RU2633518C2

RU2633518C2 - Способ обнаружения дуговых коротких замыканий с применением переключаемых элементов в розетке

Info

Publication number: RU2633518C2
Application number: RU2015152852A
Authority: RU
Inventors: Джозеф БЕЙЕРШМИТТ; Джереми Д. ШРЕДЕР
Original assignee: ШНЕЙДЕР ЭЛЕКТРИК ЮЭсЭй, ИНК.
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2017-10-13
Also published as: AU2013392626A1; EP3011650A4; WO2014204485A1; RU2015152852A; MX2015015811A; US20160202304A1; AU2013392626B2; MX352113B; US10114057B2; EP3011650B1; EP3011650A1; CA2912772A1; CA2912772C; CN105308813B; CN105308813A

Abstract

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение обнаружения дуги с использованием измерений импеданса без необходимости калибровки цепи. Система содержит линейный провод и нейтральный провод. Прерыватель цепи подключен к источнику переменного тока через линейный провод и нейтральный провод. Устройства электрических розеток соединены с прерывателем цепи посредством линейного и нейтрального проводов. Каждое из устройств электрических розеток имеет переключающий элемент закорачивания нейтрали, включенный между линейным и нейтральным проводами, и переключающий элемент управления нагрузкой в линейном проводе. Каждое из устройств электрических розеток также содержит контроллер розетки для управления переключающими элементами. Контроллеры розеток закрывают переключающие элементы закорачивания нейтрали, и главный контроллер определяет наличие высокого импеданса, чтобы обнаружить последовательное дуговое короткое замыкание. Контроллеры розеток открывают переключающие элементы управления нагрузкой, и главный контроллер определяет наличие тока в линейном проводе, чтобы обнаружить параллельное дуговое короткое замыкание. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001]Настоящее изобретение относится по существу к обнаружению отказов в электрических системах и, более конкретно, к обнаружению дуговых коротких замыканий в разветвленной проводке с помощью переключаемых элементов в розетке.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Электрические розетки распределяют энергию через трехконтактный соединитель, контакты которого соединены с линейным проводом, нейтральным проводом и с землей. Традиционные прерыватели цепи защищают от бросков тока или коротких замыканий, обнаруживая превышение по току на расположенных дальше (ниже по потоку) электрических розетках, соединенных с разветвленной проводкой. Прерыватели цепи прерывают питание с помощью размыкающего механизма, когда обнаруживается бросок напряжения или короткое замыкание. Традиционные прерыватели цепи не могут обнаружить другие неисправности, такие как дуговые короткие замыкания, которые могут возникнуть в розетке или проводке, ведущей к розетке, что представляет собой угрозу безопасности. Поэтому для обеспечения безопасности при распределении электроэнергии нужны разные другие устройства, обнаруживающие отказы и осуществляющие защиту. Например, уже несколько лет стандартным оборудованием являются GFCI (выключатели короткого замыкания на землю). Такие устройства осуществляют защиту от неисправностей, возникающих в линии заземления. От других типов неисправностей, таких как дуговые короткие замыкания, которые возникают в линейном и нейтральном проводах, желательна дополнительная защита. Например, для обеспечения безопасности в розетках требуется устройство, обнаруживающее дуговое короткое замыкание в форме AFCI (выключатель цепи дугового короткого замыкания). Такие устройства обнаруживают дуговые короткие замыкания в линейном и нейтральном проводах и отсекают питание до того, как такая дуга приведет к пожару электрического происхождения. Такие розетки, защищенные AFCI, обеспечивают защиту от дуги, тем самым снижая риск пожаров электрического происхождения. Устройства AFCI должны анализировать дуги, чтобы определить, является ли дуга результатом обычного применения электрической розетки, таким как включение нагрузки, или дуга возникла в результате неисправности и может угрожать возникновением пожара.

[0003] Существующие устройства AFCI обнаруживают дуговые короткие замыкания, выполняя сложный, основанный на вероятности, алгоритм для определения, является ли обнаруженное дуговое событие последовательным или параллельным дуговым коротким замыканием в разветвленной проводке после устройства AFCI. Существуют некоторые алгоритмы обнаружения дугового короткого замыкания, основанные не на вероятности (а на импедансе), которые требуют полной калибровки цепи и нагрузки в условиях отсутствия неисправностей и запоминания этих калибровочных величин в памяти для сравнения с измеренными величинами во время работы устройства AFCI. Алгоритмы обнаруживают любое отклонение от калибровочных величин для определения наличия дугового короткого замыкания. В алгоритмах, основанных на вероятности, проблемой является нежелательное размыкание, вызванное несовместимостью нагрузки, поскольку такая нагрузка может выпасть за пределы калибровочных величин, не являясь дуговым коротким замыканием. В этом случае требуется интенсивный поиск неисправности, чтобы определить, произошло ли размыкание из-за реального дугового короткого замыкания или оно вызвано несовместимостью нагрузки.

