CN112736856A - 一种保护负载电路的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在完全固态电路配置中保护电路免受接地故障及并联和串联电弧故障的新方法。描述了固态电路和使用方法，所述固态电路和使用方法提供了低压DC电源、干线电压和电流感测、故障检测处理和高压电子开关的关键功能。

Description

一种保护负载电路的方法

本申请是PCT申请号为PCT/US2017/031207、国际申请日为2017年5月5日、中国申请号为201780027249.3、发明名称为“固态线路干扰电路中断器”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种配电系统，尤其涉及一种全固态电路中断器，所述全固态电路中断器用于当由集成在中断器中的专有故障检测处理器检测到诸如接地故障或电弧故障的干扰时，断开从配电系统到用户负载的电力。

背景技术

电力供应系统的保护主要使用熔断器和电路阻断器来实现，所述熔断器和电路阻断器通过在短路或过载情况下终止电流流动来防止过电流对配电系统的损坏。

其次，接地故障中断器(GFI)主要用于支路电路中，以便一旦检测到阈值漏电流就通过中断所述电流流动来保护用户免受由于非预期电流直接流到接地而引起的电击。最近，电弧故障中断器(AFI)已经被用于减少能够由电弧故障产生的火花引发的结构火灾的危险。

当电路中的两个导体变得如此接近地间隔以至于发生介于中间的材料的电击穿，由此允许电流在导体之间间歇地流动时，发生电弧故障。所述击穿和产生的电流伴随着极高的温度，远高于典型建筑材料的燃点，从而在电弧故障附近带来即刻的火灾危险。

从线路到线路、线路到零线或线路到接地发生的电弧故障被称为并联电弧故障，并且通常导致过电流使所述电路阻断器或GF1器件的任一器件跳闸。例如，由电路中的一个导体的意外切断而在线路内发生的电弧故障被与负载串联，并且可能不会被所述电路阻断器或GFI中断。因此，更复杂的感测方案已经被开发出来以鲁棒地检测串联电弧故障并且触发受影响电路的断开。所述电弧故障感测方案由于需要最小化由诸如开关电源和调光器电路之类的复杂负载引起的误触发而进一步复杂化，所述复杂负载呈现出模拟电弧故障的电流-电压关系。所述复杂的电弧故障感测方案通常需要比现有技术的电路阻断器和GFI中采用的简单和庞大的机电设备更复杂的电路。所述更复杂的AFI电路通常由固态模拟和数字设备组成，例如运算放大器和微处理器。因此，需要一种将GFI和AFI功能集成在紧凑的低功率中断器配置中的全固态方法。

发明内容

本发明涉及一种用于在完全固态电路配置中保护电路免受接地故障及并联和串联电弧故障的新方法。描述了固态电路，所述固态电路提供了低压DC电源、干线电压和电流感测、故障检测处理和高压电子开关的关键功能。

描述了一种有效的固态AC到DC电力转换系统。所述系统和相关设备满足了对紧凑的、集成的、低成本的设计的需求，所述设计是高效的并且提供了用于驱动用于家用传感器和网络、智能汽车等的典型硅基电子器件的低电压的接入。在一个实施例中，所述系统包括有效的电子开关，该电子开关用于将所述串联电压调节器电路的输入从整流的AC干线电源断开，以减少串联调节器内消耗的电力。当所述开关闭合(close)时，能量被累积并存储在分流器能量存储元件中。当所述整流的AC干线波形超过阈值时，所述电子开关打开(open)。当所述开关打开时，由能量存储元件通过所述调节器电路向所述负载提供能量。以这种方式，所述调节器电路的益处归于附接的负载电路，而与现有技术相比，在所述调节器电路内耗散的电力大大减少。比较器被用于控制所述电子开关。在一个实施例中，所述比较器包括运算放大器和参考电压源。在另一个实施例中，所述比较器包括MOS场效应晶体管。在一个实施例中，通过分压器控制所述MOS场效应晶体管。

