專利名稱：檢測特征為連續(xù)周期電弧的電弧故障的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于檢測電弧故障的裝置和方法，更具體地，涉及更不易受有害的跳閘(nuisance tripping)影響的電弧故障檢測裝置和方法。
背景技術(shù)：
已知的電弧故障檢測裝置和方法使用微控制器來測量與負載相關(guān)的電壓，并處理表示電壓測量值的數(shù)據(jù)以確定電弧的存在。例如，傳統(tǒng)的電弧故障檢測裝置可被配置以感測交流負載電流，對AC信號進行濾波和整流，并將整流后的信號提供給一個積分電容器。傳統(tǒng)的電弧故障檢測裝置可以使用微控制器來測量積分電容器上的電壓，以及把電壓測量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)以用于后續(xù)的算法處理。例如，可以使用一種算法來分析對應(yīng)于線電壓的各個周期的測量電壓電平，并確定電壓測量的特征是否是一個電弧故障，如點接觸、低電平、或串聯(lián)電弧，或者是否是一個有害的負載如亮度調(diào)整器、電機、白熾照明、自動調(diào)溫器切換、鉆電流(drill current)轉(zhuǎn)換、隨機線電壓尖峰信號、EMI脈沖等。在電壓測量值的特征是電弧故障的情況下，傳統(tǒng)的電弧故障保護裝置一般斷開電路斷路器以斷開電源輸出與負載。
盡管上述傳統(tǒng)電弧故障保護裝置可被用來檢測并區(qū)別電弧故障和有害負載，但仍存在對具有更高可靠性的電弧故障檢測技術(shù)的需求。例如，指示電弧故障的電弧放電在自然中一般是無序的。相反，有害負載，如三端雙向可控硅開關(guān)元件控制的(triac-controlled)調(diào)光電路，可以周期性地產(chǎn)生電弧放電事件。但是，傳統(tǒng)電弧故障檢測裝置經(jīng)常不能可靠地區(qū)別周期性和非周期性電弧放電事件，從而傾向于有害的跳閘。并且，有害負載如亮度調(diào)整器、電機和白熾照明，當這些設(shè)備的設(shè)置被改變時，可產(chǎn)生高壓瞬態(tài)，從而在連續(xù)時間周期內(nèi)產(chǎn)生降低或升高電平的電弧放電。但是，傳統(tǒng)電弧故障檢測裝置經(jīng)常很難區(qū)別電弧故障和電弧放電事件，電弧放電事件的特征是電壓電平的瞬間降低或升高，一般表示有害負載。另外，盡管某些負載會產(chǎn)生具有異常高的電壓電平的噪聲開關(guān)信號，這種高電壓電平不一定表示電弧放電，并且可能被傳統(tǒng)的電弧檢測裝置錯誤地表征電弧故障。
因此，期望有改進的電弧檢測裝置和方法，消除上述傳統(tǒng)電弧故障檢測裝置和方法的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于檢測電弧故障的裝置和方法，其對有害跳閘具有降低的敏感性。在一個實施方式中，電弧故障檢測裝置包括電流傳感器、輸入感測電路、電弧感測電路、電源、跳閘電路(起動電路firing circuit)、處理單元和電機接口。在一個操作模式中，電流傳感器監(jiān)視包括交流電(AC)的功率輸入，并向輸入感測電路提供AC電流的高頻分量。接著，輸入感測電路對其輸入端的該AC信號進行濾波和整流，并向電弧感測電路提供整流后的信號。然后，電弧感測電路向處理單元提供多個電壓電平。處理單元被操作以測量每個電壓電平，存儲與測量的電壓電平相關(guān)的信息，并使用一種或多種算法處理存儲的信息，從而確定該AC電流的高頻分量是由電弧故障還是有害負載引起的。在高頻AC電流分量是由電弧故障引起的情況下，該處理單元激活所述起動電路以斷開(trip)電機接口，從而中斷對負載的功率輸出。
在當前披露的實施方式中，處理單元執(zhí)行多種算法以檢測并區(qū)別電弧故障和有害情況。根據(jù)第一算法，處理單元在特定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量電弧感測電路提供的多個電壓電平。在一個實施方式中，處理單元在每個連續(xù)時間周期內(nèi)執(zhí)行單個電壓電平測量。在另一個實施方式中，處理單元在每個時間周期內(nèi)執(zhí)行多個電壓電平的測量。例如，每個連續(xù)時間周期可對應(yīng)于線電壓的半個周期?；蛘?，每個時間周期可對應(yīng)于預(yù)定恒定的或可變的時間周期。接著，處理單元確定電弧感測電路提供的電壓電平超過特定的最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目。在測量到的電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目大于或等于預(yù)定門限的情況下，處理單元激活所述起動電路以斷開電機接口，這中斷了對負載的功率輸出。在此情況下，AC線電流的高頻分量被認為是由電弧故障引起的。在測量到的電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目小于所述預(yù)定門限的情況下，阻止斷開電機接口。在此情況下，AC線電流的高頻分量被認為是由有害負載引起的。
根據(jù)第二算法，處理單元在特定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量電弧感測電路提供的多個電壓電平，并確定電弧感測電路提供的電壓電平呈現(xiàn)連續(xù)較低值的連續(xù)時間周期的數(shù)目。根據(jù)第三算法，處理單元同樣在特定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量電弧感測電路提供的多個電壓電平。但是，當執(zhí)行第三算法時，處理單元確定電弧感測電路提供的電壓電平呈現(xiàn)連續(xù)較高值的連續(xù)時間周期的數(shù)目。在測量到的電壓電平呈現(xiàn)連續(xù)較低或較高值的連續(xù)時間周期的數(shù)目大于或等于預(yù)定門限的情況下，阻止斷開電機接口。在每種情況中，AC線電流的高頻分量被認為是由有害負載引起的。第二和第三算法可以與上述第一算法一起使用以減少有害跳閘的發(fā)生。
根據(jù)第四算法，處理單元在特定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量電弧感測電路提供的多個電壓電平，并確定是否一個或多個測量到的電壓電平超出了預(yù)定的值范圍。在處理單元確定出一個或多個測量到的電壓電平超出了預(yù)定范圍而指示一個或多個測量到的電壓電平異常地高的情況下，阻止斷開電機接口。在該情況中，AC線電流的高頻分量被認為是由例如高電平或并聯(lián)電弧放電、線噪聲、電路故障或有害負載引起的。典型地，可以通過二極管校正電容器或電橋或者任何其它適合的輸出限制、約束或限幅電路，或者任何適合的范圍檢查技術(shù)來控制這種異常高電壓。與上述第二和第三種算法類似，該第四算法可與第一算法一起使用以減少有害跳閘的發(fā)生。例如，可選擇第一算法中使用的指定最小值落入第四算法中使用的預(yù)定值范圍。
通過在特定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量電弧感測電路提供的多個電壓電平，并且基于一定準則(如測量到的電平超過指定最小值的連續(xù)周期的數(shù)目，測量到的電平呈現(xiàn)連續(xù)較低或較高值的連續(xù)周期的數(shù)目，是否一個或多個測量到的電平落到了預(yù)定的值范圍之外)分析測量到的電壓電平，可以以增加的可靠性檢測電弧故障，并且可以減小有害跳閘的出現(xiàn)。
從本發(fā)明的下述詳細描述中，本發(fā)明的其它特性、功能和方面將是很明顯的。


