專利名稱：具有抗寬帶干擾的接地故障電路分斷器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及響應(yīng)接地故障的電路分斷器，尤其是具有抗誤跳閘性能的電路分斷器。上述誤跳閘是由與開關(guān)操作現(xiàn)象相關(guān)的負載感應(yīng)的諸如寬帶干擾這樣的瞬態(tài)過程導(dǎo)致的。
接地故障分斷器包括接地故障電路分斷器，接地故障插座，以及甚至包括帶有軟線的接地故障保護裝置。接地故障分斷器盡管通過全部現(xiàn)有工業(yè)標準，但它們?nèi)钥僧a(chǎn)生誤跳閘造成麻煩，誤跳閘的一個原因是切斷供給感性裝置的電源，尤其是這些裝置脫開。
這些裝置的例子包括電剃刀，高亮度燈和如象用來冷卻電子設(shè)備的小型冷卻風(fēng)扇。拔出這些裝置在插頭和插座之間產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致幾伏寬帶干擾在電源線上的迭加。由于干擾的寬帶特性，既使很小的雜散耦合電容也將從電源線上把干擾耦合到接地故障電路，引起誤跳閘。
典型的接地故障分斷器包括一運算放大器，該運算放大器放大所感應(yīng)的接地故障信號，并把放大后的信號加到一個窗口比較器上，該比較器把它與正和負基準信號相比較。如果任一基準值被超過，則產(chǎn)生一跳閘信號，普通類型的接地故障檢測電路是休止振蕩器檢測器。該檢測器包括第一傳感器線圈，被保護的電路的線和中線穿過該線圈。第一傳感器線圈的輸出經(jīng)耦合電容器加到上述運算放大器上，該運算放大器由一窗口比較器接續(xù)，線對地故障導(dǎo)致被放大的信號超過所述基準值從而產(chǎn)生一跳閘信號。
休止振蕩接地故障檢測器包括第二傳感器線圈，僅有中線穿過該線圈，一個中線對地故障耦合這兩個檢測器線圈，導(dǎo)致放大器振蕩，也產(chǎn)生跳閘信號。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，象由拔去感性裝置引起的這種由有關(guān)開關(guān)現(xiàn)象的負載感應(yīng)的寬帶干擾，是導(dǎo)致接地故障分斷器的誤跳閘的原因。
1993年2月26日申請的序號為023，435的共同享有的美國專利申請公開了一種休止振蕩器型的接地故障電路分斷器，它利用第二傳感器線圈的輸出來檢測濺射電弧故障(sputtering arc fault)。通過限定di/dt傳感器信號的帶寬，并將其與在一窗口比較器中的合適閾值相比較來完成上述工作。濺射電弧故障電流一般在幅值上比線對地故障電流小，但是間歇的，使得在閾值以上的連續(xù)偏移的檢測提供濺射電弧故障的指示。
對于接地故障分斷器必要的要求是在被保護電路中不能響應(yīng)寬帶干擾而產(chǎn)生誤跳閘。
對于這樣的接地故障電路還需要，它能響應(yīng)濺射電弧故障，上述電路帶改進的抗寬帶干擾性。
本發(fā)明滿足這些和其他要求。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在具有由窗口比較器接續(xù)的運算放大器的接地故障分斷器中所用的典型電子電路中，耦合進該電路的任何大振幅的寬帶干擾在運算放大器的輸入端被整流，借此使放大器輸出以單極性驅(qū)動。此外，輸入耦合電容開始充電，并且隨著干擾脈沖群的終結(jié)，電容器電荷以和干擾脈沖群效果相反方向驅(qū)使運算放大器輸出。這些效果的任何一個可產(chǎn)生誤跳閘。
所以，接地分斷器的抗干擾通過窗口比較器的電平檢測器的取消而得以改善，該檢測器檢測由于干擾產(chǎn)生的輸出信號極性的在運算放大器輸出上的偏移。此外，取消輸入耦合電容器，使得隨干擾脈沖群的終結(jié)不產(chǎn)生相反極性的偏移，這種偏移會觸發(fā)現(xiàn)保留的電平檢測器的輸出。由于耦合電容器的取消，可使用低偏置的運算放大器。
