CN101292320A - 自检电路中断装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种自检电路中断装置，它在完全电子和机电元件自检期间把不中断的电力提供给负载，以允许自主周期性自检而不损害或复位所连接的负载设备。

Description

自检电路中断装置
本申请要求于2005年8月24日提交的美国临时专利申请No.60/711,194的权益。
技术领域
本发明涉及可复位电路中断装置和系统的系列，该装置和系统的系列包括但不限于接地故障电路中断器(GFCI)、电弧故障电路中断器(AFCI)、浸没检测电路中断器(IDCI)、电器漏电流中断器(ALCI)、断路器、接触器、闩锁继电器及螺线管机构。更具体地说，本申请涉及一种用于这样的装置和系统的自主周期性全功能测试系统。
背景技术
已经证明电气布线装置工业对于电路断开装置或系统的需要不断增大，该电路断开装置或系统设计成中断到如家用电器、客户电气产品及分支电路的各种负载的电力。具体地说，电气法规要求例如在家庭浴室和厨房中的电路装有接地故障电路中断器。目前可得到的GFCI装置，如在共同拥有的美国专利4,595,894中描述的装置，使用断路机构机械地断开在一个或多个输入与输出导线之间的电气连接。这样的装置在它们通过例如接地故障的检测而断路之后是可复位的。在美国专利4,595,894中讨论的装置中，用来引起电路(即，在输入与输出导线之间的连接)的机械断开的断路机构包括螺线管(或断路线圈)。用户控制的手动操作测试按钮用来测试用来感测故障的断路机构和电路，并且手动操作复位按钮用来复位在输入与输出导线之间的电气连接。
然而，可能产生其中例如由重击引起的异常情况出现的情形，这可能不仅导致在装置处的电涌和装置的断路，而且也使得用来引起电路的机械断开的断路机构失效。这可能在用户不知道的情况下发生。在这样的情形下，面对已经断路的GFCI的不知情用户可能按压复位按钮，该复位按钮又使带有不可操作断路机构的装置复位，而得不到故障保护。
为了保证装置提供设计其来提供的保护，它们应该按特定时间表并且优选地每三周或四周由用户进行测试。这对于家庭客户不仅是不实际的，而且在诸如其中每个单元具有装有必须被测试的GFCI的浴室的饭店或大型汽车旅馆之类的建筑物中，也是一种非常昂贵、耗时及困难的过程。
所需要的是一种故障中断器，如GFCI，它进行自主周期性自动自检而在这些测试期间不中断到所连接的负载的电力。
发明内容
本发明涉及可复位电路中断装置，例如但不限于GFCI装置，该装置进行自主周期性自动自检而如果通过测试则不中断到所连接的负载的电力，并且可包括复位闭锁机构，如果用来断开连接的电路中断器是不可操作的或者如果开路中间状态存在，则该复位闭锁机构防止在输入与输出导线之间的电气连接(或连续)的复位。
电路中断装置包括输入传导路径和输出传导路径。输入传导路径能够电气地连接到电源上。输出传导路径当与输入传导路径建立电连续时，能够把电流传导到负载。该装置还包括电路中断器，该电路中断器构造成响应预定条件的出现断开输入与输出传导路径之间的电连续。所述电路中断器可以包括机电机构，如可移动电气触点和螺线管、和/或半导体型切换装置。预定或预定义条件可包括但不限于：接地故障、电弧故障、电器漏电流故障、浸没故障及试验循环。该装置还包括评估预定义条件并且确定是否致动电路中断器的微控制器(或逻辑电路)，对于装置电子电路和机电元件进行自检，并进行其它典型逻辑功能。
在本发明的第一实施例中，电路中断器包括并联布线的两个继电器以把电力提供给负载。一个继电器是通常被供给能量的主继电器，并且另一个继电器是仅当正在进行测试时才被供给能量的辅助继电器。每个继电器被机电地设计，从而如果其载流部件处于断电位置，则它们不能处于通电位置，并且传感器或辅助继电器触点用来感测继电器处于其断电位置。