參考下面的詳細說明以及附圖，本發(fā)明可以被更全面地理解，附圖為圖1a是根據(jù)本發(fā)明的電弧故障檢測裝置的方框圖；圖1b是示出了圖1a的電弧故障檢測裝置的示意圖；圖2是示出了圖1a的電弧故障檢測裝置所執(zhí)行的三個周期的算法的流程圖；圖3是可在圖1a的電弧故障檢測裝置中使用的比較器電路的示意圖；圖4a-4b是示出了圖1a的電弧故障檢測裝置所執(zhí)行的脈沖計數(shù)器算法的流程圖；圖5是示出了圖4a-4b的脈沖計數(shù)器算法所使用測量數(shù)據(jù)集的映射的表；圖6是圖1a的電弧故障檢測裝置所執(zhí)行的電弧放電事件計數(shù)器算法的流程圖；圖7是圖1a的電弧故障檢測裝置所執(zhí)行的使用數(shù)字計數(shù)器對比較器電路的輸出進行積分的方法的流程圖；圖8是圖1a的電弧故障檢測裝置所執(zhí)行的包括圖2的三個周期算法、圖4a-4b的脈沖計數(shù)器算法以及圖6的電弧放電事件計數(shù)器算法的操作的一種方法的流程圖；圖9是示出了圖1a的電弧故障檢測裝置中所包含的積分電容器上的高電壓的連續(xù)周期的數(shù)目，從而指示了一個可能的電弧故障的圖；圖10a是示出了圖1a的電弧故障檢測裝置中所包含的積分電容器上的下降電壓的連續(xù)周期的數(shù)目，從而指示了一個可能的有害負載的圖；圖10b是示出了圖1a的電弧故障檢測裝置中所包含的積分電容器上的上升電壓的連續(xù)周期的數(shù)目，從而指示了一個可能的有害負載的圖；圖11是示出了圖1a的電弧故障檢測裝置中所包含的積分電容器上的異常高電壓的單周期，從而指示了一個可能的有害負載的圖；圖12是示出了操作圖1a的電弧故障檢測裝置的一種方法的流程圖，其中通過在一定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)檢測該裝置中所包含的積分電容器上的電壓，檢測電弧故障或抑制有害跳閘。
具體實施例方式
申請日為2004年9月9日，名稱為《用于檢測電弧故障的方法》的美國專利申請No.10/937,487的全部公開內(nèi)容在此引入作為參考。
圖1a描述了根據(jù)本發(fā)明的一個電弧故障檢測裝置100的示意性實施方式。在所示實施方式中，裝置100包括電流傳感器101、輸入感測電路102、電弧感測電路104、電源106、跳閘(起動)電路108、處理單元112和電機接口117。在一個示意性操作模式中，電流傳感器101通過電機接口117監(jiān)視功率輸入，并向輸入感測電路102提供功率輸入的高頻分量。接著，輸入感測電路102對其輸入端的AC信號進行濾波和整流，并向電弧感測電路104提供整流后的信號。然后電弧感測電路104向處理單元112提供表示可能的電弧放電的電壓電平和數(shù)字信號。接著，處理單元112測量這些電壓電平，并使用一個或多個算法來分析電壓測量值和數(shù)字信號，以確定該信號是由電弧故障還是有害負載引起。在該信號由電弧故障引起的情況下，處理單元112激活起動電路108，從而斷開電機接口117以將功率輸出和負載斷開。通過在斷開電機接口117之前確定輸入感測電路102感測到的AC信號是由電弧故障還是有害負載引起，處理單元112減少了電弧故障檢測裝置100受有害跳閘的影響。
圖1b描述了電弧故障檢測裝置100的一個示意性實現(xiàn)方式。在所示實施方式中，電流傳感器101包括變壓器TR1，它通過監(jiān)視流過負載的交流電流(AC)而監(jiān)視功率輸入，其中負載通過負載線相位終端TP9和負載中性終端TP10和TP22耦合至功率輸出。變壓器TR1被配置用來從它的初級線圈L1到它的次級線圈L2磁性耦合AC電流i的高頻分量，從而為輸入感測電路102提供AC電流I。在當前披露的實施方式中，電弧故障檢測裝置100被實現(xiàn)在一個襯底上，如分層印刷電路板(PCB)襯底、陶瓷襯底、或其它任何合適的襯底。并且，變壓器TR1的初級線圈L1包圍次級線圈L2(見圖2c-2d)，其具有垂直于該襯底的磁軸。在優(yōu)選實施方式中，變壓器TR1的次級線圈L2提供一個較弱的磁性耦合。例如，弱耦合的變壓器TR1可提供一個大約20-50μH的互導(dǎo)。
如圖1b所示，輸入感測電路102包括電容器C1、電阻器R1-R2、和二極管D1-D6。變壓器TR1的次級線圈L2連接在電容器C1和電阻器R2之間。電容器C1也連接至電阻器R1，并且電阻器R1-R2接地。電容器C1對變壓器的次級線圈L2提供的AC信號進行高通濾波，電阻器R1-R2為次級線圈L2提供一個地參考。二極管D1的陰極連接至電容器C1和電阻器R1，二極管D2的陰極連接至初級線圈L2和電阻器R2，二極管D1-D2的陽極接地。二極管D1的陰極也連接至二極管D3-D4的陽極，二極管D2的陰極也連接至二極管D5-D6的陽極。二極管D4-D5的陰極接地，二極管D3和D6的陰極連接至節(jié)點114，節(jié)點114提供輸入感測電路102的輸出。二極管D1-D2和D4-D5被配置以形成一個全波整流橋，因此節(jié)點114處提供的輸出是一個全波整流信號。在優(yōu)選實施方式中，二極管D3和D6被與二極管D4-D5匹配。并且，電弧感測電路104中包含的二極管D3-D6以及電容器C2形成一個記錄電路(logging circuit)，從而使節(jié)點114處提供的輸出電平與輸入感測電路102的輸入的記錄成比例。
在所示實施方式中，電弧感測電路104包括電容器C2、積分電容器C3，電阻器R3-R7、運算放大器(op amp)116、和二極管D7。如圖1b中所示，電容器C2和電阻器R4連接在節(jié)點114和地之間。并且，電容器R3連接在節(jié)點114和微控制器(執(zhí)行處理單元112(見圖1a)的功能)的管腳10之間。運算放大器116和電阻器R5-R6被配置以形成一個非反相放大器105。電容器C2連接在運算放大器116的非反相輸入端，電容器C2上的電壓被緩存并被通過二極管D7和電阻器R7提供給積分電容器C3。電容器C3連接在微控制器112的管腳9和地之間。二極管D7被配置以防止來自電容器C3的反向電流。并且，電阻器R7和電容器C3的組合形成了一個低通濾波器，以濾除高頻噪聲。
注意電容器C2上的電壓的以大約(C2)*(R4)秒的延遲時間復(fù)位。例如，如果R4等于10kΩ，電容器C2等于1nf，則電容器C2的延遲時間是大約10μs。電弧感測電路104被配置以將電容器C2上的電壓(ΔVC2)的變化轉(zhuǎn)換成一個寬度為tpw的脈沖，可由下式確定G*ΔVC2*e(-tpw/C2*R4)＝Vcc/2，(1)其中，“G”是運算放大器116的增益。響應(yīng)于一個顯著的di/dt事件(“電弧放電事件”)而生成的每個脈沖都引起電容器C3上的電壓的變化(ΔVC3)，可表示為ΔVC3＝(Vcc-Vbe-VC3)*(I-e(-tpw/C3*R7))-VC3(2)因此，公式(1)-(2)表明隨著電弧放電事件的數(shù)目的增加，ΔVC3隨ΔVC2的記錄而增加，從而增加了電弧故障檢測裝置100的動態(tài)范圍。
微控制器112的作用是在微控制器的管腳9上獲得積分電容器C3上的電壓VC3的測量值。例如，微控制器112可包括美國德州達拉斯的德州儀器有限公司(TI)銷售的MSP430F1122微控制器，或任何其它合適的微控制器。在一個實施方式中，微控制器112在線電壓的零交叉附近，在線電壓的每個半周期，測量電容C3上的電壓VC3。測量到的電壓表示積分電容器C3所累積的電壓之和，它被通過一個簡單衰落時間而復(fù)位。因此，在其中進行每次測量的采樣周期的持續(xù)時間是從電弧放電事件出現(xiàn)開始持續(xù)大概一個衰落時間。
在替換實施方式中，微控制器112在線電壓的每半周期測量積分電容器C3上的電壓VC3多次。例如，微控制器112可在線電壓的絕對值所確定的時刻，每半周期測量電壓VC3兩次，并且在每次測量后復(fù)位所述電容器C3到0伏。特別地，微控制器112在對應(yīng)于每個半周期的兩個預(yù)定區(qū)域的時刻測量電壓VC3，微控制器112然后通過在每個預(yù)定區(qū)域的開始首先復(fù)位電容器C3到0V而求和這些測量值，然后在每個區(qū)域的結(jié)束測量電容電壓。在優(yōu)選實施方式中，每半周期的兩次電壓測量都是在靠近線電壓零交叉處進行，即，在正好零交叉之前進行一次測量，在正好零交叉之后進行另一次測量。
在當前披露的實施方式中，微控制器112的管腳9在微控制器112內(nèi)連接到一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC將在積分電容器C3上得到的模擬電壓測量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)，從而使得微控制器112可以將測量數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部存儲器中。在每次測量之后，微控制器112將管腳9短路到地，以準備電容器C3來為下個采樣周期積分電流。另外，微控制器112的管腳10連接至運算放大器116的輸出端，運算放大器116直接提供了一個脈沖計數(shù)器信號到微控制器112的管腳13。微控制器112使用一個內(nèi)部計數(shù)器來監(jiān)視脈沖計數(shù)器信號以跟蹤信號內(nèi)的出現(xiàn)的脈沖。然后，微控制器112存儲與測量電壓及監(jiān)視脈沖相關(guān)的數(shù)據(jù)，并使用一種或多種算法來處理數(shù)據(jù)，以確定電壓/脈沖是由電弧放電故障還是有害負載產(chǎn)生。