一个实施例使用功率MOS场效应晶体管(MOSFET)作为电子开关，所述电子开关具有被连接在所述AC干线电源和所述期望的负载之间的非常低的“导通”电阻。由于典型的功率MOSFET固有地包括与导电沟道并联的体二极管，所以成对的器件以背对背的方式被连接，其具有共同的源极端以提供真正的双向(AC)开关配置。为了控制所述功率MOSFET的开关动作，采用了一种新颖的浮动控制电路，所述浮动控制电路使用在漏极处被连接的整流二极管对栅极-源极偏置电压进行预充电，从而使两个器件“导通”，并且使用将栅极端短接到公共源极端的光耦合光电晶体管，以当被隔离光源照射时迫使所述器件进入“关断”状态。因此，所述功率MOSFET开关通常“导通”，除非被所述光控制信号强制“关断”。所述光控制信号能够被连续地施加，用于被传递到所述负载的电力的标称导通-关断控制，或者所述光控制信号能够与所述AC干线波形同步以提供相位控制。用于所述光控制信号的集成控制电路能够提供优选用于切换无功负载的前沿相位控制或优选用于诸如LED的非线性负载的后沿相位控制的任一控制。

具体示例不旨在将本发明构思限制于示例应用中。本发明的其他方面和优点将从附图和详细描述中显而易见。

附图说明

图1A是示出了固态电路中断器的关键元件的框图。

图1B是示出了电路故障的位置的框图。

图2是示出了AC-DC转换器电路的功能的示意图。

图3是使用MOS晶体管的AC-DC转换器的实施例的示意图。

图4是使用功率MOSFET的双向开关的实施例的示意图。

图5是使用四个开关元件以减小总开关“导通”电阻并增加总开关“截止”电阻的双向开关的示意图。

图6是固态电路中断器的实施例的示意图。

图7是示出了故障检测处理器的实施例的示意图。

图8是电压和电流异常检测过程的实施例的流程图。

具体实施方式

所有附图中的被共同编号的项目在整个说明书中指的是相同的项目。图1A是示出了固态电路中断器的关键元件的框图。AC干线101通过电子开关单元105连接到负载106。低压DC电源102有效地为干线电压和电流感测电路103以及故障检测处理器104提供电力。从电压和电流感测电路103提供对故障检测处理器104的感测输入。固态感测电路包括感测施加到负载电路的电压和电流的波形的传感器，并形成(develop)比例模拟波形。故障检测处理器处理比例模拟波形，并且在检测到接地故障或电弧故障时产生故障输出107。在检测到故障时，故障检测处理器104的故障输出107被锁存并馈送到电子开关105的控制输入108，电子开关105将负载106从干线101断开，直到复位109被施加到故障检测处理器104。在另一个实施例中，电子开关105的输出电压能够通过控制电路108被改变。在本实施例中，在检测到电弧故障时，输出电压能够被减少到小于电弧放电阈值但大于零的值。这样的实施例允许了负载电路以减少的电压继续运行，同时减少出现损坏电弧的机会。以减少电压的运行还允许了负载和干线电源电路的持续特性，以确定电弧故障的位置，以便随后进行更换或修理。

图1B示出了在供电系统中的故障的典型位置。在一个实施例中，电路中断器110位于AC干线电源101和负载106之间。电弧故障能够是串联形式114，并且出现在电路中断器之前116和电路中断器之后117两者的线路111和零线112中。并联故障115能够发生在线路和零线之间以及线路或零线和接地113之间的电路中断器的任一侧。在一个实施例中，电路中断器110位于AC干线电源101和负载106之间，例如在插座插头中。在AC供电网络中安装有多个电路中断器。在一个实施例中，多个电路中断器位于AC供电网络的支路中。在另一个实施例(未示出)中，多个电路中断器串联地位于AC供电网络的同一支路中。故障的检测是基于对与故障相关联的电压和电流两者的分析。串联的多个故障检测器能够基于电流分析确定相对于电路中断器的故障的位置。