自检工序通过在主继电器处于其通电位置的同时把辅助继电器也运动到其通电位置而被启动。主继电器然后运动到其断电位置，进行主继电器处于其断电位置的检验，并且然后把主继电器恢复到其通电位置。最后，把辅助继电器恢复回其断电位置。如果任一步骤失败，则自毁机构被致动以永久地除去到负载的电力。
因为辅助继电器只需要短暂地携带电流，因此辅助继电器实际上可以比主继电器小。继电器之一或两者可以受故障检测器的直接控制，或者它们可以由具有作为输入的故障检测器的微控制器或逻辑电路控制。为了避免辅助继电器的偶然接合，其控制电路可以采用蓄能器(如电容器)，该蓄能器在接合之前被缓慢地充电，并且迅速放电以把辅助继电器保持在闭合位置中。
在第二实施例中，单个继电器设有两个传导位置(每个连接到同一负载上)和中间断电位置。这个实施例使得单一运动可以断开和重新连接到负载的电力，(由微控制器或逻辑电路)所进行的所述单一运动在电力线电压零交叉附近。在这个第二实施例中的自检工序包括把继电器触点从一个传导位置运动到另一个。在负载处电压波形的轻微异常不应该干扰所连接的负载设备，而可由传感器检测到以检验适当的继电器操作。
在继电器的电子致动与其最终运动之间的时间延迟可被设计特征化、工厂校准、及/或在安装之后自动自适应地调节。与电力线电压零交叉检测电路一起，继电器运动定时可被精确地控制成在零交叉附近发生。阻尼装置可以用来减小触点落下跳动。
LED发射器/检测器对、霍耳传感器、或负载电压波形本身可以用来感测继电器位置。辅助负载可以短暂地或连续地施加在继电器机构的下游，以在感测负载电压的同时抵消负载电容。
在本发明的第三实施例中，采用单一继电器和精确定时。自检工序包括引起继电器的短暂“打嗝”型运动，该运动将非常短暂地断开并且立即重新连接到负载的电力。这种运动在电力线电压零交叉附近进行。在负载处电压波形的轻微异常不应该在连接的设备中引起任何干扰，但可由传感器检测到以检验进行了适当的继电器操作。
要注意，连续地把继电器保持在其闭合位置附近可能要求施加比要求的打开力大得多的闭合力。这种差别有利于非常短暂的断开时间。而且，应该注意，与使用的继电器的样式无关，继电器的机电特性可能要求，即使在断开信号已经引起断开之前也把重新连接信号施加到继电器上。
在继电器的电子致动与其最终运动之间的时间延迟可被设计特征化、工厂校准、及/或在安装之后自动自适应地调节。与电力线电压零交叉检测电路一起，继电器运动定时可被精确地控制成在零交叉附近发生。阻尼装置可以用来减小触点落下跳动。
LED发射器/检测器对、霍耳传感器、或负载电压波形本身可以用来感测继电器位置。辅助负载可以短暂地或连续地施加在继电器机构的下游，以在感测负载电压的同时抵消负载电容。
上文已经相当广泛地概述了本发明的优选特征，从而本领域的技术人员可以更好地理解随后对本发明的详细描述。下文将描述形成本发明的权利要求书的主题的本发明的另外特征。本领域的技术人员应该认识到，他们可容易地使用公开的概念和特定实施例作为用来设计或修改实现本发明的相同目的的其它结构的基础。尽管本发明以硬件实施，但可选等效实施例可以全部或部分地采用固件或软件。本领域的技术人员还应该认识到，这样的等效构造不脱离本发明在其最宽广形式下的精神和范围。
附图说明
本发明的其它方面、特征、及优点通过如下详细描述、附属权利要求书、及附图更显而易见，在附图中，类似元件被给予类似附图标记，其中：
图1是按照本发明原理的结构的第一实施例的方块图；
图2是在图1的实施例的自主周期性自动自检循环的操作期间的事件的时序图；
图3是按照本发明原理的结构的第二实施例的方块图；
图4是在图3的实施例的自主周期性自动自检循环的操作期间的事件的时序图；
图5是按照本发明原理的结构的第三实施例的方块图；
图6是在图5的实施例的自主周期性自动自检循环的操作期间的事件的时序图；以及
图7是在按照本发明原理的第一实施例中的主或辅助继电器的一种实施的机械图。
