CN109725232B - 故障检测电路和相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及故障检测电路和相关方法。本发明公开了故障检测电路的实施方式，该故障检测电路可包括耦接到第二电流变压器的第一电流变压器、正反馈电路，该正反馈电路包括第一电流变压器、第二电流变压器、第一开关、以及比较器、放大器和反相器中的一者。所述电路还可包括多个逻辑门，该多个逻辑门可与正反馈电路耦接。正反馈电路可被配置为在检测到接地中性线故障时振荡并且将故障信号发送到多个逻辑门。多个逻辑门可被配置为分析故障信号并且断开第一开关。多个逻辑门还可被配置为通过在第一开关已断开后分析正反馈电路的输出来识别故障信号是否表示真实故障或噪声故障中的一者。

Description

故障检测电路和相关方法
技术领域
本文件的各方面整体涉及用于检测电流故障的电路和方法。更具体的实施方式涉及耦接到接地故障断路器(GFI)电路的故障检测电路，诸如用于检测正常接地故障或接地中性线故障的电路。
背景技术
传统上，通过经一对导线从电源接收交流(AC)功率来对电气器具供电。可能发生各种电流故障，这些电流故障可引起触电、负载或导线损坏的风险。
发明内容
故障检测电路的实施方式可包括耦接到第二电流变压器的第一电流变压器、正反馈电路，该正反馈电路包括全部操作性地耦接在一起的第一电流变压器、第二电流变压器、第一开关、及比较器、放大器和反相器中的一者、以及它们的任何组合。故障检测电路还可包括多个逻辑门，该多个逻辑门可与正反馈电路耦接。正反馈电路可被配置为在检测到接地中性线故障时振荡并且将故障信号发送到所述多个逻辑门。多个逻辑门可被配置为分析故障信号并且断开第一开关。多个逻辑门可进一步被配置为通过在第一开关已断开后分析正反馈电路的输出来识别故障信号是否表示真实故障或噪声故障中的一者。
故障检测电路的实施方式可包括以下各项中的一项、全部或任一项：
正反馈电路可包括第二开关和第三开关，其中第二开关被配置为随第一开关一起断开。
正反馈电路可包括第一增益块和第二增益块，其中第一增益块和第二增益块操作性地耦接在第一电流变压器与第二电流变压器之间。
正反馈电路可包括噪声抑制网络，并且噪声抑制网络可包括操作性地耦接在一起的第一电容器、第二电容器、第一电阻器和第二电阻器。
第二电阻器可被配置为调节所检测到的接地中性线故障的范围。
故障检测电路可操作性地耦接到接地故障断路器(GFI)电路。
故障检测电路可操作性地耦接到三相电机。
故障检测电路的实施方式可包括耦接到第二电流变压器的第一电流变压器、正反馈电路，该正反馈电路包括全部操作性地耦接在一起的第一电流变压器、第二电流变压器、第一增益块、第二增益块、第一开关、第二开关、第三开关和噪声抑制网络。故障检测电路还可包括可与正反馈电路耦接的多个逻辑门。正反馈电路可被配置为在检测到接地中性线故障时振荡并且将故障信号发送到多个逻辑门。多个逻辑门可被配置为分析故障信号并且断开第一开关和第二开关以及闭合第三开关。所述多个逻辑门可被配置为通过在第一开关和第二开关已断开后分析正反馈电路的输出来识别故障信号是否表示真实故障和噪声故障中的一者。
故障检测电路的实施方式可包括以下各项中的一项、全部或任一项：
多个逻辑门可被配置为如果故障信号表示真实故障，则使接地故障断路器(GFI)电路跳闸。
该电路可被配置为同时检测接地中性线故障和正常接地故障。
第一增益块和第二增益块可耦接在第一电流变压器与第一开关、第二开关和第三开关之间。
用于检测故障的方法的实施方式可包括提供第一电流变压器和第二电流变压器，该第一电流变压器和该第二电流变压器与热线和中性线电耦合。该方法还可包括使用第二变压器检测潜在故障条件，以及产生振荡信号并将该振荡信号传输到多个逻辑门，该多个逻辑门与第一电流变压器和第二电流变压器电耦合。该方法还可包括响应于来自所述多个逻辑门的开关信号而断开与第二电流变压器电耦合的开关，响应于来自所述多个逻辑门的第二开关信号而闭合第二开关，并且通过在断开该开关后监测振荡信号是否持续来确定潜在故障条件是否为真实故障条件。
用于检测故障的方法的实施方式可包括以下各项中的一项、全部或任一项：
该方法可包括如果在断开开关后振荡信号消散，则发送使接地故障断路器(GFI)电路跳闸的信号。
该方法可包括如果在断开开关后第一电流变压器随第二电流变压器的振荡持续，则闭合与第二电流变压器电耦合的开关以重置电路。
该方法可包括提供第二振荡信号和第三振荡信号，并且在将第二振荡信号和第三振荡信号传输到所述多个逻辑门后确定潜在故障条件是否为真实故障条件。
该方法可包括如果在断开开关后振荡信号消散，则发送使三相电机跳闸的信号。
