CN102884603B - 剩余电流保护装置 - Google Patents

Abstract

一种剩余电流保护装置，包括引弧板，用于引导在接触器断开至灭弧单元过程中产生的电弧。该灭弧单元包括：电弧熄灭通道，用于熄灭电弧；以及增强型电弧熄灭器，设置在该灭弧通道和引弧板之间迫使电弧进入该灭弧通道。

Description

剩余电流保护装置

技术领域

本发明涉及剩余电流装置(RCD)。特别地，本发明涉及具有剩余电流保护功能的微型断路器(MCB)。所提供的装置具有简易的结构、良好的灭弧性能以及不易受来自电源浪涌电压的影响。

背景技术

随着技术的发展，对工业用电和居民用电的安全性和可靠性提出了更加严格的要求。根据一些相关国家标准，低压电气设备和电力线应该提供更好的EMC性能。考虑到这种技术趋势和发展，必须提供一种新的、能为用户和所连接的设备提供更好的保护功能的剩余电流装置。

常规的断路器，例如MCB，通常具有过载保护和短路保护机构。不同于该常规断路器，剩余电流装置(RCD)具有除了过载保护和短路保护之外的剩余电流保护机构。RCD在电力线上检测剩余电流，然后将该检测值与预先设定的剩余电流阈值进行比较。当检测值大于该预先设定值时，RCD断开所保护的电力线以阻止用户和电气设备被剩余电流损坏。

具体来说，RCD使用差动电流互感器测量两电力线(例如，火线和中性线)上的电流平衡来运行。其测量从火线上流出的电流值以及通过中性线返回的电流。如果输入和输出电流的值，总和不为零，则存在对地或对其它电路的剩余电流；该装置将激活剩余电流保护机构并断开电气接触。

典型的电子RCD包括操作机构，用于断开和闭合电力线的电接触；磁场释放单元，热释放单元，零序互感器，磁铁，电子电路和容纳所有元件的壳体腔。现有的RCD中，每个元件除了作为电流载体外，仅仅执行其实现单一功能的工作。被设计用在现有装置中的单一功能的元件使得由此得到的结构不复杂并且容易制造。另一方面，由于该装置需要大量的该单一功能元件，现有装置的组装流程变得十分复杂，效率低、可靠性差、风险性高。而且发现现有的RCD在灭弧方面不具有良好的性能，并且也容易受到电力线上发生的浪涌电压的影响。

为了解决现有RCD的前述问题，本发明提供的RCD采用新颖设计的、具有多功能的元件。所提供的RCD也改善了灭弧和抗浪涌电压方面的性能。

发明内容

根据本发明的一个实施例，其提供了一种剩余电流保护装置，包括：灭弧单元。该灭弧单元包括用于熄灭电弧的电弧熄灭通道，以及设置在该电弧熄灭通道和引弧板之间增强型电弧熄灭，用于迫使电弧进入该电弧熄灭通道；引弧板，用于引导在接触器断开过程中产生的电弧至灭弧单元中，所述引弧板用于集成电流输入端子，所述引弧板被设计为一个部件，所述引弧板穿过零序互感器，被插入所述电流输入端子；以及静触头，用于集成电流输出端子。

根据本发明的另一实施例，该增强型电弧熄灭器包括灭弧板。该灭弧板用于在高温下产生气体，以增加保护装置的内压。

根据本发明的另一实施例，该增强型电弧熄灭器包括位于该保护装置壳体腔内表面上的突出部。磁场增强元件，设置在突出部内。磁场增强元件用于强化沿电弧产生的电磁场，其加速电弧移动至所述电弧熄灭通道。

根据本发明的另一实施例，该装置还包括试验按钮，用于测试保护装置的剩余电流保护功能；PCB，用于检测剩余电流并将检测的值与预先设定的值进行比较；以及向PCB提供电力的电源单元，用于当剩余电流保护装置关闭时，停止向PCB提供电力。

根据本发明的另一实施例，PCB包括：一级泄压部件和二级泄压部件；一级泄压部件用于在高频下具有高感抗；二级泄压部件与一级泄压部件串联连接；以及剩余电流检测和比较单元，用于与二级泄压部件并联连接。

根据本发明的另一实施例，一级泄压部件是磁铁；以及二级泄压部件是可变电阻器。

根据本发明的另一实施例，其进一步包括：PCB，用于检测剩余电流并将检测的值与预先设定的值进行比较；绝缘墙，用于隔离所述电弧熄灭器与所述PCB；位于该保护装置壳体腔上的气体驱散通道，用于驱散所属所述灭弧板上产生的气体。

