使用单个接地故障传感器和单个ADC的电弧-故障和接地故障断流器

摘要

用于电弧-故障检测、接地-故障检测以及接地-中性故障检测的采样使用单个模数转换器(ADC)。所述电弧-故障和接地-故障采样在与二者之间的时间相比相对短的固定采样周期发生，因此使得接地-中性故障采样在这些采样周期中的一个之前和/或之后发生。可以使用预定义的事件以确保所述接地-中性故障采样在所述周期性的采样周期中的一个的前一刻和/或紧接着所述周期性的采样周期中的一个发生。所述预定义的事件可以是定时器的到期或是接地故障感测电路中的正弦信号产生预定义数量的过零点的时间。这避免了在电弧-故障采样、接地-故障采样和接地-中性故障采样之间的干扰，使得单个ADC同时执行所有采样。预定义的事件的定时可以被周期性地复位以对归因于温度和/或随时间而发生的任何改变进行补偿。

说明书

发明人：伊萨·维侬·德拉梅；兰德尔·詹姆斯·加斯

发明领域

本文公开的实施方式总体上涉及用于防范接地故障和电弧-故障的方 法和系统，并且特别涉及使用共同传感器和单个模数转换器(ADC)同 时使用相同的检测间隔以检测接地故障和电弧-故障以用于防范这样的接 地故障和电弧-故障的系统和方法。

发明背景

在本领域中，电路断路器和接地故障电路断流器(GFCI)通常是众 所周知的。GFCI防止由于接地-故障的电击或触电，电击或触电是在未接 地的载流导体和接地之间的意想不到的导电路径，其可以例如当插入式电 气器具被掉入水槽、水池、池塘、水坑或热水浴缸时发生。当GFCI检测 到超出接地故障漏电流的允许量的负载电流中的不平衡(即输出电流不同 于返回电流)时，GFCI切断了下游电路的电源。到接地的漏电流路径可 以包括器具的接地的金属外壳或在某些情况下的人。

GFCI还可防范接地-中性故障。与接地-故障不同，接地-中性故障是 在接地线和中性线之间的低阻抗通路，并且在这样的情况下发生：其中中 性导体正在接触用于使设备外壳和结构接地的接地导体。在接地导体上承 载的接地故障电流具有返回通路，其在接地导体与中性导体之间分离。通 过中性导体返回的接地故障电流抵消了现有接地故障信号的部分，其降低 接地故障感测电路的灵敏度，并且可能导致在漏电通路中出现的危险的高 接地故障电流。

目前可用的GFCI技术经常使用具有差动电流互感器和单个ADC的 感测电路以监控接地-故障和接地-中性故障两者。经常通过在第一时间间 隔期间使用ADC将在互感器的次级侧上的感测电路中的电流与参考值进 行比较来检测接地-故障。经常通过监控反映回到互感器的次级侧上的短 路的初级电路阻抗来检测接地-中性故障。一种用于监控接地-中性故障的 方法是通过在第二时间间隔期间将电流注到感测电路中以在感测电路中 产生衰减的正弦信号。衰减的正弦信号的振幅由ADC在该间隔期间测量， 并且所测量的振幅然后可以用于确定接地-中性故障的存在。

近来，电弧-故障电路断流器(AFCI)已开始在新的家庭建造和建筑 建造中获得需要。电弧-故障是间歇性故障，其可以例如由被磨损的或被 损坏的绝缘、不良连接、被破坏的导体等等造成。由于其间歇性，电弧- 故障并不生成使得常规热磁电路断流器容易跳闸的足够大的持续电流。输 入(诸如，带通滤波器、线电流传感器以及电压传感器)必须被以固定时 间周期采样以便实施电弧-故障检测算法。

在双功能接地故障和电弧-故障电路断路器设备中集成电弧-故障检 测和接地故障检测的尝试已经遇到了有好有坏的结果。注意的是，如在短 语“接地故障保护(groundfaultprotection)”或“双功能接地故障与电弧- 故障保护(dual-functiongroundfaultandarc-faultprotection)”中使用的术 语“接地故障(groundfault)”(没有连字号)可以指的是“接地-故障 (ground-fault)”和“接地-中性故障(grounded-neutralfault)”两者。一般 来说，接地-故障采样和接地-中性故障采样在故障检测间隔的单独部分期 间发生，而电弧-故障采样在整个故障检测间隔中发生。这可能产生冲突， 因为电弧-故障采样和接地-中性故障采样使用了某些相同资源。

