多功能住宅电路断路器的制作方法

专利名称：多功能住宅电路断路器的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及电路中的故障检测。更具体而言，本发明针 对用于检测和减轻电气系统中的电弧故障的系统和方法。本发明也 涉及多功能住宅电路断路器。
背景技术：
电弧可能将温度上升到最常见可燃材料的点燃水平以上并因 此引发重大火险。例如，家里的用旧的电源线可能形成电弧足以起 火。幸运的是，低压燃弧(arcing)是本质上不稳定的现象并且通 常没有持久到足以起火。在如在所产生的电扰动的特定特征中反映 的某些条件之下，电弧持续并且起火的可能性高得多。
家里可能出现的两类危险燃弧是由高电流故障造成的瞬间高 能量电弧和持续低电流"接触"燃弧。由线路与零线或者线路与接地 之间的意外直接连接造成的高电流故障一般将汲取电流直至或者 超出电路的额定容量、在物理上进行和断开接触时爆发性地形成电 弧、使灯和其它负载暗淡，从而表明过量负载正被带动和/或(假 设电路受电路断路器恰当地保护)使断路器跳闸(trip)，由此中断去往电弧的电流。由于这样的"线路故障，，存续短暂，所以馈送导 体中的温度上升有限，并且火灾危险主要归因于可能点燃附近可燃 材料的来自接触区域的瞬间灼热铜珠的爆发性排出。然而即使起 火，故障的高可见性和附近可能有人(其提供了用以将导体带到一 起的物理推动)存在明显减少无控制火灾的可能性。
另一方面，接触燃弧是在与负载的串联连接处出现的燃弧。这 样，电弧中的最大电流限于负栽电流，因此可以基本上在关联电路 断路器的过电流或者"跳闸"额定值以下。接触燃弧是可以由松弛连 接、氧化的接触、干扰传导路径的外来非传导材料、接触材料的差 异、接触形状和其它因素诱发的复杂物理现象。在某些条件之下， 这样的燃弧可能变得持续并且带来重大火险。
可能造成接触燃弧的条件的一个例子是用旧的壁装插座，其中 已经由于老化和使用而减少了由接触提供的弹簧压力，从而为了保 证低电阻连接而向插入的插头接触施加的压力不足。
接触燃弧也普遍地由使用载流容量不足的延长绳线造成。例 如，插头可通过电阻加热来加热，从而逐渐地分解接触周围的弹性 绝缘材料直至材料部分地流入接触区域中，因而有碍于进行恰当接 触。这一过程可随着初始燃弧产生更多热而变得再生，从而使绝缘 碳化并且在接触表面上产生薄的绝缘层。在铝接线中经常观察到的 第三种接触燃弧起因涉及到接触氧化。在这一情况下，主要为氧化 的化学过程在接触的表面上构成半传导或者非传导层。优选地，当 接触材料易受氧化时，使连接气密以防止氧气进入并且促进氧化。 然而，如果连接随时间变得松弛，则开始氧化并且可能导致燃弧。 接触燃弧在扣合或者扣断开关的弹簧变旧时也司空见惯，从而增加 闭合时间并且减少将接触保持在一起的力。
发现易于在住宅中出现的第五接触燃弧例子是在常规灯泡的 中心接触处。由于中心接触受高温并且重复使用，所以它常常变松 并且氧化，由此增加燃弧的可能性。当出现燃弧时，通常由低熔点 焊料制成的灯接触熔化并且再成形，从而断开接触或者建立新接 触。在很旧的灯架中的一个常见结果是在中心接触处或者在铝线周
围的燃弧造成灯变得熔接到灯座中并因此难以拆卸。
最后，跨线路的高电阻故障在本文中也被视为接触燃弧。然而，
6表现出足以防止电路断路器跳闸的电阻的意外"短路"可能在接触 点处产生燃弧并且被视为接触电弧。特别是如果存在湿气，则发生 少量或者间歇接触的磨损导体或者意外地穿透导线绝缘的钉可能 通过污染和氧化物层产生阻性短路。
多数接触燃弧实例归因于载流接触的逐渐退化。危险电弧可能 作为小规模的和偶然的燃弧开始、随时间逐渐地增强直至燃弧变得
持续足以起火。同样，与由线路故障、例如"硬，，或者"栓接(bolted )" 短路产生的燃弧的可见特性形成鲜明对照，初期接触燃弧经常隐藏 不见，从而提供迫近危险的很少指示或者不提供迫近危险的指示。 出于这一原因，如果可以及早检测接触燃弧条件并且在由于故障所 导致的危险达到危险水平之前提供报警，则将是非常有利的。
因此将认识到在"硬短路，，与接触燃弧之间有根本差异。"硬短 路"一般将涉及到高电流(>50A)并且在故障点接触处将是爆发性 的，从而故障本身将使电路断路器烧坏或者跳闸。常规电路保护设 备通常足以防范线路故障燃弧。通过比较，在接触燃弧中汲取的平 均电流不多于负载本身汲取的电流。然而，即使低电流接触燃弧、 例如在有故障的延长绳线的末端上的60瓦特灯泡或者接触有故障 的一组圣诞树灯也可能释放足以造成火灾的热量。因而，常规电路 断路器不足以防止由于接触燃弧所导致的危险情况。
也需要一种除了检测可能导致火灾的燃弧之外还在存在有危 害性的燃弧时将负载断电的电路断路器。这样的设备可以以与常规 电路断路器相同的样式便利地加以包装或者可以与目前可用的接 地故障断续器相似地安装于插座中。由于负载电流流过电路断路 器，所以在这一应用中便于监视负载电流。
也需要一种不受例如由于灯调光器、刷式电机、载流通信系统、 开关瞬态、广播无线电信号和可以具有与电弧故障相似的电特征的 其它类型的噪声信号而在家用电力线上普遍存在的噪声影响的电 弧检测器。如果未被恰当地识别和拒绝，则可能易于与电弧故障信 号混淆的这些类型的信号可能造成某些电弧故障电路检测器的"有 害(nuisance)"跳闸。因而，在致力于减少有害跳闸的负面影响 并且准确地响应电弧故障信号时可能需要用于识别电力系统中的 电弧故障的系统和方法。目前的AFCI/GFCI断路器仅可以在故障事件已经出现之后才 通过使用视觉指示器(例如标志)来显示最后的跳闸条件。保持该 指示直至设备被重置并且回到接通。然而，在清除指示之后，该事 件在已经检测到另一事件出现之前没有记录。
将电弧故障检测和接地故障检测能力并入单个集成模块中、由 此减少与在单个分支上安装、维护和维修多个电路中断设备关联的 客户成本可能是有利的。另外，通过在单个模块内组合电弧故障和 接地故障检测功能，还可以在接地故障检测过程中实施与电弧故障 检测关联的许多处理功能、诸如电子故障监视、自测试功能和故障 事件数据记录以增强现有的接地故障检测能力。

发明内容
与^^开实施例一致的过程和方法涉及一种可以快速和高效地 区分电弧故障和宽带信号源的电弧故障电路断续器(AFCI)设备。 替代地和/或附加地，公开实施例可涉及一种在单个集成模块中为 电气系统提供电弧故障和接地故障的故障检测、减轻和报告的组合 AFCI/GFCI设备。此外，某些公开实施例涉及一种与AFCI和/或 AFCI/GFCI组合设备关联的、使该设备能够基于预定操作标准来 分析本身的自监视系统和方法。自监视系统可以适于提供一种报告 自监视分析的结果的健康状态指示。
根据一个方面，本公开内容涉及一种用于检测电力线上的电弧 故障的方法。该方法可以包括监视与电力线关联的功率信号并且对 该功率信号进行滤波以产生高频信号和低频信号。可以基于低频信 号来生成屏蔽(mask)信号，并且可以分析高频信号以提取高频 信号的宽带部分。如果宽带部分的量值近似大于第一阈值电平，则 可以递增故障计数器。如果宽带部分的量值近似小于第一阈值电 平，则可以递减故障计数器。如果故障计数器超过预定故障限制， 则将跳闸信号提供给与电力线关联的切换设备。
根据另一方面，本7>开内容涉及一种用于识别和拒绝与配电电 路关联的非电弧故障信号的方法。该方法可以包括监视与电力线关 联的功率信号并且对该功率信号进行滤波以产生高频信号和低频 信号。可以基于生成屏蔽信号的低频信号来生成屏蔽信号，并且可以分析高频信号以提取高频信号的宽带部分。可以对高频信号的宽 带部分穿越阈值电平的实例数目进行计数。如果宽带部分穿越阈值 电平的实例数目超过阔值穿越限制，则可以拒绝高频信号的宽带部 分。
根据又一方面，本公开内容涉及一种与电弧故障检测设备关联 的自测试方法。该方法可以包括执行处理器检验，由此分析与处理 器关联的一个或者多个软件和/或硬件部件以确定处理器是否在预 定义规范内操作。可以将状态确认信号提供给与微处理器关联的健 康监视器。如果确认信号没有在适当间隔内由健康监视器接收，则 可以重置处理器。如果在重置之后处理器无法响应，则可以生成跳 闸信号。
根据又一方面，本公开内容涉及一种与电弧故障检测设备关联 的自测试方法。 一旦已经启动自测试过程，可以生成和递送射频、 交流、接地故障和差分故障测试信号到电弧故障检测电路的健康监 视部分。可以收集并且基于与各部件关联的预定义操作规范来分析 表明与电弧故障检测电路的一个或者多个部件关联的输出的数据。 基于该分析，可以生成跳闸信号，并且如果一个或者多个部件无法 满足预定义操作规范，则可以提供测试失败指示器。
根据又一方面，本公开内容涉及一种包括状态通知系统的电弧 故障检测系统，该状态通知系统用于提供表明电弧故障检测设备的 状态的信号。该系统包括壳体和用于检测与配电系统关联的电弧故 障的模块。该模块可以基本上设置于壳体内并且可以提供与模块的 状态关联的光输出信号。该系统也可以包括一个或者多个光波导元 件，这些元件通信耦合到模块并且适于接收光输出信号并且将光输 出信号路由到壳体的表面。一个或者多个光波导元件可以基本上由 非传导材料组成。
根据又一方面，本公开内容涉及一种串联电弧故障检测系统，
