CN102460879A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

Info

Publication number
CN102460879A
CN102460879A CN2010800315798A CN201080031579A CN102460879A CN 102460879 A CN102460879 A CN 102460879A CN 2010800315798 A CN2010800315798 A CN 2010800315798A CN 201080031579 A CN201080031579 A CN 201080031579A CN 102460879 A CN102460879 A CN 102460879A
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
secondary winding
coupled
current
detection signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2010800315798A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102460879B (zh
Inventor
H.T.金塞尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Building Technologies AG
Siemens Industry Inc
Original Assignee
Siemens Building Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Building Technologies AG filed Critical Siemens Building Technologies AG
Publication of CN102460879A publication Critical patent/CN102460879A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102460879B publication Critical patent/CN102460879B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/16—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to fault current to earth, frame or mass
    • H02H3/162—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to fault current to earth, frame or mass for ac systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/26—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents
    • H02H3/32—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors
    • H02H3/33—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors using summation current transformers
    • H02H3/331—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors using summation current transformers responsive to earthing of the neutral conductor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)

Abstract

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。

Description

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
相关申请的引用
本申请要求保护2009年5月14日提交的美国临时专利申请序列号61/216,234的权益，通过引用将该申请整体合并在此。
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。
附图说明
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NS1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RL2G的负载处的线到地故障，以及被指示为RG2N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RL2G的接地泄漏电流IL2G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IL2G相关：
Figure 2010800315798100002DEST_PATH_IMAGE001
因此，通过监测次级电流Is以及知道匝数比Ns，可以从等式（1）确定接地泄漏电流IL2G。
此外，可以通过利用AC信号（例如电压或电流）驱动次级绕组20并且在变压器12的次级绕组20处监测对应的负载信号（例如电流或电压）来确定低阻抗地到中性故障RG2N。RG2n表现为次级绕组20处的相对较低的阻抗。具体来说，假设RL2G比RG2N更大许多，则变压器12的阻抗ZS对所述次级表现为：
Figure 549847DEST_PATH_IMAGE002
因此，如果利用具有指定量值和频率的AC电压Vac来驱动次级绕组20，则驱动次级绕组20所需的负载电流Iac是：
Figure 2010800315798100002DEST_PATH_IMAGE003
因此，通过监测负载电流Iac，可以从等式（2）和（3）计算RG2N。
根据本发明，接地故障检测器电路14通过监测变压器12中的差动电流来检测接地泄漏电流IL2G。具体来说，在第一预定时间间隔T1，接地故障检测器电路14监测次级绕组20中的电流Is。第一预定时间间隔T1可以是大约100毫秒，更一般来说处于大约1和560毫秒之间，但是可以使用其他时间间隔。通过监测次级电流Is并且知道匝数比Ns，可以从等式（1）确定接地泄漏电流IL2G。因此，如果所监测的次级电流Is指示接地泄漏电流IL2G已超出第一预定值，则地电流故障检测器电路14在输出端子处生成第一检测信号GCF，其促使中断电路18断开电路线导体L并且从而中断AC电力系统。
举例来说，GCF信号可以通常为低，但是如果接地泄漏电流IL2G超出第一预定值则该GCF信号可以从低切换到高。本领域普通技术人员将会理解，GCF信号可以替换地通常为高，但是如果接地泄漏电流IL2G超出第一预定值则该GCF信号可以从高切换到低。
在第一预定时间间隔T1之后，接地中性故障检测器电路16利用AC信号驱动次级绕组20达第二预定时间间隔T2，以便监测低阻抗地到中性故障RG2N。第二预定时间间隔T2可以是大约5毫秒，更一般来说处于大约0.1和17毫秒之间，但是可以使用其他持续时间。举例来说，在第二预定时间间隔T2，接地中性检测器电路16利用具有指定量值Vac和指定频率fd的AC电压驱动次级变压器20。
驱动次级绕组20所需的负载电流Iac等于Vac除以变压器12的阻抗Zs，正如上面在等式（3）中所阐述的那样。根据等式（2）和（3），可以把负载电流Iac写作：
Figure 781501DEST_PATH_IMAGE004
在理想情况下，RG2N是无限大，并且负载电流Iac是零。但是，如果存在低阻抗地到中性故障，则RG2N不是无限大，并且可能相当低。随着RG2N减小，负载电流Iac增大。因此，如果负载电流Iac超出预定值（其指示RG2N已减小到第二预定阈值以下），则接地中性检测器电路16在输出端子处生成第二检测信号GNF，其促使中断电路20断开电路线导体L并且从而中断AC电力系统。
举例来说，GNF信号可以通常为低，但是如果负载电流Iac超出第二预定阈值，则该GNF信号可以从低切换到高。本领域普通技术人员将理解，GNF信号可以替换地通常为高，但是如果负载电流Iac超出第二预定阈值则该GNF信号可以从高切换为低。
本领域普通技术人员将理解，接地中性检测器电路16替换地可以利用具有指定量值Iac和指定频率fd的AC电流驱动次级绕组14，并且可以监测次级绕组14两端的驱动电压Vac。如果所监测的驱动电压Vac小于预定值，则接地中性检测器电路16可以随后生成第二检测信号GNF。
在第二预定时间间隔T2之后，接地中性故障检测器电路16停止驱动次级绕组20，并且地电流故障检测器电路14恢复监测在变压器12中流动的差动电流。该过程以迭代方式重复，以便连续地检测线到地故障和低阻抗地到中性故障。
如上所述，中断电路被用来分别基于第一和第二检测信号GCF和GNF断开电路线导体L，并从而中断AC电力系统。具体来说，中断电路18具有耦合到源处的线导体L的第一输入端子、耦合到地电流故障检测器电路14的输出端子和接地中性故障检测器电路16的输出端子的第二输入端子以及耦合到变压器12的线导体L初级绕组的输出端子。第一输入端子通常耦合到输出端子，除非第二输入端子处的信号具有预定值（例如为高）。因此，如果GCF和GNF两者都为低，则源处的线导体L耦合到变压器12的线导体L初级绕组。如果GCF或GNF变为高（分别指示地电流故障或接地中性故障），则源处的线导体L从变压器12的线导体L初级绕组断开。
本领域普通技术人员将理解，中断电路18可以替换地位于变压器12与负载之间。在这样的替换实施例中，如果GCF和GNF两者都为低，则变压器12的线导体L初级绕组耦合到负载处的线导体L。如果GCF或GNF变为高（分别指示地电流故障或接地中性故障），则变压器12的线导体L初级绕组从负载处的线导体L断开。
