CN107003348B - 用于保护断路器中电流感测设备的被动故障监测的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于被动地监测保护设备中电流感测设备和相关联的电路的完整性的装置和方法，例如接地故障断路器和电弧故障断路器。保护断路器采用通过相对于罗氏线圈布置线路侧臂中的一个或两个而获得的电容耦合噪音信号。在保护断路器的线路侧和负载侧断开时监测噪音信号，如果噪音信号无法与参考信号周期充分相关联，则使线路侧和负载侧的连接无效。当线路侧和负载侧连接时，监测观察到的电流信号的RMS值，使得如果观察到的电流信号无法符合RMS阈值，则断开线路侧和负载侧。否则，通过在监测适用于保护设备的故障情况之前减去参考噪音周期，补偿观察到的电流信号。

Description

用于保护断路器中电流感测设备的被动故障监测的装置和 方法
技术领域
本发明涉及被动地监测保护断路器中电流感测设备和相关联的电路的完整性的方法和装置。
背景技术
电弧故障断路(AFCI)和接地故障断路(GFCI)是保护人及其住宅以免遭受电气故障带来的电击和火灾危险的不同、但同等重要的技术。
电弧故障通常限定为电流通过破损导体的两个端部之间、供给负载的两个导体之间、或者导体与地之间的电离气体。若干情况可以导致电弧故障，例如腐蚀、破损或老化的电线或绝缘体，松动的连接，因绝缘体中的钉子或卡钉造成的电线损坏，以及重复过载状况或放电导致的电应力等等。例如，当电气部件变得磨损或受损时，松动的零件起火花或电弧以保持电流，从而快速加热周围区域。这些火花可以点燃附近的电线绝缘体，引发可能会快速蔓延的火灾。AFCI设备(例如，AFCI断路器)检测因电弧故障造成的电流波动，并且断开电路以避免因电弧导致的电线火灾。
另一方面，当电流通过人或物从热导体流至地时发生接地故障。例如，当带电电路或电源电路接触地(例如，诸如螺钉或电线箱的接地金属)时，可能会发生接地故障，从而产生电击危险。GFCI插座在这类故障的毫秒内切断电路，从而避免杂散电流对人产生伤害。
GFCI插座或壁箱在住所中较为常见。电弧故障防护通常由AFCI断路器提供；然而，希望AFCI插座或壁箱在住所中变得更为常见。这些GFCI和AFCI设备设计成符合安全标准主体的要求，例如符合保险商实验室(Underwriters Laboratories)的要求或分别符合UL要求UL 943和UL 1699。
通常，保护断路器采用电磁耦合设备、例如铁或铁氧体芯电流互感器来感测交流电(AC)线路电流。来自感测设备的电信号经历模拟处理，例如缩放、过滤和积分，然后提供给监控电路，该监控电路负责用于确定故障状况在保护设备监测的配电电路上的存在。包括处理功能的电流感测设备和电子部件以及其间的互连存在潜在的故障点，应当监测这些潜在的故障点以便确保该保护断路器进行符合可适用的标准主体要求(例如UL 1699)的适当操作。
在接地故障断路器(后文也被称作“GFCI”)中，电流感测设备和相关联的电路的完整性通常被评估为操作者启动的自测试的一部分。在自测试过程期间，GFCI在常规操作中监测的实际故障状况，即热导体和中性导体之间的电流的不平衡，被GFCI内的测试电路可靠地重现。如果GFCI操作适当(包括电流感测设备和相关联的电路)，将检测到故障状况并且设备的负载侧将与线路侧断开；否则，将通过单独的监测电路提供保护设备故障的视觉指示，所述监测电路与监控电路并行操作。
在电弧故障断路器(后文中也被称作“AFCI”)中，待检测的故障状况，即电弧的存在，在最好的情况下也难以作为自测试功能的一部分在保护设备内以安全、可靠并且节约成本的方式重现。因此，诸如UL 1699的标准主体要求允许采取测试电路，该测试电路仿真电弧。更特别地，不同于由GFCI检测的电流不平衡的情况，电弧的存在不能由单一简单定义或单一波形描述。相反，电弧呈现为众多混乱现象，在最普遍的意义上，电弧可以描述成观察到的电流波形的特定失真。因此，AFCI设备中的电弧检测需要改进。
一些保护断路器可以进行自测试以确保故障监测部件是可操作的，但仅在线路侧和负载侧相连时并且通过应用仿真故障状况而这样做。需要一种被动地操作的保护断路器，即，即使在负载侧断开或者在线路侧和负载侧相连但负载吸收零电流时也进行某些自测试或部件完整性检查功能。换言之，需要一种保护断路器，其可以查明用于感测并调节观察到的用于故障监测的信号的电流感测设备、相关联的模拟电路和模拟数字转换器(ADC)电路的完整性，而不需要保护断路器停止工作。
此外，还需要改进的电弧故障检测电路，该电弧故障检测电路使用插座或壁箱内的极小空间并且符合诸如UL 1699的标准。
发明内容
通过本发明的阐释性实施例，克服上述及其他问题并且实现额外优点。
