CN101443976B - 使用声学与电流信号来区分并联与串联电弧故障的电气开关设备与方法 - Google Patents

使用声学与电流信号来区分并联与串联电弧故障的电气开关设备与方法 Download PDF

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Abstract

一种断路器，其包含电气连接到电力电路的第一凸耳以及第二与第三声学凸耳。可分离触点串联电气连接在第一凸耳与第二声学凸耳之间。操作机构断开以及闭合可分离触点。第一声学传感器耦合到第二声学凸耳并检测来自第二声学凸耳的第一声学信号。第二声学传感器耦合到第三声学凸耳并检测来自第三声学凸耳的第二声学信号。第一与第二声学信号与电力电路故障有效关联。电流传感器检测在第一与第二凸耳之间流动的电流。电路输入检测到的声学信号和检测到的电流，并由检测到的声学信号和检测到的电流检测和区分并联电弧故障或串联电弧故障。

Description

使用声学与电流信号来区分并联与串联电弧故障的电气开关设备与方法
技术领域
本发明涉及电气开关设备，具体涉及电路中断器，例如提供故障保护的断路器。本发明还涉及检测故障——例如电弧故障——的方法。
背景技术
电气开关设备包含例如电路切换装置和电路中断器，例如断路器、插座、接触器、电机起动器、电机控制器以及其他的负载控制器。
断路器技术在现有技术中是公知的。美国专利No.5341191中公开了断路器的实例。断路器用于保护电路免受由于过电流条件——例如过负载条件或高短路条件——引起的伤害。例如，模塑外壳断路器包含至少一对可分离触点，响应于过电流条件，可分离触点通过内部的跳闸单元自动动作，或通过布置在外壳外部的手柄手动动作。在居住和照明商业应用中常见的负载中心所用的小型断路器中，这样的保护典型地通过热磁跳闸装置来提供。这种跳闸装置包含双金属片，其响应于持续过电流条件而发热并弯曲。双金属片又拉开由弹簧提供动力的操作机构，该机构使得断路器的可分离触点开路，从而中断被保护电路中的电流。
电弧是穿过绝缘介质的发光的放电，其通常伴有电极的部分挥发。电弧故障是电路中的非故意的电弧条件。电弧故障可能由于例如邻近的裸导体之间的陈旧绝缘、断裂导体之间的暴露末端、有缺陷的电气连接以及在传导元件密切邻近的其他情况下导致。系统中的电弧故障可以是间歇的，因为电弧电流产生的磁推斥力迫使导体分开以熄灭电弧。然后，机械力再度将导体放到一起，从而使得另一电弧被点燃。
在偶发电弧故障条件的过程中，断路器的过负载能力不会发生作用，因为故障电流的均方根(RMS)值小到不足以致动自动跳闸电路。将电子电弧故障检测附加到断路器增加了对于喷溅(sputtering)电弧故障保护所需的一个元件——理想情况下，电子电弧故障检测电路的输出直接使断路器跳闸并因此对断路器进行开路。例如，参见美国专利6710688、6542056、6522509、6522228、5691869、5224006，其涉及DC与AC电弧故障检测。也可参见美国专利No.6720872，其涉及插座。
已知的用于电弧故障检测的技术可使用电流特征信号分析(currentsignature)。与这种方法相关联的问题包括来自某些电气负载的假电弧故障电流特征信号检测。另外，电弧故障存在变化，其依赖于电弧故障是如何产生的，例如，包括其直接环境。
作为背景信息，美国专利No.5608328公开：在电力电缆中精确定位故障的分布方法基于故障处的电弧的声学检测。典型地，浪涌发生器或“捶击器(thumper)”用于用一系列高能脉冲激励电力电缆，所述脉冲又在故障处激起可听见的火花和振动。
美国专利No.5608328进一步公开：串联电弧一旦形成，由于电弧的热与电化学反应，其倾向于在长度上增长。电弧实际上对邻近的触点进行腐蚀，由此在没有人工干预的情况下保证一旦形成微小的“开路”则将成为充分的间隙。这种间隙将继续维持电弧达数小时或甚至数月，直到其增长为超过电弧维持最大值。在这种时间段中，电气或声学噪音将由于电弧而产生。另外，显著的能量将由于与间隙/电弧相关联的电压-电流乘积而产生，其必须被耗散，以便将温度保持在安全限制值内。电弧通过接收电气射频(RF)噪音的检测器而被检测。
