專利名稱：電弧檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例大體上涉及電弧檢測，更具體地，涉及用于配電設(shè)
備(electrical distribution equipment)的射頻(RF)電弧識另'J系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在諸如配電設(shè)備之類的電氣設(shè)備中，對指示電弧放電(arcing)事 件的電弧閃光(arc flash)的檢測作為消除不希望的和/或危險的電弧 放電狀況中的第 一步是關(guān)鍵性的。 一種檢測電弧放電事件的已知技術(shù)是 采用光檢測器來感測與電弧放電事件相關(guān)聯(lián)的電弧閃光。然而，這種檢 測器通常受限于視線檢測，而且必須被置于與潛在電弧源相對接近的位 置。另一種技術(shù)是使用電流監(jiān)視器(current monitor)來估計指示電 弧放電事件的導(dǎo)體中的電流擾動。但是這種技術(shù)可能有繁重的處理需 求，從而對于識別電弧放電事件會產(chǎn)生不期望的長反應(yīng)時間。因此需要

發(fā)明內(nèi)容
在示例性實施例中，本發(fā)明包括用于識別配電i殳備中的電弧i文電事
件的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于存儲電弧放電射頻特性和噪聲射頻特性的存
儲器，所述電弧射頻特性指示在配電設(shè)備中產(chǎn)生的電弧放電事件，所述
噪聲射頻特性指示背景電噪聲。該系統(tǒng)還包括用于檢測射頻信號的傳感
器，所述射頻信號由電弧放電事件引起并從配電設(shè)備無線地傳播出來。
該系統(tǒng)還包括處理器，所述處理器用于處理由傳感器所檢測的射頻信號
以從檢測到的信號中提取射頻特性，并且所述處理器包括比較器，所述 比
性和噪聲射頻特性進行比較，以此來識別電弧放電事件的發(fā)生。此外， 該系統(tǒng)包括電弧警報發(fā)生器，所述電弧警報發(fā)生器用于產(chǎn)生指示電弧放 電事件發(fā)生的電弧故障信號(fault signal)。
在另 一個示例性實施例中，本發(fā)明包括用于識別配電設(shè)備中的電弧 放電事件的方法。該方法包括檢測因配電設(shè)備所產(chǎn)生的電弧放電事件而 引起的、并從配電設(shè)備無線地傳播出來的射頻信號。該方法還包括從檢 測到的信號提取射頻特性，并將所提取的射頻特性與預(yù)定的電弧放電射頻特性和預(yù)定的噪聲射頻特性相比較來識別電弧放電事件的發(fā)生。該方 法進一步包括產(chǎn)生指示電弧放電事件發(fā)生的電弧故障信號。


當參考附圖閱讀如下詳細描述時，將會更好地理解本發(fā)明的這些以 及其他特征、方面和優(yōu)勢，在整個附圖中同樣的附圖標記指代同樣的部
分，其中
圖1A是指示配電設(shè)備中的未封閉的(皿confined)電弧放電事件 的示例性頻率響應(yīng)特性的示圖1B是指示配電設(shè)備中的封閉的(confined)電弧放電事件的示 例性頻率響應(yīng)特性的示圖2是圖示出用于識別配電設(shè)備中的電弧放電事件的系統(tǒng)的示例性 實施例的示意圖3是其中可以采用圖2的系統(tǒng)的示例性配電設(shè)備環(huán)境；
圖4是根據(jù)本發(fā)明各方面的用于識別電弧放電事件的方法的示例性 實施例的流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的發(fā)明者認識到，配電設(shè)備中的電弧放電事件以與其他RF 源不同的某些頻帶和/或某些頻率幅度(magnitude)發(fā)射RF能量，比 如，取決于與電弧放電事件相關(guān)聯(lián)的電流幅度。圖1A是指示配電設(shè)備 中的未封閉的或者非密封(non-enclosed)的電弧放電事件的示例性頻 率響應(yīng)特性的示圖34。例如，這樣的未封閉的電弧放電事件可能會出現(xiàn) 在常常暴露于周圍環(huán)境的匯流條(bus bar)和/或相導(dǎo)體中。示圖34 表示通過使用R F傳感器無線檢測用實驗方法引發(fā)的電弧閃光或電弧放 電事件產(chǎn)生的RF能量而得到的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)。