电弧检测设备和方法技术

一种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跳闸。
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20-50μH量级的较小的互感)监测流经负载的电流。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匝(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+1-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1加上2(来自周期1)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max_limit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_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，由此模拟电弧的检测。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，继电器线圈L1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，在线圈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，在继电器线圈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Tr1监测，该变压器Tr1大致包括三个线匝的初级线圈和弱耦合(即具有大约20-50微亨利量级的较低的互感电感的耦合)的几百个线匝的次级线圈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Tr1的次级连接到可选的电容器C10，C11，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C10、C11之外，一对电阻器R1、R2连接到变压器电路并连接到地端以作为次级线圈的参考地端。除了电阻器R1、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例的电压。电容器C2连接到微控制器U1的管脚9。在根据附图1的电弧检测和电路断续器设备的实例中，U1是具有大约2MHz时钟频率的Texas Intruments微控制器MSP430F1122。管脚9连接到在微控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种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。2.根据权利要求1所述的电弧故障电路断续器，其中变压器的互感为20-50μH量级。3.根据权利要求1所述的电弧故障电路断续器，其中整流器电路是全波二极管桥路，该桥路具有在一起短路的输出，并进一步包括连接到整流器电路的附加二极管以产生电容器电压。4.根据权利要求1所述的电弧故障电路断续器，其中整流器电路是全波二极管桥路，并进一步包括连接到整流器电路的晶体管以产生电容器电压。5.根据权利要求1所述的电弧故障电路断续器，其中电容器电压是具有零整流电荷的零。6.根据权利要求1所述的电弧故障电路断续器，进一步包括连接在负载相和微控制器的输入之间的按钮开关，电阻器连接在微控制器的测试输出和电容器之间，在按下该按钮时给微控制器输入信号以通过该电阻器对电容器进行充电以引入电弧状信号并使微控制器产生电弧检测信号。7.一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。8.根据权利要求7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。9.根据权利要求7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...

【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：