接地故障检测电路的制作方法
【专利摘要】一种接地故障检测电路，包括：保险丝和保险丝检测电路。保险丝和保险丝检测电路被设置成并联耦接在待被检测接地故障的受监测电路的参考点与第二点之间。保险丝检测电路还被设置成检测指示接地故障情形的保险丝熔断并且使受监测电路的至少一部分停用。
【专利说明】接地故障检测电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及接地故障检测电路。该接地故障检测电路特别地适于，但绝不限制于与逆变器(例如与接地的PV (光伏)阵列相关联的逆变器)一起使用。
【背景技术】
[0002]在光伏电力系统中，可能需要将光伏阵列的一个电力端子接地以遵守规则(例如UL1741)或遵守制造商推荐规范(一些薄膜组件)。这些系统可以在单个点处正极接地或负极接地。
[0003]在接地PV系统的工作期间，可能会形成充当阵列的第二接地点的故障。取决于该故障的位置，可能会流过大的接地电流。这是潜在危险的情况，因此必须中断接地故障电流。通常通过使原接地点断开来实现故障电流的中断。此时进行接地故障指示并使与PV系统相关联的逆变器停用，使得尽快校正接地故障。通过接地故障检测和中断电路(GFDI，Ground Fault Detection and Interrupt circuit)来实现阵列的接地、故障电流的中断和关于已经发生接地故障的指示(该指示用于使逆变器停用并警告用户)。
[0004]这样的系统的部件在批准使用之前必须进行严格的测试。在美国，大多数光伏装置的逆变器要求保险业实验室标准UL1741 “与分布式能源一起使用的逆变器、变流器、控制器和互联系统设备”。通常，这样的系统仅容许最高达600V的DC (直流)电压，然而存在对1000V的所列产品的需要。为了简化批准流程，期望使用由美国国家测试实验室列举的部件。然而，由于其它美国标准(例如UL508A)，这样的部件通常针对最大600V的DC电压进行列出。
[0005]因此，为了满足UL1741，需要耐高压GFDI系统。为了最小化这样的系统所需要的测试，期望使用由美国国家测试实验室所列举的部件来构造系统。
【发明内容】
[0006]根据第一方面，提供了一种接地故障检测电路，其包括:保险丝；以及保险丝检测电路，所述保险丝和所述保险丝检测电路被设置成并联耦接在待被检测接地故障的受监测电路的参考点与第二点之间，以及其中，所述保险丝检测电路还被设置成检测指示接地故障情形的保险丝熔断以及使所述受监测电路的至少一部分停用。
[0007]可选地，指示接地故障的保险丝熔断能够通过检测所述保险丝两端的至少预定电压或指示流过所述保险丝的电流的信号进行检测。
[0008]可选地，所述保险丝两端的预定电压是由于流经所述保险丝的至少预定电流熔断所述保险丝而引起的。
[0009]可选地，所述保险丝检测电路包括被设置成并联耦接在待被检测接地故障的受监测电路的参考点与第二点之间的电压监测器。
[0010]可选地，所述保险丝检测电路包括至少两个电压监测器。
[0011]可选地，所述保险丝检测电路还包括耦接在每个电压监测器与所述保险丝之间的分压器。
[0012]可选地，所述分压器包括具有在IOOk欧姆至100M欧姆之间的值的电阻器。
[0013]可选地，所述保险丝的额定值在IA至5A之间。
[0014]可选地，每个电压监测器是电压监测继电器。
[0015]可选地，所述保险丝检测电路包括被设置成向所述保险丝注入电流的隔离的DC源或AC源。
[0016]可选地，所述保险丝检测电路还包括被设置成检测被注入至所述保险丝并且流过所述保险丝的电流或指示该电流的信号的检测装置。
[0017]可选地，所述保险丝检测电路的检测装置被设置成检测电流信号波形。
[0018]可选地，所述检测装置包括滤波器。
[0019]可选地，所述保险丝检测电路还被设置成在输出上指示故障情形。
[0020]可选地，所述受监测电路的第二点为正极连接点。
[0021]可选地，所述受监测电路的第二点为负极连接点。
[0022]可选地，所述电路容许600V或更高的电压。
[0023]可选地，所述电路容许1000V或更高的电压。
