CN105308812B - 上游并联电弧故障插座保护方法 - Google Patents

Abstract

公开一种电弧故障电路中断器(AFCI)插座，其检测并中断上游并联电弧故障。示例AFCI插座包括耦合在插座的线导体和中性导体之间的开关元件。插座还包括电压传感器和电流传感器。从感测出的电压降和未检测出对应的电流增加检测出并联上游电弧故障。在检测出电弧故障时，开关元件闭合并且电流流过相对较低电阻的开关元件从而中断流过电弧故障的电力。闭合的开关元件导致过流情况，从而引起上游常规热磁断路器跳闸。

Description

上游并联电弧故障插座保护方法

技术领域

本公开总体上涉及电气系统中的故障检测，以及更具体地，涉及通过在插座处的开关元件的上游电弧故障保护。

背景

传统断路器检测断路器下游的插座的过流条件。在从插入到下游插座中的一个插座中的负载检测到过流情况正在发生时，此类断路器跳闸。存在包括来自线路导体或中性导体的接地故障的其他的危险。接地故障需要检测和中断至插座的电力的接地故障电路中断器装置。另一种故障形式是在插座和断路器之间的中性线和/或导体线之间可能出现的电弧故障。住宅设置中逐渐需要以电弧故障电路中断器装置(AFCI)形式的防止电弧故障的保护。此类装置检测中性导体和/或线导体中的电弧并在此类电弧引起电气火灾之前去除电力。AFCI保护可位于插座中。此类插座用诸如在插座自身处的检测模块下游的一组触点监测和防范故障。故障通常通过在常规热磁断路器下游的一个插座或多个插座中的检测传感器检测，其使AFCI插座中的触点断路并从而防止电流流过AFCI保护的插座下游的插座。

通过用于故障检测的本装置，AFCI插座的中断仅可由于在插座下游检测到的并联电弧故障或串联电弧故障而触发。因此，插座和对应的检测器不能中断上游并联电弧故障(出现在插座和断路器之间的)，因为在已知AFCI插座处的触点中断装置不能检测此类故障，即使触点中断机构被触发，电流将继续流过故障。在常规电气系统中，常规断路器不能对断路器和插座之间的此类电弧故障足够快地作出反应。这造成潜在的危险，因为在断路器中断至插座的电力之前可能允许故障继续存在一段时间。

因此，存在对于在插座上游的点处检测并联电弧故障的电弧故障检测和中断系统的需要。还存在对于通过触发插座上游的断路器机构来中断电力的中断系统的需要。还存在对于使用AFCI插座中用于检测插座上游的电弧故障的现有部件的电弧故障检测系统的需要。

概要

根据本公开的实施例包括以下内容：

1)一种执行电弧故障保护和检测的插座，所述插座位于断路器的下游，所述插座包括：

开关元件，其耦合在线导体和中性导体之间，并具有打开位置和将所述线导体耦合至所述中性导体的闭合位置；

电压传感器，其耦合在所述线导体和所述中性导体之间；

电流传感器，其耦合在所述线导体上；以及

控制器，其耦合至所述开关元件、所述电流传感器和所述电压传感器，所述控制器检测所述线导体上的大电压降以及所述线导体上的电流没有对应实质增加的情况，该情况表示所述插座和所述断路器之间的并联电弧故障，且所述控制器响应于所述检测闭合所述开关元件。

