MXPA06011044A - Detector de falla de arco. - Google Patents

Abstract

Se describe un detector de falla de arco, como un dispositivo independiente o en combinacion con un dispositivo de interrupcion de circuito, tal como un interruptor de falla a tierra (GFCI), que protege de condiciones de falla de arco potencialmente peligrosas. El dispositivo utiliza una inductancia conectada en serie de lado de linea o de lado de carga, que tiene un nucleo de aire o magnetico para generar la senal di/dt derivativa de la corriente de arco en el conductor. La senal derivativa es alimentada a un detector de falla de arco, en donde es analizada para detectar la presencia de formacion de arco. El dispositivo puede tener un inductor conectado en serie sobre cada uno de conductores multiples de una red de distribucion de energia para la deteccion de arco de fase/neutra o de fases multiples.

Description

DETECTOR DE FALLA DE ARCO Esta solicitud es una continuación en parte y reclama el beneficio de la fecha de presentación de una solicitud de patente que tiene el número de serie 10/743,248, la cual se presentó el 22 de Diciembre de 2003.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 1. Campo de la Invención La presente invención se refiere a un aparato para la detección de falla de arco, y más particularmente, tanto a un detector de falla de arco independiente como a un detector de falla de arco combinado con un dispositivo interruptor de circuito. 2. Descripción de la Técnica Relacionada Los interruptores de circuito, fusibles e interruptores de circuito de falla conectados a tierra (GFCIs) son dispositivos comúnmente utilizados para proteger a las personas y propiedades de fallas eléctricas peligrosas. Siguen ocurriendo fatalidades y pérdida de propiedades a causa de fallas eléctricas que quedan sin ser detectadas por estos dispositivos protectores. Un tipo de falla eléctrica de este tipo que típicamente no se detecta son las fallas de arco. Los arcos son potencialmente peligrosos debido a las altas temperaturas contenidas dentro de ellos. De esta manera, tienen un alto potencial de crear daño, en su mayoría a través del inicio de incendios. Un arco, sin embargo, desconectará un GFCI solamente si este produce una fuga de corrientes suficientes en la tierra. Además, un arco desconectará un interruptor solamente si la corriente que fluye a través del arco excede los parámetros de desconexión del mecanismo término/magnético del interruptor. Por lo tanto, se necesita de un tipo adicional de dispositivo de protección para detectar interrumpir arcos. Un detector de arco cuya salida se utiliza para disparar un mecanismo de interrupción de circuito es denominado como un Interruptor de Circuito de Falla de Arco (AFCI).

Las causas de la formación de arco son numerosas, por ejemplo: aislamiento y cableado antiguo o usado; tensiones mecánicas y eléctricas causadas por sobre uso, sobre corrientes o saltos de iluminación; pérdida de conexiones; y daño mecánico al aislamiento y cables. Pueden ocurrir dos tipos de formación de arco en construcciones residenciales y comerciales: la formación de arco de contacto y la formación de arco de línea. La formación de arco de contacto o en serie ocurre entre dos contactos en serie con una carga. Por lo tanto, la carga controla la corriente que fluye en el arco. La formación de arco de línea o paralelo ocurre entre los conductores de un circuito o de un conductor hacia tierra. En este caso, el arco está en paralelo con cualquier carga presente y la impedancia de fuente proporciona solamente el límite a la corriente que fluye en el arco. Un ejemplo de formación de arco de contacto se ¡lustra en la Figura 1. Los conductores 114, 116 que comprenden el cable 110, están separados y rodeados por un aislamiento 112. Una porción del conductor 114 está separada, creando un hueco en serie 118 en el conductor 114. Bajo ciertas condiciones, la formación de arco ocurrirá a través de este hueco, produciendo una gran cantidad de calor localizado. El calor generado por la formación de arco puede ser suficiente para romper y carbonizar el aislamiento cerca del arco 119. Si se deja continuar la formación de arco, se generará suficiente calor para iniciar un incendio. En la Figura 2 se muestra un diagrama esquemático que ¡lustra un ejemplo de formación de arco de línea. El cable 120 comprende conductores eléctricos 124, 126 cubiertos por otro aislamiento 122 y separados por el aislamiento interno 128. El deterioro o daño al aislamiento interno en 121 puede ocasionar que ocurra la formación de arco de falla de línea 123 entre los dos conductores 124, 126. El aislamiento interno podría haber quedado carbonizado por un salto de luz anterior en el sistema de cableado, o podría haber sido cortado por la acción mecánica tal como una pata de silla metálica que se corta en un cordón de extensión. Los resultados potencialmente devastadores de la formación de arco son ampliamente conocidos y se ha desarrollado un número de métodos para detectar arcos, en la técnica anterior. Un gran porcentaje de la técnica anterior se refiere a la detección de señales de alta frecuencia generadas por la línea AC mediante arcos. Una amplia variedad de técnica anterior existe en la detección de arco. Algo de la técnica anterior se refiere a casos especializados de la formación de arco. Por ejemplo, la Patente de E.U.A. No. 4,376,243, expedida a Renn, et al., enseña un dispositivo que opera con corriente DC. La Patente de E.U.A. No. 4,658,322, expedida a Rivera, enseña un dispositivo que detecta ia formación de arcos dentro de una unidad encerrada de equipo eléctrico. La Patente de E.U.A. No. 4,878,144 expedida a Nebon, enseña un dispositivo que detecta la luz producida por un arco entre los contactos de un interruptor de circuito. Además, existen varias patentes que se refieren a la detección de arcos en líneas de energía AC que describen varios métodos para detectar señales de formación de arco de alta frecuencia. Por ejemplo, las Patentes de E.U.A. Nos. 5,185,684 y 5,206,596, ambas expedidas a Beihoff et a., emplean un medio de detección complejo que separadamente detecta el campo eléctrico y el campo magnético producidos alrededor del cable. La Patente de E.U.A. No. 5,590,012, expedida a Dollar, enseña medir la corriente de alta frecuencia en una trayectoria derivada alrededor de un inductor colocado en la línea, que puede ser el mecanismo de desconexión magnético de un interruptor. En un segundo circuito de detección, propuesto por Dollar, la señal de voltaje de alta frecuencia es extraída de la línea a través de un filtro de paso alto colocado en paralelo con una carga.

