CN101467322A - 具有电压相关和电压无关工作模式的漏电保护设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种漏电保护设备，当火线电压存在时(电压相关模式)以及当火线电压不存在或降到预定的阈值级别之下时(电压无关模式)，该设备均能安全、可靠地工作。本发明被实现为一种漏电保护设备，该设备具有一旦检测到电力供应的火线和中性线之间预定的电流不平衡时就将所述电力供应与电气设备隔离的跳闸机构。本发明包括电流互感器，其具有对所述电气设备上的任何电流不平衡做出响应的次级绕组、以及可连接到处理装置的电路保护绕组。所述处理装置的阻抗随火线电压的级别而变化，以使得在正常工作状态下，该设备作为电压相关的漏电保护设备而工作，但在极少数情况(其中当火线电压不存在时可能需要工作)下，该设备提供电压无关的保护。

Description

具有电压相关和电压无关工作模式的漏电保护设备
技术领域
本发明涉及一种漏电保护设备(residual current device)。特别地，本发明涉及了一种漏电保护设备，其当火线电压(line voltage)存在时(电压相关模式(voltage dependent mode))以及当火线电压不存在或降到预定的阈值级别之下(电压无关模式(voltage independent mode))时，都能安全、可靠地工作。
背景技术
电路保护设备，例如漏电保护设备，常规上用于对电气设备(electricalinstallation)进行监控并进行保护以避免触电致死和火灾风险。漏电保护设备通常通过其构造被分类为电压相关(VD)或电压无关(VI)工作模式。在图1中说明了传统的电压相关RCD的典型操作，其中示出了电气负载(即电气装置、插座、或电路)通过VD RCD 10连接到电力供应(electrical supply)。VD RCD 10包括一组闭锁触头(latched contact)12，如果漏电故障出现，该触头允许安全地与电力供应断开连接。
这些设备的工作原理是公知的，并且环形电流互感器14用于测量火线电流和中性线电流之和。电流互感器14检测两条供电线的磁场(其在相反的方向流动并在正常情况下是抵消的)。供电线在环形磁心14上形成单匝，并且由许多线匝构成的次级绕组16用于检测环形磁心14的任何磁化状况。
典型的故障可以是，一个人触摸RCD 10下游上的火线，这使得过多的电流流经火线并经过该人到地。因为该电流并不返回中性线，因此随后在环形电流互感器14中检测到不平衡。电流互感器14所检测到的信号被称为是漏电电流(residual current)。作为次级绕组16中的电流而看到这样的信号，其能够通过使用模拟或数字处理装置18被进行处理。如果处理步骤18的结果是存在危险情况，则随后能够使用信号来激励机械致动器20，该致动器然后操作跳闸机构(tripping mechanism)22，断开触头12并隔离电力供应。
为使VD RCD 10工作，电子处理器18需要电源(power supply)24，该电源从电力供应获得电力。为使电源24工作，该电力供应必须高于某个阈值电压。如果该电力供应降到阈值电压之下，则VD RCD 10不能工作并且不再提供保护功能。如所能理解的，尽管失去了电力供应或可能低于给电子处理器18供电所需的阈值级别，危险的故障电流仍可能出现在电气设备中。同时，对于已提出的许多RCD，其最小工作电压要接近50V(“安全超低电压”级别)，但常常可能存在过多故障，使得火线电压降到50V以下，因此设备将不会工作。
这种类型的RCD的另一主要缺点是，必须保证中性线的完整性以确保设备安全工作。通过提供功能接地(FE)线，许多RCD克服了断开或缺失中性线故障状况。然而，在许多设备中，可能并不具有合适的接地连接，因此并不希望使用接地回路作为电流返回通路。
这种类型的电压相关设备的主要优点是，能提高性能并减少对温度的敏感性。此外，在许多设备中，如果有必要的话，可以对中性电路进行监控并在发现缺失的中性线时跳闸。最近的数字VD RCD还提供增强的功能性。此外，因为任何漏电电流的能量都被连接到单独的信号处理级以启动跳闸机构，传统的VD RCD使用具有较低电感的较小环形传感器。
要提供保护功能，干线供电必须高于某个阈值电压，为了解决该问题，已提出了电压无关RCD，图2示出了传统的VI RCD的典型构造，其再次说明了电气负载通过VI RCD 30连接到电力供应。
与图1所示的VD RCD 10的显著区别在于，没有使用处理电路，来自任何漏电电流的能量直接用来驱动机械致动器32，该致动器反过来通过跳闸机构34和触头36隔离电力供应。