特别地，接地-中性故障检测要求ADC在故障检测间隔的一部分期间 频繁地对衰减的正弦信号的振幅进行采样。然而，因为ADC定期专用于 对与电弧-故障相关的输入和信号进行采样，所以可能相对于ADC在检测 间隔的该部分期间产生资源冲突。作为结果，由于互相干扰的可能性，使 用单个ADC来同时执行电弧-故障检测和接地-中性故障检测两者迄今为 止是不实际的。在另一方面，增加额外的ADC将增加电路断路器设备的 整体复杂性以及成本。

因此，所需要的是将电弧-故障检测和接地故障检测集成到单个电路 断路器设备中的高效并且合算的方式。更具体地，所需要的是使用单个 ADC在相同的采样间隔中执行电弧-故障采样和接地-中性故障采样而不 产生互相干扰的方式。

发明概述

公开的实施方式提供了方法和系统，其在电路断路器设备中使用单个 ADC在共同检测间隔中用于执行电弧-故障检测、接地-故障检测以及接 地-中性故障检测-同时避免互相干扰。一般来说，公开的实施方式安排了 在共同检测间隔期间使用ADC，使得在没有电弧-故障采样发生时的时间 期间进行接地-中性故障检测所需的采样。电弧-故障采样通常开始从线电 压半周期的开始或靠近线电压半周期的开始而开始，并且在与在电弧-故 障采样周期之间的时间相比相对短的周期性的和已知的采样持续时间发 生。可以因此安排对于接地-中性故障的采样以在周期性的和已知的电弧- 故障采样周期中的具体一个之前和/或之后进行以避免互相干扰。

一般来说，任何技术可以被用于实施安排接地-中性故障采样(包括 定时器、产生特定预定义的事件等等)。在一些实施方式中，基于事件(诸 如由注入接地故障感测电路中的衰减的正弦信号所产生的预定义数量的 过零点(zero-crossing))，可以实施安排接地-中性故障采样。针对特定 的实施所使用的过零点的数量可以是任何适当的数量，例如，诸如从1-50。 在一些实施方式中，过零点的预定义数量可以是诸如13的数量，其允许 使衰减的正弦信号的峰-峰电压落入特定的ADC被使用的输入范围内的 足够的时间。

为了确保预定义数量的过零点发生在周期性的且已知的电弧-故障采 样周期之一的时候或其附近，衰减的正弦信号可以被延迟了适当的延迟时 间。在一些实施方式中，可以基于周期性的且已知的电弧-故障采样周期 来确定适当的延迟时间。这些周期性的电弧-故障采样周期发生在已知的 间隔，已知的间隔通常在电源线电压过零点之后的短时间开始，每个采样 周期持续了已知的持续时间。电弧-故障采样周期的定时可以然后被用于 计算这样的延迟时间：其确保预定数量的过零点发生在电弧-故障采样周 期之一的时候或其附近。

在一些实施方式中，衰减的正弦信号产生预定义数量的过零点所花费 的时间可以被不时地重新测量，以便对由于温度和/或随时间而可能在接 地故障感测电路中已经发生的任何改变进行补偿。

一般来说，在一个方面，本文公开的实施方式涉及在电路断路器设备 中执行电弧-故障采样、接地-故障采样以及接地-中性故障采样的方法。该 方法包括在多个电弧-故障采样周期期间执行电弧-故障采样，该电弧-故障 采样周期发生在固定间隔，并且每个电弧-故障采样周期持续了比在相继 的电弧-故障采样周期之间的时间短的固定持续时间。该方法还包括监控 在电路断路器设备中预定义的事件的发生，预定义的事件被定时以与多个 电弧-故障采样周期之一同时发生，以及在预定义的事件的发生的附近执 行接地-中性故障采样，使得在多个电弧-故障采样周期中的所述一个电弧 -故障采样周期和直接相邻的电弧-故障采样周期之间执行接地-中性故障 采样。然后在共同检测间隔期间可以执行电弧-故障采样、接地-故障采样 以及接地-中性故障采样。

一般来说，在另一方面，本文公开的实施方式涉及用于在电路断路器 设备中执行电弧-故障采样、接地-故障采样以及接地-中性故障采样的系统。 该系统包括单个系统控制器、接地故障感测电路以及电弧-故障感测电路， 单个系统控制器被编程以在共同检测间隔期间执行电弧-故障采样、接地- 故障采样以及接地-中性故障采样，接地故障感测电路连接到系统控制器 并且被配置以把接地-故障传感器输入和接地-中性故障传感器输入提供 给系统控制器用于执行接地-故障采样和接地-中性采样，电弧-故障感测电 路连接到系统控制器并且被配置以把电弧-故障传感器输入提供给系统控 制器用于执行电弧-故障采样。单个系统控制器被配置以监控在电路断路 器设备中预定义的事件的发生，并在预定义的事件的发生的附近执行接地 -中性故障采样，使得在多个电弧-故障采样周期之一与直接相邻的电弧- 故障采样周期之间执行接地-中性故障采样。