可通过正反馈电路传输振荡信号，并且正反馈电路可包括全部操作性地耦接在一起的第一电流变压器、第二电流变压器、第一增益块、第二增益块、开关、第二开关、第三开关和噪声抑制网络。
该方法可包括响应于来自多个逻辑门的开关信号而使第二开关随第一开关一起断开，并且响应于来自多个逻辑门的第二开关信号而闭合第三开关。
检测潜在故障条件可包括检测返回线与地面之间小于10欧姆的电阻。
可在不迟于产生振荡信号后64微秒时断开第一开关。
对于本领域的普通技术人员而言，通过具体实施方式以及附图并通过权利要求书，上述以及其他方面、特征和优点将会显而易见。
附图说明
将在下文中结合附图来描述各实施方式，其中类似标号表示类似元件，并且：
图1是接地故障电路的图示；
图2是接地中性线故障电路的图示；
图3是常规接地故障检测电路的图示；
图4A至图4C是常规接地中性线故障检测电路及其等效电路的图示；
图5是第一接地中性线故障检测电路的图示；
图6是第二接地中性线故障检测电路的图示；
图7是故障检测电路的图示；
图8A是接地中性线故障检测测试电路的第一部分的图示；
图8B是接地中性线故障检测测试电路的第二部分的图示。
图9是示出使用图8A至图8B的测试电路得出的实验结果的图表；并且
图10是使用接地中性线故障检测电路实施方式检测故障的方法的实施方式的流程图。
具体实施方式
本公开、其各方面以及实施方式并不限于本文所公开的具体部件、组装工序或方法元素。符合预期故障检测电路的本领域已知的许多另外的部件、组装工序和/或方法元素将显而易见地能与本公开的特定实施方式一起使用。因此，例如，尽管本发明公开了特定实施方式，但是此类实施方式和实施部件可包括符合预期操作和方法的本领域已知的用于此类故障检测电路以及实施部件和方法的任何形状、尺寸、样式、类型、型号、版本、量度、浓度、材料、数量、方法元素、步骤等。
传统上，电子器具从电源诸如电插座接收交流(AC)功率。电子器具通过两个导线(即，热线和中性(返回)线)接收AC功率。当电路操作时，包括接地中性线故障的各种电流故障可在附接到电路的负载内或通过电路上的环境因素的相互作用发生。在特定情况下，可发生可导致人触电的接地故障。参见图1，示出了接地故障电路。电路2包括热线4和中性线6。通常，电流应流入热线4，经过负载电路8或电气器具，然后流出中性线6。流过热线4的电流量应与流过中性线6的电流量相同。当人体接触电路使电流经过人体流入地面而发生接地故障时，此时通过热线4流入的电流量与通过中性线6流出的电流量之间存在不平衡。如图1所示，接地故障的示例可包括人10或其他物体与导线4形成电接触。在这种情况下，更多电流流过热线4，因为电流会流过人10并流过负载电路8。此时中性线6具有更少电流，因为其仅具有已流过负载电路8的电流，而没有流过人10、在到达地面14之前流过人体的电阻12以及在与中性线6重新连接之前流过地面的电阻16的电流。
参见图2，示出了接地中性线故障电路。与图1类似，图2所示的电路20具有热线22和中性线24。电流通过热线流入，流过负载电路26，然后通过中性线24流出。中性线通常在配电板32处接地。当发生接地中性线故障，中性线24在负载电路26后接地。这形成了中性线24的新的并联导电路径。如图2所示，正常接地故障的示例可包括电路20接线错误而在负载电路26处包括从中性线24延伸到地面32的接地线28。虽然可能只有很少电流流过并联导电路径，但电路20中的GFI电路将不能够成功检测人或物体已接触电路并接地的条件。
正常接地故障条件和接地中性线故障条件两者可引起触电和严重伤害。为了减轻正常接地故障或接地中性线故障引起的触电风险，电路通常已利用如图1至图2所示的接地故障断路器(GFI)设备。GFI用于检测电流故障并且使耦接到负载的电路跳闸(断开)，从而防止非预期的电流引起触电。如本文所用，GFI是故障检测与断路器设备的广义术语。 GFI的示例可以以非限制性示例的形式包括接地故障断路器(GFCI)、电器漏电断路器 (ALCI)、剩余电流设备(RCD)、剩余电流断路器(RCCB)、移动式剩余电流电路(PRCD)、接地漏电流检测器(ELCD)、充电电路中断设备(CCID)以及装置寿命终点(EEOL)设备。
参见图3，示出了常规正常接地故障检测电路。与图1的电路类似，GFI 34耦接到包括热线36和中性线38的电路，其中负载电路40操作性地耦接在热线与中性线之间。GFI包括第一线圈42。出于本申请的目的，线圈称为电流变压器。第一线圈或第一电流变压器42监测通过热线36流入的电流与通过中性线38流出的电流之间的差动电流。如果流过热线36的电流与流过中性线38的电流之间没有差异，则电流变压器32不产生输出信号并且耦接到负载40的电路不会跳闸。在各种实施方式中，流出中性线38的电流可因源44(诸如人)通过热线36拉动附加电流而小于流入热线36的电流。在这种实施方式中，电流变压器42可产生故障信号。GFI可包括放大故障信号的运算放大器46和电阻器48。可使用欧姆定律将电流故障信号转换为电压V0，如方程1所示。
