使用單個(gè)接地故障傳感器和單個(gè)adc的電弧-故障和接地故障斷流器的制造方法
【專利說(shuō)明】使用單個(gè)接地故障傳感器和單個(gè)ADC的電弧-故障和接地故障斷流裔
[0001 ]發(fā)明人:伊薩.維儂.德拉梅;蘭德?tīng)?詹姆斯.加斯發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本文公開(kāi)的實(shí)施方式總體上涉及用于防范接地故障和電弧-故障的方法和系統(tǒng)，并且特別涉及使用共同傳感器和單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)同時(shí)使用相同的檢測(cè)間隔以檢測(cè)接地故障和電弧-故障以用于防范這樣的接地故障和電弧-故障的系統(tǒng)和方法。
[0003]發(fā)明背景
[0004]在本領(lǐng)域中，電路斷路器和接地故障電路斷流器(GFCI)通常是眾所周知的。GFCI防止由于接地-故障的電擊或觸電，電擊或觸電是在未接地的載流導(dǎo)體和接地之間的意想不到的導(dǎo)電路徑，其可以例如當(dāng)插入式電氣器具被掉入水槽、水池、池塘、水坑或熱水浴缸時(shí)發(fā)生。當(dāng)GFCI檢測(cè)到超出接地故障漏電流的允許量的負(fù)載電流中的不平衡(即輸出電流不同于返回電流)時(shí)，GFCI切斷了下游電路的電源。到接地的漏電流路徑可以包括器具的接地的金屬外殼或在某些情況下的人。
[0005 ] GFCI還可防范接地-中性故障。與接地-故障不同，接地-中性故障是在接地線和中性線之間的低阻抗通路，并且在這樣的情況下發(fā)生:其中中性導(dǎo)體正在接觸用于使設(shè)備外殼和結(jié)構(gòu)接地的接地導(dǎo)體。在接地導(dǎo)體上承載的接地故障電流具有返回通路，其在接地導(dǎo)體與中性導(dǎo)體之間分離。通過(guò)中性導(dǎo)體返回的接地故障電流抵消了現(xiàn)有接地故障信號(hào)的部分，其降低接地故障感測(cè)電路的靈敏度，并且可能導(dǎo)致在漏電通路中出現(xiàn)的危險(xiǎn)的高接地故障電流。
[0006]目前可用的GFCI技術(shù)經(jīng)常使用具有差動(dòng)電流互感器和單個(gè)ADC的感測(cè)電路以監(jiān)控接地-故障和接地-中性故障兩者。經(jīng)常通過(guò)在第一時(shí)間間隔期間使用ADC將在互感器的次級(jí)側(cè)上的感測(cè)電路中的電流與參考值進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)接地-故障。經(jīng)常通過(guò)監(jiān)控反映回到互感器的次級(jí)側(cè)上的短路的初級(jí)電路阻抗來(lái)檢測(cè)接地-中性故障。一種用于監(jiān)控接地-中性故障的方法是通過(guò)在第二時(shí)間間隔期間將電流注到感測(cè)電路中以在感測(cè)電路中產(chǎn)生衰減的正弦信號(hào)。衰減的正弦信號(hào)的振幅由ADC在該間隔期間測(cè)量，并且所測(cè)量的振幅然后可以用于確定接地-中性故障的存在。
[0007]近來(lái)，電弧-故障電路斷流器(AFCI)已開(kāi)始在新的家庭建造和建筑建造中獲得需要。電弧-故障是間歇性故障，其可以例如由被磨損的或被損壞的絕緣、不良連接、被破壞的導(dǎo)體等等造成。由于其間歇性，電弧-故障并不生成使得常規(guī)熱磁電路斷流器容易跳閘的足夠大的持續(xù)電流。輸入(諸如，帶通濾波器、線電流傳感器以及電壓傳感器)必須被以固定時(shí)間周期采樣以便實(shí)施電弧-故障檢測(cè)算法。