附图说明

参照附图1-7所示，本发明进一步的实施方式、优点以及应用将在权利要求书以及随后的说明书中进行更详细的描述；其中

图1示例性地示出了位于断路器侧的RCD的截面图；

图2示例性地示出了位于剩余电流装置侧的RCD的截面图；

图3示出了根据本发明一个优选实施例提供的RCD的引弧板的示意图；

图4示出了根据本发明一个优选实施例提供的RCD的电弧熄灭单元的示意图；

图5示出了根据本发明一个优选实施例提供的RCD的右端子组件的示意图；

图6示出了根据本发明一个优选实施例提供的向PCB提供电力的元件的示意图；

图7示出了根据本发明一个优选实施例提供的PCB上的电子电路的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个优选实施例提供的RCD的整体组装示图。该RCD能够被分为两个主要部分，即MCB模块和剩余电流保护模块。图1是当装置1从MCB侧所看到的内部结构的示意图。该MCB部分的结构与现有的MCB相似，因而与该部分有关的详细描述被省略。接下来的段落将着重描述剩余电流保护模块的结构和功能。

图2示出了从剩余电流保护模块侧看到的RCD的装配示意图。如图所示，该RCD包括如下主要元件：壳体腔21、左端子组件213、分合闸操作机构212、磁铁211、取电簧210、扭簧29、剩余电流保护试验按钮28、接触簧27、右端子组件26、印刷电路板(PCB)25、RCD灭弧板24、RCD引弧板和零序互感器22。

在一个实施例中，从外部电源馈入的电流从左端子组件213流入RCD中，并从右端子组件26流出该装置。也就是说，电流从图示的左端流向右端。左端子和右端子组件分别用作整个装置的电力输入和输出端。其不同于现有技术中的部分将在随后的段落中进行描述。

RCD引弧板

引弧板23用于引导在触头断开并进入灭弧区域过程中产生的电弧。现有的引弧板通常包括几个单独的部件。例如，其可以包括3个单独部件：用于连接电源的输入端子、电弧引导元件，以及用于连接输入端和引导元件的柔性或刚性导体。如前所讨论的，电弧引导元件的每个部件在结构上是简单的，然而整个单元的装配流程相对复杂，并且大量的单独部件显著地降低了制造效率。

本发明中，RCD引弧板被设计为一个部件。如图2所示，引弧板23穿过零序互感器22，被插入左端子组件213。如图3所示，左端子31和零序互感器33将该引弧板分为3个部分(32、34和35)。对应于现有技术中一个单独部件，所有的3个部分作为输入端子、连接性导体和引导元件。根据本发明，RCD将前述3个元件集成为一个单一部件，并且执行该些单独元件的所有功能。制造效率显著提高，并且通过将少元件的数量，其在运行过程中产生的热量能够被降低。

灭弧单元

在断开电气连接的过程中，如果被断开的电流超过阈值，将产生电弧。实际上，真正的电弧产生阈值取决于电气接触的材料。电弧延长需要断开电气连接的时间，或者甚至无法断开连接，这将最终导致事故。因此，熄灭电弧的能力成为断路器的重要参数。

现在RCD中，由于其有限的内部空间，其没有灭弧板或熄灭空间。这使得现有的RCD具有差的熄弧能力。本发明的RCD配置有增强型灭弧元件，其占用很少的内部空间并且提升了电弧熄灭性能。通过提高熄弧能力，使得断开高的电流成为可能。

与MCB模块的电气触头相比，RCD模块的触头遵循“提前合闸延后断开”即先合后分的策略。具体来说，当该合闸时，RCD的电气触头比MCB的触头闭合要早；并且当该断开时，RCD的触头比MCB的触头断开要晚。在断开过程中，理论上讲，只要RCD的动静触头动作晚于MCB的相应部件。然而，实际上，由于RCD有限的内部空间，很难保证RCD触头与MCB触头之间的延迟。因此，RCD熄弧元件的设计对于保护断路装置和与之相连的其它电气装置来说非常重要。好的断开性能能够通过提高熄弧性能而得以实现。

如图4所示，在第一实施例中，该RCD灭弧元件包括引弧板41、RCD右端子42和RCD灭弧板43。该灭弧元件被设置在壳体腔后边的驱散通道和引弧板之间的位置。

在断路的情况下，在动触头和静触头的表面会产生电弧。然后电弧沿着引弧板41和RCD右端子42引动。由于RCD内部空间是有限的，在内部空间的温度将会急剧上升。灭弧板43的表面覆盖着在高温下会产生气体的材料。可替换的方式，该灭弧板可以由能产生气体的材料制造。在上述两种方式中任意一种方式下，当电弧在触头之间发生时，大量的气体将在RCD的内部空间中产生。

所产生的气体将通过位于壳体腔后面的释放通道从RCD中释放(图中未示出)。考虑到内部空间的有限性以及产生气体的量，内部空间的压力将非常高，并且这种高压会使得气体快速从内部空间逸出。因此，气体流将吹向电弧并加速电弧移动至释放通道，并最终被熄灭。

