CN102576999B - 用于多相接地故障断续器的系统和方法 - Google Patents

用于多相接地故障断续器的系统和方法 Download PDF

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Abstract

所提供的是一种接地故障断续器(GFCI)系统，其中该系统在将所谓的“有害”脱扣减至最少的同时提供了可靠及时的故障电路脱扣。所述GFCI包括与干线总线电路耦接的电压不平衡检测设备，用于在故障状况期间检测电压不平衡。与电压不平衡检测设备通信的计算机处理器被编程成基于电压不平衡状态以及干线总线电路中的GFCI单元产生的故障信号与各个馈电线电路中的GFCI单元产生的故障信号之间的一定预定关系来确定何时存在实际故障状况。

Description

用于多相接地故障断续器的系统和方法
技术领域
本发明主要涉及多相接地故障断续器(GFCI)系统，更具体涉及将电压不平衡用于智能脱扣的系统和方法。
背景技术
为了在将有害中断减至最少的同时提供及时的系统故障的检测和隔离，对GFCI系统进行了改进。相关示例可以参见，例如，转让给本申请人的美国专利7,301,739，并且所述专利在这里全部引入作为参考。美国专利7,301,739还描述了一种用于补偿通常在低水平或高水平接地故障期间流遍三相电力系统的小电容电流的手段，由此进一步最小化非故障电路的脱扣。然而，现今在最常见的运用中，GFCI系统设计的主要目标是允许为在相对低的电压(例如，通常小于125伏相对地电压)下工作的单相电力系统实施可靠、高速的接地故障中断。
虽然常规的GFCI系统对于额定相间电压为480伏(即277伏的相对中性点或对地电压)及更高的三相电力系统而言是很可靠的，但是如果与工作在大于125伏的相对地电压下的多相系统一起使用，那么由于电容充电电流很大，“有害”脱扣有可能会更为普遍，其中很大的电容充电电流是与馈电线或分支电路相关联的绝缘相导体的特性。这些充电电流是由与接地表面或导体挨得很近的绝缘相导体的分布电容产生的。例如，在一个相发生接地故障且相对地电压是277V的三相多馈电线系统中，未受影响的馈电线的无故障相上的电容充电电流的量值很容易达到使未受影响的馈电线的GFCI“错误脱扣”的量值。
如此一来，需要一种可以为处于所有系统电压水平的多相电力系统(尤其是在大于125V的相对地电压下工作的多相电力系统)提供改进的脱扣“智能”或“安全性”的GFCI系统。
此外还还需要一种用于三相多馈电线系统的改进GFCI系统，其中所述三相多馈电线系统具有与4-6mA的人类“摆脱”电流阈值下限相对应的接地故障传感器(GFS)灵敏度，并且所述改进的GFCI系统会可靠地脱扣受影响的一个或多个馈电线，而不会导致在未受影响的一个或多个馈电线上出现错误的中断。被设计成在这么低的电流下脱扣的GFS通常包括电流变换器，并且所述电流变换器很容易因为所涉及的分支或馈电线电路上的高水平接地电流状况而磁饱和。变换器的磁饱和可能导致相应的GCFI错误地脱扣无故障电路。
发明内容
在这里提供了一种与多相电源以及具有多个馈电线或分支电路的干线总线电路一起使用的接地故障断路系统和方法。该接地故障断续器(GFCI)系统包括与电源以及干线总线电路耦合的电压不平衡检测设备，用于在故障状况中检测多相电源的三个相电压之间的电压不平衡，以及分别与干线总线以及每一个馈电线电路相关联的多个GFCI单元，其中每一个GFCI单元可操作为产生与相关联的馈电线或干线总线电路上的故障状况相对应的故障信号。该系统还包括与电压不平衡检测设备以及每一个GCFI单元通信的计算机或计算处理器，用于持续监视GCFI单元产生的电压不平衡和故障信号。
根据本发明的一个方面，该处理器被编程成基于电压不平衡状态、以及干线总线电路中的GFCI单元产生的故障信号与馈电线或分支电路中的GFCI单元产生的故障信号之间的一定预定关系来确定何时存在实际故障状况。然后，该逻辑确定哪个馈电线或分支电路正在经历实际故障状况，而这随后将会促使处理器向与经历实际故障状况的一个或多个馈电线或分支电路相对应的一个或多个GFCI单元产生脱扣信号。如此一来，相应的一个或多个故障电路被中断。
该逻辑还促使处理器向没有经历实际接地故障状况的馈电线或分支电路处的剩余GFCI产生禁止(“无脱扣”)信号，由此禁止中断这些无故障的一个或多个电路。
根据本发明的GFCI系统可以更可靠地切断故障馈电线电路的电源，而不会导致其它“健康”馈电线电路中断。本发明提供了一种可以更可靠地检测实际故障、确定实际故障位置以及根据需要迅速中断故障电路的GFCI系统。本发明还将无故障电路的错误脱扣降至最低程度，尤其是具有在严重的相对地故障事件中遭遇到电源系统电容充电电流影响以及GFS磁饱和效应的GFCI的电路。
附图说明
关于本发明的详细描述是参考附图中示出的具体实施例进行的。这些附图仅描述了本发明的典型实施例，由此不应被认为是对其范围进行限制。
