专利名称：使用单个变压器进行接地故障电路中断检测的方法和设备的制作方法
技术领域：
本申请总体上涉及用于接地故障电路中断(“GFCI”)检测的方法和设备。更具体来说，本申请涉及使用单个变压器进行GFCI检测以便检测AC电力系统的电路分支中的地电流故障和接地中性(neutral)故障的方法和设备。
背景技术：
单相AC电力系统的电路分支通常使用电缆，所述电缆包括耦合在源与负载之间的中性导体和线导体，其中中性导体在源处接地。GFCI器件被安装在这样的电路分支中，以便在检测到负载处的从线导体到地的地电流故障以及负载处的中性导体与地之间的接地中性故障(例如低阻抗连接故障)时中断电力。GFCI器件提供远离触电的安全保护，并且主要被用在其中水或湿气可能构成触电危险的厨房、浴室和户外区域内的插座中。GFCI器件也被用在保护这些相同区域的断路器中。GFCI器件通常使用差动电流变压器来感测线导体和中性导体中的电流不平衡，所述电流不平衡是由来自线导体的接地泄漏电流通过除了中性导体之外的非意定接地电路路径返回到源而导致的。为了防止由于电击而受伤，GFCI器件必须在线导体与中性导体中的电流差动低至为5毫安时发起电路中断。如果发生接地中性故障，则所述差动电流变压器可能无法检测到接地泄漏电流的真实量值。具体来说，由于中性导体通常在源处接地，因此接地泄漏电流的一部分可能会通过中性导体返回源。其结果是，差动电流变压器中的电流差动将不会精确地对应于接地泄漏电流的实际量值。因此，接地中性故障可能会降低差动电流传感器的灵敏度，从而使得 GFCI器件将只会响应于显著更高的接地泄漏电流电平而跳闸(trip)。为了解决这一问题，许多先前已知的GFCI器件使用中性导体上的第二变压器来检测接地中性故障。在这样的器件中，如果在中性导体与地之间存在低阻抗连接故障，则 GFCI器件形成一个振荡器，其输出信号使用第二变压器耦合到差动电流变压器。所述振荡器信号随后被用来检测接地中性故障。在检测到接地中性故障之后，GFCI器件中断AC电力系统中的电力。这样的两变压器GFCI器件需要相当大的空间来容纳两个变压器，并且还会招致第二变压器的额外成本。为了克服这些缺点，一些先前已知的GFCI器件使用单个变压器来检测地电流故障和接地中性故障。举例来说，Howell的标题为“Ground Fault Circuit Interrupter Utilizing A Single Transformer (利用单个变压器的接地故障电路中断器)”的美国专利号4，001, 646描述了一种使用单个变压器来检测地电流故障和接地中性故障的GFCI器件。 具体来说，Howell使用负电阻网络来形成振荡信号，除非在中性导体与地之间存在低阻抗
4连接故障，否则所述振荡信号将增大。在这方面，Howell的GFCI器件相当复杂且笨重。此外，先前已知的两变压器和单变压器GFCI器件通常对于被用来检测接地中性故障的振荡器信号的量值或频率没有什么控制。其结果是，这样的器件可能无法提供一致且可靠的接地中性故障检测。因此，期望有改进的GFCI器件。
发明内容
在本发明的第一方面中，提供一种用于与包括线导体、中性导体和变压器的AC电力系统一起使用的器件，所述线导体和中性导体每个都耦合在源与负载之间，中性导体在源处耦合到地，并且所述变压器包括与线导体串联耦合的第一初级绕组、与中性导体串联耦合的第二初级绕组以及次级绕组。所述器件包括耦合到次级绕组的第一电路，其中所述第一电路在从线导体到地的电流超出第一预定阈值的情况下提供第一检测信号。所述器件还包括耦合到次级绕组的第二电路，其中所述第二电路包括向次级绕组提供指定幅度和指定频率下的AC信号的AC信号源。所述第二电路还在中性导体与地之间的阻抗小于第二预定阈值的情况下提供第二检测信号。