CN1969191A - 检测电路故障的***、设备及方法 - Google Patents

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Isla fur Electronics Co Ltd
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Abstract

一种监测设施内电路***的***，其包括一个或多个本地感应装置，每个感应装置在各负荷电器的电源入口邻近处与设施的电路***相连接，并在上述设施电路***的一点或多点对本地电压和电流存在的不间断性数值进行测量。一个处理单元设计用来接收并比较本地实测数值与设施供电电压的参照数值，从而达到检测电路***故障的目的。

Description

检测电路故障的***、设备及方法
技术领域
本发明与电路安全领域相关，尤其与电线***及连接电器内故障早期、手工或自动检测的***和方法相关。
背景技术
几乎所有电器都有一个保险丝及/或断路器的***，从而在出现电路故障时切断电流供应。这些设备通过监测过量电流或其他与电流相关的现象来实现操作，这些现象典型包括短路、负荷连接或断开、线路短暂松脱或其他电路故障。(例如，电弧故障断流器检测电弧故障引起的电流变化，而接地故障断流器对输入电流和输出电流进行比较检测。)尽管现代化的建筑及其他设施均安装了现代化的电路火灾预防设备，电器负荷的不适当电流供应仍很常见，且是严重的火灾隐患。比如，根据美国消防局的统计，近年来家庭电路问题引起的火灾每年达9万起，造成700人死亡及7亿美元的财产损失。这些火灾的原因是线路故障、与线路连接的电器故障、线路连接本身的故障或者电流和电器负荷之间电力***其他部分的故障。这些电路故障可能是间歇性的或固定的，导致电器负荷运行的间歇性故障或运行的终止。
许多电路火灾的直接原因就是导致导线温度激剧升高的电路故障。导线消耗的电流与通过导体的电流和电压成一定比例。
公知的技术是对特定电器消耗的电压和电流进行测量，从而得出用户消耗的总电量，并据此收费。近年来，不少人试图实现电路故障的早期检测。现有电路火灾安全设备包括保险丝、断路器和电电弧故障断路器。保险丝为一段电线，设计在电流超过预设值时熔断，从而断开其连接的电路。断路器也是检测通过的电流是否超过预设值。电弧断路器除检测通过的电流是否超过预设值外，还检测通过的电流，以发现标示电弧故障的电流及/或电压变化。然而，这些设备的设计将整个电路所有的电阻或阻抗作为相同的电阻来对待，因此不能显示每个导体、电阻、电容器、线圈和电路其他组成部分所消耗的电能。另外，设备内线路老化导致耗电的“寄生”电阻出现。现有安全设备不能检测合理负荷和寄生电阻负荷之间的耗电率。在一些情况下，寄生电阻成了电流限制器，可阻止设备电路中的电流超过电路使用的保险丝熔断或断路器的预设值，。低电阻的负荷电器(如直流电阻非常低的机械马达)出现这种情况比较常见。这种情况还见于设备出现短路的线路故障，由于与寄生电阻的串联限制短路中的电流超过电路使用的保险丝熔断或断路器的预设值，。
在其他一些情况中，寄生电阻本身的温度升高，从而引发火灾。这种情况常见于“纯电阻”负荷的电器，如烤炉。作为整个电路一部分的寄生电阻比率的升高导致寄生电阻消耗的电能占整个电路消耗的电能的比例增加。电器***中寄生负荷的温度的大幅升高可引发火灾。
在有些设备中，检测由合金导体完成，在通过的电流超过预设值时，该导体弯曲并切断电流。在其他一些设备中，检测由一个可产生电磁的电磁体完成，其产生的电磁与通过的电流成一定比例。电磁的出现将影响到设备的机械连接，从而切断负荷电器的电流。安全设备的运行在电路内完成，其与相应的负荷串联。这样，安全设备本身要消耗通过安全设备的电流，引起安全设备本身的温度升高并出现其他不利的情况，如导体的腐蚀、碳化，安全设备各不同部件的机械变形。因此，安全设备检测电流故障的能力将受到很大的影响。
另外，设备中采用了不同的电路故障检测，在进行安全维护时或类似情况下，这些检测会被疑为电路故障或位置不能确定的故障显示。这些检测包括线路、开关及其他设备的红外线投影。其他检测还有线路或电路故障的超音速检测。然而，这些检测需要特殊的设备，其不作为被检设备的一部分长期运行。因此，只有当安装了特殊的检测设备时，才能检测电器出现的故障。
其他技术包括通过测量电流检测电路故障的设备。这些设备包括检测线路电弧的AFCI(电弧故障断路器)，ELCI(设备漏电断路器)、GFCI(接地故障断路器，其监测电路中的电流，如电路流入的量与回流的量有差异，则切断电源)、LCDI(漏电检测及断路器，则作为电源插头的一部分安装)、ALCI(电器漏电断路器，其为电器本身的一部分运行)、IDCI(浸入检测断路器，其检测电器(如吹风机)的浸水情况)。
本说明书列为参考的在先技术包括美国专利第6,445,188号，揭示了一种智能型、自我检测的交流电插头，装配有电流和电压感应器。这种插头包括一个微型电路板，电路板上有转换的电流供应，微型控制单元和外面板。根据电压和电流感应器显示的组合读数，微型控制单元上运行的嵌入程序可确定负荷设备的耗电量。这种插头可与特殊的面板连接器连接，从而实现与计算机的数据交换。这种面板可容许几个插头设备与同一中央读数器的联接。