2)根据1)所述的插座，其中，所述开关元件是固态晶体管。

3)根据1)所述的插座，其中，所述控制器是微控制器。

4)根据1)所述的插座，其中，所述开关元件的闭合位置为电流流动产生足以致使所述断路器跳闸的低电阻路径。

5)根据1)所述的插座，其中，所述控制器检测所述线导体上的电流变化，以检测在所述插座下游串联耦合至所述线导体的第二插座上的电弧故障。

6)根据5)所述的插座，还包括在所述线导体上的接触继电器，当在所述插座下游的所述第二插座上检测到电弧故障时，所述控制器激活所述接触继电器以中断所述线导体。

7)一种确定经由线导体和中性导体耦合至断路器的插座的上游的电弧故障的方法，包括：

经由耦合在所述插座中的所述线导体和中性导体之间的电压传感器检测在所述线导体和中性导体之间的高电压降；

经由在所述插座处的所述线导体上的电流检测器检测电流中的无实质对应增加；并且

当检测到高电压和电流中的无实质增加时，闭合耦合在所述线导体和所述中性导体之间的开关元件，以在所述线导体和中性导体之间创建低电阻电流路径。

8)根据7)所述的方法，其中，所述开关元件是固态晶体管。

9)根据7)所述的方法，其中，所述开关元件经由控制器闭合。

10)根据7)所述的方法，其中，所述开关元件的闭合位置为电流流动创建足以致使所述断路器跳闸的低电阻路径。

11)根据7)所述的方法，还包括检测所述线导体上的电流变化，以检测在所述插座下游串联耦合至所述线导体的第二插座上的电弧故障。

12)根据11)所述的方法，还包括当在所述插座下游的所述第二插座上检测出电弧故障时，激活接触继电器以中断所述线导体。

13)一种当检测出并联电弧故障时中断电力的系统，所述系统包括：

线导体；

中性导体；

断路器，其耦合至所述线导体和所述中性导体，当检测出过流情况时，所述断路器中断电力流动；

电弧故障保护插座，其经由所述中性导体和所述线导体耦合至所述断路器，所述插座包括耦合在所述中性导体和所述线导体之间的开关元件、用于连接至负载的插座连接器、耦合至所述开关元件以控制所述开关元件的控制器、耦合在所述中性导体和线导体之间的电压传感器以及耦合至所述线导体的电流传感器，当检测出高压降而未检测出电流的对应实质增加从而表示在所述插座和所述断路器之间发生电弧故障时，所述控制器闭合所述开关元件以电耦合所述中性导体和线导体。

14)根据13)所述的系统，其中，所述开关元件是固态晶体管。

15)根据13)所述的系统，其中，所述控制器是微控制器。

所公开的一个示例是电弧故障电路中断器(AFCI)插座，其结合常规热磁断路器来检测和中断上游并联电弧故障。示例AFCI插座包括耦合在线导体和中性导体之间的开关元件、耦合在中性导体和线导体之间的电压传感器和线导体上的电流传感器。当通过感测到大的电压降而无电流来检测出并联上游电弧故障时，开关元件闭合并且电流流过相对较低电阻开关元件从而中断流过电弧故障的电力。闭合的开关元件导致过流情况，从而引起上游常规热磁断路器跳闸。

因此，所提供的AFCI插座允许检测目前不能由已知AFCI插座保护的上游并联电弧故障。示例插座不需要来自已知AFCI插座的额外的传感器部件，而是提供在接近检测出的并联电弧故障的位置处的中断。对上游并联故障的中断发生在支路断路器处。通过将支路断路器的电流等级增加至过流保护等级，示例AFCI插座加快支路断路器的响应时间。示例插座致使危险电弧电流转变至严格过电流故障电流，从而降低火灾的风险。该布置也允许对于由放置在更接近用户的位置(即，在AFCI插座中)的串联电弧故障检测造成的不必要跳闸的复位功能，且不需要与电子上游断路器的跳闸信号通信。此外，在检测到AFCI插座上游的并联电弧故障时，开关元件系统产生确保所得电流总是超出支路断路器的过流跳闸水平的短路，并因此消除用于有效中断并联故障的将AFCI插座连接至断路器的导线(“主控电缆(home run)”)长度的实际限制。

根据参考附图做出的对于各个实施方式的详细说明，其他方面对于本领域的普通技术人员来说将是明显的，在下文中提供附图简述。

附图简述

在阅读下面的详细说明并参考附图后，本发明的前述和其他优点将变得明显。

图1是具有用于上游电弧故障的检测和防范的AFCI插座和常规断路器的插座系统的电路图；

图2是图1中的AFCI插座中用于检测和中断上游电弧故障的检测元件和开关元件的详细电路图；以及

图3是由在图2中的插座处的控制器执行以检测和保护电弧故障的控制算法的流程图。

虽然本发明容许各种更改和替代形式，但是已以示例的方式在附图中示出并在本文详细描述特定实施例。然而，应当理解，本发明并非旨在仅局限于所公开的特定形式。相反，本发明旨在涵盖落入如由附属权利要求定义的本发明的精神和范围内的所有更改、等效方案和替代方案。

