CN104685747A - 直流电弧故障检测器和电路断续器以及检测直流电力电路中的电弧的方法 - Google Patents

直流电弧故障检测器和电路断续器以及检测直流电力电路中的电弧的方法 Download PDF

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Abstract

一种直流(DC)电弧故障检测器(4)，包括：感测在直流电力电路中流动的电流的交流(AC)成分的第一电流传感器(10)；感测所述电流的直流成分的第二电流传感器(12)；以及对所感测的交流成分滤波的带通滤波器(14)。解调对数放大器(16)包括具有滤波后的交流成分(15)的输入端(18)，以及输出端(20)。积分器或最小检测器(22)包括连接到放大器输出端的输入端(24)，以及输出端(26)。处理器(28)重复地输入(64)并且然后重置(66)所述积分器或最小检测器输出端，并且当发生如下情况达预定时间时确定(70；82；94)电弧：所感测的直流成分大于第一预定值，以及所述积分器或最小检测器输出端的当前值比所述输出端的先前值大第二预定值以上或与所述先前值相差第二预定值以上，或者所述当前值大于第三预定值。

Description

直流电弧故障检测器和电路断续器以及检测直流电力电路中的电弧的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年9月28日提交的美国专利申请序列号13/629,714的优先权并要求其权益，其通过引用并入本文。
技术领域
本公开概念一般涉及直流(DC)电路断续器，并且更具体地，涉及DC电弧故障电路断续器。本公开概念还涉及DC故障检测器。本公开概念还涉及检测DC电力电路中的电弧的方法。
背景技术
当在电力系统中出现有害电弧时，它产生通过电力系统导体传播的宽频带电噪声。大部分电弧故障检测器(AFD)的工作方式为：监视电力电路中的宽频带噪声，并且如果宽频带噪声符合电弧的预期信号特性，则导致跳闸。
美国专利号8,089,737公开了交流(AC)电弧故障电路断续器(AFCI)，该AFCI包括可分离触点、操作机构和电弧故障检测器，所述操作机构用于断开和闭合所述可分离触点，并且所述电弧故障检测器用于检测与所述可分离触点在操作上关联的电弧故障条件。所述电弧故障检测器包括调节的电流传感器和诸如解调对数放大器的压缩电路，所述调节的电流传感器用于感测流过所述可分离触点的AC电流的宽频带噪声，所述压缩电路包括具有来自调节的电流传感器的所感测的宽频带噪声的输入，以及输出。所述压缩电路压缩所感测的宽频带噪声的动态范围。最小检测器包括输入和输出，该输入为压缩电路输出，并且该输出为最小检测器输入的最小值。处理器包括多个输入和输出。其中一个输入是最小检测器的最小值输出。响应于检测的电弧故障条件，跳闸机构配合处理器输出和操作机构以跳闸断开所述可分离触点。
太阳能电池板(例如，但不限于，相对较大的光电二极管的集合)是无源器件，并且通常在生成电力时不产生宽频带噪声。在太阳能电力系统中，逆变器用于将由光伏(PV)阵列生成的直流(DC)电力变换成类似于由常规电气设施所分配的AC电力。当逆变器内的功率器件改变状态时，逆变器趋于产生宽频带噪声的离散突发。因为在逆变器中耗散的电力的较大成分直接与逆变器开关开启和关闭时间的持续时间成比例，通常最小化该切换时间。
在另一方面，一旦触发，电弧趋于无限地传导。在太阳能电力系统中尤其如此，在该系统中，可用的电压(其可以是数百伏直流电压)通常远大于维持电弧所需的最小电压(例如，大约30到70VDC)，并且在该系统中，不存在如AC电力系统的电压“过零”。
因此，DC电弧故障检测器需要精确地区分由逆变器产生的相对较短持续时间的噪声突发(正常情况)与由电弧故障产生的连续的、相对较长持续时间的噪声(极其罕见的情况)。
另一个难点是由特定逆变器产生的噪声突发可能在幅度上远高于由电弧故障造成的连续噪声。
更进一步挑战是将由电弧故障产生的噪声与可从辐射源耦合到PV阵列中或从逆变器的AC侧漏入PV阵列中的寄生信号正确地区分开。
在用于直流电力电路的电弧故障检测器中存在改进余地。
在用于直流电力电路的电弧故障电路断续器中也存在改进余地。
在检测直流电力电路中的电弧的方法中仍进一步存在改进余地。
发明内容
