CN102460880A - 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 - Google Patents

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CN102460880A CN2010800347290A CN201080034729A CN102460880A CN 102460880 A CN102460880 A CN 102460880A CN 2010800347290 A CN2010800347290 A CN 2010800347290A CN 201080034729 A CN201080034729 A CN 201080034729A CN 102460880 A CN102460880 A CN 102460880A
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Abstract

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。

Description

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
相关申请的引用
本申请要求保护于2009年6月3日提交的序列号为61/183,709的美国临时专利申请的权益，通过引用将该美国临时专利申请整体并入此处。
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 InterrupterUtilizing 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 CIRCUITINTERRUPT 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(通常称为误跳闸(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。
附图说明
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Ns1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RL2G)和负载处的低阻抗地至中性故障(被指示为RG2N)。
具体地，流经线路至地故障RL2G的接地泄漏电流IL2G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IL2G乘以次级绕组20上的匝数Ns的倒数相关的电流Is：
I s = I L 2 G N S - - - ( 1 )
因此，通过监测次级电流Is并知道匝数比Ns，可以根据等式(1)确定接地泄漏电流IL2G。
此外，可以通过利用多频AC信号(例如电压或电流)驱动次级绕组20并监测变压器12的次级绕组20处的对应负载信号(例如电流或电压)来确定低阻抗地至中性故障RG2N。
低阻抗地至中性故障RG2n表现为次级绕组20处的相对较低的阻抗。具体地，假定RL2G比RG2N更大很多，那么变压器12的阻抗Zs针对次级而表现为：
Z s = N s 2 R G 2 N - - - ( 2 )
因此，如果利用多频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：
I ac = V ac Z s - - - ( 3 )
因此，通过监测负载电流Iac，可以根据等式(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。具体地，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可以是约100毫秒，更一般地，在约1与560毫秒之间，尽管可以使用其他时间间隔。通过监测次级电流Is并知道匝数比Ns，可以根据等式(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已经超过第一预定值，则接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，该第一检测信号GCF使中断电路18将线路导体L开路，并从而中断AC电力系统。
例如，GCF信号通常可以为低(LOW)，但是，如果接地泄漏电流IL2G超过第一预定值，则GCF信号可以从低切换至高(HIGH)。本领域普通技术人员将理解，备选地，GCF信号通常可以为高，但是，如果接地泄漏电流IL2G超过第一预定值，则GCF信号可以从高切换至低。
在第一预定时间间隔T1之后，多频接地中性故障检测器电路16在第二预定时间间隔T2内利用多频AC信号来驱动次级绕组20，以监测低阻抗地至中性故障RG2N。第二预定时间间隔T2可以是约5毫秒，更一般地，在约0.1与17毫秒之间，尽管可以使用其他持续时间。例如，在第二预定时间间隔T2，多频接地中性检测器电路16利用具有指定量值和指定频谱的多频AC电压来驱动次级变压器20。