[0004] Таким образом, существует потребность в устройстве AFCI, которое обнаруживает состояние дуги короткого замыкания за счет измерения импеданса, тем самым устраняя необходимость в алгоритме, основанном на вероятности, и соответствующем поиске неисправности между реальными неисправностями в разветвленной проводке и потенциальной несовместимостью нагрузки. Далее, существует потребность в системе обнаружения дуги с использованием измерений импеданса и не требующей полной калибровки цепи. Также имеется потребность в системе AFCI, которая позволяет пользователю определять конкретное положение последовательных дуговых коротких замыканий. Также имеется потребность в системе AFCI, которая позволяет пользователю обнаруживать параллельные дуговые короткие замыкания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Одним раскрываемым примером является система и способ для обнаружения и определения положения дуговых коротких замыканий в разветвленной проводке с использованием измерений напряжения и тока в начальной точке цепи. Для обнаружения дугового короткого замыкания применяются переключающие элементы на всех точках подключения конечного потребителя, таких как электрические розетки, электрические гнездовые колодки, фиксированная осветительная арматура и т.п. Система обнаружения содержит прерыватель цепи с датчиками тока и напряжения. Прерыватель цепи соединен с множеством розеток через линейный провод и нейтральный провод. Каждая из розеток имеет встроенный линейный провод и нейтральный провод и содержит переключающий элемент закорачивания нейтрали между линейным проводом и нейтральным проводом, и переключающий элемент управления нагрузкой на линейном проводе. В нормальных условиях работы переключающий элемент закорачивания нейтрали открыт, а переключающий элемент управления нагрузкой закрыт и, следовательно, любая нагрузка, подключенная к розетке, получает питание и через переключающий элемент закорачивания нейтрали ток течь не будет.

[0006] Прерыватель цепи применяется в сочетании с переключающими элементами в розетках, которые открываются и закрываются, чтобы определить, существуют ли последовательные или параллельные дуговые короткие замыкания после этого прерывателя цепи. Для обнаружения параллельного дугового короткого замыкания переключающий элемент управления нагрузкой всех розеток на мгновение открывается, и датчик тока на расположенном выше по потоку прерывателе цепи измеряет ток. Поскольку все нагрузки на мгновение были отключены, любой измеренный ток является результатом тока короткого замыкания, т.е., не расчетного тока, и прерыватель цепи открывается.

[0007] Для обнаружения последовательного дугового короткого замыкания переключающие элементы закорачивания нейтрали, на мгновение закрываются, и датчик тока и датчик напряжения на расположенном выше прерывателе цепи измеряют ток и напряжение. Когда переключающий элемент закорачивания нейтрали включен между линейным проводом и нейтральным проводом, формируется путь с низким импедансом, и прерыватель цепи может рассчитать импеданс полученной цепи. Если импеданс слишком велик, имеется последовательное короткое замыкание, и прерыватель цепи открывается. В дополнение к обнаружению последовательных коротких замыкания, можно приблизительно определить положение этих последовательных коротких замыканий путем сравнения результатов измерений импеданса на каждой розетке.

[0008] Такая иллюстративная электрическая система позволяет обнаруживать последовательные и параллельные дуговые короткие замыкания в разветвленной проводке, соединяющей розетки. Система обеспечивает точное обнаружение таких последовательных и параллельных коротких замыканий, тем самым устраняя необходимость в основанных на вероятности алгоритмах обнаружения дугового короткого замыкания в разветвленной проводке. Предлагаемая система не требует никакой калибровки с ветвью или нагрузкой для такого алгоритма. Эта система позволяет определить местоположение последовательного дугового короткого замыкания. Наконец, поскольку дуговые короткие замыкания обнаруживаются с использованием реальных измерений, уменьшается вероятность неправильного срабатывания.

[0009] Специалистам будут очевидны дополнительные аспекты изобретения из нижеследующего подробного описания различных вариантов со ссылками на приложенные чертежи, краткое описание которых приведено ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0010] Вышеописанные и другие преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на приложенные чертежи, где:

[0011] Фиг.1 - принципиальная схема системы защиты от дугового короткого замыкания для электрических розеток;

[0012] Фиг.2 - принципиальная схема, показывающая положение репрезентативных дуговых коротких замыканий, обнаруженных системой защиты от дуговых коротких замыканий по фиг.1;

[0013] Фиг.3 - таблица состояний для процесса обнаружения дуговых коротких замыканий с применением системы защиты от дуговых коротких замыканий по фиг.1; и

[0014] Фиг.4 - диаграмма последовательности управляющего алгоритма, выполняемого контроллером для обнаружения дуговых коротких замыканий.