根据本发明的阐释性实施例，提供方法和装置来通过以下操作监测保护设备中的部件：将保护设备断路器中的线路热臂和线路中性臂中的至少一者电容耦合至电流感测线圈；当线路热臂和线路中性臂分别与保护设备断路器的负载热臂和负载中性臂断开时，分析由电容耦合操作产生的噪音信号，以便确定参考噪音数据；在线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开时，使用噪音信号和参考噪音数据监测保护设备断路器的线圈和模拟部件，模拟部件包括保护设备断路器中的数字处理器的模拟数字输入和模拟信号调节电路中的至少一者；当噪音信号相对于参考噪音数据符合第一指定标准时，使线路热臂和线路中性臂分别至负载热臂和负载中性臂的连接无效；当线路热臂和线路中性臂分别连接至负载热臂和负载中性臂时，分析来自线圈的电流信号；和当电流信号相对于参考噪音数据符合第二指定标准时，使线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开。
根据本发明的阐释性实施例的前述和/或其他方面，提供方法和装置来通过以下操作核查电弧：从电流信号减去包括参考噪音周期的参考噪音数据；和当电流信号不符合第二指定标准时核查来自减去操作的剩余信号用于电弧。
根据本发明的阐释性实施例的前述和/或其他方面，线圈可以是例如罗氏线圈。此外，线路热臂和线路中性臂中的另一者相对于线圈布置，以产生沿相同方向通过线路热臂和线路中性臂中的每一者的电流并增强观察到的电流信号。
根据本发明的阐释性实施例的前述和/或其他方面，参考噪音周期通过平均化在线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开时噪音信号的周期并且确定参考噪音周期和阈值来确定，所述阈值由参考噪音周期的均方根值表示。
根据本发明的阐释性实施例的前述和/或其他方面，第二指定标准对应于阈值，断开操作包括当电流信号小于阈值或大于阈值一选定量时将线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开。
根据本发明的阐释性实施例的前述和/或其他方面，监测操作包括使噪音信号与参考噪音周期相关联，第一指定标准对应于一选定阈值的关联度，当关联操作结果是关联度低于选定阈值时执行无效操作。例如，关联度的选定阈值是例如0.976。
本发明的额外和/或其他方面和优点将在下面的说明书中阐述，或者将通过说明书而显而易见，或者可以通过实践本发明而习得。本发明可以包括保护断路器和用于形成并操作保护断路器的方法，其具有上述方面中的一个或多个、和/或特征的一个或多个及其组合。本发明可以包括以上方面的特征和/或组合的一个或多个，正如例如在所附权利要求中记载的那样。
附图说明
参照附图所示的本发明的阐释性实施例，将更容易地理解本发明，其中：
图1A、1B和1C分别是根据本发明的阐释性实施例构造的保护断路器的前视图、侧视图和后视图；
图2是图1的保护断路器的分解图；
图3是设置在保护断路器中并且根据本发明的阐释性实施例构造的芯组件的俯视图；
图4A是图3的芯组件的等轴测视图；
图4B是图4A的芯组件的分解图；
图4C是图4B的芯组件的部分分解图，其中出于清晰目的，省略了图4B的一些部件；
图5是设置在图3的故障监测和断路器板上并且根据本发明的阐释性实施例构造的电气部件的示意图；
图6是由图3的故障监测和断路器板采用并且根据本发明的阐释性实施例构造的电容耦合的正弦噪音信号图；
图7是根据本发明的阐释性实施例构造的保护断路器的阐释性操作的流程图。
贯穿这些附图，同样的附图标记应理解成指代同样的元件、特征和结构。
具体实施方式
现在，将详细参考附图所示的本发明的实施例。通过参照附图，本文描述的实施例举例说明了本发明，但不是限制本发明。正如将被本领域技术人员理解的，诸如上、下、底和顶的术语是相对的并且被用来帮助阐释而不作为限制。
根据本发明的阐释性实施例，提供方法和装置来检测故障。此外，提供方法和装置，其被动地监测保护断路器中电流感测设备和相关联的电路的完整性以及监测AC线路电流以进行故障测试而不使保护设备停止工作，所述保护断路器例如是电弧故障断路器(AFCI)和接地故障断路器(GFCI)。
图1A、1B、1C、2和3示出了根据本发明的阐释性实施例构造的示例性保护断路器10。如图1A至1C所示，保护断路器10具有面板，所述面板带有两个三插脚出口(即，每个具有相位开口、中性开口和接地开口)、用于容置TEST和RESET按钮的开口、和带有安装耳的接地轭组件，并且保护断路器的尺寸设定成被紧固到标准壁箱或插座中。图2示出了面板和底部壳体之间的部件的分解图，所述部件包括按钮组件、安装部件、间隔件和整体以20标记的芯组件。从面板到标记为30的控制板，TEST和RESET按钮的机械路径以及带有相连负载的出口插孔的电气路径可以以传统的方式构造，正如例如设计用于安装在标准壁箱中的商用GFCI或AFCI产品那样，所述控制板是芯组件20的一部分。然而，芯组件20和控制板30根据本文描述的本发明的若干有利方面构造。
根据本发明的阐释性实施例，芯组件20包括印刷电路板30，该印刷电路板具有图5的示意图所示的电子部件和图3、4A、4B和4C所描绘的各个其他部件。出于清晰目的，省略了一些部件。例如，示出了用于控制继电器触头K1和K2、螺线管L2以及电流感测线圈L1。
