MXPA97007859A

MXPA97007859A - Sistema de deteccion de falla por formacion de arco

Info

Publication number: MXPA97007859A
Application number: MXPA/A/1997/007859A
Authority: MX
Inventors: H Strader Walter; J Brooks Stanley; W Dickens James
Original assignee: Square D Company
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 1998-04-01

Abstract

La presente invención se refiere a un método de detectar fallas de arco en un sistema de distribución eléctrica que incluye un conductor de línea conectado a un transformador de energía de la compañia de servicio eléctrico, dicho método comprendiendo:monitorear la tasa de cambio de la corriente eléctrica en el conductor de línea y producir una señal que representa la tasa de cambio, producir un pulso cada vez que la señal de tasa de cambio excede un umbral seleccionado, filtrar al menos un elemento seleccionado de dicha señal de tasa de cambio y dichos pulsos para eliminar sustancialmente señales o pulsos que representan cambios en dicha corriente eléctrica fuera de un rango de frecuencia seleccionado mientras se conservan señales o pulsos no filtrados que representan cambios en dicha corriente eléctrica dentro de dicho rango de frecuencia seleccionado, producir una señal que representa un número de dichas señales o pulsos no filtrados que ocurren dentro de un intervalo de tiempo seleccionado;y generar una señal de detección de falla de arco en respuesta a dicha señal que representa dicho número de señales o pulsos no filtrados que ocurren dentro de un intervalo de tiempo seleccionado que excede de un nivel de umbral de disparo.

Description

SISTEMA DE DETECCIÓN DE FALLA POR FORMACIÓN DE ARCO Campo de la Invención La presente invención se refiere a la protección de circuitos eléctricos y, mas particularmente, a la detección de fallas peligrosas por formación de arco típicamente ignoradas por interruptores de circuito convencionales. Antecedentes de la Invención Los sistemas eléctricos en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales habitualmente incluyen un tablero para recibir energía eléctrica desde una fuente de compañía de servicio eléctrico. La energía es entonces enrutada a través de dispositivos de protección de sobre-corriente a circuitos ramales designados que suministran a una o mas cargas. Estos dispositivos de sobre-corriente son típicamente interruptores de circuito tales como disyuntores de circuito y fusibles que están diseñados para interrumpir la corriente eléctrica si los límites de los conductores que suministran a las cargas son sobrepasados. La interrupción del circuito reduce el riesgo de lesiones o el potencial de daños en propiedad a partir de un incendio resultante . Los disyuntores de circuito son un tipo preferido de interruptor de circuito debido a que un mecanismo de restablecimiento permite su re-uso. Típicamente, los disyuntores de circuito interrumpen un circuito eléctrico debido a una condición de desconexión o disparo, tal como una sobrecarga de corriente o falla de tierra. La condición de sobrecarga de corriente resulta cuando una corriente excede la capacidad nominal continua del disyuntor por un intervalo de tiempo determinado por la corriente de disparo. La condición de disparo de falla de tierra es creada por un desbalance de las corrientes que fluyen entre un conductor de línea y un conductor neutral, tal como un conductor aterrizado, una persona que ocasiona una trayectoria de corriente a tierra, o una falla por formación de arco a tierra. Las fallas por formación de arco son definidas comúnmente como corriente a través de gas ionizado entre dos extremos de un conductor roto, entre dos conductores que suministran a una carga, o entre un conductor y tierra. Un problema mayor resulta de las fallas por formación de arco que no ocasionan disparo del disyuntor de circuito. Los niveles de corriente de falla por formación de arco pueden ser reducidos por la impedancia del ramal o la carga a un nivel inferior a las lecturas fijas de la curva de disparo del disyuntor de circuito. Además, una falla por formación de arco que no hace contacto con un conductor o persona aterrizado no disparará un circuito protegido contra falla de tierra.

