CN1746688A - 检测电弧故障的设备和方法 - Google Patents

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克里斯蒂·V·派伦
马克·D·拉比纳
迈克尔·派克
克里斯托弗·A·尼考斯
基思·W·卡沃泰
罗伯特·扎奈里
罗杰·D·梅尔
露西恩·方丹
迈克尔·J·拉瓦多
林沃德·埃德蒙
杰弗里·B·蒂格
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    • H02H1/04—Arrangements for preventing response to transient abnormal conditions, e.g. to lightning or to short duration over voltage or oscillations; Damping the influence of dc component by short circuits in ac networks

Abstract

本发明涉及检测电弧故障的设备和方法，具体公开了一种不易受扰乱脱扣影响的电弧故障检测设备和方法。所述设备包括电流传感器、输入感测电路、电弧感测电路、电源、脱扣(触发)电路、处理器以及机电接口。电流传感器监视包括AC电流的功率输入，并向输入感测电路提供AC电流的高频分量。输入感测电路对AC信号进行滤波和整流，并把整流信号提供给电弧感测电路。电弧感测电路向处理器提供在预定时间周期上累积的电压电平、表示在采样周期过程中发生的可能电弧的数字信号。处理器测量电压电平，储存与测量电压和数字信号有关的信息，并使用一种或多种算法处理储存的信息，由此确定所述信号是由电弧故障还是由扰乱负荷产生。

Description

检测电弧故障的设备和方法
技术领域
本发明一般涉及用于检测电弧故障的设备和方法，且更具体地涉及不易受扰乱脱扣影响的电弧故障检测设备和方法。
背景技术
已知的电弧故障检测设备和方法采用微控制器来测量与负荷有关的电压，并处理代表电压测量结果的数据，以确定电弧的存在。例如，常规电弧故障检测设备可配置为感测交变负荷电流，对AC信号进行滤波和整流，并向积分电容器提供整流信号。接着，常规电弧故障检测设备可以使用微控制器测量积分电容器上的电压，并通过算法把电压测量结果转换为数字数据，以进行后续的处理。例如，可采用算法来分析所测量的与各个线电压周期相应的电压电平，并确定电压测量结果是电弧故障的特征，还是扰乱负荷，如调光器负荷、器具恒温器切换、钻孔机电流变化、随机线电压尖峰、和/或EMI突发的特征。在电压测量结果是电弧故障特征的情况下，常规电弧故障检测设备通常使断路器脱扣，以使电力线与电路断开。
尽管上述常规电弧故障检测设备已经成功地用于检测和区分电弧和扰乱负荷，但还需要可靠性更高的电弧故障检测技术。例如，由于电弧通常的混沌性质，电弧故障一般每个线电压半周期产生不同数量的电弧事件。相反，扰乱负荷，如三端双向可控硅开关控制的调光器电路，一般每个半周期产生相同数量的电弧事件，从而，在多个半周期上周期性地产生电弧事件。然而，常规电弧故障检测设备经常不能可靠地区分周期性的和非周期性的电弧事件，从而容易发生扰乱脱扣。而且，这些常规设备往往难以区分某些启动和停机工况以及电弧。另外，尽管一些负荷会产生具有相对较大电压电平的干扰切换信号，但这些信号不一定都表示电弧，而可能是由常规电弧故障检测设备错误地表现为电弧故障。
从而希望有改进的电弧故障检测设备和方法，以避免上述常规设备和方法的缺陷。
发明内容
根据本发明，提供一种不易受扰乱脱扣影响的电弧故障检测设备和方法。在一个实施例中，电弧故障检测设备包括电流传感器、输入检测电路、电弧感测电路、电源、脱扣(触发)电路、处理单元以及机电接口。在一种操作模式中，电流传感器监视包括交变电流(AC)的功率输入，并向输入检测电路提供AC电流的高频分量。随后，输入检测电路在其输入处对AC信号进行滤波和整流，并把整流信号提供给电弧感测电路。电弧感测电路接着向处理单元提供在预定采样周期上累积的电压电平、表示在该采样周期过程中发生的可能电弧的一个或多个数字信号。处理单元测量电压电平，储存与提供给它的测量电压和数字信号有关的信息，并使用一种或多种算法处理储存的信息，由此确定所述信号是由电弧故障还是由扰乱负荷产生。在所述信号由电弧故障产生的情况下，处理单元激发触发电路，使机电接口脱扣，由此使功率输出与负荷断开。
在目前公开的实施例中，微控制器执行用于区分电弧故障和扰乱负荷的多种算法，包括用于确定电压波动的三周期算法(TCA)，所述TCA消除重复或连续变化类型的扰乱负荷所造成的干扰。TCA可表达如下：
TCA＝|(|V[n-1]-V[n]|+|Y[n+1]-V[n]|-|Y[n+1]-V[n-1]|)|，
其中，V[n-1]表示与第一线电压周期相应的第一电压测量结果，V[n]代表与第二线电压周期相应的第二电压测量结果，并且，V[n+1]代表与第三线电压周期相应的第三电压测量结果。所述多种算法进一步包括用于对每个线电压半周期内所发生电弧事件数量进行计数的第一脉冲计数器算法，用于捕捉与一个或多个电弧事件有关的定时信息的第二脉冲计数器算法，以及用于对电压测量结果的至少一个求和中所包括的电弧事件数量进行计数的电弧事件计数器算法。通过执行一种或多种算法来区分电弧故障和扰乱负荷，电弧故障检测设备能够以更高的可靠性来检测电弧故障，由此减小设备对扰乱脱扣的敏感性。
从以下的本发明详细描述中，本发明的其它特征、功能和方面将显而易见。
