[发明专利]使用单个变压器进行接地故障电路中断检测的方法和设备

说明书

相关申请的引用

本申请要求保护2009年5月14日提交的美国临时专利申请序列号61/216,234的权益，通过引用将该申请整体合并在此。

技术领域

本申请总体上涉及用于接地故障电路中断（“GFCI”）检测的方法和设备。更具体来说，本申请涉及使用单个变压器进行GFCI检测以便检测AC电力系统的电路分支中的地电流故障和接地中性（neutral）故障的方法和设备。

背景技术

单相AC电力系统的电路分支通常使用电缆，所述电缆包括耦合在源与负载之间的中性导体和线导体，其中中性导体在源处接地。GFCI器件被安装在这样的电路分支中，以便在检测到负载处的从线导体到地的地电流故障以及负载处的中性导体与地之间的接地中性故障（例如低阻抗连接故障）时中断电力。GFCI器件提供远离触电的安全保护，并且主要被用在其中水或湿气可能构成触电危险的厨房、浴室和户外区域内的插座中。GFCI器件也被用在保护这些相同区域的断路器中。

GFCI器件通常使用差动电流变压器来感测线导体和中性导体中的电流不平衡，所述电流不平衡是由来自线导体的接地泄漏电流通过除了中性导体之外的非意定接地电路路径返回到源而导致的。为了防止由于电击而受伤，GFCI器件必须在线导体与中性导体中的电流差动低至为5毫安时发起电路中断。

如果发生接地中性故障，则所述差动电流变压器可能无法检测到接地泄漏电流的真实量值。具体来说，由于中性导体通常在源处接地，因此接地泄漏电流的一部分可能会通过中性导体返回源。其结果是，差动电流变压器中的电流差动将不会精确地对应于接地泄漏电流的实际量值。因此，接地中性故障可能会降低差动电流传感器的灵敏度，从而使得GFCI器件将只会响应于显著更高的接地泄漏电流电平而跳闸（trip）。

为了解决这一问题，许多先前已知的GFCI器件使用中性导体上的第二变压器来检测接地中性故障。在这样的器件中，如果在中性导体与地之间存在低阻抗连接故障，则GFCI器件形成一个振荡器，其输出信号使用第二变压器耦合到差动电流变压器。所述振荡器信号随后被用来检测接地中性故障。在检测到接地中性故障之后，GFCI器件中断AC电力系统中的电力。这样的两变压器GFCI器件需要相当大的空间来容纳两个变压器，并且还会招致第二变压器的额外成本。

为了克服这些缺点，一些先前已知的GFCI器件使用单个变压器来检测地电流故障和接地中性故障。举例来说，Howell的标题为“Ground Fault Circuit Interrupter Utilizing A Single Transformer（利用单个变压器的接地故障电路中断器）”的美国专利号4,001,646描述了一种使用单个变压器来检测地电流故障和接地中性故障的GFCI器件。具体来说，Howell使用负电阻网络来形成振荡信号，除非在中性导体与地之间存在低阻抗连接故障，否则所述振荡信号将增大。在这方面，Howell的GFCI器件相当复杂且笨重。

此外，先前已知的两变压器和单变压器GFCI器件通常对于被用来检测接地中性故障的振荡器信号的量值或频率没有什么控制。其结果是，这样的器件可能无法提供一致且可靠的接地中性故障检测。因此，期望有改进的GFCI器件。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供一种用于与包括线导体、中性导体和变压器的AC电力系统一起使用的器件，所述线导体和中性导体每个都耦合在源与负载之间，中性导体在源处耦合到地，并且所述变压器包括与线导体串联耦合的第一初级绕组、与中性导体串联耦合的第二初级绕组以及次级绕组。所述器件包括耦合到次级绕组的第一电路，其中所述第一电路在从线导体到地的电流超出第一预定阈值的情况下提供第一检测信号。所述器件还包括耦合到次级绕组的第二电路，其中所述第二电路包括向次级绕组提供指定幅度和指定频率下的AC信号的AC信号源。所述第二电路还在中性导体与地之间的阻抗小于第二预定阈值的情况下提供第二检测信号。