CN101317243B - 包含中性开路互锁的断路器 - Google Patents

Abstract

一种断路器包含线和负载端子、电连接在线和负载端子之间的可分离接触、以及中性线引线。包含操作手柄的操作机构适于开启和闭合该接触。跳闸电路响应于流经接触的电流，并响应于预定电流情形与操作机构相协同工作以开启该接触。跳闸电路从线端子和中性线引线获得供电。螺线管包含冲杆和线圈，其从线端子和中性线引线获得供电。当线圈未通电时，冲杆与操作手柄相接合以避免手柄从其开启位置向其闭合位置移动。当线圈通电时，冲杆从操作手柄脱离以允许手柄从其开启位置向其闭合位置移动。

Description

包含中性开路互锁的断路器

发明背景

技术领域

本发明涉及一种电路断续器，更具体地，涉及一种包含跳闸机构，如接地故障和/或电弧故障跳闸机构的断路器。

背景技术

断路器在本领域中早已熟知。美国专利号5,260,676和5,293,522中公布了断路器的示例。

断路器用于保护电路在电流过大的情形下不受损坏，此类情形例如过载、较严重的短路或故障。在居室和轻型商业应用场合所应用的小型断路器，通常又称微型断路器中，这样的保护一般通过热磁跳闸器件提供。该跳闸器件含有双金属，该双金属响应于持久过电流情形而被加热并弯曲。进而，该双金属将一个弹簧动力的操作机构松开，这会分开断路器中的可分离接触，以中断被保护电力系统中的电流。由短路或故障所产生的强磁场力吸引的可动衔铁，同样会打开或跳闸上述操作机构。

在多种应用场合，微型断路器还提供接地故障保护。通常，电路探测地极的漏电流并产生接地故障跳闸信号。该信号使分路跳闸螺线管通电，该螺线管通常通过热磁跳闸器件的致动，松开操作机构。例如专利5,260,676和5,293,522中所示。

最近，对电弧故障提供保护也引起了相当大兴趣。电弧故障是间歇性高阻抗故障，可由例如，相邻导线间绝缘层的老化、破损导线间裸露的端点、连线故障以及其他导电元件相隔过近的情形引起。由于其间歇性和高阻抗的特点，电弧故障并不产生具有足够瞬时强度或足够平均方均根的电流来使得传统断路器跳闸。尽管如此，电弧仍会产生损害或者如果在可燃物附近发生时会引发火灾。简单地降低传统断路器触发电流值的方法并不可行，因为多种常用负载牵引类似电流，从而可能引起有害跳闸。因此，开发了用于响应于电弧故障的单独电路。例如美国专利号5,224,006和5,691,869所示。

电弧故障断续器(AFCI)和接地故障断续器(GFCI)当不向中性线总线(line neutral bus)接引线(pigtail)时可作为传统(即，热磁型)电路断续器。没有此中性连接时，AFCI或GFCI的电跳闸电路没有供电。因此使得电路断续器只向负载供电而不能提供电弧故障或接地故障保护，不能得到恰当使用。

中性开路情形(open neutral condition)，如美国保险商实验室(Underwriters Laboratories)之PAG 943A标准所定义，可于电线向GFCI器件供电时存在。当中性开路情形存在且中性线在GFCI器件的线侧(lineside)(而不是负载侧)时，会产生这样的情况，其中从向GFCI器件供电的相位线(或火线)，通过器件的负载侧和人体到地极建立电流路径。当中性开路情形存在的情况下，某些已经跳闸的GFCI器件可能被重置，即使中性开路情形可能持续。