電弧故障檢測裝置100還包括復(fù)位電路110，它包括電容器C4、電阻器R8-R10、齊納二極管D8、和電鈕PB1，電鈕PB1用于連接線相位到微控制器112的管腳12。在所示實施方式中，串聯(lián)電阻器R9-R10和連接在管腳12和地之間的電阻器R8將線電壓和線電流減小到適用于微控制器112的水平。盡管TI MSP430F1122微控制器包括內(nèi)部保護二極管，但齊納二極管D8連接在管腳12和地之間提供了冗余電壓限制。電容器C4連接在管腳12和地之間以濾除高頻噪聲。當電鈕PB1被激活以啟動一個測試時，微控制器112在管腳10提供一個具有增加的脈沖寬度的傳感測試信號。結(jié)果，隨著脈沖寬度的增加，微控制器112通過電阻器R3將遞增電壓施加于電容器C2，從而產(chǎn)生各種電壓下的模擬的電弧放電。
如圖1b所示，起動電路108包括電容器C5-C7、電阻器R11-R12、二極管D9、和可控硅整流器(SCR1)。更具體地，電容器C7連接在SCR1的陽極和陰極之間，電容器C6和電阻器R12連接在SCR1的柵極和陰極之間以防止由顯著的dv/dt事件引起的SCR1的無意的導(dǎo)通。電容器C5串聯(lián)在微控制器112的管腳14和限流電阻器R11之間以防止電源的過多損耗。電機接口117包括由二極管D12-D15構(gòu)成的二極管電橋、螺線管118、和連接在線中性和線相位終端以防止過高的線電壓的金屬氧化變阻器(MOV1)。二極管D9連接在二極管電橋D12-D15和SCR1的陽極之間。二極管D9將電容器C7與包括連接至微控制器112的管腳8的電阻R16-R17和電容器C8的監(jiān)視電路的線電壓隔離。因此，當SCR1導(dǎo)通時，SCR1從二極管電橋D12-D15吸收遞增的電流，近似等于所述線電壓的電壓電平使螺線管118斷開，以將功率輸出與負載斷開。
在所示實施方式中，電源106包括電阻器R13-R20、電容器C8-C10、和二極管D10-D11。串聯(lián)電阻R13-R15限制了提供給齊納二極管D11的電流量。如圖1b所示，電阻器R20連接在二極管D10和齊納二極管D11的連接點和微控制器112的正向電源Vcc(管腳2)之間。二極管D10阻止了來自電容器C9的反向電流，電容器C9連接在二極管D10-D11的連接點與地之間。并且，連接在微控制器112的管腳2與地之間的電容器C10為微控制器112提供了電壓Vcc。串聯(lián)電阻R16-17連接在電阻器R14-R15的連接點和地之間。并且，連接在電阻器R16-R27的連接點和地之間的電容器C8為微控制器112的管腳8提供了參考電壓(VREF)。參考電壓VREF與二極管電橋D12-D15的電壓成比例，近似等于線電壓的絕對值。在當前披露的實施方式中，微控制器112通過VREF監(jiān)視線電壓，并基于監(jiān)視的線電壓確定什么時候執(zhí)行電容器C3上的電壓的測量。在一個替換實施方式中，微控制器112可監(jiān)視數(shù)字定時器的輸出，并基于定時器輸出執(zhí)行積分電容器C3上的電壓測量。
如上所述，微控制器112使用一種或多種算法，通過處理存儲電壓/脈沖數(shù)據(jù)來確定電弧放電事件的發(fā)生。下面將參考圖1b和2描述一種操作電弧故障檢測裝置100的方法，它使用一種三周期算法(TCA)以減小有害負載上跳閘的發(fā)生。如步驟202中所述，積分電容器C3被復(fù)位到0伏，并且微控制器112中的所有標志被初始化。步驟206-209形成了一個子例程，其中該方法連續(xù)循環(huán)，直到在微控制器112的管腳8處監(jiān)視的參考電壓VREF超過一個預(yù)定值samp_hi，然后下降到低于一個選擇值sample1，從而定義了線電壓的零交叉附近的采樣或測量點。然后如步驟214中所述，在微控制器112的管腳9處，進行電容器C3上的電壓的測量，之后電容器C3被復(fù)位到0伏。接著，如步驟216中所述，判斷電鈕PB1是否被激活。在電鈕PB1被激活的情況下，如步驟220中所述，類似電弧的噪聲通過連接至微控制器112的管腳10的電阻器R3被注入到電容器C2中，隨著在線電壓的多個半周期中注入的足夠的噪聲并且在如下所述的步驟240中被TCA處理，將引起螺線管118以與在負載電流中檢測到電弧相同的方式斷開。
在優(yōu)選實施方式中，因為需要一個最小電壓來維持電弧，如大約15伏，一個典型的高至50伏的窗口被選擇來進行電壓測量，以考慮線電流和線電壓間的相位差。線電壓零交叉附近的這個窗口捕獲相對較小的電弧，所述電弧通常在零交叉附近產(chǎn)生或消除。
接著，如步驟234中所述，電壓測量被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式并被壓到微控制器112中的棧中以保持測量數(shù)據(jù)的歷史。在當前披露的實施方式中，連續(xù)電壓測量值被作為字(word)記入到棧中。然后如步驟240中所述，TCA被執(zhí)行。具體地，計算周期1(如V[n-1])的字減去周期2(如V[n])的字取絕對值以獲得第一計算值，計算周期3(如V[n+1])的字減去周期2(如V[n])的字取絕對值以獲得第二計算值，計算周期3(如V[n+1])的字減去周期1(如V[n-1])的字取絕對值以獲得第三計算值。然后計算第一值加第二值減第三值并取絕對值。因此在步驟240中執(zhí)行的TCA可表示為TCA＝|(|V[n-1]-V[n]|+|V[n+1]-V[n]|-|V[n+1]-V[n-1]|)|(3)應(yīng)該理解，在公式(3)中最外層的絕對值符號對不是嚴格必須的，但還是被包含以強調(diào)需要避免在TCA執(zhí)行過程中發(fā)生最低有效位(LSB)誤差。注意，TCA中使用的相鄰的全周期1-3可以或不可以重疊。如果這三個周期不重疊，則需要六個半周期來執(zhí)行TCA。如果這三個周期重疊，則TCA僅需要四個半周期。
接著，TCA計算的至少一個連續(xù)運行和被保持，如步驟244中所述。TCA計算的每個運行和表示在各個采樣周期中出現(xiàn)的電弧放電的總量。在采樣周期的結(jié)尾，如步驟246中所述，判斷所述運行和是否超過了預(yù)定的最大門限值max_limit。在所述運行和的值超過max_limit的情況下，檢測出電弧故障，并且如步驟248中所述，SCR1被起動以將功率輸出與負載斷開。在優(yōu)選實施方式中，SCR1被起動三次以保證起動(firing)，即使線電壓有短暫中斷。在當前披露的實施方式中，具有選擇寬度(如30μs)的脈沖被提供給SCR1。然后該方法循環(huán)回步驟202，以準備積分電容器C3用于下面的電壓測量。
已經(jīng)描述了上面的示意性實施方式，但也可以做出其它替換實施方式或變體。例如，描述了電弧感測電路104(見圖1b)包括運算放大器116和電阻器R5-R6，它們形成了非反相放大器105。圖3描述了一個可替換非反相放大器105使用的比較器電路105a。如圖3中所示，比較器電路105a包括一個比較器120、電阻器R30-32、二極管D7、和電容器C3。更具體地，電阻器R30-31形成了一個偏壓比較器的反向輸入的分壓器。當輸入感測電路102提供給比較器120的非反向輸入的信號的電平超過比較器120的反向輸入端的電平，比較器120通過電阻R32以正比于(R32)*(C3)的速率對電容器C3充電。注意，電容器C3持續(xù)對電容器C3充電，只要比較器120的非反向輸入端的信號電平保持大于Vcc*[R31/(R30+R31)]。因此，每次在比較器電路105a的輸入端檢測到負載電流中的有效變化時(即，每次發(fā)生顯著di/dt事件時)，比較器的輸出被驅(qū)動到它的正軌跡，從而生成一個脈沖用于通過二極管D7和電阻R7對電容器C3充電。
在當前披露的實施方式中，微控制器112可操作執(zhí)行第一脈沖計數(shù)器算法以在每半個周期內(nèi)計算比較器電路105a(或非反相放大器105)的輸出被驅(qū)動為高的次數(shù)。由于電弧放電的通常的無序特性，電弧故障一般在線電壓的每半周期內(nèi)產(chǎn)生可變數(shù)目的電弧放電事件。相反，有害負載一般在每半周期內(nèi)中產(chǎn)生相同數(shù)目的電弧放電事件，因此會在多個半周期內(nèi)產(chǎn)生周期性的電弧放電事件。這些信息可被用于在正常操作條件下抑制有害跳閘，并且當檢測到電弧故障時允許發(fā)生跳閘。更具體地，比較器電路105a為微控制器112的管腳13提供了脈沖計數(shù)器信號，微控制器112在第一脈沖計數(shù)器算法執(zhí)行中使用該信號。在每個半周內(nèi)，每次當比較器電路105a的輸出被驅(qū)動為高時，如脈沖計數(shù)器信號的電平所示，微控制器112內(nèi)的數(shù)字計數(shù)器被增加。當電容器C3被微控制器112復(fù)位時，計數(shù)器值被存儲在微控制器112內(nèi)，第一脈沖計數(shù)器算法被執(zhí)行。在當前披露的實施方式中，微控制器112執(zhí)行第一脈沖計數(shù)器算法來確定存儲在微控制器112內(nèi)存儲的一個或多個測量數(shù)據(jù)集中的預(yù)定數(shù)目的數(shù)據(jù)元素的周期。例如，在存儲的計數(shù)器值等于4的情況下，第一脈沖計數(shù)器算法可被用于確定至少一個測量數(shù)據(jù)集中的1-4個數(shù)據(jù)元素的周期。