在图2中图示了示例性多频AC电压信号Vac。在所示的示例中，多频AC电压信号Vac包括三个间隔INT1、INT2和INT3，具有与每个间隔相关联的对应唯一频率。因此，在第一间隔INT1中，电压信号Vac具有第一频率f1。在第二间隔INT2中，电压信号Vac具有与第一频率f1不同的第二频率f2。在第三间隔INT3中，电压信号Vac具有与第一频率f1和第二频率f2不同的频率f3。
例如，频率f1、f2和f3可以分别是40kHz、50kHz和60kHz，并且，间隔INT1、INT2和INT3可以在持续时间上基本上相等。间隔INT1、INT2和INT3中的每一个可以是约1.2毫秒，更一般地在约0.03与5.6毫秒之间，尽管可以使用其他时间间隔。本领域普通技术人员将理解，可以使用其他波形(如方波、三角波和其他波形)，可以使用其他频率，可以使用多于或少于三个间隔，并且间隔的持续时间不需要相等。
驱动次级绕组20所需的负载电流Iac等于多频AC电压信号Vac除以变压器12的阻抗Zs，如以上在等式(3)中阐述的那样。根据等式(2)和(3)，可以将负载电流Iac写为：
I ac = V ac ( N s 2 R G 2 N ) - - - ( 4 )
理想地，RG2N是无穷大，且负载电流Iac是0。然而，如果存在低阻抗地至中性故障，则RG2N是非无穷大，且可以相当低。随着RG2N减小，负载电流Iac增大。因此，通过确定负载电流Iac，可以检测低阻抗地至中性故障RG2N。
理想地，在次级绕组20中流动的非零电流对应于负载电流Iac。然而，次级绕组20还可以引导由干扰信号(例如，来自附近负载，诸如用于荧光照明的镇流器、可变速度电动机、旋转调光器开关，或者其他类似干扰信号)引起的电流Iint，并且，干扰电流可以损害对负载电流Iac的检测。因此，检测到的负载电流
Figure BPA00001499426600081
可以被表达为：
I ac ′ = I ac + I int - - - ( 5 )
其中，Iac是与低阻抗地至中性故障RG2N相对应的负载电流，并且Iint是不需要的干扰信号。
在传统GFCI设备中，干扰信号Iint的存在可能防止对低阻抗地至中性故障的检测，或可能引起对这种故障的误检测。相比之下，根据本发明的方法和装置允许在存在干扰信号的情况下检测低阻抗地至中性故障，并且基本上减少了由于这种干扰信号而引起的对低阻抗地至中性故障的误检测。
具体地，AC电压信号Vac的多频特性便于检测负载电流Iac，即使在存在干扰信号Iint的情况下也是如此。与AC电压信号Vac类似，负载电流Iac是多频信号。例如，如果使用图2所示的示例性三间隔多频AC电压信号Vac来驱动次级绕组20(并假定线性)，则负载电流Iac将类似地具有三个间隔，具有与每个间隔相关联的对应的唯一频率。负载电流Iac的多频特性允许将该信号与可在检测到的负载电流
Figure BPA00001499426600083
中存在的干扰信号Iint区分开来。
如以下更详细描述，可以使用多种技术将负载电流Iac与干扰信号Iint区分开来。在一种示例性技术中，可以将检测到的负载电流与AC电压信号Vac进行混频，并且可以将混频输出信号的DC分量与预定阈值进行比较。
例如，如果使用图2的示例性多频AC电压信号Vac来驱动次级绕组20，则多频AC电压信号Vac和负载电流Iac二者均将包括三个间隔，在每个间隔中具有对应的唯一频率f1、f2和f3。如果干扰信号Iint具有频率fint，以及如果将检测到的负载电流
Figure BPA00001499426600085
与多频AC电压信号Vac进行混频(例如复用)，并假定在AC电压信号Vac与检测到的负载电流
Figure BPA00001499426600091
之间没有相位延迟，那么所得到的三间隔混频输出信号具有以下频率分量：
表1：混频输出信号频率分量
  间隔   Vac   Iac′   VacxIac′
  1   f1   f1+fint   DC+2f1+(f1+fint)+(f1-fint)
  2   f2   f2+fint   DC+2f2+(f2+fint)+(f2-fint)
  3   f3   f3+fint   DC+2f3+(f3+fint)+(f3-fint)
因此，在每个间隔，混频输出信号包括DC分量，加上更高频率分量。如果fint不等于f1、f2或f3，则每个间隔中的DC分量等于：
Figure BPA00001499426600092
如果间隔中的DC分量超过预定阈值信号(指示RG2N小于第二预定阈值)，则可以存在低阻抗地至中性故障。为了避免在fint接近于f1、f2或f3中的一个或多个的情况下可得到的错误肯定，可以针对所有三个间隔执行该比较。如果在这三个间隔中的至少两个中DC分量超过预定阈值，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，这使中断电路18将线路导体L开路，且从而中断AC电力系统。