[0015] Хотя в настоящее изобретение можно внести различные изменения и реализовать его в разных формах, на чертежах для примера показаны конкретные варианты, которые будут подробно описаны ниже. Следует понимать, что изобретение не ограничивается конкретными описанными формами. Изобретение охватывает все изменения, эквиваленты и альтернативы, входящие в объем изобретения, определенный прилагаемой формулой.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0016] Одним описываемым примером является устройство электрической розетки для обнаружения дугового короткого замыкания в разветвленной проводке. Устройство электрической розетки содержит линейный провод и нейтральный провод. Линейный провод и нейтральный провод подают электроэнергию на нагрузку, подключенную к устройству электрической розетки. Между линейным проводом и нейтральным проводом включен переключающий элемент закорачивания нейтрали. Элемент закорачивания нейтрали имеет открытое положение и закрытое положение, при этом закрытое положение соединяет линейный провод с нейтральным проводом. С линейным проводом соединен переключающий элемент управления нагрузкой. Переключающий элемент управления нагрузкой имеет открытое положение и закрытое положение для управления током, текущим в линейном проводе. Переключающий элемент закорачивания нейтрали находится в открытом положении, а переключающий элемент управления нагрузкой находится в закрытом положении для подачи энергии по линейному проводу. С переключающими элементами соединен контроллер розетки. Контроллер розетки открывает переключающий элемент управления нагрузкой для того, чтобы датчик тока, включенный перед (выше по потоку) устройством электрической розетки, определил, имеется ли ток в линейном проводе для обнаружения параллельного дугового короткого замыкания.

[0017] Другим примером является способ обнаружения дуговых коротких замыканий после прерывателя цепи, подключенного к источнику переменного тока через линейный провод и нейтральный провод. Переключающий элемент управления нагрузкой, управляющий током в линейном проводе в первом устройстве розетки после прерывателя цепи, открыт. Определяют, имеется ли ток в линейном проводе. Наличие параллельного дугового короткого замыкания определяют на основе наличия или отсутствия тока в линейном проводе. Переключающий элемент закорачивания нейтрали в первом устройстве розетки закрывают, чтобы соединить линейный провод с нейтральным проводом. Измеряют напряжение между линейным проводом и нейтральным проводом и измеряют ток, текущий по линейному проводу, чтобы найти импеданс. Наличие последовательного дугового короткого замыкания определяют, если импеданс превышает пороговую величину.

[0018] Другим примером является система для обнаружения дуговых коротких замыканий. Система содержит линейный провод и нейтральный провод. С линейным и нейтральным проводами соединен прерыватель цепи. Каждое из множества устройств электрических розеток соединено с прерывателем цепи посредством линейного провода и нейтрального провода. Каждое из множества устройств электрических розеток имеет переключающий элемент закорачивания нейтрали, подключенный между линейным и нейтральным проводами, и переключающий элемент управления нагрузкой, подключенный к линейному проводу. Контроллер розетки закрывает переключающие элементы закорачивания нейтрали для обнаружения последовательного дугового короткого замыкания, и открывает переключающие элементы управления нагрузки для обнаружения параллельного дугового короткого замыкания.

[0019] На фиг.1 показана система 100 обнаружения дугового короткого замыкания. Система 100 содержит источник 110 энергии переменного тока, который может быть обычной линией электропитания на 15-20А, проходящей в здании, например, в жилом здании. Система 100 обнаружения дугового короткого замыкания содержит устройство 112 прерывателя цепи и последовательность расположенных за ним электрических розеток 114, 116 и 118, соединенных разветвленной проводкой. Разумеется, следует понимать, что в системе 100 может быть любое количество розеток, аналогичных розеткам 114, 116 и 118. В настоящем примере розетки 114, 116, и 118 являются обычными трехконтактными электрическими розетками, которые подают питание, когда с ними соединено (включено) устройство нагрузки. Однако, система 100 обнаружения дугового короткого замыкания может применяться для любого устройства электрической розетки, подключенного к разветвленной проводке. Дополнительные устройства электрических розеток, такие как розетка 114, могут содержать электрические выключатели, электрические гнезда, осветительные устройства и т.п. Понимается, что устройство 112 прерывателя цепи применяется для защиты от коротких замыканий и других перегрузок на розетках 114, 116 и 118, прерывая подачу питания на эти розетки в случае ненормальной ситуации, например, при перегрузке по току.

[0020] Линейный провод 120, который может служить разветвленной проводкой, соединяет источник 110 переменного тока с устройством 112 прерывателя цепи и розетками 114, 116 и 118. Нейтральный провод 122, также соединяет источник 110 переменного тока с устройством 112 прерывателя цепи и розетками 114, 116 и 118. Провод заземления также соединяет устройство 112 прерывателя цепи с розетками 114, 116, 118.

[0021] Устройство 112 прерывателя цепи обладает обычными возможностями обнаружения перегрузки по току, а также обнаружения дугового короткого замыкания на основе переключающих элементов в розетках 114, 116, 118, как будет описано ниже. Устройство 112 прерывателя цепи содержит контроллер 124 размыкания, главный контроллер 126, датчик 128 тока и датчик 130 напряжения. Контроллер 124 размыкания управляет механизмом 132 размыкания, который при активации прерывает поток энергии в линейном проводе 120. Механизм 132 размыкания может быть реле, через которое течет энергия, когда реле закрыто, и прерывает поток энергии, когда реле открыто. Разумеется, можно использовать и другие механизмы размыкания.