VI RCD 30的优点在于，如果电压不存在(例如，火线短路接地)，则VI RCD 30仍能以由故障所引起的、并由连接到机械致动器32的次级绕组46所感知的漏电电流的能量来工作。一般地，用于驱动机械致动器32的能量非常小(这与电压相关模式(其中需要大量能量用于机械致动)不同)。这表示，当通过外壳(未示出)外面的机械控制杆来手动重置RCD 30时，用于使机构34跳闸的大多数能量被存储在弹簧中。典型地，使用闭锁螺线管(solenoid)32，其包含被压缩的弹簧，可以通过相对少量的能量来释放该弹簧。这能产生足够大的力使得主机构34跳闸，其中当推动外部重置控制杆以合拢触头36时，该主机构自己在弹簧中存储能量。
与这种类型的漏电保护设备30相关联的问题在于该系统的非常精密和敏感的结构。此外，环形线圈(toroid)38的尺寸通常还远大于电压相关RCD 10中的尺寸，以便能够从漏电故障电流中提取足够的能量。这会导致一个问题，因为通常在VI RCD中使用较便宜的磁性材料以减少成本，但这样的磁性材料更易于被永久磁化。如果环形磁心38的磁性材料被磁化，则RCD30变得不敏感，并可能会在需要时却不跳闸。在严重的漏电故障电流经过(例如，短路接地)之后，这样的情况可能会出现。为了防止在这种情况下磁心被严重磁化，要使用保护电路40。这包括许多绕组42和至少两个背对背的二极管44。在严重故障情况下，绕组42上的电压足够高以使得二极管44导通。流动的电流对抗环形磁心38进一步的磁化，帮助防止永久磁化。
通常，这种构造有许多相关联的缺点。特别地，高敏感性的跳闸机构32、34的操作对环境污染物特别敏感。极面上的外来夹杂物可能阻止释放衔铁(armature)的正常关闭，而在高度抛光的衔铁和极面之间截留的湿气液滴可能由于金属间的接合或“粘连(stiction)”和氧化而导致跳闸释放完全不工作。
此外，源自电磁或环境源的干扰可能会扰乱该复杂、敏感的VI RCD 30的精密平衡。在这个能量非常低的系统中，这可能导致VI RCD 30产生不需要的跳闸，在最坏的情况下可能导致跳闸敏感性降低，甚至在极端情况下完全不跳闸。
然而，这种构造的主要优点是能提供与火线电压无关的漏电故障保护。
在几乎所有可预见的情况下，电压相关RCD是合适的，并且在许多领域中，其应用是可接受的。在一些其它地理区域和一些应用中，需要电压无关的操作。然而，如上述所注意到的，传统VI RCD往往是基本的、粗糙的，缺乏VD RCD能提供的任何额外智能或特性的便利。
发明内容
本发明的目的是提供一种漏电保护设备，其克服与两类(电压相关和电压无关)工作模式相关联的缺点。当火线电压存在或不存在时，该设备和方法都支持安全、可靠的工作。该设备和方法在正常工作下表现为电压相关RCD，但在极少情况(其中当火线电压不存在时可能需要进行工作)下，该设备和方法提供电压无关保护。
根据本发明，提供了一种漏电保护设备，其具有用于一旦检测到电力供应的火线和中性线之间预定的电流不平衡时就将所述电力供应与电气设备隔离的跳闸机构，该漏电保护设备包括：
电流互感器，其具有电感应地耦合为初级绕组的火线和中性线；
次级绕组，其电感应地耦合到所述电流互感器并可连接到所述跳闸机构，所述次级绕组对所述电气设备上的所述电流不平衡做出响应；以及
电路保护绕组，其电感应地耦合到所述电流互感器并对所述电气设备上的所述电流不平衡做出响应，如果所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则所述电路保护绕组可被连接到处理装置以用于进行处理，所述处理装置的阻抗随所述火线电压的级别而变化。
在优选的实施例中，通过使用电连接到所述电路保护绕组和所述处理装置之间的放大装置来改变所述处理装置的阻抗。
优选地，如果所述火线电压低于预定的阈值电压，则所述放大装置的阻抗足够高，以便所述电气设备上的任何电流不平衡主要在次级绕组中流动，或如果所述火线电压高于所述预定的阈值电压，则所述放大装置的阻抗足够低，以便所述电气设备上任何电流不平衡主要在所述电路保护绕组中流动。
此外，优选地，所述预定的阈值级别大约是50V。
使用时，所述处理装置是可编程的，并且包括其它辅助特性，例如，欠压释放和警告指示。优选地，所述次级绕组是单匝绕组。
此外，优选地，如果所述处理装置感知到所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则也可以将AC跳闸电流驱动进所述电路保护绕组，这还引发次级绕组中的电流不平衡，由此影响所述跳闸机构的工作。使用时，所述AC跳闸电流被额定设置为额定跳闸电流的1-1.5倍量级。
优选地，与所述次级绕组相比，所述电路保护绕组具有高得多的匝数比，并且进一步包括至少两个背对背的二极管以防止电流互感器的永久磁化。
根据本发明，还提供了一种用于一旦检测到电力供应的火线和中性线之间预定的电流不平衡时就使得所述电力供应与电气设备断开连接的方法，所述火线和中性线电感应地耦合为电流互感器的初级绕组；该方法包括下列步骤：
