CN101308180B - 电弧检测器 - Google Patents

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Abstract

一种用于识别配电设备(28)中的电弧放电事件(58)的系统(10)和方法。该系统(10)包括存储器(16)和传感器，所述存储器(16)用于存储指示在配电设备(28)中产生的电弧放电事件(58)的电弧放电射频特性和指示背景电噪声的噪声射频特性，所述传感器用于检测由电弧放电事件(58)引起的并从配电设备(28)无线传播的射频信号(26)。该系统(10)还包括处理器(14)，所述处理器用于处理由传感器检测到的射频信号(26)，以便从检测到的信号(52)中提取射频特性，并且所述处理器包括比较器，所述比较器用于将所提取的频率特性与在存储器(16)中存储的电弧放电射频特性和噪声射频特性进行比较以识别电弧放电事件(58)的发生。该系统(10)还包括电弧警报发生器(19)，用于产生指示电弧放电事件(58)发生的电弧故障信号(18)。

Description

电弧检测器
技术领域
本发明的实施例大体上涉及电弧检测，更具体地，涉及用于配电设备(electrical distribution equipment)的射频(RF)电弧识别系统。
背景技术
在诸如配电设备之类的电气设备中，对指示电弧放电(arcing)事件的电弧闪光(arc flash)的检测作为消除不希望的和/或危险的电弧放电状况中的第一步是关键性的。一种检测电弧放电事件的已知技术是采用光检测器来感测与电弧放电事件相关联的电弧闪光。然而，这种检测器通常受限于视线检测，而且必须被置于与潜在电弧源相对接近的位置。另一种技术是使用电流监视器(current monitor)来估计指示电弧放电事件的导体中的电流扰动。但是这种技术可能有繁重的处理需求，从而对于识别电弧放电事件会产生不期望的长反应时间。因此需要改进的电弧检测以提供对电弧放电状况的快速有效的消除。
发明内容
在示例性实施例中，本发明包括用于识别配电设备中的电弧放电事件的系统。该系统包括用于存储电弧放电射频特性和噪声射频特性的存储器，所述电弧射频特性指示在配电设备中产生的电弧放电事件，所述噪声射频特性指示背景电噪声。该系统还包括用于检测射频信号的传感器，所述射频信号由电弧放电事件引起并从配电设备无线地传播出来。该系统还包括处理器，所述处理器用于处理由传感器所检测的射频信号以从检测到的信号中提取射频特性，并且所述处理器包括比较器，所述比较器用于将所提取的射频特性与在存储器中存储的电弧放电射频特性和噪声射频特性进行比较，以此来识别电弧放电事件的发生。此外，该系统包括电弧警报发生器，所述电弧警报发生器用于产生指示电弧放电事件发生的电弧故障信号(fault signal)。
在另一个示例性实施例中，本发明包括用于识别配电设备中的电弧放电事件的方法。该方法包括检测因配电设备所产生的电弧放电事件而引起的、并从配电设备无线地传播出来的射频信号。该方法还包括从检测到的信号提取射频特性，并将所提取的射频特性与预定的电弧放电射频特性和预定的噪声射频特性相比较来识别电弧放电事件的发生。该方法进一步包括产生指示电弧放电事件发生的电弧故障信号。
附图说明
当参考附图阅读如下详细描述时，将会更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优势，在整个附图中同样的附图标记指代同样的部分，其中：
图1A是指示配电设备中的未封闭的(unconfined)电弧放电事件的示例性频率响应特性的示图；
图1B是指示配电设备中的封闭的(confined)电弧放电事件的示例性频率响应特性的示图；
图2是图示出用于识别配电设备中的电弧放电事件的系统的示例性实施例的示意图；
图3是其中可以采用图2的系统的示例性配电设备环境；
图4是根据本发明各方面的用于识别电弧放电事件的方法的示例性实施例的流程图。
具体实施方式
