本發(fā)明涉及被動地監(jiān)測保護(hù)斷路器中電流感測設(shè)備和相關(guān)聯(lián)的電路的完整性的方法和裝置。

背景技術(shù)：

電弧故障斷路(afci)和接地故障斷路(gfci)是保護(hù)人及其住宅以免遭受電氣故障帶來的電擊和火災(zāi)危險的不同、但同等重要的技術(shù)。

電弧故障通常限定為電流通過破損導(dǎo)體的兩個端部之間、供給負(fù)載的兩個導(dǎo)體之間、或者導(dǎo)體與地之間的電離氣體。若干情況可以導(dǎo)致電弧故障，例如腐蝕、破損或老化的電線或絕緣體，松動的連接，因絕緣體中的釘子或卡釘造成的電線損壞，以及重復(fù)過載狀況或放電導(dǎo)致的電應(yīng)力等等。例如，當(dāng)電氣部件變得磨損或受損時，松動的零件起火花或電弧以保持電流，從而快速加熱周圍區(qū)域。這些火花可以點燃附近的電線絕緣體，引發(fā)可能會快速蔓延的火災(zāi)。afci設(shè)備(例如，afci斷路器)檢測因電弧故障造成的電流波動，并且斷開電路以避免因電弧導(dǎo)致的電線火災(zāi)。

另一方面，當(dāng)電流通過人或物從熱導(dǎo)體流至地時發(fā)生接地故障。例如，當(dāng)帶電電路或電源電路接觸地(例如，諸如螺釘或電線箱的接地金屬)時，可能會發(fā)生接地故障，從而產(chǎn)生電擊危險。gfci插座在這類故障的毫秒內(nèi)切斷電路，從而避免雜散電流對人產(chǎn)生傷害。

gfci插座或壁箱在住所中較為常見。電弧故障防護(hù)通常由afci斷路器提供；然而，希望afci插座或壁箱在住所中變得更為常見。這些gfci和afci設(shè)備設(shè)計成符合安全標(biāo)準(zhǔn)主體的要求，例如符合保險商實驗室(underwriterslaboratories)的要求或分別符合ul要求ul943和ul1699。

通常，保護(hù)斷路器采用電磁耦合設(shè)備、例如鐵或鐵氧體芯電流互感器來感測交流電(ac)線路電流。來自感測設(shè)備的電信號經(jīng)歷模擬處理，例如縮放、過濾和積分，然后提供給監(jiān)控電路，該監(jiān)控電路負(fù)責(zé)用于確定故障狀況在保護(hù)設(shè)備監(jiān)測的配電電路上的存在。包括處理功能的電流感測設(shè)備和電子部件以及其間的互連存在潛在的故障點，應(yīng)當(dāng)監(jiān)測這些潛在的故障點以便確保該保護(hù)斷路器進(jìn)行符合可適用的標(biāo)準(zhǔn)主體要求(例如ul1699)的適當(dāng)操作。

在接地故障斷路器(后文也被稱作“gfci”)中，電流感測設(shè)備和相關(guān)聯(lián)的電路的完整性通常被評估為操作者啟動的自測試的一部分。在自測試過程期間，gfci在常規(guī)操作中監(jiān)測的實際故障狀況，即熱導(dǎo)體和中性導(dǎo)體之間的電流的不平衡，被gfci內(nèi)的測試電路可靠地重現(xiàn)。如果gfci操作適當(dāng)(包括電流感測設(shè)備和相關(guān)聯(lián)的電路)，將檢測到故障狀況并且設(shè)備的負(fù)載側(cè)將與線路側(cè)斷開；否則，將通過單獨的監(jiān)測電路提供保護(hù)設(shè)備故障的視覺指示，所述監(jiān)測電路與監(jiān)控電路并行操作。

在電弧故障斷路器(后文中也被稱作“afci”)中，待檢測的故障狀況，即電弧的存在，在最好的情況下也難以作為自測試功能的一部分在保護(hù)設(shè)備內(nèi)以安全、可靠并且節(jié)約成本的方式重現(xiàn)。因此，諸如ul1699的標(biāo)準(zhǔn)主體要求允許采取測試電路，該測試電路仿真電弧。更特別地，不同于由gfci檢測的電流不平衡的情況，電弧的存在不能由單一簡單定義或單一波形描述。相反，電弧呈現(xiàn)為眾多混亂現(xiàn)象，在最普遍的意義上，電弧可以描述成觀察到的電流波形的特定失真。因此，afci設(shè)備中的電弧檢測需要改進(jìn)。

一些保護(hù)斷路器可以進(jìn)行自測試以確保故障監(jiān)測部件是可操作的，但僅在線路側(cè)和負(fù)載側(cè)相連時并且通過應(yīng)用仿真故障狀況而這樣做。需要一種被動地操作的保護(hù)斷路器，即，即使在負(fù)載側(cè)斷開或者在線路側(cè)和負(fù)載側(cè)相連但負(fù)載吸收零電流時也進(jìn)行某些自測試或部件完整性檢查功能。換言之，需要一種保護(hù)斷路器，其可以查明用于感測并調(diào)節(jié)觀察到的用于故障監(jiān)測的信號的電流感測設(shè)備、相關(guān)聯(lián)的模擬電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)電路的完整性，而不需要保護(hù)斷路器停止工作。

此外，還需要改進(jìn)的電弧故障檢測電路，該電弧故障檢測電路使用插座或壁箱內(nèi)的極小空間并且符合諸如ul1699的標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

