CN107255775A - 用于接地故障电路中断装置的监测电路的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了用于接地故障检测装置或接地故障电路中断(GFCI)装置中的监测电路的设备及方法，其中使用低压直流电源产生GFCI装置自测试用的测试激励信号。GFCI装置包括火线和零线，其构造成连接交流电源与负载。差动电流变压器包括环状线圈，火线和零线穿过环状线圈，而次级绕组缠绕于环状线圈上。差动接地故障检测器与差动电流变压器的次级绕组电连接，以比较由环状线圈中不平衡磁通在次级绕组中所产生的电流与跳闸门限。线导体路由穿过差动电流变压器的环状线圈。控制器构造成控制在线导体中产生低压直流测试激励信号。
Description
本申请是国际申请日为2011年03月8日、国际申请号为PCT/US2011/027510、进入中国国家阶段日期为2012年09月10日并且国家申请号为201180013117.8的发明专利申请“用于接地故障电路中断装置的监测电路的方法及设备”的分案申请。
本申请要求以在2010年3月9日提交的美国临时申请号为61/311,955的申请为优先权，该申请的全部内容在此以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及接地故障检测电路，更具体地涉及使用由低压直流电源产生的激励信号来测试接地故障检测电路。
背景技术
接地故障电路中断(GFCI)装置检测接地电流故障(ground current faults)以及接地中点故障(grounded neutral faults)的存在，以及，如果检测到这种故障，中断交流电源系统中的电力。据此，GFCI装置提供免遭触电死亡的保护，并且通常在厨房、浴室里的插座以及可能有水或湿气能引起触电死亡危险所在的户外插座中使用。在保护这些同样区域的住宅建筑的电路断路器中也使用GFCI装置。检测接地故障并中断交流供电系统的GFCI装置及其他装置也可以总称为“接地故障检测器”。接地故障检测器典型具有监测电路或测试电路，其检查接地故障检测电路的功能。
当检测到电流漏泄时，接地故障检测器断开电路。当流过线路或火线的电流从电源负载(source load)转向地而没有返回电源时，出现电流漏泄。这种漏泄可能由意外短路诸如由缺陷性负载接入线路引起。如果人员触及此负载，漏泄电流可能流过人体到地，导致触电。因此，接地故障检测器或者GFCI起到安全装置的作用，以及，将其设计成检测线-地短路并且断开配电线路。
接地故障检测器还需要快速动作。虽然典型的电路断路器在20安培下中断电路，但电死人只需大约100毫安。所以，为了提高安全性，接地故障检测器必须能检测线与地之间少至6毫安电流水平的电流，并且跳闸插座处或断路器配电盘处的断路器，以消除触电危险。为了防止致命接地故障境况发生，对于浴室中或者暴露于水的其他区域中的插座，接地故障检测器通常是必须的。
在双线系统中，GFCI典型地通过比较火线中流动的电流与零线中返回的电流来检测电流漏泄。电流水平中的差异意味着一些电流已从电路漏泄并且存在接地故障。GFCI典型地使用差动变压器来检测火线与零线中电流水平方面的差异。差动变压器经常是环形磁芯，其具有由磁芯环绕的、被保护配电线路的火线及零线作为其初级绕组。变压器的次级绕组缠绕磁芯。在正常状态期间，通过火线(line conductor)于一个方向流动的电流将通过零线(neutral conductor)于相反方向返回。这种平衡产生零净电流通过差动变压器，并且多匝绕组不提供任何输出。如果故障存在，电流从火线漏泄至地，并且差动变压器中通过火线流动与通过零线流回的电流不相等。该电流不平衡将在差动变压器磁芯中产生未抵消的磁通，导致来自多匝次级绕组的输出。检测电路识别来自差动变压器的输出，并且断开电路断路器接触。
发明内容
本发明提供了用于接地故障电路中断(GFCI)装置的监测电路的设备及方法。本发明的实施方式利用低压直流电源产生用于GFCI装置自测试的激励信号。
在本发明的一种实施例中，GFCI装置包括火线和零线，构造成连接交流电源与负载。差动电流变压器包括火线和零线穿过其中的环状线圈(toroid)，而次级绕组缠绕于环状线圈上。差动接地故障检测器与差动电流变压器的次级绕组电连接，以比较由环状线圈中不平衡磁通在次级绕组中所产生的电流与跳闸门限。线导体(wire conductor)路由穿过差动电流变压器的环状线圈。控制器构造成控制在该线导体中产生低压直流测试激励信号。
根据本发明的另一实施例，在一种GCFI装置执行自测试的方法中，由低压直流电源在路由穿过差动电流变压器的环状线圈的线导体中产生测试激励信号。然后，判断在环状线圈中是否检测到差动电流大于跳闸门限。
通过参照下文具体说明以及附图，本领域普通技术人员能更好地理解本发明的这些以及其他的优点。
附图说明
图1图示带有监测测试电路的常规GFCI装置；
图2图示用于图1的GFCI装置的按压-测试自测试的信号时序图；
图3图示用于图1的GFCI装置的自动自测试的信号时序图；
图4图示根据本发明实施例的GFCI装置；
图5图示用于图4实施例的GFCI装置的按压-测试自测试的信号时序图；
图6图示用于根据图4实施例的GFCI装置的自动自测试的信号时序图；
图7图示根据本发明另一实施例的GFCI装置；
图8图示用于图7实施例的GFCI装置的按压-测试自测试的信号时序图；
图9图示用于根据图7实施例的GFCI装置的自动自测试的信号时序图；
图10图示根据本发明又一实施例的GFCI装置；
图11图示根据跟发明又一实施例的GFCI装置；
图12图示根据本发明又一实施例的GFCI装置；
图13图示根据本发明又一实施例的GFCI装置；以及
图14图示由根据本发明实施例的GFCI装置执行自测试的方法。
具体实施方式
