[发明专利]用于电弧故障检测和中断的系统和结合方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年10月14日提交的美国专利申请No.13/274,291的优先权。

技术领域

本发明涉及通过检测并联和串联电弧故障，同时此外通过检测由过电流、短路、电涌和接地泄露导致的故障以及通过检测系统误引线、寿命终止以及相位损失状况，对电路进行保护。

背景技术

电路典型地包括将电功率供给分配成受通常所知的断路器保护的分支电路的分配面板，断路器针对过电流和短路故障使电路中断。接近易受水影响的区域的分支电路受通常已知的接地故障电路中断器保护，接地故障电路中断器测量由对地面的电流泄露导致的线导体和中性导体之间的电流失衡。分支电路还通过通常已知的电涌保护器被保护不受电功率供给中的电涌或者雷击影响。

电路中的电弧是故障状况，其中沿导体或跨导体或向地面发生电流的间歇流动导致释放热能，该热能时间上积聚直至电弧放电燃烧导线绝缘层以及然后燃烧周围的材料以致导致电生火灾。当两个或更多个分离的导体之间的电场达到分离介质的电离电势时，发生电弧，分离介质经常是导体之间的间隙。电弧可能产生自：腐蚀的、磨损的和松散的连接，恶化的导体绝缘层，穿过导体不正确地应用的结构肘钉(staple)，不适当的柱结构交叠，通过壁中的隐藏导体非故意地驱动的钉等，以及甚至更有问题的在分配面板断路器断开以前由来自电功率供给过载损坏的导体。

根据2010年国家消防协会(NFPA)，美国消防队在2003-2007的时间长度内对每年估计平均50,900起被报告的、涉及作为对起火有贡献的因素电气故障或失效的家庭/寓所结构火灾做出响应。这些电气火灾导致每年估计平均490个居民死亡、1,440个居民手上以及13亿美元的直接财产损失。NFPA进一步报告，电路电弧放电似乎承担大多数家庭/寓所电火灾的原因。

为了防止财产着火和挽救生命，需要保护电路不受由线路对线路、线路对中性以及线路对地面的导电性导致的电弧故障(被称为大电流并联电弧放电)影响，并且保护电路不受沿线路对线路、线路对负载、负载对负载、负载对中性以及中性对中性导体配置发生的故障(被称为小电流串联电弧放电)影响。保护电路不受这些电弧故障影响的设备通常被称为组合式电弧故障断路器(AFCI)，其在检测到并联或串联电弧故障时打开电路。尽管现有技术AFCI设计使用分离的方法和技术来进行并联和串联电弧故障检测，但是本AFCI发明使用时域算法利用微处理器执行的结合方法检测并联和串联电弧故障。

本AFCI发明可以被制造为呈断路器、插座、插座插口、电线连接插头、便携式多插口板形式的外壳设备，或者可以被集成到用于单相或多相AC或DC应用的别的电气设备或系统内。作为本AFCI发明的一部分，还可以检测其它通常已知的包括过电流、短路、电涌和接地泄露在内的电路故障。

根据2008年国家电气法规(National Electric Code)，被列出的组合式AFCI需要保护120伏特的单相AC、15/20安培的家庭/寓所电路插口不发生并联和串联电弧故障。为了商业地可供销售使用，AFCI设备必须满足UL1699AFCI标准资格要求。对小电流负载水平处的串联电弧故障检测的现有技术描述局限于以5安培的UL1699AFCI标准最小要求操作。与满足用于低至5安培的串联电弧故障检测的UL1699标准要求的现有技术AFCI设计不同，本AFCI发明是采用双向霍尔效应电流传感器(HECS)集成电路、HECS测量相移修正电路的系统，并且除其它部件以外，具有作为任何特定设计的用来检测大电流并联电弧放电和低至0.5安培或更低的小电流串联电弧放电的结合方法的微处理器可能需要使用时域算法。

在小电流负载水平下检测串联电弧故障是对现有技术AFCI设计的改进，因为家庭/寓所卧室电路可能典型地以比5安培的UL1699AFCI标准最低要求更低的安培操作，因此在小电流负载水平下的那些串联电弧故障将可能不被现有技术AFCI设计检测到，并且可能导致电气火灾。在小电流负载水平下的串联电弧故障检测的重要性对2007年颁布的“能量自主及安全法(Energy Independence and Security Act)”更加显著，该“能量自主及安全法”逐步撤出浪费能量的白炽灯泡并且用像小型荧光等(CFL)灯泡这样的30％或更多能量节省的替代物替代他们。