更具體講，本發(fā)明給出一種在受到寬帶干擾的所保護的交流電系統(tǒng)中的接地故障電路分斷器或電流分斷器，包括當打開時，分開的觸頭分斷所保護的電氣系統(tǒng)中流過的電流;
傳感裝置，產(chǎn)生一個代表從被保護的電氣系統(tǒng)流向地的交流電流的交流傳感器信號;
跳閘信號產(chǎn)生裝置，包括連接到傳感裝置上的放大器裝置，該放大器裝置響應(yīng)交流傳感器信號而輸出一個放大了的交流傳感器信號，且包含僅第一極性的放大了的寬帶干擾;上述跳閘信號產(chǎn)生裝置還包括一個比較器裝置，該裝置連接到放大器裝置的輸出端，并且僅在放大后的交流信號是與第一極性相反的第二極性，并幅值超過一基準信號時產(chǎn)生接地故障跳閘信號。
響應(yīng)接地故障跳閘信號以打開可分觸頭的跳閘裝置。
該接地故障分斷器可結(jié)合一個濺射電弧檢測器，從而對電氣系統(tǒng)提供更加完備的保護。在本發(fā)明的最佳形式中，該接地故障分斷器是休止振蕩器式的，而濺射電弧故障檢測電路利用了來自接地故障檢測電路的檢測器的一個線圈。
當結(jié)合相應(yīng)的附圖閱讀時，從下列最佳實施例的描述中可獲得本發(fā)明的充分理解

圖1是本發(fā)明接地故障分斷器的一個實施例的電路原理圖，該分斷器與一個濺射電弧故障檢測電路相結(jié)合，并共用一個傳感線圈。
圖2是構(gòu)成圖1電路一部分的集成電路原理圖。
圖3是一電路原理圖，它描繪出圖1所示接地故障分斷器的局部修改方案，其中濺射電弧故障檢測電路在傳感濺射電弧故障方面利用中線的電阻率，而不是與接地故障檢測器共用一個傳感器線圈。
本發(fā)明將作為用于普通住宅的斷路器來加以描述，但是，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是，該發(fā)明可用于其它類型的接地故障分斷器上，它包括接地故障插座以及裝有軟線的接地故障保護裝置。特別是，本發(fā)明將作為用于在美國專利第4，081，852號上所描述類型的斷路器來加以描述。該斷路器包括一個熱磁過流跳閘機構(gòu)和一個接地故障檢測器，它們被安裝在模制外殼內(nèi)的并排腔中，該接地故障檢測器包括一個帶有插棒式鐵心的跳閘螺線管，該插棒式鐵心伸過模制外殼中兩個腔之間的壁以激發(fā)熱磁跳閘機構(gòu)，從而響應(yīng)接地故障使斷路器跳閘。
如圖1所示，本發(fā)明最佳實施例中，本發(fā)明的斷路器1將濺射電弧檢測器3與抗干擾度得到改進的接地故障檢測器5結(jié)合。斷路器1保護電氣系統(tǒng)7，該系統(tǒng)包括線路導(dǎo)線9和中線11，上述導(dǎo)線給負載13饋電。除了防止由負載13導(dǎo)致的典型過電流和線路對中線的連接故障以外，本發(fā)明的斷路器1防止線路導(dǎo)線9和中線11之間的濺射電弧故障，以及線對地故障17和中線對地故障19。當由于例如絕緣磨損或剝開線路和中性線的裸露部分接觸時，導(dǎo)致濺射電弧事故15發(fā)生。
由斷路器1通過電流互感器21和23形式的電流傳感器檢測出電氣系統(tǒng)7中的故障，這些電流互感器21和23是環(huán)形線圈。線路導(dǎo)線9和中線11穿過環(huán)形線圈21的開口構(gòu)成該電流互感器的初級。電流互感器23具有以中線11形成的單匝初級，該導(dǎo)線穿過該環(huán)形線圈的開口。環(huán)形線圈21的次級繞組25和電流互感器23的次級繞組27每個都連到集成電路29。
