CN101238623A - 响应于积分检测电流值间隔间变化模式的电弧故障检测器 - Google Patents

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Abstract

电弧故障检测器分析积分电流中的间隔间增大或减小的计数序列中的模式是否存在电弧故障的模式特征。在AC系统中，间隔可以为全周期，或者，在替代实施例中，在计算变化计数之前，分别确定正负半周期的积分电流变化并接着对之进行交错。当电弧故障以外的现象的模式特征被检测到时，对计数序列进行复位，以便避免有害的跳闸。

Description

响应于积分检测电流值间隔间变化模式的电弧故障检测器
技术领域
本发明的实施形态被指向这样的设备：其由负载电流中的特征扰动检测电弧故障，同时，避免由于其他现象产生的负载电流扰动而导致的非必要跳闸。
背景技术
用于AC与DC电力系统的电弧故障检测器典型地监视负载电流是否存在这类故障的随机扰动特征。然而，存在许多可能在负载电流中引起扰动的“正常”事件，必须将其与电弧进行区分，以避免有害的跳闸。有些这类事件为：例如电熨斗、烤饼模具或炉恒温器等温度开关引起的负载电流中断，调光器(dimmer)的运行、特别是当设置被改变时，电容运行电动机，压缩机的启动，等等。
已经提出了用于将电弧与其他负载电流事件进行区分的许多技术。美国专利No.5933305使用循环电流积分比较，其中，将检测电流对于重复时间间隔(典型地为AC系统的一个周期)的积分值与前一间隔的值进行比较。对于每个时间间隔，对选定数量(例如六个)的最近时间间隔的积分值中的间隔间增大和减小的指示进行计数。如果该计数的加权时间衰减累积(time attenuated accumulation)达到预定的量，产生电弧检测信号，该信号可被用于例如对断路器进行跳闸。
在电弧故障检测中——特别是在满足Underwriter LaboratoriesStandard UL1699描述的与清除时间(clearing time)、有害跳闸、电弧事件的掩蔽以及多种负载测试有关的性能中——存在改进空间。还存在对简化技术方法的挑战，其可潜在地降低电弧故障检测器的成本。
发明内容
本发明的实施形态被指向电弧故障检测器，其中，分析积分电流的间隔间增大或减小的计数序列中的模式(pattern)是否存在电弧故障的模式特征。当电弧故障以外的现象的模式特征被检测出时，计数序列被复位，以便避免有害的跳闸。
具体而言，本发明的实施形态被指向一种电气系统用电弧故障检测器，其包含由电气系统中流动的电流产生检测电流信号的检测电流信号发生器。积分器重复地在相等的时间间隔上对检测电流信号的绝对值进行积分，以便产生积分检测电流值。当对于最近完成的时间间隔的积分检测电流值由对于前一时间间隔的积分检测电流值变化至少阈值量时，变化指示器为每个最近完成的时间间隔产生变化指示。合计器重复地对于每个最近完成的时间间隔合计在选定数量的最近完成时间间隔上产生的变化指示的数量，以便产生变化计数。存储器在变化计数序列中对选定的最近完成间隔的变化计数进行存储。处理器包括对指示出电弧的、变化计数序列中的模式做出响应地产生电弧信号的检测器装置。处理器还包含复位装置，其对表示电弧以外的事件的、变化计数序列中的预定其他模式做出响应地清除变化计数序列的存储器。
在本发明的一个实施例中，在计算变化计数之前，分别确定正负半周期的积分电流变化，并接着对之进行交错(interleave)。
附图说明
结合附图阅读下面对优选实施例的介绍可获得对本发明的全面理解。在附图中：
图1为根据本发明的实施形态的电弧故障检测器的框图；
图2为一流程图，其示出了图1中的电弧故障检测器根据本发明一实施例的运行；
图3为一流程图，其示出了图1中的电弧故障检测器根据本发明另一实施例的运行。
具体实施方式
如图1所示，本发明的实施例可应用于检测电气系统1中的电弧故障，该系统包括线路导体3和中性导体5。示例性电气系统1为AC系统，典型地为50或60赫兹的配电系统。电气系统1受到提供过流和过载保护的传统断路器7的保护。另外，电弧故障检测器9提供针对电气系统1中的电弧故障的保护。典型地，电弧故障检测器9可被装入断路器7，然而，为清楚起见，其在图1中被示为是分立的。
电弧故障检测器9包含信号发生器11，信号发生器11包含耦合到线路导体3的电流互感器13、低通滤波器15、绝对值电路17。电流互感器13产生检测电流信号，低通滤波器15对检测电流信号进行过滤以防止后续数字化中的假信号，绝对值电路17提取检测电流信号正负半周期的绝对值。