本发明的发明者认识到，配电设备中的电弧放电事件以与其他RF源不同的某些频带和/或某些频率幅度(magnitude)发射RF能量，比如，取决于与电弧放电事件相关联的电流幅度。图1A是指示配电设备中的未封闭的或者非密封(non-enclosed)的电弧放电事件的示例性频率响应特性的示图34。例如，这样的未封闭的电弧放电事件可能会出现在常常暴露于周围环境的汇流条(bus bar)和/或相导体中。示图34表示通过使用RF传感器无线检测用实验方法引发的电弧闪光或电弧放电事件产生的RF能量而得到的频率响应数据。示图34以峰值频率响应值36的形式示出RF频率响应特性，所述峰值频率响应值36是通过使用傅立叶(Fourier)变换技术而得到的并且与响应用实验方法引发的电弧放电事件的不同电流水平相对应。在示图34中能够看到，在电流小于100安培处，电弧放电事件表现出大约20MHz(兆赫)到大约30MHz范围内的峰值RF频率响应，也可能表现出大约10MHz到大约50MHz范围内的峰值RF频率响应。在电流大于100安培处，电弧放电事件表现出大约1MHz到大约2MHz范围内的峰值RF频率响应，也可能表现出大约1MHz到大约5MHz范围内的峰值RF频率响应。
图1B是指示配电设备中的封闭的或者密封的电弧放电事件的示例性频率响应特性的示图60。例如，这样的封闭的电弧放电事件可能发生在开关装置(switchgear)、接线盒(terminal box)和/或电机控制单元/盒，这些装置常常是密封的。示图60表示使用RF传感器无线检测用实验方法引发的电弧放电事件产生的RF能量而得到的频率响应数据。示图60以峰值频率响应值62的形式示出RF频率响应特性，所述峰值频率响应值62是通过使用傅立叶变换技术而得到的并且与响应用实验方法引发的电弧放电事件的不同电流水平相对应。在示图60能够看到，电弧放电事件趋向于表现出随着电流增加而呈指数递减的峰值RF频率响应。例如，在大约100安培的电流范围内，峰值RF频率响应常常出现在25MHz附近。在大约300安培的电流范围内，峰值RF频率响应常常出现在5MHz附近，而在大约8000安培的电流以上时，峰值RF频率响应常常出现在2MHz附近。
使用这样的用实验方法得到的数据，发明者确定配电设备中的电弧放电事件表现出的某些频率特性与其他的RF噪声不同，于是创造性地意识到这样的特性可以被用来识别这样的电弧放电事件。除了峰值频率响应特性，发明者还通过实验确定电弧放电事件与产生事件的其他RF噪声相比可能表现出不同的峰值频率响应幅度，即使是在各自的峰值频率出现在相同的频率时亦是如此。此外，发明者确定了配电设备中的电弧放电事件表现出对应于与电弧相关联的电流的某些频率特性，并且确定了所述电弧是封闭的还是非封闭的。通过创造性地把由电弧放电事件产生的RF能量的频率特性与通常由电气设备产生的RF噪声能量的频率特性相区分，和/或根据存在于某些电流水平处的预定频率特性来识别电弧放电频率特性，电弧放电状况可以被快速识别，从而允许更迅速地采取补救措施来消除电弧放电状况。
图2是图示出用于识别配电设备(例如图3中所示的示例性配电设备28)中的电弧放电事件的系统10示例性实施例的示意图。系统10可以被配置来感测指示电弧放电事件的RF信号26，比如由在导体32a、32b之间产生的电弧24无线发射的RF信号。系统10还可以被配置来感测指示背景噪声的RF信号27(比如通常由配电设备发射的RF信号)，并且识别电弧放电事件。根据这些信号26、27，系统10可以识别电弧放电状况。
在示例性实施例中，系统10可以包括：存储器16，用于存储至少一个指示在配电设备中产生的电弧放电事件的电弧放电射频特性和至少一个指示背景电噪声的噪声射频特性。系统10还可以包括一个或者多个传感器12a、12b，比如各自的RF电线，用来检测因从配电设备无线传播的电弧放电事件和/或背景噪声而产生的射频信号26、27。尽管在图2中示出了两个传感器12a、12b，应该理解的是一个传感器或者更多传感器可以被用来执行相同的功能。系统10可以包括处理器14，用来处理由传感器(一个或多个)12a、12b检测到的射频信号26和27，以从检测到的信号中提取射频特性。处理器14还可以包括电弧识别电路22，比如比较器，所述比较器用来将所提取的射频特性与存储在存储器16中的电弧放电射频特性和/或噪声射频特性进行比较，以识别电弧放电事件的发生。系统10还可以包括电弧警报发生器19，用来产生指示电弧放电事件发生的电弧故障信号18。电弧故障信号18可以被用来控制配电设备28的操作。例如，电弧故障信号18可以被用来打开电路断路器(circuit breaker)30，从而响应于相对于汇流条40发生的电弧24而使电负载(electrical load)42与电源(electrical powersource)38断开。