该系统包括适于耦合到电功率电路的ASIC模块和通信耦合到 ASIC模块的处理器。ASIC模块可以被配置成接收电信号的高频 部分的宽带部分并且将宽带部分与屏蔽信号同步。屏蔽信号可以对 应于电信号的低频部分的基频。ASIC模块也可以被配置成如果宽 带部分的量值在屏蔽信号的非零部分内大于或者等于第一阈值电平则生成第一阈值穿越信号，而如果宽带部分的量值在屏蔽信号的 非零部分内小于第一阈值电平则生成第二阈值穿越信号。处理器可以被配置成从ASIC模块接收笫一和第二阈值穿越信号。处理器可 以响应于第一阈值穿越信号按照第一计数速率来递增故障计数值 而响应于第二阈值穿越信号按照第一计数速率来递减故障计数值。 如果故障计数值超过阈值，则处理器可以生成跳闸信号。根据又一方面，本公开内容涉及一种组合电弧故障/接地故障 检测系统，该系统包括壳体和模拟处理模块、通信耦合到各自被设 置于壳体内的模拟处理模块、并联电弧故障检测模块和差分故障检 测模块的处理器。另外，模拟处理模块、并联电弧故障检测模块和 差分故障检测模块中的每一个可以适于直接地或者间接地(通过一 个或者多个其它部件)耦合到电功率电路。模拟处理模块可以被配 置成接收电信号的高频部分的宽带部分并且将宽带部分与屏蔽信号同步；该屏蔽信号对应于电信号的低频部分的基频。模拟处理模块也可以被配置成如果宽带部分的量值在屏蔽信号的非零部分内大于或者等于第一阈值电平则生成第一阈值穿越信号，而如果宽带部分的量值在屏蔽信号的非零部分内小于第一阈值电平则生成第二阈值穿越信号。处理器可以被配置成从模拟处理模块接收第一和第二阈值穿越信号。处理器也可以被配置成响应于第一阈值穿越信号按照第一计数速率来递增故障计数值而响应于第二阈值穿越信号按照笫一计数速率来递减故障计数值。如果故障计数值超过阈值，则处理器可以生成串联电弧故障跳闸信号。并联电弧故障检测模块可以被配置成监视与电信号的低频部分关联的电流电平并且如果电信号的低频部分的电流电平的量值超过阈值电流电平，则生成并联电弧故障跳闸信号。类似地，差分故障检测模块可以被配置成监视与热线和中性线关联的电信号的低频部分之间的差分电流电平并且如果差分电流电平的量值超过阈值差分电流电平则生成差分故障跳闸信号。根据又一方面，本公开内容涉及被配置成检测和中断电弧故障 条件以潜在地减轻这些条件的某些影响、例如火突或者财产损失的 方法和过程。这些方法适于不仅在广范围的正常操作场景之下检测 这些条件而且有效地避免可能限制现有电弧确定方法的不足，如例如将非燃弧条件错误识别为燃弧条件(例如电力线通信方案，如同Homephig.RTM.或者其它宽带电力线(BPL)通信系统)、将燃弧 条件错误识别为非燃弧条件(例如"屏蔽"负载，这些负载有时可以 改变线路的特征足以影响电弧检测系统的性能)以及由于某些负载 所致的宽带噪声骤增(例如调光器开关的"冷"起动、由于某些装置 中的刷换向所致的燃弧等)。在又一方面中，本发明涉及一种用于在功率电路的分支中使用 的电气故障检测设备，该设备包括交流线路电流传感器，用于监 视包括主线路和中性线路并且运送交流功率信号的配电线路中的 交流电流，其中交流线路电流传感器生成与向功率电路的至少一个 分支递送的负栽电流成比例的代表信号；线路高频传感器，耦合到 配电线路，用于检测和输出交流功率信号的宽带高频分量；差分电 流传感器，耦合到配电线路的主线路和中性线路，用于监视主线路 与中性线路之间的净电流、比较净电流与交流负载电流信号并且生 成表明净线路到中性电流(net line-to-neutral current)与负载电流 的不一致是否为预定可接受量的信号；接地故障电流传感器，用于 检测配电线路的主线路与中性线路之间的电流失衡；以及信号调节 器，与交流电流线路电流传感器、线路高频传感器、差分电流传感 器和接地故障电流传感器进行电信号通信并且适于生成表明与功 率电路的分支关联的负载电流的信号。电气故障检测设备还包括 采样电路，用于对信号调节器输出的信号进行采样并且生成采样信 号；以及处理资源，用于处理采样信号。处理资源在其中存储有代 表多个时间比对电流曲线的数据，这些时间比对电流曲线限定其中 可能出现或者可能不出现跳闸的多个区域，其中至少一个区域具有 限定对于特定电流量值而言其中将不出现跳闸的持续时间的时间 数据和电流数据，并且其中至少一个其它区域具有限定对于特定电 流量值而言其中将出现跳闸的持续时间的时间数据和电流数据。处 理资源处理采样信号以(i)提供处理后的时间数据和电流数据、 (ii)确定处理后的时间数据和电流数据对应的区域并且(iii)如流数据::成用:启、动:闸的信号。、在又一有关方面中， 一种用于电气故障检测的方法包括监视包括主线路和中性线路并且运送交流功率信号的配电线路中的交流电流；生成与向功率电路的至少一个分支递送的负栽电流成比例 的代表信号；检测和输出交流功率信号的宽带高频分量；监视所述 主线路与中性线路之间的净电流；比较净电流与交流负载电流信号 并且生成表明净线路到中性电流与负载电流的不一致是否为预定 可接受量的信号；检测配电线路的主线路与中性线路之间的电流失 衡；并且生成表明与功率电路的分支关联的负载电流的信号，其中 表明负载电流的所述信号基于(i)与向功率电路的至少一个分支 递送的负载电流成比例的所述代表信号、(ii)交流功率信号的所 述宽带高频分量、(iii)表明净线路到中性电流与负载电流的不一 致是否为预定可接受量的所述信号以及(iv)配电线路的主线路与 中性线路之间的所述被检测的电流失衡。该方法还包括以下步骤 对表明与功率电路的分支关联的负载电流的信号进行采样；并且提 供处理资源，该处理资源在其中存储有代表多个时间比对电流曲线 的数据，这些时间比对电流曲线限定其中可能出现或者可能不出现跳闸的多个区域，其中至少一个区域具有限定对于特定电流量值而 言其中将不出现跳闸的持续时间的时间数据和电流数据，并且其中至少一个其它区域具有限定对于特定电流量值而言其中将出现跳 闸的持续时间的时间数据和电流数据。该方法还包括以下步骤利 用处理资源来处理采样信号以(i)提供处理后的时间数据和电流 数据、(ii )确定处理后的时间数据和电流数据对应的区域并且(iii) 如果采样信号产生与其中必须出现跳闸的区域对应的时间数据和 电流数据则生成用以启动跳闸的信号。本发明的附加目的和优点将部分地在以下描述中加以阐述并 且部分地根据该描述将是显而易见的，或者可以通过本发明的实践 来获悉。本发明的目的和优点将借助所附权利要求中特别指出的要 素和组合来实现和获得。应理解前文大体描述和下文详细描述仅为举例和说明并且不 限制要求保护的本发明。并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的附示本发 明的数个实施例并且与描述一起用来说明本发明的原理。1

在所附权利要求书中具体地阐述新颖的本发明特征和本发明 特有的要素。附图仅用于图示目的并且未按比例绘制。另外，相似 编号代表附图中的相似特征。可以通过参照结合附图进行的以下详细描述来最好地理解关于组织和操作方法的本发明本身图1提供描绘与公开实施例一致的示例公开电路断续器设备 的图示；图2提供与公开实施例一致的示例公开组合电弧故障电路断 续器/接地故障电路断续器设备的示意表示；图2A提供与公开实施例一致的故障电路断续器设备中所用示 例公开接地故障检测电路的示意表示；图3提供描绘可以由图2的设备实施的与公开实施例一致的示 例公开串联电弧故障检测方法的流程图；图4提供与公开实施例一致的使用斜率分析的示例公开串联 电弧故障检测方法的流程图；图5A图示可以与电功率电路关联的正常交流电流信号；图5B图示包括电弧故障或者与电弧故障相似的活动的示例交 流电流信号；图5C图示可以被用来分析电功率电流上存在的串联电弧故障 活动的存在的过零屏蔽信号；图6A图示根据公开实施例生成的与示例串联电弧故障条件关 联的示例RSS1信号；图6B图示为了补偿在过零区内已经净皮检测的活动而已经,皮校 正的图6A的RSSI信号；图6C图示以图6B的校正RSSI信号的分析为基础的故障计数 值的示例状态；图7A图示根据公开实施例生成的与示例有害信号关联的示例 RSSI信号；图7B图示为了补偿在过零区内已经被检测的活动而已经被校 正的图7A的RSSI信号；图7C图示以图7B的校正RSSI信号的分析为基础的故障计数 值的示例状态；13图8A图示根据公开实施例生成的与示例有害信号关联的另一 示例RSSI信号；图8B图示为了补偿在过零区内已经被检测的活动而已经被校 正的图8A的RSSI信号；图8C图示根据公开实施例生成的图8B的RSSI信号的一阶导数；图8D图示与公开实施例一致按照导数斜率分析技术以RSSI 信号的分析为基础的故障计数值的示例状态；图9提供描绘与用于测试图1的设备的过程关联的一种示例方 法的流程图；图IO提供描绘与用于测试图1的设备的过程关联的另一示例 方法的流程图；图11提供根据本发明另一实施例的组合电弧故障电路断续器/ 接地故障电路断续器设备的示意表示；图12示出对其中可能出现或者可能不出现跳闸的多个区域进 行限定的多个电流持续时间比对电流量值曲线；图13是图11中所示的断续器设备的一般框图；以及图14是图示由图13中所示的处理资源实施的算法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照在附图中被图示其例子的本公开内容的示例 实施例。只要有可能，相同附图标记将在整个附图中用来指代相同 或者相似部分。图1提供示例电弧故障电路中断(AFCI)设备100的图。这 一设备可以适于在任何住宅和/或商用电力系统环境中使用并且可 以被配置成检测在与电力系统关联的功率电路上可能存在的包括 线路故障(即线路之间的并联型燃弧)和接触故障(即由于导体中 的电气不连续性所导致的同一线路上的串联型燃弧)的电弧故障。 i殳备100也可以净皮配置成检测在配电电路上出现的或者与配电电 路关联的接地故障。设想设备100可以包括用于实施如下过程的一 个或者多个电路和子系统，该过程用以检测串联和并联电弧故障、 接地故障和/或热线与零线之间的差分故障。如图1中所示，设备100可以包括用于包括故障检测电路和子 系统的壳体101 、用于使电路中断设备跳闸和/或重置的致动器102、 用于手动地启动自测试过程的按钮103和用于输出与设备100关联 的状态、健康和/或故障信息的显示器104。设想设备100可以包括 除了上面列出的单元之外的附加、不同和/或更少单元。例如，设 备10可以包括适于将电子设备(例如用于下栽故障信息的诊断工 具)通信耦合到设备100的故障检测电路和子系统的接口 (未示 出)。这一接口可以包括适于将信息从一个电子系统传送到另一电 子系统的任一类型的电子接口，诸如例如串行总线、并行总线、 USB或者火线接口或者任何其它类型的适当通信接口 。这一接口 可以有助于向设备100上传信息(例如故障事件数据、自测试数据、 软件和/或固件升级、软件例程等)和从设备100下载该信息。显示器104可以包括适于提供与设备100关联的状态和/或操 作信息的一个或者多个可视、音频或者视听设备。根据一个实施例， 显示器104可以包括耦合到与设备100的一个或者多个电路和子系 统关联的LED的一个或者多个光波导105。光波导105可以包括电介质材料并且可以适于将壳体100内的 一个或者多个器件生成的LED信号路由到壳体100的表面用于向 外部用户显示。