检测电流信号的绝对值被积分器19重复进行积分。电弧故障检测器9产生在连续相等时间间隔上积分的检测电流信号的积分检测电流值。对于AC电气系统，时间间隔与频率有关。在本发明的一个实施例中，时间间隔为全周期，对于60赫兹系统为16.67ms，对于50赫兹系统为20ms。在本发明的第二实施例中，时间间隔为半周期。对于DC电气系统，时间间隔可以为任何任意值，例如，可以在典型AC系统的相等时间间隔的持续范围内。
尽管积分可完全在软件中进行，在示例性电弧故障检测器9中，离散积分器19用于每半个周期对检测电流信号的绝对值重复积分八次。在微处理器21中，结果得到的积分值被模拟至数字转换器23数字化。如将会看到的那样，对这些增量(incremental)积分在选定时间间隔(例如一个周期或半个周期)上进行合计。通过允许其动态范围仅仅跨选定时间间隔的一部分，这样的增量积分增加了微处理器中的模拟到数字转换器的有效分辨率。检测电流信号绝对值的模拟值也被数字化，以便由处理器中的另一模拟至数字转换器25输入到微处理器21中。此模拟信号每半周期被采样16次。
电弧故障检测器9也对线路-中性间电压进行监视，电压过零电路27将电压过零作为数字输入输入到微处理器21中。在对于每个间隔的初始积分由电压过零同步的情况下，数字处理器每半周期对积分器19复位八次。微处理器具有软件29，该软件对积分绝对值检测电流值和过零点进行处理，以便检测AC电气系统1中电弧的存在。在检测到这种电弧时，电弧信号在数字输出31上被输出，其对断路器7进行跳闸，以便中断电气系统1中的电流。
图2为对于本发明一实施例的流程图33，其中，选定重复时间间隔为AC电流的一个周期。因此，在35中输入的每正半周期八个和每负半周期八个检测电流积分(16个采样)在37中相加以产生对于最近完成的周期的积分检测电流值。将对于最近完成的周期的此当前积分检测电流值在39中与对于前一周期的值加上阈值或滞后值I1(其在示例性电弧故障检测器中可具有大约1.5A-ms的值)进行比较。如果最近积分检测电流值大于前一值，将“1”置于变化缓冲器41中，否则，将零记录在缓冲器41中。缓冲器41在先入先出的基础上存储对于选定数量的最近时间间隔的1和0。在示例性电弧故障检测器中，选定数量为六个周期。39处的比较与缓冲器41一起构成变化指示器，其对于六个最近的周期保持积分检测电流值相对于前一周期的积分检测电流值增大和减小的指示。
在43中，合计器计算选定数量的周期上(在示例性检测器中又一次为六个周期)缓冲器41中的变化的数量。在对于阈值以上的增大记录“1”、否则为“0”的示例性系统中，对于每次从“0”到“1”和从“1”到“0”的转变，对变化进行计数。作为替代地，可对超过阈值的每次增大和减小记录“1”，对没有变化记录“0”，通过累加“1”对最近完成的间隔确定变化的数量。无论如何计算，计数被存储在采用模式缓冲器45形式的存储器中。此模式存储器45也为先入先出缓冲器，其中，43中由变化缓冲器41对于选定的例如六个最近完成间隔计算得出的计数被存储为变化计数序列。
处理器程序47对模式缓冲器45中的变化计数序列进行分析。此处理器程序47包括电弧检测器部分49，其在变化计数序列中寻找指示电弧故障的模式。本质上，检测器部分49查找计数中的随机性。可在六个间隔间被记录的最大计数个数为五，当然，最小为零。如果已经记录了五个变化，则积分检测电流值在每个周期之间均变化，其不是随机性的指示，因此不是电弧故障的指示。显然，零的计数不表示——至少对于该间隔和前面的五个间隔——任何随机行为。因此，示例性电弧故障检测器中的检测器部分49寻找作为与电弧故障相关联的随机性的指示的1、2、3、4个变化的发生。这些计数不必按顺序发生，它们不必连续发生，也不必在最后的六个间隔中发生，每当这些计数数量中的一个被检测到时，设置对应的标志。当所有四个标志被设置时，产生电弧检测信号。然而，如果顺序检测到四个计数，也即1、2、3、4，则决定被延期，且电弧故障检测信号仅在该序列继以四个计数的重复出现的条件下产生。在这种情况下，将产生延迟的电弧故障信号。
处理器程序47也包括复位部分51，其清除模式缓冲器45中的计数序列并对标志进行复位。模式缓冲器被复位的一种情况是当四个计数没有在由复位计时器53建立的选定时间周期(其在示例性电弧故障检测器中为大约一秒)中被检测到时。如果“0”出现在缓冲器中，复位部分51也将再度初始化模式缓冲器45，即将模式缓冲器设置为全零，因为这表示最后六个间隔的任何一个中不存在超过阈值的增大或减小。另外，如果计数序列在最后六个周期中保持恒定，即同一计数在最后六个周期中出现，模式缓冲器45被重新初始化。另外，如果计数序列振荡两次，即X，Y，X，Y，模式缓冲器45被重新初始化。
