CN101681750B - 剩余电流设备 - Google Patents

Abstract

一种用于AC电力电源的剩余电流设备，包括：外壳(10)和在外壳内部的第一负载导体(L)，该第一负载导体串联连接在电源和负载之间，并且包括一组触点(18)，通过该组触点可以进行或断开电源和负载之间的电连接。变流器布置在外壳内并且具有环形芯体(T1)，第一负载导体穿过该芯体并且形成变流器的一个初级绕组。在外壳外部的至少一个另外的负载导体(N)经由外壳中的开口(32)穿过芯体(T)，并且形成变流器的另外的初级绕组。芯体上的次级绕组(W)响应于剩余电流产生输出，并且外壳内的电路(RCC)响应于次级绕组的输出，以便如果剩余电路高于预定级别，则使触点开路。

Description

剩余电流设备

技术领域

本发明涉及剩余电流设备(residual current device，RCD)。

背景技术

基于使用的技术，RCD可以分为两类：

-独立于电压的(VI)RCD，其使用剩余电流作为用于RCD的操作的能量源。独立于电压的RCD有时被称为传统的或机电式RCD。

-依赖于电压的(VD)RCD，其使用市电电压作为操作RCD的能量源。依赖于电压的RCD有时被称为电子RCD。

RCD是包括RCCB和RCBO的通称：

-RCCB：没有过电流感测的剩余电流断路器；

-RCBO：具有过电流感测的剩余电流断路器。

RCCB将只响应剩余电流而自动开路。RCBO将在剩余电流或过载或过电流条件的情况下自动开路。

图1示出了由RCD保护的AC电力电源(electricity supply)，该RCD也已知为接地故障断续器(ground fault interrupter，GFI)。图1表示典型的单相TN装置(installation)，其包括给负载LD供电的带电(live)L和中性(neutral)N导体。电源中性体N直接连接到接地E，并且固定接地(solid earth)导体贯穿该装置分布。该装置通过基于由Western Automation生产的WA050IC的电子型剩余电流电路RCC保护，并且经由导线M从市电供电。

在操作中，带电导体L中的电流I_L从电源流到负载LD，并且作为中性导体N中的电流I_N返回到电源。带电L和中性N导体穿过变流器CT的环形芯体(core)，并且用作CT的初级绕组。CT包括在其输出连接到RCC的芯体T上的次级绕组W。在正常状况下，在导体L、N中流过芯体T的电流I_L和I_N幅度相等但方向相反，结果，这些电流的矢量和为零，并且在次级绕组W中没有感应电流。

然而，如果人接触到带电部分，如图所示，则电流I_R将流过人的身体到地，并且经由地返回路径返回电源。现在，电流I_L将大于I_N，因此，次级绕组W将响应于该差动或剩余电流产生输出。该输出将被RCC感测，并且如果其满足关于幅度和/或持续时间的预定标准，则在RCC、以及带电和中性导体中的一组触点S之间的机械耦合将使得触点S开路，并且将电源从负载LD断开连接以提供保护。这都是众所周知的并且被认为不需要进一步描述。

RCD通常基于微型断路器(MCB)以确保机械和电特性以及美感等方面的兼容性。在许多情况下，修改基本的MCB设计，以提供对于RCD功能的包含，以便生产RCBO-具有过电流保护的RCD。这种RCBO可以包括具有固定(solid)中性体的1极点(pole)、具有切换中性体的1极点(1P+N)、2极点、3极点、具有固定中性体的3极点或具有切换中性体的3极点(有时候称为4极点设备)。术语“极点”表示可以生成(make)和断开故障电流的一对触点，而术语“切换中性体”用于指示包括下述一对触点的中性极点，该对触点可以断开和闭合但是该极点不是完全适用于生成和断开故障电流，因为它没有过电流感测或断路能力。