一般来说，在又一个方面，本文公开的实施方式涉及在电路断路器设 备中的控制器，该控制器被配置以执行电弧-故障采样和接地-中性故障采 样。该控制器包括具有单个输入端和单个输出端的模数转换器模块 (ADC)、比较器模块、输入捕获模块以及输出比较模块，ADC被配置 以接收电弧-故障传感器信号、接地-故障传感器信号以及包括衰减的正弦 信号的接地-中性故障传感器信号；比较器模块被配置以接收接地-中性故 障传感器信号，并检测由衰减的正弦信号产生的过零点；输入捕获模块被 配置以接收由比较器模块检测到的过零点的指示并且捕获关于过零点的 时间戳；输出比较模块被配置以启动由ADC和比较器接收的衰减的正弦 信号。该控制器被配置以运行输出比较模块以启动衰减的正弦信号；运行 ADC以接收衰减的正弦信号；运行比较器模块以检测由衰减的正弦信号 产生的过零点；并且运行输入捕获模块以获取关于过零点的时间戳。该控 制器还被配置为监控预定义的过零点，并在预定义的过零点执行接地-中 性故障采样，预定义过零点与多个电弧-故障采样周期之一在时间上一致 发生，使得接地-中性故障采样被在多个电弧-故障采样周期中的所述电弧 -故障采样周期和直接相邻的电弧-故障采样周期之间执行，其中电弧-故障 采样、接地-故障采样以及接地-中性故障采样被在共享的检测间隔期间执 行。

根据以下的详细描述和附图，公开的各实施方式的前述和其他方面将 变得更加明显。

附图简述

图1根据本文公开的实施方式示出了用于执行电弧-故障检测、接地- 故障检测以及接地-中性故障检测的示例性框图；

图2根据本文公开的实施方式示出了用于执行接地-故障检测和接地- 中性故障检测的示例性电路图；

图3根据本文公开的实施方式示出了用于执行电弧-故障检测、接地- 故障检测以及接地-中性故障检测的示例性流程图；以及

图4A和图4B根据本文公开的实施方式示出了关于执行电弧-故障检 测和接地-中性故障检测的示例性时序图。

公开的实施方式的详细描述

首先，应认识到，包含所公开的各实施方式的各方面的实际、真正的 商业应用的开发将需要许多特定于实施的确定以实现开发者对于商业体 现的最终目标。这样的特定于实施的确定可以包括并且可能并不限于与系 统相关的、业务相关的、政府相关的以及其他限制相符合，这可能随着特 定的实施、位置而变化以及不时变化。虽然开发者的努力在绝对意义上可 能是复杂的且耗时的，但是这样的努力将仍然是获得本公开的益处的本领 域技术人员承担的例行公事。

还应理解，本文中公开的和教导的各实施方式易受许多且不同的修改 和替换形式的影响。因此，单数术语例如但不限于“一(a)”及类似术语 的使用不旨在作为项的数量的限制。类似地，书面描述中使用的任何关系 术语(例如，但不限于“顶部(top)”、“底部(bottom)”、“左(left)”、 “右(right)”、“上部(upper)”、“下部(lower)”、“向下(down)”、“向 上(up)”、“侧面(side)”等等)是为了在具体参照附图时清楚的目的， 并且不旨在限制本发明的范围。

如以上指出的，公开的实施方式涉及用于执行电弧-故障检测、接地- 故障检测和接地-中性故障检测三者而同时避免互相干扰或资源冲突的电 路断路器方法和系统。一般来说，通过安排接地-中性故障检测所需的采 样以在当没有针对电弧-故障检测的采样发生时的时间期间发生，所公开 的实施方式能够执行该检测。这种方法使得公开的实施方式使用一个微控 制器和单个ADC来提供UL1699组合电弧-故障保护和UL943接地故障 保护两者。

现在参考图1，其示出了可用作电路断路器设备中的中断电路的基于 微控制器的系统100的框图。根据公开的实施方式，系统100能够在相同 的检测间隔中检测接地故障和电弧-故障两者而没有互相干扰或资源冲突。 系统100能够通过安排关于接地-中性故障的采样在电弧-故障采样周期之 前和/或之后发生来避免互相干扰。可以在能够提供对于具有本领域普通 技术的人员来说众所周知的接地故障保护和电弧-故障保护的任何合适的 双功能电路断路器设备中采用这样的系统100。