[0024]可选地,所述参考点为接地连接点。
[0025]可选地，所述第二点为DC连接点。
[0026]可选地，所述第二点为AC连接点。
[0027]根据第二方面，提供了检测接地故障的方法，其包括:通过保险丝检测电路检测指示接地故障情形的保险丝熔断，所述保险丝和所述保险丝检测电路被设置成并联耦接在受监测电路的参考点与第二点之间；以及响应于检测到所述保险丝熔断情形使所述受监测电路的至少一部分停用。
[0028]可选地，检测指示接地故障的保险丝熔断包括检测所述保险丝两端的至少预定电压或指示流过所述保险丝的电流的信号。
[0029]可选地，所述保险丝两端的预定电压是由于流经所述保险丝的至少预定电流熔断所述保险丝而引起的。
[0030]可选地，所述保险丝检测电路包括被设置成向所述保险丝注入电流的隔离的DC源或AC源。
[0031]可选地，所述保险丝检测电路还包括被设置成对被注入所述保险丝并且流过所述保险丝的电流或指示该电流的信号进行检测的检测装置。
[0032]可选地，所述保险丝检测电路的检测装置被设置成检测电流信号波形。
[0033]可选地，所述检测装置包括滤波器。
[0034]可选地，所述保险丝检测电路还被设置成在输出上指示故障情形。
[0035]根据第三方面，提供了接地故障检测系统，所述系统包括接地故障检测电路，其中，PV阵列为所述受监测电路，所述PV阵列的逆变器被设置成响应于检测到指示接地故障情形的保险丝熔断而被停用。
[0036]在本文中引用了电子电流，应当理解其在方向上与本领域技术人员所理解的传统电流理论相反。【专利附图】
【附图说明】
[0037]现在将仅通过示例并且参照附图来描述实施方式，在附图中:
[0038]图1示出了根据一个实施方式的接地故障检测系统；
[0039]图2示出了负极接地故障；
[0040]图3示出了正极接地故障；
[0041]图4示出了根据一个实施方式的GFDI电路；以及
[0042]图5示出了根据一个实施方式的GFDI电路。
[0043]在附图中，贯穿全文用相同的附图标记表示相同的元件。
【具体实施方式】
[0044]总体而言，如图1所示，接地故障检测系统包括相对于受监测电路布置的接地故障和中断(GFDI)电路14。例如，在图1中，受监测电路包括光伏电池(PV)阵列12，该光伏电池阵列12通过负极端子17和正极端子19耦接至逆变器10，以便如本领域的技术人员理解的将由PV阵列产生的DC电压转换为AC电压。
[0045]接地电流可能由于故障而开始流动，所述故障为例如使电流从PV模块流向其接地外壳的、PV模块阵列的击穿。流有接地电流的其它原因可以为维修工人切断电缆或者PV阵列所位于的地点被淹没。
[0046]GFDI电路14被设置成检测指示接地电流流动的保险丝40的熔断。可以通过检测保险丝两端的电压是否超过预定阈值来确定保险丝的熔断。还可以通过向保险丝注入电流并监测所注入的电流或表示所述电流的信号来检测保险丝的熔断。如果检测的电流低于预定阈值，则认为保险丝由于接地电流流动而熔断。注入的电流可以为例如可通过滤波器检测的信号波形。
[0047]响应于检测到保险丝熔断，GFDI电路14被设置成通过输出16使受监测电路和/或逆变器停用。这可以通过断开连接至逆变器的输入端(未示出)的继电器来实现。例如，监测继电器可以监测保险丝两端的电压并且响应于所监测的电压而断开或闭合其输出继电器。在电流检测实施方式中，电流监测继电器可以以相同方式进行操作。该继电器可以放置在SPV系统的紧急停止(E-Stop)链中。
[0048]在图1中，PV阵列被表示为通过布置在负极接地连接点与负极端子17之间的GFDI电路14而负极接地。可替代地，PV阵列可以与布置在正极接地连接点与正极端子19之间的GFDI电路14正极接地。
