专利名称：用于多频接地故障电路中断接地中性故障检测的方法和装置的制作方法
技术领域：
本申请总体上涉及用于接地故障电路中断(“GFCI”)检测的方法和装置。更具体地，本申请涉及用于使用多音和/或多频信号进行GFCI接地中性故障检测以检测AC电力系统的电路支路中的接地中性故障的方法和装置。
背景技术：
典型地，单相AC电力系统的电路支路使用包括耦合在源与负载之间的线路导体和中性导体的电气线缆，其中，中性导体在源处接地。GFCI设备安装在这种电路支路中，以在检测到来自在负载处接地的线路导体的接地电流故障以及中性导体与负载处的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设备提供免于触电死亡的安全保护，并主要用在其中水或湿气可造成触电死亡的风险的厨房、浴室和户外区域中的插座中。GFCI设备还用在保护这些相同区域的断路器中。典型地，GFCI设备使用差动电流变压器来在线路和中性导体中感测由从线路导体经过与中性导体不同的非预期接地电路路径返回至源的接地泄漏电流产生的电流不平衡。 为了防止来自电击的损伤，GFCI设备必须在线路和中性导体中的电流差动低至5毫安时发起电路中断。如果发生接地中性故障，则差动电流变压器可能不会检测到接地泄漏电流的真实量值。具体地，由于中性导体典型地在源处接地，因此接地泄漏电流的一部分可以通过中性导体返回至源。结果，差动电流变压器中的电流差动将不会精确对应于接地泄漏电流的实际量值。因此，接地中性故障可能对差动电流传感器不敏感，以使得GFCI设备将仅响应于显著更高的接地泄漏电流电平而跳闸。为了解决该问题，许多先前已知的GFCI设备在中性导体上使用第二变压器来检测接地中性故障。在这种设备中，如果在中性导体与地之间存在低阻抗连接故障，则GFCI 设备形成振荡器，使用第二电压器将该振荡器的输出信号耦合至差动电流变压器。然后，使用振荡器信号来检测接地中性故障。在检测到接地中性故障时，GFCI设备中断AC电力系统中的电力。备选地，一些先前已知的GFCI设备使用单个变压器来检测接地电流故障和接地中性故障。例如，名称为"Ground Fault Circuit Interrupter Utilizing A Single ^Transformer”的Howell美国专利No. 4, 001, 646描述了一种GFCI设备，其使用单个变压器来检测接地电流故障和接地中性故障。具体地，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连接故障，否则该振荡信号增长。
其他单变压器GFCI设备(例如，在于2010年5月13日提交的名称为“METHOD S AND APPARATUS FOR GROUND FAULT CIRCUIT INTERRUPT DETECTION USING A SINGLE TRANSFORMER"的序列号为12/779，406的共同待审美国专利申请中描述的GFCI设备，出于所有目的通过引用将该美国专利申请整体并入此处)通过使用AC源(例如AC电压源)驱动单个变压器并监测变压器中的负载电流，来检测接地中性故障。在一些先前已知的双变压器和单变压器GFCI设备中，振荡器或AC源连续地、周期性地、或仅在发生接地中性故障时进行操作。大多数先前已知的GFCI设备使用振荡器或AC 源以及比较器，该振荡器或AC源使用相对较高的单频AC信号，该比较器在超过阈值电平的情况下跳闸。许多这种GFCI设备易受干扰信号影响，干扰信号可以防止对接地中性故障的检测，或者可以被错误地检测为接地中性故障，从而不必要地中断AC电力(通常称为误跳间(nuisance trip))。具体地，AC电力系统可以具有产生干扰GFCI设备的信号的负载电路。例如，电动机(尤其是可变速度电动机)在调光器或风扇速度控制器中旋转切换，并且，荧光灯器具可以产生这种干扰信号。典型地，干扰信号在频率上比50或60Hz的AC电力系统频率更高很多。典型地，GFCI设备中用于检测接地泄漏电流的电路包括低通滤波，该低通滤波防止高频干扰信号扰乱检测器。然而，使用更高单频AC信号检测方法的接地中性故障检测器易受这种高频干扰信号影响。因此，期望改进的GFCI设备。
发明内容
在本发明的第一方面中，提供了一种与AC电力系统一起使用的GFCI设备，所述AC 电力系统包括线路导体、中性导体和变压器。所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，并且所述中性导体在所述源处耦合至地。所述变压器包括与所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕组、以及次级绕组。 所述设备包括耦合至所述次级绕组的接地中性故障检测器电路。所述接地中性故障检测器电路(a)利用多频AC信号来驱动所述次级绕组；(b)监测所述次级绕组中的多频负载信号；以及(c)在所监测的负载信号超过预定阈值的情况下提供第一检测信号。还提供了许多个其他方面。在本发明的第二方面中，提供了一种与AC电力系统一起使用的GFCI设备，所述AC 电力系统包括线路导体、中性导体和变压器。所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，并且所述中性导体在所述源处耦合至地。所述变压器包括与所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕组、以及次级绕组。 所述设备包括耦合至所述次级绕组的接地中性故障检测器电路。所述接地中性故障检测器电路包括(a) AC信号源，其利用多频AC信号来驱动所述次级绕组；(b)检测器电路，其监测所述次级绕组中的多频负载信号；以及(c)处理器，其在所监测的负载信号超过预定阈值的情况下提供第一检测信号。