En la técnica se pueden encontrar varios métodos para autenticar la formación de arco y para diferenciar la formación de arco de otras fuentes de ruido. La mayor parte de la técnica anterior involucra procesamiento y análisis complicados de señal. La Patente de E.U.A. No. 5,280,404 expedida a Ragsdale, enseña buscar la formación de arco en serie convirtíendo las señales de formación de arco a pulsos y contando los pulsos. Además, varias patentes detectan la formación de arco tomando el primer derivado o segundo derivado de la señal detectada. Por ejemplo, la Patente de E.U.A. No. 5,224,006 expedida a MacKenzie et al., y las Patentes de E.U.A. Nos. 5,185,684 y 5,206,596 expedidas a Beihoff et al, describen dicho dispositivo. Blades utiliza varios métodos para detectar arcos como se define en las Patentes de E.U.A. Nos. 5,432,455 y 5,434,506. El dispositivo de Blades se basa en el hecho de que el ruido de alta frecuencia detectada debe incluir huecos en cada punto transversal de cero, es decir, la mitad del ciclo, de la línea AC. Para diferenciar la formación de arco de otras fuentes de ruido, el dispositivo de Blades mide la aleatoriedad y/o características de anchura de banda amplía de la señal de alta frecuencia detectada. El dispositivo enseñado por Patente de E.U.A. No. 5,434,509 utiliza los rápidos flancos ascendentes de señales de arco como un criterio de detección que detecta ráfagas de alta frecuencia cortas asociadas con arcos intermitentes. La Patente de E.U.A. No. 5,561,505 expedida a Zuercher et al., describe un método para detectar la formación de arco percibiendo los cambios de ciclo a ciclo en la corriente de línea AC. Las diferencias en muestras tomadas en el mismo punto en el ciclo AC después son procesadas para determinar si está ocurriendo la formación de arco. Una característica de la formación de arco en un conductor es la ocurrencia de señales de alta frecuencia que son diferentes de la frecuencia (normalmente 60 ciclos) de la corriente en la cual se pretende llevar al conductor. La formación de arco eléctrico producido por voltaje alterno se extinguirá cada vez que el voltaje cruce las caídas de arco por abajo de un valor suficiente para sostener el arco, y se volverán a accionar cada vez que el voltaje cruce el arco y exceda el voltaje de ignición mínimo del arco. El voltaje de ignición es sustancialmente proporcional al tamaño del hueco físico que el arco debe atravesar. El voltaje de extinción tiende a ser más bajo que el voltaje de ignición. Cuando el hueco de arco es muy grande, el arco será intermitente e inestable y tenderá a extinguirse a sí mismo y volverse a accionar según lo permitan las condiciones. A medida que el hueco sea más pequeño, el arco se hacer más persistente y finalmente autónomo. Cuando el hueco se hace mucho más pequeño, el arco tiende a auto extinguirse completando la trayectoria de corriente. Cuando ocurren las conducciones de arco, se producen señales de alta frecuencia en los conductores eléctricos. Se ha desarrollado un número de sistemas para detectar la formación de arco en edificios verificando señales de alta frecuencia presentes en los conductores. Un método de este tipo para detectar la formación de arco es a través de un detector de arco que detecta el derivado de la señal en el conductor. Típicamente, dichos detectores de arco emplean, por ejemplo, transformadores de corriente para producir señales representativas de las señales de alta frecuencia en el cableado que se está verificando. Los transformadores de corriente tanto aumentan el costo de fabricación del detector de falla de arco como, debido al tamaño de los componentes, crean dificultades de empaque. Además, los transformadores de corriente tienen una respuesta de alta frecuencia limitada y una pobre relación de señal a ruido. Por consiguiente, existe la necesidad de un detector de falla de arco que proporcione una relación mejorada de señal a ruido, una respuesta de alta frecuencia mejorada, que sea relativamente económico de construir y que tenga un tamaño relativamente pequeño.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El detector de falla de arco de la presente invención puede operar ya sea como un Interruptor de Circuito de Falla de Arco Independiente (AFCI) o en combinación con un Interruptor de Circuito de Falla a Tierra (GFCI) para interrumpir el flujo de corriente a una carga cuando se detecta un arco. El dispositivo de combinación, conocido como un interruptor de circuito de falla de arco/interruptor de circuito de falla a tierra (AFCI/GFCI), puede ser obtenido a través de la adición de un sistema de circuito de detección de arco a un GFCI estándar. Un dispositivo AFCI/GFCI es una combinación de detector de falla de arco y de falla a tierra, el cual tiene la habilidad de interrumpir un circuito y de esta manera prevenir tanto la formación de arco dañina como condiciones de falla a tierra que dañen al personal o a la propiedad. El término "dispositivo de interrupción de circuito" se define como cualquier dispositivo eléctrico utilizado para interrumpir flujo de corriente hacia una carga e incluye, pero no se limita a dispositivos tales como Interruptores de Circuito de Falla a Tierra (GFCIs), Interruptores de Circuito de Detección de Inmersión (IDCIs) o Interruptores de Circuito de Fuga de Utilización (ALCIs). En el detector aquí descrito, un inductor conectado en serie con al menos el conductor de fase o neutro verifica la corriente en al menos un conductor para detectar la formación de arco tal como la formación de arco de línea, de línea a tierra, de línea a neutro o de contacto. La señal del inductor es el derivado (di/dt) de la corriente verificada y se alimenta al sistema de circuito de detección de arco, el cual comprende un detector pico con caída, un microcontrolador y un interruptor de circuito. El inductor en serie puede variar de un cable que