美国专利No.6734682公开了一种便携式电弧故障定位与测试装置，其使用超声波拾取线圈和与可听拾取线圈以及可听检测器结合的超声波检测器。电路判断超声波声音和电弧故障的可听声音特性之间的相关性。
美国专利No.6777953公开了用于在一组线中定位并联电弧故障的系统。系统包含手持式超声波监视器，其测量和指示从操作者到电弧的距离。其既测量来自电弧的电磁脉冲，又测量来自电弧的超声波发射，并使用到达时间上的差来计算到电弧的距离。
美国专利No.6798211公开了一种故障距离指示器，通过对由作为故障的结果而发生的电弧所产生的反射行进波信号的脉冲进行建模，其定位电力线中的故障。故障距离指示器在变压器封装内直接安装在电力线上，由从变压器二次侧获取的电力信号进行供电，并包含发送接收器，发送接收器例如为红外发送接收器，但也可以使用射频或超声波发送接收器。
美国专利申请公开No.2003/0037615公开了产生和检测声学导波以便评估电气接线上的绝缘条件。例如，适当的发送器与接收器变送器为宽带声学发射压电变送器。
网址http://www.idiny.com/chafing.html声称，线路摩擦(chafing)传感器是通过听取线路噪音特征信号而对于线路摩擦检测问题的无源(passive)解决方法。其还声称，系统能检测线路摩擦、电弧和燃烧，且模式识别软件能对摩擦程度进行归类。
美国专利申请公开No.2005/0017731公开了用于区分并联电弧与串联电弧的设备。该设备测量流入电力电路的电流的值，当电流测量值大于电流标称值时识别并联电弧，当测量电流值小于电流标称值时识别串联电弧。
电气开关设备——例如电弧故障断路器和插座——和检测电弧故障的方法存在改进的空间。
发明内容
这些需求以及其他需求通过本发明的实施例实现，其使用了两个声学信号(acoustic signal)和一个电流信号来区分并联与串联电弧故障。两个声学传感器耦合到声学凸耳(lug)，声学凸耳电气连接到电力电路。声学传感器直接“听取”故障产生的噪音，无论存在何种类型的电气负载或故障在何种类型的环境中产生。电弧故障产生的声学噪音具有一个或一个以上特定波长的声学信号，其直接与例如电弧的基本特性及其谐振频率相关，或者，如果适用的话，与交流电源调制频率及其谐波相关。
根据本发明一实施形态，用于检测和区分电力电路故障的电气开关设备包含：第一凸耳；第二声学凸耳，其被结构化为电气连接到电力电路；第三声学凸耳，其被结构化为电气连接到电力电路；可分离触点，其串联电气连接在第一凸耳与第二声学凸耳之间；操作机构，其被结构化为断开以及闭合可分离触点；第一声学传感器，其被耦合到第二声学凸耳，第一声学传感器被结构化为检测来自第二声学凸耳的第一声学信号，第一声学信号与电力电路的故障有效(operatively)相关；第二声学传感器，其被耦合到第三声学凸耳，第二声学传感器被结构化为检测来自第三声学凸耳的第二声学信号，第二声学信号与电力电路的故障有效相关；第三电流传感器，其被结构化为检测在第一凸耳与第二声学凸耳之间流动的电流；电路，其输入第一与第二检测到的声学信号以及检测到的电流，该电路被结构化为由第一与第二检测到的声学信号以及检测到的电流检测和区分并联电弧故障或串联电弧故障。
电路可进一步被结构化为判断第一与第二检测到的声学信号的大小之间的差是否大于预定量或者接收第一与第二检测到的声学信号的时间之间的差是否大于预定时间，以及检测到的电流的大小是否确定故障为串联电弧故障。
电路可进一步被结构化为判断第一与第二检测到的声学信号之间的大小是否小于预定量或接收第一与第二检测到的声学信号的时间之间的差是否小于预定时间，以及检测到的电流的大小是否确定故障为并联电弧故障。
作为本发明另一实施形态，区分电力电路中的故障的方法包含：使用被结构化为电气连接到电力电路的第一声学凸耳；使用被结构化为电气连接到电力电路的第二声学凸耳；将第一声学传感器耦合到第一声学凸耳；将第二声学传感器耦合到第二声学凸耳；由第一声学凸耳使用第一声学传感器检测第一声学信号，第一声学信号与电力电路的故障有效关联；由第二声学凸耳使用第二声学传感器检测第二声学信号，第二声学信号与电力电路的故障有效关联；检测在第一声学凸耳与电力电路之间流动的电流；输入第一与第二检测到的声学信号与检测到的电流，并由第一与第二检测到的声学信号和检测到的电流区分并联电弧故障还是串联电弧故障。
附图说明