图1是示出了根据本发明的具有多个馈电线电路以及GFCI系统的三相电源电路的示意电路图；
图2a-c是根据本发明的电压不平衡检测设备的例示实施方式；
图3a和b是示出了“固化接地(solidly grounded)”系统的电流分布的相量图；
图4a和b是示出了“高阻接地”系统的电流分布的相量图；
图5a和b是示出了“未接地”系统的电流分布的相量图；
图6是示出了用于未接地电力系统的图1中的处理器的操作的流程图；
图7是用于固化接地或高阻接地电力系统的图1中的处理器的操作的流程图；
图8a和b分别是示出了根据本发明来执行关于未接地和固化接地/高阻接地电力系统的干线故障测试的第一组方法的流程图；
图9a和b分别是示出了根据本发明来执行关于未接地和固化接地/高阻接地电力系统的干线故障测试的第二组方法的流程图；
图10a和b分别是示出了根据本发明来执行关于未接地和固化接地/高阻接地电力系统的干线故障测试的第三组方法的流程图；
图11a-c是示出了根据本发明来执行馈电线故障测试的方法的流程图；
图12是具有多个馈电线电路且存在故障的三相高阻接地供电系统的图示；以及
图13是根据本发明的多相GFCI系统的单个馈电线电路的基本组件的框图。
具体实施方式
本发明可以在由计算机执行的系统和计算机方法的一般上下文中描述和实施。这种计算机可执行指令可以包括程序、例程、对象、组件、数据结构以及可以用于执行特定任务和处理抽象数据类型的计算机软件技术。本发明的软件实施方式可以编码在不同的语言中，以便在多种计算平台和环境中应用。应意识到，本发明的范围和基本原理是不局限于任何特定的计算机软件技术的。
此外，本领域技术人员将会意识到，本发明可以使用硬件和软件配置中的任何一个或任何组合来实施，包括但不局限于具有单处理器和/或多处理器计算机处理器的系统、手持设备、可编程消费类电子产品、迷你计算机、大型计算机等等。此外，本发明还可以在分布式计算环境中实施，其中，在所述环境中，任务是由通过一个或多个数据通信网络相连的服务器或其它处理设备执行的。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包含了记忆存储设备的本地和远程计算机存储媒体两者。
此外，诸如CD、预录磁盘或其它等价设备之类的与计算机处理器一起使用的制品可以包括计算机程序存储介质以及记录在其上且用于指引计算机处理器辅助实施和实现本发明的程序装置。这种设备和制品同样落入本发明的精神和范围内。
现在参考附图并对本发明的实施例进行描述。本发明可以采用多种方式实施，例如作为系统(包括计算机处理系统)、方法(包括计算机实施的方法)、设备、计算机可读介质、计算机程序产品、图形用户界面、网络门户或是有形固定在计算机可读存储器中的数据结构来实施。以下描述了本发明的若干实施例。附图示出的仅仅是本发明的典型实施例，由此不应该被认为是对其范围和广度的限制。
本发明涉及一种用于具有多个馈电线或分支电路的多相供电系统的接地故障断续器系统(“GFCIS-3Ph”)。作为示例而不是限制，在下文中参考图1对本发明进行了描述，其中该图显示的是具有三个馈电线或分支电路的三相供电系统10的Y字型或星形连接的次级互感器绕组。就电力线A’-B’-C’、A”-B”-C”以及A’”-B’”-C’”馈电的三个电路而言，术语“馈电线”和“分支”是作为同义词使用的，并且应该理解的是，任一术语可以是指馈电线、分支或是源自干线电路的其它电路。对本发明来说，“故障状况”或“故障信号”指的是从接地故障断续器(GFCI)单元(例如GFCI1、GFCI2、GFCI3)、接地故障传感器(GFS，例如GFS1、GFS2、GFS3)或其它等价设备接收的状况或信号，其中，该信号表示的是因为系统电压不平衡状况所导致的实际故障状况或电容电流，并且系统电压不平衡状况是多相供电系统上的任何地方的实际故障造成的。“实际故障”或“实际故障状况”指的是供电系统10中的任何异常电流，其中所述异常电流是由与供电系统和/或馈电线或分支电路相关联的多个相或相对地之间的短路或异常低的阻抗路径造成的，但是并不局限于此。
GFCIS-3Ph适用的电源系统使用源三相电力互感器，其中所述互感器最通常是介于高压侧与低压侧之间的三角形(delta-wye)(也被称为“星形”)、或双三角形的三相互感器连接。只要系统具有相对于地面或大地的通常平衡的电压，那么其它互感器连接也是可以使用的，其中所述连接是诸如三角形或三角形曲折配置，但是并不局限于此。在应用了GFCIS-3Ph的情况下，电力互感器将配电系统的电压转换成电力使用所需要的电压水平。当使用配电系统遭遇到具有足够高的电流量值的不平衡的相对地短路时，所述故障会导致在本地使用系统电压水平下通常相等的相对地系统电压不平衡。