例如，GNF信号通常可以为低，但是，如果负载电流Iac超过第二预定阈值，则GNF信号可以从低切换至高。本领域普通技术人员将理解，备选地，GNF信号通常可以为高，但是，如果负载电流Iac超过第二预定阈值，则GNF信号可以从高切换至低。
一般地，AC电压信号Vac可以包括M个频率间隔，其中，M可以是3、4、5、...，并且，接地中性检测器电路16可以在这M个间隔中的每一个中将所提取的DC分量与预定阈值进行比较。如果在这M个不同间隔中的至少N个间隔中超过预定阈值，其中N≤M，则接地中性检测器电路16可以在输出端子处生成第二检测信号GNF，这使中断电路18将线路导体L开路，且从而中断AC电力系统。
本领域普通技术人员将理解，备选地，多频接地中性检测器电路16可以利用具有指定量值Iac和指定频谱的多频AC电流来驱动次级绕组20，并可以监测次级绕组20两端的驱动电压Vac。可以将所监测的驱动电压Vac与驱动电流Iac进行混频，并且可以在多个间隔中将所得到的输出信号的DC分量与预定阈值信号进行比较，如上所述。
在根据本发明的备选示例性技术中，可以使用互相关技术来检测低阻抗接地中性故障RG2N。这种技术可以有益于将多频负载电流Iac与干扰加噪声区分开来，并可以降低对多频AC电压信号Vac与检测到的负载电流
Figure BPA00001499426600101
之间的相位差的灵敏度。
在互相关技术中，将检测到的负载电流
Figure BPA00001499426600102
与多频AC电压信号Vac进行互相关，以产生互相关输出信号。例如，可以将负载电流
Figure BPA00001499426600103
的数字样本与多频AC电压信号Vac的数字样本进行互相关。如果互相关输出信号超过预定阈值，则接地中性检测器电路16可以在输出端子处生成第二检测信号GNF，这使中断电路18将线路导体L开路，且从而中断AC电力系统。
除了使用互相关技术以外，可以增加多频AC电压信号Vac的频谱，这可以进一步改进检测性能。例如，图3示出了基本上以“啁啾(chirp)”信号的形式的备选示例性多频AC电压信号Vac。啁啾信号连续改变频率，并包含无穷多数目的频率。
本领域普通技术人员将理解，可以使用其他类似技术和其他类似多频AC信号来将多频负载电流Iac与不需要的干扰和/或噪声区分开来。
再次参照图1，在第二预定时间间隔T2之后，多频接地中性故障检测器电路16停止驱动次级绕组20，并且接地电流故障检测器电路14重新开始监测在变压器12中流动的差动电流。该过程以迭代的方式重复，以便连续检测线路至地故障和低阻抗地至中性故障。
本领域普通技术人员将理解，备选地，多频接地中性故障检测器电路16可以在连续的第二预定时间间隔T2期间利用不同AC信号频率来驱动次级绕组20。例如，以下是可能的：
Figure BPA00001499426600104
Figure BPA00001499426600111
如上所述，中断电路18被用于将线路导体L开路，并且从而分别基于第一和第二检测信号GCF和GNF来中断AC电力系统。具体地，中断电路18具有：第一输入端子，其在源处耦合至线路导体L；第二输入端子，其耦合至接地电流故障检测器电路14的输出端子和多频接地中性故障检测器电路16的输出端子；以及输出端子，其耦合至变压器12的线路导体L初级绕组。
第一输入端子通常耦合至中断电路18的输出端子，除非第二输入端子处的信号具有预定值(例如高)。因此，如果GCF和GNF二者均为低，则源处的线路导体L耦合至变压器12的线路导体L初级绕组。如果GCF或GNF变为高(分别指示接地电流故障或接地中性故障)，则源处的线路导体L从变压器12的线路导体L初级绕组断开。
本领域普通技术人员将理解，备选地，中断电路18可以位于变压器12与负载(LOAD)之间。在这种备选实施例中，如果GCF和GNF二者均为低，则变压器12的线路导体L初级绕组在负载处耦合至线路导体L。如果GCF或GNF变为高(分别指示接地电流故障或接地中性故障)，则变压器12的线路导体L初级绕组在负载处从线路导体L断开。
根据本发明的GFCI设备(诸如GFCI设备10)可以在数字电路、模拟电路或者数字和模拟电路的组合中实现。现在参照图4，描述使用数字电路实现的示例性GCFI设备10a。GFCI设备10a包括变压器12、接地电流故障检测器电路14a、多频接地中性故障检测器电路16a和中断电路18a。
