频率相关接地故障中断器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年9月30日提交的第62/908,110号美国临时专利申请和2020年7月29日提交的第63/058,210号美国临时专利申请的优先权和利益，其全部内容通过引用并入本文。

本发明涉及接线装置，更具体地说，涉及一种频率相关接地故障中断接线装置。

背景技术：

接地故障电路中断器(gfci)是一种电气接线装置，当它检测到线路导线和中性线之间的电流不平衡超过安全阈值时，会通过“跳闸”来切断电源。gfci的主要目的是防止旁观者触电，因为线路和中性线之间的失衡可能表示存在危险的短路。但是，正如1971年charlesfdalziel所描述的那样，人体对电流的响应随电流频率的增加而变化。更具体地说，人的肌肉对低频电流的反应比对高频电流的反应更敏锐。当感应到无害的高频电流失衡时，未考虑此频率相关电流阈值变化的gfci电路可能会跳闸，从而不必要地破坏受其保护的电气系统。这种不必要的跳闸被称为“干扰跳闸”，因为它们会给用户带来麻烦，用户现在必须重置电气接线装置，以应对不会对用户健康造成危害的事件。因此，迫切需要一种频率相关gfci电路，该电路被配置为防止响应于高频故障的不必要跳闸，同时仍然保护用户免受危险电流失衡的影响。

技术实现要素：

根据一方面，一种电气接线装置，包括：多个线路端子，包括线路侧相端子和线路侧中性端子；多个负载端子，包括负载侧相端子和负载侧中性端子；线路导体，将所述线路侧相端子与所述负载侧相端子电连接；中性导体，将所述线路侧中性端子与所述负载侧中性端子电连接；和控制器，其被配置为触发跳闸机构，以至少部分地基于将电流差的大小与阈值进行比较，来将所述多个线路端子中的至少一个与所述多个负载端子中的至少一个电气分离，其中所述电流差代表所述线路导体和所述中性导体之间电流的差，其中所述阈值是所述电流差的频率的函数。

实例中，根据差动电流的频率值从多个存储的阈值中检索所述阈值，每个存储的阈值分别与所述差动电流的频率值的范围相关联。

实例中，所述控制器还被配置为确定所述差动电流的频率值。

实例中，所述控制器根据在预定时间段内所述电流差超过频率值的次数来确定所述差动电流的频率值。

实例中，所述控制器接收代表所述电流差的大小的电压信号，其中所述控制器通过将代表所述电流差的大小的电压信号与所述阈值进行比较，来将所述电流差的大小与所述阈值进行比较。

实例中，由所述控制器接收的所述电压信号是由差动变压器产生的，所述线路导体和所述中性导体穿过所述差动变压器延伸。

实例中，所述输入电压被放大器放大。

实例中，所述输入电压被低通滤波器进一步滤波。

实例中，所述输入电压被跨阻放大器放大并滤波。

实例中，所述控制器包括比较器，所述比较器将所述差动电流的大小与所述阈值进行比较，其中所述阈值是平滑的脉冲宽度调制信号，根据所述电流差的频率值确定所述脉冲宽度调制信号的脉冲宽度。

实例中，所述脉冲宽度调制信号被平滑电容器平滑化。

实例中，所述控制器还被配置为生成所述脉冲宽度调制信号。

实例中，所述电气接线装置还包括控制器完整性检测电路，其被配置为在预定时间内未从所述控制器接收到输入信号时触发跳闸机构。

实例中，所述电气接线装置还包括函数发生器，其被配置为向第三导体提供驱动信号，其中至少所述中性导体和所述第三导体穿过差动变压器延伸，其中所述驱动信号在所述第三导体中相对于所述中性导体产生差动电流。

根据另一方面，一种电气接线装置，包括：多个线路端子，包括线路侧相端子和线路侧中性端子；多个负载端子，包括负载侧相端子和负载侧中性端子；线路导体，将所述线路侧相端子与所述负载侧相端子电连接；中性导体，将所述线路侧中性端子与所述负载侧中性端子电连接；和控制器，其被配置为触发跳闸机构，以至少部分地基于将电流差的大小与阈值进行比较，来将所述多个线路端子中的至少一个与所述多个负载端子中的至少一个电气分离；控制器完整性检测电路，被配置为在预定时间内未从所述控制器接收到输入信号时触发跳闸机构。

