[发明专利]电弧检测设备和方法

说明书

本发明专利申请是申请日为2003年12月9日、申请号为200310120219.7、发明名称为“电弧检测设备和方法”的发明申请的分案申请。

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跳闸。

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20-50μH量级的较小的互感)监测流经负载的电流。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匝(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+1-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1加上2(来自周期1)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max_limit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_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，由此模拟电弧的检测。

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。