进一步参考图1，供电系统10的三相互感器次级绕组经由干线电路断路器(MCB)电耦合到三条电力总线12、14和16，并且这三条电力总线提供分别由相A、B和C组成的三相电力。与总线12、14和16相连的是由18、20和22表示的三相馈电线或分支电路，其分别包括三条电力线A’、B’和C’；A”、B”和C”；以及A’”、B’”和C’”。该三相供电系统10还耦合到根据本发明的GFCIS-3Ph系统，该系统包括被指定成干线电路中的GFCIM的GFCI单元以及分别处于馈电线或分支电路18、20和22中的单元GFCI1、GFCI2以及GFCI3。每一个GFCI单元包括接地故障传感器(分别是GFS1、GFS2以及GFS3)，而干线电源(MGFS)和每一个馈电线或分支电路(分别被表示成CB1、CB2和CB3)的电路断路器以及干线电源断路器MCB同样也是如此。每一个GFCI产生“故障信号”，该信号指示与馈电线/分支电路相关联的实际故障状况或电容电流，其如下文参考图13中显示的示例GFCI所述，所述信号可被提供给计算机处理器24。举个例子，“故障信号”可以是代表在相应GFS处测得的瞬时不平衡电流的电流或电压信号。
计算机处理器24包括分别与干线传感器MGFS和馈电线传感器GFS1、GFS2和GFS3相连的输入30、32、34和36，以及分别与干线断路器MCB以及若干个馈电线或分支断路器CB1、CB2和CB3相连的输出40、42、44和46。这些传感器输入和输出用线路连接或是借助光纤通信之类的手段连接到中央处理设备24，所述设备基于来自MGFS、GFS1、GFS2和GFS3的故障信号来确定电流的量值，并且启动或禁止相关联的断路器脱扣单元。在所述确定中使用的电流量值或故障信号可以是峰值、平均值、均方根，或者也可以在从测量的电流得出的时候被数字处理。此外，故障信号可以是经过数字处理的(或者用诸如无源滤波器之类的模拟装置过滤的)，并且可以仅被表示成基本的工频分量(即60或50Hz)，以便改善对于来自电力系统上的电子“噪声”或谐波电流的故障电流的识别。
作为替换，中央处理设备24可以类似地确定从基本频率(即，60Hz或50Hz)电压和电流量得到的导纳和阻抗的量值，并且使用下文中参考图9a-b、10a-b以及11b-c描述的逻辑。
这个单独驱动的三相系统的干线电路断路器MCB以及每个馈电线或分支电路断路器(CB1、CB2和CB3)具有相关联的接地故障传感器(GFS1、GFS2和GFS3)，其中该传感器是作为分别表示为50、52、54和56示意性描述的磁势平衡(core-balance)传感器(电流互感器或等价设备，例如使用“霍尔效应”的传感器，或使用具有足够精度的三个单相电流互感器的总和的合成器)，该传感器围住了相关联的三相导体(以及中性导体，如果适用的话)。每一个三极馈电线电路断路器包括分励脱扣设备，以便促成快速地断开电路。这些传感器和电路断路器可以是分离的，或者被形成为集成的GFCI电路断路器单元。
再次参考图1，GFCIS-3Ph系统还包括与中央处理设备24耦接的电压不平衡检测设备60。该电压不平衡检测设备60还经由电力总线12、14和16耦接到三相供电系统10，并且用于在不平衡的相对地电压状况期间感测所谓的“负序列”和“零序列电压”。这种负序列和零序列电压在三相电力系统的接地故障期间是始终存在的。相关示例可以参见图2a-c，其中该图是在C.F.Wagner和R.D.Evans，“Symmetrical Components as Applied to the Analysis of UnbalancedElectrical Circuits”，McGraw-Hill Book Co.，1993，New York中描述的零序列电压不平衡检测设备60的例示实施方式。作为替换，本领域技术人员将会了解，其它硬件和软件方法也可用于感测、测量、检测、推断或以其它方式确定在不平衡的相对地故障状况中存在的“负序列”和“零序列电压”。
通过使用商业可获得的电压不平衡检测设备60(例如在图2a-c中作为68、78或94描述的瞬时过压继电器)，可以在大约0.02-0.04秒内快速检测到三相电力系统上的低至数伏的不平衡相对地电压状况。通常，零序列电压仅仅是在接地故障期间存在的，而负序列电压则在任何不平衡故障中都是存在的，也就是说，其在相对相故障或是涉及地面的任何相故障中都是存在的。如此一来，优选的是在接地故障期间通过将三个线对地电压相加并除以3来使用如图2b所示连接的电压不平衡检测设备60来检测零序列电压(设备78，其对V0进行三次测量)。
作为替换，图2a-c所示的任何电路可以用于检测零序列电压。检测零序列电压的其它方法也是可以使用的，包括使用滤波和合成技术来仅仅检测和合成基本工频电压，例如50Hz或60Hz，的序列分量。商业可用的过压保护继电器可以用于完成瞬时过压设置点功能，或者该功能也可以集成到GFCIS-3Ph系统的处理器24中。
由此，当电压不平衡的量值超出预定阈值量时，将会对诸如电流、阻抗和/或导纳之类的其它故障参数进行分析，以便确定是否满足阈值脱扣等级或状况，例如，对于故障电流为4-6mA。举例来说，在分析故障电流的时候，处理器24确定哪个GFCI单元具有最高的感测电流量值，并且将其识别成是具有接地故障且必须脱扣(通过脱扣输出40、42、44或46)的干线或馈电线/分支。所有其它馈电线或分支电路的脱扣将会被同时阻拦或禁止，从而避免有害的脱扣。