通过利用电介质光波导(而不是将LED直接地带 到设备壳体的表面)，与设备100关联的电气子系统和电路可与用 户电隔离，由此限制电荷在设备100的内部电子器件与用户之间的 转移。如图1中所示，可以用可以适合于将内部LED生成的光路 由到壳体100的表面的任何数目的形状和尺寸来配置光波导。因 而，图1中所示的显示设备的数目仅为示例而并不旨在进行限制。进一步设想设备104可以实施与图1中所示的那些显示技术不 同的显示技术。例如，显示器104可以实施适于生成用于显示与设 备100关联的信息的多个不同编码标记的数字、文字数字和/或符 号LED显示器。与显示器104关联的LED可以适于显示由设备100生成的任 一类型的信息。例如，LED可以在一个或者多个自测试过程和微 处理器测试的每次迭代完成时显示周期性心跳信号。通过以这一方 式提供状态信号，LED可以显示设备在根据预定规范起作用的"实时"指示。另外，LED可以被配置成在已经登记故障之后(在电力 恢复之后)设备重置时显示最后已知故障条件，由此向用户提供与 检测到的故障的类型(串联电弧故障、并联电弧故障等)——无论 该故障是否归因于失败的测试过程——对应的预定代码或者与设 备100的状态有关的任何其它类型的信息。设备100可以电耦合到配电电路并且被配置成监视与电路关 联的功率信号。术语功率信号在这里使用时指代在电路上可能存在的任一类型的信号。功率信号可以包括低频和高频信号。低频信号流电流信号、直流功率信号或者其它类型的低频信号。高频信号的 非限制性例子包括住宅警报系统信号；卫星或者广播(UHF、 VHF、 AM、 FM等)媒体信号；通信信号；装置噪声；射频、微波和毫 米波信号。 一般而言，出于本公开内容的目的，高频信号指代至少 一个频率分量大于lMHz的任何窄带或者宽带信号。图2提供图示与设备100关联的示例电路和子系统配置的示意 图。如说明的那样，设备100可以包括用于监视电信号、识别与电 信号关联的故障条件、致动电路中断设备以减轻故障条件的影响以 及执行一个或者多个自监视功能以保证设备100的适当操作的一 个或者多个电路和子系统。根据一个示例实施例，设备100可以包 括耦合到微处理器150的一个或者多个专用集成电路(ASIC)llO。 设想附加、更少和/或不同部件可以与设备100关联。例如，虽然 可以关于组合ASIC/微处理器系统来描述示例实施例，但是本领域 技术人员将认识到可以完全地在基于微处理器的系统中执行某些 过程和方法而无需ASIC电路。然而应当注意不同配置可能不具备 由ASIC/微处理器组合系统实现的成本益处。另外，通过包括多个 处理设备(例如ASIC和微处理器)，系统可以支持在电路中断设 备中可能特别有利的冗余安全特征。另外，多个处理单元可以提供 一个或者多个测试特征，其中一个或者多个处理单元可以适于测试 一个或者多个其它处理单元，从而提供在仅利用单个处理设备的检 测方案中可能不可用的测试冗余层。ASIC 110可以包括用于执行与设备100关联的异步(独立于 时间的)操作的一个或者多个设备。例如，ASIC 110可以包括用16于预备或者调节信息以供微处理器150进行同步(依赖于时间的) 分析的设备。ASIC 110此外还可以包括射频前端系统120、交流电 流调节系统130、模拟处理逻辑131、并联电弧故障检测系统132、 接地故障检测系统134、差分故障检测系统136以及用于监视微处 理器150的健康和/或状态的系统138。 ASIC IIO也可以包括适于 测试设备100的一个或者多个部分的一个或者多个电路或者系统， 该一个或者多个部分例如包括射频噪声生成器140、交流测试信号 振荡器142、接地故障振荡器144以及用于校正和处理测试信号的 逻辑系统146。 ASIC IIO可以通信耦合到各自可以适于监视和提取 从一个或者多个电功率电路收集的功率信号的特定部分的射频耦 合器107和交流电流传感器109。 ASIC 110也可以通信耦合到微处 理器150并且适于与微处理器150进行数据通信以有助于执行根据 这里描述的方法与故障检测关联的过程和功能。射频耦合器107可以包括用于收集与功率电路关联的高频数 据的一个或者多个器件。射频耦合器107可以包括用来从交流电力 线收集高频信号的高频耦合变压器。替代地，射频耦合器107可以 包括收集和分发从信号源收集的射频信号的射频传感器或者变压 器。根据一个示例实施例，射频耦合器107可以包括E芯或者环 状(toroidal)形状的铁素体射频传感器。设想射频耦合器107可 以包括允许高频信号通过而拒绝低频信号的直流阻塞电容器或者 高通滤波器器件。另外，设想虽然某些示例实施例将信号描述为"射 频"，但是这一术语可以包括其它类型的高频(>lMHz)信号，诸 如例如UHF、 VHF、 AM、 FM、微波、毫米波或者任何其它类型 的高频信号。交流电流传感器109可以包括适于监视向与配电电路关联的 负载供应的交流电流的一个或者多个器件。交流电流传感器109 可以包括配置成生成与向功率电流的一个或者多个分支递送的负 栽电流成比例的代表信号的一个或者多个监视器件。交流电流传感 器109可以包括耦合到电力线的变压器。替代地或者附加地，交流 电流传感器109可以包括与负载串联的具有已知阻抗的金属带，该 金属带提供表明行进通过线路的电流的输出信号。可选地，交流电 流传感器109可以包括适于基于负载线路的监视温度来调节输出信号的温度传感器或者其它温度补偿器件(未示出)。射频前端系统102可以包括适于区分窄带射频信号和宽带射 频信号的任一类型的接收器。射频前端系统102可以例如包括适于 接收射频信号并且识别射频信号在特定感兴趣频率处的镨分量的 外差或者超外差接收器。这可以通过将接收的射频信号与预定频率 (LO频率)混合以识别包括基本上在中频(即差频)处的分量的 一个或者多个信号来实现。为了识别可在不同射频频率处具有谱内 容的信号，可以扫描LO频率，由此再现射频信号在固定中频处的 谱内容。射频前端系统102可以消除、过滤和/或拒绝射频信号在中频 以外的任何部分。作为结果，射频前端系统120可以取消基本上不 是宽带的信号。射频前端系统120可以被配置成输出表明剩余宽带 信号内容(即在中频处剩余的宽带信号)的功率的接收信号强度指 示(RSSI)信号。在通过引用而整体结合于此、于1998年3月17 日授予Blades的美国专利第5，729，145号中描述了 一种示例射频前 端系统。交流电流调节系统130可以包括适于生成如下信号的一个或 者多个设备，该信号表明与配电系统的分支关联的负载电流。例如， 交流电流调节系统130可以包括适于生成与低频负载电流成比例 的代表信号的传感器或者变压器。还设想，作为与设备100关联的 自测试过程的部分，交流电流调节系统130可以适于接收表明仿真 负载电流的一个或者多个测试信号。模拟处理逻辑131可以包括被配置成分析由射频前端系统120 和交流电流信号调节系统130提供的信号的一个或者多个逻辑器 件。基于信号分析，模拟处理逻辑131可以生成适合于由微处理器 150进行串联电弧故障分析的数字信号。根据一个实施例，模拟处理逻辑131可以适于监视由射频前端 系统120输出的RSSI信号并且基于RSSI信号来建立用于在针对 串联电弧故障检测的RSSI信号分析过程中使用的高阈值和低阈 值。模拟处理逻辑131可以被配置成关于高阈值和低阈值中的每一 个来识别RSSI信号的量值。例如，模拟处理逻辑131可以随后确 定RSSI信号的量值何时在低阈值和高阈值电平以下、但是在最小18动态范围电平以上。类似地，模拟处理逻辑可以被配置成确定RSSI 信号的量值何时在低阈值电平以上、但是小于高阈值。此外，模拟 处理逻辑131可以确定RSSI信号的量值何时在高阈值以上。最后， 模拟处理逻辑131可以确定RSSI信号的量值何时小于最小动态范 围电平，这表明RSSI电平过低而无法在模拟处理逻辑131的一个 或者多个部件的灵敏度范围内可靠地加以检测。模拟处理逻辑131;给微处理器150。
無。'、 一i。"' — ^。此外，模拟处理逻辑131也可以被配置成计算RSSI信号的一 阶导数并且分析RSSI信号的一阶导数以确定信号的量值是否表现 出与串联电弧故障关联的时间变化率特征。根据一个实施例，模拟 处理逻辑131可以通过使用最小平方拟合近似估计RSSI的斜率来 估计RSSI信号的一阶导数。模拟处理逻辑131然后可以确定对于满足表明串联电弧故障条件的斜率参考和/或斜率阈值电平。如果 满足一个或者多个上述条件，则模拟处理逻辑131可以将信号提供 给微处理器50以供进一步故障分析。模拟处理逻辑131也可以适于监视交流负载电流并且提供用 于跟踪与负载电流关联的过零的信号。例如，模拟处理逻辑131 可以基于交流负载电流来生成过零屏蔽信号。模拟处理逻辑131 可以分析代表来自线路的交流负载电流的信号以生成描绘"过零以 内(inside zero-crossing )，，区和"过零以夕卜(outside zero-crossing)" 区的方波屏蔽信号。屏蔽信号在正弦交流信号从正幅度到负幅度的 转变过程中被赋以低逻辑状态(例如逻辑"0")。类似地，屏蔽信 号在交流负载电流离开这一区域时被赋以高逻辑状态(例如逻辑 "1")。过零区可以被限定为在交流负载电流值为0的时间周围的 时间界限区(或者以该时间为参考)。由于并联燃弧的特征一般可以是负栽电流中断、继而是线路电 流的骤然和急剧增加，所以并联电弧故障检测系统132可以适于识 别配电电路上的这些特征。另外，由于这些类型的故障经常归因于 邻近导体(与直接线路接触对比)之间的随机电燃弧，所以它们的 持续时间可以充分地短以便禁止常规电路断路器技术对它们的识别。因而，需要快速地识别和减轻这些类型^电弧以便防止持续燃 弧。因而，并联电弧故障检测系统132可以被配置成检测与零线或 者地线故障关联的电弧，这些故障通常持续时间足够短以免使常规 电路断路器跳闸。并联电弧故障检测系统可以适于检测电流幅度的 迅速增加并且在检测该条件的少数半周期内跳闸。并联电弧故障检 测系统132此外还可以包括交流电流调节电路(未示出)、温度传 感器或者温度补偿器件(未示出)、阈值电平控制电路(未示出)、 电弧故障鉴别电路(未示出)、大信号事件检测器(未示出)和差 分故障电平鉴别电路(未示出)。交流电流调节电路可以包括放大器和净皮配置成预备交流电流 以供并联电弧故障检测系统132进行半波分析的全波整流电路。