示例性接地电流故障检测器电路14a包括缓冲器(或放大器)30(这里被称作“缓冲器/放大器30”)、复用器(“MUX”)32、模拟到数字转换器(“ADC”)34、处理器36和控制器38。控制器38可以是微处理器或其他类似控制器电路。缓冲器/放大器30具有耦合至次级绕组20的输入端子和耦合至MUX 32的第一输入端子IN1的输出端子。MUX32具有第二输入端子IN2、耦合至控制器38的控制端子和耦合至ADC34的输入端子的输出端子。ADC 34还具有耦合至控制器38的控制端子，并且具有耦合至处理器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对多频接地中性故障检测器电路16a进行去激活，驱动信号Vac为0，且检测到的负载电流
Figure BPA00001499426600121
为0。因此，缓冲器/放大器30的输出是所监测的次级电流Is，其耦合至MUX32上的输入端子IN1。控制器38将控制信号提供给MUX 32，以将IN 1输入端选择为MUX 32的输出端。ADC 34对经过缓冲(或放大)的次级电流Is信号进行采样，并将与次级电流Is相对应的数字计数提供给处理器36。
处理器36可以是微处理器集成电路或其他类似处理器。备选地，可以将ADC 34和处理器36组合到包括微处理器和模拟到数字转换器的单个设备(诸如，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)中。处理器36对转换后的Is数据进行处理，以确定接地泄漏电流IL2G是否超过第一预定阈值。
如果接地泄漏电流IL2G超过第一预定阈值，则处理器36将输出信号提供给控制器38以指示存在接地电流故障。控制器38进而将第一检测信号GCF提供给中断电路18a。在所示的实施例中，中断电路18a包括晶闸管60，该晶闸管60耦合至跳闸线圈62并具有耦合至控制器38的控制输入。中断电路18a还包括耦合至跳闸螺线管62的接触件64。第一检测信号GCF使晶闸管60导通，这进而给跳闸螺线管62通电，并且使接触件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对多频接地中性故障检测器电路16a进行去激活。在第一预定时间间隔T1之后，控制器38在第二预定时间间隔T2内对多频接地中性故障检测器电路16a进行激活。
具体地，多频接地中性故障检测器电路16a包括：数字信号发生器40，其具有耦合至数字到模拟转换器(“DAC”)42的输入端子的输出端子；第一低通滤波器(“LPF”)44，其具有耦合至DAC 42的输出端子的输入端子；驱动器46，其具有耦合至LPF 44的输出端子的输入端子；混频器48，其具有耦合至驱动器46的输出端的输入端子；第二LPF 50，其具有耦合至混频器48的输出端子的输入端子；以及MUX 32，其具有耦合至LPF 50的输出端的第二输入端子IN2。多频接地中性故障检测器电路16a还包括上述ADC 34、处理器36和控制器38。
在第一预定时间间隔T 1之后，控制器38接通数字信号发生器40，该数字信号发生器40将数字数据提供给DAC 42以生成具有指定量值和频谱的模拟输出信号。根据本发明，数字信号发生器40和DAC 42可以用于生成多频AC信号，诸如，图2的示例性多频输出信号Vac。
DAC 42的输出由LPF 44进行平滑，该LPF 44提供多频输出信号
Figure BPA00001499426600131
驱动器46接收输出信号
Figure BPA00001499426600132
并利用多频输出信号Vac来驱动次级绕组20，该多频输出信号Vac与
Figure BPA00001499426600133
基本上相等。在图4的示例性实施例中，多频接地中性故障检测器电路16a利用多频AC电压Vac来驱动次级绕组20，并监测由次级绕组20引导的检测到的负载电流
Figure BPA00001499426600134
具体地，驱动器46可以包括电流镜像，该电流镜像提供与检测到的负载电流
Figure BPA00001499426600135
基本上相等的镜像负载电流混频器48将镜像负载电流
Figure BPA00001499426600137
与多频输出信号进行混频，以提供由LPF 50滤波的混频输出信号。
混频器48可以是任何传统混频器电路。例如，混频器48可以是开关全波整流器混频器，诸如，图5所示的示例性开关全波整流器混频器48a。具体地，混频器48a包括放大器，其具有分别为输入端A(INPUTA)和输入端B(INPUT B)的反相和非反相输入端子。镜像负载电流
Figure BPA00001499426600139
可以耦合至输入端A和输入端B，并且备选地，开关可以在多频输出信号
Figure BPA000014994266001310
的过零处切换反相和非反相输入端。本领域普通技术人员将理解，可以使用其他混频器电路。
再次参照图4，多频AC输出信号
Figure BPA000014994266001311
和镜像负载电流中的每一个包括三个间隔，在每个间隔中具有对应的唯一频率f1、f2和f3。如果干扰信号Iint具有频率fint，以及如果将镜像负载电流
Figure BPA000014994266001313