通过本公开概念的实施例可满足这些或其它需要，其中带通滤波器对在直流电力电路中流动的电流的所感测的交流成分进行滤波；解调对数放大器包括具有在所述直流电力电路中流动的电流的滤波后的交流成分的输入端，以及输出端；积分器或最小检测器电路包括电连接到所述解调对数放大器的所述输出端的输入端，以及输出端；以及处理器：(i)重复地输入并且然后重置所述积分器或最小检测器电路的输出端，并且(ii)当发生如下情况达预定时间时确定在所述直流电力电路中存在电弧：(a)在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的直流成分大于第一预定值，以及(b)所述积分器或最小检测器电路的输出端的当前值比所述积分器或最小检测器电路的输出端的先前值大第二预定值以上或与所述先前值相差所述第二预定值以上，或者所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值大于第三预定值。
依照本公开概念的一个方面，一种直流电弧故障检测器用于直流电力电路，所述直流电力电路具有在其中流动的电流。所述直流电弧故障检测器包括：第一电流传感器，其被构造为感测在所述直流电力电路中流动的电流的交流成分；第二电流传感器，其被构造为感测在所述直流电力电路中流动的电流的直流成分；带通滤波器，其被构造为对在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的交流成分进行滤波；解调对数放大器，其包括具有在所述直流电力电路中流动的电流的滤波后的交流成分的输入端，以及输出端；积分器或最小检测器电路，其包括电连接到所述解调对数放大器的所述输出端的输入端，以及输出端；以及处理器，其被构造为：(i)重复地输入并且然后重置所述积分器或最小检测器电路的输出端，以及(ii)当发生如下情况达预定时间时确定在所述直流电力电路中存在电弧：(a)在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的直流成分大于第一预定值，以及(b)所述积分器或最小检测器电路的输出端的当前值比所述积分器或最小检测器电路的输出端的先前值大第二预定值以上或与所述先前值相差所述第二预定值以上，或者所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值大于第三预定值。
作为本公开概念的另一个方面，一种直流电弧故障电路断续器用于直流电力电路，所述直流电力电路具有在其中流动的电流。所述直流电弧故障电路断续器包括：可分离触点，其可与所述直流电力电路串联电连接；操作机构，其被构造为断开和闭合所述可分离触点；第一电流传感器，其被构造为感测在所述直流电力电路中流动的电流的交流成分；第二电流传感器，其被构造为感测在所述直流电力电路中流动的电流的直流成分；带通滤波器，其被构造为对在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的交流成分进行滤波；解调对数放大器，其包括具有在所述直流电力电路中流动的电流的滤波后的交流成分的输入端，以及输出端；积分器或最小检测器电路，其包括电连接到所述解调对数放大器的所述输出端的输入端，以及输出端；以及处理器，其被构造为：(i)重复地输入并且然后重置所述积分器或最小检测器电路的输出端，并且(ii)当发生如下情况达预定时间时确定在所述直流电力电路中存在电弧：(a)在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的直流成分大于第一预定值，以及(b)所述积分器或最小检测器电路的输出端的当前值比所述积分器或最小检测器电路的输出端的先前值大第二预定值以上或与所述先前值相差所述第二预定值以上，或者所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值大于第三预定值，其中所述处理器包括例程和输出端，所述例程和输出端被构造为响应于如下项而导致所述操作机构跳闸断开所述可分离触点：(i)当发生如下情况时递增电弧故障累加器：(a)所述积分器或最小检测器电路的输出端的当前值比所述积分器或最小检测器电路的输出端的先前值大第二预定值以上或与所述先前值相差所述第二预定值以上，或者(b)所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值大于第三预定值达预定时间，否则递减所述电弧故障累加器，以及(ii)确定所述电弧故障累加器大于第四预定值，并响应地设定所述处理器的输出端以导致所述操作机构跳闸断开所述可分离触点。