[0022] Датчик 128 тока включен для определения наличия тока в линейном проводе 120 и для выдачи выходного сигнала, представляющего обнаруженный ток в линейном проводе 120, на главный контроллер 126. Датчик 130 напряжения включен между линейным проводом и нейтральным проводом 122 для измерения напряжения между линейным и нейтральным проводами 120 и 122. Датчик 130 напряжения выдает выходной сигнал, представляющий измеренное напряжение между линейным проводом 120 и нейтральным проводом 122 на главный контроллер 126. Главный контроллер 126 использует обнаруженные ток и напряжение для определения наличия состояния перегрузки по току и управляет контроллером 124 размыкания для приведения в действие механизма 132 размыкания, когда будет обнаружено ненормальное состояние.

[0023] Как будет описано ниже, каждая из розеток 114, 116 и 118 в комбинации с устройством 112 прерывателя цепи обеспечивают обнаружение и защиту от дугового короткого замыкания. Для целей пояснения внимание будет обращено на розетку 114, хотя розетки 116 и 118 работают так же и содержат такие же компоненты. Розетка 114 содержит два интерфейса 140 и 142 электрических гнезд, которые содержат трехконтактные гнезда для электрического подключения нагружающего устройства к линейному проводу 120, нейтральному проводу 122 и к земле. Контроллер 144 розетки управляет открытым и закрытым положением переключающего элемента 146A закорачивания нейтрали и переключающего элемента 148A управления нагрузкой. В этом примере переключающие элементы 146A, 148A являются твердотельными переключателями, хотя можно применять и другие механические или твердотельные переключающие устройства, такие как полевые транзисторы с изолированным затвором, МОП-транзисторы и т.п. Переключающий элемент 146A закорачивания нейтрали включен между линейным проводом 120 и нейтральным проводом 122. Когда переключающий элемент 146A закорачивания нейтрали находится в закрытом положении, образуется соединение между линейным проводом 120 и нейтральным проводом 122. Нормально переключающий элемент 146A закорачивания нейтрали находится в открытом положении, позволяя току течь через подключенное нагружающее устройство. Переключающий элемент 148A управления нагрузкой соединен между гнездовыми интерфейсами 140, 142 с линейным проводом 120. Поэтому, когда розетка 114 работает нормально, переключающий элемент 148A управления нагрузкой закрыт подавая питание на упомянутые интерфейсы 140, 142 от линейного провода 120.

[0024] Как показано на фиг.1, розетка 116 содержит такой же переключающий элемент 146B закорачивания нейтрали, включенный между линейным проводом 120 и нейтральным проводом 122. Розетка 116 также содержит переключающий элемент 148B управления нагрузкой на линейном проводе 120, подающем питание на интерфейсы 140, 142 розетки. Розетка 118 содержит такой же переключающий элемент 146C закорачивания нейтрали, включенный между линейным проводом 120 и нейтральным проводом 122. Розетка 118 также содержит переключающий элемент 148C управления нагрузкой на линейном проводе 120, подающем питание на гнездовые интерфейсы 140, 142.

[0025] Как будет показано со ссылками на фиг.2, система 100 осуществляет обнаружение и защиту от дугового короткого замыкания, открывая и закрывая переключающие элементы 146A-C и 148A-C. При нормальной работе переключающие элементы 146A-C открыты, а переключающие элементы 148A-C закрыты и поэтому ток течет через любые нагрузки, подключенные к любой из розеток 114, 116 и 118. В нормальных условиях работы через переключающие элементы 146A-C закорачивания нейтрали ток не течет. На фиг.2 показана общая разветвленная проводка, в которой имеются неисправности, которые могут возникнуть в системе 100, включая обрыв 200, последовательное дуговые короткое замыкание 202 и параллельное дуговое короткое замыкание 204. Устройство 112 прерывателя цепи обнаруживает, когда в линейном проводе 120 возникает обрыв 200, который приводит к обнаружению главным контроллером 126 отсутствия тока. Затем главный контроллер 126 активирует контроллер 124 размыкания для открывания механизма 132 размыкания, чтобы прервать поток тока по линейному проводу 120.

[0026] Параллельное дуговое короткое замыкания 304 может возникнуть, когда дуга образуется между линейным проводом 120 и нейтральным проводом 122. Такая дуга создает сопротивление, создавая путь для тока между линейным проводом 120 и нейтральным проводом 122. Для обнаружения параллельного дугового короткого замыкания переключающие элементы 148A-C всех розеток, таких как розетки 114, 116 и 118, на мгновение открываются, и расположенное перед ними устройство 112 прерывателя цепи измеряет ток в линейном проводе 120 датчиком 128 тока. Поскольку все нагрузки, подключенные к розеткам 114, 116 и 118, были на мгновение отсоединены, любой измеренный ток является током короткого замыкания, т.е., не учитываемым током, и главный контроллер 126 устройства 112 прерывателя цепи, заставляет механизм 132 размыкания открыться.