与多频AC电压信号进行混频，并假定在AC电压信号与镜像负载电流
Figure BPA000014994266001316
之间没有相位延迟，那么所得到的三间隔混频输出信号具有以下频率分量：
表2：混频输出信号频率分量
  间隔   Vac′   Iac″   Vac′x Iac″
  1   f1   f1+fint   DC+2f1+(f1+fint)+(f1-fint)
  2   f2   f2+fint   DC+2f2+(f2+fint)+(f2-fint)
  3   f3   f3+fint   DC+2f3+(f3+fint)+(f3-fint)
因此，在每个间隔，混频输出信号包括DC分量，加上更高频率分量。
混频器48的输出由低通滤波器50滤波。如果LPF 50具有比表2中的差频中的任一个更小很多的带宽，以及如果fint不等于f1、f2或f3，则LPF 50的输出DCout等于每个间隔中的DC分量，如以上在等式(6)中阐述。DCout耦合至MUX 32的第二输入端IN2。
在第二预定时间间隔T2期间，控制器38将控制信号提供给MUX 32以将IN2输入端选择为MUX 32的输出端。ADC 34对DCout进行采样并将与DCout相对应的数字计数提供给处理器36。处理器36对转换后的DCout数据进行处理，以确定在M个间隔中的至少N个间隔(例如，3个间隔中的至少2个间隔)中混频器输出的DC分量是否超过预定值(指示RG2N已经降至第二预定阈值以下)。
如果在M个间隔中的至少N个间隔中DCout超过预定值，则处理器36将输出信号提供给控制器38以指示存在接地中性故障。控制器38进而将第二检测信号GNF提供给中断电路18a。第二检测信号GNF使晶闸管60导通，这进而给跳闸螺线管62通电，并且使接触件64断开，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，并且接地电流故障检测器电路14重新开始监测在变压器12中流动的差动电流。该过程以迭代的方式重复，以便连续检测线路至地故障和低阻抗地至中性故障。
如前所述，备选地，根据本发明的GFCI设备可以使用模拟电路而实现。现在参照图6，描述使用模拟电路实现的示例性GCFI设备10b。GFCI设备10b包括变压器12、接地电流故障检测器电路14b、多频接地中性故障检测器电路16b、中断电路18a和受控开关94。变压器12具有次级绕组20，该次级绕组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。
示例性接地电流故障检测器电路14b包括缓冲器(或放大器)30(这里被称作“缓冲器/放大器30”)，该缓冲器(或放大器)30具有通过受控开关94耦合至次级绕组20的输入端子，并且示例性接地电流故障检测器电路14b具有耦合至LPF 54的输入端子的输出端子。LPF 54具有耦合至峰值检测器60的输入端子的输出端子，该峰值检测器60具有耦合至比较器62的输入端子的输出端子。比较器62具有耦合至晶闸管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(控制器/定时器64，以下描述)闭合受控开关94，并对多频接地中性故障检测器电路16b进行去激活。由此，驱动信号Vac为0，并且检测到的负载电流为0。因此，缓冲器/放大器30的输出是所监测的次级电流Is，其由LPF 54进行平滑，并且经过平滑的次级电流Is信号耦合至峰值检测器60的输入。峰值检测器60提供与次级电流Is的峰值相等的DC输出电压。峰值检测器输出是作为去到比较器62的输入而提供的。
比较器62提供以下输出信号：如果峰值次级电流Is具有超过第一预定阈值除以Nsa的值(即，如果接地泄漏电流IL2G超过第一预定阈值)，则该输出信号改变状态(例如从低切换至高)。因此，比较器62将第一检测信号GCF提供给中断电路18a。第一检测信号GCF使晶闸管60导通，这进而给跳闸螺线管62通电，并且使接触件64断开，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，多频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，接地电流故障检测器电路14b是不活动的，并且多频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。
具体地，多频接地中性故障检测器电路16b包括差动放大器80、混频器48、LPF 50、比较器86、跳闸积分器88、跳闸比较器90、控制器/定时器64、AC信号发生器66、可编程除法器68、相位比较器70、环路滤波器72、驱动器46、感测电阻器RSENSE和电容器CR。在第一预定时间间隔T1之后，控制器/定时器64断开受控开关94，这有效地对接地电流故障检测器电路14b进行去激活并对AC源66进行激活。
