用于多频接地故障电路中断接地中性故障检测的方法和装置

摘要

在第一方面中，提供了一种与AC电力系统一起使用的接地故障电路中断(“GFCI”)设备，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体和变压器。所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，并且所述中性导体在所述源处耦合至地。所述变压器包括与所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕组、以及次级绕组。所述设备包括耦合至所述次级绕组的接地中性故障检测器电路。所述接地中性故障检测器电路：(a)利用多频AC信号来驱动所述次级绕组；(b)监测所述次级绕组中的多频负载信号；以及(c)在所监测的负载信号超过预定阈值的情况下提供第一检测信号。还提供了许多其他方面。

说明书

相关申请的引用

本申请要求保护于2009年6月3日提交的序列号为61/183,709的 美国临时专利申请的权益，通过引用将该美国临时专利申请整体并入此 处。

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 和装置。更具体地，本申请涉及用于使用多音和/或多频信号进行GFCI 接地中性故障检测以检测AC电力系统的电路支路中的接地中性故障的 方法和装置。

背景技术

典型地，单相AC电力系统的电路支路使用包括耦合在源与负载之 间的线路导体和中性导体的电气线缆，其中，中性导体在源处接地。GFCI 设备安装在这种电路支路中，以在检测到来自在负载处接地的线路导体 的接地电流故障以及中性导体与负载处的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设备提供免于触电死亡的安 全保护，并主要用在其中水或湿气可造成触电死亡的风险的厨房、浴室 和户外区域中的插座中。GFCI设备还用在保护这些相同区域的断路器 中。

典型地，GFCI设备使用差动电流变压器来在线路和中性导体中感 测由从线路导体经过与中性导体不同的非预期接地电路路径返回至源 的接地泄漏电流产生的电流不平衡。为了防止来自电击的损伤，GFCI 设备必须在线路和中性导体中的电流差动低至5毫安时发起电路中断。

如果发生接地中性故障，则差动电流变压器可能不会检测到接地泄 漏电流的真实量值。具体地，由于中性导体典型地在源处接地，因此接 地泄漏电流的一部分可以通过中性导体返回至源。结果，差动电流变压 器中的电流差动将不会精确对应于接地泄漏电流的实际量值。因此，接 地中性故障可能对差动电流传感器不敏感，以使得GFCI设备将仅响应 于显著更高的接地泄漏电流电平而跳闸。

为了解决该问题，许多先前已知的GFCI设备在中性导体上使用第 二变压器来检测接地中性故障。在这种设备中，如果在中性导体与地之 间存在低阻抗连接故障，则GFCI设备形成振荡器，使用第二电压器将 该振荡器的输出信号耦合至差动电流变压器。然后，使用振荡器信号来 检测接地中性故障。在检测到接地中性故障时，GFCI设备中断AC电力 系统中的电力。

备选地，一些先前已知的GFCI设备使用单个变压器来检测接地电 流故障和接地中性故障。例如，名称为“Ground Fault Circuit Interrupter  Utilizing A Single Transformer”的Howell美国专利No.4,001,646描述了 一种GFCI设备，其使用单个变压器来检测接地电流故障和接地中性故 障。具体地，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，否则该振荡信号增长。

其他单变压器GFCI设备(例如，在于2010年5月13日提交的名 称为“METHOD S AND APPARATUS FOR GROUND FAULT CIRCUIT  INTERRUPT DETECTION USING A SINGLE TRANSFORMER”的序列 号为12/779,406的共同待审美国专利申请中描述的GFCI设备，出于所 有目的通过引用将该美国专利申请整体并入此处)通过使用AC源(例 如AC电压源)驱动单个变压器并监测变压器中的负载电流，来检测接 地中性故障。

在一些先前已知的双变压器和单变压器GFCI设备中，振荡器或AC 源连续地、周期性地、或仅在发生接地中性故障时进行操作。大多数先 前已知的GFCI设备使用振荡器或AC源以及比较器，该振荡器或AC 源使用相对较高的单频AC信号，该比较器在超过阈值电平的情况下跳 闸。许多这种GFCI设备易受干扰信号影响，干扰信号可以防止对接地 中性故障的检测，或者可以被错误地检测为接地中性故障，从而不必要 地中断AC电力(通常称为误跳闸(nuisance trip))。

具体地，AC电力系统可以具有产生干扰GFCI设备的信号的负载电 路。例如，电动机(尤其是可变速度电动机)在调光器或风扇速度控制 器中旋转切换，并且，荧光灯器具可以产生这种干扰信号。典型地，干 扰信号在频率上比50或60Hz的AC电力系统频率更高很多。典型地， GFCI设备中用于检测接地泄漏电流的电路包括低通滤波，该低通滤波 防止高频干扰信号扰乱检测器。然而，使用更高单频AC信号检测方法 的接地中性故障检测器易受这种高频干扰信号影响。

因此，期望改进的GFCI设备。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供了一种与AC电力系统一起使用的 GFCI设备，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体和变压器。所述 线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，并且所述中 性导体在所述源处耦合至地。所述变压器包括与所述线路导体串联耦合 的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕组、以及次级 绕组。所述设备包括耦合至所述次级绕组的接地中性故障检测器电路。 所述接地中性故障检测器电路：(a)利用多频AC信号来驱动所述次级 绕组；(b)监测所述次级绕组中的多频负载信号；以及(c)在所监测 的负载信号超过预定阈值的情况下提供第一检测信号。还提供了许多个 其他方面。

在本发明的第二方面中，提供了一种与AC电力系统一起使用的 GFCI设备，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体和变压器。所述 线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间，并且所述中 性导体在所述源处耦合至地。所述变压器包括与所述线路导体串联耦合 的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕组、以及次级 绕组。所述设备包括耦合至所述次级绕组的接地中性故障检测器电路。 所述接地中性故障检测器电路包括：(a)AC信号源，其利用多频AC 信号来驱动所述次级绕组；(b)检测器电路，其监测所述次级绕组中 的多频负载信号；以及(c)处理器，其在所监测的负载信号超过预定 阈值的情况下提供第一检测信号。