美国专利6,040,967公布了一种可重置的GFCI插座，其包含一种重置锁定机构，以避免在用于中断连接的断路机构不运作或中性开路情形存在时，输入和输出导线之间的电连接的重置。专利6,040,967表明重置锁定机构可包含于可重置电路断续器件，包括GFCI，AFCI，浸渍式检测电路断续器和应用漏电电路断续器(appliance leakage circuit interrupter)中。用一测试按钮可启动测试周期，其测试电路断续机构的操作。用一重置按钮可启动重置周期，其重建输入和输出导电路径或导体之间的电连续性。当重置按钮被按下时，重置接触被闭合，以完成测试电路使得测试周期被启动。在测试周期中，冲杆向上移动撞锤，使得撞锤撞击绕闩锁销旋转的闩锁部件，闩锁部件继续移动。其结果是闩锁销被提升越过可动接触臂的远端到其另一端上。在跳闸后，线圈组件失去供电，使得冲杆恢复到起始的伸展位置，撞锤将闩锁部件释放，使得闩锁销处于重置位置。重置按钮的释放使得闩锁部件和可动接触臂运动，直至接触被闭合。

断路器仍有改进余地。同样，利用中性线连接向跳闸电路供电的断路器也有改进余地。

发明简介

本发明可以满足这些以及其他需求，其提供一种包含机电互锁的断路器。当断路器操作手柄处于开启位置时，该互锁处于潜在激活状态。如果中性线连接(line neutral connection)(例如，中性线引线)未电连接到中性线总线，则该互锁不允许操作手柄被移动至闭合位置。因此，断路器必须使中性线连接正确地电连接以操作断路器，并激活互锁。否则，当断路器的连线不正确时，未激活的互锁将阻止可分离接触的闭合以及向负载的供电。

一机电器件，如螺线管，从线连接(line connection)和中性线连接获得供电。当螺线管通电时，将使螺线管冲杆从操作机构中脱离。

根据本发明，一种断路器包括：线连接；负载连接；电连接在线连接和负载连接之间的可分离接触；中性线连接；适于开启和闭合可分离接触的操作机构，该操作机构在开启位置和闭合位置之间移动，其中在开启位置线连接从负载连接电断开，在闭合位置线连接电连接至负载连接；跳闸电路，其响应于流过可分离接触的电流，并响应预定电流情况与操作机构相配合以开启可分离接触，该跳闸电路从线连接和中性线连接获得供电；机电器件，包括线圈和冲杆，线圈从线连接和中性线连接获得供电，当线圈未通电时，冲杆与操作机构接合，以阻止操作机构从其开启位置向其闭合位置移动，当线圈通电时，冲杆从操作机构中脱离，以允许操作机构从其开启位置移动向其闭合位置移动。

操作机构可包含操作手柄。当线圈未通电时，冲杆可与操作手柄接合，以阻止操作机构从其开启位置向其闭合位置移动，当线圈通电时，冲杆可从操作手柄脱离，以允许操作机构从其开启位置向其闭合位置移动。

操作手柄可包括内插阻隔。当线圈未通电时，冲杆可与操作手柄的内插阻隔接合，以阻止操作机构从其开启位置向其闭合位置移动。

附图说明

与附图相结合阅读，可从下述对优选实施方案的描述中获得对本发明的完全理解，附图中：

图1是依据本发明的一断路器的等轴测图；

图2是图1之断路器的示意图，包括一操作手柄和一螺线管互锁；

图3是断路器操作手柄与图2中的螺线管互锁相接合时的框图；

图4是与图2中的断路器操作手柄相脱离时通电的螺线管互锁的框图。

优选实施方式说明

本发明将以通常用于居室和轻型商业场合应用的单极微型断路器为例进行说明。然而，本领域的技术人员显然可知，本发明亦适用于其它类型的电路断续器。

参照图1，断路器1包括一个由若干众所周知的电绝缘材料所制铸件所组装而成的框架2。在框架2的一端，提供有端子3(负载)和端子4(负载中性)，以用于将断路器1电连接到负载(未显示)。在框架2相反端的端子(线)，如突起(stab)5，和引线6(中性线)将断路器1电连接到商业供电分布系统(未显示)。从框架2上伸出的手柄铸件7用于手工开启或闭合断路器1。

