件比繼電器和電弧間隙相對更可靠；(g)本發明的裝置的電子部件的成本比繼電器和電弧間隙的成本相對更低；以及(h)與使用繼電器和電弧間隙的現有技術測試設備相比受到電擊的機會相對更 低。因此，本發明的裝置的電子器件的重要部分可以被合併到ASIC中，由此允許本發 明被用於(1)工廠中以測試大量生產的AFCI設備或者(2)供電工使用的可攜式單元中以 測試安裝在住所中的AFCI設備。儘管前面的說明是本發明的示範，但是相關領域的普通技術人員將認識到許多變 化、替換、修改、代替等等都是容易實行的，尤其根據本說明書、附圖以及就其提取的權利要 求。因為本發明的範圍要比任何特定實施例都更廣泛，所以在任何情況下，前面詳細的說明 都不應該被解釋為對本發明的限制，本發明僅受所附的權利要求限制。
權利要求
一種用於測試AFC I設備的方法，該方法包括下述步驟提供測試中AFCI設備和負載，其中該AFCI設備和負載形成電路；將AC功率施加於所述AFCI設備；生成高頻寬帶噪聲信號；利用與負載電流或負載電壓同步的信號來調製所述高頻寬帶噪聲信號以提供同步高頻寬帶噪聲脈衝串；將所述同步高頻寬帶噪聲脈衝串耦合到所述電路中以模擬串聯電弧放電信號；以及確定所述AFCI設備是否斷開所述電路。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括放大所述高頻寬帶噪聲信號的步驟。
3.根據權利要求2所述的方法，還包括利用低通濾波器濾波經過放大的高頻寬帶噪聲 信號的步驟。
4.根據權利要求1所述的方法，其中確定所述AFCI設備是否斷開所述電路的步驟包括 確定所述AFCI設備是否在預定時間量內斷開所述電路的步驟。
5.根據權利要求4所述的方法，還包括如果所述AFCI設備在預定時間量內斷開所述電 路則指示所述AFCI設備已通過測試的步驟。
6.根據權利要求5所述的方法，還包括如果所述AFCI設備未能在預定時間量內斷開所 述電路則指示所述AFCI設備未能通過測試的步驟。
7.根據權利要求6所述的方法，還包括測量在所述AFCI設備斷開所述電路之前已逝去 的時間量的步驟。
8.根據權利要求1所述的方法，其中確定所述AFCI設備是否斷開所述電路的步驟包括 監控所述電路中的線電壓以確定所述AFCI設備是斷開還是閉合的步驟。
9.根據權利要求1所述的方法，其中確定所述AFCI設備是否斷開所述電路的步驟包括 監控流過所述負載的電流以確定所述AFCI設備是斷開還是閉合的步驟。
10.根據權利要求1所述的方法，其中耦合步驟包括將所述同步高頻寬帶噪聲脈衝串 耦合到所述電路的線與中性點間電壓中。
11.根據權利要求1所述的方法，其中耦合步驟包括將所述同步高頻寬帶噪聲脈衝串 耦合到負載電流中。
12.根據權利要求1所述的方法，其中調製步驟還包括提供與負載電流或負載電壓同 步的信號的步驟。
13.根據權利要求12所述的方法，其中與負載電流或負載電壓同步的信號包括AC功率 的低頻分量。
14.一種用於測試AFCI設備的裝置，包括提供AC功率的AC電源；負載；用於將測試中AFCI設備電連接到所述AC電源和所述負載使得所述測試中AFCI設備 和負載形成電路的裝置，其中所述AC功率被施加於所述電路；高頻寬帶噪聲發生器，用於生成高頻寬帶噪聲信號；調製器，用於利用與負載電流或負載電壓同步的信號來調製所述高頻寬帶噪聲信號以 便提供同步高頻寬帶噪聲脈衝串；以及耦合設備，用於將所述同步高頻寬帶噪聲脈衝串耦合到所述電路中以模擬串聯電弧放 電信號。
15.根據權利要求14所述的裝置，還包括低通濾波器，用於在調製所述高頻寬帶噪聲 信號之前濾波所述高頻寬帶噪聲信號。
16.根據權利要求14所述的裝置，還包括放大器，用於放大所述高頻寬帶噪聲信號以 提供經過放大的高頻寬帶噪聲信號。
17.根據權利要求14所述的裝置，其中與負載電流或負載電壓同步的信號包括施加於 所述電路的AC功率的低頻分量，並且其中所述裝置還包括與所述電路進行電信號通信的 用於將所述AC功率的低頻分量提供給所述調製器的設備。
18.根據權利要求17所述的裝置，其中用於提供與負載電流或負載電壓同步的信號的 設備包括低頻耦合器。
19.根據權利要求14所述的裝置，其中所述調製器包括用於接收所述高頻寬帶噪聲信 號的調幅器和與所述低頻耦合器和所述調幅器進行電信號通信的調製信號發生器。
20.根據權利要求14所述的裝置，其中所述耦合設備包括與所述電路進行電信號通信 的高頻耦合器。
21.根據權利要求14所述的裝置，還包括檢測器設備，用於檢測所述AFCI設備是否在 預定時間量內斷開所述電路並且發出指示所述電路是斷開還是閉合的信號。
22.根據權利要求21所述的裝置，其中所述檢測設備包括連續性檢測器。
