СПОСОБ ЗАЩИТЫ УСТРОЙСТВА РОЗЕТКИ ОТ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДУГОВОГО ЗАМЫКАНИЯ ВЫШЕ ПО ПОТОКУ
METHOD FOR PROTECTING SOCKET DEVICE FROM PARALLEL ARC FAULT UPSTREAM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к обнаружению коротких замыканий в электрической системе и, в частности, к защите от входного дугового замыкания (дугового замыкания выше по потоку) с помощью переключающего элемента в розетке.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Традиционные прерыватели цепи (автоматические выключатели) обнаруживают состояния перегрузки по току из электрических розеток ниже по потоку от прерывателя цепи. Такие прерыватели срабатывают после обнаружения режима перегрузки по току, возникающего из-за нагрузок, подключаемых к одной из розеток ниже по потоку. Имеются и другие опасные факторы, включая замыкания на землю от линейного провода или нейтрального провода. Замыкания на землю требуют устройств прерывания цепи замыкания на землю для обнаружения и прерывания подачи питания в розетки. Еще одним видом замыканий является дуговое замыкание, которое может возникать в нейтральных и/или проводящих линиях между розетками и прерывателем цепи. Защита от замыканий все больше необходима в бытовых установках в виде устройств прерывания цепи дугового замыкания (AFCI). Такие устройства обнаруживают дуги в нейтральных и/или линейных проводах и отключают мощность до того, как такие дуги могут вызвать пожар в электрической цепи. Защита с помощью AFCI может размещаться в розетках. Такие розетки контролируют и защищают от замыканий с использованием набора контактов на выходе модуля обнаружения, такого как сама розетка. Замыкания обычно обнаруживаются датчиком обнаружения в розетке или розетках ниже по потоку от традиционного термомагнитного прерывателя цепи, который размыкает контакт в розетке с AFCI и тем самым предотвращает протекание тока через розетку и розетки ниже по потоку от защищенной с помощью AFCI розетки.
[0003] При использовании рассматриваемых устройств для обнаружения замыканий прерывание с помощью розетки с AFCI может запускаться лишь в результате параллельных дуговых замыканий, обнаруживаемых ниже по потоку от розетки, либо последовательных дуговых замыканий. Таким образом, розетка и соответствующий детектор не могут прерывать параллельное дуговое замыкание выше по потоку (возникающее между розеткой и прерывателем цепи), поскольку устройство прерывания контактов в известной розетке с AFCI не может обнаруживать такие замыкания, и даже если запущен механизм прерывания контактов, через замыкание будет продолжать протекать ток. В традиционной электрической системе традиционные прерыватели цепи не могут достаточно быстро реагировать на такие дуговые замыкания между прерывателем цепи и розеткой. Это представляет потенциальную опасность, поскольку может допускаться продолжение дугового замыкания в течение некоторого времени перед тем, как прерыватель цепи прервет подачу мощности в розетку.
[0004] Таким образом, существует необходимость в системе обнаружения и прерывания дуговых замыканий, которая обнаруживает параллельные дуговые замыкания в точках выше по потоку от розетки. Имеется также необходимость в системе прерывания, которая прерывает подачу мощности путем размыкания прерывателя цепи выше по потоку от розетки. Имеется также необходимость в системе обнаружения дуговых замыканий, которая использует существующие компоненты в розетке с AFCI для обнаружения дуговых замыканий выше по потоку от розетки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Один описанный пример представляет собой розетку с прерыванием цепи дугового замыкания (AFCI), которая обнаруживает и прерывает параллельные дуговые замыкания выше по потоку вместе с традиционным термомагнитным прерывателем цепи. Данный пример розетки с AFCI содержит переключающий элемент, соединенный между линейным и нейтральным проводами, датчик напряжения, соединенный между линейным и нейтральным проводами, и датчик тока на линейном проводе. Когда обнаруживается параллельное дуговое замыкание выше по потоку путем регистрации значительного падения напряжения, но отсутствия тока, переключающий элемент замыкается, и ток протекает через имеющий относительно более низкое сопротивление переключающий элемент, прерывающий подачу мощности через дуговое замыкание. Замкнутый переключающий элемент приводит к состоянию перегрузки по току, вызывающему срабатывание традиционного термомагнитного прерывателя цепи выше по потоку.