附图说明
从以下结合附图的本发明详细描述中，将更加充分地理解本发明，在附图中：
图1a为根据本发明的电弧故障检测设备的框图；
图1b为示出图1a中电弧故障检测设备的示意图；
图2a-2b示出可在图1a的电弧故障检测设备中使用的变压器配置的图；
图2c-2d示出在图2a-2b的变压器配置中包括的变压器的视图；
图3a-3b为示出可在图1a的电弧故障检测设备中使用的对数和电路的示意图；
图3c-3d为示出可在图1a的电弧故障检测设备中使用的比较器电路的示意图；
图4为示出由图1a的电弧故障检测设备执行的包括三周期算法的操作方法的流程图；
图5a-5b为示出由图1a的电弧故障检测设备执行的脉冲计数器算法的流程图；
图6为示出图5a-5b的脉冲计数器算法所采用的测量数据组的映射的表格；
图7为示出由图1a的电弧故障检测设备执行的电弧事件计数器算法的流程图；
图8为示出由图1a的电弧故障检测设备执行的使用数字计数器对比较器电路的输出进行积分的方法的流程图；以及
图9为示出由图1a的电弧故障检测设备执行的包括图5a-5b的脉冲计数器算法、图4的三周期算法和图7的电弧事件计数器算法的操作方法的流程图。
具体实施方式
图1a示出根据本发明的电弧故障检测设备100的说明性实施例。在图示实施例中，设备100包括电流传感器101、输入感测电路102、电弧感测电路104、电源106、脱扣(触发)电路108、处理单元112、以及机电接口117。在例示性的操作模式中，电流传感器101监视经过机电接口117的功率输入，并且把功率输入的高频分量提供给输入感测电路102。接着，输入感测电路102在其输入处对AC信号进行滤波和整流，并向电弧感测电路104提供经过整流的信号。接着，电弧感测电路104向处理单元112提供表示有可能发生电弧的电压电平和数字信号。随后，处理单元112测量电压电平，并使用一种或多种算法分析电压测量结果和数字信号，以确定所述信号是由电弧故障还是由扰乱负荷产生。在所述信号由电弧故障产生的情况下，处理单元112激活触发电路108，由此使机电接口117脱扣，使功率输出与负荷断开。通过在使机电接口117脱扣之前确定输入感测电路102感测的AC信号是由电弧产生还是由扰乱负荷产生，处理单元112减小电弧故障检测设备100对扰乱脱扣的敏感性。
图1b示出电弧故障检测设备100的说明性实施例。在图示实施例中，电流传感器101包括变压器TR1，变压器TR1通过监视流经负荷的交变电流(AC)i而监视功率输入，其中，所述负荷可通过负荷线路相位端TP9和负荷中性线端TP10和TP22而耦合到功率输出。变压器TR1配置为把AC电流i的高频分量从其初级线圈L1磁耦合到其次级线圈L2，由此向输入感测电路102提供AC电流I。在目前公开的实施例中，在诸如层压印刷电路板(PCB)基板、陶瓷基板或任何其它适当基板的基板上实现电弧故障检测设备100。进一步地，变压器TR1的初级线圈L1围绕次级线圈L2(参见图2c-2d)，其中，次级线圈L2具有与基板正交的磁轴。在优选实施例中，变压器TR1的次级线圈L2提供相对较弱的磁耦合。例如，弱耦合变压器TR1可提供大约20-50μH的互导。
如图1b所示，输入感测电路102包括电容器C1、电阻器R1-R2以及二极管D1-D6。变压器TR1的次级线圈L2连接在电容器C1和电阻器R2之间。电容器C1还连接到电阻器R1，并且，电阻器R1-R2接地。电容器C1对变压器次级线圈L2提供的AC信号进行高通滤波，并且，电阻器R1-R2为次级线圈L2提供接地基准。二极管D1的阴极连接到电容器C1和电阻器R1，二极管D2的阴极连接到次级线圈L2和电阻器R2，并且，二极管D1-D2的阳极接地。二极管D1的阴极还连接到二极管D3-D4的阳极，并且，二极管D2的阴极还连接到二极管D5-D6的阳极。二极管D4-D5的阴极接地，并且，二极管D3和D6的阴极连接到节点114，其中，节点114提供输入感测电路102的输出。二极管D1-D2和D4-D5配置为形成全波整流桥，从而，在节点114提供的输出是全波整流信号。在优选实施例中，二极管D3和D6与二极管D4-D5匹配。进一步地，包括在电弧检测电路104中的二极管D3-D6和电容器C2形成记录电路，由此使节点114提供的输出电平与输入感测电路102的输入记录成正比。
在图示实施例中，电弧感测电路104包括电容器C2、积分电容器C3、电阻器R3-R7、运算放大器(op amp)116以及二极管D7。如图1a所示，电容器C2和电阻器R4连接在节点114和地之间。进一步地，电阻器R3连接在节点114和微控制器的引脚10之间，其中，微控制器执行处理单元112的功能(参见图1a)。op amp 116和电阻器R5-R6配置为形成非反相放大器105。电容器C2连接到op amp 116的非反相输入，并且，电容器C2上的电压被缓冲，并且通过二极管D7和电阻器R7而提供给积分电容器C3。电容器C3连接在微控制器112的引脚9和地之间。二极管D7配置为防止从电容器C3流出反相电流。进一步地，电阻器R7和电容器C3的组合形成低通滤波器，以过滤高频噪声。
应指出，电容器C2上的电压以大约(C2)*(R4)秒的衰减时间重置。例如，如果R4等于10kΩ并且电容器C2等于1nf，那么，电容器C2的衰减时间就为约10μsec。电弧感测电路104配置为把电容器C2上的电压变化(ΔVC2)转换为宽度为tpw的脉冲，其中，宽度tpw由以下确定：
G*ΔVC2*e(-tpw/C2*R4)＝Vcc/2                  (1)
