CN108701983A - 一种电弧故障电流检测器 - Google Patents

Abstract

一种用于具有至少两个供电导体(P1，P2)电源的电弧故障电流检测器，包括：线圈(L1)，设置在至少一个导体附近但不围绕其上，并且与其电感耦合。连接到线圈的电路(14)，用于检测线圈中感应的信号，该信号具有与电源中的电弧故障相对应的频率特性。

Description

一种电弧故障电流检测器

技术领域

本发明涉及一种电弧故障电流检测器。

背景技术

电弧放电是打开或关闭负载或设备或运行特定类型的设备，例如电动机等的正常功能。这种电弧放电并不危险，通常不会造成电气火灾威胁。另一方面，持续的电弧故障电流可能引起火灾威胁，并且最好在造成严重火灾危险之前能够被检测出来和中断，这是电弧故障电流检测器的功能。

US8743513(参考：WA/47A)描述了一种用于检测电弧故障电流的技术，并且还描述了其他发明人采用的各种技术。在所引用的绝大多数示例中，电流互感器用作主传感器，用于检测由电弧故障电流引起的信号。电流互感器(CTs)提供了一种检测电弧故障电流的简单方法，但它们往往体积大且昂贵，并且主导体通过CTs孔径会产生空间，可制造性和成本等问题。

与一个或多个主导体串联放置的分流器也已用于检测由电弧故障电流引起的信号。使用分流器作为检测装置会在电子检测电路上出现高电压，并可能出现隔离问题，并且在一个以上的导体上使用分流器在技术上也是非常具有挑战性的。由于这些和其他原因，分流器很少用于电弧故障电流检测。

US6972572描述了一种技术，使用与至少一个供电导体串联的电感器，并且从串联电感器获得由电弧故障电流产生的信号。应当注意，检测电路直接连接在主导体的电感器部分上，这可能导致电子检测电路上出现高电压，并可能出现隔离问题。

US2004/0156153公开了一种电弧故障检测系统，包括拾取线圈，用于感测和拾取来自电力电缆的宽带电弧故障信号并将该信号提供给放大器。放大的信号被施加到高通滤波器，以仅使高于预定频率的频率分量通过。然后使用多个非谐波相关的中心频率将高通频率分量应用于带通滤波器，以产生窄频率切片的信号。对每个信号片进行整流以产生DC电平信号。可以使用电平检测器对每个DC电平信号进行检测。使用逻辑矩阵，当来自事件的所有DC电平信号指示检测时，可确定电弧故障，而来自电源和地源的信号指示无系统噪声。

发明内容

根据本发明，提供了一种根据权利要求1的电弧故障电流检测器。

本发明的实施例使用一个或多个电感器来检测电弧故障电流，电感器仅用作检测装置而不需要承载与一个负载或受保护电路相关的电流或电压。不会遇到隔离问题，并且电感器可以相对较小且便宜并且减轻了上面概述的许多问题。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述本发明的实施例，其中：

图1是说明本发明的操作原理的基本实施例。

图2至6是本发明越来越复杂的实施例的电路图。

图7是实施例中使用的微处理器控制单元(MCU)的图。

图8(a)和8(b)示出了在本发明的实施例中使用的高频和低频电感器L1，L2及其它们的相应电路符号。

具体实施方式

图1示出了从主电源连接到负载10的两个导体P1和P2。导体可以是单相系统的带电和中性导体，或者是两相系统的1相和2相导体。包括缠绕在线轴12(图8(a)和8(a′))上的线圈W1的电感器L1放置在两个导体P1，P2附近。然而，导体P1，P2既不通过线圈W1也不是线圈电连接到导体中的任何一个。线圈14的芯(即线轴16的中心)可以是空气，但最好是磁响应材料，如铁氧体。在图8(a)和8(a′)中，绕组W2是可选的测试绕组，并且将在后面描述，以及图2至6中P1的左侧的测试电路。

线圈W1连接到电子电路14以检测由线圈产生的任何信号。导体P1上所示的点X表示导体中的断裂，该断裂可以间歇地闭合和打开，从而在导体内产生电弧。可以证明，通过适当选择电感器L1的特性，电感器可以响应于宽范围的频率内的电弧电流产生输出信号，该频率电流进入MHz范围，即大于1Mhz的频率。L1由于自身或寄生电容而在MHz范围内谐振，或者可以通过可选地添加电容器C1来促使在该范围内谐振，如图2所示。电感器输出信号可以由电子电路14检测。应注意，电感器和任一主导体之间没有直接的电连接。