在一些实施方式中，因为电弧-故障采样周期的定时通常是众所周知 的并因此是可预测的，所以系统100能够围绕电弧-故障采样来安排接地- 中性故障采样。例如，在大部分实施方式中，电弧-故障采样周期被定时 以在从电源线过零点开始的预定义的时间间隔周期性地产生。在这些电弧 -故障采样周期之一的前一刻和/或紧接着这些电弧-故障采样周期之一，可 以然后执行接地-中性采样。并且，因为每一个电弧-故障采样周期的持续 时间也是众所周知的，并且其通常比在采样周期之间的时间短得多，所以 对于系统100来说，有充足的时间在电弧-故障采样周期期间执行接地-中 性故障采样。

如在图1的示例性实施方式中可见，系统100可以由多个功能组件(在 本文通过不同的块来表示)组成。例如，系统100可包括接地故障电流互 感器102、接地故障信号调理电路104以及可被控制以提供负载或负荷以 及阶跃信号的测试电路106。当如所示出的被布置时，这些组件一起形成 接地故障感测电路105。还存在电流传感器108、一个或多个带通滤波器 110、积分器112以及线电压传感器114。当如所示出的被布置时，这些 组件一起形成电弧-故障感测电路115。

在接地-中性检测和电弧-故障检测中使用上述组件在本领域中是众 所周知的，并且因此，以下将仅提供其具体功能的高级别的描述。还应当 注意，在本描述中自始至终假设接地-故障检测在与电弧-故障检测和接地 -中性故障检测分开的检测间隔中发生，并因此没有提供这种接地故障检 测的单独的描述。对于有关这种接地故障检测的信息，可以参考专利号为 7,193,827的美国专利，其通过引用并入本文。

系统100中的微控制器116从接地故障信号调理电路104、带通滤波 器110、积分器112以及线电压传感器114接收输入。微控制器116将这 些输入从模拟信号转换为数字信号，使得它们可由微控制器116处理，以 根据所公开的实施方式检测接地故障和电弧-故障。这种微控制器116可 以是对于具有本领域普通技术的那些人员众所周知的任何合适的微控制 器，其包括来源于MicrochipTechnology公司的PIC24FJ32GA002或类似 的微控制器、数字信号处理器(DSP)、ASIC设备等等。

在大多数实施方式中，微控制器116有助于使用仅仅单个内部 ADC118以接收并转换来自接地故障信号调理电路104、带通滤波器110、 积分器112以及线电压传感器114的输入。并且本文中使用的特定的ADC 118是能够每次只处理单个输入的类型。然后将来自ADC118的数字化 的信号提供至微控制器116中的电弧-故障和接地故障检测单元120以用 于进一步处理。根据本文公开的实施方式，如果检测到电弧-故障、接地- 故障或者接地-中性故障，则此电弧-故障和接地故障检测单元120运行以 激活电流中断或跳闸电路122。

可以存在其它组件，其包括微控制器116中的比较器124，其接收来 自接地故障信号调理电路104的输入，并出于过零点检测的目的将该输入 与可编程的基准电压126(V_基准)进行比较。同样地，微控制器116可包 括用于根据需要对时间进行倒计时的至少一个的计数器或定时器128、用 于提供如由比较器124触发的时间戳的输入捕获模块130、用于使接地故 障传感器测试自动化的一个或多个输出比较模块132以及用于控制可经 由测试电路106被施加到接地故障信号调理电路104的阶跃信号的定时的 接地-中性传感器测试控件134。最后，线电压过零点检测器136将输入 提供给微控制器116以检测由电源线(没有清楚示出)产生的过零点。

图2更加详细地示出了关于公开的实施方式的一个示例性实施的接 地故障感测电路105。如在该实施中可见到的，接地故障感测电路105由 形成接地故障电流互感器102、接地故障信号调理电路104以及测试电路 106的几个分立电路元件组成。具有本领域普通技术的人员将理解的是， 使用一个或多个集成电路来代替分立电路元件以实现等效或相似的功能 而不偏离公开的实施方式的范围是可能的。

在本文示出的实施中，接地故障电流互感器102可包括接地故障传感 器绕组L1，其通常耦合到电源线的线路导体和中性导线(没有清楚示出)。

电容器C4、接地故障传感器绕组L1以及电阻器R5形成谐振电路， 其使得被供应给接地故障感测电路105的阶跃信号以一定量的阻尼谐振。 当这由微控制器116控制时，电容器C2为接地故障感测电路105提供该 阶跃信号。可以提供由晶体管Q1和负载/负荷电阻器R6组成的模式选择 电路用于在接地故障检测期间使用。在一些实施方式中，晶体管Q1可以 是可由微控制器116控制以在接地-故障检测期间在传感器绕组L1上安置 负荷电阻器R6的FET晶体管。当被布置如所示出的时，这些组件一起形 成测试电路106。