存储在存储器16中的用来识别电弧放电状况的RF特性可以包括预定的峰值频率响应和/或预定的峰值频率响应幅度。该电弧放电射频特性可以包括与噪声射频特性的峰值频率响应不同的峰值频率响应。因此，由系统10感测到的RF特性可以与存储在存储器16中的不同特性相比较，以确定感测到的RF特性是否与所存储的特性中的一个相匹配，从而允许相对快速地确定感测到的特性指示的是电弧还是普通的RF背景噪声。
在本发明的另一示例中，电弧放电射频特性可以包括与噪声射频特性的峰值频率响应幅度不同的峰值频率响应幅度。在另一个实施例中，可以根据电气设备中出现的电流水平来选择电弧放电射频特性。例如，对于存在于被监视的设备中的小于1千-伏特-安培的电流，用来识别电弧放电状况的电弧放电射频特性可以包括从大约30兆赫到大约40兆赫变动的峰值频率响应。在另一个实施例中，对于大于大约1千-伏特-安培的电流，用来识别电弧放电状况的电弧放电射频特性可以包括大约1兆赫到大约2兆赫的峰值频率响应。通过认识到在配电设备中电弧特性随着电流水平而变化，与需要监视较大频率范围相比，较小的频率范围可以更加有效率地被监视。在又另一个实施例中，电弧放电射频特性可以包括大约是噪声峰值频率响应幅度10倍的峰值频率响应幅度。
在本发明的另一个实施例中，传感器12a、12b可以包括第一天线和第二天线。第一天线可以被配置来检测具有电弧放电射频特性的射频信号，比如通过被调谐以检测与由电弧放电事件产生的频率特性相对应的频率范围内的RF能量。如图3所示，第一天线可以被置于接近配电设备28的可能经历电弧放电的区域44。例如，第一天线可以被置于与配电设备相距大约1英尺到大约30英尺的范围内。第一天线可以被配置成指向天线(directional antenna)，该天线可以被对准可能经历电弧放电的区域44以便被集中(focus)来接收指示电弧放电的RF能量。第二天线可以被配置来检测具有噪声射频特性的射频信号，例如通过被调谐以检测与由背景噪声产生的频率特性相对应的频率范围内的RF能量。如图3所示，第二天线可以被置于接近配电设备28的可能是背景噪声源的区域44。例如，第二天线可以被置于与配电设备相距大约1英尺到大约30英尺的范围内。第二天线可以被配置成指向天线，该天线可以被对准可能产生RF背景噪声的区域46以便被集中来接收指示噪声的RF能量。
在另一个示例性实施例中，系统10可以被配置成在指示电弧放电事件的发射RF信号和指示背景噪声的发射RF信号之间进行区分。如图2所示，系统10可以包括被置于接近配电设备的第一传感器12a和被置于接近配电设备的第二传感器12b，其中第一传感器12a用来感测可能包括电弧放电射频特性的第一射频信号26，第二传感器12b用来感测可能包括噪声射频特性的第二射频信号27。系统10可以包括信号处理器20，所述信号处理器20用来处理分别由传感器12a、12b检测到的第一射频信号26和第二射频信号27，以便从信号26、27中提取电弧放电射频特性和噪声射频特性。例如，信号处理器20可以被配置来执行傅立叶变换以便从信号26和27中提取频率特性。在另一个示例性实施例中，信号处理器20可以包括用于在所需的频率范围内提取频率特性的滤波器，所述所需的频率范围例如是可能包括电弧放电射频特性和/或噪声射频特性的频率范围。系统10还可以包括采用鉴别器形式的电弧识别电路22，用于区分电弧放电射频特性和噪声射频特性以便识别电弧放电事件的发生。系统10还可以包括电弧警报发生器19，用来产生指示电弧放电事件发生的电弧故障信号18。电弧故障信号18可以被用来控制如图3所示的配电设备28的操作。
