用于泄漏电流屏蔽和接地故障检测的系统、方法和设备

摘要

本发明涉及用于泄漏电流屏蔽和接地故障检测的系统、方法和设备。用于与电路(208)一起使用的泄漏电流屏蔽装置(200)包括：至少一个电感负载装置(214)，其耦合于该电路(208)并且配置成向该电路(208)供应电感负载；和处理器(220)，其通信上耦合于该电感负载装置(214)。该处理器(220)配置成接收代表通过该电路(208)的电流的信号、计算该电流的电容泄漏电流分量，以及使该电感负载装置(214)调整向该电路(208)供应的电感负载以减小该电容泄漏电流分量。

说明书

技术领域

本文描述的实施例大体上涉及电路故障检测，并且更具体地涉及检测电路中的接地故障。

背景技术

在常规的电气系统中，正弦AC电流和电压性能的分析通过使用正弦曲线的相量表征而简化。这样的相量表征一般使用复数，其具有与电阻元件关联的“实”部分量和与无功元件关联的“虚”部分量。例如，电路中的接地故障电流的相量表征包括流过电气系统的电容元件的无功虚电流分量，和电阻实电流分量。该无功电流分量纯粹是无功的并且既不引起加热也不出现电击事故。因此，接地故障电流的无功电流分量不需要保护装置跳闸。相比之下，电阻分量可以引起加热并且出现电击事故。因此，仅接地故障电流的电阻分量需要保护装置跳闸。

至少一些已知的用于在对电装置充电中使用的系统和装置(例如电动车辆或混合动力车辆)不能区分电容产生的泄漏电流和电阻接地电流。因此，至少一些已知的系统和装置容易误跳闸，这中断电流流到电装置。例如，充电系统或装置一般通过家用壁装电源插座(例如在车库或车棚中提供的插座)连接到配电网络。大多数消防规范和规章要求这些插座包括接地故障电路中断(GFCI)断路器或使用自包含的接地故障中断壁装插座，其检测电阻电流。然而，许多车载电动车辆电池充电器产生高的泄漏电流，其可以由于电容电流而引起例如GFCI断路器或GFI壁装插座等GFCI装置跳闸并且这时真正的电阻接地故障实际上没有出现。可在实际或电阻接地故障状况不存在时通过通向接地的电容电流而使至少一些GFCI装置误跳闸。例如，电容电流可以超出至少一些已知的GFCI装置的预定电流阈值并且导致GFCI装置的误跳闸。

发明内容

在一个方面，提供用于与电路一起使用的泄漏电流屏蔽装置。该泄漏电流屏蔽装置包括：至少一个电感负载装置，其耦合于该电路并且配置成向该电路供应电感负载；和处理器，其通信上耦合于该电感负载装置。该处理器配置成接收代表通过该电路的电流的信号、计算该电流的电容泄漏电流分量，以及使该电感负载装置调整向该电路供应的电感负载以减小电容泄漏电流分量。

在另一个方面，充电系统包括：接地故障电路中断器GFCI，其配置成检测电路(其将源和负载耦合)中的电阻接地故障；和泄漏电流屏蔽装置，其电耦合于GFCI。该泄漏电流屏蔽装置包括：至少一个电感负载装置，其耦合于该电路并且配置成向该电路供应电感负载；和处理器，其通信上耦合于该电感负载装置。该处理器配置成接收代表通过该电路的电流的信号、计算该电流的电容泄漏电流分量和使该电感负载装置调整向该电路供应的电感负载以减小电容泄漏电流分量。

在另一个方面，提供用于检测电路中的电阻接地故障的方法。该方法包括在处理器处接收代表通过电路的电流的信号以及计算该电流的电容泄漏电流分量和接地故障电流分量。该方法还包括使至少一个电感负载装置调整向该电路供应的电感负载以减小电容泄漏电流分量，并且该基于接地故障电流分量检测电路中的电阻接地故障。