本发明涉及用于测试接地故障电路中断(GFCI)装置的监测电路。许多GFCI装置具有“测试”按钮，用于验证装置的正常状态。通过使激励信号电流经过差动变压器的磁芯，测试方法可以建立较小的不平衡。例如，按压测试按钮可以导致沿穿过差动变压器的测试导线跨接15千欧电阻吸收120伏交流电源。在此示例中，8毫安(毫安有效值)的电流(其大于GFCI电路的6毫安漏泄电流检测要求)经过差动变压器。差动变压器与适当功能性装置中的检测电路检测此测试电流为不平衡，并导致电路跳闸。测试人员解释这种结果为意味着电路断路器装置正在安全并且正确地工作。如果电路断路器没有跳闸，测试人员可以认为电路有问题，其可能是危险的，并且要求专业人员的注意，而且可能更换装置。一些GFCI装置还包括复位按钮，用于在跳闸之后复位断路器。
在不远的将来，许多GFCI装置可能还包括自动自测试功能。其以周期性的间隔内部开始，以验证装置的正常状态。这种装置包括定时器以及电动机械或电子开关，其沿穿过差动变压器的测试导线跨接电阻电连接120伏交流电源。
本发明人认识到常规监测测试电路具有的下列问题，无论是使用机械开关还是电子开关闭合测试电路。首先，常规测试电路直接暴露于交流电源的火线上存在的噪声，这会干扰测试。其次，交流电源在电压方面能够波动，导致激励信号电流的相当大变化，建立测试逃逸条件(escape conditions)。第三，根据120伏交流电源作业时测试电路耗散大约1瓦功率。
采用自动自测试并且使用电子开关，测试电路的功率耗散更成问题。使用电子开关的另一问题是直接暴露于交流电源火线上的高压。与具有较低额定功率及较低额定电压的元件相比，具有较高额定功率及较高额定电压的元件尺寸更大，且成本更高。
本发明的实施方式提供一种监测电路，取代直接来自120伏交流电源的火线，通过实现低压直流电源，从低压直流电源中直接产生测试激励信号，典型是电流，来测试接地故障检测电路。低压直流电源对存在于120伏电源的火线上的任何噪声提供滤波，因此，防止因测试激励信号自身干扰测试。
低压直流电源典型调节至大约100毫伏以内，以提供恒定的直流输出电压，因此，消除了由交流电源电压的大波动所导致的任何问题。结果，测试激励信号的电流幅值无需将其设定为比接地故障检测电路的额定跳闸门限高15％至20％，以在诸如当120伏交流电源低至额定电压的85％时保证足够的幅值。这是指导住宅家用GFCI装置的美国保险商试验所(UL)943中的测试要求。使用低压直流电源，测试激励信号幅值能设定为更接近6毫安额定跳闸门限，因此，导致更一致的可重复测试，其消除了劣化跳闸门限的任何可能的测试逃逸(test escape)。
本发明实施方式中利用高效开关直流电源降低功率耗散。每次运行测试电路，使用120伏交流电源的测试电路中所耗散的功率是大约1瓦(120伏×8毫安＝0.96瓦)。如果实现80％效率开关直流电源供给5伏直流和8.5毫安的直流电流(6毫安有效值正弦波的峰值)，那么，每次运行测试电路，测试电路中所耗散的功率是大约53毫瓦(5伏×8.5毫安/0.80)。据此，在本发明的不同实施方式中，在监测测试电路中可以利用具有较低额定功率的元件，由于较低的电应力(electrical stress)而具有提高的可靠性。对于仅有按压-测试的装置而言，如果测试电路如推荐的那样每月运行一次，由于测试电路在装置的寿命期间可能只运行大约240次，对此可能没有更多关注。然而，对于有自动自测试的装置而言，测试电路在装置的寿命期内可能运行超过50000次。
即使采用了包括元件诸如瞬变吸收器或金属氧化物压敏电阻的适当设计的瞬变保护电路，直接由120伏交流电源的火线产生测试信号激励的测试电路中的电子开关也要承受120伏交流电源的火线上高达400伏至500伏的瞬变电压。使用直流电源来产生测试激励信号，这些瞬变电压能减少到仅有数伏。因此，在本监测测试电路中，可以使用具有低得多额定电压的电子开关及其他元件，而具有提高的可靠性。
许多接地故障检测装置已经利用低压直流电源为接地故障检测电子电路供电。根据本发明的不同实施方式，取代120伏交流电源的火线，使用同一低压直流电源为测试电路直接提供激励信号可能是方便的。据此，对于许多装置，由于不要求增加低压直流电源，不给装置增加或增加很少的成本或尺寸，就能实现本发明的实施方式。与常规装置中所使用的元件相比，由于本发明的元件使用具有更低额定功率及额定电压的元件，本发明的不同实施方式很容易减少尺寸及成本。较低额定功率及额定电压的元件比起较高额定功率及额定电压的元件通常尺寸更小且成本更低。此外，较低额定电压的电子开关、以及较低额定功率的设定测试激励信号的电流幅值的电阻能集成进CMOS检测专用集成电路(ASIC)，节省空间及成本二者。通过将控制信号用的管脚重用于电子开关，能在不给ASIC增加额外管脚的情况下实现这一点。
带有监测测试电路的接地故障检测装置并不仅仅出现在住宅建筑中的GFCI电源插座或GFCI电路断路器中。这些装置也应用于保护商业和工业电路中。这些装置可以与其他装置诸如AFCI(电弧故障电路断路器)检测装置进行组合。接地故障检测装置可以在任何电力输送系统中或任何电气设备中使用。据此，本发明的实施方式可以实现为任何类型的接地故障检测装置。
图1图示带有监测测试电路的常规GFCI装置100，其使用120伏交流电源101来直接产生测试电流激励电压。如图1所示，常规GFCI装置100包括专用集成电路(ASIC)102，其包括差动接地故障检测电路104以及用于自测试的电路，诸如自测试控制器106和定时器108。常规GHCI装置100进一步包括给ASIC 102供电的直流电源110。用穿过环状线圈114的火线116和零线118以及缠绕环状线圈114的次级绕组120，在环状线圈114上构成差动电流变压器112。主机械接触开关122设置在火线116中，并且使用跳闸螺线管124与伴随的电子开关126来跳闸主机械接触开关122。高电流瞬变电压抑制元件128从火线116电连接至零线118，在这种情况下零线118也是电气地(electronic ground)。按压-测试(PTT)按钮130能由操作人员按压，以开始自测试。告警电路132告警操作人员自动自测试失败。GFCI装置100的监测测试电路包括电阻134、穿过变压器112的环状线圈114的第三导线136、以及电子开关138。