tiene un bucle o flexión parcial a 100 o más bucles completos y un núcleo que es ya sea de aire o de un material magnético para generar la señal derivativa, la señal di/dt, de la corriente que fluye a través del conductor. La presente invención es capaz de detectar fallas de arco en los lados de línea y/o carga del dispositivo. Una vez procesadas, las amplitudes pico de las señales di/dt percibidas son dirigidas a un microcontrolador que analiza la señal para presencia de características de formación de arco. Después de identificar una señal que indica que la formación de arco está presente en un conductor, se genera una señal de desconexión y se alimenta un mecanismo interruptor, el cual interrumpe el flujo de electricidad hacia la carga. El circuito para el microcontrolador se puede colocar en su propio circuito o en el circuito típicamente utilizado en el GFCI actual. Cuando se utiliza un solo circuito para la detección de arco y la protección de falla a tierra, este puede ser accionado desde el mismo suministro de energía que se utiliza para proporcionar energía al GFCI, y, además de otros componentes del GFCI tales como el mecanismo para interrumpir el flujo de corriente hacia la carga cuando una falla ocurre. Este aspecto combinado da como resultado costos de fabricación reducidos en las partes mecánicas del dispositivo GFCI, de manera que el relé desconectador y los mecanismos del cierre de contacto mecánico ahora sirven para propósitos doble.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otros aspectos, características y ventajas de la presente invención se harán totalmente más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, las reivindicaciones anexas, y los dibujos anexos en los cuales elementos similares tienen números de referencia similares. La Figura 1 ilustra un ejemplo de formación de arco de contacto en un conductor que lleva corriente; la Figura 2 ilustra un ejemplo de formación de arco de línea entre dos conductores que llevan corriente; la Figura 3 es un diagrama de bloque de un sistema de detección de arco de acuerdo con los principios de la invención; la Figura 4 es un diagrama de bloque de una segunda modalidad de un sistema de detección de arco de acuerdo con los principios de la invención; la Figura 5 es un diagrama de circuito de un circuito de detección de arco de la invención; la Figura 6 es una vista lateral del inductor(es) en serie y microcontrolador colocado ortogonal entre sí en un tablero de circuito; la Figura 7 es una vista superior del inductor(es) en serie y microcontrolador colocado ortogonal entre sí en un tablero de circuito; y la Figura 8 es un diagrama de circuito del circuito de detección de arco de la segunda modalidad en combinación con un detector de falla a tierra.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Haciendo referencia a la Figura 3, se describe un circuito de detección de arco configurado para detectar la formación de arco tal como formación de arco neutra a tierra, línea a tierra, línea a neutra, y/o de contacto. La detección de arco se basa en utilizar un inductor en serie para verificar la corriente para la ocurrencia de arcos en por lo menos uno de los conductores de un circuito eléctrico de corriente alterna, tal como se muestra en las Figuras 3 y 4. El circuito para verificar arcos incluye una fuente de corriente (no mostrada) acoplada a las terminales 12 y 16. Un inductor 20, normalmente del mismo calibre de cable como el conductor 18 está acoplado en serie con el conductor 18. La inductancia del inductor conectado en serie 20 se puede formar a partir de un cable que tiene muy poca inductancia como la que ocurriría de una flexión de 15 grados, a tanta inductancia como la que ocurriría de 100 o más vueltas de 360 grados cada una, y teniendo un núcleo de aire o magnético. La inductancia del inductor conectado en serie 20 es dependiente, en parte, de la magnitud del potencial requerido para operar el circuito detector de arco 24. Un . inductor en serie típico que tiene aproximadamente cuatro vueltas completas, cada una con un diámetro de aproximadamente 1.8 centímetros, se encontró que proporciona un voltaje de aproximadamente 5 voltios en presencia de formación de arco sin agregar ninguna impedancia en serie importante al circuito. Si se desea, un circuito fijador de nivel 22 puede ser acoplado en paralelo con el inductor 20 para limitar el voltaje máximo que aparecerá a través del inductor 20. Un suministro de energía 15 conectado a través de los conductores de fase y neutro 14, 18 corriente arriba del inductor en serie proporciona la energía de bajo voltaje requerida para operar los varios componentes del circuito. Un circuito detector de arco 24 accionado por el suministro de energía 15 está conectado para recibir el potencial di/dt del inductor en serie 20 provisto en el conductor 34. Más específicamente, el circuito detector de arco 24 está acoplado para recibir la señal di/dt de la corriente en el conductor neutro 18 del inductor 20 y analizarla para determinar si está presente la formación de arco. Al determinar que está ocurriendo la formación de arco, se genera una señal de desconexión a través de un circuito de control apropiado dentro del circuito detector de arco 24 y se aplica en el conductor 26 hacia el interruptor de circuito 28. Por consiguiente, cuando el circuito detector de arco 24 detecta la ocurrencia de un arco basándose en la señal producida por el inductor de percepción de corriente conectado en serie 20, se aplica una señal de desconexión al interruptor de circuito 28, el cual desconecta la energía ante la carga. Además, la señal de desconexión puede ser alimentada a un aparato de anunciación tal como un LED, un medio emisor de luz tal como una lámpara, un medio de audio tal como una alarma o sirena, una presentación gráfica o alfanumérica, etc., para indicar la ocurrencia de un arco.