電流互感器21檢測線對地故障。電氣系統(tǒng)7上沒有線對地故障時，穿過構(gòu)成互感器初級的線路和中線9、11的電流將會相等且反向，以致于在次級繞組25中無感應(yīng)電流。如線路導(dǎo)線9接地，則會有大電流流過該導(dǎo)線，而很少或沒有電流流過中線11，從而在次級繞組25上感應(yīng)出可測量的電流。這個信號經(jīng)電阻33經(jīng)NEGGFI和POSGFI輸入端加給IC29。跨接IC輸入端的電容器35抑制干擾。反饋電阻37建立IC29中運算放大器的增益。
正如下面將更加詳細討論的，如果電流互感器21的次級繞組25中電流的幅值超過選定用來檢測線對地故障的閥值的話，IC29上的OR輸出升高從而導(dǎo)通SCR39。SCR39的導(dǎo)通為跳閘螺線管41的激勵提供電流，該跳閘螺線管通有來自線路和中性導(dǎo)線上的電流，該電流是由二極管43整流后的半波電流，該SCR39由金屬氧化物變阻器(MOV)45保護防止電涌，并由電容57阻止柵極上的干擾，跳閘螺線管41激勵如美國專利第4，081，852所描述的跳閘機構(gòu)49，從而打開至少接在線路導(dǎo)線9上的觸頭51。
二極管43還給IC29中的并聯(lián)調(diào)節(jié)器提供DC功率。由IC汲取的電流不足以起動跳閘螺線管41。供給IC29的電源包括一過濾電容53，一對電阻55和57，這對電阻決定電源的電壓電平。DC電源提供給IC29的VPOS輸入端。管腳VNEG連接中性導(dǎo)線接地。旁路電容59確保在VPOS輸入端上無交流。同樣，另一個旁路電容61消除POSGFI輸入端上的交流。
試驗按鈕62連接試驗引線64，該引線穿過導(dǎo)線7、11從中通過的線圈21以測試接地故障電路的線對地部分。電阻66限制試驗電流。接地故障檢測器5是休止振蕩器型電流互感器23的次級繞組27經(jīng)耦合電容63也連接到管腳GAMP上的IC29的運算放大器的輸出端。中線對地故障通過電流互感器21和23耦合到次級繞組25和27，形成圍繞IC29的反饋環(huán)路，導(dǎo)致IC中運算放大器振蕩，振蕩頻率可通過電容63和電容65的值以及電流互感器21和23參數(shù)的選擇加以設(shè)定。在例舉的斷路器中，該頻率為約20KHz。當振蕩幅值超過所選閾值時，觸發(fā)SCR39令該斷路器跳閘。
電流互感器23也用來傳感檢測濺射電弧故障的電流，對于濺射電弧故障檢測所需要的電流信號的變化率di/dt通過在電流互感器23中設(shè)置鐵心來產(chǎn)生，該鐵心在要求產(chǎn)生跳閘的電流電平上不飽和。用于鐵心的適當材料是粉末化的鐵，它具有低增益(mu)和高磁通飽和水準。這樣的鐵心對中性接地檢測的影響僅僅為使振蕩頻率略增加一些。
在電流互感器23的次級繞組27上產(chǎn)生的di/dt信號是通過使它通過低通濾波器67限定其帶寬的。這是一雙極低通濾波器，它具有由電容器69和電阻71構(gòu)成的第一極，和由電容73和電阻75構(gòu)成的第二極，在舉例的斷路器中的這個低通濾波器67在約2KHz上有一個半功率點。該di/dt信號可用來提供過電流、線對中線故障和濺射電弧故障的指示。選擇限定帶寬的低通濾波器67的參數(shù)，從而衰減由濺射電弧故障產(chǎn)生的di/dt信號上的尖峰，以及調(diào)整電路對過電流線對中線故障的正弦電流和濺射電弧故障的階躍函數(shù)的相對靈敏度。檢測器3通過對在一預(yù)定時間周期內(nèi)所檢出的階躍函數(shù)計數(shù)，從某些裝置所引起的沖擊電流區(qū)分濺射電弧故障。電容77和電阻79用下面將討論的方法設(shè)定所選定的時間間隔。