在本发明的第三方面中，提供了一种与AC电力系统一起使用的用 于GFCI检测的方法，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体和变 压器。所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载之间， 并且所述中性导体在所述源处耦合至地。所述变压器包括与所述线路导 体串联耦合的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第二初级绕 组、以及次级绕组。所述方法包括：(a)在第一预定时间间隔，(i) 监测所述次级绕组中的电流，以及(ii)在所监测的次级电流超过第一 预定阈值的情况下提供第一检测信号；以及(b)在第二预定时间间隔， 利用多频AC电压或电流来驱动所述次级绕组；(ii)监测所述次级绕 组中的多频负载电流或所述次级绕组两端的多频电压，以及(iii)对多 频驱动信号与多频监测信号进行处理，以确定低阻抗接地中性故障是否 小于第二预定阈值。

在本发明的第四方面中，提供了一种与AC电力系统一起使用的 GFCI设备，所述AC电力系统包括线路导体、中性导体、第一变压器和 第二变压器。所述线路导体和所述中性导体中的每一个耦合在源与负载 之间，并且所述中性导体在所述源处耦合至地。所述第一变压器包括与 所述线路导体串联耦合的第一初级绕组、与所述中性导体串联耦合的第 二初级绕组、以及次级绕组。所述第二变压器包括与所述中性导体串联 耦合的第一初级绕组以及次级绕组。所述设备包括耦合至所述第二变压 器的次级绕组的多频信号驱动器电路以及耦合至所述第一变压器的次 级绕组的接地中性故障检测器电路。所述多频信号驱动器电路利用多频 AC信号来驱动所述第二变压器的次级绕组。所述接地中性故障检测器 电路包括：(a)检测器电路，其监测所述第二变压器的次级绕组中的 多频负载信号；以及(b)处理器，其在所监测的负载信号超过预定阈 值的情况下提供第一检测信号。

根据下面的详细描述、所附权利要求书和附图，本发明的其他特征 和方面将变得更加完全显而易见。

附图说明

根据在下面结合附图考虑的具体实施方式，可以更加清楚地理解本 发明的特征，其中相同的参考数字始终指示相同的元件，并且在附图中：

图1是根据本发明的示例性单变压器多频GFCI设备的框图；

图2是根据本发明的与GFCI设备一起使用的示例性多频信号的图；

图3是根据本发明的与GFCI设备一起使用的备选示例性多频信号 的图；

图4是根据本发明的示例性单变压器多频GFCI设备的更详细框图；

图5是与图4的示例性设备一起使用的示例性全波整流器混频器；

图6是根据本发明的备选示例性单变压器多频GFCI设备的框图；

图7是根据本发明的示例性双变压器多频GFCI设备的框图；

图8是根据本发明的示例性双变压器多频GFCI设备的更详细框图；

图9是根据本发明的另一备选示例性单变压器多频GFCI设备的框 图；以及

图10是根据本发明的备选示例性双变压器多频GFCI设备的框图。

具体实施方式

本发明提供了改进的GFCI设备，其使用多音和/或多频AC信号来 检测AC电力系统中的接地中性故障。具体地，根据本发明的GFCI设 备包括变压器、接地电流故障检测器电路和接地中性故障检测器电路。 在第一预定时间间隔，接地电流故障检测器电路监测所述变压器的次级 绕组中的第一电流，以确定接地泄漏电流是否超过第一预定阈值。如果 超过第一阈值，则GFCI设备中断AC电力系统。

在第二预定时间间隔期间，接地中性故障检测器电路利用多频AC 信号(例如电压或电流)来驱动变压器的次级绕组，并检测变压器的次 级绕组中的多频AC信号(例如负载电流或感应电压)，以确定低阻抗 地至中性故障是否小于第二预定阈值。具体地，接地中性故障检测器电 路对多频驱动信号与检测到的多频信号进行处理(例如混频或互相关)， 以在存在干扰信号和/或噪声的情况下改进检测。

参照图1，描述根据本发明的第一示例性GCFI设备。GFCI设备10 包括变压器12、接地电流故障检测器电路14、多频接地中性故障检测 器电路16和中断电路18。变压器12是具有环形磁芯和次级绕组20的 差动电流变压器。本领域普通技术人员将理解，可以使用其他差动电流 变压器。

AC电力系统的线路导体L和中性导体N经过变压器12的作为单匝 初级绕组的环形磁芯。本领域普通技术人员将理解，备选地，线路导体 L和中性导体N可以被配置为变压器12的多匝初级绕组。线路导体L 和中性导体N中的每一个耦合在源(“SOURCE”)与负载(“LOAD”) 之间，并且中性导体N在源处耦合至地。

次级绕组20耦合至接地电流故障检测器电路14的输入端子和多频 接地中性故障检测器电路16的输出端子。次级绕组20可以是具有N_s匝的单个绕组，如图1所示。备选地，次级绕组20可以包括：具有N_s1匝的第一次级绕组，其耦合至接地电流故障检测器电路14的输入端子； 以及具有N_s2匝的第二次级绕组，其耦合至多频接地中性故障检测器电 路16的输入端子。

在其他实施例中，次级绕组20可以包括单个绕组，该单个绕组包 括耦合至接地电流故障检测器电路14的输入端子的第一抽头输出端和 耦合至多频接地中性故障检测器电路16的输入端子的第二抽头输出端。 本领域普通技术人员将理解，可以使用其他类似绕组配置。

根据本发明，GFCI设备10通过监测变压器12的次级绕组20处的 信号来检测负载处的线路至地故障(被指示为R_L2G)和负载处的低阻抗 地至中性故障(被指示为R_G2N)。

具体地，流经线路至地故障R_L2G的接地泄漏电流I_L2G产生经过变压 器12的差动电流。差动电流使次级绕组20引导与接地泄漏电流I_L2G乘 以次级绕组20上的匝数N_s的倒数相关的电流I_s：