在先技术的另一例是美国专利第5,315,236号，描述了一种电流计，其***电插座，其本身带有一个供电器插头***的插座。另外一种备选的方式是这种电流计可作为墙用电开关或电插座的一部分。美国专利第5,869,960号描述了一种类似的设备。其他与电压检测和电源监测相关的文献包括美国专利第4,672,555，4,858,141，4,884,022及5,196,982号。这些公开的专利在此列为参考。
上述所有在先技术的基本缺陷之一就是事后操作。换句话说，它们只是在故障已经出现后才能检测到故障。在很多情况下，对于防止火灾的实际发生已经太晚了。
本发明采用一种预见性的方法防止危害。本发明检测导致电路出现不合理电压降的状况的前提条件，即发热和闪光。在配电***正常工作时，电压的故障性下降是显示故障存在的唯一标志，而本发明在这一步骤即可进行监测。另外，本发明可以检测断路器、AFCI或其他同类设备没有断路的时间。这些设备长时间没有断路可能就是安全设备内部接点的碳化及微焊的标志。
在先技术的另一缺陷是它们都是以电流检测为基础的设备。以检测电流为基础的安全设备的缺陷在于电路中寄生电阻作为电流限制器，从而阻止安全设备的跳阐-即便在原负荷电器出现短路的情况下。出现这种情况的原因是安全设备检测的是串联的寄生电阻和原始负荷电器的共用电流。
以电流检测为基础的保护电路的假设前提是故障电路会显示“短路”保护，而没有考虑寄生电阻。其使用的术语-仅检测短路-也突显了这些设备的作用有限。
现有安全设备是以电流来标称的，而不是电压降百分比或绝对电压，表明了这些安全设备仅检测电流。
电流检测和电压检测的另一区别是：电流检测只有在电流超过预设值时才能检测到故障，而电压检测可在电压太低，而不是太高时检测到故障。
尤其应该注意的是没有哪种现有技术是通过检测设备内与负荷并联的电压来实现电路***内故障的早期检测。
因此，本发明的目的是提供一种通过监测本地电压水平(与负荷电器并联)及监测相关设施电路中一点或多点的电流不间断性，实现电器电路故障的早期及自动检测的***、设备和方法。
本发明的另一目的是进一步确定最可能出现的电路故障的类型和具***置。
发明内容
本发明提供一种监测本地电压水平及家庭、公司、车辆、飞机或轮船等设施电路中一点或多点的电流不间断性的***和方法，实现电器电路故障的早期及自动检测的***、设备和方法。(就本发明申请及其权利要求而言，电路***应理解为包括固定线路、如设施墙体、天花板及地板内布线、固定导电设备及***供电的可拆卸线路及电路。)。通过对本地电压的测量和跟踪及对电流存在的不间断性测量，***能够检测到线路、导电设备或由电路***供电的电器内显示出现故障的变化和状况。在很多情况下，这种电压变化或电流的中断能提供比现有技术更为可靠的故障迹象及更具预见性的警告。
根据本发明的首选实施例，感应装置设计用来检测该装置持续通过后的电压水平并通过计算交流电周期次数来测量电流存在的不间断性。感应装置安装在设施电路上不同的位置。
典型感应装置的设计似于插头转换器，插在电力设备不同部分的电源插头及电源插座之间。另外，本地电压水平及/或电流不间断性测量装置可选择安装在墙上开关或插座内，或电源插头内，或电器的其他部分。
典型的本地感应装置将本地电压及不间断性测量的数据输送到中央控制及监测站。
可选择为不同的感应装置配置一个或多个控制单元，或分布在设施内。首选例中，本地感应装置和中央控制单元之间的通讯通过设施内电线上的调制信号进行，从而不需要其他通讯网络。也可选择采用其他的通讯方式，如业内公知的专用控制线、数据通讯网络或无线通讯连接，如无线电频率(RF)、红外线(IR)或声学连接。
上述通讯可同时包括一种以上的通讯方式，例如，红外线和电线通讯一起使用。这样可获得更佳的通讯效果和范围扩展。另外，通讯可在同样的媒介上采用两种不同的方法，如在电线上采用数字调制解调器和模拟调制信号。
中央控制站(或分布在各处的处理器)监测接收到的与本地感应装置相连接的本地负荷的电压数据。典型的情况下，处理器对电压数据与未负荷的参照电压值进行对比，后者由中央控制站或电力干线进入设施的接点附近的另一本地感应装置进行测量。参照电压值也可选择由外部来源提供，如供电公司。另外，处理单元可分析本地感应装置检测到的之前数据，确定期望的电压值，从而以其为参照值进行计算，不管是否有其他设备的参照电压值。根据本发明的另一选择是：参照电压在干线进入设施的接点处进行测量，如房屋、办公室或工厂的配电箱。
在直流电(DC)的情况下，参照值为电压值；在交流电(AC)的情况下，参照值为一矢量，即振幅和相位标称的组合。在交流电***中，参照值可能因时而变，因为感应装置检测到的电压也是因时而变。通过对电压及电流不间断性的数据和参照值及/或检测及计算出的其他数值进行比较，处理单元可检测到故障的存在，并区分实际的电压故障和干线电压的波动及某些电器正常工作时出现的负荷变化。在首选例中，能够识别故障在电路中发展或发生的位置。另外一种供选择的实施例中，即便在没有参照电压值的情况，某些故障状态仍可被检测到。这种情况通常发生在检测或计算出的值大大超过了可容许的最大或最小值。