圖2是IC29的電路原理圖，芯片29帶有電源81，該電源經(jīng)VPOS和VNEG管腳由上述半波整流電源供電。運算放大器(opamp)83把電流互感器21次級上的信號放大，供給由比較器89構(gòu)成的信號電平檢測器。該比較器89被由電源81提供的基準電壓提供偏壓，該電壓對檢測線對地故障是負向閾值。給運算放大器83的非反向輸入端加偏壓，該偏壓大致是電源電壓的中點。一個負載電阻(pull up resistor)91被連接到比較器89的輸出和VPOS。比較器89的輸出還連接到或門電路93的反相輸入端，其輸出經(jīng)IC29的OR腳連接到SCR39的柵極。一般，比較器89的輸出是高電平，以致于SCR39不開啟。線對地故障的存在使電流互感器21次級繞組25上產(chǎn)生的信號在負載電流的負半周期間超過施加給比較器89的閾值。接地故障電流的負半周導(dǎo)致比較器89的輸出變低，使或門電路93的輸出變高，從而開啟SCR39并激勵跳閘螺線管41。
上述引證專利申請中IC29的接地故障檢測部分使用一個取代單極比較器89的窗口比較器，在接地故障信號的正負半周上產(chǎn)生一跳閘信號。然而，我們發(fā)現(xiàn)，該接地故障檢測器受到誤觸發(fā)，該檢測器具有由一窗口比較器接續(xù)的運算放大器。已查出誤解發(fā)有寬帶干擾，象由感性負載的拔除在被保護電路上所感應(yīng)的那樣。足夠大幅值的寬帶干擾被運算放大器83整流。整流后的干擾信號極性取決于該運算放大器的電路。決定因素是該運算放大器中輸入晶體管的型號和放大級數(shù)。如果輸入晶體管是一種n-p-n型晶體管，則該晶體管輸出中直流干擾成份是正的。接續(xù)的奇數(shù)放大級數(shù)會把它轉(zhuǎn)換成負輸出，而接續(xù)的偶數(shù)放大級數(shù)會保留信號的正極性。一個p-n-p晶體管產(chǎn)生相反極性的整流后的信號，假定接續(xù)的放大級數(shù)一樣的話。
由于出現(xiàn)在運算放大器83輸出上的整流后的寬帶干擾信號的極性能因此被預(yù)測，本發(fā)明的接地故障電路利用單一信號電平檢測比較器89，該比較器僅從那些超過所選閾值的干擾信號中檢測相反極性的信號。電流互感器次級繞組25的極性被這樣設(shè)定，使用電流的正半周對接地故障測試。這使得將適當?shù)貙μl信號調(diào)相，從而開啟供給SCR39和跳閘線圈41的半波電源。這樣的安排提供了這樣一點，即接地故障跳閘信號僅能產(chǎn)生在負載電流的正半周。但是，如果SCR39用半波整流后的電流供電的話，不管怎樣它僅能在交變的半周上導(dǎo)通。進一步講，在大多數(shù)應(yīng)用中跳閘信號延遲到二分之一周是無意義的。
我們也發(fā)現(xiàn)由運算放大器83進行的接地故障傳感信號的半波整流導(dǎo)致在上述引證申請中接地故障電路上電流互感器21的次級繞組25和到運算放大器83的輸入之間的耦合電容充電。在該電容上的充電導(dǎo)致當干擾終止時，在運算放大器上產(chǎn)生一個輸出，該輸出在極性上與整流后的干擾信號相反。這還能導(dǎo)致電路分斷器的誤跳閘。根據(jù)本發(fā)明，通過避免傳感器線圈與運算放大器的容性耦合來消除這種反沖。因此，在耦合電路中僅包括電阻33。
去耦合電容導(dǎo)致運算放大器的偏置電壓加到傳感器線圈21的次級繞組25上。因此應(yīng)使用低偏置運算放大器。大約百分之五或更少的偏置可提供令人滿意的工作?；旧?，該偏置低得足以使它不掩蓋交流接地故障信號。
正如前面所討論的，對于中線對地故障，第二電流互感器23經(jīng)連接到IC29的GAMP管腳的耦合電容63連接到運算放大器83的輸出。任何中線對地故障在連接到運算放大器83輸出的電流互感器23和連接到輸入端的電流互感器21之間形成一個反饋環(huán)路。當振蕩的幅值超過比較器89的閾值時，經(jīng)OR93開啟SCR39。