参照图4A、4B和4C，芯组件20包括电流感测线圈L1，例如罗氏线圈，而非在许多现有保护断路器中更为常用的铁或铁氧体型环形线圈，芯组件还包括线路热臂K2和线路中性臂K1相对于线圈L1的有利布置。如图5的示意图所示，信号接地参考来自与线路热引线相对的线路中性引线。还如图5的示意图和图3的芯组件20所示，通过罗氏线圈L1的电流分别在热引线和中性引线两者上经由电刷K2和跳线E5被感测，从而使保护断路器10在缺乏接地的较老住所中可用。罗氏线圈L1是有利的一种线圈，这是因为相较于更大的铁或铁氧体芯电流互感器型感测线圈，罗氏线圈在保护断路器10中并因此在壁箱中需要的空间更少。尽管相较于铁或铁氧体型环形线圈，罗氏线圈L1可能更易于受到噪音影响，但是保护断路器10有利地使用噪音来监测故障和电流感测设备(例如，L1)及相关联的模拟电路和模拟数字转换(ADC)电路的完整性。更特别地，根据本发明的阐释性实施例，保护断路器10有利地使用噪音来被动地监测故障，也就是说，即使在保护断路器10的线路侧和负载侧断开时也能监测故障。此外，对线路热路径和线路中性路径都进行故障监测。
继续参照图3、4A、4B和4C，根据本发明的阐释性实施例并且如下面更详细地描述的，背景噪音被电容耦合到罗氏线圈L1作为测试信号。例如，如图3、4A和4B所示，可以通过使线路热臂K2的一部分(下文中被称为电刷)与线圈L1重叠来实现电容耦合。此外，线路中性臂K1提供有跳线E5(例如，由导电材料构成的延伸部)，该跳线相对于线路热臂K2和线圈L1放置，以便线路热引线和中性引线通过线圈的布线致使通过二者的电流沿相同方向，从而引起观察到的电流信号和由被线圈L1感测的电流产生的电磁场的增强，并因此引起改进的信号-噪音比率，改进的信号-噪音比率提供了增强的执行电弧检测的能力。还注意到，电容耦合噪音始终存在，使得罗氏线圈L1的模拟信号输出是电容耦合噪音和与感测到的经由线路热引线和中性引线通过线圈的线路电流成比例的信号的复合信号。这样，表示电容耦合噪音的平均周期在继电器触头K1和K2打开时在没有电流的情况下被确定，然后通过保护断路器10中的监控电路U3从复合信号减去该平均周期。通过该方法，监控电路U3既能够处理感测到的线路电流的真实表示，又能够被动地监测包括罗氏线圈L1和模拟数字转换器的模拟处理电路的完整性。
由于待检测的电弧状况是复杂的，根据本发明的一方面，提供一种持续并准确地仿真电弧故障的测试电路，该测试电路在软件中实施。参照图5，保护断路器10中的监控电路U3包括模拟数字转换器(ADC)和数字信号处理器(DSP)或等同的微处理器。ACD和DSP可以设置成结合在集成电路U3中，或者实施为单独的电路。监控电路U3中的ADC接收表示来自电流感测设备(例如，线圈L1)和下文描述的相关联的模拟处理电路的AC线路电流的遥测信号，并且将该遥测信号转换成数字数据样本流以便被监控电路U3中的DSP处理。
在正常操作状况下，监控电路U3中的DSP分析数字AC线路电流数据，以便识别电弧的存在。在操作者启动的自测试期间，DSP用在已知存在电弧(例如，在监控电路芯片U3的存储器中或外围存储设备中存储的电弧数据)时获取的预先记录的数据代替经由ADC接收的数据流。如果监控电路U3的其余部分适当地操作，将检测到电弧的存在，并且将使保护断路器10的负载侧从线路侧断开。像GFCI一样，可以经由单独的监测电路提供保护设备故障的视觉指示，所述监测电路与监控电路U3并行操作。由于来自ADC的数据在监控电路U3中被绕开，因此还必须要单独地监测ADC以及电流感测设备(例如，线圈L1)和相关联的模拟电路(例如，布置在线圈和监控电路U3之间的模拟处理电路)。如果在任一时间发现这些部件中的任何部件存在缺陷，立即使保护断路器10的负载侧从线路侧断开(例如，RESET按钮无效)。
根据本发明的阐释性实施例的有利方面，使用被动方法来监测电流感测设备和相关联的电路、包括参照图7描述的ADC的完整性。监控电路U3可以被编程或以其他方式构造成连同其他电路完整性测试操作和故障监测操作一起实施被动方法，出于简明目的，在此省略其他电路完整性测试操作和故障监测操作的细节。
将参照图5描述芯组件20的印刷电路板30上的电子部件。电源(例如，120V AC电源)可以连接至线路侧端子E1和E2，以在继电器线圈L2操作成闭合线路侧中性引线和热引线K1和K2与对应的负载侧端子E3和E4之间的接触部时对负载提供电力。如上所述，线路热臂K2和线圈L1形成电容耦合，当继电器触头打开时使用模拟缩放电路50和诸如监控电路U3的处理器评估所述电容耦合。线路热路径包括熔断器F1、电源52和检测电路54，该检测电路用于感测线路热引线电压和过零点并且将120V的正弦曲线例如缩放成0-3V的方波。检测电路具有至监控电路U3的中断输入和非中断输入。这些输入中的一个设置成使得监控电路U3中的DSP或嵌入式微处理器可以：1)确定是否存在过零点，和2)确定过零点是否合理，即，过零点是否发生在基于输入信号的检测样本预期发生的周期采样部分中。这是有益的，例如，当负载是调光器时。负载(例如，调光器)中的晶闸管在激活时可以产生被误认为是过零点的假信号。监控电路U3中的DSP或嵌入式微控制器可以被编程或以其他方式构造成用于确定感测到的过零点是否是与线性信号相关联的正当的过零点。