结合附图，由下面对优选实施例的介绍可获得对本发明的全面理解。
图1为根据本发明一实施例的断路器的框图，其使用了声学传感器和电流传感器来检测和区分串联电弧故障条件；
图2为根据本发明另一实施例的断路器的框图，其使用了声学传感器和电流传感器来检测和区分并联电弧故障条件；
图3A-3B构成根据本发明另一实施例适用于由图1或2的断路器使用的电弧故障检测算法的流程图；
图4为根据本发明另一实施例使用声学传感器和电流传感器检测和区分电弧故障的插座的框图。
具体实施方式
这里所用的术语“声学”可明确包括但不限于一个或一个以上的声音，其为次声波、声波和/或超声波。
这里所用的术语“凸耳”可明确包括但不限于端子或其他导电装置，一个或一个以上的电导线或其他电气导体电气或机械连接于其上。
本发明结合电弧故障断路器进行了介绍，然而，本发明适用于宽广范围内的电气开关设备。
图1示出了一种电气开关设备，例如断路器2，其使用合适的声学传感器4A、4B——例如压电传感器——和电流传感器32来检测和区分电路电路10中的电气导体8中的故障，例如串联故障电流条件6。这里，如同将在下面介绍的那样，来自串联电弧故障条件6的、由电气导体传导的声学信号12A、12B由相应的声学传感器4A、4B进行检测，以便检测和区分串联电弧故障条件6或并联电弧故障条件6′(图2)。声学信号12A、12B与电力电路串联电弧故障条件6有效关联。
如这里所示的，声学传感器4A、4B被适当地耦合到相应的电气导体8、9，以便“听取”所传导的声音。断路器2包含：第一凸耳，例如线端子13；第二声学凸耳14A，例如负载端子；第三声学凸耳14B，例如负载-中性端子。第二与第三声学凸耳14A、14B被结构化为电气连接到相应的电力电路电气导体8、9，如图中所示出。在此实例中，电力电路10包含负载导体8和负载-中性导体9。第二声学凸耳14被结构化为电气连接到负载导体8，第三声学凸耳14B被结构化为电气连接到负载-中性导体9。
断路器2也包含串联电气连接在线端子13和声学凸耳14A之间的可分离触点16以及被结构化为断开以及闭合可分离触点16的操作机构18。声学传感器4A、4B被适当地耦合到声学凸耳14A、14B，并被结构化为分别检测来自声学凸耳14A、14B的声学信号12A、12B。断路器2还包含电路20，其输入来自相应的声学传感器4A、4B的检测得到的声学信号22A、22B以及来自电流传感器32的检测得到的电流信号33。如将在下面所介绍的，电路20被结构化为由此输出检测得到的故障信号24。电流传感器32被结构化为检测在第一凸耳13与第二声学凸耳14A之间流动的电流，并输出检测得到的电流信号33。根据本发明一重要实施形态，电路20输入第一与第二检测到的声学信号22A与22B以及检测到的电流信号33，并由第一与第二检测到的声学信号以及检测到的电流信号检测和区分串联电弧故障条件6(图1)和/或并联电弧故障条件6′(图2)。
下面将结合图3A-3B讨论电流传感器32。当电力电路10为交流(AC)电力电路时，电流传感器32被用于例如识别电源频率，并与声学传感器4A、4B一起用于检测电弧故障条件6、6′。
如同将在下面结合图3A-3B讨论的那样，对于串联电弧故障条件6(图1)，电路20判断第一与第二检测到的声学信号12A、12B的大小之间的差是否大于预定量，以及接收第一与第二检测到的声学信号12A、12B时间之间的差是否大于预定时间，以及检测到的电流信号33的大小是否指示串联电弧故障(例如该大小是否可作为串联电弧故障条件6的结果而逐步下降到较低的大小)。
如将在下面结合图3A-3B讨论的那样，对于并联电弧故障条件6′(图2)，电路20判断第一与第二检测到的声学信号12A与12B的大小之间的差是否小于预定量(例如这些大小基本相同)，以及接收第一与第二检测到的声学信号12A与12B的时间之间的差是否小于预定时间(例如这些时间是否基本相同)，以及检测到的电流信号33的大小是否指示并联电弧故障(例如该大小可作为并联电弧故障条件6′的结果而逐步上升到较高的大小)。几乎无例外(例如电流可能在一对导体(例如负载与中性导体)被金属叶片切断时减小)地，对于并联电弧，电流增大。
如同将在下面结合图3A-3B讨论的，电路20包括显示器38，其被结构化为显示串联电弧故障条件6(图1)或并联电弧故障条件6′(图2)(例如但不限于指示其发生)。