Hay muchas condiciones que pueden ocasionar una falla por formación de arco. Por ejemplo, cableado o aislamiento corroído, gastado o viejo, conexiones sueltas, cableado dañado por clavos o grapas a través del aislamiento, y esfuerzo eléctrico ocasionado por sobrecarga repetida, rayos, etc. Estas fallas pueden dañar el aislamiento del conductor y alcanzar una temperatura inaceptable. Las fallas por formación de arco puede ocasionar fuero si materiales combustibles están en proximidad cercana. Hay también muchas condiciones que pueden ocasionar una falla por formación de arco falsa . Por ejemplo, la ocurrencia de un evento de falla por formación de arco en un circuito ramal de un sistema de distribución eléctrica a menudo ocasiona una señal de falla por formación de arco falsa en otro circuito ramal al crearse una trayectoria en serie entre los circuitos ramales a través de un centro de carga. Como resultado, interruptores de circuito en mas de un circuito ramal son disparados erróneamente. Otro ejemplo es una carga ruidosa tal como una soldadora de arco, taladro eléctrico, etc., que produce una perturbación de alta frecuencia en el circuito eléctrico, que parece ser una falla por formación de arco. Compendio de la Invención Es un objetivo de la presente invención el de proporcionar un sistema de detección de falla de arco y un método que detecte confiablemente condiciones de falla de arco ignoradas por interruptores de circuito convencionales. Otro objetivo de la invención es el de proporcionar un sistema de detección de falla de arco que puede ser retro-equipado de manera conveniente en instalaciones residenciales, comerciales e industriales a costo mínimo. Un objetivo adicional de la invención es el de proporcionar un sistema y método de detección de falla de arco que distinguen entre fallas de arco peligrosas y la operación normal del equipo o los aparatos electrodomésticos, así como cargas ruidosas, usando el circuito eléctrico. Todavía otro objetivo de la invención es el de proporcionar un sistema de detección de falla de arco que aisla eléctricamente múltiples circuitos ramales en un sistema de distribución eléctrica. Otros y adicionales objetivos y ventajas de la invención serán evidentes a los técnicos en la materia a partir de la presente descripción, tomada en conjunción con los dibujos acompañantes y las reivindicaciones anexas . De acuerdo con la presente invención, los anteriores objetivos son alcanzados proporcionando un sistema para detectar fallas por formación de arco en un sistema de distribución eléctrica monitoreando la tasa de cambio de la corriente eléctrica en el conductor de línea y produciendo una señal que representa la tasa de cambio, produciendo un pulso cada vez que la señal de tasa de cambio excede un umbral seleccionado, filtrando la señal de tasa de cambio y/o los pulsos para eliminar sustancialmente una señal o pulso que representa cambios en la corriente eléctrica fuera de un rango de frecuencia seleccionado, monitoreando los pulsos restantes para detectar cuando exceden un umbral predeterminado los varios pulsos que ocurren dentro de un intervalo de tiempo seleccionado, y generando una señal de detección de falla de arco en respuesta a la ocurrencia de varios pulsos que exceden el umbral dentro del intervalo de tiempo seleccionado. Breve Descripción de los Dibujos En los dibujos: La figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de detección de falla de arco que incorpora la presente invención; La figura 2 es un diagrama esquemático de un circuito eléctrico para implementar el sistema de detección de falla de arco ilustrado en la figura 1; Las figuras 3a a 3g son formas de onda en diversos puntos en el circuito de la figura 2 ; La figura 4 es un diagrama esquemático de un circuito alternativo para uso en lugar del comparador y el generador de pulsos de un solo tiro en el circuito de la figura 2; y La figura 5 es un diagrama esquemático de un circuito alternativo para implementar el sistema de detección de falla ilustrado en la figura 1. Descripción Detallada Pasando ahora a los dibujos, y primero haciendo referencia a la figura 1, detectores de falla de arco 10a, 10b ... lOn son conectados a n ramales de un sistema de distribución eléctrica 12 teniendo un transformador de potencia de la compañía de suministro de electricidad 14, tal como una fuente de energía eléctrica. El sistema de distribución eléctrica 12 incluye conductores de línea 16a, 16b ... 16n y conductores neutros 18a, 18b ... 18n, los cuales distribuyen energía eléctrica a las cargas 20a, 20b ... 20n a través de sensores 21a, 21b ... 21n correspondientes, interruptores de línea 22a, 22b ... 22n, y filtros de bloqueo 23a, 23b ... 