具体实施方式
本发明涉及可复位电路中断装置，例如但不限于GFCI装置，该装置进行自主周期性自动自检而如果通过测试则不中断到所连接的负载的电力。
参照图1，表示用于实现电路中断装置的自主周期性自动自检的结构的第一实施例的方块图。相线100和中线102通过差动变压器104、106耦合到主继电器112的可动触点108、110上，该主继电器112是双极双掷继电器。与可动触点108合作的静止触点114、116分别耦合到主继电器感测电路118和负载相线端子上。与可动触点110合作的静止触点120、122分别耦合到主继电器感测电路118和负载中性端子上。诸如熔断丝124之类的热敏感元件可与负载相线和中线串联地连接。紧靠熔断丝定位的是由自毁控制电路126供给能量的发热元件，该自毁控制电路126连接到微控制器128上并且由其控制。作为双极双掷继电器的辅助继电器134的可动触点130、132电气连接到主继电器112的可动触点上。继电器134的静止触点136、140电气连接到辅助继电器感测电路上，该感测电路连接到微控制器上以指示继电器134的触点的断开/闭合状态。由微控制器128选择性地供给能量的辅助继电器控制电路146控制到辅助继电器134的线圈的电流流动。由微控制器128选择性地供给能量的主继电器控制电路148控制到主继电器112的线圈的电流流动。负载传感器150跨过负载相线和中线连接，并且连接成向微控制器128指示在负载导线处的电压的存在与否。由微控制器128控制的故障诱导器152连接成在相线和/或中线中诱导故障以便由差动变压器104、106感测。故障检测器154连接成在差动变压器中感测到故障时把故障信号发送到微控制器128。提供电源156以把电力按要求供给到微控制器和其它电路中的每一个。熔断丝124用来把负载与线路端子断开。
图2是在图1的实施例的自主周期性自动自检的操作期间的事件的时序图。要注意，图2是自解释性的，并因此，为了简短起见，不再进一步描述在图2中表示的循环的各个步骤。
利用图1和2继续说明，自检工序的步骤如下：
检验故障检测器报告无故障；
诱导故障；
检验故障检测器报告故障；
停止故障诱导器；
检验故障检测器不再报告故障；
检验主继电器处于其通电位置；
检验辅助继电器处于其断电位置；
检验负载电力存在；
把辅助继电器运动到其通电位置；
检验辅助继电器处于其通电位置；
把主继电器运动到其断电位置；
检验主继电器处于其断电位置；
检验负载电力存在；
把主继电器运动回其通电位置；
检验主继电器回到其通电位置；
把辅助继电器运动回其断电位置；
检验辅助继电器回到其断电位置；
检验负载电力存在。
要理解，以上步骤的一个或多个可以消除，并且/或者可以包括其它步骤，并且包括涉及故障检测器的那些的电子测试大都独立于(继电器机构的)机电测试，并因此可在这样的机电测试之前、期间、或之后发生。
如果以上逐条列举的步骤中的任一个是否定的或超时，则继电器控制机构146、148、或自毁控制电路126可用来从负载除去电力。如果采用自毁控制电路126，则使用可夹在熔断丝之间并用来加热熔断丝直到它们熔化的诸如电阻器之类的发热元件，使与相线和中线串联的熔断丝124升高到高温。熔断丝和加热元件可置于绝缘包装物中。
参照图3和图4，在图3中示出有用来自主周期性自动自检电路中断器的结构的第二实施例的方块图；图4是在图3的实施例的自主周期性自动自检操作的操作期间的事件的时序图。在图4中的事件序列是自解释性的，因此为了简短起见，在图4中所表示的循环的各个步骤的进一步叙述性描述仅仅是重复性的，并因此这里不再提供。参照图3，与在图1中表示的第一实施例的电路方块共用的各个电路方块在该详细描述中不再提交。在图3的实施例中，代替使用并联的两个继电器，使用具有中间断开位置和两个传导位置的单一继电器，在这两个位置中每个位置连接到同一负载上。