其中，“G”为op amp 116的增益。响应有效di/dt事件(“电弧事件”)而产生的每个脉冲导致电容器C3上的电压变化(ΔVC3)，其中，ΔVC3由以下表示：
ΔVC3＝(VCC-Vbe-VC3)*(1-e(-tpw/C3*R7))-VC3    (2)
相应地，公式(1)-(2)证明：随着电弧事件数量增加，ΔVC3随着ΔVC2的记录而增加，由此增加电弧故障检测设备100的动态范围。
微控制器112测量微控制器的引脚9上的积分电容器C3上的电压VC3。例如，微控制器112可包括Texas Instruments Inc.(TI)，Dallas，Texas，USA销售的MSP430F1122微控制器、或任何其它适当的微控制器。在一个实施例中，微控制器112在每个线电压半周期在靠近线电压过零处测量一次电容器C3的电压VC3。测量电压代表积分电容器C3所累积的电压和，积分电容器C3通过简单的衰减时间而重置。相应地，进行每次测量的采样周期具有从发生电弧事件开始持续大约一个衰减时间的持续时间。
在替代实施例中，微控制器112每个线电压半周期多次测量积分电容器C3的电压VC3。例如，在由线电压绝对值确定的时间，微控制器112每个半周期测量两次电压VC3，并且，在每次测量之后把电容器C3重置为0V。具体地，微控制器112在与每个半周期的两个预定区域相应的时间测量电压VC3。接着，微控制器112通过首先在每个预定区域开始时把电容器C3重置为0V，并接着在每个区域终点测量电容器电压而对这些测量结果求和。在优选实施例中，每个半周期的两次电压测量都在线电压过零处附近进行，例如，在过零处之前立即进行一次测量，在过零处之后立即进行另一次测量。
在目前公开的实施例中，微控制器112的引脚9连接到微控制器112内的模拟-数字转换器(ADC)。ADC把在积分电容器C3上测量的模拟电压转换为数字数据，由此允许微控制器112在内部存储器中储存测量数据。在每次测量之后，微控制器112把引脚9短路到接地，以使电容器C3准备为下一采样周期求电流的积分。另外，微控制器112的引脚10连接到op amp 116的输出，其中，op amp 116直接向微控制器112的引脚13提供脉冲计数器信号。微控制器112使用内部计数器监视脉冲计数器信号，以跟踪在信号内发生的脉冲。接着，微控制器112储存与测量电压和所监视脉冲有关的数据，并且使用一种或多种算法处理所述数据，以确定所述电压/脉冲是由电弧事件还是由扰乱负荷产生。
电弧故障检测设备100进一步包括重置电路110，其中，重置电路110包括电容器C4、电阻器R8-R10、齐纳二极管D8、以及可用于把相线连接到微控制器112的引脚12的按钮PB1。在图示实施例中，串联的电阻器R9-R10以及连接在引脚12和地之间的电阻器R8把线电压和线电流减小到适合微控制器112的水平。即使TI MSP430F1122微控制器包括内部保护二极管，也在引脚12和地之间连接齐纳二极管D8，以提供冗余电压限制。电容器C4连接在引脚12和地之间，以过滤高频噪声。当激活按钮PB1开始测试时，微控制器112在引脚10提供脉冲宽度增加的感测测试信号。结果，随着脉冲宽度增加，微控制器112通过电阻器R3向电容器C2施加增加的电压，从而在不同的电压创造模拟电弧。
如图1b所示，触发电路108包括电容器C5-C7、电阻器R11-R12、二极管D9、以及可控硅整流器(SCR1)。具体地，电容器C7连接在SCR1的阳极和阴极之间，并且，电容器C6和电阻器R12连接在SCR1的栅极和阴极之间，以防止因有效dv/dt事件而非故意触发SCR1。电容器C5串联在微控制器112的引脚14和限流电阻器R11之间，以防止电源过度损耗。机电接口117包括二极管桥、螺线管118以及金属氧化物变阻器(MOV1)，其中，二极管桥包括二极管D12-D15，金属氧化物变阻器(MOV1)连接在中线和相线端之间，以防止过大线电压。二极管D9连接在二极管桥D12-D15和SCR1的阳极之间。二极管D9使电容器C7与线电压监视电路隔离开，其中，线电压监视电路包括连接到微控制器112的引脚8的电阻器R16-R17和电容器C8。相应地，当触发SCR1时，SCR1通过二极管桥D12-D15汲取增加的电流，并且，与线电压大致相等的电压电平使螺线管118脱扣，以使功率输出与负荷断开。
在图示实施例中，电源106包括电阻器R13-R20、电容器C8-C10以及二极管D10-D11。串联的电阻器R13-R15限制提供给齐纳二极管D11的电流的量。如图1b所示，在二极管D10和齐纳二极管D11的连接处与微控制器112的正电源Vcc(引脚2)之间连接电阻器R20。二极管D10防止从电容器C9流出反向电流，其中，电容器C9连接在二极管D10-D11的连接处与地之间。进一步地，连接在微控制器112的引脚2与地之间的电容器C10向微控制器112提供电压Vcc。串联电阻器R16-R17连接在电阻器R14-R15的连接处与地之间。进一步地，连接在电阻器R16-R17的连接处与地之间的电容器C8向微控制器112的引脚8提供基准电压(VREF)。基准电压VREF与二极管桥D12-D15的电压成正比，其中，所述二极管桥D12-D15的电压大致等于线电压的绝对值。在目前公开的实施例中，微控制器112通过VREF监视线电压，并且基于所监视的线电压而确定何时测量电容器C3的电压。在替代实施例中，微控制器112可以监视数字计时器的输出，并且基于计时器输出而执行积分电容器C3上的电压测量。