Haciendo referencia a la Figura 4, se muestra un circuito es similar a aquel de la Figura 3, con la adición de un segundo inductor conectado en serie con el conector de fase y un fijador de nivel conectado en paralelo con el inductor para limitar el voltaje máximo a través del inductor. Un inductor 30, el cual puede ser de un calibre de cable igual o diferente como aquel del inductor 20, está conectado en serie con el conductor de fase 14. El inductor conectado en serie 30 puede ser formado a partir de un cable que tenga tan poca inductancia como la que podría ocurrir de una flexión de 15 grados a tanta inductancia como la que podría ocurrir de 100 o más vueltas de 360 grados cada una, y teniendo un núcleo de aire o magnético. Cuando el inductor en serie está compuesto de un conductor que tiene una flexión de 15 grados, o una porción de una vuelta completa, el diámetro de la flexión o porción de la vuelta puede ser más o menos de aproximadamente tres cuartos de uno y medio centímetro. La inductancia actual que tiene el inductor 30 (e inductor 20), se determinó principalmente, por la magnitud del potencial de salida necesario para operar el circuito detector de arco 24, mientras al mismo tiempo, reduce al mínimo la impedancia que es agregada al conductor. También, los inductores 20, 30 pueden tener inductancias que sean de valores iguales o diferentes. De esta manera, dependiendo de los requerimientos del circuito, la inductancía del inductor 20 puede ser menor que, igual a o mayor que la inductancia del inductor 30.

