CN102539997A - 用于检测交流电压电网中的干扰电弧事件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于检测交流电压电网中的干扰电弧事件的方法和装置。尤其是处于20A与50A之间的电流范围的家用布线系统中的干扰电弧应当被可靠识别。因此提出一种用于通过获取交流电压电网中的当前噪声功率（P_N）来检测在交流电压电网中的干扰电弧事件的方法。在交流电压电网中获取电流强度变化过程（1）的半波（3）边缘（2）的斜度，并且在所述边缘（2）的斜度超过预定的斜度阈值（S1）时形成时间上的积分（Int1，Int2），只要当前的噪声功率（P_N）在所述半波（3）期间超过功率阈值（S2）。最后在所述积分（Int1）达到或超过预定的积分阈值（S3，S4）时判决存在干扰电弧事件。

Description

用于检测交流电压电网中的干扰电弧事件的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于通过获取交流电压电网中的当前噪声功率来检测交流电压电网中的干扰电弧事件的方法。此外本发明涉及一种用于检测干扰电弧事件的相应装置。干扰电弧事件可以是一个或多个干扰电弧。

背景技术

在诸如家用布线系统的布线系统中，在导线或其绝缘物存在缺陷或者所连接的设备不再正常时可能产生干扰电弧。为了在出现干扰电弧时尽可能迅速中断回路，在该布线系统中采用保护开关。

抗干扰电弧的保护开关也称为AFDD（Arc Fault Detection Device，电弧故障检测设备）。这种类型的保护开关是借助复杂的算法监视电信号或电信号的回路以便能检测电布线中的干扰电弧的保护设备。

可以将稳定燃烧的干扰电弧与诸如具有电刷的电动机的所谓干扰性耗电器区分开来的算法例如由文献US 5729 145 A公开。该文献中描述的技术抵抗在大约20A时结束的电流范围中的干扰电弧。有限的保护范围归因于电弧故障在最少见的情况下从大约20A的电流开始稳定燃烧。更确切地说，在超过20A的电流范围中的干扰电弧随着断路而更加不可控地出现。但是文献US 5 729 145 A的测量原理基于借助电流和功率测量检测在交流系统的两个过零点之间出现的稳定燃烧的电弧。如果电流和噪声功率超过预定的阈值，则计数器递增。如果该计数器超过特定的值，则保护开关触发。该触发原理不适用于不稳定的干扰电弧。

用于获取更高的电流范围（大于大约50A）中的干扰电弧的技术在专利文献US 6 031 699 A中描述。相应于该专利文献中的技术，借助电流的升高的大小来判决保护开关的触发。因为干扰电弧具有其电流变化过程具有强烈升高的边缘的特性，但是这也可以在具有高消耗电流的负载的情况下是这样。因此问题在于，具有通常是标称电流数倍的高起动电流的耗电器可能引起对保护开关的不期望的触发，因为该不期望的触发达到涉及电流的升高和大小的相应阈值。获取阈值的升高使干扰电弧保护恶化，而减小则带来更多的误触发。由此该系统不能非常可靠地即抵抗干扰电弧又抵抗误触发。

发明内容

因此本发明的任务在于能够更为可靠地检测尤其是在大约20A至50A的电流范围中的即使小的稳定燃烧的干扰电弧。

根据本发明，该任务通过一种用于通过以下方式检测在交流电压电网中的干扰电弧事件的方法解决，

-在交流电压电网中获取当前噪声功率，

-在交流电压电网中获取电流强度变化过程的半波边缘的斜度，

-在所述边缘的斜度超过预定的斜度阈值时形成时间上的积分，只要当前的噪声功率在所述半波期间超过功率阈值，

-在所述积分达到或超过预定的积分阈值时判决存在/曾存在干扰电弧事件。

此外根据本发明提供一种用于检测在交流电压电网中的干扰电弧事件的装置，具有

-功率测量装置，用于获取该交流电压电网中的当前噪声功率，以及

-电流测量装置，用于获取该交流电压电网中的电流强度变化过程的半波边缘的斜度，

-积分装置，用于在所述边缘的斜度超过预定的斜度阈值时形成时间上的积分，只要当前的噪声功率在所述半波期间超过功率阈值，以及

-逻辑装置，用于在所述积分达到或超过预定的积分阈值时判决存在/曾存在干扰电弧事件。

因此，在此按照有利的方式将两个非常特殊的检测方法相互组合。一方面没有电流测量的噪声功率测量类似于在低电流范围中的稳定燃烧的干扰电弧的情况，并且另一方面像在检测高电流范围中的干扰电弧那样获取电流变化过程的边缘。由此尤其是可以在大约20A和50A之间的电流范围中进行可靠的干扰电弧检测。