继续参照图5，芯组件20的印刷电路板30包括继电器控制电路56。当监控电路U3检测到电弧时，其生成脉冲输出到继电器控制电路中的SCR门，以操作L2并且可控地打开继电器触头K1和K2。如上所述，感测线圈L1是罗氏线圈，其带有处理电路，用于模拟输入至监控电路U3中的两个模拟数字转换器(ADC)输入。模拟处理电路具有低电流(LC)和高电流(HC)模拟调节部件，这是因为LC和HC感测都由保护断路器10执行。UL安全标准要求的测试中，导体被缩短。需要HC感测，这是因为例如用于熔断器面板的电源是500amps。然而，需要LC感测，用于负载的正常操作范围(例如，15-30amps)，以及用于UL测试的500amps的并行处理和缩放。因此，保护断路器10中的监控电路U3的ADC构造成适应较宽的动态范围。
参照图7的框100，在没有负载的情况下，没有电流被吸收经过电流感测设备(例如，线圈L1)，并且理想地，监控电路U3中的ADC的输出将表示连续的0-Amp水平。然而，如上所述，未屏蔽的电流感测设备L1和附近的导体(例如，K2)之间的电容耦合可能导致在ADC输出处出现非零振幅的正弦“噪音”信号，即使没有电流被吸收经过感测设备L1。可以利用图4A和图4B所示的罗氏线圈电流传感器(L1)、感测到的线路侧热引线刷(K2)和线路侧中性引线延伸部或电刷(K1)的物理布置观察到这种效果。罗氏线圈是有利的，这是因为带有铁或铁氧体芯的感测线圈会是低阻抗设备，其不那么易受电容耦合影响。
参照图7的框102，由监控线圈U3确定平均噪音参考周期和周期的均方根(RMS)阈值。在没有电流被吸收经过热引线电刷(K2)的情况下，图6所示的电容耦合的正弦噪音信号可以在ADC的输出处观察到。图6中举例说明的噪音信号的相位和振幅可能因部件公差的缘故而随着单元的不同而变化，并且因环境不同(例如，安装在金属导管箱中与安装在塑料导管箱中相比)的缘故而随着应用的不同而变化。出于阐释性目的，图6仅示出了60Hz的单一典型周期，并且在该特定情况下观察到的噪音信号的缩放振幅是780mArms。图6的波形是单个周期的预期波形，并且作为噪音参考周期被存储在存储器中以为监控电路U3提供表示预期噪音的参考波形。一旦确定，监控电路U3就被编程或以其他方式构造成利用噪音参考周期的RMS值设定阈值(例如，1Arms+/-25％)，该阈值用于在负载侧和线路侧断开时监测电路感测设备和相关联的电路的完整性。注意到，当负载侧和线路侧连接时，即使在不存在负载电流时，由于电容耦合噪音的存在，观察到的RMS电流振幅也应始终显示为大于750mArms。
参照图7的框104，通过确定在线路侧和负载侧断开(即，满足第一标准)时是否出现正弦噪音信号的延长缺失，监控电路U3被动地监测电流感测设备L1、相关联的模拟电路(例如，图5的模拟缩放电路)和U3中的ADC的完整性。例如，当在采集25个周期的有效数据之后所计算的均值与预期波形相关联并且未能满足0.976的最小阈值要求时，可以暗示或指示存在延长缺失。对于这种确定，例如，监控电路U3被编程或以其他方式构造成在线路侧和负载侧断开时使观察到的噪音信号和预期波形(即，存储在存储器中的图6举例说明的噪音参考周期)相关联。监控电路U3通过确定电流的平均周期而获得观察到的噪音信号，所述平均周期表示当继电器触头打开时在其LC A/D转换器输入处存在的电容耦合噪音。使用的默认过零点偏置值为58，并且采集25个周期的有效数据，通过该数据计算出表示噪音的平均周期并且储存该平均周期用于LC A/D输入，以便与表示预期噪音(例如，图6)的参考波形相关联。如果关联结果符合或超过0.976的阈值，则罗氏线圈L1和相关联的模拟电路被认为正在适当地工作，RESET按钮是有效的；否则，RESET按钮是无效的，使得后续按压RESET按钮不会导致锁住继电器触头，正如框106所示。给予低电流感测A/D输入的信号的大小是给予高电流感测输入的信号的大小的约16.943倍。这使得电容耦合噪音信号的关联性测试不可靠，这是因为高电流输入的全量程约为500Arms，并且噪音信号预期约为1Arms+/-25％。通过比较针对采样信号而计算的RMS值和针对在低电流A/D输入上采样的同一信号而计算的RMS值来验证高电流A/D输入。如果由高电流A/D输入产生的RMS值不在由低电流A/D输入产生的RMS值的+/-10％内，则高电流模拟电路被确定为存在故障，并且监控电路U3将使负载侧与线路侧断开。
根据本发明的阐释性实施例的有益方面并且参照图7的框108和110，电流感测设备(例如，线圈L1)、相关联的模拟电路(例如，布置在线圈和监控电路U3之间的模拟缩放电路)、和监控电路U3中的ADC的完整性通过以下被动地验证：(1)监测正弦信号(例如，上述的观察到的噪音信号)的延长缺失，和(2)监测观察到的信号的RMS值以便确定其是否落在由特定于单元(例如，由于保护断路器10的部件及其在这类壁箱中的特定部署的变化)的观察到的噪音信号设定的范围之外。如上所述，通过监控电路U3能最可靠地核查第一种情况(1)，所述监控电路测量在保护设备的负载侧和线路侧断开时观察到的噪音信号与单个周期的预期波形(例如，图6所示的波形)之间的关联度。当负载侧和线路侧连接时，核查第二种情况(2)(例如，在操作者启动的重置功能期间)。参照图7的框110和112，监控电路U3被编程成或以其他方式构造成观察线路信号并减去噪音参考周期。