实例中，所述控制器被配置为在将所述输入信号输出到所述控制器完整性检测电路之前执行至少一项测试。

实例中，所述至少一项测试包括接地中性测试。

实例中，所述至少一项测试是对所述控制器的硬件、固件或软件的测试。

实例中，所述完整性检测电路包括逆变器和电容器，所述电容器连接在所述逆变器的输入端，其中所述输入信号对所述电容器充电，使得所述逆变器对所述跳闸机构的输出为低。

实例中，所述电气接线装置还包括与所述逆变器的输入串联连接的第二电容器。

实例中，一种电气接线装置，包括：多个线路端子，包括线路侧相端子和线路侧中性端子；多个负载端子，包括负载侧相端子和负载侧中性端子；线路导体，将所述线路侧相端子与所述负载侧相端子电连接；中性导体，将所述线路侧中性端子与所述负载侧中性端子电连接；和第三导体；差动变压器，其中至少所述中性导体和所述第三导体穿过所述差动变压器的内径延伸；函数发生器，其被配置为向所述第三导体提供驱动信号，其中所述驱动信号在所述第三导体中相对于所述中性导体产生差动电流，其中所述差动变压器被配置为生成表示所述差动电流的电压信号；连接到所述差动变压器的保护电路组件，所述保护电路组件被配置为当所述电压信号基本上对应于至少一个预定故障准则时，触发跳闸机构以将所述多个线路端子中的至少一个与所述多个负载端子中的至少一个电气分离，其中，所述驱动信号被配置为以与所述至少一个预定故障准则中的至少一个匹配的方式产生所述差动电流。

实例中，由所述驱动信号产生的所述差动电流具有非标准频率。

实例中，由所述驱动信号产生的所述差动电流包括非标准形状。

实例中，所述驱动信号在频率范围内被扫描，所述频率范围的上限超过60hz。

实例中，所述保护电路组件包括控制器，其被配置为触发所述跳闸机构，以至少部分地基于将电流差的大小与阈值进行比较，来将所述多个线路端子中的至少一个与所述多个负载端子中的至少一个电气分离，其中所述阈值是所述电流差的频率的函数。

实例中，所述保护电路组件包括接地故障电路中断控制器。

实例中，所述第三导体包括至少一个电阻器，将所述驱动信号施加到所述至少一个电阻器产生所述差动电流。

附图说明

通过阅读下面的详细说明并结合附图，将会更全面地理解和理解本发明，其中：

图1a是根据示例的频率相关接地故障中断电路的示意图的一部分；

图1b是根据示例的频率相关接地故障中断电路的示意图的一部分；

图2是根据示例的表示与阈值相比的差动电流的电压信号的曲线图的一部分；

图3示出了根据示例的频率相关接地故障中断电气接线装置内的各种信号的曲线图；

图4示出了根据示例的频率相关接地故障中断电气接线装置内的各种信号的曲线图；

图5a示出了根据示例的典型接地故障中断电路和频率相关接地故障中断电路的频率响应的曲线图；

图5b示出了根据示例的典型接地故障中断电路和频率相关接地故障中断电路的频率响应的曲线图；

图6示出了根据示例的频率相关接地故障中断电路的控制器；

图7a是根据示例的频率相关接地故障中断电路的示意图的一部分；

图7b是根据示例的频率相关接地故障中断电路的示意图的一部分；

图7c是根据示例的频率相关接地故障中断电路的示意图的一部分；

图8是根据示例的图7所示频率相关接地故障中断电路的跨阻抗电路的dc响应的曲线图；

图9是根据示例的电流限值相对于频率相关接地故障中断电路的频率的曲线图。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记始终指代相同的部分，在图1a-1b中看到电气接线装置100被配置为实现根据频率变化的电流差动阈值。如图所示，接线装置100包括线路侧端子，该线路侧端子包括线路相端子(line)和线路中性端子(neu)。与线路侧端子相对的是包括负载相端子(face_hot)和负载中性端子(face_neu)的负载侧端子(如图7b所示)。线路相端子(line)通过线路导体102连接到负载相端子(face_hot)。类似地，线路中性端子(neu)通过中性导体104连接到负载相端子(face_neu)。一组可分离触点106分别沿着线路导体102和中性导体104定位，以断开线路侧端子与负载侧端子之间的连接。可分离触点进一步定位成断开与馈通端子feedthru_hot和feedthru_neu的接触。(虽然在图7a-7c中示出了负载侧端子、馈通端子和可分离触点106，并且在图1a-1b中省略了它们，但是应当理解，它们同样包括在接线装置100中。)

电气接线装置100还包括差动变压器108，该差动变压器108被配置为生成与线路导体102和中性导体104之间的电流失衡成比例的电压信号(或者称为“差动电流”或“电流差”)。该电压信号被由运算放大器u2及其相关组件(如电阻r5、r6和r8)形成的反相放大器电路放大。(或者，还可以使用其它和/或附加的合适放大电路来实现所需的信号特性。)

放大后的输出信号通过引脚12(p03)输入到控制器m1。控制器m1从该输入确定代表差动电流的放大电压信号的周期(因此确定频率)。在一个示例中，比较器将放大的电压信号与参考电压(在引脚13输入到控制器m1)进行比较，以确定放大的电压信号何时超过参考信号。如图2所示，每当参考信号超过比较器阈值cth(或者称为“参考电压”)时，控制器m1就提供中断服务。通过在每次超过参考电压cth的情况下提供中断服务，可以通过例如对连续中断之间的机器周期进行计数来测量放大的电压信号的周期。替代地，比较器可以被配置为通过在每次不再超过参考电压cth时配置一个中断来测量放大的电压信号的下降沿。在任一种情况下，阈值cth用于确定放大的电压信号的周期(1/fer)。对于本公开的其余部分，将使用由周期确定的计算频率；然而，应该理解，在各种示例中，可以直接使用所测量的周期。在图1a-1b的示例中，比较器阈值是根据控制器m1的引脚13处的输入确定的。

