CN102565578A - 用于通过故障计数器来探测干扰电弧事件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于通过故障计数器来探测干扰电弧事件的方法和装置。应识别偶然出现的干扰电弧。为此，如果电流强度超过电流强度阈值并且噪声功率超过功率阈值，则形成关于时间的积分。如果该积分超过预先给定的第一积分阈值（S3），则判断存在干扰电弧事件。另外，如果该积分（Int1）首先超过低于该第一积分阈值（S3）的第二积分阈值（S4）并接着低于比该第二积分阈值（S4）低的第三积分阈值，则对计数器（Int2）进行递增。如果该计数器（Int2）的值超过预先给定的计数器阈值（S6），则判断存在另一干扰电弧事件。从而尤其能够检测到偶然出现的干扰电弧。

Description

用于通过故障计数器来探测干扰电弧事件的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于通过检测交流电网中的当前噪声功率以及检测交流电网中的电流强度的幅度来探测干扰电弧事件的方法。如果电流强度的当前幅度超过了预定的电流强度阈值并且当前的噪声功率超过了功率阈值，则提高与时间有关的积分。另外，如果幅度没有超过预定的电流强度阈值和/或当前的噪声功率没有超过功率阈值，则降低与时间有关的积分。如果该积分超过了预先给定的积分阈值，则最后判断存在/曾经存在干扰电弧。干扰电弧事件可以是一个或多个干扰电弧。本发明应该尤其涉及按照IEC标准（International Electrical Commitee，国际电工委员会）的具有230V及50Hz的交流电网。 

背景技术

在诸如家用布线系统的布线系统中，如果功率或其绝缘失效或者所连接的设备不再正常，那么就可能产生干扰电弧。为了尽可能迅速地在出现干扰电弧的情况下断开电路，在布线系统中采用保护开关。 

防干扰电弧的保护开关也称作AFDD（Arc Fault Detection Device，电弧故障探测装置）。这种保护开关是保护设备，其借助复杂的算法来监视电信号或其电路，以能够探测电气布线中的干扰电弧。 

例如从文件US 5 729 145 A中公知有算法，这些算法可以对稳定燃烧的干扰电弧与所谓的干扰耗电器、例如具有电刷的电动机进行区分。在此所述的技术是用于探测干扰电弧的一种普通方法。 

探测干扰电弧的问题在于，电弧故障在极少情况下如同短路一样迅速地产生。例如与耗电器串联出现的电弧故障在稳定燃烧之前首先在故障区域中需要足够的炭化。在炭化阶段期间，干扰电弧偶然燃烧仅局部几个半波，并从而仅非常困难地与干扰负载相区分。但在该炭化阶段中已经可以由导体所溶解的铜颗粒以几千℃来点燃环境中的材料，并由此引起火灾。 

发明内容

本发明的任务在于，也能够可靠地识别偶然出现的干扰电弧。 

根据本发明，该任务通过用于通过如下步骤来探测交流电网中的干扰电弧事件的方法来解决： 

- 检测所述交流电网中的当前的噪声功率，

- 检测所述交流电网中的电流强度的幅度，

- 如果电流强度的当前幅度超过预定的电流强度阈值并且当前的噪声功率超过功率阈值，则提高与时间有关的积分，

- 如果所述幅度没有超过预定的电流强度阈值和/或当前的噪声功率没有超过功率阈值，则降低与时间有关的积分，以及

- 如果所述积分超过预先给定的第一积分阈值，则判断存在干扰电弧事件，以及

- 仅在所述积分首先超过低于第一积分阈值的第二积分阈值并接着低于比第二积分阈值低的第三积分阈值时，才对计数器进行递增，和

- 如果所述计数器的值超过预先给定的计数器阈值，则判断存在另一干扰电弧事件。

此外，根据本发明还提供了用于探测交流电网中的干扰电弧事件的装置，该装置具有 

- 用于检测交流电网中的当前的噪声功率的功率测量装置，

- 用于检测交流电网中的电流强度的幅度的电流测量装置，

- 积分装置，用于在电流强度的当前幅度超过预定的电流强度阈值并且当前的噪声功率超过功率阈值时提高与时间有关的积分，以及用于在所述幅度没有超过预定的电流强度阈值和/或当前的噪声功率没有超过功率阈值时降低与时间有关的积分，和