放大器A1也可以被呈现，并可以连接到依次连接到微控制器116的 一对电阻器R7和R8。偏压电阻性分压器电路可以由如所示出连接的一 对电阻器R3和R4形成以建立等于系统输入电压Vdd的1/2的电路电压。 当被布置如所示出的时，这些组件一起形成接地故障信号调理电路104。

在一般的运行中，在系统100中需要在相同检测间隔期间实时发生而 没有互相干扰的两个检测过程：电弧-故障检测和接地-中性故障检测。对 于接地-中性故障检测来说，微控制器116通常在检测间隔期间测量接地 故障感测电路105中的衰减的正弦信号的峰-峰电压。对于电弧-故障检测 来说，微控制器116在相同的检测间隔期间连续地并且周期性地对电弧- 故障感测电路115中的电弧-故障传感器输入进行采样。接地-故障检测发 生在与接地-中性故障检测分开的检测间隔的部分期间，并且因此假设不 存在资源冲突或干扰。

图3根据本文公开的实施方式经由示例性流程图300示出了系统100 的运行。应注意，尽管图3中示出了许多单独的框，但是具有本领域普通 技术的人员将理解的是，这些框中的一个或多个可以被划分为若干构成框 而不背离所公开的实施方式的范围。类似地，两个或多于两个单独的框可 以被合并为单个框而不背离所公开的实施方式的范围。此外，尽管框被以 特定的顺序示出，但是具有本领域普通技术的人员将理解的是，可以不按 照一个或多个其他框的顺序或在与一个或多个其它框相同的时间执行这 些框中的一个或多个框而不背离所公开的实施方式的范围。

如在图3中可见到的，当在框302启动时，微处理器116将其检测序 列与电源线周期同步。具体来说，微控制器116等待电源线电压过零点出 现，然后将检测序列与该过零点同步。在框304处，微控制器116以对于 具有本领域普通技术的人员来说众所周知的方式执行电弧-故障检测和接 地-故障检测。在框306处，微控制器116分析在框304处的检测序列的 结果，并且确定是否已经检测到接地-故障或电弧-故障。如果在框306处 的确定为“是”，则在框308处微控制器116使电路跳闸或以其它方式中断 电路。

如果在框306处的确定为“是”，那么在框310处微控制器116做出关 于接地-中性检测延时定时器是否已经过期的确定。此接地-中性检测延时 定时器确保已分配给微控制器116足够的时间来以对于具有本领域普通 技术的人员来说众所周知的方式执行电弧-故障检测和接地-故障检测。如 果在框310处的确定为“否”，则微控制器116继续电弧-故障和接地-故障 检测过程。

如果在框310处的确定为“是”，则在框312处微控制器116开始电弧 -故障和接地-中性故障检测过程。特别地，微控制器116在检测间隔的这 一部分期间周期性地对电弧-故障检测所需的电弧-故障传感器输入进行 采样，同时也在检测间隔的这一部分期间对接地-中性传感器输入进行采 样。

作为接地-中性采样的一部分，在框314处微控制器116做出其是否 需要确定发生预定义的事件所需要的时间量的确定。在一些实施方式中， 预定义的事件是接地故障感测电路105中的衰减的正弦信号产生预定义 数量的过零点。因为接地故障感测电路105的谐振频率，所以当微控制器 116首先启动时，发生这一预定义的事件所需要的时间是未知的，并且因 此使衰减的正弦信号产生预定义数量的过零点所用的时间还未被确定。

如果在框314处的确定为“是”，则在框316处，微控制器116通过关 断负荷控制FET来开始初始化阶段，然后将阶跃信号施加于接地故障感 测电路105以在感测电路105中生成初始的衰减的正弦信号。然后在框 318处微控制器116检测由衰减的正弦信号产生的过零点并且追踪或监控 在预定义数量的过零点中的最后的过零点。在框320处，微控制器确定(并 且存储)使衰减的正弦信号达到这一指定的过零点所用的时间。所使用的 过零点的预定义数量可以是适用于特定应用的任何数量(例如，从一个过 零点到50个过零点)。

在优选的实施方式中，过零点的预定义数量可以是使得衰减的正弦信 号的峰-峰电压降至ADC输入电压范围(例如，0V至3V)之内的过零点 的数量。在一些实施方式中，过零点的这一预定义数量可以是13，尽管 正弦信号的衰减率通常根据所使用的电路组件、运行温度等改变，因此过 零点的这种数量在其他的实施方式中可以是不同的。多个过零点的使用另 外允许过零点频率的平均，尽管使用尽可能少的过零点以最小化针对接地 -中性检测所使用的时间也可能是有益的，因为那是从接地-故障检测减少 的时间。