优选地，在获取边缘斜度之前对电流进行整流。由此可以与这是正半波或是负半波无关地更简单地检测半波电流的边缘。

噪声功率优选地仅在预定的频率范围中被获取。因为为了可靠地进行干扰电弧检测分析频谱的一定部分就足以。

同样有利的还有，如果跟随所述半波的另一个半波的边缘斜度同样大于预定的斜度阈值并且当前的噪声功率大于预定的功率阈值，则在该另一个半波期间所述在时间上的积分提高。由此在干扰电弧燃烧期间的时间被积分，并且相应的单元被损坏或破坏。

替换的，所述积分还可以在所述半波以及每个后续的半波之后分别被复位到零。由此仅当半波的电弧达到预定的积分值时才进行触发。

此外，在当前的噪声功率不大于预定的功率阈值时，所述积分在所述一个或多个半波期间可以保持不变或者减小。由此考虑以下事实，即在干扰电弧熄灭的情况下可能不会出现其它损坏，必要时甚至可能出现材料的少许恢复。

相应于替换的实施方式，在多个半波上针对干扰电弧对交流电压电网进行分析，积分的值分别在所属半波结束时、在该积分的值被复位之前被累加为和，并且在该和超过预定的和值时判决存在干扰电弧事件。在此这是一种两级系统，在该两级系统中各级可以相互独立地引起保护开关的触发。在其中一级中只考虑一个半波的影响，而在第二级中将多个半波的影响累加。

必要时通过周期性的递增来形成时间上的积分。因此，该时间上的积分简单地通过以预定的时钟对计数器增加计数来实现。

此外，当前的电流强度可以用作为用于形成所述积分的被积函数。

附图说明

现在借助附图详细解释本发明，在附图中：

图1示出根据第一实施方式的电流、电流导数、噪声功率和检测积分的时间变化过程，以及

图2示出电流、电流导数、噪声功率和两个可用于触发保护开关的积分的变化过程。

具体实施方式

下面详细讲述的实施例是本发明的优选实施方式。

本发明的方法基于以下想法：对于其中干扰电弧燃烧的持续时间可以测量在电网上的更高的噪声功率电平。该信号在特定的频率范围中被监视并且用于干扰电弧识别。代替用于直到大约20A的电弧的纯电流测量，在此检查电流的升高，如对在高于50A的电流范围中的电弧进行的那样。因此，噪声功率测量被扩展了一种功能，并且总功能或该总功能的仅一部分可以实现为硬件或软件。为了不丢失电流的信息，有利的是事先对该电流进行整流。但是该整流被认为只是可选的。

下面详细讲述两个实施方式：一个结合图1，并且另一个结合图2。

在图1的实施方式中检查交流电压回路中的电流。为此对该电流或相应的参数进行整流。因此产生在图1上部显示的时间t上的电流变化过程1。该电流变化过程基于正弦形状的交流电流，并且通过位于每个半波3开始时的陡峭边缘2形成。该陡峭边缘在每个半波中干扰电弧点燃时产生。

在所述电流变化过程下方，图1示出电流的相应导数dI/dt。由于所述电流变化过程在每个半波3开始时的陡峭边缘2，在该时刻的导数dI/dt相应是高的。在半波3的其它变化过程中，该导数根据数值更为小些。

电流变化过程的导数值在边缘2处超过阈值S1。由此对于该算法来说，满足用于在半波3期间判决存在干扰电弧或干扰电弧事件的标准。

在导数dI/dt下方，图1在时间上对应地示出噪声功率P_N。该噪声功率是存在干扰电弧的第二指示。在此在半波3的时间窗口中应当观察到提高的噪声功率。噪声功率尤其是高频信号的噪声功率，也就是HF噪声功率。在时间片段t₁期间，噪声功率低于噪声功率阈值S2。在后续的时间片段t₂期间，噪声功率P_N高于噪声功率阈值S2。然后紧接着是其它时间片段t₃至t₈，其中在时间片段t₃和t₇中没有干扰电弧燃烧，并且噪声功率相应地是低的。在时间片段t₄,t₆和t₈中，噪声功率高于阈值S2，而在时间片段t₅中，噪声功率像在时间片段t₁中那样低于阈值S2。时间片段t₃至t₆代表交流电压信号或交流电流信号的第一半波周期，而时间片段t₇与t₈代表第二半波周期。期间干扰电弧燃烧的半波3在时间上分别仅在相应半波周期的一部分上延伸（例如半波周期t₃至t₆的t₄至t₆）。

