电弧检测设备和方法技术

本发明专利技术涉及电弧检测设备和方法，其中的电弧故障电路断续器包括：具有连接到线电流的初级绕组和弱耦合的次级绕组的变压器，连接到次级绕组的整流器电路，该整流器电路连接到转换器电路，所说的转换器电路具有其电压与由整流器电路所输送的电荷的对数成比例的电压的电容器，具有输入和输出的微控制器，该电容器连接到微控制器的输入以测量所说的电容器电压，以及连接到输出以使电容器电压复位，产生与线电压成比例的信号的线电压检测电路，线电压检测电路连接到微控制器的输入以启动微控制器来测量在线电压所选择的绝对值上的电容器电压，该微控制器响应所测量的电容器电压产生输出，所说的输出提供存在电弧故障的指示。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

一般地说本专利技术涉及电路，更具体地说涉及电弧的检测和在检 测这种电弧时电路断续器的^J'司。
技术介绍
在交流电流(AC)的电力线上的电弧检测在本领域中是公知 的。已有技术的检测器实例包括McEachern等人的美国专利 US4，694,402 、 Baxter等人的US5，229，651和Zuercher等人的 US5，452，223。 McEachern等人教导比较相邻的周期以检测波形干 扰。Baxter等人教导将电流周期与从许多在先周期中构造的参考周 期相比较，以及Zuercher等人教导使用在许多周期的预定点上的累 计差值信号来检测电弧。然而，McEachern等人和Baxter等人的比 较信号受到由不同的负载带来的阻扰跳闸的影响。Zuercher等人通 过进一步分析信号以检测电弧来解决了这种局限性。所有的三种方法 都要求相对较高的成本、功耗大、快速的数字处理，因为需要每周期 采样多个点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种设备和方法，这种设备和方法检测在 电路中的电弧并在阻扰负载中没有跳闸的同时使断续器跳闸以中断电 路，这种负载例如，在特定的电路中通常存在的负载，不管它是否是家用、商用飞行器等。本专利技术的另一方面是提供一种电弧检测设备，它的尺寸紧凑、 制造成本低廉，并且功耗小。本专利技术的另一目的是提供一种具有用于 使断路器跳闸的自测试特征的电弧检测设备。本专利技术的另 一 目的是提 供一种区别由阻扰负载(比如光衰减器)引起的波形干扰和由负载所 屏蔽的电弧的方法。简而言之，根据本专利技术，通过弱耦合的变压器(即，具有大约20-50pH量级的较小的互感)监测流经负栽的电流。该变压器具有包 括串联连接到负载相的几个线匝的初级和具有相对较大数量的线叵 (例如几百个线匝)以传输初级电流的高频分量的次级。在优选实施 例中次级的每端连接到相应的第一和第二二极管的阴极，该二极管的 阳极接地。第一和第二二极管与其阴极接地的第三和第四二极管形成 全波整流桥。分别与第三和第四二极管匹配的第五和第六二极管连接 到桥路，他们的阴极连接到电容器，该电容器又接地。电容器连接到 微控制器的模拟至数字转换器，在进行测量之后该微处理器使电容器 短路到地端以使电容器复位到零电压。来自变压器的任何电流通过上 述的二极管网络根据下述的公式产生与积分整流电流的对数成比例的 电压V ( P2.1) ~vt*In (|Q|C/vt+l-V ( P2.1) /vt)这里V (P2.1)是自最后电容器电压复位之后所产生的电容器电压 vt-热电压(在室温下kT/q 26mV )Q是输送给二极管网络的电荷 C是电容这提供了在较大的动态范围上测量来自变压器的电荷的能力。 对数函数简化了信号处理并能够实现比在已有技术中通常使用的数字 信号处理器相对更低成本的微控制器的使用。根据所描述的实施例，在由线电压的绝对值所确定的时间上每 半个周期进行两次电容器电压测量(即电荷的对数的测量值)。在线电压零交叉之前并接近它时进行一次测量，在线电压零交叉之后立刻 进行第二次测量。每半个周期的两次测量作为字存储在堆栈中，在一 种优选实施例中，加在一起并作为字存储在堆栈中，然后通过三周期 算法进行处理以确定消除由重复性地或连续地改变的类型的阻扰负载所引起的干扰的波动。根据这种算法，通过如下的方式确定波动将 字l加上2 (来自周期l)和字3加上4 (来自周期3)和减去字2加 3 (来自周期2)的两倍。在所述的实施例中，使用60个字的下推堆 栈。通过微控制器将60个字的波动与称为maxjimit的极限进行比 较。通过使用三周期算法考虑60Hz测量的最后半秒的所有的波动， 忽略第一和最后的测量，然后如果总和超过max一limit则表示产生了 电弧，则激发SCR以使电路断续器跳闸。根据本专利技术，重叠三个周 期，即仅需要四个相邻的半周期，尽管如果需要的话可以使用6个。 在另一种实施例中，使用5周期算法以使在60Hz线电流中的非线性 变化(即在灯和马达的启动电流中存在的非线性变化)的影响最小。根据本专利技术的一种特征，自测试按钮连接到微控制器，在按下 该按钮时微控制器通过电阻使电容器充电，由此模拟电孤的检测。根据本专利技术的可选择的特征，如果需要的话，小的电容器与变 压器次级串联或并联以分别增加对低频分量或高频分量的阻止。根据本专利技术的另一可选择的特征，对数电荷转换器电路可以由 晶体管而不是二极管组成以简化相关的公式。结合附图本通过下文的详细描述专利技术的其它的目的、特征和优 点是显然的。附图说明在附图中附图1所示为电弧检测和断路器电路的示意图； 附图2所示为根据优选实施例的附图1的电弧检测和断路器电路 的操作的流程图；和附图3所示为交流对数电荷转换器电路的示意图。具体实施例方式参考附图1，继电器线圏Ll连接到相线并设置成控制主触点 2， 4的激励状态，该主触点2, 4使干线中线和相线与负载中线和负 载相线分别连接或分离。通常，在线圏中的功率足够低到使继电器触 点保持关闭。然而，如下文将会描述，在SCR1接通时，在继电器线 圏中的电流增加以断开触点。金属氧化物变阻器MOV1连接在中线 和相线之间以防止过高的线电压。通过负载的电流由变压器Trl监测，该变压器Trl大致包括三 个线匝的初级线圏和弱耦合(即具有大约20-50微亨利量级的较低的 互感电感的耦合)的几百个线臣的次级线圏以将初级电流的高频分量 传递给监测电路。对次级电流进行整流并反馈给包括电容器的对数电 荷转换器网络。从零电压的电荷开始，施加在电容器上的电压与电荷 的对数成比例。根据优选的实施例，使用微控制器在通过线电压的绝 对值所确定的时间上每半周期测量电容器或对数电荷两次。在每次测 量之后微控制器使电容器复位到零电压。这提供了许多数量级幅值 (例如6个数量级幅值)的测量电荷的监测电压范围。对数电荷转换器的使用不仅形成了在较宽的范围上从变压器上 测量电荷的能力，对数函数还导致更简单的信号处理以使能够使用微 控制器而不使用数字信号处理器(一种昂贵得多的器件)，否则要求 使用这种昂贵的器件。由于电荷代表电流随着时间的积分，因此电荷 的测量使得不需要在半周期上进行多个单次电流测量。注意，对数加 法等效于乘法操作，但比乘法操作快得多。还应该注意，对数减法形 成了自动归一化，由此不需要除法操作。返回到附图1，所示为变压器Trl的次级连接到可选的电容器 CIO， Cll，这些电容器连接在次级的相对端和地端之间以提供高通 滤波。如果需要的话，通过与电感器串联放置的电容器(未示)可以 提供进一步的滤波。除了可选电容器CIO、 Cll之外， 一对电阻器 Rl、 R2连接到变压器电路并连接到地端以作为次级线圏的参考地端。除了电阻器Rl、 R2之外，阳极连接到地端的二极管D5和D6 连接到变压器电路。在二极管D5和D6之后阴极连接到地端的两个 附加二极管D7和D8连接到变压器电路，形成全波整流桥路。另一 对二极管D9、 D10连接到变压器电路，他们的阴极连接到电容器 C2。 二极管D9和D10分别与它们相邻的二极管D7、 D8匹配。如果 需要的话，二极管D5和D6可以与其它的二极管匹配或不匹配。如 上文所指出，从变压器中所接收的电流产生与积分整流电流的对数成 比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电弧故障电路断续器，具有产生大致随着通过连接到线电流的变压器输送的整流电荷的对数增加的信号的电路，在通过包括线电压零交叉的第一窗口和不包括零交叉的另一窗口中通过线电压确定的时间上测量所说的信号，该方法包括相加在一周期上的信号测量值的步骤，计算至少在所选择数量的周期上的波动，对在另一所选择数量的周期上的波动进行求和，将该波动之和与预定的阈值进行比较，和在波动之和超过该阈值时产生电弧检测信号。