- 逻辑装置，用于在所述积分超过预先给定的第一积分阈值时判断存在干扰电弧事件，以及

- 计数器装置，用于仅在所述积分首先超过低于第一积分阈值的第二积分阈值并接着低于比第二积分阈值低的第三积分阈值时对计数器值进行递增，其中

- 在所述计数器的值超过预先给定的计数器阈值时，利用所述逻辑装置来判断存在另一干扰电弧事件。

从而以有利的方式提供了用于探测干扰电弧的一种双轨探测方法以及一种相应的装置。在第一判断线路中仅观察积分的值（在最简单的情况下是以预定时钟递增的计数值），观察该值是否超过确定的第一积分阈值。在与第一判断线路独立的第二判断线路中，评价尤其是也低于第一积分阈值的积分的变化曲线。如果该积分首先升高到第二积分阈值以上并接着下降到第三积分阈值以下，那么这可视为曾存在短的、偶然的干扰电弧的标志，该干扰电弧虽然还不足以根据第一积分阈值进行触发，但可能已经造成材料的损坏。然后对相应的计数器进行递增。于是在多次这种事件的情况下，计数器阈值被超过，并且认为可靠地探测到一个或多个干扰电弧，使得利用该信息可以发起相应的动作。 

优选地，所述第二积分阈值处于第一积分阈值的30%与70%之间的范围中。如果第二积分阈值处于第一积分阈值的50%，那么这是尤其有利的。在此，如果第三积分阈值低于第一积分阈值的20%，尤其是处于第一积分阈值的10%，那么这也是有利的。这种大小被确定的阈值导致用于识别偶然干扰电弧的可靠算法。 

积分的提高和降低可以以不同的速度来进行。因此可以考虑以下的事实，即干扰电弧以不同的时间间隔出现，或者材料在出现干扰电弧之后以确定的方式（例如通过温度的降低）恢复。 

此外可以在干扰负载方面对所述交流电网中的信号进行分析，并在探测到这样的干扰负载的情况下所述积分被设置到预先给定的值、尤其是零。从而可以避免当在交流电网中仅运行干扰负载时无意地探测到干扰电弧。 

如果所述积分被复位为预先给定的值、尤其是零，则还应该对计数器进行递减。从而，当识别到干扰负载、但没有识别到干扰电弧时，可以避免在利用计数器所实现的第二探测轨道或第二探测级上产生探测误差。 

所述计数器优选地按照预先给定的时间间隔来递减。从而仅在所述积分在较短的时间内多次超过第二积分阈值并低于第三积分阈值时才进行对于干扰电弧事件的判断（也即一个干扰电弧或多个干扰电弧）。太少出现的干扰电弧不导致探测到关键的干扰电弧事件。 

对于计数器递减的时间间隔可以与计数器的实际值有关。因此例如可以简单地来模拟指数衰减。 

特别有利的是，利用本发明的用于探测干扰电弧事件的方法来驱动保护开关。于是在探测到这种干扰电弧事件的情况下触发保护开关，或者输出相应的报警信号。从而保护开关也可以被用作预警仪器。 

附图说明

现在借助附图来详细解释本发明，其中： 

图1示出电流变化曲线、噪声功率的变化曲线以及积分信号的图表，并且

图2示出积分信号、干扰负载探测信号和计数器信号。

具体实施方式

在下文中详细阐述的实施例是本发明的优选实施方式。 

本发明所基于的公开技术是，如果电流强度在一个半波中超过确定的值并且同时噪声功率超过同样预定的值，那么通过积分器关于时间进行积分可以可靠地识别干扰电弧以及尤其是连续干扰电弧。因此根据图1的示例，检查交流电压电路中的电流。为此，电流或相应的参量被整流。从而得出在图1上部所示的关于时间t的电流变化曲线1。该电流变化曲线基于正弦形的交流电流，并通过边缘2来表示每个半波3的开始。每个陡峭的边缘在每个半波中在点燃干扰电弧时得出。 