图1中的最下面的变化过程示出积分器值Int1。积分器值Int1是时间上的积分值。该积分简单地通过以下方式实现，即积分器或计数器以固定的预定时钟或固定的预定周期增加计数。由此例如在时间片段t₂中对在计数增加时的值Int1产生相应的线性增加。在半波3开始时出现电流I的陡峭边缘2。足够高的斜度通过导数确定。该导数在时间片段t₁开始时超过阈值。这对于积分器来说原则上是在半波3期间可以被增加计数或积分的信号。但是由于噪声功率P_N在第一时间片段t₁中低于阈值S2，因此积分器还未增加计数。然后在时间片段t2中噪声功率高于阈值S2并且积分器增加计数，从而积分器值Int1相应地线性升高。在半波3结束时，随着时间片段t₂的结束所述增加计数结束。在时间片段t₃期间，干扰电弧不燃烧并且积分器递减。如从图1的图形中可看出的，在该示例中递减比递增更慢。在时间片段t₄开始时又产生陡峭边缘2并且积分器递增，因为噪声功率P_N在该时间片段中高于S2。在时间片段t₅中递减，因为噪声功率低于阈值S2。相反在时间片段t₆中，积分器又递增。相应地积分器在时间片段t₇和t₈中又递减或递增。

在时间片段t₈期间，积分器值Int1超过积分阈值S3。积分阈值的超过可以被解释为肯定存在一个或多个干扰电弧，也就是存在干扰电弧事件。但是，积分阈值的超过还可以用于触发相应的保护开关，该保护开关由相应的用于检测干扰电弧事件的装置控制或包括在该装置内。

根据第一实施方式用于检测一个或多个干扰电弧或用于触发保护开关的功能流程可以按照以下方式来总结：

积分器给出关于电流的升高和流动持续时间的消息以及关于噪声功率电平的消息。积分器的值可以提高、保持不变（例如在10ms或100ms的固定时间内）或者减小。积分器值的最小值位于其起始值处。积分器为了改变其值，必须满足以下条件之一。否则积分器值保持不变。

为了提高积分器值，电流必须具有足够陡峭的边缘（足够高的导数）。如果电流升高超过固定的阈值S1，可以将该信息存储特定的持续时间（一般是一个半波或半波周期）。该存储可以借助合适的硬件进行，例如借助RC组件进行。在电流升高已经在时间窗（例如半波）中超过阈值S1的信息的同时，还必须存在这样的判决，即噪声功率具有干扰电弧典型的电平，也就是已经超过阈值S2。只要两个信息都是肯定的，则积分器就提高。

为了减小积分值，噪声功率必须低于干扰电弧的规定的阈值S2或者必须有规定的持续时间没有电流流动。因此如果这两个条件得到满足，则积分器递减。

优选地，积分器的积分值被提高与当前电流（电流强度的幅度）成比例的值。积分器的递减幅度可以与此无关地分别单独定义。如果积分值超过阈值S3，则AFDD触发并且通过为此设置的装置将耗电器与电网分离。

根据结合图2详细解释的第二实施方式，在交流电压电网中存在与图1中相同的电流变化过程以及与图1中相同的电流升高（电流变化过程的导数）。因此在图2中上部示出的电流变化过程以及电流变化过程的导数方面参照图1的描述。噪声功率P_N在此具有稍微不同的变化过程。在电流变化过程1的第一陡峭边缘2之后，时间片段t₁₀的噪声功率在半周期结束之前都高于功率阈值S2。接着干扰电弧在下个边缘2之前都熄灭。在该熄灭状态下（时间片段t₁₁）噪声功率P_N是低的并且低于功率阈值S2。在重新点燃干扰电弧之后，噪声功率首先在时间片段t₁₂期间高于阈值S2，然后在时间段t₁₃期间短暂低于阈值S2，并且接着在时间段t₁₄期间又高于阈值S2。在接下来的时间片段t₁₅期间，干扰电弧又熄灭并且干扰功率相应地低于阈值S2。在下次点燃干扰电弧时，噪声功率在时间片段t₁₆期间高于阈值S2，并且然后直到相应的半周期结束在时间片段t₁₇期间都低于阈值S2。

