專利名稱：用于通過故障計數(shù)器來探測干擾電弧事件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過檢測交流電網(wǎng)中的當(dāng)前噪聲功率以及檢測交流電網(wǎng)中的電流強度的幅度來探測干擾電弧事件的方法。如果電流強度的當(dāng)前幅度超過了預(yù)定的電流強度閾值并且當(dāng)前的噪聲功率超過了功率閾值，則提高與時間有關(guān)的積分。另外，如果幅度沒有超過預(yù)定的電流強度閾值和/或當(dāng)前的噪聲功率沒有超過功率閾值，則降低與時間有關(guān)的積分。如果該積分超過了預(yù)先給定的積分閾值，則最后判斷存在/曾經(jīng)存在干擾電弧。干擾電弧事件可以是一個或多個干擾電弧。本發(fā)明應(yīng)該尤其涉及按照IEC標(biāo)準(zhǔn) (International Electrical Commitee,國際電工委員會)的具有230V及50Hz的交流電網(wǎng)。
背景技術(shù)：
在諸如家用布線系統(tǒng)的布線系統(tǒng)中，如果功率或其絕緣失效或者所連接的設(shè)備不再正常，那么就可能產(chǎn)生干擾電弧。為了盡可能迅速地在出現(xiàn)干擾電弧的情況下斷開電路， 在布線系統(tǒng)中采用保護(hù)開關(guān)。防干擾電弧的保護(hù)開關(guān)也稱作AFDD (Arc Fault Detection Device，電弧故障探測裝置)。這種保護(hù)開關(guān)是保護(hù)設(shè)備，其借助復(fù)雜的算法來監(jiān)視電信號或其電路，以能夠探測電氣布線中的干擾電弧。例如從文件US 5 729 145 A中公知有算法，這些算法可以對穩(wěn)定燃燒的干擾電弧與所謂的干擾耗電器、例如具有電刷的電動機進(jìn)行區(qū)分。在此所述的技術(shù)是用于探測干擾電弧的一種普通方法。探測干擾電弧的問題在于，電弧故障在極少情況下如同短路一樣迅速地產(chǎn)生。例如與耗電器串聯(lián)出現(xiàn)的電弧故障在穩(wěn)定燃燒之前首先在故障區(qū)域中需要足夠的炭化。在炭化階段期間，干擾電弧偶然燃燒僅局部幾個半波，并從而僅非常困難地與干擾負(fù)載相區(qū)分。 但在該炭化階段中已經(jīng)可以由導(dǎo)體所溶解的銅顆粒以幾千。C來點燃環(huán)境中的材料，并由此引起火災(zāi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，也能夠可靠地識別偶然出現(xiàn)的干擾電弧。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過用于通過如下步驟來探測交流電網(wǎng)中的干擾電弧事件的方法來解決
-檢測所述交流電網(wǎng)中的當(dāng)前的噪聲功率， -檢測所述交流電網(wǎng)中的電流強度的幅度，
-如果電流強度的當(dāng)前幅度超過預(yù)定的電流強度閾值并且當(dāng)前的噪聲功率超過功率閾值，則提高與時間有關(guān)的積分，
-如果所述幅度沒有超過預(yù)定的電流強度閾值和/或當(dāng)前的噪聲功率沒有超過功率閾值，則降低與時間有關(guān)的積分，以及-如果所述積分超過預(yù)先給定的第一積分閾值，則判斷存在干擾電弧事件，以及 -僅在所述積分首先超過低于第一積分閾值的第二積分閾值并接著低于比第二積分閾值低的第三積分閾值時，才對計數(shù)器進(jìn)行遞增，和
-如果所述計數(shù)器的值超過預(yù)先給定的計數(shù)器閾值，則判斷存在另一干擾電弧事件。此外，根據(jù)本發(fā)明還提供了用于探測交流電網(wǎng)中的干擾電弧事件的裝置，該裝置具有