提供的处理单元可存储数据和检测的数值并同时进行计算。这些计算包括积分、平均数、标准偏差数、根的均方差(RMS)计算，瞬间及/或长期期望电压水平的比较和计算、及/或其他统计数据的计算、识别电路故障所需的数据处理。瞬间及/或长期期望电压水平可由电压控制振荡器(VCO)或数字控制振荡器(NCO)提供。计算可包括负荷电器线路中的电压降-以期望输入电压的百分比表示。例如，可通过对完整的交流电周期的期望电压的绝对值进行积分计算、对瞬间检测电压和瞬间期望电压之间的差进行积分计算，并以期望值的积分计算结果除以电压差积分计算的结果而得出。
这些计算还可包括对总谐波失真(THD)的计算，该数据代表了检测到的信号与电路纯正弦波之间的失真状况。THD的检测结果可显示干线信号什么时候出现噪音。
上述计算结果-相对于纯正弦波的失真百分比及/或THD计算结果-可用来确定电压控制振荡器(VCO)或数字控制振荡器(NCO)运行作为参照信号的时间点-因此其运行情况将跟踪设施供电干线信号。
在VCO或NCO没有正确设定的情况下，***将不再用其计算参照电压瞬间值。
此外，处理单元可分析感应装置持续通电后的时间或交流电周期。处理单元对电流不间断性的信息与其他感应装置的信息或存储在稳定内存内的数据进行比较。另外，处理单元可包括一个本地电源，如电池或电容器，以便不依赖外部电源即可检测外部电源的中断。处理单元可将检测或计算出的数值以适当的方式显示，供相关人员在设施或部分设施内观察。这些数值可用数字、波形、发光二极管、发光条或类似方式显示出来，以便相关人员对参数进行观察。另外，处理单元可选择将这些测量或计算出的数值传输到其他电器上。
此外，采用一种可以显示测量及/或计算出的数值并供相关人员对其分析的装置也是可行的。这种装置可制造成不需要任何通讯媒介，因此成本低廉，且易于操作和安装。这种装置(不管是否带有通讯媒介)在普通运行时可测量从干线电流供应到测量位置处的干线电压降的百分比。需要强调的是，目前市场上的此类***只有在装配有与干线相连的控制负荷时才可测量电压降。本发明在普通运行模式中能够测量电网上的电压降。此外，本发明可替代红外线检测对干线线路的发热接点进行检测。红外线热检测设备非常昂贵，且只能检测可拍照部位的故障，最重要的是，这种设备要求故障必须在对疑点部位拍照时发生。因此，如果故障在不能拍照的部位发生，或者干线不能进行热拍照，红外线热检测就不能检测到故障状况。本发明使用的设备可作为线路***的一部分安装-甚至作为其不可分隔的一部分安装，便于长期使用，并通过在电网上分析电压降检测发热相关的故障。
本发明可显示参照信号的波形，参照信号可在电源干线与实测信号进行比较。这种显示的数据可以让相关人员观察实测信号描述的状态是否可以接受。需要强调的是虽然这种信号检测已在电讯业应用，但在电力行业仍然是新颖的概念。
根据本发明的实施例，可以为带有干线电源的设施提供一种电路***的故障检测***，该***包括至少一个安装在可能负荷邻近的检测电压水平及/或电流不间断性的感应装置(上述可能负荷从电路***接受电源供应)、至少一个分析电压及电流不间断性的处理单元(或供人工控制的显示单元)，以在已知的数值范围和历史数据的基础上检测故障。
在一个已揭示的实施例中，本地感应装置被适配于各种负荷电器的电源插座。典型的情况下，至少一个本地感应装置包括一个插头适配器(其包括插座，以接受各种电器的电源插头)、插头(与插座相连接并可***到电源插座。)、电压感应装置(连接用来测量插座和插头之间的电压以及每个感应装置连续通电后的时间(或交流电周期)。
作为本发明的一个特征，每个本地感应装置包括一个通讯界面，以保持与***其他部分的通讯。在首选例中，通讯界面适配用来在本地感应装置和其他处理或感应装置之间传送数据，而这种通讯由电路***上的电线的调制信号完成。
本发明的一个实施例中，每个(或至少部分)本地感应装置可包括一个断路器，当处理器检测到故障时，其可切断各电器的电源。可选择使用一个发生接地故障的继电器。在有接电故障断路器的设施内，继电器可发挥作用。有目的激发的这种接地故障断路器可引发接地故障断路器跳阐-并切断设施的大部分甚至全部电源。这种在故障检测中的切断电源机制成本较低且能实现比断开电器本身的电源更佳的防火作用。
在有些实施例中，***包括一个参照感应装置，其用来测量设施的供应电压的参照值。典型情况下，参照感应装置连接在电路上，测量电路干线进入设施的接点邻近处的参照感应装置。
不同的处理单元可配置至少一个本地感应装置，或包括在一个中央控制单元内，其用来从安装在设施不同位置的本地感应装置接收本地检测值。
作为本发明的一个特征，处理器设计用来比较本地检测值和计算的参照值，以辨别电路故障-故障发生在设施内部还是外部。处理器还设计用来确定故障在***内的位置。处理单元还可附加或选择性地设计用来依照每个本地感应装置识别电压水平和不间断性检测值的正常运行模式，并根据本地检测值相对于正常运行模式的偏差检测故障。典型情况下，处理单元设计用来在***识别步骤识别正常运行模式，并根据电流不间断性监测阶段中出现的故障检测电路***内的故障。经识别的正常运行参数通过频率、振幅和相位来控制电压控制振荡器(VCO)或数字控制振荡器(NCO)，这样干线电流供应的瞬间期望值可从VCO或NCO获得。