通過本發(fā)明的闡釋性實施例，克服上述及其他問題并且實現(xiàn)額外優(yōu)點。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例，提供方法和裝置來通過以下操作監(jiān)測保護(hù)設(shè)備中的部件：將保護(hù)設(shè)備斷路器中的線路熱臂和線路中性臂中的至少一者電容耦合至電流感測線圈；當(dāng)線路熱臂和線路中性臂分別與保護(hù)設(shè)備斷路器的負(fù)載熱臂和負(fù)載中性臂斷開時，分析由電容耦合操作產(chǎn)生的噪音信號，以便確定參考噪音數(shù)據(jù)；在線路熱臂和線路中性臂分別與負(fù)載熱臂和負(fù)載中性臂斷開時，使用噪音信號和參考噪音數(shù)據(jù)監(jiān)測保護(hù)設(shè)備斷路器的線圈和模擬部件，模擬部件包括保護(hù)設(shè)備斷路器中的數(shù)字處理器的模擬數(shù)字輸入和模擬信號調(diào)節(jié)電路中的至少一者；當(dāng)噪音信號相對于參考噪音數(shù)據(jù)符合第一指定標(biāo)準(zhǔn)時，使線路熱臂和線路中性臂分別至負(fù)載熱臂和負(fù)載中性臂的連接無效；當(dāng)線路熱臂和線路中性臂分別連接至負(fù)載熱臂和負(fù)載中性臂時，分析來自線圈的電流信號；和當(dāng)電流信號相對于參考噪音數(shù)據(jù)符合第二指定標(biāo)準(zhǔn)時，使線路熱臂和線路中性臂分別與負(fù)載熱臂和負(fù)載中性臂斷開。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例的前述和/或其他方面，提供方法和裝置來通過以下操作核查電弧：從電流信號減去包括參考噪音周期的參考噪音數(shù)據(jù)；和當(dāng)電流信號不符合第二指定標(biāo)準(zhǔn)時核查來自減去操作的剩余信號用于電弧。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例的前述和/或其他方面，線圈可以是例如羅氏線圈。此外，線路熱臂和線路中性臂中的另一者相對于線圈布置，以產(chǎn)生沿相同方向通過線路熱臂和線路中性臂中的每一者的電流并增強(qiáng)觀察到的電流信號。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例的前述和/或其他方面，參考噪音周期通過平均化在線路熱臂和線路中性臂分別與負(fù)載熱臂和負(fù)載中性臂斷開時噪音信號的周期并且確定參考噪音周期和閾值來確定，所述閾值由參考噪音周期的均方根值表示。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例的前述和/或其他方面，第二指定標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)于閾值，斷開操作包括當(dāng)電流信號小于閾值或大于閾值一選定量時將線路熱臂和線路中性臂分別與負(fù)載熱臂和負(fù)載中性臂斷開。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例的前述和/或其他方面，監(jiān)測操作包括使噪音信號與參考噪音周期相關(guān)聯(lián)，第一指定標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)于一選定閾值的關(guān)聯(lián)度，當(dāng)關(guān)聯(lián)操作結(jié)果是關(guān)聯(lián)度低于選定閾值時執(zhí)行無效操作。例如，關(guān)聯(lián)度的選定閾值是例如0.976。

本發(fā)明的額外和/或其他方面和優(yōu)點將在下面的說明書中闡述，或者將通過說明書而顯而易見，或者可以通過實踐本發(fā)明而習(xí)得。本發(fā)明可以包括保護(hù)斷路器和用于形成并操作保護(hù)斷路器的方法，其具有上述方面中的一個或多個、和/或特征的一個或多個及其組合。本發(fā)明可以包括以上方面的特征和/或組合的一個或多個，正如例如在所附權(quán)利要求中記載的那樣。

附圖說明

參照附圖所示的本發(fā)明的闡釋性實施例，將更容易地理解本發(fā)明，其中：

圖1a、1b和1c分別是根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例構(gòu)造的保護(hù)斷路器的前視圖、側(cè)視圖和后視圖；

圖2是圖1的保護(hù)斷路器的分解圖；

圖3是設(shè)置在保護(hù)斷路器中并且根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例構(gòu)造的芯組件的俯視圖；

圖4a是圖3的芯組件的等軸測視圖；

圖4b是圖4a的芯組件的分解圖；

圖4c是圖4b的芯組件的部分分解圖，其中出于清晰目的，省略了圖4b的一些部件；

圖5是設(shè)置在圖3的故障監(jiān)測和斷路器板上并且根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例構(gòu)造的電氣部件的示意圖；

圖6是由圖3的故障監(jiān)測和斷路器板采用并且根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例構(gòu)造的電容耦合的正弦噪音信號圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例構(gòu)造的保護(hù)斷路器的闡釋性操作的流程圖。

貫穿這些附圖，同樣的附圖標(biāo)記應(yīng)理解成指代同樣的元件、特征和結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

現(xiàn)在，將詳細(xì)參考附圖所示的本發(fā)明的實施例。通過參照附圖，本文描述的實施例舉例說明了本發(fā)明，但不是限制本發(fā)明。正如將被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的，諸如上、下、底和頂?shù)男g(shù)語是相對的并且被用來幫助闡釋而不作為限制。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例，提供方法和裝置來檢測故障。此外，提供方法和裝置，其被動地監(jiān)測保護(hù)斷路器中電流感測設(shè)備和相關(guān)聯(lián)的電路的完整性以及監(jiān)測ac線路電流以進(jìn)行故障測試而不使保護(hù)設(shè)備停止工作，所述保護(hù)斷路器例如是電弧故障斷路器(afci)和接地故障斷路器(gfci)。