如上所述，微控制器112通过用一种或多种算法处理储存的电压/脉冲数据而确定电弧事件的发生。以下结合图1b和4描述操作电弧故障检测设备100的方法，其中，该方法使用三周期算法(TCA)来减少扰乱负荷上脱扣的发生。如步骤402中所述，积分电容器C3重置为0V，并且，微控制器112内的所有标记初始化。步骤406-409形成子程序，在此子程序中，所述方法持续循环，直到在微控制器112的引脚8上监视的基准电压VREF超过预定值samp_hi并接着低于所选值sample1为止，由此确定线电压过零处附近的采样或测量点。接着，如步骤414中所述，在微控制器112的引脚9测量电容器C3上的电压，此后，电容器C3重置为0V。随后，如步骤416中所述，确定按钮PB1是否被激活。在按钮PB1被激活的情况下，如步骤420中所述，电弧状噪声通过连接到微控制器112的引脚10的电阻器R3而注入到电容器C2中，其中，利用在多个线电压半周期上注入的足够噪声，微控制器112使螺线管118以与在负荷电流中所检测的电弧相同的方式脱扣，其中，所述噪声由TCA在下述步骤440中处理。
在优选实施例中，由于维持电弧需要例如大约15V的最小电压，因此，通常选择高达50V的窗口用于电压测量，以计算线电流和线电压之间的相位差。线电压过零点附近的此窗口捕捉通常在过零点附近产生或熄灭的相对较小的电弧。
接着，电压测量结果转换为数字形式，并且如步骤434中所述，压入到微控制器112内的堆栈中，以保留测量数据的历史。在目前公开的实施例中，连续的电压测量值作为字输入到堆栈中。接着，如步骤440中所述，执行TCA。具体地，计算周期1的字(即V[n-1])减去周期2的字(即V[n])，并且，求绝对值，以获得第一计算值；计算周期3的字(即V[n+1])减去周期2的字(即V[n])，并且，求绝对值，以获得第二计算值；计算周期3的字(即V[n+1])减去周期1的字(即V[n-1])，并且，求绝对值，以获得第三计算值。接着计算第一值加第二值减去第三值，并求绝对值。从而，在步骤440中执行的TCA可表达如下：
TCA＝|(|V[n-1]-V[n]|+|V[n+1]-V[n]|-|V[n+1]-V[n-1]|)|    (3)
可以理解，公式(3)中最外一对绝对值符号不是严格要求的，而包括它是用于强调在TCA的执行过程中必须避免发生最低有效位(LSB)错误。应指出，在TCA中使用的相邻全周期1-3可以重叠也可以不重叠。如果三个周期不重叠，那么，就需要6个半周期来执行TCA。如果三个周期重叠，那么就只需要4个半周期来执行TCA。
接着，如步骤444中所述，保留TCA计算的至少一个连续求和。TCA计算的每个求和代表在各自采样周期内发生的电弧总数。如步骤446中所述，在采样周期终点确定求和是否超过预定的最大阈值max_limit。在求和值超过max_limit的情况下，如步骤448中所述，检测到电弧故障，并且触发SCR1，以使功率输出与负荷断开。在优选实施例中，SCR1被触发三次，以保证即使线电压有简短的中断也能触发。在目前公开的实施例中，为SCR1提供具有所选宽度如30μsec的脉冲。接着，所述方法循环回到步骤402，以使积分电容器C3为随后的电压测量作准备。
除以上已经描述的说明性实施例之外，还可有其它的替代实施例或变化。例如，前面描述在基板上实现电弧故障检测设备100，并且，变压器TR1的初级线圈L1围绕其磁轴与基板正交的感应式拾波线圈。图2a描述第一替代实施例，其中，初级线圈L1作为布置在基板202中且与基板202平行的第一U形导电轨迹212。在此实施例中，感应式拾波线圈的磁轴与基板202平行，并且，流经初级线圈L1的电流与拾波线圈的轴正交。如图2a所示，在第一轨迹和拾波线圈之间布置包括第二导电轨迹214的静电屏蔽。应指出，变压器TR1可作为单一表面安装拾波线圈，或作为双表面安装拾波线圈TR2-TR3而实现，以提供用于减小在初级和拾波线圈之间电容耦合的接地中心抽头。在目前公开的实施例中，两个拾波线圈TR2-TR3的极性独立地绕着与磁轴正交的轴旋转180°。另外，基板202用作初级线圈212和拾波线圈之间的绝缘体。
如图2a所示，双表面安装拾波线圈TR2-TR3布置在基板202的一侧上，并且，初级线圈轨迹212在拾波线圈的磁轴下面并与磁轴正交。应该理解，初级线圈L1的U形轨迹212可由一根线电流轨迹和一根回流轨迹取代，其中，所述U形轨迹212连接到线电流。以此方式，即使线路和返回连接相反，也可提供电弧检测能力。
图2b示出第二替代实施例，其中，双表面安装拾波线圈TR2-TR3基本上互相相对地布置在基板202的相反侧上，并且，初级线圈轨迹212布置在拾波线圈之间，由此提供增加的互感。例如，每个拾波线圈可包括Coilcraft Corporation，Cary，Illinois，USA销售的5315TC(Ferrite)系列RFID转发器线圈，或任何其它适当的拾波线圈。
前面还描述输入感测电路102(参见图1b)可配置为允许微控制器112每个线电压半周期执行一次电压测量。图3a示出对数和电路102a，此电路是输入感测电路102的第一替代实施例。与输入检测电路102相同，对数和电路102a允许微控制器112在线电压过零处附近每个半周期测量一次电容器C3上的电压。如图3a所示，对数和电路102a包括电容器C1、电容器C12-C13、电阻器R23-R26、二极管D14-D15、以及晶体管T1-T4。晶体管T1-T4和电容器C13形成记录电路，并且，电容器C13上的电压变化可表达如下：
ΔVC13≈vT*ln(|Q|/(C*vT)+1)，                       (4)