[0006] Таким образом, предлагаемая розетка с AFCI обеспечивает обнаружение параллельных дуговых замыканий выше по потоку, которые в настоящее время не могут быть защищены с помощью известных розеток с AFCI. Данный пример розетки не требует от известных розеток с AFCI дополнительных компонентов в виде датчиков, но обеспечивает прерывание в непосредственной близости от обнаруженного параллельного дугового замыкания. Прерывание параллельного замыкания выше по потоку происходит в прерывателе цепи ветви. Пример розетки с AFCI уменьшает время реакции прерывателя цепи ветви за счет повышения уровня тока до уровня защиты от перегрузки по току прерывателя цепи ветви. Пример розетки инициирует переход опасного тока дуги строго в ток замыкания при перегрузке по току, тем самым снижая риск пожара. Данная конструкция также обеспечивает возможность возврата в исходное состояние при непредусмотренном срабатывании благодаря размещению обнаружения последовательного дугового замыкания ближе к пользователю (т.е., в розетке с AFCI) и без необходимости передачи сигнала срабатывания в электронный прерыватель цепи выше по потоку. Кроме того, система переключающего элемента после обнаружения параллельного дугового замыкания выше по потоку от розетки с AFCI создает короткое замыкание, которое обеспечивает постоянное превышение результирующим током уровня срабатывания при перегрузке по току прерывателя цепи ветви и, следовательно, снимает практическое ограничение по длине провода, соединяющего розетку с AFCI с прерывателем цепи («кабельная трасса горизонтальной проводки»), для эффективного прерывания параллельного замыкания.
[0007] Дополнительные аспекты будут понятны специалистам с учетом подробного описания различных вариантов осуществления, которое выполнено со ссылкой на чертежи, краткое описание которых приводится ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Вышеописанные и прочие преимущества изобретения станут понятными после прочтения нижеследующего подробного описания и со ссылкой на чертежи.
[0009] Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему системы розеток с розеткой с AFCI для обнаружения дугового замыкания выше по потоку и защиты от него с использованием традиционного прерывателя цепи;
[0010] фиг. 2 представляет собой детальную принципиальную схему элементов обнаружения и переключающих элементов в розетке с AFCI на фиг. 1, которые обнаруживают и прерывают дуговые замыкания выше по потоку; и
[0011] фиг. 3 представляют собой блок-схему алгоритма управления, реализуемого контроллером в розетке на фиг. 2 для обнаружения дуговых замыканий и защиты от них.
[0012] Несмотря на то, что в изобретении возможны различные изменения и альтернативные варианты, конкретные варианты осуществления продемонстрированы в качестве примера на чертежах и подробно описываются в настоящем документе. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается конкретными описанными вариантами. Напротив, изобретение охватывает все изменения, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в пределах сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0013] Один описанный пример представляет собой розетку для выполнения защиты от дугового замыкания и его обнаружения. Розетка расположена ниже по потоку от прерывателя цепи. Розетка содержит переключающий элемент, соединенный между линейным проводом и нейтральным проводом и имеющий разомкнутое положение и замкнутое положение, соединяющее линейный провод с нейтральным проводом. Розетка содержит датчик напряжения, соединенный между линейным проводом и нейтральным проводом, и датчик тока, соединенный с линейным проводом. Контроллер соединен с переключающим элементом, датчиком тока и датчиком напряжения. Контроллер обнаруживает значительное падение напряжения на линейном проводе и отсутствие соответствующего значительного увеличения тока на линейном проводе, свидетельствующие о параллельном дуговом замыкании между розеткой и прерывателем цепи. В ответ на обнаружение контроллер замыкает переключающий элемент.
[0014] Еще один пример представляет собой способ определения дугового замыкания выше по потоку от розетки, соединенной с прерывателем цепи с помощью линейного провода и нейтрального провода. Большое падение напряжения обнаруживается между линейным проводом и нейтральным проводом с помощью датчика напряжения, соединенного между линейным проводом и нейтральным проводом в розетке. При обнаружении большого падения напряжения не обнаруживается значительного соответствующего увеличения тока с помощью детектора тока на линейном проводе в розетке. Переключающий элемент, соединенный между линейным проводом и нейтральным проводом, замкнут для создания пути тока с низким сопротивлением между линейным проводом и нейтральным проводом при обнаружении большого напряжения и отсутствии значительного увеличения тока.
