專利名稱：利用電流變化檢測(cè)電弧的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路保護(hù)技術(shù)，更具體地說，涉及因太小而不能使斷路器之類跳閘的電弧的檢測(cè)。
本發(fā)明是在電路保護(hù)技術(shù)的發(fā)展期間出現(xiàn)的，包括民用的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的具有用來防止財(cái)產(chǎn)損壞與/或人身傷害的過流保護(hù)與/或接地故障遮斷(GFI)系統(tǒng)。過流保護(hù)系統(tǒng)一般包括一個(gè)負(fù)荷中心或配電盤，用來接收來自電力公司變壓器的電力，并通過主電路斷路器或保險(xiǎn)裝置然后通過分支斷路器或保險(xiǎn)裝置把電力供給一個(gè)或多個(gè)電氣負(fù)荷。如果電流超過或落在導(dǎo)線和負(fù)載設(shè)計(jì)限制值之外或表明出現(xiàn)電流不平衡時(shí)，斷路器或保險(xiǎn)裝置就把電流切斷，以減少包括火災(zāi)在內(nèi)的危險(xiǎn)、人身傷害和財(cái)產(chǎn)破壞。通常較多地使用斷路器，是因?yàn)樗鼈兛梢越柚趶?fù)位而被簡(jiǎn)單地再利用。
電路斷路器具有熱/磁跳閘特性。熱特性是響應(yīng)持續(xù)的過電流，它加熱雙金屬片而使其運(yùn)動(dòng)，接著使一個(gè)閂釋放而打開一組接點(diǎn)。例如，熱行性在15安培的電路中會(huì)響應(yīng)吸取的30安培的電流而動(dòng)作。磁物性是一種響應(yīng)突發(fā)的高幅值過電流的操作，并使用在磁心中產(chǎn)生的磁場(chǎng)吸引一個(gè)銜鐵，銜鐵的運(yùn)動(dòng)使閂釋放而打開一組接點(diǎn)。例如，響應(yīng)由導(dǎo)體直接接地而把負(fù)載旁路引起的短路而發(fā)生磁型動(dòng)作。
電路保護(hù)的另一種形式是接地故障遮斷器，它響應(yīng)給定電路的火線和中性線之間的電流不平衡來使斷路器跳閘，在人處在接地路徑中的情況下這尤其是需要的。
本發(fā)明屬于另一類型的電路保護(hù)和監(jiān)測(cè)，即檢測(cè)電路中的電弧。被監(jiān)測(cè)的電弧不僅包括通過氣體或跨過絕緣的放電，也包括高阻抗故障或其它預(yù)期的或非預(yù)期的電路通路，它沒有足夠的能量或電流使斷路器跳閘，然而可以產(chǎn)生破壞性過熱或其它不希望的影響。電弧可以和負(fù)載串連或并連發(fā)生，并可由于大量原因，例如接頭松動(dòng)、導(dǎo)線或絕緣的磨損或老化，原先的由夾或扭引起的機(jī)械或電氣應(yīng)力，使用過度，先前的雷電沖擊等。這種電弧中的電流可以在斷路器的熱動(dòng)作或磁動(dòng)作設(shè)定值以下，并/或可能在火線和中線之間不存在電流的不平衡，因而這種電弧檢測(cè)不到。這種電弧帶來的害處在于沿住宅或類似物內(nèi)的電線形成熱點(diǎn)，它會(huì)帶來火災(zāi)的危險(xiǎn)。這些電線可以包括墻壁導(dǎo)線，接線盒，接線座，開關(guān)，插頭，延長(zhǎng)軟線以及負(fù)載裝置本身。
本發(fā)明提供了一種有效的電弧檢測(cè)。本發(fā)明尤其適用于識(shí)別潛在的破壞性電弧和無電弧故障或暫時(shí)的短時(shí)間轉(zhuǎn)換的事件，為了防止誤動(dòng)作，這是需要的。本發(fā)明不是響應(yīng)所有電弧而跳閘，也不響應(yīng)類似電弧的情況而跳閘，而是依靠統(tǒng)計(jì)的可能性來響應(yīng)很可能有電弧的情況來提供電弧揭示信號(hào)。要企圖響應(yīng)所有的電弧就會(huì)導(dǎo)致不可接受的誤動(dòng)作的經(jīng)常發(fā)生，這是不希望的，因?yàn)樗鼤?huì)關(guān)斷應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)行的機(jī)械或安全設(shè)備，除了那些實(shí)際上具有高的統(tǒng)計(jì)可能性的電弧現(xiàn)象之外。


圖1是一個(gè)配電電路示意圖，取自美國專利5,185,685，在此作為參考。
圖2是圖1中電路的一部分示意圖，與上述′685專利中的圖2類似；圖3是本發(fā)明的電弧檢測(cè)器的功能框圖；圖4是表明一個(gè)具體例子的交流線電流的波形圖；圖5是說明圖3中的電路部分工作的波形圖；圖6是說明圖3中電路部分工作的波形圖；圖7—11是說明圖3中電路部分的累積的操作的波形圖；圖12是圖3的電弧檢測(cè)器的功能電路方框圖；圖13和14表明具有在標(biāo)記的相中相關(guān)點(diǎn)的參考正弦波。
圖1表示一種電流分配電路20，它包括一負(fù)載中心22，其具有一進(jìn)線側(cè)24，用來接受來自預(yù)定頻率的電壓源的電力，和負(fù)載側(cè)28，給負(fù)載30與/或31分配電力。電壓源可以是電力公司的變壓器，它在第一和第二線路上以240伏以及相對(duì)于第一第二線路120伏的中性線上都以60Hz供電。本發(fā)明不限于這一個(gè)例子，可以應(yīng)用于任何電壓和頻率的交流系統(tǒng)，包括480伏和660伏，50、60以及400Hz。負(fù)載中心具有一主電響應(yīng)的電路斷路器32，用來接收來自變壓器26的電能，并將其分配給支路斷路器34、36等。支路斷路器接著在例如38的支路上向電氣插座40、42等供電，插座內(nèi)由插頭44插入負(fù)載30，或支路38直接供電給負(fù)載31。如圖2所示，支路電路38包括火線46和中線48，用來把電供給負(fù)載30。支路電路也可以包括地線50。電路斷路器34包括一過載跳閘機(jī)構(gòu)52，它具有一熱/磁特性使斷路器觸頭54跳閘，從而響應(yīng)給定的電路過載條件斷開電路，使負(fù)載30從電源26斷開，如現(xiàn)有技術(shù)那樣。在現(xiàn)有技術(shù)中也已經(jīng)知道提供具有接地故障遮斷電路56的電路斷路器34，響應(yīng)火線或中線的接地故障使可控硅58導(dǎo)通，從而激勵(lì)打開斷路器觸點(diǎn)54的線圈60。一種GFI電路的例子如US Re30，678所示，在此列為參考。
本發(fā)明提供一電弧檢測(cè)器64和電弧檢測(cè)方法，用于從給定頻率的交流電源26給負(fù)載30提供交流線電流的電路，給定頻率提供重復(fù)的周期，例如，60Hz的頻率提供具有16.67毫秒的重復(fù)周期。電弧檢測(cè)器64感知在交流線電流中周期與周期間的改變，并產(chǎn)生代表這一改變的差值信號(hào)，并響應(yīng)該差值信號(hào)的給定條件，在線67上產(chǎn)生一電弧指示跳閘信號(hào)，給SCR58的控制極提供控制信號(hào)使其導(dǎo)通并且激勵(lì)線圈60，從而斷開斷路器接點(diǎn)54。電路56和64的輸出在公共點(diǎn)65上被連到SCR58的控制極。如果電路斷路器沒有GFI電路56，則增加SCR58和線圈60。