在本发明的第三方面中，提供了一种与AC电力系统一起使用的用于GFCI检测的方法，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体和变压器。所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，并且所述中性导体在所述源处耦合至地。所述变压器包括与所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述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)监测所述次级绕组中的电流， 以及(ii)在所监测的次级电流超过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，利用多频AC电压或电流来驱动所述次级绕组；(ii)监测所述次级绕组中的多频负载电流或所述次级绕组两端的多频电压，以及(iii)对多频驱动信号与多频监测信号进行处理，以确定低阻抗接地中性故障是否小于第二预定阈值。在本发明的第四方面中，提供了一种与AC电力系统一起使用的GFCI设备，所述 AC电力系统包括线路导体、中性导体、第一变压器和第二变压器。所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，并且所述中性导体在所述源处耦合至地。所述第一变压器包括与所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕组、以及次级绕组。所述第二变压器包括与所述中性导体串联耦合的第一初级绕组以及次级绕组。所述设备包括耦合至所述第二变压器的次级绕组的多频信号驱动器电路以及耦合至所述第一变压器的次级绕组的接地中性故障检测器电路。所述多频信号驱动器电路利用多频AC信号来驱动所述第二变压器的次级绕组。所述接地中性故障检测器电路包括(a)检测器电路，其监测所述第二变压器的次级绕组中的多频负载信号；以及(b)处理器，其在所监测的负载信号超过预定阈值的情况下提供第一检测信号。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具体实施方式
，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是根据本发明的示例性单变压器多频GFCI设备的框图；图2是根据本发明的与GFCI设备一起使用的示例性多频信号的图；图3是根据本发明的与GFCI设备一起使用的备选示例性多频信号的图；图4是根据本发明的示例性单变压器多频GFCI设备的更详细框图；图5是与图4的示例性设备一起使用的示例性全波整流器混频器；图6是根据本发明的备选示例性单变压器多频GFCI设备的框图；图7是根据本发明的示例性双变压器多频GFCI设备的框图；图8是根据本发明的示例性双变压器多频GFCI设备的更详细框图；图9是根据本发明的另一备选示例性单变压器多频GFCI设备的框图；以及图10是根据本发明的备选示例性双变压器多频GFCI设备的框图。
具体实施例方式本发明提供了改进的GFCI设备，其使用多音和/或多频AC信号来检测AC电力系统中的接地中性故障。具体地，根据本发明的GFCI设备包括变压器、接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，接地电流故障检测器电路监测所述变压器的次级绕组中的第一电流，以确定接地泄漏电流是否超过第一预定阈值。如果超过第一阈值，则GFCI设备中断AC电力系统。
在第二预定时间间隔期间，接地中性故障检测器电路利用多频AC信号(例如电压或电流)来驱动变压器的次级绕组，并检测变压器的次级绕组中的多频AC信号(例如负载电流或感应电压)，以确定低阻抗地至中性故障是否小于第二预定阈值。具体地，接地中性故障检测器电路对多频驱动信号与检测到的多频信号进行处理(例如混频或互相关)，以在存在干扰信号和/或噪声的情况下改进检测。参照图1，描述根据本发明的第一示例性GCFI设备。GFCI设备10包括变压器12、 接地电流故障检测器电路14、多频接地中性故障检测器电路16和中断电路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电力系统的线路导体L和中性导体N经过变压器12的作为单匝初级绕组的环形磁芯。本领域普通技术人员将理解，备选地，线路导体L和中性导体N可以被配置为变压器12的多匝初级绕组。线路导体L和中性导体N中的每一个耦合在源(“SOURCE”)与负载(“LOAD”)之间，并且中性导体N在源处耦合至地。次级绕组20耦合至接地电流故障检测器电路14的输入端子和多频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所示。备选地，次级绕组20可以包括具有Nsl匝的第一次级绕组，其耦合至接地电流故障检测器电路 14的输入端子；以及具有Ns2匝的第二次级绕组，其耦合至多频接地中性故障检测器电路16 的输入端子。在其他实施例中，次级绕组20可以包括单个绕组，该单个绕组包括耦合至接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至多频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，可以使用其他类似绕组配置。根据本发明，GFCI设备10通过监测变压器12的次级绕组20处的信号来检测负载处的线路至地故障(被指示为R·)和负载处的低阻抗地至中性故障(被指示为Re2N)。具体地，流经线路至地故障R·的接地泄漏电流I⑶产生经过变压器12的差动电流。差动电流使次级绕组20引导与接地泄漏电流I⑶乘以次级绕组20上的匝数Ns的倒数相关的电流Is:
权利要求
1.一种与AC电力系统一起使用的接地故障电路中断(“GFCI”)设备，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体和变压器，所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，所述中性导体在所述源处耦合至地，其中，所述变压器包括与所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕组、以及次级绕组，所述设备包括耦合至所述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)利用多频AC信号来驱动所述次级绕组；(b)监测所述次级绕组中的多频负载信号； 以及(c)在所监测的负载信号超过预定阈值的情况下提供第一检测信号。
2.根据权利要求1所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括多频AC电压信号。
3.根据权利要求1所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括多频AC电流信号。
4.根据权利要求1所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括M个间隔，在每个间隔中具有对应的唯一频率。
5.根据权利要求4所述的GFCI设备，其中，M大于或等于3。
6.根据权利要求4所述的GFCI设备，其中，如果在所述M个间隔中的至少N个间隔中所监测的负载信号超过预定阈值，则所述接地中性故障检测器电路提供所述第一检测信号，其中N小于或等于M。
7.根据权利要求1所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括啁啾信号。
8.根据权利要求1所述的GFCI设备，其中，所述接地中性故障检测器电路将所述多频 AC信号与所监测的多频负载信号进行混频。
9.根据权利要求1所述的GFCI设备，其中，所述接地中性故障检测器电路将所述多频 AC信号与所监测的多频负载信号进行互相关。
10.根据权利要求1所述的GFCI设备，还包括耦合至所述次级绕组的接地电流故障检测器电路，其中，如果所述次级绕组中的电流超过预定阈值，则所述接地电流故障检测器电路提供第二检测信号。
11.根据权利要求10所述的GFCI设备，还包括耦合至所述线路导体的中断电路，其中，如果所述接地中性故障检测器电路提供所述第一检测信号，和/或如果所述接地电流故障检测器电路提供所述第二检测信号，则所述中断电路中断所述AC电力系统中的电力。
12.—种与AC电力系统一起使用的接地故障电路中断(“GFCI”)设备，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体和变压器，所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，所述中性导体在所述源处耦合至地，其中，所述变压器包括与所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕组、以及次级绕组，所述设备包括耦合至所述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包括(a) AC信号源，其利用多频AC信号来驱动所述次级绕组；(b)检测器电路，其监测所述次级绕组中的多频负载信号；以及(c)处理器，其在所监测的负载信号超过预定阈值的情况下提供第一检测信号。
13.根据权利要求12所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括多频AC电压信号。
14.根据权利要求12所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括多频AC电流信号。
15.根据权利要求12所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括M个间隔，在每个间隔中具有对应的唯一频率。
16.根据权利要求15所述的GFCI设备，其中，M大于或等于3。
17.根据权利要求15所述的GFCI设备，其中，如果在所述M个间隔中的至少N个间隔中所监测的负载信号超过预定阈值，则所述接地中性故障检测器电路提供所述第一检测信号，其中N小于或等于M。
18.根据权利要求12所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括啁啾信号。
19.根据权利要求12所述的GFCI设备，其中，所述接地中性故障检测器电路将所述多频AC信号与所监测的多频负载信号进行混频。
20.根据权利要求12所述的GFCI设备，其中，所述接地中性故障检测器电路将所述多频AC信号与所监测的多频负载信号进行互相关。
21.根据权利要求12所述的GFCI设备，还包括耦合至所述次级绕组的接地电流故障检测器电路，其中，如果所述次级绕组中的电流超过预定阈值，则所述接地电流故障检测器电路提供第二检测信号。
22.根据权利要求21所述的GFCI设备，还包括耦合至所述线路导体的中断电路，其中，如果所述接地中性故障检测器电路提供所述第一检测信号，和/或如果所述接地电流故障检测器电路提供所述第二检测信号，则所述中断电路中断所述AC电力系统中的电力。