示圖34以峰值頻率響應(yīng) 值36的形式示出RF頻率響應(yīng)特性，所述峰值頻率響應(yīng)值36是通過使 用傅立葉(Fourier)變換技術(shù)而得到的并且與響應(yīng)用實^^方法引發(fā)的 電弧放電事件的不同電流水平相對應(yīng)。在示圖34中能夠看到，在電流 小于IOO安培處，電弧放電事件表現(xiàn)出大約20MHz(兆赫)到大約30MHz 范圍內(nèi)的峰值RF頻率響應(yīng)，也可能表現(xiàn)出大約IO MHz到大約50 MHz 范圍內(nèi)的峰值RF頻率響應(yīng)。在電流大于100安培處，電弧放電事件表 現(xiàn)出大約l MHz到大約2 MHz范圍內(nèi)的峰值RF頻率響應(yīng)，也可能表現(xiàn) 出大約l MHz到大約5 MHz范圍內(nèi)的峰值RF頻率響應(yīng)。圖1B是指示配電設(shè)備中的封閉的或者密封的電弧放電事件的示例 性頻率響應(yīng)特性的示圖60。例如，這樣的封閉的電弧放電事件可能發(fā)生 在開關(guān)裝置(switchgear) 、 4妻線盒(terminal box)和/或電才幾控制 單元/盒，這些裝置常常是密封的。示圖60表示使用RF傳感器無線檢 測用實驗方法引發(fā)的電弧放電事件產(chǎn)生的RF能量而得到的頻率響應(yīng)數(shù) 據(jù)。示圖60以峰值頻率響應(yīng)值62的形式示出RF頻率響應(yīng)特性，所述 峰值頻率響應(yīng)值62是通過使用傅立葉變換技術(shù)而得到的并且與響應(yīng)用 實驗方法引發(fā)的電弧放電事件的不同電流水平相對應(yīng)。在示圖60能夠 看到，電弧放電事件趨向于表現(xiàn)出隨著電流增加而呈指數(shù)遞減的峰值RF 頻率響應(yīng)。例如，在大約IOO安培的電流范圍內(nèi)，峰值RF頻率響應(yīng)常 常出現(xiàn)在25 MHz附近。在大約300安培的電流范圍內(nèi)，峰值RF頻率響 應(yīng)常常出現(xiàn)在5 MHz附近，而在大約8000安培的電流以上時，峰值RF 頻率響應(yīng)常常出現(xiàn)在2 MHz附近。
使用這樣的用實驗方法得到的數(shù)據(jù)，發(fā)明者確定配電設(shè)備中的電弧 放電事件表現(xiàn)出的某些頻率特性與其他的RF噪聲不同，于是創(chuàng)造性地 意識到這樣的特性可以被用來識別這樣的電弧放電事件。除了峰值頻率 響應(yīng)特性，發(fā)明者還通過實驗確定電弧放電事件與產(chǎn)生事件的其他RF 噪聲相比可能表現(xiàn)出不同的峰值頻率響應(yīng)幅度，即使是在各自的峰值頻 率出現(xiàn)在相同的頻率時亦是如此。此外，發(fā)明者確定了配電設(shè)備中的電 弧放電事件表現(xiàn)出對應(yīng)于與電弧相關(guān)聯(lián)的電流的某些頻率特性，并且確 定了所述電弧是封閉的還是非封閉的。通過創(chuàng)造性地把由電弧放電事件 產(chǎn)生的RF能量的頻率特性與通常由電氣設(shè)備產(chǎn)生的RF噪聲能量的頻率 特性相區(qū)分，和/或根據(jù)存在于某些電流水平處的預(yù)定頻率特性來識別 電弧放電頻率特性，電弧放電狀況可以被快速識別，從而允許更迅速地 采取補救措施來消除電弧放電狀況。
圖2是圖示出用于識別配電設(shè)備(例如圖3中所示的示例性配電設(shè) 備28)中的電弧放電事件的系統(tǒng)10示例性實施例的示意圖。系統(tǒng)10可 以被配置來感測指示電弧放電事件的RF信號26,比如由在導(dǎo)體32a、 32b之間產(chǎn)生的電弧24無線發(fā)射的RF信號。系統(tǒng)IO還可以被配置來感 測指示背景噪聲的RF信號"(比如通常由配電設(shè)備發(fā)射的RF信號)， 并且識別電弧放電事件。根據(jù)這些信號26、 27，系統(tǒng)10可以識別電弧 放電狀況。在示例性實施例中，系統(tǒng)10可以包括存儲器16,用于存儲至少 一個指示在配電設(shè)備中產(chǎn)生的電弧放電事件的電弧放電射頻特性和至 少一個指示背景電噪聲的噪聲射頻特性。