下面將參考圖4a描述第一脈沖計數(shù)器算法的操作。如步驟402中所述，該脈沖計數(shù)器算法在具有相同第一數(shù)據(jù)值k的一個測量數(shù)據(jù)集中搜索預(yù)定數(shù)目的數(shù)據(jù)元素。然后如步驟404中所述，分析整個測量數(shù)據(jù)集以確定具有零(0)值的數(shù)據(jù)元素的存在，以確定具有第一數(shù)據(jù)值(k)的附加數(shù)據(jù)元素的存在，以及確定具有不同于第一數(shù)據(jù)值的第二數(shù)據(jù)值(j)的數(shù)據(jù)元素的存在。接著，如步驟406中所述，數(shù)據(jù)集被映射。例如，典型數(shù)據(jù)集可包括一個具有零值的第一數(shù)據(jù)元素，一個具有第一值3的第二數(shù)據(jù)元素，一個具有相同第一值3的第三數(shù)據(jù)元素，和一個具有不同的第二值2的第四數(shù)據(jù)元素，因此可被映射到
。接著，如步驟408中所述，做出判斷以確定映射數(shù)據(jù)集是否與表示多個電弧放電事件的周期性的多個預(yù)定數(shù)據(jù)集中的至少一個相匹配。如上所述，有害負載一般產(chǎn)生周期性電弧放電事件，而電弧故障產(chǎn)生的電弧放電事件一般是非周期的。此外，特定的啟動和關(guān)閉情況可能類似于周期性電弧放電事件。圖5示出了表示周期性電弧放電事件的多個數(shù)據(jù)集的一個示意性映射。例如，上述的典型映射
不與圖5中所示的任何數(shù)據(jù)集匹配。在此情況下，脈沖計數(shù)器不被認為是處于“活動”(N)，跳閘是被允許的。在產(chǎn)生匹配的情況下，如步驟410中所述，脈沖計數(shù)器被認為是處于“活動”(Y)，跳閘被抑制，從而減少了正常操作條件下的有害跳閘的出現(xiàn)。例如，可通過增加預(yù)定最大門限值max_limit和/或上述三周期算法(TCA)所使用的其它適合的常量和/或系數(shù)來抑制跳閘。應(yīng)該理解，可適當?shù)匦薷腡CA所使用的常量和/或系數(shù)以在檢測到顯著電弧故障時使能跳閘。
如上所述，第一脈沖計數(shù)器算法包括確定映射數(shù)據(jù)集是否與表示電弧放電事件的周期性的至少一個預(yù)定數(shù)據(jù)集匹配。在一個替換實施方式中，還可以判斷映射數(shù)據(jù)集是否與表示數(shù)據(jù)歷史記錄中的非顯著事件(如噪聲)的一個或多個預(yù)定數(shù)據(jù)集匹配。例如，這種數(shù)據(jù)集可被映射為
，如果不是因為該映射中的單個“j”元素，則也可以表示周期性。出現(xiàn)這種匹配時，通過抑制跳閘，一定程度的噪聲濾波可被集成到第一脈沖計數(shù)器算法中。
在當前披露的實施方式中，第二脈沖計數(shù)器算法也被執(zhí)行以捕獲與一個或多個電弧放電(arcing)事件相關(guān)的定時信息。下面將參考圖4b描述第二脈沖計數(shù)器算法。如步驟414中所述，微控制器112中的計數(shù)器用于跟蹤在采樣周期內(nèi)電弧放電事件發(fā)生所需的時間量。例如，該計數(shù)器可用于測量從采樣周期開始到在采樣周期內(nèi)電弧放電事件發(fā)生的時間。然后如步驟416中所述，存儲若干采樣周期內(nèi)的多個測量時間值以提供電弧放電事件的時間的歷史記錄。接著，如步驟418中所述，分析該時間歷史記錄以確定電弧放電時間的隨機性。然后如步驟420中所述，做出判斷以確定電弧放電事件是否出現(xiàn)在每個采樣周期內(nèi)的基本相同的時間。在電弧放電事件出現(xiàn)在每個采樣周期內(nèi)的基本相同的時間的情況下，電弧放電被認為是由有害負載引起的，跳閘被抑制，如步驟422中所述。應(yīng)該理解，上述三周期算法所使用的常量/系數(shù)可被適當修改以基于通過第二脈沖計數(shù)器算法獲得的電弧放電時刻的歷史記錄來抑制和/或使能跳閘。
TCA也可以被表示為TCA＝|(|V[n-1]-V[n]|+|V[n+1]-V[n]|-|V[n+1]-V[n-1]|(見公式(3))。但是，公式(3)提供了對單個電弧放電相對平坦的響應(yīng)。為了獲得脈沖特性的對單個電弧放電事件的響應(yīng)，修改后的TCA可表示為Knob_TCA＝TCA_1+(knob)*TCA_2，(6)其中，“TCA_1”由公式(3)表示，“knob”是一個常量，“TCA_2”表示為TCA_2＝|V[n-1]-2*V[n]+V[n+1]|，(7)其中，V[n-1]代表對應(yīng)于線電壓的第一周期的第一電壓測量值，V[n]代表對應(yīng)于線電壓的第二周期的第二電壓測量值，V[n+1]代表對應(yīng)于線電壓的第三周期的第三電壓測量值。注意，對單個電弧放電事件，TCA_2提供了更多的脈沖響應(yīng)。在上面的公式(6)中，可以調(diào)節(jié)knob常量(例如，可以設(shè)置knob常量為1/8或其它適合值)以提供可變數(shù)量的脈沖響應(yīng)。
也描述過，三周期算法(TCA)的最終和被加入到TCA計算的連續(xù)運行和之中，TCA計算的連續(xù)運行和表示在采樣周期內(nèi)出現(xiàn)的電弧放電的總數(shù)目。在每個采樣周期的最后，運行和被與預(yù)定最大門限值max_limit比較，如果所述門限被超過，則起動SCR1。在替換實施方式中，為了進一步避免有害跳閘，微控制器112(見圖1)執(zhí)行電弧放電事件計數(shù)器算法，以計數(shù)運行和中包括的電弧放電事件的數(shù)目。
下面將參考圖6描述電弧放電事件計數(shù)器算法。如步驟S602中所述，測量電容器C3上的電壓。接著，如步驟S604中所述，做出判斷確定測量到的電壓值是否超過第一預(yù)定門限值。如果測量到的電壓值超過了第一門限值，則增加微控制器112中的第一事件計數(shù)器，如步驟S606中所述。接著，如步驟S608中所述，可選地做出至少一個第二判斷以確定測量電壓值是否超過了第二預(yù)定門限值。如果測量到的電壓值超過了第二門限值，則增加微控制器112中的第二事件計數(shù)器，如步驟S610中所述。接著，如步驟612中所述，用至少一種算法(如上述TCA)處理電容器C3上電壓的測量值。在優(yōu)選實施方式中，隨后電壓測量被加入到電壓測量值的第一和第二運行和中。例如，電壓測量值的第一運行和可對應(yīng)于短采樣周期，其中在短周期時間內(nèi)監(jiān)視大電壓尖峰信號，電壓測量值的第二運行和可對應(yīng)于長采樣周期，其中在較長周期時間內(nèi)監(jiān)視較小的電壓尖峰信號。如步驟614中所述，做出判斷以確定第一運行和(運行和1)是否超過了第一預(yù)定跳閘門限(跳閘門限1)。在第一運行和的值超過第一跳閘門限值的情況下，如步驟616中所述，做出判斷以確定第一事件計數(shù)器(事件計數(shù)器1)的輸出是否超過了第一預(yù)定最小數(shù)目個事件(最小事件1)。在第一事件計數(shù)器的輸出超過了第一數(shù)目個事件的情況下，如步驟622中所述，跳閘發(fā)生以斷開功率輸出與負載。如步驟618中所述，做出判斷以確定第二運行和(運行和2)是否超過了第二預(yù)定跳閘門限(跳閘門限2)。在第二運行和的值超過第二跳閘門限值的情況下，如步驟620中所述，做出判斷以確定第二事件計數(shù)器的輸出(事件計數(shù)器2)是否超過了第二預(yù)定最小數(shù)目個事件(最小事件2)。在第二事件計數(shù)器的輸出超過了第二數(shù)目個事件的情況下，如步驟622中所述，跳閘發(fā)生以斷開功率輸出與負載。因此，如果第一事件計數(shù)器的輸出超過了第一預(yù)定計數(shù)數(shù)目，或者第二事件計數(shù)器的輸出超過了第二預(yù)定計數(shù)數(shù)目，則跳閘發(fā)生。否則，跳閘不發(fā)生。