尽管示例性电力电路10包含负载-中性导体9(N)，本发明适用于使用两个或两个以上的导体(例如但不限于，第一与第二相)的电力电路，并适用于包含两个或两个上的负载导体的电气开关设备。
实例1
例如，断路器2可以为电弧故障电路中断器。操作机构18可包含跳闸机构26，电路20可在由检测到的声学信号22A、22B以及检测得到的电流信号33检测到电弧故障条件6时向跳闸机构26输出作为跳闸信号的检测到的故障信号24。
实例2
示例性声学凸耳14A、14B优选为结构化为匹配通过相应的电气导体8、0提供的声学波导。声学凸耳14A、14B优选为包含分别将来自电力电路10的声学信号12A、12B耦合到声学传感器4A、4B的适当的声学波导特性。
实例3
声学凸耳14A包含被结构化为电气输出到电力电路10的电压(例如来自端子13的线电压)。由于负载-中性导体9通常仅仅在断路器2的上游接地(例如但不限于在负载中心或配电板(未示出)上)，其可具有标称电压。声学凸耳14A、14B优选为包含适当的电绝缘体28(例如相对较薄的绝缘高分子或陶瓷)，其被结构化为使声学传感器4A、4B与相应的导体8、9及其对应的电压电气绝缘。
实例4
声学凸耳14A、14B优选为包含适当的隔音体30(例如但不限于绕卷在对应的声学凸耳14A、14B和对应的声学传感器4A、4B周围的隔音泡沫垫)，例如适当的固定物(mount)和适当的隔音物(acoustic insulation)，其被结构化为将声学传感器4A、4B与由空气传播的噪音隔离。
实例5
断路器2测量故障产生的声学信号(例如但不限于声学特征信号)——例如图1的串联电弧故障条件6，以便对之进行检测。这种声学检测技术将通常不经历由于电流引起的假输出，因为幸运的是流经固体电导体以及电气连接或末端的电流不产生声学输出。相反，声学传感器4A、4B直接“听取”电气故障——例如串联电弧故障条件6——所产生的机械噪音。
实例6
由于相对较短的切换时间并由于机械弹跳(bounce)，由于开通/关断电力切换引起的噪音通常具有相对较短的持续时间，并具有特定的“形状”。例如串联电弧故障条件6等电弧故障开始时的声学噪音活动性部分地由于断开的导体8的电气触点34、36的机械分离，因此，优选为被认为是不足以用检测到的故障信号24指示跳闸。
图2为断路器2′的框图，其与图1的断路器2相同或类似。断路器2′提供并联电弧故障检测，使用声学传感器4A、4B来接收相应的声学信号12A′、12B′，并使用电流传感器32，以便检测由于电力电路10′的陈旧或破裂的绝缘(未示出)引起的电气触点34′、36′之间的并联电弧故障条件6′。否则，需要在分别对于串联和并联电弧故障检测的图1和2的断路器2、2′的结构之中或用于区分串联与并联电弧故障的图3A-3B的算法40中没有区别。
图3A-3B构成算法40的流程图，其适用于由图1和2的断路器2、2′使用以区分串联与并联电弧故障条件6、6′。尽管算法40区分存在串联电弧故障条件6还是并联电弧故障条件6′或是不存在这些电弧故障条件中的任何一种，将会明了，一个对应的算法可判断串联电弧故障条件，另一个对应的算法可判断并联电弧故障条件。
第一声学传感器(AC)4A的输出41A由缓冲器42A进行缓冲，接着，由声学带通滤波器44A输入。类似地，第二声学传感器(AS)4B的输出41B由缓冲器42B进行缓冲，接着，由声学带通滤波器44B进行输入。输出41A、41B的信号具有实际电流信号频率及其谐波与次谐波上的大小(例如但不限于在几个周期上)。电流传感器32的输出45具有检测得到的电流信号33。该信号受到缓冲器46的缓冲，接着，由电流信号滤波器48输入。声学带通滤波器44A的输出49A在50A上被分析，以便判断是否检测到一个或一个以上的预定频率上的声学信号。如果是这样，则发出信号A52A。类似地，声学带通滤波器44B的输出49B在50B上被分析，以便判断是否检测到一个或一个以上的预定频率上的声学信号。如果是这样，则信号B52B被发出。通过传统的电弧故障检测技术，电流信号滤波器48的输出53在54上被分析。
例如，检测得到的电流信号33可以为并联电弧形式，如下面结合实例8所讨论的那样，或者，其可以为串联电弧形式，如下面结合实例9所讨论的那样。优选为，电流信号滤波器48向声学带通滤波器44A、44B输出电流频率(因此，以及其谐波与次谐波)。