系統(tǒng)IO還可以包括一個或者 多個傳感器12a、 12b，比如各自的RF電線，用來檢測因從配電設(shè)備無 線傳播的電弧放電事件和/或背景噪聲而產(chǎn)生的射頻信號26、 27。盡管 在圖2中示出了兩個傳感器12a、 12b，應(yīng)該理解的是一個傳感器或者更 多傳感器可以被用來執(zhí)行相同的功能。系統(tǒng)IO可以包括處理器14,用 來處理由傳感器(一個或多個)12a、 12b檢測到的射頻信號26和27, 以從檢測到的信號中提取射頻特性。處理器14還可以包括電弧識別電 路22,比如比較器，所述比較器用來將所提取的射頻特性與存儲在存儲 器16中的電弧放電射頻特性和/或噪聲射頻特性進行比較，以識別電弧 放電事件的發(fā)生。系統(tǒng)IO還可以包括電弧警報發(fā)生器19,用來產(chǎn)生指 示電弧放電事件發(fā)生的電弧故障信號18。電弧故障信號18可以被用來 控制配電設(shè)備28的操作。例如，電弧故障信號18可以被用來打開電路 斷路器(circuit breaker) 30， /人而響應(yīng)于相對于匯流條40發(fā)生的電 弧24而使電負載(electrical load) 42與電源(electrical power source ) 38斷開。
存儲在存儲器16中的用來識別電弧放電狀況的RF特性可以包括預(yù) 定的峰值頻率響應(yīng)和/或預(yù)定的峰值頻率響應(yīng)幅度。該電弧放電射頻特 性可以包括與噪聲射頻特性的峰值頻率響應(yīng)不同的峰值頻率響應(yīng)。因 此，由系統(tǒng)IO感測到的RF特性可以與存儲在存儲器16中的不同特性 相比較，以確定感測到的RF特性是否與所存儲的特性中的一個相匹配， 從而允許相對快速地確定感測到的特性指示的是電弧還是普通的RF背 景噪聲。
在本發(fā)明的另 一示例中，電弧放電射頻特性可以包括與噪聲射頻特 性的峰值頻率響應(yīng)幅度不同的峰值頻率響應(yīng)幅度。在另 一個實施例中， 可以根據(jù)電氣設(shè)備中出現(xiàn)的電流水平來選擇電弧放電射頻特性。例如， 對于存在于被監(jiān)視的設(shè)備中的小于1千-伏特-安培的電流，用來識別電 弧放電狀況的電弧放電射頻特性可以包括從大約30兆赫到大約40兆赫 變動的峰值頻率響應(yīng)。在另一個實施例中，對于大于大約1千-伏特-安 培的電流，用來識別電弧放電狀況的電弧放電射頻特性可以包括大約1 兆赫到大約2兆赫的峰值頻率響應(yīng)。通過認識到在配電設(shè)備中電弧特性隨著電流水平而變化，與需要監(jiān)視較大頻率范圍相比，較小的頻率范圍 可以更加有效率地一皮監(jiān)視。在又另一個實施例中，電弧放電射頻特性可 以包括大約是噪聲峰值頻率響應(yīng)幅度IO倍的峰值頻率響應(yīng)幅度。
在本發(fā)明的另一個實施例中，傳感器12a、 Ub可以包括第一天線 和笫二天線。第一天線可以被配置來檢測具有電弧放電射頻特性的射頻 信號，比如通過被調(diào)諧以檢測與由電弧放電事件產(chǎn)生的頻率特性相對應(yīng) 的頻率范圍內(nèi)的RF能量。如圖3所示，第一天線可以被置于接近配電 設(shè)備28的可能經(jīng)歷電弧放電的區(qū)域44。例如，第一天線可以被置于與 配電設(shè)備相距大約1英尺到大約30英尺的范圍內(nèi)。第一天線可以被配 置成指向天線(directional antenna),該天線可以^皮對準可能經(jīng)歷 電弧放電的區(qū)域44以便被集中(focus)來接收指示電弧放電的RF能 量。第二天線可以被配置來檢測具有噪聲射頻特性的射頻信號，例如通 過被調(diào)諧以檢測與由背景噪聲產(chǎn)生的頻率特性相對應(yīng)的頻率范圍內(nèi)的 RF能量。如圖3所示，笫二天線可以被置于接近配電設(shè)備28的可能是 背景噪聲源的區(qū)域44。例如，第二天線可以被置于與配電設(shè)備相距大約 1英尺到大約30英尺的范圍內(nèi)。第二天線可以被配置成指向天線，該天 線可以被對準可能產(chǎn)生RF背景噪聲的區(qū)域46以便被集中來接收指示噪 聲的RF能量。