再次参考图1，典型的三相系统包括多个馈电线或分支电路(为了简单起见仅仅显示了三个，但是该概念扩展至无限数量)，其中每一个具有包含接地故障传感器(GFS)的GFCI单元，所述传感器向系统处理器24提供输入，并且会在馈电线18的相A’遭遇到来自相A’对地的故障“F”的情况下控制恰当电路断路器(CB)的脱扣。在电路中流动的电流是用IF、IR以及箭头Ib和Ic的群组示出的。馈电线电缆的分布电容用虚线图示成连接在地与每一个馈电线或分支电路的每一个相之间且具有电流IGC1、IGC2和IGC3的三个集总电容器。故障信号或电流IF可以像以下的等式(1)中那样用这些电流以及IR来表述：
IF＝IGC1+IGC2+IGC3+IR    等式(1)
作为替换，故障信号或接地电流可以用阻抗(ZF)和导纳(YF)来表述。在测量得到的零序列电压V0的情况下，阻抗ZF是V0/IF，并且导纳YF是IF/V0。实际故障中未涉及的单独分支或馈电线电路可以使用与上文相同的比值由阻抗(Z)和导纳(Y)来表示，仅使用在相应馈电线或分支电路(例如，IGC1、IGC2或IGC3)中感测的电流。应该理解的是，本发明可以与在图3a-b、4a-b和5a-b以及美国专利7,301,739中描述的接地场景(“固化接地”、“高阻接地”以及“未接地”)结合使用，但是并不限制应用于其它系统接地方法，例如低阻接地、谐振接地或电抗接地的电力系统。
根据本发明，电压不平衡(或零序列电压(V0))的量值可以用于确定应用美国专利7,301,739中描述的三相接地故障断续器系统的概念的阈值。如果检测到的零序列电压足够低，即，代表了三个相中的很小的对地电压不平衡，那么可以单独通过零序列电流量值来确定脱扣GFCI，例如，对于触摸在分支或馈电线电路上导电的相从而提供了到地或大地的路径的人员。通常，当在故障电路上感测的电流超出0.006安培但是小于大约1安培时，流经使用系统上的所有其它无故障分支或馈电线电路的感测电容电流将会很小，即，远低于0.006A。零序列电流I0(实际是I0的3倍)可以通过应用于馈电线或分支电路的磁势平衡电流互感器来测量。
当测量得到的零序列电压超出表示量值显著高于人接触时出现的电流量值的故障电流的值时，可以使用该触发点来启用三相接地故障断续器系统的区别特征，并且应用以下算法之一：(1)例如，如图8a-b所示的电流量值比较算法；(2)例如，如图9a-b所示的零序列阻抗比较算法，用于确定测量得到的最小零序列阻抗，其中所述最小零序列阻抗是测量得到的零序列电压除以测量得到的零序列电流；或(3)例如，如图10a-b所示的零序列导纳比较算法，用于确定使用系统中的所有分支或馈电线电路的最大测量零序列导纳，其中所述最大测量零序列导纳是测量的零序列电流除以测量的零序列电压。被确定为最大的电流量值、被确定成最小的阻抗、或被确定成最大的导纳，由于是为每一个分支或馈电线电路单独确定的，因此为需要断连以隔离接地故障的分支或馈电线电路。
可以通过具有例如用于干线故障测试的“电流”测试，以及用于馈电线或分支电路的阻抗或导纳测试，来“混合和匹配”参考图6-10论述的干线故障以及馈电线故障测试。
在导体绝缘失败并且有相对较高的电流从相流到地的时，本发明是非常有利的。这种低阻接地故障在故障持续期间可相对于电力系统的地使三个电压的平衡出现失真。与地相对的电压的不平衡可能导致超出接地故障保护设置点的接地电流流经无故障分支或馈电线电路的分布电容。这个杂散的接地电流是因为与分支或馈电线电路组件(例如，绝缘导体或电缆、马达、冲击电容器、照明镇流互感器等等)所固有的对地电容相互作用的不平衡的相对地电压导致的。对地的电压不平衡(即“零序列电压”)是直接通过图2a-c所示的电路之一测量的。作为替换，由于在接地故障期间还存在负序列电压，因此可以在接地故障期间使用负序列电压检测技术来确定三个相之间的电压不平衡。
有利的是，与电击保护所需要的可能低至0.006安培的电流感测灵敏度相比，当系统接地电压严重不平衡时，即便是在发生了量值更高(即，千上万安培)的接地故障的过程中，本发明也可以为图1所示的电力系统提供安全性。在低水平接地故障期间，在电流流过人体期间，系统电压的不平衡可能并不明显。相比之下，高水平接地故障电流可能造成严重的电压不平衡，并且还引起被设计成感测小于0.006安培的电流的传感器的输出电流的失真。电压不平衡的检测特征可以与电流互感器饱和度检测器(电流传感器输出失真检测算法)相结合，以便补偿在出现高水平接地故障电流的过程中可能在分支或馈电线电路接地故障传感器(例如零序列电流互感器)上出现的磁饱和度。然后，该组合将会给出哪个馈电线电路实际发生了接地故障的肯定而安全的逻辑指示。