圖1a、1b、1c、2和3示出了根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例構(gòu)造的示例性保護(hù)斷路器10。如圖1a至1c所示，保護(hù)斷路器10具有面板，所述面板帶有兩個三插腳出口(即，每個具有相位開口、中性開口和接地開口)、用于容置test和reset按鈕的開口、和帶有安裝耳的接地軛組件，并且保護(hù)斷路器的尺寸設(shè)定成被緊固到標(biāo)準(zhǔn)壁箱或插座中。圖2示出了面板和底部殼體之間的部件的分解圖，所述部件包括按鈕組件、安裝部件、間隔件和整體以20標(biāo)記的芯組件。從面板到標(biāo)記為30的控制板，test和reset按鈕的機(jī)械路徑以及帶有相連負(fù)載的出口插孔的電氣路徑可以以傳統(tǒng)的方式構(gòu)造，正如例如設(shè)計用于安裝在標(biāo)準(zhǔn)壁箱中的商用gfci或afci產(chǎn)品那樣，所述控制板是芯組件20的一部分。然而，芯組件20和控制板30根據(jù)本文描述的本發(fā)明的若干有利方面構(gòu)造。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例，芯組件20包括印刷電路板30，該印刷電路板具有圖5的示意圖所示的電子部件和圖3、4a、4b和4c所描繪的各個其他部件。出于清晰目的，省略了一些部件。例如，示出了用于控制繼電器觸頭k1和k2、螺線管l2以及電流感測線圈l1。

參照圖4a、4b和4c，芯組件20包括電流感測線圈l1，例如羅氏線圈，而非在許多現(xiàn)有保護(hù)斷路器中更為常用的鐵或鐵氧體型環(huán)形線圈，芯組件還包括線路熱臂k2和線路中性臂k1相對于線圈l1的有利布置。如圖5的示意圖所示，信號接地參考來自與線路熱引線相對的線路中性引線。還如圖5的示意圖和圖3的芯組件20所示，通過羅氏線圈l1的電流分別在熱引線和中性引線兩者上經(jīng)由電刷k2和跳線e5被感測，從而使保護(hù)斷路器10在缺乏接地的較老住所中可用。羅氏線圈l1是有利的一種線圈，這是因為相較于更大的鐵或鐵氧體芯電流互感器型感測線圈，羅氏線圈在保護(hù)斷路器10中并因此在壁箱中需要的空間更少。盡管相較于鐵或鐵氧體型環(huán)形線圈，羅氏線圈l1可能更易于受到噪音影響，但是保護(hù)斷路器10有利地使用噪音來監(jiān)測故障和電流感測設(shè)備(例如，l1)及相關(guān)聯(lián)的模擬電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(adc)電路的完整性。更特別地，根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例，保護(hù)斷路器10有利地使用噪音來被動地監(jiān)測故障，也就是說，即使在保護(hù)斷路器10的線路側(cè)和負(fù)載側(cè)斷開時也能監(jiān)測故障。此外，對線路熱路徑和線路中性路徑都進(jìn)行故障監(jiān)測。

繼續(xù)參照圖3、4a、4b和4c，根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例并且如下面更詳細(xì)地描述的，背景噪音被電容耦合到羅氏線圈l1作為測試信號。例如，如圖3、4a和4b所示，可以通過使線路熱臂k2的一部分(下文中被稱為電刷)與線圈l1重疊來實現(xiàn)電容耦合。此外，線路中性臂k1提供有跳線e5(例如，由導(dǎo)電材料構(gòu)成的延伸部)，該跳線相對于線路熱臂k2和線圈l1放置，以便線路熱引線和中性引線通過線圈的布線致使通過二者的電流沿相同方向，從而引起觀察到的電流信號和由被線圈l1感測的電流產(chǎn)生的電磁場的增強(qiáng)，并因此引起改進(jìn)的信號-噪音比率，改進(jìn)的信號-噪音比率提供了增強(qiáng)的執(zhí)行電弧檢測的能力。還注意到，電容耦合噪音始終存在，使得羅氏線圈l1的模擬信號輸出是電容耦合噪音和與感測到的經(jīng)由線路熱引線和中性引線通過線圈的線路電流成比例的信號的復(fù)合信號。這樣，表示電容耦合噪音的平均周期在繼電器觸頭k1和k2打開時在沒有電流的情況下被確定，然后通過保護(hù)斷路器10中的監(jiān)控電路u3從復(fù)合信號減去該平均周期。通過該方法，監(jiān)控電路u3既能夠處理感測到的線路電流的真實表示，又能夠被動地監(jiān)測包括羅氏線圈l1和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的模擬處理電路的完整性。

由于待檢測的電弧狀況是復(fù)雜的，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種持續(xù)并準(zhǔn)確地仿真電弧故障的測試電路，該測試電路在軟件中實施。參照圖5，保護(hù)斷路器10中的監(jiān)控電路u3包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)和數(shù)字信號處理器(dsp)或等同的微處理器。acd和dsp可以設(shè)置成結(jié)合在集成電路u3中，或者實施為單獨的電路。監(jiān)控電路u3中的adc接收表示來自電流感測設(shè)備(例如，線圈l1)和下文描述的相關(guān)聯(lián)的模擬處理電路的ac線路電流的遙測信號，并且將該遙測信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)樣本流以便被監(jiān)控電路u3中的dsp處理。

在正常操作狀況下，監(jiān)控電路u3中的dsp分析數(shù)字ac線路電流數(shù)據(jù)，以便識別電弧的存在。在操作者啟動的自測試期間，dsp用在已知存在電弧(例如，在監(jiān)控電路芯片u3的存儲器中或外圍存儲設(shè)備中存儲的電弧數(shù)據(jù))時獲取的預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)代替經(jīng)由adc接收的數(shù)據(jù)流。如果監(jiān)控電路u3的其余部分適當(dāng)?shù)夭僮?，將檢測到電弧的存在，并且將使保護(hù)斷路器10的負(fù)載側(cè)從線路側(cè)斷開。像gfci一樣，可以經(jīng)由單獨的監(jiān)測電路提供保護(hù)設(shè)備故障的視覺指示，所述監(jiān)測電路與監(jiān)控電路u3并行操作。由于來自adc的數(shù)據(jù)在監(jiān)控電路u3中被繞開，因此還必須要單獨地監(jiān)測adc以及電流感測設(shè)備(例如，線圈l1)和相關(guān)聯(lián)的模擬電路(例如，布置在線圈和監(jiān)控電路u3之間的模擬處理電路)。如果在任一時間發(fā)現(xiàn)這些部件中的任何部件存在缺陷，立即使保護(hù)斷路器10的負(fù)載側(cè)從線路側(cè)斷開(例如，reset按鈕無效)。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例的有利方面，使用被動方法來監(jiān)測電流感測設(shè)備和相關(guān)聯(lián)的電路、包括參照圖7描述的adc的完整性。監(jiān)控電路u3可以被編程或以其他方式構(gòu)造成連同其他電路完整性測試操作和故障監(jiān)測操作一起實施被動方法，出于簡明目的，在此省略其他電路完整性測試操作和故障監(jiān)測操作的細(xì)節(jié)。