监控次级绕组的输出，所述次级绕组电感应地耦合到所述电流互感器并对所述电气设备上的所述电流不平衡做出响应，所述次级绕组的输出可连接到所述电力供应的跳闸机构；
监控电路保护绕组的输出，所述电路保护绕组电感应地耦合到所述电流互感器并对所述电气设备上的所述电流不平衡做出响应，如果所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则所述电路保护绕组可被电连接到处理装置以用于进行处理；
感知所述火线电压并将其与预定的阈值电压进行比较；
取决于所述火线电压的级别来修改所述处理装置的阻抗，以便所述电气设备上的所述电流不平衡主要在所述次级绕组或所述电路保护绕组二者之一中流动；以及
如果所述电气设备上的所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则使所述跳闸机构跳闸。
根据本发明，进一步提供了一种漏电保护设备，其具有一旦检测到电力供应的火线和中性线之间预定的电流不平衡时就将所述电力供应与电气设备隔离的跳闸机构，该漏电保护设备包括：
电流互感器，其具有电感应地耦合为初级绕组的火线和中性线；
电路保护绕组，其电感应地耦合到所述电流互感器并对所述电气设备上的所述电流不平衡做出响应，如果所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则所述电路保护绕组可被连接到所述跳闸机构并连接到处理装置以用于进行处理，使得在使用时：
(i)如果所述火线电压低于给所述处理装置供电所需的阈值级别，
则所述跳闸机构对所述电气设备上的任何所述电流不平衡做出响应；或
(ii)如果所述火线电压高于所述阈值级别，则所述处理装置工作，并响应于所述电气设备上的不平衡超过所述预定的电流不平衡而将跳闸电流驱动到所述跳闸机构中。
优选地，延迟电路电连接到所述电路保护绕组和所述跳闸机构之间，以引入预定的时间延迟。使用时，如果所述电气设备上的所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则只有在所述预定的时间延迟之后所述跳闸机构才是可工作的。
可以相信，根据本发明的漏电保护设备至少解决了上述问题。本发明的优点是提供了一种漏电保护设备和方法，其克服了与两种类型(电压相关和电压无关)工作模式相关联的缺点。有利地是，当火线电压存在或不存在时，该设备和方法都支持安全、可靠的工作。此外有利地是，在正常工作下，该设备和方法表现为电压相关RCD，但在极少情况(其中当火线电压不存在时可能需要进行工作)下，该设备和方法提供电压无关的保护。
附图说明
现在将通过示例方式并参考附图来说明本发明的一个具体的不受限的实施例，在附图中：
图1示意性地示出了已知的电压相关RCD的操作，其当火线电压存在时能监控电气设备上的漏电电流；
图2示出了已知的电压无关RCD的操作，其当火线电压不存在或降到预定的阈值之下时能监控电气设备上的漏电电流；
图3示意性地示出了如何实现本发明；
图4说明了如何在数字漏电保护设备中实现本发明的进一步的细节；
图5示出了在电压无关模式下图4所示的漏电保护设备的等效电路；
图6说明了图5的等效电路的频率响应；
图7示出了在电压相关模式下图4所示的漏电保护设备的等效电路；
图8说明了图7的等效电路的频率响应；
图9是更详细说明了如图4所示的低阻抗放大器的电路图；
图10示出了根据本发明的处理算法，该算法确定电压相关和电压无关工作模式之间的转换(changeover)；以及
图11示出了用于提供电压相关和电压无关的漏电保护的替代性技术。
具体实施方式
现在参考附图，图3示意性示出了根据本发明的漏电保护设备100，其使用VI体系结构作为这样的漏电保护设备100的基础。此外，RCD 100包括用于信号处理104的VD检测电子设备以及额外特性。当火线电压降低到预定的阈值级别(典型地是50V)之下时，设备100在VI模式下工作，这与传统的VI RCD(具有其固有优点)一样。当火线电压高于阈值级别时，设备100在VD模式下工作，仍使用VI环形磁心108、次级绕组110和跳闸继电器112，但允许电子处理器104测量并确定跳闸级别和其它辅助特性，例如，欠压释放和警告指示等。
在VD模式下，当电源118工作时，RCD 100处在电压相关模式下。保护绕组102连接到信号处理器104内的低阻抗，以便任何结果得到的漏电电流都会导致电流在该绕组102中流动。该绕组102中任何电流流动都会自动对磁心108进行消磁。因此，在通常的单匝次级绕组110中所感应出的电流将远小于VI设备中的期望值，因此，闭锁螺线管112、跳闸机构114和触头116并不工作。对该机制另外的观点是，通过借助更多线匝的优点，保护绕组102可用来“偷取(steal)”否则会在单匝次级绕组110中所感应出的电流，因此，有效地禁止了VI操作。保护绕组102中的电流可由信号处理104所监控，并用于提供其它辅助特性。