图4是根据本发明各方面的用于识别电弧放电状况的方法的示例性实施例的流程图48。用于识别配电设备中的电弧放电事件的方法可以包括检测因由配电设备产生的电弧放电事件而产生并且从配电设备无线传播出来的射频信号50。然后此方法可以包括从检测到的信号52中提取射频特性，并将所提取的射频特性54与预定的电弧放电射频特性和预定的噪声射频特性相比较以识别电弧放电事件的电弧放电事件发生。预定的射频特性可以包括指示电弧放电事件和背景噪声的峰值频率响应和/或峰值频率响应幅度。预定的电弧放电射频特性可能与存在于电气设备中的电流相关。该方法于是可以包括产生指示电弧放电事件发生的电弧故障信号56。然后电弧故障信号可以被用来补救(remedy)电弧放电事件58。在另一个示例性实施例中，该方法可以包括将预定的电弧放电射频特性与存在于电气设备中的电流相关，以便使该方法适合于检测与存在于电气设备中的电流相对应的电弧放电事件。
虽然在此已经示出和描述了本发明的某些实施例，但是这样的实施例只是作为例子而给出的。在不偏离本发明的情况下，本领域技术人员将会想到许多变化、改变和替换。因此，其目的在于本发明仅由所附权利要求中的精神和范围来限定。
部件列表：
10：系统
12a、12b：一个或多个传感器
14：处理器
16：存储器
18：电弧故障信号
19：电弧警报发生器
20：信号处理器
22：电弧识别电路
24：电弧
26：RF信号
27：RF信号
28：配电设备
30：电路断路器
32a：导体
32b：导体
34：示图
36：峰值频率响应值
38：电源
40：汇流条
42：电负载
44：区域
46：区域
48：流程图
50：检测射频信号
52：从检测到的信号中提取射频特性
54：比较所提取的射频特性
56：产生电弧故障信号
58：补救电弧放电事件
60：示图
62：峰值频率响应值

Claims (8)

1. 一种用于识别配电设备中的电弧放电事件（58）的系统（10），包括：
存储器（16），用于存储指示在配电设备（28）中产生的电弧放电事件（58）的电弧放电射频特性和指示背景电噪声的噪声射频特性；
被置于接近所述配电设备的位置的第一射频天线，第一射频天线配置成检测与电弧放电射频特性相对应的频率范围内的射频信号（26）；
被置于接近所述配电设备的位置的第二射频天线，第二射频天线配置成检测与噪声射频特性相对应的频率范围内的射频信号；以及
处理器（14），配置成从由所述第一和第二射频天线检测到的射频信号(26)中提取电弧放电射频特性和噪声射频特性，并且包括比较器，所述比较器将所提取的电弧放电射频特性和噪声射频特性与在存储器（16）中存储的电弧放电射频特性以及噪声射频特性进行比较，以便识别电弧放电事件（58）的发生。
2. 根据权利要求1所述的系统（10），其中所述电弧放电射频特性包括与噪声射频特性的峰值频率响应不同的峰值频率响应。
3. 根据权利要求1所述的系统（10），其中所述电弧放电射频特性包括与噪声射频特性的峰值频率响应幅度不同的峰值频率响应幅度。
4. 根据权利要求1所述的系统（10），其中所述电弧放电射频特性是根据存在于电气设备中的电流水平来确定的。
5. 根据权利要求4所述的系统（10），其中所述电弧放电射频特性包括就小于1千安培的电流而言30兆赫到40兆赫的峰值频率响应。
6. 根据权利要求4所述的系统（10），其中电弧放电射频特性包括就大于1千安培的电流而言1兆赫到2兆赫的峰值频率响应。
7. 根据权利要求4所述的系统（10），其中电弧放电射频特性包括大于噪声频率响应幅度的峰值频率响应幅度，其受传感器与电弧放电事件（58）源的距离的影响。
8. 一种用于识别配电设备中的电弧放电事件（58）的系统（10），包括：
第一传感器（12a），被置于接近配电设备（28）的位置，配置成无线感测与指示在配电设备（28）中产生的电弧放电事件（58）的电弧放电射频特性相对应的频率范围内的第一射频信号；
第二传感器（12b），被置于接近配电设备（28）的位置，配置成无线感测与指示由配电设备（28）产生的背景电噪声的噪声射频特性相对应的频率范围内的第二射频信号；
信号处理器（20），配置成处理分别通过传感器（12a和12b）检测到的第一射频信号（26）和第二射频信号（27），以从信号（26）中提取电弧放电射频特性和噪声射频特性；以及
鉴别器，用于区分电弧放电射频特性与噪声射频特性，以识别电弧放电事件（58）的发生。
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