Способ разводки шинных соединений для дифференциального обнаружения тока
METHOD FOR WIRING BUS CONNECTIONS FOR DIFFERENTIAL CURRENT DETECTION

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область изобретения
[01] Настоящее изобретение относится к выключателям цепи, в которых определение замыкания на землю используется как часть способов обнаружения замыканий, включая прерыватели цепи или розетки и, в частности, к таким миниатюрным прерывателям цепи, определяющим замыкание на землю, и сетевым розеткам, которые наиболее часто применяются в жилых помещениях.
2. Описание прототипа
[02] На фиг. 1 показаны основные признаки известного прерывателя 10 цепи, относящегося к типу выключателя замыкания на землю и приведено схематическое представление пути 11 сетевого тока. Путь линейного тока начинается от сетевой клеммы 13 прерывателя 10 и проходит через съемные контакты 15 и тороидальный датчик 17 тока трансформатора тока на нагрузочную клемму 18, которая соединена с ветвью нагрузки 22, в данном случае представленной двигателем. Механическая "сторона" или участок 16 прерывателя 10 цепи содержит модули 19 теплового и магнитного выключателей, типично биметаллический узел и магнитный отклоняющий узел, соответственно, которые являются компонентами для отключения, т.е., разъединения контактов 15 в условиях перегрузки по току.
[03] Электронная "сторона" или участок 20 прерывателя 10 цепи, определяющего дуговое замыкание, содержит датчик тока в форме трансформатора 17 тока и сопутствующей электроники 21 для оценки событий замыкания на землю. Электроника 21 управляет исполнительным механизмом 23, типично, соленоидом, функцией которого является размыкать разъединяемые контакты 15 и прекращать подачу питания на нагрузку 22.
[04] Возвратный нейтральный путь 24 тока от нагрузки 22 идет от нагрузки 22 на нейтральную клемму 28 через датчик 17 тока трансформатора тока и на нейтральный возвратный провод 26. Следует понимать, что вставной прерыватель нейтрального типа будет иметь контактный зажим, вместо показанного спирального провода, или в дополнение к нему.
[05] Направления тока в силовых проводниках и нейтральных проводниках противоположны, когда проводники проходят через корпус датчика трансформатора 17 тока замыкания на землю. Каждый проводник, по которому течет ток, создает магнитный поток, который соответствует "правилу правой руки", применяемому для определения направления магнитного потока. Когда по двум проводникам течет ток одинаковой величины в противоположных направлениях, магнитный поток одного проводника гасит магнитный поток другого проводника. В этом случае чистая величина магнитного потока равна нулю. Если из прерывателя защиты от замыкания на землю выходит ток, величина которого равна току, возвращающемуся на прерыватель, датчик прерывателя не выдает никаких сигналов. Если в проводах возникает дисбаланс тока, датчик выключателя защиты от замыкания на землю выдает ток, пропорциональный этому дисбалансу тока и, если этот дисбаланс превышает заранее определенный предел, прерыватель защиты от замыкания на землю определяет наличие замыкания на землю и прерывает электрическую цепь.
[06] Известная проблема с датчиками выключателей защиты от замыкания на землю заключается в том, что если проводники в датчике расположены неправильно, неравномерные магнитные поля в узле датчика тока могут привести к возникновению выходного тока с датчика тока, даже если общий ток по проводникам сбалансирован. Результатом является неточность вывода датчика тока, известная как ошибка сдвига нагрузки. Типично такая ошибка компенсируется путем скручивания основных проводников (линейного и нейтрального), когда они проходят через трансформатор тока защиты от замыкания на землю. Предлагалось, например, в патенте США № 3,725,741, выданном Misencik, заменить витую пару основных проводников (линейного и нейтрального) жестким трубчатым наружным проводником, окружающим изолированный гибкий проводник, проходящим сквозь отверстие в трансформаторе тока выключателя защиты от замыкания на землю.