当在VD模式下，并检测到漏电故障状况时，通过将保护绕组102上的阻抗提高到较高级别，可以启动设备100的跳闸，使得绕组102不再传导电流并且该设备恢复VI操作。因为，现在是在次级跳闸绕组110中感应出所有故障电流，所以螺线管112被操作，并且现有的漏电电流供应能量以实现这一点。为了确保跳闸发生，还可将AC电流驱动到保护绕组102中，这也会在单匝次级绕组110中感应出电流，由此影响螺线管112的工作，如参照图4进一步详细讨论的那样。
在VI模式下，当信号处理电路104未被供电时，信号处理电路104被配置成使得保护绕组102上的阻抗很高，因此，正常VI操作并不受额外电路元件的影响。为了实现结合图2说明的目的(即阻止环形线圈108的永久磁化)，二极管120保留在保护电路106中。在正常的VI和VD操作模式下，这些二极管120上的电压永远不会高到使其导通。
图4示出了在图3中示意性展示的设备的实现的进一步细节，以及示出了磁性闭锁跳闸212直接连接到环形线圈202上的次级绕组206。标准VI RCD的第三级保护绕组204也在环形线圈202上。在电子电路级216内，第三级绕组204中感应出的信号连接到低阻抗放大电路224。当达到VD模式火线电压阈值时，放大器224通过电源218加电，输入阻抗被减少至非常低的级别，1Ω量级。由于第三级保护绕组204与次级绕组206相比具有高得多的匝数比，且被端接到非常低的阻抗，因此环形磁心202所变换的大部分磁通导致大部分电流在第三级绕组204中流动。因此在次级绕组206中所感应出的电流比VI模式下的正常情况小得多，因此在VD模式下跳闸继电器212和触头214不会工作在正常级别上。
通过经跳闸信号发生器226将大电流注入到第三级绕组204，还能实现VD模式下设备200的跳闸，通过传感器磁心202将该大电流转换成次级绕组206中的跳闸电流，使得跳闸继电器212释放。该感应的电流被额定设置为额定跳闸电流(IΔ)的1-1.5倍量级。所感应的跳闸电流的大小一般取决于传感器202的磁导率和跳闸继电器212的构造。
本领域的技术人员可以理解，所感应出的跳闸电流应当与电力供应的频率一致(即AC50Hz或60Hz)，并且必须大致与故障电流同相。还预见到，随时间增加所感应的跳闸电流的级别还能克服跳闸释放212的任何小的粘连。显然，即使跳闸时间在规范范围外，使继电器212跳闸也比在危险情况下根本不跳闸要好。
当初级导线间流动的电流不平衡超过预定的电流不平衡时，仅通过切断低阻抗放大电路224(导致高的阻抗)(这将使次级绕组206中感应出故障电流)，就也能实现VD模式下设备200的跳闸。作为结果而得到的不平衡电流足以使得继电器212使机构214跳闸。类似的情况存在于图5说明的等效电路中，如下所述的那样。
如图4所示的设备200的频率响应很大程度上由环形电流传感器202确定，该传感器的性能取决于许多因素，包括次级绕组206电感、第三级绕组204电感以及电路阻抗的影响。电流传感器202的初级电感也是重要的，但通常电路阻抗很低，因此几乎没有影响。
图5示出了如图4所示的设备200在VI模式下的等效电路。元件值是典型的，但可能针对螺线管212和环形磁心202的不同范围和组合而发生相当大的变化。
如图5所示的等效电路表示VI模式下的设备200，这时保护绕组204上的阻抗很高。这在图5表示为具有10MΩ有效值的负载电阻Rx。这样，连接到电压相关放大器224和处理220的VD电路基本上是无源的并且不传导电流Ix。这表示第三级保护绕组204。因此，由单匝初级绕组中的漏电电流产生的所有磁通都耦合到VI电路上的单匝次级绕组206，作为结果而得到的电流Is被传送到螺线管212以实现跳闸。螺线管212由Rs表示并且典型地大约1Ω。在这种情况下，需要10mA来使螺线管212跳闸。
图6示出了，对于30mA的漏电电流IΔ，图5的等效电路的频率响应。值得注意的是，电感器Lx中的电流Ix以及因此第三级保护电路204中的电流是零(由于其高阻抗)，但VI电流在50Hz下承载9mA。这将不会使得螺线管212跳闸，即便对于30mA断路器来说，其应当在这种情况下断开电力供应。这实际上是个问题，因为该设备在响应的倾斜状态期间工作，磁心材料或螺线管敏感性的变化能使设备超过所要求的规范。
为了补偿这一点，已知的方法使整个设备200受到大的可变磁场影响，这能修改螺线管212中的保持磁铁以调整其特性，并且在这种情况下，将其跳闸阈值从10mA减少到9mA。使用时，如果设备200在频率响应的平稳状态期间工作，则将更好，但这意味着更多的初级线匝，这实际上很困难，因为它由大的供电线构成。可作为替代地，将环形磁心212制造得尽可能大以增加电感。