圖3示出了電弧檢測(cè)器64。在圖3和圖4中，電流波形70為交流線電流波形，它就是從交流電源26在圖2的中線46上供給負(fù)載30的電流。該電流最好由一電流互感器檢測(cè)，例如在上述′685號(hào)專利中的68所示，雖然此電流也可以用其它檢測(cè)器檢測(cè)。檢測(cè)到的交流線電流由諧波陷波濾波器72在m個(gè)周期期內(nèi)在幾個(gè)采樣點(diǎn)或相n處被采樣，代表采樣點(diǎn)的相關(guān)的相位具有相同的周期。
例如，參照?qǐng)D4，在交流電源的第一周期期間在相位Q1，1采樣交流線電流，從而提供第一采樣電流I1，1。第一個(gè)下標(biāo)是采樣點(diǎn)的相位，第二個(gè)下標(biāo)是周期；此處I1，1是在第一周期內(nèi)在第一相位或第一采樣點(diǎn)的電流。在交流電源的第二周期期間在第一相位或第一采樣點(diǎn)Q1，2采樣交流線電流，提供采樣電流I1，2它是第二周期內(nèi)在第一相位或第一采樣點(diǎn)的電流。在第一和第二周期的每一個(gè)期間內(nèi)在同一相關(guān)相位采樣交流線電流，即Q1，1和Q1，2。換句話說，Q1，1和Q1，2相隔交流電源的一周期或360°或其整數(shù)倍。在60Hz交流電的情況下，Q1，1和Q1，2相隔1/60秒即16.67毫秒或其整數(shù)倍，所述差值信號(hào)由I1，2減去I1，1得到。
在交流電源的第一周期期間，在幾個(gè)相位Q1，1到Qn，1用諧波陷波濾波器采樣交流線電流，從而提供第一周期的幾個(gè)采樣電流I1，1到In，1。在交流電的第二周期內(nèi)在幾個(gè)相位Q1，2到Qn，2用諧波陷波濾波器采樣交流線電流，從而提供第二周期的幾個(gè)采樣電流I1，2到In，2。Q1，1到Qn，1分別等于Q1，2到Qn，2，即第一周期內(nèi)的第一采樣點(diǎn)和第二周期內(nèi)的第一采樣點(diǎn)出現(xiàn)在同一相關(guān)相位，在第一周期內(nèi)的第二采樣點(diǎn)和第二周期內(nèi)的第二采樣點(diǎn)出現(xiàn)在同一相關(guān)相位，如此等等。借助于諧波陷波濾波器，從采樣電流I1，2到In，2中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地減去采樣電流I1，1到In，1，從而提供所述的差值信號(hào)。最好第一、第二等周期是連續(xù)的。
諧波陷波濾波器72完成所述的從I1，2到In，2中分別減去I1，1到In，1的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的相減，從而提供諧波陷波濾波器電流差信號(hào)HNFI，其絕對(duì)值即是由流差信號(hào)ID。例如，采樣信號(hào)I1，1，它是在第一周期內(nèi)在第一采樣點(diǎn)即Q1，1被采樣的電流，被從采樣電流I1，2中減去，I1，2是在第二周期在第一采樣點(diǎn)即Q1，2被采樣的電流，從而提供一個(gè)HNFI信號(hào)，其絕對(duì)值就是電流差信號(hào)ID1，2-1，即在第一相位或第一采樣點(diǎn)處的第一和第二周期之間采樣電流之差的絕對(duì)值。同樣，交流線電流在交流電的第三周期內(nèi)在相Q1，3被采樣，從而提供采樣電流I1，3，此處Q1，2等于Q1，3。I1，2是在第二周期內(nèi)在第一采樣點(diǎn)被采樣的電流，它被從I1，3中減去，I1，3是在第三周期內(nèi)在第一采樣點(diǎn)的采樣電流，從而提供一HNFI差值信號(hào)，其絕對(duì)值就是電流差信號(hào)ID1，3-2，它是在第三周期內(nèi)在第一采樣相位的采樣電流與在第二周期內(nèi)在第一采樣相位的采樣電流之差的絕對(duì)值。
圖5中實(shí)線表示當(dāng)前周期內(nèi)的電流，虛線表示緊接的前一周期的電流。這樣，在第一周期，第一周期電流I1用實(shí)線表示，前一個(gè)或開始周期的電流I0用虛線表示。同樣，在第二周期，第二周期電流I2用實(shí)線表示，第一周期的電流用虛線表示，如此繼續(xù)從周期3到5。
在圖5所示的具體實(shí)現(xiàn)中，在第一周期內(nèi)從I1減去I0的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的相減產(chǎn)生圖6所示的一短暫時(shí)間74內(nèi)的HNFI差值信號(hào)。在圖5的第二周期中，從當(dāng)前周期電流I2中減去先前周期電流I1的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的相減產(chǎn)生圖6中在短暫時(shí)刻76內(nèi)表示的HNFI差值信號(hào)。在圖5的第三周期內(nèi)，從I3減去I2的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地相減產(chǎn)生圖6所示短暫時(shí)刻78內(nèi)的HMFI差值信號(hào)。在圖5的第四周期中，I4減去I3的點(diǎn)點(diǎn)相減產(chǎn)生圖6所示的短暫時(shí)刻80內(nèi)的HNFI差值信號(hào)，在第5周期中，I5減去I4的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地相減產(chǎn)生圖6中短暫時(shí)刻82內(nèi)的HNFI差值信號(hào)。
諧波陷波濾波器94實(shí)現(xiàn)交流線電流的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地相減，從而提供諧波陷波濾波器電流差值信號(hào)HNFI，其絕對(duì)值提供在t時(shí)刻的電流差值信號(hào)IDID(t)＝|HNFI(t)|＝|I(t)－I(t－T)|(1)此處I(t)是在時(shí)刻t的采樣電流，I(t－T)是前一周期的采樣電流，即在T秒以前時(shí)刻的采樣電流，這里T是交流電的周期，即16.67毫秒，式1在時(shí)域內(nèi)定義了諧波陷波濾波器。
絕對(duì)值電流差信號(hào)ID在圖3的同步求和器94被同步求和，從而提供和S(t)S(t)＝ID(t)＋I(xiàn)D(t－T)＋I(xiàn)D(t－2T)＋I(xiàn)D(t－3T)＋I(xiàn)D(t－4T)(2)參見圖6，在短暫時(shí)刻74內(nèi)差信號(hào)的絕對(duì)值和時(shí)間76內(nèi)差信號(hào)的絕對(duì)值點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地相加，后者又和時(shí)間78內(nèi)的差信號(hào)的絕對(duì)值點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地相加，后者又和時(shí)間80內(nèi)的差信號(hào)的絕對(duì)值點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相加，后者又和時(shí)間82內(nèi)的差信號(hào)的絕對(duì)值點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地相加。在所示的例子中，累積的絕對(duì)值電流差信號(hào)ID的5個(gè)周期被求和，從而產(chǎn)生S5(t)，即5個(gè)ID信號(hào)的和。在圖7—11中示出了ID信號(hào)的累加。