保护断路器10是有利的，这是因为其考虑了观察到的背景噪音的存在以确保保护设备的适当操作。更特别地，噪音信号的存在可以干涉由监控电路U3进行的电弧检测，尤其是当由负载吸收的电流接近或小于电容耦合噪音信号的RMS值时。为此，通过在核查观察到的数据中存在电弧之前在各个周期基础上分析观察到的电流并且减去噪音参考周期来补偿噪音的影响，其中所述噪音参考周期表示特定于单元及其应用的预期电容耦合噪音。
参照图7的框114，如果符合第二种情况(例如，观察到的信号的RMS值明显下降为低于特定于单元和应用并且储存为RMS阈值的观察到的噪音信号的RMS值)，则如框116所示，保护断路器10的负载侧立刻与线路侧断开，并且如框100所示核查第一种情况。只要在负载侧和线路侧断开时符合第一种情况，负载侧便不会重新连接至线路侧。当负载侧和线路侧断开时，如果发现观察到的噪音信号与预期波形充分地相关联，新的RMS阈值范围被确定(例如，重新计算噪音参考波形)用于评估第二种情况，然后允许在后续操作者启动的重置功能期间将负载侧重新连接至线路侧。新确定的RMS阈值范围不可能明显改变。确实，预期1Arms+/-25％的固定范围足够用于故障评估的目的。如果不符合第二种情况，那么对观察到的信号进行电弧评估。例如，监控电路U3中的DSP可以分析数字线路电流数据，以通过比较该数据与存储的预记录数据而识别电弧的存在，或者通过利用表示与电弧相关的电流波形中的预期失真的参数进行处理而识别电弧的存在。所分析的数据可以是取代数据，其表示在自测试期间使用的电弧。继续参照图7的框114，如果不符合第二种情况，那么从电流信号中减去包括参考噪音周期的参考噪音数据(框112)，对减去之后保留的信号进行电弧核查(框118)。
如本文描述的，保护断路器10是有利的，因为其考虑了在各个单元基础上影响观察到的背景噪音的部件公差变化，考虑了在各个应用安装基础上影响观察到的背景噪音的环境变化(例如，当符合第二种情况时在断开线路侧和负载侧之后，重新计算噪音参考波形)，以及还考虑了观察到的背景噪音的存在用以确保保护设备的适当操作。此外，保护断路器10所采用的电容耦合噪音信号是有利的，这是因为在保护断路器10的负载侧与线路侧断开时(例如，在保护断路器10安装期间、在成功执行操作者启动的自测试之后、以及在线路电流中检测到故障情况之后的跳闸情况期间)，该信号基本在任何时候都是存在的并且可观察。此外，在负载侧和线路侧连接的正常操作情况下，该信号基本在任何时候都是存在的并且可观察，在这期间，负载没有吸收电流。更特别地，在所有操作情况下，应该决不存在缺少正弦信号的延长时间或者观察到的信号(来自线圈L1的遥测信号)的RMS值下降为显著低于特定于单元及其应用的观察到的噪音信号的RMS值(固定下限为750mArms)的延长时间，观察到的信号也不应该变得过大(在继电器触头打开时的固定上限为1.25Arms)。
本文描述的装置和方法是本发明的阐释性实施例，其：(a)允许以节约成本的方式符合标准主体测试功能要求，例如UL 1699；(b)不要求为了部件完整性评估而使保护设备停止工作；(c)连续监测电流感测设备及相关联的电路，并且如果监测到这些部件中的任何部件的故障，则立刻使负载侧与线路侧断开；(d)使用电容耦合到电流感测设备中的背景噪音作为测试信号；和(e)使用罗氏线圈作为电流感测设备，以便相较于铁或铁氧体芯电流互感器型感测线圈而言提供对测试信号的电容耦合的增强的敏感性。
根据本发明的阐释性实施例的另一方面，提供一种用于保护断路器10的制造测试程序，其进一步举例说明考虑随单元不同而产生的部件公差变化，并且采用电容耦合噪音信号用于在各个单元基础上被动地评估诸如电流感测设备(例如，线圈L1)的模拟前端电路以及诸如图5的模拟缩放电路和监控电路U3中ADC的LC和HC感测A/D输入的模拟设备。简要地，在组装保护断路器10(例如，AFCI单元)之后，内部继电器触头(例如，K1和K2)将处于打开状态，使得负载侧与线路侧断开(例如，RESET按钮处于出来的或延伸的位置)。在该情况下，可以通过首先将已知负载(例如，10Amp RMS电阻负载)连接至完成的单元10的负载侧，然后将线路侧热连接部、中性连接部和(如果可用)地连接部接线到商用A/C电源，而进行完成的单元10的制造测试。在单元10的第一次通电时，固件(例如，与监控电路U3分离的或设置在监控电路U3中的)进行任何适用的接线测试。一旦通过测试，固件就在LC和HC感测A/D转换器的前端处进行罗氏线圈L1和相关联的模拟电路的评估。接着，在对模拟前端电路的评估有成功结论之后，可以启动针对感测到的线路电流的振幅和相位两者对单元10进行校准。对模拟前端电路的评估包括测量从线路侧热引线或热臂K2电容耦合到罗氏线圈L1中的噪音。在继电器触头打开时针对LC和HC感测A/D转换器两者确定表示60Hz噪音的平均波形。随后，从在相应A/D输入处采集的数据减去噪音参考波形。在该噪音补偿处理之后，数据表示由罗氏线圈感测到的实际线路电流，可以对已知负载进行所测量的线路电流振幅和相位的校准。