第一积分器在此产生积分值Int2。第一积分器总是考察半个周期或半波。在此，对于第一半波而言存在如下信息，即导数dI/dt已经超过斜度阈值S1和噪声功率P_N在干扰电弧的点燃阶段中（也就是在时间片段t₁₀中）高于功率阈值S2。因此第一积分器对其间干扰电弧燃烧的时间积分。在此这意味着实现为简单计数器的积分器根据固定的时钟或固定的周期增加计数，从而积分值Int2在时间片段t₁₀期间线性升高。在半波或半个周期结束时，积分值Int2复位到零。

由于对于第二半波也存在电流升高边缘2足够高——也就是导数高于阈值S1的信息，因此对于该半波第一积分器原则上又被增加计数。实际上这也在时间片段t₁₂中以及在时间片段t₁₄中进行，因为在这两个时间片段中噪声功率高于阈值S2。相反在时间片段t₁₃期间，噪声功率低于阈值S2，从而第一积分器相应地递减。在第二电弧熄灭之后，积分值Int2也被复位到零。

对于电流的第三半波也存在起始边缘的升高高于阈值S1的信息，这适合作为干扰电弧的指示。因此第一积分器原则上也将增加计数。但是，仅在其中噪声功率高于阈值S2的短的时间片段t₁₆中，第一积分器增加计数。在接下来的时间片段t₁₇中，噪声功率非常小，这意味着电弧的熄灭。因此积分值Int2在时间片段t₁₇开始时复位到零。

可以看出，积分值Int2仅在第一半波和第二半波期间超过积分阈值S4。在第三半波期间积分值Int2保持低于阈值S4。由于阈值S4被超过，判决存在干扰电弧事件。在第三半波的情况下判决不存在临界的干扰电弧。

依据这一点在用于检测干扰电弧的装置中或在保护开关中通过第二积分器形成另一个积分值Int3。相应的变化过程在图2下部示出。积分值Int2在时间片段t₁₀结束时超过阈值S4，并达到值i₁。因此，和值或积分值Int3在时间片段t₁₀结束时提高了值i₁。

在时间片段14结束时，积分值Int2达到大于阈值S4的值i₂。因此在时间片段t₁₄结束时积分值Int3提高了值i₂。

在时间片段t₁₆结束时，积分值Int2达到小于阈值S4的值i₃。由于阈值S4未被达到，因此积分值Int3未提高。相应于在图2中示出的第一实施变型，积分值Int3在超过时间片段t₁₆的时间中首先保持恒定。如下面详细解释的，积分值Int3接着纯时间地递减。根据替换的实施方式，积分值Int3也可以在积分值Int2未达到阈值S4时递减。

如果积分值Int3达到或超过单独的阈值S5，则在此同样判决存在电弧事件。基于值Int2和阈值S4对存在干扰电弧事件的判决在此仅被用于形成积分值Int3，而基于值Int3和阈值S5对存在干扰电弧事件的判决在此被用于触发保护开关。

下面根据图2简短总结检测方法的作用原理。提供积分值Int2的第一积分器给出关于电流的升高和流动持续时间的消息以及关于噪声功率电平的消息。第一积分器的值Int2可以提高或者复位到其起始值。为了提高第一积分器，必须满足以下条件：电流必须具有足够陡峭的边缘2。如果电流升高dI/dt超过固定的阈值S1，则像在第一实施例中那样将该信息存储特定的持续时间（例如半波）。该存储在此还可以借助硬件来进行，例如通过RC组件进行。作为第二条件，在此噪声功率P_N也必须具有干扰电弧典型的电平。在没有干扰电弧的情况下阈值S2必须高于基本电平。

将第一积分器的积分值Int2在每个半波之后与固定的阈值S4相比较。如果积分值Int2大于阈值S4，则将另一个的积分值Int3提高第一积分器的当前值Int2。如果积分值Int2不大于阈值S4，则根据第一实施变型第二积分器递减。此后将第一积分器复位到起始值。如果在规定的持续时间内没有电流流动，则另一个积分器递减。根据第二实施变型，另一个积分器或积分值Int3仅发生时间上的递减。积分值Int3的最小值处于其起始值。