23.根據權利要求21所述的裝置，還包括指示設備，用於在所述AFCI設備在預定時間 量內斷開所述電路的情況下指示所述AFCI設備已通過測試，以及用於在所述AFCI設備未 能在預定時間量內斷開所述電路的情況下指示所述AFCI設備未能通過測試。
24.根據權利要求23所述的裝置，還包括與所述檢測器設備和所述指示設備進行電信 號通信的控制電路，所述控制電路控制所述指示器設備以(i)在由所述檢測器設備發出的 信號指示所述AFCI設備已在預定時間量內斷開所述電路的情況下指示所述AFCI設備已通 過測試，以及(ii)在由所述檢測器設備發出的信號指示所述AFCI設備沒有在預定時間量 內斷開所述電路的情況下指示所述AFCI設備未能通過測試。
25.根據權利要求24所述的裝置，其中所述控制電路包括定時電路，該定時電路包括 測量逝去的時間以及將所述逝去的時間與所述預定時間量相比較的時鐘。
26.根據權利要求24所述的裝置，其中所述控制電路與所述調製器進行電信號通信， 並且其中所述控制電路具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟用信號的輸入端，所 述控制電路將啟用信號發給所述調製器以便開始AFCI設備的測試。
27.根據權利要求24所述的裝置，其中所述裝置還包括與所述調製器進行電信號通信 的調製信號發生器，並且其中所述控制電路與所述調製信號發生器進行電信號通信，其中 所述控制電路具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟用信號的輸入端，所述控制電 路將啟用信號發給所述調製信號發生器以便開始AFCI設備的測試。
28.根據權利要求24所述的裝置，其中所述控制電路與所述高頻寬帶噪聲發生器進行 電信號通信，並且其中所述控制電路具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟用信號 的輸入端，所述控制電路將啟用信號發給所述高頻寬帶噪聲發生器以便開始AFCI設備的 測試。
29.根據權利要求24所述的裝置，其中所述控制電路與所述耦合設備進行電信號通 信，並且其中所述控制電路具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟用信號的輸入端， 所述控制電路將啟用信號發給所述耦合設備以便開始AFCI設備的測試。
30.根據權利要求24所述的裝置，還包括低通濾波器，用於在調製所述高頻寬帶噪聲 信號之前濾波所述高頻寬帶噪聲信號，其中所述控制電路與所述低通濾波器進行電信號通 信，並且其中所述控制電路具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟用信號的輸入端， 所述控制電路將啟用信號發給所述低通濾波器以便開始AFCI設備的測試。
31.根據權利要求24所述的裝置，還包括放大器，用於在調製所述高頻寬帶噪聲信號 之前放大所述高頻寬帶噪聲信號，其中所述控制電路與所述放大器進行電信號通信，並且 其中所述控制電路具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟用信號的輸入端，所述控 制電路將啟用信號發給所述放大器以便開始AFCI設備的測試。
32.根據權利要求24所述的裝置，其中與負載電流或負載電壓同步的信號包括施加於 所述電路的AC功率的低頻分量，並且其中所述裝置還包括與所述電路進行電信號通信的 用於將所述AC功率的低頻分量提供給所述調製器的低頻耦合器，其中所述控制電路與所 述低頻耦合器進行電信號通信，並且其中所述控制電路具有用於接收用以發起AFCI設備 的測試的啟用信號的輸入端，所述控制電路將啟用信號發給所述低頻耦合器以便開始AFCI 設備的測試。
33.一種用於測試AFCI設備的裝置，包括AC電源；負載；用於將測試中AFCI設備電連接到所述AC電源和所述負載使得所述測試中AFCI設備 和所述負載形成電路的裝置；用於生成高頻寬帶噪聲信號的裝置；用於利用與負載電流或負載電壓同步的信號來調製所述高頻寬帶噪聲信號以提供同 步高頻寬帶噪聲脈衝串的裝置；以及用於將所述同步高頻寬帶噪聲脈衝串耦合到所述電路中以模擬串聯電弧放電信號的直ο
34.根據權利要求33所述的裝置，還包括用於在調製所述高頻寬帶噪聲信號之前濾波 所述高頻寬帶噪聲信號的裝置。
35.根據權利要求33所述的裝置，還包括用於放大所述高頻寬帶噪聲信號的裝置。
36.根據權利要求33所述的裝置，其中與負載電流或負載電壓同步的信號包括施加於 所述電路的AC功率的低頻分量，並且其中所述裝置還包括與所述電路進行電信號通信的 用於將所述AC功率的低頻分量提供給所述調製裝置的裝置。
37.根據權利要求33所述的裝置，還包括用於檢測所述AFCI設備是否在預定時間量內 斷開所述電路並且發出指示所述電路是斷開還是閉合的信號的裝置。