【技术特征摘要】
US 2002-12-9 10/314,7151.一种电弧故障电路断续器，具有产生大致随着通过连接到线电流的变压器输送的整流电荷的对数增加的信号的电路，在通过包括线电压零交叉的第一窗口和不包括零交叉的另一窗口中通过线电压确定的时间上测量所说的信号，该方法包括相加在一周期上的信号测量值的步骤，计算至少在所选择数量的周期上的波动，对在另一所选择数量的周期上的波动进行求和，将该波动之和与预定的阈值进行比较，和在波动之和超过该阈值时产生电弧检测信号。2. 根据权利要求1所述的方法，其中计算信号的波动的步骤包 括取四个半周期，对相邻的半周期进行求和以产生三个值，以及计算值(1)减去2倍的值(2)加上值(3)的绝对值。3. 根据权利要求l所述的方法，其中计算信号的波动的步骤包 括取六个半周期，对相邻的半周期进行求和以产生五个值，以及计算 值(1)减去4倍的值(2 )加上6倍的值(3 )减去4倍的值(4 )加 上值(5)的绝对值。4. 根据权利要求2所述的方法，其中所测量的信号是具有零整流 电荷的零。-5. 根据权利要求2所述的方法，其中包括线电压的零交叉的窗 口也包括超过最小电弧维持电压的线电压。6. —种电孤故障电路断续器，具有用于在线电压的每半个周期 两次产生与线电流相关的信号的电路，该方法包括如下的步骤在每半个周期中获取在线电压零交叉之前并接近线电压零交叉 的第一窗口中的信号测量值和在线电压零交叉之后并接近线电压零交 叉的信号测量值，将在每个全周期中的测量值的总和作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：基思W卡瓦塔，克里斯蒂V佩隆，
申请(专利权)人：森萨塔科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]