附图说明

图1是示范性充电系统的示意框图。

图2是可与在图1中示出的充电系统一起使用的示范性泄漏电流屏蔽装置的示意框图。

图3是图示用于使用在图1中示出的充电系统检测电路中的电阻接地故障的示范性方法的流程图。

具体实施方式

用于在屏蔽泄漏电流(例如电容泄漏电流)和/或检测接地故障中使用的系统、方法和设备的示范性实施例在本文描述。这些实施例便于区分电容产生的泄漏电流和电阻接地故障，由此减少电路中断装置(例如接地故障电路中断器)的误跳闸。

术语“电装置”一般指能够从电插座接收电力并且将该电力的至少一部分存储在电池或其他电力存储装置中的任何装置。示范性电装置可包括但不限于只包括电动车辆和混合电动车辆。上文的实施例仅仅是示范性的，并且从而不意在以任何方式限制术语“电装置”的定义和/或含义。

图1是用于在对电装置102充电中使用的示范性充电系统100的示意框图。在示范性实施例中，电装置102包括充电装置104和一个或多个电池106，其电耦合于充电装置104。如本文描述的，电装置102、充电装置104和/或电池106可称为负载。

在示范性实施例中，充电系统100包括电源108、接地故障电路中断器(GFCI)110和泄漏电流屏蔽装置200。屏蔽装置200配置成可移除地耦合在GFCI 110和充电装置104之间。在备选实施例中，屏蔽装置200是电装置102的部件。例如，屏蔽装置200可以是充电装置104的部件或可电耦合于充电装置104。

此外，在示范性实施例中，屏蔽装置200调整电路或电路的一部分(例如线路导体)上的电感负载，直到流到接地的电容泄漏电流小于预定阈值或近似被消除。该阈值可以是任何期望的值。例如，在一些应用中该阈值可以是近似五毫安并且从而对于电容泄漏电流的阈值应该更低。优选地，屏蔽装置200调整电感负载直到电容泄漏电流尽可能接近零。一旦电感负载添加到电路以减小电容泄漏电流，可以通过GFCI 110检测电路的电阻接地故障。减小或消除电容泄漏电流并且只测量电阻电流便于降低GFCI 110的误跳闸。

图2是泄漏电流屏蔽装置200的示意框图。在示范性实施例中，屏蔽装置200包括一个或多个电流传感器202和一个或多个电压传感器204。电流传感器202测量GFCI 110和负载之间的电流，例如剩余电流或差动电流。例如，电流传感器202可测量通过电路208的相或线路导体206的电流。在备选实施例中，电流传感器202测量通过电路208的线路导体206的第一电流和通过电路208的中性导体210的第二电流。然后可以计算作为该第一电流和该第二电流之差的剩余电流。在另一个备选实施例中，并且当电路208包括两个线路导体206时，电流传感器202测量通过第一线路导体的第一电流、通过第二线路导体的第二电流和通过中性导体210的第三电流。可然后计算作为该第一和第二电流、该第二和第三电流或该第一和第三电流之和的剩余电流。在示范性实施例中，电流传感器202是电流互感器。然而，可使用能够测量通过电路208的电流的任何适合的电流传感器。一旦测量电流，电流传感器202传送代表该测量的电流的信号。在示范性实施例中，电压传感器204可测量电路208的导体之间的电压。例如，电压传感器204可测量跨线路导体206和中性导体210的电压。在备选实施例中，电压传感器204测量跨两个线路导体206的电压。一旦测量电压，电压传感器204产生代表该测量的电压的信号。

在示范性实施例中，屏蔽装置200还包括信号调节单元212，其通信上耦合于电流传感器202和/或电压传感器204。信号调节单元212包括用于在例如并且不作为限制的滤波、放大和/或转换电流和/或电压信号中使用的电气部件。在示范性实施例中，信号调节单元212包括模数(A/D)转换器(未示出)，其使用A/D转换操作将例如电流信号和/或电压信号等模拟信号转换成数字信号。