温度传感器(或者温度补偿器件)和阈值电平控制电流可以配 合以基于线路的温度来调整一个或者多个阈值电平。本领域技术人 员将认识到由于电阻率随着导体的温度增加而增加，所以电流传感 器所检测的电流可能低于流过导体的实际电流(因为传感器向"标 称"条件的校准)。因而，阈值电平控制电路可以自动地调整并联 阈值跳闸电平以补偿由温度传感器确定的线路温度。电弧故障鉴别电路、大信号事件检测器和差分故障电平鉴别电 路可以配合以提供如下自适应系统，该系统监-见线路电流并且确定 该电流是否超过跳闸阈值预定量的时间(这可以基于电流电平来建 立)。如果电流超过跳闸阈值电平预定时间段，则可以生成跳闸信 号并且发送该跳闸信号给微处理器150，从而影响电路中的中断。 如果随后重置电路断续器，则将在LED器件上显示故障条件类型 而不影响设备的正常操作。替代地，如果电流超过跳闸阈值、但是没有将电流电平维持为 了启动跳闸事件而需要的持续时间，则可以记录该事件。如果该事 件持续，则可以调整一个或者多个阈值电平以降低为了提示电路中 的中断而需要的阈值。可以提供状态指示以向用户通知潜在棘手的 条件可能存在于电路上，尽管可能尚未满足故障条件。接地故障检测系统134可以包括接地的中性发送器传感器和 接地故障接收器传感器。这些传感器可以是监视线路和中性导体的环状型电流感测器件。接地的中性故障条件形成穿过接地的中性螺 旋管的磁路。这允许接地的中性螺旋管在线路和中性导体上感生振 荡波。然而，感生电流由于接地的中性故障路径而仅能在中性导线 中流动。差分接地故障螺旋管感测线路与中性导线之间的电流失 衡。响应于这一电流失衡，可以将接地故障跳闸信号提供给断路器跳闸电路(例如SCR驱动器)。在图2A中图示了接地故障检测系 统的示例实施例。差分故障检测系统136可以适于监视主线路与中性线路之间 的净电流并且比较净电流与交流负载电流信号。如果该比较表明净 线路电流与中性电流之差与负载电流的不一致为预定可接受量(这 可以表明配电系统中的电流泄漏)，则可以检测差分故障并且可以 生成跳闸信号。本领域技术人员将认识到接地故障检测系统和差分故障检测 系统能够被组合于单个单元中。替代地，在用户不要求或者不希望 接地故障保护的某些情形中，可以(例如经由选择器开关(未示出)) 将接地故障保护系统134断开或者禁用。健康监视系统138可以实施适于定期地从微处理器150接收状 态指示并且如果状态指示与预定状态不一致则生成响应的任何设 备。状态指示可以例如包括微处理器以预定间隔提供的心跳信号。 各心跳信号可以表明与微处理器150关联的系统已经"登记"并且 完全运转。如果状态指示被延迟或者没有根据预定时间表由系统 138接收，则系统138可以重置微处理器150。如果该问题持续， 则系统138可以生成跳闸信号并且记录表明存在潜在微处理器错 误的故障代码。微处理器150可以包括适于接收与由ASIC IIO执行的高频和 低频分析关联的处理数据信号并且分析数据以识别一个或者多个 串联电弧故障条件的存在。如图2中所示，微处理器150可以包括 串联电弧故障检测系统151、过零(ZC)屏蔽去除抖动电路152、 ASIC测试监视器电路153和LED逻辑电路154。串联电弧故障检测系统151可以适于从ASIC IIO接收多个数 字信号并且分析这些信号以确定线路中串联电弧故障的存在。根据 一个示例实施例，串联电弧故障检测系统151可以比较所接收的信号与表明与负载电流对应的方波的屏蔽信号。基于该比较，串联电
弧故障检测系统151可以识别和过滤(或者以别的方式取消)与串 联电弧故障信号不对应的信号。一旦已经隔离潜在串联电弧故障信 号，串联电弧故障检测系统151可以利用加权计数函数以从宽带噪 声信号之中识别串联电弧故障。
ZC屏蔽去除抖动电路152可以适于从ASIC 110接收ZC屏蔽 信号并且过滤或者平滑与屏蔽信号关联的噪声。例如，ZC屏蔽去 除抖动电路152可以包括用于从屏蔽信号中去除多余和/或异常频 率分量的一个或者多个滤波器。替代地和/或附加地，ZC屏蔽去除 抖动电路152可以包括适于去除可能已经被注入到信号中的任何 电"抖动"或者噪声的指数平滑器或者平均算法。除了上面列出的那
声和/或平滑该屏蔽信号。
ASIC测试监视器153可以被配置成启动、监视和记录与微处 理器150进行的ASIC测试关联的结果。例如，微处理器150可以 进行ASIC IIO测试以确定ASIC IIO是否在根据预定系统参数来操 作。ASIC测试监视器153也可以适于监3见和记录测试结果、启动 ASIC测试并且在测试在进行中时暂时地阻止与设备100关联的电 弧故障检测操作(以防止设备由于测试序列而跳闸)。
LED逻辑154可以包括用于显示与设备110关联的状态代码的 一个或者多个器件。设想虽然某些实施例将输出逻辑图示为基于 LED的编码系统，但是可以实施附加和/或不同的状态通知方法， 诸如例如音频和/或音频和视觉通知信号的组合。如说明的那样， 显示器104可以净皮配置成将LED逻辑154生成的信号路由到与设 备100关联的壳体110的表面。
微处理器150可以包括用于存储与设备100关联的信息的一个 或者多个存储器器件。存储器器件可以包括适合于存储与设备IOO 的操作关联的数据的任一类型的存储器器件。例如，微处理器150 可以包括用于存储表明设备100的状态的数据的一个或者多个数 据寄存器。根据一个实施例，微处理器150可以适于在检测到故障 的情况下瞬时存储与故障有关的信息。由于微处理器150可以在与 设备100关联的致动器为了中断电路而需要的时间(通常以毫秒计)期间以微秒方式存储状态信息，所以本领域技术人员将认识到
微处理器150可以在跳闸之时存储状态信息而无需不必要地延迟 跳闸条件以存储信息。
根据一个示例实施例，微处理器150可以包括用于存储故障代 码和/或设备状态信息的一个或者多个闪存器件(未示出)。闪存 器件可以将信息存储预定时间段(例如30天、60天等)或者直至 设备被重置，这二者之中取较迟者。 一旦向设备恢复电力，微处理 器150可以经由显示器104显示信息。替代地或者附加地，微处理 器150可以由电池或者其它备用电源併电。因而，微处理器50即
的故障代码。
SCR驱动器160可以被配置成检测一个或者多个跳闸信号的 存在并且致动切换器件以中断电源与负载之间的电路连接。例如， SCR驱动器160可以通信耦合到串联电弧故障检测系统151、并联 电弧故障检测系统132、接地故障检测系统134、差分故障检测系 统136、健康监视系统146和/或孩i处理器150中的每一个。SCR 驱动器可以检测来自这些系统中的每 一 个系统的故障信号并且操 作中断电源与负载之间的电路连接的开关，由此减轻故障和与故障 相似的条件。
与7>开实施例一致的过程和方法提供一种可以识别配电系统 中存在的电弧故障而又使与非常类似于电弧故障条件的信号关联 的有害跳闸最少化的电弧故障电路中断设备。这些过程可以包括用 于建立电弧故障计数系统的方法，由此监视所接收的信号并且比较 该信号与理想电弧故障信号(例如屏蔽信号)。故障计数系统可以
在理想信号与所接收的信号之间的强相关时段期间递增并且可以 在低相关时段期间递减。如果故障计数水平超过预定故障阈值，则 可以生成跳闸信号。
图3提供图示根据某些公开实施例与设备100关联的示例操作 方法的流程图300。如图3中所示，设备100可以监3见与设备100 可以连接的功率电路关联的电力线信号(步骤310)。
设备100可以分离受监视的电力线信号的高频和低频分量(步 骤320)。例如，设备IOO可以包括电耦合到电力线的高通和低通
23滤波器。可以选择截止频率明显高于60Hz(例如lMHz)的高通 滤波器，而可以选择截止频率略高于60Hz(例如90Hz)的低通滤 波器。低通信号可以被传递到设备100中适于确定并联电弧故障条 件的存在的一部分(步骤325)。
设备100可以分析高频信号、识别和拒绝高频信号的为窄带的 一个或者多个部分并且生成接收信号强度指示(RSSI)信号(步 骤330)。例如，如说明的那样，射频前端120可以包括适于将窄 带信号调谐到中频的外差接收器。可以通过在一个或者多个离散频 率处的明显镨能量而在那些离散频率以外有很少或者没有频率分 量来识别窄带信号。因而，这些窄带信号可以由设备IOO拒绝，从 而仅允许宽带信号通过以供进一步分析。这些宽带信号可以包括高 频信号的如下部分，这些部分包含与串联电弧故障的i普内容相似的 谱内容。
设备100可以适于基于RSSI信号幅度来生成与生成的各RSSI 信号关联的高阈值和低阈值电平。例如，设备IOO可以在RSSI信 号的量值的低百分比(例如25% )处建立低阈值电平。这一低阈 值电平可以被确定为适合于区分与非燃弧或有害信号关联的大的 倾角(dip)和与电弧故障信号关联的随机扰动的最优电平。根据 一个示例实施例，可以在相应RSSI信号的约25%处建立低阈值电 平。
类似地，设备10可以在RSSI信号的量值的一个百分比(例如 62.5% )处建立高阈值电平。这一高阈值电平可以被确定为适合于 区分与非燃弧或者有害信号关联的相对小的倾角和与电弧故障信 号关联的随机扰动的最优电平。然而，可以建立高阈值以区分可能 在量值上足够小以至于不"触发"低阈值电平的RSSI信号变化。
设备100可以基于电力线信号的低频分量来生成屏蔽信号(步 骤340 )。屏蔽信号可以例如包括与负载电流信号对应的方波信号， 其中信号在过零的预定范围内的部分被赋以屏蔽值逻辑"O"，而信 号在过零的预定范围以外的部分可以被赋以屏蔽值逻辑"l"。如本 领域技术人员将认识到的那样，所得到的屏蔽信号将包括与负载电 流对应的整流方波。与屏蔽值关联的过零区可以被用来拒绝有害信 号，因为实际的电弧故障与电路的基频(例如60Hz)同步。因此，
24在过零区内具有大量谱内容的信号与基频异步并且可能作为潜在 电弧故障活动纟皮取消。
设备100可以比较RSSI信号和在屏蔽信号的过零"以外"区域 (即屏蔽信号与逻辑"l"关联的部分)内的一个或者多个阁值电平。 在RSSI信号超过低阈值电平(步骤350:是)时，设备100可以 按照第一计数速率来递增与微处理器150关联的故障计数值(步骤 352 )。如果存储于故障计数器中的故障计数值超过预定故障限制 (步骤354:是)，则可以生成用以致动电路中断设备的跳闸信号 (步骤356)。替代地，如果故障计数值没有超过故障限制(步骤 354:否)，则设备100可以返回到步骤310并且继续监视配电电 路。