$I_s=\frac{I_{L2G}}{N_S}---\left(1\right)$

因此，通过监测次级电流I_s并知道匝数比N_s，可以根据等式(1)确定 接地泄漏电流I_L2G。

此外，可以通过利用多频AC信号(例如电压或电流)驱动次级绕 组20并监测变压器12的次级绕组20处的对应负载信号(例如电流或 电压)来确定低阻抗地至中性故障R_G2N。

低阻抗地至中性故障R_G2n表现为次级绕组20处的相对较低的阻抗。 具体地，假定R_L2G比R_G2N更大很多，那么变压器12的阻抗Z_s针对次级 而表现为：

$Z_s=N_s^2{R}_{G2N}---\left(2\right)$

因此，如果利用多频AC电压V_ac来驱动次级绕组20，则驱动次级绕组 20所需的负载电流I_ac是：

$I_{\mathrm{ac}}=\frac{V_{\mathrm{ac}}}{Z_s}---\left(3\right)$

因此，通过监测负载电流I_ac，可以根据等式(2)和(3)计算R_G2N。

根据本发明，接地故障检测器电路14通过监测变压器12中的差动 电流来检测接地泄漏电流I_L2G。具体地，在第一预定时间间隔T1，接地 故障检测器电路14监测次级绕组20中的电流I_s。第一预定时间间隔T1 可以是约100毫秒，更一般地，在约1与560毫秒之间，尽管可以使用 其他时间间隔。通过监测次级电流I_s并知道匝数比N_s，可以根据等式(1) 确定接地泄漏电流I_L2G。

因此，如果所监测的次级电流I_s指示接地泄漏电流I_L2G已经超过第 一预定值，则接地电流故障检测器电路14在输出端子处生成第一检测 信号GCF，该第一检测信号GCF使中断电路18将线路导体L开路，并 从而中断AC电力系统。

例如，GCF信号通常可以为低(LOW)，但是，如果接地泄漏电流 I_L2G超过第一预定值，则GCF信号可以从低切换至高(HIGH)。本领 域普通技术人员将理解，备选地，GCF信号通常可以为高，但是，如果 接地泄漏电流I_L2G超过第一预定值，则GCF信号可以从高切换至低。

在第一预定时间间隔T1之后，多频接地中性故障检测器电路16在 第二预定时间间隔T2内利用多频AC信号来驱动次级绕组20，以监测 低阻抗地至中性故障R_G2N。第二预定时间间隔T2可以是约5毫秒，更 一般地，在约0.1与17毫秒之间，尽管可以使用其他持续时间。例如， 在第二预定时间间隔T2，多频接地中性检测器电路16利用具有指定量 值和指定频谱的多频AC电压来驱动次级变压器20。

在图2中图示了示例性多频AC电压信号V_ac。在所示的示例中，多 频AC电压信号V_ac包括三个间隔INT1、INT2和INT3，具有与每个间 隔相关联的对应唯一频率。因此，在第一间隔INT1中，电压信号V_ac具有第一频率f₁。在第二间隔INT2中，电压信号V_ac具有与第一频率f₁不同的第二频率f₂。在第三间隔INT3中，电压信号V_ac具有与第一频率 f₁和第二频率f₂不同的频率f₃。

例如，频率f₁、f₂和f₃可以分别是40kHz、50kHz和60kHz，并且， 间隔INT1、INT2和INT3可以在持续时间上基本上相等。间隔INT1、 INT2和INT3中的每一个可以是约1.2毫秒，更一般地在约0.03与5.6 毫秒之间，尽管可以使用其他时间间隔。本领域普通技术人员将理解， 可以使用其他波形(如方波、三角波和其他波形)，可以使用其他频率， 可以使用多于或少于三个间隔，并且间隔的持续时间不需要相等。

驱动次级绕组20所需的负载电流I_ac等于多频AC电压信号V_ac除以 变压器12的阻抗Z_s，如以上在等式(3)中阐述的那样。根据等式(2) 和(3)，可以将负载电流I_ac写为：

$I_{\mathrm{ac}}=\frac{V_{\mathrm{ac}}}{\left(N_s^2{R}_{G2N}\right)}---\left(4\right)$

理想地，R_G2N是无穷大，且负载电流I_ac是0。然而，如果存在低阻抗地 至中性故障，则R_G2N是非无穷大，且可以相当低。随着R_G2N减小，负 载电流I_ac增大。因此，通过确定负载电流I_ac，可以检测低阻抗地至中 性故障R_G2N。

理想地，在次级绕组20中流动的非零电流对应于负载电流I_ac。然 而，次级绕组20还可以引导由干扰信号(例如，来自附近负载，诸如 用于荧光照明的镇流器、可变速度电动机、旋转调光器开关，或者其他 类似干扰信号)引起的电流I_int，并且，干扰电流可以损害对负载电流I_ac的检测。因此，检测到的负载电流可以被表达为：

$I_{\mathrm{ac}}^{\prime }=I_{\mathrm{ac}}+I_{\mathrm{int}}---\left(5\right)$

其中，I_ac是与低阻抗地至中性故障R_G2N相对应的负载电流，并且I_int是 不需要的干扰信号。

在传统GFCI设备中，干扰信号I_int的存在可能防止对低阻抗地至中 性故障的检测，或可能引起对这种故障的误检测。相比之下，根据本发 明的方法和装置允许在存在干扰信号的情况下检测低阻抗地至中性故 障，并且基本上减少了由于这种干扰信号而引起的对低阻抗地至中性故 障的误检测。

具体地，AC电压信号V_ac的多频特性便于检测负载电流I_ac，即使 在存在干扰信号I_int的情况下也是如此。与AC电压信号V_ac类似，负载 电流I_ac是多频信号。例如，如果使用图2所示的示例性三间隔多频AC 电压信号V_ac来驱动次级绕组20(并假定线性)，则负载电流I_ac将类似 地具有三个间隔，具有与每个间隔相关联的对应的唯一频率。负载电流 I_ac的多频特性允许将该信号与可在检测到的负载电流中存在的干扰 信号I_int区分开来。

如以下更详细描述，可以使用多种技术将负载电流I_ac与干扰信号 I_int区分开来。在一种示例性技术中，可以将检测到的负载电流与AC 电压信号V_ac进行混频，并且可以将混频输出信号的DC分量与预定阈 值进行比较。