例如，在第一次对单元施加商用A/C电源之后开始模拟前端电路的评估。固件确定电流的平均周期，所述平均周期表示在继电器触头打开时在LC和HC感测A/D转换器两者处存在的电容耦合噪音。使用的默认过零点偏置值为58，并且采集25个周期的有效数据，从该数据计算表示噪音的平均周期并且针对每个A/D输入存储该平均周期。然后，使针对LC感测A/D输入计算的平均噪音周期与表示预期噪音的参考波形相关联。如果关联结果符合或超过0.976的阈值，则罗氏线圈L1和相关联的模拟电路被认为是适当地工作，并且RESET按钮是有效的；否则，后续按压RESET按钮将不会导致继电器触头的锁住。
在按压RESET按钮之后开始振幅校准处理。如果对罗氏线圈L1和相关联的模拟电路的评估是成功的，则螺线管L2启动并将继电器触头K1和K2锁定在闭合状态，使得单元10的负载侧连接至线路侧，并且在负载侧螺丝端子和面板出口两者处观察到商用A/C电源。在继续使用58的默认过零点偏置值时和在连接已知的10Amp RMS电阻负载的情况下，固件随后从LC感测A/D输入观察25个周期的有效数据，并且在补偿电容耦合噪音之后，计算表示负载电流的平均周期。然后确定该平均负载电流周期的RMS值，并且将该RMS值与已知10AmpRMS负载的预期RMS值相比较。如果测量值在预期值的+/-10％内，则测量值被存储作为振幅标定因子以用于低电流感测A/D输入。否则，螺线管启动以便使负载侧与线路侧断开，这是因为模拟电路中存在问题，或者已知负载不在10Amp RMS+/-10％的范围内。如果发生这种情况，可以再次按压RESET按钮以便重复振幅校准，直到成功地确定振幅校准因子。同时，以与LC感测振幅校准相同的方式进行HC感测A/D输入的振幅校准。
在成功确定振幅校准因子之后，进行线路电流测量结果的相位校准。通过操纵过零点偏置参数实现对线路电流测量结果的相位相对于检测到的线路电压中的下降沿过零点的控制。过零点偏置值表示A/D采样间隔的数目，所述采样间隔用于延迟对出现由线路电压过零点检测电路产生的中断之后的60Hz电流周期的开始的识别。线路电压过零点检测电路中断与线路电压中的实际过零点之间的名义延迟预期为约1.21ms，其对应于48k样本/秒速率下的58A/D采样间隔的默认过零点偏置值。
在相位校准处理期间，过零点偏置值在步骤中的变化范围为46到76。在每个偏置值处，从LC感测A/D输入采集25个周期的有效数据，并且在补偿电容耦合噪音之后，计算表示由已知电阻负载产生的线路电流的平均周期。随后，使该平均周期与参考波形相关联，所述参考波形表示由电阻负载产生的预期线路电流。关联性结果最大的过零点偏置值被存储为相位校准过零点偏置。
在相位校准处理期间，使用平均周期进行数据的噪音补偿，所述平均周期表示利用设定为58的名义值的过零点偏置获得的噪音。这样做是为了避免让操作员对于评估范围内的每个过零点偏置值都手动地循环TEST和RESET按钮，这会显著增加进行制造测试和校准程序所需的时间。仿真表明，使用固定的噪音补偿周期而非针对每个偏置值计算新的噪音补偿周期的影响是可以忽略不计的。关联性结果中的最大误差预期小于0.001，发生在46到76的过零点偏置范围的第一点和最后一点处。利用反相放大器增益级，给予LC感测A/D输入的信号从给予HC感测A/D输入的信号导出。给予LC感测A/D输入的信号的大小是给予HC感测A/D输入的信号的大小的约16.943倍。HC感测A/D输入的振幅校准因子预期在LC感测A/D输入的振幅校准因子除以16.943的10％内。
根据本发明的阐释性实施例的有利方面，由于控制继电器线圈L2的方式，处理在线路电压中的下降沿过零点上采样的电流数据允许使跳闸时间响应达到优化。由于UL1699表40.1规定的跳闸时间限制、尤其是在较高测试电流处的跳闸时间限制的缘故，这是重要的。参照图5，由于存在如图所示的二极管CR9，螺线管L2仅能够在线路电压的正半周期(线路热相对于线路中性)期间由继电器控制电路56给通电。使螺线管L2能够通电的控制信号通过监控电路U3确立12ms；这确保在控制信号被确立的周期期间，无论何时，控制信号都保持确立足够长时间以便继电器控制电路56在线路电压的正半周期期间给螺线管L2通电。表示监测电流的全周期的采样数据的处理在线路电压的下一个后续周期开始时启动，并且在一个半周期内完成(例如，8.33ms)。一旦处理了最近一周期的数据，就可以作出有关是否应该给螺线管L2通电的决定，因为已经检测了电弧故障。如果随后在线路电压的上升沿过零点上开始数据处理，则其将在负半周期期间完成，从而在螺线管L2可以被通电以打开继电器触头K1和K2之前导致高达一个半周期(8.33ms)的延迟。另一方面，如果在下降沿过零点上开始数据处理，则其将在线路电压的正半周期期间完成，从而允许螺线管L2在通过监控电路U3确立控制信号后立即通电。因此，从下降沿过零点而非上升沿过零点处理数据有利地优化了电弧故障检测的跳闸时间响应。