Краткое описание изобретения
[07] Линейный и нейтральный проводники для выключателя, определяющего замыкание на землю, расположены как усовершенствованный жесткий проводник, окружающий и удерживающий изолированный гибкий проводник, когда он проходит через трансформатор измерения тока. Жесткий проводник может иметь такую форму, чтобы создавать управляемое распределение тока в трансформаторе тока для регулирования любого сдвига нагрузки при замыкании на землю и более равномерно распределять магнитное поле в трансформаторе тока. Наоборот, в некоторых аспектах настоящего изобретения при необходимости устройство может создавать намеренный сдвиг нагрузки при замыкании на землю.
[08] Блок определения тока замыкания на землю по настоящему изобретению использует так называемую "псевдо-коаксиальную шину", т.е., жесткий проводник, охватывающий и удерживающий гибкий изолированный проводник, проходящий через сердечник трансформатора тока вместо витых проводов, чтобы лучше контролировать характеристики сдвига нагрузки при замыкании на землю внутри датчика тока замыкания на землю. Аспекты настоящего изобретения можно применять для управления распределением тока на псевдо-коаксиальном проводнике для улучшения выходного сигнала датчика тока. Псевдо-коаксиальная конструкция также облегчает сборку и устраняет необходимость в витых проводах и обеспечивает более целесообразный путь прокладки линейного и нейтрального проводов для получения более подходящих характеристик сдвига нагрузки.
[09] В одном аспекте настоящего изобретения предлагается миниатюрный прерыватель цепи, определяющий замыкание на землю, с путями для линейного тока и нейтрального тока внутри трансформатора тока с отверстием, для определения аномальностей тока при замыкании на землю, содержащий: жесткий проводник, окружающий и удерживающий гибкий проводник; при этом жесткий проводник и гибкий проводник проходят сквозь отверстие в трансформаторе тока определения замыкания на землю внутри миниатюрного прерывателя цепи, при этом жесткий проводник имеет форму, позволяющую управлять плотностью тока и результирующим магнитным потоком внутри сердечника.
[010] В некоторых аспектах настоящего изобретения жесткий проводник соединен с путем тока нейтрального соединения и образует его часть. Альтернативно, жесткий проводник может являться частью линейного соединения, а линия нейтрали может быть соединена через гибкий проводник, охваченный и удерживаемый жестким проводником. Жесткий проводник может быть изготовлен из плоской заготовки, имеющей первую и вторую клеммные полосы и более широкую центральную часть, которая загнута в трубчатую форму для прохождения сквозь трансформатор тока. Жесткий проводник также может иметь интегрированные с ним признаки направления тока для создания повышенного сопротивления току, например, признак электрического сопротивления в жестком проводнике образован уменьшением толщины стенки или сквозным отверстием в сечении по существу трубчатой формы. Также, например, трубчатая форма может быть получена, например, загибом на 180 или 270 градусов между входной и выходной клеммами для управления рисунком распределения тока и магнитного потока.
[011] Другие аспекты настоящего изобретения предлагают усовершенствование устройства выключателя защиты от замыкания на землю, относящегося к типу с дифференциальным трансформатором, такому как миниатюрный прерыватель цепи, определяющему замыкание на землю, и содержащему: трансформатор тока с магнитным сердечником, в котором имеется отверстие; печатную плату с электроникой для обнаружения событий замыкания на землю; первый и второй первичные проводники, проходящие сквозь сердечник; при этом первый первичный проводник является по существу жестким проводником, трубчатая часть которого расположена внутри сердечника, и дополнительно имеющим не трубчатые вторую и третью части, расположенные вне сердечника и проходящие под углами к трубчатой части; при этом одна из второй и третьей частей закреплена на печатной плате; при этом второй первичный проводник является гибким проводом, удерживаемым внутри трубчатой части первого первичного проводника по существу соосно; при этом датчик тока дополнительно содержит вторичную обмотку, содержащую множество витков на сердечнике; размыкающую цепь, реагирующую на обнаруженные сигналы на вторичной обмотке. В некоторых аспектах загнутая центральная часть может не образовывать полностью замкнутую трубу. Другие аспекты настоящего изобретения представляют усовершенствование, заключающееся в том, что жесткий проводник сформирован, из плоской электропроводной детали, имеющей загнутую центральную часть, тем самым образующую трубчатый проводник и плоские клеммные полосы. И вновь, в структуру жесткого проводника могут быть добавлены признаки для создания фигурного потока тока, при этом такие признаки могут включать сквозные отверстия в стенке загнутой центральной части, или участки с уменьшенной толщиной стенки загнутой центральной части. Следует понимать, что в настоящем изобретении жесткий проводник может создавать другие преимущества в прохождении путей тока в прерывателе цепи, например, позволяет отказаться от навесных проводов.