如果在半波3或者在交流电流的半周期期间电流强度超过阈值S1，则这被分析为对于干扰电弧燃烧的指示。但电流的高度还并不单独是对于干扰电弧燃烧的可靠指示。更确切地说，还必须分析噪声功率P_N，以获得对于干扰电弧存在的附加指示。 

在图1中在电流变化曲线1的下面以时间对应的方式示出了噪声功率P_N。在此在半波3的时间窗中可以观察到提高的噪声功率。该噪声功率尤其是高频信号的噪声功率，也即HF噪声功率。在时间段t₁中，噪声功率低于噪声功率阈值S2。然后接着是另外的时间段t₃至t₈，其中在时间段t₃至t₇中没有干扰电弧燃烧，并且噪声功率相应是低的。在时间段t₄、t₆和t₈中，噪声功率高于阈值S2，并且在时间段t₅中如同在时间段t₁中那样噪声功率低于阈值S2。时间段t₃至t₆代表交流电压信号或交流电流信号的第一半周期，并且时间段t₇与t₈代表第二半周期。期间干扰电弧燃烧的半波3在时间上分别仅在相应半周期的一部分上延伸（例如半周期t₃至t₆中的t₄至t₆）。 

在图1中最下面的变化曲线示出了积分器值Int1。该积分器值Int1表示关于时间的积分值。该积分简单地通过如下方式来实施，即积分器或计数器以固定地预先给定的时钟或者以固定地预先给定的周期递增。于是对于值Int1在递增时得出诸如在时间段t2中的相应的线性上升。 

在此在半波3开始时，该电流强度如此强烈地上升，使得该电流强度超过电流强度阈值S1。这对于积分器原则上是可以被递增或积分的信号。但是因为噪声功率P_N在第一时间段t₁中低于阈值S2，所以该积分器还不递增。然后在时间段t₂中，噪声功率高于该阈值S2，并且该积分器递增，使得积分器值Int1相应地线性上升。在该半波3结束时，递增随着时间段t₂的结束而结束。在时间段t₃期间，干扰电弧不燃烧并且积分器递减。如图1的曲线图所示，在该示例中递减比递增更缓慢。在时间段t₄开始时，再次出现陡峭的边缘2，并且积分器递增，因为噪声功率在该时间段中高于S2。在时间段t₅中递减，因为噪声功率低于阈值S2。而在时间段t₆中积分器再次递减。相应地，积分器在时间段t₇和t₈中再次递减以及递增。 

在时间段t₈期间，积分器值Int1超过积分阈值S3。该积分阈值的超过可以如此来解释，即可能存在一个或多个干扰电弧、即干扰电弧事件。积分阈值的超过根据现有技术导致触发相应的保护开关，该保护开关由用于探测干扰电弧事件的相应装置来控制或由该装置所包含。 

对应于本发明，扩展了根据图2的触发机制。尤其是应当检查也低于阈值S3的积分信号Int1，使得能够提前识别是否由于非常短的或非常少的偶然的干扰电弧——这些干扰电弧没有达到阈值S3——而产生材料损害。在图2上部为此示出积分器值Int1的另一变化曲线。该变化曲线没有达到阈值S3（100%）。但该变化曲线在时刻t₁₀超过了第二积分阈值S4。该第二积分阈值S4在此为第一积分阈值S3的50%。但该第二积分阈值也可以是另一值，并优选地处于第一积分阈值S3的30%至70%的范围中。 

在超过该第二积分阈值S4之后，例如干扰电弧熄灭，并且积分值或相应的计数器值递减，使得该积分值Int1连续地下降到零。在此该积分值低于第三积分阈值S5，该第三积分阈值在此为第一积分阈值S3的10%。优选地，该第三积分阈值S5低于该第一积分阈值的20%。 