23n. Los conductores de línea 16 y los conductores neutros 18 están típicamente a 240 o 120 voltios, y a una frecuencia de 60 Hz . Cada uno de los interruptores de línea 22 es de preferencia un disyuntor de circuito que incluye un mecanismo de disparo de sobrecarga que tiene una característica térmica/magnética que dispara los contactos del disyuntor a una condición de circuito abierto en respuesta a una condición de sobrecarga dada, para desconectar la carga 20 correspondiente de la fuente de energía, como es sabido en la materia. Es también sabido proporcionar el disyuntor de circuito 22 con circuitos de interruptor de falla de tierra que responden a una falla de línea o de neutro a tierra para energizar un solenoide de disparo que dispara el disyuntor de circuito y abre los contactos. Los sensores 21 monitorean la tasa de cambio de la corriente eléctrica en los conductores de línea 16 respectivos y producen señales que representan la tasa de cambio. La señal de tasa de cambio de cada sensor 21 es suministrada al detector de arco 10 correspondiente, el cual produce un pulso cada vez que la señal de tasa de cambio se incrementa sobre un umbral seleccionado. La señal de tasa de cambio y/o los pulsos producidos a partir de la misma son filtrados para eliminar señales o pulsos fuera de un rango de frecuencias seleccionado. Los pulsos finales son entonces monitoreados para detectar cuando los varios pulsos que ocurren dentro de un intervalo de tiempo seleccionado exceden un umbral predeterminado. En el caso de que se exceda el umbral, el detector 10 genera una señal de detección de falla de arco que puede ser usada para disparar el correspondiente interruptor de línea 22. El patrón de fluctuaciones en la señal de tasa de cambio producida por el sensor 21 indica si la condición del circuito es una carga normal, un evento normal de interrupción, una carga encendida controlada en fase, o un evento de falla por formación de arco. Un ejemplo de un sensor adecuado para producir la señal de tasa de cambio deseada es un sensor toroidal que tiene un núcleo anular que engloba la línea de carga portadora de corriente, con la bobina sensora enrollada helicoidalmente en el núcleo. El núcleo es hecho de material magnético tal como una ferrita, hierro, o polvo permeable moldeado capaz de responder a rápidos cambios en el flujo. Un sensor preferido usa un núcleo de ferrita enrollado con 200 vueltas de alambre de cobre calibre 24-36 para formar la bobina sensora. Un espacio libre de aire puede cortarse en el núcleo para reducir la permeabilidad a alrededor de 30. El material de núcleo de preferencia no se satura durante las corrientes relativamente elevadas producidas por arcos paralelos, de modo que la detección de arco todavía sea posible a tales niveles de alta corriente. Otros medios para detectar la tasa de cambio de la corriente en un conductor de línea son contemplados por la presente invención. Por la Ley de Faraday, cualquier bobina produce un voltaje proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético que pasa a través de la bobina. La corriente asociada con una falla por formación de arco genera un flujo magnético alrededor del conductor, y la bobina del sensor 21 intersecta este flujo para producir una señal. Otros sensores adecuados incluyen un transformador toroidal con un núcleo de material magnético o un núcleo de aire, un inductor o un transformador con un núcleo laminado de material magnético, e inductores montados en tarjetas de circuito impreso. Diversas configuraciones para el núcleo sensor son contempladas por la presente invención e incluyen toroides que tienen espacios libres de aire en su cuerpo . De preferencia, la señal de tasa de cambio producida por el sensor 21 representa solamente fluctuaciones en la tasa de cambio dentro de una banda de frecuencias seleccionada. La característica de banda de paso del sensor es de preferencia tal que el punto de corte de frecuencia inferior rechace las señales de frecuencia de energía, mientras que el punto de corte de frecuencia superior rechace las señales de alta frecuencia generadas en presencia de cargas ruidosas tales como un soplete, una sierra eléctrica, un taladro eléctrico, o aparatos domésticos, equipo o herramientas similares. La salida resultante del sensor 21 está así limitada a una banda de frecuencias seleccionada asociada con fallas por formación de arco, con ello eliminando o reduciendo fluctuaciones espurias en la señal de tasa de cambio que pueden dar como resultado disparos molestos. Como un ejemplo, la característica de paso de banda del sensor puede tener: (1) un punto de corte de frecuencia inferior o límite inferior de 60 Hz, de modo de rechazar señales de frecuencia de energía, y (2) un punto de corte de frecuencia superior o límite superior de aproximadamente 1 Mhz de modo de rechazar efectivamente todas las señales de alta frecuencia asociadas con cargas ruidosas. Estos puntos de corte de frecuencia específicos para la característica de paso de banda del sensor son a guisa de ejemplo únicamente, y otros límites de corte de frecuencia apropiados pueden ser adoptados, dependiendo de los rangos reales de frecuencia para las señales de energía, así como las señales de carga ruidosa. La característica de paso de banda deseada es lograda seleccionando y ajustando apropiadamente la frecuencia auto-resonante del sensor. El sensor tipo corriente es seleccionado para tener una frecuencia auto-resonante predeterminada que define puntos de corte o rodamiento de frecuencia superior e inferior asociadas para las características operativas del sensor. De preferencia, el sensor tipo corriente es diseñado para exhibir la característica deseada de filtro de paso de banda al operar para detectar la tasa de cambio de variaciones de corriente dentro de la línea de carga que está siendo monitoreada. La presente invención contempla otros medios para filtrado de paso de banda de la salida de señal dentro de la banda de frecuencias seleccionada. Por ejemplo, un filtro de paso de banda o una combinación de