[0049]图2示出了可通过GFDI电路14检测的负极接地故障。正常操作下，经由负极端子17流入阵列的(电子)电流引起电缆13出现压降，使得在点17与点15之间存在正电位差，所述电缆13将阵列在点15处连接至逆变器。在如图2中的通路18所示的负极接地故障中，(电子)电流将在作为两个并联电阻的电缆与接地故障通路(如本领域的技术人员理解的)之间共享。如果接地通路具有足够低的阻抗使得流经保险丝的电流超过保险丝额定值，则保险丝将熔断。保险丝的熔断导致正常接地的点15与地面断开。然后将电缆13中的压降施加在可以由GFDI电路14检测的熔断的保险丝两端，可以提供指示以表明发生了接地故障。
[0050]图3示出了可通过GFDI电路14检测的正极接地故障。电流由于PV阵列上的电位(在本实施方式中在点19与点17之间)而流经接地故障通路30 (因此流经保险丝40)。如果正极接地故障发生在阵列的中间模块，则在故障点处的阵列电位将小于在点19与点17之间的电位。保险丝可以以与关于图2的负极接地故障所描述的方式相同的方式来熔断。
[0051]转向示出了根据一个实施方式的GFDI电路14的图4。保险丝40耦接在待被监测接地故障的电路的接地连接点41与DC连接点42 (等价于图1-3的点15)之间。为了遵守UL1741，保险丝40的额定值可以在IA与5A之间，以及可选地可以包括保险丝座。可以包括电压监测继电器的电压监测器47与保险丝并联连接并被设置成在输入Vml和Vm2上监测保险丝两端的电压。为了冗余和安全，可以使用多个电压监测器。电压监测器还可以连接在故障安全装置中。故障安全装置可以包括两个独立控制的电压监测器，所述两个电压监测器的输出串联连接并且被配置成例如通过断开常闭触点或闭合常开触点来在对应的输出46上提供正的“健康”指示。由于输出46的串联连接，任意单个部件(除图4的连接点41和42之外)可以发生故障而不给出错误健康指示。每个电压监测器设置有电源43(+￥8，；8)，例如2知电源。可以通过可选开关44使电压监测器47停用。
[0052]可以针对每个电压监测器47提供分压器45以防止每个监测器输入的过高电压。这可以用来采用电压容限小于待监测电路的操作条件的电压监测器。分压器的电阻可以为IOOk欧姆至100M欧姆范围内的值并且可以基于降低功耗和/或最小化信号衰减以最大化分辨率来选择。
[0053]每个电压监测器包括输出46，在该输出46上可以进行接地故障情形指示。这可以包括点亮灯或其它指示装置。为了遵守UL1741，输出46还可以通过从图1至图3的输出16的方式使得逆变器停止。在包括不止一个电压监测器的实施方式中，输出46可以串联连接。
[0054]如相对于图1 至图3讨论的，当发生接地故障时，接地故障电流流经保险丝40。当保险丝保持未损坏时，保险丝两端的电压为低压，例如低于I伏(如本领域的技术人员理解的施加于保险丝的电阻)。在这种情况下，电压监测器47在输入Vml与Vm2之间检测到保险丝两端具有小电压，而该小电压不被认为足够大以指示接地故障。当接地故障电流升高时，保险丝将最终在其额定电流水平处熔断。在保险丝熔断之后，由于PV阵列的电位或前述接地电缆13中的压降，电压监测器47在输入Vml与Vm2之间检测到保险丝两端的电压增加。通过电压监测器来确定该电压的增加以指示保险丝熔断情形，而保险丝熔断情形又指示接地故障电流。接地故障情形可以在输出46上进行指示以警告工作人员可能存在阵列12的“正常接地”点不再处于接地电位，即所述点可能“带电”并构成危险。优选地，输出46应当使逆变器停用。除了向工作人员警告危险之外，输出46还提醒工作人员校正故障。
[0055]电压监测器47被设置成在输入Vml和Vm2上检测到至少预定电压电平之后指示接地故障情形。预定电压电平可以被设置为仅在保险丝熔断时可达到的值。
[0056]优选地，选择GFDI电路14的部件，使得电压监测器可以检测保险丝两端的例如小于20V的电压，以降低对工作人员的危险。这可以通过选择具有高输入阻抗(在Vml与Vm2之间)的高精度电压监测器来实现以降低电压监测器能够检测到的输入电压的衰减。