图7示出了设备200在VD模式下的等效电路。值得注意的是，第三绕组204现在具有10Ω的低值负载电阻Rx，并且测量该电阻上的电压以确定故障电流Ix。图8示出了图7所示电路的频率响应。
VD电路中的电流Ix占主导，并且几乎达到了如果VI绕组206不存在时该电流的值(即如果是30:1匝数比，1mA的值)。响应现在还是平坦的并在50Hz处是可预测的。VI电路中的电流Is大约是330μA，因此太低而不能直接操作螺线管212。该电流导致VD电路中出现低于期望值的电流，并且误差通过VI绕组206和VD绕组204的匝数比来直接计算。在这种情况下，比值是30:1，因此VD电路电流是330μA/30μA＝11μA低于预期值。对于磁心的变化来说该误差保持相当恒定并且是很小的，因此能够被补偿。
注意在50Hz处，响应现在是平坦的，这是因为电流传感器202更接近“真实”电流互感器操作。这表示材料变化和漂移并不严重并且不必进行校准。
图9示出了低阻抗放大器224(连接到如图4所示的电路保护绕组204)的基本示意结构，并说明了通过使用运算放大器U1和U2来有效改变电路保护绕组204所见的输入阻抗的一种方法。
如图9所示，U2对参考电压Vref进行缓存，该电压随后用作低阻抗放大器224的参考电压(即U2直到火线电压超过转换阈值时才开启)。Vref是测量系统的内部参考电压，其级别是在Agnd和模拟电力供应之间的中间位置(mid-rail)。将保护绕组204中所感应出的电流施加到Rburden并将所产生的电压施加到U1的输入端。Rgain设置放大器增益，并且Vout被施加到测量系统，即图4中信号处理器220。
误差的主要来源是在U1中产生的电压偏移。如果没有补偿，则该电压偏移将消除Rburden上产生的电压。为了克服该限制，放大器必须具有低偏移设计，优选地是自动调零类型。在图9中，Rburden显示为单个电阻。实际上，它包括负载电阻和电路中存在的任何开关电阻。
当设备在电压无关模式下工作时，U1和U2被关闭并且输入阻抗上升到几个MΩ的量级。
然而，如果存在小的冲击电流，这些可能激励继电器，这样导致有害的跳闸。为了提高对因冲击电流而引起对有害跳闸的敏感性，可考虑两种选择。首先，这可以通过减少Rburden的值来实现。实际上，这难以实现，因为，无论是在分立元件的方案中还是作为电子电路216的硅实现的一部分，都难以在物理上实现低容差的小电阻。在硅实现中，当在硅基底上实现低电阻时，低电阻是通过电路通路中任何开关电阻和该电阻的物理尺寸来确定的。实际上，最小电阻典型地是10Ω。
第二选择是增加保护绕组204的匝数比。这有效降低Rburden的电阻。线匝的最大数目取决于下列因素：(i)设备的物理空间；(ii)环形磁心材料(以及其对磁导率的影响)；(iii)火线和中性线的直径；以及(iv)跳闸继电器的电阻。典型地，因为上述所列出的多个因素的任何一个或多个，导致匝数比不太可能超过100。
考虑到上述设备的体系结构，本领域的技术人员能够理解，有许多因素确定设备的工作模式：
(i)电子设备启动时间-任何电子电路需要有限的时间使得电源稳定下来并使测量系统初始化。实际上，取决于火线电压以及由此电源能引出多少电流来启动，该时间可能在5-10ms的范围内。EN/IEC61008要求设备在40ms内对总故障(gross fault)>5IΔ或>500A做出响应。尽管通过使用VD电子设备216在允许的时间内(<30ms)能实现这一点，但更有利的是，让VI电路206、212来处理总故障。因此，在启动时并在UL>转换界限时，将加上40ms延迟以确保从VI模式到VD模式的平滑过渡。
(ii)供电电压-所有电子RCD都需要最小级别的供电电压来运行，典型地是80V量级，尽管某些设备在电压降至50V时仍能工作。尽管有可能争辩说对于低于50V时电击的危害会减少，但总是有可能发生电子RCD设备不能阻止的漏电故障。
(iii)电子设备失效-所有机械和电子RCD都具有有限的寿命，其通常由构造所使用的元件类型和工作环境来确定。通过使用与IEC 61508兼容的可靠性模型，能确定两个主要的失效模式是：(a)未能检测；以及(b)未能跳闸。
如上述有两种故障情况，其阻止设备在VD模式下正确工作，“未能检测”和“未能跳闸”。连接到保护电路208的电子电路216包括三个基本电路块，即电源218、低阻抗放大器224和信号处理器220。
电源218的任何失效都会使得低阻抗放大器214关闭并且RCD200因此返回VI模式。如图4所示，低阻抗放大器224和信号处理器220通过用于配置和信号选择的串行接口连接起来。低阻抗放大器224中的串行端口连接到监视定时器228，该监视定时器随着每次串行传输而重置。如果处理器220停止或异常执行程序，则串行传输停止并且监视定时器228将超时，使得设备返回VI模式。超时周期是可编程的，但典型地小于40ms。这确保即使当总接地故障与电子设备失效同时发生(双故障)时，设备200通过返回到VI模式而在规定的时间内跳闸。