filtros en un circuito pueden ser usados para atenuar frecuencias sobre o debajo de los puntos de corte para la banda de frecuencias seleccionada. La figura 2 ilustra un circuito preferido para uno de los detectores de arco 10. El sensor 21 produce la señal de tasa de cambio de corriente deseada (comúnmente referida como una señal di/dt) en la forma de un voltaje de salida que está conectado a un circuito comparador 30 a través de una red de filtrado en el sensor y un diodo D3. La señal de tasa de cambio se origina en la bobina sensora TI que está enrollada en un núcleo que rodea la línea de carga 16. Conectado en paralelo con la bobina sensora TI está un par de diodos DI y D2 que sirven como dispositivos de sujeción durante condiciones transientes de alta energía. Un resistor Rl en paralelo con los diodos DI y D2 amortigua el auto-timbrado del sensor, durante transientes de alta energía. Un par de capacitores Cl y C2 en paralelo con el resistor Rl, y un resistor R2 y un inductor Ll conectados en serie a la entrada del comparador 30, se sintonizan para ayudar a lograr las características de corrimiento deseadas de la red de filtrado formada de esta manera. Por ejemplo, con los valores ilustrativos listados mas adelante para los componentes del circuito de la figura 2, el sensor tiene una banda de paso que se extiende de alrededor de 10 a alrededor de 100 Khz, con un corrimiento abrupto en ambos lados de la banda de paso. La operación del circuito de la figura 2 puede ser mas claramente comprendida por referencia a la serie de formas de onda en las figuras 3a a 3g. La figura 3a es una forma de onda real de un osciloscopio conectado a un conductor de línea 16 que lleva energía de corriente alterna a 60 Hz y experimentando una perturbación de alta frecuencia comenzando en el tiempo ti. Debido a que la perturbación de alta frecuencia está dentro del rango de frecuencias a que es sensible el sensor 21 (por ejemplo, de alrededor de 10 a alrededor de 100 Khz) , la perturbación da como resultado un estallido de ruido de alta frecuencia en la señal de salida di/dt (figura 3b) desde el sensor 21 (en el punto A en el circuito de la figura 2) , comenzando en el tiempo ti. El estallido de ruido tiene una amplitud relativamente alta desde el tiempo ti hasta aproximadamente el tiempo t2, y luego continúa a una menor amplitud desde el tiempo t2 a alrededor del tiempo t3. En el comparador 30, la magnitud de la señal de tasa de cambio del sensor 21 es comparada con la magnitud de una señal de referencia fija, y el comparador 30 produce un voltaje de salida solo cuando la magnitud de la señal de tasa de cambio cruza la de la señal de referencia. Esto hace que el detector 10 ignore las señales de bajo nivel generadas por el sensor 21. Todas las señales que tienen una magnitud sobre el nivel de umbral fijo por la magnitud de la señal de referencia son amplificadas a un valor máximo prestablecido para reducir el efecto de una señal grande. En el comparador 30, un transistor Ql es normalmente activado con su base jalada a estado alto por un resistor R3. Un diodo D3 cambia el umbral y solo permite que los pulsos negativos del sensor 21 sean entregados a la base del transistor Ql . Cuando la señal al comparador cae por debajo del nivel de umbral (menos 0.2 voltios para los valores de circuito antes listados) , esto hace que el transistor Ql se inactive . Esto hace que el colector del transistor Ql se eleve a un voltaje predeterminado, determinado por el voltaje de suministro Vcc, un resistor R4 y la impedancia de entrada de un circuito generador de pulsos de un solo tiro 40. Este voltaje del colector es la salida del circuito comparador 30. El voltaje del colector permanece en estado alto en tanto esté inactivo el transistor Ql, lo que continúa hasta que la señal del sensor 21 se eleve sobre el nivel de umbral nuevamente. El transistor Ql se activa de nuevo, haciendo que caiga el voltaje del colector. El resultado final es una salida de pulso del comparador, la anchura del pulso correspondiendo al intervalo de tiempo durante el cual se apaga el transistor Ql, lo que a su vez corresponde al intervalo de tiempo durante el cual la señal que va a negativo del sensor 21 permanece por debajo del nivel de umbral del comparador. El estallido de ruido en la salida del sensor es filtrado para producir la forma de onda mostrada en la figura 3c en el punto B en el circuito de la figura 2. La forma de onda en el punto C en el circuito de la figura 2 es mostrada en la figura 3d, y puede verse que la amplitud ha sido reducida y se ha introducido un desplazamiento de corriente continua sumando la señal di/dt filtrada con una polarización de corriente continua del voltaje de suministro Vcc en el punto C. Esta es la señal de entrada a la base del transistor Ql . La salida del transistor Ql es una serie de pulsos que van a positivo correspondientes a los picos que van a negativo en la señal de entrada. La salida del transistor, en el punto D en el circuito de la figura 2, es mostrada en la figura 3e. Puede verse que el circuito del transistor funciona como un comparador produciendo pulsos de salida correspondientes únicamente a picos que van a negativo que exceden un cierto umbral en la señal di/dt filtrada mostrada en la figura 3c. En este punto del circuito, los pulsos varían tanto en anchura como en amplitud, como puede verse en la figura 3e.