[0008]在雙功能接地故障和電弧-故障電路斷路器設(shè)備中集成電弧-故障檢測(cè)和接地故障檢測(cè)的嘗試已經(jīng)遇到了有好有壞的結(jié)果。注意的是，如在短語(yǔ)“接地故障保護(hù)(groundfault protect1n)”或“雙功能接地故障與電弧-故障保護(hù)(dual-funct1n ground faultand arc-fault protect1n)”中使用的術(shù)語(yǔ)“接地故障(ground fault)”(沒(méi)有連字號(hào))可以指的是“接地-故障(ground-fault)”和“接地-中性故障(grounded-neutral fault)”兩者。一般來(lái)說(shuō)，接地-故障采樣和接地-中性故障采樣在故障檢測(cè)間隔的單獨(dú)部分期間發(fā)生，而電弧-故障采樣在整個(gè)故障檢測(cè)間隔中發(fā)生。這可能產(chǎn)生沖突，因?yàn)殡娀?故障采樣和接地-中性故障采樣使用了某些相同資源。
[0009]特別地，接地-中性故障檢測(cè)要求ADC在故障檢測(cè)間隔的一部分期間頻繁地對(duì)衰減的正弦信號(hào)的振幅進(jìn)行采樣。然而，因?yàn)锳DC定期專用于對(duì)與電弧-故障相關(guān)的輸入和信號(hào)進(jìn)行采樣，所以可能相對(duì)于ADC在檢測(cè)間隔的該部分期間產(chǎn)生資源沖突。作為結(jié)果，由于互相干擾的可能性，使用單個(gè)ADC來(lái)同時(shí)執(zhí)行電弧-故障檢測(cè)和接地-中性故障檢測(cè)兩者迄今為止是不實(shí)際的。在另一方面，增加額外的ADC將增加電路斷路器設(shè)備的整體復(fù)雜性以及成本。
[0010]因此，所需要的是將電弧-故障檢測(cè)和接地故障檢測(cè)集成到單個(gè)電路斷路器設(shè)備中的高效并且合算的方式。更具體地，所需要的是使用單個(gè)ADC在相同的采樣間隔中執(zhí)行電弧-故障采樣和接地-中性故障采樣而不產(chǎn)生互相干擾的方式。
[0011]發(fā)明概述
[0012]公開(kāi)的實(shí)施方式提供了方法和系統(tǒng)，其在電路斷路器設(shè)備中使用單個(gè)ADC在共同檢測(cè)間隔中用于執(zhí)行電弧-故障檢測(cè)、接地-故障檢測(cè)以及接地-中性故障檢測(cè)-同時(shí)避免互相干擾。一般來(lái)說(shuō)，公開(kāi)的實(shí)施方式安排了在共同檢測(cè)間隔期間使用ADC，使得在沒(méi)有電弧-故障采樣發(fā)生時(shí)的時(shí)間期間進(jìn)行接地-中性故障檢測(cè)所需的采樣。電弧-故障采樣通常開(kāi)始從線電壓半周期的開(kāi)始或靠近線電壓半周期的開(kāi)始而開(kāi)始，并且在與在電弧-故障采樣周期之間的時(shí)間相比相對(duì)短的周期性的和已知的采樣持續(xù)時(shí)間發(fā)生?？梢砸虼税才艑?duì)于接地-中性故障的采樣以在周期性的和已知的電弧-故障采樣周期中的具體一個(gè)之前和/或之后進(jìn)行以避免互相干擾。
[0013]—般來(lái)說(shuō)，任何技術(shù)可以被用于實(shí)施安排接地-中性故障采樣(包括定時(shí)器、產(chǎn)生特定預(yù)定義的事件等等)。在一些實(shí)施方式中，基于事件(諸如由注入接地故障感測(cè)電路中的衰減的正弦信號(hào)所產(chǎn)生的預(yù)定義數(shù)量的過(guò)零點(diǎn)(zero-crossing))，可以實(shí)施安排接地-中性故障采樣。針對(duì)特定的實(shí)施所使用的過(guò)零點(diǎn)的數(shù)量可以是任何適當(dāng)?shù)臄?shù)量，例如，諸如從1-50。在一些實(shí)施方式中，過(guò)零點(diǎn)的預(yù)定義數(shù)量可以是諸如13的數(shù)量，其允許使衰減的正弦信號(hào)的峰-峰電壓落入特定的ADC被使用的輸入范圍內(nèi)的足夠的時(shí)間。