本领域中已知的区域选择连锁技术也可被应用于向“上游的”GFCIS-3Ph提供逻辑输入，以识别在“下游”配电板或配电盘(具有自己的GFCIS-3Ph)上发生的接地故障，以及接受来自该系统的禁止信号。
如图1所示，处理器24持续监视每一个GFCI单元感测的电流状况(故障信号的量值)以检测故障，并将每一个GFCI单元的传感器输出(故障信号)与每一个其它单元的传感器输出相比较，从而确定故障的位置。一旦确定了故障的位置，则中断发生故障的馈电线电路，并且禁止脱扣所有其它的馈电线电路。
根据本发明，计算机处理器(图1中的附图标记24)执行指令来持续监视干线GFCI单元以及每一个馈电线GFCI单元，以确定何时以及在哪儿发生了故障，并且响应于此来中断发生故障的电路并禁止脱扣无故障的电路。处理器24的操作是用图6和7中描述的逻辑流程图概括性显示的，其中分别示出了计算机实现的用于未接地和固化接地/高阻接地的电力系统的故障中断方法。除了涉及干线故障测试的步骤108和208之外，图6和7所示的方法100和200在所有方面都是相似的。所要使用的方法是由选择器开关或其它选择方法确定的，其中该方法将被设置成应用了GFCIS-3Ph的电力系统的特定接地类型。
方法100和200包括接收指示干线和馈电线故障的信号的步骤，即步骤102或202，所述信号可以是，例如，干线和馈电线电压和电流，包括指示实际故障或电压不平衡状况的一个或多个信号，以及确定是否存在电压不平衡状况的步骤，即步骤104或204。如果例如采用了零序列电压形式的电压不平衡超出预定值，那么控制器24会继续干线故障测试，即步骤108或208。对480V的系统来说，标称的零序列电压拾取值处于大约2-100伏的范围以内，并且主要取决于仪器的电压互感器比值、系统接地类型(例如固化接地或高阻接地)以及接地故障电流的严重度。
控制器通过执行干线总线故障测试(即，涉及图1中的12、14或16的故障)继续运行，对于未接地系统所述测试可以采取图8a、9a和10a的形式，对于固化接地/高阻接地的系统来说所述测试可以采取图8b、9b和10b的形式。图8a和b分别示出了用于未接地和固化接地/高阻接地的电流量值比较算法300和350的示例。
在未接地系统的情况下，如果在步骤302，干线单元感测的电流以及至少一个馈电线单元感测的电流在任何时间都超出了预定故障电流阈值(例如5mA)，并且如果在步骤304，通过干线单元的电流比通过馈电线的电流大出预定的余量(例如5％)，则确定在干线电路内部存在故障，并且向干线GFCI单元发送“脱扣”信号，以便脱扣干线电路断路器，即图6的步骤112。这种状况意味着接地故障处于干线CB传感器的紧下游，诸如处于配电板的干线汇流条上，并且需要脱扣干线切换设备。如果在任一馈电线电路上感测到比干线感测到的电流更小的故障信号电流(但是仍旧高于5mA的“脱扣”阈值)，并且如果在干线中感测到的故障电流没有比在任一馈电线电路中感测到的电流大至少5％，则禁止干线切换设备脱扣，即步骤116。
所述5％的余量允许很容易地区分干线与馈电线电路的传感器的故障信号电流，并且该余量主要是以“未接地”系统的模拟结果为基础的。相关示例可以参见美国专利7,301,739的表3和6。对于具有正常配置和数量的馈电线或分支电路，即，一条干线和至少两个馈电线或分支电路来说，这一点是适用的。
对于固化接地和高阻接地的电力系统(或者就此而言，对于任何阻抗接地的系统)来说，如图7和8b的流程图所示，在步骤352，干线故障测试350确定在任何馈电线上感测到的接地故障电流或故障信号是否高于预定阈值(例如，5mA)，并且在步骤354，确定所述接地故障电流或故障信号的量值是否接近于在干线电路中感测的故障信号电流的量值(标称在+/-10％到20％以内)。如果满足干线故障测试350的条件，也就是步骤354中的分支“是”，那么禁止干线脱扣条件得到满足，并且将会发送一个禁止干线脱扣信号来防止干线电路断路器脱扣，即图7的步骤216。否则，如果判决框354是“否”，那么满足脱扣干线条件，并且向干线GFCI单元发送“脱扣”信号来脱扣干线电路断路器，即图7的步骤212。
图9a-b以及10a-b的干线故障测试400、450、500和550的替换实施例可以使用零序列阻抗和零序列导纳比较算法来实施。分别与未接地以及固化接地/高阻接地系统相对应的图9a和b包括：用于确定测量得到的最小零序列(或“故障”)阻抗的步骤402、404、452和454，其中最小零序列阻抗是测量的零序列电压除以测量的零序列电流的比值，在步骤402和452，将干线故障阻抗和最小馈电线故障阻抗与预定的故障阻抗阈值(例如V0/0.005欧姆)相比较，在步骤404和454，将干线故障阻抗与任一馈电线故障阻抗相比较，以确保干线故障阻抗至少处于至少一个馈电线故障阻抗的一定百分比(例如，对于未接地系统是+/-5％，对于固化接地/高阻接地系统是+/-10％到20％)以内。
