CN106716507B - 用来防止电连接中的电弧故障的方法、系统及设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种防护构造电气系统所使用的部件的火灾和电气伤害的系统，通过感测电弧故障之前的特性的程度来在电弧发生前检测、告知和移除危险。本申请教导了一种安装在电气连接中或附近的装置，用以提供针对不安全状况的防护，该不安全状况可导致PV或其他电连接中的电弧故障。

Description

用来防止电连接中的电弧故障的方法、系统及设备
背景技术
本发明大体涉及用于监控的云计算服务，该云计算服务连接至“物联网”装置以保护家庭和企业免受火灾和盗窃。这样的云计算服务使用有线装置和无线装置的结合以通过“云”计算机与远程技术人员通信，“云”计算机实际上可位于任何地方。本发明涉及通常包括有基础设施的电气系统，该电气系统由以下各项组成：机械框架，电连接，以及用于对电力进行断路、调节、控制、分配和修改的机构。本发明中的导体指的是导线管。本发明中的连接是一般性术语，包括用于传导水、化学品、直流电流(DC)、交流电流(AC)或者其结合的附接机构。连接部件有时被称为连接器、插头、插座、端子、接受器或接线盒等。
在不进行限制的情况下，本申请的重点在于电气系统中的连接，该电气系统产生足以导致人体创伤的电压以及与电压相关的可导致火灾和死亡的电弧故障。这样的系统包括例如光伏(PV)系统，光伏系统直接由太阳光线产生DC电力。住宅和商用PV系统由PV模块构成，PV模块包含大量相互连接的太阳能电池。载有来自PV模块中的太阳能电池的DC输出的电导线通常被连接至位于PV模块背面的“接线盒”中的金属接线片。多个PV模块通常通过连接进行联接以聚集电流或电压，从而形成光伏组串。单个PV模块的导体通常以串联方式通过一个或多个电连接器进行接合，电连接器提供连接。
本申请旨在防止载有80伏电压的连接器中的电弧故障。故障可例如仅由以下各项导致：制造缺陷、过载、由于腐蚀而产生的欧姆热、或者由导体上的电流的热动力学而在结合点处产生的热胀和冷缩。连接中的电弧故障甚至可在操作电压和电流处于正常范围时发生，例如但不限于，不当安装、不安全设计、连接器中的导线管和金属触头的膨胀差异所导致的小的气隙、或者制造缺陷。
本申请涉及对电气系统连接部件中的不安全状况的特性进行诊断，电气系统连接部件例如是具有被严重腐蚀的导电引导部(也被称为插芯)的连接器，一旦无人管理，该导电引导部的电阻将变大并且将有可能导致电弧故障，电弧故障会生成白色的热等离子体并产生高热，从而导致附近材料和结构的燃烧。
PV系统中的故障的问题很严重以至于国家消防协会修改了2014年的国家电气规范(National Electric Code，NEC)，其具有要求690.11以防止由触电和PV系统的火灾而造成的死亡和伤害，其在下述非专利文献列表中被引用为文献1。NEC是公众可获得的非专利文献，由于与最先进的电气系统的相关性，其全部内容通过引用而合并到本申请中。
与PV系统连接中的电弧故障有关的演示文稿被公开记录在Sandia实验室的JayJohnson的以下文稿中：“PV系统中的故障检测和缓解：行业进步和未来需求(Arc-faultdetection and mitigation in PV systems:Industry progress and future needs)”，2012年2月28日，科罗拉多州丹佛，NREL模块可靠性研讨会，其在下述非专利文献列表中被引用为文献3。欧姆热可发生在连接接合点中，发生在导线、接线盒、汇流箱、逆变器箱中，以及发生在配电系统的保护装置中。
作者为B.Yang,K.Armi jo,E.Schindelholz,K.G.Blemel,K.D.Blemel和J.Johnson的另一Sandia实验室技术报告“通过光学监视所进行的系统连接器电弧故障预测的光伏平衡(Photovoltaic Balance of System Connector Arc Fault Prognosticsthrough Optical Monitoring)”(SAND2015 0883)的重点在于连接器中将光伏系统的阳极连接器和阴极连接器接合在一起的电弧故障。到目前为止，该报告仅供官方使用(ForOfficial Use Only，FOUO)，尚未对公众公开，但其仍作为文献5被包括在下述非专利文献列表中。
本申请不同于用于进行不安全电气事件防护的装置，该装置包括但不限于电弧故障检测器、电路断路器、接地故障中断器和电弧故障电路中断器，该装置通过检测电浪涌、等离子体的光、无线电以及放电的其他排放物来操作但却无法预先制止(pre-empt)电弧。这样的防护装置通常被连接至继电器或者在电弧发生时触发停止电流流动的其他断路装置。
存在对本申请所详细描述的改进的装置的迫切需求，该改进的装置自发地动作以检测出无人管理时增加电弧故障发生风险的特性，并且附加地使用了用于对需要屋主、设备管理者或云计算服务关注的不安全状况进行表示、指示或通告的装置。
参考文献列表
美国专利文献
专利号 公开日
发明人
8,576,521 2013年11月 Rodgers等人
4,988,949 1991年1月 Boenning等人