23.—种与AC电力系统一起使用的用于接地故障电路中断(“GFCI”)检测的方法，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体和变压器，所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，所述中性导体在所述源处耦合至地，其中，所述变压器包括与所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述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)监测所述次级绕组中的电流；以及( )在所监测的次级电流超过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)利用多频AC电压或电流来驱动所述次级绕组；( )监测所述次级绕组中的多频负载电流或所述次级绕组两端的多频电压；以及 (iii)对多频驱动信号与多频监测信号进行处理，以确定低阻抗接地中性故障是否小于第二预定阈值。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括迭代地重复步骤(a)并且然后步骤(b)。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括响应于第一检测信号和/或第二检测信号， 中断所述AC电力系统中的电力。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一预定时间间隔在约1与560毫秒之间。
27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一预定时间间隔是约100毫秒。
28.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第二预定时间间隔在约0.1与17毫秒之间。
29.—种与AC电力系统一起使用的接地故障电路中断(“GFCI”)设备，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体、第一变压器和第二变压器，所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，所述中性导体在所述源处耦合至地，其中，所述第一变压器包括与所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕组、 以及次级绕组，所述第二变压器包括与所述中性导体串联耦合的第一初级绕组以及次级绕组，所述设备包括耦合至所述第二变压器的次级绕组的多频信号驱动器电路，其中，所述多频信号驱动器电路利用多频AC信号来驱动所述第二变压器的次级绕组；耦合至所述第一变压器的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包括(a)检测器电路，其监测所述第二变压器的次级绕组中的多频负载信号；以及(b)处理器，其在所监测的负载信号超过预定阈值的情况下提供第一检测信号。
30.根据权利要求四所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括多频AC电压信号。
31.根据权利要求四所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括多频AC电流信号。
32.根据权利要求四所述的GFCI设备，其中，所述多频AC信号包括M个间隔，在每个间隔中具有对应的唯一频率。
33.根据权利要求32所述的GFCI设备，其中，M大于或等于3。
34.根据权利要求32所述的GFCI设备，其中，如果在所述M个间隔中的至少N个间隔中所监测的负载信号超过预定阈值，则所述接地中性故障检测器电路提供所述第一检测信号，其中N小于或等于M。
35.根据权利要求四所述的GFCI设备，其中，所述接地中性故障检测器电路将所述多频AC信号与所监测的多频负载信号进行混频。
36.根据权利要求四所述的GFCI设备，还包括耦合至所述次级绕组的接地电流故障检测器电路，其中，如果所述次级绕组中的电流超过预定阈值，则所述接地电流故障检测器电路提供第二检测信号。
37.根据权利要求36所述的GFCI设备，还包括耦合至所述线路导体的中断电路，其中，如果所述接地中性故障检测器电路提供所述第一检测信号，和/或如果所述接地电流故障检测器电路提供所述第二检测信号，则所述中断电路中断所述AC电力系统中的电力。
38.根据权利要求36所述的GFCI设备，其中，所述接地中性故障检测器电路和所述接地电流故障检测器电路包括相同电路。
全文摘要
在第一方面中，提供了一种与AC电力系统一起使用的接地故障电路中断(“GFCI”)设备，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体和变压器。所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，并且所述中性导体在所述源处耦合至地。所述变压器包括与所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕组、以及次级绕组。所述设备包括耦合至所述次级绕组的接地中性故障检测器电路。所述接地中性故障检测器电路(a)利用多频AC信号来驱动所述次级绕组；(b)监测所述次级绕组中的多频负载信号；以及(c)在所监测的负载信号超过预定阈值的情况下提供第一检测信号。还提供了许多其他方面。
文档编号H02H3/33GK102460880SQ201080034729
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者H·T·金塞尔 申请人:西门子工业公司