根据本实施例，所采用的产生气体的材料是塑料。其它具有类似的、在高温下气化的性能的材料也可以用于本发明中。所产生的气体也用作一种散热的手段，其从RCD内部空间带走大量的热，从而保护其中的电气化元件。

在第二优选实施例中，如图4所示，增强型灭弧元件44被设置在引弧板41、RCD右端子42和灭弧板43之间。该增强型灭弧元件44是位于RCD壳体腔内壁上的突出区域。该突出区域使得该有限的内部空间更加狭小。因此，在高温下有气体产生时，RCD腔体内部的压力比第一实施例中的压力更大。在RCD内部空间压力更大的情况下，气体通过驱散通道逸出得更快。在加速的气体流作用下，将更有利于推动电弧进入驱散通道并被熄灭。因此，与第一实施例相比，第二实施例的灭弧性能得到了进一步的提升。

在本发明的第三实施例中，位于RCD内壁上的该突出部分包括至少两层。其中，该突出部分的底层是由具有磁性的铁材料构成，并且其上层是由绝缘材料构成，用于保护电子元件不被电弧损坏。

在分离电气触头的过程中，伴随着电弧的产生，由此产生的电场也快速地变化着。因此，将在所围绕的区域内产生磁场；并且嵌入该突出部分的铁板将增强该磁场，这也将加速电弧移动至驱散通道。由此其灭弧性能进一步得到提高。

在第四实施例中，如图2所示，在壳体腔的内表面上形成有绝缘脊214。该绝缘脊214在电弧熄灭单元214和PCB 25之间延伸。该绝缘脊214将RCD的内部空间分为2个腔室，一个腔用于灭弧，另一个用于PCB。该绝缘脊214阻止电弧损坏PCB 25上的电子器件。

右端子组件

与现有的引弧板类似，现有的右端子也包括几个单独的元件。根据本发明的一个实施例，其右端子将现有技术中的右端子的所有单独的元件集成为一个。

图5所示的该RCD的右端子组件将几个部分组合在一起，其包括：用于固定静触头的静触头底座51、导体、用于向PCB提供电力的PCB电源52和用于向外部电气装置输出电流的右端子54。

根据本发明的RCD右端子，其通过一个单独的部分实现了那些分离元件的多种功能，这减少了对柔性和刚性导体的使用。

PCB电源

图6示出了位于MCB模块和RCD模块之间的PCB电源的结构。该电源从MCB模块将电力输送给PCB和RCD模块。当RCD被接通电源，则PCB10被接通电源。所提供的PCB电源被建造为一个具有“V”型的弹簧，这非常容易被制造和使用。弹簧的左端61与电源的火线连接，其右端63与剩余电流试验按钮28以及中性线连接；底端62与PCB连接作为电源。通过使用该简单的元件，使得同时向试验按钮和PCB提供电力成为可能。

具体来说，弹簧的左端61和底端62是可以移动的，其能够向PCB提供可靠的电力供应。右端63是静态的，并且被用作剩余电流测试回路的开关。该电力供应弹簧能够被很容易地装配。

在现有的RCD中，PCB一直被接通电力，这将缩短其电子元件的寿命。然而，根据本发明提供的电力供应弹簧，当RCD处于断开时，该PCB处于未通电状态。因此，PCB上的电子器件将更加持久。

如图2所示，电力供应弹簧被装配在RCD中，并且根据其不同的功能被分为3个部分：取电簧210、接触簧27和扭簧29。在图3所示的电力供应弹簧，其用于提供电力的节点与电力线的火线相连。由于与火线的连接是由RCD的开关所控制，PCB的工作状态与整个RCD保持一致。也就是说，当RCD被断开电力供应时，PCB也被断开电力供应。由于中性线提供接地电压，其可以与电力供应弹簧连接而对PCB上的元件没有任何不利的影响。因此，只要RCD的开关是打开的，RCD的所有元件都处于未加电状态。

用户可以通过按下试验按钮28来获知该装置的剩余电流检测功能是否工作正常。输入弹簧210、接触簧27和扭簧29形成一用于测试剩余电流保护功能的回路。该测试回路通过使用来自火线的电流来模拟剩余电流。在本发明中，由试验按钮28、扭簧29和接触簧27构成的回路处于断开状态，除非该按键被按下。当试验按钮28被按下，电路切换至闭合状态，并且来自火线的电流到所有的元件。随后，电流产生跳闸信号以检测保护功能。在本发明中，在RCD不加电时火线与内部元件不连接，因此，由火线带来的干扰能够被最小化。

PCB和电子元件

现有的断路器易受到来自外部电力线上浪涌电压的影响。具体来说，浪涌电压对于半导体元件、电路模块和可变电阻器具有显著的不利影响。本发明提供的电子电路通过改变电路的结构从而改善了抗浪涌的能力。