5,862,030 1999年1月 Watkins等人
6,249,230 2001年6月 Baldwin等人
5,218,307 1993年6月 Hiller
6,868,357 2005年3月 Furse等人
7,590,496 2009年9月 Blemel
7,356,444 2008年4月 Blemel
7,277,822 2007年10月 Blemel
7,974,815 2011年7月 Blemel
7,049,622 2006年5月 Weiss
8,410,950 2013年4月 Takehara等人
13/412,480 2011年3月 Takada等人
非专利文献列表
1.M.W.Earley,P.E.等人，“2014年美国国家电气规程(NEC)手册》(2014 NationalElectric Code(NEC)Handbook)”，2013年，国家消防保护协会(National Fire ProtectiveAssociation)，马萨诸塞州昆西市，第13版，第889-902页。
2.J.Johnson,B.Pahl,C.J.Luebke,T.Pier,T.Miller,J.Strauch,S.Kuszmaul和W.Bower，“Sandia国家实验室光伏直流电弧故障探测器测试(Photovoltaic DC arc-faultdetector testing at Sandia National Laboratories)”，2011年6月19日至24日，华盛顿州西雅图市，第37届IEEE PVSC(美国光伏专业学术会议)。
3.J.Johnson，“PV系统中的故障检测和缓解：行业进步和未来需求(Arc-faultdetection and mitigation in PV systems:Industry progress and future needs)”，2012年2月28日，科罗拉多州丹佛，NREL模块可靠性研讨会。
4.T.Croft,F.Hartwell,W.Summers,“美国电工手册(American ElectriciansHandbook)”，第16版，2013年7月23日，麦格劳希尔专业出版公司。
5.B.Yang,K.Armi jo,E.Schindelholz,K.G.Blemel,K.D.Blemel,J.Johnson，“通过光学监视所进行的系统连接器电弧故障预测的光伏平衡(Photovoltaic Balance ofSystem Connector Arc Fault Prognostics through Optical Monitoring)”2015年2月，Sandia实验室技术报告SAND2015-0883(尚未对公众公开——仅供官方使用)。
6.保险商实验室光伏(PV)直流电弧故障电路保护1699B(UnderwriterLaboratory Photovoltaic(PV)DC Arc-Fault Circuit Protection 1699B)http:// ulstandardsinfonet.ul.com/outscope/outscope.asp？fn＝1699B.html
7.Vassighi,A.,和Sachdev,M.，“热失控和热管理(Thermal Runaway andThermal Management)”，Springer US,2006.
8.D.Wolpert和P.Ampadu，“管理纳米尺度自适应系统中的温度效应(ManagingTemperature Effects in Nanoscale Adaptive Systems)”DOI 10.1007/978-1-4614-0748
术语定义
不安全状况：不安全事件的前兆。示例：雪、冰、裸露的电线、超出安全等级运行的部件。
不安全事件：不安全状况的逻辑结果，比如，电弧故障、带电金属或等离子体火。
主动措施(Pro-Active)：预防性的行为，比如，对不安全状况的前提条件(比如，电弧发生前的过热)进行诊断，从而提供足够的时间以避免电弧和火灾、人体创伤以及与电弧故障有关的触电死亡。
连接：绝缘电线、裸导线管以及用于传导电流的相关附接机构。连接部件有时被称为连接器、插头、端子、接受器或接线盒等。
欧姆热：电流流过电阻所产生的能量。
欧姆定律：能量＝电流*电阻(E＝I*R)。
电弧故障：由连接或绝缘材料的电击穿而导致的产生电弧等离子体的电气事件。
美国国家电气规范：用于安装电连接的规则的官方文件。
等离子体、等离子体放电或等离子体火：由电弧故障所产生的能量和高热。
热能：以系统的温度的形式呈现在系统中的内能。
云计算服务：用于分享认知和信息的普遍方法，云计算为客户提供低成本的通信和计算能力。云计算具有很多具体特征，包括：属于每个云提供商的超大规模资源，具有单独的地址，完全分布式、均质并且完全虚拟化。云计算服务在不需要专用网络的情况下提供从一个地方到另一个地方的消息传递。
热失控：晶体管-晶体管逻辑(TTL)互补金属氧化物半导体(CMOS)、砷化镓以及其他半导体在大体高于100℃的温度处呈现热失控。这样的器件的热额定值(thermalrating)被相应地设定。