-用于檢測交流電網(wǎng)中的當(dāng)前的噪聲功率的功率測量裝置， -用于檢測交流電網(wǎng)中的電流強度的幅度的電流測量裝置，
-積分裝置，用于在電流強度的當(dāng)前幅度超過預(yù)定的電流強度閾值并且當(dāng)前的噪聲功率超過功率閾值時提高與時間有關(guān)的積分，以及用于在所述幅度沒有超過預(yù)定的電流強度閾值和/或當(dāng)前的噪聲功率沒有超過功率閾值時降低與時間有關(guān)的積分，和
-邏輯裝置，用于在所述積分超過預(yù)先給定的第一積分閾值時判斷存在干擾電弧事件，以及
-計數(shù)器裝置，用于僅在所述積分首先超過低于第一積分閾值的第二積分閾值并接著低于比第二積分閾值低的第三積分閾值時對計數(shù)器值進(jìn)行遞增，其中
-在所述計數(shù)器的值超過預(yù)先給定的計數(shù)器閾值時，利用所述邏輯裝置來判斷存在另一干擾電弧事件。從而以有利的方式提供了用于探測干擾電弧的一種雙軌探測方法以及一種相應(yīng)的裝置。在第一判斷線路中僅觀察積分的值(在最簡單的情況下是以預(yù)定時鐘遞增的計數(shù)值)，觀察該值是否超過確定的第一積分閾值。在與第一判斷線路獨立的第二判斷線路中， 評價尤其是也低于第一積分閾值的積分的變化曲線。如果該積分首先升高到第二積分閾值以上并接著下降到第三積分閾值以下，那么這可視為曾存在短的、偶然的干擾電弧的標(biāo)志， 該干擾電弧雖然還不足以根據(jù)第一積分閾值進(jìn)行觸發(fā)，但可能已經(jīng)造成材料的損壞。然后對相應(yīng)的計數(shù)器進(jìn)行遞增。于是在多次這種事件的情況下，計數(shù)器閾值被超過，并且認(rèn)為可靠地探測到一個或多個干擾電弧，使得利用該信息可以發(fā)起相應(yīng)的動作。優(yōu)選地，所述第二積分閾值處于第一積分閾值的30%與70%之間的范圍中。如果第二積分閾值處于第一積分閾值的50%，那么這是尤其有利的。在此，如果第三積分閾值低于第一積分閾值的20%，尤其是處于第一積分閾值的10%，那么這也是有利的。這種大小被確定的閾值導(dǎo)致用于識別偶然干擾電弧的可靠算法。積分的提高和降低可以以不同的速度來進(jìn)行。因此可以考慮以下的事實，即干擾電弧以不同的時間間隔出現(xiàn)，或者材料在出現(xiàn)干擾電弧之后以確定的方式(例如通過溫度的降低)恢復(fù)。此外可以在干擾負(fù)載方面對所述交流電網(wǎng)中的信號進(jìn)行分析，并在探測到這樣的干擾負(fù)載的情況下所述積分被設(shè)置到預(yù)先給定的值、尤其是零。從而可以避免當(dāng)在交流電網(wǎng)中僅運行干擾負(fù)載時無意地探測到干擾電弧。如果所述積分被復(fù)位為預(yù)先給定的值、尤其是零，則還應(yīng)該對計數(shù)器進(jìn)行遞減。從而，當(dāng)識別到干擾負(fù)載、但沒有識別到干擾電弧時，可以避免在利用計數(shù)器所實現(xiàn)的第二探測軌道或第二探測級上產(chǎn)生探測誤差。所述計數(shù)器優(yōu)選地按照預(yù)先給定的時間間隔來遞減。從而僅在所述積分在較短的時間內(nèi)多次超過第二積分閾值并低于第三積分閾值時才進(jìn)行對于干擾電弧事件的判斷(也即一個干擾電弧或多個干擾電弧)。太少出現(xiàn)的干擾電弧不導(dǎo)致探測到關(guān)鍵的干擾電弧事件。對于計數(shù)器遞減的時間間隔可以與計數(shù)器的實際值有關(guān)。因此例如可以簡單地來模擬指數(shù)衰減。特別有利的是，利用本發(fā)明的用于探測干擾電弧事件的方法來驅(qū)動保護(hù)開關(guān)。于是在探測到這種干擾電弧事件的情況下觸發(fā)保護(hù)開關(guān)，或者輸出相應(yīng)的報警信號。從而保護(hù)開關(guān)也可以被用作預(yù)警儀器。