將參照圖5描述芯組件20的印刷電路板30上的電子部件。電源(例如，120vac電源)可以連接至線路側(cè)端子e1和e2，以在繼電器線圈l2操作成閉合線路側(cè)中性引線和熱引線k1和k2與對應(yīng)的負(fù)載側(cè)端子e3和e4之間的接觸部時對負(fù)載提供電力。如上所述，線路熱臂k2和線圈l1形成電容耦合，當(dāng)繼電器觸頭打開時使用模擬縮放電路50和諸如監(jiān)控電路u3的處理器評估所述電容耦合。線路熱路徑包括熔斷器f1、電源52和檢測電路54，該檢測電路用于感測線路熱引線電壓和過零點并且將120v的正弦曲線例如縮放成0-3v的方波。檢測電路具有至監(jiān)控電路u3的中斷輸入和非中斷輸入。這些輸入中的一個設(shè)置成使得監(jiān)控電路u3中的dsp或嵌入式微處理器可以：1)確定是否存在過零點，和2)確定過零點是否合理，即，過零點是否發(fā)生在基于輸入信號的檢測樣本預(yù)期發(fā)生的周期采樣部分中。這是有益的，例如，當(dāng)負(fù)載是調(diào)光器時。負(fù)載(例如，調(diào)光器)中的晶閘管在激活時可以產(chǎn)生被誤認(rèn)為是過零點的假信號。監(jiān)控電路u3中的dsp或嵌入式微控制器可以被編程或以其他方式構(gòu)造成用于確定感測到的過零點是否是與線性信號相關(guān)聯(lián)的正當(dāng)?shù)倪^零點。

繼續(xù)參照圖5，芯組件20的印刷電路板30包括繼電器控制電路56。當(dāng)監(jiān)控電路u3檢測到電弧時，其生成脈沖輸出到繼電器控制電路中的scr門，以操作l2并且可控地打開繼電器觸頭k1和k2。如上所述，感測線圈l1是羅氏線圈，其帶有處理電路，用于模擬輸入至監(jiān)控電路u3中的兩個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)輸入。模擬處理電路具有低電流(lc)和高電流(hc)模擬調(diào)節(jié)部件，這是因為lc和hc感測都由保護(hù)斷路器10執(zhí)行。ul安全標(biāo)準(zhǔn)要求的測試中，導(dǎo)體被縮短。需要hc感測，這是因為例如用于熔斷器面板的電源是500amps。然而，需要lc感測，用于負(fù)載的正常操作范圍(例如，15-30amps)，以及用于ul測試的500amps的并行處理和縮放。因此，保護(hù)斷路器10中的監(jiān)控電路u3的adc構(gòu)造成適應(yīng)較寬的動態(tài)范圍。

參照圖7的框100，在沒有負(fù)載的情況下，沒有電流被吸收經(jīng)過電流感測設(shè)備(例如，線圈l1)，并且理想地，監(jiān)控電路u3中的adc的輸出將表示連續(xù)的0-amp水平。然而，如上所述，未屏蔽的電流感測設(shè)備l1和附近的導(dǎo)體(例如，k2)之間的電容耦合可能導(dǎo)致在adc輸出處出現(xiàn)非零振幅的正弦“噪音”信號，即使沒有電流被吸收經(jīng)過感測設(shè)備l1?？梢岳脠D4a和圖4b所示的羅氏線圈電流傳感器(l1)、感測到的線路側(cè)熱引線刷(k2)和線路側(cè)中性引線延伸部或電刷(k1)的物理布置觀察到這種效果。羅氏線圈是有利的，這是因為帶有鐵或鐵氧體芯的感測線圈會是低阻抗設(shè)備，其不那么易受電容耦合影響。

參照圖7的框102，由監(jiān)控線圈u3確定平均噪音參考周期和周期的均方根(rms)閾值。在沒有電流被吸收經(jīng)過熱引線電刷(k2)的情況下，圖6所示的電容耦合的正弦噪音信號可以在adc的輸出處觀察到。圖6中舉例說明的噪音信號的相位和振幅可能因部件公差的緣故而隨著單元的不同而變化，并且因環(huán)境不同(例如，安裝在金屬導(dǎo)管箱中與安裝在塑料導(dǎo)管箱中相比)的緣故而隨著應(yīng)用的不同而變化。出于闡釋性目的，圖6僅示出了60hz的單一典型周期，并且在該特定情況下觀察到的噪音信號的縮放振幅是780marms。圖6的波形是單個周期的預(yù)期波形，并且作為噪音參考周期被存儲在存儲器中以為監(jiān)控電路u3提供表示預(yù)期噪音的參考波形。一旦確定，監(jiān)控電路u3就被編程或以其他方式構(gòu)造成利用噪音參考周期的rms值設(shè)定閾值(例如，1arms+/-25％)，該閾值用于在負(fù)載側(cè)和線路側(cè)斷開時監(jiān)測電路感測設(shè)備和相關(guān)聯(lián)的電路的完整性。注意到，當(dāng)負(fù)載側(cè)和線路側(cè)連接時，即使在不存在負(fù)載電流時，由于電容耦合噪音的存在，觀察到的rms電流振幅也應(yīng)始終顯示為大于750marms。