Краткое описание чертежей
[012] Вышеописанные и другие преимущества раскрываемых вариантов настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на чертежи где:
[013] Фиг. 1 - схематическая иллюстрация рабочих частей примерного прерывателя цепи защиты от дугового замыкания или двухфункционального прерывателя цепи.
[014] Фиг. 2 - общий вид изнутри механической части двухфункционального прерывателя цепи по настоящему изобретению.
[015] Фиг. 3 - общий вид электронной части прерывателя цепи по фиг. 2 по настоящему изобретению.
[016] Фиг. 4 - общий вид печатной платы двухфункционального прерывателя цепи, с интегрированным блоком определения дугового замыкания и замыкания на землю по настоящему изобретению, использующей один трансформатор тока определения замыкания на землю.
[017] Фиг. 5-25 - разные альтернативные варианты жесткого проводника.
Подробное описание
[018] Прежде всего, следует понимать, что разработка реального коммерческого решения, в котором используются аспекты описываемых вариантов потребует принятия конкретных решений, специфичных для этого варианта для достижения окончательной цели, стоящей перед разработчиком, для создания коммерческого решения. Такие решения, специфичные для конкретного варианта, могут включать, вероятно, помимо прочего, согласования с соответствующими системой, бизнесом, нормативными требованиями и другими ограничивающими условиями, которые могут быть разными для разных вариантов, местоположений и меняться со временем. Хотя в абсолютном смысле усилия разработчика могут быть сложными и требовать затрат времени, такие усилия, тем не менее являются рутинным занятием для специалистов, использующих преимущества настоящего изобретения.
[019] Также следует понимать, что описанные и показанные варианты могут принимать различные и многочисленные формы и в них можно вносить различные и многочисленные изменения. Поэтому использование терминов в единственном числе не ограничивает количества объектов. Аналогично, относительные термины, такие, как, помимо прочего, "верх", "низ", "левый", "правый", "верхний", "нижний"," вниз", "вверх", "сторона" и т.п., использованные в письменном описании, приведены для пояснения в конкретных ссылках на чертежи и не ограничивают объем настоящего изобретения
[020] Слова, определяющие относительные величины, такие как "приблизительно", "по существу" и т.п., используются в настоящем описании в смысле "при, или почти при", с учетом производственных, конструктивных допусков и допусков на материалы, действующих в данных обстоятельствах" и используются для того, чтобы воспрепятствовать недобросовестному нарушителю патентных прав несправедливо воспользоваться преимуществами изобретения, когда указаны точные или абсолютные цифры и оперативные или конструктивные соотношения описаны в качестве помощи для понимания изобретения.
[021] Специалист в данной отрасли поймет, что хорошо известные компоненты электронного миниатюрного прерывателя цепи, не являющиеся необходимыми для представления настоящего изобретения, подробно не описываются, но подразумевается, что они присутствуют в функционировании выключателя цепи, как кратко описано выше. Хотя настоящее изобретение описывается в контексте миниатюрного прерывателя цепи, специалистам должно быть понятно, что изобретение применимо к множеству устройств определения замыкания на землю, таким как другие формы устройств выключателя цепи, розетки или системы мониторинга.