这个实施例允许用于对负载断开和重新连接电力的单一运动，由此使负载断开电力的时间最小。参照图3，单一运动在电力线电压零交叉附近进行。自检工序包括把继电器触点从一个传导位置运动到另一个。继电器感测电路162用来检验继电器的确从一个传导位置运动到另一个。在负载处电压波形的轻微异常将不干扰连接到负载导线上的设备，并且可由负载感测电路150检测到以检验进行了适当的继电器操作。为了适应会减慢电压快速变化的电容性负载，负载加载电路151由微控制器128按需要致动以漏放掉负载的过多电荷，由此使负载感测电路150准确地检测负载电压波形的轻微异常。在继电器的电子致动与其最终运动之间的时间延迟可被设计特征化、工厂校准、及/或在安装之后自动自适应地调节。与电力线电压零交叉检测器164一起，继电器运动可被精确地控制成在零交叉附近发生。阻尼装置可以用来减小触点落下跳动。LED发射器/检测器对、霍耳传感器、或负载电压波形本身可以用来感测继电器位置。辅助负载(例如，负载加载电路151)可以短暂地或连续地施加在继电器机构160的下游，以在感测负载电压的同时抵消负载电容。
参照图5和图6，在图5中示出用来自主周期性自动自检电路中断器的结构的第三实施例的方块图；图6是在图5的实施例的自主周期性自动自检操作的操作期间的事件的时序图。在图6中的事件序列是自解释性的，因此，为了简短起见，在图6中所表示的循环的各个步骤的叙述性描述仅仅是重复性的，并因此这里不再提供。参照图5，与在图1中表示的第一实施例的电路方块共用的各个电路方块在该详细描述中不再提及。在图5的实施例中，采用单一继电器170和精确定时。单一试验工序，参见图6，包括通过使用继电器控制电路172断开并且之后立即重新连接到负载的电力而引起继电器170的短暂“打嗝”运动。这种运动在由零交叉检测器164确定的电力线电压零交叉附近进行。在负载处电压波形的轻微异常不应该干扰所连接的设备，并且可由负载感测电路150检测到以检验进行了适当的继电器操作。当使用这个实施例时，应该注意，连续地保持在其闭合位置附近的继电器对于闭合可能需要比打开需要的力大。另外，与使用的继电器的样式无关，继电器机电特性可能要求，在断开信号已经引起断开之前把重新连接信号发给继电器。在继电器的电子致动与其最终运动之间的时间延迟可被设计特征化、工厂校准、及/或在安装之后自动自适应地调节。与通过箱电路164的电力线电压零交叉检测一起，继电器运动可被精确地控制成在零交叉附近发生。阻尼装置可以用来减小触点落下跳动。LED发射器/检测器对、霍耳传感器、或负载电压波形本身可以用来感测继电器位置。辅助负载(例如，负载加载电路151)可以短暂地或连续地施加在继电器机构170的下游，以在感测负载电压的同时抵消负载电容。
参照图7，示出了按照本发明第一实施例的继电器112或继电器134的优选实施例的机械图。这种设计的一个重要特征是，在盘60上的载流部件61、62可检验已经运动到非载流“断电”位置，并且当检验为“是”时，在它们的载流“通电”位置不可能施加电力。在自检工序期间，微控制器128致动线圈64，发送活塞65以撞击盘60的缺口66。强迫盘60绕枢轴63转动四分之一圈。当“通电”时，载流部件61、62分别把电流从线路端子71、72传输到负载端子73、74。当“断电”时，载流部件61、62分别把电压从感测端子81、82传输到感测端子83、84。
尽管这里已经表示和描述并且指出了应用于当前考虑实施的优选实施例的本发明的基本特征，但要理解，本领域的技术人员可以进行所描述和示例装置和其操作的形式和细节的各种省略和替代及变更，而不脱离本发明的精神。

Claims (48)

1.一种电路中断装置，包括：
第一导电路径，具有能够电气连接到电源上的两个或更多个导线；
第二导电路径，具有当所述第一和第二导电路径之间的电连续时能够把电流传导到负载的两个或更多个导线；