作为本公开概念的又一个方面，一种检测在其中具有流动电流的直流电力电路中的电弧的方法包括：感测在所述直流电力电路中流动的电流的交流成分；感测在所述直流电力电路中流动的电流的直流成分；对在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的交流成分进行带通滤波；提供与在所述直流电力电路中流动的电流的带通滤波后的交流成分的包络的对数成比例的值；对所述值求积分以提供积分值；以及重复地输入并且然后重置所述积分值；当发生如下情况达预定时间时确定在所述直流电力电路中存在电弧：(a)在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的直流成分大于第一预定值，以及(b)所述积分值的当前值比所述积分值的先前值大第二预定值以上或与所述先前值相差所述第二预定值以上，或者所述积分值的所述当前值大于第三预定值。
附图说明
当结合附图阅读时，可以从如下优选实施例的描述中获得本公开概念的完全理解，其中：
图1是依照本公开概念的实施例的电弧故障电路断续器的示意形式的框图；
图2是由逆变器产生的周期性噪声突发和由电弧产生的连续噪声的绘图；
图3A和图3B1-3B2是由图1的处理器执行的例程的流程图；
图4和图5是由图3B1-3B2的例程响应于第一类型的直流(DC)电弧所采用的模拟和数字变量的绘图；
图6和图7是由图3B1-3B2的例程响应于第二类型的DC电弧所采用的模拟和数字变量的绘图。
具体实施方式
如在本文中采用的，术语“数个”将意为一或大于一的整数(即多个)。
如在本文中采用的，术语“处理器”将意为可存储、检索并处理数据的可编程模拟和/或数字器件；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；主机计算机；小型计算机；服务器；联网的处理器；或任何适合的处理器件或装置。
如在本文中采用的，两个或更多个部分“连接”或“耦接”在一起的陈述将意为所述部分或直接地或通过一个或多个中间部分接合在一起。而且，如在本文中采用的，两个或更多个部分附接的陈述将意为所述部分直接地接合在一起。
本公开概念结合单极电弧故障检测器和电路断续器来描述，然而本公开概念适用于具有任意个极的广泛的电弧故障电路断续器。
图1示出包括直流(DC)电弧故障检测器4的电弧故障电路断续器2，该DC电弧故障检测器4用于在其中有电流8流动的DC电力电路6。DC电弧故障检测器4包括诸如示例电流互感器(CT)10的第一电流传感器和诸如示例霍尔效应传感器12的第二电流传感器，该第一传感器被构造为感测在DC电力电路6中流动的电流8中的AC成分(例如，但不限于，逆变器噪声；电弧故障电流)，并且第二电流传感器被构造为感测电流8中的DC成分。带通滤波器14被构造为对电流8中的所感测的AC成分滤波。解调对数放大器(对数放大器16)包括具有电流8的滤波后的AC成分(滤波后的信号15)的输入端18以及输出端20。积分器或最小检测器电路22包括电连接到解调对数放大器16的输出端20的输入端24以及输出端26。
如将结合图3B1-3B2更详细地说明，诸如示例微控制器28的处理器被构造为：(i)重复地输入，并且然后重置积分器或最小检测器电路22的输出端26，以及(ii)当发生如下情况达预定时间时，确定在DC电力电路6中存在电弧30(例如，但不限于，一系列DC电弧)：(a)电流8的所感测的DC成分(模拟信号47)大于第一预定值，以及(b)积分器或最小检测器电路22的输出端26的当前值与积分器或最小检测器电路22的输出端26的先前值相差第二预定值以上，或积分器或最小检测电路22的输出端26的当前值大于第三预定值。
例如但不限于，带通滤波器14具有大约10.7MHz的中心频率以及大约280kHz的通带。
备选地，第二电流传感器12可以是电阻器，该电阻器与DC电力电路6中的光伏阵列(未示出)串联电连接。
除了DC电弧故障检测器4，DC电弧故障电路断续器2还包括可分离触点32和诸如示例跳闸线圈34的操作机构，该可分离触点32与DC电力电路6串联电连接，并且该操作机构被构造为断开或闭合可分离触点32。
微控制器28包括两个示例数字输出端36、37。数字输出端36指示电弧故障30的存在，微控制器28响应于例程38(图3B1-3B2)激活该数字输出端36以对跳闸线圈34供电，并且导致可分离触点32断开。另一个数字输出端37用于控制积分器或最小检测器电路22的重置输入端40。微控制器28还包括两个示例模拟到数字(A/D)输入端42、44。A/D输入端42输入积分器或最小检测器电路22的输出端26，并且将根据模拟信号45产生的数字值提供给例程38。另一个A/D输入端44输入DC电流传感器12的输出端46，并且将根据模拟信号47产生的数字值提供给例程38。
示例1