一旦已经确定了使衰减的正弦信号达到指定的过零点所需的时间，则 在框322处微控制器116可以计算(以及存储)延迟启动后续的阶跃信号 所需的延迟时间。此延迟时间帮助确保来源于后续的阶跃信号的衰减的正 弦信号在电弧-故障采样周期(针对其的定时是已知的)上或附近产生指 定的过零点。

此后，在框324处，微控制器确定是否已经检测到电弧-故障。如果 此确定为“是”，则在框308处微控制器116使电路跳闸或以其它方式中断 电路。如果确定为“否”，则微控制器116返回到框304处并且继续执行接 地-故障和电弧-故障检测。

如果在框314处的确定为“否”，则意味着已确定了在接地故障感测电 路105中的衰减的正弦信号产生预定义数量的过零点所需的时间，然后在 框326处微控制器116开始正常的采样操作。具体来说，微控制器116 等待等于在框322处计算的延迟时间的时间量，然后启动第二(后续的) 正弦信号。如前面解释的，这一延迟时间确保第二(后续的)正弦信号产 生指定的过零点的时间将非常接近电弧-故障采样周期或与其同时。在框 328处，微控制器116检测由正弦信号产生的过零点并且监控指定的过零 点。然后在框330处微控制器116可以在指定的过定点出现之前和/或之 后执行接地-中性故障采样。

举个例子，在其中过零点的预定义数量是13的实施方式中，微控制 器116可以在第12个过零点和第13个过零点之间和/或在第13个过零点 和第14个过零点之间执行针对接地-中性故障采样的峰-峰测量。以这种 方式，微控制器116实质上确保ADC118将没有已经同时忙于获得电弧- 故障采样。

在一些实施方式中，作为在框330处执行接地-中性故障采样之后的 可选的步骤，在框332处微控制器116可以再次确定使正弦信号达到指定 的过零点所用的时间，并且在框334处可以计算(并存储)针对延迟启动 下一个阶跃信号的适当的延迟时间。这帮助确保下一个阶跃信号造成的衰 减的正弦信号在电弧-故障采样周期上或其附近产生指定的过零点。这些 可选的步骤允许微控制器116当指定的过零点时间是未知的时或在一些 周期性的复位间隔之后而不仅仅在启动时连续地更新正弦信号达到指定 的过零点所用的时间以及阶跃信号延迟时间。

最后，在框336处，微控制器确定是否已经检测到电弧-故障或接地- 中性故障。如果此确定为“是”，则在框308处微控制器116使电路跳闸或 以其它方式中断电路。如果确定为“否”，则微控制器116返回到框304 处，并且继续执行接地-故障和电弧-故障检测。

在一些实施方式中，随着周围温度的改变和/或随着时间的推移，接 地故障感测电路105的谐振频率可能改变，并且因此衰减的正弦信号产生 预定义数量的过零点所需的时间可能改变。可以通过定期地(例如，在正 常操作的预定义的持续时间(例如，每200毫秒、300毫秒、400毫秒， 等等)之后，在已启动了预定义数量(例如，300个、400个、500个等 等)的正弦信号之后等等)重复图3中的采样初始化序列来补偿任何这样 的改变。这允许微控制器116补偿可能由于周围温度改变和/或随着时间 推移已经发生的任何频移。

现在接下来描述使用来源于MicrochipTechnology公司的 PIC24FJ32GA002或类似的微控制器运行所实施的特定系统100。在启动 时，微控制器初始化其I/O接口，等待电源线电压过零点，然后使用其 ADC开始周期性地对所有故障传感器输入(包括接地-故障传感器输入、 接地-中性故障传感器输入以及电弧-故障传感器输入)进行采样。在一些 实施方式中，微控制器在每个电源线半周期获得32个采样，导致其中ADC 被占用和不可用的时间段。这一过程通常不会被中断，并且在正常的采样 操作期间，采样周期通常不会被修改。在这一时间(例如300毫秒)还可 启动测试定时器以为微控制器执行接地-故障采样(以及电弧-故障采样) 分配足够的时间。

在测试定时器的初始到期后，微控制器在准备从接地-故障检测切换 到接地-中性检测时对基准电压(例如，内部V_基准或比较器V_基准)进行编 程以匹配接地故障感测电路的正弦信号相对于接地的偏移电压，然后等待 下一个电源线电压过零点。一旦其发生，则可以接通在微控制器中与测试 定时器分开的定时器外设TMR1，并且当定时器外设TMR1达到某些预 定义计数时，可以接着对几个输出比较模块(例如OC1和OC2)进行编 程以改变微控制器测试控制装置I/O引脚的状态。应注意，对于接地-中 性检测，通过OC1关断负荷晶体管Q1，并且然后重新接通负荷晶体管 Q1。一旦重新接通Q1，则关断OC1。但是在OC1被关断之前，I/O引脚 被编程以保持晶体管Q1在接地-故障检测间隔期间接通。