例如，如果使用图2的示例性多频AC电压信号V_ac来驱动次级绕 组20，则多频AC电压信号V_ac和负载电流I_ac二者均将包括三个间隔， 在每个间隔中具有对应的唯一频率f₁、f₂和f₃。如果干扰信号I_int具有频 率f_int，以及如果将检测到的负载电流与多频AC电压信号V_ac进行混 频(例如复用)，并假定在AC电压信号V_ac与检测到的负载电流之 间没有相位延迟，那么所得到的三间隔混频输出信号具有以下频率分 量：

表1：混频输出信号频率分量

  间隔   V_ac  I_ac′   V_acxI_ac′   1   f₁  f₁+f_int  DC+2f₁+(f₁+f_int)+(f₁-f_int)   2   f₂  f₂+f_int  DC+2f₂+(f₂+f_int)+(f₂-f_int)   3   f₃  f₃+f_int  DC+2f₃+(f₃+f_int)+(f₃-f_int)

因此，在每个间隔，混频输出信号包括DC分量，加上更高频率分 量。如果f_int不等于f₁、f₂或f₃，则每个间隔中的DC分量等于：

如果间隔中的DC分量超过预定阈值信号(指示R_G2N小于第二预定 阈值)，则可以存在低阻抗地至中性故障。为了避免在f_int接近于f₁、f₂或f₃中的一个或多个的情况下可得到的错误肯定，可以针对所有三个间 隔执行该比较。如果在这三个间隔中的至少两个中DC分量超过预定阈 值，则接地中性检测器电路16在输出端子处生成第二检测信号GNF， 这使中断电路18将线路导体L开路，且从而中断AC电力系统。

例如，GNF信号通常可以为低，但是，如果负载电流I_ac超过第二 预定阈值，则GNF信号可以从低切换至高。本领域普通技术人员将理 解，备选地，GNF信号通常可以为高，但是，如果负载电流I_ac超过第 二预定阈值，则GNF信号可以从高切换至低。

一般地，AC电压信号V_ac可以包括M个频率间隔，其中，M可以 是3、4、5、...，并且，接地中性检测器电路16可以在这M个间隔中 的每一个中将所提取的DC分量与预定阈值进行比较。如果在这M个不 同间隔中的至少N个间隔中超过预定阈值，其中N≤M，则接地中性检 测器电路16可以在输出端子处生成第二检测信号GNF，这使中断电路 18将线路导体L开路，且从而中断AC电力系统。

本领域普通技术人员将理解，备选地，多频接地中性检测器电路16 可以利用具有指定量值I_ac和指定频谱的多频AC电流来驱动次级绕组 20，并可以监测次级绕组20两端的驱动电压V_ac。可以将所监测的驱动 电压V_ac与驱动电流I_ac进行混频，并且可以在多个间隔中将所得到的输 出信号的DC分量与预定阈值信号进行比较，如上所述。

在根据本发明的备选示例性技术中，可以使用互相关技术来检测低 阻抗接地中性故障R_G2N。这种技术可以有益于将多频负载电流I_ac与干 扰加噪声区分开来，并可以降低对多频AC电压信号V_ac与检测到的负 载电流之间的相位差的灵敏度。

在互相关技术中，将检测到的负载电流与多频AC电压信号V_ac进行互相关，以产生互相关输出信号。例如，可以将负载电流的数字 样本与多频AC电压信号V_ac的数字样本进行互相关。如果互相关输出 信号超过预定阈值，则接地中性检测器电路16可以在输出端子处生成 第二检测信号GNF，这使中断电路18将线路导体L开路，且从而中断 AC电力系统。

除了使用互相关技术以外，可以增加多频AC电压信号V_ac的频谱， 这可以进一步改进检测性能。例如，图3示出了基本上以“啁啾(chirp)” 信号的形式的备选示例性多频AC电压信号V_ac。啁啾信号连续改变频 率，并包含无穷多数目的频率。

本领域普通技术人员将理解，可以使用其他类似技术和其他类似多 频AC信号来将多频负载电流I_ac与不需要的干扰和/或噪声区分开来。

再次参照图1，在第二预定时间间隔T2之后，多频接地中性故障检 测器电路16停止驱动次级绕组20，并且接地电流故障检测器电路14重 新开始监测在变压器12中流动的差动电流。该过程以迭代的方式重复， 以便连续检测线路至地故障和低阻抗地至中性故障。

本领域普通技术人员将理解，备选地，多频接地中性故障检测器电 路16可以在连续的第二预定时间间隔T2期间利用不同AC信号频率来 驱动次级绕组20。例如，以下是可能的：

如上所述，中断电路18被用于将线路导体L开路，并且从而分别 基于第一和第二检测信号GCF和GNF来中断AC电力系统。具体地， 中断电路18具有：第一输入端子，其在源处耦合至线路导体L；第二输 入端子，其耦合至接地电流故障检测器电路14的输出端子和多频接地 中性故障检测器电路16的输出端子；以及输出端子，其耦合至变压器 12的线路导体L初级绕组。

第一输入端子通常耦合至中断电路18的输出端子，除非第二输入 端子处的信号具有预定值(例如高)。因此，如果GCF和GNF二者均 为低，则源处的线路导体L耦合至变压器12的线路导体L初级绕组。 如果GCF或GNF变为高(分别指示接地电流故障或接地中性故障)， 则源处的线路导体L从变压器12的线路导体L初级绕组断开。

本领域普通技术人员将理解，备选地，中断电路18可以位于变压 器12与负载(LOAD)之间。在这种备选实施例中，如果GCF和GNF 二者均为低，则变压器12的线路导体L初级绕组在负载处耦合至线路 导体L。如果GCF或GNF变为高(分别指示接地电流故障或接地中性 故障)，则变压器12的线路导体L初级绕组在负载处从线路导体L断 开。