图3和图4中显示了这样的比较器输入和由此产生的输出的一个示例(图4是图3所示图的放大版本)，其中显示了比较器输入和定时器标记。定时器标记代表由比较器输出和上述中断确定的每个周期。如图所示，计时器标记精确地再现了所测量的差动电流的周期，并且可以从中得出频率。(作为参考，在图3-4中还提供了代表差动变压器的放大输出的输入故障电流，以及作为下面将详细描述的低通滤波器的输出的主回路标记)。

频率与不跳闸时允许的泄漏电流水平直接相关。换句话说，泄漏电流的频率确定电气接线装置100跳闸的电流限值(由差动变压器108输出并在u2的输出处放大的电压信号成比例地表示)。因为与泄漏电流频率有关，跳闸阈值(也可称为“限值”或“电流限值”)可以作为查找表存储在控制器m1中，抽象地说(因为查找表不是以可视化表格的形式存储，而是以给定限值与特定测量频率范围的函数关系存储)，可以采用以下形式：

表1

其中edn代表255个存储的电流限值之一，其中fer为频率，ilimit代表相关的电流限值。因此，在fer处于最低频率(即等于或小于60hz的基频)的情况下，被标识为ed1的电流限值为5ma；而在最大存储频率(例如大约250khz)下，电流限制为70ma。当然，查找表不限于255个条目。相反，在各种替代示例中，查找表可以包括任意数量的适合于以可接受的粒度渲染dalziel曲线的条目。在一个示例中，控制器m1可以实施用于确定两个电流限值之一的频率阈值。这等效于建立仅包含两个条目的查找表。但是，在实际应用中，查找表将包含足够的条目，以足够的粒度来近似dalziel曲线，以满足所需的行业标准。此外，将理解的是，必然存在某个最大频率，在该最大频率处所有更高的频率将施加相同的电流限值(在该示例中，高于最大频率max的频率)。该频率可以根据行业标准的要求和/或控制器m1的采样率限值进行选择。在一个示例中，最大频率为大约26khz，但是其他最大频率也是可能的。

泄漏电流本身的大小作为引脚10(p01)上控制器m1的第二输入进行测量。在该示例中，控制器m1使用a/d转换器将引脚10的输入转换为数字值，并从输入中确定电压信号的峰值，以便将如图2所示的峰值ier与由上述信号的测量频率(或周期)确定的限值进行比较。如图2所示，可以从峰值所在的测量周期计算出频率(在这种情况下，直到在下一个阈值交叉处测量到该周期，才应用电流限值)。可替代地，可以根据从先前的测量周期(即，可以根据测量峰值的周期之前的周期来计算频率)或随后的测量周期确定应用于给定测量峰值的阈值。在又一示例中，可以根据一个以上的周期来测量频率。例如，该频率可以是在多个周期上测量的平均频率。

引脚10上控制器m1的输入(即测量电压信号峰值的输入)本身可以通过由u1及其相关组件(如电容器c4和c5以及电阻器r3、r7和r9所示)形成的中间低通滤波器进行滤波。这种低通滤波器的作用是衰减较高频率的信号，因为在较高频率下区分高电流和低电流故障并不重要。在较低频率下，电流差的大小决定了跳闸发生的速度。换句话说，在低频下，较高电流差(例如，30ma)比较低电流差(例如5ma)要求更快的跳闸时间。因此，有必要在较低频率下保持较高电流差和较低电流差之间的区别，但是在高频下同样不需要区分较高电流差和较低电流差。因此，可以使用低通滤波器以高频对引脚10上控制器m1的输入进行滤波。

由于在较高频率下的衰减，有必要对比较器施加较小的参考信号以触发事件。如图所示，用r17、r18和c8示出了一个分压器，使得电气接线装置100的大部分虚拟地在引脚13处输入到控制器m1中。该分压器提供选择在什么电流水平上产生比较器中断的能力。例如，将比较器电流水平选择为3ma将允许控制器m1忽略低于该水平的电流水平，从而消除不必要的计算或处理。