在典型的操作中，当定时器外设TMR1达到某个预定义的计数时， 输出比较模块OC1可以控制I/O引脚以关断晶体管Q1，这导致出于开始 接地-中性故障检测的目的，负荷电阻器R6将被从接地故障感测电路105 中移除。当定时器外设TMR1达到另一个预定义计数时，输出比较模块 OC1接通晶体管Q1，因此将负荷电阻器R6应用于接地故障感测电路105 用于接地-故障检测。

微控制器中的输出比较模块OC2可以控制连接于电容器C2的I/O引 脚，电容器C2转而连接于接地故障感测电路105。当定时器外设TMR1 达到预定义的计数时，输出比较模块OC2切换I/O针脚以引起这一电容 器C2将电荷转储到接地故障感测电路105中。此电荷转储启动在接地故 障感测电路105中以一定频率振荡和衰减的阶跃信号，其产生衰减的正弦 信号，然后为了接地-中性故障检测可以测量衰减的正弦信号的电压振幅。 当需要另一个电荷转储时，微控制器切换逻辑电平状态(从高切换到低或 从低切换到高)以把另一电荷转储到电路中。这一逻辑状态转换在接地故 障感测电路105中产生了初始正脉冲或初始负脉冲(即，从低到高的转换 产生了正脉冲，并且反之亦然)。

在启动阶跃信号的同时(或几乎同时)，接通并使用微控制器中的比 较器C1以检测接地故障感测电路105中的衰减的正弦信号的过零点。微 控制器中的输入捕获模块IC1被配置以捕获如由比较器C1触发的、过零 点的时间戳。在一些实施方式中，输入捕获模块IC1可以被配置以捕获每 隔一个的过零点的时间戳(以第一过零点开始，直到过零点的指定数量已 发生为止)。例如，在其中过零点的指定数量是13的实施方式中，针对 总共13个过零点可以捕获七个时间戳。在第13个过零点之后(或在第七 个时间戳之后)，微控制器然后可以关断输入捕获模块IC1。

由于使正弦信号产生预定义数量的过零点所用的时间被确定，所以微 控制器可以使用此时间以计算控制启动后续的正弦信号所需的延迟时间 以确保指定的过零点将发生在电弧-故障采样周期(其是已知的)之一的 时候或其附近。微控制器然后可以安排接地-中性故障采样在指定的过零 点的前一刻和/或紧接着指定的过零点发生。

在接地-中性故障检测完成之后，基于定时器TMR1的预定义计数， 比较模块OC1致能I/O引脚以重新接通晶体管Q1，因此将负荷电阻器 R6重新应用于接地故障感测电路105以用于接地-故障检测。

图4A和图4B示出了关于系统100的示例性时序图。图4A中的时 序图总体上示出了系统100的采样初始化序列，其中使正弦信号产生预定 义数量的过零点所用的时间被确定，而在图4B中的时序图总体上示出了 系统100的正常的采样操作。在这些时序图中，当关断晶体管Q1并从接 地故障感测电路105中移除负荷电阻器R6时，t_关断开始该周期；而当接 通晶体管Q1并将负荷电阻器R6应用于接地故障感测电路105时(即， 在接地-故障检测期间)，t_接通开始该周期。此外，t_阶跃是用于安排引入阶 跃信号的延迟时间(阶跃信号导致衰减的正弦信号)，并且在被计算之前 可被初始设置为任何合适的预定义值。此外，t_zx代表当衰减的正弦信号 产生过零点的时刻，以及t_k代表当电弧-故障采样周期开始的时刻。最后， t_占用代表电弧-故障采样周期的长度，在电弧-故障采样周期期间，ADC 被占用并因此不可用于对接地-中性故障输入进行采样。变量m代表检测 间隔的特定迭代，并且变量n代表在检测间隔内的衰减的正弦信号的特定 过零点。

为了便于参考，图4A和图4B中的时序图将被参考基于 PIC24FJ32GA002的系统100来描述。如在图4A中可见到的，在初始化 阶段(即，m＝0)期间，当定时器TMR1达到如由t_关断代表的预定义计 数时，微控制器使得晶体管Q1从接地故障感测电路105中移除负荷电阻 器R6。当定时器TMR1达到反映t_阶跃的值的另一预定义计数时，微控制 器使得电容器C2将电荷转储到接地故障感测电路105中。此电荷转储生 成了在接地故障感测电路105中的衰减的正弦信号，其可被采样以用于接 地-中性故障检测，如由被标记为“GF传感器”的线所指示的。