根据本发明的GFCI设备(诸如GFCI设备10)可以在数字电路、 模拟电路或者数字和模拟电路的组合中实现。现在参照图4，描述使用 数字电路实现的示例性GCFI设备10a。GFCI设备10a包括变压器12、 接地电流故障检测器电路14a、多频接地中性故障检测器电路16a和中 断电路18a。

示例性接地电流故障检测器电路14a包括缓冲器(或放大器)30(这 里被称作“缓冲器/放大器30”)、复用器(“MUX”)32、模拟到数 字转换器(“ADC”)34、处理器36和控制器38。控制器38可以是微 处理器或其他类似控制器电路。缓冲器/放大器30具有耦合至次级绕组 20的输入端子和耦合至MUX 32的第一输入端子IN1的输出端子。MUX 32具有第二输入端子IN2、耦合至控制器38的控制端子和耦合至ADC 34的输入端子的输出端子。ADC 34还具有耦合至控制器38的控制端子， 并且具有耦合至处理器36的输入端子的输出端子。

在第一预定时间间隔T1期间，控制器38对多频接地中性故障检测 器电路16a进行去激活，驱动信号V_ac为0，且检测到的负载电流为0。 因此，缓冲器/放大器30的输出是所监测的次级电流I_s，其耦合至MUX 32上的输入端子IN1。控制器38将控制信号提供给MUX 32，以将IN 1 输入端选择为MUX 32的输出端。ADC 34对经过缓冲(或放大)的次 级电流I_s信号进行采样，并将与次级电流I_s相对应的数字计数提供给处 理器36。

处理器36可以是微处理器集成电路或其他类似处理器。备选地， 可以将ADC 34和处理器36组合到包括微处理器和模拟到数字转换器的 单个设备(诸如，加利福尼亚的圣何塞的Atmel Corporation的 ATTINY461A微控制器或者德克萨斯州的达拉斯的Texas Instruments组 合公司的MSP430s微控制器)中。处理器36对转换后的I_s数据进行处 理，以确定接地泄漏电流I_L2G是否超过第一预定阈值。

如果接地泄漏电流I_L2G超过第一预定阈值，则处理器36将输出信 号提供给控制器38以指示存在接地电流故障。控制器38进而将第一检 测信号GCF提供给中断电路18a。在所示的实施例中，中断电路18a包 括晶闸管60，该晶闸管60耦合至跳闸线圈62并具有耦合至控制器38 的控制输入。中断电路18a还包括耦合至跳闸螺线管62的接触件64。 第一检测信号GCF使晶闸管60导通，这进而给跳闸螺线管62通电，并 且使接触件64断开，并且从而中断AC电力系统。

如前所述，在第一预定时间间隔T1期间，控制器38对多频接地中 性故障检测器电路16a进行去激活。在第一预定时间间隔T1之后，控 制器38在第二预定时间间隔T2内对多频接地中性故障检测器电路16a 进行激活。

具体地，多频接地中性故障检测器电路16a包括：数字信号发生器 40，其具有耦合至数字到模拟转换器(“DAC”)42的输入端子的输出 端子；第一低通滤波器(“LPF”)44，其具有耦合至DAC 42的输出 端子的输入端子；驱动器46，其具有耦合至LPF 44的输出端子的输入 端子；混频器48，其具有耦合至驱动器46的输出端的输入端子；第二 LPF 50，其具有耦合至混频器48的输出端子的输入端子；以及MUX 32， 其具有耦合至LPF 50的输出端的第二输入端子IN2。多频接地中性故障 检测器电路16a还包括上述ADC 34、处理器36和控制器38。

在第一预定时间间隔T 1之后，控制器38接通数字信号发生器40， 该数字信号发生器40将数字数据提供给DAC 42以生成具有指定量值和 频谱的模拟输出信号。根据本发明，数字信号发生器40和DAC 42可以 用于生成多频AC信号，诸如，图2的示例性多频输出信号V_ac。

DAC 42的输出由LPF 44进行平滑，该LPF 44提供多频输出信号 驱动器46接收输出信号并利用多频输出信号V_ac来驱动次级 绕组20，该多频输出信号V_ac与基本上相等。在图4的示例性实施例 中，多频接地中性故障检测器电路16a利用多频AC电压V_ac来驱动次 级绕组20，并监测由次级绕组20引导的检测到的负载电流

具体地，驱动器46可以包括电流镜像，该电流镜像提供与检测到 的负载电流基本上相等的镜像负载电流混频器48将镜像负载电 流与多频输出信号进行混频，以提供由LPF 50滤波的混频输出信 号。

混频器48可以是任何传统混频器电路。例如，混频器48可以是开 关全波整流器混频器，诸如，图5所示的示例性开关全波整流器混频器 48a。具体地，混频器48a包括放大器，其具有分别为输入端A(INPUT A)和输入端B(INPUT B)的反相和非反相输入端子。镜像负载电流可以耦合至输入端A和输入端B，并且备选地，开关可以在多频输出信 号的过零处切换反相和非反相输入端。本领域普通技术人员将理解， 可以使用其他混频器电路。

再次参照图4，多频AC输出信号和镜像负载电流中的每一个 包括三个间隔，在每个间隔中具有对应的唯一频率f₁、f₂和f₃。如果干 扰信号I_int具有频率f_int，以及如果将镜像负载电流与多频AC电压信 号进行混频，并假定在AC电压信号与镜像负载电流之间没有相 位延迟，那么所得到的三间隔混频输出信号具有以下频率分量：

表2：混频输出信号频率分量

  间隔   V_ac′   I_ac″   V_ac′x I_ac″

  1   f₁  f₁+f_int  DC+2f₁+(f₁+f_int)+(f₁-f_int)   2   f₂  f₂+f_int  DC+2f₂+(f₂+f_int)+(f₂-f_int)   3   f₃  f₃+f_int  DC+2f₃+(f₃+f_int)+(f₃-f_int)

因此，在每个间隔，混频输出信号包括DC分量，加上更高频率分量。

混频器48的输出由低通滤波器50滤波。如果LPF 50具有比表2 中的差频中的任一个更小很多的带宽，以及如果f_int不等于f₁、f₂或f₃， 则LPF 50的输出DC_out等于每个间隔中的DC分量，如以上在等式(6) 中阐述。DC_out耦合至MUX 32的第二输入端IN2。