[0027] Последовательное дуговое короткое замыкание 202 может возникнуть, когда дуга образуется либо на линейном проводе 120, либо на нейтральном проводе 122. Для обнаружения последовательного дугового короткого замыкания переключающий элемент 146A-C закорачивания нейтрали каждой розетки 114, 116 и 118 последовательно на мгновение закрывается, тем самым электрически соединяя линейный провод 120 с нейтральным проводом 122. Расположенное выше устройство 112 прерывателя цепи измеряет ток и напряжение датчиками 128 и 130 тока и напряжения. Когда переключающие элементы 146A-C закорачивания нейтрали индивидуально закрыты, электрическое соединение между линейным и нейтральным проводами 120 и 122 образует путь с низким импедансом через соответствующие розетки 114, 116 и 118. Главный контроллер 126 устройства 112 прерывателя цепи может рассчитать импеданс полученной цепи по измеренным датчиками 128 и 130 току и напряжению. Если импеданс цепи слишком велик, это означает наличие последовательного дугового короткого замыкания, такого как последовательное дуговое короткое замыкание 202 на фиг.2, и главный контроллер 126 заставляет размыкающий механизм 132 открыться.

[0028] Переключение переключающих элементов 146A-C закорачивания нейтрали и переключающих элементов 148A-C управления нагрузкой происходит с частотой, достаточно высокой, чтобы не помешать работе нагрузки, а промежуток времени, на который переключающие элементы прерывают подачу питания, достаточно короток, чтобы не влиять на работу нагрузки. Открыванием и закрыванием переключающих элементов 146A-C и 148A-C управляет контроллер конкретной розетки, например, контроллер 144 розетки 114. Альтернативно, контроллер 144 может поддерживать связь с главным контроллером 126 устройства 112 прерывателя цепи и, таким образом, управление переключающими элементами 146A-C и 148A-C может осуществляться централизованно. В этом примере цикл переключения для переключающих элементов 146A-C и 148A-C составляет один раз в секунду. Разумеется, при более высоких уровнях тока можно использовать более короткое время цикла переключения, например, один раз в 60 мс. Длительность каждого из переключаемых состояний находится в этом примере в диапазоне 1 мс, чтобы обеспечить непрерывность работы нагрузки.

[0029] На фиг.3 показана таблица состояний, показывающая разные состояния переключающих элементов 146A-C закорачивания нейтрали и переключающих элементов 148A-C управления нагрузкой в периодическом цикле обнаружения дуги, выполняемом системой 100 по фиг.1. В первой части цикла обнаруживаются параллельные дуговые короткие замыкания путем открывания всех переключающих элементов 146A-C закорачивания нейтрали и всех переключающих элементов 148A-C управления нагрузкой. Устройство 112 прерывателя цепи определяет, имеется ли ток в линейном проводе 120, который указывает на наличие параллельного дугового короткого замыкания, такого как параллельное дуговое короткое замыкание 204 на фиг.2, и при обнаружении такого дугового короткого замыкания открывает размыкающий механизм 132.

[0030] Затем система проверяет каждую розетку 114, 116, 118 на наличие последовательного дугового короткого замыкания. Во время этих последовательных проверок переключающие элементы 148A-C остаются открытыми. Переключающий элемент 146A закорачивания нейтрали закрыт, тогда как другие два переключающих элемента 146B-C закорачивания нейтрали остаются открытыми, чтобы определить, имеется ли последовательное дуговое короткое замыкания перед розеткой 114. Устройство 112 прерывателя цепи определяет, превышает ли импеданс, рассчитанный по измеренным напряжению и току в линейном проводе 120, заранее определенную пороговую величину, что указывает на последовательное дуговое короткое замыкание перед розеткой 114. Если такое короткое замыкание обнаруживается, устройство 112 прерывателя цепи включает механизм 132 размыкания. Затем закрывается переключающий элемент 186B закорачивания нейтрали, а переключающие элементы 146A и 146C остаются открытыми для определения, имеется ли последовательное дуговое короткое замыкание между розетками 114 и 116. Устройство 112 прерывателя цепи определяет, превышает ли импеданс, рассчитанный по измеренным напряжению и току в линейном проводе 120, заранее определенную пороговую величину, что указывает на последовательное дуговое короткое замыкание между розетками 114 и 116. Если такое короткое замыкание обнаруживается, устройство 112 прерывателя цепи включает механизм 132 размыкания. Затем закрывается переключающий элемент 186C закорачивания нейтрали, а переключающие элементы 146A и 146B остаются открытыми для определения, имеется ли последовательное дуговое короткое замыкание между розетками 116 и 118. Устройство 112 прерывателя цепи определяет, превышает ли импеданс, рассчитанный по измеренным напряжению и току в линейном проводе 120, заранее определенную пороговую величину, что указывает на последовательное дуговое короткое замыкание между розетками 116 и 118. Если такое короткое замыкание обнаруживается, устройство 112 прерывателя цепи включает механизм 132 размыкания.

