工业电弧故障电路断续器和检测起电弧状况的方法

专利名称：工业电弧故障电路断续器和检测起电弧状况的方法
技术领域：
本发明一般地涉及电路断续器，更具体地涉及电弧故障电路断续器。本发明还涉 及检测起电弧状况(arcing conditions)的方法。
背景技术：
维护人员经常需要在通电的低压电力电路上工作，例如，在测试断路器时。断路器 具有被设计成保护电力电路免受过载和过电流损害的脱扣(跳闸)功能。这些脱扣功能通 常包括允许更靠近故障的下游断路器首先进行响应以便将运行中断仅限制在该电路中的 延迟脱扣功能。延迟脱扣功能还允许暂时的过载，例如与较大电机的起动电流相关的过载。断路器之间的协调工作可通过区域互锁来增强，在区域互锁中，保护等级较低的 断路器在检测到故障时向上游断路器发送信号以暂时阻止后一断路器的操作，从而给予下 游断路器以时间来响应。来自下游断路器的区域互锁信号的缺失表明故障位于该断路器以 上，由此允许上游断路器比其操作被暂时阻止时相对更快地作出响应。电力断路器还常常具有瞬时脱扣功能，其无延迟地响应相对来说非常高的电流， 例如与短路相关的电流。这些断路器还可具有通常也包含延迟时间的接地故障脱扣功能。维护和测试人员在对通电的开关装置进行工作或测量时可能暴露于带电的端子。 由意外故障引起弧闪(电弧闪光)的可能性要求这些人员穿着保护服。美国专利No. 7，203，040公开了一种用于减小弧闪能量和遭受弧闪的严重程度的 电弧减小维护开关(ARMS)。在发生故障时，特定的脱扣功能手动地被减小电弧能量的维护 脱扣功能取代。被手动地激活和解除的维护脱扣功能减小特定脱扣功能的启动(pickup) 电流和/或减小或消除特定脱扣功能的时间延迟。例如，瞬时脱扣从10倍额定电流减小到 2倍额定电流，短延迟启动从8倍额定电流减小到1. 5倍额定电流，0. 5秒的短时间延迟减 小到0. 050秒(基本没有时间延迟)，(设备保护)接地故障启动电流从0. 5倍额定电流减 小到0. 25倍额定电流，并且接地故障时间延迟从0. 5秒减小到0. 050秒(基本没有时间延 迟)。作为另一个例子，瞬时脱扣从10倍额定电流减小到4倍额定电流，短延迟启动从8倍 额定电流减小到3倍额定电流，0. 5秒的短时间延迟减小到0. 050秒(基本没有时间延迟)， (设备保护)接地故障启动电流从0. 5倍额定电流减小到0. 25倍额定电流，并且接地故障 时间延迟从0. 5秒减小到0. 050秒(基本没有时间延迟)。ARMS通过降低故障的脱扣水平来减小弧闪能量，并被限制在比模制外壳(塑壳) 断路器的壳架额定值(frame rating)高的故障水平。ARMS在比壳架额定值低的故障水平 下不检测起电弧状况。另外，它需要在必要时被打开，并且在维护完成后解除。接地故障(例如弧闪)或最相似的电弧故障是常规的工业断路器能检测和中断的 短路事件。但是，这些断路器在某些情况下由于断路器耐受要求而可能脱扣得过慢。这就 是在维护进行时ARMS特征需要被打开或者脱扣水平需要降低的原因，是为了使断路器能 更快地脱扣，且由此更快地中断故障。在工业应用中，传统的电弧故障电路断续器(AFCI)对于在传统的断路器开关期间发生的“起电弧”(可能持续达大约整个周期)可能脱扣得过快。电弧故障电路断续器存在改进的空间。检测起电弧状况的方法也存在改进的空间。

发明内容
这些及其它需求由本发明的实施例来满足，本发明涉及较低和较高电流起电弧状 况两者的识别和解决，例如，不良连接、对地起电弧、相间起电弧、材料击穿(漏电)和与起 电弧相关的系统完好性。电路断续器感测与起电弧相关的高频电流信号以检测起电弧故障 或弧闪并使电路断续器脱扣。因而，这能检测各种电流水平下的起电弧状况并且不需要被 打开或解除。所述电路断续器能应用于许多工业系统电压应用。根据本发明的一个方面，一种电路断续器包括一定数量的极，所述一定数量的极 中的每个都包括一对可分离触点；操作机构，所述操作机构构造成针对所述一定数量的极 打开和闭合所述一对可分离触点；和脱扣机构，所述脱扣机构与所述操作机构协作以脱扣 打开所述一定数量的极，所述脱扣机构包括处理器并且还针对所述一定数量的极中的每个 包括第一电流传感器，所述第一电流传感器构造成感测流过所述一定数量的极中相应一 个极的所述一对可分离触点的电流；一定数量的第二电流传感器，所述一定数量的第二电 流传感器构造成由流过所述一定数量的极中所述相应一个极的所述一对可分离触点的电 流感测一定数量的高频电流信号；一定数量的带通滤波器，所述一定数量的带通滤波器中 的每个都包括输入和输出，所述输入接收所述一定数量的高频电流信号之一；一定数量的 峰值检测器，所述一定数量的峰值检测器中的每个都包括输入和输出，所述输入接收所述 一定数量的带通滤波器中相应一个带通滤波器的输出；和一定数量的包络检测器，所述一 定数量的包络检测器中的每个都包括输入和输出，所述输入接收所述一定数量的带通滤波 器中相应一个带通滤波器的输出；其中所述处理器构造成对所述一定数量的包络检测器 中各个的输出超过第一预定值的事件的计数值(事件的次数，count of occurrences)进 行计数；维持与所述一定数量的峰值检测器中各个的输出对应的一定数量的临时值；将电 弧故障脱扣时间针对所述一定数量的极确定为流过所述一对可分离触点的、所感测到的电 流的函数；判定是否所述一定数量的峰值检测器中任一个的输出都大于第二预定值，并且 如果是这样，则响应地使所述一定数量的临时值中相应的一个临时值增大第三预定值，而 如果不是这样，则使所述一定数量的临时值中所述相应的一个临时值减小第四预定值；判 定所述一定数量的临时值的预定函数是否大于第五预定值，并且如果是这样，则针对所述 一定数量的峰值检测器中的每个，将所述一定数量的临时值中所述相应的一个临时值加 到累加器中，而如果不是这样，则使所述累加器减小第六预定值；并且如果(a)与半周期 (half-cycle)中具有一极性的当前一个半周期对应的所述计数值和与所述半周期中具有 相同极性的前一个半周期对应的所述计数值之间的差至少为二，(b)所述累加器大于第七 预定值，且(c)达到了所述电弧故障脱扣时间，则使所述操作机构脱扣打开所述一定数量 的极。