[0015] Еще один пример представляет собой систему для прерывания подачи энергии при обнаружении параллельного дугового замыкания. Система содержит линейный провод и нейтральный провод. Прерыватель цепи соединен с линейным проводом и нейтральным проводом. При обнаружении перегрузки по току прерыватель цепи прерывает поток энергии. Розетка с защитой от дуговых замыканий соединена с прерывателем цепи с помощью нейтрального и линейного проводов. Розетка содержит переключающий элемент, соединенный между нейтральным и линейным проводами, а также соединитель розетки для подключения к нагрузке. Розетка содержит контроллер, соединенный с переключающим элементом, для управления переключающим элементом. Датчик напряжения соединен между нейтральным и линейным проводами, а датчик тока соединен с линейным проводом. Контроллер замыкает переключающий элемент для электрического соединения нейтрального и линейного проводов при обнаружении большого падения напряжения без соответствующего значительного увеличения тока, тем самым указывая на возникновение дугового замыкания между розеткой и прерывателем цепи.
[0016] На фиг. 1 изображена система 100 электропитания, которая может использоваться в жилом доме или ином здании. Система 100 содержит источник 102 переменного тока, который соединен с линейным проводом 104, нейтральным проводом 106 и заземляющим проводом 108. Источник 102 переменного тока соединен с прерывателем 110 цепи с помощью линейного провода 104 и нейтрального провода 106. Прерыватель 110 цепи последовательно соединен с розеткой 112 с защитой от дуговых замыканий ниже по потоку от прерывателя 110 цепи и выше по потоку от традиционных розеток 114 и 116. Розетки 112, 114 и 116 обеспечивают электрическое соединение с линейным проводом 104, нейтральным проводом 106 и заземляющим проводом 108 для нагрузок, подключенных к розеткам 112, 114 и 116 с помощью традиционных трехштырьковых вилок.
[0017] Как объясняется ниже, розетка 112 с защитой от дуговых замыканий обеспечивает обнаружение дуговых замыканий и защиту от них для розеток 114 и 116, которые расположены ниже по потоку от розетки 112. Параллельное дуговое замыкание 120 может возникать выше по потоку от розетки 112 с защитой от дуговых замыканий между линейным проводом 104 и нейтральным проводом 106. Другие параллельные дуговые замыкания, такие как дуговое замыкание 130, могут возникать ниже по потоку от розетки 112 с защитой. Традиционные системы обнаружения дуговых замыканий в розетке 112 с защитой от дуговых замыканий обеспечивают обнаружение и защиту от параллельных дуговых замыканий ниже по потоку, таких как дуговое замыкание 130, но не могут защищать от дуговых замыканий выше по потоку от розетки 112 с защитой от дуговых замыканий, таких как параллельное дуговое замыкание 120, несмотря на то, что дуговое замыкание 120 может возникать вблизи розетки 112 с защитой от дуговых замыканий.
[0018] На фиг. 2 изображена детальная электрическая схема компонентов розетки 112 с защитой от дуговых замыканий, показанной на фиг. 1. Розетка 112 с защитой от дуговых замыканий в данном примере выполнена с возможностью обнаружения параллельных дуговых замыканий на ветви выше по потоку от розетки 112 и инициирования прерывания подачи мощности для предотвращения риска пожара от дугового замыкания. Лицевая панель 202 предусматривает традиционные трехштырьковые гнезда для подключения устройств, в которые может подаваться мощность от розетки 112 с защитой от дуговых замыканий. Розетка 112 с защитой от дуговых замыканий содержит линейный провод 204, соединенный с линейным проводом 104 на фиг. 1, и нейтральный провод 206, соединенный с нейтральным проводом 106 на фиг. 1. Линейный провод 204 и нейтральный провод 206 подают мощность на лицевую панель 202. В данном примере лицевая панель 202 содержит два традиционных трехштырьковых разъема 210 и 212. Нагрузка с традиционной трехштырьковой вилкой может быть подключена к трехштырьковому соединителю 210 или 212. При подключении нагрузки мощность подается через линейный провод 204 и нейтральный провод 206 для создания замкнутой цепи.
[0019] Розетка 112 содержит переключающий элемент 220, который соединен между линейным проводом 204 и нейтральным проводом 206. В данном примере переключающий элемент 220 представляет собой полупроводниковый транзистор, но могут использоваться и иные типы переключающий устройств, такие как реле, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и т.д. Переключающий элемент 220 имеет замкнутое положение, обеспечивающее электрическое соединение между линейным проводом 204 и нейтральным проводом 206. Переключающий элемент 220 имеет также разомкнутое положение, которое создает разомкнутую цепь между линейным проводом 204 и нейтральным проводом 206. При нормальной работе переключающий элемент 220 находится в разомкнутом положении, обеспечивающем протекание энергии через линейный провод 204 в разъемы 210 и 212.