[0031] Таким образом, в дополнение к обеспечению защиты от короткого замыкания, можно приблизительно определить местоположение последовательных дуговых коротких замыканий, сравнивая измерения импеданса на каждой розетке 114, 116 и 118, когда переключающие элементы 148A-C последовательно включаются и выключаются. Например, в случае последовательного короткого замыкания, такого как короткое замыкание 202, показанное на фиг.2, возникшее в разветвленной проводке между розетками 114 и 116, когда переключающий элемент 146A закорачивания нейтрали закрыт, главный контроллер 126 устройства 112 прерывателя цепи не может определить высокого напряжения и, следовательно, рассчитанный импеданс будет низким и находиться в пределах допустимых параметров. Когда закрыт переключающий элемент 146B закорачивания нейтрали, главный контроллер 126 устройства 112 прерывателя цепи обнаружит более высокое падение напряжения, вызванное возникновением последовательного дугового короткого замыкания 202, и полученный рассчитанный импеданс будет выше, чем допустимые параметры. Таким способом определяется, что последовательное дуговое короткое замыкание 202 возникло между розетками 114 и 116.

[0032] Встраивание переключающих элементов 146A-C закорачивания нейтрали и переключающих элементов 148A-C управления нагрузкой в электрическую розетку позволяет создать координированную защиту от дугового короткого замыкания между розетками и устройством 112 прерывателя цепи. Устройство 112 прерывателя цепи скоординировано с работой переключающих элементов 146A-C закорачивания нейтрали и переключающих элементов 148A-C управления нагрузкой во всех подключенных розетках для обнаружения дуговых коротких замыканий в разветвленной проводке. Альтернативно, переключающий элемент закорачивания нейтрали и переключающий элемент управления нагрузкой, аналогично контроллеру 222 розетки на фиг.2 для управления переключающими элементами могут быть частью модульного устройства, которое может подключаться к обычной трехконтактной электрической розетке или к другим известным устройствам электрических розеток для защиты от дуговых коротких замыканий на основе описанного выше процесса.

[0033] Переключающие элементы 148A-C управления нагрузкой также могут позволить пользователю управлять нагрузкой на соответствующих розетках 114, 116 и 118, поскольку подачу питания на розетку можно прервать, открывая соответствующие переключающие элементы 148 A-C управления нагрузкой. Переключающими элементами 146A-C закорачивания нейтрали и переключающими элементами 148A-C можно управлять строго автономно, тактированием частоты и, таким образом, устраняется необходимость в управляющей связи между контроллерами 144 розеток и главным контроллером 126 устройства 112 прерывателя цепи. Для синхронизации всех розеток, таких как розетки 114, 116 и 118, для открывания и закрывания соответствующих переключающих элементов 146A-C и 148A-C, можно использовать переход через нуль силового сигнала в линейном проводе 120.

[0034] Альтернативно, главный контроллер 126 прерывателя цепи 112 может служить контроллером переключения для всех контроллеров 144 розеток в розетках 114, 116 и 118. Связь может осуществляться по проводным соединениям, беспроводным соединениям, или с помощью несущей для связи по силовой линии для обозначения последовательности закрывания переключающих элементов на каждой из розеток 114, 116 и 118.

[0035] В число преимуществ системы 100 входит обнаружение коротких замыканий в разветвленной проводке с одновременным отказом от использования вероятностных алгоритмов обнаружения, поскольку устройство 112 прерывателя цепи осуществляет решающие измерения напряжения и тока. Система 100 обеспечивает лучшее обнаружение дуговых коротких замыканий и лучше защищена от ложных срабатываний, чем алгоритмы вероятностного обнаружения. Такая система может быть встроена в концепцию "Эффективного дома" поскольку она позволяет информировать потребителей о падении напряжения на устройствах конечных потребителей и улучшать управление нагрузкой на основе обнаружения последовательных дуговых коротких замыканий по переключающим элементам закорачивания нейтрали в каждой розетке. Такая система также может применяться как инструмент для поиска коротких замыканий, информирующий пользователя о местоположении короткого замыкания.

[0036] Контроллеры 126 и 144 могут быть микропроцессором, процессором, специализированной заказной микросхемой (ASIC), программируемым логическим контроллером (PLC), программируемым логическим устройством (PLD), полевым программируемым логическим устройством (FPLD), полевой программируемой вентильной матрицей (FPGA), дискретным логическим устройством и пр., или любым другим подобным устройством. Контроллеры 126 и 144 могут содержать запоминающее устройство (не показано), которое может содержать аппаратные средства, микропрограммные средства или вещественные машиночитаемые средства, которые хранят команды и данные для выполнения описываемых здесь операций. Машиночитаемые носители включают любые механизмы, которые хранят информацию и выдают информацию в форме, читаемой машиной. Например, машиночитаемые носители включают постоянные запоминающие устройства (ROM), оперативные запоминающие устройства (RAM), накопители на магнитных дисках, флэш-память и пр.