[0057]图5示出了 GFDI电路14的一个可替代实施方式。在该实施方式中，使用隔离的DC源或AC源52向保险丝40注入小感测电流50。保险丝40以与图1至图4相似的方式相对于待监测电路进行布置。所述感测电流具有防止电流显著变化以致保险丝将会熔断的水平，，该水平例如优选地不大于100mA，或可替代地可以在选择保险丝时考虑该感测电流。因此通过保险丝40的电流等于任何接地故障电流59加上注入电流50 (或当为DC电流并且沿相反方向时减去注入电流)。可以通过测量线内电流测量器54处的电流来确定保险丝的状态。如果测量的电流大于预定阈值，这被解释为指示保险丝未熔断并且未发生接地故障。如果电流小于预定阈值，则认为保险丝已经熔断并且例如通过点亮灯或其它装置来在输出56上指示接地故障情形。被监测的电路还可以以与图1至图4的实施方式相同的方式通过输出16而被停用。
[0058]在图1至图5的实施方式中，其中，监测PV阵列和相关联的逆变器，可以使逆变器停用。相同效果还可以通过测量到达源(在58处)的输入电流来实现，所述源对隔离电源52中存在的损耗进行附加补偿。这种配置的一个益处是测量电路由于PSU中的隔离而受到保护。
[0059]另一个实施方式包括检测流入电源的电流，其可以包括使用用于控制开关式电源的现有部件。例如可以通过监测开关式电源或软件中的现有部件，例如通过监测被设置成控制开关式电源的微处理器中的变量来电气化地实现所述监测。
[0060]可以降低注入至保险丝中的平均电流(以最小化正对被监测的保险丝的影响并且降低功耗)，而且通过调制电流，例如通过低占空比方波来保持用于检测的可接受值。这样的方波将有规律地产生足够幅度的电流脉冲以检测保险丝是否烧断并且降低平均电流。还可以对检测到的信号进行频率滤波(例如高通或带通滤波)以增加抗扰度。
[0061]还可以通过使用包括电流感测电阻器和相关联的部件的多种方法来实现电流测量。可替代地，电流测量可以包括具有适当的感测范围的电流监测继电器。
[0062]图1至图5示出并描述了相对于待监测的负极接地电路而布置的GFDI电路14。在此，GFDI所连接至的DC连接点为位于(负极)接地电缆13的远离待监测电路(PV阵列12)的端部的、待监测电路的点15。GFDI可以相对于待监测的正极接地电路来布置。在这种情况下，GFDI所连接至的DC连接点为位于(正极)接地电缆21的远离如图1所示的待监测电路(例如PV阵列)的端部的、待监测电路的点20，并且以适当调节的极性按照相同方式进行操作。可替代地，至待监测电路的连接点可以为中间点，例如在阵列12的两个PV模块之间的点。该中间点可以为阵列的中压点。
[0063]在一个可替代的实施方式中，注入电流50可以包括信号波形。该信号波形可以在通过保险丝之后，通过操作测量装置54 (例如可以包括滤波器的电流感测电阻器)来检测。如果通过测量装置54未检测到信号波形，则认为保险丝已经熔断。使用信号波形实施方式，当与图5的感测电流方法相比时可以降低注入电流的水平。
[0064]电压监测器47的输入阻抗优选地为尽可能高(例如数百k欧姆)以便当保险丝熔断时最小化功耗。
[0065]可见，GFDI设置有相对于现有机械系统改进的可靠性并且具有能够适于待监测电路的容限，例如容许IOOOv的情形。可以使用电压或电流检测装置来确定接地故障情形。GFDI电路的各个部件可以包括预先批准(列举)的部件以简化标准(例如UL1741)的批准流程并限制需要的测试的量。
[0066]相对于DC电路的监测描述了在本文中公开的实施方式。以上GFDI系统还可以被设置成监测AC电路。[0067]根据以上实施方式，可以使用具有比待监测电路中的极限情形更低额定值的(列举的)部件来设置GFDI。
【权利要求】
1.一种接地故障检测电路，包括: 保险丝； 保险丝检测电路； 所述保险丝和所述保险丝检测电路被设置成并联耦接在待被检测接地故障的受监测电路的参考点与第二点之间；其中 所述保险丝检测电路还被设置成: 检测指示接地故障情形的保险丝熔断；以及 使所述受监测电路的至少一部分停用。
2.根据权利要求1所述的接地故障检测电路，其中，指示接地故障的保险丝熔断能够通过检测所述保险丝两端的至少预定电压或指示流过所述保险丝的电流的信号来进行检测，可选地，其中所述保险丝两端的预定电压是由于流经所述保险丝的至少预定电流熔断所述保险丝而引起的。
3.根据任一项前述权利要求所述的接地故障检测电路，其中，所述保险丝检测电路包括被设置成并联耦接在待被检测接地故障的受监测电路的参考点与第二点之间的电压监测器。