參照圖7的框104，通過確定在線路側(cè)和負(fù)載側(cè)斷開(即，滿足第一標(biāo)準(zhǔn))時是否出現(xiàn)正弦噪音信號的延長缺失，監(jiān)控電路u3被動地監(jiān)測電流感測設(shè)備l1、相關(guān)聯(lián)的模擬電路(例如，圖5的模擬縮放電路)和u3中的adc的完整性。例如，當(dāng)在采集25個周期的有效數(shù)據(jù)之后所計算的均值與預(yù)期波形相關(guān)聯(lián)并且未能滿足0.976的最小閾值要求時，可以暗示或指示存在延長缺失。對于這種確定，例如，監(jiān)控電路u3被編程或以其他方式構(gòu)造成在線路側(cè)和負(fù)載側(cè)斷開時使觀察到的噪音信號和預(yù)期波形(即，存儲在存儲器中的圖6舉例說明的噪音參考周期)相關(guān)聯(lián)。監(jiān)控電路u3通過確定電流的平均周期而獲得觀察到的噪音信號，所述平均周期表示當(dāng)繼電器觸頭打開時在其lca/d轉(zhuǎn)換器輸入處存在的電容耦合噪音。使用的默認(rèn)過零點偏置值為58，并且采集25個周期的有效數(shù)據(jù)，通過該數(shù)據(jù)計算出表示噪音的平均周期并且儲存該平均周期用于lca/d輸入，以便與表示預(yù)期噪音(例如，圖6)的參考波形相關(guān)聯(lián)。如果關(guān)聯(lián)結(jié)果符合或超過0.976的閾值，則羅氏線圈l1和相關(guān)聯(lián)的模擬電路被認(rèn)為正在適當(dāng)?shù)毓ぷ?，reset按鈕是有效的；否則，reset按鈕是無效的，使得后續(xù)按壓reset按鈕不會導(dǎo)致鎖住繼電器觸頭，正如框106所示。給予低電流感測a/d輸入的信號的大小是給予高電流感測輸入的信號的大小的約16.943倍。這使得電容耦合噪音信號的關(guān)聯(lián)性測試不可靠，這是因為高電流輸入的全量程約為500arms，并且噪音信號預(yù)期約為1arms+/-25％。通過比較針對采樣信號而計算的rms值和針對在低電流a/d輸入上采樣的同一信號而計算的rms值來驗證高電流a/d輸入。如果由高電流a/d輸入產(chǎn)生的rms值不在由低電流a/d輸入產(chǎn)生的rms值的+/-10％內(nèi)，則高電流模擬電路被確定為存在故障，并且監(jiān)控電路u3將使負(fù)載側(cè)與線路側(cè)斷開。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例的有益方面并且參照圖7的框108和110，電流感測設(shè)備(例如，線圈l1)、相關(guān)聯(lián)的模擬電路(例如，布置在線圈和監(jiān)控電路u3之間的模擬縮放電路)、和監(jiān)控電路u3中的adc的完整性通過以下被動地驗證：(1)監(jiān)測正弦信號(例如，上述的觀察到的噪音信號)的延長缺失，和(2)監(jiān)測觀察到的信號的rms值以便確定其是否落在由特定于單元(例如，由于保護(hù)斷路器10的部件及其在這類壁箱中的特定部署的變化)的觀察到的噪音信號設(shè)定的范圍之外。如上所述，通過監(jiān)控電路u3能最可靠地核查第一種情況(1)，所述監(jiān)控電路測量在保護(hù)設(shè)備的負(fù)載側(cè)和線路側(cè)斷開時觀察到的噪音信號與單個周期的預(yù)期波形(例如，圖6所示的波形)之間的關(guān)聯(lián)度。當(dāng)負(fù)載側(cè)和線路側(cè)連接時，核查第二種情況(2)(例如，在操作者啟動的重置功能期間)。參照圖7的框110和112，監(jiān)控電路u3被編程成或以其他方式構(gòu)造成觀察線路信號并減去噪音參考周期。

保護(hù)斷路器10是有利的，這是因為其考慮了觀察到的背景噪音的存在以確保保護(hù)設(shè)備的適當(dāng)操作。更特別地，噪音信號的存在可以干涉由監(jiān)控電路u3進(jìn)行的電弧檢測，尤其是當(dāng)由負(fù)載吸收的電流接近或小于電容耦合噪音信號的rms值時。為此，通過在核查觀察到的數(shù)據(jù)中存在電弧之前在各個周期基礎(chǔ)上分析觀察到的電流并且減去噪音參考周期來補(bǔ)償噪音的影響，其中所述噪音參考周期表示特定于單元及其應(yīng)用的預(yù)期電容耦合噪音。