此外，屏蔽装置200包括电感负载装置214和选择器216，其操作地耦合于电感负载装置214。在示范性实施例中，电感负载装置214包括电感器，其具有多个能够调整该电感器的电感的抽头218。选择器216是选择性地耦合于该电感器的抽头218以调整电路208上的电感负载的量的开关。在其中电路208包括两个线路导体206和中性导体备选实施例中，屏蔽装置200包括多个电感负载装置214。在这样的实施例中，每个电感负载装置214向相应的线路导体206提供电感负载。

此外，屏蔽装置200包括处理器200，其通信上耦合于信号调节单元212。术语“处理器”一般指任何可编程系统，其包括系统和微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)和能够执行本文描述的功能的任何其他电路。上文的实例仅仅是示范性的，并且从而不意在以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或含义。在示范性实施例中，处理器220分别从电流传感器202和/或电压传感器204接收电流信号和/或电压信号。具体地，处理器220从信号调节单元212接收数字化的电流信号和/或数字化的电压信号。然后处理器220确定该电流信号的实部和该电流信号的虚部。在示范性实施例中，该电流信号的该实部代表电阻接地故障电流分量并且该虚部代表电容泄漏电流分量。应该理解，对于具有接地故障电流I_gf的给定电路，该电流I_gf可以使用剩余电流I_r(其是相电流和中性线电流之和)与相至中性点电压V的复共轭的乘积的实部的比率来确定。这在下文的方程(1)中表达：

$>I_{\mathrm{gf}}=\frac{\mathrm{Re}\{\left(I_r\right)\times \left(V\right)\}}{\left|V\right|}$>方程(1)

此外，当计算剩余电流的实和虚部时，处理器220通过将测量的线路电压乘以第一和第二预定正弦波而产生该线路电压的相量表示。该第一预定正弦波用于产生线路电压的实部，并且该第二预定正弦波用于产生线路电压的虚部。在一些实施例中，该第一和第二正弦波被选择以与电路的电压频率匹配。在示范性实施例中，然后处理器220通过将测量或计算的剩余电流乘以第三和第四预定正弦波而产生剩余电流的相量表示。该第三预定正弦波用于产生剩余电流的实部(即，接地故障电流)，并且该第四预定正弦波用于产生剩余电流的虚部(即，电容泄漏电流)。在一些实施例中，该第三和第四正弦波被选择以与电路的电流频率匹配。

基于电容泄漏电流的幅度，处理器220确定另外的电感负载在电路208上是否必要。处理器220确定要添加的电感负载的量并且使选择器216使用电感负载装置214调整电路208上的电感负载。例如，处理器220使用电容泄漏电流I_c、线路电压V和系统频率f计算电容C。该计算由下文的方程(2)说明：

$>C=\frac{I_c}{V*2\pi *f}$>方程(2)

处理器220将电容泄漏电流与阈值比较。如果电容泄漏电流大于该阈值，处理器220传送命令信号到选择器216以便于使流到接地的电容泄漏电流减小到小于阈值或近似消除。响应于该信号，选择器216控制电感负载装置214以例如通过增加电感负载等调整电路208上的电感负载。在示范性实施例中，电感负载基于电路208的电容C和电路208的谐振频率f_r。电路208的谐振频率f_r使用如下示出的方程(3)由处理器220计算：

$>f_r=\frac{1}{2\pi \sqrt{\mathrm{LC}}}$>方程(3)

在适当地减小电容泄漏电流后，处理器220计算线路电压相量的幅度并且通过确定线路电压的虚部的负值而产生线路电压相量的复共轭。然后将剩余电流相量乘以共轭电压相量以产生接地故障电流的相量表示。通过划分线路电压相量的幅度来计算接地故障电流相量来获得接地故障电流的实部。然后处理器220传送接地故障电流的实部到GFCI 110。