该示例中的低通滤波器用于增加相对于控制器m1的计算效率。换句话说，未能对控制器的输入进行滤波需要控制器m1排除并区分较高频率下的低电流差(例如5ma)。通过对这种低电流差进行滤波，控制器m1仅将输入与可能首先超过确定的电流限值的电流限值进行比较。应当理解，因为低通滤波器使输出衰减，所以控制器m1实现的查找表必须考虑到低通滤波器对每个频率造成的衰减。因此，例如，如果10khz信号的电流限值为30ma，并且低通滤波器将10khz的电压信号衰减为与5ma成比例的值(无衰减)，则查找表必须将电流限值设置为10khz至5ma，而不是30ma，以考虑低通滤波器的衰减。(应当理解，在各种替代示例中，可以排除低通滤波器，并且u2的放大器的输出可以直接输入到控制器m1或m1’。)

图5a-5b示出了标准5magfci(其不特意处理频率大于基本60hz频率的跳闸电平)的频率响应(500)和频率相关gfci(502)的频率响应(例如，如根据图1a-1b的示例实施的)。图5b在每个图中描绘了相同的曲线，但分别提供了关于标准gfci和频率相关gfci的转折频率的细节。注意，图5a-5b中所示的频率相关gfci的曲线示出了在频率相关gfci中使用的低通滤波器的多个示例之一的频率响应。当对比图5b的曲线时，可以注意到两个明显的不同。首先，与频率相关gfci相关联的转折频率，也就是所谓的3db频率(约86db)，远低于标准5magfci的转折频率(约112db)。如上所述，在标准gfci的低通滤波器与消除高频噪声有关的情况下，本公开中描述的低通滤波器被实现为近似dalziel曲线，以提高控制器m1的计算效率。其次，频率相关gfci的低频增益明显低于标准5magfci。

例如，控制器m1可以是微控制器，其包括处理器和存储程序代码的非暂时性存储介质，该程序代码在由处理器执行时执行本公开中描述的各种功能(例如，确定频率或比较差动电流与当前限值)。尽管控制器m1被示出为实现为单个微控制器，但是应当理解，在替代示例中，控制器m1可以由多个微控制器和/或由硬件来实现，用于执行结合控制器m1描述的各种功能。例如，频率检测、峰值检测和查找表的功能和结构可以分布在多个微控制器或硬件上(例如，比较器可以由与控制器m1分开的运算放大器实现，如本领域已知的那样)。

图6中示出了控制器m1(表示为m1')的替代示例。在该示例中，放大后的电压信号被控制器m1’内的模数转换器112(adc)转换成数字信号。根据数字信号，控制器m1'基于转换后的数字信号在pwm114处生成脉冲宽度调制(pwm)信号。控制器将pwm信号配置为占空比，该占空比与控制器m15测得的放大电压信号的频率成比例。(可以根据以上结合图1-2描述的确定频率的方法来确定频率。)在信号处理的下一阶段之前，使用外部平滑电路116来生成参考电压信号。因此，参考电压信号与pwm信号的占空比和代表差动电流的放大信号的频率均成正比(因为pwm是由频率确定的)。在图6的示例中，平滑电路由电容器c9形成，电容器c9与比较器电路118的输入并联设置(但是应该理解，可以使用任何适合生成与pwm信号的占空比成比例的电压的电路)。

控制器m1’然后利用内部比较器电路118将由u1(和相关组件)形成的低通滤波器的输出与参考信号进行比较。如上所述，参考电压信号与差动电流的频率成比例。如果低通滤波器的输出电压不超过参考电压信号，则比较器118输出低，并且电气接线装置100不跳闸。然而，如果lpf的输出电压在任何频率下都超过参考信号，则比较器输出高，并且电气接线装置100跳闸。因此，平滑的pwm信号形成与电流差进行比较的电压(即，电流限值)，代表制器m1示例中存储的查找表的替代方案。

m1’的示例包括adc112、pwm114和模拟比较器118。这些组件中的任何一个都可以用除微控制器之外的硬件或单独的微控制器来实现。这形成了控制器m1如何仅作为硬件、微控制器和硬件的组合或多个微控制器来实现的一个示例。

此外，尽管图1a-1b的示例描绘了分离的放大和滤波级，但是在替代示例中，这些级可以折叠成单个级，其输出用于频率检测和峰值检测。这种单级放大器和低通滤波器(称为跨阻放大器)在图7a-7c中显示，由7-u1及其相关组件(如7-r7、7-r15、7-c5和7-r12所示)组成。这种跨阻放大器在本领域中是已知的，并且可以使用其他合适的跨阻放大器。

应当理解，图7a-7c中低频增益的选择使得控制器m1”可以检测整个故障范围。在图8中显示了一个合适的低频增益示例，它是由图7a-7b中的u1及其相关组件形成的跨阻电路的dc响应或传递函数。如图所示，可以通过控制器m1中的5v受限模数转换器来测量正或负的0至70ma故障。

图7b中的控制器m1”是控制器m1的替代示例，并且同样被配置成接收其确定差动电流频率的输入(引脚18)和代表差动电流大小的输入(引脚20)，如上文所述，它根据查找表将相应的电流限值与之比较。另外，控制器m1”被配置成向控制器完整性检测电路702提供输入，以及在第三导体120上提供标准或非标准电流差，如下将更详细地描述。然而，应当理解，图8的跨阻放大器可以与如上所述的控制器m1和m1’一起使用，与控制器m1”的附加特性分离。