因此，这种简单的技术可以单独用于检测电弧故障电流。但是，对于实际应用，电弧故障电流检测器需要满足各种产品标准的要求，如UL1699或IEC 62606等。这些标准规定了电弧故障电流检测水平，清除故障的响应时间，检测具有并联负载的电路上的电弧故障电流，并测试在某些负载如电动工具和真空吸尘器等运行期间出现的无故障电弧时是否存在滋扰或误跳闸的抗扰度。

图2显示了图1中概述的电弧电流检测技术如何用作更实用的电弧故障电流检测电路的基础。

通常，在图2中，来自L1的高频(MHz)模拟信号由放大器电路U1放大，并由比较器U2转换为数字信号MCU1。来自U2的输出信号可以在0V和V+之间摆动。微控制器通过检查脉冲宽度和周期来分析信号MCU1，并寻找具有电弧故障电流典型频率特性的信号模式。

更具体地，两个主电源导体P1和P2紧邻电感器L1放置，并且可以有利地放置在L1的相对侧，如图1所示。在P1或P2中流动的电弧故障电流将能量引入L1，具有非常宽的频谱，最高可达MHz范围。由于自身或寄生电容，L1在频率上谐振到MHz范围，或者可以通过可选地添加电容器C1来促使L1在该范围内谐振。在任何情况下，最终的输出优选地通过包括电阻器R1的L1上来抑制。由L1产生的结果信号经由电容器C2交流耦合到AC放大器U1，U1的增益由R4，R5和C3设定。U1的输入通常与电阻器R2和R3设定的+v和0v之间的电压电平相关联，结果是该节点可以围绕该DC电平摆动正或负，这由通过C2传递到该节点的信号确定。U1的输出交流耦合到比较器U2，比较器U2将在宽频谱上产生一系列正向脉冲。这些脉冲可以直接馈送到微处理器控制单元(MCU)的输入MCU1，如图7所示，MCU可用于分析脉冲并确定各个脉冲宽度，脉冲突发的持续时间，区分宽脉冲和窄脉冲或脉冲的重复率或脉冲的频率，以确定何时出现电弧故障电流，而不是与电器开关相关的正常电弧放电等。当MCU确定电弧故障电流出现，它可以输出FAULT信号，该信号可以用于激活警报或激活断路装置，例如断路器，接触器或继电器，以断开电源并终止电弧故障电流。这些技术对于本领域技术人员来说是熟悉的。

可能希望MCU在与市电供应相关的间歇时间段期间执行其分析，例如对于主电源的一部分或一个或多个半周期。图3示出了如何在电阻器R9和齐纳二极管D2从一个电源导线连接到电子电路的0V电源的情况下非常简单地完成这一点，而不对图2的检测装置进行任何显著改变，与图3保持一致。这将产生一系列脉冲，可以馈送到MCU的输入MCU2。作为响应，MCU将仅在MCU2上发生脉冲期间执行其分析。在图3中，D2的击穿电压小于MCU的电源电压。

图4示出了用于在保持图2和3的检测装置的同时区分正常电弧和电弧故障电流的另一种方法。

U2的输出连接到U2的+ve输入，并通过电阻R8和R7接地，结果是U2具有滞后，当U2的输出改变状态时，U2的+ve输入会改变。初始上电时，U2的-ve输入被拉至接地，因此U2的输出将为高电平。二极管D1保护U2免受输入端的负电压影响。从U1到达的信号将正向和负向摆动，超过U2+ve输入的正向信号将导致U2输出变低。这将导致不同频率的正向脉冲和变化的脉冲宽度出现在U2输出端。如前所述，L1产生的信号可以延伸到MHz范围，因此U2输出脉冲也可以延伸到这个水平。

众所周知，家庭中的电源线目前通常用于家庭周围的信号传输，例如，在没有提供调制解调器等的房间中替换的使用。插件适配器通常用于此类应用，因为它们可以安装在家中任何房间的任何插座中，以方便接收以太网信号。这些信号可以通过图2或图3的简单电路检测到，并且可能被误认为电弧故障电流信号并导致电弧故障电流检测器的误跳闸。

在图4中，电阻器R11和电容器C5形成第一滤波器，该滤波器将使频率高达第一级F1的脉冲通过，第一级F1的滚降频率延伸到MHz范围并捕获由L1产生的大部分脉冲。这些脉冲作为输入MCU3馈入MCU。电阻器R12和电容器C6形成第二滤波器，其将以高达第二电平F2的频率传递脉冲，第二电平F2优选地具有比F1更低的滚降频率。由此可知，通过操纵R12和C6的值，可以将F2的滚降频率设定为高于并包括F1值的任何值。F2脉冲作为输入MCU4馈送到MCU。