故障检测器，耦合成监视第一和/或第二导电路径中的电压和/或电流并且当检测到故障时产生故障信号；
第一继电器，介于所述第一和第二导电路径之间；及
第二继电器，介于所述第一和第二导电路径之间，使其载流路径与所述第一继电器的载流路径并联地耦合。
2.根据权利要求1所述的电路中断装置，其中，所述两个或更多个导线包括一个相线和一个中线。
3.根据权利要求1所述的电路中断装置，其中，所述两个或更多个导线包括两个或更多个相线和一个或多个中线。
4.根据权利要求1所述的电路中断装置，其中，所述第一继电器是具有第一对触点的双极双掷继电器，该第一对触点当闭合时耦合成把电流从所述第一导电路径传给所述第二导电路径。
5.根据权利要求1所述的电路中断装置，其中，所述第二继电器是具有第一对触点的双极双掷继电器，该第一对触点当闭合时耦合成把电流从所述第一导电路径传给所述第二导电路径。
6.根据权利要求4所述的电路中断装置，其中，所述第一继电器具有耦合到感测电路上的第二对触点，以指示何时所述第一继电器的所述第一对触点打开。
7.根据权利要求5所述的电路中断装置，其中，所述第二继电器具有耦合到感测电路上的第二对触点，以指示何时所述第二继电器的所述第一对触点打开。
8.根据权利要求1所述的电路中断装置，还包括：
故障诱导器，适于在所述第一和/或第二导电路径上创建预定条件。
9.根据权利要求1所述的电路中断装置，还包括：
故障诱导器，适于模拟在所述故障检测器中预定条件的发生。
10.根据权利要求1所述的电路中断装置，还包括：
微控制器或逻辑电路，适于从所述故障检测器接收所述故障信号，并且适于控制所述第一和第二继电器。
11.根据权利要求10所述的电路中断装置，还包括：
自毁机构，适于从所述微控制器或逻辑电路接收自毁信号。
12.根据权利要求1所述的电路中断装置，还包括：
自主自毁机构，能够检测电路中断装置中的失效，并且当检测到所述失效时能够从负载断开电力。
13.根据权利要求1所述的电路中断装置，其中，所述故障检测器耦合到所述第一和/或第二继电器上，以把所述继电器操作到其打开位置。
14.根据权利要求1所述的电路中断装置，其中，所述第一和/或第二继电器被机电地设计，从而检测到处于“断电”位置中的载流部件不能把电力供给到负载。
15.根据权利要求1所述的电路中断装置，其中，所述第一和/或第二继电器包括盘，在该盘的一侧或两侧上具有一个或多个载流部件。
16.根据权利要求15所述的电路中断装置，其中，所述盘要求来自活塞的一个或多个动作以便转动该盘。
17.根据权利要求1所述的电路中断装置，其中，所述第二继电器小于所述第一继电器。
18.根据权利要求1所述的电路中断装置，其中，闭合所述第二继电器的能量来自充电比放电长的蓄能器。
19.一种电路中断装置，包括：
第一导电路径，具有能够电气连接到电源上的两个或更多个导线；
第二导电路径，具有当所述第一和第二导电路径之间的电连续时能够把电流传导到负载的两个或更多个导线；
故障检测器，耦合成监视第一和/或第二导电路径中的电压和/或电流并且当检测到故障时产生故障信号；及
继电器，介于所述第一和第二导电路径之间，具有第一和第二传导位置和中间断电位置，所述第一和第二传导位置使其载流路径并联地耦合。
20.根据权利要求19所述的电路中断装置，其中，所述两个或更多个导线包括一个相线和一个中线。
21.根据权利要求19所述的电路中断装置，其中，所述两个或更多个导线包括两个或更多个相线和一个或多个中线。
22.根据权利要求19所述的电路中断装置，其中，所述继电器是双极双掷中间断电继电器。
23.根据权利要求19所述的电路中断装置，其中，所述继电器另外包括耦合到感测电路上的一个或多个感测触点，以指示继电器的位置。
24.根据权利要求19所述的电路中断装置，还包括：
故障诱导器，适于在所述第一和/或第二导电路径上创建预定条件。
25.根据权利要求19所述的电路中断装置，还包括：