圖7表示在1個(gè)周期之后的時(shí)間74內(nèi)的ID信號(hào)產(chǎn)生S1(t)。圖8表示在兩個(gè)周期之后在時(shí)間74＋76內(nèi)累積的ID信號(hào)產(chǎn)生S2(t)。圖9表示三個(gè)周期之后時(shí)間74＋76＋78內(nèi)的累加的ID信號(hào)，產(chǎn)生信號(hào)S3(t)。圖10表示在4個(gè)周期之后在時(shí)間74＋76＋78＋80內(nèi)累加的ID信號(hào)，產(chǎn)生S4(t)。圖11表示在5個(gè)周期后在時(shí)間74＋76＋78＋80＋82內(nèi)積累的ID信號(hào)，產(chǎn)生S5(t)。對(duì)每一相位的5個(gè)累計(jì)周期，絕對(duì)值電流差信號(hào)ID被同步地求和，從而提供圖11所示在83時(shí)刻的累積電流差信號(hào)。如果給定的累積電流差信號(hào)的條件滿足關(guān)于84、86、88、90的特征，這下面還要描述，則在線67上發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)，這下面要說明。
一般地說，在m個(gè)周期中的每個(gè)周期在相位Q1到Qn采樣交流線電流。諧波陷波濾波器72提供n個(gè)周期對(duì)周期的電流差信號(hào)ID，各自對(duì)應(yīng)于相位Q1到Qn中的一個(gè)。同步求和器94對(duì)周期1到m在相位Q1對(duì)m個(gè)電流差信號(hào)求和，從而提供第一累積電流差信號(hào)。所述求和過程被繼續(xù)到第n個(gè)相位，它包括對(duì)周期1在相位Qn對(duì)電流差信號(hào)的m求和，從而提供第n個(gè)累積電流差信號(hào)。在本實(shí)施例中，n等于1，341，即在每個(gè)周期內(nèi)，有1，341個(gè)采樣點(diǎn)或相位。在本實(shí)施例中，m等于5，即同步求和器94在5個(gè)周期內(nèi)求和電流差信號(hào)ID，從而產(chǎn)生如方程2定義的如圖11所示的S5(t)。周期對(duì)周期的電流差信號(hào)最好取連續(xù)周期之間的差進(jìn)行計(jì)算，盡管可以不如此。第一到第n次累積電流差信號(hào)提供在圖11中間隔83內(nèi)的軌跡(trace)，m＝5。圖3中的條件檢查器116響應(yīng)給定條件，例如圖11中累積電流差信號(hào)的84、86、88、90，從而產(chǎn)生電弧指示跳閘信號(hào)，下面要說明。
諧波陷波濾波器72在所述交流電的m個(gè)周期的每個(gè)周期內(nèi)，在所述的Q1到Qn的n個(gè)相位采樣交流線電流，此外對(duì)m個(gè)周期中的每個(gè)周期而言Q1，1等于Q1，2等于…Qn，m，并且Q2，1等于Q2，2等于…Q2，m，…，并且Qn，1等于Qn，2等于…Qn，m，從而提供一組電流In，m，此處n是相位數(shù)，m是周期數(shù)，諧波陷波濾波器完成方程1，從而確定差值(In，m)－(In，m-x)，其中x是指定的周期數(shù)，從而提供一組電流差信號(hào)ID。在本實(shí)施例中，x等于1，從而提供連續(xù)的周期電流差信號(hào)，雖然周期對(duì)周期的電流改變可用不連續(xù)的周期確定。同步求和器94在給定的周期數(shù)內(nèi)，最好為5，即m＝5對(duì)電流差信號(hào)ID求和，雖然也可使用m的其它值。同步求和器94執(zhí)行2式的運(yùn)算，ID1，1-(1-x)＋I(xiàn)D1，2-(2-x)＋…＋I(xiàn)D1，m-(m-x)，從而提供在Q1的第一累積電流差信號(hào)ID1，并且加ID2，1-(1-x)＋I(xiàn)D2，2-(2-x)＋…＋I(xiàn)D2，m-(m-x)，從而提供在Q2的第二累積電流差信號(hào)ID2，繼續(xù)進(jìn)行求和直到第n個(gè)相位，它包括加IDn，1-(1-x)＋I(xiàn)Dn，2-(2-x)＋…＋I(xiàn)Dn，m-(m-x)，從而提供第n次在Qn的累積電流差信號(hào)IDn。如上最佳實(shí)施例中所述，n等于1，341，m等于5，X等于1。
如上所述，條件檢查器116響應(yīng)來自求和器94的累積電流差信號(hào)ID的給定條件S(t)，從而產(chǎn)生電弧指示跳閘信號(hào)。一般地，這個(gè)和是Sm(t)，在最佳實(shí)施例中m＝5。在最佳實(shí)施例中，S5(t)也可以每5個(gè)周期計(jì)算一次。在另一個(gè)實(shí)施例中，S5(t)或其它的Sm(t)可在滑動(dòng)窗口(Sliding Window)的基礎(chǔ)上每周期計(jì)算一次。
被圖3中條件檢查器116檢查到的對(duì)于S(t)的第一個(gè)所述條件，是累積電流差信號(hào)ID1到IDn的平均值超過一個(gè)給定的門限電流，在最佳實(shí)施例中對(duì)于m＝5，即對(duì)S5(t)為0.4安培。僅在平均值超過門限電流時(shí)發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)。如果累積電流差I(lǐng)D1到IDn的平均值，即S5(t)超過0.4安培，在線118上給與門120提供高輸入。參見圖11，對(duì)于m＝5，如果在間隔83內(nèi)的電流軌跡的平均值超過0.4安培，則在線118上對(duì)與門120提供高輸入。
被圖3中條件檢查器116檢查到的對(duì)于S(t)的第二個(gè)所述條件，是累積電流差信號(hào)ID1至IDn峰值對(duì)平均值之比超過一給定門限值，其中峰值為S(t)的最大值，平均值即S(t)的平均值。只要峰值對(duì)平均值之比超過給定門限值，就發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)。在最佳實(shí)施例中m＝5，給定的門限值為4。如果ID1到IDn的峰值對(duì)平均值的比超過4，則在線122上對(duì)與門120提供高輸入。參見圖11，對(duì)S5(t)，峰值由86表示。
被圖3中條件檢查器116檢查的對(duì)于S(t)的第三個(gè)所述條件是，每周期至少有兩個(gè)靜區(qū)(qwiet zones)，每個(gè)靜區(qū)是一個(gè)最小的時(shí)間長(zhǎng)度，其中靜區(qū)為一周期的一部分，其中沒有產(chǎn)生大于給定的動(dòng)作門限的各個(gè)累積電流差信號(hào)ID。例如，在圖11中，有兩個(gè)靜區(qū)88、90。在這些靜區(qū)期間，S(t)處于給定動(dòng)作門限值之下。只要每周期至少有兩個(gè)靜區(qū)，就發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)。在交流波形中點(diǎn)89a的狀態(tài)和點(diǎn)89b的狀態(tài)相同，使得區(qū)90包括這一點(diǎn)。在最佳實(shí)施例中，對(duì)每一靜區(qū)的最小時(shí)間長(zhǎng)度是相同的，等于1.56毫秒。給定電流動(dòng)作門限為1.5倍的ID1至IDn的累積電流差信號(hào)的平均值，即S(t)平均值的1.5倍。例如，在圖11中，在88和90每個(gè)部分中的電流小于在間隔83內(nèi)平均電流的1.5倍，因而不滿足所述的第三個(gè)條件，因而在線128上對(duì)與門120提供高輸入。在最佳實(shí)施例中，間隔小于0.311毫秒的非靜區(qū)被忽略，從而避免高頻異常。換句話說，要求大于0.311毫秒的靜區(qū)才算有效。如果電流動(dòng)作信號(hào)S(t)上升到高于所述的1.5門限，例如在84或86，而持續(xù)間隔小地0.311毫秒，則認(rèn)為它是靜區(qū)的一部分，被靜區(qū)吸收。