分别与未接地和固化接地/高阻接地系统相对应的图10a和b包括：用于确定测量的最大零序列(或“故障”)导纳的步骤502、504、552和554，所述最大零序列导纳是测量的零序列电流除以测量的零序列电压的比值。在步骤502和552，将干线故障导纳和最大馈电线故障导纳与预定的故障导纳阈值(例如0.005/V0姆欧)相比较，以及在步骤504和554，将干线故障阻抗与任一馈电线故障阻抗相比较来确保干线故障阻抗至少处于至少一个馈电线故障导纳的一定百分比(举例来说，对于未接地系统是+/-5％，对于固化接地/高阻接地系统是+/-10％到20％)以内。
再次参考图6和7，如果通过干线单元的电流不在流过馈电线单元的电流的预定余量以内，例如，处于干线故障测试300、350、400、450、500和550的分支“是”，则确定故障处于干线电路之外，并且向干线GFCI单元发送“禁止”信号来禁止脱扣干线电路，即未接地系统的图6的步骤116以及高阻接地系统的图7的步骤216。依照用于未接地系统的图6中的步骤118以及用于固化接地/高阻接地系统的图7中的步骤218显示的馈电线故障测试，每一个馈电线单元的故障信号电流还与每一个其它馈电线单元的故障信号电流相比较。例如，如果根据图11a的馈电线故障测试600中的步骤602发现通过任一馈电线单元“X”的电流远远大于通过其它馈电线单元的电流，则确定故障处于馈电线单元“X”的电路中，并且向该电路的GFCI单元发送脱扣信号来脱扣其断路器。与此同时，向所有其它馈电线单元发送禁止信号，以便禁止其脱扣。另一方面，如果没有馈电线单元的故障信号电流远远大于任何馈电线单元的故障信号电流，则确定在馈电线电路中没有故障，并且禁止所有馈电线电路脱扣。图11b和11c示出了使用零序列阻抗和零序列导纳比较的类似馈电线故障测试。
本发明的非限制性优点包括：在将应用了GFCIS-3Ph保护的三相电力系统上的高水平故障期间将错误脱扣的发生减至最少的同时提供了电击保护，优选地在小于0.1秒的总的故障清除时间中具有0.006到0.030安培的最小拾取灵敏度。
图12示出了与仿真的低压480V相间高阻接地故障电力系统相结合的本发明的第一说明性示例，是用Cooper Power Systems(1988年5月)的V-HarmTM(电力系统谐波仿真和分析程序)执行的。如图12所示，在馈电线1上发生了从相到地的持续故障，从而导致三个相电压相对于地的严重不平衡，并且由此导致了一个超出预定电压不平衡阈值的很高的零序列电压，例如，约2-100伏。相关示例可以参见图4a和b，示出了在高阻接地的三相电力系统上的持续的相A的接地故障期间电压与电流的关系。馈电线1故障电流(2.04A)被确定是最大的馈电线故障电流，根据图7和8b的干线故障测试，由于干线故障和馈电线1的电流都大于故障电流阈值(在本例中是5mA)，并且干线故障电流(2.00A)处于馈电线1的故障电流的20％以内，因此将禁止干线脱扣。遵循图7和11a的逻辑，每一个馈电线故障电流(对于馈电线1是2.04A，对于馈电线2是12mA，对于馈电线3是25mA以及对于馈电线4是319mA)被比较，以便确定要脱扣的馈电线“X”，如果有的话。由于馈电线1的电流大于其它馈电线故障电流，因此，这样导致馈电线1被脱扣，而其它馈电线则不脱扣。
作为替换，根据图9b的干线脱扣测试450，GFCIS-3Ph处理器可被编程，以便通过将测量的零序列电压V0与每一个单独的馈电线故障电流I0(X)相除来确定馈电线故障阻抗值Z0(X)，其中，“X”是每一条单独的馈电线线路。假设测量的零序列电压V0是例如100伏，那么GFCIS-3Ph处理器会为每一条馈电线线路计算以下阻抗值：Z0(1)＝100V/2.04A＝49欧姆；Z0(2)＝100V/0.012A＝8300欧姆；Z0(3)＝100V/0.025A＝4000欧姆；以及Z0(4)＝100V/0.319A＝310欧姆。图9b的逻辑405的禁止干线脱扣条件将会得到满足，而这将会促使图11b的逻辑610仅脱扣馈电线1。
另一个替换方案是根据图10b的逻辑来计算馈电线故障导纳Y0(X)。同样，假设测量的零序列电压V0是100伏，那么计算得到的故障导纳如下：Y0(1)＝2.04A/100V＝0.0204姆欧；Y0(2)＝0.012A/100V＝0.00012姆欧；Y0(3)＝0.025A/100V＝0.00025姆欧；以及Z0(4)＝0.319A/100V＝0.00319姆欧。图9b的逻辑450的禁止干线脱扣条件将会得到满足，而这将会类似地促使图11c的逻辑620仅脱扣馈电线1。
应注意，如果上述示例中的馈电线1的故障是电阻高达数百欧姆的高阻故障，但由此导致高于5mA脱扣设置点的故障电流，那么由于相对地电压不会因低水平故障电流而出现失真，因此感测到的三相电压不平衡可能未大到足以触发零序列电压检测。所有电流互感器(电流传感器)都在未饱和的线性感测区域中工作。GFCIS-3Ph处理器24将延迟达0.030秒，以等待零序列电压输入信号，当没有接收到该信号时，则在0.030+秒基于馈电线1在所有馈电线中具有最大感测电流量值的事实而开始脱扣馈电线1。以上场景描述在未调用电压不平衡测试的情况下是对于非常低水平故障电流的优选事件序列。