這樣，避免了由例如噪聲開關(guān)信號引起的有害跳閘。盡管這種噪聲信號可導(dǎo)致較大的電壓測量值，但它們不一定表示電弧放電。通過監(jiān)視測量電壓的運行和的電平，并且通過跟蹤包含在運行和中的電弧放電事件的數(shù)目，包括若干半周期的電弧放電事件的電弧放電可被更可靠地檢測到，而僅包括有限數(shù)目電弧放電事件的有害負載可被更安全地忽略。
也描述過，微控制器112提供VREF監(jiān)視線電壓，并基于監(jiān)視的線電壓確定什么時間執(zhí)行電容器C3上的電壓測量。在正常操作條件下，這些電壓測量值間的時間是規(guī)律的和周期性的。但是，在高電流電弧放電條件下，由于臨時硬短路引起的線電壓降，VREF信號會降低。如果微控制器112在線電壓的半周期上尋找特定的電壓點，則這種電壓降會引起一個無意的或較早的命令來測量。另外，在這種電弧放電過程中，積分電容器C3上的電壓一般超常的高。在正常線壓降(或變暗)的過程中，微控制器可找到一個假設(shè)的測量點，但是在電容器C3上可能沒有異常電壓。相反，在高電流電弧放電條件下，可找到一個假設(shè)的測量點，并且在電容器C3上檢測到極高的電壓。因此，為了檢測高電平電弧放電，微控制器112的作用是測量測量點之間的時間。在找到早期的測量點并且檢測到極大的電容器電壓VC3的情況下，微控制器激活起動電路108，從而斷開螺線管118以斷開功率輸出和負載。
也描述過，微控制器112(見圖1)可以每兩個半周期測量電容器C3上的電壓，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電壓測量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，存儲測量的電壓數(shù)據(jù)，當測量完成時對電容器C3放電。注意，電容器C3上的電壓表示非反相放大器105提供的信號的積分。在一個替換實施方式中，微控制器112中的數(shù)字計數(shù)器被用作一個累加器來有效地對非反相放大器105的輸出進行積分，從而不需要積分電容器C3和ADC。
在該替換實施方式中，使用比較器電路105a或105b來替換非反相放大器105，比較器電路的數(shù)字輸出被直接提供給微控制器112以遞增內(nèi)部計數(shù)器。并且，采樣周期被定義為具有對應(yīng)于線電壓的一個或多個半周期的一個持續(xù)時間。下面將參考圖7描述微控制器112以及用于對比較器電路105a的輸出進行積分的內(nèi)部計數(shù)器的操作。如步驟702中所述，在采樣周期的開始計數(shù)器被復(fù)位。接著，如步驟704中所述，做出判斷以確定比較器電路105a的輸出是否是激活的，從而指示電弧放電的存在。在比較器電路的輸出是激活的情況下，計數(shù)器被啟動，如步驟706中所述。然后如步驟708中所述，做出判斷以確定比較器電路105a的輸出是否成為不激活的，指示電弧放電的結(jié)束。在電弧放電已經(jīng)結(jié)束的情況下，該方法進行到步驟712。否則，如步驟710中所述，做出判斷以確定是否到達采樣周期的結(jié)尾。在已到達采樣周期的末尾的情況下，該方法進入步驟712。否則，該方法返回步驟708。接著，計數(shù)器的輸出值被存儲，如步驟712中所述。在上述電弧檢測算法中，存儲的計數(shù)器輸出(表示比較器電路105a的輸出的積分)隨后被用來代替積分電容器C3上的電壓測量值。
參考圖1b和圖8示出了一種用于操作使用脈沖計數(shù)器算法、三周期算法(TCA)和電弧放電事件計數(shù)器算法的電弧故障檢測裝置100的方法。如步驟802中所述，積分電容器C3被復(fù)位到0伏。接著，如步驟804中所述，做出判斷以確定是否檢測到測量的初期命令。例如，微控制器112可檢測到這種初期命令以執(zhí)行電壓測量，如果VREF信號由于線電壓降而降低。在檢測到初期測量并且測量到電容器C3上的極大電壓的情況下，如步驟824中所述，檢測到電弧故障，并且斷開螺線管118以斷開功率輸出與負載。否則，如步驟806中所述，微控制器112監(jiān)視VREF信號并且等待采樣或測量點的到來。當測量點到達后，如步驟808中所述，測量積分電容器C3上的電壓，之后電容器C3被復(fù)位到0伏。接著，如步驟810中所述，微控制器112監(jiān)視電弧感測電路104提供的脈沖計數(shù)器信號，并存儲采樣周期內(nèi)出現(xiàn)的脈沖計數(shù)數(shù)目。此外，如步驟812中所述，微控制器112將積分電容器的電壓測量值存儲在歷史數(shù)據(jù)存儲庫(如一個棧)中。然后如步驟814中所述，使用上述脈沖計數(shù)器算法分析存儲的脈沖計數(shù)信息。接著，如步驟816中所述，使用存儲的電壓測量數(shù)據(jù)的歷史記錄執(zhí)行三周期算法(TCA)，最終的TCA計算結(jié)果被加入到至少一個運行和中。然后如步驟818中所述，調(diào)整微控制器112中的一個或多個事件計數(shù)器，并使用上述電弧放電事件計數(shù)器算法分析電壓測量值。然后如步驟820中所述，做出判斷以確定一個或多個事件計數(shù)器是否超過了電弧放電事件的預(yù)定最小數(shù)目。如果事件計數(shù)器超過了電弧放電事件的預(yù)定最小數(shù)目，如步驟822中所述，做出另一個判斷以確定TCA運行和是否超過了預(yù)定的跳閘門限值。在TCA運行和超過了預(yù)定跳閘門限值的情況下，如步驟824中所述，檢測到電弧故障，斷開螺線管118以斷開功率輸出和負載。
如上所述，電弧故障檢測裝置100(見圖1a-1b)可使用當前披露的脈沖計數(shù)器算法、三周期算法(TCA)、電弧放電事件計數(shù)器算法，以減少有害跳閘的發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明，通過執(zhí)行一個或多個附加算法，電弧故障檢測裝置100還可進一步減少有害跳閘的發(fā)生，在這些附加算法中，在特定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量電弧感測電路104所提供的多個電壓電平，隨后基于準則進行分析，所述準則是例如測量到的電平超過指定最小值的連續(xù)周期的數(shù)目，測量到的電平呈現(xiàn)連續(xù)較低或較高值的連續(xù)周期的數(shù)目，和/或一個或多個測量到的電平是否落入預(yù)定的值范圍之外。
參考下面的示意性實施例，可以更好的理解電弧故障檢測裝置100(見圖1a-1b)所執(zhí)行的用于減少有害跳閘的發(fā)生的這些附加算法。在每一個示意性實施例中，電流傳感器101監(jiān)視包含交流電流(AC)的功率輸入，并向輸入感測電路102提供AC電流的高頻分量。接著，輸入感測電路102對其輸入端的該AC信號進行濾波和整流，并向電弧感測電路104提供整流后的信號，然后電弧感測電路104向微控制器112提供多個電壓電平。電弧感測電路104提供給微控制器112的每一個電壓電平對應(yīng)于積分電容器C3上的一個電壓，并可以表示特定時間周期內(nèi)積分電容器C3所積累的電壓和。微控制器112測量每個電壓電平，存儲與測量的電壓電平相關(guān)的信息，并使用一種或多種這些附加算法來處理存儲信息，以確定AC電流的高頻分量是由電弧故障還是有害負載引起。在高頻AC電流分量是由電弧故障引起的情況下，微控制器112激活起動電路108以斷開電機接口117，從而中斷了到負載的功率輸出。
在第一示意性實例中，微控制器112在預(yù)定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量積分電容器C3上的多個電壓。圖9示出了在四個連續(xù)時間周期內(nèi)出現(xiàn)的四個這種電壓。更具體地，在時間周期t1到t3內(nèi)出現(xiàn)第一電壓，在時間周期t3到t5內(nèi)出現(xiàn)第二電壓，在時間周期t5到t7內(nèi)出現(xiàn)第三電壓，在時間周期t7到t9內(nèi)出現(xiàn)第四電壓。在第一實施例中，積分電容器C3分別在第一、第二、第三、第四時間周期內(nèi)的在時刻t2、t4、t6、t8被復(fù)位。例如，微控制器112可在這四個連續(xù)時間周期的每一個內(nèi)執(zhí)行單個電壓電平的測量，或者每個時間周期內(nèi)的多個電壓電平測量。此外，這四個連續(xù)時間周期的每一個可對應(yīng)于線電壓的半個周期，或者其它任何適合的恒定的或可變的時間周期。接著，微控制器112確定測量的電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目。如圖9中所示，在該第一所示實施例中，對應(yīng)于四個連續(xù)時間周期的所有四個電壓都超過了指定最小值。在測量的電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目大于或等于預(yù)定門限的情況下，微控制器112激活起動電路108以斷開電機接口117，這中斷了到負載的功率輸出。因此，在該第一實施例中，如果預(yù)定門限等于四，則微控制器112將激活起動電路108以中斷到負載的功率輸出。在此情況下，AC線電流的高頻分量將被認為是由電弧故障引起的。