在54处，如果检测到的电流信号33是并联电弧形式或不是并联电弧形式(即非并联电弧形式)，则信号C56如所适合的以下列中的一个被输出：(1)信号C＝parallel/increase；(2)信号C＝no parallel/decrease；或者(3)信号C＝no parallel/increase，其中，“parallel”暂时(tentatively)指示并联电弧故障，“no parallel”暂时指示非并联电弧故障，“decrease”为电流逐步减小，“increase”为电流逐步增大。参见例如美国专利申请公开No.2005/0017731，其并入此处作为参考。例如，“no parallel/increase”意味着基于电流的电弧故障检测电路不指示存在并联电弧故障，而是电流实际增大。另一方面，如果信号C56不被输出，则在54处没有检测到电弧故障，于是，滤波后的声学信号49A、49B与检测到的电流信号33在69(图3B)处被丢弃，接着，对于后面的测试被重新采样。类似地，如果在58、60(图3B)处没有检测到电弧故障，则滤波得到的声学信号49A、49B以及检测到的电流信号33被类似地在69处被丢弃，接着，对于后面的测试被重新采样。
信号52A与52B——如分别从49A和49B处检测到的声学信号所得出的——用于分立地判断是否暂时存在并联电弧故障或串联电弧故障。在图3B的57处，信号52A、52B与56以及对应的滤波后的声学信号49A、49B(图3A)被收集。信号52A、52B被施加到58、60处的两个测试中的一个或二者，信号56在步骤62中被施加。
在58处，判断信号49A、49B的大小之间的差是否小于预定量(例如这些大小是否基本相同)以及接收信号49A、49的时间之间的差是否小于预定时间(例如这些时间是否基本相同)。如果是这样，则这暂时指示并联电弧故障，信号AB59以信号AB＝parallel而输出，其中，“parallel”暂时指示并联电弧故障。
否则，在60处，判断信号49A、49B的大小之间的差是否大于预定量以及接收信号49A、49B的时间之间的差是否大于预定时间。如果是这样，则这暂时指示串联电弧故障，且信号AB59以信号AB＝series被输出，其中，“series”暂时指示串联电弧故障。
接下来，步骤62检验信号C56与信号AB59，并如表1所示地显示下列类型的电弧故障中的一个。
表1
信号C                  信号AB        电弧故障类型
parallel/increase      series        到地的并联电弧故障63
parallel/increase     parallel      并联电弧故障64
no parallel/decrease  series        串联电弧故障65
no parallel/decrease  parallel      负载(例如出口)的串联电弧故障66
no parallel/increase  series        串联电弧故障67
no parallel/increase  parallel      负载(例如出口)的串联电弧故障68
实例7
对于并联电弧故障条件6′(图2和3A-3B)，信号大小差和时间延迟依赖于声学信号12A′、12B′(图2)的衰减率和行进速度或传播速度。例如，如果距离差为1英尺，则在示例性的12AWG导体(例如20db/50英尺的示例性声学衰减率转化为声学信号大小之间大约5％的差)的情况下声学信号大小差大约为0.4db。在此实例中，时间衰减或行进时间差大约为0.1mS(例如示例性声学行进速度对于12AWG线大约为10英尺/mS)。因此，对于并联电弧故障条件6′，声学信号12A′、12B′的两个信号大小具有小于大约5％的差和小于大约0.1mS的时间延迟差。
实例8
除了实例7以外，能有助于确定并联电弧故障条件6′的判断的另一信号为检测得到的电流信号33。电路将在并联电弧故障的情况下增大。另外，电路20优选为包含适当的电弧故障检测电路(未示出)，其如同公知的那样使用检测得到的电流信号33来检测并联电弧故障。
实例9