半透明性的温控改变：当半透明物质被加热时，分子具有更多的能量并且形成具有不同阻抗的晶体结构——因而呈现减小的半透明性。
变形点(Morphing Point)当固体被加热时，粒子具有更多的能量并且开始更快地振动。在某一温度下，粒子振动加剧以至于有序结构破坏。在被称为变形温度的该温度下，固体开始向液体转变。
熔点固体变成液体时的温度。每种固体在正常气压下具有固定的熔点。在较低的气压下，例如在山上时，熔点降低。
发明内容
本申请教导了一种安装在电气连接中或附近的装置，用以提供针对不安全状况的防护，该不安全状况可导致PV或其他电连接中的电弧故障。该装置被安装和操作成使得不安全状况在电弧发生前能够被缓解。本申请还教导了一种局域网或云计算服务，其通过有线和无线方式的结合与一个或多个装置进行单向或双向通信，以对不安全状况提供告警和缓解。(通过上电导线以及使用无线通信通过地线发送数据到云计算服务在智能家庭中被广泛应用。)
本发明通过将装置中受到热影响的构成材料用作识别和告警电气系统连接中的热所导致的不安全状况的工具来进行操作，不安全状况将导致电弧故障和等离子体火。已出版的文献中存在特性或性质稳定地取决于温度的材料的大量示例。例如，热敏电阻器是电阻取决于温度的一种电阻器。其他材料，比如半导体，也具有这一现象。当半导体器件所耗散的热随温度增加时，发生半导体热失控。特定地，半导体器件的热失控可导致使用该器件的电路停止正常操作的情况。参见非专利文献列表中的文献7。
本申请教导了一种防护系统，具有用于检测、提示和缓解电气连接中的不安全状况的装置，该防护系统甚至在电压和电流处于正常限制以内时也能工作。进一步地，本申请所教导的防护系统通过通告PV系统设备和相关连接中的不安全状况而满足NEC的690.11章节和其他NEC要求。防护系统提供了用于通过在电弧故障发生前移除或纠正不安全状况来进行缓解的时间，因而通过向系统所有者或负责机构告警需要更换或修复而防止了火灾损失和人员伤亡。
本申请教导了一种云计算服务，向具有电视、便携式通信装置的人员以及负责应对电气系统和连接中的不安全状况的人员告知所述不安全状况。
现有技术
世界知识产权组织(WIPO)会员网站中的搜索找到了用于在擦破、过载和导线断路情形下发生电弧故障之后用于检测和保护的超过两百件已公开专利。这些专利中没有一件涉及在放电发生前几小时、几天、甚至几个月预先防止DC电弧的方法或者具有这样的装置的系统。然而，下面给出其中的几个专利以及这些专利中被本申请所克服的某些限制。
存在教导电气系统设计和安装以及与其相关的危险的大量的公众可获得的文献，比如，T.Croft,F.Hartwell和W.Summers的“美国电工手册(American ElectriciansHandbook)”(其全部内容通过引用合并到本申请中，在非专利文献列表中被记为文献4)。
存在现有技术的大量示例，包括专利和出版物，给出了用于在主动电弧故障发生时检测和缓解该主动电弧故障的原理、方法、系统、设备和技术。一些公司已经开始将电子器件嵌入PV部件中以在DC电弧故障发生时检测该DC电弧故障，该电子器件比如为保险丝，该保险丝由于发电机或电力设施所供给的电流量增加而熔断。这些方法在阳光为能量来源(PV模块正是如此)时无法很好工作。这意味着由于太阳光线(直射或来自月亮的反射)，与太阳能电源有关的电弧将持续存在，除非通过某种方式遮盖PV模块以阻止太阳光或者上游连接被中断。
以下是现有技术的实例，这些实例a)使用了对电压、电流、光线和射频发射的主动监视，并且b)使用电气装置来确定绝缘材料劣化。
授予Rodgers等人的美国专利8,576,521教导了一种基于控制器的检测系统，其被配置成自适应地学习以区分所检测到的、指示电弧故障事件的光线和所检测到的、与电弧故障事件无关的光线(比如，来自闪电或闪光灯的光线)。在电源系统的正常操作中，自适应地确定的一个或多个检测算法被用来识别电源系统中的电弧故障事件。Rodgers等人没有教导测量由于欧姆热而产生的参数改变以检测电弧故障的风险，或者使用产生自欧姆能量的能量以在电弧故障发生前监视电气连接。除其他之外，本发明与上述专利不同，因为本发明不需要基于控制器的检测系统。
授予Takehara等人的美国专利8,410,950教导了一种PV面板监视设备，包括监视模块，该监视模块用于测量与PV面板电压和电流输出有关的参数值，将测量的值与监视模块中从存储的最小值和最大值进行比较，以及当测量的值位于最小值和最大值限制的范围之外时输出警报信号。Takehara等人教导了监视输出电压和电流。Takehara没有教导使用欧姆热来诊断形成电弧的风险或者使用动能作为中断电流动的途径以在电弧发生之前缓解不安全状况。除其他之外，本发明与上述专利不同，因为本发明不需要测量电压或电流。
授予Blemel的美国专利7,590,496、7,356,444、7,277,822和7,974,815教导了检测设置在导线管表面或导线管内的敏化半透明介质板、介质条或介质线由于应激物而产生的损伤，以检测例如由切割、溶剂或火焰所导致的对导线管的损伤。授予Blemel的这些专利没有教导防止正常操作过程中导线管中的电弧故障作为用于检测电弧发生前的不安全状况的途径。本发明与上述专利不同，因为不需要检测损伤。
相对于现有技术的优势