現(xiàn)在借助附圖來詳細(xì)解釋本發(fā)明，其中
圖1示出電流變化曲線、噪聲功率的變化曲線以及積分信號的圖表，并且圖2示出積分信號、干擾負(fù)載探測信號和計數(shù)器信號。
具體實施例方式在下文中詳細(xì)闡述的實施例是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。本發(fā)明所基于的公開技術(shù)是，如果電流強度在一個半波中超過確定的值并且同時噪聲功率超過同樣預(yù)定的值，那么通過積分器關(guān)于時間進(jìn)行積分可以可靠地識別干擾電弧以及尤其是連續(xù)干擾電弧。因此根據(jù)圖1的示例，檢查交流電壓電路中的電流。為此，電流或相應(yīng)的參量被整流。從而得出在圖1上部所示的關(guān)于時間t的電流變化曲線1。該電流變化曲線基于正弦形的交流電流，并通過邊緣2來表示每個半波3的開始。每個陡峭的邊緣在每個半波中在點燃干擾電弧時得出。如果在半波3或者在交流電流的半周期期間電流強度超過閾值Si，則這被分析為對于干擾電弧燃燒的指示。但電流的高度還并不單獨是對于干擾電弧燃燒的可靠指示。更確切地說，還必須分析噪聲功率IV以獲得對于干擾電弧存在的附加指示。在圖1中在電流變化曲線1的下面以時間對應(yīng)的方式示出了噪聲功率IV在此在半波3的時間窗中可以觀察到提高的噪聲功率。該噪聲功率尤其是高頻信號的噪聲功率， 也即HF噪聲功率。在時間段、中，噪聲功率低于噪聲功率閾值S2。然后接著是另外的時間段t3至t8，其中在時間段t3至t7中沒有干擾電弧燃燒，并且噪聲功率相應(yīng)是低的。在時間段t4、t6和t8中，噪聲功率高于閾值S2，并且在時間段t5中如同在時間段、中那樣噪聲功率低于閾值S2。時間段t3至t6代表交流電壓信號或交流電流信號的第一半周期，并且時間段t7與t8代表第二半周期。期間干擾電弧燃燒的半波3在時間上分別僅在相應(yīng)半周期的一部分上延伸(例如半周期t3至t6中的t4至t6)。在圖1中最下面的變化曲線示出了積分器值htl。該積分器值htl表示關(guān)于時間的積分值。該積分簡單地通過如下方式來實施，即積分器或計數(shù)器以固定地預(yù)先給定的時鐘或者以固定地預(yù)先給定的周期遞增。于是對于值^tl在遞增時得出諸如在時間段t2 中的相應(yīng)的線性上升。在此在半波3開始時，該電流強度如此強烈地上升，使得該電流強度超過電流強度閾值Si。這對于積分器原則上是可以被遞增或積分的信號。但是因為噪聲功率在第一時間段、中低于閾值S2，所以該積分器還不遞增。然后在時間段t2中，噪聲功率高于該閾值S2，并且該積分器遞增，使得積分器值^tl相應(yīng)地線性上升。在該半波3結(jié)束時，遞增隨著時間段、的結(jié)束而結(jié)束。在時間段、期間，干擾電弧不燃燒并且積分器遞減。如圖 1的曲線圖所示，在該示例中遞減比遞增更緩慢。在時間段、開始時，再次出現(xiàn)陡峭的邊緣 2，并且積分器遞增，因為噪聲功率在該時間段中高于S2。在時間段t5中遞減，因為噪聲功率低于閾值S2。而在時間段t6中積分器再次遞減。相應(yīng)地，積分器在時間段中再次遞減以及遞增。在時間段t8期間，積分器值htl超過積分閾值S3。該積分閾值的超過可以如此來解釋，即可能存在一個或多個干擾電弧、即干擾電弧事件。積分閾值的超過根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)導(dǎo)致觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)開關(guān)，該保護(hù)開關(guān)由用于探測干擾電弧事件的相應(yīng)裝置來控制或由該裝置所包含。