在RSSI信号小于低阈值(步骤360:是)时，设备100可以 按照第一计数速率来递减与微处理器150关联的故障计数器(步骤 362)。
除了监视RSSI信号的量值在最小阈值以上的时间之外，微处 理器150还可以监视RSSI信号的量值穿越高阈值和低阈值的次 数。具体而言，微处理器150可以对RSSI阈值穿越(高阈值和低 阈值穿越中的任一个或者二者)计数并且如果一个或者多个阈值穿 越超过预定阈值穿越限制则重置故障计数器(步骤364)。
为了取消有害信号，设备IOO可以比较阈值穿越数目与高阈值 和低阈值穿越中的各穿越的预定穿越限制。如果高阈值穿越数目超 过高阈值穿越数目的限制，则设备IOO可以将故障计数器重置为默 认值(例如零)。类似地，如果低阈值穿越数目超过低阈值穿越数 目的限制，则设备100可以将故障计数器重置为默认值。由于为了 穿越高阈值电平而需要的幅度波动明显小于为了穿越低阈值电平 而需要的幅度波动，所以与高阈值电平关联的穿越限制可以高于低 阈值电平的穿越限制。
通常，电弧故障信号的特征可以在于RSSI信号的幅度的迅速 极端变化。这些类型的信号可以有别于一般表现出更渐进和/或可 预测的行为的宽带噪声和其它有害信号。因而，可以通过分析斜率 (幅度在一个时间段内的变化率)并且比较所分析的斜率与预定斜 率阈值来识别和/或拒绝有害信号。图4提供流程图400，该流程示用于分析RSSI信号的斜率并且基于该分析来拒绝有害信号的 示例方法。
如图4中所示，处理器150可以从ASIC 110接收表明RSSI 信号的信号(步骤410)并且估计RSSI信号的斜率(步骤420)。 可以通过计算RSSI信号关于时间的一阶导数来估计斜率。替代地 和/或附加地，可以使用最小平方拟合方法或者某一其它斜率逼近 才支术来逼近斜率。
设备100可以利用"峰值保持，，函数以捕获RSSI斜率信号的峰 值(步骤430)。理想地，对于特定半周期而言与电弧故障信号关 联的峰值将出现在屏蔽信号的上升沿处或者附近。如果"峰值保持" 斜率信号低于斜率阈值(步骤440:是)(表明RSSI信号不可能 表明故障条件)，则微处理器150可以按照可以比在RSSI信号低 于低阈值时所利用的第一计数速率更大的笫二计数速率来递减故 障计数器，由此惩罚与电弧故障斜率特征不紧密相关的那些信号。 替代地，如果"峰值保持"信号在过零以外区域的开始处或者附近大 于斜率阈值(步骤440:否)，则微处理器150可以按照正常速率 (表明信号在该时间段与电弧故障条件相关)来递增故障计数器。
替代地和/或附加地，如果RSSI斜率仅在过零区以外(即不在 过零区处或者附近)大于斜率阈值(步骤450:是)，则微处理器 150可以将故障计数器重置为预定值(例如零)。由于串联电弧故 障通常在过零区处或者附近具有RSSI斜率峰值，所以在过零以外 区域中稍后检测到的以及在过零区处或者附近超过初始RSSI峰值 的RSSI斜率峰值可能表明有害信号。这样，微处理器150可以将 故障计数值归零，这实质上将信号作为非电弧信号来拒绝。
图5-7提供借助信号分析来图示与公开实施例 一致的示例过程 的图。例如，图5图示用于基于交流负载电流来生成屏蔽信号的示 例过程。作为参照，图5A图示示例理想交流负载信号。对照而言， 图5B图示半波整流的电弧故障耦合交流负载信号。如先前说明的 那样，这一信号可以由模拟处理逻辑131处理以产生特征在于相应 过零以内(对应于逻辑"O")和以外(对应于逻辑"l")区域的图 5C中所示的过零屏蔽信号。
图6图示与示例电弧故障信号关联的计数方法。首先，图6A图示由设备100的模拟处理逻辑131生成的RSSI信号。RSSI信号
外区域中的幅度来校正的直流偏移。在图6B中图示了所得到底"直 流偏移校正"RSSI信号。
一旦已经校正RSSI信号，可以比较该信号与低阈值电平，这 样的比较的结果可以由故障计数器记录。在图6C中图示了与图6B 的分析关联的故障计数器的状态。例如，在RSSI信号的峰值幅度 超过低阈值电平之时，可以递增故障计数器。类似地，在RSSI信 号的峰值幅度低于低阈值电平之时，可以递减故障计数器。当故障 计数器达到故障电平阈值时，与在RSSI信号帧的笫五个半周期中 一样，可以生成跳闸信号，由此启动故障序列。应当注意在某些情 形中可以调整(例如加权)故障计数递增和/或递减的速率以给予 优先或者更严厉地惩罚某些条件。因此，如果RSSI在过零区的上 升沿处在幅度上没有增加(表明信号不是串联电弧故障的可能性增 加)，则故障计数器可以以正常速率的两倍来递减。
图7A-7C图示当前公开的计数方法恰当地鉴别有害信号的示 例情形。图7A图示根据公开实施例由模拟处理逻辑131生成的 RSSI。可以使用上述的直流偏移和/或屏蔽信号跟踪特征来校正 RSSI信号。在图7B中图示了所得到的直流偏移校正信号。
图7C图示以图7B的校正RSSI信号的分析为基础的故障计数 值的示例状态。这一例子包括多个条件，这些条件表明受监视的信 号不构成电弧故障信号。例如，在分析图7B的第一个半周期时， 微处理器150在RSSI信号的量值超过低阈值时恰当地递增计时 器。在第一个半周期中间，微处理器150与RSSI的量值暂时下降 到低阈值电平以下对应地递减故障计数器。当RSSI信号的量值返 回到低阈值以上时，微处理器150如预期的那样开始递增故障计数 器。此后不久，微处理器将故障计数器的值重置为零，这对应于(在 这一实施例中)超过在微处理器150中设置的高阈值穿越限制的 RSSI信号的量值第10次(the 10.sup.th )穿越高阈值。
现在移动到图7B的笫二个半周期，微处理器150恰当地与具 有低阈值的RSSI信号的量值的状态对应地递增和递减故障计数 器。不同于信号的与第一个半周期关联的部分，RSSI信号的量值
27仅两次穿越高阈值(和低阈值)，这明显少于为了重置故障计数值 而需要的十次阈值穿越。
现在移动到笫三个半周期，由于RSSI的量值无法在过零过程 中明显超过高阈值电平，所以微处理器150将信号正确地识别为基 本上不符合，因为串联电弧故障信号的有力特征在于它们在过零区 处或者附近在射频能量上迅速增加。因而，微处理器150以增加的 计数速率来递减故障计数值，从而因无法满足串联电弧故障的这一 特征而另外惩罚这一信号。对于半周期的剩余部分，微处理器150 基于高阈值和低阈值穿越如预期的那样递增和递减故障计数值。
继续图7B的RSSI信号的第四个半周期的分析，由于先于第 四个半周期的过零区在过零区以内包括大量射频能量(见图7A)， 这表明异步(有害型)活动补充第四过零区内的RSSI信号的可能 性高。因而，当生成图7B的校正RSSI信号时，从过零区以外的 校正RSSI信号去除过零区以内的"噪声，，的量值。为半周期的这一 部分重新计算阚值电平。如图7C中所示，当RSSI信号的量值超 过低阈值电平时，微处理器150最初正确地递增故障计数值。然而， 一旦信号降至最小动态范围参考以下(尽管大于低阈值电平)，微 处理器150递减故障计数值，因为高阈值小于最小动态范围的RSSI 信号表明非电弧故障型活动。
现在移动到第五次半穿越，微处理器150恰当地递增和递减与 RSSI信号的量值较低阈值而言的状态一致的故障计数值。朝向半 穿越的中间，微处理器将故障计数器的值重置为零，这对应于与在 微处理器150中设置的低阈值穿越限制对应的RSSI信号的量值第 6次穿越低阈值。因而，在第五个半周期过程中的每个后续低阈值 穿越重置故障计数值。
除了通过监视RSSI信号来确定串联电弧故障的存在之外，设 备100还可以被配置成监视RSSI信号的一阶导数以进一步辅助区 分串联电弧故障条件和有害信号。
图8A-8D图示RSSI信号的斜率可以进一步辅助区分串联电弧 故障和有害信号的示例场景。图8A图示根据公开实施例由模拟处 理逻辑131生成的RSSI。可以使用上述的直流偏移和/或屏蔽信号 跟踪特征来校正RSSI信号。在图8B中图示了所得到的直流偏移校正信号。
图8C图示如微处理器150使用8个样本最小平方拟合逼近来 确定的RSSI信号的斜率。峰值保持函数也可以净皮用来确定与在研 究之中的特定半周期关联的斜率参考水平。
如结合图7A-7C的分析所述，微处理器150可以首先分析RSSI 信号以基于与低阈值比较的RSSI信号的量值来确定递增还是递减 故障计数器。作为第二措施，微处理器150然后可以分析RSSI信 号的斜率以确定为了"校正"RSSI信号的分析而可能需要的任何附 加动作。这样做的一个原因在于串联电弧故障活动一般被表征为在 过零区处(或者基本上附近)在半周期内具有最大时间变化率。因 而，RSSI信号的斜率可以提供一种用于识别RSSI信号的幅度的最 大时间变化率的简单方法。如果RSSI信号的幅度的时间变化率在 过零区处或者附近在特定半周期内不是最大值，则可以递减故障计 数值。
例如，如图8D中所示，在分析RSSI信号的第一个半周期时， 微处理器150可以恰当地递增故障计数值，因为RSSI信号的量值 在低阈值以上并且RSSI信号的初始斜率处于初始最大值。然而， 随后重置故障计数值，因为RSSI的斜率基本上迟于过零区为最大 值。与先前说明的原理一致，；織处理器150可以此后继续递增和递 减故障计数值。例如稍后在笫一个半周期中当RSSI信号的量值超 过高阈值穿越限制时重置故障计数值。
现在移动到第二个半周期，微处理器150可以最初递增故障计 数器，因为RSSI信号的量值在低阈值以上。然而，与第一个半周 期相似，斜率阈值的峰值在过零区之后的某一时间处于最大值。因 此，在检测到延迟的最大值时，微处理器150可以重置故障计数值。 此后，与RSSI信号的分析一致、微处理器150可以递增和递减故 障计数值。
除了关于过零区来分析RSSI信号的斜率的最大值或者"峰值 保持，，值的定时之外，微处理器150还可以被配置成分析"峰值保 持，，信号的量值。例如，如图8C的第三个半周期中所示，RSSI信 号的斜率的量值从未达到最小斜率参考阈值水平。作为结果，可以 递减故障计数值直至RSSI的斜率的量值达到最小阈值。在图8C中所示的示例实施例中，"峰值保持，，信号的量值在第四个半周期的