Para convertir los pulsos de salida del comparador 30, que varían tanto en achura como en amplitud, en una serie de pulsos de anchura y amplitud sustancialmente constantes, la salida del comparador es alimentada a un circuito generador de pulsos de un solo tiro 40. Este circuito de filtro pasa-altos incluye un par de capacitores C3 y C4 conectados en serie al colector del transistor Ql, y dos pares de resistor-diodo conectados en paralelo desde lados opuestos del capacitor C4 a tierra. Los pulsos producidos por este circuito serán descritos mas adelante en mayor detalle con relación a las formas de onda mostradas en la figura 3. Los pulsos de salida son predominantemente pulsos de igual amplitud y anchura, aunque pulsos mas grandes o mas pequeños ocasionales pueden resultar de pulsos de entrada especialmente grandes o pequeños. Los pulsos de anchura variable y de amplitud variable de la figura 3e son convertidos en una serie de pulsos de anchura y amplitud sustancialmente constantes por el circuito generador de pulsos de un solo tiro 40. La salida de este circuito 40, en el punto E en el circuito de la figura 2, es mostrada en la figura 3f . Aunque todos los pulsos mostrados en la figura 3f son de sustancialmente el mismo tamaño, pulsos mas grandes o mas pequeños pueden ser producidos por picos di/dt que sean excesivamente grandes o excesivamente pequeños . La vasta mayoría de los pulsos en el punto E, sin embargo, es sustancialmente independiente de la amplitud y la duración de los picos correspondientes en la señal di/dt, con la condición de que los picos sean suficientemente grandes para producir un pulso de salida desde el comparador 30. Los pulsos sustancialmente uniformes producidos por el circuito 40 son suministrados a la base de un transistor Q2 a través de un resistor limitador de corriente R7. Un capacitor C5 conectado de la base del transistor a tierra mejora la agudeza del corrimiento del filtrado de paso de banda. El transistor Q2 es el inicio de un circuito integrador 50, que integra los pulsos producidos por el circuito 40. Los pulsos activan y desactivan el transistor para cargar y descargar un capacitor C6 conectado entre el emisor del transistor y tierra. Un resistor R9 está conectado en paralelo con el capacitor C6, y un resistor R8 conectado entre el voltaje de suministro y el colector del transistor Q2 determina el nivel de la corriente de carga para el capacitor C6. La magnitud de la carga en el capacitor en cualquier instante dado representa la integral de los pulsos recibidos durante un intervalo de tiempo seleccionado. Debido a que los pulsos son de anchura y amplitud sustancialmente uniformes, la magnitud de la integral en cualquier instante dado es principalmente una función del número de pulsos recibidos dentro del intervalo de tiempo seleccionado que precede inmediatamente ese instante. En consecuencia, el valor de la integral puede ser usado para determinar si ha ocurrido una falla por formación de arco.

La señal integral producida por el circuito 50 es mostrada en la figura 3g, tomada en el punto F en el circuito de la figura 2. Puede verse que el circuito integrador carga cada vez que recibe un pulso del circuito 40, y luego inmediatamente comienza a descargar. La carga se acumula solamente cuando los pulsos aparecen a una tasa suficientemente elevada tal que la carga producida por un pulso sea menor que la descarga que ocurre antes de que llegue el siguiente pulso. Si los pulsos llegan en número suficiente y a una tasa suficiente para incrementar la señal integral a un nivel de umbral de disparo TR (figura 3g) , se dispara el SCR1 para disparar el disyuntor de circuito. El circuito está diseñado de modo que ésto ocurra solamente en respuesta a una señal di/dt que representa una falla de arco. Cuando se enciende el SCR1, un solenoide de disparo SI es energizado para desconectar la carga del circuito en una forma habitual. Específicamente, encender el SCR1 ocasiona que fluya corriente de línea a neutral a través de un puente de diodo formado por los diodos D7-D10, con ello energizando el solenoide para abrir los contactos del disyuntor de circuito en la línea 16 y con ello desconectar la porción protegida del sistema de la fuente de energía. Las terminales DC del puente de diodo son conectadas a través del SCR1, y el nivel de voltaje es fijado por un diodo Zener D6 en serie con un resistor limitador de corriente RIO. Un varistor VI está conectado a través del puente de diodo como un supresor de transientes. Un capacitor de filtrado C7 está conectado a través del diodo Zener D6. El circuito de disparo pierde energía cuando se abren los contactos del disyuntor de circuito, pero desde luego los contactos permanecen abiertos hasta restablecerse. Un ejemplo de un circuito que produce el resultado deseado antes descrito es el circuito de la figura 2 que tiene los siguientes valores: DI 1N4148 D2 1N4148 D3 1N4148 D4 1N4148 D5 1N4148 D6 27v Zener Rl 3.01K R2 1.3K R3 174K R4 27.4K R5 10K R6 10K R7 10K R8 4.2K R9 4.75K RIO 24K Ll 3,300µH L2 500/H L3 500µH Cl 0.012µF C2 O.OOlµF C3 O.OOlµF C4 O.OOlµF C5 O.OOlµF C6 6.8µF C7 l.OµF C8 l.OµF Ql 2N2222A Q2 2N2222A SCR1 CR08AS-12, fabricado por Powerex-Equal Vcc 27v Aunque un disyuntor de circuito es el interruptor de línea mas comúnmente usado, el dispositivo de salida puede ser un comparador, SCR, relevador, solenoide, monitor de circuito, interfaz de computador, lámpara, alarma audible, etc. Se entenderá