现在结合仿真的低压480V相间固化接地故障电力系统来描述本发明的第二说明性示例。相关示例可以参见图3a和b，该图示出的是在固化接地的三相电力系统上的持续的相A接地故障期间的电压与电流的关系。最终得到的相对地电压存在严重的不平衡，由此再次触发了零序列电压检测以及图7的逻辑200。更进一步，如表1的仿真结果所示，馈电线1的持续故障导致在干线和馈电线1上的线路上的2.4kA的接地故障电流，而这导致用于干线和馈电线1的接地故障感测电流互感器的饱和。通常，零序列电压检测和电流互感器饱和是在接地故障开始大约0.030秒的时间以内发生的。在处理指示或建议实际故障状况的电流信号时，可使用电流互感器饱和度测试(例如，使用本领域已知的算法)对饱和度进行检测。相关示例可以参照图7的步骤203。同时，在接地故障期间，馈电线4的接地故障传感器26从馈电线的电容充电电流中检测到26mA。感测的两个接地电流(馈电线1和馈电线4)都高于6mA的脱扣设置点。由于关于馈电线1检测到了过度的零序列电压和电流互感器饱和，因此GFCIS-3Ph逻辑在接地故障开始之后的仅0.030+秒开始馈电线1的脱扣。
表1-用于“系列二”范例-馈电线上没有负载的系统的故障电流(带有阴影的框)和电流分布的概要表
固化接地的480V系统
处于馈电线“远端”的接地故障
所有馈电线上均无负载
具有连接在接地远端上的1.0μF冲击电容器的馈电线4
(除非以别的方式示出，否则为磁势平衡或差动电流互感器感测的以毫安为单位的电流)
对于以上用于高阻接地系统的第一示例来说，可以使用零序列电压和零序列电流量进行关于阻抗或导纳的判定。任意的大电流值(例如，100安培，取决于其中肯定发生电流互感器的磁饱和的条件)可被指定给被确定处于饱和状态的电流互感器，以便执行该计算算法。
图13是先前在图1中以更概括的方式显示的本发明的例示实施例的基本组件的框图表示。在每一个情况中，接地故障断续器系统包括处理器24和辅助接口设备23(用于接收输入的接收机I/F)及25(用于发送输出/脱扣的发送器I/F)，以及如图13所示的诸如GFCI单元3之类的多个GFCI单元。接地故障传感器组件(GFS3)提供一种用于感测在三个(或四个)运输电流的馈电线导体A’”、B’”、C’”(与三(或四)线的三相系统相对应，如果存在第四条线路，那么该线路是运输电流的中性导体)中流动的不平衡接地故障电流的手段。在一个非限制性实施例中，GFS可以包括常规的窗口(或磁势平衡型)电流互感器，其在电力系统电流不平衡的情况下提供输出电流。在另一个非限制实施例中，GFS可以包括响应于导体中的不平衡电流提供代表从GFS测得的瞬时电流量值的输出电流或电压信号的另一种类型的电流感测设备(例如霍尔效应设备)。然后，在这里定义的该GFS信号或“故障信号”被“发送器”单元37变换成适当的电流、电压或光输出，并且所述输出通过恰当的信号传输装置(例如光纤或金属导体36)而被传递到处理器的“接收器接口”23。然后，处理器24执行先前描述的必要逻辑来确定是否通过处理器的“发送器I/F”25向“电路断路器”或接触器发送或禁止“脱扣”(或“开路”)信号。然后，所述脱扣或禁止信号由处理器的“发送器I/F”单元25变换成适当的电流、电压或光输出，以便通过信号传输装置(例如光纤或金属导体40)传递到电路断路器的“接收器”单元41。
此外，在上文中参考图1和2a-c描述的电压不平衡检测设备60也与处理器24直接耦合或通信，以便在出现不平衡的相对地电压状况的过程中感测所谓的“负序列电压”或“零序列电压”。
任何可以中断和隔离电压源的三相电路导体的电流中断设备都可以作为所示出的“电路断路器”来使用。电流中断设备可以包括但不局限于气磁或真空电路断路器或马达电路保护器、气体或真空接触器、固态电源切换设备、或电触发熔丝。
到电路断路器的接收器41的信号可用于启动脱扣线圈或储能脱扣释放机制，中断到保持线圈(例如，用于接触器的线圈)的电流，或者可以采用发起或停止功率半导体设备的导电的电流或电压的形式，或采用用于电触发熔丝的电流或电压输出的形式。虽然没有显示，但是为图13所示的任何设备供电的电力可以是从外部电源或储能电源(电池或电容器)、受监视电力系统本身的电压或是源自流经电力系统的负载电流的能量中得到的。
虽然在上文中依照若干附图中示出的特定实施例而对本发明进行了描述，但是应该了解，在不脱离本发明的精神的情况下，其它的组件配置和处理软件也是可以使用的。例如，任何能够监视和报告电流并且响应于控制输入而禁止和/或中断电路的适当形式的GFCI单元都是可以使用的。
此外，本发明的技术可以应用于其它故障检测方案，例如在北美以外使用的剩余电流设备(RCD)。此类设备通常具有比30mA略高一些的标称拾取灵敏度，但同样是为了防止因为电击而导致的心室颤动。虽然RCD由于其拾取特性的敏感度较低而不易受到有害脱扣(来自单独的馈电线电容充电电流)的影响，但是很明显，就敏感的“摆脱”人员保护以及敏感的设备保护而言，本发明的有用之处同样适用于RCD。
