电弧检测设备和方法

专利名称：电弧检测设备和方法
技术领域：
一般地说本发明涉及电路，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。
背景技术：
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。

发明内容
本发明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。
本发明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。本发明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。本发明的另 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，根据本发明，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。根据本发明，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。
根据本发明的一种特征，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。
根据本发明的可选择的特征，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。
根据本发明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发明的其它的目的、特征和优 点是显然的。


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，Ul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 微控制器内的10位模拟至数字转换器。在通过微控制器进行每次测 量之后，管脚9被内部短路到地以准备电容器对下一时间周期的电流 进行积分，这将在下文中讨论。
微控制器Ul的管脚10连接到电阻器R3,该电阻器R3又连接 到电容器C2。这使得微控制器对电容器C2进行充电以模拟电弧， 如下文讨论。按钮PB1将负载相连接到管脚11。串联连接的电阻器 R4、 R5以及连接在管脚11和地端之间的电阻器R6将线电压和电流 减小到适合于微控制器的电平。虽然微控制器Ul具有内部保护二极 管，连接在管脚11和地端之间的齐纳二极管Zl提供了冗余的3伏 特限度。连接在管脚11和地端之间的电容器C3提供对在负载上的 任何高频噪声的滤波。在按钮PB1压下以启动自测试时，微控制器 在管脚10上提供脉冲宽度变化的脉冲，随着脉冲宽度的增加，脉沖 宽度给电容器施加更大电压以产生变化电压的电弧状信号。
SCR激发电路连接到微控制器的管脚13，并包括具有连接在 SCR的阳极和阴极之间的常规电容器C4的SCR1。连接在SCR的 栅极和阴极之间的电容器C5有助于防止SCR被高dv/dt无意地接 通。也连接在栅极和阴极之间的电阻器R7有助于防止无意地接通。 电阻器R8是电流限制电阻器，串联连接在电阻器R8和管脚13之间 的电容器C6防止电源的过度消耗。二极管Dll连接在包括四个二极
管Dl-D4的第二二极管桥路和SCR1的阳极之间。在SCR1接通时 它通过带有接近施加到线圏Ll的线电压的第二二极管桥路拉出更大 的电流以使断路器跳闸。二极管Dll用于将电容器C4与下文要讨论 的连接到管脚8的线监测电路隔离。
串联连接的电阻器R9、 RIO、 Rll和齐纳二极管Z2形成了检 测电路的电源部分。这些电阻器限制了到齐纳二极管Z2的电流量。 连接在电阻Rll和齐纳二极管Z2的节点和微控制器Ul的VCC管 脚2之间的二极管D12阻止了来自连接在管脚2和地端之间的电容 器C7的反向电流，该电容器C7与电容器C8并联以给微控制器提 供3伏特电源。
串联连接的电阻器R12和R13连接在电阻器RIO， Rll的节点 和地端之间。电阻器R12和R13的节点连接到电容器C9，电容器 C9又连接到地端，提供了与二极管桥路Dl-D4的电压成比例的电容 器电压。这个电压大致等于线电压的绝对值。电容器电压连接到微控 制器Ul的管脚8并用于确定何时执行在管脚9上的电压测量。
连接到微控制器Ul的管脚7的电阻器R14和电容器C12和连 接到管脚1的电阻器R15是控制器Ul的特定结构所要求的。
对数电荷转换器电路可以包括晶体管和电容器以及附图1的匹 配的二极管和电容器。附图3所示为具有连接双晶体管Tl和T2的 二极管的变型对数电荷转换器电路。虽然附图3的电路要求晶体管 T2的电源，但与附图1的二极管网络相反，电容器电压vx=vt*In (Q/C/vt+l) ~vt*In (Q/C/vt),这里vt-热电压-kT/q 26mV (在室 温下)，并且Q-自最后电容器复位以来传递的电荷。在附图1的电 路中，电容器电压vx=vt*In ( Q/C/vt國vx/vt+l) vt*In ( Q/C/vt)。 作为替换，晶体管具有的优点是vx/vt项没有出现在相关的公式 中。然而，对于Q C*vx， 二极管网络的电路操作接近于晶体管网 络的电路操作。虽然在附图1的二极管网络通过vt项对环境温度敏 感，但微控制器U1包括温度传感器，由此提供了适当的温度补偿。
参考附图2，根据优选实施例的程序在100和第一步骤102处开
始，电容器C2复位到零伏特并初始化所有的标志。在步骤104中， 使用提供在微控制器Ul中的温度传感器随着温度成比例地缩放灵敏 度阈值，该温度传感器提供与绝对温度成比例的输出电压。
步骤106-112形成了一个子程序，在该子程序中程序继续循环 直到在管脚8上测量的线电压超过第一选择值samp一hi，然后低于第 二值samplel。这定义了在使电容器C2复位之后在步骤114上进行 的 一 个测量点。该子程序提供了所选择的滞后以避免在不希望的时间 点上噪声线电压启动采样。
如果测试按钮没有按下，在决定步骤116之后，在步骤120中 程序继续以使微控制器定时器复位。使用定时器监测线电压半循环周 期以检测某些异常的线电压情况，而如上文所讨论通过在管脚8上的 线电压确定电容器C2的电压测量。如果测试按钮PB1已经按下，则 在步骤118中，电弧状噪声引入到电容器C2中，随着在多个半周期 上引入足够的噪声并通过要讨论的算法处理，该电容器C2使断路器 以如在线电流中所检测的电弧相同的方式跳闸。