图1的GFCI装置100的基本功能如下。从装置的主机械接触开关122的负载侧(loadside)上的火线116漏泄的电流回到地，或者通过除零线118以外的一些路径回到装置的电源侧(source side)上的零线，在差动电流变压器112的环状线圈114中建立不平衡磁通，导致电流在次级绕组120中流动。次级绕组120的端子与包含在ASIC 102中的差动接地故障检测电路104的输入管脚电连接。典型的检测电路放大输入电流信号，并且比较幅值与预定跳闸门限。在具有自动自测试的装置中，自测试控制器106允许或者禁止检测器104的输出信号通过至ASIC 102的输出管脚。特别地，如果未在执行自测试，自测试控制器106允许输出信号通过至ASIC 102的输出管脚。ASIC 102的输出管脚与电子开关126的控制管脚电连接，并且将输出信号(TRIP)传送至电子开关126。电子开关126的一个端子与电气地电连接。电子开关126的另一端子与跳闸螺线管124的一个端子电连接。跳闸螺线管124的另一端子与主接触开关122负载侧上的120伏交流电源101的火线116电连接。跳闸螺线管124机械方式配置成受到激励时致动跳闸衔铁，其断开火线116中的主接触开关122。
在正常接地故障检测模式期间，控制电路允许检测器104的输出信号通过至ASIC102的输出管脚。在检测到差动电流超过预定跳闸门限的情况下，输出信号(TRIP)接通或者闭合激励跳闸螺线管124的电子开关126。跳闸螺线管124致动跳闸衔铁，其断开主接触开关122，中断火线116中的120伏交流电源101至负载的供给。
监测测试电路起到测试接地故障检测装置100正常状况的作用。可以通过操作人员按压按压-测试按钮130开始测试，或者可以由定时器108以预定时间间隔自动开始测试。自测试控制器106监测ASIC 102的按压-测试管脚以及定时器108。PTT按钮130的一个端子与ASIC 102的按压-测试管脚电连接。PTT按钮130的另一端子与直流电源110电连接。PTT电路能可选择地构造成，使得对于有源PTT另一端子连接至电气地。在与电子开关138的控制管脚电连接的ASIC 102的管脚上，控制电路输出信号(GF_TEST)。电子开关138的一个端子与电气地电连接。电子开关138的另一端子使用路由穿过差动电流变压器112的环状线圈114的线导体136与电阻134的一端电连接。电阻134的另一端与主接触开关122的负载侧的120伏交流电源101的火线电连接。即使采用了高电流瞬变电压抑制元件128从火线116电连接至零线118，也会使监测电路暴露于幅值有500伏至600伏的瞬变电压。也会能使监测电路暴露于火线上的其他低压噪声，这能潜在地干扰自测试。
在由操作人员按压按压-测试按钮130开始测试的情况下，自测试控制器106传送信号(GF_TEST)以接通或闭合电子开关138。例如，图1中的特定电子开关138能是可控硅整流器(SCR)。基于600伏额定高压以承受120伏交流电源101的火线中的电压，并且基于SOT-89的封装形式(这是为这种高额定电压元件提供的最小尺寸表面安装封装之一)，对这种开关进行选择。除了一旦使开关138导通，即使除去栅压，只要有从阳极到阴极的电压电位降，开关138仍将保持导通状态之外，电子开关138操作如闸控二极管一样。在120伏交流电源的正半周期间，电子开关138的接通或闭合导致电流信号从120伏交流电源101的火线直接流过电阻134和路由穿过变压器112的环状线圈114的导线136，并经过电子开关138到电气地。测试电流激励信号的幅值由电阻134设定为比ASIC 102中差动接地故障检测电路104的跳闸门限高至少30％的值。对于具有6毫安有效值或8.5毫安峰值的额定跳闸电流的GFCI装置而言，测试电流的幅值设定为刚好在8毫安有效值或11.3毫安峰值以上。这是为了保证在120伏交流电源101降至85％时仍有检测裕度。有意通过变压器112的环状线圈114的激励电流在差动电流变压器112的环状线圈114中建立不平衡磁通，导致电流在次级绕组120中流动。ASIC 102中的接地故障检测电路104检测次级绕组120中的电流。
在按压-测试期间，自测试控制器106能允许检测器104的输出信号通过至ASIC102的输出管脚。由监测测试电路产生的测试电流激励信号导致超过预定跳闸门限的被检测差动电流。检测器输出信号(TRIP)接通或者闭合激励跳闸螺线管124的电子开关126。跳闸螺线管124致动跳闸衔铁而断开主接触开关122，这中断火线116中120伏交流电源101向负载的供给。典型地，机械开关臂从接通(ON)位置移动至跳闸(TRIP)位置，给操作人员指示按压-测试通过。否则，没有跳闸动作，给操作人员指示按压-测试失败。
在自动自测试期间，自测试控制器106禁止检测器104的输出信号通过至ASIC 102的输出管脚。由监测测试电路产生的测试电流激励信号导致超过预定跳闸门限的被检测差动电流。自测试控制器106禁止检测器输出信号，防止电子开关126闭合并激励跳闸螺线管124。取而代之的是，继续正常操作。否则，在预定实测时间之后，如果没有检测到超过预定跳闸门限的差动电流，控制器电路发送信号至告警电路132，以告警操作人员接地故障装置有缺陷并需要更换。
图2图示用于图1的GFCI装置100的按压-测试自测试的信号时序图。特别地，图2示出在GFCI装置100执行按压-测试自测试的情况下120伏交流电源101的火线信号210、按压-测试信号220、自测试定时器信号230、GF_TEST信号240、来自交流电源101的测试电流250、TRIP信号260、以及告警信号270。参见图1和图2，在火线210的随机相位，由操作人员按压PTT按钮130开始按压-测试信号220。然后，由自测试控制器106产生GF_TEST信号240，其闭合电子开关138，在火线信号210的正半周期间，导致测试电流信号250。所以，在火线信号210的至少一个完整周期(例如，16.33毫秒)内，GF_TEST信号240应当呈现，以保证在火线信号的正半周期间产生测试电流激励信号250，从而测试接地故障检测电路。一旦测试电流信号250超过接地故障接测器104的检测门限，检测器104输出TRIP信号260以跳闸电路断路器(例如，开关126)。