可采用DC电弧故障检测器4用于光伏(PV)应用。如图1所示，使用诸如示例CT10之类的适当的电流传感器感测电流8的AC成分。相对窄的带通滤波器14对CT10的输出进行滤波，以便允许通过相对窄频带的原始高频谱。带通滤波器14的功能是深度衰减大部分信号谱，并且理想地消除来自辐射源的耦合到PV阵列(未示出)的噪声。其次，解耦对数放大器(对数放大器)16输入滤波后的信号15。例如，对数放大器16包括数个级联的、可饱和的增益级(未示出)。对于输入的滤波后的信号15的给定倍增，该配置提供固定的电压变化。对对数放大器16的输出20进行滤波，并且最终结果是与输入信号15的包络的对数成比例的输出信号21。简言之，输入电路的功能是，当在PV阵列中没有电噪声时，对数放大器16的输出20是低，而当在PV阵列中存在处在滤波器14通带内的电噪声时，对数放大器输出20上升。其次，积分器或最小检测器电路22输入对数放大器输出20，微控制器28读取输出26的模拟信号45的电压，并且然后周期性地将其重置。
示例2
图2示出由逆变器(未示出)切换产生的周期性非连续噪声突发50与由电弧(未示出，但参见图1的电弧30)产生的连续噪声51的绘图，其中在52处出现该电弧。绘图53(LogHF)示出噪声50、51的AC成分的对数。
其工作原理为：由逆变器切换产生的相对短的噪声突发将不会显著增加由积分器或最小检测器电路22输出的模拟信号45的电压，而由连续燃弧导致的典型噪声使模拟信号45的电压增加到更大的程度。模拟信号45的相对低电平的电压指示无燃弧，而相对较高电平的电压指示燃弧。
本公开概念区分由逆变器(未示出)产生的周期性噪声突发50与由电弧产生的连续噪声51。如将结合图3B1-3B2讨论的，微计算机28对图1的输出26采样，并确定在DC电力电路6(例如，但不限于，作为PV阵列(未示出)的一部分)中是否正出现电弧，例如电弧30。在非燃弧状况期间，输出端26的模拟信号45取决于DC AFD电路4(其可能随着不同的器件而变化)的净增益，以及特定PV阵列和逆变器的特性。因此，对于特定系统在“无燃弧”情况下确定“基线”输出电平被认为是困难的。克服该问题的一个方式是尝试测量“无燃弧”基线。如果PV阵列正在工作并且不存在燃弧，则这些条件建立处于一定电平的输出端26的值。如果出现电弧，则输出端26的值将增加。微控制器28可保持过去输出值的记录，并且然后通过将过去的输出值与更近的值相比较并通过寻找阶跃增长或其它改变来检测潜在电弧。如将讨论的，三个示例DC AFD算法中的两个以该方式工作，如以下所讨论的。
如果PV系统启动形成电弧，则没有机会建立初始无电弧的“基线”。因为仍必须检测电弧，第三个示例DC AFD算法将输出端26的值与预定值相比较。如果输出端26的多个采样超过预定值，则微控制器28假定正产生电弧，并且响应性地导致可分离触点32跳闸断开。
图3A和图3B1-3B2是由图1的微控制器28执行的例程48、38的流程图。图3A的主例程48在54处开始。其次，在55处，初始化微控制器硬件配置寄存器。然后，在56处，通过清除所有RAM位置(未示出)的内容来初始化RAM变量。其次，在57处，初始化中断。然后，在58处，执行主循环。在等待中断发生时步骤60不执行任何操作。
参照图3B1-3B2，中断例程38在62处开始。然后在64处，通过转换和读取图1的输出端26的模拟信号45来采集高频检测器电路的输出。其次，在66处，通过短暂地激活数字输出37来重置高频积分器或最小检测器电路22。然后，在68处，通过转换和读取模拟信号47来采集来自DC电流传感器12的DC电流。
其次，在70处，执行第一短延时差算法。然后，在72处，确定DC电流是否大于预定值(例如，但不限于2ADC；任何适当值)，以及图1的输出端26的转换后的模拟信号45是否大于预定量(例如，但不限于，任何适当值；根据经验确定的值)，该预定量与预定时间(例如，但不限于，大约20毫秒；任何适当时间)以前的不同(即，正差值或负差值)。
例如，但不限于，对于对数放大器16，输出端20的电压表示电流的倍增，例如电流8的所感测的AC成分的2.1倍。因为预计感测的AC成分是在被感测的频率带宽上的白噪声，根据该感测的AC成分生成的结果电压几乎没有意义。最终地，AC电流传感器10、带通滤波器14、对数放大器16以及积分器或最小检测器电路22的增益均对总体系统增益做出贡献。如果电流8例如从10nA/sqrt(Hz)改变到21nA/sqrt(Hz)或者从1.0nA/sqrt(Hz)改变到2.1nA/sqrt(Hz)，则在这两个情况中输出端20将产生相同的电压差量(delta)。在这两个情形中，例程38将以相同的方式做出反应，并且不响应绝对电流电平。例程38响应在输出20端处的变化，其中该变化等效于输入电流8的倍增。