Figure RE-GDA0001966934730000051
IF是差动电流或流过源44的电流，Rs是电阻器48的电阻，并且n是线圈或电流变压器上的绕组数。GFI还可包括多个比较器50。比较器50将电压V0与参考电压Vref进行比较，并且如果电压V0超过参考电压，则电路可跳闸/断开以防止任何附加电流流过源44。
参见图4A至图4C，示出了常规接地中性线故障检测电路。与图2的电路类似，GFI52耦接到包括热线45和中性线56的电路，其中负载电路58操作性地耦接在热线与中性线之间。在图4A所示的实施方式中，GFI包括第一电流变压器60和第二电流变压器62。GFI 使用两个电流变压器，因为具有单个变压器的GFI(诸如图3所示的电路)无法检测接地中性线故障。当不存在接地中性线故障条件时，第二变压器被配置为感应出进入热线54 和中性线56两者中的等同信号。由于这些信号相同，第一电流变压器将不寄存这些信号之间的差异并且不生成故障信号。与此相反，当中性线56通过线64(或其他电接触)在负载58处接地时，形成与中性线56并联的导电路径。参见图4B，由此引起的第二电流变压器62在热线54和中性线56中感应出的信号的不平衡感应出进入第一电流变压器60中的信号，并且在电路中产生振荡故障信号。当第一电流变压器60随第二电流变压器62振荡时，GFI表现得好像其是图4C所示的等效RC振荡器电路，其中第一电流变压器60和第二电流变压器62一起形成变压器(但缺少实际物理变压器磁芯)。当产生故障信号时，其可使电路跳闸以防止任何另外的电流流过接地源或线64。在各种实施方式中，故障信号可通过位置可紧挨GFI电路的多个逻辑门来使电路跳闸。检测接地中性线情况的目的是检测不当接线/错误接线情况，这种情况将防止GFI电路能够检测故障条件。
在各种实施方式中，图4A至图4C所示的接地中性线故障检测电路可包括一个或多个比较器，并且能够还使用第一电流变压器60和所述一个或多个比较器来检测接地故障。
在历史上，GFI电路具有测试按钮，可按压该测试按钮以手动地确保GFI电路正常工作。因为很快认识到很少人会定期手动地测试GFI电路，所以安全规制公司诸如伊利诺伊州布鲁克的保险商实验室公司(UL LLC,Northbrook,Illinois)制定了GFI电路自测试的要求。自测试GFI被编程为在存在典型接地中性线故障的频率范围内的差动电流时跳闸。虽然这在历史上不成问题，但新型电气器具(以非限制性示例的形式，诸如冰箱中的变速电机和某些种类的荧光照明)的操作频率可在输电线上产生频率类似于接地中性线故障的噪声信号。例如，各种电气设备在操作时可在输电线上生成2kHz-10kHz之间的噪声信号。这些频率在被GFI或其他故障中断电路接收到时将被视为接地中性线故障。无法从接地中性线故障检测电路中滤除来自电气设备的这种噪声，因为此类滤波器也会滤除电路想要监测的实际故障。
参见图5，示出了第一接地中性线故障检测电路的实施方式。故障检测电路150通过与第一电流变压器156和第二电流变压器158的电感耦合来操作性地耦接到导线152。导线可为热线或中性线中的一者。在各种实施方式中，故障检测电路150操作性地耦接到热线和中性线两者。导线152耦接到电路154，该电路可包括故障168诸如接地中性线故障，该故障一般包括电阻。故障检测电路150包括正反馈电路160。在各种实施方式中，正反馈电路160可包括全部操作性地耦接在一起的第一电流变压器156、第二电流变压器158、开关162、和比较器、放大器、反相器中的至少一者、以及它们的任何组合。以非限制性示例的形式，本文所用的放大器可指简单晶体管和电阻器或运算放大器。在各种实施方式中，这些部件耦接在一起并且如图5所示的那样布置，但可使用本文件中公开的原理形成这些部件的许多变型形式和重复形式/替换形式。在各种实施方式中，正反馈电路还可包括噪声抑制网络。
在各种实施方式中，第一电流变压器156是与图4A所示的第一电流变压器60类似的差动电流变压器。在各种实施方式中，第二电流变压器158是休眠振荡器，其在检测到潜在接地中性线故障时激活。当检测到此类潜在故障时，第二电流变压器158感应出进入第一电流变压器156中的能量，并且通过正反馈电路160产生振荡故障信号。在这种情况下，正反馈电路可称为振荡，即使事实上物理正反馈电路160实际上并不物理地振荡而是在其中包括振荡电信号。在各种实施方式中，只有当检测到中性线与地面之间的约10欧姆或更小电阻时，才检测到接地中性线故障。在其他实施方式中，只有当检测到中性线与地面之间的约5欧姆或更小电阻时，才检测到接地中性线故障。在其他实施方式中，当在中性线与地面之间检测到超过10欧姆时，可检测到故障。由于各种实施方式中用于检测的电阻是中性线与地面之间的回路电阻，因此电阻越低，第二电流变压器越容易耦接到第一电流变压器，继而其对接地中性线故障的存在越敏感。