图3图示用于图1的GFCI装置100的自动自测试的信号时序图。特别地，图3示出在GFCI装置100执行自动自测试的情况下120伏交流电源101的火线信号310、按压-测试信号320、自测试定时器信号330、GF-TEST信号340、来自交流电源101的测试电流350、TRIP信号360、以及告警信号370。参照图1和图3，在火线310的随机相位处，自测试定时器108传送开始自测试的自测试定时器信号330。然后，由自测试控制器106产生GF_TEST信号340，并且闭合电子开关138，在火线信号310的正半周期间导致测试电流激励信号350。所以，在火线信号310的至少一个完整周期(例如，16.33毫秒)内，GFF_TEST信号340应当呈现，以保证在火线信号310的正半周期间产生测试电流激励信号350，从而测试接地故障检测电路。一旦测试电流信号350超过接地故障接测器104的检测门限，检测器104输出信号362，由自测试控制器106禁止信号362到达TRIP信号输出。然而，自测试控制器106利用此信号362作为自测试通过指示器。在完整周期自测试期结束时，如果自测试通过，自测试控制器106复位自测试定时器108，并且再次使能接地故障检测器104的输出至ASIC的输出管脚。否则，如果自测试失败，自测试控制器106输出ALARM 370信号至告警电路132，以告警操作人员自测试失败。
图4图示根据本发明实施例的GFCI装置400，其使用低压直流电源410直接产生测试电流激励信号。如图4所示，GFCI装置400包括ASIC 402，其包括差动接地故障检测电路404以及用于自测试的电路诸如自测试控制器406和定时器408。GFCI装置400进一步包括直流电源410，其给ASIC 402供电并直接产生测试电流激励信号。用穿过环状线圈414的火线416和零线418以及缠绕环状线圈414的次级绕组420，在环状线圈414上构成差动电流变压器412。主机械接触开关422设置在火线416中，并且使用跳闸螺线管424与伴随的电子开关426来跳闸主机械接触开关422。高电流瞬变电压抑制元件428从火线416电连接至零线418，在这种情况下零线418也是电气地。按压-测试(PTT)按钮430能由操作人员按压，以开始自测试。告警电路432向操作人员告警自动测试失败。GFCI装置400的监测测试电路包括电阻434、穿过变压器412的环状线圈414的第三导线436、以及电子开关438。
根据本发明的实施例，图4的GFCI装置400的基本功能如下。从装置的主机械接触开关422的负载侧的火线416泄漏的电流回到地，或者通过除零线418以外的其他路径回到装置的电源侧，在差动电流变压器412的环状线圈414中建立不平衡磁通，导致电流在次级绕组420中流动。次级绕组420的端子与包含在ASIC 402中的差动接地故障检测电路404的输入管脚电连接。根据有利的实施方式，监测电路404可以放大输入电流信号，并且比较幅值与预定跳闸门限。在具有自动自测试的装置中，自测试控制器406允许或者禁止检测器404的输出信号通过至ASIC 402的输出管脚。特别地，如果未在执行自测试，自测试控制器406允许输出信号通过至ASIC 402的输出管脚。ASIC 402的输出管脚与电子开关426的控制管脚电连接，并且将输出信号(TRIP)传送至电子开关426。电子开关426的一个端子与电气地电连接。电子开关426的另一端子与跳闸螺线管424的一个端子电连接。跳闸螺线管424的另一端子与主接触开关422的负载侧上120伏交流电源401的火线416电连接。跳闸螺线管424机械方式配置成受到激励时致动跳闸衔铁，其断开火线416中的主接触开关422。
在正常接地故障检测模式期间，自测试控制器406允许检测器404的输出信号通过至ASIC 402的输出管脚。在检测到的差动电流超过预定跳闸门限的情况下，输出信号(TRIP)接通或者闭合激励跳闸螺线管424的电子开关426。跳闸螺线管424致动跳闸衔铁，其断开主接触开关422，中断火线416中120伏交流电源401至负载的供给。
监测测试电路起到测试接地故障检测装置400正常状况的作用。测试可以由操作人员通过按压按压-测试按钮430开始，或者可以由定时器408以预定时间间隔自动开始。自测试控制器406监测ASIC 402的按压-测试管脚以及定时器408。PTT按钮430的一个端子与ASIC 402的按压-测试管脚电连接。PTT按钮430的另一端子与直流电源410(+5伏直流)电连接。在与电子开关438的控制管脚电连接的ASIC 402的管脚上，控制电路输出信号(GF_TEST)。电子开关438的一个端子与电气地电连接。电子开关438的另一端子使用路由穿过差动电流变压器412的环状线圈414的线导体436与电阻434的一个端子电连接。电阻434的另一端与低压直流电源410电连接。在图4的实施例中，低压直流电源410提供+5伏直流，但本发明并不局限于此。低压直流电源410能是将来自交流电源401的交流电转换成直流电源402的桥式整流器。低压直流电源410能实现为半波整流器，如图4所示，但本发明并不局限于此。低压直流电源410滤波火线416上潜在干扰自测试的高压瞬变值以及其他低压噪声。