所述处理器还可构造成，如果(1) (a)所述差不是至少为二，或所述累加器不大 于所述第七预定值，或未达到所述电弧故障脱扣时间，且(b)所述累加器小于或等于第八 预定值；或者(2) (a)所述差不是至少为二，或所述累加器不大于所述第七预定值，且(b)达到了所述电弧故障脱扣时间，则重新设定所述电弧故障脱扣时间。流过所述一定数量的极中所述相应一个极的所述一对可分离触点的电流可以是 包括多个半周期的交流电流；所述处理器还可构造成针对所述半周期中的每个输入所述一 定数量的高频电流信号中每个的多个样本；并且所述处理器还可构造成，在针对所述一定 数量的峰值检测器中的每个判定所述一定数量的临时值中所述相应的一个临时值是否大 于所述第五预定值之前，收集全部的所述样本。所述一定数量的高频电流信号可以是多个高频电流信号；所述一定数量的带通滤 波器可以是多个带通滤波器；所述一定数量的峰值检测器可以是多个峰值检测器；所述一 定数量的包络检测器可以是多个包络检测器；所述处理器可包括多个比较器、一或门和一 计数器，所述一定数量的比较器中的每个都包括构造成表明所述包络检测器中相应一个包 络检测器的输出何时大于所述第一预定值的输出，所述或门包括构造成由各个所述比较器 的输出提供逻辑或功能的输出，所述计数器构造成由所述或门的输出对事件进行计数。作为本发明的另一个方面，一种检测起电弧状况的方法包括感测流过电力电路 的电流；由所述电流的流动感测一定数量的高频电流信号；对所述一定数量的高频电流信 号中的每个进行带通滤波并提供一定数量的相应的带通滤波信号；由所述一定数量的相应 的带通滤波信号检测一定数量的峰值信号；由所述一定数量的相应的带通滤波信号检测一 定数量的包络；对所述一定数量的包络超过第一预定值的事件的计数值进行计数；维持与 所述一定数量的峰值信号对应的一定数量的临时值；将电弧故障脱扣时间确定为所述所感 测到的电流的流动的函数；判定是否所述一定数量的峰值信号中的任一个都大于第二预定 值，并且如果是这样，则响应地使所述一定数量的临时值中相应的一个临时值增大第三预 定值，而如果不是这样，则使所述一定数量的临时值中所述相应的一个临时值减小第四预 定值；判定所述一定数量的临时值的预定函数是否大于第五预定值，并且如果是这样，则将 所述一定数量的临时值加到累加器中，而如果不是这样，则使所述累加器减小第六预定值; 并且如果(a)与半周期中具有一极性的当前一个半周期对应的所述计数值和与所述半周 期中具有相同极性的前一个半周期对应的所述计数值之间的差至少为二，(b)所述累加器 大于第七预定值，且(c)达到了所述电弧故障脱扣时间，则脱扣打开所述电力电路。作为本发明的又一个方面，一种电路断续器包括可分离触点；操作机构，所述操 作机构构造成打开和闭合所述可分离触点；和脱扣机构，所述脱扣机构与所述操作机构协 作以脱扣打开所述可分离触点，所述脱扣机构包括处理器；第一电流传感器，所述第一电 流传感器构造成感测流过所述可分离触点的电流；一定数量的第二电流传感器，所述一定 数量的第二电流传感器构造成由流过所述可分离触点的电流感测一定数量的高频电流信 号；一定数量的带通滤波器，所述一定数量的带通滤波器中的每个都包括输入和输出，所 述输入接收所述一定数量的高频电流信号之一；一定数量的峰值检测器，所述一定数量的 峰值检测器中的每个都包括输入和输出，所述输入接收所述一定数量的带通滤波器中相应 一个带通滤波器的输出；和一定数量的包络检测器，所述一定数量的包络检测器中的每个 都包括输入和输出，所述输入接收所述一定数量的带通滤波器中相应一个带通滤波器的输 出；其中所述处理器构造成对所述一定数量的包络检测器中各个的输出超过第一预定值 的事件的计数值进行计数；维持与所述一定数量的峰值检测器中各个的输出对应的一定数 量的临时值；将电弧故障脱扣时间针对所述一定数量的极确定为流过所述一对可分离触点的、所感测到的电流的函数；判定是否所述一定数量的峰值检测器中任一个的输出都大于 第二预定值，并且如果是这样，则响应地使所述一定数量的临时值中相应的一个临时值增 大第三预定值，而如果不是这样，则使所述一定数量的临时值中所述相应的一个临时值减 小第四预定值；判定所述一定数量的临时值的预定函数是否大于第五预定值，并且如果是 这样，则针对所述一定数量的峰值检测器中的每个，将所述一定数量的临时值中所述相应 的一个临时值加到累加器中，而如果不是这样，则使所述累加器减小第六预定值；并且如 果(a)与半周期中具有一极性的当前一个半周期对应的所述计数值和与所述半周期中具 有相同极性的前一个半周期对应的所述计数值之间的差至少为二，(b)所述累加器大于第 七预定值，且(C)达到了所述电弧故障脱扣时间，则使所述操作机构脱扣打开所述可分离 触点。


在结合附图阅读时从下面对优选实施例的说明可获得对本发明的充分理解，在附 图中图1A-1B构成了根据本发明实施例的断路器的框图。图2是使图1A-1B的断路器的瞬时脱扣功能、高频脱扣功能、标准脱扣曲线功能和 接地故障脱扣功能协调的程序的流程图。图3A-3C构成了图1A-1B的断路器的高频脱扣功能程序的流程图。图4是针对图1A-1B的断路器的高频脱扣功能和标准脱扣曲线功能的、电流对时 间的图示。