相反，对于串联电弧故障条件6(图1与3A-3B)，第一与第二检测到的声学信号12A、12B的大小之间的差极有可能大于这些大小中较大一个的大约5％，且时间延迟差有望大于大约0.1mS。又一次地，检测到的电流信号33将在这种情况下减小。
实例10
如果串联电弧故障条件6位于下游的插座(未示出)或负载侧，则声学信号49A、49B的大小之间的差可能小于预定量，且接收信号49A、49B的时间之间的差小于预定时间。为了将串联电弧故障条件6与并联电弧故障条件6′进行区分，对检测得到的电流信号33进行检验。如果检测得到的电流信号33增大，并也通过并联电弧故障检测电路指示并联电弧故障，则电弧故障条件为并联电弧故障条件6′(图2)。否则，如果检测得到的电流信号33减小，则电弧故障条件为串联电弧故障条件6(图1)。
检测得到的电流信号33单独不足以或可靠地检测并将并联电弧与串联电弧进行区分。声学传感器4A、4B检测电弧故障以及其是串联电弧还是并联电弧。检测到的电流信号33用于进一步的确定。
在此实例中，如果刚好在负载外部或在负载的负载端子上存在串联电弧故障，声学信号49A、49B的时间和大小差可能相对较小。然而，检测到的电流信号33将看到逐步下降的变化，其不提供并联电弧故障指示。因此，电弧故障应当被识别为负载(例如接线装置；出口)上的串联电弧故障。
实例11
即使通过实例7与9，上面是对于交流(AC)电力电路分别区分并联和串联电弧故障条件6′、6，同样的原理可在声学传感器14A、14B在检测到电弧故障时位于线与中性上的情况下应用于直流(DC)电力电路。对于直流实例，首先判断是否为直流电弧故障条件(例如2005年1月12日提交的申请号为No.11/034425的美国专利申请，其公开了对于声学传感器的12.5kHz、25kHz或50kHz的带通滤波器以及判断相对较低水平的噪音是否持续长于适当的时间周期(例如0.1S)的电路，在该时间内，检测得到的电流保持不变)。于是，与上面同样的方法适用。因此，DC电弧故障检测的策略使用某个频率范围的噪音水平，并基于声学活动性的稳态持续性。同样地，为了产生跳闸信号24，检测到的电流信号33本质上保持在电弧状态。这里，这是通过当电流噪音信号的逐步变化在预定的频带上超过预定水平时检测得到的电流信号33为电弧形式来判断的。
实例12
在此实例中，存在从负载导体8到地的并联电弧故障，而不是从负载导体8到负载-中性导体9。这里，即使存在并联电弧故障，存在与负载导体8相关联的显著的声学信号，没有与负载-中性导体9相关联的声学信号或没有显著的声学信号。另外，在此实例中，声学信号49A、49B将检测电弧故障并临时不正确地判断其为串联电弧故障，因为声学信号49A、49B的时间和大小差超过预定值。例如，如果在来自负载导体8的声学信号到达时间之后预定时间(例如但不限于10ms)不存在负载-中性导体9上的声学信号，则对应的到达时间被假设为预定时间，对应的大小被假设为零。顺次地，电流逐步变化/并联电弧指示(这意味着电流逐步增大变化和基于电流的并联电弧故障指示得到确认)提供了相反的指示，即电弧故障实际上为并联电弧故障。这种结果可用于指示存在到地的并联电弧故障。
实例13
在此实例中，存在电力电路的负载导体8的串联电弧故障，在该电路中，负载相对较远。因此，来自负载-中性导体9的声学信号49B可能相对较弱，或者可能衰减为大约为零，而来自负载导体8的声学信号49A较早到达，并具有与声学信号49B到达时间和大小相比相对较大的大小。又一次地，例如，如果在来自负载导体8的声学信号49A的到达时间之后预定时间(例如但不限于10ms)不存在负载-中性导体9上的声学信号，则对应的到达时间被假设为预定时间，对应的大小被假定为零。因此，声学信号49A、49B的到达时间和大小之间的差指示串联电弧故障，其通过检测到的电流信号33的逐步减小以及基于与串联电弧故障相关联的电流的非并联电弧故障指示进行确定。
实例14
对于实例10进一步地，示例性断路器2、2′能检测例如接线装置(例如插座)的松动以及发生电弧的螺钉、插头/插座接合处的电弧或负载本身中的电弧。如果声学信号49A、49B的时间差相对较小，则这意味着导体到故障的长度与离断路器大约有相同的距离。如果检测到的电流信号33具有合适的逐步减小，且没有检测到并联电弧故障，则这意味着故障为串联故障。上述条件能够发生的唯一位置在接线装置处。因此，某些东西在接线装置处或其附近发生电弧。