在第二预定时间间隔T2期间，控制器38将控制信号提供给MUX 32 以将IN2输入端选择为MUX 32的输出端。ADC 34对DC_out进行采样并 将与DC_out相对应的数字计数提供给处理器36。处理器36对转换后的 DC_out数据进行处理，以确定在M个间隔中的至少N个间隔(例如，3 个间隔中的至少2个间隔)中混频器输出的DC分量是否超过预定值(指 示R_G2N已经降至第二预定阈值以下)。

如果在M个间隔中的至少N个间隔中DC_out超过预定值，则处理器 36将输出信号提供给控制器38以指示存在接地中性故障。控制器38进 而将第二检测信号GNF提供给中断电路18a。第二检测信号GNF使晶 闸管60导通，这进而给跳闸螺线管62通电，并且使接触件64断开， 且从而中断AC电力系统。

在第二预定时间间隔T2之后，控制器38关断数字信号发生器40， 并且接地电流故障检测器电路14重新开始监测在变压器12中流动的差 动电流。该过程以迭代的方式重复，以便连续检测线路至地故障和低阻 抗地至中性故障。

如前所述，备选地，根据本发明的GFCI设备可以使用模拟电路而 实现。现在参照图6，描述使用模拟电路实现的示例性GCFI设备10b。 GFCI设备10b包括变压器12、接地电流故障检测器电路14b、多频接 地中性故障检测器电路16b、中断电路18a和受控开关94。变压器12 具有次级绕组20，该次级绕组20具有N_sa匝的第一抽头输出端20a和 N_sb匝的第二抽头输出端20b。

示例性接地电流故障检测器电路14b包括缓冲器(或放大器)30(这 里被称作“缓冲器/放大器30”)，该缓冲器(或放大器)30具有通过 受控开关94耦合至次级绕组20的输入端子，并且示例性接地电流故障 检测器电路14b具有耦合至LPF 54的输入端子的输出端子。LPF 54具 有耦合至峰值检测器60的输入端子的输出端子，该峰值检测器60具有 耦合至比较器62的输入端子的输出端子。比较器62具有耦合至晶闸管 60的输入端子的输出端子。

在第一预定时间间隔T1期间，定时器电路(控制器/定时器64，以 下描述)闭合受控开关94，并对多频接地中性故障检测器电路16b进行 去激活。由此，驱动信号V_ac为0，并且检测到的负载电流为0。因此， 缓冲器/放大器30的输出是所监测的次级电流I_s，其由LPF 54进行平滑， 并且经过平滑的次级电流I_s信号耦合至峰值检测器60的输入。峰值检 测器60提供与次级电流I_s的峰值相等的DC输出电压。峰值检测器输出 是作为去到比较器62的输入而提供的。

比较器62提供以下输出信号：如果峰值次级电流I_s具有超过第一 预定阈值除以N_sa的值(即，如果接地泄漏电流I_L2G超过第一预定阈值)， 则该输出信号改变状态(例如从低切换至高)。因此，比较器62将第 一检测信号GCF提供给中断电路18a。第一检测信号GCF使晶闸管60 导通，这进而给跳闸螺线管62通电，并且使接触件64断开，且从而中 断AC电力系统。

如前所述，在第一预定时间间隔T1期间，多频接地中性故障检测 器电路16b是不活动的。在第一预定时间间隔T1之后，接地电流故障 检测器电路14b是不活动的，并且多频接地中性故障检测器电路16b在 第二预定时间间隔T2是活动的。

具体地，多频接地中性故障检测器电路16b包括差动放大器80、混 频器48、LPF 50、比较器86、跳闸积分器88、跳闸比较器90、控制器/ 定时器64、AC信号发生器66、可编程除法器68、相位比较器70、环 路滤波器72、驱动器46、感测电阻器R_SENSE和电容器C_R。在第一预定 时间间隔T1之后，控制器/定时器64断开受控开关94，这有效地对接 地电流故障检测器电路14b进行去激活并对AC源66进行激活。

AC源66可以是将多频AC信号(例如AC电压或AC电流)提供 给驱动器46的振荡器。AC源66可以生成正弦信号，或者备选地可以 生成非正弦波形，如方波、斜波(ramp)或其他类似波形。

根据本发明，AC源66生成具有指定量值和指定频谱的多频AC信 号。具体地，控制器/定时器64可以将可编程除法器68、相位比较器70、 环路滤波器72和AC源66编程为产生具有指定间隔处的指定信号频率 的多频AC信号。

在图6所示的实施例中，AC源66将多频AC电压信号提供给驱 动器46，该驱动器46将多频AC输出信号V_ac(例如，图2的示例性三 间隔AC信号V_ac)提供给次级绕组20的第二抽头输出端20b。因此， 在第二预定时间间隔T2期间，多频接地中性故障检测器电路16b利用 多频AC电压信号V_ac来驱动次级绕组20。

差动放大器80测量感测电阻器R_SENSE两端的电压，以检测由驱动 器46供给的负载电流R_SENSE可以具有约1与10欧姆之间的值，然 而根据次级绕组的匝数、驱动器、以及检测电路的灵敏度，可以使用其 他电阻值。差动放大器80将输出感测负载电流提供给混频器48。混 频器48(诸如，图5的示例性混频器48a)将感测负载电流与多频 AC电压信号进行混频。

多频AC输出信号和感测负载电流中的每一个包括三个间隔， 在每个间隔中具有对应的唯一频率f₁、f₂和f₃。如果干扰信号I_int具有频 率f_int，以及如果将感测负载电流与多频AC电压信号进行混频，并 假定在AC电压信号与感测负载电流之间没有相位延迟，那么所得 到的三间隔混频输出信号具有以下频率分量：