具体实施例方式如本文所用，术语“处理器”是指能存储、检索读取和处理数据的、可编程的模拟和 /或数字装置；计算机；工作站；个人计算机；微处理器；微控制器；微计算机；中央处理单 元；大型计算机；小型计算机；服务器；网络处理器；或任意适当的处理装置或设备。如本文所用，术语“数量”应指一个或大于一个的整数个(即，多个)。如本文所用，术语“电流传感器”应指电流互感器(currenttransformer)或用于 感测流过导体的电流的任意适当的传感器。本发明是结合用于三相系统的三极工业电弧故障断路器来描述的，但本发明可应 用于用于具有任意数量的对应相的系统的、具有任意数量的极的多种电弧故障电路断续
ο参照图1A-1B，三极电路断续器如工业电弧故障断路器2包括成对的可分离触点 4A、4B、4C，构造成打开和闭合可分离触点4A、4B、4C的操作机构6，和构造成感测在三相线 路端子10和三相负载端子12之间流过相应的可分离触点4A、4B、4C的电流的传感器8A、 8B、8C。断路器2还包括与传感器8A、8B、8C和操作机构6协作以脱扣打开可分离触点4A、 4B、4C的处理器如示例性的微计算机(μ C) 14(例如而不限于，由Arizona的Microchip Technology Incorporated of Chandler 销售的 Microchip PIC16F685 微控制器)，和构造 成至少给μ C 14供电的电源16。电源16例如是交流(AC)转直流(DC) (AC/DC)电源，其 例如从节点27接零并从节点28输入电力。电源16自这两个节点27、28之一限定有共用接地点(common) 22。一模拟感测电路24具有对于所述三个传感器8A、8B、8C的六个输入。 AC/DC电源16向μ C 14提供适当的DC电压20和所述共用接地点22，并且按照需要给例 如模拟感测电路24供电。模拟感测电路24接收来自节点27、28的输入和来自传感器8A、8B、8C的六个输 出，流过这些传感器8A、8B、8C的三个电流由所述六个输出来确定。来自例如模拟感测电路 24的各个输入电压信号29由yC 14的多通道模拟-数字转换器(ADC) 30输入并被转换为 相应的数字值以供μ P 32输入。μ P 32包括如将所述的程序34、100。响应于从ADC输入电压信号29感测出的一个或多个状况，μ P 32产生经μ C 14 到达输出端38并接通SCR 40的脱扣信号36。SCR 40继而使脱扣螺线管42通电，并由此 致动操作机构6以便响应于例如过电压、电弧故障或其它脱扣状况而脱扣打开可分离触点 4。脱扣螺线管42由此便成为与μ P 32和操作机构6协作以便响应于由μ P 32检测到的 不同脱扣状况之一而脱扣打开可分离触点4的脱扣致动器。与螺线管42的线圈串联的电 阻器44限制线圈电流，并且电容器46保护SCR 40的门极免遭电压尖峰和因噪声引起的误 脱扣。高频隔离器(HFI) 48A、48B、48C优选地分别电连接在可分离触点4A、4B、4C和传感 器8A、8B、8C之间。HFI 48A、48B、48C将在隔离器下游产生的高频信号与隔离器上游隔离 开，以及将在隔离器上游产生的高频信号与隔离器下游隔离开。在该示例中，对于每相而言，示出了四个电流传感器。例如，对于A相而言，示出了 传感器8A和三个高频(HF)电流互感器(CT)50、51、52，但是也可采用一个、两个、三个、四 个或更多个HF电流传感器。因而，对于该相而言，一个电流传感器可供给模拟感测电路24 和三个带通滤波器54、55、56。作为另一个示例，三个HF CT 50、51、52不仅从感测出的电流 测得三个HF电流信号，而且从感测出的电流测得电力频率信号。示例性的HF CT 50,51,52 感测di/dt，并且它们的输出在有限时段上被积分以获得电流信号。三个示例性的HF CT被 用于使期望频率范围内的输出优化，以避免HF CT的输出的大幅放大。HF CT 50、51、52的输出分别由示例性的窄带滤波器54、55、56输入。第一(Π) 滤波器54的第一频率范围的非限制性示例为约80kHz+/-10kHz (中心频率与带宽的比率 (Q)约为8)；第二(f2)滤波器55的第二频率范围的非限制性示例为约600kHz+/-75kHz(Q 约为8)；以及最后一个(fn)滤波器56的最后一个频率范围的非限制性示例为约 1. 6MHz+/"200kHz (Q约为8)。优选地，滤波器54、55、56的每个都具有大于约5的中心频率 与带宽的比率(Q)。对于HF电流信号的滤波器54、55、56允许检测起电弧状况，并将电弧故 障与和正常开关相关的正常起电弧状况区分开来。滤波器54、55、56的输出分别由峰值检测器58、59、60以及由包络检测器62、63、 64输入。峰值检测器58、59、60的输出由ADC 30的相应输入通道239、235、237输入。包 络检测器62、63、64的输出分别由比较器66、67、68的负输入端输入。这些比较器66、67、 68在它们的正输入端使用各自的基准值REFA、REFB、REFC。比较器66、67、68的输出由线或 (wired-OR) 70输入，还由μ P 32的计数器(TMR1)74输入。比较器66、67、68的每个都包括 构造成表明包络检测器62、63、64中相应一个的输出何时大于相应的预定值(REFA、REFB, REFC)的输出。线或70构造成由比较器66、67、68各个的输出提供逻辑或功能。计数器74 构造成由线或70对从高到低事件(high-to-low occurrences)进行计数。μ P32还包括如将所述的定时器(TMRO) 72。尽管示出的是三组HF CT 50、51、52，窄带滤波器54、55、56，峰值检测器58、59、 60，包络检测器62、63、64和比较器66、67、68，但是可采用任何适当数量的这些组。在采用 多个(例如，两个或更多个)这些组的情况下，相应的带通滤波器(例如，54、55、56中的两 个或更多个)的多个高频、较窄的带完全分开并且不交迭。另外，高频的多个较窄的带需要 分开得足够远，以使得它们不会重复信息以及提供由各电路中的电弧产生的高频信息。由 相应的ADC通道239、235、237输入的高频电流信号用于检测电弧故障。多个频带被分得足 够开以便基于高频电流信号峰值检测来捕获由电弧产生的高频信号。这考虑了由电弧产生 的高频信号噪声，同时消除了在特定频带中由负载(未示出，但电连接到示例性的端子12 和26)产生的信号噪声，以及克服了由因电路中的具有容抗的负载如EMI滤波器(例如而