积分值Int1下降到第三积分阈值S5之下对于偶然的干扰电弧是典型的。因而在此所利用的事实是，积分值Int1首先超过第二积分阈值S4，并然后在时刻t₁₁下降到第三积分阈值S5之下。 

接着该积分值Int1再次超过第二积分值S4。但通过信号分析确定了，积分值的上升是由干扰负载引起的。因此生成复位信号r，该复位信号在图2中在中间示出。通过该复位信号r该积分器被复位，并且积分阈值Int1获得值零。 

现在采用第二积分器或计数器，以对偶然的干扰电弧进行计数并将其作为干扰电弧事件来探测。偶然的干扰电弧的特征例如在于，第一积分值Int1超过第二积分阈值S4（50%），并在干扰电弧熄灭之后较长时间内不出现另外的电弧，使得积分值Int1刚好下降到第三积分阈值S5（10%）以下。为了能够对此进行计数，存在两种可能。一方面，如果第一积分值Int1再次低于下面的阈值S5，那么计数器（Int2）才可以递增。于是在图2的示例中在时刻t₁₁才进行递增。根据第二变型，在超过第二积分阈值S4（50%）的时刻、在此在时刻t₁₀就暂时已经进行了递增。但最终，如果第一积分值Int1下降到10%阈值以下，那么该计数器或该第二积分器在时刻t₁₁才保持递增。 

图2中的积分函数Int1接着再次上升，并在时刻t₁₁超过第二积分阈值S4。该计数器值或第二积分值Int2因此暂时再次递增。但在交流电网中所实施的信号分析得出，积分值Int1上升的原因是干扰负载。因此在时刻t₁₃生成复位信号r，在此为短的脉冲。由于该复位信号r，不仅第一积分值Int1被设置为零，而且第二积分值Int2也递减了一个计数单位。 

如果如在时刻t₁₀出现了多个干扰电弧事件，那么该计数器或第二积分器会随着每个这种事件而递增，并且积分值Int2会超过该计数器阈值S6。于是，超过计数器阈值S6是判断存在干扰电弧事件的基础。多个短的或偶然的干扰电弧从而导致关键性的“干扰电弧事件”。通过判断存在干扰电弧事件，就认为探测到该干扰电弧事件。相应的探测信息可以被用于触发保护开关。 

下面更详细地来解释一个实施例。基础是根据专利文件US 5 729 145 A的用于干扰电弧的检测算法。该检测算法可以以硬件以及以软件来实现。在每次检测到干扰电弧时，积分器就改变它的值（参见图1）。如果积分器或相应的积分阈值Int1达到了触发阈（阈值S3），那么为此而设置的装置就将该耗电器与电网分离。为了达到该阈值，需要稳定燃烧的干扰电弧。如果该算法识别到不是涉及干扰电弧，而是涉及干扰耗电器（干扰负载），那么积分值Int1就被复位到起始值（参见图2）。 

对于对偶然出现的电弧故障的探测，现在使用另一积分器或计数器。如果第一积分值Int1在具体的示例中超过50%阈值（S4）并接着下降到10%阈值（S5）以下，那么该计数器或积分值Int2就递增。用于形成第一积分值Int1的第一积分器可以作为简单的计数器来实现，该计数器以固定地预先给定的时钟来递增，这对应于时间积分。阈值S4和S5以及递增的大小可以按照需要来定义。 

如果第一积分器被复位（在干扰负载的情况下）或者超过确定的时间间隔，那么第二积分器或计数器就递减。递减的时间间隔尤其可以根据第二积分值Int2来确定。如果积分值Int2例如高于第四积分阈值S6的30%，那么就例如在时间t₃₀之后进行递减。如果值Int2高于S6的50%，那么在时间t₅₀之后进行递减。如果值Int2高于S6的80%，那么在时间t₈₀之后进行递减。对于时间间隔t₃₀、t₅₀和t₈₀，在此例如有：t₃₀>t₅₀>t₈₀。 

如果第一积分值Int1被复位，则用于时间递减的递减大小可以选择得与递减的大小不同。 

如果达到或超过了该触发阈S6，那么就可以利用该信息来控制显示装置或例如继电器。对偶然的干扰电弧的识别从而可以与显示器（例如LED）组合。也即如果不希望立即断开该电网，那么这可以用作预警可能。 