图2示出了改进的AC-DC转换器电路的示意图，AC-DC转换器电路包括AC干线101和二极管电桥202。二极管电桥202输出处的波形仅是全波整流的正弦波形，对于均方根值为120V的常规AC干线，全波整流正弦波形通常在0V至约170V峰值之间变化。但是，应注意，假设受影响的部件的数字规格被适当调节，下文描述的方法适用于任何周期性电力波形。此外，如果电力波形小于下文所描述的参考电压，则电力波形能够包括DC偏移。

电路包括比较器电路204，比较器电路204的反相输入被连接到二极管电桥202输出，并且参考电压203被连接到比较器电路204的非反相输入，其中比较器204控制串联开关205，如果二极管电桥输出电压超过参考电压V_R，则串联开关205将二极管电桥输出从随后的电路断开(打开开关205)。当参考电压V_R超过二极管电桥输出电压时，开关205闭合，电容206通过串联二极管207被充电。当二极管电桥输出电压减少时，二极管207阻止电容器206通过开关205放电。二极管207和电容器206的组合形成了“峰值检测器”电路，“峰值检测器”电路在AC干线周期的每一半中存储能量以供应给后续的调节器电路和负载208。电容器206两端的电压仅需要足够大以满足后续的调节器电路和负载208的能量需求。与AC干线的均方根值相比，串联调节器的输入电压显著减少。不管AC干线的峰值电压如何波动，只要AC干线的电压保持大于V_R，“峰值检测器”电路的运行确保存储在电容器206上的峰值电压总是V_R。开关电路的实施例作为电压调节器电路本身运行。由于开关205的操作使用能够忽略的能量，因此在图2中所示的AC-DC转换器电路的效率远大于现有技术电路所见的效率。额外的好处是由电路产生的热量显着减少，从而减少了运行温度的升高。尽管比较器204是众所周知的模拟电路元件，但是能够采用其它模拟或数字电路来实现操作开关205所需的期望阈值功能。

图3示出了AC-DC转换器电路的示意图，其中图2中所示的开关205使用增强型MOSFET 301来实现，并且比较器电路204实现为也使用以阈值电压，V_T和负载电阻器303为特征的增强型MOSFET 302的单个共源放大器级。因此，当包括电阻器304和305的分压器网络的输出超过MOSFET 302的阈值电压，V_T时，开关301的栅极被拉到接地，从而打开开关301。当分压器网络的输出小于V_T时，MOSFET 301的栅极被连接到其漏极，从而闭合开关。AC-DC转换器电路还包括双极晶体管306和电流感测电阻器307，以限制通过MOSFET 301和二极管207的充电电流。调节器功能是使用连接到负载311并且由齐纳二极管309偏置的串联传输晶体管310来实现的常规串联调节器电路，其设定DC输出电压并通过电阻器308被偏置。

图4是示出了光隔离双向电子开关电路元件的实施例的示意图。在开关单元400中，齐纳二极管402具有大于功率MOSFET的阈值电压的齐纳电压，并且通过整流二极管404和406被偏置，被连接在功率MOSFET的漏极端处并且分别由限流电阻器403和405保护。因此，在没有入射照射的情况下，当漏极端中的任一个漏极端超过齐纳电压时，电阻器-二极管支路403-404和405-406为齐纳二极管402提供偏置，将功率MOSFET407和408置于“导通”状态。当由外部DC源409通过控制开关410和偏置电阻器411供电的控制电路LED 412照射时，光电晶体管401将来自支路403-404和405-406的偏置电流分流到功率MOSFET的源极端，将MOSFET置于“截止”状态。在该电路中，导通时间常数是由限流电阻器403和405的值以及功率MOSFET的栅极-源极电容决定，而截止时间常数由LED 412提供的照射水平处的光电晶体管401的饱和电流决定。

图5是图4的实施例的示意图，实施例在AC电源的每个臂中使用两个开关单元400以提高电路的性能。在这一配置中，四个开关单元400包括图1A中所示的电子开关105。在优选实施例中，功率MOSFET被选择为具有图4中所用单元的击穿电压的四分之一。由于MOSFET器件的击穿电压和“导通”电阻之间的关系，各个开关单元的“导通”电阻能够有望减少32倍，并且串联连接的两个开关单元的总“导通”电阻相对于图4中的电路减少了8倍。另外，处于“关断”状态的开关单元的每个开关单元上的电压降是四分之一，从而将每个单元所经历的dV_dS/dt减少四倍，并且因此减少了“关断”状态漏电流。