不限于，Corcom 滤波器)(未示出)导致的信号强度减弱所带来的影响。滤波器54、55、56可覆盖相应的频带(范围)，各个频带都具有不同的中心点，大 于或等于约IOkHz并且小于或等于约20kHz。相应高频的这些较窄的带通滤波器54、55、56 的输出(如通过相应的包络检测器62、63、64检测出的那样)由线或70进行求“或”。第一 包络检测器62与第一滤波器54协作以便从第一通带位于第一预定幅值范围(例如而不限 于，约2. 652V及更高；任意适当的值)之内检测多个第一事件。第二包络检测器63与第二 滤波器55协作以便从第二通带位于第二预定幅值范围(例如而不限于，约2. 756V及更高； 任意适当的值)之内检测多个第二事件。第三包络检测器64与第三滤波器56协作以便从 第三通带位于第三预定幅值范围(例如而不限于，约2. 756V及更高；任意适当的值)之内 检测多个第三事件。脱扣机构或脱扣单元如适当的脱扣电路76与操作机构6协作以脱扣打开三个示 例性极的可分离触点4A、4B、4C。脱扣电路76包括yC 14，传感器8A、8B、8C，HF CT 50、51、 52，滤波器54、55、56，峰值检测器58、59、60，包络检测器62、63、64，比较器66、67、68，线或 70和脱扣螺线管42。参照图2，程序100协调图1A-1B的断路器2的瞬时脱扣功能、高频脱扣功能程序 34(图3A-3C)、标准脱扣曲线功能和接地故障脱扣功能。程序100每个线路周期运行至少 一次。首先，在102，μΡ 32(图1Α)从ADC 30读取从模拟感测电路24输入的、来自传感器 8A、8B、8C的三相电流信号(IA, Ib, Ic)。接下来，在104，判定三相电流信号之和(IA+IB+IC) 是否等于或适当地接近于零，以便查验惯常的接地故障脱扣状况。如果是这样，则在106继 续执行过程。否则，通过产生经μ C 14到达输出端38并使SCR 40接通的脱扣信号36来 使断路器2脱扣。在106，判定三相电流信号中的任一个(14或。或1。)是否大于额定电流 (Irated)的预定值(例如而不限于，15 ；13 ；任意适当值)倍。如果是这样，则在110断路器 2以与在108所述相同的方式瞬时脱扣。另一方面，如果三相电流信号全部…与。与Ic) 都小于或等于额定电流(Irated)的预定值(例如而不限于，15 ；13 ；任意适当值)倍，则， 在112，判定图3A-3C的程序34的HF算法是否准备好使断路器2脱扣(例如，起电弧高频 电流信号的持续时间是否比预定脱扣时间长)。如果是这样，则在114断路器2以与在108 所述相同的方式脱扣。如结合图3A-3C和4将要讨论的那样，当在106的检验未被满足时 程序34确定相应的电弧故障脱扣时间。在那里，如果程序34的HF算法确认了电弧故障， 则惯常的脱扣曲线119被取代，在这种情况下断路器2根据在图3C的252限定的电弧故障脱扣时间来脱扣。另一方面，如果图3A-3C的程序34的HF算法未准备好使断路器2脱扣，则，在116， 判定是否三相电流信号全部(^与。与I。)都小于额定电流(Irated)的预定值(例如而 不限于，15 ；13 ；任意适当值)倍并且还大于额定电流(Irated)。如果是这样，则，在118，断 路器视情况而定如通过考虑惯常的脱扣曲线所确定的那样脱扣，如在图4的119所示，该脱 扣曲线由时间和所感测的电流来限定。另一方面，如果116的检验未被满足，则，在120，程 序100退出。程序100优选地用于实现或增强多个断路器的“选择性协调”。在这种选择性协调 中，主路断路器能够保持闭合或短暂打开，以便在支路中发生故障事件的情况下帮助支路 断路器中断故障，以使得其它支路不受影响。否则，如果在主路断路器和支路断路器之间发 生故障，则主路断路器应立即脱扣。参照图3A-3C，示出了高频脱扣功能程序34。程序34每个线路半周期运行八次。 当在200开始后，在202，μ P 32(图1A)从ADC 30读取从峰值检测器58、59、60输入的HF 电流信号。为清楚起见，对于示例性的三相断路器2，就一定数量(“η”)组的HF CT 50、 51、52，窄带滤波器54、55、56和峰值检测器58、59、60而言，这包括“3η”个HF电流信号。这 样，如果“η”例如为三(不要与三相混淆)，则存在九个(3n = 3X3)HF电流信号。接下来，在204，例如利用低于相应预定阈值(Tl(n))的HF电流信号的8点移动 平均值来获取对于HF电流信号的噪声基线(NBn)。此处，对于通过不同滤波器如54、55、56 的不同HF电流信号可存在不同的预定阈值(Tl⑴、T1 (2),...Tl (η))(例如而不限于，120、 100、80;任意适当值)。如果一特定的HF电流信号高于相应的预定阈值，则其被忽略。因 而，示例性的8点移动平均值是针对各个不同的HF电流信号、基于该HF电流信号的低于相 应预定阈值的最近的八个样本来确定的。例如，对于一个HF电流信号而言，该HF电流信号的前八个样本全都低于相应的预 定阈值，则相应的基线为这些信号的平均值。例如，对于另一个HF电流信号而言，该HF电 流信号的前二十个样本具有十二个高于相应的预定阈值的样本和八个低于相应的预定阈 值的样本，则相应的基线为这八个样本的平均值。例如，对于又一个HF电流信号而言，该HF 电流信号的前九个样本具有一个高于相应的预定阈值的样本和八个低于相应的预定阈值 的样本，则相应的基线为这八个样本的平均值。