El circuito detector de arco 24 recibe el potencial di/dt del inductor en serie 30 provisto en el conductor 35 y la señal di/dt de la corriente en el conductor de fase 14 del inductor 30. El circuito detector de arco 24 puede analizar la señal di/dt para determinar si está presente la formación de arco. En esta modalidad de doble sensor, el detector de arco 24 genera una señal de desconexión en el conductor 26 cada vez que se detecta en la formación de arco ya sea en la forma de onda en el conductor 34 o en la forma de onda en el conductor 35. Un circuito fijador de nivel 32 puede ser acoplado en paralelo con el inductor 30 para limitar el voltaje máximo a través del inductor 30. Además, para reducir al mínimo los efectos de acoplamiento no deseados entre los inductores, el microcontrolador, y la electrónica del tablero de circuito, los inductores, el microcontrolador y el tablero de circuito pueden ser colocados ortogonalmente, como se muestra en las Figuras 6 (vista lateral) y 7 (vista superior). En otra modalidad de la invención, el inductor en serie 20 de la Figura 3 está en el conductor de fase 14 y a tierra se utiliza como la trayectoria de corriente de regreso. En otra modalidad más de la invención, el inductor en serie 20 de la Figura 3 está en el conductor de fase 14 y es neutro y se utiliza como la trayectoria de corriente de regreso. En otra modalidad más, el inductor de serie es por lo menos un devanado de un transformador. Haciendo referencia a la Figura 5, se muestra un diagrama de circuito de la modalidad mostrada en la Figura 4. El inductor 20 está conectado en serie con el conductor 18 y el inductor 30 está conectado en serie con el conductor 14. El suministro de energía 15 que recibe energía de los conductores de fase 14 y neutro 18 suministra el potencial requerido al circuito detector de arco 24. El suministro de energía mostrado tiene un capacitor 41 conectado en serie con un diodo 42, y esta red en serie esta conectada a través de los conductores de fase 14 y neutro 18 corriente arriba de los inductores conectados en serie 20, 30. La unión del capacitor 41 y diodo 42 se conecta a través del diodo 43 a una terminal de salida provista para suministrar el potencial requerido al circuito detector de arco 24. Conectado entre la terminal de salida del suministro de energía y la terminal neutra esta un capacitor 44 en paralelo con un diodo Zener 45. El circuito detector de arco 24 incluye dos detectores pico con caídas 50, 80, dos filtros de paso bajo 150, 180 y un microcontrolador 60. Cada detector pico incluye un diodo 51, 81 conectado entre una terminal de entrada del microcontrolador 60 y el conductor de fase, neutro 18, 14 en un punto corriente abajo del inductor 20, 30. El conductor 34, 35 lleva a la forma de onda de fase, neutra del inductor 20, 30 al detector pico 50, 80. Un circuito paralelo de un resistor 52, 82 y capacitor 54, 84 está conectado entre la terminal de cátodo del diodo 51, 81 y la terminal neutra. El diodo 51, 81 de cada detector pico proporciona una trayectoria de carga para el capacitor 54, 84. Cada detector pico con caída proporciona señales que son representativas del derivado (di/dt) de la corriente del conductor 18 (o conductor 14) y también sirve para estirar cualesquiera pulsos de alta velocidad detectados por ios inductores conectados en serie 20, 30. El conductor 34, 35 también lleva a la forma de onda del inductor neutro, de fase 20, 30 al filtro de paso bajo 150, 180. Cada filtro de paso bajo incluye un resistor 152, 182 conectado a un conductor 34, 35 y una entrada ADC del microcontrolador 60, provista en el conductor 155, 185. Un capacitor 154, 184 está conectado entre la entrada ADC 155, 185 del microcontrolador y la terminal neutra. El resistor 152, 182 proporciona una trayectoria de carga y descarga para el capacitor 154, 184 de cada filtro de paso bajo 150, 180. Cada filtro de paso bajo proporciona una forma de onda que es representativa de la corriente de baja frecuencia (i) en el conductor 18 (o conductor 14), resolviendo el voltaje creado a través del inductor 20, 30 mediante la resistencia DC en el cable utilizado para construir el mismo inductor. Dependiendo de la construcción del inductor 20, 30, se pueden esperar varios miliohmios. La forma de onda de salida del filtro de paso bajo 150, 180, que aparece en el conductor 155, 185, puede ser amplificada más si la ADC en el microcontrolador 60 tiene una resolución inadecuada. El microcontrolador 60 puede ser del tipo comercialmente disponible e incluye lógica de sincronización límite (capaz de medir el tiempo transcurrido entre pulsos) y un sistema de circuito de convertidor analógico a digital (para digitalizar una forma de onda análoga). Como una decisión de ingeniería, se puede emplear un microcontrolador menos costoso, y se puede conectar la lógica de sincronización límite separada entre el microcontrolador y los detectores pico con caída 50, 80. La lógica de sincronización límite puede medir frecuencia, período o anchura de pulso. Como una decisión de ingeniería similar, se puede conectar un sistema de circuito de conversión analógico a digital separado entre el microcontrolador y los filtros de paso bajo 150, 180. El microcontrolador 60, con la lógica de sincronización límite y el sistema de circuito de conversión analógico a digital en el mismo, está disponible actualmente de muchos fabricantes por menos de $1.