被圖3的條件檢查器116檢查的S(t)的所述條件中的第四個(gè)是，沒有大于給定靜止時(shí)間上限的靜區(qū)。只要靜區(qū)例如88或90持續(xù)時(shí)間大于給定的靜止時(shí)間上限，就禁止發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)。在最佳實(shí)施例中，給定靜止時(shí)間上限是9.17毫秒。只要靜區(qū)持續(xù)時(shí)間大于9.17毫秒，就在線130上給與門120提供低輸入。
被圖3的條件檢查器116檢查的S(t)的所述條件中的第五個(gè)是，同步求和器94的輸出為零的時(shí)間不大于給定的零值時(shí)間上限。只要同步求和器的零輸出持續(xù)時(shí)間大于給定的零輸出時(shí)間上限，就禁止發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)。在最佳實(shí)施例中，給定的零時(shí)間上限為1.24毫秒。如果同步求和器94的輸出為零的時(shí)間大地1.24毫秒，就在線132上給與門120提供低輸出。
如果上述條件中的每一個(gè)都滿足，則與門120的輸入端118、122、128、130、132為高，在線138上提供高輸出信號(hào)，接著便產(chǎn)生電弧指示跳閘信號(hào)。第一條件是圖11中時(shí)間83內(nèi)的S(t)的平均值超過給定的門限電流，在線118上提供高狀態(tài)。第二個(gè)條件是S(t)的峰值對(duì)平均值之比超過給定的門限值，在線122上提供高狀態(tài)。第三個(gè)條件是每周期至少有兩個(gè)靜區(qū)，每個(gè)具有最小時(shí)間長(zhǎng)度，在線128上提供高狀態(tài)。第四個(gè)條件是沒有大于給定靜止時(shí)間上限的靜區(qū)，在線130上提供高狀態(tài)。如果一個(gè)靜區(qū)持續(xù)時(shí)間大于給定靜止時(shí)間上限，則在線130上提供低狀態(tài)，使與門120封鎖，從而禁止電弧指示跳閘信號(hào)。第五個(gè)條件是提供S(t)的同步求和器94的輸出為零的時(shí)間不大于給定的零時(shí)間上限，在線136上提供高狀態(tài)。如果同步求和器的輸出S(t)為零的時(shí)間大于給定的零時(shí)間上限，則在線132上提供低狀態(tài)，使與門120封鎖，禁止發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)。
所述要求累積電流差信號(hào)S(t)的平均值超過給定門限值例如0.4安培的目的在于，保證在噪聲電平以上有某一最小活動(dòng)性。這一條件也減少誤跳閘，其中非電弧瞬變可能引起比圖11的尖峰信號(hào)84或86窄得多的尖峰信號(hào)。在圖11中窄尖峰信號(hào)的情況下，包括窄尖峰信號(hào)的圖11中的一個(gè)整周期的平均值可能不會(huì)上升到高于0.4安培。因此，如果圖11中的峰值或尖峰信號(hào)沒有足夠的寬度，在該周期內(nèi)和平均值就不會(huì)升到給定門限值之上，因而丟棄這一檢測(cè)，使在圖3中的線118上呈現(xiàn)低狀態(tài)。用這種方式窄的尖峰瞬變或其它操作例如在恒定工作周期內(nèi)的相控負(fù)載被忽略，從而減少誤動(dòng)作。
所述要求累積電流差信號(hào)S(t)的峰值對(duì)平均值之比超過一給定門限值的第二個(gè)條件的目的在于，保證例如圖11中84和86的尖峰信號(hào)不會(huì)太寬。一般由燃弧不會(huì)引起圖11的尖峰信號(hào)太寬，即持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間，但存在例如起動(dòng)瞬變?yōu)榇淼耐交顒?dòng)性。圖11中的尖峰信號(hào)越寬，累積電流差信號(hào)一周期的平均值則越大，因而峰值對(duì)平均值之比不會(huì)超過所述給定門限，例如4，因此便丟棄這一檢測(cè)，在圖3的線122上提供低狀態(tài)。
所述第一第二條件的組合借助于保證圖11中的電弧指示峰值具有某一最小寬度和高度而又不至于太寬來提供電弧識(shí)別。正是這種合適的寬度和活動(dòng)性來區(qū)分燃弧事件和其它事件。
所述第三條件要求例如圖11中所示88和90的靜區(qū)至少有兩個(gè)的目的在于，保證每周期至少有兩個(gè)尖峰信號(hào)或脈沖，例如84和86，電弧的一種特征是，它一般發(fā)生在正弦交流電26的正負(fù)半周上。圖11所示為累積電流差信號(hào)的絕對(duì)值。如果在圖11中只有1個(gè)尖峰信號(hào)，則只在交流電的一個(gè)半周內(nèi)發(fā)生的事件一般不是燃弧事件。沒有這第三條件或檢測(cè)，許多半波負(fù)載將會(huì)引起誤動(dòng)作。
所述第三條件使得電弧檢測(cè)器忽略只在交流電的一個(gè)半周內(nèi)引起尖峰信號(hào)的事件，因而減少誤動(dòng)作。電弧的不可預(yù)極性有時(shí)可能引起在圖7—11中的5個(gè)累加周期中的一個(gè)周期的半周內(nèi)不燃弧。即使電弧在5個(gè)周期內(nèi)的1個(gè)或2個(gè)中只產(chǎn)生一個(gè)尖峰信號(hào)，其余的周期仍然可以建立并累加足夠的圖11的電流差信號(hào)，從而提供第二個(gè)尖峰信號(hào)。已經(jīng)觀察到，電弧總是發(fā)生在交流電的兩個(gè)半周期間，這個(gè)特性作為識(shí)別非電弧事件的另一個(gè)檢測(cè)被所述第三條件完全地采用了。
還已經(jīng)觀察到，在圖11的各周期中許多電弧有4個(gè)峰值。這是由在每個(gè)半周內(nèi)擊穿和恢復(fù)以及再擊穿和恢復(fù)引起的，選擇要求的靜區(qū)的時(shí)間長(zhǎng)度能容許這種再擊穿，即允許在圖11中的一個(gè)周期內(nèi)有4個(gè)峰值。
所述要求沒有大于給定時(shí)間長(zhǎng)度的靜區(qū)的第四個(gè)所述條件的目的在于，確保圖11中兩個(gè)峰值84和86大約有180°的相稱，并有所述合適的厚度或?qū)挾?。給定靜區(qū)時(shí)間上限選擇為一周期的55％，即9.17毫秒，即為16.67毫秒的55％。按照這一禁止或檢測(cè)條件，如果例如圖11中的任何靜區(qū)88或90大于一周期的55％，則該事件被忽略，認(rèn)為沒有電弧。沒有該第四條件或檢測(cè)，在各種負(fù)載下例如運(yùn)行在低的RPM半波的大部分可變速的鉆床將經(jīng)變大量誤動(dòng)作。