接下来，在206，通过从各个HF电流信号中减去相应的基线(NBn)来修正这些HF 电流信号。这调整了 HF电流信号，以除去基线噪声。然后，在208，判定是否经修正的HF电 流信号中的任一个都高于相应的预定阈值(Tl (η))。如果是这样，那么，在210，如果一脱扣 记录(存储段，bucket) (Y)(下面结合220讨论)小于或等于零则电弧故障脱扣时间(下面 结合252讨论)被重新设定。接下来，在212，对于在208高于相应的预定阈值(Tl (η))的那 些HF电流信号，相应频率下的临时记录(Χ(η))被增大该相应频率下的相应预定值(Cl (η)) (例如而不限于，15、10、5;任意适当值)。然后，在214，变量Sample递减。该变量在236被 初始化为“N-1”，其中，例如而不限于，对于每个半周期八个示例性样本而言，N = 8。接下 来，在216，如果递减后的变量Sample等于零，则在218继续执行过程。在218，判定临时记录值(X(n))的预定函数(F2(fn))是否满足预定阈值(T2)(例 如而不限于，零；任意适当值)。作为一个非限制性示例，F2 = X(I) *X⑵…*X(n)>
13T2 = 0。这对于全部三个相重复进行。如果该检验得以满足，则，在220，所有的临时记录的 值(Χ(η))都被加到脱扣记录(Y)上。同样，这对于全部三个相重复进行。接下来，在222，判定是否满足三个条件(i)图IA的计数器74 (TMRl)在最近两个 具有相同极性(正或负)的半周期的值之差大于一；(ii)脱扣记录(Y)大于预定值(T3) (例如而不限于，300;任意适当值)；和(iii)电弧故障脱扣时间小于或等于零。如果该检 验得以满足，则在224断路器2以上面结合图2的步骤108所述的方式脱扣。接下来，在 225，脱扣记录(Y)、各个临时记录值(X(n))和计数器74 (TMRl)(图1A)全都被设定为零，并 且电弧故障脱扣时间被重新设定(如在252所讨论的那样)。此处，该重新设定将在断路器 复位时进行。如果在208的检验未被满足，则，在226，相应频率下的各个临时记录值(X(n))被 减小相应频率下的预定值(Si (η))(例如而不限于，5、10、15 ；任意适当值)。此处，如果任意 临时记录值(Χ(η))都小于零，则其被设定为零。然后，在228，变量Sample递减。接下来， 在230，如果递减后的变量Sample等于零，则在232继续执行过程。在232，如果⑴脱扣记录⑴小于或等于零；或者(ii)电弧故障脱扣时间小于或 等于零，则电弧故障脱扣时间被重新设定。否则，电弧故障脱扣时间被减小适当的预定时间 (例如而不限于，8. 333mS/(N-I)，其中对于每个半周期8个样本或中断(interrupt)，N = 8，或者约1. 19mS ；任意适当值)。然后，在234，各个临时记录值(X(n))和计数器74 (TMRl) (图1A)全都被设定为零。接下来，在236，中断被处理，以便处理来自前一半周期的数据，准 备下一 TMRO中断，并将变量Sample初始化为“N_l”。然后，在238，实现由定时器72 (TMRO) 限定的下一中断。这被设定为适于在每个半周期提供示例性的八个样本的时间段。在238 后，在202以下一中断来继续执行过程。在该非限制性示例中，在大约过零处存在初始中 断，后跟另7个中断，形成总共8个中断。如果在218检验未被满足，则，在240，脱扣记录Y被减小预定值(S2)(例如而不限 于，8;任意适当值)。此处，如果脱扣记录Y将小于零，则其被设定为零。然后，在242，如果 电弧故障脱扣时间小于或等于零，则电弧故障脱扣时间被重新设定。否则，电弧故障脱扣时 间被减小适当的预定时间(例如而不限于，8. 333mS/ (N-I)，其中对于每个半周期8个样本， N = 8,或者约1. 19mS ；任意适当值)。并行的(均等的，even)步骤244-248 (以虚线图示出)不由程序34的固件执行， 而是由包络检测器62、63、64，比较器66、67、68，线或70和图IA的计数器74(TMRl)提供。 在244，确定与滤波器54、55、56对应的各频率下的各个高频计数值Mn。然后，在246，确定 244的计数值的预定函数(F1 (M))(例如而不限于，Fl = MfMjM3)。然后，在248，计数器74 递增所述量Fl。并行的步骤250和252示出了电弧故障脱扣时间的确定。这些步骤按照需要针对 重新设定电弧故障脱扣时间的步骤210、232和/或242来执行。在250，μ P 32从ADC 30 读取从模拟感测电路24输入的、来自传感器8A、8B、8C的三相电流信号(IA，IB，Ic)。然后， 在252，电弧故障脱扣时间基于例如来自250的电流水平、额定电流和视情况而定的“选择 性协调”被设定。作为一个非限制性示例，如果所有的电流信号(IA，IB，Ic)都小于额定电 流(Irated)的预定值(例如而不限于，15 ；13 ；任意适当值)倍，则电弧故障脱扣时间被设 定为1000-60女I，其中I优选地为三相RMS平均值。或者，“I”可以例如是三相峰值平均值，三个三相电流(IA，IB，IC)中的任一个，或三个三相电流中的最大值。这便提供了图4的 示例性工业电弧故障电路断续器脱扣曲线121。该脱扣曲线121用于检测在所感测的示例 性三相电流的多个不同值下的起电弧状况。示例 1所公开的电路断续器2可以例如是而不限于用于工业应用的模制外壳断路器 (MCCB)。示例 2对于单相系统，与三相系统的检验三相电流失衡(在图2的104)不同，进行的是 惯常的检验负载电流与负载中性电流之差是否与零大不相同(例如而不限于，任何适当的 设备保护接地故障脱扣水平；约30mA或更高)。