图4示出了插座2＂，其包含操作机构18′、声学传感器4A与4B、电流传感器32和使用算法40(图3A-3B)检测电力电路10＂的电弧故障70的电路20。
将会明了，这里公开的电路20和算法40可通过模拟、数字和/或基于处理器的电路来实现。
尽管为了公开清楚起见，这里参照用于显示串联电弧故障条件和/或并联电弧故障条件的示例性显示器38，将会明了，这样的条件可被存储、打印在硬拷贝上、通过计算机修改或与其他数据合并。所有这样的处理将被看作属于这里所用的术语“显示”的范围。
尽管详细介绍了本发明的特定实施例，本领域技术人员将会明了，在本公开的总体教导之下，可对这些细节做出多种修改和替代。因此，所公开的特定布置意味着仅仅是示例性的，不对本发明的范围进行限制，本发明的范围由所附权利要求及其任何以及全部等价物的全部宽度给出。

Claims (26)

1.一种用于检测和区分电力电路(10，10′，10″)的故障(6，6′，70)的电气开关设备(2，2′，2″)，所述电气开关设备包含：
第一凸耳(13)；
第二声学凸耳(14A)，其被结构化为电气连接到所述电力电路；
第三声学凸耳(14B)，其被结构化为电气连接到所述电力电路；
可分离触点(16)，其串联电气连接在所述第一凸耳与所述第二声学凸耳之间；
操作机构(18)，其被结构化为断开以及闭合所述可分离触点；
第一声学传感器(4A)，其被耦合到所述第二声学凸耳，所述第一声学传感器被结构化为检测来自所述第二声学凸耳的第一声学信号(12A)，所述第一声学信号与所述电力电路的故障有效相关；
第二声学传感器(4B)，其被耦合到所述第三声学凸耳，所述第二声学传感器被结构化为检测来自所述第三声学凸耳的第二声学信号(12B)，所述第二声学信号与所述电力电路的故障有效相关；
第三电流传感器(32)，其被结构化为检测在所述第一凸耳与所述第二声学凸耳之间流动的电流，以及
检测电路(20)，其输入所述第一与第二检测到的声学信号以及所述检测到的电流，所述检测电路被结构化为由第一与第二检测到的声学信号以及所述检测到的电流检测和区分并联电弧故障或串联电弧故障。
2.根据权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述检测到的电流以及所述第一与第二检测到的声学信号各自具有量值，其中，所述第一与第二检测到的声学信号各自具有被所述检测电路接收的时间；且其中，所述检测电路(20)进一步被结构化为判断所述第一与第二检测到的声学信号的量值之间的差是否大于预定量或者接收所述第一与第二检测到的声学信号的时间之间的差是否大于预定时间，以及所述检测到的电流的量值是否确定所述故障为串联电弧故障。 
3.根据权利要求2的电气开关设备(2)，其中，所述检测电路(20)包含被结构化为显示所述串联电弧故障的显示器。
4.根据权利要求2的电气开关设备(2)，其中，所述检测电路进一步被结构化为指示所述检测到的电流的量值指示所述并联电弧故障还是所述串联电弧故障。
5.根据权利要求2的电气开关设备(2)，其中，对于所述串联电弧故障，所述第一与第二检测到的声学信号的量值之间的差大于所述量值中的一个的5％。
6.根据权利要求2的电气开关设备(2)，其中，所述预定时间为约0.1mS。
7.根据权利要求1的电气开关设备(2′)，其中，所述检测到的电流以及所述第一与第二检测到的声学信号各自具有量值；其中，所述第一与第二检测到的声学信号各自具有由所述检测电路接收的时间；且其中，所述检测电路(20)进一步被结构化为判断所述第一与第二检测到的声学信号的量值之间的差是否小于预定量或接收所述第一与第二检测到的声学信号的时间之间的差是否小于预定时间，以及所述检测到的电流的量值是否确定所述故障为并联电弧故障。
8.根据权利要求7的电气开关设备(2′)，其中，所述检测电路(20)包含被结构化为显示所述串联电弧故障的显示器。
9.根据权利要求7的电气开关设备(2′)，其中，所述检测电路进一步被结构化为指示所述检测到的电流的量值指示所述并联电弧故障还是所述串联电弧故障。
10.根据权利要求7的电气开关设备(2′)，其中，对于所述并联电弧故障，所述第一与第二检测到的声学信号的量值之间的差小于所述量值中的一个的5％。