[0037] Далее со ссылками на фиг.1-3 и в сочетании с диаграммой последовательности, показанной на фиг.4, следует описание работы примерного алгоритма принятия решений. Диаграмма последовательности на фиг.4 представляет пример машиночитаемых команд для реализации описанного выше процесса обнаружения и защиты от дуговых коротких замыканий. В этом примере машиночитаемые команды содержат алгоритм для выполнения (a) процессором, (b) контроллером, или (c одним или более подходящим обрабатывающим устройством (устройствами). Этот алгоритм может быть реализован в форме программного средства, хранящегося на вещественном носителе, таком, как, например, флэш-память, компактный диск, гибкий магнитный диск, накопитель на жестком магнитном диске, цифровой видео (универсальный) диск (DVD) или в другом запоминающем устройстве, однако специалистам понятно, что весь алгоритм и/или его части альтернативно могут выполняться устройством, не являющимся процессором и/или быть воплощены в форме микропрограммы или специализированного аппаратного средства хорошо известным способом (например, он может быть реализован специализированной заказной микросхемой (ASIC), программируемым логическим устройством (PLD), полевым программируемым логическим устройством (FPLD), логической матрицей, программируемой пользователем (FPGA), дискретным логическим устройством и пр.). Например, любые или все компоненты контроллеров 126 и 144 по фиг.1 могут быть реализованы как программные средства, аппаратные средства и/или микропрограммы. Далее, хотя иллюстративный алгоритм описан со ссылками на диаграмму последовательности, показанную на фиг.4, специалистам понятно, что альтернативно можно применять и другие способы выполнения примерных машиночитаемых команд. Например, порядок выполнения блоков можно изменить и/или некоторые описанные блоки можно изменить, устранить или комбинировать.

[0038] Алгоритм, показанный на фиг.4, в системе 100 выполняется последовательно на постоянной основе для проверки возникновения дуговых коротких замыканий в разветвленной проводке. Этот алгоритм может выполняться только на главном контроллере 126 в устройстве 112 прерывателя цепи, или в комбинации с контроллером 144 в розетках 114, 116 и 118. Сначала алгоритм открывает переключающие элементы 148A-C управления нагрузкой в розетках 114, 116 и 118 по фиг.1 (этап 400). Главный контроллер 126 затем измеряет ток от датчика 128 тока (этап 402). Если ток обнаруживается, что указывает на наличие параллельного дугового короткого замыкания, контроллер 144 активирует механизм 132 размыкания (этап 406). Если ток не обнаруживается, алгоритм переходит к закрыванию переключающего элемента 146A на первой розетке, например, розетке 114 (этап 408).

[0039] Главный контроллер 126 измеряет ток от датчика тока 128 и напряжение от датчика 130 напряжения (этап 410). Главный контроллер 126 вычисляет импеданс из измеренного тока и напряжения (этап 412). Затем главный контроллер определяет, не превышает ли импеданс пороговую величину, что указывает на наличие последовательного дугового короткого замыкания (этап 414). Если рассчитанный импеданс достаточно высок, главный контроллер 126 активирует механизм 132 размыкания (этап 406). Если импеданс низок, главный контроллер 126 определяет, была ли проверена каждая розетка, расположенная после устройства 112 прерывателя цепи (этап 418). Если розеток не осталось, алгоритм завершается. Если имеются дополнительные розетки, главный контроллер 126 открывает предыдущий переключающий элемент и открывает закорачивающий переключающий элемент следующей розетки, такой как розетка 116 (этап 408). Затем главный контроллер 126 переходит к определению импеданса и, таким образом, проверяет наличие дополнительных дуговых коротких замыканий на каждой расположенной дальше розетке.

[0040] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на один или более конкретный вариант, специалистам в данной области техники будет понятно, что в эти варианты можно внести различные изменения, не выходя за рамки изобретательской идеи и объема изобретения. Каждый из таких вариантов и очевидные из изменения, таким образом, считаются входящими в объем изобретения, который определяется приложенной формулой.

Claims

1. Устройство электрической розетки для обнаружения дуговых коротких замыканий ветви, содержащее:

линейный провод,

нейтральный провод, при этом линейный провод и нейтральный провод предназначены для подачи электроэнергии на нагрузку, подключенную к устройству электрической розетки;

переключающий элемент закорачивания нейтрали, подключенный между линейным проводом и нейтральным проводом, имеющий открытое положение и закрытое положение, при этом закрытое положение соединяет линейный провод с нейтральным проводом;

переключающий элемент управления нагрузкой в линейном проводе, при этом переключающий элемент управления нагрузкой имеет открытое положение и закрытое положение для управления током через линейный провод, причем переключающий элемент закорачивания нейтрали находится в открытом положении, а переключающий элемент управления нагрузкой находится в закрытом положении для подачи энергии от линейного провода, и

контроллер розетки, соединенный с переключающими элементами, при этом контроллер розетки открывает переключающий элемент управления нагрузкой, чтобы датчик тока, расположенный перед устройством электрической розетки, определил, имеется ли ток в линейном проводе, для обнаружения параллельного дугового короткого замыкания.

2. Устройство электрической розетки по п.1, в котором между линейным проводом и нейтральным проводом перед устройством розетки подключен датчик напряжения и в котором контроллер розетки закрывает переключающий элемент закорачивания нейтрали для обнаружения последовательного дугового короткого замыкания путем определения, превышает ли импеданс, определенный по измеренному напряжению и току, пороговую величину.

3. Устройство электрической розетки по п.2, в котором расположенный выше по потоку прерыватель цепи подключен к линейному проводу и к нейтральному проводу, причем при обнаружении короткого замыкания прерыватель цепи прерывает подачу энергии на линейный провод.