此外，本发明可以在例如720V的较高电压下使用，并且甚至可以在高达1000V以及更高的电压下使用。但是对于“不受保护”的人员(也就是没有诸如绝缘橡皮手套等冲击保护设备的人员)来说，本发明的应用可以具有实际上限的。如上文中计算的那样，对于潮湿条件来说，通过人体的最大电流还可以更大。在1000V以上，有可能需要使用其它装置来将通过人体的电流降至人类容忍度以内(例如，使用诸如垫子、手套、鞋子之类的绝缘屏障)，但是本发明的灵敏的GFCIS-3Ph感测技术仍旧是可以使用的。
尽管在上文中依照替换实施例而对本发明进行了描述，但是应该预料到的是，对本领域技术人员而言，在阅读了本公开之后，其它的变更、修改和应用都是显而易见的。由此，本公开应该被认为是说明性而不是限制性的，并且附加权利要求被解释成包含了落入本发明的实质和范围内的所有这样的应用、变更、修改及实施例。

Claims (11)

1.一种用于多相电源和与之耦合的干线总线电路的接地故障断续器系统，所述干线总线电路具有多个单独的馈电线电路，所述接地故障断续器系统包括：
与电源的所有相线以及干线总线电路耦合的电压不平衡检测设备，用于检测零序列电压或负序列电压，所述零序列电压或负序列电压表示电源的多个相之间的电压不平衡；
分别与干线总线以及每一个馈电线电路相关联的多个接地故障断续器单元，每一个接地故障断续器单元操作为产生与相关联的干线总线或馈电线电路上的故障状况相对应的故障信号；以及
处理器，与电压不平衡检测设备以及每一个接地故障断续器单元进行通信，用于监视每一个接地故障断续器单元产生的电压不平衡和故障信号，该处理器能够至少部分基于电压不平衡和故障信号之间的一定预定关系来产生与实际故障相对应的一个或多个脱扣信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器包括可执行程序代码，所述可执行程序代码用于：
基于电压不平衡状态、以及干线总线电路中的接地故障断续器单元产生的故障信号与馈电线电路中的每一个接地故障断续器单元产生的故障信号之间的一定预定关系来确定何时存在实际故障；
确定哪一个或哪一些馈电线电路正在经历实际故障，产生针对对应于经历实际故障的一个或多个电路的一个或多个接地故障断续器单元的脱扣信号，由此使得中断实际发生故障的一个或多个电路，以及
产生针对没有经历实际故障的剩余馈电线电路的禁止信号，由此禁止中断那些一个或多个无故障电路。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，一定预定关系包括电流信号的一个或多个比较结果。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，一定预定关系包括阻抗的一个或多个比较结果。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，一定预定关系包括导纳的一个或多个比较结果。
6.一种计算机实施的用于多相电源以及与之耦接的干线总线电路的接地故障断续的方法，干线总线系统具有接地故障断续单元和多个馈电线电路，每一个馈电线电路还具有与之关联的接地故障断续单元，该方法包括：
监视电源系统的电压不平衡，其中，所述电压不平衡由零序列电压或负序列电压表示；
监视若干接地故障断续单元产生的故障信号；以及
基于电压不平衡状态以及干线总线电路中的接地故障断续单元产生的故障信号与馈电线电路中的接地故障断续单元产生的故障信号之间的一定预定关系来确定何时存在实际故障状况。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
确定若干个电路中的哪一个电路正在经历实际故障；
为实际发生故障的电路产生脱扣信号；以及
将所述脱扣信号发送到实际发生故障的电路中的接地故障断续单元，由此使得中断实际发生故障的电路。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括：
为一个或多个剩余电路产生一个或多个禁止信号；以及
将禁止信号发送到剩余电路的一个或多个接地故障断续单元，由此使得禁止这些电路中断。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，一定预定关系包括电流信号的一个或多个比较结果。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，一定预定关系包括阻抗的一个或多个比较结果。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，一定预定关系包括导纳的一个或多个比较结果。
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