表3：混频输出信号频率分量

  间隔   V_ac′   I_ac″   V_ac′x I_ac″   1   f₁  f₁+f_int  DC+2f₁+(f₁+f_int)+(f₁-f_int)   2   f₂  f₂+f_int  DC+2f₂+(f₂+f_int)+(f₂-f_int)   3   f₃  f₃+f_int  DC+2f₃+(f₃+f_int)+(f₃-f_int)

因此，在每个间隔，混频输出信号包括DC分量，加上更高频率分量。

混频器48的输出由低通滤波器50滤波。如果LPF 50具有比表2 中的差频中的任一个更小许多的带宽，以及如果f_int不等于f₁、f₂或f₃， 则LPF 50的输出DC_out等于每个间隔中的DC分量，如以上在等式(6) 中阐述。DC_out耦合至比较器86、跳闸积分器88和跳闸比较器90。

比较器86提供以下输出信号：如果DC_out超过预定值(指示R_G2N已经降至第二预定阈值以下)，则该输出信号改变状态(例如从低切换 至高)。跳闸积分器88累积比较器86的输出，并且跳闸比较器90将 累积输出与预定阈值进行比较。如果在M个间隔中的至少N个间隔(例 如3个间隔中的至少2个间隔)中DC_out超过预定值，则跳闸比较器90 将第二检测信号GNF提供给中断电路18a。第二检测信号GNF使晶闸 管60导通，这进而给跳闸螺线管62通电，并且使接触件64断开，并 且从而中断AC电力系统。

根据本发明的方法和装置还可以与双变压器GFCI设备一起使用。 具体地，现在参照图7，描述根据本发明的另一备选示例性GFCI设备 100。GFCI设备100包括第一变压器12、接地电流/接地中性故障检测 器电路14、多频信号驱动器电路24、中断电路18和第二变压器26。第 二变压器26具有环形磁芯和次级绕组28。本领域普通技术人员将理解， 可以使用其他变压器。

中性导体N经过第二变压器26的作为单匝初级绕组的环形磁芯。 本领域普通技术人员将理解，备选地，中性导体N可以被配置为第二变 压器26的多匝初级绕组。

次级绕组20耦合至接地电流/接地中性故障检测器电路22的输入端 子。根据本发明，GFCI设备100通过监测第一变压器12的次级绕组20 处的信号来检测负载处的线路至地故障(被指示为R_L2G)和负载处的低 阻抗地至中性故障(被指示为R_G2N)。

具体地，流经线路至地故障R_L2G的接地泄漏电流I_L2G产生经过第一 变压器12的差动电流。该差动电流使次级绕组20引导电流I_s，该电流 I_s与接地泄漏电流I_L2G乘以次级绕组20上的匝数N_sa的倒数相关：

$I_s=\frac{I_{L2G}}{N_{\mathrm{sa}}}---\left(7\right)$

因此，通过监测次级电流I_s并知道匝数比N_sa，可以根据等式(7)确定 接地泄漏电流I_L2G。

此外，可以通过以下操作来确定低阻抗地至中性故障R_G2N：利用多 频AC信号(例如电压或电流)驱动第二变压器26的次级绕组28，并 监测第一变压器12的次级绕组20处的对应负载信号(例如电流或电 压)。

低阻抗地至中性故障R_G2n表现为次级绕组28处的相对较低的阻抗。 具体地，假定R_L2G比R_G2N更大很多，那么变压器26的阻抗Z_sb针对次 级而表现为：

$Z_{\mathrm{sb}}=N_{\mathrm{sb}}^2{R}_{G2N}---\left(8\right)$

因此，如果利用多频AC电压V_ac来驱动次级绕组28，则驱动次级 绕组28所需的负载电流I_ac是：

$I_{\mathrm{ac}}=\frac{V_{\mathrm{ac}}}{Z_{\mathrm{sb}}}---\left(9\right)$

该负载电流磁耦合至中性导体N中。具体地，中性导体N引导电 流I_n，该电流I_n与负载电流I_ac乘以次级绕组28上的匝数相关：

$I_n=N_{\mathrm{sb}}{I}_{\mathrm{ac}}=N_{\mathrm{sb}}\left(\frac{V_{\mathrm{ac}}}{Z_{\mathrm{sb}}}\right)=\frac{V_{\mathrm{ac}}}{N_{\mathrm{sb}}{R}_{G2N}}---\left(10\right)$

中性电流I_n通过第一变压器12磁耦合至次级绕组20。具体地，次级绕 组20引导电流I_s，该电流I_s与中性电流I_n乘以次级绕组20上的匝数N_sa的倒数相关：

$I_s=\frac{I_n}{N_{\mathrm{sa}}}=\frac{V_{\mathrm{ac}}}{N_{\mathrm{sa}}{N}_{\mathrm{sb}}{R}_{G2N}}---\left(11\right)$

因此，通过监测次级电流I_s并知道匝数比N_sa和N_sb，可以根据等式(11) 计算R_G2N。

根据本发明，接地电流/接地中性检测器电路22通过监测第一变压 器12中的差动电流来检测接地泄漏电流I_L2G。具体地，在第一预定时间 间隔T1，接地电流/接地中性检测器电路22监测次级绕组20中的电流 I_s。第一预定时间间隔T1可以是约100毫秒，更一般地，在约1与560 毫秒之间，尽管可以使用其他时间间隔。通过监测次级电流I_s，并知道 匝数比N_sa，可以根据等式(7)确定接地泄漏电流I_L2G。

因此，如果所监测的次级电流I_s指示接地泄漏电流I_L2G已经超过第 一预定值，则接地电流/接地中性检测器电路22在输出端子处生成检测 信号GCF/GNF，这使中断电路18将线路导体L开路，并且从而中断AC 电力系统，如上所述。

在第一预定时间间隔T1之后，多频信号驱动器电路24在第二预定 时间间隔T2内利用多频AC信号来驱动第二变压器26的次级绕组28， 以监测低阻抗地至中性故障R_G2N。第二预定时间间隔T2可以是约5毫 秒，更一般地在约0.1与17毫秒之间，尽管可以使用其他持续时间。例 如，在第二预定时间间隔T2，多频信号驱动器电路24利用具有指定量 值和指定频谱的多频AC电压(诸如，图2和3的示例性信号)来驱动 次级变压器28。