所述要求沒有持續(xù)時(shí)間大于給定零時(shí)間上限的同步求和器的零輸出的第五條件是為了保證能減少商業(yè)應(yīng)用的成本。如果不考慮成本因素，又希望一寬的動(dòng)態(tài)范圍，這又要求更貴的電流互感器、更多的數(shù)字存儲(chǔ)和大的電源電壓可用范圍。如果不增加額外費(fèi)用，則可使用較低費(fèi)用的元件，它們可能在交流波形的峰值到來之前飽和，這便減少動(dòng)態(tài)范圍。輸入的交流波形在由系統(tǒng)方案限定的飽和點(diǎn)上被斬平，這便人為地產(chǎn)生兩個(gè)零區(qū)，其中同步求和器的輸出為絕對(duì)的零值。該第五條件把這種零區(qū)限制于給定的零時(shí)間上限，例如1.24毫秒，使得任何較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間被認(rèn)為是非電弧事件。從技術(shù)的觀點(diǎn)而言，最好不包括所述的第五條件或檢測(cè)。從經(jīng)濟(jì)節(jié)約的觀點(diǎn)而言，最好包括第五條件或檢測(cè)。
電弧是隨機(jī)地不可預(yù)測(cè)地發(fā)生的。正是這種隨機(jī)性，其中電弧和其發(fā)生的相對(duì)時(shí)間在周期對(duì)周期中總是不十分相同，使得能用電弧檢測(cè)器64來檢測(cè)電弧。如果沒有周期對(duì)周期的電流變化，也便沒有諧波陷波濾波器72的電流差輸出信號(hào)ID。如果隨機(jī)性是唯一的需要檢測(cè)的電弧特性，那么諧波陷波濾波器本身的輸出就提供了電弧檢測(cè)指示。最好在提供電弧指示跳閘信號(hào)之前也檢測(cè)上述的附加特征。為了減少誤動(dòng)作，同步求和條件檢測(cè)是需要的。如果誤動(dòng)作不是問題，或需要進(jìn)一步的節(jié)約成本，諧波陷波濾波器的輸出可以根據(jù)電弧的隨機(jī)特性以及在每周的同一相對(duì)相點(diǎn)不會(huì)擊穿的特性提供電弧指示跳閘信號(hào)。在這后一種情況下，給定的檢測(cè)條件可以是存在電流差信號(hào)本身。附加規(guī)定或條件的目的是在交流電周期內(nèi)使隨機(jī)活動(dòng)集聚，這便能使電弧和一般運(yùn)行負(fù)載區(qū)別開來。
當(dāng)部分檢測(cè)器140在交流線電流的給定的幾部分中檢測(cè)來自與門120的線路138上的信號(hào)。如上所述，在m個(gè)周期例如5周期內(nèi)，同步求和器94累加絕對(duì)值電流差信號(hào)ID，從而提供圖3所示的第一部分作為部分1。同步求和器在幾個(gè)部分重復(fù)m個(gè)周期的累加。在最佳實(shí)施例中，大約交流線電流波形的1秒(實(shí)際上55個(gè)交流周期)被分成11個(gè)部分，每個(gè)有5個(gè)周期。部分檢測(cè)器140只要在其來自與門120的輸入端138對(duì)于給定的部分?jǐn)?shù)是高的，就在線142有一高輸出。在最佳實(shí)施例中，線138上的信號(hào)對(duì)于11個(gè)部分中的3個(gè)部分必須為高，即由條件檢查器116檢查的所述的5個(gè)條件必須在11個(gè)連續(xù)部分中的至少3個(gè)中滿足。這樣，只要在預(yù)定數(shù)的連續(xù)部分期間在給定部分?jǐn)?shù)內(nèi)滿足所述條件，就發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)。線142上的高信號(hào)能使與門144開通，它接著在線67輸出電弧指示跳閘信號(hào)，如果電壓條件滿足的話。下面還要進(jìn)行說明。
部分檢測(cè)器140的目的在于，識(shí)別例如開燈關(guān)燈的開關(guān)事件。11個(gè)連續(xù)的部分是55個(gè)周期，這幾乎1秒長(zhǎng)的時(shí)間。如果燈開關(guān)被接通或斷開，被條件檢測(cè)器116檢測(cè)的所述條件可以對(duì)于1個(gè)或者可能最多兩個(gè)部分可能滿足，而極其不可能對(duì)于11個(gè)部分中的3個(gè)部分滿足所述條件，因?yàn)檫@種開關(guān)事件持續(xù)時(shí)間很短。沒有部分檢測(cè)器140，短的開關(guān)事件可能引起偽電弧指示跳閘信號(hào)，這被認(rèn)為是誤動(dòng)作。部分檢測(cè)器140可減少這種誤動(dòng)作。
圖3中的電壓諧波陷波濾波器146檢測(cè)交流線電壓的周期到周期的變化，并產(chǎn)生代表這些變化的電壓差信號(hào)。當(dāng)電壓差信號(hào)超過給定門限時(shí)，不發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)。諧波陷波濾波器146進(jìn)行交流電壓的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地相減，從而提供諧波陷波濾波器電壓差信號(hào)HN-FV，其絕對(duì)值在時(shí)間t提供電壓差信號(hào)VDVD(t)＝|NHFV(t)|＝|V(t)－V(t－T)|(3)交流電壓的變化最好在連續(xù)的周期之間檢測(cè)，雖然也可以檢測(cè)其它的或中間的周期對(duì)周期的變化。電壓最好通過與線46相連的使用歐姆定律的電壓分壓器檢測(cè)，雖然也可以使用例如在′685專利中66所示的其它電壓傳感器。
在交流電源的第一周期內(nèi)交流線電壓在相位φ1，1被采樣，從而提供電壓V1，1，這里第1個(gè)下標(biāo)是采樣點(diǎn)或相位，第二個(gè)下標(biāo)是周期。在交流電壓第二周期內(nèi)在相位φ1，2采樣交流電壓，提供電壓V1，2，這里φ1，1=φ1，2，即在第一和第二周期內(nèi)在同一個(gè)相位對(duì)相位或采樣點(diǎn)采樣交流電壓。V1，2減去V1，1，提供HNFV差值信號(hào)，其絕對(duì)值就是電壓差信號(hào)VD。
在交流電源的第一周期內(nèi)的由相位φ1，1到φp，1的多個(gè)采樣點(diǎn)用諧波陷波濾波器146采樣交流電壓，提供多個(gè)采樣信號(hào)V1，1到Vp，1。在最佳實(shí)施例中，p＝n，因而有1，341個(gè)電壓采樣點(diǎn)或相位，它們?cè)谧罴褜?shí)施例中持續(xù)16.67毫秒。在交流電源的第二周期內(nèi)的多個(gè)相位由1，2到φp，2用諧波陷波濾波器采樣交流線電壓，提供多個(gè)采樣電壓V1，2到Vp，2，這里φ1，1到φp，1分別等于φ1，2至Pp，2。分別從V1，2至Vp，2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地減去V1，1到Vp，1，提供HNFV差信號(hào)，其絕對(duì)值提供電壓差信號(hào)VD1到VDp。求和器148在p個(gè)采樣點(diǎn)或相位上對(duì)電壓差信號(hào)VD的絕對(duì)值求和，提供一個(gè)和數(shù)。當(dāng)此和超過由門限檢測(cè)器150確定的門限時(shí)，不發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)。在最佳實(shí)施例中，門限值為采樣點(diǎn)數(shù)p的3.73倍。