本发明所公开的系统和装置与现有技术相比具有重要优势，该优势教导了通过观察电弧所产生的光、或电弧的射频发射、或电弧所产生的电流变化来检测电等离子体放电发生时的电弧故障，然后使用诸如继电器或保险丝之类的装置来终端电流流动。仅检测电弧是不够的，因为由非常热的等离子体所点燃的材料甚至会在电流流动中断或电流被分流后继续燃烧。
本发明与现有技术的不同之处在于本发明使得能够有足够的时间来采取适当的行动以在电弧足以导致失火之前中断电流的流动。
本发明提供一种解决方案以满足防止由于电弧故障所导致的受伤或死亡这一长期未满足的需求，自从安装了高效PV系统以来，电弧故障已经导致了死亡和受伤。
本发明还适用于接线盒、汇流箱、逆变器、配电导线管中以及布线线束中的接合点内的连接中发生的不安全状况。
本发明无需用以识别现场电弧故障中的赝像(artifacts)的电子模块和传感器，赝像例如为等离子体的闪烁、射频发射、电流上升以及同时电压下降。使用电弧故障发生之前在连接接合点中产生的热是对电弧检测的未曾建议过的修改。
附图说明
图1描绘了具有根据本申请的教导所构造的部件的装置的未分解侧视图。
图2描绘了具有电路的电气连接器的正面剖视分解图，该电路监视温控物质的一个或多个参数受欧姆热的影响所产生的改变以检测连接接合点中诸如DC电弧之类的不安全事件的前提条件。
图3是未分解俯视图，描绘了根据本申请组装的设备的上表面上的部件。直通连接器被描绘为具有以下各项的装置：外露的指示器装置、用于通过协议(比如蓝牙或Wi-Fi)进行云通信的通信装置、以及填充有化合物的内部腔体，该化合物受热分解以针对不安全事件提供缓解和/或防护。
图4描绘了图1中所述的设备的部件的非分解俯视图，该设备在外露表面上具有可见的指示器和用于进行云通信(例如蓝牙或Wi-Fi)的通信装置。
附图标记
附图中所标记的部件如下：
(1)导体
(2)公电气连接器
(3)母电气连接器
(4)传感器装置
(5)指示器装置
(6)导电引导部
(7)导电杆
(8)功率调节器
(9)PV模块
(10)电介质
(11)温控物质
(12)开关
(13)监控器
(14)直通连接器
(15)温度测量装置
(16)接线盒
(17)腔体
(18)通道
(19)基板
(20)天线
(21)通信装置
(22)云计算服务
(23)仪表化连接器
(24)局域网
(25)数据解码器
(26)不安全状况信号
具体实施方式
下面的详细描述和附图公开了本发明的各个实施例。每个附图教导了如何执行技术和/或形成部件以实现本发明的目的。
图1是描绘了根据本申请的教导所构造的示例性传感器装置(4)的部件的侧视图。电介质基板(19)被描绘为支承温控物质(11)和附加的电路部件，电路部件包括功率调节器(8)、开关(12)、数据解码器(25)、天线(20)、通信装置(21)、生成不安全状况信号(26)的监控器(13)、温度测量装置(15)和指示器装置(5)。包括温控物质(11)在内的部件可被专用集成电路(ASIC)所代替。监控器(13)所具有的作用包括但不限于对导致开关(12)闭锁的热所产生的温控物质(11)的参数变化进行检测，参数变化激活指示器装置(5)并生成不安全状况信号(26)。电源可以基于回收能(scavenged)、太阳能、机械能、感应或其他。
图2是描绘了根据本申请的教导所构造的设备的功能和部件的正面剖视分解图。上部为图1中所描述的传感器装置(4)。
下部描绘了足以紧密穿入直通连接器(14)中的导电引导部(6)的导体(1)的外露端。直通连接器(14)具有被设计成夹持导体(1)的导电引导部(6)。如图1中所示的，传感器装置(4)装配到直通连接器(14)中的腔体(17)。直通连接器(14)由电介质(10)构成。导电引导部(6)位于通道(18)中，通道(18)沿轴向穿过直通连接器(14)。导电杆(7)的左边部分被紧密装配到导电引导部(6)中，导电杆(7)的外露端足以牢固耦接至母连接器(未示出)。将公连接器(未示出)耦接至耦接了母连接器(未示出)的直通连接器(14)在存在电力时形成了电路路径。
除了检测连接内的参数变化(其为电弧的前提条件)，传感器装置(4)可附加地针对连接不足、连接松弛和其他有害条件提供对电压和/或流过连接的电流的监视。
图3是描绘了根据本申请的教导的经组装设备的未分解俯视图。穿过公电气连接器(2)的导体(1)被插入直通连接器(14)。电流经由直通连接器(14)中的导电引导部(未示出)传导。导电杆(未示出)从与母电气连接器(3)耦接的直通连接器(14)引出。导体(1)从母电气连接器(3)引出至右侧。传感器装置(4)具有通信装置(未示出)，该通信装置使用天线(20)或导体(1)上的编码信号提供有线或无线通信以与兼容装置通信。电流在欧姆电阻上所产生的热导致对公电气连接器(2)、母电气连接器(3)和直通连接器(14)的加热。指示器装置(5)指示连接的安全/不安全状况。
图4描绘了三个PV模块(9)的阵列，该阵列将数据从仪表化连接器(23)和接线盒(16)传送至局域网(24)和云计算服务(22)。绝缘电导体(1)被描绘成通过根据本申请所教导的仪表化连接器(23)进行连接。仪表化连接器(23)内的传感器装置(未示出)对PV模块(9)阵列的连接内的不安全状况的前提条件进行监视。