注意，在該第一示意性實例中，如果測量的電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目小于四，則將阻止斷開電機接口117。在此情況下，AC線電流的高頻分量將被認為是由有害負載引起的。應(yīng)該理解，可以通過適當?shù)剡x擇測量電壓電平的指定最小值、以及測量電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的特定數(shù)目，來獲得用于減少有害跳閘的發(fā)生的所需的性能等級。此外，可以修改積分電容器C3與微控制器112的耦合和/或積分電容器C3的充電定時，以進一步提高電弧故障檢測裝置100的性能。
在第二示意性實施例中，微控制器112也在特定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量積分電容器C3上的多個電壓。圖10a示出了在六個連續(xù)時間周期內(nèi)出現(xiàn)的六個這種電壓。更具體地，在時間周期t1到t3內(nèi)出現(xiàn)第一電壓，在時間周期t3到t5內(nèi)出現(xiàn)第二電壓，在時間周期t5到t7內(nèi)出現(xiàn)第三電壓，在時間周期t7到t9內(nèi)出現(xiàn)第四電壓，在時間周期t9到t11內(nèi)出現(xiàn)第五電壓，在時間周期t11到t13內(nèi)出現(xiàn)第六電壓。在該第二實施例中，積分電容器C3分別在第一、第二、第三、第四、第五、第六時間周期內(nèi)的在時刻t2、t4、t6、t8、t10、t12被復(fù)位。接著，微控制器112確定電壓電平呈現(xiàn)連續(xù)較低或遞減值的連續(xù)時間周期的數(shù)目。如圖10a所示，在該第二示意性實施例中，對應(yīng)于六個連續(xù)時間周期的所有六個電壓呈現(xiàn)連續(xù)較低或遞減值。在測量的電壓電平具有遞減值的連續(xù)時間周期的數(shù)目大于或等于預(yù)定門限的情況下，阻止斷開電機接口117。因此，在該第二實施例中，如果預(yù)定門限等于六，則微控制器112阻止斷開電機接口117。在此情況下，AC線電流的高頻分量被認為是由有害負載引起的。
注意，在第二示意性實施例中使用的算法可與上述第一示意性實施例中使用的算法一起使用，以進一步減少有害跳閘的發(fā)生。例如，如果(1)根據(jù)第一算法，測量的電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目大于或等于預(yù)定門限，并且(2)根據(jù)第二算法，對應(yīng)于所述連續(xù)時間周期的所有電壓呈現(xiàn)連續(xù)較低值，則微控制器112禁止斷開電機接口117，因為這種狀態(tài)可能指示是有害負載。應(yīng)該理解，通過適當?shù)剡x擇測量的電壓電平具有遞減值的連續(xù)時間周期的特定數(shù)目，可以獲得用于減少有害跳閘的發(fā)生的所需要的性能等級。
在第三示意性實施例中，微控制器也在特定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量積分電容器C3上的多個電壓。圖10b示出了在六個連續(xù)時間周期內(nèi)出現(xiàn)的六個這種電壓。更具體地，在時間周期t1到t3內(nèi)出現(xiàn)第一電壓，在時間周期t3到t5內(nèi)出現(xiàn)第二電壓，在時間周期t5到t7內(nèi)出現(xiàn)第三電壓，在時間周期t7到t9內(nèi)出現(xiàn)第四電壓，在時間周期t9到t11內(nèi)出現(xiàn)第五電壓，在時間周期t11到t13內(nèi)出現(xiàn)第六電壓。在該第三實施例中，積分電容器C3分別在第一、第二、第三、第四、第五、第六時間周期內(nèi)的在時刻t2、t4、t6、t8、t10、t12被復(fù)位。接著，微控制器112確定電壓電平呈現(xiàn)連續(xù)較高或遞增值的連續(xù)時間周期的數(shù)目。如圖10b所示，在該第三示意性實施例中，對應(yīng)于六個連續(xù)時間周期的所有六個電壓呈現(xiàn)連續(xù)較高或遞增值。在測量的電壓電平具有遞增值的連續(xù)時間周期的數(shù)目大于或等于預(yù)定門限的情況下，阻止斷開電機接口117。因此，在該第三實施例中，如果預(yù)定門限等于六，則微控制器112阻止斷開電機接口117。在此情況下，AC線電流的高頻分量被認為是由有害負載引起的。
注意，與上述第二示意性實施例中使用的算法相同，在第三示意性實施例中使用的算法可與第一示意性實施例中使用的算法一起使用，以進一步減少有害跳閘的發(fā)生。例如，如果(1)根據(jù)第一算法，測量到的電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目大于或等于預(yù)定門限，并且(2)根據(jù)第三算法，對應(yīng)于所述連續(xù)時間周期的所有電壓呈現(xiàn)連續(xù)較高值，則微控制器112禁止斷開電機接口117，因為這種條件可能指示是有害負載。應(yīng)該理解，通過適當?shù)剡x擇測量電壓電平具有遞增值的連續(xù)時間周期的特定數(shù)目，可以獲得用于減少有害跳閘的發(fā)生的預(yù)期性能等級。還應(yīng)該理解，第三實施例中使用的算法可與第二實施例中使用的算法一起使用，在該情況下，微控制器112確定電壓電平呈現(xiàn)連續(xù)較高值的連續(xù)時間周期的數(shù)目，確定電壓電平呈現(xiàn)連續(xù)較低值的連續(xù)時間周期的數(shù)目，并且基于所確定的連續(xù)時間周期的數(shù)目是否超過一個或多個預(yù)定門限來采取恰當?shù)男袆?即，斷開電機接口117，或者禁止斷開電機接口117)。
在第四示意性實施例中，微控制器112也在預(yù)定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量積分電容器C3上的多個電壓。圖11示出了在四個連續(xù)時間周期內(nèi)出現(xiàn)的四個這種電壓。更具體地，在時間周期t1到t3內(nèi)出現(xiàn)第一電壓，在時間周期t3到t5內(nèi)出現(xiàn)第二電壓，在時間周期t5到t7內(nèi)出現(xiàn)第三電壓，在時間周期t7到t9內(nèi)出現(xiàn)第四電壓。在第四實施例中，積分電容器C3分別在第一、第二、第三、第四時間周期內(nèi)的在時刻t2、t4、t6、t8被復(fù)位。接著，微控制器112確定在這四個連續(xù)時間周期內(nèi)測量到的電壓電平中是否有一個或多個落到預(yù)定正常值范圍之外。如圖11所示，在該第四示意性實施例中，四個電壓電平中的一個，更具體地是在時間周期t7到t9中出現(xiàn)的第四個電壓，落到了預(yù)定正常范圍之外。在此情況下，AC線電壓的高頻分量被認為是由例如高電平或并聯(lián)電弧放電、線噪聲、電路故障、或有害負載引起的。盡管時間周期t7到t9內(nèi)的電壓電平異常的高，也阻止斷開電機接口117，因為一般可通過二極管校正電容器或電橋或者任何其它適合的輸出限制、約束或限幅電路，或者任何適合的范圍檢查技術(shù)，來控制這種高電壓電平。在一個實施方式中，在檢測到一個異常高電壓電平后，微控制器112操作斷開電機接口117以斷開所述功率輸出與所述負載。
注意，與上述第二和第三示意性實施例中使用的算法相同，在第四示意性實施例中使用的算法可與第一示意性實施例中使用的算法一起使用，以進一步減少有害跳閘的發(fā)生。例如，如果在四個連續(xù)時間周期內(nèi)檢測到一個單個異常高電壓電平，則微控制器112可基于第一實施例中所使用的算法是否在這四個連續(xù)時間周期內(nèi)檢測到一個電弧故障，來斷開或禁止斷開電機接口117。此外，第四實施例中所使用的算法可與上述第二和第三實施例中使用的算法一起使用。應(yīng)該理解，通過適當選擇監(jiān)視到測量電壓中的異常高電平的連續(xù)時間周期的特定數(shù)目，可以獲得用于減少有害跳閘的發(fā)生的所需要的性能等級。