具有固定中性体或具有切换中性体的RCD必须使得该极点或端子标记为N，以便避免该极点被不利地用于提供对相位(phase)的保护。因此，该RCD具有称为“专用”的中性极点或端子，并且安装者在装置中安装这种RCD时需要考虑这点。

基于IEC60898的MCB趋于提供有标准模块(modular)宽度，1极点设备典型地为18mm宽(称为单模块单元)，2极点设备典型地为36mm宽(两模块单元)，3极点设备典型地为54mm宽(三模块单元)，并且4极点设备典型地为72mm宽(4模块单元)。

图2包括示出图2(a)的单模块MCB如何转换为图2(b)的具有1P和固定中性体的单模块RCBO的图。在每个图中，以及在图3、4和6中，在左侧示出设备的示意性正视图，并且在右侧示出示意性侧视图。在所有图中，相同的参考符号用于相同或等同组件。

未转换的MCB包括窄的外壳10，其具有基本平行的相对侧壁10A和10B。导体12在外壳10内、在用于连接到电力电源的输入端子14和用于连接到负载的输出端子16之间延伸。导体12包括一对触点(单极点)18，通过该对触点18可以进行或断开端子14和16之间的电连接。这些触点可以通过拨动开关20手动地开路，或响应于流过导体12的过电流而自动开路。用于感测过电流并使得触点18自动开路(跳闸)的部件没有示出，但是对断路器操作的领域中的技术人员是众所周知的。

在图2(b)的RCBO中，延伸MCB外壳10(同时没有增加侧壁10A和10B之间的其宽度)，以便如图所示提供空间来安装变流器CT和其它RCD电路(从侧视图中省略了RCC电源导线，并且从正视图中除了芯体T外都省略了)。导体12是带电导体L，并且增加了穿过环形芯体T的中性导体N。如前所述，RCC机械地耦合到触点18，以便在剩余故障电流的情况下导致触点的自动开路。RCD通常提供有测试按钮22，以便使得用户能够验证RCD的操作。

图2(b)的安排的主要优点是可以生产具有与单模块MCB相同宽度的RCBO。该类型的RCBO可以方便地用于替代单极点MCB作为用于给电路增加RCD保护的升级的一部分。

图2(b)的安排的主要缺点是，在传统RCD设计中，单模块的18mm宽度对RCD设计者和用户施加了严格的限制。由于18mm模块宽度内的空间限制，通常不可能为L和N导体连接两个电源和两个负载端子，因为这种端子将非常小，并且将严格地限制可以使用的导体的大小和额定电流(currentratings)。因此，在该安排中的通常实践是将带电导体L从电源端子14馈送，在途中通过芯体T到达负载端子16。中性导体N提供有只用于负载侧连接的端子24，从该端子24经由CT内部地安排导体，但是该导体然后退出外壳10作为布线，通常盘绕起来如同抽头(pigtail)。

注意，L和N导体必须被安排在相同方向上穿过芯体T，使得它们的负载电流抵消。设计者和制造者面对了优化组件和部件、组装问题等的严重问题。用户或安装者面对了下述问题：非常有限的负载额定电流、小的端子和关于电源和负载连接以及极性(带电或中性)的可能的困惑等。

图3示出了用于2模块(1P+N)RCBO的安排。在该安排中，并排放置两个单极点MCB以形成两模块设备。RCD部分通常放置在RCBO的N的一半中，并且为了容纳RCD，从该一半中移除各种断路器元件，如过电流感测和跳闸部件以及电弧堆(arc stack)等。该安排有时被称为吊舱(pod)安排，这是因为RCD部分被认为像是携带在MCB背部上的吊舱。要注意的是，在该情况下，中性导体N以及带电导体L被切换，并且中性导体N在其外壳10中分别具有电源和负载端子28、30。3和4极点RCBO的生产遵循与图3的安排的模式类似的模式，其中模块宽度变得更宽。