que pueden hacerse varias modificaciones en el circuito de la figura 2. Por ejemplo, el filtro de paso de banda discreto entre el sensor y el comparador puede ser reemplazado con un filtro activo usando un amplificador operativo. Como otro ejemplo, puede usarse un temporizador de un solo tipo en lugar del generador de pulsos de un solo tiro en el circuito de la figura 2. Este circuito puede recibir la señal de salida de un filtro activo como entrada de disparo a un temporizador de circuito integrado, con la salida del temporizador suministrada a través de un resistor al mismo circuito integrador formado por el resistor R9 y capacitor C6 en el circuito de la figura 2. La figura 4 ilustra un circuito convertidor de frecuencia a voltaje que puede ser usado en lugar de todos los circuitos entre el punto A y el circuito integrador de la figura 2. En este circuito, la señal del punto A en la figura 2 es suministrada a través de un resistor Ra a un circuito integrado convertidor de frecuencia/voltaje 55, tal como un AD537, fabricado por Analog Devices Inc. La salida del circuito integrado 55 es alimentada a un par de comparadores que forman un comparador de ventana convencional. Específicamente, la salida del circuito 55 es aplicada a la entrada inversora de un comparador 56 y a la entrada no inversora de un comparador 57. Las demás entradas de los comparadores 56 y 57 reciben dos señales de referencia diferentes A y B que fijan los límites de la ventana, es decir las únicas señales que pasan a través del comparador de ventana son aquellas que son menos que la referencia A y mayores que la referencia B. La figura 5 ilustra un detector de arco 10 para detectar la tasa de cambio del voltaje de línea, es decir dv/dt, en vez que la corriente. El sensor en este circuito es un capacitor CIO conectado entre un conductor de línea 16 y un inductor LIO que lleva a tierra. El inductor LIO forma parte de un filtro de paso de banda que solo pasa aquellas señales que caen dentro de la banda de frecuencias deseada, por ejemplo entre 10 y 100 Khz. La red de filtro también incluye un resistor RIO, un capacitor Cll y un segundo inductor Lll en paralelo con el primer inductor LIO, y un resistor Rll conectado entre el resistor RIO y el capacitor Cll. El resistor RIO amortigua el timbrado entre el capacitor CIO y el inductor LIO, y el resistor Rll ajusta el umbral o la sensibilidad del circuito. Los inductores LIO y Lll proporcionan corrimiento de baja frecuencia en el extremo superior de la banda de paso, y un capacitor Cll proporciona el corrimiento de alta frecuencia en el extremo inferior de la banda de paso. El capacitor CÍO puede ser construido uniendo un dieléctrico a la barra conectora de línea de modo que la barra conectora forme una placa del capacitor. La segunda placa del capacitor está unida en el lado opuesto de la barra conectora. El circuito sensor está conectado a la segunda placa. La salida del filtro de paso de banda antes descrita es suministrada a un comparador 60 para eliminar señales por debajo de un umbral seleccionado, y para limitar señales grandes a una amplitud máxima preseleccionada. La salida de filtro es aplicada a la entrada inversora del comparador 60, a través del resistor Rll, mientras que la entrada no inversora recibe una señal de referencia fijada por un divisor de voltaje formado por un par de resistores R12 y R13 conectados entre Vcc y tierra. El comparador 60 elimina niveles sumamente bajos de señal recibida del sensor. El comparador 60 está normalmente inactivo cuando no hay formación de arco en el conductor de línea 16, y de esta manera la salida del comparador es baja. Cuando la señal de voltaje del sensor es mas negativa que la entrada de referencia (por ejemplo, -0.2 voltios), la salida del comparador pasa a estado alto, y se aplica una polarización hacia adelante al transistor Q2 que excita el circuito integrador. Un capacitor C12 conectado de la base del transistor Q2 a -Vcc filtra el ruido de alta frecuencia. Un diodo Dll está conectado entre la salida del comparador y la base del transistor Q2 para bloquear señales negativas que descargarían prematuramente el capacitor C12. El resto del circuito de la figura 5 es idéntico al de la figura 2. Cuando ocurre una falla, es deseable aislar el ramal del sistema de distribución en el cual ocurrió la falla por formación de arco, desde el resto del sistema de distribución. En el sistema de la figura 1, usando el sensor tipo corriente, tal aislamiento es provisto por un capacitor C8 conectado entre la línea de carga 16 y la línea neutra 18 en cada ramal del sistema de distribución. El capacitor C8 está ubicado entre el interruptor de línea 22 y la fuente de energía 14 para proporcionar una trayectoria de baja impedancia para una falla por formación de arco de la línea de carga 16 a la línea neutra 18, independiente de la impedancia de la carga 20. El capacitor C8 de esta manera impide que se cree una trayectoria en serie entre circuitos ramales, aun cuando el transformador de corriente 14 aparece como una impedancia elevada a la corriente de alta frecuencia que genera una falla por formación de arco. El capacitor de aislamiento C8 permite que el sensor 21 sea sensible incluso cuando todas las cargas estén fuera de línea y la impedancia sea elevada. Al ponerse en línea las cargas, disminuye la impedancia. Sin el capacitor de aislamiento C8 , puede crearse una trayectoria en serie entre circuitos ramales. Por ejemplo, el