例如，在交流電的第一周期內(nèi)在第一相位φ1，1采樣交流電壓，提供V1，1。在交流電的第一周期內(nèi)的第二相位2，1采樣交流電壓，提供V2，1。在交流電源第二周期內(nèi)在第一相位φ1，2采樣交流電壓；提供V1，2，其中φ1，1在交流電壓第二周期內(nèi)在第二相位φ2，2采樣交流電壓，提供V2，2，此處φ2，1=φ2，2。從V1，2減去V1，1提供HNFV差信號(hào)，其絕對(duì)值提供電壓差信號(hào)VD1，2-1，從V2，2減去V2，1提供HNFV差信號(hào)，其絕對(duì)值提供電壓差信號(hào)VD2，2-1。求和器148對(duì)VD1，2-1和VD2，2-1求和，提供從第一周期到第二周期代表電壓改變的和。如上所述，最好是p＝n＝1341。根據(jù)應(yīng)用可以改變采樣點(diǎn)或相位數(shù)P。
在一周期內(nèi)的幾個(gè)相位φ1至φp采樣交流線電壓。諧波陷波濾波器146提供P個(gè)周期到周期的絕對(duì)值電壓差信號(hào)VD1至VDp，每個(gè)對(duì)應(yīng)于相位φ1至φp中的一個(gè)。每個(gè)電壓差信號(hào)VD表示在當(dāng)前周期內(nèi)的各自的相位的電壓與前一周期的，最好是緊跟著的前一周期，相同各自相位的電壓之間的差的絕對(duì)值。求和器148對(duì)第一個(gè)到第P個(gè)絕對(duì)值電壓差信號(hào)求和，提供總的電壓改變動(dòng)作信號(hào)。
當(dāng)求和器148輸出的總的電壓改變動(dòng)作信號(hào)超過所述給定門限時(shí)，線152上門限檢測(cè)器150的輸出為高。由反相器15把線152的高狀態(tài)變成低狀態(tài)，在線156上提供一低狀態(tài)，送到與門144，使其封鎖，因而在線67上阻止產(chǎn)生電弧指示跳閘信號(hào)。
線152上的高狀態(tài)也給部分檢測(cè)器140提供一復(fù)位信號(hào)，從而中斷任一進(jìn)行的檢測(cè)過程而重新起動(dòng)同一檢測(cè)過程，從而收到線138上的高狀態(tài)后對(duì)11個(gè)連續(xù)部分開始計(jì)數(shù)。線138上的高狀態(tài)起動(dòng)部分檢測(cè)器140，開始對(duì)11個(gè)連續(xù)的部分計(jì)數(shù)。只要在下面10個(gè)部分中的兩個(gè)存在高狀態(tài)，輸出142就為高，而不需等待任何其余部分。例如，如果線138對(duì)部分1，3，8為高電位，則在部分8輸出142變?yōu)楦撸坏却糠?到11。158的復(fù)位信號(hào)中斷部分檢測(cè)，不管多么多的部分已被計(jì)數(shù)，并開始一0.1秒的延遲，在此期間，部分檢測(cè)器140清除，然后按下一個(gè)收到的138的高狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，這一高狀態(tài)開始第11部分的計(jì)數(shù)處理。這樣，在新開始的計(jì)數(shù)處理的部分1發(fā)生下一個(gè)收到的高狀態(tài)，提供3個(gè)要求部分中的第一個(gè)以便產(chǎn)生電弧指示跳閘信號(hào)。
線152上的高狀態(tài)表明電壓變化來自配電電路20的電源側(cè)，即圖2中電路的左側(cè)交流電源26處，而不是來自負(fù)載側(cè)，即圖2中電路的右側(cè)負(fù)載30或31處。如果在電流和電壓中存在周期到周期的變化，它們分別由電流諧波陷波濾波器72和電壓諧波陷波濾波器146檢測(cè)，則不發(fā)出電弧指示跳閘信號(hào)，這是因?yàn)樽兓碾娫磦?cè)電壓可能正引起該電流的變化，或至少不知道是否電弧正引起電流變化。在這種情況下，希望斷路器不由于電源側(cè)的事件跳閘，因此當(dāng)線152為高，表明所述的電壓改變時(shí)在線67上不發(fā)出跳閘信號(hào)。
如果存在由電流諧波陷波濾波器72檢測(cè)到的周期對(duì)周期的電流變化，而不存在所述的電壓變化，則電弧是在負(fù)載側(cè)。沒有適當(dāng)?shù)碾妷焊淖儎t維持線152為低，便接著打開與門144，從而在線142的狀態(tài)控制下在線67上產(chǎn)生電弧指示跳閘信號(hào)。
電弧是一種可變的阻抗。當(dāng)該阻抗改變時(shí)，則電流改變，然而由電力公司提供的交流電源26的供電電壓是相當(dāng)硬的并且不改變。因而，沒有由電壓諧波陷波缺口濾波器146檢測(cè)的電壓改變，因而線152保持為低。由電流濾波器檢測(cè)的變化的電流是由某種事件引起的，而不是由于電流26的變化的供電電壓。如上所述，需要不把電源26的變化的供電電壓認(rèn)為是一電弧而使斷路器34跳閘。
圖12進(jìn)一步表明電弧檢測(cè)器64，交流線電流由電流互感器提供的電流檢測(cè)器170檢測(cè)，如上所述，其輸出端具有高阻抗負(fù)載，并提供電流對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，然后送入具有增益的運(yùn)算放大器172，并提供DI/DT信號(hào)的積分還原成電流信號(hào)。該電流信號(hào)通過2極點(diǎn)蝶形(Butter worth)抗干擾濾波器174和8極點(diǎn)蝶形(Butter-wrth)低通開關(guān)電容濾波器176。全部濾波器有10個(gè)極點(diǎn)，從而在Nyquist頻率把信號(hào)減少60dB。該信號(hào)送入12位A/D轉(zhuǎn)換器178，它由Analog Devices，Inc.AD7886提供，把模擬輸入變成數(shù)字輸出，然后被送入由Actel C orp.A1280—IPQ160C提供的場(chǎng)可偏程序控制矩陣(FPGA)180。
交流線電壓由電壓檢測(cè)器182檢測(cè)。最好是包括無源濾波器的電壓分壓器，然后經(jīng)運(yùn)算放大順184，2極點(diǎn)蝶形(Butterworth)濾波器186，8極點(diǎn)蝶形濾波器188和由Analog Devices，Inc.AD7886提供的12位A/D轉(zhuǎn)換器190，送入FPGA180。FPGA180提供所述60Hz的諧波陷波濾波器和同步求和器，并由外部的電源接通復(fù)位發(fā)生器192和提供4.9152MHz和16 MHz的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘發(fā)生器控制。存儲(chǔ)器196由Integrated Device TechnologyCorp.IDT71586提供，包括用于電流諧波陷波濾波器的4K×16的RAM，用于電壓諧波陷波濾波器的4K×16的RAM，以及用于同步求和器的4K×16RAM。FPGA180通過一先進(jìn)先出FIFO緩沖器198，它是由Advanced Micro Devices，Inc.AM7204—35提供的，連接到16位微處理器200，由Motorola MC68HCOOO提供，用來傳遞同步求和器數(shù)據(jù)。微處理器200配備有存儲(chǔ)器202，由Zntegrated Device Technology Corp.IDT71586提供，包括4K×16同步求和器RAM，4K×16數(shù)據(jù)RAM，和8K×16編碼ROM。微處理器200和FPGA按圖3所示工作。期望在將來發(fā)展中FPGA或許連微處理器用ASIC，即特殊應(yīng)用集成電路代替。最好是數(shù)字信號(hào)處理，雖然如果需要本發(fā)明可以由模擬處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