另外，发明人已经通过试验发现，这一电路配置进一步改善了开关器件的截止特性，进一步减少了漏电流。在这一图中，控制开关410由晶体管500代替，晶体管500通过控制端口501操作，其与DC电源409、电阻器411和LED 412一起包括图1A中所示的控制电路108。在另一个实施例中，晶体管500由施加到控制端501的外部控制电压控制。这允许通过外部控制电路(未示出)与AC干线波形同步地快速切换LED，以提供开关的输出的相位控制。在这一实施例中，在出现故障信号时，对负载的供电减少。在另一个实施例中，控制信号是可变DC电压，可变DC电压允许LED的可变照度，从而允许MOSFET以线性模式运行。

在另一个实施例中，通过控制电路108改变了电子开关的输出电压和功率。在检测到电弧故障时，输出电压能够被减少到小于形成电弧的阈值但是大于零的值。这样的实施例允许了负载电路以减少的电压继续运行，同时减少了出现损坏电弧的机会。减少电压的运行还允许了负载和干线电源电路的持续性特性，以为随后的更换或修理确定电弧故障的位置。

图6是固态电路中断器的实施例的示意图。如图5中所示，AC干线101通过双向MOSFET开关单元105被连接到负载106。如图3中所示的低压DC电源102有效地为干线电压和电流感测电路103、故障检测处理器104和双向MOSFET开关控制电路108提供电力。从电压和电流感测电路103提供至故障检测处理器104的感测输入。使用固态霍尔效应传感器601和602提供电流感测，固态霍尔效应传感器601和602提供与通过传感器的电流流动成比例的输出电压。霍尔效应传感器输出被馈送到故障检测处理器104的电流感测输入。AC干线电压波形在电桥单元603中被全波整流。(为了减少在电路中的部件数量，能够去除电桥603，并且在AC-DC转换器电路中直接从电桥202的输出中获得全波整流的波形。为清楚起见，这里示出了电桥603)。全波整流的波形被使用包括电阻器604和605的电阻分压器网络衰减，并且，被应用于故障检测处理器104的电压感测输入。在检测到故障时，故障检测处理器104的故障输出107被锁存，并被馈送到电子开关控制电路108的控制输入，电子开关控制电路108的控制输入向MOSFET开关单元105提供光控制信号，MOSFET开关单元105将负载106从干线101断开，直到复位109被施加到故障检测处理器104。在另一个实施例中，通过控制电路108改变电子开关的输出电压。在这一实施例中，在检测到电弧故障时，输出电压减少到小于形成电弧的阈值但大于零的值。这样的实施例允许负载电路以减少的电压继续运行，同时减少出现损坏电弧的机会。以减少的电压的运行还允许负载和干线电源电路的持续的特性，以为随后进行的更换或修理确定电弧故障的位置。

图7是示出故障检测处理器的实施例的示意图。电压感测信号被施加到差分放大器703的输入端701，并且所得到的差分信号△V被施加到微处理器707内的模-数(A/D)转换器708的输入。类似地，电流感测输入702在运算放大器705的输入电路704中求和，形成与AC干线101的线路和零线分路中的电流ΣI之和成比例的信号。ΣI信号也被施加到A/D转换器的输入。

数字化的△V信号由微处理器内的子程序709处理，以检测若干周期内在电压波形中的异常，异常指示电弧故障的存在。这种电压异常的非限制性示例是施加在正常低频AC干线电压波形上的过量高频能量的存在。

数字化ΣI信号由微处理器707内的子程序710处理，以检测若干周期内在电流波形中的异常，异常指示电弧故障的存在。这种电流异常的一个非限制性示例是在电流波形的过零点附近发生的在电流波形中出现“肩”(平坦点)。电压波形异常和电流波形异常的组合出现是电弧故障712的一个指标。