参照可编程设备(例如，保护断路器中的计算机化监控电路)处的操作，已经描述了本发明的阐释性实施例。然而，应理解，本发明的阐释性实施例还可以实施为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是能够存储数据的任何数据存储设备，所述数据可以随后由计算机系统读取。计算机可读记录介质的示例包括但不限于：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、DVD、磁带、软盘、光学数据存储设备。可以预期本发明的各个方面可以实施为载波(例如，数据经由有线或无线传输路径传输通过网络)。计算机可读记录介质还可以分布在网络联接的计算机系统中，使得计算机可读代码以分布方式存储并执行。
根据本发明的阐释性实施例采用的阐释性装置的部件和方法可以至少部分地实施在数字电子电路、模拟电子电路中，或者实施在计算机硬件、固件、软件中，或者实施在其结合中。这些部件可以例如实施为计算机程序产品(例如计算机程序、程序代码或计算机指令)，其切实地实施在信息载体中、或者实施在机器可读存储设备中，以便被数据处理装置(例如可编程处理器或计算机)执行、或者控制数据处理装置的操作。计算机程序可以以任意形式的编程语言写入，所述编程语言包括编译语言或解释语言，并且计算机程序可以以任意形式部署，包括部署为独立程序或者部署为模块、部件、子程序、或适于在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可以部署成在一个计算机或多个计算机上执行，所述计算机位于一个地点或者分布在多个地点并且通过通信网络互连。此外，用于完成本发明的功能性程序、代码和代码片段可以被本发明所属的本领域程序员容易地认为包含在本发明的范围内。与本发明的阐释性实施例相关联的方法步骤可以由一个或多个可编程处理器执行，所述处理器执行计算机程序、代码或指令以执行功能(例如，通过对输入数据进行操作和/或生成输出)。方法步骤还可以由特定用途逻辑电路执行，并且本发明的装置可以实施为特定用途逻辑电路，所述特定用途逻辑电路例如是FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。
适于执行计算机程序的处理器例如包括通用或特定用途微处理器和任何种类的数字计算机的任意一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或二者接收指令和数据。计算机的主要元件是用于执行指令的处理器和用于储存指令和数据的一个或多个存储设备。通常，计算机还将包括用于储存数据的一个或多个大容量存储设备，或者操作性地联接以从用于储存数据的一个或多个大容量存储设备接收数据或将数据传递至大容量存储设备，或二者都有，所述大容量存储设备例如是磁盘、磁光盘或光盘。适于实施计算机编程指令和数据的信息载体包括所有形式的非易失性存储器，包括例如：半导体存储设备，例如EPROM、EEPROM和闪存存储设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；和CD-ROM盘和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以是特定用途逻辑电路的补充，或者包含在特定用途逻辑电路中。
上述描述和附图旨在仅以示例的方式说明，而不旨在以任何方式限制本发明，除了下文权利要求中阐释的那样。尤其注意到，本领域技术人员可以容易地结合以许多其他方式描述的各个阐释性实施例的各个元件的各个技术方面，所有这些都被认为包括在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种用于监测保护设备断路器中的部件的方法，包括：
将保护设备断路器中的线路热臂和线路中性臂中的至少一者电容耦合至电流感测线圈；
当线路热臂和线路中性臂分别从保护设备断路器的负载热臂和负载中性臂断开时，分析由电容耦合产生的噪音信号，以确定参考噪音数据；
在线路热臂和线路中性臂分别从负载热臂和负载中性臂断开时，通过监测由电容耦合产生的噪音信号并且使用噪音信号和参考噪音数据，监测保护设备断路器的线圈和模拟部件，所述模拟部件包括保护设备断路器中的数字处理器的模拟数字输入部和模拟信号调节电路中的至少一者；
当噪音信号符合关于参考噪音数据的第一指定标准时，使线路热臂和线路中性臂分别至负载热臂和负载中性臂的连接无效；
当线路热臂和线路中性臂分别连接至负载热臂和负载中性臂时，分析来自线圈的电流信号；和
当电流信号符合关于参考噪音数据的第二指定标准时，使线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
从电流信号减去包括参考噪音周期的参考噪音数据；和