上述的電弧檢測(cè)方法涉及檢測(cè)交流線電流中周期到周期的變化，并提供代表這種變化的差值信號(hào)，響應(yīng)給定的這種差值信號(hào)的條件產(chǎn)生電弧指示信號(hào)。這在圖13中說明了。其中在第一周期內(nèi)的第一采樣點(diǎn)或相位θ1，1的電流I1，1被從在第二周期的第一采樣點(diǎn)或相位θ1，2檢測(cè)到的電流I1，2中減去。這提供了周期到周期的交流電流變化的檢測(cè)。
另一種方法涉及檢測(cè)交流電流的準(zhǔn)周期的變化，并產(chǎn)生代表這種變化的差值信號(hào)，響應(yīng)給定的這種變化的條件，從而產(chǎn)生電弧指示信號(hào)，其中的準(zhǔn)周期小于交流電的周期。這在圖14中說明了。那里在θa、θb、θc和θd.處檢測(cè)交流電流。首先討論圖14中從θa到θc的準(zhǔn)周期，可以看出在交流波形的點(diǎn)θa處和點(diǎn)θc處的電流具有相同的絕對(duì)值，在沒有例如電弧或瞬變的干擾時(shí)如此。因而在θc和θa檢測(cè)的電流的差值信號(hào)的絕對(duì)值沒有電弧時(shí)一般為零。點(diǎn)Qa和Qc與各自的交流波形的零點(diǎn)之間的相對(duì)距離相同。同樣注意到，圖14中點(diǎn)θa和點(diǎn)θb處的電流具有相同的絕對(duì)值，在沒有擾動(dòng)例如電弧的情況下。因而在沒有電弧時(shí)，θb和θa之間的電流差一般為零。點(diǎn)θa和θb與交流波形各自過零點(diǎn)的相對(duì)距離相同。在θc、θd之間、θb、θd之間、θb、θc之間和θa、θd之間存在同樣的關(guān)系。不同觀測(cè)點(diǎn)之間的不同的時(shí)間間隔小于電源的一周期。點(diǎn)θa、θc之間的點(diǎn)θb、θd之間的時(shí)間間隔為電源周期的一半，點(diǎn)θa、θb之間、θb、θc之間以及θc、θd之間的時(shí)間間隔小于電源周期的一半。點(diǎn)θa、θd之間的時(shí)間間隔小于電源的一周期而大于電源的半個(gè)周期。當(dāng)在相反的半周中的點(diǎn)上確定交流電流之間的差時(shí)，把其中的一個(gè)電流的代數(shù)符號(hào)反向。例如，當(dāng)確定在點(diǎn)θc、θa之間的電流差時(shí)，θc的負(fù)電流值變成正值，θc點(diǎn)的正的電流減去θa點(diǎn)的正的電流，從而提供所述的HNFI差值信號(hào)，其絕對(duì)值提供所述的電源差信號(hào)ID。當(dāng)在同一半周內(nèi)的相位點(diǎn)之間的電流差時(shí)或當(dāng)相位點(diǎn)都處在負(fù)半周或都位于正半周時(shí)，不需要改變電流的符號(hào)。
一般地，本方法涉及檢測(cè)交流波形的預(yù)定點(diǎn)，例如圖13中的θ1，1、θ1，2和圖14中的θa、θc以及θa、θb等，之間的交流電流的變化，并產(chǎn)生代表此變化的差值信號(hào)，相應(yīng)于這種差值的給定條件產(chǎn)生電弧指示信號(hào)。在沒有例如電弧之類的干擾時(shí)，交流電流波形的所述點(diǎn)具有相同的絕對(duì)值。因而在沒有電弧時(shí)電流差信號(hào)的絕對(duì)值之差一般為零。所述點(diǎn)相對(duì)于其各自的交流波形經(jīng)過零點(diǎn)的相對(duì)間隔相同。在最佳實(shí)施例中，所述采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔等于交流電源的一個(gè)周期，即圖3和13中的間隔T。在另一實(shí)施例中，采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔大于交流電源的一個(gè)周期，并且為其整數(shù)倍。在另一實(shí)施例中，采樣點(diǎn)之間的間隔小于交流電源的一周期。在另一實(shí)施例中，采樣點(diǎn)之間的間隔為所述交流電源頻率的整數(shù)倍的倒數(shù)。在另一實(shí)施例中，可以對(duì)在一周期內(nèi)的一點(diǎn)與另一周期內(nèi)的相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行比較，兩點(diǎn)之間不為周期的整數(shù)倍，例如，圖14中的θa、θe。本發(fā)明的方法包括在交流波形預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)上檢測(cè)交流電流的諧波變化，并且提供代表這種變化的差值信號(hào)，響應(yīng)這種差值信號(hào)的給定條件產(chǎn)生電弧指示信號(hào)。
有一些很明顯應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致電弧指示跳閘信號(hào)的事件。例如起毛的、污染的觸頭，或慢動(dòng)，例如故障卡住，以及雙金屬控制等。本發(fā)明響應(yīng)這些事件提供電弧指示跳閘信號(hào)。
可以提供具有類似電弧特性的電流的一類設(shè)備是某種SCR(可控硅整流器)控制的換向負(fù)載，例如當(dāng)運(yùn)行在全波方式低速(相對(duì)于最大)時(shí)，即不在整個(gè)半周內(nèi)導(dǎo)通時(shí)，能及具有換向機(jī)構(gòu)例如電刷時(shí)。類似電弧電流特征的理由是，在全波條件下相控工作循環(huán)保證存在兩個(gè)靜區(qū)，同時(shí)換向提供了所要求的周期到周期的改變。在這種方案中，根據(jù)使用SCR控制的負(fù)載的特點(diǎn)，即它們?cè)谶^零時(shí)關(guān)斷電流(自換向)，導(dǎo)致在低速時(shí)的非常低的功率因數(shù)來解決誤動(dòng)作或其它假電弧指示。例如由有關(guān)的同步求和特征，例如對(duì)峰值，計(jì)數(shù)，以及通過過零點(diǎn)對(duì)電壓狀態(tài)的檢測(cè)來檢測(cè)這些因素，可以提供用在條件檢測(cè)中的條件，從而防止電弧指示輸出跳閘信號(hào)。
少數(shù)的恒速換向(電刷)電機(jī)尤其是舊電機(jī)可以導(dǎo)致提供不希望的電弧指示的噪聲軌跡。在這種情況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，同步求和器波形由低于到高于靜區(qū)門限值的轉(zhuǎn)變總數(shù)大大超過相應(yīng)于電弧的轉(zhuǎn)換總數(shù)。這一特征可以被用來防止誤動(dòng)作，例如，借助于要求小于給定的例如圖11中每周的84、86的峰值數(shù)，即借助于要求超過一給定門限的電流差信號(hào)在給定的時(shí)間間隔內(nèi)不大于給定的次數(shù)。
很顯然，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以作出各種改型。
權(quán)利要求