在另一個示例性實施例中，系統(tǒng)IO可以;收配置成在指示電弧放電 事件的發(fā)射RF信號和指示背景噪聲的發(fā)射RF信號之間進行區(qū)分。如圖 2所示，系統(tǒng)IO可以包括被置于接近配電設(shè)備的第一傳感器12a和被置 于接近配電設(shè)備的第二傳感器12b，其中第一傳感器12a用來感測可能 包括電弧放電射頻特性的第一射頻信號26,第二傳感器12b用來感測可 能包括噪聲射頻特性的第二射頻信號27。系統(tǒng)IO可以包括信號處理器 20，所述信號處理器20用來處理分別由傳感器12a、 12b檢測到的第一 射頻信號26和第二射頻信號27,以便從信號26、 27中提取電弧放電射 頻特性和噪聲射頻特性。例如，信號處理器20可以-故配置來執(zhí)行傅立 葉變換以便從信號26和27中提取頻率特性。在另一個示例性實施例中， 信號處理器20可以包括用于在所需的頻率范圍內(nèi)提取頻率特性的濾波 器，所述所需的頻率范圍例如是可能包括電弧放電射頻特性和/或噪聲 射頻特性的頻率范圍。系統(tǒng)10還可以包括采用鑒別器形式的電弧識別 電路22，用于區(qū)分電弧放電射頻特性和噪聲射頻特性以便識別電弧放電事件的發(fā)生。系統(tǒng)IO還可以包括電弧警報發(fā)生器19,用來產(chǎn)生指示電 弧放電事件發(fā)生的電弧故障信號18。電弧故障信號18可以被用來控制 如圖3所示的配電設(shè)備28的操作。
圖4是根據(jù)本發(fā)明各方面的用于識別電弧放電狀況的方法的示例性 實施例的流程圖4 8 。用于識別配電設(shè)備中的電弧》文電事件的方法可以包 括檢測因由配電設(shè)備產(chǎn)生的電弧放電事件而產(chǎn)生并且從配電設(shè)備無線 傳播出來的射頻信號50。然后此方法可以包括從檢測到的信號52中提 取射頻特性，并將所提取的射頻特性54與預(yù)定的電弧放電射頻特性和 預(yù)定的噪聲射頻特性相比較以識別電弧放電事件的電弧放電事件發(fā)生。 預(yù)定的射頻特性可以包括指示電弧放電事件和背景噪聲的峰值頻率響 應(yīng)和/或峰值頻率響應(yīng)幅度。預(yù)定的電弧放電射頻特性可能與存在于電 氣設(shè)備中的電流相關(guān)。該方法于是可以包括產(chǎn)生指示電弧放電事件發(fā)生 的電弧故障信號56。然后電弧故障信號可以-陂用來補救(remedy )電弧 放電事件58。在另一個示例性實施例中，該方法可以包括將預(yù)定的電弧 放電射頻特性與存在于電氣設(shè)備中的電流相關(guān)，以便使該方法適合于檢 測與存在于電氣設(shè)備中的電流相對應(yīng)的電弧放電事件。
雖然在此已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的某些實施例，但是這樣的實施 例只是作為例子而給出的。在不偏離本發(fā)明的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員 將會想到許多變化、改變和替換。因此，其目的在于本發(fā)明僅由所附權(quán) 利要求中的精神和范圍來限定。
部件列表
10:系統(tǒng)
12a、 12b: —個或多個傳感器
14:處理器
16:存儲器
18:電弧故障信號
19:電弧警報發(fā)生器
20:信號處理器
22:電弧識別電3各
24:電弧
26: RF信號
27: RF信號28配電i殳備
30電路斷路器
32a:導(dǎo)體32b:導(dǎo)體34示圖
36峰值頻率響應(yīng)值
38電源
40匯流條
42電負載
44區(qū)域
46區(qū)域
48流程圖
50檢測射頻信號
52從檢測到的信號中提取射頻特性
54比較所提取的射頻特性
56產(chǎn)生電弧故障信號
58補救電弧放電事件
60示圖
62峰值頻率響應(yīng)值 。
權(quán)利要求
1.一種用于識別配電設(shè)備(28)中的電弧放電事件(58)的系統(tǒng)(10)，包括存儲器(16)，用于存儲指示在配電設(shè)備(28)中產(chǎn)生的電弧放電事件(58)的電弧放電射頻特性和指示背景電噪聲的噪聲射頻特性；傳感器，用于檢測由電弧放電事件(58)引起的并且從配電設(shè)備(28)無線傳播的射頻信號(26)；處理器(14)，用于處理由傳感器檢測到的射頻信號(26)以從檢測到的信號(52)中提取射頻特性，并且所述處理器包括比較器，所述比較器用來將所提取的頻率特性與在存儲器(16)中存儲的電弧放電射頻特性以及噪聲射頻特性進行比較，以便識別電弧放電事件(58)的發(fā)生；以及電弧警報發(fā)生器(19)，用于產(chǎn)生指示電弧放電事件(58)發(fā)生的電弧故障信號(18)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10),其中所述電弧放電射頻特 