flujo de corriente a lo largo de la línea neutra de un primer circuito ramal, dentro del cual se genera una falla por formación de arco, puede desplazarse a lo largo de la línea de carga del primer circuito ramal . La corriente puede entonces continuar la línea de carga de un segundo circuito ramal, posteriormente fluyendo a lo largo de la línea neutra del segundo circuito ramal. El capacitor de aislamiento C8 impide que se forme esta trayectoria entre los circuitos ramales. Con el sensor tipo voltaje mostrado en la figura 5, el aislamiento es provisto por un inductor L2 en la línea de carga 16 para cada circuito ramal. Cada inductor L2 está ubicado entre el interruptor de línea 22 y el sensor 21 para proporcionar una impedancia para la corriente producida por una falla por formación de arco. Los capacitores de aislamiento C8 y los inductores de aislamiento L2 pueden ser usados simultáneamente en sus respecti-vas posiciones en los circuitos ramales. Esta combinación puede ser particularmente útil si los sensores monitorean tanto los cambios de corriente como de voltaje en los circuitos ramales para detectar fallas por formación de arco. El sistema de detección de falla por formación de arco también incluye un filtro de bloqueo 23 en cada circuito ramal para bloquear falsas señales de falla por formación de arco u otras señales de salida molestas generadas por la operación normal de la carga 20. Cada filtro de bloqueo 23 está conectado entre el sensor 21 y la carga 20 en cada circuito ramal para impedir que falsas señales de falla por formación de arco se entreguen al sensor 21. Como se ve en las figuras 2 y 5, el filtro de bloqueo preferido incluye un par de capacitores C9a y C9b conectados entre la línea de carga 16 y la línea neutra 18 de cada circuito ramal. Un inductor L3 está conectado en la línea de carga 16 entre dos capacito-res C9a y C9b. De preferencia, los capacitores C9a y C9b tienen una capacidad nominal a través de la línea de alrededor de 0.47µF. El inductor L3 tiene una capacidad nominal de 15 amperios a 500µH y dimensiones de alrededor de 1.5 pulgadas de diámetro y 1.313 pulgadas de longitud (por ejemplo, Dale IHV 15-500) . Estos valores, por supuesto, pueden ser ajustados para la capacidad nominal de energía del sistema eléctrico y las cargas 20. El capacitor C9a crea una trayectoria de baja impedancia para cualquier formación de arco en serie que ocurre corrien-te arriba de ese capacitor, tal como formación de arco dentro de la pared corriente arriba de una carga ruidosa. Esto permite detectar formación de arco en serie en el ramal que contiene el filtro de bloqueo. El inductor L3 crea una impedancia que lleva a cabo la mayor parte de la atenuación de la señal creada por una carga ruidosa. Este inductor está dimensionado para llevar la corriente de carga del dispositivo, que típicamente es de 15 o 20 amperios. El segundo capacitor C9b reduce la magnitud de la inductancia requerida en el inductor L3 , creando una trayectoria de baja impedancia a través de la carga 20. Una de las ventajas del filtro de bloqueo 23 es que puede usarse localmente en un circuito ramal particular que es sabido que se conecta a una carga 20 que es ruidosa. El gasto de usar el filtro de bloqueo 23 es reducido pues puede usarse solamente donde se necesita. El filtro de bloqueo 23 también permite retro-equipar sistemas de distribución eléctrica existentes en residencias y espacio comercial. Aunque la invención ha sido descrita con relación con un sistema ordinario de 120 voltios, es aplicable a voltajes de cualquier norma, incluyendo 12, 120, 240, 480, 600 y 18,500 voltios. La invención es adecuada para uso en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales, sistemas de un solo tipo o de fases múltiples, y en todas las frecuencias para corriente alterna así como para corriente continua. Esta invención es aplicable a necesidades automotrices, de aviación y marinas, fuentes derivadas separadamente tales como generadores o fuentes de energía ininterrumpible, y bancos de capacitores que necesitan una protección incipiente contra fallas. Aunque la presente invención ha sido ilustrada con disyuntores de circuito, también puede usarse con dispositivos de monitoreo de circuito/carga, dispositivos de monitoreo de motores, receptáculos, clavijas para conexión, dispositivos de diagnóstico portátiles, aparatos electrodomésticos, interruptores y fusibles. Una de las muchas aplicaciones de la presente invención es su uso con interruptores de circuito de falla de tierra (GFCIs) . Un ejemplo de un interruptor de falla de tierra es un disyuntor de circuito de acción rápida que desconecta equipo de la línea de energía cuando algo de la corriente regresa a la fuente a través de una trayectoria de tierra. Bajo circunstan-cias normales, toda la corriente es suministrada y devuelta dentro de los conductores de energía. Pero si ocurre una falla y se fuga algo de corriente a tierra, el GFCI detecta la diferencia en la corriente en los conductores de energía. Si el nivel de falla excede el nivel de disparo del GFCI, que es habitualmen-te de alrededor de 6 mA, el GFCI desconecta el circuito. Tres tipos de GFCIs están comúnmente disponibles. El primer tipo o alojado por separado está disponible para circuitos de 120 voltios, 2 cables y 120/240 voltios, 3 cables, hasta de 30 amperios. El segundo tipo combina un disyuntor de circuito de 15, 20, 25 o 30 amperios y un GFCI en la misma caja de plástico.