如所述的，電流互感器23也用于檢測濺射電弧故障。在次級繞組27上產(chǎn)生的di/dt信號經(jīng)跟隨運算放大器95施加到由比較器99和101構(gòu)成的窗口比較器97上，上述di/dt信號是由低通濾波器67限制帶寬的。比較器99和101將限制帶寬的di/dt信號與由電源81設(shè)定的正和負閾值比較。連接到VPOS的負載電阻103在限制帶寬的di/dt信號在所選限制內(nèi)時在比較器99和101的輸出上保持高邏輯信號。當檢測出代表濺射電弧故障的電流波形時，窗口比較器97的輸出變低。如果某些儀器在接通時產(chǎn)生類似波形，盡管一般幅值較低，在窗口比較器97的輸出上也設(shè)置了一個計數(shù)器電路107。該計數(shù)器電路107計數(shù)這樣的過程，即超過窗口比較器97閾值的情況。在最佳實施例中，該計數(shù)器電路107根據(jù)在選定時間間隔內(nèi)出現(xiàn)兩次這樣的過程來產(chǎn)生一個跳閘信號。
計數(shù)器電路107包括一個D觸發(fā)器109。該觸發(fā)器109被窗口比較器97的輸出經(jīng)反相器111計時。窗口比較器97的輸出還經(jīng)二極管113連接到比較器115的反相輸入端。比較器115把窗口比較器97的輸出與由電源81產(chǎn)生的正閾值電壓相比較。一般是，該基準電壓約為電源電壓的四分之三。比較器115的輸出被加到觸發(fā)器109的數(shù)據(jù)輸入D上。觸發(fā)器109的Q輸出當把時鐘脈沖加到CLK輸入端時，在D端上為信號的邏輯值，上述輸出在圖2的電路上未使用。因此，觸發(fā)器的Q輸出在觸發(fā)器被計時時，變成邏輯上相反的信號，該信號施加給D輸入。Q連接到OR93的反相輸入端。
比較器115的反相輸入端還經(jīng)IC29的RC管腳連接到定時電容器77(見圖1)上。電容器77的另一端連接到VPOS。在正常情況下，電容器77由并聯(lián)電阻79放電。因此，比較器115的輸出為低。當窗口比較器97的輸出首次變低，指示一次濺射電弧故障發(fā)生時，由脈沖前沿對觸發(fā)器109計時。當在時鐘脈沖下D輸入變低時，Q輸出的保持高電平，沒有門信號經(jīng)OR93加給SCR39。當窗口比較器97的輸出變低時，電容器77經(jīng)二極管113快速充電到約VPOS。當當時的非反相輸入端上的電壓超過基準值時，比較器115的輸出變高。在濺射電弧電流達到其峰值幅值，窗口比較器97的輸出再次變高時，電容77經(jīng)電阻79開始放電。選擇這些元件的值，使電容器77上的電壓保持在基準電壓以上，該電壓是對所選時間間隔加在比較器115上的。如所述的，一個適當?shù)臅r間間隔約為一秒。如果在計時器計時完畢之前窗口比較器97的輸出變低，這指示一次濺射電弧故障，在觸發(fā)器計時時觸發(fā)器109的D輸入將為高，因此Q輸出將變低，導(dǎo)致OR93的輸出變高，并開啟SCR39，激勵跳閘螺線管41。
本發(fā)明的接地故障電路分斷器可帶或不帶濺射電弧保護功能來使用。同樣，作為一種替換，可用中線11的電阻來檢測濺射電弧的故障而不用由電流互感器23傳感的信號，圖3表示具有如此修改的濺射電弧檢測器3′的斷路器1的局部電路，如圖所示，中線11的一段的電阻117產(chǎn)生一電壓，該電壓經(jīng)過由電阻121和電容123組成的低通濾波器119。然后該低通濾波器的輸出由高通濾波器125差分，該高通濾波器包括電容器127和電阻器129。由高通濾波器125接續(xù)的低通濾波器119的組合產(chǎn)生同圖1線圈電路一樣的限制帶寬的di/dt信號，雖然這是在很低的信號電平上。正由于這種很低的信號電平，高通濾波器125的輸出加到反相輸入端，該輸入端被認為是運算放大器95的NEGENH，使得由反饋電阻131確定的增益被加到它上面，從而增加信號電平用來施加給窗口比較器97。