在各种实施方式中，潜在故障信号(本文称为“故障信号”)可通过一个或多个放大器、一个或多个比较器、一个或多个反相器中的一者、以及它们的任何组合。在图5所示的实施方式中，正反馈电路包括操作性地耦接在第一电流变压器156与第二电流变压器 158之间的单个放大器164，该放大器放大通过正反馈电路160的振荡故障信号。
在图5所示的实施方式中，正反馈电路可包括单个开关162。在其他实施方式(诸如图6所示的实施方式)中，正反馈电路包括多于一个开关。在各种实施方式中，并且如图 5所示，开关162可耦接在第二电流变压器158与放大器164之间。在其他实施方式中，开关160可耦接在正反馈电路160上的任何其他位置处。
故障检测电路150包括多个逻辑门166，该多个逻辑门耦接到正反馈电路160。如本文所用，多个逻辑门可指微处理器、微控制器、状态机、多个逻辑元件中的任何一者、或它们的任何组合。与许多常规故障检测电路不同，故障检测电路150的所述多个逻辑门 166包括在电路150内，而并非是仅耦接到故障检测电路的单独的多个逻辑门。这样，总体故障检测系统比常规系统中更小。所述多个逻辑门166被配置为分析故障信号。在各种实施方式中，多个逻辑门166最初可在故障信号振荡通过正反馈电路160时检测或分析该信号。
在各种实施方式中，多个逻辑门166被配置为在多个逻辑门166确定故障信号是潜在接地中性线故障的情况下中断/断开正反馈电路160。在各种实施方式中，多个逻辑门可以以非限制性示例的形式通过发送断开开关的信号或发送使放大器断电的信号来充分地使正反馈电路跳闸。在图5所示的实施方式中，多个逻辑门166被配置为通过断开开关162来中断正反馈电路。多个逻辑门166进一步被配置为通过在正反馈电路160已断开(不论是通过断开开关还是某种其他断开(或中断)正反馈电路的方式)时分析正反馈电路的输出，来识别所检测到的故障信号是表示真实故障还是噪声故障。在各种实施方式中，在中断正反馈电路160后，如果故障信号持续，则多个逻辑门将故障信号识别为噪声故障信号而不是真实故障信号。然而，如果在正反馈电路160中断时故障信号消散，则多个逻辑门将故障信号识别为真实故障。
多个逻辑门166可被设计为在多个逻辑门将故障信号分析为真实故障的情况下发送使具有电气设备的电路跳闸的信号。在各种实施方式中，故障检测电路150可操作性地耦接到GFI电路，并且多个逻辑门可被配置为如果故障信号表示真实故障，则使GFI电路跳闸。在其他实施方式中，故障检测电路可耦接到三相电机或另一种类型的电路，并且可被配置为使相应电路跳闸。
虽然本文将故障检测电路150描述为接地中性线故障检测电路，但在各种实施方式中，故障检测电路150还可为接地故障检测电路。在此类实施方式中，第一电流变压器156可单独地检测两个导线之间的差动电流。可按与如相对于图3所述如何检测接地故障相同或类似的方式检测差动电流，继而检测正常接地故障。在各种实施方式中，故障检测电路150可能能够同时检测正常接地故障和接地中性线故障。
参见图6，示出了第二接地中性线故障检测电路的实施方式。图6所示的实施方式与图5所示的实施方式共用许多公共元件。故障检测电路66通过与第一电流变压器74和第二电流变压器76的电感耦合来操作性地耦接到热线68和中性线70。故障检测电路66包括正反馈电路72。在各种实施方式中，正反馈电路72可包括全部操作性地耦接在一起的第一电流变压器74、第二电流变压器76、多个开关78、及比较器、放大器和反相器中的至少一者。在各种实施方式中，这些部件耦接在一起并且如图6所示的那样布置，但可使用本文件中公开的原理形成这些部件的许多变型形式和重复形式/替换形式。在各种实施方式中，正反馈电路还可包括噪声抑制网络80。
在各种实施方式中，第一电流变压器74是与图4A所示的第一电流变压器60类似的差动电流变压器。在各种实施方式中，第二电流变压器76是休眠振荡器，其在检测到潜在接地中性线故障时激活。当检测到此类潜在故障时，第二电流变压器76感应出进入第一电流变压器74中的能量，并且通过正反馈电路72产生振荡故障信号。在这种情况下，正反馈电路可称为振荡，即使事实上物理正反馈电路72实际上并不物理地振荡而是在其中包括振荡电信号。在各种实施方式中，只有当检测到中性线与地面之间的约10欧姆或更小电阻时，才检测到潜在接地中性线故障。在其他实施方式中，只有当检测到中性线与地面之间的约5欧姆或更小电阻时，才检测到潜在接地中性线故障。在其他实施方式中，当在中性线与地面之间检测到超过10欧姆时，可检测到故障。由于各种实施方式中用于检测的电阻是中性线与地面之间的回路电阻，因此电阻越低，第二电流变压器越容易耦接到第一电流变压器，继而其对接地中性线故障的存在越敏感。