在由操作人员按压按压-测试按钮430开始测试的情况下，自测试控制器406传送信号(GF_TEST)以接通或闭合电子开关438。根据有利的实施方式，图4中的电子开关138能实现为SI1902，由Vishay Silliconix制造的一种双N沟道MOSFET。基于10伏至20伏的更低额定电压要求，本发明人对这些元件进行选择，以承受从120V交流电源401通过低压直流电源410漏泄的任何瞬变电压，并且，得到(come in)非常小的封装形式SOT-363，其为2.1毫米×2毫米。这远小于图1的常规GFCI装置中所使用的SCR用的SOT-89，其为4.6毫米×4.25毫米。此外，SI1902成本低于SCR，这导致大规模生产中大为节约成本。SI1902电子开关工作如正常开关：当有栅压时其接通或闭合，而除去栅压时其截止或开路。应当理解，本发明并不局限于使用SI1902电子开关，以及，SI1902电子开关的以上描述说明，与常规GFCI装置相比，在从低压直流电源中产生激励信号的本发明的实施方式中，能使用具有更低额定电压、更便宜价格、以及更小封装的电子开关。
接通或闭合电子开关438导致电流信号从低压直流电源410通过电阻434和路由穿过变压器412的环状线圈414的导线436、并且通过电子开关438到电气地。测试电流激励信号的幅值由电阻434设定为稍高于ASIC 402的差动接地故障检测电路404的跳闸门限的值。对于具有6毫安有效值或8.5毫安峰值的额定跳闸电流的GFCI装置，测试电流的幅值设定为刚好高过8.5毫安直流。应当注意到，提供阻抗的任何元件都能用作电阻434，以设定测试电流激励信号的幅值。例如，取代传统的电阻，能将偏置于线性区以形成阻抗的场效应晶体管(FET)用作电阻434，以设定测试电流激励信号的幅值。由于测试电流从低压直流源410直接产生，当火线416的120伏交流电源401下降至85％时，测试电流激励信号的幅值保持不变。据此，无需将测试电流激励信号的幅值设定为比ASIC 402中差动接地故障检测电路404的跳闸门限高至少30％，以保证火线的120伏交流电源降至85％时的检测裕度。这消除了如果ASIC 402的差动接地故障检测电路404的跳闸门限降低20％测试逃逸的可能性。在图1的常规GFCI装置中，即使接地故障检测装置降低至不符合UL(美国保险商试验所)要求的点，自测试仍能通过。检测电路中所耗散的瞬时功率量从图1的常规GFCI装置中的960毫瓦降低至图4的GFCI装置中的43毫瓦。这允许电阻434和电子开关438使用较低额定功率元件，并且仍然改进元件的可靠性。由于监测测试电路在20年的寿命周期内周期性地运行50000次，这对包括自动自测试的装置而言是重要的。有意通过变压器412的环状线圈414的激励电流在差动电流变压器412的环状线圈414中建立不平衡磁通，导致电流在次级绕组420中流动。次级绕组420中的电流由ASIC 402中的接地故障检测电路404进行检测。
在按压-测试期间，自测试控制器406能允许检测器404的输出信号通过至ASIC420的输出管脚。由监测测试电路产生的测试电流激励信号导致超过预定跳闸门限的被检测差动电流。检测器输出信号(TRIP)接通或闭合激励跳闸螺线管424的电子开关426。跳闸螺线管424致动跳闸衔铁，其断开主接触开关422，这中断火线416中的120伏交流电源401向负载的供给。典型地，机械开关臂从ON位置移至TRIP位置，向操作人员指示按压-测试通过。否则，没有跳闸动作，给操作人员指示按压测试失败。
在自动自测试期间，自测试控制器406禁止检测器404的输出信号通过至ASIC 402的输出管脚。由监测测试电路产生的测试电流激励信号导致超过预定跳闸门限的被检测差动电流。检测器输出信号被自测试控制器406禁止，防止电子开关426闭合并激励跳闸螺线管124。取而代之的是，继续正常操作。否则，在预定实测时间之后，如果没有检测到差动电流超过预定跳闸门限，控制器电路发送信号至告警电路432，以告警操作人员接地故障装置有缺陷并需要更换。
图5图示用于图4实施例的GFCI装置400的按压-测试自测试的信号时序图。特别地，图5示出在GFCI装置400执行按压-测试自测试的情况下120伏交流电源401的火线信号510、按压-测试信号520、自测试定时器信号530、GF-TEST信号540、来自低压直流电源410的测试电流550、TRIP信号560、以及告警信号570。参照图4和图5，在火线信号510的随机相位，由操作人员按压PTT按钮430开始按压测试信号520。然后，由自测试控制器406产生GF_TEST信号540，其闭合监测测试电路的电子开关438，在导线436上由低压直流电源410导致测试电流激励信号550(例如，8.5毫安)。在火线信号510的至少一个完整周期(例如，16.33毫秒)内，GF_TEST信号540应当呈现，以保证在负半周期间有接地故障电流的任何最小限度漏泄(小于6毫安有效值、8.5毫安峰值)的情况下，产生超过跳闸门限的测试电流激励信号550，以测试接地故障检测电路。一旦测试电流信号550超过接地故障接测器404的检测门限，检测器404输出TRIP信号560以跳闸断路器(例如，开关426)。
图6图示用于根据图4实施例的GFCI装置400的自动自测试的信号时序图。特别地，图6示出在GFCI装置400执行自动自测试的情况下120伏交流电源401的火线信号610、按压-测试信号620、自测试定时器信号630、GF-TEST信号640、来自低压直流电源410的测试电流650、TRIP信号660、以及告警信号670。参照图4和图6，在火线信号610的随机相位处，自测试定时器408传送开始自测试的自测试定时器信号630。然后，由自测试控制器406产生GF_TEST信号640，并且闭合电子开关438，在导线436上由低压直流电源410导致测试电流激励信号650。在火线信号610的至少一个完整周期(例如，16.33毫秒)内，GFF_TEST信号640应当呈现，以保证在负半周期间有最小限度接地故障电流漏泄(小于6毫安有效值或8.5毫安峰值)的情况下，产生超过跳闸门限的测试电流激励信号650。一旦测试电流信号650超过接地故障接测器404的检测门限，检测器404输出信号662，由自测试控制器406禁止信号662至TRIP信号输出。然而，自测试控制器406利用此信号662作为自测试通过指示器。在完整周期自测试期结束时，如果自测试通过，自测试控制器406复位自测试定时器408，并且再次使能接地故障检测器404的输出至ASIC的输出管脚。否则，如果自测试失败，自测试控制器406输出ALARM 670信号至告警电路432，以告警操作人员自测试失败。