图9描绘了根据图1、6和7的示例性电气接线装置100、700所实现的电流限值相对于频率的图。如图所示，从60hz到大约250khz，电流限值从5ma增加到70ma。当然，如上所述，这只是dalziel曲线实现的一个例子。

在图1、6或7的任何示例中，一旦控制器m1、m1'、m1”检测到故障，控制器m1、m1'、m1”就配置为输出跳闸信号以触发跳闸机构，以打开一组中断触点106。更具体地说，如图7b-7c所示，这样的跳闸信号关闭scrq3，以允许电流流过螺线管k1a，从而产生磁场，该磁场用于打开一组中断触点106，从而中断流向负载端子(即，facehot和faceneu)和流向下游设备(即，feedthruhot和feedthruneu)的电流。(尽管从图1a-1b中省略了scrq3和螺线管k1a，但应理解，这些组件包含在电气接线装置100中，在控制器m1或m1'检测到故障时，这些组件可操作地连接以接收跳闸信号。)

中断触点106可被实现为机电装置，并且任何已知的中断触点可用于将线路端子与负载端子分开。在涉及“保护性接线装置”的美国专利9437386中教导了一组这样的中断触点，支持其操作的机电装置，该专利的全部公开内容通过引用结合于此。同样，可以适当地使用任何合适的用于使断开的触点跳闸的电路，而不仅仅是scrq3和螺线管k1a。

但是，依靠控制器m1、m1'或m1”来检测故障并产生跳闸信号会引入潜在的单点故障，如果控制器m1、m1'或m1”发生故障，则可能会导致电气接线装置100、700不能正常运行(即，在出现故障的情况下跳闸)。因此，图7b-7c描绘了示例性控制器完整性检测(cid)电路702，其在控制器m1”发生故障时用于使电气接线装置700跳闸。更具体地，当cid电路702在预定时间段之后未能从控制器m1”接收到输入信号时，cid电路702将scrq3连接到vcc(dc高)。因此，cid电路702需要来自控制器m1”的周期性输入信号，以防止电气接线装置700跳闸，从而检查控制器m1”的可操作性。如果控制器m1”发生故障，则cid电路702将不接收任何输入，因此将scrq3连接到vcc并使电气接线装置700跳闸。如果用户重置电气接线装置700，则由于scrq3仍连接到vcc，它将立即再次跳闸。因此，cid电路702提供对控制器m1”的完整性的检查。

如图7b-7c的示例所示，cid电路702包括逆变电路，该逆变电路包括连接在vcc和bjt7-q4的集电极之间的电阻器7-r16。bjt7-q4的发射极接地。因此，如果bjt7-q4的基极电压(vbe)不够高，则bjt7-q4将断开，并且由于vdd，cid电路702的输出wdg将为高。但是，如果bjt7-q4的基极电压(vbe)足够高，则bjt7-q4将接通，并且vcc的dc电压将在电阻r16两端下降，因此cid电路702的输出wdg将为低。(应该理解，bjt7-q4只是可以使用的一种开关，在各种替代示例中，可以使用fet或任何其他合适类型的开关。)

bjt7-q4的基极电压由电容器7-7-c7维持，该电容器由控制器m1”的引脚56的extwdg输出充电。因此，为了防止cid电路702接通scrq3并使电气接线装置502跳闸，控制器m1”必须在引脚56处传送电压输出信号extwdg，该信号将电容器7-c7充电至维持bjt7-q4接通的电压。(电阻器r17、r18组成一个分压器，根据控制器m1提供的输出信号、电容器7-c7的尺寸、bjt7-q4的特性等，调节电容器7-c7之间的电压，以调节提供给bjt7-q4的电压，以达到cid电路702所需的工作特性。)当然，引脚56处的电压输出信号仅需要足够高以在电容器7-c7上保持电荷，以防止电气接线装置502跳闸。这并不意味着cid电路702的输出永远不会变高。实际上，可以允许来自cid电路702的电压暂时变高，但仅在不足以使电气接线装置700跳闸的方式接通scrq3的时间段内变高。例如，引脚56的输出信号的大小和长度可以足以使电容器7-c7充电至足以使cid电路702的输出变低的电压。一旦控制器m1”引脚56的输出变低，电容器7-c7两端的电压将开始衰减。在一个示例中，在电容器7-c7两端的电压下降至导致cid电路702的输出变高的值之前，控制器m1”引脚56的输出可以再次变高。在替代示例中，在电容器7-c7两端的电压下降至使cid电路702的输出变高但又不足以使电气接线装置跳闸的值之后，控制器m1”引脚56的输出可以再次变高。在一个示例中，cid电路702的输出可在负半周期内变高，从而接通scrq3，但防止装置跳闸。这可以用作双重用途测试，既测试控制器m1”的功能，又通过测试scrq3是否将螺线管k1a连接到地来测试scrq3的可操作性。