仍参考图4，描绘了使用通入接线盒(16)的导体(1)上的数据来传递来自仪表化连接器(23)的不安全状况数据。根据场景的不同，数据通过接线盒(16)中的无线通信电路被发送至局域网(24)或云计算服务(22)。
下面给出了进一步描述示例性实施例的详细说明以解释本发明的原理。实施例被用来解释本发明的不同方面，但是本发明不限于任何特定实施例。本发明的范围包括各种替换、修改和等同，本发明的范围仅由权利要求进行限制。
附图给出了各种具体细节并且对其进行了描述以提供对本发明和如何实现本发明的彻底理解。然而，本发明可在不具有这些具体细节中的某些或全部的情况下根据权利要求来实现。为了清楚起见，与本发明相关的技术领域中已知的技术材料未被详细描述，以免不必要地使本发明难以理解。具备创建连接方面的普通经验的技术人员将会理解传感器装置可位于直通连接器(14)、公电气连接器(2)或母电气连接器(3)中的全部或任一连接器中。例如，实施例的其他变型可利用保险丝、继电器或其他器件来断开不安全连接，该不安全连接可与公电气连接器(2)或母电气连接器(3)分离，或者可制造成与公电气连接器(2)或母电气连接器(3)合为一体。
引用了参考文献，这些参考文献提供了与电气系统、电气系统的不安全状况和实现防护系统的经批准技术有关的详细信息。然而，具备仪表化系统方面的普通经验的技术人员将会理解本申请适用于过热的蒸汽和化学品管道系统。
本申请所描述的本发明的实施例涉及不安全连接的检测、提示、缓解和隔离，使得本发明具备适当地断开连接中的电流动的目的。
该示例性实施例将温控物质在高于连接的额定值的温度下的参数改变作为产生不安全状况信号的方式。在热缓解改变(thermal mitigated changes)方面，存在大量公众可获得的科技论文和技术报告。存在很多因温度不同而改变特性和组成的化合物、材料和物质。温变现象(temperature-dependent phenomena)的众多示例中的一部分为半导体的热失控、半透明性的改变、组成的改变以及融化。
本发明的其他实施例可附加地包括被配置成对电气连接中的温度进行监视的至少一个装置。该装置的目的在于确认超过了指示不安全热状况的热额定值并且在于生成不安全状况信号。在该扩大的实施例中，电路被配置成：1)测量连接接合点的温度；2)通过观察温度的急剧改变使用逻辑推出不安全状况；以及3)通过使得相关联的装置断开连接来输出导致电路断路的不安全状况信号。
根据本发明的另一实施例，用于检测不安全状况的方法包括对来自耦接到光电探测器的半透明导体的光强测量结果的电压和/或电流数据进行模拟或数字比较，光电探测器检测到超过阈值，从而发起电流断流器的操作以隔离连接中与不安全状况相关联的部分。控制断流器装置的操作的步骤还包括使得电路断开并保持断开。
根据另一实施例，装置可使用在85摄氏度以上改变状态的集成电路用于检测85摄氏度下的连接中的不安全状况，该集成电路与额定值为125摄氏度的电路互补。集成电路的故障可指示不安全状况。监控器电路中额定值为85摄氏度的集成电路(IC)在其额定值之上会发生故障，并且通常在温度下降时得以恢复。当85摄氏度的集成电路适当作用时，额定值为125摄氏度的IC监视功能性并且对不安全状况信号(安全)进行编码。不时地，额定值为125摄氏度的IC监控器发送不安全状况信号到云计算服务，或者经由局域网通过有线或无线发送到计算机，或者状况可被编码并通过有线连接进行递送。当过热导致额定值为85摄氏度的IC故障(热失控)时，125摄氏度IC将不安全状况信号编码为“真”，从而在该位置引发危险状况告警。
根据本发明的又一实施例，装置能够通过在不安全状况下操作模块上的指示器灯或通过经由有线或无线数据链路发送告警信号到控制站来告警该不安全状况。
在广义实施例中，本发明扩展到在其他设备中使用，其他设备由于老化和制造缺陷而遭受损伤、火灾和特性损失风险。
例如，在制造用于建立连接的连接器的情况下，装置可被构造在满足适当规范要求的连接部件中。
在另一示例中，在制造PV系统部件(例如但不限于DC-AC逆变器)的情况下，实施例可位于可能具有不安全状况的部件和导线附近的连接中。装置将生成不安全状况信号以通过断开电路或短路电源来导致电流流动断路，从而适当地缓解不安全状况。
在优选实施例中，设备由温控材料或物质构成，选择温控材料或物质所基于的特性优化了不安全状况的检测，并且用于修改和/或缓解的信号例如但不限于被传递到提供设施监视的局域网或云计算服务，或者导致开关、继电器或断路器断开电路。在优选实施例中，装置在一温度(其低于导致电弧发生的温度)下产生重复或连续的不安全状况信号。原因为如果警告被忽略，则腐蚀的不断增加将逐渐并最终导致并生有火焰的高温电弧，高温电弧会导致绝缘材料的爆燃。烈火会导致严重损失和人体受伤的风险。
在优选实施例中，当所超过的第一阈值低于指示即将到来的电弧形成的温度时，装置重复发送不安全状况信号。
在优选实施例中，当电流由连接携带时，使用装置来预先检测发生的不安全状况是连续进行的。该方法还检测由于电弧或外部火焰导致的加热。当这些状况发生时，装置发送不安全状况信号，该信号将产生警报，并且通过本发明的教导断开电流使得相关联的连接系统部件断电。
实施例的构建