[0020] Розетка 112 с защитой от дуговых замыканий содержит также контроллер 222, датчик 224 тока, датчик 226 напряжения и контактное реле 230. Ясно, что контроллер 222 вместе с датчиком 224 тока и датчиком 226 напряжения обеспечивают обнаружение выходного дугового замыкания и прерывание тока для розетки 112 с защитой от дуговых замыканий. В случае параллельного дугового замыкания, возникающего ниже по потоку от розетки 112 с защитой от дуговых замыканий, напряжение обнаруживается в датчике 226 напряжения, а изменение тока обнаруживается в датчике 224 тока. В случае последовательного дугового замыкания изменение тока обнаруживается контроллером 222. В любом случае контроллер 222 активирует контактное реле 230 и, следовательно, прерывает соединение в линейном проводе 204, тем самым предотвращая протекание тока в трехштырьковые разъемы 210 или 212, а также трехштырьковые разъемы в розетках 114 и 116 ниже по потоку от розетки 112 с защитой от дуговых замыканий. Контактное реле 230 может, как правило, возвращаться в исходное состояние путем нажатия кнопки (не показана) на лицевой панели 202. Такая традиционная система защиты от дуговых замыканий не может предотвращать параллельное дуговое замыкание выше по потоку, такое как дуговое замыкание 120 на фиг. 1, поскольку активация контактного реле 230 не предотвратит протекание тока в дуговое замыкание 120 выше по потоку от розетки 112 с защитой от дуговых замыканий.
[0021] Для защиты от параллельных дуговых замыканий выше по потоку контроллер 222 соединен с переключающим элементом 220 и выдает сигналы для размыкания или замыкания переключающего элемента 220. Датчик 224 тока соединен с линейным проводом 204 для регистрации тока, протекающего в линейном проводе 204, и выдает выходной сигнал, соответствующий обнаруженному току, в контроллер 222. Датчик 226 напряжения соединен между линейным проводом 204 и нейтральным проводом 206 для выдачи сигнала, соответствующего напряжению между линейным проводом 204 и нейтральным проводом 206. Датчик 226 напряжения выдает выходной сигнал, соответствующий обнаруженному напряжению, в контроллер 222. Контроллер 222 использует обнаруженные ток и напряжение с датчиков тока и напряжения 224 и 226 соответственно, чтобы определить, имеется ли состояние дугового замыкания выше по потоку от розетки 112 с защитой от дуговых замыканий. Такое параллельное дуговое замыкание, как дуговое замыкание 120 на фиг. 1, может возникать в проводке ветви между прерывателем 110 цепи и розеткой 112 с защитой от дуговых замыканий. При обнаружении такого параллельного дугового замыкания выше по потоку контроллер 222 замыкает переключающий элемент 220.
[0022] При нормальной работе с нагрузкой, подключенной к одному из разъемов 210 или 212, переключающий элемент 220 находится в разомкнутом положении, при этом ток между линейным проводом 204 и нейтральным проводом 206 не протекает. Таким образом, при нормальной работе ток протекает в подключенную нагрузку через линейный провод 204 и нейтральный провод 206 и через разъемы 210 и 212. Розетка 112 с защитой от дуговых замыканий может обнаруживать параллельное дуговое замыкание путем обнаружения большого перепада напряжения между линейным проводом 204 и нейтральным проводом 206 с помощью датчика 226 напряжения без значительного увеличения тока в выходном ответвлении, образованном линейным проводом 204 из датчика 224 тока. При обнаружении такого параллельного дугового замыкания выше по потоку контроллер 222 замкнет переключающий элемент 220.
[0023] При замыкании переключающего элемента 220 ток протекает из линейного провода 204 через переключающий элемент 220 в нейтральный провод 206, а не через параллельное дуговое замыкание 120 на фиг. 1, ввиду относительно низкого сопротивления замкнутого переключающего элемента 220. Как только переключающий элемент 220 замыкается, прерыватель 110 цепи выше по потоку сработает и прервет подачу энергии в розетку 112 с защитой от дуговых замыканий на основе тока короткого замыкания в линейном проводе 204, превышающего кривую термомагнитного срабатывания прерывателя 110 цепи и тем самым прерывающего подачу энергии в параллельное дуговое замыкание 120.