對應(yīng)于本發(fā)明，擴展了根據(jù)圖2的觸發(fā)機制。尤其是應(yīng)當(dāng)檢查也低于閾值S3的積分信號htl，使得能夠提前識別是否由于非常短的或非常少的偶然的干擾電弧——這些干擾電弧沒有達(dá)到閾值S3——而產(chǎn)生材料損害。在圖2上部為此示出積分器值htl的另一變化曲線。該變化曲線沒有達(dá)到閾值S3 (100%)。但該變化曲線在時刻t1(l超過了第二積分閾值S4。該第二積分閾值S4在此為第一積分閾值S3的50%。但該第二積分閾值也可以是另一值，并優(yōu)選地處于第一積分閾值S3的30%至70%的范圍中。在超過該第二積分閾值S4之后，例如干擾電弧熄滅，并且積分值或相應(yīng)的計數(shù)器值遞減，使得該積分值^tl連續(xù)地下降到零。在此該積分值低于第三積分閾值S5，該第三積分閾值在此為第一積分閾值S3的10%。優(yōu)選地，該第三積分閾值S5低于該第一積分閾值的 20%ο積分值htl下降到第三積分閾值S5之下對于偶然的干擾電弧是典型的。因而在此所利用的事實是，積分值^tl首先超過第二積分閾值S4，并然后在時刻tn下降到第三積分閾值S5之下。接著該積分值htl再次超過第二積分值S4。但通過信號分析確定了，積分值的上升是由干擾負(fù)載引起的。因此生成復(fù)位信號r，該復(fù)位信號在圖2中在中間示出。通過該復(fù)位信號r該積分器被復(fù)位，并且積分閾值^tl獲得值零?，F(xiàn)在采用第二積分器或計數(shù)器，以對偶然的干擾電弧進(jìn)行計數(shù)并將其作為干擾電弧事件來探測。偶然的干擾電弧的特征例如在于，第一積分值^tl超過第二積分閾值S4 (50%)，并在干擾電弧熄滅之后較長時間內(nèi)不出現(xiàn)另外的電弧，使得積分值^itl剛好下降到第三積分閾值S5 (10%)以下。為了能夠?qū)Υ诉M(jìn)行計數(shù)，存在兩種可能。一方面，如果第一積分值化〖1再次低于下面的閾值S5，那么計數(shù)器(Int2)才可以遞增。于是在圖2的示例中在時刻tn才進(jìn)行遞增。根據(jù)第二變型，在超過第二積分閾值S4 (50%)的時刻、在此在時刻t1(l就暫時已經(jīng)進(jìn)行了遞增。但最終，如果第一積分值htl下降到10%閾值以下，那么該計數(shù)器或該第二積分器在時刻tn才保持遞增。圖2中的積分函數(shù)htl接著再次上升，并在時刻tn超過第二積分閾值S4。該計數(shù)器值或第二積分值因此暫時再次遞增。但在交流電網(wǎng)中所實施的信號分析得出，積分值htl上升的原因是干擾負(fù)載。因此在時刻t13生成復(fù)位信號r，在此為短的脈沖。由于該復(fù)位信號r，不僅第一積分值htl被設(shè)置為零，而且第二積分值也遞減了一個計數(shù)單位。如果如在時刻t1(l出現(xiàn)了多個干擾電弧事件，那么該計數(shù)器或第二積分器會隨著每個這種事件而遞增，并且積分值會超過該計數(shù)器閾值S6。于是，超過計數(shù)器閾值S6 是判斷存在干擾電弧事件的基礎(chǔ)。多個短的或偶然的干擾電弧從而導(dǎo)致關(guān)鍵性的“干擾電弧事件”。通過判斷存在干擾電弧事件，就認(rèn)為探測到該干擾電弧事件。相應(yīng)的探測信息可以被用于觸發(fā)保護(hù)開關(guān)。下面更詳細(xì)地來解釋一個實施例。基礎(chǔ)是根據(jù)專利文件US 5 729 145 A的用于干擾電弧的檢測算法。該檢測算法可以以硬件以及以軟件來實現(xiàn)。在每次檢測到干擾電弧時，積分器就改變它的值(參見圖1)。如果積分器或相應(yīng)的積分閾值^tI達(dá)到了觸發(fā)閾(閾值S3)，那么為此而設(shè)置的裝置就將該耗電器與電網(wǎng)分離。