电流感测信号702也被施加到运算放大器706的输入，运算放大器706形成与线路和零线支路中的电流之间的差成比例的差值信号ΔI。ΔI信号被数字化并由子程序711处理，子程序711完成阈值检测，发出接地故障713信号。电弧故障712和接地故障713信号被组合并被施加到锁存器714的输入，锁存器714存储故障状态107直到被外部复位信号清除。

图8示出了上述电压异常检测子程序709和电流异常检测子程序710的非限制性示例的流程图。在开始800，初始化主要变量801并循环子过程802直到检测到第一次电压过零。由于导致电弧的击穿是被电压驱动的，因此任何电流肩(如果存在的话)将与电压过零时间重合。在检测到初始电压过零时，电压805和电流803均被采样。如果电流保持低于预设阈值至少预设的最小持续时间t_min，但不超过预设的最大持续时间t_max，则在电流异常检测过程710中声明检测到肩804。如果电流超过阈值而小于最小持续时间t_min，则过程退出电流异常检测子过程并返回到开始800，直到发生下一个电压过零。另一方面，如果电流保持小于阈值的时间长于最大持续时间t_max，则电流被转为“关断”并且过程返回到开始800。电压异常判定是从电压波形805的高频含量发展的。通过微分波形和累加所得微分的平方作为测量周期内高频能量的测量，能够在零时滞的情况下实现高通滤波。为了形成用于比较这一总高频能量的阈值，当没有电弧808、809时，在检测到的电流肩(由电流异常检测子过程发出信号的)期间，分别累加平方差。因此，这应该仅代表在肩时段期间的背景噪声能量。这在电压波形的(n)个周期806、807上重复，并且如果累加噪声最终超过加权平均阈值810，则声明电弧故障811。注意，由于噪声能量阈值的成功形成需要检测电流肩804，因此这一故障声明源于电流肩和过电压噪声能量的组合存在。在另一个实施例中，故障811的检测引起针对开关的控制电路(见图5)减小到负载106的输出功率。在另一个实施例中，故障的检测引起至开关的控制电路以减少到负载的输出电压。在另一个实施例中，故障的检测引起对负载的功率或电压中的任一个值的预选的递减，并且然后图8的过程循环回到开始800。再次测试系统的故障并且电压或功率再次递减，直到未检测到故障811。

总结

描述了在完全固态电路配置中保护电路免受接地故障及并联和串联电弧故障的新方法。描述了固态电路，固态电路提供了低压DC电源、干线电压和电流感测、故障检测处理和高压电子开关的关键功能。

Claims (4)

1.一种用于保护负载电路免受电弧故障的方法，所述负载电路具有AC电源，所述AC电源具有电压波形和电流波形，从而向所述负载电路提供电力，所述方法包括：

a.检测在其中所述电流波形的幅度小于预设值的预设测量时间间隔上发生的子间隔的存在，并且累积所述检测到的子间隔的长度之和，以及

b.计算在所述预设测量时间间隔上所述电压波形内包含的总噪声能量，并且从其中所述电流波形的所述幅度小于所述预设值的所述子间隔期间包含在所述电压波形内的所述噪声能量进一步计算阈值能量值，以及

c.如果在所述预设测量时间间隔上获得的其中所述电流波形的所述幅度小于所述预设值的所述子间隔的所述长度之和落入时间间隔值的预设范围内，并且包含在所述电压波形中的所述总噪声能量超过所述计算出的阈值能量值，则用信号通知电弧故障，以及

d.在检测到电弧故障时，控制由所述AC电源提供给所述负载电路的所述电力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，控制由所述AC电源提供给所述负载电路的所述电力包括：断开到所述负载电路的所述电力。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，控制由所述AC电源提供给所述负载电路的所述电力包括：将提供给所述负载电路的所述电力减小到非零值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，控制由所述AC电源提供给所述负载电路的所述电力包括：逐步减小由所述AC电源提供给所述负载电路的所述电力，直到未检测到电弧故障为止。

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