其中，“|Q|”等于流经变压器TR1的初级线圈L1的产生电弧的电荷，并且，
vT＝kt/q，                                          (5)
其中，“vT”在室温下等于约26mV。在目前公开的实施例中，每个电弧事件使电容器C2上的电压增加(C13/C2)*ΔV。进一步地，电容器C13上的电压以大约(C13)*(R23)秒的衰减时间重置。例如，如果电阻器R23-R26中每一个都等于10kΩ并且电容器C13等于10nf，那么，衰减时间就为约100μsec。相应地，从电弧事件开始到大约过去衰减时间为止，由电弧事件注入到电容器C1中的电荷等于注入到电容器C13中的电荷。
图3b示出对数和电路102b，此电路是输入感测电路102(参见图1b)的第二替代实施例。如图3b所示，对数和电路102b包括电容器C1、电阻器R27-R29、电容器C14-C16、晶体管T5-T6、以及二极管D16-D19。在此替代实施例中，对数和电路102b在记录电路中仅使用一个匹配的晶体管对T5-T6。
前面还描述：电弧感测电路104(参见图1b)包括形成非反相放大器105的op amp 116和电阻器R5-R6。图3c示出可替代非反相放大器105使用的比较器电路105a。如图3c所示，比较器电路105a包括比较器120、电阻器R30-R32、二极管D7、以及电容器C3。具体地，电阻器R30-R31形成对比较器的反相输入加偏压的分压器。当输入感测电路102提供给比较器120的非反相输入的信号电平超过比较器120的反相输入的电平时，比较器120以与(R23)*(C3)成正比的速率通过电阻器R32对电容器C3充电。应指出，只要比较器120的非反相输入的信号电平保持比Vcc*[R31/R30+R31)]更大，电容器C3就继续对电容器C3充电。相应地，每当在比较器电路105a的输入上检测到负荷电流的有效变化时(即每当发生有效di/dt事件时)，比较器的输出就被驱动为其正干线(rail)，由此产生通过二极管D7和电阻器R7对电容器C3充电的脉冲。
在目前公开的实施例中，微控制器112用于执行第一脉冲计数器算法，在每个半周期过程中对比较器电路105a(或非反相放大器105)的输出被驱动为高的次数进行计数。由于电弧通常的混沌性质，电弧故障一般每个线电压半周期产生可变数量的电弧事件。相反，扰乱负荷一般每个半周期产生相同数量的电弧事件，从而，在多个半周期上周期性地产生电弧事件。此信息可用于在正常工况下禁止扰乱脱扣，并且在检测到电弧故障时允许发生脱扣。具体地，比较器电路105a向微控制器112的引脚13提供脉冲计数器信号，其中，微控制器112在第一脉冲计数器算法的执行过程中使用此信号。每当比较器电路105a的输出在每个半周期过程中被驱动为高时，如脉冲计数器信号的电平所示，微控制器112内的数字计数器的计数值增加。当电容器C3由微控制器112重置时，计数器值储存在微控制器112内，并且，执行第一脉冲计数器算法。在目前公开的实施例中，微控制器112执行第一脉冲计数器算法，以确定储存在微控制器112内的一个或多个测量数据组中预定数量数据元素的周期性。例如，在储存的计数器值等于4的情况下，第一脉冲计数器算法可用于确定至少一个测量数据组中1-4个数据元素的周期性。
以下结合图5a描述第一脉冲计数器算法的操作。如步骤502中所述，脉冲计数器算法在具有相同第一数据值k的测量数据组中搜索预定数量的数据元素。接着，如步骤504中所述，分析整个测量数据组，确定具有零(0)值的数据元素的存在，确定具有第一数据值(k)的附加数据元素的存在，并确定具有不同于第一数据值的第二数据值(j)的数据元素的存在。接着，如步骤506中所述，数据组被映射。例如，典型的数据组可以包含具有零值的第一数据元素、具有第一值3的第二数据元素、具有相同第一值3的第三数据元素、以及具有不同第二值2的第四数据元素，从而，可被映射到[0，k，k，j]。接着，如步骤508中所述，确定映射的数据组是否与表示多个电弧事件周期性的多个预定数据组的至少一个匹配。如以上所解释地，扰乱负荷通常产生周期性电弧事件，而电弧故障产生的电弧事件一般是非周期性的。另外，某些启动和停机工况可能与周期性电弧事件类似。图6示出表示周期性电弧事件的多个数据组的示例性映射。例如，上述典型映射[0，k，k，j]与图6所示任一个数据组都不匹配。在此情况下，脉冲计数器不被看作是“有效的”(N)，并且允许脱扣。在匹配的情况下，如步骤510中所述，脉冲计数器被看作是“有效的”(Y)，并且禁止脱扣，由此减小在正常工况下发生扰乱脱扣。例如，通过增加上述三周期算法(TCA)所用的预定最大阈值max_limit和/或任何其它适当的常数和/或系数，可禁止脱扣。应理解，也可适当地修改TCA所用的常数/系数，使得能在检测到有效电弧故障时脱扣。
如上所述，第一脉冲计数器算法包括以下步骤：确定映射数据组是否与表示电弧事件周期性的至少一个预定数据组相匹配。在替代实施例中，还确定映射数据组是否与表示数据历史中无效事件(如噪声)的一个或多个预定数据组相匹配。例如，此数据组可映射到[0，k，k，j，k，k]，这表示映射中除单个“j”元素之外的周期性。通过在发生此匹配时禁止脱扣，噪声过滤程度可引入到第一脉冲计数器算法中。