详细描述

所公开的一个示例是执行电弧故障保护和检测的插座。插座位于断路器的下游。插座包括耦合在线导体和中性导体之间的开关元件，该开关元件具有打开位置和将线导体耦合至中性导体的闭合位置。插座包括耦合在线导体和中性导体之间的电压传感器和耦合在线导体上的电流传感器。控制器被耦合至开关元件、电流传感器和电压传感器。控制器检测表示插座和断路器之间的并联电弧故障的线导体上的大电压降和线导体上的电流无对应实质增加。响应于检测，控制器闭合开关元件。

另一示例是确定经由线导体和中性导体耦合至断路器的插座上游的电弧故障的方法。经由耦合在插座中的线导体和中性导体之间的电压传感器在线导体和中性导体之间检测高电压降。当检测出高电压时，经由在插座的线导体上的电流检测器未检测出电流的实质对应增加。当检测出高电压且未检测出电流的实质增加时，耦合在线导体和中性导体之间的开关元件被闭合以在线导体和中性导体之间创建低电阻电流路径。

另一示例是当检测出并联电弧故障时中断电力的系统。该系统包括线导体和中性导体。断路器被耦合至线导体和中性导体。当检测出过流情况时，断路器中断电力流动。电弧故障保护插座经由中性导体和线导体被耦合至断路器。插座包括耦合在中性导体和线导体之间的开关元件和用于连接负载的插座连接器。插座包括耦合至开关元件以控制该开关元件的控制器。电压传感器被耦合在中性导体和线导体之间，以及电流传感器被耦合至线导体。当检测出高压降而未检测出电流的对应实质增加从而表示在插座和断路器之间发生电弧故障时，控制器闭合开关元件以电耦合中性导体和线导体。

图1示出可用在居民住宅或其他建筑物中的供电系统100。系统100包括耦合至线导体104、中性导体106和接地导体108的交流电源102。交流电源102经由线导体104和中性导体106被耦合至断路器110。断路器110被串联耦合至在断路器110下游和常规插座114和116上游的电弧故障保护插座112。插座112、114和116经由常规的三叉插头连接器为插入插座112、114和116的负载提供与线导体104、中性导体106和接地导体108的电连接。

如下面所要解释的，电弧故障保护插座112为位于插座112下游的插座114和116提供电弧故障检测和保护。并联电弧故障120可发生在线导体104和中性导体106之间的电弧故障保护插座112的上游。诸如电弧故障130的其他并联电弧故障可发生在保护插座112的下游。电弧故障保护插座112中的常规电弧故障检测系统检测并防范下游的诸如电弧故障130的并联电弧故障，但不能防范电弧故障保护插座112上游的诸如并联电弧故障120的电弧故障，尽管故障120可发生在电弧故障保护插座112附近的事实。

图2示出图1中的电弧故障保护插座112的部件的详细电气图。在本示例中的电弧故障保护插座112能够检测插座112上游支路上的并联电弧故障并致使电力中断以防止由电弧故障造成的火灾。面板202向负载装置提供可从电弧故障保护插座112提供电力的常规三叉插头连接器。电弧故障保护插座112包括耦合至图1中的线导体104的线导体204和耦合至图1中的中性导体106的中性导体206。线导体204和中性导体206向面板202提供电力。在该示例中，面板202包括两个常规三叉连接器210和212。可将具有常规三叉插头的负载插入三叉连接器210或212。当插入负载时，通过线导体204和中性导体206提供电力以形成闭合电路。

插座212包括耦合在线导体204和中性导体206之间的开关元件220。在该示例中，开关元件220是固态晶体管，但可使用诸如继电器、IGBT、MOSFETS等的其他类型的开关装置。开关元件220具有允许在线导体204和中性导体206之间电气连接的闭合位置。开关元件220还具有在线导体204和中性导体206之间形成开路的打开位置。在正常工作时，开关元件220处于打开位置，从而允许电力流过线导体204流至连接器210和212。