通过强制控制器m1”向cid电路702提供特定的输出信号以避免跳闸，在电气接线装置700的操作过程中不断检查控制器m1”的完整性。如果控制器m1”发生故障，因此停止向引脚56提供输出信号，则每次重置时，电气接线装置都会立即跳闸，从而无法有效使用电气接线装置。

在替代示例中，可以排除电容器7-c7，并且控制器m1”可以直接将电压直接提供给bjt7-q4的基极。但是，这将要求在每个周期的一部分中，引脚56的输出必须为高，以防止跳闸。换句话说，电容器7-c7通过保持电荷，可以允许持续不断地从引脚56输出信号。

此外，电容器7-c6被定位为阻断直流电压，这可能导致，例如，控制器m1”以导致引脚56的输出持续升高的方式出现故障。在这种情况下，电容器7-c6将阻止dc输出信号，而bjt7-q4将关闭，从而使电气接线装置700跳闸。同样，二极管7-d6可防止在发生故障时从控制器m1”引脚56输出的负电压。在替代示例中，可以排除电容器7-c6和二极管7-d6中的一个或两个。虽然该示例将允许控制器m1”在至少线路电压的正半周期内从引脚56发射直流高输出电压，以防止电气接线装置700跳闸(因此，可能不需要电容器7-c7)，但是它不能防止控制器m1”在引脚56处产生直流高电压，也不能防止bjt7-q4的基极出现负电压。

此外，控制器m1”可以被配置为运行与电气接线装置的完整性相关的诊断(也称为“外部诊断”，因为这些诊断取决于控制器m1外部组件的功能)或其自身的完整性相关的诊断(也称为“内部诊断”)，作为在针脚56处产生信号的先决条件。例如，控制器m1”可以被配置为仅在通过每个外部诊断测试(例如自检)的情况下在引脚56处产生高信号。替代地或附加地，控制器m1”可以运行其软件、固件和/或硬件的内部诊断，并且配置为仅在内部诊断通过时在引脚56处产生高信号。换句话说，如果这些内部诊断中的任何其他诊断失败，则控制器m1”可配置为在引脚56上不产生高信号，从而导致电气接线装置700跳闸，直到每次诊断测试通过为止。

内部和/或外部诊断测试中的每一个都可以以某个预定间隔(例如，线路周期的每个周期或半周期)连续执行。每个特定诊断测试的预定间隔可以根据测试而变化。例如，控制器m1”可以配置为在每个半周期运行一个诊断测试或一组诊断测试，并在每个周期运行另一个诊断测试或一组诊断测试。在一个示例中，每个半周期可以交替使用不同组的诊断测试。每个诊断测试的时间要求通常将由相关的行业标准确定，控制器m1”可以配置为以满足相关标准的方式来管理每个诊断测试。

在替代示例中，控制器m1”可以简单地编程为在任何内部或外部诊断测试失败的情况下例如从引脚p31向scrq3提供跳闸信号，而不是提供连续或周期性的输出信号来防止单独的电路向scrq3提供跳闸信号。但是，该示例无法说明控制器m1”完全失效的情况，因为在这种情况下，控制器m1”将无法运行诊断测试或无法向scrq3输出跳闸信号。

在替代示例中，作为上述示例的混合，控制器m1”可以配置为在诊断测试失败的情况下通过(例如)引脚31向scrq3提供跳闸信号，并单独提供定期信号或dc信号(例如从引脚56到cid电路702)以测试控制器m1”连续提供输出信号的能力。

在一个示例中，可以排除例如在图7b的示例中的引脚31中实现的跳闸信号输出。相反，可以通过拒绝向cid电路702提供信号来使电气接线装置700跳闸。在该示例中，故障的存在可以被视为控制器m1”执行的外部诊断之一。但是，通常希望通过单独的输出(例如引脚31)立即跳闸。在一个示例中，在发生故障时，既可以在一个引脚(例如引脚31)处生成跳闸信号，又可以分别拒绝向cid电路702输出信号，从而提供了冗余措施，以便在其中一个发生故障时使电气接线装置700跳闸。

应当理解，图7b-7c中所示的cid电路702仅仅是cid电路的一个示例，并且在替代示例中，在没有从控制器接收到周期性或直流信号(在各种示例中)的情况下提供足以使电气接线装置跳闸的高输出的任何电路都可以用作cid电路。

此外，应该理解，尽管示出了利用控制器m1”实现的cid电路702，但是可以将电气接线装置100以及控制器m1和m1”的示例修改为包括这种cid电路702，以防止控制器m1或m1’发生故障。此外，应当理解，cid电路702可以在与频率相关gfci示例分离的电气接线装置中实现。实际上，cid电路702对于测试在电气接线装置内工作的任何芯片的完整性是有用的。