[022] На фиг. 2 показана "механическая часть", т.е., участок, частично собранного прерывателя 30 цепи, определяющего дуговое замыкание, по некоторым аспектам настоящего изобретения. Термины "часть" и "участок" применяются в настоящем описании, чтобы передать смысл функциональной группировки, которая может существовать или не существовать как дискретные физические компоновки в конструкции прерывателя. Далее, в описании могут использоваться некоторые общие ссылочные позиции на фиг. 1 и остальных чертежах, если функциональность компонентов на этих чертежах по существу одинакова. Путь линейного (силового) тока начинается на сетевой клемме 13 прерывателя 30 и проходит через размыкаемые контакты 15 на подвижный контактный рычаг 74 и проходит посредством провода 72 через участки механического размыкания ярма 74, пластину 78 защелки и биметаллический элемент 76, который создает механическое размыкание, отсоединяя пластину 78 защелки от размыкающего рычага 80. Затем путь тока проходит через трансформатор 34 тока выключателя защиты от замыкания на землю, как будет описано ниже, до выхода на клемму 18 нагрузки, которая соединена проводом с нагрузочной ветвью 22 (фиг. 1).
[23] На фиг. 3 показана электронная "часть" или участок 31, прерывателя 30 цепи, определяющего дуговое замыкание, содержащая датчик 34 тока трансформатора тока и сопутствующую электронику 52, смонтированную на плате 50 для оценки событий дугового замыкания и замыкания на землю. Электроника 52 управляет соленоидным исполнительным механизмом 53, функцией которого является перемещение пластины 78 защелки от размыкающего рычага 80 для размыкания разделяемых контактов 15 и снятие питания с нагрузки (не показана). Путь возвратного (нейтрального) тока от нагрузки проходит от нейтральной возвратной клеммы 28, которая является вторым концом жесткого проводника 36, через трансформатор 34 тока датчика тока, как описано ниже, и на нейтральный возвратный (спиральный) провод 26 и гнездовой нейтральный зажим 82, оба из которых показаны здесь для пояснения.
[024] Как показано на фиг. 4, как понимается в данной отрасли, трансформатор 34 тока содержит тороидальный сердечник с обмоткой, заключенный в кожух. Сквозь отверстие 40 тороидального сердечника трансформатора пропущен жесткий проводник 36, окружающий и удерживающий изолированный гибкий проводник 38, т.е., провод, размещенный здесь для пропускания сетевого линейного тока через прерыватель цепи и заканчивающийся на нагрузочной клемме 18 (показана штриховыми линиями) для соединения с линией ветви нагрузки. Такая конструкция создает так называемый "псевдо-коаксиальный проводник" для устройства определения тока замыкания на землю по настоящему изобретению. Жесткий проводник 36 соединен с нейтральным возвратным проводом 26, иногда именуемым спиральным, на первом конце 42 жесткого проводника 36 в качестве части пути нейтрального тока, проходящего через прерыватель 30 цепи. Второй конец 44 жесткого проводника 36 сформирован как нейтральная клемма 28 прерывателя цепи для соединения с нейтральной линией ветви нагрузки 22 (фиг. 1)
[025] Жесткий проводник закреплен, например, пайкой, на печатной плате 50 наряду с разными другими электронными компонентами, совместно обозначенными позицией 52, необходимыми для выполнения функций прерывания прерывателя 30. Выводы могут быть встроены в печатную плату 50 и контактировать с жестким проводником 36 там, где он припаян к плате, например, на одном из ее штырьков 57 (фиг. 24), подлежащем соединению для создания путей тока, необходимых для работы прерывателя без чрезмерного использования навесных монтажных проводов.
[026] На фиг. 5 показан первый альтернативный вариант 110 жесткого проводника, который вставлен в трубчатое отверстие в центре трансформатора тока и позволяет второму гибкому проводнику (38, фиг. 4) проходить сквозь центральную трубчатую часть 111 жесткого проводника 110.
[027] На фиг. 6 и 7 показан поток 114 тока по жесткому проводнику 110. На фиг. 7 показан плоский рисунок проводника 110 до закручивания центральной трубчатой части 111 для создания трубки. Рисунок отверстий, совместно обозначенных позицией 112, на каждом конце трубчатой части 111, перенаправляет поток тока через центральную область 113 тела для равномерного распределения линий 114 потока тока по всей ширине, что позволяет получить управляемую плотность тока и, по существу, параллельное направление потока тока. Хорошо управляемые плотность и направление создают хороший рисунок магнитного потока 115 для минимальной ошибки сдвига нагрузки. Эта управляемая область 113 жесткого проводника 110 во время работы будет находиться в центре трансформатора 34 тока GFI (фиг. 4).