信号处理器220也具有类似的监视定时器222，如果程序异常执行或停止，则该监视定时器能重置信号处理器220并重新开始其操作。在这种情况下，串行传输暂时停止，低阻抗放大器224返回VI模式，同时发生重置操作。
本领域的技术人员因此理解，如果发生电子设备失效，则每个主电路块都能发起基于硬件的操作以使得RCD 200返回到VI模式。
表1概述了在各种工作条件下RCD 200的工作状态。
 
接通 接通+Tstart UL<转换界限    UL>转换界限    电子设备失效    
VI x x X
VD x x
接通
在接通时，电力供应随之稳定下来，通过使用RCD传感器的单匝次级绕组206和跳闸继电器212，设备200以VI方式工作。此时，设备的性能很大程度上由传感器磁心202的磁导率和跳闸继电器212的性能所决定。如果在启动时有很大的接地泄露电流，则这些会由VI电路202、206检测到，使得跳闸机构212断开触头214。
接通+Tstart
一旦火线电压达到或超过最小工作电压，电源218就会启动并且低阻抗放大器224和信号处理器220将初始化。低阻抗放大器224直到火线电压超过转换阈值才被开启。此时，放大器输入阻抗几乎减少至0Ω，环形磁心202中任何磁通都将转而用于主要在第三级绕组204上感应出电流。转换电压常常高于最小工作电压，以确保从VI模式到VD模式可靠、可重复的转变。
UL<转换界限
在VD模式下，在工作期间，如果火线电压UL降到转换界限以下，则输入放大器U1将关闭并进入高阻抗状态，因此使得设备200返回VI模式。
UL>转换界限
这与“接通+Tstart”所说明的情况类似。电源218是活动的，但火线电压UL早先已低于转换界限。一旦火线电压超过转换界限，输入放大器U1关闭并且输入阻抗几乎减少至0Ω，磁心202中的任何磁通将转而用于在第三级绕组204上感应出电流。注意在两个之前的情况下，转换界限不必处在同一级别，事实上，在第二种情况下较高的界限可能更有利，以防止在较低UL<转换界限情况下从VI到VD模式的连续变化。
图10示出了用于确定VI模式和VD模式之间转换的处理算法。软件使用许多事件定时器和相关联的中断来处理不同的活动流。注意的要点是使用两个滤波器处理电压测量结果。使用慢速滤波器来进行精确的电压测量(如果RCD需要的话)。快速滤波器仅用于确定是否需要进行VI和VD模式之间的转换。每330μs(每个循环60次采样)执行图10左边的算法，同时每1/2个循环(10ms)执行右边的算法，因此，以大约2.6Khz的采样率进行快速信号捕捉，同时每1/2个循环进行关于切换到VI模式的判定。
参考图10的左边，在方框302处，每330μs(方框300)对火线和中性线数据进行捕捉。理想地，需要对火线和中性线同时进行采样，然而，在实际设备中，可以以连续采集的方式对它们进行采样。对于多相设备而言，本领域的技术人员理解必须保持同一采样次序。
在方框304和306处，从火线电压减去中性线电压，并计算火线-中性线电压(line to neutral voltage)的均方。在方框308和310处，将新的测量值输入到快速和慢速滤波器。快速滤波器的结果然后被应用到峰值检测器312，以评估火线-中性线电压的最大值。
每10ms(方框320)，在方框322处通过将火线-中性线电压的均方转换成均方根值来对峰值检测器进行评估以确定是否已突破最小或最大转换阈值。在方框324和326处，对火线-中性线电压的RMS和转换界限进行比较。如果火线-中性线电压的RMS低于转换界限，则将设备切换到VI模式(方框328处)。此时，放大电路224关闭，由此设置输入阻抗为高。如果火线-中性线电压的RMS高于转换界限，则通过开启放大器224由此设置输入阻抗为低，来将设备切换至VD模式330。在方框332处，峰值检测器被重置并等待下一个1/2循环。
电子设备失效
连接到保护电路208的电子电路216的任何失效使得低阻抗放大器224关闭，RCD 200因此如上述返回VI模式。
图11示出了本发明的可替代实施例的一般配置。
近年来，替代的VI结构已可用，由此，已结合延迟电路232来使用高阻抗跳闸继电器230。该方式的目的是减少VI电路206、212对冲击/脉冲电流的敏感性，该敏感性可能使得图4的实施例出现错误跳闸。该构造已并入本发明中；图4实施例和图11所陈述的实施例之间的主要差异是，跳闸继电器230被激励的方式。因为高阻抗跳闸继电器230的匝数比更高，在VD模式下直接从电子设备216驱动继电器230更为有利。