在目前公开的实施例中，还执行第二脉冲计数器算法，以捕捉与一个或多个电弧事件有关的定时信息。以下结合图5b描述第二脉冲计数器算法。如步骤514中所述，使用微控制器112内的计数器来跟踪采样周期内发生电弧事件所需的时间量。例如，计数器可用于测量从采样周期开始到在采样周期内发生电弧事件的时间。接着，如步骤516中所述，在一定数量的采样周期上储存多个测量时间值，以提供电弧事件时间的历史。接着，如步骤518中所述，分析时间历史，以确定电弧时间的随机性。接着，如步骤520中所述，确定在每个采样周期内是否在基本相同的时间发生电弧事件。在每个采样周期内在基本相同的时间发生电弧事件的情况下，就认为电弧是由扰乱负荷引起的，并且禁止脱扣，如步骤522中所述。可以理解，可适当地修改上述三周期算法所用的常数/系数，以便基于第二脉冲计数器算法所得到的电弧时间历史而禁止和/或允许脱扣。
为了考虑电弧信号的非线性，可修改比较器电路105a，以提供与各个电压阈值相应的多个数字输出信号。图3d示出提供多个数字输出的比较器电路105b的说明性实施例。如图3d所示，比较器电路105b包括比较器121和123、以及电阻器R33、R35、R37和R39。进一步地，比较器121和123的非反相输入可连接到节点114(参见图1b)，并且，比较器121和123的输出可连接到微控制器112的适当数字输入。具体地，电阻器R33、R35和R37、R39分别形成对比较器121和123的反相输入加偏压的分压器。例如，分压器分别在预定的低和高电压电平对比较器121和123加偏压。在此替代实施例中，当比较器121提供表示电弧信号电平已经超过低电压阈值的第一数字输出时，微控制器112内的数字计数器的计数值开始增加。接着，如比较器123提供的第二数字输出所表示的，当电弧电平超过高电压阈值时，计数器的计数值增加的速率增加。接着，如各个比较器121和123提供的第一和第二数字输出所表示的，当电弧电平在连续的阈值之下时，计数器的计数值增加的速率减小。
前面还描述TCA可表达如下：
TCA＝|(|V[n-1]-V[n]|+|V[n+1]-V[n]|-|V[n+1]-V[n-1]|)|
(参见公式(3))。然而，公式(3)提供对单一电弧事件的相对平滑的响应。为实现对更具脉冲特性的单一电弧事件的响应，修改TCA可表达如下
Knob_TCA＝TCA_1+(knob)*TCA_2                 (6)
其中，“TCA_1”如公式(3)所表示，“knob”是常数，并且，“TCA_2”表达为
TCA_2＝|V[n-1]-2*V[n]+V[n+1]|                (7)
其中，V[n-1]代表与第一线电压周期相应的第一电压测量结果，V[n]代表与第二线电压周期相应的第二电压测量结果，并且，V[n+1]代表与第三线电压周期相应的第三电压测量结果。应指出，TCA_2提供对单一电弧事件更多的脉冲响应。在以上公式(6)中，可调整knob常数(如，knob常数可设定为1/8或任何其它适当的值)，以提供变化数量的脉冲响应。
前面还描述：在TCA计算的连续求和上增加三周期算法(TCA)所得到的和，其中，所述连续求和代表在采样周期上发生的电弧总数。在每个采样周期结束时，所述求和与预定的最大阈值max_limit相比较，并且，在超过阈值的情况下，触发SCR1。在替代实施例中，为进一步地避免扰乱脱扣，微控制器112(参见图1)用于执行电弧事件计数器算法，以对所述求和中包括的电弧事件数量进行计数。
以下结合图7描述电弧事件计数器算法。如步骤702中所述，测量电容器C3上的电压。接着，如步骤704中所述，确定测量的电压值是否超过第一预定阈值。如果测量的电压值超过第一阈值，那么，微控制器112内的第一事件计数器的计数值就增加，如步骤706中所述。接着，如步骤708中所述，可选地执行至少一次第二确定，以确定测量的电压值是否超过第二预定阈值。如果测量的电压值超过第二阈值，那么，微控制器112内的第二事件计数器的计数值就增加，如步骤710中所述。随后，如步骤712中所述，通过至少一种算法，如上述的TCA，来处理电容器C3上电压的测量。在优选实施例中，电压测量结果接着增加到电压测量结果的第一和第二求和上。例如，电压测量结果的第一求和可以与短采样周期相对应，在此短采样周期内，在短时间周期上监视大电压测量结果；电压测量结果的第二求和与长采样周期相对应，在此长采样周期内，在更长的时间周期上监视更小的电压测量结果。如步骤714中所述，确定第一求和(求和1)是否超过第一预定脱扣阈值(脱扣阈值1)。在第一求和值超过第一脱扣阈值的情况下，如步骤716中所述，确定第一事件计数器(事件计数器1)的输出是否超过第一预定最小事件数(最小事件数1)。在第一事件计数器输出超过第一事件数的情况下，如步骤722中所述，发生脱扣，使功率输出与负荷断开。如步骤718中所述，确定第二求和(求和2)是否超过第二预定脱扣阈值(脱扣阈值2)。在第二求和值超过第二脱扣阈值的情况下，如步骤720中所述，确定第二事件计数器(事件计数器2)的输出是否超过第二预定最小事件数(最小事件数2)。在第二事件计数器输出超过第二事件数的情况下，如步骤722中所述，发生脱扣，使功率输出与负荷断开。相应地，如果第一事件计数器输出超过第一预定计数或者第二事件计数器输出超过第二预定计数，就发生脱扣。否则，不发生脱扣。
以此方式，避免例如因干扰切换信号而引起的扰乱脱扣。尽管此干扰信号可导致相对较大的电压测量结果，但它们不一定表示发生电弧。通过监视测量电压的求和的电平，并且通过跟踪在求和中包括的电弧事件数，可更可靠地检测包含几个电弧事件半周期的电弧，并且，可以更安全地忽略仅包含有限数量电弧事件的扰乱负荷。