在72处如果是，则在74处递增累加器(例如，但不限于，“短存储区(Short bucket)”)。否则，在76处递减“短存储区”(除非或直到它为0)。其次，在78处，确定“短存储区”是否大于预定“短跳闸阈值”(例如，但不限于，任何适当值)。
例如，但不限于，“短存储区”从0开始。对于满足短延时差条件的每个采样，将“短存储区”递增5，而对于不满足短延时差条件的每个采样，将“短存储区”递减1(除非是0)。如果“短存储区”大于为500的示例“短跳闸阈值”，则发出跳闸请求。每2毫秒执行短延时差算法，所以短延时差最小跳闸时间(每隔5计数到500)是100个采样乘以每个采样2毫秒，或200毫秒。在该示例以及如下两个示例中，建立算法、跳闸阈值和采样以致：(1)跳闸时间足够短，以便以充足裕度满足UL1699B所需的800毫秒电弧清除时间；并且(2)足够长，使得不是电弧的短时段寄生噪声事件不产生“不期望的跳闸”。即，一旦触发电弧，其会无限期地持续。因此，如果发生不持续的噪声事件，则推测它不是电弧，并且将不发出跳闸请求。如果在78处测试通过，则在80处，经由跳闸数字输出36设定跳闸信号。如在下文将结合图6和图7所讨论的，递增累加器或“短存储区”对应于图1的电流8的滤波后的AC成分在出现电弧30期间具有显著波动。
另一方面，如果在78处测试失败，则在82处运行第二长延时差算法。在84处，确定DC电流是否大于预定值(例如，但不限于2ADC；任何适当值)，以及图1的输出端26的转换后的模拟信号45是否超过预定量(例如，但不限于，任何适当值；根据经验确定的值；某种程度类似于步骤72，电流的对应倍增是4.2倍)，该预定量比预定时间(例如，但不限于，大约1秒；充分大于步骤27的时间的任何适当时间)以前的大。如果是，则在86处递增累加器(例如，但不限于，“长存储区(Long bucket)”)。否则，在88处递减“长存储区”(除非或直到它为0)。其次，在90处确定“长存储区”是否大于预定“长跳闸阈值”(例如，但不限于，任何适当值)。
例如，但不限于，“长存储区”从0开始。对于满足长延时差条件的每个采样，将“长存储区”递增2，而对于不满足长延时差条件的每个采样，将“长存储区”递减1(除非是0)。如果“长存储器”大于为150的“长跳闸阈值”，则发出跳闸请求。每2毫秒执行长延时差算法，因此最小长延时差跳闸时间(每隔2计数到150)是75个采样乘以每个采样2毫秒，或150毫秒。如果在90处测试通过，则在92处，经由跳闸数字输出36设定跳闸信号。如在下文将结合图4和图5所讨论的，递增累加器或“长存储器”对应于图1的电流8的滤波后的AC成分在出现电弧30期间具有阶跃变化。
另一方面，如果在90处测试失败，则在94处运行第三算法。在96处，确定DC电流是否大于预定值(例如，但不限于2ADC；任何适当值)，以及图1的输出端26的转换后的模拟信号45是否超过预定值(例如，但不限于，15nA/sqrt(Hz)；任何适当值)。如果是，则在98处递增累加器(例如，但不限于，“电流及高频存储区”)。否则，在100处递减“电流及高频存储区”(除非或直到它为0)。其次，在102处确定“电流及高频存储区”是否大于预定“电流及高频跳闸阈值”(例如，但不限于，任何适当值)。
例如，但不限于，“电流及高频存储区”从0开始。如果满足“电流及高频”条件，将“电流及高频存储区”递增2；否则，递减1，除非该存储器是0。如果“电流及高频存储区”的值超过为100的“电流及高频跳闸阈值”，则发出跳闸请求。三个示例算法均每2毫秒执行一次，所以对于“电流及高频”算法的最小跳闸时间(即，每隔2从0计数到100)是50乘以2毫秒，或100毫秒。如果在102处测试通过，则在104处，经由跳闸数字输出36设定跳闸信号。否则，在108处结束中断例程38之前，在106处建立下一个中断。
在微控制器28可能会导致跳闸之前，图3B1-3B2的三个示例DC AFD算法均检查存在于受保护DC电力电路6中的最小DC电流。
示例3
可通过任何适当电流传感器来感测图1的电流8(例如，但不限于，PV阵列电流)，方式为：例如，但不限于，测量与PV阵列(未示出，但参见DC电力电路6)串联电连接的电阻器(示出为图1的DC电流传感器12)两端的电压。
示例4
按照UL 1699B执行DC电弧测试。在这些电弧测试期间，测试图3B1-3B2的第一DC AFD算法70(短延时差算法)和第二DC AFD算法82(长延时差算法)并观察各种数据。