4. Устройство электрической розетки по п.3, в котором главный контроллер подключен к датчику напряжения и к датчику тока в прерывателе цепи.

5. Устройство электрической розетки по п.2, в котором переключающие элементы переводятся в открытое и закрытое положения контроллером розетки на основе периодического цикла.

6. Устройство электрической розетки по п.5, в котором частота периодического цикла зависит от величины тока в линейном проводе.

7. Устройство электрической розетки по п.4, в котором переключающие элементы переводятся в открытое и закрытое положение под управлением главного контроллера, осуществляющего связь с контроллером розетки.

8. Устройство электрической розетки по п.4, в котором главный контроллер определяет местоположение последовательного дугового короткого замыкания путем:

открывания переключающего элемента закорачивания нейтрали устройства электрической розетки, и

закрывания переключающего элемента закорачивания нейтрали второго устройства электрической розетки, и определяя, превышает ли пороговую величину импеданс, рассчитанный по измеренному напряжению и току.

9. Устройство электрической розетки по п.1, в котором контроллер розетки является микроконтроллером.

10. Устройство электрической розетки по п.1, в котором переключающие элементы являются твердотельными устройствами.

11. Устройство электрической розетки по п.1, в котором переключающие элементы и контроллер розетки расположены в модуле, соединенном с обычным устройством розетки, содержащим линейный провод и нейтральный провод.

12. Способ обнаружения дуговых коротких замыканий ниже по потоку от прерывателя цепи, соединенного с источником энергии переменного тока через линейный провод и нейтральный провод, содержащий этапы, на которых:

открывают переключающий элемент управления нагрузкой, управляющий током через линейный провод в первом устройстве электрической розетки ниже по потоку от прерывателя цепи;

определяют, протекает ли ток в линейном проводе;

обнаруживают параллельное дуговое короткое замыкание на основании того, протекает ли ток в линейном проводе;

закрывают переключающий элемент закорачивания нейтрали в первом устройстве электрической розетки для соединения линейного провода с нейтральным проводом;

измеряют напряжение между линейным проводом и нейтральным проводом и ток, протекающий по линейному проводу, для определения импеданса, и

обнаруживают последовательное дуговое короткое замыкание, если упомянутый импеданс превышает пороговую величину.

13. Способ по п.12, дополнительно содержащий этап, на котором прерывают ток в линейный провод через прерыватель цепи при обнаружении параллельного дугового короткого замыкания или последовательного дугового короткого замыкания.

14. Способ по п.12, причем переключающие элементы являются твердотельными элементами.

15. Способ по п.12, дополнительно содержащий этапы, на которых:

открывают переключающий элемент закорачивания нейтрали в первом устройстве электрической розетки;

закрывают переключающий элемент закорачивания нейтрали во втором устройстве электрической розетки, расположенном ниже по потоку от первого устройства электрической розетки, для отсоединения линейного провода от нагрузки, подключенной к второму устройству электрической розетки;

измеряют напряжение между линейным проводом и нейтральным проводом и ток, протекающий по линейному проводу, для определения второго импеданса; и

определяют местоположение последовательного дугового короткого замыкания на основании того, превышает ли упомянутый определенный импеданс пороговую величину, когда закрыт переключающий элемент управления нагрузкой первого устройства электрической розетки, или когда закрыт переключающий элемент управления нагрузкой второго устройства электрической розетки.

16. Способ по п.15, дополнительно содержащий этап, на котором открывают переключающий элемент управления нагрузкой во втором устройстве электрической розетки, управляя током через линейный провод во втором устройстве электрической розетки, одновременно с открыванием переключающего элемента управления нагрузкой первого устройства электрической розетки.

17. Способ по п.12, причем переключающие элементы открывают и закрывают с периодическим циклом.

18. Способ по п.12, причем переключающие элементы открывают и закрывают под управлением главного контроллера в прерывателе цепи.

19. Система для обнаружения дуговых коротких замыканий, содержащая:

линейный провод;

нейтральный провод;

прерыватель цепи, подключенный к линейному и нейтральному проводам;

множество устройств электрических розеток, каждое из которых соединено с прерывателем цепи посредством линейного и нейтрального проводов, при этом каждое из множества устройств электрических розеток имеет переключающий элемент закорачивания нейтрали, подключенный между линейным и нейтральным проводами, и переключающий элемент управления нагрузкой, подключенный к линейному проводу, при этом каждое из множества устройств электрических розеток содержит контроллер розетки, управляющий переключающими элементами, причем контроллер розетки закрывает переключающие элементы закорачивания нейтрали для обнаружения последовательного дугового короткого замыкания и открывает переключающие элементы управления нагрузкой для обнаружения параллельного дугового короткого замыкания.

20. Система по п.19, в которой прерыватель цепи содержит датчик напряжения, подключенный между линейным проводом и нейтральным проводом, датчик тока, подключенный к линейному проводу, и главный контроллер, подключенный к датчикам тока и напряжения.

21. Система по п.19, в которой прерыватель цепи прерывает подачу энергии по линейному проводу, если обнаружено параллельное или последовательное короткое замыкание.