如图2所示，断路器1连在供电系统11中，该系统具有线导线13和中性导线15。断路器1包含可分离接触17，其安装在图1框架2中，并电连接在突起5和负载端子3之间的线导线13中。可分离接触17通过包含有操作手柄7的操作机构19进行开启和闭合。操作机构19在开启位置和闭合位置之间移动，其中在开启位置突起5从负载端子3电断开，在闭合位置突起5电连接到负载端子3。

除了通过图1中的手柄7手工操作之外，操作机构19也可以由跳闸电路，如跳闸组件21响应于预定电流情况而致动，以开启可分离接触17。跳闸组件21响应于流过可分离接触17的电流，并与操作机构19协同以开启可分离接触17。当可分离接触17闭合时，跳闸组件21通过引线6(中性线)和一内部地线参照20供电，地线参照20由突起5的线电压供电。跳闸组件21包含传统双金属23，双金属23被持续的过电流加热并发生弯曲以致动操作部件19，来开启可分离接触17。跳闸组件21中的衔铁25被很高的过电流所产生的强大的磁力吸引，也用以致动操作机构19并提供瞬时的跳闸功能。

断路器1的跳闸组件21还提供有电弧故障探测器(AFD)27和接地故障探测器(GFD)29。电弧故障探测器27可为诸如这样的类型，即探测每次发生电弧放电时的电流中的梯度增加(step increase)，尽管也可以用其他类型的电弧故障探测器。适当的电弧故障探测器在诸如美国专利号5,224,006中有公布，优选的类型在美国专利号5,691,869中有公布，此处通过引用将其纳入。电弧故障探测器27通过利用导线31监测双金属23两端的电压来感知电系统11中的电流，从而感知电弧故障电流情形。如专利5,691,869中所述，电弧故障探测器27含有响应于每次电流阶梯变化而产生一个脉冲的电路。脉冲信号被积分，积分结果随时间而衰减。当脉冲随时间衰减的累积达到某选定级别时，电弧故障探测器27在其输出产生响应于电弧故障而激发的电弧故障跳闸信号32。信号32随之与接地故障探测器29的接地故障跳闸信号33相混合，并用于响应于故障而致动操作机构19并开启可分离接触17。

接地故障探测器29可以是熟知的休眠震荡器型，在该情况下利用一对传感线圈34，35来探测线接地和中性线接地两种电流故障情形。如果电弧故障探测器27在供电系统11中探测到一电弧故障，即产生一跳闸信号32，该信号32接通一开关，如可控硅整流器(SCR)37以向跳闸螺线管39供电。当接地故障探测器29探测到一接地故障，即在其输出产生响应于接地故障而激发的接地故障跳闸信号33。接地故障跳闸信号33与电弧故障跳闸信号32按“或”逻辑组合(即对接地故障探测器29的输出和电弧故障探测器27的输出实施“或”函数)，从而信号32与33的组合形成了故障保护跳闸信号41。

在正常操作下，跳闸信号41将SCR 37接通，向跳闸螺线管39通电并由此响应于电弧故障或者接地故障将操作机构19致动以打开可分离接触17。与螺线管39的线圈相串联的电阻43对线圈电流进行限制，电容44保护SCR 37的栅极(gate)不被电压击穿(spike)，并防止噪声引起的误跳闸。这样，电弧故障情形或者接地故障情形皆可相互独立地引起电源的切断。

电弧故障探测器27和接地故障探测器29都可带有测试电路(未显示)。

根据本发明，一适当的机电互锁，如螺线管50，在断路器的操作手柄处于开状态时(如图1所示)，处于潜在激活状态。螺线管50包含一线圈51，该线圈51通过连至突起5(线)的线连接52和连至引线6(中性线)的中性连接54供电。