參照圖7的框114，如果符合第二種情況(例如，觀察到的信號的rms值明顯下降為低于特定于單元和應(yīng)用并且儲存為rms閾值的觀察到的噪音信號的rms值)，則如框116所示，保護(hù)斷路器10的負(fù)載側(cè)立刻與線路側(cè)斷開，并且如框100所示核查第一種情況。只要在負(fù)載側(cè)和線路側(cè)斷開時符合第一種情況，負(fù)載側(cè)便不會重新連接至線路側(cè)。當(dāng)負(fù)載側(cè)和線路側(cè)斷開時，如果發(fā)現(xiàn)觀察到的噪音信號與預(yù)期波形充分地相關(guān)聯(lián)，新的rms閾值范圍被確定(例如，重新計算噪音參考波形)用于評估第二種情況，然后允許在后續(xù)操作者啟動的重置功能期間將負(fù)載側(cè)重新連接至線路側(cè)。新確定的rms閾值范圍不可能明顯改變。確實，預(yù)期1arms+/-25％的固定范圍足夠用于故障評估的目的。如果不符合第二種情況，那么對觀察到的信號進(jìn)行電弧評估。例如，監(jiān)控電路u3中的dsp可以分析數(shù)字線路電流數(shù)據(jù)，以通過比較該數(shù)據(jù)與存儲的預(yù)記錄數(shù)據(jù)而識別電弧的存在，或者通過利用表示與電弧相關(guān)的電流波形中的預(yù)期失真的參數(shù)進(jìn)行處理而識別電弧的存在。所分析的數(shù)據(jù)可以是取代數(shù)據(jù)，其表示在自測試期間使用的電弧。繼續(xù)參照圖7的框114，如果不符合第二種情況，那么從電流信號中減去包括參考噪音周期的參考噪音數(shù)據(jù)(框112)，對減去之后保留的信號進(jìn)行電弧核查(框118)。

如本文描述的，保護(hù)斷路器10是有利的，因為其考慮了在各個單元基礎(chǔ)上影響觀察到的背景噪音的部件公差變化，考慮了在各個應(yīng)用安裝基礎(chǔ)上影響觀察到的背景噪音的環(huán)境變化(例如，當(dāng)符合第二種情況時在斷開線路側(cè)和負(fù)載側(cè)之后，重新計算噪音參考波形)，以及還考慮了觀察到的背景噪音的存在用以確保保護(hù)設(shè)備的適當(dāng)操作。此外，保護(hù)斷路器10所采用的電容耦合噪音信號是有利的，這是因為在保護(hù)斷路器10的負(fù)載側(cè)與線路側(cè)斷開時(例如，在保護(hù)斷路器10安裝期間、在成功執(zhí)行操作者啟動的自測試之后、以及在線路電流中檢測到故障情況之后的跳閘情況期間)，該信號基本在任何時候都是存在的并且可觀察。此外，在負(fù)載側(cè)和線路側(cè)連接的正常操作情況下，該信號基本在任何時候都是存在的并且可觀察，在這期間，負(fù)載沒有吸收電流。更特別地，在所有操作情況下，應(yīng)該決不存在缺少正弦信號的延長時間或者觀察到的信號(來自線圈l1的遙測信號)的rms值下降為顯著低于特定于單元及其應(yīng)用的觀察到的噪音信號的rms值(固定下限為750marms)的延長時間，觀察到的信號也不應(yīng)該變得過大(在繼電器觸頭打開時的固定上限為1.25arms)。

本文描述的裝置和方法是本發(fā)明的闡釋性實施例，其：(a)允許以節(jié)約成本的方式符合標(biāo)準(zhǔn)主體測試功能要求，例如ul1699；(b)不要求為了部件完整性評估而使保護(hù)設(shè)備停止工作；(c)連續(xù)監(jiān)測電流感測設(shè)備及相關(guān)聯(lián)的電路，并且如果監(jiān)測到這些部件中的任何部件的故障，則立刻使負(fù)載側(cè)與線路側(cè)斷開；(d)使用電容耦合到電流感測設(shè)備中的背景噪音作為測試信號；和(e)使用羅氏線圈作為電流感測設(shè)備，以便相較于鐵或鐵氧體芯電流互感器型感測線圈而言提供對測試信號的電容耦合的增強(qiáng)的敏感性。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例的另一方面，提供一種用于保護(hù)斷路器10的制造測試程序，其進(jìn)一步舉例說明考慮隨單元不同而產(chǎn)生的部件公差變化，并且采用電容耦合噪音信號用于在各個單元基礎(chǔ)上被動地評估諸如電流感測設(shè)備(例如，線圈l1)的模擬前端電路以及諸如圖5的模擬縮放電路和監(jiān)控電路u3中adc的lc和hc感測a/d輸入的模擬設(shè)備。簡要地，在組裝保護(hù)斷路器10(例如，afci單元)之后，內(nèi)部繼電器觸頭(例如，k1和k2)將處于打開狀態(tài)，使得負(fù)載側(cè)與線路側(cè)斷開(例如，reset按鈕處于出來的或延伸的位置)。在該情況下，可以通過首先將已知負(fù)載(例如，10amprms電阻負(fù)載)連接至完成的單元10的負(fù)載側(cè)，然后將線路側(cè)熱連接部、中性連接部和(如果可用)地連接部接線到商用a/c電源，而進(jìn)行完成的單元10的制造測試。在單元10的第一次通電時，固件(例如，與監(jiān)控電路u3分離的或設(shè)置在監(jiān)控電路u3中的)進(jìn)行任何適用的接線測試。一旦通過測試，固件就在lc和hc感測a/d轉(zhuǎn)換器的前端處進(jìn)行羅氏線圈l1和相關(guān)聯(lián)的模擬電路的評估。接著，在對模擬前端電路的評估有成功結(jié)論之后，可以啟動針對感測到的線路電流的振幅和相位兩者對單元10進(jìn)行校準(zhǔn)。對模擬前端電路的評估包括測量從線路側(cè)熱引線或熱臂k2電容耦合到羅氏線圈l1中的噪音。在繼電器觸頭打開時針對lc和hc感測a/d轉(zhuǎn)換器兩者確定表示60hz噪音的平均波形。隨后，從在相應(yīng)a/d輸入處采集的數(shù)據(jù)減去噪音參考波形。在該噪音補(bǔ)償處理之后，數(shù)據(jù)表示由羅氏線圈感測到的實際線路電流，可以對已知負(fù)載進(jìn)行所測量的線路電流振幅和相位的校準(zhǔn)。