1.用于檢測(cè)由給定基波頻率的交流電源(26)向負(fù)載(30)提供交流線電流的電路(20)中的電弧的裝置(46)，包括具有檢測(cè)所述交流線電流裝置的(170)的檢測(cè)裝置(170，182)，用來產(chǎn)生交流電流檢測(cè)信號(hào)；裝置(72)，由所述交流電流檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生具有給定基波頻率的并且除去其中諧波的濾波信號(hào)；裝置(94)，在選定的所述交流電流的若干周期內(nèi)，由所述濾波信號(hào)產(chǎn)生由濾波信號(hào)得到的累加信號(hào)，并保留所述濾波信號(hào)的相位和幅值信息；以及條件檢查裝置(116)，響應(yīng)代表電弧的所述累加信號(hào)的選定條件，產(chǎn)生輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述產(chǎn)生濾波信號(hào)的裝置(72)包括在所述交流電流信號(hào)的相應(yīng)點(diǎn)產(chǎn)生所述檢測(cè)交流電流的幅值之間的差值信號(hào)的諧波陷濾波器；其中產(chǎn)生所述累加信號(hào)的裝置(94)包括同步求和器，它把在所述交流電流選定周期數(shù)的所述相應(yīng)點(diǎn)的所述差信號(hào)的絕對(duì)值之和作為所述累加信號(hào)發(fā)出。
3.如權(quán)利要求2的裝置，其中所述產(chǎn)生所述累加信號(hào)的裝置(94)在交流信號(hào)的幾個(gè)連續(xù)部分重復(fù)發(fā)出所述累加信號(hào)，每個(gè)所述部分包括選定數(shù)目的交流電流周期，其中所述條件檢查器(116)進(jìn)一步包括部分檢查裝置(140)，它使得只有當(dāng)所棕條件檢查器(116)檢查到以對(duì)于給定部分?jǐn)?shù)的所選條件在所述交流信號(hào)的連續(xù)部分的預(yù)定數(shù)之外時(shí)才發(fā)出所述輸出信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置(64)，其中所述產(chǎn)生累加信號(hào)的裝置(94)在所述交流信號(hào)的幾個(gè)連續(xù)的部分中重復(fù)發(fā)出所述累加信號(hào)，其中所述構(gòu)成每個(gè)部分的選定的周期數(shù)為交流電流的5個(gè)周期，其中所述部分檢查器(140)能夠使得只當(dāng)所述條件檢查器檢查到對(duì)于給定部分?jǐn)?shù)的所選條件至少是預(yù)定的11個(gè)所述交流信號(hào)的連續(xù)的部分中的3個(gè)部分時(shí)才輸出信號(hào)。
5.如權(quán)利要求1至4之一的裝置(64)，其中所述條件檢查器(116)響應(yīng)從一組條件中選取的條件，包括所述累加信號(hào)的峰值對(duì)平均值之比超過給定門限值，檢測(cè)的累加信號(hào)的平均值超過給定的平均值門限值，檢測(cè)在每周期的累加信號(hào)中至少兩個(gè)靜區(qū)中的每一個(gè)是一周期的一部分，在這部分中所述累加信號(hào)不上升到給定的電流動(dòng)作門限以上，并且持續(xù)至少一最小間隔，在所述累加信號(hào)中沒有檢測(cè)到持續(xù)時(shí)間大于給定靜區(qū)時(shí)間上限的靜區(qū)，檢測(cè)所述累加信號(hào)具有不大于給定的零時(shí)間上限的零時(shí)間間隔，以及這些條件的組合，發(fā)出所述輸出信號(hào)。
6.如權(quán)利要求1到4中任一權(quán)利要求的裝置(64)，其中所述條件檢查器(116)響應(yīng)下述的每個(gè)條件發(fā)出輸出信號(hào)檢測(cè)的累加信號(hào)的峰值與平均值之比至少大約為4，檢測(cè)的所述累加信號(hào)的平均值至少大約為0.4安培，在每周期中檢測(cè)的所述累加信號(hào)至少有兩個(gè)靜區(qū)，每個(gè)靜區(qū)持續(xù)至少約為1.5毫秒的時(shí)間，不存在大約大于9毫秒的靜區(qū)，在累加信號(hào)中沒有持續(xù)時(shí)間大于大約124毫秒的零區(qū)。
7.如權(quán)利要求1或2的裝置(64)，其中所述檢測(cè)裝置(170，182)包括響應(yīng)交流電提供的交流電壓的交流電壓檢測(cè)裝置(182)和響應(yīng)所述電壓檢測(cè)裝置(182)，用來響應(yīng)給定的電壓條件禁止發(fā)出所述輸出信號(hào)的禁止裝置(146—154)。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置(64)，其中所述禁止裝置(146—154)包括諧波陷波濾波器(146)，用來在所述交流電壓的相應(yīng)點(diǎn)的所述交流電壓的幅值之間產(chǎn)生差值信號(hào)，求和裝置(148)，在所選的周期數(shù)內(nèi)把差值信號(hào)相加產(chǎn)生累加電壓信號(hào)，以及裝置(150—154)，當(dāng)所述累加電壓信號(hào)超過給定的累加電壓門限時(shí)，產(chǎn)生禁止所述輸出信號(hào)的禁止信號(hào)。
9.用于由給定頻率的交流電源(26)向負(fù)載(30)提供具有重復(fù)周期的交流線電流的電路(20)的電弧檢測(cè)方法，包括如下步驟檢測(cè)交流電流，從而發(fā)出檢測(cè)電路信號(hào)；在交流電的所述周期內(nèi)的相應(yīng)的相位上產(chǎn)生檢測(cè)電流信號(hào)之間的差的差值信號(hào)；在選定的若干周期內(nèi)累加差值信號(hào)的絕對(duì)值，從而產(chǎn)生累加差信號(hào)；響應(yīng)從下述一組條件中選取的累加差信號(hào)的條件產(chǎn)生電弧指示信號(hào)；所述一組條件包括所述累加差信號(hào)超過給定的門限值的峰值對(duì)平均值之比，所述累加差信號(hào)超過給定的平均值門限的平均值，在每周期內(nèi)至少在累加差信號(hào)中有兩個(gè)靜區(qū)，每個(gè)靜區(qū)是一個(gè)周期的一部分，其中所述累加差信號(hào)基本上不超過給定的電流動(dòng)作門限，并且持續(xù)至少一個(gè)給定的最小間隔，在所述累加差信號(hào)中沒有持續(xù)時(shí)間大于給定的靜區(qū)上限的靜區(qū)，所述電壓差信號(hào)具有不大于給定的零時(shí)間上限的為零的間隔，以及所述條件的組合。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述累加差信號(hào)在包括選定的交流電的周期數(shù)的交流電流的部分被累加，并且其中所述電弧檢測(cè)信號(hào)只當(dāng)對(duì)于給定的交流電流的部分?jǐn)?shù)超過預(yù)定的部分?jǐn)?shù)時(shí)檢測(cè)到所述條件才發(fā)出電弧檢測(cè)信號(hào)。
全文摘要
檢測(cè)交流電流周期到周期的改變來提供電弧檢測(cè)。在交流電m個(gè)周期的每個(gè)周期內(nèi)由Q
文檔編號(hào)G01R31/14GK1129809SQ9410956
公開日1996年8月28日 申請(qǐng)日期1994年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月20日
發(fā)明者約瑟夫·C·朱爾徹, 查爾斯·J·坦尼爾斯 申請(qǐng)人:尹頓公司