根据本发明的GFCI器件（比如GFCI器件10）可以用数字电路、模拟电路或者数字与模拟电路的组合来实施。现在参照图2，描述了使用数字电路实施的示例性GCFI器件10a。GFCI器件10a包括单个变压器12、地电流故障检测器电路14a、接地中性故障检测器电路16a以及中断电路18a。
示例性的地电流故障检测器电路14a包括缓冲器（或放大器）30（其在这里被称作“缓冲器/放大器30”）、多路复用器（“MUX”）32、模拟到数字转换器（“ADC”）34、处理器36以及控制器38。缓冲器/放大器30具有耦合到次级绕组20的输入端子以及耦合到MUX 32的第一输入端子IN1的输出端子。MUX 32具有第二输入端子IN2、耦合到控制器38的控制端子以及耦合到ADC 34的输入端子的输出端子。ADC 34还具有耦合到控制器38的控制端子，并且具有耦合到处理器36的输入端子的输出端子。
在第一预定时间间隔T1期间，控制器38不激活接地中性故障检测器电路16a，驱动信号Vac为零，并且负载电流Iac为零。因此，缓冲器/放大器30的输出是所监测的次级电流Is，其被耦合到MUX 32上的输入端子IN1。控制器38向MUX 32提供控制信号以便将IN1输入端选作MUX 32的输出端。ADC 34对所缓冲（或放大）的次级电流Is信号进行采样，并且向处理器36提供对应于次级电流Is的数字计数。处理器36可以是传统的微处理器集成电路，或者其他类似的处理器。可替换地，ADC 34和处理器36可以被组合到包括微处理器和模拟到数字转换器的单个器件中，比如加利福尼亚的圣何塞的Atmel Corporation的ATTINY461A微控制器或者德克萨斯州的达拉斯的Texas Instruments组合公司的MSP430s微控制器。处理器36对经过转换的Is数据进行处理，以便确定接地泄漏电流IL2G是否超出第一预定阈值。
如果接地泄漏电流IL2G超出第一预定阈值，则数字接地故障检测器36向控制器38提供指示存在地电流故障的输出信号。控制器38接着又向中断电路18a提供第一检测信号GCF。在所示实施例中，中断电路18a包括晶闸管60，其耦合到跳闸线圈62并且具有耦合到控制器38的控制输入端。中断电路18a还包括耦合到跳闸螺线管62的接触件64。第一检测信号GCF促使晶闸管60导通，所述晶闸管60接着又为跳闸螺线管62加电并且促使接触件64断开，并且从而中断AC电力系统。
如前所述，在第一预定时间间隔T1期间，控制器38不激活接地中性故障检测器电路16a。在第一预定时间间隔T1之后，控制器38激活接地中性故障检测器电路16a达第二预定时间间隔T2。
具体来说，接地中性故障检测器电路16a包括：数字信号发生器40，其具有耦合到数字到模拟转换器（“DAC”）42的输入端子的输出端子；第一低通滤波器（“LPF”）44，其具有耦合到DAC 42的输出端子的输入端子；驱动器46，其具有耦合到LPF 44的输出端子的输入端子；可选整流器48，其具有耦合到驱动器46的输出端的输入端子；第二LPF 50，其具有耦合到整流器48的输出端子的输入端子；以及MUX 32，其具有耦合到LPF 50的输出端的第二输入端子IN2。接地中性故障检测器电路16a还包括前面所描述的ADC 34、数字GF检测器36以及控制器38。
在第一预定时间间隔T1之后，控制器38接通数字信号发生器40，所述数字信号发生器40向DAC 42提供数字数据以便生成具有指定量值和频率的模拟输出信号。根据本发明，数字信号发生器40和DAC 42可以被用来生成具有指定量值和指定频率的AC信号，所述指定量值和指定频率每个都可以被单独控制。
DAC 42的输出端被LPF 44平滑，并且LPF 44的输出通过驱动器46被输出到变压器12。在图2的示例性实施例中，接地中性故障检测器电路16a利用AC电压Vac驱动次级绕组20，并且监测由次级绕组20传导的负载电流Iac。
具体来说，驱动器46可以包括电流镜，其提供基本上等于负载电流Iac的镜像负载电流I’ac。镜像负载电流I’ac可以由可选整流器48处理，所述可选整流器48可以是全波整流器或其他类似的整流器电路，以便提供经过整流的输出信号，所述经过整流的输出信号由LPF 50平滑并且被耦合到MUX 32的第二输入端IN2。因此，IN2接收对应于镜像负载电流I’ac的信号。
在第二预定时间间隔T2期间，控制器38向MUX 32提供控制信号，以便将IN2输入端选为MUX 32的输出端。ADC 34对镜像负载电流I’ac信号进行采样，并且向数字接地故障检测器36提供对应于镜像负载电流I’ac的数字计数。数字接地故障检测器36对经过转换的I’ac数据进行处理，以便确定负载电流Iac是否超出预定值（这指示RG2N已减小到第二预定阈值以下）。
如果RG2N小于第二预定阈值，则数字接地故障检测器36向控制器38提供指示存在接地中性故障的输出信号。控制器38接着又向中断电路18a提供第二检测信号GNF。第二检测信号GNF促使晶闸管60导通，该晶闸管60接着又为跳闸螺线管62加电，并且促使接触件64断开，并且从而中断AC电力系统。