UL 1699B指定最坏情况跳闸时间，即必须在800毫秒内检测并中断DC电弧。因此，最初800毫秒的数据在下列测试数据中是受关注的。结果，图3B1-3B2的中断例程38被构造为在800毫秒或更少时间以内检测并中断电弧30。
在DC电弧故障测试期间，观察到两个主要趋势：(1)电弧30可按相对稳定的方式触发，使得在图1的输出端26的模拟信号45中造成“阶跃变化”。初始地在没有电弧时，存在“噪声底部(noise floor)”，随后在输出端26响应由电弧30产生的连续噪声时，存在显著较高的平均信号电平；以及(2)电弧30可按不稳定的方式触发，造成输出端26的模拟信号45“很宽地波动”，这清楚地区别于噪声底部，并且虽然其方式不同于第一趋势的“阶跃变化”，但也可用于检测电弧30。
此外，DC电弧故障测试显示如上所讨论的两个趋势的变化。例如，积分器或最小检测器电路22对电弧30的响应可能开始看起来如在第一趋势中一样稳定，并且然后退化成第二趋势的噪声，或者可能开始看起来如在第二趋势中一样不稳定，并且然后发展成稳定类型的第一趋势。
第一短延时差DC AFD算法70和第二长延时差DC AFD算法82如以下那样工作。DC AFD算法70解决第二类型的电弧故障，在该第二类型的电弧故障中，当DC电弧故障发生时，图1的输出端26的模拟信号45很宽地波动。第二长延时差DC AFD算法82解决第一类型的电弧故障，在该第一类型的电弧故障中，当DC电弧故障发生时，图1的输出端26的模拟信号45引起阶跃增加。最后，如果DC电弧故障检测器4或PV系统启动形成电弧，则不存在建立初始无电弧“基线”的机会。因为仍必须检测电弧30，所以第三示例DC AFD算法94将输出26端的模拟信号45的转换后的值与适当预定值相比较。
如果示例DC电力电路6对逆变器(未示出)供电，则由切换逆变器产生的噪声不显著增加积分器或最小检测器电路22的输出端26的模拟信号45的值。否则，如果电弧30是连续电弧，则这导致积分器或最小检测器电路22的输出端26的模拟信号45显著增加。
示例5
图4和图5是响应于第一类型(“阶跃变化”)的DC电弧由图1的微计算机28采用的模拟和数字变量的绘图。在图4和图5的示例中，第一类型电弧故障通过图3B1-3B2的第二长延时差算法82来导致跳闸。
图4-7的绘图示出：(1)积分器或最小检测器电路22的输出端26的模拟信号45(LogHF)；(2)短延时版本的模拟信号45(短延时后的HF)；(3)模拟信号45与短延时版本的模拟信号45之间的差(短差量)，以及对应的阈值(短阈值)；(4)“短存储区”和对应的短延时阈值(短跳闸阈值)；(5)长延时版本的模拟信号45(长延时后的HF)；(6)模拟信号45与长延时版本的模拟信号45之间的差(长差量)，以及对应的阈值(长阈值)；以及(7)“长存储区”以及对应的长延时阈值(长跳闸阈值)。
在图4中，在110处存在长延时跳闸，并且在图5中，在112处存在长延时跳闸。
示例6
图6和图7是响应于第二类型(“很宽地波动”)的DC电弧由图1的微计算机28采用的模拟和数字变量的绘图。在图6和图7的示例中，第二类型电弧故障通过图3B1的第一短延时差算法70来导致跳闸。
在图6中，在114处存在短延时跳闸，在图7中，在116处存在短延时跳闸。
虽然公开了可分离触点32，可采用适当的固态可分离触点。例如，本公开的电弧故障电路断续器2包括适当的电路断续器机构，例如通过操作机构34断开和闭合的可分离触点32，然而本公开概念适用于广泛的电路中断机构(例如，但不限于，如FET或IGBT器件的固态开关；接触器触点)和/或基于固态的控制/保护器件(例如，但不限于，驱动器；软启动器；DC/DC变换器)和/或操作机构(例如，但不限于，电气、机电或机械机构)。
作为另一个非限制性备选方案，通过关闭将PV阵列连接到公共电力网络的下游逆变器，可中断来自太阳能电池阵列(例如，PV阵列)的电弧故障电流。
虽然已经详细描述了本公开概念的特定实施例，本领域技术人员将理解的是，根据本公开的总体教导可产生对这些细节的修改和变更。因此，公开的具体布置仅意为示例性，并不作为对本公开概念范围的限制，所附权利要求及其任何和全部等效物的完整幅度给出本公开概念的范围。

Claims (15)

1.一种直流电弧故障检测器(4)，其用于直流电力电路(6)，所述直流电力电路(6)具有在其中流动的电流(8)，所述直流电弧故障检测器包括：
第一电流传感器(10)，其被构造为感测在所述直流电力电路中流动的电流的交流成分；
第二电流传感器(12)，其被构造为感测在所述直流电力电路中流动的电流的直流成分；