例如，如果使用图2的示例性多频AC电压信号V_ac来驱动次级绕 组28，则变压器12的多频AC电压信号V_ac、负载电流I_ac和次级电流 I_s中的每一个将包括三个间隔，在每个间隔中具有对应的唯一频率f₁、 f₂和f₃。如果干扰信号I_int具有频率f_int，以及如果将检测到的次级电流 I_s与多频AC电压信号V_ac进行混频(例如复用)，并假定在AC电压信 号V_ac与检测到的次级电流I_s之间没有相位延迟，那么所得到的三间隔 混频输出信号具有以下频率分量：

表4：混频输出信号频率分量

  间隔   V_ac  I_s  V_acxI_s  1   f₁  f₁+f_int  DC+2f₁+(f₁+f_int)+(f₁-f_int)   2   f₂  f₂+f_int  DC+2f₂+(f₂+f_int)+(f₂-f_int)   3   f₃  f₃+f_int  DC+2f₃+(f₃+f_int)+(f₃-f_int)

因此，在每个间隔，混频输出信号包括DC分量，加上更高频率分 量。如果f_int不等于f₁、f₂或f₃，则每个间隔中的DC分量等于：

如果间隔中的DC分量超过预定阈值信号(指示R_G2N小于第二预定 阈值)，则可以存在低阻抗地至中性故障。为了避免在f_int接近于f₁、f₂或f₃中的一个或多个的情况下可能产生的错误肯定，可以针对所有三个 间隔执行该比较。如果在这三个间隔中的至少两个中DC分量超过预定 阈值，则接地电流/接地中性故障检测器电路22在输出端子处生成检测 信号GCF/GNF，这使中断电路18将线路导体L开路，并且从而中断AC 电力系统，如上所述。

一般地，AC电压信号V_ac可以包括M个频率间隔，其中，M可以 是3、4、5、......，并且，接地电流/接地中性故障检测器电路22可以 在这M个间隔中的每一个中将所提取的DC分量与预定阈值进行比较。 如果在这M个不同间隔中的至少N个间隔中超过预定阈值，其中N≤M， 则接地电流/接地中性故障检测器电路22可以在输出端子处生成检测信 号GCF/GNF，这使中断电路18将线路导体L开路，并且从而中断AC 电力系统。

本领域普通技术人员将理解，备选地，可以使用互相关技术来检测 低阻抗接地中性故障R_G2N，如上所述。

GFCI设备100可以在数字电路、模拟电路或者数字和模拟电路的 组合中实现。现在参照图8，描述使用数字电路实现的示例性GCFI设 备100a。GFCI设备100a包括变压器12、接地电流/接地中性故障检测 器电路22a、多频信号驱动器电路24a和中断电路18a。

示例性接地电流/接地中性故障检测器电路22a包括缓冲器/放大器 30、开关全波整流器混频器48a、LPF 54、ADC 34、处理器36和控制 器38。在第一预定时间间隔T1期间，控制器38对多频信号驱动器电路 24a进行去激活，驱动信号V_ac为0，并且负载电流I_ac为0。因此，缓冲 器/放大器30的输出是所监测的次级电流I_s，其经过全波整流器混频器 48a，由ADC 34采样，并且然后由处理器36处理，以确定接地泄漏电 流I_L2G是否超过第一预定阈值。如果接地泄漏电流I_L2G超过第一预定阈 值，则处理器36将输出信号提供给控制器38以指示存在接地电流故障。 控制器38进而将检测信号GCF/GNF提供给中断电路18a以中断AC电 力系统。

在第一预定时间间隔T1之后，控制器38在第二预定时间间隔T2 内对多频信号驱动器电路24a进行激活。多频信号驱动器电路24a包括 数字信号发生器40、DAC 42、LPF 44和驱动器46。在第一预定时间间 隔T 1之后，控制器38接通数字信号发生器40，该数字信号发生器40 将数字数据提供给DAC 42以生成具有指定量值和频谱的模拟输出信 号。

根据本发明，数字信号发生器40和DAC 42可以用于生成多频AC 信号，诸如，图2的示例性多频输出信号V_ac。驱动器46利用多频AC 电压V_ac来驱动第二变压器26的次级绕组28，并且，接地电流/接地中 性故障检测器电路22a检测次级电流I_s，将其与多频输出信号V_ac进行 混频，并且然后处理混频信号，以确定在M个间隔中的至少N个间隔 (例如，3个中的2个)中DC分量是否超过预定阈值。如果是，则接地 电流/接地中性故障检测器电路22a在输出端子处生成检测信号 GCF/GNF，这使中断电路18a将线路导体L开路，并且从而中断AC电 力系统。

如前所述，本发明的备选示例性实施例使用互相关技术来检测低阻 抗接地中性故障R_G2N。在图9和10中图示了根据本发明的利用这种互 相关技术的示例性GFCI设备。

具体地，图9图示了与图4的GFCI设备10a类似但不包括混频器 48的示例性单变压器GFCI设备10c。在GFCI设备10c中，在第二间隔 T2期间，处理器36将镜像负载电流的样本与多频AC电压信号V_ac的样本进行互相关，以产生互相关输出信号。如果互相关输出信号超过 预定阈值，则处理器36将输出信号提供给控制器38以指示存在低阻抗 接地中性故障。控制器38进而将第二检测信号GNF提供给中断电路 18a。

图10图示了与图8的GFCI设备100a类似但不包括FWR混频器 48a的示例性双变压器GFCI设备100b。在GFCI设备100b中，在第二 间隔T2期间，处理器36将检测到的次级电流I_s的样本与多频AC电压 信号V_ac的样本进行互相关，以产生互相关输出信号。如果互相关输出 信号超过预定阈值，则处理器36将输出信号提供给控制器38以指示存 在低阻抗接地中性故障。控制器38进而将检测信号GCF/GNF提供给中 断电路18a。

以上仅说明了本发明的原理，并且在不脱离本发明的范围和精神的 情况下，本领域普通技术人员可以进行各种修改。