性包括與噪聲射頻特性的峰值頻率響應(yīng)不同的峰值頻率響應(yīng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其中所述電弧放電射頻特 性包括與噪聲射頻特性的峰值頻率響應(yīng)幅度不同的峰值頻率響應(yīng)幅度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(10),其中所述電弧射頻特性是 根據(jù)存在于電氣設(shè)備中的電流水平來確定的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(10),其中所述電弧放電射頻特 性包括就小于大約1千-伏特-安培的電流而言大約10兆赫到大約50兆 赫的峰值頻率響應(yīng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(10),其中電弧放電射頻特性包 括就大于大約1千-伏特-安培的電流而言大約1兆赫到大約5兆赫的峰 值頻率響應(yīng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(10),其中電弧放電射頻特性包 括大于噪聲頻率響應(yīng)幅度的峰值頻率響應(yīng)幅度，其受傳感器與電弧放電 事件(58)源的距離的影響。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其中所述傳感器包括第一 天線，被配置成用于檢測具有電弧放電射頻特性的射頻信號(26)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(10)，其中所述傳感器包括第二天線，被配置成用于檢測具有噪聲射頻特性的射頻信號(26)。
10. —種用于識別配電設(shè)備(28)中的電弧放電事件(58)的系統(tǒng) (10),包括第一傳感器U2a),被置于接近配電設(shè)備(28)的位置，用于感 測可能包含指示在配電設(shè)備(28)中產(chǎn)生的電弧放電事件(58)的電弧 放電射頻特性的笫一射頻信號(26);第二傳感器(12b),被置于接近配電設(shè)備(28)的位置，用于感 測可能包含指示在配電設(shè)備(28)中產(chǎn)生的背景電噪聲的噪聲射頻特性 的第二射頻信號(27);信號處理器(20)，用于處理分別通過傳感器(12a和12b)檢測 到的第一射頻信號(26)和第二射頻信號(")，以從信號(26)中提 取電弧放電射頻特性和噪聲射頻特性；鑒別器，用于區(qū)分電弧放電射頻特性與噪聲射頻特性，以識別電弧 放電事件(58)的發(fā)生；以及電弧警報發(fā)生器(19),用于產(chǎn)生指示電弧放電事件(58)發(fā)生的 電弧故障信號(18)。
全文摘要
一種用于識別配電設(shè)備(28)中的電弧放電事件(58)的系統(tǒng)(10)和方法。該系統(tǒng)(10)包括存儲器(16)和傳感器，所述存儲器(16)用于存儲指示在配電設(shè)備(28)中產(chǎn)生的電弧放電事件(58)的電弧放電射頻特性和指示背景電噪聲的噪聲射頻特性，所述傳感器用于檢測由電弧放電事件(58)引起的并從配電設(shè)備(28)無線傳播的射頻信號(26)。該系統(tǒng)(10)還包括處理器(14)，所述處理器用于處理由傳感器檢測到的射頻信號(26)，以便從檢測到的信號(52)中提取射頻特性，并且所述處理器包括比較器，所述比較器用于將所提取的頻率特性與在存儲器(16)中存儲的電弧放電射頻特性和噪聲射頻特性進行比較以識別電弧放電事件(58)的發(fā)生。該系統(tǒng)(10)還包括電弧警報發(fā)生器(19)，用于產(chǎn)生指示電弧放電事件(58)發(fā)生的電弧故障信號(18)。
文檔編號G01R31/00GK101308180SQ20081009712
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日
發(fā)明者R·R·勞, S·M·昂加拉拉, T·阿索坎, U·D·拉波爾 申請人:通用電氣公司