11.根据权利要求7的电气开关设备(2′)，其中，所述预定时间为大约0.1mS。
12.根据权利要求1的电气开关设备(2，2′)，其中，所述电力电路 包含负载导体和负载-中性导体；其中，所述第二声学凸耳(14A)被结构化为电气连接到所述负载导体；且其中，所述第三声学凸耳(14B)被结构化为电气连接到所述负载-中性导体。
13.根据权利要求1的电气开关设备(2，2′，2″)，其中，所述第二声学凸耳包含适用于被电气输出到所述电力电路的电压；且其中，所述第二声学凸耳包含被结构化为将所述第二声学传感器从所述电压电气隔离的电绝缘体(28)。
14.根据权利要求1的电气开关设备(2，2′，2″)，其中，所述第二与第三声学凸耳各自包含隔音体(30)，所述隔音体被结构化为将所述第一与第二声学传感器中对应的一个与空气传播的噪音隔离开。
15.根据权利要求1的电气开关设备(2，2′，2″)，其中，所述第一与第二声学传感器为压电传感器(4A，4B)。
16.根据权利要求1的电气开关设备(2″)，其中，所述电气开关设备为插座(2″)。
17.一种区分电力电路(10，10′，10″)中的故障(6，6′，70)的方法，所述方法包含：
使用被结构化为电气连接到所述电力电路的第一声学凸耳(14A)；
使用被结构化为电气连接到所述电力电路的第二声学凸耳(14B)；
将第一声学传感器(4A)耦合到所述第一声学凸耳；
将第二声学传感器(4B)耦合到所述第二声学凸耳；
使用所述第一声学传感器检测来自所述第一声学凸耳的第一声学信号(12A)，所述第一声学信号与所述电力电路的故障有效关联；
使用所述第二声学传感器检测来自所述第二声学凸耳的第二声学信号(12B)，所述第二声学信号与所述电力电路的故障有效关联；
检测(32)在所述第一声学凸耳与所述电力电路之间流动的电流；
输入所述第一与第二检测到的声学信号以及所述检测到的电流，并由所述第一与第二检测到的声学信号以及所述检测到的电流区分并联电弧故障还是串联电弧故障。 
18.根据权利要求17的方法，其还包含：
将直流电力电路用作所述电力电路；以及
区分所述直流电力电路中的所述故障。
19.根据权利要求17的方法，其还包含：
将所述第一与第二检测到的声学信号中的一个输入到带通滤波器(44)；
从所述带通滤波器输出(49)滤波后的信号；以及
对所述滤波后的信号进行分析(50)，以便检测大约在预定频率上的声学信号。
20.根据权利要求17的方法，其还包含：
将交流电力电路用作所述电力电路；
区分所述交流电力电路中的所述故障。
21.根据权利要求17的方法，其还包含：
由所述检测到的电流确定(54)并联电弧故障；
确定(54)所述检测到的电流的逐步增大；
由所述第一与第二检测到的声学信号确定(60)串联电弧故障；以及
显示到地的并联电弧故障条件(63)。
22.根据权利要求17的方法，其还包含：
由所述检测到的电流确定(54)并联电弧故障；
确定(54)所述检测到的电流的逐步增大；
由所述第一与第二检测到的声学信号确定(58)并联电弧故障；以及
显示并联电弧故障条件(64)。
23.根据权利要求17的方法，其还包含：
由所述检测到的电流确定(54)非并联电弧故障；
确定(54)所述检测到的电流的逐步减小；
由所述第一与第二检测到的声学信号确定(60)串联电弧故障；以及
显示串联电弧故障条件(65)。
24.根据权利要求17的方法，其还包含： 
由所述检测到的电流确定(54)非并联电弧故障；
确定(54)所述检测到的电流的逐步减小；
由所述第一与第二检测到的声学信号确定(58)并联电弧故障；以及
显示负载上的串联电弧故障条件(66)。
25.根据权利要求17的方法，其还包含：
由所述检测到的电流确定(54)非并联电弧故障；
确定(54)所述检测到的电流的逐步增大；
由所述第一与第二检测到的声学信号确定(60)串联电弧故障；以及
显示串联电弧故障条件(67)。
26.根据权利要求17的方法，其还包含：
由所述检测到的电流确定(54)非并联电弧故障；
确定(54)所述检测到的电流的逐步增大；
由所述第一与第二检测到的声学信号确定(58)并联电弧故障；以及
显示负载上的串联电弧故障条件(68)。 
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