[0014]為了確保預(yù)定義數(shù)量的過(guò)零點(diǎn)發(fā)生在周期性的且已知的電弧-故障采樣周期之一的時(shí)候或其附近，衰減的正弦信號(hào)可以被延遲了適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間。在一些實(shí)施方式中，可以基于周期性的且已知的電弧-故障采樣周期來(lái)確定適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間。這些周期性的電弧-故障采樣周期發(fā)生在已知的間隔，已知的間隔通常在電源線電壓過(guò)零點(diǎn)之后的短時(shí)間開(kāi)始，每個(gè)采樣周期持續(xù)了已知的持續(xù)時(shí)間。電弧-故障采樣周期的定時(shí)可以然后被用于計(jì)算這樣的延遲時(shí)間:其確保預(yù)定數(shù)量的過(guò)零點(diǎn)發(fā)生在電弧-故障采樣周期之一的時(shí)候或其附近。
[0015]在一些實(shí)施方式中，衰減的正弦信號(hào)產(chǎn)生預(yù)定義數(shù)量的過(guò)零點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間可以被不時(shí)地重新測(cè)量，以便對(duì)由于溫度和/或隨時(shí)間而可能在接地故障感測(cè)電路中已經(jīng)發(fā)生的任何改變進(jìn)行補(bǔ)償。
[0016]—般來(lái)說(shuō)，在一個(gè)方面，本文公開(kāi)的實(shí)施方式涉及在電路斷路器設(shè)備中執(zhí)行電弧-故障采樣、接地-故障采樣以及接地-中性故障采樣的方法。該方法包括在多個(gè)電弧-故障采樣周期期間執(zhí)行電弧-故障采樣，該電弧-故障采樣周期發(fā)生在固定間隔，并且每個(gè)電弧-故障采樣周期持續(xù)了比在相繼的電弧-故障采樣周期之間的時(shí)間短的固定持續(xù)時(shí)間。該方法還包括監(jiān)控在電路斷路器設(shè)備中預(yù)定義的事件的發(fā)生，預(yù)定義的事件被定時(shí)以與多個(gè)電弧-故障采樣周期之一同時(shí)發(fā)生，以及在預(yù)定義的事件的發(fā)生的附近執(zhí)行接地-中性故障采樣，使得在多個(gè)電弧-故障采樣周期中的所述一個(gè)電弧-故障采樣周期和直接相鄰的電弧-故障采樣周期之間執(zhí)行接地-中性故障采樣。然后在共同檢測(cè)間隔期間可以執(zhí)行電弧-故障采樣、接地-故障采樣以及接地-中性故障采樣。
[0017]—般來(lái)說(shuō)，在另一方面，本文公開(kāi)的實(shí)施方式涉及用于在電路斷路器設(shè)備中執(zhí)行電弧-故障采樣、接地-故障采樣以及接地-中性故障采樣的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括單個(gè)系統(tǒng)控制器、接地故障感測(cè)電路以及電弧-故障感測(cè)電路，單個(gè)系統(tǒng)控制器被編程以在共同檢測(cè)間隔期間執(zhí)行電弧-故障采樣、接地-故障采樣以及接地-中性故障采樣，接地故障感測(cè)電路連接到系統(tǒng)控制器并且被配置以把接地-故障傳感器輸入和接地-中性故障傳感器輸入提供給系統(tǒng)控制器用于執(zhí)行接地-故障采樣和接地-中性采樣，電弧-故障感測(cè)電路連接到系統(tǒng)控制器并且被配置以把電弧-故障傳感器輸入提供給系統(tǒng)控制器用于執(zhí)行電弧-故障采樣。單個(gè)系統(tǒng)控制器被配置以監(jiān)控在電路斷路器設(shè)備中預(yù)定義的事件的發(fā)生，并在預(yù)定義的事件的發(fā)生的附近執(zhí)行接地-中性故障采樣，使得在多個(gè)電弧-故障采樣周期之一與直接相鄰的電弧-故障采樣周期之間執(zhí)行接地-中性故障采樣。
[0018]—般來(lái)說(shuō)，在又一個(gè)方面，本文公開(kāi)的實(shí)施方式涉及在電路斷路器設(shè)備中的控制器，該控制器被配置以執(zhí)行電弧-故障采樣和接地-中性故障采樣。該控制器包括具有單個(gè)輸入端和單個(gè)輸出端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊(ADC)、比較器模塊、輸