4.根据权利要求1或2所述的接地故障检测电路，其中，所述保险丝检测电路包括被设置成并联耦接在待被检测接地故障的受监测电路的参考点与第二点之间的至少两个电压监测器。
5.根据权利要求3所述的接地故障检测电路，还包括耦接在每个电压监测器与所述保险丝之间的分压器，可选地，其中所述分压器包括具有在IOOk欧姆至100M欧姆之间的值的电阻器。
6.根据权利要求1或2所述的接地故障检测电路，其中，所述保险丝的额定值在IA与5A之间。
7.根据权利要求1或2所述的接地故障检测电路，其中，每个电压监测器是电压监测继电器。
8.根据权利要求1所述的接地故障检测电路，其中，所述保险丝检测电路包括被设置成向所述保险丝注入电流的隔离的直流源或交流源，可选地，其中所述保险丝检测电路还包括被设置成对被注入至所述保险丝并且流过所述保险丝的电流或指示该电流的信号进行检测的检测装置，另外可选地，其中所述保险丝检测电路的检测装置被设置成检测电流信号波形，另外可选地，其中所述检测装置包括滤波器。
9.根据权利要求1或2所述的接地故障检测电路，其中，所述保险丝检测电路还被设置成在输出上指示故障情形。
10.根据权利要求1或2所述的接地故障检测电路，其中，所述受监测电路的第二点为正极连接点或负极连接点。
11.根据权利要求1或2所述的接地故障检测电路，其中，所述电路容许600V或更高的电压，可选地，其中所述电路容许1000V或更高的电压。
12.根据权利要求1或2所述的接地故障检测电路，其中，所述参考点为接地连接点。
13.根据权利要求1或2所述的接地故障检测电路，其中，所述第二点为直流连接点或交流连接点。
14.一种检测接地故障的方法，包括: 通过保险丝检测电路检测指示接地故障情形的保险丝熔断； 所述保险丝和所述保险丝检测电路被设置成并联耦接在受监测电路的参考点与第二点之间；以及 响应于检测到所述保险丝熔断情形，使所述受监测电路的至少一部分停用。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，检测指示接地故障的保险丝熔断包括:检测所述保险丝两端的至少预定电压或指示流过所述保险丝的电流的信号，可选地，其中所述保险丝两端的预定电压是由于流经所述保险丝的至少预定电流熔断所述保险丝而引起的。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述保险丝检测电路包括被设置成并联耦接在待被检测接地故障的受监测电路的参考点与第二点之间的电压监测器。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述保险丝检测电路包括被设置成并联耦接在待被检测接地故障的受监测电路的参考点与第二点之间的至少两个电压监测器。
18.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述保险丝检测电路包括被设置成向所述保险丝注入电流的隔离的直流源或交流源，可选地，其中所述保险丝检测电路还包括被设置成对被注入至所述保险丝并且流过所述保险丝的电流或指示所述电流的信号进行检测的检测装置，另外可选地，其中所述保险丝检测电路的检测装置被设置成检测电流信号波形，另外可选地，其中所述检测装置包括滤波器。
19.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述保险丝检测电路还被设置成在输出上指示故障情形。
20.一种接地故障检测系统，包括: 根据权利要求1或2所述的电路； 其中，PV阵列是所述受监测电路；以及 所述PV阵列的逆变器，所述逆变器被设置成响应于检测到指示接地故障情形的保险丝熔断而被停用。
【文档编号】G01R31/08GK104007361SQ201410062064
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2013年2月22日
【发明者】马克·托尔斯, 迪伦·温·戴维斯 申请人:控制技术有限公司