图1和图7还描绘了使用延伸穿过电流互感器组件内径的第三导体120来诱导模拟接地中性故障。这样，gfci可以使用模拟接地故障来定期测试gfci的故障检测能力。该测试有时称为自检或自动监测。因此，第三导体120为gfci提供了创建模拟差动或接地中性故障的能力。此外，在图7a-7c中，通过控制半导体开关q1与第三导体120并联，该模拟故障可由任何逻辑电路控制。在图7a-7c的示例中，半导体开关q1由控制器m1”经由从引脚22输出的selftest节点来控制。结合图28和29在us9,362,077中更详细地描述了这种诱发模拟接地故障的方法，该文献通过引用并入本文。

另外，如图1a-1b和7a-7c所示，第三导体l1a可以进一步与函数发生器和电阻一起使用，以引入具有标准或非标准频率或形状的测试故障，即与接线装置100、500跨越line_hot和line_neu接收的电源基本频率或形状不对齐的故障。这可以通过在tp2处从函数发生器向第三导体提供输入电压来实现。电阻器r3和r4的并联组合为来自函数发生器的电压信号提供了一个限制阻抗，从而使差动电流通过差动电流互感器。通过调节函数发生器提供的电压信号以及电阻器r3和r4的阻抗，可以将差动电流调整为任何所需的值(例如，频率、形状)(电阻器r3和r4可以调整为提供通常在毫安电流范围内的差动电流)。

例如，函数发生器可以通过电流互感器提供差动电流，该差动电流的频率等于或高于line_hot的标准50hz或60hz频率(就本发明而言，标准频率被认为是50或60hz)。例如，差动电流的频率可以被固定为某个预定值(例如100hz、500hz、1000hz、10,000hz等)。可替代地，可以通过改变函数发生器提供的电压信号的频率，来在某个最小和最大频率之间改变频率(例如，具有0hz至25,000hz的范围，尽管可以使用其他范围)。

差动电流的大小可以根据差动电流的频率而进一步改变。例如，可以定制差动电流的大小以测试本公开中描述的频率相关gfci。例如，在linehot电压的负半周期内，可以通过以一定的大小和频率提供差动电流来测试频率相关gfci100、500，这些差动电流导致控制器m1或m1”在正常工作时向scrq3发送跳闸信号。(因为这是在负半周期中执行的，所以跳闸信号不会导致电气接线装置100或500跳闸)。因此，例如，如果5ma电流差应导致装置在低频(例如60hz)下跳闸，则5ma电流差可由函数发生器(例如控制器m1)和电阻(例如电阻器r3和r4)在低频值下供应。如上所述，可以按照控制器m1”根据dalziel曲线或相关标准实施的跨频率的电流阈值，在整个频率上增大该电流值。在一个示例中，在通过控制器m1”实现为各种预先存储的频率或频率范围值设置跳闸阈值的查找表的情况下，可以测试每个跳闸阈值或者可以测试跳闸阈值的某些子集。

另外，或者替代地，函数发生器和电阻可以在跳闸阈值以下提供差动电流，而不是在各种频率的跳闸阈值或以上进行测试，以确保控制器m1”不会在每个频率或某些频率子集的跳闸阈值以下跳闸。例如，在低频时，可以在第三导体上提供小于5ma毫安的电流差，在10khz时，可以在第三导体上提供小于30ma的电流差，在15khz时，可以在第三导体上提供小于42ma的电流差等。

上述测试过程不必在单个半周期内发生，而是可以在多个半周期内发生，以便充分测试控制器m1”的可操作性和scrq3响应跳闸的能力。例如，每个负半周期，可以在第三导体和中性导体之间以低于由控制器m1”实现的跳闸阈值和高于由控制器m1”实现的跳闸阈值的值在选定的频率(例如，60hz、10khz、20khz等)上产生电流差。例如，在一个半周期中，在将60hz的电流差增大到大于或等于5ma(例如，6ma)之前，可以在60hz的第三导体和中性导体之间产生小于5ma(例如4ma)的电流差。作为响应，可以测量(例如，通过控制器m1”)scrq3处的栅极电压，或者可以测量一些其他电压以确保控制器m1”仅响应于每个频率的正确电流差而输出跳闸信号。可以针对多个频率(例如，查询表的每个频率步长或查询表的一些频率步长子集)重复此操作。

替代地或附加地，差动电流可以具有非标准形状(就本发明而言，非标准形状是非正弦形状)。例如，电流差(在标准或非标准频率下)可以遵循方波、三角波等形状。或者，如果控制器m1”被配置为检测电弧故障，则可以生成具有电弧故障特征的电流差(例如，具有肩部、电流尖峰等)，从而测试控制器检测电弧故障的能力。例如在us2020/0127452中描述了这样的特性及其测试设备，其全部内容通过引用并入本文。