下面參考圖1b和12描述用于操作包括上述示意性實施例中所使用的算法的電弧故障檢測裝置100的示意性方法。如步驟1202中所述，處理單元112分別在特定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量電弧感測電路104提供的多個電壓電平。注意，在該示意性操作方法中，電弧感測電路104提供的電壓電平表示至少一個電弧放電事件。接著，處理單元112做出判斷以確定至少一個電弧感測電路104提供的電壓電平是否落到預(yù)定值范圍之外，如步驟1204所述。在電弧感測電路104提供的至少一個電壓電平落到預(yù)定值范圍之外的情況下，通過適合的輸出限制電路或范圍檢查技術(shù)對電壓電平進行限制以使之落入預(yù)定范圍之內(nèi)，如步驟1206所述。此外，禁止斷開電機接口117，如步驟1208所述。然后，處理單元112確定電弧感測電路104提供的電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目，如步驟1210中所述。接著，處理單元112做出判斷以確定電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目是否大于或等于一個預(yù)定門限值，如步驟1212中所述。在電壓電平超過指定最小值的連續(xù)時間周期的數(shù)目小于預(yù)定門限的情況下，禁止斷開電機接口117，如步驟1208中所述。接著，處理單元112做出判斷以確定電弧感測電路104提供的電壓電平是否在預(yù)定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)呈現(xiàn)連續(xù)較低或較高值，如步驟1214所述。電壓電平在預(yù)定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)呈現(xiàn)連續(xù)較低或較高值的情況下，禁止斷開電機接口117，如步驟1208中所述。在此情況下，電弧放電事件被指定為電弧故障。否則，處理單元112激活起動電路108以斷開電機接口117，如步驟1216所述，從而中斷到負載的功率輸出。在此情況下，電弧放電事件被指定為有害情況。
注意，當前披露的電弧故障檢測裝置和方法可被用在任何適合的數(shù)字、模擬、或混合信號環(huán)境，以檢測和區(qū)分電弧故障和有害情況。例如，當前披露的裝置和方法可被用在電弧故障電路斷路器(AFCB)或者商用或軍用飛機內(nèi)的整體系統(tǒng)內(nèi)，以中斷到一個或多個保護電路的功率，和/或用以提供與飛機系統(tǒng)狀態(tài)和維護相關(guān)的較高等級的通信。當前披露的電弧故障檢測裝置和方法還可被用在任何其它適合的住宅、商業(yè)、工業(yè)、或軍事應(yīng)用中，用以在增加可靠性的情況下檢測和區(qū)分電弧故障和有害情況。
對于本領(lǐng)域中的一般技術(shù)人員是可以理解的，在不脫離本發(fā)明在此披露的概念的情況下，可進行對檢測特征為連續(xù)電弧放電周期的電弧故障的上述方法的進一步修改和改變。因此，本發(fā)明不應(yīng)該被認為是有限的，除非根據(jù)附屬權(quán)利要求的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種檢測電弧故障的方法，包括如下步驟感測與功率輸入相關(guān)的至少一個信號，該感測信號表示至少一個電弧放電事件；生成對應(yīng)于該至少一個感測信號的多個累積信號，所述多個累積信號中的每一個在各自時間周期內(nèi)生成；測量與各自時間周期內(nèi)生成的所述多個累積信號中的每一個相關(guān)的至少一個電平；確定與該累積信號相關(guān)的電平超過一個指定最小值的連續(xù)時間周期的第一數(shù)目；在所述連續(xù)時間周期的所述第一數(shù)目超過第一預(yù)定門限值的情況下，指定該至少一個電弧放電事件為電弧故障；否則，指定該至少一個電弧放電事件為有害情況。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述功率輸入被關(guān)聯(lián)到功率輸出，所述功率輸出可與負載耦合，并還包括如下步驟，在所述至少一個電弧放電事件被指定為電弧故障的情況下，斷開所述功率輸出與所述負載。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述功率輸入被關(guān)聯(lián)到功率輸出，所述功率輸出可與負載耦合，并還包括如下步驟，在至少一個電弧放電事件被指定為有害情況的情況下，維持從所述功率輸出到負載的連接。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測量步驟包括在每個連續(xù)時間周期內(nèi)測量各個累積信號的單個電平的步驟。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測量步驟包括在每個連續(xù)時間周期內(nèi)測量各個累積信號的多個電平的步驟。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生成步驟包括在線電壓的半周期內(nèi)生成多個累積信號中的每一個的步驟。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生成步驟包括在預(yù)定的恒定時間周期內(nèi)生成多個累積信號中的每一個的步驟。
8.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生成步驟包括在預(yù)定的可變時間周期內(nèi)生成多個累積信號中的每一個的步驟。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其中還包括下面的步驟，確定其間與所述累積信號相關(guān)的電平具有(i)連續(xù)較低值和(ii)連續(xù)較高值之一的連續(xù)時間周期的第二數(shù)目。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其中所述功率輸入被關(guān)聯(lián)到可與負載耦合的功率輸出，還包括以下步驟在所述連續(xù)時間周期的所述第二數(shù)目超過第二預(yù)定門限值的情況下，保持從所述功率輸出到所述負載的連接；否則，斷開所述功率輸出與所述負載。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第一預(yù)定門限值等于所述第二預(yù)定門限值。
12.權(quán)利要求1所述的方法，還包括下面的步驟，確定其間與所述累積信號相關(guān)的電平具有連續(xù)較低值的連續(xù)時間周期的第二數(shù)目，并確定其間與所述累積信號相關(guān)的電平具有連續(xù)較高值的連續(xù)時間周期的第三數(shù)目。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述功率輸入被關(guān)聯(lián)到可與負載耦合的功率輸出，還包括以下步驟在所述連續(xù)時間周期的所述第二和第三數(shù)目分別超過第二和第三預(yù)定門限值的情況下，保持從所述功率輸出到所述負載的連接；否則，斷開所述功率輸出與所述負載。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其中第一預(yù)定門限值等于第二和第三預(yù)定門限值中的至少一個。
15.權(quán)利要求13所述的方法，其中第二預(yù)定門限值等于第三預(yù)定門限值。
16.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述指定最小值落在預(yù)定值范圍內(nèi)，并且還包括確定在所述測量步驟中測量的電平中的至少一個是否落在所述預(yù)定值范圍之外的步驟。
17.權(quán)利要求16所述的方法，還包括下面的步驟，在所述測量步驟中測量的電平中的至少一個落在所述預(yù)定值范圍之外的情況下，限制所述累積信號的電平以使之落在所述預(yù)定值范圍內(nèi)。