在第二预定时间间隔T2之后，控制器38关断数字信号发生器40，并且地电流故障检测器电路14恢复监测在变压器12中流动的差动电流。该过程以迭代方式重复，以便连续地检测线到地故障和低阻抗地到中性故障。
如前所述，可以替换地使用模拟电路来实施根据本发明的GFCI器件。现在参照图3，描述了使用模拟电路实施的示例性GCFI器件10b。该GFCI器件10b包括变压器12、地电流故障检测器电路14b、接地中性故障检测器电路16b、中断电路18a以及受控开关94。变压器12具有次级绕组20，所述次级绕组20具有Nsa匝的第一抽头输出端20a和Nsb匝的第二抽头输出端20b。
示例性的地电流故障检测器电路14b包括缓冲器（或放大器）72（其在这里被称作“缓冲器/放大器72”），其具有通过受控开关94耦合到次级绕组20的输入端子，并且具有耦合到LPF 74的输入端子的输出端子。LPF 74具有耦合到峰值检测器76的输入端子的输出端子，所述峰值检测器76具有耦合到比较器78的输入端子的输出端子。比较器78具有耦合到晶闸管60的输入端子的输出端子。
在第一预定时间间隔T1期间，定时器电路（如下文所描述的定时器92）闭合受控开关94，并且不激活接地中性故障检测器电路16b。其结果是，驱动信号Vac为零，并且负载电流Iac为零。因此，缓冲器/放大器72的输出是所监测的次级电流Is，其由LPF 74平滑，并且经过平滑的次级电流Is信号被耦合到峰值检测器76的输入端。峰值检测器76提供等于次级电流Is的峰值的DC输出电压。峰值检测器输出被作为输入提供给比较器78。
比较器78提供输出信号，如果峰值次级电流Is的值超出第一预定阈值除以Nsa（即如果接地泄漏电流IL2G超出第一预定阈值），则所述输出信号改变状态（例如从低切换到高）。因此，比较器78向中断电路18a提供第一检测信号GCF。第一检测信号GCF促使晶闸管60导通，所述晶闸管60接着又为跳闸螺线管62加电，并且促使接触件64断开，并且从而中断AC电力系统。
如前所述，在第一预定时间间隔T1期间，接地中性故障检测器电路16b是不活动的。在第一预定时间间隔T1之后，地电流故障检测器电路14b是不活动的，并且接地中性故障检测器电路16b在第二预定时间间隔T2是活动的。
具体来说，接地中性故障检测器电路16b包括差动放大器80、带通滤波器（“BPF”）82、峰值检测器84、比较器86、定时器电路92、AC信号发生器90、驱动器88、感测电阻器RSENSE以及电容器CRES。在第一预定时间间隔T1之后，定时器电路断开受控开关94，这实际上不激活地电流故障检测器电路14b并且激活AC源90。
AC源90可以是向驱动器88提供AC信号（例如以及AC电压或AC电流）的振荡器。AC源90可以生成正弦信号或者替换地可以生成非正弦波形，比如方波、斜升或其他类似波形。根据本发明，AC源90生成具有指定量值和指定频率的AC信号，所述指定量值和指定频率每个都可以被单独控制。
在图3所示的实施例中，AC源90向驱动器88提供AC电压信号，所述驱动器88向次级绕组20的第二抽头输出端20b提供AC输出信号Vac。因此，在第二预定时间间隔T2期间，接地中性故障检测器电路16b利用AC电压信号Vac驱动次级绕组20。
差动放大器80测量感测电阻器RSENSE两端的电压，以便监测由驱动器88供应的负载电流Iac。RSENSE可以具有处于大约1和10欧姆之间的值，但是根据次级绕组的匝数、驱动器以及检测电路的灵敏度可以使用其他电阻值。差动放大器80的输出由BPF 82滤波，并且经过滤波的输出被耦合到峰值检测器84和比较器86。峰值检测器84提供等于负载电流Iac的峰值的DC输出电压。峰值检测器输出被作为输入提供给比较器86。
比较器86提供输出信号，如果峰值负载电流Iac的值超出Vac除以第二预定阈值与Nsb 2的乘积（即如果低阻抗地到中性故障RG2N小于第二预定阈值小于所述第二预定阈值），则所述输出信号改变状态（例如从低切换到高）。因此，比较器86向中断电路18a提供第二检测信号GNF。第二检测信号GNF促使晶闸管60导通，所述晶闸管60接着又为跳闸螺线管62加电，并且促使接触件64断开，并且从而中断AC电力系统。
现在参照图4，描述了使用模拟电路实施的另一种替换的示例性GCFI器件10c。GFCI器件10c与GFCI器件10b类似，但是分别利用在正峰值和负峰值二者上翻转（toggle）的窗口比较器98和100替代峰值检测器76/84和比较器78/86。在这方面，GCFI器件10c可以更快速地对地电流故障和接地中性故障做出响应。
现在参照图5，描述了使用模拟电路实施的又一种替换的示例性GCFI器件10d。GFCI器件10d与GFCI器件10b类似，但是分别利用整流器102和108以及LPF 104和110实施峰值检测器76和84。整流器102和108可以是全波或半波整流器。
前面的内容仅仅说明本发明的原理，并且在不背离本发明的范围和精神的情况下，本领域普通技术人员可以做出许多修改。