如上所述，函数发生器可以是适合于在第三导体上产生电流差动信号之一的任何函数。在图7a-7c所示的例子中，函数发生器被实现为来自控制器m1”本身或另一个集成电路的输出。例如，m1”可以为数模转换器和放大器提供数字输出，以实现电压和/或电流增益。最终的输出可以是任何所需形状和频率的信号，受限于m1”的数字输出的最大比特率和数模转换器的速率。在另一示例中，比较器可以用于放大数字输出(即，每当数字输出为高时比较器就变为高)，放大的数字输出形成到第三导体的驱动信号。在另一示例中，控制器m1”的数字输出可以直接输入到第三导体(例如来自引脚21的test输出)，电阻值(例如，r3和r4)被设置为产生期望的故障电流。

在替代示例中，可以使用控制器m1“外部的各种电路。例如，可以使用555定时器集成电路或多谐振荡器集成电路来形成可输入到第三导体的驱动信号。或者，可以使用可编程波形发生器，例如模拟设备集成电路ad9833。然而，应当理解，这些仅作为示例提供，并且任何合适的电路都可以用于生成驱动信号。

此外，尽管结合图7a-7c描述了向第三导体120提供标准或非标准的驱动信号，以相对于中性导体在第三导体120中形成差动电流，但是它可以与图1a-1b的电气接线装置100或在替代示例中的任何其他合适的电气接线装置结合实现。实际上，在各种替代示例中，可以通过任何合适的保护电路组件来检测差动电流，该保护电路组件被配置为触发跳闸机构以使线路侧和负载侧端子电气分离。这种合适的保护电路组件包括控制器，例如控制器m1、m1'和m1”，以及gfi电路，例如fan4146或fan4149。

尽管已经在本文中描述和示出了几个发明实施方式，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或所描述的一个或多个优点的多种其他手段和/或结构，在本文中，这些变型和/或修改中的每一个都被认为在本文所述的发明实施方式的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和构造均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于使用本发明的教导的一个或多个特定应用。仅通过常规实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文所述的具体发明实施方式的许多等同方案。因此，应当理解，前述实施方式仅以示例的方式给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内。可以以不同于具体描述和要求保护的方式实践本发明的实施方式。

在此引用的所有参考文件，包括出版物，专利申请以及专利以相同的程度通过引用被结合到本申请中，就像每个参考文件都单独并特别地表明将通过引用全部结合到本申请中一样。

如本文所定义和使用的所有定义应被理解为控制字典定义，通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。

在描述公开实施方式的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)使用术语“一个”，“一种”和“所述”以及类似的指示物应被解释为涵盖单数和复数，除非另有说明或明显与上下文相矛盾。除非另有说明，术语“包括”，“具有”，“包含”，“含有”应该理解为开放式的术语(即，意思是包括，但不限于摂)。术语“连接”应理解为部分或全部包含，连接或连接在一起，即使有中间物插入。

如本说明书和权利要求中所使用的，提及一个或多个元素的列表的短语“至少一个”应理解为从元素列表中的任何一个或多个元素中选择的至少一个元素，但不一定包括元素列表中具体列出的每个元素中的至少一个，也不排除元素列表中的任何元素组合。该定义还允许元素可以选择性地存在，而不是短语“至少一个”所指的元素列表中明确标识的元素，无论这些元素是否与明确标识的元素相关。因此，作为非限制性示例，“a和b中的至少一个”(或等效地，“a或b中的至少一个”，或等效地“a和/或b中的至少一个”)可以在一个实施方式中指代至少一个(可选地包括多个)a，而不存在b(可选地包括b以外的元素)；在另一个实施方式中，至少一个，任选地包括多于一个b，且不存在a(并且任选地包括a以外的元素)；在又一实施方式中，至少一个，任选地包括多于一个a，并且至少一个，任选地包括多于一个b(并且任选地包括其它元素)；等等。

还应理解的是，除非有明显的相反指示，否则在本文要求保护的任何方法中，包括多个步骤或动作，步骤或动作的顺序不必限于步骤或动作的顺序。

说明书和权利要求中可以使用近似语言修饰任何不会造成相关功能改变的允许的变化的量化展示。因此，由诸如“大约”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制可以被组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则将标识此类范围并包括其中包含的所有子范围。

对数字范围的引用应该理解为对落入该范围内的各个单独数值进行单独引用的速记方法，除非另有说明，并且每个单独数值都包含在说明书中，就像它被单独地引用了一样。

在此描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非另有说明或明显有矛盾。除非另有说明，在此提供的任何或所有实施方式，或示例性语言(例如，“例如”)只应该理解为更好地阐释本发明的实施方式，不对本发明的范围构成限制。

说明书中的任何语言都不应该理解为表明任何未要求保护的元素对于本方面的实施是必须的。

在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡短语例如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“由……组成”等应理解为开放式的，即意指包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，仅过渡短语“由……组成”和“基本上由……构成”应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。无意将本发明限制为所公开的一种或多种特定形式，而是相反，其意图是涵盖落入如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、替代构造和等同物。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的本发明的修改和变化。