在本发明的第二方面中，提供一种用于与包括线导体、中性导体和变压器的AC电力系统一起使用的GFCI器件，所述线导体和中性导体每个都耦合在源与负载之间，中性导体在源处耦合到地，所述变压器包括与线导体串联耦合的第一初级绕组、与中性导体串联耦合的第二初级绕组以及次级绕组。所述器件包括耦合到次级绕组的地电流故障检测器电路。地电流故障检测器电路在次级绕组中的电流超出第一预定阈值的情况下提供第一检测信号。所述器件还包括耦合到次级绕组的接地中性故障检测器电路。接地中性故障检测器电路(a)包括利用指定幅度和指定频率下的AC电压驱动次级绕组的AC信号源；(b)监测次级绕组中的负载电流；以及(c)在负载电流超出预定阈值的情况下提供第二检测信号。在本发明的第三方面中，提供一种用于与包括线导体、中性导体和变压器的AC电力系统一起使用的GFCI检测方法，所述线导体和中性导体每个都耦合在源与负载之间，中性导体在源处耦合到地。所述变压器包括与线导体串联耦合的第一初级绕组、与中性导体串联耦合的第二初级绕组以及次级绕组。所述方法包括a)在第一预定时间间隔，监测次级绕组中的电流，并且在所监测的次级电流超出第一预定阈值的情况下提供第一检测信号； 以及(b)在第二预定时间间隔，利用指定幅度和指定频率下的AC电压或电流驱动次级绕组，监测次级绕组中的负载电流或次级绕组两端的电压，并且在负载电流或负载超出预定阈值的情况下或者在负载电压小于预定阈值的情况下提供第二检测信号。根据下面的详细描述、所附权利要求书和附图，本发明的其他特征和方面将变得更加完全显而易见。
根据在下面结合附图考虑的详细描述，可以更加清楚地理解本发明的特征，其中相同的参考数字始终指示相同的元件，并且在附图中
图1是根据本发明的一种示例性GFCI器件的框图； 图2是根据本发明的一种示例性GFCI器件的更加详细的框图； 图3是根据本发明的一种替换的示例性GFCI器件的框图；图4是根据本发明的另一种替换的示例性GFCI器件的框图；以及图5是根据本发明的又一种替换的示例性GFCI器件的框图。
具体实施例方式本发明提供了改进的GFCI器件，其使用单个变压器来检测AC电力系统中的地电流故障和接地中性故障。具体来说，根据本发明的GFCI器件包括单个变压器、地电流故障检测器电路和接地中性故障检测器电路。在第一预定时间间隔，地电流故障检测器电路监测变压器的次级绕组中的第一电流，以便确定接地泄漏电流是否超出第一预定阈值。如果超出了第一阈值，则GFCI器件中断AC电力系统。在第一预定时间间隔之后，接地中性故障检测器电路利用具有指定量值和频率的 AC信号(例如AC电压)驱动所述变压器的次级绕组，并且监测所述变压器的次级绕组中的信号(例如第二电流或电压)，以便确定低阻抗地到中性故障是否小于第二预定阈值。所监测的AC信号可以被用来确定从地到中性的阻抗。如果所监测的AC信号指示从地到中性的阻抗小于第二预定阈值，则GFCI器件中断AC电力系统。在第二预定时间间隔之后，接地中性故障检测器电路停止驱动变压器的次级绕组，并且地电流故障检测器电路恢复(resume)监测次级绕组中的第一电流达另一个第一预定时间间隔以便检测地电流故障。该过程以迭代方式继续，以便使用单个变压器连续检测地电流故障和接地中性故障。参照图1，描述了根据本发明的第一示例性GCFI器件。GFCI器件10包括单个变压器12、地电流故障检测器电路14、接地中性故障检测器电路16以及中断电路18。变压器12是具有环形磁芯和次级绕组20的差动电流变压器。本领域普通技术人员将理解，可以使用其他差动电流变压器。AC电力系统的线导体L和中性导体N穿过变压器12的环形磁芯以作为单匝初级绕组。