為了達(dá)到該閾值，需要穩(wěn)定燃燒的干擾電弧。如果該算法識別到不是涉及干擾電弧，而是涉及干擾耗電器(干擾負(fù)載)，那么積分值^tl就被復(fù)位到起始值(參見圖2)。對于對偶然出現(xiàn)的電弧故障的探測，現(xiàn)在使用另一積分器或計數(shù)器。如果第一積分值htl在具體的示例中超過50%閾值(S4)并接著下降到10%閾值(S5)以下，那么該計數(shù)器或積分值就遞增。用于形成第一積分值htl的第一積分器可以作為簡單的計數(shù)器來實現(xiàn)，該計數(shù)器以固定地預(yù)先給定的時鐘來遞增，這對應(yīng)于時間積分。閾值S4和S5以及遞增的大小可以按照需要來定義。如果第一積分器被復(fù)位(在干擾負(fù)載的情況下)或者超過確定的時間間隔，那么第二積分器或計數(shù)器就遞減。遞減的時間間隔尤其可以根據(jù)第二積分值來確定。如果積分值例如高于第四積分閾值S6的30%，那么就例如在時間t3(l之后進(jìn)行遞減。如果值高于S6的50%，那么在時間t5Q之后進(jìn)行遞減。如果值高于S6的80%，那么在時間t8(1之后進(jìn)行遞減。對于時間間隔t3(1、t50和t8(1，在此例如有t3(1>t5(1>t8Q。如果第一積分值htl被復(fù)位，則用于時間遞減的遞減大小可以選擇得與遞減的大小不同。如果達(dá)到或超過了該觸發(fā)閾S6，那么就可以利用該信息來控制顯示裝置或例如繼電器。對偶然的干擾電弧的識別從而可以與顯示器(例如LED)組合。也即如果不希望立即斷開該電網(wǎng)，那么這可以用作預(yù)警可能。利用本發(fā)明的對偶然出現(xiàn)的干擾電弧的探測，可以在早期在其形成階段就識別并斷開干擾電弧故障。由于電氣布線中的故障而引起的許多火災(zāi)從而就可以被避免。在不希望立即斷開電網(wǎng)的特殊情況下——這尤其在工業(yè)中是重要的，就可以可選地控制相應(yīng)的顯示裝置或者內(nèi)部或外部繼電器。然后可以在合適的時刻來實施可能的報警動作。附圖標(biāo)記列表
1電流變化曲線
2邊緣
3半波 Intl 積分函數(shù) Int2 積分值
r復(fù)位信號
Sl 閾值S2噪聲功率閾值
S3-S5積分閾值
S6計數(shù)器閾值
t時間
trt8時間段
t10, tn時刻
t30, t50,t80 時間間隔
Pn噪聲功率。
權(quán)利要求
1.用于通過如下步驟來探測交流電網(wǎng)中的干擾電弧事件的方法 -檢測所述交流電網(wǎng)中的當(dāng)前的噪聲功率(1\)，-檢測所述交流電網(wǎng)中的電流強度(I)的幅度，-如果電流強度的當(dāng)前幅度超過預(yù)定的電流強度閾值(Si)并且當(dāng)前的噪聲功率超過功率閾值(S2)，則提高與時間有關(guān)的積分(Intl)，-如果所述幅度沒有超過預(yù)定的電流強度閾值(Si)和/或當(dāng)前的噪聲功率沒有超過功率閾值(S2)，則降低與時間有關(guān)的積分(Intl)，以及-如果所述積分(Intl)超過預(yù)先給定的第一積分閾值(S3)，則判斷存在干擾電弧事件，其特征在于，-僅在所述積分(intl)首先超過低于第一積分閾值(S3)的第二積分閾值(S4)并接著低于比第二積分閾值(S4)低的第三積分閾值(S5)時，才對計數(shù)器(Int2)進(jìn)行遞增，以及-如果所述計數(shù)器(Int2)的值超過預(yù)先給定的計數(shù)器閾值(S6)，則判斷存在另一干擾電弧事件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二積分閾值(S4)處于所述第一積分閾值 (S3 )的30%和70%之間的范圍中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述第三積分閾值(S5)低于所述第一積分閾值(S3)的 20%。