图3的安排比图2(b)的安排稍好之处在于使用了两个模块，这便利了四个完整大小的电源和负载端子。然而，因为环形芯体T仍然必须安装在18mm模块内，所以导体大小将仍然受到模块内可用的相对小的空间的限制，这限制了可以使用的芯体T的最大直径，并且仍将存在组装问题。

严格来说，图2(b)和3的安排没有将它们自身容易地提供给3和4极点RCD的生产，因为需要在单个模块内安排3个或4个导体穿过环形芯体。必须使得每个负载导体从其自身极点穿过芯体T并回到在其自身模块内的负载端子或其电源。此外，3和4极点RCBO可以用于单相(L+N)电路或用于两相(P+P)电路。RCD电路在这种情况下仍然必须工作，不管哪对电源端子用在RCD上来给负载供电。在VD RCD的情况下，将必需具有从RCD的所有极点到电子电路的电源连接。这要求从RCD的每个极点安排布线或端子到电子电路的位置。

1、2、3和4模块RCD的生产通常通过具有用于这些变体的每个的专用1、2、3和4模块RCD外壳来实现，结果是每个产品必需被生产为独立的产品。利用传统的组装过程，不可能将1P RCD转换为2、3或4极点RCD。此外，假设4模块RCD可以用于保护没有中性体的三相电路，制造商较少倾向于生产3模块RCD。因此，要求三相电路的保护的用户通常趋于承担4模块RCD的成本和大的尺寸，而不是具有用于这种应用的优化产品。

在市场上存在基于MCB模块原理的RCD产品。在这种情况下，环形变流器芯体位于模块之一中，并且在包含芯体的模块外部的所有负载导体通过穿过该模块外壳中的开口来穿过芯体。因此，包含芯体的模块仅用作剩余电流检测器，但在其自身中响应于检测到的剩余电流，不执行任何断路功能。根据负载导体的数目，这必需在一个或多个额外设备中执行。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的RCD，其减轻了与传统设备有关的上述问题。

该目的通过权利要求1所要求保护的发明来满足。

附图说明

现在，将通过示例的方式，参照附图描述本发明的各实施例，附图中：

之前描述的图1到3是根据现有技术的各种RCD的示意图。

图4示出本发明的第一实施例的示意性正视图和侧视图。

图5图示图4的实施例如何可以扩展用于多极点设备。

图6示出本发明的另外的实施例的示意性正视图和侧视图。

具体实施方式

在图4的实施例中，延伸的单模块MCB的窄的外壳10分别具有相对的平行侧壁10A和10B以及电源和负载端子14和16。外壳包含如所示的变流器的环形芯体T和其它RCD组件。为了克服在18mm宽的单模块外壳中安装时通常施加到芯体的大小和布线安排的限制，芯体T安排在与侧壁10A、10B平行的平面中，并且布置在外壳的延伸部分中，以便便利实质上比传统安排中使用的芯体更大尺寸的芯体T。同时模块宽度仍为标定的18mm，延伸的外壳部分可以超过30×30mm，因此提供比单模块RCBO中通常使用的芯体具有实质上更大内径和外径的芯体的使用。

在延伸外壳部分中，在外壳中形成在相对侧壁10A、10B之间延伸并且穿过芯体T的内径的开口32。在外壳10内从电源端子14延伸到负载端子16并且包含触点18的带电负载导体L，在芯体内径和开口32的边缘之间穿过环形芯体T，因此没有对外暴露。穿过芯体的内部负载导体L的部分可以形成为按压部分，以便最小化将其穿过芯体和开口之间所需的间隙。用于带电内部导体L的电源和负载端子14、16关于正常的MCB是完整尺寸的和额定的。

可以看到，没有提供要作为RCD的组成部分提供的中性负载导体或中性端子。为了安装的目的，关于传统的MCB对RCD进行了带电电源和负载连接，但是中性导体N仅从电源侧中性体取出，穿过开口32，然后连接到负载，以完成RCD保护电路。RCD的正视图示出用于安排中性导体N、使得L和N负载电流在变流器内抵消的方向。关于传统的RCD，该RCD的操作是当高于预定级别的差分电流在L和N之间流动时，RCD将跳闸。