复位装置51还包含“跳闸避免”规则，其也将模式缓冲器45复位为全零。为了避免响应于极低电流现象的跳闸，如果积分检测电流值低于低电流阈值(其在示例性系统中为大约44.5A-ms)，复位被初始化。这避免了电弧信号的发生，也因此避免了响应于没有构成任何明显威胁的现象地对断路器7进行跳闸。如果模拟电流对于三个连续周期来说太高(其表示与某些负载的开启相关联的浪涌电流)，模式缓冲器也被复位。在示例性系统中，此高电流阈值被设置为等效正弦波的大约51A rms。模拟电流值在55中由输入到微处理器的数字采样得出，并用于在57中确定峰值电流值。在示例性检测器中，仅正半周期在每半周期16个采样以及一个附加采样以达到总共17个采样地被数字化。
最后，如果移动的调光器被检测到，避免跳闸，且模式缓冲器45被复位。移动的调光器意味着设置在其中被增大或减小的调光器。如同人们所知道的，在基波波形的过零点后，调光器延迟选定数量的角度(degree)上的旋转(turn)。由在三个连续积分上增大或减小的积分检测电流值连同表示正弦波的旋转后的波形的采样指示这种移动的调光器。在示例性电弧故障检测器中，后者通过检测出模拟电流波形值的15th-17th个采样典型地为正弦波来检测，例如，这些电流值大于波峰模拟电流的最小设置分数。
当电弧故障信号被处理器程序47检测出来时，在59中产生跳闸信号。跳闸信号于是使断路器7跳闸。
在本发明另一实施例中，检测电流在电流的正半周期和负半周期上分别积分，以便产生正半周期积分电流值和负半周期积分电流值。在图3中示出了对于此实施例的流程图61。此流程图与图2中的流程图33的不同之处在于电流的正半周期和负半周期被分别处理，以检测正负半周期积分电流值中的周期间变化。因此，由于半周期积分检测电流值被分别但与图3中的全周期电流类似地得到处理，对应的块用同样的参考标号表示但分别具有正负半周期的后缀“p”和“n”。可见，在正变化缓冲器41p和负变化缓冲器41n中产生最近三个正半周期和负半周期中的变化指示。这两个缓冲器中的变化指示于是在63中被交错，以得到六个最近的半周期。也就是说，来自正变化缓冲器41p和负变换缓冲器41n的变化指示分别被输入到新缓冲器中。此缓冲器中在最近和先前五个半周期上的变化的数量于是在43′中计算并被置于模式缓冲器45中。对于最后的五个半周期(正与负，即交替为最后的三正两负或最后的两正三负)的计数变化由处理装置47以与结合图3介绍的全周期积分一样的形式进行分析。
尽管详细介绍了本发明的具体实施例，本领域技术人员将会明了，在本公开的总体教授下，可建立多种修改和替代。因此，所公开的特定布置仅仅是示例性的，不对本发明的范围进行限制。本发明的范围由所附权利要求书的全部宽度及其任何以及全部等同内容给出。

Claims (20)

1.一种用于电气系统(1)的电弧故障检测器，所述电弧故障检测器包含：
检测电流信号发生器(11)，其由在所述电气系统(1)中流动的电流产生检测电流信号；
积分器(19)，其在相等的时间间隔上对检测电流信号的绝对值重复进行积分，以产生积分检测电流值；
变化指示器(39，41)，其在对于最近完成的时间间隔的积分检测电流值由对于前一时间间隔的积分检测电流值变化至少阈值量时为每个最近完成的时间间隔产生变化指示；
合计器(43)，其重复地为每个最近完成的时间间隔合计在选定数量的最近完成时间间隔上产生的变化指示的数量，以产生变化计数；
存储器(45)，其在变化计数的序列中为选定的最近完成间隔存储变化计数；以及
处理器(47)，其包含：
检测器装置(49)，其对所述变化计数序列中表示电弧的模式做出响应地产生电弧信号；以及
复位装置(51)，其对变化计数序列中表示电弧以外的事件的预定其他模式做出响应地清除变化计数序列的存储器。
2.根据权利要求1的电弧故障检测器(9)，其中，检测器装置(49)对变化计数序列中包含多个规定变化计数中每一个的存在的模式做出响应地产生电弧信号。
3.根据权利要求2的电弧故障检测器(9)，其中，所述存储器(45)存储对于六个最近完成的间隔的变化计数以形成变化计数序列，且其中，所述多个规定变化计数为四个。
4.根据权利要求3的电弧故障检测器(9)，其中，四个不同的变化计数包含1、2、3、4。
5.根据权利要求4的电弧故障检测器(9)，其中，除非序列1、2、3、4继以四个的变化计数，否则除序列1、2、3、4以外，当变化计数1、2、3、4在变化计数序列中以任意顺序连续或不连续出现时，检测器装置(49)产生电弧故障信号。