电弧故障保护插座112还包括控制器222、电流传感器224、电压传感器226和接触继电器230。应当理解，控制器222连同电流传感器224和电压传感器226一起为电弧故障保护插座212提供下游电弧故障检测和电流中断。在电弧故障保护插座112下游发生并联电弧故障的情况下，电压传感器226上检测出电压以及电流传感器224上检测出电流变化。在串联电弧故障的情况下，由控制器222检测出电流变化。在这两种情况的任一情况下，控制器222激活接触继电器230并因此中断线导体204上的连接，从而防止电流流向三叉连接器210和212以及电弧故障保护插座112下游的插座114和116上的三叉连接器。通常可通过按下面板202上的按钮(未示出)来将接触继电器230复位。此类常规电弧故障检测系统不能防止诸如图1中的电弧故障120的上游并联电弧故障，因为激活接触继电器230将不能防止电流流向电弧故障保护插座112上游的电弧故障120。

至于上游并联电弧故障保护，控制器222被耦合至开关元件220并输出打开或闭合开关元件220的信号。电流传感器224被耦合在线导体204上以感测在线导体204上流动的电流并向控制器222提供表示检测的电流的输出信号。电压传感器226被耦合在线导体204和中性导体206之间，以提供表示线导体204和中性导体206之间的电压的信号。电压传感器226向控制器222提供表示检测到的电压的输出信号。控制器222使用分别来自电流和电压传感器224和226的检测到的电流和电压确定电弧故障保护插座112上游是否存在电弧故障情况。诸如图1中的电弧故障120的此类并联电弧故障可发生在断路器110和电弧故障保护插座112之间的支路线上。如果检测出此类上游并联电弧故障，则控制器222闭合开关元件220。

在负载被插入连接器210或212中的一个连接器的正常操作下，开关元件220处于打开位置，并且将没有电流在线导体204和中性导体206之间流动。因此，在正常工作时，电流通过线导体204和中性导体206流向通过连接器210和212连接的负载。通过经由电压传感器226检测出线导体204和中性导体206之间的大电压降而从电流传感器224未检测出由线导体204表示的下游支路上的电流的实质性增加，电弧故障保护插座112可检测出并联电弧故障。当检测出此类上游并联电弧故障时，控制器222将闭合开关元件220。

当开关元件220闭合时，由于闭合开关元件220的相对较低的电阻，电流从线导体204通过开关元件220流向中性导体206而不是通过图1中的并联电弧故障120。一旦开关元件220闭合，上游断路器110将基于线导体104上的短路电流超过断路器110的热磁跳闸曲线而跳闸并中断至电弧故障保护插座112的电力，并因此中断至并联电弧故障120的电力。

在本示例中，控制器222可以是微控制器、微处理器、处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑控制器(PLC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、离散逻辑元件等或任何其他类似装置。控制器222可包括存储器(未示出)，存储器可包括硬件、固件或存储用于执行本文所述的操作的指令和数据的有形机器可读存储介质。机器可读存储介质包括存储信息并以机器可读的形式提供信息的任何机制。例如，机器可读存储介质包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存存储器等。

现将参考图1和2结合图3所示的流程图来描述用于检测诸如插座112的插座上游的电弧故障的示例判定算法的操作。图3中的流程图表示用于实施上述的过程以检测诸如图1中的电弧故障保护插座112的插座上游的电弧故障的示例机器可读指令。在本示例中，机器可读指令包括仅由下面的装置执行的算法：(a)处理器、(b)控制器或(c)一个或多个其他合适的处理装置。该算法可以在存储在有形介质中的软件中实施，有形介质是诸如，例如闪存存储器、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字视频(通用)盘(DVD)或其他存储器装置，但是本领域的普通技术人员将容易理解整个算法和/或其一部分可通过除了处理器之外的装置来替代执行和/或以公知的方式在固件或专用硬件中实施(例如，可通过专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、离散逻辑元件等实施算法)。例如，可由软件、硬件和/后固件来实现图2中的控制器222的任一部件或全部部件。另外，虽然参考图3的流程图来描述了示例算法，但是本领域的普通技术人员将容易地明白，可替代使用实现示例机器可读指令的其他方法。例如，可以改变框执行的顺序，和/或可以改变、取消或合并所描述的某些框。