[0024] В данном примере контроллер 222 может представлять собой микроконтроллер, микропроцессор, процессор, специализированную интегральную схему (ASIC), программируемый логический контроллер (PLC), программируемое пользователем логическое устройство (FPLD), программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA), дискретную логику и т.д. или какое-либо иное подобное устройство. Контроллер 222 может содержать память (не показана), которая может содержать аппаратные средства, микропрограммные средства или материальные компьютерно-читаемые носители данных, которые хранят команды и данные для выполнения операций, описываемых в настоящем документе. Компьютерно-читаемые носители данных содержат любой механизм, который хранит информацию и выдает информацию в виде, читаемом машиной. Например, компьютерно-читаемые носители данных содержат постоянное запоминающее устройство (ROM), оперативное запоминающее устройство (RAM), носители данных на магнитных дисках, оптические носители данных, флэш-память и т.д.
[0025] Далее со ссылкой на фиг. 1 вместе со структурной диаграммой, изображенной на фиг. 3, описывается действие примера алгоритма принятия решения по обнаружению дугового замыкания на входе розетки, такой как розетка 112. Структурная диаграмма на фиг. 3 отражает пример компьютерно-читаемых команд для реализации описанных выше процессов для обнаружения дугового замыкания на входе розетки, такой как розетка 112 с защитой от дугового замыкания на фиг. 1. В данном примере компьютерно-читаемые команды содержат алгоритм для исполнения: (a) процессором, (b) контроллером или (c) одним или более иным применимым устройством (устройствами) обработки. Алгоритм может быть реализован в программных средствах, хранящихся на материальных носителях, таких как, например, флэш-память, CD-ROM, гибкий диск, жесткий диск, цифровой видео (универсальный) диск (DVD) или иные устройства памяти, но специалисты легко поймут, что алгоритм в целом и/или его части в другом варианте могут быть выполнены с помощью устройства, отличного от процессора, и/или реализованы в микропрограммных средствах или специализированных аппаратных средствах хорошо известным способом (например, он может быть реализован с помощью специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемого логического устройства (PLD), программируемого пользователем логического устройства (FPLD), программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA), дискретной логики и т.д.). Например, частично, либо полностью компоненты контроллера 222 на фиг. 2 могут быть реализованы с помощью программных средств, аппаратных средств и/или микропрограммных средств. Кроме того, несмотря на то, что пример алгоритма описывается со ссылкой на структурную схему на фиг. 3, специалисты легко поймут, что могут использоваться иные способы реализации примеров компьютерно-читаемых команд. Например, порядок исполнения блоков может быть изменен, и/или некоторые из описанных блоков могут быть изменены, исключены или объединены.
[0026] Алгоритм принятия решений на фиг. 3 поддерживает состояние готовности. Алгоритм проверяет, должны ли проводиться измерения (300). Если измерения не проводятся, алгоритм циклически возвращается в состояние готовности (300). Алгоритм в данном примере проверяет на наличие дуговых замыканий с периодичностью, определяемой контроллером 222, например, каждую миллисекунду. Если должно проводиться измерение, алгоритм измеряет напряжение между линейным проводом 204 и нейтральным проводом 206 с помощью датчика 226 напряжения (302). Затем на основе измеренного напряжения алгоритм определяет, возникает ли падение напряжения (306). Если падение напряжения не зарегистрировано, алгоритм возвращается в состояние готовности (300). Если определено падение напряжения (306), алгоритм измеряет ток в линейном проводе 204 по датчику 224 тока (308). На основе измеренного тока алгоритм определяет, имеется ли увеличение протекания тока (310). Если имеется увеличение тока, протекающего через линейный провод 204, на основе измеренного тока, алгоритм возвращается в состояние готовности (300). Если отсутствует увеличение тока, протекающего через линейный провод, алгоритм отправляет управляющий сигнал для замыкания переключающего элемента 220 (310). Как объяснялось выше, переключающий элемент 220 отведет ток от параллельного дугового замыкания на входе через переключающий элемент 220. Отведенный ток инициирует срабатывание прерывателя 110 цепи выше по потоку при обнаружении короткого замыкания по току, протекающему через замкнутый переключающий элемент 220, тем самым, исключая весь выходной ток.
[0027] Несмотря на то, что настоящее изобретение описано со ссылкой на один или более конкретных вариантов осуществления, специалистам будет понятно, что в нем может быть выполнено множество изменений в пределах сущности и объема настоящего изобретения. Предполагается, что каждый из этих вариантов осуществления и их очевидных модификаций находится в пределах объема заявляемого изобретения, который излагается в нижеследующей формуле изобретения.