图4的安排还可以用于VD RCD。当用作VD RCD时，需要将导线34连接到电源中性体以便提供功率给RCD的内部电子电路。

可以扩展上面的安排以提供给2、3或4极点RCD。可以增加单个MCB以生产用于单相或2相应用的2极点RCD。可以增加两个MCB以生产用于三相应用的3极点RCD，并且可以增加3个MCB以生产4极点RCD。在要求中性体的情况下，MCB可以用于提供中性极点和连接，或者固定布线可以经由RCD开口32从电源N馈送，以便提供到负载的中性连接，从而避免用于该目的的MCB的使用。

例如，图5示出了用于具有三相导体P1、P2、P3和中性导体N的电源的4极点RCD的情况。导体P1从电源端子14延伸到延伸的MCB外壳10内的负载端子16(图5的LHS)，并且在这样做时，以图4的带电导体L的方式穿过外壳10内的环形芯体T。其它相位导体P2、P3和中性导体N延伸通过直接或间接附接到延伸的外壳的它们自己的单个模块MCB外壳10-1、10-2、10-3，然后穿过延伸的外壳10的开口32，因此穿过芯体T。在穿过该外壳的负载导体P1、P2、P3或N中，外壳10、10-1、10-2、10-3的每个具有极点(一对触点)，如图4中的极点18。所有这种极点机械地耦合到延伸的外壳10中的极点，使得在任一极点由于过电流或剩余电流条件而开路的情况下，所有极点都开路(将理解，在本实施例和其它实施例中，延伸的外壳10仍然保留标准的、未修改的MCB的过电流检测和跳闸部件)。根据用于“自由跳闸操作”的RCD产品标准的要求，即使一个或多个拨动开关保持在闭合位置，这种机械耦合也将确保所有极点的跳闸。

对于VI RCD示出了图5的安排。为了便利电子RCD的使用，可以进行从延伸的外壳10到电源N和/或用于安装的每个MCB的每个电源相位的、如同图4的导线34的功率连接，以便当任何两个电源连接对RCD可用时，确保VD RCD的操作。

图6示出其中使用延伸的2极点MCB外壳10-4和两个标准单极点MCB外壳10-1和10-2作为用于包括三相P1、P2和P3和中性体N的电源的4极点RCD的基础的实施例。在该安排中，分别连接到P1和N电源导体的2极点外壳10-4的两个内部导体50、52在内部穿过外壳10-4的芯体T(在侧视图中的外壳10-4中只示出了P1负载导体，但是未示出的N负载导体将位于其后面并且与两模块外壳内的P1导体一致)。其它相位导体P2、P3延伸通过它们自己的单模块MCB外壳10-1、10-2，然后穿过延伸的外壳10-4的开口32，因此穿过芯体T。外壳10-1和10-2的每个在穿过该外壳的负载导体P2或P3中具有极点18(未示出)。所有这些极点机械地耦合到延伸的外壳10-4中的极点，使得在由于过电流或剩余电流条件导致任一极点开路的情况下，所有极点开路。

通过省略模块外壳10-2，图6的实施例可以扩展为3极点RCD，在该情况下，任何两个负载导体在RCD模块10.4内部穿过，并且第三负载导体如之前经由模块10.1穿过开口32。

可以对前述实施例进行各种改变。例如，可以通过适当地从MCB模块省略过电流感测元件，将各实施例转变为RCCB。可以安排延伸的外壳以安装在MCB的左边或右边。根据方便，开口32可以位于延伸的外壳的顶端或底端。

在前述实施例中，已经关于使用具有环形芯体的变流器作为差分电流传感器的AC电源描述了本发明。然而，可以使用基于环形或其它有孔的芯体的使用的其它类型的传感器(例如，霍耳效应电流传感器)或其它设备。假设剩余电流传感器是可以检测DC剩余电流的类型，本发明还可以应用于DC应用。响应DC的RCD的使用在给地铁供电的DC装置中以及在光电发电机中等是常见的。