在VI模式下，致动器驱动和输入放大器处在高阻抗状态，任何感应出的故障电流以传统方式施加到延迟电路232并随后施加到跳闸继电器230。当火线电压高于VD模式阈值时，检测和测量电子设备216开启，输入放大器处在低阻抗状态，电路以与前述相同的方式作出响应。当需要跳闸继电器230工作时，信号处理器220上的激励端口驱动电流直接进入跳闸继电器230使得其断开。激励端口是信号处理器220上的I/O端口，其用于使高阻抗配置的下磁性闭锁继电器230跳闸。该端口仅需要低电压(3-5V)和有限的电流(达到10mA)能力以使典型的继电器230跳闸。当在VI模式下工作，该端口还应当是三态的。
该实施例的重大改进是，增加了可用电流以激励跳闸继电器230。在VI模式下，该电流典型地是400μA的量级，但在VD模式下，它可能是几mA的量级。如果继电器仅具有小的“粘连”，则该增加的电流可以帮助提高跳闸继电器230的可靠性。
可以并不偏离本发明的范围而对其进行各种变更和修改。例如，尽管特定实施例是指在单相电气设备上实现本发明，但这不意味着限制，在使用时，本发明可能并入更大的设备中，单相和多相都可以。

Claims (29)

1、一种漏电保护设备，其具有一旦检测到电力供应的火线和中性线之间预定的电流不平衡时就将所述电力供应与电气设备隔离的跳闸机构，该漏电保护设备包括：
电流互感器，其具有电感应地耦合为初级绕组的火线和中性线；
次级绕组，其电感应地耦合到所述电流互感器，并可连接到所述跳闸机构，所述次级绕组对所述电气设备上的所述电流不平衡做出响应；以及
电路保护绕组，其电感应地耦合到所述电流互感器，并对所述电气设备上的所述电流不平衡做出响应，如果所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则所述电路保护绕组可连接到处理装置以用于进行处理，所述处理装置的阻抗随所述火线电压的级别而变化。
2、如权利要求1所述的漏电保护设备，其中，通过使用电连接到所述电路保护绕组和所述处理装置之间的放大装置来改变所述处理装置的阻抗。
3、如权利要求2所述的漏电保护设备，其中，如果所述火线电压低于预定的阈值电压，则所述放大装置的阻抗足够高，以使得所述电气设备上的任何电流不平衡主要在所述次级绕组中流动，或者，如果所述火线电压高于所述预定的阈值电压，则所述放大装置的阻抗足够低，以使得所述电气设备上的任何电流不平衡主要在所述电路保护绕组中流动。
4、如权利要求3所述的漏电保护设备，其中，所述预定的阈值级别大约是50V。
5、如权利要求1所述的漏电保护设备，其中，所述处理装置是可编程的，并且包括其它辅助特性，例如，欠压释放和警告指示。
6、如权利要求1所述的漏电保护设备，其中，所述次级绕组是单匝绕组。
7、如权利要求1所述的漏电保护设备，其中，如果所述处理装置感知到所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则AC跳闸电流被驱动进入所述电路保护绕组，这也会在所述次级绕组中感应出电流不平衡。
8、如权利要求7所述的漏电保护设备，其中，所述AC跳闸电流被额定设置为属于额定跳闸电流的1至1.5倍量级。
9、如权利要求7所述的漏电保护设备，其中，所述AC跳闸电流与所述电气设备上的所述电流不平衡同相。
10、如权利要求7所述的漏电保护设备，其中，所述AC跳闸电流的级别随时间增加。
11、如权利要求2所述的漏电保护设备，其中，如果所述处理装置感知到所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则将所述放大装置关闭，以使得所述电气设备上的所述电流不平衡主要在所述次级绕组中流动。
12、如权利要求1所述的漏电保护设备，其中，所述电路保护绕组具有比所述次级绕组高得多的匝数比，并且还包括至少两个背对背的二极管以防止所述电流互感器的永久磁化。
13、一种用于一旦检测到电力供应的火线和中性线之间预定的电流不平衡时就将所述电力供应与电气设备断开连接的方法，所述火线和中性线电感应地耦合为电流互感器的初级绕组；所述方法包括下列步骤：
监控电感应地耦合到所述电流互感器、并对所述电气设备上的所述电流不平衡做出响应的次级绕组的输出，所述次级绕组的输出可连接到所述电力供应中的跳闸机构；
监控电感应地耦合到所述电流互感器、并对所述电气设备上的所述电流不平衡做出响应的电路保护绕组的输出，如果所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则所述电路保护绕组可电连接到处理装置以用于进行处理；
感知所述火线电压并将其与预定的阈值电压进行比较；
取决于所述火线电压的级别来修改所述处理装置的阻抗，以使得所述电气设备上的所述电流不平衡主要在或者所述次级绕组或者所述电路保护绕组中流动；以及