当电流信号不符合第二指定标准时核查来自减去操作的剩余信号用于电弧。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，线圈是罗氏线圈。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，线路热臂和线路中性臂中的另一者相对于线圈布置，以产生沿相同方向通过线路热臂和线路中性臂中的每一者的电流并增强观察到的电流信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，参考噪音周期通过平均化在线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开时噪音信号的周期并且确定参考噪音周期和阈值来确定，所述阈值由参考噪音周期的均方根值表示。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，第二指定标准对应于该阈值，断开操作包括当电流信号小于该阈值或大于该阈值一选定量时将线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，监测操作包括使噪音信号与参考噪音周期相关联，第一指定标准对应于一选定阈值的关联度，当关联操作结果是关联度低于该选定阈值时执行无效操作。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，关联度的选定阈值是0.976。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，分析电流信号的操作包括：
启动采样数据的分析，所述采样数据包括施加于保护设备断路器的线路电压的下一周期开始时的电流信号的完整周期；和
确定是否操作继电器线圈以打开保护设备断路器的线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂之间的接触部。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，能够在线路电压的正半周期期间给继电器线圈通电，并且在线路电压的下降沿过零点上启动分析操作以有助于在线路电压的正半周期期间完成该分析操作并促进继电器线圈的通电。
11.一种保护设备断路器，包括：
经由开关设备分别连接至负载热臂和负载中性臂的线路热臂和线路中性臂；
电流感测线圈，线路热臂和线路中性臂中的至少一者电容耦合至电流感测线圈；
处理器；和
用于调节代表由线圈感测到的电流的信号以便由处理器进行处理的模拟部件，所述模拟部件包括处理器的模拟数字输入部、模拟数字转换器和模拟信号调节电路中的至少一者；
其中，处理器构造成：
当线路热臂和线路中性臂分别与保护设备断路器的负载热臂和负载中性臂断开时，分析由电容耦合产生的噪音信号，以确定参考噪音数据，
在线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开时，通过监测由电容耦合产生的噪音信号并且使用噪音信号和参考噪音数据，监测保护设备断路器的线圈和模拟部件，
当噪音信号符合关于参考噪音数据的第一指定标准时，使线路热臂和线路中性臂分别至负载热臂和负载中性臂的连接无效；
当线路热臂和线路中性臂分别连接到负载热臂和负载中性臂时，分析来自线圈的电流信号；和
当电流信号符合关于参考噪音数据的第二指定标准时，操作开关设备使线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开。
12.根据权利要求11所述的保护设备断路器，其中，处理器构造成从电流信号减去包括参考噪音周期的参考噪音数据，并且当电流信号不符合第二指定标准时核查来自减去操作的剩余信号用于电弧。
13.根据权利要求11所述的保护设备断路器，其中，线圈是罗氏线圈。
14.根据权利要求11所述的保护设备断路器，其中，线路热臂和线路中性臂中的另一者相对于线圈布置，以产生沿相同方向通过线路热臂和线路中性臂中的每一者的电流并增强观察到的电流信号。
15.根据权利要求11所述的保护设备断路器，其中，处理器平均化在线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开时噪音信号的周期并且确定参考噪音周期和阈值，所述阈值由参考噪音周期的均方根值表示。
16.根据权利要求15所述的保护设备断路器，其中，第二指定标准对应于该阈值，处理器构造成操作开关设备以在电流信号小于该阈值或大于该阈值一选定量时使线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂断开。
17.根据权利要求11所述的保护设备断路器，其中，处理器使噪音信号与参考噪音周期相关联，第一指定标准对应于一选定阈值的关联度，当关联操作结果是关联度低于该选定阈值时，处理器执行使线路热臂和线路中性臂分别至负载热臂和负载中性臂的连接无效的操作。
18.根据权利要求11所述的保护设备断路器，其中，关联度的选定阈值是0.976。
19.根据权利要求11所述的保护设备断路器，其中，分析电流信号的操作包括：
启动采样数据的分析，所述采样数据包括施加于保护设备断路器的线路电压的下一周期开始时的电流信号的完整周期；和
确定是否操作继电器线圈以打开保护设备断路器的线路热臂和线路中性臂分别与负载热臂和负载中性臂之间的接触部。
20.根据权利要求19所述的保护设备断路器，其中，能够在线路电压的正半周期期间给继电器线圈通电，并且在线路电压的下降沿过零点上启动分析操作以有助于在线路电压的正半周期期间完成该分析操作并促进继电器线圈的通电。
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