中间达到最小斜率参考阈值信号。因而，由于RSSI电平在低阈值 电平以上并且"峰值保持"信号的量值超过最小斜率参考阈值，所以 与公开实施例一致，微处理器150可以继续递增故障计数值。
现在移动到第五个半周期，由于RSSI信号的初始值在低阈值 电平以上并且由于RSSI信号的斜率的初始量值处于初始最大值， 所以微处理器150最初递增故障计数值。然而，由于基本上在过零 区的上升沿之后检测到后续斜率最大值，所以微处理器150重置故 障计数值。与公开实施例一致，微处理器150继续分析RSSI信号 并且此后递增和递减RSSI信号。例如，在响应于RSSI信号的斜 率来重置故障计数器之后，微处理器150递增故障计数值，因为 RSSI信号的量值超过低阈值电平。然而，微处理器150随后响应 于检测到第六个(和每个后续)低阈值穿越来重置故障计数值。
与>^开实施例一致的过程和方法提供一种用于测试ASIC 110 和微处理器150的状态以保证各系统在根据某些预定规范来操作 的自监视系统。图9提供描绘由处理器150执行和由ASIC 110分 析的示例自测试方法。
处理器150可以通过轮询处理器150的一个或者多个设备或者 子系统来执行自检(步骤910)。根据一个示例实施例，这一自检 可以由处理器150自动地启动以定期地验证处理器部件的适当操 作。替代地，可以通过用户提供的测试请求(例如通过按压与设备 IOO关联的"推送测试(push-to-test)"按钮)来启动这一检验。
在测试过程中，处理器可以主动地通过执行测试软件例程或者 被动地通过轮询设备并且从设备接收状态指示来测试处理器150 的每个i殳备。例如，处理器150可以执行RAM检验以保证RAM 模块、CRC或者校验和例程的适当操作以检测与处理器150关联 的数据传输和存储的错误，和/或执行看门狗计时器以检测与处理 器150关联的定序错误。处理器150可以针对每个设备来比较测试 数据和预定操作规范并且确定设备是否在这些规范的可接受容差 内操作(步骤920)。如果设备在预定义规范内操作(步骤920: 是)，则处理器150可以将状态确认信号(例如"心跳"信号)提供 给ASIC 110的处理器健康监3见器138 (步骤930)。此外，可以在与设备100关联的显示器104上显示"心跳"信号以向用户通知处理 器在适当地操作(步骤935)。
ASIC 110的处理器健康监视器130可以确定是否在适当时间 间隔内接收了心跳信号(步骤940)。例如，处理器150可以在开 始自检过程时将自检启动信号提供给ASIC 110。 ASIC 110可以起 动对在测试启动与从处理器150接收心跳信号之间流逝的时间进 行记录的计时器。如果在预定可接受时间间隔内接收信号(步骤 940:是)，则将允许设备100继续正常操作。如果没有在适当量 的时间内接收信号(步骤940:否)或者如果处理器没有在预定义 规范内操作(步骤920:否)。相应地，ASIC 110可以重置和/或 重启处理器150以便努力緩解处理器的潜在问题(步骤942)。如 果处理器在重启之后响应并且适当地执行后续启动自检(步骤 944:是)，则设备100将继续正常操作。然而，如果处理器没有 在重启之后响应或者无法通过启动自检(步骤944:否)，则设备 IOO可以生成跳闸信号以致动电路中断设备(步骤946)。
利用对关键块(即ASIC和微处理器)中的每一个的恰当操作 和功能进行评估的补充装置，存在附加保护层，该保护层确保如 果微处理器150或者ASIC IIO有潜在故障，则设备具有使本身不 能得到保护的装置。
图IO提供描绘示例公开ASIC测试过程的流程图1000。微处 理器150可以自动地或者响应于用户提示的测试请求来启动ASIC 测试过程(步骤1010)。成功的用户提示的测试将导致跳闸信号 并且因此导致完全地测试提供GFCI和/或AFCI保护的电子器件的 所有方面。另一方面，如果测试过程提供失败结果，则微处理器 150启动的测试过程将仅导致跳闸信号。
如图10中所示，可以用级联(即顺序)方式执行测试过程。 例如，根据一个示例实施例，测试过程可以首先分析串联电弧故障 检测模块以测试与之关联的一个或者多个部件和子系统的恰当操 作。测试过程然后可以继续进行以分析并联电弧故障检测模块以测 试对并联电弧故障条件的恰当响应。测试过程随后可以继续进行以 分析差分和/或接地故障检测模块(并行或者串行)以保证对差分 和接地故障条件的恰当响应。
31作为为每个部件串行地执行测试过程的替代方案，微处理器
150可以适于并行地和/或相互分离地(例如以不同时间间隔)执行 这些过程中的每个过程。例如在自测试过程中，微处理器150可以 被配置成以预定时间间隔(例如每小时、每天、每周)来执行与每 个检测模块关联的测试过程。用于每个检测模块的时间间隔可以基 本上相似。替代地，时间间隔可以交错以减少可能与同时和/或顺 序地测试每个模块关联的任何处理负担。因此，图10中所示的测 试过程的定时和/或顺序仅为示例而并不旨在进行限制。
微处理器150可以提供测试命令信号以提示射频噪声生成器 140、测试信号振荡器142和GFCI激励振荡器144生成相应射频 信号、交流负载信号、接地故障和差分测试故障信号(步骤1020)。 响应于这一测试命令信号，射频噪声生成器140、测试信号振荡器 142和GFCI激励振荡器144中的每一个可以生成用于测试相应模 块的硬件和/或软件部件的测试信号。现在将详细描述用于串联电 弧故障检测模块、并联电弧故障检测模块以及差分和/或接地故障 检测模块中的每 一 个的测试过程。
响应于来自微处理器150的测试命令信号，射频噪声生成器 140可以生成用于测试串联电弧故障检测模块的操作的宽带噪声 信号。这一宽带噪声信号可以包括任何射频信号，该射频信号包括 用以测试每个串联电弧故障监视和分析功能的与实际串联电弧故 障信号的充分相似性、但是将无法满足为了触发故障条件的检测而 必需的所有分析要求。例如，宽带噪声信号可以配置有信号的充分 中断以在故障计数值达到阈值故障计数值之前重置故障计数值。
根据一个示例实施例，射频噪声生成器140可以被配置成生成 有害型信号，该信号虽然共有串联电弧信号的许多相同特征(例如 宽带信号特征、斜率特征、高幅度活动在过零处的瞬时急冲等)但 是可能包含太大数目的幅度中断(或者"间隙，，)而无法触发串联电 弧故障条件。尽管类似于燃弧条件的一些部分，但是宽带噪声信号 的特征可以有利地使得可以检测宽带噪声信号的在设备100邻近
的其它AFCI设备不会不必要地跳闸。这一有害信号可以例如包括 适于与宽带电力线(BPL)通信设备表现相似的信号。另外，这一 信号可以被选择以运用由设备100利用的多种分析技术，诸如例如故障计数值调整、加权阈值和故障计数速率的应用、阈值穿越数目 的计数、计数器递增和/或递减过程、斜率分析技术(例如峰值保 持、斜率计算等)以及串联电弧故障跳闸信号的生成。
响应于测试信号的生成，微处理器150可以;波配置成建立测试 故障计数值阈值。测试故障计数值阈值可以低于在设备的"正常" (即非测试)操作之中所使用的阈值故障计数值。由于射频测试信 号被专门地设计成不使在"正常，，操作之中的设备100跳闸，所以低 于阈值故障计数值的测试故障计数值阈值的建立可以1)提供充 足时间以确定串联电弧故障检测模块的部件和/或子系统是否在适 当地操作，而无需建立用于分析的预定时间窗(否则，微处理器 150可能不知道测试过程何时完成)；并且(2)提供一种用于保 证由微处理器150执行的阈值比较功能是否在恰当地工作的机制。
取代建立测试故障计数值阈值和/或除此之外，微处理器150 可以建立用于测试过程的成功完成的时间限制。这一 时间限制可以 被预定或者可以被建立为充分地长足以确定串联电弧故障检测模 块的部件和/或子系统是否在适当地操作，而无需设备在进行测试 之时过久地放弃"正常"操作。根据一个示例实施例，这一时间段可 以对应于为了成功地识别串联电弧故障而通常需要的基本上相同 的时间(例如五(5)个功率信号半周期)。
在建立测试故障计数值和/或测试时间限制时，微处理器150 可以被配置成监视串联电弧故障检测模块的硬件和/或软件部件中 的每一个的响应以便保证对宽带噪声信号的恰当响应。根据一个实 施例，只有微处理器150知道设备IOO在测试之中。因此，微处理 器150被配置成确定设备100是否与在电路的正常操作过程中 一样
响应于宽带噪声信号。
根据一个实施例，微处理器150可以被配置成分析相对于高阈 值和低阈值限制的RSSI和斜率幅度数据并且比较这一数据与射频 噪声生成器140所生成的宽带噪声信号以确定串联电弧故障检测 模块的阈值分析功能是否在适当地操作。如果一个或者多个阈值分 析功能没有根据预定规范来操作，则微处理器150可以生成测试故 障失败信号。
微处理器150也可以被配置成基于从ASIC 110接收的RSSI幅度数据来确定高阈值和低阈值穿越计数器是否在恰当地工作。例
如，微处理器150可以保证各阈值穿越实例伴随有适当阈值计数器 的对应变化。如果一个或者多个阈值穿越计数器没有根据预定规范 来操作，则微处理器150可以生成测试故障失败信号。
微处理器150也可以被配置成确定ASIC IIO的斜率分析功能 是否在适当地操作。例如，如果在特定时钟脉冲过程中RSSI信号 的幅度从低幅度阈值以下穿越到高幅度阈值以上，则微处理器150 可以保证表明RSSI信号的斜率的急剧变化的这一变化伴随有 ASIC IIO提供的斜率值的对应变化。
微处理器150也可以被配置成分析对故障计数值的调整。例如， 除了监视ASIC IIO是否恰当地识别RSSI信号的幅度变化之外， 微处理器150也可以被配置成保证基于RSSI信号的幅度来恰当地 调整该故障计数值。例如，微处理器150可以监视故障计数器以保 证当RSSI信号的幅度在低幅度阈值以下时以适当权重因子来减少 故障计数值。
根据一个实施例，微处理器150必须在一个或者多个故障计数 值超过测试故障计数值阈值以及测试时间段到期之前在测试过程 中观测各分析特征的恰当功能。如果没有满足一个或者多个条件， 则微处理器150可以生成测试失败信号，该信号将测试失败条件存 储于存储器中(以供将来检索和显示)并且造成跳闸电路使设备 IOO跳闸。另一方面，如果微处理器150确定各分析特征在适当地 起作用，则微处理器150可以分析并联电弧故障、接地故障和差分 故障测试过程。