[028] Задачей этой конструкции является создание параллельных путей потока тока для получения хорошо ориентированного рисунка магнитного потока для смещения рисунка магнитного потока провода гибкого проводника внутри жесткого проводника, чтобы полученный магнитный поток находился на одной линии с сердечником и обмоткой сердечника. Путь тока в гибком проводнике (не показан), заключенном в жесткий проводник создает линии магнитного потока в направлении, прямо противоположном пути тока в жестком проводнике.
[029] На фиг. 8 показана базовая конструкция второй альтернативы 118 жесткого проводника, в которой в не проколотой широкой центральной части 119 плоской заготовки проводника боковые кромки просто загнуты в трубку со скручиванием в ноль градусов. Однако было обнаружено, что путь тока в этом базовом варианте весьма неравномерен и в основном сконцентрирован на прямой линии между концами.
[030] На фиг. 9 показан третий альтернативный вариант 120 жесткого проводника с загнутой в ноль градусов центральной честью 121, как и в варианте, показанном на фиг. 8, но с пазом 122, вырезанном трубчатой средне части 121, который перенаправляет поток 123 тока на внешние кромки трубки. Такая конструкция дает лучшие рисунки магнитного потока, чем альтернатива по фиг. 8.
[031] На фиг. 10 показан четвертый альтернативный вариант 126 жесткого проводника, в котором используются три паза 127, а не один паз 122 как на фиг. 9. Эти дополнительные пазы 127 перенаправляют путь 128 тока для другого распределения тока, если это требуется.
[032] На фиг. 11 показан пятый альтернативный вариант 130 жесткого проводника. На фиг. 12 показана плоская конфигурация жесткого проводника по фиг. 11, иллюстрирующая общий путь 134 тока и рисунок 135 магнитного потока Концы 131, 132 жесткого проводника 130 развернуты на 180 градусов относительно друг друга, поскольку средняя часть 133 закручена на половину оборота при формовании из плоской конфигурации (фиг. 12) в трубчатую (фиг. 11). Было обнаружено, что этот вариант перенаправляет поток тока для получения хорошего распределения плотности и рисунка 135 магнитного потока по центральной части.
[033] На фиг. 13 и 14 показан пятый иллюстративный вариант 137 жесткого проводника. Плоские концы 138, 139 не смещены поскольку центральная трубчатая часть 140 сформирована с загибанием на 0 градусов, т.е., без закручивания. Области 141 стенки с уменьшенным сечением на каждом конце трубчатого центра 140 жесткого проводника являются альтернативами отверстиям, показанным на фиг. 5, 9 и 10. Эти секции 141 с уменьшенным сечением создают сопротивление потоку тока и заставляют ток искать более широкий путь, как показано линиями 142 тока на фиг. 14.
[034] На фиг. 15 и 16 показан шестой альтернативный вариант 145 жесткого проводника, подобный пятой альтернативе, но с секциями 146 уменьшенного сечения, имеющими форму для создания разного сопротивления в центре 147 трубчатого тела 148 относительно внешних областей 149. Величина сопротивления меняется, чтобы равномерно распределить поток тока по центральной части 147 жесткого проводника. Поскольку ток выбирает путь с наименьшим сопротивлением, сопротивление меняется так, чтобы быть наибольшим в центре 147 и наименьшим на внешних областях 149 для хорошего распределения тока и магнитного потока 150.
[035] На фиг. 17 и 18 показан седьмой альтернативный вариант 152 жесткого проводника. Концевые язычки 153, 154 жесткого проводника развернуты на 360 градусов относительно друг друга, поскольку средняя часть 157 при формировании из плоской формы (фиг. 18) в трубчатую (фиг. 17), закручена на полный оборот. Это перенаправляет поток 155 тока для хорошего распределения плотности по всей этой части. Стрелки 156 показывают общее направление магнитного потока, который проходит под углом к нормали к центральной оси проводника в целом.