本领域普通技术人员将理解，线导体L和中性导体N可以替换地被配置为变压器12 的多匝初级绕组。线导体L和中性导体N每个都耦合在源(“SOURCE”)与负载(“LOAD”)之间，并且中性导体N在源处耦合到地。次级绕组20耦合到地电流故障检测器电路14的输入端子和接地中性故障检测器电路16的输出端子。次级绕组20可以是具有Ns匝的单个绕组，如图1中所示出的那样。 可替换地，次级绕组20可以包括耦合到地电流故障检测器电路14的输入端子的具有Nsi匝的第一次级绕组，以及耦合到接地中性故障检测器电路16的输入端子的具有Ns2匝的第二次级绕组。在又一些其他实施例中，次级绕组20可以包括单个绕组，其包括耦合到地电流故障检测器电路14的输入端子的第一抽头输出端和耦合到接地中性故障检测器电路16的输入端子的第二抽头输出端。本领域普通技术人员将理解，可以使用其他类似的绕组配置。根据本发明，GFCI器件10通过监测变压器12的次级绕组20处的信号来检测被指示为R·的负载处的线到地故障，以及被指示为Re2N的负载处的低阻抗地到中性故障。具体来说，流经线到地故障R·的接地泄漏电流I⑶导致经过变压器12的差动电流。所述差动电流促使次级绕组14传导电流Is，其通过次级绕组14上的匝数Ns的倒数而与接地泄漏电流I⑶相关
权利要求
1.一种用于与包括线导体、中性导体和变压器的AC电力系统一起使用的器件，所述线导体和中性导体每个都耦合在源与负载之间，中性导体在源处耦合到地，其中所述变压器包括与线导体串联耦合的第一初级绕组、与中性导体串联耦合的第二初级绕组以及次级绕组，所述器件包括耦合到次级绕组的第一电路，其中所述第一电路在从线导体到地的电流超出第一预定阈值的情况下提供第一检测信号；以及耦合到次级绕组的第二电路，其中所述第二电路包括AC信号源，其向次级绕组提供指定幅度和指定频率下的AC信号，并且其中所述第二电路在中性导体与地之间的阻抗小于第二预定阈值的情况下提供第二检测信号。
2.权利要求1的器件，还包括耦合到线导体的中断电路，其中所述中断电路在第一电路提供第一检测信号的情况下以及/或者在第二电路提供第二检测信号的情况下中断AC 电力系统中的电力。
3.权利要求2的器件，其中，所述中断电路被布置在源与变压器之间。
4.权利要求2的器件，其中，所述中断电路被布置在负载与变压器之间。
5.权利要求1的器件，其中，所述次级绕组包括由第一电路和第二电路共享的单个绕组。
6.权利要求1的器件，其中，所述次级绕组包括耦合到第二电路的抽头输出端。
7.权利要求1的器件，其中，所述次级绕组包括耦合到第一电路的第一次级绕组和耦合到第二电路的第二次级绕组，其中第一次级绕组和第二次级绕组是分开的绕组。
8.权利要求1的器件，其中，所述AC源包括AC电压源，并且其中所述第二电路在次级绕组中的电流超出预定阈值的情况下提供第二检测信号。
9.权利要求1的器件，其中，所述AC源包括AC电流源，并且其中所述第二电路在次级绕组两端的电压超出预定阈值的情况下提供第二检测信号。
10.权利要求1的器件，其中，所述第一电路包括数字电路。
11.权利要求1的器件，其中，所述第一电路包括数字接地故障检测器电路，其在次级绕组中的电流超出第一预定阈值的情况下提供第一检测信号。
12.权利要求1的器件，其中，所述第二电路包括数字电路。
13.一种用于与包括线导体、中性导体和变压器的AC电力系统一起使用的接地故障电路中断(“GFCI”)器件，所述线导体和中性导体每个都耦合在源与负载之间，中性导体在源处耦合到地，其中所述变压器包括与线导体串联耦合的第一初级绕组、与中性导体串联耦合的第二初级绕组以及次级绕组，所述器件包括耦合到次级绕组的地电流故障检测器电路，其中所述地电流故障检测器电路在次级绕组中的电流超出第一预定阈值的情况下提供第一检测信号；以及耦合到次级绕组的接地中性故障检测器电路，其中所述接地中性故障检测器电路 (a)包括利用指定幅度和指定频率下的AC电压驱动次级绕组的AC信号源，(b)监测次级绕组中的负载电流，以及(c)在负载电流超出预定阈值的情况下提供第二检测信号。