根据本发明的实施例还提供一种监测设施电路***的方法，该方法包括将每个本地感应装置在各负荷电器与供电的电路***接点邻近处与电路***相连接，利用本地感应装置测量每个负荷电器的本地电压和电流不间断性；计算参照值；提供设施供电电压的参照测量值；通过一个或多个通讯媒介将至少一个本地测量值和计算或测量的参照值传送到处理单元，以便于检测电路***中的故障。
参照值测量的实施可包括将一个参照电压感应装置安装在电力干线进入设施的接点邻近处，或者包括在设施外的干线上测量参照电压。
参照测量的实施还可包括从设施内任何其他的类似不间断通装置上获得电力不间断性信息或从设施外部的不间断通电装置获得上述信息。
本发明实施例中，传送至少一个本地测量值及参照测量值包括从电路***的电线上通过调制信号传送、通过无线媒介传送、通过数字通讯网络传送、通过红外线传送或者声学媒介传送。
根据本发明的另一特征，测量及/或计算出的数值可通过直接模拟调制或数字调制信号传送。首选例中，调制方法简易，便于接收过程中的解调。例如电线上正弦波的频率调制(FM)可使得几个检测装置能够传送包含每个感应装置检测到的电压信息。调制可根据检测到的电压和统一编码进行-这样其他装置就可识别传送的信息。需要注意的是FM是比振幅调制更佳的调制方法，因为FM的频率不受线路衰减的影响，而基于不同振幅的振幅调制受线路衰减的影响很大。
同样地，不间断性信息也可通过通讯媒介进行传送。数字调制解调器信息的传送或直接调制的模拟信号不一定要不间断进行。为了使其他装置能够使用通讯媒介，信息的传送可以是间歇性的，或者在累积的变化超过预设的门槛时传送。
附图说明
通过一个首选实施例下述的附图，将更好地理解本发明的特点和优点。
图1：描述本发明首选实施例的***的执行，图为一个典型房屋内的电路***；
图2：本发明***的图示；
图3：本发明第一实施例中本地感应装置运行的图示；
图4：本发明第二实施例中本地感应装置运行的图示；
图5：本发明第三实施例中本地感应装置运行的图示；
图6：本发明本地感应装置的结构图；
图7：本发明中断路器的运行图示；
图8：本发明首选实施例中中央控制单元与电压水平相关的运行流程图；
图9：本发明首选实施例中中央控制单元与不间断性测量值相关的运行流程图。
具体实施方式
根据本发明的***提供线路***及/或与***相连接的负荷电器上故障的早期、人工及/或自动检测。***可以单个设备实现，进行本地检测，或者可由一个***实现，对一组线路***和与***相连的负荷电器进行检测。早期的检测不必立即将***从主要供电***断开。本***可实现对房屋、公司、车辆、飞机或轮船等设施的一点或多点持续通电后本地电压水平及电流不间断性的监测。通过测量和跟踪本地电压和电流存在不间断性的变化，***能够检测到线路、导电设备或由线路供电的电器中显示故障存在变化和状况。
图1描述了根据本发明一个首选实施例在一个典型房屋电路***上的运行。虽然本图显示的是一个房屋，但不能限制本发明的范围，因为本发明还可实施于其他类似的设施，如公司、公共建筑、汽车、飞机、轮船和卡车。主供电24，如外部电线，为房屋20供电。电源提供给紧邻房屋的保险丝盒26。保险丝盒包括保险丝、断路器及电压和电流不间断性感应装置。电源通过线路分配给房屋内不同的墙上插座28。墙上插座与各种不同的电器相连接，而电器具有以下不同的负荷特征：
加热和照明设备，如电炉30和灯32，具有电阻负荷特征。带有马达的电器，如冰箱34，具有电感负荷特征。电子设备，如电脑36，典型情况下都有内置变压器，因此具有不同的电感负荷。
本***包括本地感应装置46(见图2)，其设计用来对每个墙上插座附近的交流电电压水平实施不间断性的监测，并将调制信号传送到中央控制单元38，从而提供房屋内不同电器的运行信息。典型的感应装置制造成插头适配器，其插在不同电器的插头和为这些插头供电的插座之间。这些感应装置可装置于线路***的其他位置(如，墙上插座、开关及接线盒内)，或者直接装置于电器内。调制信号采用业内公知的电线通讯方法通过电线本身传送到中央控制单元。本地感应装置可选择采用业内公知的其他技术实现与中央控制单元的通讯，如专用线、数据通讯网络、无线电频率通讯(RF)、红外线(IR)或声学连接。中央控制单元接收本地感应装置交流电电压水平的变化信息，并将其与参照值进行比较分析。上述参照值与主供电24最初提供的电压相对应。在直流电(DC)的情况下，参照值为电压值；在交流电(AC)的情况下，参照值为振幅、相位和频率数据的组合。当中央控制单元检测到本地感应装置的电压数据相对于参照值的不正常变化，中控单元通过发警报向***通报，可通过启动保险丝盒或电器内的断路器切断相应线路供电的电压。此外，根据本发明，中央控制单元设计用来检测***内的故障，而不需依赖上述参照值。在没有原始电压样值的情况下，这种电路故障检测的设计是非常重要的。
图2为根据本发明的***结构图。主线路45提供交流电(～)，及中性线连接(0)。交流电通过分配给保险丝盒26和不同的负荷44，每个负荷由不同的电器产生(如电炉、冰箱、灯、电脑等)。保险丝盒是一个包括主断路器42的电路，同时包括一组并联的分支。每个分支包括一个断路器40，与主断路器串联。提议的***基于单交流电相位。然而，也可提供多交流电相位。