AC源66可以是将多频AC信号(例如AC电压或AC电流)提供给驱动器46的振荡器。AC源66可以生成正弦信号，或者备选地可以生成非正弦波形，如方波、斜波(ramp)或其他类似波形。
根据本发明，AC源66生成具有指定量值和指定频谱的多频AC信号。具体地，控制器/定时器64可以将可编程除法器68、相位比较器70、环路滤波器72和AC源66编程为产生具有指定间隔处的指定信号频率的多频AC信号。
在图6所示的实施例中，AC源66将多频AC电压信号
Figure BPA00001499426600161
提供给驱动器46，该驱动器46将多频AC输出信号Vac(例如，图2的示例性三间隔AC信号Vac)提供给次级绕组20的第二抽头输出端20b。因此，在第二预定时间间隔T2期间，多频接地中性故障检测器电路16b利用多频AC电压信号Vac来驱动次级绕组20。
差动放大器80测量感测电阻器RSENSE两端的电压，以检测由驱动器46供给的负载电流RSENSE可以具有约1与10欧姆之间的值，然而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将输出感测负载电流
Figure BPA00001499426600163
提供给混频器48。混频器48(诸如，图5的示例性混频器48a)将感测负载电流与多频AC电压信号
Figure BPA00001499426600165
进行混频。
多频AC输出信号
Figure BPA00001499426600166
和感测负载电流
Figure BPA00001499426600167
中的每一个包括三个间隔，在每个间隔中具有对应的唯一频率f1、f2和f3。如果干扰信号Iint具有频率fint，以及如果将感测负载电流与多频AC电压信号
Figure BPA00001499426600169
进行混频，并假定在AC电压信号
Figure BPA000014994266001610
与感测负载电流之间没有相位延迟，那么所得到的三间隔混频输出信号具有以下频率分量：
表3：混频输出信号频率分量
  间隔   Vac′   Iac″   Vac′x Iac″
  1   f1   f1+fint   DC+2f1+(f1+fint)+(f1-fint)
  2   f2   f2+fint   DC+2f2+(f2+fint)+(f2-fint)
  3   f3   f3+fint   DC+2f3+(f3+fint)+(f3-fint)
因此，在每个间隔，混频输出信号包括DC分量，加上更高频率分量。
混频器48的输出由低通滤波器50滤波。如果LPF 50具有比表2中的差频中的任一个更小许多的带宽，以及如果fint不等于f1、f2或f3，则LPF 50的输出DCout等于每个间隔中的DC分量，如以上在等式(6)中阐述。DCout耦合至比较器86、跳闸积分器88和跳闸比较器90。
比较器86提供以下输出信号：如果DCout超过预定值(指示RG2N已经降至第二预定阈值以下)，则该输出信号改变状态(例如从低切换至高)。跳闸积分器88累积比较器86的输出，并且跳闸比较器90将累积输出与预定阈值进行比较。如果在M个间隔中的至少N个间隔(例如3个间隔中的至少2个间隔)中DCout超过预定值，则跳闸比较器90将第二检测信号GNF提供给中断电路18a。第二检测信号GNF使晶闸管60导通，这进而给跳闸螺线管62通电，并且使接触件64断开，并且从而中断AC电力系统。
根据本发明的方法和装置还可以与双变压器GFCI设备一起使用。具体地，现在参照图7，描述根据本发明的另一备选示例性GFCI设备100。GFCI设备100包括第一变压器12、接地电流/接地中性故障检测器电路14、多频信号驱动器电路24、中断电路18和第二变压器26。第二变压器26具有环形磁芯和次级绕组28。本领域普通技术人员将理解，可以使用其他变压器。
中性导体N经过第二变压器26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，中性导体N可以被配置为第二变压器26的多匝初级绕组。
次级绕组20耦合至接地电流/接地中性故障检测器电路22的输入端子。根据本发明，GFCI设备100通过监测第一变压器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RL2G)和负载处的低阻抗地至中性故障(被指示为RG2N)。
具体地，流经线路至地故障RL2G的接地泄漏电流IL2G产生经过第一变压器12的差动电流。该差动电流使次级绕组20引导电流Is，该电流Is与接地泄漏电流IL2G乘以次级绕组20上的匝数Nsa的倒数相关：
I s = I L 2 G N sa - - - ( 7 )
因此，通过监测次级电流Is并知道匝数比Nsa，可以根据等式(7)确定接地泄漏电流IL2G。
此外，可以通过以下操作来确定低阻抗地至中性故障RG2N：利用多频AC信号(例如电压或电流)驱动第二变压器26的次级绕组28，并监测第一变压器12的次级绕组20处的对应负载信号(例如电流或电压)。