如果所述电气设备上的所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则使所述跳闸机构跳闸。
14、如权利要求13所述的方法，其中，通过使用电连接到所述电路保护绕组和所述处理装置之间的放大装置，来改变取决于所述火线电压的级别来修改所述处理装置的阻抗的步骤。
15、如权利要求14所述的方法，其中，取决于所述火线电压的级别来修改所述处理装置的阻抗的步骤进一步包括下列步骤：
感知到所述火线电压低于预定的阈值电压并设置所述放大装置的阻抗为足够高，以使得所述电气设备上的任何电流不平衡主要在所述次级绕组中流动，或者，感知到所述火线电压高于所述预定的阈值并设置所述放大装置的阻抗为足够低，以使得所述电气设备上的任何电流不平衡主要在所述电路保护绕组中流动。
16、如上述任一权利要求所述的方法，其中，所述预定的阈值级别大约是50V。
17、如权利要求13所述的方法，其中，所述次级绕组是单匝绕组。
18、如权利要求13所述的方法，其中，如果所述电气设备上的所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则使所述跳闸机构跳闸的步骤进一步包括以下步骤：将AC跳闸电流注入所述电路保护绕组，这会在所述次级绕组中感应出电流不平衡。
19、如权利要求18所述的方法，其中，所述AC跳闸电流被额定设置为属于额定跳闸电流的1至1.5倍量级。
20、如权利要求18所述的方法，其中，所述AC跳闸电流与所述电气设备上的所述电流不平衡同相。
21如权利要求18所述的方法，其中，所述AC跳闸电流的级别随时间而增加。
22、如权利要求14所述的方法，其中，如果所述电气设备上的所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则使所述跳闸机构跳闸的步骤进一步包括以下步骤：关闭所述放大装置，以使得所述电气设备上的所述电流不平衡主要在所述次级绕组中流动。
23、一种计算机程序产品，用于在数字漏电保护设备的电压相关工作模式和电压无关工作模式之间进行选择，该数字漏电保护设备具有用于一旦检测到电力供应的火线和中性线之间预定的电流不平衡时就将所述电力供应与电气设备隔离的跳闸机构，该计算机程序产品包括：
用于对所述电力供应上的火线电压和中性线电压进行采样和捕捉的计算机程序模块；
用于从所捕捉的火线电压中减去所捕捉的中性线电压并且计算火线-中性线电压的均方的计算机程序模块；
用于在多个采样周期上对火线-中性线电压的均方的最大值进行评估并将线火线-中性线电压的均方的最大值转换成火线-中性线电压的均方根的计算机程序模块；以及
用于将所得到的火线-中性线电压的均方根与预定的转换界限进行比较以使得如果所得到的火线-中性线电压的均方根高于该预定的转换界限，则将所述漏电保护设备切换至电压相关工作模式，或如果所得到的火线-中性线电压的均方根低于该预定的转换界限，则将所述漏电保护设备切换至电压无关工作模式的计算机程序模块。
24、如权利要求23所述的计算机程序产品，其中，所述预定的转换界限大约是50V。
25、一种漏电保护设备，其具有一旦检测到电力供应的火线和中性线之间预定的电流不平衡时就将所述电力供应与电气设备隔离的跳闸机构，该漏电保护设备包括：
电流互感器，其具有电感应地耦合为初级绕组的火线和中性线；
电路保护绕组，其电感应地耦合到所述电流互感器，并对所述电气设备上的所述电流不平衡做出响应，如果所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则所述电路保护绕组可连接到所述跳闸机构以及处理装置以用于进行处理，以便在使用时：
(i)如果所述火线电压低于给所述处理装置供电所需的阈值级别，
则所述跳闸机构对所述电气设备上的任何所述电流不平衡做出响应；或
(ii)如果所述火线电压高于所述阈值级别，则所述处理装置工作并响应于所述电气设备上的所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡而将跳闸电流驱动进入所述跳闸机构。
26、如权利要求25所述的漏电保护设备，其中，延迟电路电连接到所述电路保护绕组和所述跳闸机构之间，以引入预定的时间延迟。
27、如权利要求26所述的漏电保护设备，其中，如果所述电气设备上的所述电流不平衡超过所述预定的电流不平衡，则在所述预定的时间延迟之后，所述跳闸机构才工作。
28、一种参考附图中的图3-11在这里说明的电路保护设备。
29、一种用于如前所述一旦检测到电力供应的火线和中性线之间预定的电流不平衡时就将所述电力供应与电气设备断开连接的方法。
30、一种参考附图中的图3-11在这里说明的计算机程序产品。
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