Claims (27)

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。
CN201080031579.8A 2009-05-14 2010-05-14 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 Active CN102460879B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US21623409P 2009-05-14 2009-05-14
US61/216234 2009-05-14
US12/779406 2010-05-13
US12/779,406 US8526143B2 (en) 2009-05-14 2010-05-13 Methods and appraratus for ground fault circuit interrupt detection using a single transformer
PCT/US2010/034910 WO2010132778A1 (en) 2009-05-14 2010-05-14 Methods and apparatus for ground fault circuit interrupt detection using a single transformer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102460879A true CN102460879A (zh) 2012-05-16
CN102460879B CN102460879B (zh) 2015-09-09

Family

ID=43068325

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201080031579.8A Active CN102460879B (zh) 2009-05-14 2010-05-14 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

Country Status (4)

Country Link
US (2) US8526143B2 (zh)
CN (1) CN102460879B (zh)
DE (1) DE112010001977T5 (zh)
WO (1) WO2010132778A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117581323A (zh) * 2021-07-05 2024-02-20 菲尼克斯电气股份有限公司 具有接地故障保护的直流电压开关装置

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8526143B2 (en) * 2009-05-14 2013-09-03 Siemens Industry, Inc. Methods and appraratus for ground fault circuit interrupt detection using a single transformer
US9330875B2 (en) 2009-10-02 2016-05-03 Semiconductor Components Industries, Llc Method for determining a circuit element parameter
US9478969B2 (en) 2009-10-02 2016-10-25 Semiconductor Components Industries, Llc Ground fault circuit interrupter and method
US8390297B2 (en) * 2009-10-02 2013-03-05 Semiconductor Components Industries, Llc Ground fault circuit interrupter and method
US9331469B2 (en) 2009-10-02 2016-05-03 Semiconductor Components Industries, Llc Ground fault circuit interrupter and method
TWI391685B (zh) * 2009-10-16 2013-04-01 Ind Tech Res Inst 繞線製品檢測機台及其層間短路之檢測方法
US9042136B2 (en) * 2012-02-02 2015-05-26 Engen Technologies Llc Magnetic flux conversion device
US9124094B2 (en) 2013-03-14 2015-09-01 Semiconductor Components Industries, Llc Current saturation detection and clamping circuit and method
US9645192B2 (en) 2013-03-14 2017-05-09 Semiconductor Components Industries, Llc Ground fault circuit interrupter and method
DE102014105306A1 (de) * 2014-04-14 2015-10-15 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg Flux-Gate-Stromsensor
DE102014221720A1 (de) * 2014-07-04 2016-01-07 Siemens Aktiengesellschaft Fehlerstromschutzvorrichtung mit netzspannungsabhängiger und netzspannungsunabhängiger Erfassung
US9876344B2 (en) 2014-11-17 2018-01-23 Siemens Industry, Inc. Apparatus and methods for monitoring and responding to power supply and/or detection circuit failures within an electronic circuit breaker
US9759759B2 (en) * 2015-07-15 2017-09-12 Vale S.A. Apparatus and method for sensing a leakage current between first and second locations in a single wire earth return circuit
US10707669B2 (en) * 2017-05-30 2020-07-07 Eaton Intelligent Power Limited Grounded neutral detection circuit and circuit interrupter including the same
US10951018B2 (en) * 2017-11-15 2021-03-16 Texas Instruments Incorporated Ground fault current interrupter circuit
US11125820B2 (en) * 2018-04-25 2021-09-21 Texas Instruments Incorporated Safety fault interrupter circuit with power fault monitor
US11585863B2 (en) 2021-02-12 2023-02-21 Avo Multi-Amp Corporation Capacitive pickup fault detection
DE102022129457B4 (de) * 2022-11-08 2024-05-29 Bender Gmbh & Co. Kg Elektrische Schaltungsanordnung und Verfahren zur galvanisch getrennten, allstromsensitiven Differenzstrom-Messung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0069655A1 (fr) * 1981-07-06 1983-01-12 Merlin Gerin Dispositif de protection différentielle à haute sensibilité pour la détection de courants de défaut phase ou neutre à la terre
US4378579A (en) * 1980-11-07 1983-03-29 Sprague Electric Company Alternately low and high input-impedance detector for use in a GFI
CN1619908A (zh) * 2003-11-18 2005-05-25 施耐德电器工业公司 差动保护装置和方法以及包含该装置的电力设备