美国国家电气规范(2014版)要求太阳能系统中所使用的部件和导线管必须能够在高达85摄氏度的温度下操作。连接中的电流动所产生的热度由欧姆定律来表示。该关系意味着连接的增加的电阻(例如由腐蚀导致)或者增加的电流(例如通过增加PV模块的数量而导致)均会最终导致DC电弧，带来电弧所引起的危险。非专利文献列表中B.Yang等人的文献5记载了200摄氏度左右的温度被认为足以忍受PV连接器中的持续电弧，该文献的全部内容通过引用而合并到本申请中。
通过设置光学透射率在85摄氏度以上时发生改变的半透明温控物质能够产生仪表化装置，85摄氏度是PV连接的额定温度。在电气系统的电连接的接合点中，比如但不限于高密度聚乙烯(HDPE)的该物质被定位为靠近呈现电阻性发热现象(也称为欧姆热)的部件附近，并且可导致局部高温加热松弛键(localized elevated heating loosening bonds)或电介质绝缘击穿，从而导致发生电弧。
为了产生根据本申请的教导的装置，需要选择一种物质，该物质在最大指定操作温度以上产生参数的可测量改变，但是该最大指定操作温度足够低于导致出现电弧的断键或电介质击穿可发生的温度。例如，如果连接部件的最大操作温度为80摄氏度，则根据美国工具与制造工程师学会(ASTME)，HDPE的半透明性在104摄氏度(ASTME称之为Tm)以上时降低。进一步地，HDPE在150摄氏度(ASTME称之为Tc)处熔化。可替代地，物质例如可以为半导体材料，基于组成不同，半导体材料在某一温度以上时，变成导体(或非导体)。
在不构成限定的情况下，实施例可被构造成不具有电子电路，或者具有数字电路、或模拟电路或两者的结合。根据通信需求，装置应该能够发送和接收模拟和数字输入信号。电路应该被设计为具有不受导体上的电流影响的能力。
根据预动作的需求，该设计的其他实施例也能够具有模拟和/或数字输出以提供致动器，例如但不限于状态指示器灯或信标，或者提供用于发送数据和信息的装置，数据和信息例如但不限于对连接内的导体所携带的电流的编码调制，或者提供无线装置，用于使用经批准的协议发送信息，该协议例如但不限于蓝牙或以太网。
如果温控物质为半导体，则该物质应该被选择为在部件的热额定值以上并且远低于与电弧故障相关联的温度时改变输出。
如果温控物质是半透明的，则在用于检测半透明性改变的光子源可以例如但不限于发光二极管(LED)。光子源应当被选择以产生于相关联的光子测量装置兼容的波长。光子强度测量装置可选自但不限于接收光子并产生可测量的电压或电流输出的光电二极管、光电晶体管或光敏电阻器。光子测量装置应基于能力进行选择，该能力是指针对将由半透明材料传导的光的有限量的频率可靠地生成输出信号。如有必要，光电探测器装置应当被适当地偏置以在满范围的期望照度下操作。存在满足上述目标的大量商用装置。可靠性、稳定性和耐用性是进行选择时需要考虑的关键参数。
用于构造装置的温控物质可以例如但不限于任何长度、轴线和纵向尺寸的环、条、片或线。温控物质可选自聚合物，例如但不限于聚乙烯，如前所述，聚合物在足够低于形成电弧的温度但又高于连接部件的最大温度额定值的整个温度范围内产生透射率的可测量改变。应当基于具有适当的特性来选择温控物质，这些特性例如但不限于厚度、熔点、透射率改变、加热时任意副产物的毒性以及抗张强度。如果附有涂层，则涂层应当适于应用。如果使用的是半透明温控物质，则在长达安装有传感器的系统部件的操作寿命内，半透明温控物质不应该随时间大幅地使光变色或吸留光。影响选择的另一特性可以是当受到温度影响时，温控物质如何传导或不传导光。
用于确定不安全状况的方式包括但不限于使用额定值高于部件的额定值的电子电路来间接测量温度。例如，可通过测量受温度影响的电压参数的改变来实现间接方式。
用于合并到装置设计中的电路的能量源可以是但不限于导体携带的能量的分接头、围绕导体的电感线圈或者太阳能电池。能量源(如果有的话)应当选择为尽可能长地操作，并且只要安装有传感器的系统部件在操作能量源就应该保持足够的电荷。
数字或模拟信息，包括但不限于不安全状况信号、温度测量值以及装置所产生的告警，可被递送到位于接线盒或汇流箱中的远程发射器，远程发射器将信息转发给电气系统健康状况监视和控制中心。系统可被用来例如通过使用基于参数，包括但不限于所感测到的温度上升的速率和时间，的算法来评估将来时段中电弧可能发生的风险。递送信息的方式可以是无线地使用例如但不限于蓝牙或Wi-Fi的协议(比如，对导线管DC或AC信号的调制)。
当温度触发(其低于与持续电弧相关联的温度)由于上电连接内的温度而产生时，装置应当运行以产生不安全状况信号。上述非专利文献列表中B.Yang等人的文献5发现足以维持DC电弧的温度为200摄氏度。
根据本发明的又一方面，用于产生包装的材料应该在连接的期望服务寿命内可靠且稳定。
根据本发明的第三方面，设备可包括的特征例如但不限于自测试功能、通过有线或无线方式进行通告或被询问的能力、通过断开电路以停止电流动来中断电流流动的能力。
为了测试系统的功能，构造一种设备用于执行一系列测量测试，测量测试产生用于确定温控物质在温度范围内的响应特性的数据。一种方式为在仪表化热测试室中进行测试。通过将可腐蚀的测试件放置在高温下的盐气环境中以加快腐蚀因而加速电阻来实现增大电阻。