El microcontrolador 60 produce una señal de desconexión cuando se recibe una forma de onda que representa un arco de los detectores pico 50, 80 y los filtros de paso bajo 150, 180. Más específicamente, el microcontrolador 60 analiza las señales recibidas de los detectores pico y filtros de paso bajo para determinar si está presenta la formación de arco y, después de encontrar que está presente la formación de arco, genera una señal de desconexión que es alimentada al interruptor de circuito 28 en el conductor 26. Un cristal 62 proporciona sincronización para la operación del microcontrolador. La señal de desconexión generada por el microcontrolador es provista en el conductor 26 a la terminal de compuerta de un triac 74 en un circuito interruptor de circuito 28. El interruptor de circuito 28 incluye un relé que tiene dos grupos de contactos separados 71, 72 y una bobina 73. Los contactos 71 están conectados en serie con el conductor de fase 14 y los contactos 72 están conectados en serie con el conductor neutro. La bobina 73 del relé está conectada en serie con el triac y está red en serie está conectada entre el conductor de fase 14 y una terminal neutral. La terminal de compuerta del triac está conectada a través del resistor 75 al conductor 26 para recibir las señales de desconexión del microcontrolador 60. Una señal de desconexión del microcontrolador alerta al triac a la conducción que permite que la corriente fluya a través de la bobina relé y abra los contactos 71, 72. Haciendo referencia a la Figura 8, se muestra un detector de falla de arco de acuerdo con los principios de esta invención en combinación con un Interruptor de Circuito de Falla Tierra (GFCI). El circuito 182, comúnmente denominado como un Interruptor de Circuito de Falla de Arco/Interruptor de Circuito de Falla Tierra (AFCI/GFCI) comprende dos transformadores de corriente que tiene núcleos magnéticos 233, 234 y bobinas 235, 236, respectivamente, conectadas al circuito integrado (IC) 225 que puede comprende el LM1851 fabricado por National Semiconductor o el RA9031 fabricado por Raytheon. La energía AC de una de los conductores de fase 14 y neutro 18 es introducida al circuito de suministro de energía 15, el cual genera energía para el sistema de circuito interno del dispositivo AFCI/GFCI. El circuito en serie de la bobina de relé 218 y SCR 224 está conectado entre el suministro de energía 15 y una terminal a tierra, y la terminal de compuerta del SCR está acoplada a la terminal de salida del circuito activador de SCR 216. La salida del conectador 1 de IC 225 es la entrada al circuito activador SCR 216. Un diodo 245 está acoplado en paralelo con la bobina 235 que está acoplada a los conectadores 2 y 3 mediante el resistor 247 y capacitores 239, 249. El conectador 3 también está acoplado al neutro a través del capacitor 251. La bobina 236 está acoplada a los conectores 4 y 5 de IC 225 mediante los capacitores 237, 238 y el conectador 4 también está acoplado a tierra. El conectador 6 de IC 225 está acoplado al conectador 8 a través del resistor de sensibilidad 241 y el conectador 7 está acoplado a tierra a través del capacitor de retraso de tiempo 243. El conectador 8 también está acoplado al capacitor 222 y el resistor 221 está conectado al suministro de energía 15. Los conductores eléctricos laterales de línea, los conductores de fase 14, 10 y el conductor neutro 18, pasan a través de los transformadores 233, 234 hacia los conductores de fase neutra laterales de carga. La bobina de relé 218 está acoplada para operar los contactos 231, 232, asociados con los conductores de fase neutro, respectivamente, que funcionan para abrir el circuito en el caso de que se detecte una falla. La bobina 218 del relé es energizada cuando el SCR 224 es encendido por una señal de circuito activador 216. Además, el circuito comprende un circuito de prueba compuesto de un interruptor de opresión de botón momentáneo 228 conectado en serie con el resistor 230. Cuando el interruptor 228 es oprimido, se crea una falla a tierra simulada temporal de la fase de carga al neutro de línea para operar la operación del dispositivo. Los inductores 20, 30 están acoplados en serie con los conductores 14, 18 y corriente debajo de la entrada al suministro de energía 15. Los conductores 34, 35 están conectados para proporcionar señales representativas de la corriente derivativa (di/dt) en los conductores 14, 18 al detector de falla de arco 24 como se describió antes. El microcontrolador del detector de falla de arco puede ser un componente independiente o puede ser una parte de la IC 225 del interruptor del circuito de falla a tierra. Si el microcontrolador es un componente independiente, la señal de desconexión generada por el microcontrolador es alimentada al circuito activador SCR 216. Sí el microcontrolador es una parte de IC 225, la señal de desconexión es la señal TRIG-GFCI de la IC 225. En la descripción de las modalidades de la invención aquí descrita, cualquiera o ambos de los inductores en serie 20, 30 pueden ser devanados primarios para un devanado secundario común o devanados secundarios separados conectados para alimentar señales recibidas hacia el microcontrolador. De esta manera, los inductores en serie proporcionan el derivado (di/dt) del flujo de corriente y son el principal de al menos un transformador de corriente. Un inductor de la invención aquí descrito se puede formar a partir de un conductor que tiene tan poca inductancia como la que podría ocurrir en una flexión de 15 grados a mucha inductancia como la que podría ocurrir de 100 o más giros de 360 grados cada uno, y teniendo un núcleo de aire o magnético. La inductancia en serie está conectada en serie con toda o parte de ia corriente que fluye en el inductor, cuando las inductancias individuales o combinadas de los devanados se utilizan para obtener la medición directa del derivado de la corriente que fluye en el conductor(es). Aquí se describe un método y aparato para detectar la ocurrencia de formación de arco de un conductor. Se obtiene una relación de señal a ruido de resolución mejorada, exactitud derivativa y respuesta de alta frecuencia a partir de una medida directa del derivado de flujo de corriente. En la invención, el inductor está conectado en serie con la corriente en línea para medir el derivado di/dt del flujo de corriente. A medición de bajo ruido se logra haciendo referencia a la electrónica de un lado del inductor, y la electrónica verificando el voltaje en el otro lado del inductor. Las Figuras 6 y 7 ilustran una vista frontal y una superior, respectivamente, de un tablero de circuito que tiene una inductancia en serie y un microcontrolador. Los sobrevoltajes de corriente en línea generan flujo magnético a través del inductor en serie que, a su vez, puede inducir un flujo magnético en el material electrónico circundante. También se pueden inducir corrientes eléctricas de superficie y lámina en el material circundante, en respuesta al flujo magnético. Al orientar al inductor a ser ortogonal con el tablero de circuito impreso que tiene la electrónica del detector de falla de arco, las corrientes de superficie y lámina en el mismo tablero de circuito, y la electrónica montada en o coplanar con el tablero de circuito, pueden ser reducidas al mínimo. Si el derivado di/dt de la corriente se hace de