前面还描述：微控制器112通过VREF监视线电压，并基于监视的线电压而确定何时测量电容器C3上的电压。在正常工况下，这些电压测量结果之间的时间是规则的和周期性的。然而，在高电流电弧工况下，由于瞬间硬短路造成的线电压下降，VREF信号可能变差。如果微控制器112正在寻找线电压半周期上的特定电压点，此电压下降就会导致被疏忽或过早命令进行测量。另外，在此类型的电弧事件过程中，积分电容器C3上的电压一般相对较高。在正常的线电压下降(或降低)过程中，可通过微控制器发现有意义的测量点，但是，在电容器C3上没有异常电压。相反，在高电流电弧工况下，可发现有意义的测量点，并且，可在电容器C3上检测相对较高的电压。相应地，为了检测高电平电弧，微控制器112用于测量测量点之间的时间。在发现过早测量并且检测到相对较大电容器电压VC3的情况下，微控制器112激活触发电路108，由此使螺线管118脱扣，使功率输出与负荷断开。
前面还描述：微控制器112(参见图1)每个半周期可测量两次电容器C3上的电压，使用模拟-数字转换器(ADC)把电压测量结果转换为数字形式，储存测量的电压数据，并在完成电压测量时使电容器C3放电。应指出，电容器C3上的电压表示非反相放大器105所提供的信号的积分。在替代实施例中，微控制器112内的数字计数器用作对非反相放大器105的输出进行有效积分的累加器，从而不必要对电容器C3和ADC积分。
在此替代实施例中，用比较器电路105a或105b来取代非反相放大器105，并且，比较器电路的数字输出直接提供给微控制器112，用于增加内部计数器的计数值。进一步地，采样周期被定义为具有与一个或多个线电压半周期相应的持续时间。以下结合图8描述微控制器112和内部计数器对比较器电路105a的输出进行积分的操作。如步骤802中所述，在采样周期开始时重置计数器。接着，如步骤804中所述，确定比较器电路105a的输出是否有效，由此表示电弧的存在。在比较器电路输出有效的情况下，计数器启动，如步骤806中所述。接着，如步骤808中所述，确定比较器电路105a的输出是否变为无效，这表示电弧终止。在电弧已经终止的情况下，所述方法分支到步骤812。否则，如步骤810中所述，确定是否已经到达采样周期的终点。在已经到达采样周期终点的情况下，所述方法前进到步骤812。否则，所述方法循环回步骤808。接着，如步骤812中所述，储存计数器的输出值。随后，使用储存的计数器输出来取代上述电弧检测算法中积分电容器C3上的电压测量结果，其中，所述储存的计数器输出表示比较器电路105a输出的积分。
结合图1b和9描述使用电弧检测算法来操作电弧故障检测设备100的方法，其中，所述电弧检测算法包括脉冲计数器算法、三周期算法(TCA)和电弧事件计数器算法。如步骤902中所述，积分电容器C3被重置为0V。接着，如步骤904中所述，确定是否检测到进行测量的过早命令。例如，如果VREF信号因线电压下降而变差，微控制器112就可检测到执行电压测量的过早命令。如步骤924中所述，在检测到过早测量并且测量电容器C3上过大电压的情况下，检测到电弧故障，并且，螺线管118脱扣，以使功率输出与负荷断开。否则，如步骤906中所述，微控制器112监视VREF信号，并且等待采样或测量点到来。
当测量点到来时，测量积分电容器C3上的电压，如步骤908中所述，此后，电容器C3被重置为0V。接着，微控制器112监视电弧感测电路104提供的脉冲计数器信号，并且，如步骤910中所述，储存采样周期过程中发生的脉冲计数。另外，如步骤912中所述，微控制器112把积分电容器电压测量结果储存到历史数据存储器(如堆栈)中。接着，如步骤914中所述，使用上述脉冲计数器算法分析储存的脉冲计数信息。随后，如步骤916中所述，使用储存的电压测量数据历史执行三周期算法(TCA)，并且，把得到的TCA计算增加到至少一个求和上。接着，如步骤918中所述，调整微控制器112内的一个或多个事件计数器，并且，使用上述电弧事件计数器算法分析电压测量。然后，如步骤920中所述，确定一个或多个事件计数器是否超过预定的最小电弧事件数。如果事件计数超过预定的最小电弧事件数，就如步骤922中所述，进行另一次确定，以确定TCA求和是否超过预定脱扣阈值。在TCA求和值超过预定脱扣阈值的情况下，如步骤924中所述，检测电弧故障，并且，使螺线管118脱扣，以使功率输出与负荷断开。
应该理解，上述电弧故障检测设备100也可用来提供DC电弧故障检测。在此情况下，微控制器112不通过VREF监视线电压来确定何时执行电压测量，而是可替代地使用内部数字计数器作为时基，以产生对积分电容器C3上电压进行采样的适当周期。
本领域中技术人员应进一步理解，只要不偏离本文所公开的本发明概念，可对上述用于检测电弧故障的设备和方法作出进一步的变更和改变。相应地，除了后附权利要求的范围和精神以外，本发明不应被看作是受限制的。

Claims (30)

1.一种电弧故障检测设备，包括：
功率输入；
输入感测电路，所述输入感测电路配置为感测与功率输入有关的信号，所感测的信号表示至少一个潜在电弧事件；
包括放大子电路和累积子电路的电弧感测电路，所述放大子电路配置为接收所感测信号的表示并产生与至少一个潜在电弧事件相应的各个脉冲，所述累积子电路配置为接收放大子电路产生的各个脉冲，并在预定时间周期上产生累积信号；以及
处理器，所述处理器从电弧感测电路接收累积信号和各个脉冲，产生代表累积信号的第一数据和代表各个脉冲的第二数据，并且根据至少一种算法而处理第一和第二数据中的至少一个，以确定所述至少一个潜在电弧事件表示电弧故障还是扰乱工况。