示例 3对于所述一定数量的高频电流信号中的每一个，存在一个窄带滤波器(54、55或 56)、一个峰值检测器(58、59或60)、一个包络检测器(62、63或64)和一个相应的比较器 (66、67或68)。由于可存在一个或多个高频电流信号，所以可存在任意多组窄带滤波器、峰 值检测器、包络检测器和相应的比较器。示例 4对于每个高频电流信号可存在一个高频电流互感器(CT) (50,51,52)。或者，一个 CT可用于多个不同的高频电流信号。示例 5对于图3A-3C和4的电弧故障脱扣时间的IOOms到1000ms的示例性范围可以是 任何适当的范围。只要该范围不会引起乱真脱扣(误脱扣，nuisance tripping)，则电弧故 障脱扣时间可尽量短。示例 6尽管公开的是MCCB，但可采用多种断路器(例如而不限于，空气断路器(ACB)；电 力断路器(PCB))。示例 7尽管图IB示出了三个(η = 3)带通滤波器54、55、56，但本发明可应用于任何适 当数量(η)的带通滤波器。作为非限制性示例，如果η = 1，则单个带通滤波器的频率(fl) 为:100kHz < fl < IMHz ；如果η = 2，则两个带通滤波器的频率(fl和f2)为80kHz < fl < 300kHz，和700kHz < f2 < IMHz ；而如果η = 3，则三个带通滤波器的频率(fl、f2和f3) 为80kHz < fl < 300kHz,400kHz < f2 < 600kHz，和 700kHz < f3 < 2MHz。示例 8对于η = 1，单个频率(fl)应当能够为检测电弧故障提供恰当的指示而不使电负 载产生乱真脱扣。在两个频率(η = 2)的情况下，Π和f2两者处的信号被用于利用“或” 功能使断路器2脱扣。如果η = 1，则将只依靠Π处的信号来使断路器2脱扣。示例 9对于η = 3，可采用频率(fl、f2和f3)的三个适当的范围。作为另一个非限制性 示例，IOkHz < Π < 80kHz,800kHz < f2 < IMHz，以及 1. 9MHz < f3 < 2MHz。示例 10
图1A-1B的示例性脱扣电路76可与已有的电子脱扣单元结合，利用这种电子脱扣 单元的电流互感器来进行高频电流感测。尽管公开的是可分离触点4A、4B、4C，但是也可采用适当的固态可分离触点。例如， 所公开的断路器2包括适当的电路断续器机构，如通过操作机构6打开和闭合的可分离触 点4A、4B、4C，但本发明可应用于多种电路中断机构(例如而不限于，固态或FET开关；接触 器触点)和/或基于固态的控制/保护装置(例如而不限于，驱动装置；平稳起动器)。尽管已详细描述了本发明的具体实施例，但本领域技术人员应认识到可根据本公 开的全部教导作出对这些细节的各种变型和替换。因此，所公开的特定配置仅仅是例述性 的而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求及其任何和所有等同物的完整范 围给定。
1权利要求
一种电路断续器(2)，包括一定数量的极，所述一定数量的极中的每个都包括一对可分离触点(4A，4B，4C)；操作机构(6)，所述操作机构构造成针对所述一定数量的极打开和闭合所述一对可分离触点；和脱扣机构(76)，所述脱扣机构与所述操作机构协作以脱扣打开所述一定数量的极，所述脱扣机构包括处理器(14)并且还针对所述一定数量的极中的每个包括第一电流传感器(8A，8B，8C)，所述第一电流传感器构造成感测流过所述一定数量的极中相应一个极的所述一对可分离触点的电流；一定数量的第二电流传感器(50，51，52)，所述一定数量的第二电流传感器构造成由流过所述一定数量的极中所述相应一个极的所述一对可分离触点的电流感测一定数量的高频电流信号；一定数量的带通滤波器(54，55，56)，所述一定数量的带通滤波器中的每个都包括输入和输出，所述输入接收所述一定数量的高频电流信号之一；一定数量的峰值检测器(58，59，60)，所述一定数量的峰值检测器中的每个都包括输入和输出，所述输入接收所述一定数量的带通滤波器中相应一个带通滤波器的输出；和一定数量的包络检测器(62，63，64)，所述一定数量的包络检测器中的每个都包括输入和输出，所述输入接收所述一定数量的带通滤波器中相应一个带通滤波器的输出；其中所述处理器构造成对所述一定数量的包络检测器中各个的输出超过第一预定值(REFA，REFB，REFC)的事件的计数值进行计数(74)；维持与所述一定数量的峰值检测器中各个的输出对应的一定数量的临时值(X(n))(212，226)；将电弧故障脱扣时间针对所述一定数量的极确定为流过所述一对可分离触点的、所感测到的电流的函数(252)；判定是否所述一定数量的峰值检测器中任一个的输出都大于第二预定值(T1(n))(208)，并且如果是这样，则响应地使所述一定数量的临时值中相应的一个临时值增大第三预定值(C1(n))(212)，而如果不是这样，则使所述一定数量的临时值中所述相应的一个临时值减小第四预定值(S1(n))(226)；判定所述一定数量的临时值的预定函数是否大于第五预定值(T2)(218)，并且如果是这样，则针对所述一定数量的峰值检测器中的每个，将所述一定数量的临时值中所述相应的一个临时值加到累加器(Y)中(220)，而如果不是这样，则使所述累加器减小第六预定值(S2)(240)；并且如果(a)与半周期中具有一极性的当前一个半周期对应的所述计数值和与所述半周期中具有相同极性的前一个半周期对应的所述计数值之间的差至少为二，(b)所述累加器大于第七预定值(T3)，且(c)达到了所述电弧故障脱扣时间，则使所述操作机构脱扣打开所述一定数量的极(222，224)。