[036] Нафиг 19 и 20 показан восьмой альтернативный вариант 158 жесткого проводника. Концевые язычки, т.е., клеммы 159, 160 жесткого проводника развернуты на 270 градусов относительно друг друга, поскольку средняя часть 163 закручена на три четверти оборота во время формования из плоской формы (фиг. 20) в трубчатую (фиг. 19). Стрелки 162 показывают общее направление магнитного потока, который проходит под углом к нормали к центральной оси проводника в целом.
[037] На фиг. 21 и 22 показан девятый альтернативный вариант 166 жесткого проводника. Первый конец 167 центральной области 169 имеет резистивную область 179, сформированную уменьшенной площадью сечения. Первый конец 167 заставляет большую часть тока 171 обходить внешние кромки кармана 170 по внешним кромкам центральной секции 169. После прохождения кармана 170, ток 171 может свободно двигаться диагонально внутрь через центральную секцию 169 и вновь сходится у противоположного конца 168 центральной секции 169 для получения измененных путей распределения тока 171 и магнитного потока 172 по длине жесткого проводника 166. Такая конструкция приводит к другому выходному магнитному потоку в таком жестком проводнике и охваченным им гибким проводником, что дает другую дисперсию магнитного потока для намеренного создания тока и последующего выходного сдвига нагрузки в обмотке датчика трансформатора тока.
[038] На фиг. 23, 24 и 25 показаны три возможных варианта 36а, 36b и 36с жесткого проводника 36, согнутого, как если бы он был собран в псевдо-коаксиальный проводник, проходящий сквозь трансформатор тока выключателя защиты от замыкания на землю. Как стало понятно из вышеприведенного описания, каждый жесткий проводник 36а, 36b, 36с может начинаться как плоская пластинчатая деталь, которая штампуется закручивается и загибается в процессе изготовления жесткого проводника пакета псевдо-коаксиального датчика. В каждом варианте первый конец 42 жесткого проводника 36 загнут для формирования трубчатой точки соединения 60 в форме открытого цилиндра для пропускания гибкого провода в прерывателе. Хотя в вышеприведенном описании указано, что по жесткому проводнику течет нейтральный ток, следует понимать, что по жесткому проводнику 36 в других вариантах точно так же может течь линейный ток. Центральная трубчатая часть 62, не замкнутая во всех трех вариантах, сформирована путем загибания более широкой центральной части пластины. Центральная трубчатая часть 62 на фиг. 23 загнута и/или скручена на 180 градусов. Центральная трубчатая часть 62 на фиг. 24 загнута и/иди скручена на 90 градусов, а центральная трубчатая часть 62 на фиг. 25 имеет так называемую "закрутку на ноль градусов", когда кромки центральной пластины просто повернуты вверх в направлении друг друга без закрутки относительно оси исходной пластины. центральная часть 62 на фиг. 25 далее имеет признак 64, добавляющий сопротивление потоку тока и отштампованный в центральной части как участок стенки уменьшенной толщины.
[039] Для оптимизации характеристик сдвига нагрузки и обнаружения фазового тока, а также оптимизации падения напряжения при обеих типичных частотах 50 и 60 Гц, и при более высоких частотных сигнатурах во время дуговых замыканий можно использовать множество вариантов концепции псевдо-коаксиального проводника, используя разные геометрии, к некоторым примерам относятся форма, длина, толщина материала коаксиального проводника и т.д.
[040] Жесткий проводник в сочетании с проводниками печатной платы далее можно использовать для замены отдельных проводных соединений с модулем. Например, вход питания и тестовый вход могут быть реализованы с помощью жесткого проводника, а не с помощью навесных проводов. Следует также понимать, что тело жесткого проводника можно изолировать, чтобы уменьшить диэлектрические проблемы с окружающими компонентами. Аналогично, следует понимать, что жесткий проводник 36 в псевдо-коаксиальной конструкции может подключаться либо через линейный (горячий) провод, либо через нейтральный возвратный провод.
[041] Хотя выше были описаны и проиллюстрированы конкретные аспекты, варианты и способы применения настоящего изобретения, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается описанными точными конструкциями и составами, и из вышеприведенного описания в них могут быть внесены различные изменения, замены и вариации, не выходя за пределы объема изобретения, определяемого приложенной формулой.