第二子程序包括步骤122-128,在这些步骤中程序继续循环直到 线电压低于第三选择值samp—lo,然后超过第四选择值sample2。这 定义了在零交叉之后第二测量点(步骤130)。由于要求最小的电压 维持例如大约15伏特的电弧，选择通常高达50伏特的窗口进行电压 测量以考虑在线电流和线电压之间的相位差值。在线电压的零交叉周 围的这个窗口捕获在零交叉附近产生或熄灭的那些典型的小电弧。
在步骤130中将在步骤114中进行的第一电压测量值加入到第 二电压测量值，然后使电容器C2复位。在132中将所得的值输入到 下推寄存器，并在步骤134中该程序对相邻的电压寄存器值进行求和 并将超过最小值min」imit的这些和值放到另 一寄存器。这些和值消 除了由负载电流幅值对线电压极性的任何依赖性所造成的任何二极管 影响。使用这个最小值将寄存器值限制到在所选择的值之上的那些 值。
在步骤136中，计算3周期算法。计算周期1的字加上周期3的字减去周期2的字的两倍，然后取其绝对值。这些相邻的全周期可 以根据需要叠加或不叠加。注意，如果这3周期不是叠加的，则要求 6个半周期以进行计算，以及如果3周期是叠加的，则仅要求4个半 周期。
在步骤138中，忽略第一和最后寄存器值以防止单个的事件对 结果影响太大，例如由接通和切断引起的事件(决定步骤140)。在 最后的半秒中给剩余的寄存器值应用3周期算法，如果所计算的3周 期算法的和值大于所选择的值max一limit，则在步骤142中指示故 障。
在和值超过max—limit值时，激发SCR1。这重复三次以确保甚 至线电压简短中断时激发。将所选择的脉冲(例如30微秒脉冲)提 供给SCR。
如果需要的话，使用不同的寄存器来记录第一两个测量值而不 是如上文所述地将它们加在单个寄存器中。然后将这种算法分别应用 到每个寄存器中。
如上文所指出，重叠的3周期算法要求四个半周期的信息。这 种算法计算信号(1)减去2倍的信号(2)加信号(3)的绝对值。 这种算法消除了信号(t) =a+b*t随着时间的偏差对波动的影响。消 除了 t的更高阶的奇次幂，但不能消除等于或大于P的偶次幂。
可以使用5周期算法以消除信号(t) -3+1)4+"12随着时间的偏 差对波动的影响。这种算法计算信号(1)减去4倍的信号(2)加6 倍的信号(3)减4倍的信号(4)加信号(5)的绝对值。消除了 t 的更高阶的奇次幂，但不能消除等于或大于一的偶次幂。
应该理解的是，如果需要的话，在每半周期中在前两段中描述 的算法可与单个测量值或从任何选择的多个测量值中 一起使用，不管
是重叠还是相邻，项目信号是指每个周期的复合值。
根据附图1的电弧检测和电路断续器设备具有如下的部件 部件
Ul TI MSP430F1122@~2MHz R12 100千欧姆
C210nFR133.3千欧姆
C310nFR1333k千欧姆
C410nFR1533k千欧姆
C533nFDlIN4005
C6100nFD2IN4005
C710|liFD3IN楊5
C8100nFD4IN4005
C910nFD5MMBD1505A
C102.2nFD6MMBD1505A
Cll2.2nFD7MMBD1505A
C1210nFD8MMBD1505A
Rl10千欧姆D9 MMBD1505A (匹配D7 )R210千欧姆D10 MMBD1505A (匹配D8 )R333千欧姆DllIN4005
R4100千欧姆D12IN4148
R5100千欧姆ZlBZX84-B3V3
R6100千欧姆Z2BZX84画B3V3
R73.3千欧姆Trll L==10mH, M=30^iH
R8470欧姆SCR1R922千欧姆
R1022千欧姆
Rll22千欧姆
应该理解的是，本发明并不限于在此实例性地示出的特定的实施例，而是包括落在下面的权利要求的范围内的所有的改进形式。
权利要求
1.一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字存储在下推堆栈中， 取三个连续的字(字l-3)并计算字1加字3减去字2的两倍的 绝对值以确定该信号的波动， 存储该波动，对于三个连续的字的其它组重复相同的计算， 对所选择的数量的字的波动进行求和，将所求和的波动与预定的阈值进行比较以确定电弧故障的发 生，以及在所求和的波动超过预定的阈值时产生电孤故障信号。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中字从重叠的周期中导出。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中字从相邻的周期中导出。
9. 一种电弧故障电路断续器，具有用于在线电压的每半个周期 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4个相邻的半周期中取信号1-4，在四个相邻的半周期中计算信号1减去信号2减去信号3加上 信号4的绝对值，对于四个相邻的半周期的其它组重复相同的计算，定信号的波动， 》将所说的四个半周期的至少所选择的多个組的计算之和与预定的阈值进行比较以确定电弧故障的发生，以及在所说的四个半周期的至少所选择的多个组的求和计算超过预定的阈值时产生信号，由此该方法对表示正常负载的重复性地和连续地变化信号相对更加不敏感，而对无序的电弧信号相对更加敏感。
10. —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，在每个半周 期上至少测量所说的信号一次，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。
全文摘要
本发明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。
文档编号H02H3/20GK101173964SQ20071018083
公开日2008年5月7日 申请日期2003年12月9日 优先权日2002年12月9日
发明者克里斯蒂·V·佩隆, 基思·W·卡瓦塔 申请人:森萨塔科技公司