每个感应装置安装于不同负荷46的邻近位置，与每个负荷并联，通过程序控制将相关交流电电压值的调制信号向中央控制单元38传送。这种传送可以是不间断，也可是间歇性的，或者在变化累积到预设值时传送。
线路的设计电阻很低，因此每个负荷的电阻要大大高于线路。这样，感应装置可以检测到仅比参照感应装置48测量到的参照值稍低的本地负荷电压。
引发感应装置检测到的电压大幅下降的原因有多种。这些原因包括短路、降低负荷电阻有效性的其他故障、导致线路电阻增大的接线松开或其他线路故障或者主供电的独立电压降。本地负荷电压出现的意外升高，不管是快速升高还是逐渐升高，也可能表明存在电路故障。
中央控制单元对每个负荷44进行识别：电阻性、电感性或电容性，最好是还能区分电感马达线圈及变压器线圈。该单元还识别每一负荷的正常工作模式，如加热器、电炉及其他电器典型的开关周期，电感负荷开启时通常出现的尖峰信号。
如上所述，中央控制单元对每个感应装置测量到电压值，包括即时和以前的数据进行跟踪和分析，并将这些数值与参照感应装置测量到的基准电压进行比较。
另外，中央控制单元设计用来在没有测量电压的的情况下，对每个感应装置的电流不间断性的测量值进行分析，上述不间断性的测量值(以时间或交流电周期表示)确定电源不间断提供给每个感应装置和相应负荷电器的时间，以检测***内电力中断的位置。一个特定感应装置的持续增大的测量值显示该装置获得不间断的供电。相反地，反复的重新开始的测量值显示上述装置的供电频繁中断。基于这些测量值，中央控制单元检测到***内非故意的线路松脱，及负荷和感应装置无供电现象。例如，中央控制单元可检测到由某个特定感应装置监测的电器在一段时间内未能持续运行。这一信息使中央控制单元能检测到不能立即由不正常电压变化反映出的危险状况，如无人看管的电炉持续开着几小时。为实现这一目的，中央控制单元38可包括一个通讯界面，与个人电脑或其他计算装置相连接。这一界面使中央控制单元及感应装置46记录下的数据能上载到电脑，完成进一步的处理、分析和显示。因此，中央控制单元不仅能够检测到显示负荷或线路上出现的故障，而且确定最有可能发生的故障的类型和具***置。
根据本发明的另一特征，中央控制单元可使用一个由电源或电容器供电的计算器，以便在整个设施都没供电的情况下计时。通过这种装置，控制单元能够区分设施内线路松脱导致的断电及主供电故障造成的断电。
图3为本发明第一实施例中本地感应装置运行的图示。插在交流电插头52和墙上插座54之间的适配器50由第一组插座56组成，其插头58***电源插头。这些插座通过适配器与第二组插座62连接，其插头60***墙上插座。感应装置46安装在适配器的外壳内，与第一组插座56及适配器的插头60并联。
本发明第一实施例的适配器的设计使得通过将该适配器***设施内适合的插座或与其连接即可简单地在设施内安装提议的***。
根据本发明的另一特征，感应装置可检测并联的两个点的电压-一个是与插座56邻近的点，另一个是与插头60邻近的点。尤其需要指出的是，插座56与插头60之间的导线的电阻值较小。因此，当负荷电器消耗电能时，通过该导线到负荷电器的电流出现小的电压降。通过同时检测两个电压-感应装置可检测到通过的电流，感应装置可确定电流的方向。只有在没有电流通过适配器时，插座56和插头60测量到的电压才会出现相似的数值。当没有电流通过适配器时，在适配器测量到的电压应该与进入设施的电压，或至少与进入感应装置连接的干线分支的电压更加接近。需要指出的是，插座56与插头60之间的导线的电阻值不一定要求非常精确。感应装置通过区分通过导线的两个不同的电压降，能够区分适配器已负荷或未负荷的状态。
图4为本发明第二实施例中本地感应装置运行的图示。根据第二实施例的感应装置安装在交流电电源插头70内。
图5为本发明第三实施例中本地感应装置运行的图示。根据第三实施例的感应装置安装在墙上插座74内。
图6为根据本发明的感应装置的结构图。交流电接线80和82与主线45连接。供电单元84从这些电线接受交流电，并产生直流电电压，为电路其他部分供电。供电单元还包括一个本地电源94，其可以是电容器或其他任何种类的电池(可选择用充电电池)，用来在电线供电中断的情况下，独立为特定的感应装置提供电源。
包括感应装置的电路还包括模拟数字转换器86，以在电线80和82之间测量电压，并将这些数据以数字信号向处理单元88传送。
根据本发明的另一特征，感应装置以两个模拟数字转换器的形式出现，其可同时测量相位线(火线)和中性线(与地线相对)的电压。不需要实施任一时刻的测量和确定电压和相位的操作，这些测量值即可被接收，如频率域的过滤或相位缩放。处理单元还可存储信息和检测到的数值，并随时进行计算。这些计算包括积分、平均数、标准偏差数、根的均方差(RMS)计算，及/或其他统计数据的计算及识别电路故障所需的数据处理。
根据本发明的另一特征，处理单元可包括数字控制振荡器(NCO)或模拟振荡器，用来不间断地跟踪主线进入设施处的期望电压值。振荡器的瞬间数值和负荷上测量到的瞬间电压之间的差即为从干线进入点到感应装置的瞬间电压降。对这些差绝对值的积分计算即得出一段时间内线路从干线进入点到感应装置的电压降。