带通滤波器(14)，其被构造为对在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的交流成分进行滤波；
解调对数放大器(16)，其包括具有在所述直流电力电路中流动的电流的滤波后的交流成分(15)的输入端(18)，以及输出端(20)；
积分器或最小检测器电路(22)，其包括电连接到所述解调对数放大器的所述输出端的输入端(24)，以及输出端(26)；以及
处理器(28)，其被构造(38)为：(i)重复地输入(64)并且然后重置(66)所述积分器或最小检测器电路的输出端，以及(ii)当发生如下情况达预定时间时确定(70；82；94)在所述直流电力电路中存在电弧：(a)在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的直流成分大于第一预定值，以及(b)所述积分器或最小检测器电路的输出端的当前值比所述积分器或最小检测器电路的输出端的先前值大第二预定值以上或与所述先前值相差所述第二预定值以上，或者所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值大于第三预定值。
2.如权利要求1所述的直流电弧故障检测器(4)，其中在所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值与所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述先前值之间的预定时间是大约20毫秒或大约1秒。
3.如权利要求1所述的直流电弧故障检测器(4)，其中所述处理器还包括例程(38)和输出端(36)，所述例程(38)和所述输出端(36)被构造为响应于如下项而指示所述直流电力电路中的所述电弧：(i)当所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值与所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述先前值相差所述第二预定值以上时，递增(74；86)电弧故障累加器，否则递减(76；88)所述电弧故障累加器，以及(ii)确定(78；90)所述电弧故障累加器大于第四预定值，并响应地设定(80；92)所述处理器的输出端。
4.如权利要求1所述的直流电弧故障检测器(4)，其中所述处理器还包括例程(38)和输出端(36)，所述例程(38)和所述输出端(36)被构造为响应于如下项而指示所述直流电力电路中的所述电弧：(i)当所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值与所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述先前值相差所述第二预定值以上，并且在所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值与所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述先前值之间是第一预定时间时，递增(74)第一电弧故障累加器，否则递减(76)所述第一电弧故障累加器，以及(ii)确定(78)所述第一电弧故障累加器大于第四预定值并响应地设定(80)所述处理器的输出端；或者(iii)当所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值比所述积分器或最小检测器电路的输出端的另一个先前值大第五预定值以上，并且在所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值与所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述另一个先前值之间是长于所述第一预定时间的第二预定时间时，递增(86)第二电弧故障累加器，否则递减(88)所述第二电弧故障累加器，以及(iv)确定(90)所述第二电弧故障累加器大于第六预定值，并响应地设定(92)所述处理器的输出端。
5.如权利要求4所述的直流电弧故障检测器(4)，其中所述递增所述第一电弧故障累加器对应于在所述直流电力电路中流动的电流的滤波后的交流成分在所述电弧期间具有显著波动。
6.如权利要求4所述的直流电弧故障检测器(4)，其中所述递增所述第二电弧故障累加器对应于在所述直流电力电路中流动的电流的滤波后的交流成分在所述电弧期间具有阶跃变化。