与射频噪声生成器相似，测试信号振荡器142可以生成表明并 联电弧故障条件的信号，而GFCI激励振荡器144可以生成分别表 明接地和差分故障的交流负栽信号。然而与射频测试信号对照，表 明并联电弧故障以及接地和差分故障条件的信号足以实际地使断 路器跳闸。因而，只要各模块在适当时间段内跳闸，微处理器150 就阻止由并联电弧故障和接地/差分故障检测模块生成的跳闸信号。
例如，微处理器150可以监视在生成用于分析并联电弧故障检 测模块132、接地故障检测模块134和差分故障检测模块136的各测试信号之间流逝的时间。响应于相应测试信号，各才莫块可以生成 跳闸信号。如果在生成测试信号与响应于测试信号来生成跳闸信号
之间流逝的时间少于阈值时间限制，则微处理器150阻止跳闸信号 (即不将跳闸信号递送到跳闸电路)。另一方面，如果流逝的时间 超过阈值时间限制，则微处理器15 0将跳闸信号传递到跳闸电路以 使设备跳闸。
在启动自测试时，处理器150可以等待来自与ASIC 110关联 的各故障检测子系统的响应。由于处理器150知道与ASIC 110关 联的各测试子系统在测试条件之下，所以处理器150可以验证各子 系统是否在与各相应测试信号的处理关联的适当方式响应。例如， 处理器150可以确定响应于并联电弧故障型信号，并联电弧故障 检测系统132在逼近故障检测阈值。类似地，处理器150可以确定 模拟处理逻辑131已经通过生成屏蔽信号、生成和分析RSSI并且 拒绝作为有害信号的通信信号来对射频测试信号中包含的宽带通 信信号适当地响应。
在步骤1030-1060中，处理器150可以等待各测试信号造成了 它们的相应检测子系统的适当响应这一确认。如果一个或者多个测 试信号无法适当地响应，则处理器150可以生成跳闸信号(步骤 1080)并且将测试失败指示提供给显示器104 (步骤1030-1060: 否)。如果所有子系统恰当地响应，则处理器150可以确定响应是 否在可接受时间段内被登记。如果没有在预定可接受时间间隔内接 收响应(步骤1060:否)，则处理器150可以生成跳闸信号。然 而，如果在可接受时间间隔内接收故障信号(步骤1070:是)， 则可以将测试通过通知提供给显示器104。在定期地和/或自动地执 行测试的实施例中，微处理器150可以以预定间隔来启动测试。
在设备跳闸之前，处理器150将确定跳闸条件。跳闸条件将针 对预定量的时间或者条件被存储于设备中。在重置和加电时，设备 将显示先前的跳闸条件。该指示在预定量的时间(例如5秒)内存 在。最后已知的跳闸条件的显示可以出现预定量的时间(例如设备 每次加电到接下来30天内显示最后已知的跳闸条件)。如果在这 一预定时段中出现新的故障条件，则将在下一加电过程中在预定量 的时间内存储和报告新的跳闸条件。根据一个示例实施例，对于自测试和用户启动的测试过程中的 每个过程，非燃弧信号可能在射频传感器的上游被注入，其中非燃 弧信号避免造成相邻断路器在它们接收所注入的测试信号时跳闸。
如果与设备100关联的串联电弧故障检测模块对激励恰当地做出
回应，则处理器将表明电弧的人为信号提供给并联电弧故障检测模 块。各种串联电弧故障、并联电弧故障和接地电弧故障检测模块被 布置成链并且将失败状态从一个模块传递到下一模块。自测试过程 在计时器到期之前验证各模块的积极健康条件、然后在出现跳闸条
件之前停止测试激励，由此防止设备100跳闸。对照而言，推送测
试过程在时间到期之前验证各模块的积极健康条件并且生成使设
备100跳闸的测试跳闸信号。然而在跳闸之前，处理器150将跳闸 条件存储为测试跳闸，表明跳闸归因于推送测试过程的成功完成
(与实际故障条件对比)。
作为自测试序列的替代实施例，测试信号振荡器142可以被实 施为直流源。 一旦已经启动自测试，射频耦合器107和射频前端 120由可以驻留于ASIC IIO或者微处理器150中的射频振荡器块 激励。该激励可以包含用低频分量调制的宽带高频分量。该激励可 以传播到模拟处理逻辑131，从而允许它的输出致使将由微处理器 150捕获的相符响应，该微处理器然后将激励提供到并联电弧故障 检测电路中。ASIC健康逻辑块检测并联电弧故障块的恰当功能并 且将激励(直流电流)发出到50/500mA差分故障检测块。ASIC 健康逻辑从差分故障检测块接收响应并且将激励(直流电流)发出 到5mA GFCI故障检测块，该GFCI故障检测块将激励(较高的直 流电流)立即发送到50/500mAGFCI，该GFCI将内部跳闸信号立 即发送回ASIC健康逻辑中。ASIC健康逻辑在它拉低自测试(微 处理器启动的测试过程)信号之时将内部跳闸信号延迟少量时间
(例如25微秒)并且在跳闸信号被发送到SCR驱动器之前停止微 处理器启动的测试过程。微处理器检测自测试信号线为低并且禁止 激励进入并联电弧故障检测块132中，这停止链激励序列去往电路 在测试之中的所有部分。也设想取代提供用于生成与并联、GFCI 和差分检测系统关联的测试信号的单独测试信号振荡器，射频前端 中使用的本地振荡器可以被用来生成用于这些系统的测试信号。
36此外，所实施的一些部件可以净皮合并或者集成以便减少部件或
者增加系统的效率。例如，设备IOO可以实施将例如测试信号振荡 器142和GFCI激励振荡器144的功能组合的单个振荡器块。
虽然将某些过程和方法描述为由ASIC 110或者微处理器150 之一执行，但是这些过程可以由ASIC 110和/或微处理器150中的 一个或者两个执行而不脱离本公开内容的范围。另外，设备100 可以包括各自适于执行与电弧故障检测关联的至少一个任务的多 个微处理器和/或ASIC电路。
本领域技术人员通过考虑这里>^开的本发明的说明书和实践 将清楚本发明的其它实施例。意图在于说明书和例子仅被视为示例 性的，而本发明的真实范围和精神由随后的权利要求指明。
参照图11，示出了根据本发明另一实施例的电路断路器设备 100，的示意图。除了没有使用双金属元件之外，电路断路器设备 100，在与在此在图2中所示的环境基本上相同的机电环境中操作。 电路断路器设备100，替代地使用时间/电流曲线(存储的数据)以 确定电路断路器应当何时跳闸。在一个优选实施例中，图11中所 示的电路断路器设备利用磁越控(override)系统1500以在过栽电 流超过10X断路器额定电流(安培)的情况下启动瞬时跳闸。这 样的过载电流由图12的曲线中的第四(4)区域指定。电路断路器 设备100，优选地通过使用单个CMOS ASIC (专用集成电路)来实 施以便使成本和组装时间最小化。然而，也可以如图13中所示使 用其它电子混合信号(模拟和数字)处理技术(例如双极和BICMOS 等)而不脱离本发明的范围。
参照图13，示出了电路断路器设备100，的框图。电路断路器 设备100，利用四个输入以确定电路断路器100，是否应当跳闸。具 体而言，电路断路器设备100，包括这里先前描述的交流线路电流传 感器109 (见图2 )。电路断路器设备100，还包括这里先前描述的 线路高频传感器(或者射频耦合器)107。电路断路器设备100，也 包括均在这里先前描述并且在图2中示出的差分电流传感器(或者 差分故障检测器)134和接地故障电流传感器(或者差分故障检测 器)136。这些检测器和传感器提供可以用来激活电路断路器的电 流和/或电压性能数据。电路断路器设备100，还包括均在前文描述中描述并且在图2中示出的信号调节器130和接地故障模拟信号处 理器131。传感器107、 109、 134和136提供的输出信号被馈送到 信号调节器130中。如这里先前所述，信号调节器130与接地故障 模拟信号处理器131进行电子数据通信。
参照图13，电路断路器设备IOO，还包括这里先前描述并且在 图2中示出的微处理器150、和A/D转换器158。 A/D转换器电路 158将信号调节器130提供的信号转换成数字信号以便输入到微处 理器150中。根据本发明的这一实施例，电路断路器设备IOO，还包 括处理资源159。处理资源159与微处理器150和A/D转换器158 进行电子数据通信并且被配置成实施如将在随后描述中讨论的信 号处理技术和算法。处理资源159包括微处理器，该微处理器具有 用于存储代表一个或者多个时间比对电流(time-versus-current) 曲线的数字数据的数据存储容量。电路断路器设备IOO，使用这些时 间比对电流曲线以确定电路断路器设备IOO，何时必须跳闸。参照图 12，示出了用作如下边界的两个时间比对电流曲线，这些边界指定 用来使电路断路器跳闸的特定电流量值和电流持续时间。图12中 所示的时间比对电流曲线代表单极电路断路器的性能约束。根据本 发明的这一实施例，在检测到某一时间电流关系时，处理器资源 159生成跳闸信号161。再次参照图12，在额定值为15-20安培而 固定瞬时跳闸阈值(低瞬时跳闸)为230安培并且上限范围为480 安培时，两条性能曲线(时间比对电流)描绘三个性能区域。第一 区域示出将不出现跳闸的对应数据点集。第二区域由单极时间/电 流特征曲线的下边界和/或上边界界定。第二区域是如果使用第一 曲线作为最低阈值曲线则将出现跳闸的区域。例如，在第二区域中， 0.2秒或者更少的电流持续时间和多于230安培的电流将造成电路 断路器跳闸。类似地，在第三区域中，0.2秒或者更少的电流持续 时间和多于480安培的电流将断开接触。
参照图13，包含时间/电流性能数据的前述时间比对电流特征 曲线作为数字数据被存储于处理器资源159中。这一性能数据一旦 被存储于存储器中就被用作由交流信号调节器130输出并且由A/D 转换器158采样的电流值的比较基准或者参考。
在一个优选实施例中，微处理器150和159被配置为一体式CMOS ASIC器件。在一个替代实施例中，代表时间比对电流曲线 的数据被存储于外部存储器存储设备中或者与该一体式CMOS ASIC的部分相符的内部存储器单元中。