当螺线管50通电时，螺线管冲杆56从操作手柄7脱离，以允许操作机构19从其开启位置向其闭合位置移动。例如，如图4所示，此动作将螺线管冲杆56从操作手柄7的一部分脱离。如图3所示，操作手柄7包含一其内带有开口60(用虚线画出)的内插阻隔58。当螺线管线圈51不通电时，螺线管冲杆56与操作手柄7于开口60处接合，以避免操作手柄7从其开启位置(图3)向其闭合位置(如图4虚线所示)移动。否则，当螺线管50断电(例如，当引线6(图1)没有电连接到适当的中性线总线时)，螺线管冲杆56与操作手柄7的一部分相接合，如图3所示，以避免操作机构19从其开启位置向其闭合位置移动，并且不允许操作手柄7被移动至其闭合位置(如图4虚线所示)。因此，断路器1必须使引线6正确地电连接以使螺线管50通电，并由此来操作断路器1。否则，如果断路器1被不当连线，螺线管50将阻止可分离接触17的闭合，并阻止向负载端子3供电。

如果在断路器1运行时将引线6从中性线总线(未显示)移开，则当断路器1被关闭或跳闸后重启时，螺线管冲杆56重新与操作手柄7在开口60处接合。

电弧故障探测器27和/或接地故障探测器29可采用一个或多个模拟、数字和/或基于处理器的电路的组合。

虽然公布的是电弧故障探测器27和接地故障探测器29两种，但是可以使用探测器27，29二者之一或全部和/或其他任何适合的跳闸电路。

以上详细描述了本发明的具体实施方式，然而本领域内的技术人员应当了解，根据此处公布的整体教导，这些具体细节都可开发出各种变体和替换。因而此处公布的特定布置仅为示意性，而不作为对本发明范围的限制，本发明的范围将由所附权利要求及其任意和所有等价形式所限定。

Claims (9)

1.一种断路器，包括：

线连接；

负载连接；

电连接在所述线连接和负载连接之间的可分离接触；

中性线连接；

适于开启和闭合所述可分离接触的操作机构，所述操作机构在开启位置和闭合位置之间移动，其中在开启位置所述线连接从所述负载连接电断开，在闭合位置所述线连接电连接到所述负载连接；

跳闸电路，响应于流过所述可分离接触的电流，并响应于预定电流情形与所述操作机构相配合以开启所述可分离接触，所述跳闸电路从所述线连接和所述中性线连接获得供电；

机电器件，包括线圈和冲杆，线圈从所述线连接和所述中性线连接获得供电，当所述线圈未通电时，所述冲杆与所述操作机构相接合，以避免所述操作机构从其开启位置向其闭合位置移动，当所述线圈通电时，所述冲杆从所述操作机构脱离，以允许所述操作机构从其开启位置向其闭合位置移动；

其中，所述操作机构包含操作手柄；并且当所述线圈未通电时，所述冲杆与所述操作手柄相接合，以避免所述操作机构从其开启位置向其闭合位置移动，当所述线圈通电时，所述冲杆从所述操作手柄脱离，以允许所述操作机构从其开启位置向其闭合位置移动；

其中所述操作手柄包含内插阻隔；并且当所述线圈未通电时，所述冲杆与所述操作手柄的内插阻隔相接合，以避免所述操作机构从其开启位置向其闭合位置移动。

2.权利要求1中的断路器，其中所述线连接是线端子，所述负载连接是负载端子。

3.权利要求1中的断路器，其中所述中性线连接是中性线引线。

4.权利要求1中的断路器，其中所述跳闸电路包含从所述线连接和所述中性线连接获得供电的接地故障跳闸电路。

5.权利要求1中的断路器，其中所述跳闸电路包含从所述线连接和所述中性线连接获得供电的电弧故障跳闸电路。

6.权利要求1中的断路器，其中所述跳闸电路包含从所述线连接和所述中性线连接获得供电的电弧故障跳闸电路和接地故障跳闸电路。

7.权利要求1中的断路器，其中所述机电器件是螺线管。

8.权利要求1中的断路器，其中当所述可分离接触闭合时，所述跳闸电路从所述线连接和所述中性线连接获得供电。

9.权利要求1中的断路器，其中所述机电器件的线圈直接从所述线连接和所述中性线连接获得供电。

Images