14.权利要求13的GFCI器件，还包括耦合到线导体的中断电路，其中所述中断电路在地电流故障检测器电路提供第一检测信号的情况下以及/或者在接地中性故障检测器电路提供第二检测信号的情况下中断AC电力系统中的电力。
15.权利要求14的器件，其中，所述中断电路被布置在源与变压器之间。
16.权利要求14的器件，其中，所述中断电路被布置在负载与变压器之间。
17.权利要求13的器件，其中，所述次级绕组包括由地电流故障检测器电路和第二电路共享的单个绕组。
18.权利要求13的器件，其中，所述次级绕组包括耦合到接地中性故障检测器电路的抽头输出端。
19.权利要求13的器件，其中，所述次级绕组包括耦合到地电流故障检测器电路的第一次级绕组和耦合到接地中性故障检测器电路的第二次级绕组，其中第一次级绕组和第二次级绕组是分开的绕组。
20.权利要求13的器件，其中，所述AC源包括AC电压源，并且其中所述接地中性故障检测器电路在次级绕组中的电流超出预定阈值的情况下提供第二检测信号。
21.权利要求13的器件，其中，所述AC源包括AC电流源，并且其中所述接地中性故障检测器电路在次级绕组两端的电压超出预定阈值的情况下提供第二检测信号。
22.一种用于与包括线导体、中性导体和变压器的AC电力系统一起使用的接地故障电路中断(“GFCI”)检测的方法，所述线导体和中性导体每个都耦合在源与负载之间，中性导体在源处耦合到地，其中所述变压器包括与线导体串联耦合的第一初级绕组、与中性导体串联耦合的第二初级绕组以及次级绕组，所述方法包括(a)在第一预定时间间隔(i )监测次级绕组中的电流；以及(ii)在所监测的次级电流超出第一预定阈值的情况下提供第一检测信号；以及(b)在第二预定时间间隔(i)利用指定幅度和指定频率下的AC电压或电流驱动次级绕组；(ii)监测次级绕组中的负载电流或次级绕组两端的电压；以及(iii)在负载电流或负载超出预定阈值的情况下或者在负载电压小于预定阈值的情况下提供第二检测信号。
23.权利要求22的方法，还包括迭代地重复步骤(a)以及随后步骤(b)。
24.权利要求22的方法，还包括响应于第一检测信号和/或第二检测信号中断AC电力系统中的电力。
25.权利要求22的方法，其中，第一预定时间间隔处于大约1和560毫秒之间。
26.权利要求22的方法，其中，第一预定时间间隔是大约100毫秒。
27.权利要求22的方法，其中，第二预定时间间隔处于大约0.1和17毫秒之间。全文摘要
在第一方面中，提供一种用于与包括线导体、中性导体和变压器的AC电力系统一起使用的器件，所述线导体和中性导体每个都耦合在源与负载之间，中性导体在源处耦合到地，并且所述变压器包括与线导体串联耦合的第一初级绕组、与中性导体串联耦合的第二初级绕组以及次级绕组。所述器件包括耦合到次级绕组的第一电路，其中所述第一电路在从线导体到地的电流超出第一预定阈值的情况下提供第一检测信号。所述器件还包括耦合到次级绕组的第二电路，其中所述第二电路包括AC信号源，其向次级绕组提供指定幅度和指定频率下的AC信号。所述第二电路还在中性导体与地之间的阻抗小于第二预定阈值的情况下提供第二检测信号。还提供了许多其他方面。
文档编号H02H3/33GK102460879SQ201080031579
公开日2012年5月16日 申请日期2010年5月14日 优先权日2009年5月14日
发明者T. 金塞尔 H. 申请人:西门子工业公司