图7图示根据本发明另一实施例的GFCI装置700。在图7的实施例中，通过同步测试电流激励信号与火线716的交流电源701，能将所要求的测试电流激励信号的持续时间从火线716的交流电源701的完整周期(例如，16.33毫秒)减少至数毫秒。除了下面描述的差异之外，图7的GFCI装置700的元件701-738与上述图4的GFCI装置400的各自元件401-438类似地操作。
图7的GFCI装置700类似于图4的GFCI装置400，但包括电阻742，其电连接交流电源701的火线电压至ASIC 702。ASIC 702包括线同步器电路740，以同步测试电流激励信号与交流电源701的火线。电阻742的一端与120伏交流电源701的火线电连接。另一端与ASIC702的管脚电连接，将其输入到线同步器电路740。在120伏交流电源701的火线的正半周期间，当幅值超过预定门限时，线同步器电路740输出信号至自测试控制器706。应当理解，在线导体736于相反方向路由穿过变压器712的环状线圈714的情况下，在120伏交流电源701的火线的负半周期间，当幅值超过预定门限时，线同步器电路740能输出信号至自测试控制器706。自测试控制器706利用此信号确定在自测试期间何时产生GF_TEST信号。在图7的实施例中，按压-测试自测试以及自动自测试以与如上相对于图4所述的类似方式操作。然而，如图7的实施例中那样，在自测试控制器706利用来自线同步器电路740的输出信号的情况下，时序有所不同。
图8图示用于图7的实施例的GFCI装置700的按压-测试自测试的信号时序图。特别地，图8示出在GFCI装置700执行按压测试自测试的情况下120伏交流电源701的火线信号810、按压-测试信号820、自测试定时器信号830、GF-TEST信号840、来自低压直流电源710的测试电流850、TRIP信号860、以及告警信号870。参照图7和图8，在火线信号810的随机相位处，由操作人员按压PTT按钮730开始按压-测试信号820。然后，由自测试控制器706产生GF_TEST信号840，其闭合监测测试电路的电子开关738，在导线736上由低压直流电源710导致测试电流激励信号850(例如，8.5毫安)。自测试控制器706门控来自线同步器电路740的输出信号，使得在交流电源701的火线信号810的正半周期间GF_TEST信号呈现仅数毫秒。这是产生测试电流激励信号850的最佳时间。应当理解，在可选实施方式中，在线导体736于相反方向路由穿过环状线圈714的情况下，GF_TEST信号能在火线信号的负半周期间呈现。一旦测试电流信号850超过接地故障接测器704的检测门限，检测器704输出TRIP信号860，以跳闸电路断路器(例如，开关726)。
图9图示用于根据图7的实施例的GFCI装置700的自动自测试的信号时序图。特别地，图9示出在GFCI装置700执行自动自测试的情况下120伏交流电源701的火线信号910、按压-测试信号920、自测试定时器信号930、GF-TEST信号940、来自低压直流电源710的测试电流950、TRIP信号960、以及告警信号970。参照图7和图9，在火线信号910的随机相位处，自测试定时器708传送开始自测试的自测试定时器信号930。然后，由自测试控制器706产生GF_TEST信号940，并闭合电子开关738，由低压直流电源710在导线736上导致测试电流激励信号950(例如，8.5毫安)。自测试控制器706门控来自线同步器电路740的输出信号，使得在交流电源701的火线信号910的正半周期间GF_TEST信号呈现仅数毫秒。这是产生测试电流激励信号950的最佳时间。应当理解，在可选实施方式中，在线导体736于相反方向路由穿过环状线圈714的情况下，GF_TEST信号能在火线信号的负半周期间呈现。一旦测试电流信号950超过接地故障接测器704的检测门限，检测器704输出信号962，其被自测试控制器706禁止到达TRIP信号输出。然而，自测试控制器706利用此信号962作为自测试通过指示器。在自测试周期结束，如果自测试通过，自测试控制器706复位自测试定时器708，并且再次使能接地故障检测器704的输出至ASIC 702的输出管脚。否则，如果自测试失败，自测试控制器706输出告警信号970至告警电路732，以告警操作人员自测试失败。
图10图示根据本发明另一实施例的GFCI装置1000。应当理解，图10的GFCI装置1000的元件1001-1042类似于上述图7的GFCI装置700的各自元件701-742操作。监测电路的元件包括：电子开关1038；线导体1036，其路由穿过差动电流变压器1012的环状线圈1014；以及电阻1034，其设定测试电流激励信号的幅值，它们以串联方式电连接。串联方式电连接的这些元件能按任意次序电连接。例如，与先前实施例中的电子开关(438、738)以及线导体(436、736)相比，图10的实施例交换了电子开关1038与路由穿过差动电流变压器1012的环状线圈1014的线导体1036的次序。
图11图示根据本发明又一实施例的GFCI装置1100。应当理解，图11的GFCI装置1100的元件1101-1142类似于上述图7的GFCI装置700的元件701-742操作。与图10的实施例中电子开关1038和电阻1034相比，图11的实施例交换了电子开关1138与电阻1134的次序。
图12图示根据本发明又一实施例的GFCI装置1200。应当理解，图12的GFCI装置1200的元件1201-1242类似于上述图7的GFCI装置700的各自元件701-742操作。在图12的实施例中，将电子开关1238集成进ASIC 1202。如上所述，本发明的不同实施方式使得低额定电压电子开关能用作电子开关1238。这允许电子开关1238集成进低功率、低电压CMOS ASIC1202，其能减少成本以及板空间。另外，通过再使用GF_TEST信号的管脚，电子开关1238进入ASIC 1202的集成得以进行而不用给ASIC 1202添加任何额外管脚。