2.如权利要求1所述的设备进一步包括电流传感器，所述电流传感器配置为监视功率输入，并向输入感测电路提供与功率输入有关的信号。
3.如权利要求2所述的设备，其中，电流传感器包括变压器，所述变压器包括初级线圈和次级线圈，所述次级线圈弱耦合到输入感测电路。
4.如权利要求1所述的设备进一步包括功率输出、以及在功率输入和功率输出之间耦合的机电接口，其中，如果所述至少一个潜在电弧事件表示电弧故障，所述处理器就进一步使机电接口脱扣，由此使功率输出与可耦合到功率输出的负荷断开。
5.如权利要求4所述的设备，其中，机电接口包括螺线管。
6.如权利要求1所述的设备，其中，放大子电路包括比较器子电路。
7.如权利要求1所述的设备，其中，累积子电路包括积分电容器。
8.如权利要求1所述的设备，其中，累积子电路包括数字计数器。
9.如权利要求1所述的设备，其中，放大子电路包括多个比较器，每个比较器配置为在所感测信号超过各个预定阈值的情况下产生各个脉冲，其中，累积电路包括数字计数器，并且其中，处理器用于接收多个比较器产生的各个脉冲，并且基于所接收的脉冲而以不同的速率增加数字计数器的计数值。
10.如权利要求1所述的设备，其中，处理器用于在一组周期上多次测量累积信号，以产生代表累积信号测量结果的第一数据，并根据以下算法处理第一数据，其中，所述算法包括：计算与第一周期有关的第一测量结果减去与第二周期有关的第二测量结果，得到第一计算值；计算与第三周期有关的第三测量结果减去与第二周期有关的第二测量结果，得到第二计算值；计算与第三周期有关的第三测量结果减去与第一周期有关的第一测量结果，得到第三计算值；求第一、第二和第三计算值的绝对值，并计算第一值加上第二值减去第三值，得到第四计算值。
11.如权利要求10所述的设备，其中，处理器进一步根据使用与至少一个不同周期组相应的信号测量结果的算法来重复第一数据的处理，并保留第四计算值的求和，所述求和代表在预定时间周期内发生的电弧总数。
12.如权利要求11所述的设备，其中，处理器进一步根据至少一种第二算法来处理第二数据，以对包括在求和中的电弧事件数进行计数。
13.如权利要求1所述的设备，其中，处理器根据对预定时间周期内所发生电弧事件数进行计数的算法来处理第二数据。
14.如权利要求13所述的设备，其中，处理器进一步捕捉与电弧事件有关的定时信息。
15.如权利要求1所述的设备，其中，所感测信号是AC信号。
16.如权利要求1所述的设备，其中，所感测信号是DC信号。
17.一种检测电弧故障的方法，包括以下步骤：
通过输入感测电路感测与功率输入有关的信号，所感测信号表示至少一个潜在电弧事件；
通过放大电路接收所感测信号的表示；
通过放大电路产生与至少一个潜在电弧事件相应的各个脉冲；
通过累积电路接收各个脉冲；
通过累积电路在预定时间周期内产生累积信号；
通过处理器接收累积信号和各个脉冲；
通过处理器产生代表累积信号的第一数据和代表各个脉冲的第二数据；以及
通过处理器，根据至少一种算法而处理第一和第二数据中的至少一个，由此确定所述至少一个潜在电弧事件表示电弧故障还是扰乱工况。
18.如权利要求17所述的方法进一步包括以下步骤：通过电流传感器监视功率输入并通过电流传感器向输入感测电路提供与功率输入有关的信号。
19.如权利要求18所述的方法，其中，电流传感器包括变压器，所述变压器具有初级线圈和次级线圈，所述次级线圈弱耦合到输入感测电路。
20.如权利要求17所述的方法进一步包括以下步骤：如果所述至少一个潜在电弧事件表示电弧故障，就使在功率输入和功率输出之间耦合的机电接口脱扣，由此使功率输出与可耦合到功率输出的负荷断开。
21.如权利要求20所述的方法，其中，机电接口包括螺线管。
22.如权利要求17所述的方法，其中，放大电路包括比较器。
23.如权利要求17所述的方法，其中，累积电路包括积分电容器。
24.如权利要求17所述的方法，其中，累积电路包括数字计数器。
25.如权利要求17所述的方法，其中，放大电路包括多个比较器，并且进一步包括以下步骤：在所感测信号超过各个预定阈值的情况下，由各个比较器产生各个脉冲，通过处理器接收多个比较器产生的各个脉冲，并且通过处理器基于所接收的脉冲而以不同的速率增加数字计数器的计数值。
26.如权利要求17所述的方法，进一步包括以下步骤：通过处理器在一组周期上多次测量累积信号，通过处理器产生代表累积信号测量结果的第一数据，并根据以下算法处理第一数据，其中，所述算法包括以下子步骤：计算与第一周期有关的第一测量结果减去与第二周期有关的第二测量结果，得到第一计算值；计算与第三周期有关的第三测量结果减去与第二周期有关的第二测量结果，得到第二计算值；计算与第三周期有关的第三测量结果减去与第一周期有关的第一测量结果，得到第三计算值；求第一、第二和第三计算值的绝对值，并计算第一值加上第二值减去第三值，得到第四计算值。
27.如权利要求26所述的方法进一步包括以下步骤：根据使用与至少一个不同周期组相应的信号测量结果的算法来重复第一数据的处理，并保留第四计算值的求和，所述求和代表在预定时间周期内发生的电弧总数。
28.如权利要求27所述的方法进一步包括以下步骤：根据至少一种第二算法来处理第二数据，以对包括在求和中的电弧事件数进行计数。
29.如权利要求17所述的方法进一步包括以下步骤：通过处理器根据对预定时间周期内所发生电弧事件数进行计数的算法来处理第二数据。
30.如权利要求29所述的方法进一步包括以下步骤：捕捉与电弧事件有关的定时信息。
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