低阻抗地至中性故障RG2n表现为次级绕组28处的相对较低的阻抗。具体地，假定RL2G比RG2N更大很多，那么变压器26的阻抗Zsb针对次级而表现为：
Z sb = N sb 2 R G 2 N - - - ( 8 )
因此，如果利用多频AC电压Vac来驱动次级绕组28，则驱动次级绕组28所需的负载电流Iac是：
I ac = V ac Z sb - - - ( 9 )
该负载电流磁耦合至中性导体N中。具体地，中性导体N引导电流In，该电流In与负载电流Iac乘以次级绕组28上的匝数相关：
I n = N sb I ac = N sb ( V ac Z sb ) = V ac N sb R G 2 N - - - ( 10 )
中性电流In通过第一变压器12磁耦合至次级绕组20。具体地，次级绕组20引导电流Is，该电流Is与中性电流In乘以次级绕组20上的匝数Nsa的倒数相关：
I s = I n N sa = V ac N sa N sb R G 2 N - - - ( 11 )
因此，通过监测次级电流Is并知道匝数比Nsa和Nsb，可以根据等式(11)计算RG2N。
根据本发明，接地电流/接地中性检测器电路22通过监测第一变压器12中的差动电流来检测接地泄漏电流IL2G。具体地，在第一预定时间间隔T1，接地电流/接地中性检测器电路22监测次级绕组20中的电流Is。第一预定时间间隔T1可以是约100毫秒，更一般地，在约1与560毫秒之间，尽管可以使用其他时间间隔。通过监测次级电流Is，并知道匝数比Nsa，可以根据等式(7)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已经超过第一预定值，则接地电流/接地中性检测器电路22在输出端子处生成检测信号GCF/GNF，这使中断电路18将线路导体L开路，并且从而中断AC电力系统，如上所述。
在第一预定时间间隔T1之后，多频信号驱动器电路24在第二预定时间间隔T2内利用多频AC信号来驱动第二变压器26的次级绕组28，以监测低阻抗地至中性故障RG2N。第二预定时间间隔T2可以是约5毫秒，更一般地在约0.1与17毫秒之间，尽管可以使用其他持续时间。例如，在第二预定时间间隔T2，多频信号驱动器电路24利用具有指定量值和指定频谱的多频AC电压(诸如，图2和3的示例性信号)来驱动次级变压器28。
例如，如果使用图2的示例性多频AC电压信号Vac来驱动次级绕组28，则变压器12的多频AC电压信号Vac、负载电流Iac和次级电流Is中的每一个将包括三个间隔，在每个间隔中具有对应的唯一频率f1、f2和f3。如果干扰信号Iint具有频率fint，以及如果将检测到的次级电流Is与多频AC电压信号Vac进行混频(例如复用)，并假定在AC电压信号Vac与检测到的次级电流Is之间没有相位延迟，那么所得到的三间隔混频输出信号具有以下频率分量：
表4：混频输出信号频率分量
  间隔   Vac   Is   VacxIs
  1   f1   f1+fint   DC+2f1+(f1+fint)+(f1-fint)
  2   f2   f2+fint   DC+2f2+(f2+fint)+(f2-fint)
  3   f3   f3+fint   DC+2f3+(f3+fint)+(f3-fint)
因此，在每个间隔，混频输出信号包括DC分量，加上更高频率分量。如果fint不等于f1、f2或f3，则每个间隔中的DC分量等于：
如果间隔中的DC分量超过预定阈值信号(指示RG2N小于第二预定阈值)，则可以存在低阻抗地至中性故障。为了避免在fint接近于f1、f2或f3中的一个或多个的情况下可能产生的错误肯定，可以针对所有三个间隔执行该比较。如果在这三个间隔中的至少两个中DC分量超过预定阈值，则接地电流/接地中性故障检测器电路22在输出端子处生成检测信号GCF/GNF，这使中断电路18将线路导体L开路，并且从而中断AC电力系统，如上所述。
一般地，AC电压信号Vac可以包括M个频率间隔，其中，M可以是3、4、5、......，并且，接地电流/接地中性故障检测器电路22可以在这M个间隔中的每一个中将所提取的DC分量与预定阈值进行比较。如果在这M个不同间隔中的至少N个间隔中超过预定阈值，其中N≤M，则接地电流/接地中性故障检测器电路22可以在输出端子处生成检测信号GCF/GNF，这使中断电路18将线路导体L开路，并且从而中断AC电力系统。
本领域普通技术人员将理解，备选地，可以使用互相关技术来检测低阻抗接地中性故障RG2N，如上所述。
GFCI设备100可以在数字电路、模拟电路或者数字和模拟电路的组合中实现。现在参照图8，描述使用数字电路实现的示例性GCFI设备100a。GFCI设备100a包括变压器12、接地电流/接地中性故障检测器电路22a、多频信号驱动器电路24a和中断电路18a。