例如，在第一次對單元施加商用a/c電源之后開始模擬前端電路的評估。固件確定電流的平均周期，所述平均周期表示在繼電器觸頭打開時在lc和hc感測a/d轉(zhuǎn)換器兩者處存在的電容耦合噪音。使用的默認(rèn)過零點偏置值為58，并且采集25個周期的有效數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)計算表示噪音的平均周期并且針對每個a/d輸入存儲該平均周期。然后，使針對lc感測a/d輸入計算的平均噪音周期與表示預(yù)期噪音的參考波形相關(guān)聯(lián)。如果關(guān)聯(lián)結(jié)果符合或超過0.976的閾值，則羅氏線圈l1和相關(guān)聯(lián)的模擬電路被認(rèn)為是適當(dāng)?shù)毓ぷ?，并且reset按鈕是有效的；否則，后續(xù)按壓reset按鈕將不會導(dǎo)致繼電器觸頭的鎖住。

在按壓reset按鈕之后開始振幅校準(zhǔn)處理。如果對羅氏線圈l1和相關(guān)聯(lián)的模擬電路的評估是成功的，則螺線管l2啟動并將繼電器觸頭k1和k2鎖定在閉合狀態(tài)，使得單元10的負(fù)載側(cè)連接至線路側(cè)，并且在負(fù)載側(cè)螺絲端子和面板出口兩者處觀察到商用a/c電源。在繼續(xù)使用58的默認(rèn)過零點偏置值時和在連接已知的10amprms電阻負(fù)載的情況下，固件隨后從lc感測a/d輸入觀察25個周期的有效數(shù)據(jù)，并且在補(bǔ)償電容耦合噪音之后，計算表示負(fù)載電流的平均周期。然后確定該平均負(fù)載電流周期的rms值，并且將該rms值與已知10amprms負(fù)載的預(yù)期rms值相比較。如果測量值在預(yù)期值的+/-10％內(nèi)，則測量值被存儲作為振幅標(biāo)定因子以用于低電流感測a/d輸入。否則，螺線管啟動以便使負(fù)載側(cè)與線路側(cè)斷開，這是因為模擬電路中存在問題，或者已知負(fù)載不在10amprms+/-10％的范圍內(nèi)。如果發(fā)生這種情況，可以再次按壓reset按鈕以便重復(fù)振幅校準(zhǔn)，直到成功地確定振幅校準(zhǔn)因子。同時，以與lc感測振幅校準(zhǔn)相同的方式進(jìn)行hc感測a/d輸入的振幅校準(zhǔn)。

在成功確定振幅校準(zhǔn)因子之后，進(jìn)行線路電流測量結(jié)果的相位校準(zhǔn)。通過操縱過零點偏置參數(shù)實現(xiàn)對線路電流測量結(jié)果的相位相對于檢測到的線路電壓中的下降沿過零點的控制。過零點偏置值表示a/d采樣間隔的數(shù)目，所述采樣間隔用于延遲對出現(xiàn)由線路電壓過零點檢測電路產(chǎn)生的中斷之后的60hz電流周期的開始的識別。線路電壓過零點檢測電路中斷與線路電壓中的實際過零點之間的名義延遲預(yù)期為約1.21ms，其對應(yīng)于48k樣本/秒速率下的58a/d采樣間隔的默認(rèn)過零點偏置值。

在相位校準(zhǔn)處理期間，過零點偏置值在步驟中的變化范圍為46到76。在每個偏置值處，從lc感測a/d輸入采集25個周期的有效數(shù)據(jù)，并且在補(bǔ)償電容耦合噪音之后，計算表示由已知電阻負(fù)載產(chǎn)生的線路電流的平均周期。隨后，使該平均周期與參考波形相關(guān)聯(lián)，所述參考波形表示由電阻負(fù)載產(chǎn)生的預(yù)期線路電流。關(guān)聯(lián)性結(jié)果最大的過零點偏置值被存儲為相位校準(zhǔn)過零點偏置。

在相位校準(zhǔn)處理期間，使用平均周期進(jìn)行數(shù)據(jù)的噪音補(bǔ)償，所述平均周期表示利用設(shè)定為58的名義值的過零點偏置獲得的噪音。這樣做是為了避免讓操作員對于評估范圍內(nèi)的每個過零點偏置值都手動地循環(huán)test和reset按鈕，這會顯著增加進(jìn)行制造測試和校準(zhǔn)程序所需的時間。仿真表明，使用固定的噪音補(bǔ)償周期而非針對每個偏置值計算新的噪音補(bǔ)償周期的影響是可以忽略不計的。關(guān)聯(lián)性結(jié)果中的最大誤差預(yù)期小于0.001，發(fā)生在46到76的過零點偏置范圍的第一點和最后一點處。利用反相放大器增益級，給予lc感測a/d輸入的信號從給予hc感測a/d輸入的信號導(dǎo)出。給予lc感測a/d輸入的信號的大小是給予hc感測a/d輸入的信號的大小的約16.943倍。hc感測a/d輸入的振幅校準(zhǔn)因子預(yù)期在lc感測a/d輸入的振幅校準(zhǔn)因子除以16.943的10％內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例的有利方面，由于控制繼電器線圈l2的方式，處理在線路電壓中的下降沿過零點上采樣的電流數(shù)據(jù)允許使跳閘時間響應(yīng)達(dá)到優(yōu)化。由于ul1699表40.1規(guī)定的跳閘時間限制、尤其是在較高測試電流處的跳閘時間限制的緣故，這是重要的。參照圖5，由于存在如圖所示的二極管cr9，螺線管l2僅能夠在線路電壓的正半周期(線路熱相對于線路中性)期間由繼電器控制電路56給通電。使螺線管l2能夠通電的控制信號通過監(jiān)控電路u3確立12ms；這確保在控制信號被確立的周期期間，無論何時，控制信號都保持確立足夠長時間以便繼電器控制電路56在線路電壓的正半周期期間給螺線管l2通電。表示監(jiān)測電流的全周期的采樣數(shù)據(jù)的處理在線路電壓的下一個后續(xù)周期開始時啟動，并且在一個半周期內(nèi)完成(例如，8.33ms)。一旦處理了最近一周期的數(shù)據(jù)，就可以作出有關(guān)是否應(yīng)該給螺線管l2通電的決定，因為已經(jīng)檢測了電弧故障。如果隨后在線路電壓的上升沿過零點上開始數(shù)據(jù)處理，則其將在負(fù)半周期期間完成，從而在螺線管l2可以被通電以打開繼電器觸頭k1和k2之前導(dǎo)致高達(dá)一個半周期(8.33ms)的延遲。另一方面，如果在下降沿過零點上開始數(shù)據(jù)處理，則其將在線路電壓的正半周期期間完成，從而允許螺線管l2在通過監(jiān)控電路u3確立控制信號后立即通電。因此，從下降沿過零點而非上升沿過零點處理數(shù)據(jù)有利地優(yōu)化了電弧故障檢測的跳閘時間響應(yīng)。