2.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述处理器还构造成，如果 (1) (a)所述差不是至少为二，或所述累加器不大于所述第七预定值，或未达到所述电弧故 障脱扣时间，且(b)所述累加器小于或等于第八预定值；或者(2) (a)所述差不是至少为二，或所述累加器不大于所述第七预定值，且(b)达到了所述电弧故障脱扣时间，则重新设定 所述电弧故障脱扣时间(222，232)。
3.根据权利要求2所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述处理器还构造成重新设定 与所述半周期中所述当前一个半周期对应的所述计数值(234)并重新设定所述一定数量 的临时值。
4.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，流过所述一定数量的极中所 述相应一个极的所述一对可分离触点的电流是包括多个半周期的交流电流；所述处理器 还构造成针对所述半周期中的每个输入所述一定数量的高频电流信号中每个的多个样本 (202)；并且所述处理器还构造成，在针对所述一定数量的峰值检测器中的每个判定所述一 定数量的临时值中所述相应的一个临时值是否大于所述第五预定值(218)之前，收集全部 的所述样本(214，216，202)。
5.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，流过所述一定数量的极中所述 相应一个极的所述一对可分离触点的电流是包括多个半周期的交流电流；并且所述处理器 还构造成针对所述半周期中的每个输入所述一定数量的高频电流信号中每个的八个样本 (202)。
6.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述电路断续器包括额定电 流；并且所述处理器还构造成将所述电弧故障脱扣时间确定为流过所述一定数量的极中至 少一个极的所述一对可分离触点的所感测电流(I)的函数(252)。
7.根据权利要求6所述的电路断续器(2)，其特征在于，当流过所述一定数量的极中所 述至少一个极的所述一对可分离触点的所感测电流小于所述额定电流的第九预定值倍时 所述所感测电流的函数被所述处理器采用；并且所述电弧故障脱扣时间等于第十预定值减 去流过所述一定数量的极中至少一个极的所述一对可分离触点的所感测电流的第十一预 定值倍。
8.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述电路断续器具有额定电 流；并且所述处理器还构造成，如果流过所述一定数量的极中任一个极的所述一对可分离 触点的所感测电流大于所述额定电流的第八预定值倍，则使所述脱扣机构脱扣打开所述一 定数量的极(106，110)。
9.根据权利要求8所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述处理器还构造成，在流过 所述一定数量的极中所有极的所述一对可分离触点的所感测电流小于或等于所述额定电 流的第九预定值倍时确定所述电弧故障脱扣时间(112，252)。
10.根据权利要求8所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述处理器还构造成响应于 (a)由时间和所述所感测电流限定的脱扣曲线(119)和(b)接地故障脱扣状况中的至少一 者来使所述操作机构脱扣打开所述一定数量的极(104，106)。
11.根据权利要求10所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述处理器还构造成，在流 过所述一定数量的极中所有极的所述一对可分离触点的所述所感测电流都小于所述额定 电流的所述第八预定值倍时并且在流过所述一定数量的极中所有极的所述一对可分离触 点的所述所感测电流都大于所述额定电流时，考虑所述脱扣曲线(116)。
12.根据权利要求6所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述处理器还构造成检测在 流过所述一定数量的极之一的所述一对可分离触点的所感测电流的多个不同值下的起电弧状况(121，112)，所述不同值在所述额定电流的约零倍至约十五倍的范围内。
13.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述电路断续器是工业电弧 故障电路断续器(2)。
14.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述处理器还构造成调节所 述一定数量的高频电流信号以除去基线噪声(204，206)。
15.根据权利要求14所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述处理器还构造成由所述 一定数量的高频电流信号的低于所述第二预定值的多个样本的移动平均值确定所述基线 噪声(204)。
16.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，在所述第一电流传感器和所 述一定数量的极中所述相应一个极的所述一对可分离触点之间电连接有高频隔离器(48A， 48B，48C)。
17.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述一定数量的第二电流传 感器是多个高频电流互感器(50，51，52)。
18.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述一定数量的带通滤波 器中的每个都包括具有中心点的频带，所述中心点大于或等于约IOkHz并且小于或等于约 20MHz。