una magnitud muy alta, puede existir una caída grande indeseable del voltaje en línea desde el inductor. Esto puede ser evitado fijando la caída de voltaje máxima a través del inductor con uno o más diodos, diodos Zener, diodos de avalancha diacs, mov's sidacs, transorbs, tubos de gas, etc. En otros casos en donde la red de distribución de energía eléctrica es un tercer inductor en serie de dos fases 40 puede ser acoplado en serie con el tercer conductor 10 para producir un voltaje a través de sí mismo relacionado con el derivativo del flujo de corriente en el tercer conductor. La salida del inductor 40 puede ser acoplada al detector de arco 24 a través del conductor 36. En dispositivos que emplean mediciones de corriente, el espacio, que usualmente es un espacio principal en muchos diseños de dispositivo, puede ser ahorrado combinando el inductor en serie que es sensible al derivado del flujo de corriente con el aspecto primario de un transformador de medición de corriente. De esta manera, el mismo inductor que proporciona medición directa del derivado de flujo de corriente también puede funcionar como el punto principal del transformador de corriente. Otra forma de obtener mediciones de corriente y ahorrar espacio y costo, es emplear la resistividad del mismo inductor en serie como un sensor de corriente. De esta manera el mismo inductor que proporciona la medición directa del derivado de flujo de corriente también, con menor filtración, puede proporcionar la medición directa del mismo flujo de corriente. Cuando se requieren tanto la sensibilidad de canal alterno como la medición de corriente, los dos inductores pueden actuar como los puntos principales de un transformador de corriente. En esta modalidad, el flujo inducido en el núcleo de transformador de cada uno de estos dos inductores debe ser ya sea aditivo o sustractivo, pero, cuando es sustractivo, no se deben cancelar totalmente entre sí. Cuando se requieren tanto una sensibilidad de canal alterna como detección de falla a tierra, los dos inductores juntos pueden actuar como los puntos primarios en un transformador diferencial de falla a tierra. En esta modalidad, el acoplamiento provisto por el transformador puede o no ser el único acoplamiento entre los dos inductores y el flujo inducido en el núcleo de transformador para una corriente dada, de cada uno de los inductores, no debe cancelar ni total ni casi totalmente entre sí. Cuando se requiere de tanto la sensibilidad de canal alterna como de la detección de falla a tierra, los dos inductores en conjunto pueden actuar como los puntos primarios de un transformador de falla a tierra. En esta modalidad, el acoplamiento provisto por el transformador puede o no ser el único acoplamiento entre los dos inductores. Por lo tanto, el flujo inducido en el núcleo de transformador para una corriente dada, de cada uno de los inductores, puede ser aditiva o sustractiva. El detector de arco aquí descrito puede ser combinado con otros tipos de dispositivos de interrupción de circuito, tales como un interruptor de circuito de falla a tierra (GFCl), interruptor de circuito de detección de inmersión (IDCI) o interruptor de corriente de fuga de utilización (ALC1). En el caso de un GFCl, el sistema de circuito de detección de arco puede ser colocado dentro del mismo circuito de silicio típicamente utilizado en los dispositivos GFCl actuales. En algunos casos, algunos de los conectadores de circuitos integrados de GFCl comúnmente utilizados pueden ser convertidos para una operación de funciones múltiples. El AFCI puede ser accionado a partir de la misma fuente de energía que proporciona energía al dispositivo de interrupción de circuito. Este aspecto combinado puede dar como resultado costos reducidos en la fabricación como en las partes mecánicas del dispositivo de interrupción de circuito, tales como el relé de desconexión y los mecanismos de cierre de contacto mecánico los cuales servirán para propósitos nobles. En una implementación, un GFCl puede ser combinado con un sistema de circuito de AFCI, ya que un GFCl puede detectar la formación de arco en ciertas situaciones, incluyendo cualquier condición mediante la cual un arco produce corriente de fuga hacia tierra. El detector de falla de arco puede incluir un mecanismo de cierre de reposición. Los mecanismos de cierre de reposición son bien conocidos en la técnica. El mecanismo de cierre de reposición puede evitar la reposición de condiciones eléctricas entre los conductores en línea y de carga si el detector de falla de arco no está operando o si existe una condición neutra abierta. Un ejemplo de un mecanismo de cierre de reposición se describe en la Patente de E.U.A. No. 6,040,967. En una implementacíón, el mecanismo de cierre de reposición puede operar independientemente del detector de falla de arco que interrumpe la conexión entre los conductores en línea y de carga. Los dispositivos de interrupción de circuito que incluyen una porción de desconexión que pueden interrumpir trayectorias conductivas eléctricas entre los conductores en línea y de carga independientemente de la operación de una porción de interrupción de circuito utilizada para percibir fallas e interrumpir las trayectorias conductivas cuando se percibe una falla, y una porción de cierre de reposición capaz de evitar que el dispositivo sea reponga si la porción de interrupción de circuito no esta funcionando adecuadamente o si existe una condición neutra abierta. Un ejemplo de un mecanismo de cierre de reposición con desconexión independiente se describe en la Patente de E.U.A. No. 6,282,070. En otra implementación, el detector de falla de arco puede ser combinado con la seguridad agregada provista por un sistema de protección de cable inverso. La protección de cable inverso opera en los lados tanto en línea como de carga del dispositivo, de manera que el caso de que el cableado lateral en línea hacia el dispositivo no esté apropiadamente conectado al lado de carga, la protección de falla de arco para el dispositivo permanece en operación. La porción de desconexión de detector de falla de arco opera independientemente de una porción de interrupción de circuito utilizada para interrumpir la continuidad eléctrica en una o más trayectorias conductivas en el dispositivo. También se puede incluir una porción de cierre de reposición para evitar el restablecimiento de continuidad eléctrica en trayectorias conductivas abiertas si la porción de interrupción de circuito no es operacional o si existe una condición neutra abierta. Un ejemplo de un sistema de protección de cableado inverso se describe en la Patente de E.U.A. No. 6,246,558. Lo anterior ha subrayado, más bien ampliamente, los aspectos preferidos de la presente invención, de manera que aquellos expertos en la técnica pueden entender mejor la descripción detallada de la invención. Otros aspectos de la invención se describirán más adelante los cuales forman el tema objeto de las reivindicaciones de la invención. Aquellos expertos en la técnica apreciarán que fácilmente pueden utilizar el concepto descrito y las modalidades específicas como una base para diseñar o modificar otras estructuras para llevar a cabo los mismos propósitos de la presente invención y que dichas estructuras no se aparten del espíritu y alcance de la invención en su forma más amplia.