图13图示根据本发明又一实施例的GFCI装置1300。应当理解，图13的GFCI装置1300的元件1301-1342类似于上述图7的GFCI装置700的各自元件701-742操作。在图13的实施例中，将电子开关1338和电阻1234集成进ASIC 1302。电阻1234与电子开关1338一起集成进ASIC 1202能导致成本及板空间的进一步减小。如图13所示，在本实施例中，直流测试激励信号由供至ASIC 1302的直流电源在ASIC 1302内部产生。此外，尽管图13示出直流电源1310与ASCI 1302分开，但本发明并不局限于此。在另一可能实施例中，取代与ASIC分开，直流电源电路能包括在ASIC内部。
图14图示由根据本发明实施例的GFCI装置执行自测试的方法。图14的方法能由图4、图7、图10、图11、图12以及图13中所示的GFCI装置执行。自测试能是自动自测试或“按压-测试”自测试。如图14中所示，在步骤1402，开始自测试。在按压-测试自测试的情况下，由用户按压按压-测试按钮，导致按压-测试信号发送至自测试控制器，开始自测试。在自动则测试的情况下，自测试定时器发送信号至自测试控制器，以开始自测试。在步骤1404，从低压直流电源中在路由穿过差动电流变压器的环状线圈的线导体中产生测试激励信号。特别地，自测试控制器能控制与线导体以及低压电源电连接的电子开关闭合，导致测试激励信号从低压电源流过线导体，而电阻能控制来自电压电源的测试激励信号的幅值。在步骤1406，判断差动接地故障检测器是否检测到差动电流超过跳闸门限。在步骤1408，如果在步骤1406检测到差动电流超过跳闸门限，自测试通过。在按压-测试自测试的情况下，当检测到差动电流超过挑着门限时，发送TRIP信号至电子开关，其激励使跳闸衔铁致动的跳闸螺线管，以断开主接触开关，其中断火线中的交流电源供给。在自动自测试的情况下，当检测到差动电流超过跳闸门限时，由自测试控制器禁止TRIP信号，并且使自测试定时器复位。在步骤1410，如果在步骤1406没有检测到差动电流超过跳闸门限，自测试失败。在按压-测试自测试中，当自测试失败时，不产生TRIP信号，并且不断开主接触开关，这告警用户自测试失败。在自动自测试中，发送告警信号至告警电路，以告警用户测试失败。
以上具体描述在各方面应当理解为说明性及示范性而非限制性的，在此披露的本发明的范围并不由具体描述确定，而是由根据专利法所允许的完全外延所解释的权利要求确定。还应当理解在此示出并描述的实施方式只是本发明原理的说明，本领域技术人员可以实现各种变更而不偏离本发明的范围及精神。本领域的技术人员能实现各种其他特征组合而不偏离本发明的范围及精神。
Claims (29)
1.一种接地故障检测装置，包括：
火线和零线，构造成连接交流电源与负载；
差动电流变压器，包括环状线圈，所述火线和零线穿过所述环状线圈，而次级绕组缠绕于所述环状线圈上；
差动接地故障检测器，与所述差动电流变压器的所述次级绕组电连接，所述接地故障检测器构造成比较由所述环状线圈中的不平衡磁通在所述次级绕组中产生的电流与预定门限；
线导体，路由穿过所述差动电流变压器的环状线圈；
控制器，构造成控制在所述线导体中产生低压直流测试激励信号；以及
电子开关，与所述线导体以及所述控制器电连接，其中，所述控制器构造成，通过传送信号至所述电子开关以闭合所述电子开关，控制在所述线导体中产生所述低压直流测试激励信号。
2.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，进一步包括：
低压直流电源，与所述线导体电连接，其中，所述控制器构造成，控制所述低压直流电源以在所述线导体中产生所述测试激励信号。
3.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，进一步包括：
专用集成电路(ASIC)，其中，所述ASIC上包括所述差动接地电路故障检测器和所述控制器。
4.根据权利要求3所述的接地故障检测装置，进一步包括：
低压直流电源，与所述线导体电连接以在所述线导体中产生所述测试激励信号，并且与所述ASIC电连接以给所述ASIC供电。
5.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，其中，所述控制器构造成，传送信号至所述电子开关，以在所述火线上的交流电源的至少一个完整周期期间闭合所述电子开关。
6.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，进一步包括：
线同步器，与所述火线以及所述控制器电连接，并且构造成同步所述控制器与所述火线，其中，所述控制器构造成，传送信号至所述电子开关，以在所述火线上的交流电源的正半周期间闭合所述电子开关。
7.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，进一步包括：
线同步器，与所述火线以及所述控制器电连接，并且构造成同步所述控制器与所述火线，其中，所述控制器构造成传送信号至所述电子开关，以在所述火线上的所述交流电源的负半周期间闭合所述电子开关。
8.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，进一步包括：
专用集成电路(ASIC)，其中，在所述ASIC上包括所述差动接地电路故障检测器、所述控制器、以及所述电子开关。
9.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，进一步包括：
电阻，与所述线导体电连接，其中，所述电阻构造成，设定所述低压直流测试激励信号的幅值。
10.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，进一步包括：
专用集成电路(ASIC)，其中，在所述ASIC上包括所述差动接地电路故障检测器、所述控制器、所述电子开关、以及所述电阻。