在另一测试配置中，附加地包括可设定在优选温度下的比较器逻辑装置，例如差分放大器，以用于生成不安全状况信号，比如警告光照射、发出信标、或发送无线或有线信号。不安全状况标准可包括但不限于一个或多个阈值、阈值范围、或预先确定的特征标记。
根据本发明的另一方面，如果比较器逻辑需要电力以操作，则比较器被连接至连接所携带的电力或者来自另一电源的电力，另一电源例如为由动能或太阳能提供能量的电池或电容器。
付诸实践
在适当的保密协议下，Sandia国家实验室(SNL)受委托探究在PV连接中所使用的单个导线连接器中发起DC电弧的温度。该SNL研究产生了2015年2月的Sandia实验室技术报告SAND2015-0883(尚未公开，仅供官方使用)，该报告确定了PV连接器中的第一电弧发生在200摄氏度左右的PV连接器中。在该研究中，SNL还探究了半透明温控物质的融化是否能被成功用于检测PV连接器中的电弧故障。其理念为，在已知在电弧故障之前发生的热点的情况下，在操作上耦接至光电探测器和光反射器的近端半透明聚合物线融化，并且来自光发射器的光信号消失或不在到达光电探测器，从而导致逻辑电路发出预电弧状况(pre-arccondition)信号。替代性方式为耦接至光电探测器的被照亮的近端半透明聚合物线呈现减小的透射率，并且到达光电探测器的减小的光信号导致逻辑电路向断流器装置发出信号以断开连接并且停止电流流动。
作为发明人，我们探究了使用热响应现象来开发一种基于温度效应的方法，该方法可被用来预测和防止100摄氏度以上200摄氏度(在该温度下，SNL研究发现DC电弧开始发生)以下的连接中的电弧故障。其理念为，在连接器内的导体腐蚀所导致的增加的电阻性发热的情况下，连接器体内的温度可测量地变化并且反映了风险程度。当变化量显著增大时，产生信号至集成断流器装置以断路连接器并且停止电流流动。
我们探究了200摄氏度以下的温度下半透明聚合物的热效应。根据ASTME，我们发现了几种半透明聚合物，其呈现出在200摄氏度以下的温度下融化的特性。发明人使用聚合物进行了实验，该聚合物包括在125摄氏度下融化的低密度聚乙烯(LDPE)和根据ASTME在150摄氏度下融化的高密度聚乙烯(HDPE)。
根据半导体电路的不同组成，我们也探究了利用已知在120摄氏度以上就变得不稳定的半导体电路，因为温度会影响能带间隙。(该特性被记载在D.Wolpert和P.Ampadu的论文“管理纳米尺度自适应系统中的温度效应(Managing Temperature Effects inNanoscale Adaptive Systems)”，DOI 10.1007/978-1-4614-0748，其在非专利文献列表中被引用为文献8。)
我们修改了商用注塑成型的PV连接器以将热额定值为85摄氏度的集成电路耦接至额定值为100摄氏度的电路。创建了经腐蚀的PV连接导电引导部和导电杆的示例以产生一电流下由于腐蚀而导致的示例性发热，该电流为当前时间下特定于该PV连接的电流。测试样品被组装。可以实现测试样品如本文所述进行工作，从而在远低于200摄氏度的连接器中产生电阻性发热，进而产生电弧。
所构建的另一原型装置包括：LED，位于拇指盖大小的电路板上以照亮半透明的低密度聚乙烯(LDPE)条；以及光电探测器，位于LDPE的对端以接收LED所发射的光子。光电探测器的输出被连接至经偏置的比较器逻辑电路以在来自光电探测器的电压超过阈值时产生输出信号。LDPE由于以下特性而被选择：在100摄氏度以上时透射率降低并且在150摄氏度以上时熔化。通过调整比较器电路的偏置来校准装置以在125摄氏度的特定值下由光电探测器所生成的电压下产生输出信号。在施加电力时，来自LED的光子被传输穿过LDPE条到达光电探测器，从而产生与LDPE的透射率损失成比例的可测量信号。在热控炉中测试该装置。
已经通过优选实施例描述了本发明，可以理解的是，除了那些明确表述的实施例之外，等同例、可选例以及变形例均可以实现并且落入所附的权利要求书范围之内。
虽然前面本发明的书面描述能够使本领域普通技术人员利用和使用其目前被认为的最佳实施方式，但是本领域普通技术人员应理解和意识到存在对本文的特定示例性实施例和方法的改变、组合和等同。具备创建电气连接方面的普通经验的技术人员将会理解传感器装置可位于导线中或者可位于附图中的直通连接器(4)、公电气连接器(2)或母电气连接器(3)中的全部或任一连接器中。
具备创建电气连接方面的普通经验的技术人员将会理解连接可在接线盒、面板或电子组件内。因此，本发明不受上述实施例、方法和示例的限制，而是由本发明的精神和范围内的所有实施例和方法进行限制。
提供了具体实施例的前述描述，使得本领域普通技术人员能够实现和应用本发明。这些实施例的各种修改对本领域普通技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原理可以被应用于其它实施例中而不使用创造能力。每个防护设备可包括不同设置以及取决于所要求的功能的不同类型的部件。虽然本申请所给出的实施例的重点在于防止PV电源系统中的电弧故障，但是其可应用于电弧故障可导致人员死亡和财产损失的任何情况下。因此，本发明并不限于本文给出的实施例，而是与符合本文公开的原理和新颖特征并且由下述权利要求所限定的最广范围相一致。

Claims (14)