不间断性计时装置92设计用来计算感应装置通电后的时间或交流电周期，当电线45的供电出现中断后，计时装置重新开始计时。处理器对这些计时数据与从本***的其他不间断性计时装置的数据进行比较，并通过通讯界面90传送(附有独特的识别码)到控制单元38(见图1)。上述程序可检测特定的感应装置的不正常供电。一系列的重启显示线路的断开，而持续的计数显示线路无中断。因此，采用这样的计时器可以检测与特定感应装置相关的电路故障。
另外，这种不间断性装置可包括几个不同电源配置和重新设置方法的二级计时器。例如，一个计时器可用来在电线80和82出现供电中断时重新开始计时，而另一个可用来计算感应装置的通电时间，不管电线是否有供电。此外，不间断性计时装置可使用一个由电池或电容器供电的计时器，来计算运行时间，而不需依赖主供电的电源。因此，处理器可以区分由电线暂时性的故障断激活的计时器重新计时和感应装置断开后有效的重新计时，或设施外部的供电故障。
本发明还可包括一个业内公知的模拟调制电路，如电压控制振荡器(VCO)。通过VCO这种电压-频率转换器，控制单元38感应主线45上的模拟调制信号(见图1)，以确定感应装置是否有供电。
本地感应装置46的设计可包括一组功能模块。然而，这种装置也可以是单一半导体芯片或一组如下的两个或三个芯片：
根据一个方案，处理器包括一个有限硬件指令的微型控制器，其激活微型控制器在固定时间间隙内传送电压和计时数据给控制单元分析。
根据另一个方案，处理器包括一个微型处理器，对从模拟数字转换器86和不间断性计时器92接收到的电压和计时数据进行分析。微型处理器设计用来检测电压水平的不正常波动、及/或计时数据、及/或计算出的电压降，同时将显示可能存在电路故障的信号传送给控制单元。
采用双向通讯界面90，使特定的感应装置与其他感应装置实现通讯，每个处理器可实现本地操作并对所有所需的测量值进行分析。
另外，感应装置本身可包括一个简单的用户界面和一组警报器。因此，这种感应装置可完成检测电路故障所需的电压测量和不间断性计时，这样就完全不需要另外安装一个控制单元。这一方案与将控制单元的功能分配到设施内不同位置的方案相同，尤其是在参照值是在同时为多个设施供电的供电单元外的点获得的情况下，这种方案很有用。
处理单元可设计为一个专用的处理芯片，一个带附加装置的专用处理芯片，作为业内公知的ASIC或FPGA的一部分。
图7为根据本发明的断路器的图示。提议的适配器100包括第一组插座56和插头60，一个感应装置102和内部断路器104。电路故障可由上述感应装置内的微型处理器检测，或由处理单元38检测，并通过通讯界面指令感应装置断开断路器。
断路器为安全装置，包括一次性保险丝及/或开关。断路器断开后，可自动或人工重新设置。上述安全装置设计用来断开至少插座内至少一根导线，以断开与第二组插座60电线相连接的电路***。另外，该装置可用来在交流电线路(～)和设施的地线之间产生一个有意图的连接。这一连接使接地故障断路器(GFCI)跳阐，并将多个电器从电源断开。
图8和图9为中央控制单元38的运行流程图。如上所述，控制单元的部分或全部功能可选择由本地感应装置46或102内的处理器88来完成。因此，尽管图8和图9所示的功能由控制单元38完成，应该可以理解到这些功能可以适当的方式在控制单元和本地感应装置的处理器之间进行分配。
图8详细描述了一个典型的检测电压及/或电压降故障状态的流程图。在初始识别步骤110，控制单元从每个本地感应装置接收并监测电压或电压降，以就每个本地感应装置建立起正常运行模式的信息。这一步骤可由用户激活，例如通过控制单元的用户界面，或者在电力***中接入一个感应装置时自动激活，或在控制单元本身接入到电力***时激活。这一步骤记录的工作模式为线路45和负荷44在不存在故障的情况下的工作模式，尽管在这一初始步骤也可能检测到包括非正常电压在内的故障。在110步骤，控制单元38记录每个感应装置46的正常电压降状态，该正常状态与本地测量到的电压或在电力进入设施的接点附近的主参照感应器48测量到的电压相关。
在完成110步骤后，进入接收步骤112，控制单元38从感应装置46接收电压或电压降数据，而这些电压或电压降数据确定设施内本地或远程感应装置46读出的相关数值。
在114步骤，这些电压/电压降数据记录在数据库内，以便于之后进行检查或可能对在110步骤识别的模式进行修改。
在116步骤，控制单元比较实测的电压或电压降数据及参照电压测量数据，以预先设定参照电压的最大和最小限值。电压限值确定特定设施供电线路的正常电压范围。如果任一实测电压超出正常或容许的范围，控制单元进行118步骤的操作。
118步骤检查本地感应装置46的电压值。这一步骤只在安装了参照感应装置48(见图2)的情况下才会进行。如果这些数值的升降与参照电压的升降120相似，则控制单元可得出设施干线供电的输入电压有问题的结论。在这种情况下，控制单元可发出有声或可视的警报。控制单元还可指令设施内保险丝盒26或感应装置46断开电路，以保护电器免受损害。在另一种情况122下，如在118步骤发现本地感应装置46的数据正常，没有随参照电压值的变化而变化，控制单元可得出参照感应装置48本身出现故障。例如，参照感应器的接线松脱或出现其他故障。在这种情况下，控制单元可发出怀疑存在故障的警报。