然后GFCI 110确定在电路208中是否存在真实的接地故障状况。例如，GFCI 110将接地故障电流的实部与阈值或接地故障电流的预定水平比较。如果接地故障电流的实部大于该阈值或接地故障电流的预定水平，则确定存在真实的接地故障。响应于这样的确定，GFCI 110通过例如使断路器跳闸而发起断开电路208来去除接地故障检测。

图3是图示用于检测例如电路208(在图2中示出)等电路中的电阻接地故障的示范性方法的流程图300。在示范性实施例中，电流传感器202(在图2中示出)测量302通过电路208的导体的电流，例如剩余电流。在一些实施例中，电流传感器202测量通过线路导体206(在图2中示出)的第一电流、测量通过中性导体210(在图2中示出)的第二电流并且分别传送代表该第一和第二电流的第一和第二信号。另外，电压传感器204(在图2中示出)测量跨电路208的导体的电压，例如跨线路导体206和中性导体210的电压。电压传感器204传送代表该电压的第三信号。在示范性实施例中，信号调节单元212(在图2中示出)接收代表该第一电流、该第二电流和该电压的信号并且对这些信号进行滤波操作、放大操作和A/D转换中的一个或多个。然后信号调节单元212传送304这些信号到处理器220(在图2中示出)。

处理器220接收信号并且确定是否应该调整电路208上的电感负载以及接地故障电路是否在电路208上存在。具体地，处理器220计算306剩余电流的电容泄漏电流分量和剩余电流的接地故障电流分量。例如，如在上文更详细描述的，处理器220计算剩余电流的虚部，其代表电容泄漏电流分量。此外，处理器220计算剩余电流的实部，其代表接地故障电流分量。处理器220将电容泄漏电流分量与第一阈值比较308。基于该比较，处理器220确定310电容泄漏电流分量是否大于该第一阈值。如果电容泄漏电流分量不大于该第一阈值，处理器220等待要由信号调节单元212传送的下一个剩余电流信号。当电容泄漏电流分量大于阈值时，处理器220计算312要添加到电路208以近似消除电容泄漏电流分量的电感负载的量。处理器220传送命令信号到选择器216(在图2中示出)，其包括要添加到电路208以近似消除电容泄漏电流分量的电感负载的量。响应于该命令信号，选择器216使电感负载装置214(在图2中示出)调整电感负载。

当电容泄漏电流分量已经近似被消除或处于小于第一阈值时，处理器220传送代表接地故障电流分量的信号至GFCI 110(在图2中示出)。GFCI 110将接地故障电流分量与第二阈值比较314以确定316在电路208上是否存在接地故障。如果存在接地故障，GFCI 110中断318电流流过电路208。

用于检测接地故障和/或屏蔽泄漏电流的系统、方法和设备的示范性实施例在上文详细描述。系统、方法和设备不限于本文描述的具体实施例，相反地，方法的操作和/或系统和/或设备的部件可独立并且与本文描述的其他操作和/或部件分开使用。此外，描述的操作和/或部件还可结合其他系统、方法和/或设备限定或使用，并且不限于只用本文描述的系统、方法和设备实践。

尽管本发明连同示范性配电系统环境描述，本发明的实施例可用许多其他通用或专用配电系统环境或配置来操作。该配电系统环境不意在提出关于本发明的任何方面的使用或功能性的范围的任何限制。此外，该配电系统环境不应该解释为具有涉及在示范性操作环境中说明的部件中的任一个或组合的任何依赖性或要求。

在本文图示和描述的本发明的实施例中的操作的执行顺序或表现不是必不可少的，除非另外规定。即，操作可采用任何顺序进行，除非另外规定，并且本发明的实施例可包括另外的或比本文公开的那些更少的操作。例如，预期在另一个操作之前、与其同时或在其之后执行或进行特定操作落入本发明的方面的范围内。

当介绍本发明的方面或其的实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”意在表示存在这些元件中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意在为包含性的并且表示可存在除列出的元件外的附加元件。

该书面描述使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。

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