可以对MCU进行编程，使得MCU忽略基本上所有达到F2滚降频率的脉冲，结果是MCU仅在F2的滚降频率和F1的滚降频率之间看到频率窗口中的脉冲。这些脉冲的频率和脉冲宽度会有所不同。这种设置的效果是产生一个可见窗口，该窗口可以排除由主电源信令设备(如以太网电力线发射机等)产生的信号。

为了区分正常电弧和电弧故障电流，电路可以经受一系列电弧放电条件，从开关电器或设备开启和关闭到运行电机，以创建真正的电弧故障电流等，然后MCU可以被校准以忽略正常的电弧放电并仅响应电弧故障电流。

可以看出，当两个导体P1和P2如图所示耦合到L1时，在没有添加特定电流检测或测量装置的情况下，获得负载水平或电弧故障电流的精确测量可能是不实际的。知道电弧故障电流的水平以便提供另一级别的鉴别将是有利的，使得可以忽略低于某一水平的电流并且仅考虑高于某一水平的电弧故障电流用于检测，从而降低滋扰绊倒的风险。图5示出了用于提供这种区分的布置。

L2是第二电感器，用于指示负载电流的大小并产生指示电弧放电的信号。在这种情况下，其中一个承载导体为P2，P2绕电感器的外部环绕，以便以功率(例如电源)频率将信号引入电感器；见图8(b)和图8(b′)。如图所示的循环在P2和线圈W1之间提供了更接近的电感耦合，在本实施例中，线圈W1是检测电源频率信号所必需的。然而，在所有实施例中可能不需要这种循环。在电弧放电条件下，更高频率的信号也会被引入L2。C7和L2形成调谐电路，其优选地具有10KHz至150KHz范围内的谐振频率，但无论如何都响应于该范围内的电弧电流。这是比图2产生的频谱窄得多的频谱，并且还以更低的频率为中心。假设在导体P2中流动的电流高于某一水平，则C7上的合成输出将具有由低通滤波器R13，C8检测的功率频率分量，并将相应的信号作为输入MCU6馈送到MCU。在电弧放电条件下，在10KHz至150KHz范围内产生的信号将由电容器C9馈送到比较器U3，当输入信号超过Vref1电平时，U3将产生相应的输出脉冲。这些脉冲将作为输入MCU5馈入MCU。因此，由L2驱动的电路将提供功率频率的指示，例如，50Hz或60Hz，工频电流的大小，以及电流高于某一阈值的电弧故障的存在。

然后可以可选地对MCU进行编程，以便仅在MCU1，MCU2，MCU5和MCU6都存在时产生指示电弧故障电流的输出。特别地，使用MCU5使MCU能够区分相对低频信号和相对高频信号。

电弧故障电流检测器包括检测接地故障电流可能是有利的，并且实现这一点的装置如图6所示。电源导线P1和P2通过电流互感器CT，其输出连接到参考电压vref3，并且在电源导线中流动的任何剩余电流将产生输出，该输出作为输入MCU7馈送到MCU。当MCU7超过某个阈值时，它将指示存在高于某一水平的接地故障电流。接地故障电流检测器是众所周知的，并且认为不需要进一步描述。

能够测试从L1到MCU的电路也可能是有利的。这可以通过MCU输出的TEST来实现，该TEST可以通过手动操作未示出的测试按钮来激活。当操作测试按钮时，在TEST输出端将产生大量脉冲，并且这些脉冲将通过电阻器R10馈送到L1上的测试绕组W2(图8(a)和图8(a′))。L1上的测试绕组可以是一匝或多匝并且沿与L1上的电感器绕组W1相同的方向缠绕。在这种情况下，L1将产生一个输出，该输出将被U1检测和放大，并产生MCU1的输出。当操作测试按钮并产生TEST脉冲时，即使没有所有其他MCU输入，MCU也将在MCU1上寻找信号，并且当在测试条件下检测到MCU1时将导致FAULT输出被激活。

图7显示了MCU的所有输入，即MCU1至MCU7。如果MCU7超过一定水平并持续一段时间或持续时间，MCU将在FAULT引脚产生一个输出。同样，如果MCU1和MCU5都存在并持续一段时间，则可以对MCU进行编程以产生FAULT输出，或者如果MCU1，MCU2和MCU5都存在并持续一段时间，则可以对MCU进行编程以产生FAULT输出，如果MCU2，MCU3，MCU4和MCU5或者MCU1，MCU2，MCU5和MCU6都存在并持续一段时间，则可以对MCU进行编程以产生FAULT输出。