利用本发明的对偶然出现的干扰电弧的探测，可以在早期在其形成阶段就识别并断开干扰电弧故障。由于电气布线中的故障而引起的许多火灾从而就可以被避免。在不希望立即断开电网的特殊情况下——这尤其在工业中是重要的，就可以可选地控制相应的显示装置或者内部或外部继电器。然后可以在合适的时刻来实施可能的报警动作。 

附图标记列表 

1     电流变化曲线

2      边缘

3      半波

Int1    积分函数

Int2    积分值

r       复位信号

S1      阈值

S2      噪声功率阈值

S3-S5   积分阈值

S6      计数器阈值

t        时间

t₁-t₈     时间段

t₁₀,t₁₁     时刻

t₃₀,t₅₀,t₈₀   时间间隔

P_N         噪声功率。

Claims (10)

1.用于通过如下步骤来探测交流电网中的干扰电弧事件的方法

- 检测所述交流电网中的当前的噪声功率（P_N），

- 检测所述交流电网中的电流强度（I）的幅度，

- 如果电流强度的当前幅度超过预定的电流强度阈值（S1）并且当前的噪声功率超过功率阈值（S2），则提高与时间有关的积分（Int1），

- 如果所述幅度没有超过预定的电流强度阈值（S1）和/或当前的噪声功率没有超过功率阈值（S2），则降低与时间有关的积分（Int1），以及

- 如果所述积分（Int1）超过预先给定的第一积分阈值（S3），则判断存在干扰电弧事件，

其特征在于，

- 仅在所述积分（int1）首先超过低于第一积分阈值（S3）的第二积分阈值（S4）并接着低于比第二积分阈值（S4）低的第三积分阈值（S5）时，才对计数器（Int2）进行递增，以及

- 如果所述计数器（Int2）的值超过预先给定的计数器阈值（S6），则判断存在另一干扰电弧事件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二积分阈值（S4）处于所述第一积分阈值（S3）的30%和70%之间的范围中。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第三积分阈值（S5）低于所述第一积分阈值（S3）的20%。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中以不同的速度来进行所述积分（Int1）的提高和降低。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中在干扰负载方面对所述交流电网中的信号进行分析，并在探测到干扰负载的情况下所述积分（Int1）被设置到预先给定的值、尤其是零。

6.根据权利要求5所述的方法，其中如果所述积分（Int1）被设置到预先给定的值，则对所述计数器（Int2）进行递减。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中在预先给定的时间间隔之后对所述计数器（Int2）进行递减。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述时间间隔与所述计数器（Int2）的当前值有关。

9.用于通过根据前述权利要求之一的探测干扰电弧事件来驱动保护开关并且在探测到干扰电弧事件的情况下触发保护开关或输出报警信号的方法。

10.用于探测交流电网中的干扰电弧事件的装置，具有

- 用于检测交流电网中的当前的噪声功率（P_N）的功率测量装置，

- 用于检测交流电网中的电流强度（I）的幅度的电流测量装置，

- 积分装置，用于在电流强度的当前幅度超过预定的电流强度阈值（S1）并且当前的噪声功率超过功率阈值（S2）时提高与时间有关的积分（Int1），以及用于在所述幅度没有超过预定的电流强度阈值（S1）和/或当前的噪声功率没有超过功率阈值（S2）时降低与时间有关的积分（Int1），以及

- 逻辑装置，用于在所述积分（Int1）超过预先给定的第一积分阈值（S3）时判断存在干扰电弧事件，

其特征在于，

- 计数器装置，用于仅在所述积分（Int1）首先超过低于第一积分阈值（S3）的第二积分阈值（S4）并接着低于比第二积分阈值（S4）低的第三积分阈值（S5）时对计数器值（Int2）进行递增，其中

- 在所述计数器（Int2）的值超过预先给定的计数器阈值（S6）时，利用所述逻辑装置来判断存在另一干扰电弧事件。

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