处理器资源159被配置成实施图14中所示的算法。在步骤1600 中启动该算法。第一步骤是步骤1602，该步骤需要读取热电容电 压、计算热电容电压与3.3伏特之比并且将最终总和初值设置为同 一比率的跳闸值。步骤1604确定是否触发计时器。如果没有触发 计时器，则该算法转向实现电弧检测性能的步骤1606。该算法然 后返回到步骤1604。如果触发计时器，则该算法转向步骤1608。 在步骤1608中启动模数转换(ADC)。接着在步骤1610中确定模 数转换过程是否完成。如果模数转换过程没有完成，则该算法转向 实现电弧检测性能的步骤1612。如果模数转换完成并且有ADC结 果，则该算法转向步骤1614。在步骤1614中将ADC结果平方以 提供最新或者更新的ADC平方值。这一步骤也检索十六(16)个 ADC平方值中的最旧值并且用最新或者更新的ADC平方值取代所 检索的最旧ADC值。该算法然后转向步骤1616。在步骤1616中 执行多个步骤。首先将十六(16)个连续ADC平方值求和以提供 ADC平方值总和。接着从总和中减去最旧ADC平方值。接着将最 新或者更新的ADC平方值与总和相加。这一步骤也保持对ADC 平方值的先前总和与ADC平方值的当前总和的跟踪。接着在步骤 1618中确定ADC平方值的当前总和是否大于预定拾取阈值。如果 ADC平方值的当前总和大于拾取阈值，则该算法转向步骤1620。 在步骤1620中，将ADC平方值的当前总和与在步骤1602中计算 的最终总和值相加。该算法然后转向步骤1622。在步骤1622中激 活脉宽调制器(PWM)以对热电容充电。该算法然后转向确定最 终总和值是否大于预定跳闸值的步骤1624。如果最终总和值大于 预定跳闸值，则该算法转向实现用以造成电路断路器设备跳闸的跳 闸信号的生成的步骤。如果确定最终总和值不大于预定跳闸值，则 该算法转回到步骤1604。
返回参照步骤1618，如果确定ADC平方值的当前总和不大于 预定拾取阈值，则该算法转向步骤1628。在步骤1628中确定最终 总和值是否大于ADC平方的最新总和，然后该算法转向步骤1630。在步骤1630中从最终总和值减去ADC平方值的最新总和。该算法 然后转向步骤1624。如果步骤1628确定最终总和值不大于ADC 平方的最新总和，则该算法转向将最终总和值设置为零的步骤 1632。该算法然后转向步骤1624。
因此在操作上如图12中所示，交流电流信号调节130的输出 不仅被发送到并联故障检测器132而且被发送到处理器资源159以 供处理。如果所感测的电流和时间持续时间将采样数据置于阈值限 制以外(最小和/或最大曲线以外)，如例如在图12中所示，则将 信号发送到SCR驱动器以便使电路断路器跳闸。
因此，电路断路器设备100，具有多个感测输入以确定是否由于 各种原因而应当4吏电路断路器跳闸。应理解可以独立地或者在任何 组合中使用由传感器107、 109、 134和136提供的信号以建立触发 算法。
电路断路器设备100，的一个显著优点在于双金属功能完全地 被所存储的一个或者多个时间比对电流曲线所取代。在功能上，在 过载条件之下的双金属加热并且弯曲以响应于持久的过电流而打 开弹簧操作的跳闸机构。然而，电路断路器设备ioo，消除双金属，
由此减少成本、改进组装并且使电路断路器更可靠。
尽管前文描述举例说明本发明，但是相关领域的普通技术人员 将认识到许多变化、更改、修改、替换等尤其是按照本说明书、附 图和所附权利要求是容易可行的。在任何情况下，由于本发明的范 围比任何特定实施例广泛得多，所以前文详细描述不应被理解为限 制仅由所附权利要求限定的本发明。
权利要求
1.一种用于在功率电路的分支中使用的电气故障检测设备，包括交流线路电流传感器，用于监视包括主线路和中性线路并且运送交流功率信号的配电线路中的交流电流，所述交流线路电流传感器生成与向功率电路的至少一个分支递送的负载电流成比例的代表信号；线路高频传感器，耦合到所述配电线路，用于检测和输出所述交流功率信号的宽带高频分量；差分电流传感器，耦合到所述配电线路的所述主线路和中性线路，用于监视所述主线路与中性线路之间的净电流、比较所述净电流与交流负载电流信号并且生成表明净线路到中性电流与负载电流的不一致是否为预定可接受量的信号；接地故障电流传感器，用于检测所述配电线路的所述主线路与中性线路之间的电流失衡；信号调节器，与所述交流电流线路电流传感器、所述线路高频传感器、所述差分电流传感器和所述接地故障电流传感器进行电信号通信并且适于生成表明与所述功率电路的分支关联的所述负载电流的信号；采样电路，用于对由所述信号调节器输出的所述信号进行采样并且生成采样信号；以及处理资源，用于处理所述采样信号，所述处理资源在其中存储有代表多个时间比对电流曲线的数据，所述多个时间比对电流曲线限定其中可能出现或者可能不出现跳闸的多个区域，其中至少一个区域具有限定对于特定电流量值而言其中将不出现跳闸的持续时间的时间数据和电流数据，并且其中至少一个其它区域具有限定对于特定电流量值而言其中将出现跳闸的持续时间的时间数据和电流数据，所述处理资源处理所述采样信号以(i)提供处理后的时间数据和电流数据、(ii)确定所述处理后的时间数据和电流数据对应的区域并且(iii)如果所述采样信号产生与其中必须出现跳闸的区域对应的时间数据和电流数据则生成用以启动跳闸的信号。
2. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述交流线路电流传感器包括耦合到所述主线路和中性线路的变压器。
3. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述交流 线路电流传感器包括与所述负载串联的阻抗已知的金属带，所述金 属带提供表明行进通过所述配电线路的电流的输出信号。
4. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述交流 线路电流传感器包括温度传感器。
5. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述线路 高频传感器包括用于从所述配电线路收集高频信号的高频耦合变 压器。
6. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述线路 高频传感器包括用于从所述配电线路收集高频信号的环状形状的 铁素体传感器。
7. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述线路 高频传感器包括允许高频信号通过而拒绝低频信号的高通滤波器 器件。
8. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述差分 电流传感器包括用于比较所述净电流和交流负载电流信号并且输 出表明净线路到中性电流与负载电流的不一致是否为预定可接受 量的信号的比较器电路。
9. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述接地 故障电流传感器包括与所述主线路和中性线路进行电信号通信的 螺旋管，以便接地的中性故障形成穿过接地的中性螺旋管的磁路以 允许所述螺旋管在所述主线路和中性线路上感生振荡波，其中感生 电流由于所述接地的中性故障路径而仅在所述中性线路中流动。
10. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述信号 调节器包括交流电流调节系统，所述交流电流调节系统包括耦合到 由所述交流电流线路电流传感器、所述线路高频传感器、所述差分 电流传感器和所述接地故障电流传感器提供的所述信号的变压器 并且提供与低频负载电流成比例的代表信号。
11. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述采样 电路包括与由所述信号调节器输出的所述信号进行电信号通信的 模数转换器。
12. 根据权利要求1所述的电气故障检测设备，其中所述处理 资源包括微处理器。
13. —种用于电气故障检测的方法，包括 监视包括主线路和中性线路并且运送交流功率信号的配电线路中的交流电流；生成与向功率电路的至少一个分支递送的负载电流成比例的 代表信号；检测和输出所述交流功率信号的宽带高频分量；监视所述主线路与中性线路之间的净电流；比较所述净电流与交流负载电流信号并且生成表明净线路到 中性电流与负栽电流的不一致是否为预定可接受量的信号；检测所述配电线路的所述主线路与中性线路之间的电流失衡；生成表明与所述功率电路的分支关联的所述负载电流的信号， 其中表明所述负载电流的所述信号基于(i)与向功率电路的至少 一个分支递送的所述负载电流成比例的所述代表信号、(ii)所述 交流功率信号的所述被检测的宽带高频分量、(iii)表明净线路到中性电流与负载电流的不一致是否为预定可接受量的所述信号以 及(iv)所述配电线路的所述主线路与中性线路之间的所述被检测 的电流失衡；对表明与所述功率电路的分支关联的所述负载电流的所述信 号进行采样；提供处理资源，所述处理资源在其中存储有代表多个时间比对 电流曲线的数据，所述多个时间比对电流曲线限定其中可能出现或 者可能不出现跳闸的多个区域，其中至少一个区域具有限定对于特 定电流量值而言其中将不出现跳闸的持续时间的时间数据和电流 数据，并且其中至少一个其它区域具有限定对于特定电流量值而言 其中将出现跳闸的持续时间的时间数据和电流数据；并且利用所述处理资源来处理所述采样信号以(i)提供处理后的 时间数据和电流数据、(ii)确定所述处理后的时间数据和电流数 据对应的区域并且(iii)如果所述采样信号产生与其中必须出现跳 闸的区域对应的时间数据和电流数据则生成用以启动跳闸的信号。
全文摘要
一种用于在功率电路的分支中使用的电气故障检测设备利用来自耦合到具有主线路和中性线路的配电线路的交流线路电流传感器、耦合到配电线路的线路高频传感器、耦合到主线路和中性线路的差分电流传感器和耦合到主线路和中性线路的接地故障电流传感器的信号。信号调节器接收该信号并且生成表明与功率电路的分支关联的负载电流的信号。信号调节器的输出由处理资源采样和处理。处理资源存储有代表限定可能出现或者可能不出现跳闸的多个区域的多个时间比对电流曲线的数据。处理资源处理采样信号以确定处理后的时间数据和电流数据对应的区域并且如果采样信号产生对于特定电流量值而言与其中必须出现跳闸的区域对应的持续时间则生成用以启动跳闸的信号。
文档编号G01R31/08GK101556301SQ200910133068
公开日2009年10月14日 申请日期2009年4月7日 优先权日2008年4月7日
发明者A·纳亚克, C·雷斯特雷波, H·T·金塞尔, M·比拉克 申请人:西门子能量及自动化公司