1.一种用于在不安全事件发生前，针对具有最高温度额定值的电气连接的不安全热力工况提供防护的设备，该设备包括：
监控器，所述监控器设置在电气连接内部或电气连接上，所述监控器被配置为检测由于电气连接的热量而导致逻辑锁存时引起的半透明温控物质的参数的变化，该监控器包括：
半透明温控物质，选自具有一个或多个尺寸的温控物质，所述尺寸在高于电气连接的最高温度额定值的温度下变化；所述半透明温控物质具有第一端，第二端和透射率参数；
光子源，所述光子源可操作地耦合到所述第一端；和
光子测量装置，所述光子测量装置可操作地耦合到所述第二端以测量光子的强度；
其中光子强度的变化表示半透明温控物质的一个或多个尺寸在温度高于电气连接的安全相关温度额定值而导致逻辑锁存时的变化，并且所述监控器产生一个不安全热力工况响应于逻辑的锁存以指示电气连接的不安全热力工况。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述不安全热力工况与超过所述电气连接的电气连接器的温度额定值有关。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述不安全热力工况与电弧中的前提条件有关。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电气连接的不安全热力工况是由欧姆加热引起的。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括：至少一个指示器装置，所述指示器装置被配置为提供所述电气连接的不安全热力工况的可视指示。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括：通信设备，所述通信设备被配置为响应于所述电气连接的不安全热力工况，向兼容设备提供有线或无线通信。
7.一种用于在不安全事件发生前，缓解具有安全相关温度额定值的电气连接中的不安全热力工况的方法，该方法包括以下步骤：
将至少一个监控器放置在电气连接中或靠近所述电气连接；所述监控器被配置为检测由于电气连接的热量而导致逻辑锁存时引起的半透明温控物质的参数的变化；
通过所述至少一个监测器监控半透明温控物质的光子强度的变化，所述半透明温控物质的变形点低于200摄氏度，但高于电气连接的安全相关温度额定值；
其中所述半透明温控物质选自具有一个或多个尺寸的温控物质，所述尺寸在高于所述电气连接的安全相关温度额定值的温度下变化，所述半透明温控物质具有第一端，第二端和透射率参数；光子源可操作地耦合到所述第一端；光子测量装置可操作地耦合到所述第二端以测量光子的强度；
其中光子强度的变化表示半透明温控物质的一个或多个尺寸在温度高于电气连接的安全相关温度额定值而导致逻辑锁存时的变化，并且为响应于检测到所述逻辑锁存，至少一个监控器产生不安全热力工况信号，所述不安全热力工况信号指示在高于安全相关温度额定值的温度下操作的电气连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电气连接的不安全热力工况与所述电气连接的电弧的前提条件有关。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，通过无线装置将所述不安全热力工况信号发送到云计算服务或局域网。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述不安全热力工况信号经由导线传输到计算设备。
11.一种用于在不安全事件发生前，提供具有最高温度额定值的电气连接中的不安全热力工况的通知的设备，所述设备包括
一个或多个装置，所述装置被配置为响应于从安装在电气连接中或靠近电气连接的一个或多个监控器接收到不安全热力工况信号而通知所述电气连接的不安全热力工况；
所述一个或多个监控器被配置为检测由于电气连接的热量而导致逻辑锁存时引起的半透明温控物质的参数的变化；所述一个或多个监控器包括：
半透明温控物质，所述半透明温控物质具有在电气连接的最高温度额定值和200摄氏度之间的变形点；所述半透明温控物质选自具有一个或多个尺寸的温控物质，所述尺寸在高于电气连接的最高温度额定值的温度下变化；所述半透明温控物质具有第一端，第二端和透射率参数；
光子源，所述光子源可操作地耦合到所述第一端；和
光子测量装置，所述光子测量装置可操作地耦合到所述第二端以测量光子的强度；
其中光子强度的变化表示半透明温控物质的一个或多个尺寸在温度高于电气连接的最高温度额定值而导致逻辑锁存时的变化，并且所述一个或多个监控器被配置为响应于所述逻辑锁存而向所述设备传送不安全热力工况信号。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述不安全热力工况是所述电气连接的电弧的前提条件。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述通知包括用于缓解不安全电气连接的请求。
14.根据权利要求11所述的设备，其中，所述一个或多个监控器评估一个或多个将来时段中发生电弧的风险。
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