38.根據權利要求37所述的裝置，還包括用於在所述AFCI設備在預定時間量內斷開所 述電路的情況下指示所述AFCI設備已通過測試以及用於在所述AFCI設備未能在預定時間 量內斷開所述電路的情況下指示所述AFCI設備未能通過測試的裝置。
39.根據權利要求38所述的裝置，還包括與檢測器設備和指示設備進行電信號通信的裝置，用於控制所述指示器設備(i)在由所述檢測器設備發出的信號指示所述AFCI設備已 在預定時間量內斷開所述電路的情況下指示所述AFCI設備已通過測試以及(ii)在由所述 檢測器設備發出的信號指示所述AFCI設備沒有在預定時間量內斷開所述電路的情況下指 示所述AFCI設備未能通過測試。
40.根據權利要求39所述的裝置，其中用於控制的裝置包括定時電路，該定時電路包 括測量逝去的時間以及將所述逝去的時間與所述預定時間量相比較的時鐘。
41.根據權利要求39所述的裝置，其中用於控制的裝置與所述調製器進行電信號通 信，並且其中所述用於控制的裝置具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟用信號的 輸入端，所述用於控制的裝置將啟用信號發給所述調製器以便開始AFCI設備的測試。
42.根據權利要求39所述的裝置，其中所述裝置還包括與所述用於調製的裝置進行電 信號通信的調製信號發生器，並且其中所述控制電路與所述調製信號發生器進行電信號通 信，其中所述控制電路具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟用信號的輸入端，所述 控制電路將啟用信號發給所述調製信號發生器以便開始AFCI設備的測試。
43.根據權利要求39所述的裝置，其中用於控制的裝置與所述用於生成高頻寬帶噪聲 的裝置進行電信號通信，並且其中所述用於控制的裝置具有用於接收用以發起AFCI設備 的測試的啟用信號的輸入端，所述用於控制的裝置將啟用信號發給所述用於生成高頻寬帶 噪聲的裝置以便開始AFCI設備的測試。
44.根據權利要求39所述的裝置，其中用於控制的裝置與所述用於耦合的裝置進行 電信號通信，並且其中所述用於控制的裝置具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟 用信號的輸入端，所述用於控制的裝置將啟用信號發給所述用於耦合的裝置以便開始AFCI 設備的測試。
45.根據權利要求39所述的裝置，還包括用於放大所述高頻寬帶噪聲的裝置，其中所 述用於控制的裝置與所述用於放大的裝置進行電信號通信，並且其中所述用於控制的裝置 具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟用信號的輸入端，所述用於控制的裝置將啟 用信號發給所述用於放大的裝置以便開始AFCI設備的測試。
46.根據權利要求39所述的裝置，還包括用於低通濾波所述高頻寬帶噪聲的裝置，其 中所述用於控制的裝置與所述用於低通濾波的裝置進行電信號通信，並且其中所述用於控 制的裝置具有用於接收用以發起AFCI設備的測試的啟用信號的輸入端，所述用於控制的 裝置將啟用信號發給所述用於低通濾波的裝置以便開始AFCI設備的測試。
47.根據權利要求39所述的裝置，其中與負載電流或負載電壓同步的信號包括施加於 所述電路的AC功率的低頻分量，並且其中所述裝置還包括與所述電路進行電信號通信的 用於將所述AC功率的低頻分量提供給所述用於調製的裝置的裝置，其中所述控制電路與 所述用於提供低頻分量的裝置進行電信號通信，並且其中所述控制電路具有用於接收用以 發起AFCI設備的測試的啟用信號的輸入端，所述控制電路將啟用信號發給所述用於提供 低頻分量的裝置以便開始AFCI設備的測試。
全文摘要
一種用於測試AFCI設備的方法和裝置。在一個實施例中，該方法包括提供要被測試的AFCI設備和負載，其中該AFCI設備和負載形成電路；將AC功率施加於所述AFCI設備；生成(138)高頻寬帶噪聲信號；放大(142)該高頻寬帶噪聲信號以提供放大的高頻噪聲信號；利用與負載電流或負載電壓同步的信號來調製(150)該放大的高頻噪聲信號以提供同步高頻寬帶噪聲脈衝串；將該同步高頻寬帶噪聲脈衝串耦合(120)到所述電路中以模擬串聯電弧放電信號；確定(114)該AFCI設備是否在預定時間量內斷開所述電路；如果該AFCI設備在預定時間量內斷開所述電路，則指示(132、134)該AFCI設備已通過測試；以及如果該AFCI設備未能在預定時間量內斷開所述電路，則指示該AFCI設備未能通過測試。
文檔編號G01R31/327GK101925828SQ200980103023
公開日2010年12月22日 申請日期2009年1月22日 優先權日2008年1月24日
發明者H·T·金塞爾 申請人:西門子工業公司