需要指出的是，只有在安装了主参照感应器的情况下，118步骤到122步骤才适用。然而，如果没有安装主参照感应器(即参照电压值通过每个感应装置的测量值得出)，则可跳过120到124步骤均可跳过。
在116步骤中，控制单元38检查参照电压(112步骤得出)是否在正常范围。如果电压正常，则控制单元进入124步骤。在124步骤，控制单元对每个感应装置测量到的电压值与预先设定的电压最大和最小限值进行比较，并可检查计算出的电压降百分比是否在容许范围内[130步骤]。需要指出的是，在这一步骤中，每个感应装置46的检测可按顺序进行或按平行模式进行。如果每一感应装置的实测与计算值均在可接受范围内，控制单元回到112步骤，并按上述步骤循环反复进行。
否则(即任一感应器的实测值超出正常限值范围，或者130步骤计算出的数值超出预先设定的容许范围)，控制单元得出其中一个负荷44或线路45出现故障。根据报告不正常电压或电压降数值感应器的身份，控制单元识别故障位置(126步骤)。控制单元还对感应装置报告的数值形式进行分析，以便评估出现故障的类型，例如，确定故障出现在线路45或其中一个负荷44。在128步骤中，控制单元发出警报，显示故障位置。控制单元还可指令适当的断路器40(在保险丝盒26内)或104(在感应装置100内)断开故障电路的供电。
图9详细描述了检测不间断性故障的流程图。在初始识别步骤140，控制单元从每个本地感应装置接收并监测电压或电压降，以就每个本地感应装置建立起正常运行模式的信息。这一步骤，控制单元38记录每个本地感应装置46的正常不间断性工作模式(以时间或交流电周期表示)。在数据采集步骤142，控制单元38接收本地及远程感应装置46的不间断性时间数据，而这些数据确定感应装置和设施内相应负荷电器的持续通电时间。
在144步骤，不间断性时间数据记录在数据库内，以便于之后进行检查或可能对在140步骤识别的模式进行修改。
146步骤对不间断性时间数据进行即时分析。
在148步骤，控制单元38对每个远程感应装置测量到的不间断性时间数据与预先设定的不间断性时间数据最大和最小限值进行比较。不间断性时间数据的限值确定每个感应装置通电后期望的时间正常范围。如果远程感应装置的不间断性时间数据在正常范围内，则控制单元进入154步骤。
在154步骤中，控制单元38对本地感应装置的实测不间断性时间数据与预先设定的不间断性时间数据最大和最小限值进行比较。如果远程感应装置的不间断性时间数据在正常范围内，则控制单元回到142步骤，并按上述步骤循环反复进行。否则，控制单元发出警报，显示电路故障的位置(156步骤)。控制单元还可指令适当的断路器40(在保险丝盒26内)或104(在感应装置100内)断开故障电路的供电。
如果远程感应装置的不间断性时间数据超出正常范围，控制单元进入150步骤。
在150步骤中，控制单元得出其中一个负荷44或线路45出现故障。根据报告不正常不间断性时间数据感应器的身份，控制单元识别故障位置(150步骤)。
在152步骤中，控制单元传送电信号，通知设施内的其他感应装置相关电路故障的存在
尽管上述实施例描述的是交流电电压的监测，且具体描述的是在典型房屋内完成的监测功能，本说明书描述的方法和装置，经适当修改同样适用于其他设施内电路***的故障检测。如上所述，根据本发明的首选实施例及权利要求中提及的“设施”应可宽泛理解为不仅包括建筑，还应包括户外设施和车辆，如写字楼、工厂、飞机、轮船和卡车。本发明的原则可相似地适用于这些设施中的直流电的电压监测。
另外，感应装置还可安装于电器内，或与其他开关及接线盒相连接，且与电路***的连接既可是固定连接，也可通过可分离式电源插头应用。
应该指出的是，采用一个显示实测及计算出的数值的***，并由人工对其进行分析也是可行的方案。这种***可制造成不需要任何通讯媒介，因此成本低廉，且易于操作和安装。由于电压降百分比的数值的得出需要在很短的时间内完成多个测量和计算，因此这种***非常有用。这种***可在设施在正常运行模式下，完成电压降的测量和计算。它与现有的电压降测量设备不同，后者要进行了电压降测量需要特殊条件。
虽然本说明书包含了一些具体的说明，但不应理解为构成对本发明范围的限制，而是对首选实施例的佐证。本领域的技术人员可预想本发明范围内的其他可能的变化。相应地，本发明的范围不能以描述的实施例来确定，而应由所附的权利要求及其他等同的法律文件确认。

Claims (37)

1、一种检测电路***故障的***，包括：
一个主供电单元，该***包括
至少一个测量电压的感应装置，该装置安装于由电路***供电的可能负荷邻近。
至少一个处理单元，该单元基于已知的数值范围和历史数值对电压数值进行分析，以检测不正常的测量数值。
2、根据权利要求1的***，本地电压感应装置适配于各负荷电器与电源相连接的插座。
3、根据权利要求2的***，至少一个本地电压感应装置包括一个插头适配器，这种适配器包括：
设计供负荷电器插头***的插座；
与插座连接的插头，设计可***电源插座；
连接在插头和插座之间，用来测量电压的电压感应器。
4、根据权利要求1的***，其中每个本地电压感应装置均包括一个通讯界面，实现与处理器之间的通讯。