图3中的判定算法保持在准备就绪状态。所述算法检查是否应进行测量(300)。如果不进行测量，则算法循环返回至准备就绪状态(300)。在本示例中的算法以由控制器222确定的周期(例如，每毫秒)为基础检查电弧故障。如果应进行测量，则算法经由电压传感器226测量线导体204和中性导体206之间的电压(302)。接着，算法基于所测电压确定是否发生电压降(304)。如果没有感测到电压降，则算法返回到准备就绪状态(300)。如果确定了电压降(304)，则算法从电流传感器224测量线导体204上的电流(308)。算法基于所测电流确定是否存在增加的电流(310)。如果基于所测电流确定线导体204上流动的电流增加，则算法返回至准备就绪状态(300)。如果流过线导体的电流没有增加，则算法发送闭合开关元件220的控制信号(310)。如上所述，开关元件220将使电流从上游并联电弧故障转向至流过开关元件220。当检测出流过闭合的开关元件220的电流短路时，转向电流将致使上游断路器110跳闸，从而消除所有下游电流。

虽然已参考一个或多个特定实施例来描述本发明，但是本领域的技术人员应当认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对其进行许多变动。这些实施例中的每个实施例及其明显变体被认为属于所要求保护的在附属权利要求中阐述的本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种执行电弧故障保护和检测的插座，所述插座位于断路器的下游，所述插座包括：

开关元件，其耦合在线导体和中性导体之间，并具有打开位置和将所述线导体耦合至所述中性导体的闭合位置；

电压传感器，其耦合在所述线导体和所述中性导体之间；

电流传感器，其耦合在所述线导体上；以及

控制器，其耦合至所述开关元件、所述电流传感器和所述电压传感器，所述控制器检测所述线导体上的大电压降以及所述线导体上的电流没有对应实质增加的情况，该情况表示所述插座和所述断路器之间的并联电弧故障，且所述控制器响应于所述检测闭合所述开关元件，其中，所述开关元件的闭合位置为电流流动产生足以致使所述断路器跳闸的低电阻路径。

2.根据权利要求1所述的插座，其中，所述开关元件是固态晶体管。

3.根据权利要求1所述的插座，其中，所述控制器是微控制器。

4.根据权利要求1所述的插座，其中，所述控制器检测所述线导体上的电流变化，以检测在所述插座下游串联耦合至所述线导体的第二插座上的电弧故障。

5.根据权利要求4所述的插座，还包括在所述线导体上的接触继电器，当在所述插座下游的所述第二插座上检测到电弧故障时，所述控制器激活所述接触继电器以中断所述线导体。

6.一种确定经由线导体和中性导体耦合至断路器的插座的上游的并联电弧故障的方法，包括：

经由耦合在所述插座中的所述线导体和中性导体之间的电压传感器检测在所述线导体和中性导体之间的高电压降；

经由在所述插座处的所述线导体上的电流检测器检测电流中的无实质对应增加；并且

当检测到高电压降和电流中的无实质增加时，闭合耦合在所述线导体和所述中性导体之间的开关元件，以在所述线导体和中性导体之间创建低电阻电流路径，其中，所述开关元件的闭合位置为电流流动创建足以致使所述断路器跳闸的低电阻路径。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述开关元件是固态晶体管。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述开关元件经由控制器闭合。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括检测所述线导体上的电流变化，以检测在所述插座下游串联耦合至所述线导体的第二插座上的电弧故障。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括当在所述插座下游的所述第二插座上检测出电弧故障时，激活接触继电器以中断所述线导体。

11.一种当检测出上游并联电弧故障时中断电力的系统，所述系统包括：

线导体；

中性导体；

断路器，其耦合至所述线导体和所述中性导体，当检测出过流情况时，所述断路器中断电力流动；

电弧故障保护插座，其经由所述中性导体和所述线导体耦合至所述断路器，所述插座包括耦合在所述中性导体和所述线导体之间的开关元件、用于连接至负载的插座连接器、耦合至所述开关元件以控制所述开关元件的控制器、耦合在所述中性导体和线导体之间的电压传感器以及耦合至所述线导体的电流传感器，当检测出高压降而未检测出电流的对应实质增加从而表示在所述插座和所述断路器之间发生电弧故障时，所述控制器闭合所述开关元件以电耦合所述中性导体和线导体，其中闭合所述开关元件为电流流动创建足以致使所述断路器跳闸的低电阻路径。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述开关元件是固态晶体管。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器是微控制器。