本发明不限于这里描述的实施例，其中可以在不脱离本发明的范围的情况下对其进行修改或改变。

图1示出了串联电弧故障状况的示例，但是本发明还可以用于检测并联电弧故障电流而无需任何显著的修改。

图1中的电源可以是到合适负载的DC电源，并且由点X处的断开引起的电弧故障电流仍将产生可由信号检测电路14检测到的电弧信号。

可以从DC电源提供图2的电路，并且将检测电弧故障电流信号并如前所述在MCU1处产生输出。

对于DC应用，可以省略用于与AC市电电源(即R9和D2和MCU2)同步的图3的布置。然而，即使省略了R9和D2，图4的布置仍然可以用于检测DC电弧故障电流。

在图5中，L2用于提供AC负载电流幅度的指示并产生特定频率范围内的信号，例如，由电弧故障电流引起的10KHz至150KHz。直流电弧故障电流仍然会产生类似的信号，如果需要，可以很容易地提供测量直流负载电流大小的替代方法。

Claims (12)

1.一种用于具有至少两个供电导体的电源的电弧故障电流检测器，该检测器包括第一电感器，该第一电感器包括线圈，设置在至少一个导体附近但不围绕其上，并且与其电感耦合，以及连接到线圈的第一电路，用于检测在线圈中感应的信号，该信号具有表示电源中的电弧故障的频率特性；以及第二电感器，该第二电感器包括线圈，设置在至少一个导体附近但不围绕其上，并且与其电感耦合，其中，第二电感器同时响应于频率信号和10KHz至150Khz范围内的电弧电流。

2.根据权利要求1所述的电弧故障电流检测器，其特征在于，所述第一电感器响应于MHz范围内的频率。

3.一种用于具有至少两个供电导体的电源的电弧故障电流检测器，该检测器包括电感器，该电感器包括线圈，设置在至少一个导体附近但不围绕其上，并且与其电感耦合，以及连接到该电感器的第一电路；用于检测在线圈中感应的信号，该信号具有代表电源中的电弧故障的频率特性，其中，所述感应的信号连接到比较器的输入端，以在比较器输出端产生一系列脉冲，该脉冲被施加到用于分析脉冲的电路中，以确定所述脉冲是否代表电弧故障电流。

4.根据权利要求3所述的电弧故障电流检测器，其特征在于，还包括用于限定间歇周期的电路，在该间歇周期期间，分析电路分析来自比较器的脉冲。

5.根据权利要求3或4所述的电弧故障电流检测器，其特征在于，还包括用于限定频率窗口的电路，该分析电路仅分析在所述频率窗口内发生的脉冲。

6.根据权利要求5所述的电弧故障电流检测器，其特征在于，所述频率窗口由具有不同滚降频率的两个滤波器限定，其中，脉冲在将其应用于分析电路之前施加到两个滤波器，并且其中每个滤波器的输出端应用于分析电路。

7.根据权利要求3-6之一所述的电弧故障电流检测器，其特征在于，还包括第二电感器，所述第二电感器包括线圈，所述线圈设置在至少一个导体附近但不围绕其上，并且与其电感耦合；其中所述第二电感器同时响应于频率信号和10KHz至150Khz范围内的电弧电流。

8.根据权利要求1或7所述的电弧故障电流检测器，其特征在于，所述至少一个导体被所述第二电感器环绕。

9.根据权利要求1，7或8所述的电弧故障电流检测器，其特征在于，第二电感器具有10KHz至150KHz范围内的谐振频率。

10.根据权利要求1、7-9之一所述的电弧故障电流检测器，其特征在于，还包括连接到所述第二电感器的第二电路，所述第二电路被配置为提供工频电流的大小的指示，以及存在电流高于某个阈值的电弧故障。

11.根据权利要求10所述的电弧故障电流检测器，其特征在于，还包括一电流变压器，至少两个供电导体从其中通过，和一绕组，使得在所述至少两个供电导体中流动的任何剩余电流将产生来自所述绕组的输出，所述电弧故障检测器包括连接到所述绕组的第三电路，用于当所述剩余电流超过某个阈值时提供指示。

12.根据权利要求11所述的电弧故障电流检测器，其特征在于，还包括可编程微控制器，可操作地连接到所述第一电路，第二电路和第三电路的输出，以提供电弧故障的存在的指示。