第一积分器在此还应当提高与电流成比例的值。否则可以分别单独定义递增和递减的幅度。

如果提供积分值Int3的另一个积分器超过阈值S5，则如所提到的那样保护开关或AFDD触发。该保护开关或AFDD通过为此设置的装置将耗电器与电网分离。

利用本发明的概念可以获取直到几百A的干扰电弧。首先该方法不仅通过附加的噪声功率信息来改善误触发稳定性，而且还闭合了瞬时存在的、20A至50A的范围中的保护空隙。

此外，利用本发明的方法没有像在专利US 6 031 699 A中规定的最小电流幅度，该最小电流幅度才允许干扰电弧检测。本发明的算法从大约15A的干扰电弧开始就已经发挥作用了。因为在有干扰电弧的情况下的边缘斜度在该范围中已经足够高了。如果第一积分器提高了与电流成比例的值，则本发明的算法随着电流的增加而获得越来越大的权重，这使得利用本发明的算法可以实现该公知算法的无缝过渡并由此闭合保护空隙。

结合图2解释的实施变型附加地还提供以下优点，即针对每个半波必须超过自己的阈值。这防止了具有高边缘斜度但是在干扰电弧阈值上方不够长的噪声功率的负载电流达到触发极限。

附图标记列表

1 电流变化过程

2 电流升高边缘

3 半波

dI/dt 导数

I 电流

Int1，Int2，Int3 积分值

i₁,i₂,i₃ 值

P_N 噪声功率

S1 斜度阈值

S2 功率阈值

S3，S4 积分阈值

t₁至t₁₇ 时间片段

Claims (10)

1.一种用于通过以下方式检测在交流电压电网中的干扰电弧事件的方法，

-在交流电压电网中获取当前噪声功率（P_N），

其特征在于，

-在交流电压电网中获取电流强度变化过程（1）的半波（3）边缘（2）的斜度，

-在所述边缘（2）的斜度超过预定的斜度阈值（S1）时形成时间上的积分（Int1，Int2），只要当前的噪声功率（P_N）在所述半波（3）期间超过功率阈值（S2），以及

-在所述积分（Int1，Int2）超过预定的积分阈值（S3，S4）时判决存在/曾存在干扰电弧事件。

2.根据权利要求1的方法，其中在获取边缘斜度之前对电流进行整流。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述噪声功率（P_N）仅在预定的频率范围中被获取。

4.根据前述权利要求之一的方法，其中如果跟随所述半波的另一个半波的边缘（2）斜度同样大于预定的斜度阈值（S1）并且当前的噪声功率（P_N）大于预定的功率阈值（S2），则在该另一个半波期间所述在时间上的积分（Int1，Int2）提高。

5.根据权利要求1至3之一的方法，其中所述积分（Int1，Int2）在所述半波（3）以及每个后续的半波之后分别被复位到零。

6.根据前述权利要求之一的方法，其中在当前的噪声功率（P_N）不大于预定的功率阈值（S2）时，所述积分（Int1，Int2）在所述一个或多个半波期间保持不变或者减小。

7.根据权利要求5的方法，其中在多个半波（3）上针对干扰电弧事件对交流电压电网进行分析，所述积分（Int1，Int2）的值（i₁,i₂,i₃）分别在所属的半波结束时、在所述积分的值被复位之前被累加为和（Int3），并且在该和（Int3）超过预定的和值（S5）时判决存在干扰电弧事件。

8.根据前述权利要求之一的方法，其中通过周期性的递增来形成时间上的积分（Int1，Int2）。

9.根据前述权利要求之一的方法，其中当前的电流强度用作为用于形成所述积分（Int1，Int2）的被积函数。

10.一种用于检测交流电压电网中的干扰电弧的装置，具有

-功率测量装置，用于获取该交流电压电网中的当前噪声功率（P_N），

其特征在于

-电流测量装置，用于获取该交流电压电网中的电流强度变化过程（1）的半波（3）边缘（2）的斜度，

-积分装置，用于在所述边缘（2）的斜度超过预定的斜度阈值（S1）时形成时间上的积分（Int1，Int2），只要当前的噪声功率（P_N）在所述半波（3）期间超过功率阈值（S2），以及

-逻辑装置，用于在所述积分（Int1，Int2）超过预定的积分阈值（S3，S4）时判决存在/曾存在干扰电弧事件。