[发明专利]小型电弧故障电流传感器和系统

说明书

优先权

本申请要求2015年2月11日提交的标题为Miniature Arc Fault Current Sensor的共同未决的且共同拥有的美国临时专利申请序列号62/115,078的优先权，所述申请以引用的方式整体并入本文。

版权

本专利文件的公开的一部分含有受版权保护的材料。版权所有者不反对由任何人以专利文件或专利公开出现在美国专利与商标局专利文档或记录中的形式复制所述专利文件或专利公开，但是另外保留任何所有版权权利。

技术领域

本公开大体上涉及电路元件，并且更具体地涉及用于感测电弧故障电流的设备以及利用和制造所述设备的方法。

背景技术

电弧故障是在两个或更多个导体之间的电力的高功率放电。这种放电产生热量，其可以损坏电线的绝缘性，并点燃附近的易燃材料，从而引起火灾。电弧故障范围从几安培至数千安培，并且产生可检测的宽带电特征。所述特征通常可以处于100Hz至1GHz的范围内，这取决于发生电弧的电气系统的带宽。

自从广泛使用电力以来，人们已经认识到电弧故障的危险。美国消费品安全委员会(CPSC)在二十世纪后半叶认识到，美国的火灾死亡率大部分都是由电来源的住宅火灾引起的。1990年代，电弧故障检测和电路中断技术达到商业可行性。美国保险商实验室(UL)和美国电气制造商协会(NEMA)认识到与过载断路器类似的电弧故障电路断流器(AFCI)的需求和生产标准。1999年，国家电气规范开始在卧室电路中要求电弧故障电路断流器(AFCI)。由于光伏太阳能直流(DC)电弧故障的危险，NEC最近将AFCI的要求扩大到所有生活空间以及光伏太阳能(PV)设施中的电路。最近的UL标准1699，电弧故障电路断流器定义了在电路中检测到电弧故障特征时中断电路(类似于断路器)的AFCI的UL认证的要求。

现代AFCI由电弧故障传感器部件、检测器电路和电路中断机构组成。配电系统AFCI通常集成在断路器和AC插头/插座中。对于PV系统，AFCI集成在串联逆变器、DC均衡器、微逆变器和组合箱中。

为了在电弧故障载流导体和AFCI传感器部件之间提供电隔离，AFCI系统中使用的电弧故障传感器大多数是具有磁芯或环形罗可夫斯基线圈(RC)的环形电流互感器(CT)，没有磁芯封装在环形塑料壳体内。这些AFCI传感器存在许多问题：

1)它们倾向于较大(直径几厘米，并且高一厘米)，对于薄(例如0.5英寸)的断路器、AC插座和PV组合箱、微逆变器和DC均衡器来说太大了。

2)主集(承载待感测的电弧故障信号的导体)必须途经这些AFCI传感器环形线圈的中心。这种路由限制灵活性，不方便，而且昂贵。

3)CT(<1MHz)、罗可夫斯基线圈(<10MHz)的带宽远远小于被感测的电弧故障信号的带宽，这导致它们像低通滤波器一样起作用并且限制检测电路的性能。

4)与小型电弧故障电流传感器相比，电弧故障传感器环形线圈是昂贵的。除了外部塑料环形容器外，CT需要足够大的磁芯使得其不会使应用的正常AC和DC电流以及数百匝铜线饱和。罗可夫斯基线圈还需要数百匝精密缠绕的铜线和额外的电放大，用于它们的低信号输出。

AFCI日益增长的应用需要没有上述缺点的传感器部件，其足够小以便部署在印刷电路板(PCB)上的相邻迹线附近或之间，同时具有足够的输出以支持电弧故障检测电路。

发明内容

本发明通过提供一种改进的电流传感器装置及其制造和使用方法来满足前述需求(即解决现有技术的CT和RC环形传感器的缺点)。

在第一方面，公开了电流感测装置。在一个实施方案中，电流感测装置包括电弧故障感测部件，其足够紧凑以适合在印刷电路板(PCB)上的迹线附近或之间，同时产生足够的信号以便检测电弧故障信号。与现有技术的CT和RC一样，主导体不需要途经传感器。

在第二实施方案中，公开了一种小型电弧故障传感器部件。电弧故障传感器部件具有如横向于迹线测量的小于一厘米的外部尺寸。小型电弧故障传感器组件与电弧故障载流迹线相邻进行安装。小型电弧故障传感器部件具有相对于迹线的外部尺寸，其包括平行于迹线的外部尺寸、横向于迹线的外部尺寸以及横向于PCB的平面的外部尺寸。

在一个变型中，小型电弧故障传感器部件具有适合在一侧为一厘米的立方体内的外部尺寸。

在又一变型中，PCB迹线包括区段，其基本上彼此横向并且与小型电弧故障传感器部件的至少两侧相邻以增强由小型电弧故障传感器部件产生的信号。