5、根据权利要求4的***，通讯界面通过有线通讯方法或无线通讯方法在本地电压感应装置和处理器之间传送信息。
6、根据权利要求1的***，至少一部分本地电压感应装置包括一个由处理器控制的断路器，处理器在检测到故障时，将指令断路器断开相关负荷电器的电源。
7、根据权利要求1的***，其还包括一个参照感应装置，设计用来测量电压的参照值和设施通电的时间。
8、根据权利要求7的***，其测量参照数值的参照感应装置安装在干线进入设施的接点附近。
9、根据权利要求1的***，其处理器配置了至少一个本地电压感应装置。
10、根据权利要求1的***，其处理器包括一个中央控制单元，该单元设计用来从安装在设施不同位置的本地电压感应装置接收本地测量数值。
11、根据权利要求1的***，其处理器设计用来对本地测量数值和参照测量数值进行比较，以区分设施内部及外部的电路故障。
12、根据权利要求1的***，其处理器设计用来识别每个本地电压感应装置的正常运行模式，及根据本地测量数值与正常运行模式之间的偏差检测故障。
13、根据权利要求12的***，其处理器设计用来在***的识别步骤识别正常运行模式，从而在识别步骤即可检测由电路***非正常电压引起的故障。
14、根据权利要求1的***，其还包括至少一个不间断性数据感应器，以对电流存在的不间断性进行测量。
15、根据权利要求14的***，其不间断性数据感应装置对持续通过的时间或交流电周期进行计数。
16、根据权利要求14的***，其处理器对不间断性数据感应装置的数值和参照不间断性数据感应装置的数值或其他不间断性数据感应装置的数值进行比较。
17、一种监测设施内电路***的方法，该电路***包括至少一个感应装置，上述方法包括以下步骤；
用本地电压感应装置测量各负荷电器的本地电压数值；
测量设施供电电压的参照数值；
通过一种通讯媒介将至少一个本地实测数值及/或参照数值传送给处理器；
利用处理器，基于已知的限值范围和历史数值对本地实测数值进行分析，以检测电路***内的故障。
18、根据权利要求17的方法，其本地电压感应装置通过与至少一个本地感应装置藕合，连接到各负荷电器的电源插座。
19、根据权利要求17的方法，至少一个本地电压感应装置包括一个插头适配器，这种适配器包括：
设计供负荷电器插头***的插座；
与插座连接的插头，设计可播放电源插座；
连接在插头和插座之间，用来测量电压的电压感应器。
20、根据权利要求17的方法，其至少一个本地测量数值和参照数值的传送包括通过有线通讯方法或无线通讯方法传送数据。
21、根据权利要求17的方法，其至少一个本地测量数值和参照数值的传送包括通过无线通讯媒介传送。
22、根据权利要求17的方法，其包括：作为检测到故障的反应，使用其中一个本地电压感应装置断开相应负荷的电源。
23、根据权利要求17的方法，其参照数值的测量包括将参照电压感应装置安装于邻近供电干线进入设施的接点处。
24、根据权利要求17的方法，其参照数值的测量包括测量设施外部干线的参照电压值。
25、根据权利要求17的方法，其对本地数值及参照数值的比较包括基于数值的比较来区分设施内部及外部的电路故障。
26、根据权利要求17的方法，其包括识别每个本地电压感应装置的正常运行模式，通过对本地测量数值和参照数值进行比较，并根据本地测量数值与正常运行模式之间的偏差检测故障。
27、根据权利要求26的方法，其识别正常运行模式包括在识别步骤识别正常运行模式，还包括根据识别步骤出现的问题检测电路***的故障。
28、根据权利要求17的方法，其还包括通过至少一个不间断性感应器测量电流存在间断的步骤。
29、根据权利要求28的方法，其不间断性数据感应装置对持续通电的时间或交流电周期进行计数。
30、根据权利要求28的方法，其处理器对不间断性数据感应装置的数值和参照不间断性数据感应装置的数值或其他不间断性数据感应装置的数值进行比较。
31、一种检测有主供电的设施内电路***故障的设备，该设备包括：
至少一个测量电压的感应装置，该装置安装于由电路***供电的可能负荷邻近。
至少一个处理单元，该单元基于已知的数值范围和历史数值对电压数值进行分析，以检测不正常的测量数值。
32、根据权利要求31的设备，其还包括测量电流中断的不间断性感应器。
33、根据权利要求1的***，其还包括一个电压控制振荡器(VCO)或数字控制振荡器(NCO)，通过在至少一个感应装置内采用VCO或NCO，处理单元对电路***的瞬间参照电压进行计算。
34、根据权利要求33的***，其处理单元对可能负荷的至少一点的总谐波失真(THD)进行计算。在运行上述VCO/NCO的过程中可能会用到THD。
35、根据权利要求1的***，其处理单元对至少一个上述感应装置的信号与参照电压数值的偏差进行计算。
36、根据权利要求1的***，其感应装置同时测量可能负荷每一点的相位线和中性线的电压。
37、根据权利要求1的***，其处理单元还包括至少一个电压控制振荡器或数字控制振荡器，该振荡器在任何特定时间对以下参数的至少一个进行评估：电路***无负荷进入点信号的振幅、相位或频率。
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