11.根据权利要求10所述的接地故障检测装置，所述ASIC进一步包括低压直流电源，与所述电子开关以及所述电阻中的至少一个电连接，并且构造成在所述线导体中产生所述低压直流测试激励信号。
12.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，进一步包括：
按压-测试按钮，与所述控制器电连接，并且构造成，响应于用户按压所述按压-测试按钮传送信号至所述控制器，其中，所述控制器构造成，响应于收到来自所述按压-测试按钮的所述信号，控制在所述线导体中产生所述低压直流测试激励信号。
13.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，进一步包括：
自测试定时器，与所述控制器电连接，并且构造成自动传送信号至所述控制器，其中，所述控制器构造成，响应于收到来自所述自测试定时器的所述信号，控制在所述线导体中产生所述低压直流测试激励信号。
14.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，其中，所述差动接地故障检测器构造成，响应于检测到所述次级绕组上的电流大于所述预定门限，传送跳闸信号至所述控制器。
15.根据权利要求14所述的接地故障检测装置，进一步包括：
告警电路，构造成产生所述接地故障电路中断装置有缺陷的告警，其中，所述控制器构造成，当在所述线导体中产生所述测试电流激励信号而没有收到来自所述差动接地故障检测器的所述跳闸信号时，传送告警信号至所述告警电路。
16.一种由接地故障电路中断装置执行自测试的方法，包括：
通过控制器和电子开关在路由穿过差动电流变压器的环状线圈的线导体中产生低压直流测试激励信号，所述电子开关与所述线导体以及所述控制器电连接，其中，所述控制器构造成，通过传送信号至所述电子开关以闭合所述电子开关，控制在所述线导体中产生所述低压直流测试激励信号；以及
判断在所述环状线圈中是否检测到差动电流大于预定门限。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
接收来自按压-测试按钮的按压-测试信号，其中，响应于收到所述按压-测试信号，执行产生低压直流测试激励信号的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
如果在所述环状线圈中检测到所述差动电流大于所述预定门限，跳闸所述接地故障电路中断装置的主接触开关。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
接收来自自测试定时器的自测试定时器信号，其中，响应于收到所述自测试定时器信号，执行产生低压直流测试激励信号的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
如果在所述环状线圈中检测到所述差动电流大于所述预定门限，则禁止跳闸所述接地故障电路中断装置的主接触开关的跳闸信号，并且复位所述自测试定时器；以及
如果在所述环状线圈中没有检测到所述差动电流大于所述预定门限，则产生告警，以告警用户所述接地故障电路中断装置有缺陷。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，在路由穿过所述差动电流变压器的环状线圈的线导体中产生低压直流测试激励信号的步骤包括：
在所述接地故障电路中断装置的火线中的交流电源信号的正半周部分期间，在所述线导体中产生所述低压直流测试激励信号。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，在路由穿过所述差动电流变压器的环状线圈的线导体中产生低压直流测试激励信号的步骤包括：
在所述接地故障电路中断装置的火线中的交流电源信号的负半周部分期间，在所述线导体中产生所述低压直流测试激励信号。
23.一种接地故障检测装置，包括：
在路由穿过差动电流变压器的环状线圈的线导体中产生低压直流测试激励信号的部件，所述部件包括控制器和电子开关，所述电子开关与所述线导体以及所述控制器电连接，其中，所述控制器构造成，通过传送信号至所述电子开关以闭合所述电子开关，控制在所述线导体中产生所述低压直流测试激励信号；以及
判断在所述环状线圈中是否检测到差动电流大于预定门限的部件。
24.根据权利要求23所述的接地故障检测装置，其中，产生低压直流测试激励信号的部件包括：
响应于收到来自按压-测试按钮的按压-测试信号产生所述低压直流测试激励信号的部件。
25.根据权利要求24所述的接地故障检测装置，进一步包括：
在所述环状线圈中检测到所述差动电流大于所述预定门限时跳闸主接触开关的部件。
26.根据权利要求23所述的接地故障检测装置，其中，产生低压直流测试激励信号的部件包括：
响应于收到来自自测试定时器的自测试定时器信号产生所述低压直流测试激励信号的部件。
27.根据权利要求26所述的接地故障检测装置，进一步包括：
在所述环状线圈中检测到所述差动电流大于所述预定门限时禁止跳闸主接触开关的跳闸信号的部件；以及
在所述环状线圈中没有检测到所述差动电流大于所述预定门限时产生告警以告警用户所述接地故障电路中断装置有缺陷的部件。
28.根据权利要求23所述的接地故障检测装置，其中，用于在路由穿过差动电流变压器的环状线圈的线导体中产生低压直流测试激励信号的部件包括：
在所述接地故障电路中断装置的火线中的交流电源信号的正半周部分期间，由所述低压直流电源在所述线导体中产生所述测试激励信号的部件。
29.根据权利要求23所述的接地故障检测装置，其中，用于在路由穿过差动电流变压器的环状线圈的线导体中产生低压直流测试激励信号的部件包括：
在所述接地故障电路中断装置的火线中的交流电源信号的负半周部分期间，由所述低压直流电源在所述线导体中产生所述测试激励信号的部件。
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