雖然已詳細描述了本發(fā)明的特殊實施例，但對于本領(lǐng)域普通專業(yè)技術(shù)人員顯而易見的是，對這些內(nèi)容的各種修改和替換必須出現(xiàn)在所公開的全部指數(shù)的視野之中。因此，所公開的具體安排僅意味著舉例，并不限制本發(fā)明的范圍，而這一范圍由附帶的權(quán)利要求書和任何以所有等同物的整個寬度所給定。
權(quán)利要求
1.一種用于分斷受寬帶干擾的被保護的交流電氣系統(tǒng)中電流的接地故障電路分斷器(1)，所述的分斷器包括可打開的觸頭(51)用于分斷流過所述被保護電氣系統(tǒng)的電流；傳感裝置(21，23)，產(chǎn)生代表從所述被保護電氣系統(tǒng)流向地的交流電流的交流傳感器信號；跳閘信號產(chǎn)生裝置(29)，包括放大器裝置(83)和比較器裝置(89)，上述放大器裝置與所述的傳感裝置連接，在其輸出端產(chǎn)生一個放大后的交流傳感器信號，并且包含僅第一極性的放大后的寬帶干擾；上述比較器裝置與所述放大器裝置的所述輸出相連，并且僅當所述的放大后的交流信號是與所述第一極性相反的第二極性，并在幅值上超過一基準信號時產(chǎn)生接地故障跳閘信號；以及跳閘裝置(49)，響應(yīng)所述接地故障跳閘信號，打開所述可分觸頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的接地故障電路分斷器，其中所述跳閘信號產(chǎn)生裝置包括非容性輸入裝置(33)，上述裝置把所述放大器裝置(83)連接到所述傳感裝置(21、23)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的接地故障分斷器，其中所述放大器裝置包括具有不大于約百分之五偏壓的運算放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的接地故障分斷器，其中所述放大器裝置包括具有不大于約百分之五偏壓的運算放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的接地故障分斷器，其中所述跳閘信號產(chǎn)生裝置(49)，包括濺射電弧故障檢測裝置(95、97、99、101)，根據(jù)在所述電氣系統(tǒng)中濺射電弧故障的檢測，所述傳感裝置(23)產(chǎn)生一濺射電弧故障跳閘信號，以及其中所述跳閘裝置進一步響應(yīng)所述的濺射電弧跳閘信號、來打開所述可分觸頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的接地故障分斷器，其中所述跳閘信號產(chǎn)生裝置包括非容性輸入裝置，該裝置把所述放大器與所述傳感裝置相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的接地故障分斷器，其中所述放大器裝置包括具有不大于約百分之五偏壓的運算放大器。
全文摘要
在接地故障電路分斷器(1)中，可看到由負載瞬態(tài)過程感應(yīng)的寬帶干擾被檢測電路中的運算放大器(83)整流，僅把放大器的輸出和一閾值相比較來消除此寬帶干擾引起的誤跳閘，上述閾值與整流后的干擾信號極性相反，并且消除電流傳感器和運算放大器之間的耦合電容，這需要低偏壓的運算放大器，即在約百分之五或更少的等級上偏置。
文檔編號H02H3/33GK1103997SQ94115329
公開日1995年6月21日 申請日期1994年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月15日
發(fā)明者雷蒙德·W·麥肯齊, 約瑟夫·C·恩格爾 申請人:尹頓公司