故障诱导器，适于模拟在所述故障检测器中预定条件的发生。
26.根据权利要求19所述的电路中断装置，还包括：
微控制器或逻辑电路，适于从所述故障检测器接收所述故障信号，并且适于控制所述继电器。
27.根据权利要求26所述的电路中断装置，还包括：
自毁机构，适于从所述微控制器或逻辑电路接收自毁信号。
28.根据权利要求19所述的电路中断装置，还包括：
自主自毁机构，能够检测电路中断装置中的失效，并且当检测到所述失效时能够从负载断开电力。
29.根据权利要求19所述的电路中断装置，其中，所述故障检测器耦合到所述继电器上，以把所述继电器操作到其打开位置。
30.根据权利要求26所述的电路中断装置，还包括：
零交叉检测电路，耦合到所述第一和/或第二导电路径上，以把电力线电压定时提供给所述微控制器或逻辑电路。
31.根据权利要求19所述的电路中断装置，还包括：
继电器感测电路，耦合成指示所述继电器的触点的位置。
32.根据权利要求19所述的电路中断装置，还包括：
继电器跳动阻尼装置，以使当改变所述继电器的位置时的触点跳动最小。
33.根据权利要求19所述的电路中断装置，还包括：
负载加载装置，迅速地放电负载电容，以使负载电压感测装置准确地测量负载电压。
34.一种电路中断装置，包括：
第一导电路径，具有能够电气连接到电源上的两个或更多个导线；
第二导电路径，具有当所述第一和第二导电路径之间的电连续时能够把电流传导到负载的两个或更多个导线；
故障检测器，耦合成监视第一和/或第二导电路径中的电压和/或电流并且当检测到故障时产生故障信号；及
继电器，介于所述第一和第二导电路径之间，具有第一传导位置和第二非传导位置；
其中，为了测试所述继电器的操作，使所述继电器短暂地从所述第一传导位置运动到所述第二非传导位置并且立即回到所述第一传导位置。
35.根据权利要求34所述的电路中断装置，其中，所述两个或更多个导线包括一个相线和一个中线。
36.根据权利要求34所述的电路中断装置，其中，所述两个或更多个导线包括两个或更多个相线和一个或多个中线。
37.根据权利要求34所述的电路中断装置，其中，所述继电器是双极双掷继电器。
38.根据权利要求34所述的电路中断装置，其中，所述继电器另外包括耦合到感测电路上的一个或多个感测触点，以指示继电器的位置。
39.根据权利要求34所述的电路中断装置，还包括：
故障诱导器，适于在所述第一和/或第二导电路径上创建预定条件。
40.根据权利要求34所述的电路中断装置，还包括：
故障诱导器，适于模拟在所述故障检测器中预定条件的发生。
41.根据权利要求34所述的电路中断装置，还包括：
微控制器或逻辑电路，适于从所述故障检测器接收所述故障信号，并且适于控制所述继电器。
42.根据权利要求41所述的电路中断装置，还包括：
自毁机构，适于从所述微控制器或逻辑电路接收自毁信号。
43.根据权利要求34所述的电路中断装置，还包括：
自主自毁机构，能够检测在电路中断装置中的失效，并且当检测到所述失效时能够从负载断开电力。
44.根据权利要求34所述的电路中断装置，其中，所述故障检测器耦合到所述继电器上，以把所述继电器操作到其打开位置。
45.根据权利要求41所述的电路中断装置，还包括：
零交叉检测电路，耦合到所述第一和/或第二导电路径上，以把电力线电压定时提供给所述微控制器或逻辑电路。
46.根据权利要求34所述的电路中断装置，还包括：
继电器感测电路，耦合成指示所述继电器的触点的位置。
47.根据权利要求34所述的电路中断装置，还包括：
继电器跳动阻尼装置，以使当改变所述继电器的位置时的触点跳动最小。
48.根据权利要求34所述的电路中断装置，还包括：
负载加载装置，迅速地放电负载电容，以使负载电压感测装置准确地测量负载电压。
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