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中以不同的速度來進(jìn)行所述積分(Intl)的提高和降低。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中在干擾負(fù)載方面對所述交流電網(wǎng)中的信號進(jìn)行分析，并在探測到干擾負(fù)載的情況下所述積分(Intl)被設(shè)置到預(yù)先給定的值、尤其是零。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中如果所述積分(Intl)被設(shè)置到預(yù)先給定的值，則對所述計數(shù)器(Int2)進(jìn)行遞減。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中在預(yù)先給定的時間間隔之后對所述計數(shù)器 (Int2)進(jìn)行遞減。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述時間間隔與所述計數(shù)器(Int2)的當(dāng)前值有關(guān)。
9.用于通過根據(jù)前述權(quán)利要求之一的探測干擾電弧事件來驅(qū)動保護(hù)開關(guān)并且在探測到干擾電弧事件的情況下觸發(fā)保護(hù)開關(guān)或輸出報警信號的方法。
10.用于探測交流電網(wǎng)中的干擾電弧事件的裝置，具有-用于檢測交流電網(wǎng)中的當(dāng)前的噪聲功率( )的功率測量裝置， -用于檢測交流電網(wǎng)中的電流強度(I)的幅度的電流測量裝置， -積分裝置，用于在電流強度的當(dāng)前幅度超過預(yù)定的電流強度閾值(Si)并且當(dāng)前的噪聲功率超過功率閾值(S2)時提高與時間有關(guān)的積分(Intl)，以及用于在所述幅度沒有超過預(yù)定的電流強度閾值(Si)和/或當(dāng)前的噪聲功率沒有超過功率閾值(S2)時降低與時間有關(guān)的積分(Intl)，以及-邏輯裝置，用于在所述積分(Intl)超過預(yù)先給定的第一積分閾值(S3)時判斷存在干擾電弧事件， 其特征在于，-計數(shù)器裝置，用于僅在所述積分(Intl)首先超過低于第一積分閾值(S3)的第二積分閾值(S4)并接著低于比第二積分閾值(S4)低的第三積分閾值(S5)時對計數(shù)器值(Int2) 進(jìn)行遞增，其中-在所述計數(shù)器(Int2)的值超過預(yù)先給定的計數(shù)器閾值(S6)時，利用所述邏輯裝置來判斷存在另一干擾電弧事件。
全文摘要
用于通過故障計數(shù)器來探測干擾電弧事件的方法和裝置。應(yīng)識別偶然出現(xiàn)的干擾電弧。為此，如果電流強度超過電流強度閾值并且噪聲功率超過功率閾值，則形成關(guān)于時間的積分。如果該積分超過預(yù)先給定的第一積分閾值(S3)，則判斷存在干擾電弧事件。另外，如果該積分(Int1)首先超過低于該第一積分閾值(S3)的第二積分閾值(S4)并接著低于比該第二積分閾值(S4)低的第三積分閾值，則對計數(shù)器(Int2)進(jìn)行遞增。如果該計數(shù)器(Int2)的值超過預(yù)先給定的計數(shù)器閾值(S6)，則判斷存在另一干擾電弧事件。從而尤其能夠檢測到偶然出現(xiàn)的干擾電弧。
文檔編號G01R31/08GK102565578SQ20111042295
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者A.許貝爾, J-M.馬特爾 申請人:西門子公司