Se instala en lugar de un disyuntor ordinario en un tablero y habitualmente está disponible en tipos de 120 voltios, 2 cables o 120/240 voltios, 3 cables, que también puede usarse para proteger un circuito de 240 voltios, 2 cables. El segundo tipo proporciona protección contra fallas de tierra y sobrecargas para todas las tomas de corriente en el circuito. Un tercer tipo, teniendo un receptáculo y un GFCI en el mismo alojamiento, proporciona solamente protección contra falla de tierra al equipo conectado a ese receptáculo. Hay tipos de GFCI de alimentación transversal que proporcionan protección al equipo conectado en otros receptáculos ordinarios instalados corriente abajo en el mismo circuito. El equipo de falla de tierra está comercialmente disponible de Square D Company bajo las designaciones de catálogo de módulos de falla de tierra Ground Censor, Homeline, QO, Trilliant y Micrologic . Este equipo de falla de tierra es adecuado para protección de circuitos principal, alimentador y de motor en sistemas de distribución eléctrica. También puede usarse como un relevador de falla de tierra y dispositivos detectores de falla de tierra. Los sistemas de detección de arco antes descritos pueden ser usados ventajosamente para complementar la protección de circuito provista por todos los tipos anteriores de GFCIs. El término falla por formación de arco, como se usa en la presente, incluye fallas ocasionadas tanto por arcos en serie (tanto de línea como de neutro) o arcos paralelos (línea a línea, línea a tierra, o línea a neutro) . El término arco, como se usa en la presente, incluye no solamente una descarga de electricidad a través de un gas o a través de un medio aislante, sino también fallas de alta impedancia u otras trayectorias de circuito accidentales o no deseadas que no tienen suficiente flujo de energía o corriente para disparar un disyuntor, pero que no obstante ello pueden generar calor dañino u otros efectos indeseables . El término inductancia mutua, como se usa en la presente, es la propiedad compartida por inductores o dispositivos inductivos vecinos, que permite que tenga lugar la inducción electromagnética. El término tasa de cambio de corriente o de vol taje, como se usa en la presente, mide el cambio en el co-rriente o el voltaje durante un período de tiempo correspondiente a la medición. La corriente genera un flujo alrededor del conductor que cambia rápidamente con las fluctuaciones de corriente. Aunque se han ilustrado y descrito formas de realiza-ción y aplicaciones particulares de la presente invención, se entenderá que la invención no está limitada a la construcción y las composiciones precisas descritas en la presente, y que serán evidentes diversos cambios, modificaciones y variaciones a partir de la descripción anterior, sin apartarse del espíritu y los alcances de la invención, como se definen por las reivindicacio-nes anexas .

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de detectar fallas de arco en un sistema de distribución eléctrica que incluye un conductor de línea conectado a un transformador de energía de la compañía de servi-ció eléctrico, dicho método comprendiendo: monitorear la tasa de cambio de corriente eléctrica en el conductor de línea y producir una señal que representa la tasa de cambio, producir un pulso cada vez que la señal de tasa de cambio excede un umbral seleccionado, filtrar al menos uno elemento seleccionado de dicha señal de tasa de cambio y dichos pulsos para eliminar sustancialmente una señal o un pulso que representa cambios en dicha corriente eléctrica fuera de un rango de frecuencia seleccionado, contar el número de pulsos restantes que ocurren dentro de un intervalo de tiempo seleccionado siguiente a cada pulso tal, y generar una señal de detección de falla de arco en respuesta al conteo de un número de dichos pulsos restantes que excede un número seleccionado dentro de dicho intervalo de tiempo seleccionado.

2. El método de la reivindicación 1, donde dicho paso de producir un pulso cada vez que la señal de tasa de cambio excede un umbral seleccionado incluye una comparación de la amplitud de la señal de tasa de cambio con una señal de referen-cia predeterminada.

3. El método de la reivindicación 1, donde dicho paso de filtrar comprende filtrar dicha señal de tasa de cambio para eliminar sustancialmente señales que representan una tasa de cambio fuera del rango de alrededor de 60 Hz a alrededor de 1 Mhz.