18.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述功率輸入被關(guān)聯(lián)到可與負載耦合的功率輸出，還包括以下步驟在所述至少一個電弧放電事件被指定為有害情況、并且所述測量步驟中測量的電平中的至少一個落在所述預(yù)定值范圍之外的情況下，保持從所述功率輸出到所述負載的連接。
19.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述功率輸入被關(guān)聯(lián)到可與負載耦合的功率輸出，還包括以下步驟在所述測量步驟中測量的電平中的至少一個落在所述預(yù)定值范圍之外的情況下，斷開所述功率輸出與所述負載。
20.一種檢測電弧故障的方法，包括如下步驟感測與功率輸入相關(guān)的至少一個信號，該感測信號表示至少一個電弧放電事件，該功率輸入被關(guān)聯(lián)到可與負載耦合的功率輸出；生成對應(yīng)于該至少一個感測信號的多個累積信號，所述多個累積信號中的每一個在各自的時間周期內(nèi)生成；測量與在各自時間周期內(nèi)生成的所述多個累積信號中的每一個相關(guān)的至少一個電平；確定與所述累積信號相關(guān)的電平的特性是否是電弧故障；在與所述累積信號相關(guān)的電平的特征是電弧故障的情況下，確定與所述累積信號相關(guān)的電平具有(i)連續(xù)較低值和(ii)連續(xù)較高值中的至少一個的連續(xù)時間周期的至少一個數(shù)目；在所述連續(xù)時間周期的所述至少一個數(shù)目超過至少一個預(yù)定門限值的情況下，保持從所述功率輸出到所述負載的連接；否則，斷開所述功率輸出與所述負載。
21.一種用于檢測電弧故障的系統(tǒng)，包括輸入感測電路，被配置以感測與功率輸入相關(guān)的至少一個信號，該感測信號表示至少一個電弧放電事件；累積電路，被配置以生成對應(yīng)于該至少一個感測信號的多個累積信號，所述多個累積信號中的每一個在各自的時間周期內(nèi)生成；以及處理單元，被操作為測量與在各個時間周期內(nèi)生成的所述多個累積信號中的每一個相關(guān)的至少一個電平；確定與該累積信號相關(guān)的電平超過一個指定最小值的連續(xù)時間周期的第一數(shù)目；在所述連續(xù)時間周期的所述第一數(shù)目超過第一預(yù)定門限值的情況下，指定該至少一個電弧放電事件為電弧故障；否則，指定該至少一個電弧放電事件為有害情況。
22.權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，還包括一個可耦合至負載的功率輸出，和一個耦合在所述功率輸入和功率輸出之間的電機接口，其中在所述至少一個電弧放電事件被指定為電弧故障的情況下，該處理單元還操作為斷開該電機接口，從而斷開所述功率輸出與所述負載。
23.權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，還包括一個可耦合至負載的功率輸出，和一個耦合在所述功率輸入和功率輸出之間的電機接口，其中在所述至少一個電弧放電事件被指定為有害情況下的情況下，該處理單元還操作為禁止斷開該電機接口，從而保持從所述功率輸出到所述負載的連接。
24.權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中處理單元還操作為確定與所述累積信號相關(guān)的電平具有(i)連續(xù)較低值和(ii)連續(xù)較高值中的一個的連續(xù)時間周期的第二數(shù)目。
25.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中第一預(yù)定門限值等于第二預(yù)定門限值。
26.權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，還包括一個可耦合至負載的功率輸出，和一個耦合在所述功率輸入和功率輸出之間的電機接口，其中處理單元還操作為在所述連續(xù)時間周期的所述第二數(shù)目超過第二預(yù)定門限值的情況下，禁止斷開電機接口，從而保持從所述功率輸出到所述負載的連接；以及否則，斷開電機接口，從而斷開所述功率輸出與所述負載。
27.權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元還操作為確定與所述累積信號相關(guān)的電平具有連續(xù)較低值的連續(xù)時間周期的第二數(shù)目，并確定與所述累積信號相關(guān)的電平具有連續(xù)較高值的連續(xù)時間周期的第三數(shù)目。
28.權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，還包括一個可耦合至負載的功率輸出，和一個耦合在所述功率輸入和功率輸出之間的電機接口，其中處理單元還操作為在所述連續(xù)時間周期的所述第二和第三數(shù)目分別超過第二和第三預(yù)定門限值的情況下，禁止斷開電機接口，從而保持從所述功率輸出到所述負載的連接；否則，斷開電機接口，從而斷開所述功率輸出與所述負載。
29.權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中第一預(yù)定門限值等于第二和第三預(yù)定門限值中的至少一個。
30.權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中第二預(yù)定門限值等于第三預(yù)定門限值。
31.權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述指定最小值落在預(yù)定值范圍內(nèi)，并且所述處理單元還操作為確定所述測量電平中的至少一個是否落在所述預(yù)定值范圍之外。
32.權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，還包括一個可耦合至負載的功率輸出，和一個耦合在所述功率輸入和功率輸出之間的電機接口，其中處理單元還操作為在所述至少一個電弧放電事件被指定為有害情況、以及所述至少一個測量的電平落在所述預(yù)定值范圍之外的情況下，禁止斷開所述電機接口，從而保持從所述功率輸出到所述負載的連接。
33.權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，還包括一個可耦合至負載的功率輸出，和一個耦合在功率輸入和功率輸出之間的電機接口，其中處理單元還操作為在所述至少一個測量的電平落在所述預(yù)定值范圍之外的情況下，斷開電機接口，從而斷開所述功率輸出與所述負載。
34.一種用于檢測電弧故障的系統(tǒng)，包括功率輸入；可耦合至負載的功率輸出；輸入感測電路，被配置為感測與所述功率輸入相關(guān)的至少一個信號，該感測信號表示至少一個電弧放電事件；累積電路，被配置為生成對應(yīng)于該至少一個感測信號的多個累積信號，所述多個累積信號中的每一個在各個時間周期內(nèi)生成；電機接口，耦合在所述功率輸入和功率輸出之間；以及處理單元，操作為測量與各個時間周期內(nèi)生成的所述多個累積信號中的每一個相關(guān)的至少一個電平；確定與所述累積信號相關(guān)的所述電平的特性是否是電弧故障；在與所述累積信號相關(guān)的所述電平的特征是電弧故障的情況下，確定與所述累積信號相關(guān)的所述電平具有(i)連續(xù)較低值和(ii)連續(xù)較高值中的至少一個的連續(xù)時間周期的至少一個數(shù)目；在所述連續(xù)時間周期的所述至少一個數(shù)目超過至少一個預(yù)定門限值的情況下，禁止斷開電機接口，從而保持從所述功率輸出到所述負載的連接；以及否則，斷開所述電機接口，從而斷開所述功率輸出與所述負載。
全文摘要
一種對有害跳閘敏感性較低的用于檢測電弧故障的裝置和方法。電弧故障檢測裝置包括電流傳感器、輸入感測電路、電弧感測電路、電源、跳閘(起動)電路、處理單元和電機接口。該處理單元在特定數(shù)目的連續(xù)時間周期內(nèi)測量電弧感測電路所提供的多個電壓電平。接著，處理單元確定電壓電平差過指定最小值，呈現(xiàn)連續(xù)較低或較高值，或落在預(yù)定值范圍之外的連續(xù)時間周期的數(shù)目。基于該確定結(jié)果，處理單元斷開電機接口以中斷到負載的功率，或者禁止斷開電機接口，從而減少了有害跳閘的發(fā)生。
文檔編號G01R19/00GK101046496SQ200710091879
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者克里斯蒂安·V·佩龍, 邁克爾·J·拉萬度, 杰弗里·B·廷 申請人:森薩塔科技公司