本发明不限于在此描述的各实施例，可以对实施例进行修改或变化，而不偏离本发明的范围。

Claims (6)

1.一种用于电力电源的剩余电流设备，该设备包括：

外壳，具有在外壳的基本平行的相对侧壁之间延伸的开口，

外壳内部的变流器，所述变流器包括放置在所述侧壁之间并且大致与所述侧壁平行的有孔的芯体，所述外壳中的开口穿过所述芯体，

外壳内部的至少一个负载导体，串联连接在电源和负载之间，并且包括至少一组触点，通过该组触点可以进行或断开电源和负载之间的电连接，所述至少一个负载导体在芯体的内径和开口之间穿过外壳内的芯体，以便不暴露在外壳的外面，

至少一个另外的负载导体，其在外壳外部并经由所述外壳中的开口穿过所述有孔的芯体，

所述变流器响应于穿过芯体的负载导体中的电流，以便响应于所述电流的非零矢量和产生输出，以及

电路部件，其在外壳内部并响应传感器的输出，以便如果电流的非零矢量和符合关于幅度和/或持续时间的预定标准，则使所述触点开路。

2.如权利要求1所述的剩余电流设备，其中所述电源包括带电体和中性体，并且其中所述至少一个负载导体中的第一负载导体连接到带电体，而所述至少一个另外的负载导体连接到中性体。

3.如权利要求1所述的剩余电流设备，其中所述电源包括多个相位和中性体，其中所述至少一个负载导体中的第一负载导体连接到所述相位之一，并且其中存在多个所述至少一个另外的负载导体，所述至少一个另外的负载导体之一连接到中性体，并且所述至少一个另外的负载导体中的其它负载导体连接到各自的其它相位。

4.如权利要求3所述的剩余电流设备，其中每个另外的负载导体通过直接或间接附接到所述外壳的各自的另外的外壳延伸，并且其中连接到相位的每个另外的负载导体包括在各自的另外的外壳内的所述至少一组触点的各自的另外一组触点，所述另外一组触点机械地耦合到所述至少一组触点中连接到第一负载导体的第一组触点用于用其开路。

5.如权利要求1所述的剩余电流设备，其中所述电源包括多个相位和中性体，其中所述至少一个负载导体中的第一负载导体连接到第一相位，其中外壳内的所述至少一个负载导体中的第二负载导体串联连接在中性体和负载之间并且包括所述至少一组触点中的第二组触点，所述第二负载导体穿过芯体，并且其中所述至少一个另外的负载导体中的每一个连接到各自相位，所述第二组触点机械地耦合到所述至少一组触点中连接到第一负载导体的第一组触点用于用其开路。

6.一种用于电力电源的剩余电流设备，该设备包括：

外壳，具有用于连接到电源的至少一个输入端子、用于连接到负载的至少一个输出端子、以及在外壳的基本平行的相对侧壁之间延伸的开口，

外壳内部的变流器，所述变流器包括放置在所述侧壁之间并且大致与所述侧壁平行的有孔的芯体，所述外壳中的开口穿过所述芯体，

第一负载导体，其在外壳内部，在输入和输出端子之间延伸，并且包括一组触点，通过该组触点可以进行或断开输入和输出端子之间的电连接，所述第一负载导体在芯体的内径和开口之间穿过外壳内的芯体，以便不暴露在外壳的外面，所述外壳中的开口允许外壳外部的至少一个另外的负载导体经由所述开口穿过芯体，

所述变流器响应于穿过芯体的负载导体中的电流，以便响应于所述电流的非零矢量和产生输出，以及

电路部件，其在外壳内部并响应传感器的输出，以便如果电流的非零矢量和符合关于幅度和/或持续时间的预定标准，则使所述触点开路。

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