19.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述一定数量的高频电流信 号是多个高频电流信号；所述一定数量的带通滤波器是多个带通滤波器(54，55，56)；所述 一定数量的峰值检测器是多个峰值检测器(58，59，60)；所述一定数量的包络检测器是多 个包络检测器(62，63，64)；所述处理器包括多个比较器(66，67，68)、一或功能(70)和一计 数器(74)，所述一定数量的比较器中的每个都包括构造成表明所述包络检测器中相应一个 包络检测器的输出何时大于所述第一预定值的输出，所述或功能包括构造成由各个所述比 较器的输出提供逻辑或的输出，所述计数器构造成由所述或功能的输出对事件进行计数。
20.根据权利要求1所述的电路断续器(2)，其特征在于，所述脱扣机构是脱扣单元 (76)。
21.一种检测起电弧状况的方法，所述方法包括 感测流过电力电路的电流(8A，8B，8C)；由所述电流的流动感测一定数量的高频电流信号(50，51，52)； 对所述一定数量的高频电流信号中的每个进行带通滤波(54，55，56)并提供一定数量 的相应的带通滤波信号；由所述一定数量的相应的带通滤波信号检测一定数量的峰值信号(58，59，60)； 由所述一定数量的相应的带通滤波信号检测一定数量的包络(62，63，64)； 对所述一定数量的包络超过第一预定值(REFA，REFB, REFC)的事件的计数值进行计数 (74)；维持与所述一定数量的峰值信号对应的一定数量的临时值(Χ(η)) (212，226)； 将电弧故障脱扣时间确定为所述所感测到的电流的流动的函数(252)； 判定是否所述一定数量的峰值信号中的任一个都大于第二预定值(Tl (η)) (208)，并 且如果是这样，则响应地使所述一定数量的临时值中相应的一个临时值增大第三预定值 (Cl (η)) (212)，而如果不是这样，则使所述一定数量的临时值中所述相应的一个临时值减小第四预定值(Sl(n)) (226)；判定所述一定数量的临时值的预定函数是否大于第五预定值(T2) (218)，并且如果是 这样，则将所述一定数量的临时值加到累加器(Y)中(220)，而如果不是这样，则使所述累 加器减小第六预定值(S2) (240)；并且如果(a)与半周期中具有一极性的当前一个半周期对应的所述计数值和与所述半 周期中具有相同极性的前一个半周期对应的所述计数值之间的差至少为二，(b)所述累加 器大于第七预定值(T3)，且(c)达到了所述电弧故障脱扣时间，则脱扣打开所述电力电路 (222,224)。
22. —种电路断续器(2)，包括 可分离触点(4A，4B，4C)；操作机构(6)，所述操作机构构造成打开和闭合所述可分离触点；和 脱扣机构(76)，所述脱扣机构与所述操作机构协作以脱扣打开所述可分离触点，所述 脱扣机构包括 处理器(14)；第一电流传感器(8A，8B，8C)，所述第一电流传感器构造成感测流过所述可分离触点的 电流；一定数量的第二电流传感器(50，51，52)，所述一定数量的第二电流传感器构造成由流 过所述可分离触点的电流感测一定数量的高频电流信号；一定数量的带通滤波器(54，55，56)，所述一定数量的带通滤波器中的每个都包括输入 和输出，所述输入接收所述一定数量的高频电流信号之一；一定数量的峰值检测器(58，59，60)，所述一定数量的峰值检测器中的每个都包括输入 和输出，所述输入接收所述一定数量的带通滤波器中相应一个带通滤波器的输出；和一定数量的包络检测器(62，63，64)，所述一定数量的包络检测器中的每个都包括输入 和输出，所述输入接收所述一定数量的带通滤波器中相应一个带通滤波器的输出； 其中所述处理器构造成对所述一定数量的包络检测器中各个的输出超过第一预定值(REFA，REFB, REFC)的事 件的计数值进行计数(74)；维持与所述一定数量的峰值检测器中各个的输出对应的一定数量的临时值(X(n)) (212,226)；将电弧故障脱扣时间针对所述一定数量的极确定为流过所述一对可分离触点的、所感 测到的电流的函数(252)；判定是否所述一定数量的峰值检测器中任一个的输出都大于第二预定值(Tl (η)) (208)，并且如果是这样，则响应地使所述一定数量的临时值中相应的一个临时值增大第三 预定值(Cl (η)) (212)，而如果不是这样，则使所述一定数量的临时值中所述相应的一个临 时值减小第四预定值(Sl(n)) (226)；判定所述一定数量的临时值的预定函数是否大于第五预定值(Τ2) (218)，并且如果是 这样，则针对所述一定数量的峰值检测器中的每个，将所述一定数量的临时值中所述相应 的一个临时值加到累加器(Y)中(220)，而如果不是这样，则使所述累加器减小第六预定值 (S2) (240)；并且如果(a)与半周期中具有一极性的当前一个半周期对应的所述计数值和与所述半周 期中具有相同极性的前 一个半周期对应的所述计数值之间的差至少为二，(b)所述累加器 大于第七预定值(T3)，且(c)达到了所述电弧故障脱扣时间，则使所述操作机构脱扣打开 所述可分离触点(222，224)。
全文摘要
一种检测起电弧状况的方法包括感测电流及由其感测HF信号；对HF信号进行带通滤波并提供滤波信号；由滤波信号检测峰值信号和包络；对包络超过第一值的事件进行计数；维持与峰值信号对应的临时值；将脱扣时间确定为电流的函数；判定是否任一个峰值信号都大于第二值，并且如果是这样则响应地增大临时值，否则减小临时值；判定临时值的预定函数是否大于第五值，并且如果是这样则将临时值加到累加器中，否则使累加器减小；并且如果当前一个半周期和具有相同极性的前一个半周期的所述事件之间的差至少为二，累加器大于第七值，且达到了脱扣时间，则脱扣打开电力电路。
文档编号H02H1/00GK101939888SQ200880126500
公开日2011年1月5日 申请日期2008年12月18日 优先权日2007年12月19日
发明者D·J·卡罗兰, W·E·贝蒂, X·周 申请人:伊顿公司