示例性接地电流/接地中性故障检测器电路22a包括缓冲器/放大器30、开关全波整流器混频器48a、LPF 54、ADC 34、处理器36和控制器38。在第一预定时间间隔T1期间，控制器38对多频信号驱动器电路24a进行去激活，驱动信号Vac为0，并且负载电流Iac为0。因此，缓冲器/放大器30的输出是所监测的次级电流Is，其经过全波整流器混频器48a，由ADC 34采样，并且然后由处理器36处理，以确定接地泄漏电流IL2G是否超过第一预定阈值。如果接地泄漏电流IL2G超过第一预定阈值，则处理器36将输出信号提供给控制器38以指示存在接地电流故障。控制器38进而将检测信号GCF/GNF提供给中断电路18a以中断AC电力系统。
在第一预定时间间隔T1之后，控制器38在第二预定时间间隔T2内对多频信号驱动器电路24a进行激活。多频信号驱动器电路24a包括数字信号发生器40、DAC 42、LPF 44和驱动器46。在第一预定时间间隔T 1之后，控制器38接通数字信号发生器40，该数字信号发生器40将数字数据提供给DAC 42以生成具有指定量值和频谱的模拟输出信号。
根据本发明，数字信号发生器40和DAC 42可以用于生成多频AC信号，诸如，图2的示例性多频输出信号Vac。驱动器46利用多频AC电压Vac来驱动第二变压器26的次级绕组28，并且，接地电流/接地中性故障检测器电路22a检测次级电流Is，将其与多频输出信号Vac进行混频，并且然后处理混频信号，以确定在M个间隔中的至少N个间隔(例如，3个中的2个)中DC分量是否超过预定阈值。如果是，则接地电流/接地中性故障检测器电路22a在输出端子处生成检测信号GCF/GNF，这使中断电路18a将线路导体L开路，并且从而中断AC电力系统。
如前所述，本发明的备选示例性实施例使用互相关技术来检测低阻抗接地中性故障RG2N。在图9和10中图示了根据本发明的利用这种互相关技术的示例性GFCI设备。
具体地，图9图示了与图4的GFCI设备10a类似但不包括混频器48的示例性单变压器GFCI设备10c。在GFCI设备10c中，在第二间隔T2期间，处理器36将镜像负载电流
Figure BPA00001499426600211
的样本与多频AC电压信号Vac的样本进行互相关，以产生互相关输出信号。如果互相关输出信号超过预定阈值，则处理器36将输出信号提供给控制器38以指示存在低阻抗接地中性故障。控制器38进而将第二检测信号GNF提供给中断电路18a。
图10图示了与图8的GFCI设备100a类似但不包括FWR混频器48a的示例性双变压器GFCI设备100b。在GFCI设备100b中，在第二间隔T2期间，处理器36将检测到的次级电流Is的样本与多频AC电压信号Vac的样本进行互相关，以产生互相关输出信号。如果互相关输出信号超过预定阈值，则处理器36将输出信号提供给控制器38以指示存在低阻抗接地中性故障。控制器38进而将检测信号GCF/GNF提供给中断电路18a。
以上仅说明了本发明的原理，并且在不脱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进行各种修改。

Claims (38)

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。
12.一种与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。
23.一种与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
(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：
(i)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。
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。
29.一种与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、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29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29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29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29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29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。
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