在生成正弦信号的同时(或者几乎同时)，微控制器中的比较器C1 被接通和使用以检测由衰减的正弦信号产生的预定义数量的过零点，如由 被标记为“比较器”的线所指示的。每次检测到过零点(或根据实施每隔一 次)时，输入捕获模块IC1捕获过零点的时间戳，如由被标记为“输入捕 获”的线所指示的。应注意，在初始化阶段期间，预定义数量的过零点中 的最后的过零点不发生在电弧-故障采样周期中或其周围，如由被标记为 “周期性的ADC使用”的线所指示的。然而，通过适当地设置阶跃信号延 迟时间t_阶跃，可以确保在正常操作期间指定的过零点在电弧-故障采样周 期附近或与电弧-故障采样周期同时发生。在一些实施方式中，根据以下 的方程1，可以计算阶跃信号延迟时间t_阶跃，其中(t_zx[m-1][n]–t_阶跃[m-1])是使 正弦信号产生预定义数量的过零点所用的时间：

t_阶跃[m]＝t_k+1/2t_占用-(t_zx[m-1][n]-t_阶跃[m-1]),对于m>0(方程1)

利用计算的阶跃信号延迟时间，如图4B中描绘的，正常的采样操作 可以现在开始。此时序图类似于在图4A中的时序图，除了使正弦信号产 生预定义数量的过零点所用的时间已经被确定以及阶跃信号延迟时间t_阶跃已经被相应地设置之外。正弦信号产生指定的过零点的时间因此在电弧- 故障采样周期附近或与电弧-故障采样周期同时，并且微控制器能够自由 地恰好在该电弧-故障采样周期之前和/或恰好在其之后执行接地-中性故 障采样，因为实质上保证了ADC在那时是可用的。如之前提到的，因为 电弧-故障采样周期定期发生并且从电源线过零点周期性地开始，所以可 以实现此有利的定时，如由被标记为“线电压zx”的线所指示的。

在此实施方式中应注意的是，由于切换控制电容器C2的I/O引脚的 逻辑状态以生成阶跃信号，所以图4B的阶跃信号具有与图4A的阶跃信 号的极性相反的极性，这导致具有与前一个阶跃信号的极性相反的极性的 阶跃信号。当然有可能在两个附图图中均将阶跃信号布置为具有相同的极 性而不偏离所公开的实施方式的范围。

虽然已参考一个或多个特定实施描述了公开的实施方式，但是本领域 中的那些技术人员将认识到，可以对其做出许多改变而不偏离本描述的精 神和范围。

例如，尽管上文已经参照使正弦信号产生预定义数量的过零点所用的 时间描述了接地-中性故障采样，但是具有本领域普通技术的人员理解的 是，可以使用可选择的定时技术。具体来说，不是使用过零点对电弧-故 障采样和接地故障采样的启动进行计时，而是电弧-故障采样和接地-故障 采样可以基于被编程以对预先确定的时间量进行倒计时的定时器。使用相 同的定时器，接地-中性故障采样可以然后被安排以在电弧-故障采样周围 发生。定时器可以内置于微控制器(诸如外设定时器TMR1(见图3)或 微控制器中的另一个外设定时器)，或者定时器可以是与微控制器共同工 作的外置定时器。

作为另一个例子，代替内置ADC，外置ADC可与微控制器一起使用。

另外，代替使用ADC以对正弦信号进行实时采样，可以实施峰值检 测电路，借此正弦信号通过二极管和电阻器为小型电容器充电。可以使用 此电路的两个实例，一个用于感兴趣的正峰值，并且一个用于感兴趣的负 峰值。在感兴趣的周期期间，通过使得电容器充电，可以使用诸如晶体管 的切换元件以使此电路成为可能。当ADC可用时，电压可随后被转换， 其使得峰-峰电压被确定。

此外，不是使用输出比较模块，而是使用可被编程以针对每一个事件 到期(诸如，接通/关断负荷晶体管和启动阶跃信号)的定时器。在相应 的中断请求中，可以然后执行适当的I/O引脚控制以实现该事件。以及， 代替使用输入捕获模块，比较器可以被配置以在检测到信号过零点时引起 中断请求。微控制器自身然后可以检索关于过零点的相应的时间戳。

因此，这些实施方式及其明显变型中的每一个被预期为属于在所附权 利要求中阐述的所要求保护的发明的精神和范围。