用于接地故障电路中断器的单传感器微控制器系统及方法

摘要

本发明提出一种用于接地故障电路中断器的基于微控制器的温度补偿电路以便符合UL 943要求，其使用单个传感器来检测全波和半波AC电源中的接地故障状态和接地中线故障状态，所述全波和半波AC电源是接地故障断路器或插座装置的一部分。

权利要求

1.一种用于在具有火线和中性线的配电系统中检测接地故障状态和接地中线状态的基于微控制器的系统，包括：传感器电路，其包含单个变流器，该变流器响应于该配电系统的所述火线和中性线中的电流产生输出信号；

微控制器，其接收所述传感器输出信号并且在检测到所述配电系统中的所述接地故障或所述接地中线状态时启动脱扣信号的产生，所述微控制器被编程来：在间隔开的各时间间隔内，利用所述传感器输出信号检测接地故障状态；以及在所述各间隔开的时间间隔之间的中间的时间间隔内，利用所述传感器输出信号检测接地中线状态，电路中断器，其响应于所述脱扣信号中断所述配电系统中的电流；以及包括电容器的模拟存储器电路，其中所述模拟存储器电路适于利用全波电源或半波电源进行操作以便产生：把所述电容器充电至第一电压电平的定时功能，所述定时功能控制所述间隔开的时间间隔和所述中间的时间间隔；以及把所述电容器充电至第二电压电平的存储器功能，其中所述存储器功能响应于检测到接地故障或接地中线状态而被设置，并且，如果在所述电路中断器中断所述配电系统中的电流之前暂时失去电力，那么根据电源电压的恢复来恢复电路脱扣。

2.如权利要求1所述的基于微控制器的系统，其中所述单个变流器的电感随温度非线性地变化；

所述系统进一步包括：非易失性存储器，其与所述微控制器相关联，其中，所述微控制器进一步地在制造期间被编程来接收给定温度下的所述传感器输出信号以及：基于所述传感器输出计算预定的接地故障阈值，并且将所述预定的接地故障阈值存储在所述非易失性存储器中；以及基于所述传感器输出计算预定的接地中线阈值，并且将所述预定的接地中线阈值存储在所述非易失性存储器中。

3.如权利要求1所述的基于微控制器的系统，其中所述变流器具有随温度变化的电感；所述系统进一步包括：环境温度感测电路，其被放置在所述变流器附近，并且产生随环境温度状态线性变化的电压；

其中所述微控制器具有存储在非易失性存储器中的预定的接地故障阈值和预定的接地中线阈值，所述微控制器进一步被编程来：基于所述预定的接地故障阈值和所述环境温度感测电路的输出计算修改后的接地故障阈值；

基于所述预定的接地中线阈值和所述环境温度感测电路的输出计算修改后的接地中线阈值；

利用所述修改后的接地故障阈值检测接地故障状态；

利用所述修改后的接地中线阈值检测接地中线状态；以及在检测到所述配电系统中的所述接地故障或所述接地中线状态时启动脱扣信号的产生。

4.如权利要求1所述的基于微控制器的系统，其中所述变流器，其具有随温度变化的电感；其中所述传感器电路进一步包括谐振电路，并且其中所述微控制器具有存储在非易失性存储器中的预定的接地故障阈值和预定的接地中线阈值，所述微控制器进一步被编程来：在接地中线测试期间启动脉冲信号，以便在所述传感器谐振电路中产生谐振振荡；

测量所述谐振振荡的频率以便确定所述变流器的电感变化；

基于所述预定的接地故障阈值和所述变流器的所述电感变化计算修改后的接地故障阈值；

基于所述接地中线阈值和所述变流器的所述电感变化计算修改后的接地故障阈值；

利用所述修改后的接地故障阈值检测所述接地故障状态；

利用所述修改后的接地中线阈值检测所述接地中线状态；以及在检测到所述配电系统中的所述接地故障或所述接地中线状态时启动脱扣信号的产生。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述模拟存储器电路进一步包括至少一个与所述电容器电耦合的电阻。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述至少一个电阻包括负载电阻和泄漏电阻。

7.一种用于在具有火线和中性线的配电系统中检测接地故障状态和接地中线状态的方法，包括：响应于该配电系统的火线和中性线中的电流、利用单个变流器产生信号；

将所述信号提供给微控制器，该微控制器被编程来利用所述信号在所述配电系统中检测接地故障状态或接地中线状态，并且在检测到所述接地故障或接地中线状态时启动脱扣信号的产生；

响应于所述脱扣信号中断所述配电系统中的电流；以及通过把模拟存储电路中的电容器充电至第一电压电平来产生定时功能，所述定时功能控制用于测试接地故障或接地中线状态的时间间隔；以及通过把所述电容器充电至第二电压电平来产生存储器功能，所述存储器功能响应于检测到接地故障或接地中线状态而被设置，以便在所述配电系统中的所述电流被中断之前如果暂时失去电力的情况下恢复脱扣状态。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述单个变流器的电感随温度非线性地变化；并且其中所述微控制器进一步在制造期间被编程来：接收基准温度下的所述信号，基于所述基准温度计算预定的接地故障阈值，并且将所述预定的接地故障阈值存储在与所述微控制器相关联的非易失性存储器中；以及接收基准温度下的所述信号，基于所述基准温度计算预定的接地中线阈值，并且将所述预定的接地中线阈值存储在与所述微控制器相关联的非易失性存储器中。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述变流器的电感随温度非线性地变化；所述方法进一步包括：产生所述传感器的环境温度读数；以及

将所述信号提供给具有预定的接地故障阈值和预定的接地中线阈值的所述微控制器，所述微控制器进一步被编程来：利用所述环境温度读数，基于所述预定的接地故障阈值计算修改后的接地故障阈值；

利用所述环境温度读数，基于所述预定的接地中线阈值计算修改后的接地中线阈值；

利用所述信号，基于所述修改后的接地故障阈值检测接地故障状态；

利用所述信号，基于所述修改后的接地中线阈值检测接地中线状态；

在检测到接地故障或接地中线状态时启动脱扣信号的产生；以及响应于所述脱扣信号中断所述配电系统中的电流。

10.如权利要求7所述的方法，所述产生信号是通过包括谐振电路和所述变流器的传感器实现的，所述变流器具有随温度而变化的电感；

将所述信号提供给具有预定的接地故障阈值和预定的接地中线阈值的所述微控制器；以及所述微控制器进一步被编程来：

在接地中线测试期间启动脉冲信号，以便在传感器输出信号中产生阻尼振荡；

测量所述阻尼振荡的频率以便确定所述变流器的电感变化；

基于所述预定的接地故障阈值和所述变流器的所述电感变化计算修改后的接地故障阈值；

基于所述接地中线阈值和所述变流器的所述电感变化计算修改后的接地故障阈值；

利用所述修改后的接地故障阈值检测接地故障状态；

利用所述修改后的接地中线阈值检测接地中线状态；以及在检测到所述配电系统中的所述接地故障或所述接地中线状态时启动脱扣信号的产生。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述模拟存储器电路进一步包括至少一个与所述电容器电耦合的电阻。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个电阻包括负载电阻和泄漏电阻。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述负载电阻与所述电容器串联，所述泄漏电阻与所述电容器并联。

说明书

技术领域

本申请一般涉及电路保护，尤其涉及一种用于检测接地故障和接地中线状态的系统和方法。

背景技术

为了满足UL 943的要求，接地故障保护装置(例如断路器和插座)的现有涉及一般使用模拟电路和两个电流传感器。一个传感器需要被用于检测表征接地故障的电流不平衡，第二传感器被用作休眠振荡器电路的一部分，该休眠振荡器电路用于检测可能降低所述接地故障检测能力的接地中线(grounded-neutral)状态。由于模拟电路仅提供极小的补偿或校准能力，因此这些传感器需要在很宽的温度范围内具有高精确度并且具有较低的部件间差异。此外，由于没有非易失性存储器功能可用，所以如果电源是断续的，则该模拟方法可能不会工作得很好。

发明内容

简要地说，本发明利用单个廉价电流传感器和小型廉价微控制器的组合来满足UL 943的全部要求，同时解决了现有技术中存在的问题，其中该组合被设计成用作接地故障断路器或者插座装置的一部分。
根据本发明的另一个实施例，通过将接地故障检测和接地中线检测的功能组合到一个传感器中，与两个传感器的方法相比减少了成本。
根据本发明的另一个实施例，用来校正传感器在温度上的非线性的简单的温度测量和补偿方案允许将传感器设计成能利用低成本的材料和简单的制造工艺。
本发明的另一个实施例利用在电路组装过程中提供基于软件的校准的可编程装置来克服传感器电路中的部件间差异。这使得各传感器电路组件具有更宽的可接受容差范围，并且减少了不合格组件材料的数量。
根据本发明的另一个实施例，提供模拟存储器功能，从而如果在脱扣电路(trip circuit)有时间激活之前暂时失去电力，则在检测出故障时恢复电路脱扣状态。该特征允许本发明的电路利用经过半波整流的电源或者其他断续电源来操作。

附图说明

在附图中：
图1是具体实现本发明的接地故障电路中断器的示意图；
图2是示出图1的电路中的存储电容器的使用的时序图；
图3示出利用半波电源的接地故障检测的一系列波形；
图4示出利用全波电源的接地故障检测的一系列波形；
图5a和5b示出对于不存在接地中线的状态的检测；以及
图6a和6b示出对于接地中线状态的检测。

具体实施方式

参见附图，开始参见图1，其中数字的、基于微控制器的接地故障电路中断器(GFCI)电路10被设置成利用作为传感器的单个变流器T1来分别检测火线(line conductor)30和中性线32上的接地故障状态和接地中线状态。
该数字微控制器U1是例如PIC12CE673微控制器、数字信号处理器或ASIC装置之类的装置，其例如具有以下特征：板上RAM、非易失性存储器、内部定时器、内部模数(A/D)转换器以及模拟和数字端口。
供给GFCI电路10的DC功率由电源电路20和基准电路22提供，该电源电路从火线30和中性线32吸取功率，该基准电路产生所需要的经过调节的DC电压电平。该完整的电源由脱扣螺线管L1、变阻器MOV1、整流器CR1、电容器C1、降压电阻器R1、二极管串CR2-CR5、参考二极管CR6和输出电容器C3组成。所述脱扣螺线管L1、电容器C1和变阻器MOV1执行输入滤波和电涌限制。该脱扣螺线管L1通过提供输入滤波器来执行多种功能，例如用于电涌和噪声抑制的串联阻抗、用于在电源出现短路故障时打开各主接触件(未示出)的装置、或者在检测到接地故障或接地中线状态的情况下用于预定脱扣功能的装置。该整流器CR1对输入的AC电流进行整流，电容器C1提供附加的能量存储和对高频瞬变的抑制。该降压电阻器R1的规格被设定成适于维持足够的电流以便对该电压基准电路22中的二极管串CR2-CR6进行正向偏置，并且以最小输入电压为该电路提供所需要的操作电流。对于该微控制器和其他电路的操作所需要的DC电压电平受到二极管串CR2-CR6的调节。对于感测电路24的稳定操作所需要的基准电压由CR6和C3提供。电容器C3提供在瞬变状态下的少量的能量存储。该经调节的Vref输出在～66到～132VAC的输入范围内可用。如本领域技术人员所熟知的那样，该输出电压Vref和输入范围可以通过改变组件值来调节。
电容器C2和硅控整流器(SCR)Q1执行脱扣功能。当通过微控制器U1检测到故障时，微控制器U1的数字输出“脱扣”引脚被设置，其导通SCR Q1并且建立通过螺线管L1、整流器CR1和SCR Q1的电流通路。所产生的电流的电平足以激活该脱扣螺线管L1并且打开各主接触件(未示出)。电容器C2为SCR Q1的栅极提供噪声抑制，并且在脱扣操作期间存储电压以便将Q1的“导通”状态维持更长的时间。
手动检测电路18由手动按压检测(push-to-test)开关PTT以及一对电阻器R11和R12组成。当开关PTT被按下，就会产生足够的电流以使得该GFCI电路10检测到故障并且利用所述脱扣功能来打开各主接触件(未示出)。
电流感测电路24由耦合到火线30的变流器T1、中性线32以及包括运算放大器U2和一对电阻器R7、R8的放大器电路组成。偏压电阻分压器电路由一对电阻器R3和R4形成，其建立的电路电压是Vref的1/2。这样确保传感器电路24输出的“零”电平位于微控制器U1的A/D输入端的轨线的中间以便于包络检测。
变流器T1的磁导率受到环境温度变化的影响，优选地在接地故障阈值电平和接地中线阈值电平中对环境温度的变化进行补偿。
可选的温度感测电路26利用小信号双极型结型晶体管Q3的基极-发射极电压来提供对变流器T1附近的周围温度状态的读取。晶体管Q3的结偏置电流由连接到基准电源电压Vref的电阻器R13设置。通过微控制器U1对基准电压Vref和晶体管Q3的基极上的电压进行采样，并且所述采样值被用于调节接地故障阈值和接地中线检测基准值，以便补偿变流器T1的性能随温度的变化。
在制造过程期间，所述微控制器可以被编程来计算在给定温度下的接地故障阈值和接地中线阈值，并且将所述阈值存储在非易失性存储器中。另一种温度补偿方法将在下面参考图5和6进行论述。
模拟短时存储器电路28由电容器C6、负载电阻器R9和泄漏(bleed)电阻器R10组成。微控制器U1利用双向引脚Mem_cap作为模拟输入端以便读取存储器电路28的电压，并且将其作为数字输出端以便对存储器电路28的电容器C6充电。如果检测到故障，则在微控制器U1中运行的软件使得电荷被放置在电容器C6上。如果在脱扣螺线管能够打开所述接触件之前失去电力，则该脱扣存储器(即电容器C6上的电压)将保持较短时间，并且在电源电压恢复之后重新激活所述脱扣功能(通过微控制器U1)。存储器电路28允许GFCI电路10利用经过半波整流的电源或者其他断续电源进行操作。
现在参见图2，该时序图显示在正常操作(没有检测到故障)期间的模拟存储器电路28的使用，其用于定时的目的，以便确定何时执行接地中线检查和接地故障检查。存储器电路28允许即使在使用经过半波整流(断续)的电源的情况下仍然允许接地中线检查的定时保持一致。当该存储器电路的电压达到接近放电的状态时，微控制器U1将电容器C6充电到小于如上所述的指示待定脱扣所需要的量的电压电平，并且在该时间间隔期间执行连续的接地故障检测，直到该电压电容器C6再次达到接近放电的状态。当由微控制器U1采样的存储器电路28的电压达到接近放电的状态时，在该中间的时间或空间间隔期间执行接地中线检查。这一循环如图所示地那样每秒发生几次，并且能够通过改变存储电容器C6和泄漏电阻器R10的值而对其进行调节。
现在转到图3，其中示出基于经半波整流的电源的、从通电到电路脱扣的接地故障检测的操作。在100a，电源启动，在102a，该微控制器U1被初始化，并且该存储电容器C6被读取以便如上所述地确定是否从前一循环存在未实现的脱扣状态。在104，接地故障感测功能接通开关Q2，从而将低阻抗负载电阻器R6置于T1的次级两端的电路中。运算放大器U2将该电阻器R6两端的电压放大到允许微控制器U1的板上A/D转换器读取5mA的接地故障电流的电平。在软件中将所述结果与基准接地故障阈值进行比较，以便确定是否超过了脱扣阈值，从而指示故障。如果故障确实存在，那么在106对存储电容器C6充电以便指示待定脱扣状态，并且在108a激活所述脱扣功能以便试图在剩余的时间中引起电路脱扣。然而，在110，该半波电源关闭。在100b，该电源再次启动，并且在102b该微处理器U1被重新初始化，但是存储电容器C6上的电荷指示待定脱扣状态，所以在108b激活该脱扣功能以便立即引起电路脱扣。
如图4所示，当利用全波电源连续供电时，由于在负半线周期期间也有功率可用来激活所述脱扣功能，因此电路脱扣可以更快地发生。当利用全波电源时，图3中的启动周期100和102仅在通电/复位时被执行一次，并且没有在图4中示出。在接地故障感测期间，微控制器U1接通开关Q2，从而将低阻抗负载电阻器R6置于T1次级两端的电路中。运算放大器U2将该信号放大到允许微控制器U1的板上A/D转换器读取5mA的接地故障电流的电平。在软件中将所述结果与基准接地故障阈值进行比较，以便确定是否超过了脱扣阈值。如果故障确实存在，那么在106对该存储电容器进行充电以便指示待定脱扣状态，并且在108激活所述脱扣功能以便立即引起电路脱扣。如果在电路脱扣之前干线电路被中断，那么所述存储器功能在短时间内可以有助于在恢复电力时立即执行脱扣。
现在转向图5-6，当不存在接地中线状态以及当存在1欧姆接地中线时，对于接地中线检测功能的操作示出电流感测电路24的输出波形。
当存储电容器C6上的电压达到接近放电的状态时，进入接地中线检测模式。这在电路首次通电时发生以及在那之后的每几百毫秒发生，正如存储器电路28对于全波和半波电源所确定的那样。在接地中线感测模式中，通过微控制器U1的Ping输出端来关断开关Q2，其将开关Q2的栅极电压从高切换到低，并且通过电容器C5在变流器T1的次级上产生扰动。随着R6被从电路中切换出去，变流器T1的次级和电容器C4被允许以由高阻抗负载电阻器R5提供的少量阻尼谐振，如图5b所示。接地中线状态改变了变流器T1的次级绕组的阻抗，并且急剧地衰减了振荡，如图6b所示。该阻尼振荡波形的包络或者峰-峰振幅随着时间的改变由运算放大器U2被放大，并且在预设的延迟之后由微控制器U1的A/D输入端测量。
将通过微控制器U1测量的所述波形(或包络)的峰-峰振幅与对应于接地中线状态的所存储的阈值进行比较。如果该峰-峰振幅大于该阈值，那么所述初级阻抗就高于该接地中线阈值水平，例如＞2.5欧姆。在这种情况下，存储电容器C6在下一个定时间隔内被充电，通过开关Q2将低阻抗负载电阻器R6切换回该电路中，并且软件程序开始检查接地故障状态。如果所测量的该峰-峰振幅小于接地中线阈值，则存在接地中线状态，存储电容器C6被充电以指示待定脱扣状态，并且所述脱扣功能被激活。图6b示出由1欧姆接地中线造成的接地中线34状态的阻尼效应，其导致振荡波形的包络与图5b所示的包络比较起来快速地衰减，在图5中示出的是没有接地中线状态的情况。
上述的阻尼振荡能够以下面的指数等式乘以正弦曲线的形式表示：
A sin(ωτ)xe-αt
“A”表示该正弦曲线的初始振幅，ω表示振荡频率，τ表示时间，α是衰减因数。该α是导致振荡衰减的元件的组合。中线到地电阻与该α直接相关。当中线到地电阻下降时，α增大，从而使得衰减变快。为了确定中线到地电阻的预定值的存在，可以通过多种方法计算或估计该α参数。每种方法在处理要求和对噪音的敏感性方面都有其益处和折衷。一旦进行估计之后，可以将该估计值与用于检测接地中线故障的设定点进行比较。下述方法当中的每一种可以只利用振荡周波的正值、只利用振荡周波的负值、利用振荡周波的正值和负值或者利用振荡周波的绝对值来实现。这些方法被描述如下：
方法1：峰值包络——由于看到描述该减幅振荡的表达式包含正弦曲线和指数函数，因此本方法试图找出该包络指数函数。通过对该信号进行高速率采样来定位该振荡的峰值。可以测量该峰-峰振幅，以便确定该波形的包络。在距离该振荡波形开头的特定时间处测量的包络随后可以被用来测量该指数函数的衰减速率。
方法2：峰值的多项式包络——本方法与方法1类似，但是使用具有y＝Ax2+Bx+C的形式的二阶函数估计。A用来估计α。也可以使用多阶多项式。
方法3：线性包络估计——本方法也与方法1类似，其不同之处在于找出对各峰值的线性拟合。所得到的最佳拟合线的斜率被用来估计α。
方法4：周波的面积——本方法与方法1类似，但是其利用在信号波形下的面积进行估计，而不是利用峰值进行估计。所得到的各点被拟合到一个模型。该模型的参数被用于估计α。本方法可以使用上述方法1、2和3中的指数、线性或多项式模型。
方法5：半周波的斜率——本方法通过测量两个或更多的点来估计半周波的前沿或后沿的斜率。其中的参数-基准判定(parameter-to-base decision)可以是半周波N的斜率，其中N是1，2，3，4....
方法6：半周波斜率的函数——本方法需要计算M个半周波的斜率，然后利用一个参数，该参数例如是所得到的M个半周波斜率的斜率。
方法7：半周波斜率的阈值——本方法需要计算M个半周波的斜率，然后利用一个阈值对超过预选阈值的半周波的数目进行计数。具有超过该阈值的斜率的半周波的数目被用作判定参数。
方法8：对超过阈值的峰值进行讲数——对固定数目的半周波或者固定的时间周期进行监控。在此时间内，对超出预选阈值的半周波的数目进行计数。使用基于超过该阈值的峰值数目的判定参数。
根据本发明的另一个实施例，在接地中线故障检测期间，通过测量变流器T1的阻尼振荡波形，可以确定温度对于变流器T1的性能的影响。通过利用已知电容值测量谐振频率，频率的改变可以与变流器T1的电感的改变直接相关。电感的改变直接指示变流器铁芯材料的磁导率的变化，并且与变流器T1的输出特性相关。
根据本发明的一个实施例，在基线温度下的制造过程中，所述微控制器被编程来启动阻尼振荡波形的产生，从而产生基准频率值，并且在非易失性存储器中存储该基准频率值。所获得的基准频率值与基线温度下的变流器T1的电感直接相关。在本发明的正常操作期间，将该基准频率值与操作中测量的谐振频率进行比较，以便计算出供故障检测处理使用的修改后的接地故障阈值和接地中线阈值。因此，能够通过根据可选的温度感测电路26的谐振频率观测而获得变流器T1在一个温度范围内的性能变化。
虽然已经示出和描述了本发明的具体实施例和应用，但是可以理解，本发明不限于此处公开的精确构造和组成，在不背离由所附权利要求书限定的本发明的主旨和范围的情况下，对前述描述的各种修改、改变和变化都是显而易见的。