如图7所示，电子电路包括：磁铁83、两个可变电阻器RV1、RV2，晶闸管P1、开关SW2和测试开关SW1、电阻R8、零序互感器ZCT、剩余电流保护单元81以及互感器输出信号处理单元82。

根据图7所示的实施例，可变电阻器RV1、RV2被并联连接。电阻器RV2与磁铁83串联连接，并且电阻器RV1通过磁铁上的焊垫与磁铁串联连接。也就是说，RV2与整个磁铁串联连接，RV1与磁铁部分地串联连接。

试验按钮SW1与电阻器RV1并联连接。保护元件81与可变电阻器RV1和RV2并联连接。因此，保护元件81与可变变阻器具有相同的电压。晶闸管P1的一端与磁铁连接，其另一端接地。

电力输入/输出端分别是火线和中性线。零序互感器ZCT被设置在靠近输入和输出端的位置。变压器检测的电压值被发送给变压器处理单元82。开关SW2连接或切断PCB的元件与电力线的连接。当SW2被合闸时，元件被加上电，并且开始运行。当测试开关SW1被合上，额外的电流被从火线引入电路中以执行剩余电流保护测试。

来自电力线的浪涌电压将在火线的输入端施加例如1.2/50μs的浪涌。在图7所示的电路中，所产生的浪涌先流经并联的可变电阻器RV1和RV2。随后，该电流经分别与该些电阻器连接的磁铁83，并且流回到中性线。在该浪涌电流中会引入许多高频分量，并且磁铁83对高频分量具有高的感抗。因此，具有高的感抗的磁铁承载了大部分的浪涌电压，这杯视为第一泄压机制。

由于磁铁承载了大部分的浪涌电压，可变电阻器RV1和RV2仅仅承载了小部分的浪涌电压，这杯视为第二泄压机制。鉴于可变电阻器仅仅承载相对低得电压，因此可以在电路中采用具有较小尺寸的电阻器；这减小了电路对空间的占用，并且保持好的抗浪涌能力。

施加在晶闸管P1和保护元件81上的浪涌电压等于施加在可变电阻器上的电压。因此，基于双泄压机制，在晶闸管P1和保护元件81上的电压相对较小。这避免了晶闸管的误跳闸，并且提高了RCD作为一个整体的抗浪涌能力。由于大部分的浪涌电压由磁铁所承载，可变电阻器、晶闸管和处理单元受浪涌电压影响很小。

本发明并不局限于示例性的实施方式。本发明旨在涵盖落在权利要求书所描述的理念下所有可能的修改方式。各自的特征也可以被便利地组合在一起。

Claims (7)

1.一种剩余电流保护装置，其包括：

灭弧单元；

其特征在于：

所述灭弧单元包括：

电弧熄灭通道，用于熄灭电弧；

增强型电弧熄灭器，设置在该电弧熄灭通道和引弧板之间，用于迫使电弧进入该电弧熄灭通道；

引弧板，用于引导在接触器断开过程中产生的电弧至灭弧单元中，所述引弧板用于集成电流输入端子，所述引弧板被设计为一个部件，所述引弧板穿过零序互感器，被插入所述电流输入端子；以及

静触头，用于集成电流输出端子。

2.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于：

所述增强型电弧熄灭器包括灭弧板；该灭弧板用于在高温下产生气体，以增加所述保护装置的内压。

3.根据权利要求2所述的保护装置，其特征在于：

所述增强型电弧熄灭器包括位于该保护装置壳体腔内表面上的突出部；

设置在所述突出部内的磁场增强元件；

所述磁场增强元件用于强化沿电弧产生的电磁场，其加速电弧移动至所述电弧熄灭通道。

4.根据权利要求1所述的保护装置，其进一步包括：

试验按钮，用于测试所述保护装置的剩余电流保护功能；

PCB，用于检测剩余电流并将检测的值与预先设定的值进行比较；以及

向所述PCB提供电力的电源单元，用于当所述剩余电流保护装置关闭时，停止向PCB提供电力。

5.根据权利要求4所述的保护装置，其特征在于，所述PCB包括：

一级泄压部件和二级泄压部件；

所述一级泄压部件在高频下具有高感抗；

所述二级泄压部件与所述一级泄压部件串联连接；以及

剩余电流检测和比较单元，用于与所述二级泄压部件并联连接。

6.根据权利要求5所述的保护装置，其特征在于，所述一级泄压部件是磁铁；以及所述二级泄压部件是可变电阻器。

7.根据权利要求2所述的保护装置，其特征在于，其进一步包括：

PCB，用于检测剩余电流并将检测的值与预先设定的值进行比较；

绝缘墙，用于隔离所述电弧熄灭器与所述PCB；

位于该保护装置壳体腔上的气体驱散通道，用于驱散所述灭弧板上产生的气体。