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato para detectar arcos en una red de distribución de energía eléctrica, que tiene por lo menos un conductor, que comprende: medios de inductancia en serie adaptados para ser acoplados en serie como un conductor de la red, en donde se produce un voltaje a través de los medios de inductancia en serie teniendo una forma de onda individual que se relaciona al derivado del flujo de corriente en el conductor; medios de detección de arco acoplados para identificar cuándo la forma de onda individual del voltaje a través de los medios de inductancia en serie es representativa de formación de arco en la red y para generar una señal de detección de arco de la forma de onda individual cuando la forma de onda individual es representativa de la formación de arco en la red; y medios de medición de corriente acoplados a los medios de inductancia en serie para medir la corriente que fluye en al menos un conductor desde la forma de onda individual del voltaje a través de los medios de inductancia en serie.

2. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde por lo menos un conductor comprende un conductor neutro y un conductor de fase.

3. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los medios de inductancia en serie comprenden un conductor que tiene de entre una y 100 vueltas.

4. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un interruptor de circuito de falla a tierra.

5. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un interruptor de circuito de detección de inmersión.

6. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un interruptor de circuito de fuga de utilización.

7. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un mecanismo de cierre de reposición.

8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el mecanismo de cierre de reposición opera independiente de los medios de detección de arco.

9. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un sistema de protección de cableado inverso.

10. Un aparato para detectar áreos en una red de distribución de energía eléctrica que tiene por lo menos dos conductores, que comprende: primeros medios de inductancia en serie adaptados para ser acoplados a un primero de por lo menos dos conductores para producir un voltaje a través del mismo con relación al derivado del flujo de corriente en el primer conductor; segundos medios de inductancia en serie adaptados para ser acoplados a un segundo de por lo menos dos conductores para producir un voltaje a través del mismo con relación al derivado de flujo de corriente en el segundo conductor; un medio de detección de arco sensible a las formas de onda de los voltajes a través de todos los medios de inductancia en serie para determinar cuando una forma de onda indicativa de formación de arco en la red está presente y para generar una señal de detección de arco cuando está presente una formación de arco; y medios de medición de corriente acoplados a los primeros y/o segundos medios de inductancia en serie para medir la corriente que fluye en los primeros y/o segundos conductores a partir de la forma de onda individual del voltaje a través de los primeros y/o segundos medios de inductancia en serie.

11. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende además: terceros medios de inductancia en serie acoplados en serie con un tercer conductor de la red para producir un voltaje a través de los mismos con relación al derivado de flujo de corriente en el tercer conductor.

12. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende un interruptor de circuito de falla a tierra.

13. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende un interruptor de circuito de detección de inmersión.

14. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende un interruptor de corriente de fuga de utilización.

15. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende un mecanismo de cierre de reposición.

16. El aparato de acuerdo con la reivindicación 15, en donde le mecanismo de cierre de reposición opera independientemente de los medios de detección de arco.

17. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende un sistema de protección de cableado inverso.