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3548259A (en) * 1969-03-03 1970-12-15 Hubbell Inc Harvey Ground fault circuit interrupter with undervoltage release
US3953766A (en) * 1974-09-16 1976-04-27 General Electric Company Ground fault circuit interrupter and electronic module therefor
US4001646A (en) * 1975-06-16 1977-01-04 General Electric Company Ground fault circuit interrupter utilizing a single transformer
US4150411A (en) * 1977-12-15 1979-04-17 General Electric Company Ground fault circuit interrupter utilizing a single transformer
US4276510A (en) * 1979-05-16 1981-06-30 General Electric Company Apparatus for sensing current transformer primary current as a function of differential core inductance
ZA941138B (en) * 1993-02-26 1994-08-29 Westinghouse Electric Corp Circuit breaker responsive to repeated in-rush currents produced by a sputtering arc fault.
US20090040666A1 (en) * 2007-08-07 2009-02-12 Elms Robert T Circuit interrupter including test circuit
US8004418B2 (en) * 2008-09-08 2011-08-23 Eaton Corporation Communication interface apparatus for an electrical distribution panel, and system and electrical distribution panel including the same
US8436739B2 (en) * 2008-09-08 2013-05-07 Eaton Corporation Electrical switching apparatus including a trip coil open circuit test circuit and system including the same
US8526143B2 (en) * 2009-05-14 2013-09-03 Siemens Industry, Inc. Methods and appraratus for ground fault circuit interrupt detection using a single transformer
US8908338B2 (en) * 2009-06-03 2014-12-09 Siemens Industry, Inc. Methods and apparatus for multi-frequency ground fault circuit interrupt grounded neutral fault detection
US8405940B2 (en) * 2009-10-13 2013-03-26 Schweitzer Engineering Laboratories Inc Systems and methods for generator ground fault protection

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4378579A (en) * 1980-11-07 1983-03-29 Sprague Electric Company Alternately low and high input-impedance detector for use in a GFI
EP0069655A1 (fr) * 1981-07-06 1983-01-12 Merlin Gerin Dispositif de protection différentielle à haute sensibilité pour la détection de courants de défaut phase ou neutre à la terre
CN1619908A (zh) * 2003-11-18 2005-05-25 施耐德电器工业公司 差动保护装置和方法以及包含该装置的电力设备

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117581323A (zh) * 2021-07-05 2024-02-20 菲尼克斯电气股份有限公司 具有接地故障保护的直流电压开关装置

Also Published As

Publication number Publication date
US8526143B2 (en) 2013-09-03
DE112010001977T5 (de) 2012-11-29
CN102460879B (zh) 2015-09-09
WO2010132778A1 (en) 2010-11-18
US8908339B2 (en) 2014-12-09
US20130279050A1 (en) 2013-10-24
US20100290164A1 (en) 2010-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102460879B (zh) 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
US8908338B2 (en) Methods and apparatus for multi-frequency ground fault circuit interrupt grounded neutral fault detection
US10345347B2 (en) Device and method for fault current detection
CN105610138B (zh) 在it供电系统发生第二故障的情况下选择性断开子系统的电气保护装置和方法
US10389104B1 (en) Circuit breaker for DC circuits using coupled induction
US8339272B2 (en) Circuit breaker locator
US6181586B1 (en) Current-to-voltage converter and associate closed-loop control circuit
KR102181831B1 (ko) 안정도 향상된 고압 전력선 경로 탐사 장치 및 방법
CN102623947A (zh) 一种带相线切换功能的漏电保护器
CN101447667A (zh) 一种高压变频器功率单元输入缺相检测器
CN201331555Y (zh) 高压变频器功率单元输入缺相检测器
CN103026571B (zh) 使用频率选择性接地的光伏双极到单极源电路转换器
CN111989839B (zh) 漏电检测装置及漏电断路器
CN109387751B (zh) 一种线路故障监测装置
KR101527366B1 (ko) 접촉 불량에 의한 아크 검출 회로
EP2196812A1 (en) Monitoring device for detecting earth faults
GB2170367A (en) Residual current device
CN108258668A (zh) 单相接地时基于可控硅产生的扰动直流分量选线装置
CN210442494U (zh) 一种谐波方向型高压电网选择性漏电检测系统
EP3631926B1 (en) Arc fault circuit interrupter
KR20160087581A (ko) 역률 한도를 이용한 누전 차단 장치 및 그 방법과 그 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 기록매체
WO2007064960A2 (en) Mov failure mode identification
RU2660481C1 (ru) Способ управления режимом заземления нейтрали силового трансформатора
RU2410252C2 (ru) Устройство поперечной емкостной компенсации
CN202930906U (zh) 一种断路器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant