專利名稱：用于多相接地故障斷續器的系統和方法
技術領域：
本發明主要涉及多相接地故障斷續器(GFCI)系統，更具體涉及將電壓不平衡用于智能脫扣的系統和方法。
背景技術：
為了在將有害中斷減至最少的同時提供及時的系統故障的檢測和隔離，對GFCI 系統進行了改進。相關示例可以參見，例如，轉讓給本申請人的美國專利7，301，739，并且所述專利在這里全部引入作為參考。美國專利7，301，739還描述了一種用于補償通常在低水平或高水平接地故障期間流遍三相電力系統的小電容電流的手段，由此進一步最小化非故障電路的脫扣。然而，現今在最常見的運用中，GFCI系統設計的主要目標是允許為在相對低的電壓(例如，通常小于125伏相對地電壓)下工作的單相電力系統實施可靠、高速的接地故障中斷。雖然常規的GFCI系統對于額定相間電壓為480伏(即277伏的相對中性點或對地電壓)及更高的三相電力系統而言是很可靠的，但是如果與工作在大于125伏的相對地電壓下的多相系統一起使用，那么由于電容充電電流很大，“有害”脫扣有可能會更為普遍， 其中很大的電容充電電流是與饋電線或分支電路相關聯的絕緣相導體的特性。這些充電電流是由與接地表面或導體挨得很近的絕緣相導體的分布電容產生的。例如，在一個相發生接地故障且相對地電壓是277V的三相多饋電線系統中，未受影響的饋電線的無故障相上的電容充電電流的量值很容易達到使未受影響的饋電線的GFCI “錯誤脫扣”的量值。如此一來，需要一種可以為處于所有系統電壓水平的多相電力系統(尤其是在大于125V的相對地電壓下工作的多相電力系統)提供改進的脫扣“智能”或“安全性”的GFCI 系統。此外還還需要一種用于三相多饋電線系統的改進GFCI系統，其中所述三相多饋電線系統具有與4-6mA的人類“擺脫”電流閾值下限相對應的接地故障傳感器(GR5)靈敏度，并且所述改進的GFCI系統會可靠地脫扣受影響的一個或多個饋電線，而不會導致在未受影響的一個或多個饋電線上出現錯誤的中斷。被設計成在這么低的電流下脫扣的GFS通常包括電流變換器，并且所述電流變換器很容易因為所涉及的分支或饋電線電路上的高水平接地電流狀況而磁飽和。變換器的磁飽和可能導致相應的GCFI錯誤地脫扣無故障電路。

發明內容
在這里提供了一種與多相電源以及具有多個饋電線或分支電路的干線總線電路一起使用的接地故障斷路系統和方法。該接地故障斷續器(GFCI)系統包括與電源以及干線總線電路耦合的電壓不平衡檢測設備，用于在故障狀況中檢測多相電源的三個相電壓之間的電壓不平衡，以及分別與干線總線以及每一個饋電線電路相關聯的多個GFCI單元，其中每一個GFCI單元可操作為產生與相關聯的饋電線或干線總線電路上的故障狀況相對應的故障信號。該系統還包括與電壓不平衡檢測設備以及每一個GCFI單元通信的計算機或計算處理器，用于持續監視GCFI單元產生的電壓不平衡和故障信號。根據本發明的一個方面，該處理器被編程成基于電壓不平衡狀態、以及干線總線電路中的GFCI單元產生的故障信號與饋電線或分支電路中的GFCI單元產生的故障信號之間的一定預定關系來確定何時存在實際故障狀況。然后，該邏輯確定哪個饋電線或分支電路正在經歷實際故障狀況，而這隨后將會促使處理器向與經歷實際故障狀況的一個或多個饋電線或分支電路相對應的一個或多個GFCI單元產生脫扣信號。如此一來，相應的一個或多個故障電路被中斷。該邏輯還促使處理器向沒有經歷實際接地故障狀況的饋電線或分支電路處的剩余GFCI產生禁止(“無脫扣”)信號，由此禁止中斷這些無故障的一個或多個電路。根據本發明的GFCI系統可以更可靠地切斷故障饋電線電路的電源，而不會導致其它“健康”饋電線電路中斷。本發明提供了一種可以更可靠地檢測實際故障、確定實際故障位置以及根據需要迅速中斷故障電路的GFCI系統。本發明還將無故障電路的錯誤脫扣降至最低程度，尤其是具有在嚴重的相對地故障事件中遭遇到電源系統電容充電電流影響以及GFS磁飽和效應的GFCI的電路。


關于本發明的詳細描述是參考附圖中示出的具體實施例進行的。這些附圖僅描述了本發明的典型實施例，由此不應被認為是對其范圍進行限制。圖1是示出了根據本發明的具有多個饋電線電路以及GFCI系統的三相電源電路的示意電路圖；圖加-c是根據本發明的電壓不平衡檢測設備的例示實施方式；圖3a和b是示出了“固化接地(solidly grounded) ”系統的電流分布的相量圖；圖如和卜是示出了“高阻接地”系統的電流分布的相量圖；圖fe和b是示出了 “未接地”系統的電流分布的相量圖；圖6是示出了用于未接地電力系統的圖1中的處理器的操作的流程圖；圖7是用于固化接地或高阻接地電力系統的圖1中的處理器的操作的流程圖；圖和b分別是示出了根據本發明來執行關于未接地和固化接地/高阻接地電力系統的干線故障測試的第一組方法的流程圖；圖9a和b分別是示出了根據本發明來執行關于未接地和固化接地/高阻接地電力系統的干線故障測試的第二組方法的流程圖；圖IOa和b分別是示出了根據本發明來執行關于未接地和固化接地/高阻接地電力系統的干線故障測試的第三組方法的流程圖；圖lla-c是示出了根據本發明來執行饋電線故障測試的方法的流程圖；圖12是具有多個饋電線電路且存在故障的三相高阻接地供電系統的圖示；以及圖13是根據本發明的多相GFCI系統的單個饋電線電路的基本組件的框圖。
具體實施例方式本發明可以在由計算機執行的系統和計算機方法的一般上下文中描述和實施。這種計算機可執行指令可以包括程序、例程、對象、組件、數據結構以及可以用于執行特定任務和處理抽象數據類型的計算機軟件技術。本發明的軟件實施方式可以編碼在不同的語言中，以便在多種計算平臺和環境中應用。應意識到，本發明的范圍和基本原理是不局限于任何特定的計算機軟件技術的。此外，本領域技術人員將會意識到，本發明可以使用硬件和軟件配置中的任何一個或任何組合來實施，包括但不局限于具有單處理器和/或多處理器計算機處理器的系統、手持設備、可編程消費類電子產品、迷你計算機、大型計算機等等。此外，本發明還可以在分布式計算環境中實施，其中，在所述環境中，任務是由通過一個或多個數據通信網絡相連的服務器或其它處理設備執行的。在分布式計算環境中，程序模塊可以位于包含了記憶存儲設備的本地和遠程計算機存儲媒體兩者。此外，諸如CD、預錄磁盤或其它等價設備之類的與計算機處理器一起使用的制品可以包括計算機程序存儲介質以及記錄在其上且用于指引計算機處理器輔助實施和實現本發明的程序裝置。這種設備和制品同樣落入本發明的精神和范圍內。現在參考附圖并對本發明的實施例進行描述。本發明可以采用多種方式實施，例如作為系統(包括計算機處理系統)、方法(包括計算機實施的方法)、設備、計算機可讀介質、計算機程序產品、圖形用戶界面、網絡門戶或是有形固定在計算機可讀存儲器中的數據結構來實施。以下描述了本發明的若干實施例。附圖示出的僅僅是本發明的典型實施例， 由此不應該被認為是對其范圍和廣度的限制。本發明涉及一種用于具有多個饋電線或分支電路的多相供電系統的接地故障斷續器系統(“GFCIS-3Ph”)。作為示例而不是限制，在下文中參考圖1對本發明進行了描述， 其中該圖顯示的是具有三個饋電線或分支電路的三相供電系統10的Y字型或星形連接的次級互感器繞組。就電力線A，-B，-C，、A”-B”-C”以及A，”-B，”-C，”饋電的三個電路而言，術語“饋電線”和“分支”是作為同義詞使用的，并且應該理解的是，任一術語可以是指饋電線、分支或是源自干線電路的其它電路。對本發明來說，“故障狀況”或“故障信號”指的是從接地故障斷續器(GFCI)單元(例如GFCI1、GFCI2、GFCI3)、接地故障傳感器(GFS，例如 GFS1、GFS2、GFS3)或其它等價設備接收的狀況或信號，其中，該信號表示的是因為系統電壓不平衡狀況所導致的實際故障狀況或電容電流，并且系統電壓不平衡狀況是多相供電系統上的任何地方的實際故障造成的。“實際故障”或“實際故障狀況”指的是供電系統10中的任何異常電流，其中所述異常電流是由與供電系統和/或饋電線或分支電路相關聯的多個相或相對地之間的短路或異常低的阻抗路徑造成的，但是并不局限于此。GFCIS-3W!適用的電源系統使用源三相電力互感器，其中所述互感器最通常是介于高壓側與低壓側之間的三角形(delta-wye)(也被稱為“星形”)、或雙三角形的三相互感器連接。只要系統具有相對于地面或大地的通常平衡的電壓，那么其它互感器連接也是可以使用的，其中所述連接是諸如三角形或三角形曲折配置，但是并不局限于此。在應用了 GFCIS-3W!的情況下，電力互感器將配電系統的電壓轉換成電力使用所需要的電壓水平。當使用配電系統遭遇到具有足夠高的電流量值的不平衡的相對地短路時，所述故障會導致在本地使用系統電壓水平下通常相等的相對地系統電壓不平衡。進一步參考圖1，供電系統10的三相互感器次級繞組經由干線電路斷路器(MCB) 電耦合到三條電力總線12、14和16，并且這三條電力總線提供分別由相A、B和C組成的三相電力。與總線12、14和16相連的是由18、20和22表示的三相饋電線或分支電路，其分別包括三條電力線A’、B’和C，；A”、B”和C”；以及A’”、B’”和C’”。該三相供電系統10還耦合到根據本發明的GFCIS-3W!系統，該系統包括被指定成干線電路中的GFCIM的GFCI單元以及分別處于饋電線或分支電路18、20和22中的單元GFCI1、GFCI2以及GFCI3。每一個GFCI單元包括接地故障傳感器(分別是GFS1、GFS2以及GFS3)，而干線電源(MGFS)和每一個饋電線或分支電路(分別被表示成CB1、CB2和CB3)的電路斷路器以及干線電源斷路器MCB同樣也是如此。每一個GFCI產生“故障信號”，該信號指示與饋電線/分支電路相關聯的實際故障狀況或電容電流，其如下文參考圖13中顯示的示例GFCI所述，所述信號可被提供給計算機處理器對。舉個例子，“故障信號”可以是代表在相應GFS處測得的瞬時不平衡電流的電流或電壓信號。計算機處理器M包括分別與干線傳感器MGFS和饋電線傳感器GFSl、GFS2和GFS3 相連的輸入30、32、34和36，以及分別與干線斷路器MCB以及若干個饋電線或分支斷路器 CB1、CB2和CB3相連的輸出40、42、44和46。這些傳感器輸入和輸出用線路連接或是借助光纖通信之類的手段連接到中央處理設備對，所述設備基于來自MGFS、GFS1、GFS2和GFS3 的故障信號來確定電流的量值，并且啟動或禁止相關聯的斷路器脫扣單元。在所述確定中使用的電流量值或故障信號可以是峰值、平均值、均方根，或者也可以在從測量的電流得出的時候被數字處理。此外，故障信號可以是經過數字處理的(或者用諸如無源濾波器之類的模擬裝置過濾的)，并且可以僅被表示成基本的工頻分量(即60或50Hz)，以便改善對于來自電力系統上的電子“噪聲”或諧波電流的故障電流的識別。作為替換，中央處理設備M可以類似地確定從基本頻率(即，60Hz或50Hz)電壓和電流量得到的導納和阻抗的量值，并且使用下文中參考圖9a-b、10a-b以及llb_c描述的邏輯。這個單獨驅動的三相系統的干線電路斷路器MCB以及每個饋電線或分支電路斷路器(CB1、CB2和CB!3)具有相關聯的接地故障傳感器(GFS1、GFS2和GFS3)，其中該傳感器是作為分別表示為50、52、討和56示意性描述的磁勢平衡(core-balance)傳感器(電流互感器或等價設備，例如使用“霍爾效應”的傳感器，或使用具有足夠精度的三個單相電流互感器的總和的合成器)，該傳感器圍住了相關聯的三相導體(以及中性導體，如果適用的話)。每一個三極饋電線電路斷路器包括分勵脫扣設備，以便促成快速地斷開電路。這些傳感器和電路斷路器可以是分離的，或者被形成為集成的GFCI電路斷路器單元。再次參考圖1，GFCIS-3Ph系統還包括與中央處理設備M耦接的電壓不平衡檢測設備60。該電壓不平衡檢測設備60還經由電力總線12、14和16耦接到三相供電系統10， 并且用于在不平衡的相對地電壓狀況期間感測所謂的“負序列，，和“零序列電壓”。這種負序列和零序列電壓在三相電力系統的接地故障期間是始終存在的。相關示例可以參見圖 2a_c，其中該圖是在 C. F. Wagner 禾口 R. D. Evans，“Symmetrical Components as Applied to the Analysis of Unbalanced Electrical Circuits，，，McGraw-Hill Book Co·，1993，New ^rk中描述的零序列電壓不平衡檢測設備60的例示實施方式。作為替換，本領域技術人員將會了解，其它硬件和軟件方法也可用于感測、測量、檢測、推斷或以其它方式確定在不平衡的相對地故障狀況中存在的“負序列”和“零序列電壓”。通過使用商業可獲得的電壓不平衡檢測設備60 (例如在圖加-c中作為68、78或 94描述的瞬時過壓繼電器)，可以在大約0. 02-0. 04秒內快速檢測到三相電力系統上的低至數伏的不平衡相對地電壓狀況。通常，零序列電壓僅僅是在接地故障期間存在的，而負序列電壓則在任何不平衡故障中都是存在的，也就是說，其在相對相故障或是涉及地面的任何相故障中都是存在的。如此一來，優選的是在接地故障期間通過將三個線對地電壓相加并除以3來使用如圖2b所示連接的電壓不平衡檢測設備60來檢測零序列電壓(設備78， 其對V。進行三次測量)。作為替換，圖加-c所示的任何電路可以用于檢測零序列電壓。檢測零序列電壓的其它方法也是可以使用的，包括使用濾波和合成技術來僅僅檢測和合成基本工頻電壓，例如50Hz或60Hz，的序列分量。商業可用的過壓保護繼電器可以用于完成瞬時過壓設置點功能，或者該功能也可以集成到GFCIS-3W!系統的處理器M中。由此，當電壓不平衡的量值超出預定閾值量時，將會對諸如電流、阻抗和/或導納之類的其它故障參數進行分析，以便確定是否滿足閾值脫扣等級或狀況，例如，對于故障電流為4-6mA。舉例來說，在分析故障電流的時候，處理器M確定哪個GFCI單元具有最高的感測電流量值，并且將其識別成是具有接地故障且必須脫扣(通過脫扣輸出40、42、44或 46)的干線或饋電線/分支。所有其它饋電線或分支電路的脫扣將會被同時阻攔或禁止，從而避免有害的脫扣。再次參考圖1，典型的三相系統包括多個饋電線或分支電路(為了簡單起見僅僅顯示了三個，但是該概念擴展至無限數量)，其中每一個具有包含接地故障傳感器(GFS)的 GFCI單元，所述傳感器向系統處理器M提供輸入，并且會在饋電線18的相A’遭遇到來自相A’對地的故障“F”的情況下控制恰當電路斷路器(CB)的脫扣。在電路中流動的電流是用IF、Ie以及箭頭Ib和I。的群組示出的。饋電線電纜的分布電容用虛線圖示成連接在地與每一個饋電線或分支電路的每一個相之間且具有電流Iea、Ire2和Iera的三個集總電容器。 故障信號或電流If可以像以下的等式(1)中那樣用這些電流以及Ik來表述If = Igc1+IGC2+IGC3+IE 等式⑴作為替換，故障信號或接地電流可以用阻抗(Zf)和導納( 來表述。在測量得到的零序列電壓Vtl的情況下，阻抗τγ是VcZIf,并且導納Yf是IfAV實際故障中未涉及的單獨分支或饋電線電路可以使用與上文相同的比值由阻抗(Z)和導納⑴來表示，僅使用在相應饋電線或分支電路(例如，IeeiUee2或Iee3)中感測的電流。應該理解的是，本發明可以與在圖3a-b、4a-b和以及美國專利7，301，739中描述的接地場景(“固化接地”、“高阻接地”以及“未接地”)結合使用，但是并不限制應用于其它系統接地方法，例如低阻接地、 諧振接地或電抗接地的電力系統。根據本發明，電壓不平衡(或零序列電壓(Vtl))的量值可以用于確定應用美國專利7，301，739中描述的三相接地故障斷續器系統的概念的閾值。如果檢測到的零序列電壓足夠低，即，代表了三個相中的很小的對地電壓不平衡，那么可以單獨通過零序列電流量值來確定脫扣GFCI，例如，對于觸摸在分支或饋電線電路上導電的相從而提供了到地或大地的路徑的人員。通常，當在故障電路上感測的電流超出0. 006安培但是小于大約1安培時， 流經使用系統上的所有其它無故障分支或饋電線電路的感測電容電流將會很小，即，遠低于0.006A。零序列電流IJ實際是ItlWS倍)可以通過應用于饋電線或分支電路的磁勢平衡電流互感器來測量。當測量得到的零序列電壓超出表示量值顯著高于人接觸時出現的電流量值的故障電流的值時，可以使用該觸發點來啟用三相接地故障斷續器系統的區別特征，并且應用以下算法之一 (1)例如，如圖8a_b所示的電流量值比較算法；( 例如，如圖9a_b所示的零序列阻抗比較算法，用于確定測量得到的最小零序列阻抗，其中所述最小零序列阻抗是測量得到的零序列電壓除以測量得到的零序列電流；或⑶例如，如圖lOa-b所示的零序列導納比較算法，用于確定使用系統中的所有分支或饋電線電路的最大測量零序列導納，其中所述最大測量零序列導納是測量的零序列電流除以測量的零序列電壓。被確定為最大的電流量值、被確定成最小的阻抗、或被確定成最大的導納，由于是為每一個分支或饋電線電路單獨確定的，因此為需要斷連以隔離接地故障的分支或饋電線電路。可以通過具有例如用于干線故障測試的“電流”測試，以及用于饋電線或分支電路的阻抗或導納測試，來“混合和匹配”參考圖6-10論述的干線故障以及饋電線故障測試。在導體絕緣失敗并且有相對較高的電流從相流到地的時，本發明是非常有利的。 這種低阻接地故障在故障持續期間可相對于電力系統的地使三個電壓的平衡出現失真。與地相對的電壓的不平衡可能導致超出接地故障保護設置點的接地電流流經無故障分支或饋電線電路的分布電容。這個雜散的接地電流是因為與分支或饋電線電路組件(例如，絕緣導體或電纜、馬達、沖擊電容器、照明鎮流互感器等等)所固有的對地電容相互作用的不平衡的相對地電壓導致的。對地的電壓不平衡(即“零序列電壓”)是直接通過圖加-c所示的電路之一測量的。作為替換，由于在接地故障期間還存在負序列電壓，因此可以在接地故障期間使用負序列電壓檢測技術來確定三個相之間的電壓不平衡。有利的是，與電擊保護所需要的可能低至0. 006安培的電流感測靈敏度相比，當系統接地電壓嚴重不平衡時，即便是在發生了量值更高(即，千上萬安培)的接地故障的過程中，本發明也可以為圖1所示的電力系統提供安全性。在低水平接地故障期間，在電流流過人體期間，系統電壓的不平衡可能并不明顯。相比之下，高水平接地故障電流可能造成嚴重的電壓不平衡，并且還引起被設計成感測小于0. 006安培的電流的傳感器的輸出電流的失真。電壓不平衡的檢測特征可以與電流互感器飽和度檢測器(電流傳感器輸出失真檢測算法)相結合，以便補償在出現高水平接地故障電流的過程中可能在分支或饋電線電路接地故障傳感器(例如零序列電流互感器)上出現的磁飽和度。然后，該組合將會給出哪個饋電線電路實際發生了接地故障的肯定而安全的邏輯指示。本領域中已知的區域選擇連鎖技術也可被應用于向“上游的”GFCIS-3W!提供邏輯輸入，以識別在“下游”配電板或配電盤(具有自己的GFCIS-3Ph)上發生的接地故障，以及接受來自該系統的禁止信號。如圖1所示，處理器對持續監視每一個GFCI單元感測的電流狀況(故障信號的量值)以檢測故障，并將每一個GFCI單元的傳感器輸出(故障信號)與每一個其它單元的傳感器輸出相比較，從而確定故障的位置。一旦確定了故障的位置，則中斷發生故障的饋電線電路，并且禁止脫扣所有其它的饋電線電路。根據本發明，計算機處理器(圖1中的附圖標記24)執行指令來持續監視干線 GFCI單元以及每一個饋電線GFCI單元，以確定何時以及在哪兒發生了故障，并且響應于此來中斷發生故障的電路并禁止脫扣無故障的電路。處理器M的操作是用圖6和7中描述的邏輯流程圖概括性顯示的，其中分別示出了計算機實現的用于未接地和固化接地/高阻接地的電力系統的故障中斷方法。除了涉及干線故障測試的步驟108和208之外，圖6和7所示的方法100和200在所有方面都是相似的。所要使用的方法是由選擇器開關或其它選擇方法確定的，其中該方法將被設置成應用了 GFCIS-3Ph的電力系統的特定接地類型。方法100和200包括接收指示干線和饋電線故障的信號的步驟，即步驟102或 202，所述信號可以是，例如，干線和饋電線電壓和電流，包括指示實際故障或電壓不平衡狀況的一個或多個信號，以及確定是否存在電壓不平衡狀況的步驟，即步驟104或204。如果例如采用了零序列電壓形式的電壓不平衡超出預定值，那么控制器M會繼續干線故障測試，即步驟108或208。對480V的系統來說，標稱的零序列電壓拾取值處于大約2-100伏的范圍以內，并且主要取決于儀器的電壓互感器比值、系統接地類型(例如固化接地或高阻接地)以及接地故障電流的嚴重度。控制器通過執行干線總線故障測試(即，涉及圖1中的12、14或16的故障)繼續運行，對于未接地系統所述測試可以采取圖8a、9a和IOa的形式，對于固化接地/高阻接地的系統來說所述測試可以采取圖8b、9b和IOb的形式。圖8a和b分別示出了用于未接地和固化接地/高阻接地的電流量值比較算法300和350的示例。在未接地系統的情況下，如果在步驟302，干線單元感測的電流以及至少一個饋電線單元感測的電流在任何時間都超出了預定故障電流閾值(例如5mA)，并且如果在步驟 304，通過干線單元的電流比通過饋電線的電流大出預定的余量(例如5%)，則確定在干線電路內部存在故障，并且向干線GFCI單元發送“脫扣，，信號，以便脫扣干線電路斷路器，即圖6的步驟112。這種狀況意味著接地故障處于干線CB傳感器的緊下游，諸如處于配電板的干線匯流條上，并且需要脫扣干線切換設備。如果在任一饋電線電路上感測到比干線感測到的電流更小的故障信號電流(但是仍舊高于5mA的“脫扣”閾值)，并且如果在干線中感測到的故障電流沒有比在任一饋電線電路中感測到的電流大至少5%，則禁止干線切換設備脫扣，即步驟116。所述5%的余量允許很容易地區分干線與饋電線電路的傳感器的故障信號電流， 并且該余量主要是以“未接地”系統的模擬結果為基礎的。相關示例可以參見美國專利 7，301，739的表3和6。對于具有正常配置和數量的饋電線或分支電路，即，一條干線和至少兩個饋電線或分支電路來說，這一點是適用的。對于固化接地和高阻接地的電力系統(或者就此而言，對于任何阻抗接地的系統)來說，如圖7和8b的流程圖所示，在步驟352，干線故障測試350確定在任何饋電線上感測到的接地故障電流或故障信號是否高于預定閾值(例如，5mA)，并且在步驟354，確定所述接地故障電流或故障信號的量值是否接近于在干線電路中感測的故障信號電流的量值(標稱在+/-10%到20%以內)。如果滿足干線故障測試350的條件，也就是步驟邪4中的分支“是”，那么禁止干線脫扣條件得到滿足，并且將會發送一個禁止干線脫扣信號來防止干線電路斷路器脫扣，即圖7的步驟216。否則，如果判決框3M是“否”，那么滿足脫扣干線條件，并且向干線GFCI單元發送“脫扣”信號來脫扣干線電路斷路器，即圖7的步驟212。圖9a_b以及10a-b的干線故障測試400、450、500和550的替換實施例可以使用零序列阻抗和零序列導納比較算法來實施。分別與未接地以及固化接地/高阻接地系統相對應的圖9a和b包括用于確定測量得到的最小零序列(或“故障”)阻抗的步驟402、 404,452和454，其中最小零序列阻抗是測量的零序列電壓除以測量的零序列電流的比值， 在步驟402和452，將干線故障阻抗和最小饋電線故障阻抗與預定的故障阻抗閾值(例如
10νο/0. 005歐姆)相比較，在步驟404和454，將干線故障阻抗與任一饋電線故障阻抗相比較， 以確保干線故障阻抗至少處于至少一個饋電線故障阻抗的一定百分比(例如，對于未接地系統是+/_5%，對于固化接地/高阻接地系統是+/-10%到20% )以內。分別與未接地和固化接地/高阻接地系統相對應的圖IOa和b包括用于確定測量的最大零序列(或“故障”)導納的步驟502、504、552和554，所述最大零序列導納是測量的零序列電流除以測量的零序列電壓的比值。在步驟502和552，將干線故障導納和最大饋電線故障導納與預定的故障導納閾值(例如0. 005/\姆歐)相比較，以及在步驟504 和554，將干線故障阻抗與任一饋電線故障阻抗相比較來確保干線故障阻抗至少處于至少一個饋電線故障導納的一定百分比(舉例來說，對于未接地系統是+/-5 %，對于固化接地/ 高阻接地系統是+/-10 %到20 % )以內。再次參考圖6和7，如果通過干線單元的電流不在流過饋電線單元的電流的預定余量以內，例如，處于干線故障測試300、350、400、450、500和550的分支“是”，則確定故障處于干線電路之外，并且向干線GFCI單元發送“禁止”信號來禁止脫扣干線電路，即未接地系統的圖6的步驟116以及高阻接地系統的圖7的步驟216。依照用于未接地系統的圖6 中的步驟118以及用于固化接地/高阻接地系統的圖7中的步驟218顯示的饋電線故障測試，每一個饋電線單元的故障信號電流還與每一個其它饋電線單元的故障信號電流相比較。例如，如果根據圖Ila的饋電線故障測試600中的步驟602發現通過任一饋電線單元 “X”的電流遠遠大于通過其它饋電線單元的電流，則確定故障處于饋電線單元“X”的電路中，并且向該電路的GFCI單元發送脫扣信號來脫扣其斷路器。與此同時，向所有其它饋電線單元發送禁止信號，以便禁止其脫扣。另一方面，如果沒有饋電線單元的故障信號電流遠遠大于任何饋電線單元的故障信號電流，則確定在饋電線電路中沒有故障，并且禁止所有饋電線電路脫扣。圖lib和Ilc示出了使用零序列阻抗和零序列導納比較的類似饋電線故障測試。本發明的非限制性優點包括在將應用了 GFCIS-3W!保護的三相電力系統上的高水平故障期間將錯誤脫扣的發生減至最少的同時提供了電擊保護，優選地在小于0. 1秒的總的故障清除時間中具有0. 006到0. 030安培的最小拾取靈敏度。圖12示出了與仿真的低壓480V相間高阻接地故障電力系統相結合的本發明的第一說明性示例，是用Cooper Power Systems (1988年5月)的V-HarmTM(電力系統諧波仿真和分析程序)執行的。如圖12所示，在饋電線1上發生了從相到地的持續故障，從而導致三個相電壓相對于地的嚴重不平衡，并且由此導致了一個超出預定電壓不平衡閾值的很高的零序列電壓，例如，約2-100伏。相關示例可以參見圖如和b，示出了在高阻接地的三相電力系統上的持續的相A的接地故障期間電壓與電流的關系。饋電線1故障電流O.04A) 被確定是最大的饋電線故障電流，根據圖7和8b的干線故障測試，由于干線故障和饋電線 1的電流都大于故障電流閾值(在本例中是5mA)，并且干線故障電流(2. 00A)處于饋電線 1的故障電流的20%以內，因此將禁止干線脫扣。遵循圖7和Ila的邏輯，每一個饋電線故障電流(對于饋電線1是2. 04A，對于饋電線2是12mA，對于饋電線3是25mA以及對于饋電線4是319mA)被比較，以便確定要脫扣的饋電線“X”，如果有的話。由于饋電線1的電流大于其它饋電線故障電流，因此，這樣導致饋電線1被脫扣，而其它饋電線則不脫扣。作為替換，根據圖9b的干線脫扣測試450，GFCIS-3Ph處理器可被編程，以便通過將測量的零序列電壓Vtl與每一個單獨的饋電線故障電流IJX)相除來確定饋電線故障阻抗值A(X)，其中，“X”是每一條單獨的饋電線線路。假設測量的零序列電壓Vtl是例如100伏， 那么GFCIS-3Ph處理器會為每一條饋電線線路計算以下阻抗值=Ztl(I) = 100V/2. 04A = 49 歐姆；Z0(2) = 100V/0. 012A = 8300 歐姆；Z0(3) = 100V/0. 025A = 4000 歐姆；以及 Z0 =100V/0. 319A = 310歐姆。圖9b的邏輯405的禁止干線脫扣條件將會得到滿足，而這將會促使圖lib的邏輯610僅脫扣饋電線1。另一個替換方案是根據圖IOb的邏輯來計算饋電線故障導納Ytl(X)。同樣，假設測量的零序列電壓Vtl是100伏，那么計算得到的故障導納如下=Ytl(1) = 2. 04A/100V = 0. 0204 姆歐；Y。(2) = 0. 012A/100V = 0. 00012 姆歐；Y。(3) = 0. 025A/100V = 0. 00025 姆歐；以及 Z0 (4) = 0. 319A/100V = 0. 00319姆歐。圖9b的邏輯450的禁止干線脫扣條件將會得到滿足，而這將會類似地促使圖Ilc的邏輯620僅脫扣饋電線1。應注意，如果上述示例中的饋電線1的故障是電阻高達數百歐姆的高阻故障，但由此導致高于5mA脫扣設置點的故障電流，那么由于相對地電壓不會因低水平故障電流而出現失真，因此感測到的三相電壓不平衡可能未大到足以觸發零序列電壓檢測。所有電流互感器(電流傳感器)都在未飽和的線性感測區域中工作。GFCIS-3W!處理器對將延遲達 0. 030秒，以等待零序列電壓輸入信號，當沒有接收到該信號時，則在0. 030+秒基于饋電線 1在所有饋電線中具有最大感測電流量值的事實而開始脫扣饋電線1。以上場景描述在未調用電壓不平衡測試的情況下是對于非常低水平故障電流的優選事件序列。現在結合仿真的低壓480V相間固化接地故障電力系統來描述本發明的第二說明性示例。相關示例可以參見圖3a和b，該圖示出的是在固化接地的三相電力系統上的持續的相A接地故障期間的電壓與電流的關系。最終得到的相對地電壓存在嚴重的不平衡，由此再次觸發了零序列電壓檢測以及圖7的邏輯200。更進一步，如表1的仿真結果所示，饋電線1的持續故障導致在干線和饋電線1上的線路上的2. 4kA的接地故障電流，而這導致用于干線和饋電線1的接地故障感測電流互感器的飽和。通常，零序列電壓檢測和電流互感器飽和是在接地故障開始大約0. 030秒的時間以內發生的。在處理指示或建議實際故障狀況的電流信號時，可使用電流互感器飽和度測試(例如，使用本領域已知的算法)對飽和度進行檢測。相關示例可以參照圖7的步驟203。同時，在接地故障期間，饋電線4的接地故障傳感器26從饋電線的電容充電電流中檢測到^mA。感測的兩個接地電流(饋電線1 和饋電線4)都高于6mA的脫扣設置點。由于關于饋電線1檢測到了過度的零序列電壓和電流互感器飽和，因此GFCIS-3W!邏輯在接地故障開始之后的僅0. 030+秒開始饋電線1的脫扣。
權利要求
1.一種用于多相電源和與之耦合的干線總線電路的接地故障斷續器(GFCI)系統，所述干線總線電路具有多個單獨的饋電線電路，所述GFCI系統包括與電源以及干線總線電路耦合的電壓不平衡檢測設備，用于檢測電源的多個相之間的電壓不平衡；分別與干線總線以及每一個饋電線電路相關聯的多個GFCI單元，每一個GFCI單元操作為產生與相關聯的干線總線或饋電線電路上的故障狀況相對應的故障信號；以及處理器，與電壓不平衡檢測設備以及每一個GFCI單元進行通信，用于監視每一個GFCI 單元產生的電壓不平衡和故障信號，該處理器能夠至少部分基于電壓不平衡和故障信號之間的一定預定關系來產生與實際故障相對應的一個或多個脫扣信號。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述處理器包括可執行程序代碼，所述可執行程序代碼用于基于電壓不平衡狀態、以及干線總線電路中的GFCI單元產生的故障信號與饋電線電路中的每一個GFCI單元產生的故障信號之間的一定預定關系來確定何時存在實際故障；確定哪一個或哪一些饋電線電路正在經歷實際故障，產生針對對應于經歷實際故障的一個或多個電路的一個或多個GFCI單元的脫扣信號，由此使得中斷實際發生故障的一個或多個電路，以及產生針對沒有經歷實際故障的剩余饋電線電路的禁止信號，由此禁止中斷那些一個或多個無故障電路。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，電壓不平衡檢測設備檢測零序列電壓。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，電壓不平衡檢測設備檢測負序列電壓。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，一定預定關系包括電流信號的一個或多個比較結果。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，一定預定關系包括阻抗的一個或多個比較結果。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，一定預定關系包括導納的一個或多個比較結果。
8.一種計算機實施的用于多相電源以及與之耦接的干線總線電路的接地故障斷續 (GFCI)的方法，干線總線系統具有GFCI單元和多個饋電線電路，每一個饋電線電路還具有與之關聯的GFCI單元，該方法包括監視電源系統的電壓不平衡；監視若干GFCI單元產生的故障信號；以及基于電壓不平衡狀態以及干線總線電路中的GFCI單元產生的故障信號與饋電線電路中的GFCI單元產生的故障信號之間的一定預定關系來確定何時存在實際故障狀況。
9.根據權利要求14所述的方法，還包括確定若干個電路中的哪一個電路正在經歷實際故障；為實際發生故障的電路產生脫扣信號；以及將所述脫扣信號發送到實際發生故障的電路中的GFCI單元，由此使得中斷實際發生故障的電路。
10.根據權利要求14所述的方法，還包括為一個或多個剩余電路產生一個或多個禁止信號；以及將禁止信號發送到剩余電路的一個或多個GFCI單元，由此使得禁止這些電路中斷。
11.根據權利要求14所述的方法，其中，一定預定關系包括電流信號的一個或多個比較結果。
12.根據權利要求14所述的方法，其中，一定預定關系包括阻抗的一個或多個比較結果。
13.根據權利要求14所述的方法，其中，一定預定關系包括導納的一個或多個比較結果。
全文摘要
所提供的是一種接地故障斷續器(GFCI)系統，其中該系統在將所謂的“有害”脫扣減至最少的同時提供了可靠及時的故障電路脫扣。所述GFCI包括與干線總線電路耦接的電壓不平衡檢測設備，用于在故障狀況期間檢測電壓不平衡。與電壓不平衡檢測設備通信的計算機處理器被編程成基于電壓不平衡狀態以及干線總線電路中的GFCI單元產生的故障信號與各個饋電線電路中的GFCI單元產生的故障信號之間的一定預定關系來確定何時存在實際故障狀況。
文檔編號H02H7/26GK102576999SQ201080043740
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月29日 優先權日2009年9月30日
發明者P·S·哈莫 申請人:雪佛龍美國公司