在各种实施方式中，潜在故障信号(本文称为“故障信号”)可通过一个或多个放大器、一个或多个比较器、一个或多个反相器中的一者、以及它们的任何组合。在图6所示的实施方式中，正反馈电路包括操作性地耦接在第一电流变压器74与第二电流变压器76 之间的至少两个放大器、第一增益块82和第二增益块84，它们放大通过正反馈电路72的振荡故障信号。如图6所示，第一增益块82和第二增益块84可耦接在第一电流变压器74与所述多个开关78之间，而在其他实施方式中，第一增益块和第二增益块可不都耦接在第一电流变压器与所述多个开关之间。在各种实施方式中，正反馈电路可仅具有单个放大器，不具有放大器，或具有超过两个放大器，这些放大器被配置为放大故障信号。
在各种实施方式中，接地中性线故障检测电路可包括一个或多个反相器或一个或多个反相级。在图6所示的实施方式中，接地中性线故障检测电路包括第一反相级86和第二反相级88。
在其他实施方式中，正反馈电路可包括具有或不具有任何放大器的比较器。在此类实施方式中，比较器可与电路的其余部分结合用于检测接地中性线故障。
在还其他实施方式中，正反馈电路可包括不具有任何放大器的反相器。在此类实施方式中，反相器可与电路的其余部分结合用于检测接地中性线故障。
正反馈电路72可包括至少两个开关78。在一些实施方式中，正反馈电路仅包括两个开关。在图6所示的实施方式中，正反馈电路包括第一开关90、第二开关92和第三开关94。在其他实施方式中，正反馈电路72可包括多于三个开关。在各种实施方式中，并且如图6所示，所述多个开关78可耦接在第二电流变压器76与第二增益块84之间。在其他实施方式中，多个开关78可耦接在第一增益块82与第二增益块84之间，或耦接在正反馈电路72上的任何其他位置处。
在各种实施方式中，正反馈电路可包括噪声抑制网络80。噪声抑制网络可为多个电阻器与电容器的各种组合(例如图6所示的特定组合)。在图6所示的实施方式中，噪声抑制网络包括耦接在一起的第一电容器96、第二电容器98、第一电阻器100和第二电阻器102。噪声抑制网络80被配置为滤除未在故障检测电路66正检测的接地中性线故障的所需频率内的外部噪声。在各种实施方式中，可调谐第二电阻器102以改变待检测的接地中性线故障的频率范围。在各种实施方式中，噪声抑制网络80可包括比图6所示数目更多或更少的电阻器，并且可包括比图6所示数目更多或更少的比较器。此外，在各种实施方式中，正反馈电路72可包括低通滤波器。在正反馈电路中包括第一增益块和第二增益块的实施方式中，低通滤波器可耦接在第一增益块82与第二增益块84之间。
故障检测电路66包括耦接到正反馈电路72的多个逻辑门104。与许多常规故障检测电路不同，故障检测电路66的所述多个逻辑门104包括在电路66内，而并非是仅耦接到故障检测电路的单独的多个逻辑门。这样，总体故障检测系统比常规系统中更小。在各种实施方式中，多个逻辑门104最初可在故障信号在电压电流变压器(Vct)节点106和电压电流变压器放大器(Vct_amp)108处振荡时检测或分析该信号。多个逻辑门104通过在节点Vct 106和/或Vct_amp 108处对振荡周期中的参考时钟数进行计数来检测振荡故障信号的频率，并且如果该频率在给定范围内，则将其标记为潜在接地中性线故障。
在各种实施方式中，多个逻辑门104被配置为在该多个逻辑门104确定故障信号是潜在接地中性线故障的情况下中断/断开正反馈电路72。在各种实施方式中，所述多个逻辑门可以以非限制性示例的形式通过发送断开至少一个开关的信号或发送使放大器断电的信号来充分地使正反馈电路跳闸。在图6所示的实施方式中，多个逻辑门104被配置为通过断开第一开关90和第二开关92来中断正反馈电路。多个逻辑门还可闭合第三开关94。多个逻辑门进一步被配置为通过在正反馈电路72已断开(不论是通过断开开关还是某种其他断开(或中断)正反馈电路的方式)时分析正反馈电路的输出，来识别所检测到的故障信号是表示真实故障还是噪声故障。在各种实施方式中，在中断正反馈电路72后，如果故障信号持续，则多个逻辑门将故障信号识别为噪声故障信号而不是真实故障信号。然而，如果在正反馈电路72中断时故障信号消散，则多个逻辑门将故障信号识别为真实故障。
多个逻辑门104可被配置为在多个逻辑门将故障信号分析为真实故障的情况下发送使具有电气设备的电路跳闸的信号。在各种实施方式中，故障检测电路66可操作性地耦接到GFI电路，并且所述多个逻辑门可被配置为如果故障信号表示真实故障，则使GFI电路跳闸。在其他实施方式中，故障检测电路可耦接到三相电机或另一种类型的电路，并且可被配置为使相应电路跳闸。
虽然本文将故障检测电路66描述为接地中性线故障检测电路，但在各种实施方式中，故障检测电路66还可为接地故障检测电路。在此类实施方式中，第一电流变压器74 可单独地检测热线68与中性线70之间的差动电流。可按与如相对于图3所述如何检测接地故障相同或类似的方式检测差动电流，继而检测正常接地故障。在各种实施方式中，故障检测电路66可能够同时检测正常接地故障和接地中性线故障。
参见图7，示出了用于三相电气系统的故障检测电路。故障检测电路110耦接到中性线112和多个热线114。在各种实施方式中，故障检测电路112可耦接到三个热线。在此类实施方式中，这三个热线可耦接到例如三相电机。故障检测电路110包括第一电流变压器116或感测线圈。第一电流变压器116可被配置为监测在中性线112与多个热线114中的每个热线之间流动的电流。当在中性线与任何一个热线之间感测到电流差动时，多个逻辑门118可将信号发送到螺线管120以使电路跳闸并消除正常接地故障。这样，第一电流变压器116与本文所公开的第一电流变压器实施方式类似地操作。
在各种实施方式中，故障检测电路110还可被配置为检测接地中性线故障。在此类实施方式中，故障检测电路110包括第二电流变压器(未示出，但与第一电流变压器116类似，也设置在中性线和三个热线周围)。如针对图6所示的实施方式所述，当在中性线上检测到接地中性线故障时，可在操作期间在第二电流变压器与第一电流变压器116之间形成正反馈电路。多个逻辑门118耦接到正反馈电路。在接地中性线故障的情况下，第二电流变压器被设计为感应出进入第一电流变压器中的能量并产生故障信号，如此前所述。当产生故障信号时，正反馈电路于是开始振荡。基于振荡的频率，故障检测电路可确定已发生正常接地故障，并且故障检测电路110可发送使电路跳闸的信号以切断负载电路的电源。在各种实施方式中，多个开关和所述多个逻辑门可用于区分噪声信号和真实故障信号，如本文此前所公开。多个逻辑门还可用于各种实施方式中。
参见图8A至图8B，示出了接地中性线故障检测测试电路。为了易于理解该电路，接地中性线故障检测测试电路被分成两个单独的图，其中图8A和图8B共用公共节点A、 B、C和D。接地中性线故障检测测试电路122包括第一电流变压器124和第二电流变压器 126。接地中性线故障检测测试电路122还包括接地中性线故障模拟器GNFault 128和接地故障GFFault模拟器130。在各种实施方式中，第一电流变压器124、第二电流变压器 126、GNFault模拟器和GFFault模拟器全部耦接到多个逻辑门132。当所述多个逻辑门132 检测到故障并且确定其是真实故障而不是噪声故障时，其通过VDCA端口134或内部线性调节器的输出将信号发送到螺线管136，该螺线管被配置为断开开关以使与负载设备相连的电路跳闸。如图所示，电源用于将功率馈送到所述多个逻辑门和模拟器。
参见图9，示出了图表，该图表示出了由图8A至图8B的测试电路得出的实验结果。如图9所示，示出了三种不同频率，即电源频率138、VDDA频率140或内部调节器输出的频率、以及CTG频率142或驱动接地中性线CT的输出的频率。接地中性线故障模拟器在 GN_WORK144所指示的时长内模拟接地中性线故障。在预定时间量后，激活GNFault模拟器，并且观察测试电路使电路跳闸所需的时间量(以微秒测量)。该时间量由GN- WORK 144与GN_VERIFY148之间的间隔146指示。如图9所示，重复该过程四次。
在各种实施方式中，用于检测电故障的方法包括提供第一电流变压器和第二电流变压器。在各种实施方式中，待检测的故障可为接地中性线故障和/或正常接地故障。第一电流变压器可与本文所公开的任何第一电流变压器相同或类似。同样，第二电流变压器可与本文所公开的任何第二电流变压器相同或类似。该方法还包括将第一电流变压器和第二电流变压器耦接到热线和中性线，所述热线和中性线耦接到负载电路并且被配置为接收并传输电流。
在各种实施方式中，用于检测电故障的方法包括使用第二变压器检测潜在故障条件，产生振荡信号，并且将该振荡信号传输到与第一电流变压器和第二电流变压器电耦合的多个逻辑门。参见图10，示出了流程图，该流程图示出了多个逻辑门所执行的检测接地中性线故障的方法的实施方式。如图10所示，该方法还可包括预先确定频率检测范围或待检测的任何故障的频率范围。这可通过以下方式进行：调节第二电流变压器，以便仅在检测到给定频率范围(X至Y)时才在系统内产生振荡。多个逻辑门可被编程为识别来自第二电流变压器的与该频率范围相对应的信号。在各种实施方式中，当在返回线与地面之间检测到小于十欧姆的电阻时，将检测到潜在故障条件。该方法还可包括在接地中性线故障检测电路确定存在真实故障之前确定所需的检测迭代极限(n)。当检测迭代次数(i)等于检测迭代极限(n)时，则多个逻辑门确定存在真实故障。