7.如权利要求4所述的直流电弧故障检测器(4)，其中所述处理器的所述例程还被构造为响应于如下项而指示在所述直流电力电路中存在所述电弧：(i)确定(90)所述第二电弧故障累加器不大于所述第六预定值；(ii)响应地确定(96)所述积分器的输出端的所述当前值是否大于所述第三预定值，并且响应地递增(98)第三电弧故障累加器，否则递减(100)所述第三电弧故障累加器；以及(iii)确定(102)所述第三电弧故障累加器大于第七预定值，并响应地设定所述处理器的输出端(104)。
8.如权利要求1所述的直流电弧故障检测器(4)，其中所述直流电力电路对逆变器供电；并且其中由切换所述逆变器产生的噪声不显著增加所述积分器或最小检测器电路的输出端的电压。
9.如权利要求1所述的直流电弧故障检测器(4)，其中作为连续电弧的所述电弧导致所述积分器或最小检测器电路的输出端的电压显著增加。
10.如权利要求1所述的直流电弧故障检测器(4)，其中所述第二电流传感器是电阻器(12)，所述电阻器(12)与所述直流电力电路中的光伏阵列串联电连接。
11.一种直流电弧故障电路断续器(2)，其用于直流电力电路(6)，所述直流电力电路(6)具有在其中流动的电流(8)，所述直流电弧故障电路断续器包括：
可分离触点(32)，其与所述直流电力电路串联电连接；
操作机构(34)，其被构造为断开和闭合所述可分离触点；以及
权利要求1中的直流电弧故障检测器，
其中所述处理器包括例程(38)和输出端(36)，所述例程(38)和所述输出端(36)被构造为响应于如下项而导致所述操作机构跳闸断开所述可分离触点：(i)当发生如下情况时递增(74；86)电弧故障累加器：(a)所述积分器或最小检测器电路的输出端的当前值比所述积分器或最小检测器电路的输出端的先前值大第二预定值以上或与所述先前值相差所述第二预定值以上，或者(b)所述积分器或最小检测器电路的输出端的所述当前值大于第三预定值达预定时间，否则递减(76；88)所述电弧故障累加器，以及(ii)确定(78；90)所述电弧故障累加器大于第四预定值，并响应地设定(80；92)所述处理器的输出端以导致所述操作机构跳闸断开所述可分离触点。
12.如权利要求11所述的直流电弧故障电路断续器(2)，其中所述处理器还被构造为在800毫秒内检测并中断所述电弧。
13.一种检测直流电力电路(6)中的电弧(30)的方法，所述直流电力电路(6)具有在其中流动的电流(8)，所述方法包括：
感测(10)在所述直流电力电路中流动的电流的交流成分；
感测(12)在所述直流电力电路中流动的电流的直流成分；
对在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的交流成分进行带通滤波(14)；
提供与在所述直流电力电路中流动的电流的带通滤波后的交流成分(15)的包络的对数成比例的值(21)；
对所述值求积分(22)以提供积分值(45)；以及
重复地输入(64)并且然后重置(66)所述积分值；
当发生如下情况达预定时间时确定(70；82；94)在所述直流电力电路中存在电弧：(a)在所述直流电力电路中流动的电流的所感测的直流成分大于第一预定值，以及(b)所述积分值的当前值比所述积分值的先前值大第二预定值以上或与所述先前值相差所述第二预定值以上，或者所述积分值的所述当前值大于第三预定值。
14.如权利要求13所述的方法，所述方法还包括：
当所述积分值的所述当前值与所述积分值的所述先前值相差所述第二预定值以上时，递增(74；86)电弧故障累加器，否则递减(76；88)所述电弧故障累加器；以及
确定(78；90)所述电弧故障累加器大于第四预定值，并响应地指示(80；92)在所述直流电力电路中存在所述电弧。
15.如权利要求13所述的方法，所述方法还包括：
当所述积分值的所述当前值与所述积分值的所述先前值相差所述第二预定值以上，并且在所述积分值的所述当前值与所述积分值的所述先前值之间是第一预定时间时，递增(74)第一电弧故障累加器，否则递减(76)所述第一电弧故障累加器；以及
确定(84)所述第一电弧故障累加器大于第四预定值并响应地指示(80)在所述直流电力电路中存在所述电弧；或者
当所述积分值的所述当前值比所述积分值的另一个先前值大第五预定值以上，并且在所述积分值的所述当前值与所述积分值的所述另一个先前值之间是长于所述第一预定时间的第二预定时间时，递增(86)第二电弧故障累加器，否则递减(88)所述第二电弧故障累加器；以及
确定(90)所述第二电弧故障累加器大于第六预定值，并响应地指示(92)在所述直流电力电路中存在所述电弧。
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