6.根据权利要求5的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)包含定时器，其在变化计数1、2、3、4在规定时间间隔中不出现时清除变化计数中的变化序列。
7.根据权利要求1的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)包含定时器(53)，其对变化计数序列中特定的变化计数做出响应地开始时间段，并在该时间段结束时清除存储器(45)中的变化计数序列。
8.根据权利要求1的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)对积分检测电流值低于最小值的、第一选定数量的连续时间间隔做出响应地清除变化计数序列的存储器(45)。
9.根据权利要求1的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)对检测电流信号超过浪涌电流值的、第二选定数量的连续时间间隔做出响应地清除变化计数序列的存储器(45)。
10.根据权利要求1的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)对表示移动的调光器的变化计数序列模式做出响应地清除变化计数序列的存储器(45)。
11.根据权利要求10的电弧故障检测器(9)，其中，表示移动的调光器的变化计数序列的模式包含积分检测电流值增大或减小的特定数量的连续间隔，且达到过零的检测电流值表示正弦波。
12.根据权利要求1的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)对变化计数序列中特定的重复模式做出响应地清除变化计数序列的存储器(45)。
13.根据权利要求12的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)对变化计数序列中重复的模式做出响应地清除存储器(45)。
14.根据权利要求12的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)对选定数量的变化计数序列中重复的模式做出响应地清除存储器(45)。
15.根据权利要求1的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)对变化计数序列中的零做出响应地清除存储器(45)。
16.根据权利要求1的电弧故障检测器(9)，其中，电气系统(1)为AC电气系统且时间间隔为半周期；检测电流信号发生器(11)产生正半周期检测电流信号和负半周期检测电流信号；积分器(19，35，37p，37n)重复地在每个正半周期上对正半周期检测电流信号的绝对值进行积分，以产生正半周期积分检测电流值，并重复地在每个负半周期上对负半周期检测电流信号的绝对值进行积分，以产生负半周期积分检测电流值；变化指示器(39，41)包含正半周期变化指示器(39p，41p)、负半周期变化指示器(39n，41n)以及装置(63)，正半周期变化指示器(39p，41p)在对于最近完成的正半周期的正半周期积分电流值由对于前一正半周期的正半周期积分电流值变化至少为阈值量时为每个最近完成的正半周期产生正半周期变化指示，负半周期变化指示器(39n，41n)在对于最近完成的负半周期的负半周期积分电流值由对于前一负半周期的负半周期积分电流值变化至少为阈值量时为每个最近完成的负半周期产生负半周期变化指示，装置(63)对正半周期变化指示和负半周期变化指示进行交错以产生交错的正半周期和负半周期变化指示；合计器(43′)重复地对每个最近完成的半周期合计在预定数量的正半周期与负半周期上交错的正半周期和负半周期变化指示的数量，以产生变化计数。
17.根据权利要求16的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)对表示半波负载的变化计数序列模式做出响应地清除计数序列的存储器(45)。
18.根据权利要求17的电弧故障检测器(9)，其中，复位装置(51)对之做出响应地清除变化计数序列的存储器(45)的、表示半波负载的模式包含在一个极性半周期中在第一半波值之上的以及在另一极性半周期中小于第二较低半波值的多个连续积分检测电流值。
19.根据权利要求1的电弧故障检测器(9)，其中，电气系统(1)为AC电气系统，且时间间隔为一个周期。
20.根据权利要求19的电弧故障检测器(9)，其中，选定数量的时间间隔包括六个周期。
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