在各种实施方式中，用于检测故障的方法包括在正反馈电路内生成振荡信号。在正反馈电路内生成或产生振荡信号在本文也称为将故障信号传输通过正反馈电路。如果不存在振荡信号，或如果振荡在预定范围之外，则i＝0并且真实故障条件未被找到。在各种实施方式中，以非限制性示例的形式，正反馈电路可包括操作性地耦接在一起的第一电流变压器、第二电流变压器、第一增益块、第二增益块、至少一个开关、第二开关和噪声抑制网络、以及它们的任何组合。正反馈电路可与本文此前所公开的任何正反馈回路相同或类似。
在各种实施方式中，用于检测故障的方法包括将故障信号通过正反馈电路传输到多个逻辑门，该多个逻辑门电耦合到第一电流变压器和第二电流变压器。如果多个逻辑门检测到预定范围内(X与Y之间)的振荡，则i≠0。在这种情况下，多个逻辑门确保正反馈电路在预定时间量内不中断。多个逻辑门可通过闭合开关或对放大器供电来确保这一点。在各种实施方式中，电路在不大于约64微秒且不小于约9微秒内不中断。在其他实施方式中，电路可在大于约64微秒及小于约9微秒内保持不中断。
在已经过预定时间量后，该方法可包括中断正反馈电路。可通过以下方式中断正反馈电路：使放大器断电，或响应于来自多个逻辑门的开关信号而断开(通过发送来自所述多个逻辑门的信号)与第二电流变压器电耦合的所述至少一个开关，以及在具有多个开关的实施方式(诸如图6所示的实施方式)中，响应于来自所述多个逻辑门的第二开关信号而闭合第二开关或第三开关。这样，正反馈电路被断开或中断。用于检测故障的方法的实施方式包括通过在第二开关闭合后监测振荡信号是否持续来确定潜在故障条件是否为真实故障条件。如果振荡的确持续，则确定振荡信号是噪声事件的结果并且故障信号是噪声信号而不是真实故障信号。该方法的实施方式可包括通过以下方式完成正反馈电路：在噪声事件中对放大器通电或闭合开关(并且在具有多个开关的实施方式中，断开第二开关或第三开关)以重置电路并且恢复监测故障条件。
另一方面，如果振荡信号消散，则确定振荡信号是真实接地中性线故障的结果并且故障信号是真实故障信号。在这种情况下，检测迭代(i)递增1。因此，如果检测迭代极限(n)被设定为1，则i＝n并且将检测到真实故障信号。在(i)>1的实施方式中，该方法可包括闭合正反馈电路并且使上述过程重复任何迭代次数直至i＝n。具体地讲，该方法可包括以与产生第一振荡信号相同的方式提供第二振荡信号，并且在将第二振荡信号传输到所述多个逻辑门之后通过在中断正反馈电路时确定振荡信号是否消散来确定潜在故障条件是否为真实故障条件。如果振荡信号并未消散，则确定第一振荡信号和第二振荡信号是噪声信号。然而，如果在中断正反馈电路之后振荡信号消散，则(i)递增1(在这种情况下， i＝2)。如果i＝n，则确定存在真实故障信号。然而，在(i)保持小于(n)的实施方式中，该方法可包括闭合正反馈电路，并以与产生第一振荡信号和第二振荡信号相同的方式检测第三振荡信号，并且在将第二振荡信号传输到多个逻辑门之后通过在将开关断开第三次 (并且在具有多个开关的实施方式中，将第二开关或第三开关闭合第三次)时确定振荡是否消散来确定潜在故障条件是否为真实故障条件。如果振荡信号并未消散，则确定第三振荡信号是噪声信号。然而，如果在中断正反馈电路之后振荡信号消散，则(i)递增1。如果i＝n，则确定存在真实故障信号。可重复上述过程直至i＝n。在各种实施方式中， n＝3，这意味着所述多个逻辑门和故障检测电路重复该检测过程三次，以便确保故障信号实际上是真实故障信号。在各种实施方式中，(n)可大于3以提高系统的稳健性，或(n)可小于3以提高系统的响应性。在各种实施方式中，如果正反馈电路闭合的初始时间量相对较低，则检测迭代极限可增加。在其他实施方式中，如果正反馈电路闭合的初始时间量相对较高，则检测迭代极限可减小。
在各种实施方式中，并且如图6所示，可断开和闭合第一开关和第二开关以中断正反馈电路。在其他实施方式中，该方法可不包括使电路中断的多个开关，但可包括使放大器断电，或使用另一种方法另行中断/断开正反馈电路的电路。
在各种实施方式中，在检测到真实故障条件之后，该方法可包括如果在中断正反馈电路或断开开关之后振荡信号消散，则发送使GFI电路跳闸的信号。在各种实施方式中，仅在i＝n时发送该信号。在其他实施方式中，该方法可包括如果在第二开关闭合之后振荡信号消散，则发送使三相电机或其他设备跳闸的信号。在各种实施方式中，仅在i＝n时发送该信号。