參照可編程設(shè)備(例如，保護(hù)斷路器中的計算機(jī)化監(jiān)控電路)處的操作，已經(jīng)描述了本發(fā)明的闡釋性實施例。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明的闡釋性實施例還可以實施為計算機(jī)可讀記錄介質(zhì)上的計算機(jī)可讀代碼。計算機(jī)可讀記錄介質(zhì)是能夠存儲數(shù)據(jù)的任何數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，所述數(shù)據(jù)可以隨后由計算機(jī)系統(tǒng)讀取。計算機(jī)可讀記錄介質(zhì)的示例包括但不限于：只讀存儲器(rom)、隨機(jī)存取存儲器(ram)、cd-rom、dvd、磁帶、軟盤、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲設(shè)備?？梢灶A(yù)期本發(fā)明的各個方面可以實施為載波(例如，數(shù)據(jù)經(jīng)由有線或無線傳輸路徑傳輸通過網(wǎng)絡(luò))。計算機(jī)可讀記錄介質(zhì)還可以分布在網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接的計算機(jī)系統(tǒng)中，使得計算機(jī)可讀代碼以分布方式存儲并執(zhí)行。

根據(jù)本發(fā)明的闡釋性實施例采用的闡釋性裝置的部件和方法可以至少部分地實施在數(shù)字電子電路、模擬電子電路中，或者實施在計算機(jī)硬件、固件、軟件中，或者實施在其結(jié)合中。這些部件可以例如實施為計算機(jī)程序產(chǎn)品(例如計算機(jī)程序、程序代碼或計算機(jī)指令)，其切實地實施在信息載體中、或者實施在機(jī)器可讀存儲設(shè)備中，以便被數(shù)據(jù)處理裝置(例如可編程處理器或計算機(jī))執(zhí)行、或者控制數(shù)據(jù)處理裝置的操作。計算機(jī)程序可以以任意形式的編程語言寫入，所述編程語言包括編譯語言或解釋語言，并且計算機(jī)程序可以以任意形式部署，包括部署為獨立程序或者部署為模塊、部件、子程序、或適于在計算環(huán)境中使用的其他單元。計算機(jī)程序可以部署成在一個計算機(jī)或多個計算機(jī)上執(zhí)行，所述計算機(jī)位于一個地點或者分布在多個地點并且通過通信網(wǎng)絡(luò)互連。此外，用于完成本發(fā)明的功能性程序、代碼和代碼片段可以被本發(fā)明所屬的本領(lǐng)域程序員容易地認(rèn)為包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。與本發(fā)明的闡釋性實施例相關(guān)聯(lián)的方法步驟可以由一個或多個可編程處理器執(zhí)行，所述處理器執(zhí)行計算機(jī)程序、代碼或指令以執(zhí)行功能(例如，通過對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和/或生成輸出)。方法步驟還可以由特定用途邏輯電路執(zhí)行，并且本發(fā)明的裝置可以實施為特定用途邏輯電路，所述特定用途邏輯電路例如是fpga(現(xiàn)場可編程門陣列)或asic(專用集成電路)。

適于執(zhí)行計算機(jī)程序的處理器例如包括通用或特定用途微處理器和任何種類的數(shù)字計算機(jī)的任意一個或多個處理器。通常，處理器將從只讀存儲器或隨機(jī)存取存儲器或二者接收指令和數(shù)據(jù)。計算機(jī)的主要元件是用于執(zhí)行指令的處理器和用于儲存指令和數(shù)據(jù)的一個或多個存儲設(shè)備。通常，計算機(jī)還將包括用于儲存數(shù)據(jù)的一個或多個大容量存儲設(shè)備，或者操作性地聯(lián)接以從用于儲存數(shù)據(jù)的一個或多個大容量存儲設(shè)備接收數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)傳遞至大容量存儲設(shè)備，或二者都有，所述大容量存儲設(shè)備例如是磁盤、磁光盤或光盤。適于實施計算機(jī)編程指令和數(shù)據(jù)的信息載體包括所有形式的非易失性存儲器，包括例如：半導(dǎo)體存儲設(shè)備，例如eprom、eeprom和閃存存儲設(shè)備；磁盤，例如內(nèi)部硬盤或可移動磁盤；磁光盤；和cd-rom盤和dvd-rom盤。處理器和存儲器可以是特定用途邏輯電路的補(bǔ)充，或者包含在特定用途邏輯電路中。

上述描述和附圖旨在僅以示例的方式說明，而不旨在以任何方式限制本發(fā)明，除了下文權(quán)利要求中闡釋的那樣。尤其注意到，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地結(jié)合以許多其他方式描述的各個闡釋性實施例的各個元件的各個技術(shù)方面，所有這些都被認(rèn)為包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。