故障检测电路的实施方式可包括第二开关和第三开关，其中第二开关被配置为随第一开关一起断开。正反馈电路还可包括第一增益块和第二增益块，其中第一增益块和第二增益块操作性地耦接在第一电流变压器与第二电流变压器之间。故障检测电路可操作性地耦接到GFI电路。故障检测电路可操作性地耦接到三相电机。
故障检测电路的实施方式可进一步被配置为如果故障信号表示真实故障，则使GFI电路跳闸。第一增益块和第二增益块可耦接在第一电流变压器与第一开关、第二开关和第三开关之间。
检测故障的方法的实施方式(如本文所公开的那些实施方式)可包括其中将振荡信号传输通过正反馈电路。正反馈电路包括全部操作性地耦接在一起的第一电流变压器、第二电流变压器、第一增益块、第二增益块、第一开关、第二开关、第三开关和噪声抑制网络。该方法可包括响应于来自所述多个逻辑门的开关信号而使第二开关随第一开关一起断开，并且响应于来自所述多个逻辑门的第二开关信号而闭合第三开关。
检测潜在故障条件可包括检测返回线与地面之间小于10欧姆的电阻。
可在不迟于产生振荡信号后64微秒时断开开关。
在以上描述中提到故障检测电路的特定实施方式以及实施部件、子部件、方法和子方法的地方，应当显而易见的是，可在不脱离其实质的情况下作出多种修改，并且可将这些实施方式、实施部件、子部件、方法和子方法应用于其他故障检测电路。

Claims (10)

1.一种故障检测电路，包括：
第一电流变压器，所述第一电流变压器耦合到第二电流变压器；
正反馈电路，所述正反馈电路包括所述第一电流变压器、所述第二电流变压器和第一开关，所述第一开关耦合到所述第一电流变压器并且耦合到所述第二电流变压器；以及
多个逻辑门，所述多个逻辑门与所述第一开关耦合；
其中所述正反馈电路被配置为在检测到接地中性线故障时振荡并且将故障信号发送到所述多个逻辑门；
其中所述多个逻辑门被配置为分析所述故障信号和打开所述第一开关、及响应于所述第一开关的所述打开来识别所述故障信号是否表示真实故障和噪声故障中的一者。
2.根据权利要求1所述的故障检测电路，其中所述正反馈电路还包括噪声抑制网络，所述噪声抑制网络包括操作性地耦合在一起的第一电容器、第二电容器、第一电阻器和第二电阻器。
3.根据权利要求2所述的故障检测电路，其中所述第二电阻器被配置为调节所检测到的所述接地中性线故障的范围。
4.一种故障检测电路，包括：
第一电流变压器，所述第一电流变压器耦合到第二电流变压器；
正反馈电路，所述正反馈电路包括全部操作性地耦合在一起的所述第一电流变压器、所述第二电流变压器、第一开关、第二开关和第三开关；以及
多个逻辑门，所述多个逻辑门与所述正反馈电路耦合；
其中所述正反馈电路被配置为在检测到接地中性线故障时振荡并且将故障信号发送到所述多个逻辑门；
其中所述多个逻辑门被配置为分析所述故障信号并且打开所述第一开关和所述第二开关以及闭合所述第三开关、并且之后识别所述故障信号是否表示真实故障和噪声故障中的一者。
5.根据权利要求4所述的故障检测电路，其中所述电路被配置为同时检测所述接地中性线故障和正常接地故障。
6.一种用于检测故障的方法，包括：
提供第一电流变压器和第二电流变压器，所述第一电流变压器和所述第二电流变压器与热线和中性线电耦合；
使用所述第二电流变压器检测潜在故障条件；
产生振荡信号并且将所述振荡信号传输到多个逻辑门，所述多个逻辑门与所述第一电流变压器和所述第二电流变压器电耦合；
响应于来自所述多个逻辑门的开关信号而打开与所述第二电流变压器电耦合的开关；以及
通过在打开所述开关后监测所述振荡信号是否持续来确定所述潜在故障条件是否为真实故障条件。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括如果在打开所述开关后所述振荡信号消散，则发送使接地故障断路器GFI电路跳闸的信号。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括如果在打开所述开关后所述振荡信号持续，则闭合与所述第二电流变压器电耦合的所述开关。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括提供第二振荡信号和第三振荡信号，并且在将所述第二振荡信号和所述第三振荡信号传输到所述多个逻辑门后确定所述潜在故障条件是否为真实故障条件。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括如果在打开所述开关后所述振荡信号消散，则发送使三相电机跳闸的信号。
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