ИНТЕГРИРОВАННЫЙ БЛОК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА ДУГОВОГО ЗАМЫКАНИЯ И ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
INTEGRATED UNIT FOR DETERMINATION OF ARC AND EARTH FAULT CURRENT

1. Область изобретения
[01] Настоящее изобретение относится к двухфункциональным прерывателям цепи (дуговое замыкание и замыкание на землю) или прерывателям дугового замыкания, в которых выполняется определение замыкания на землю как часть способов определения замыкания, совместно именуемым далее как прерыватели или выключатели, "определяющие дуговое замыкание" и, в частности, к таким миниатюрным прерывателям, определяющим дуговое замыкание, и розеткам, которые наиболее часто применяются в жилых помещениях.
2. Описание уровня техники
[02] На фиг. 1 показаны основные признаки известного прерывателя 10 цепи, относящегося к типу прерывателя замыкания на землю и приведено схематическое представление пути 1 линейного 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, а не показанный спиральный провод.
[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 замыкания на землю не выдает никаких сигналов. Если в проводах возникает дисбаланс тока, датчик прерывателя 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 электрический ток.
[06] Известная проблема с датчиками прерывателей 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 прерывателя защиты от замыкания на землю.
[07] Двухфункциональный прерыватель цепи выполняет и функцию защиты от замыкания на землю, и функцию защиты от дугового замыкания. Поэтому в известные устройства типично добавляют другой трансформатор тока (не показан) для измерения аномалий тока, указывающих на событие замыкания. Один из первичных проводников тока, т.е. линейный провод или провод нейтрального тока, проводят через оба трансформатора тока, замыкания на землю и дугового замыкания, а другой провод проводят только через датчик замыкания на землю. Разумеется, имеющееся пространство для установки трансформаторов тока и прокладки проводов в миниатюрном прерывателе довольно ограничено. Согласно предшествующему уровню техники также предлагалось измерять падение напряжения на уже присутствующем проводнике для обнаружения аномальностей тока при дуговом замыкании. В патенте США № 6,232,857, выданном Mason Jr и др., предлагается использовать биметаллический элемент теплового резистивного выключателя в прерывателе цепи выключателя дуговой защиты для обнаружения таких токов дугового замыкания.
Краткое описание изобретения
[08] Линейный и нейтральный проводники для миниатюрного прерывателя защиты от дугового замыкания расположены как усовершенствованный жесткий проводник, окружающий и удерживающий изолированный гибкий проводник, когда он проходит через трансформатор тока прерывателя защиты от замыкания на землю.
[09] Интегрированный блок определения тока дугового замыкания и замыкания на землю 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 внутри датчика тока заземления на землю. Аспекты настоящего изобретения можно применять для определения потребления линейного тока посредством падения напряжения на псевдо-коаксиальной шине для обнаружения дуговых замыканий в системе. Интегрирование измерения линейного тока с псевдо-коаксиальной шиной позволяет эффективно разместить датчик линейного тока в пространстве, также используемом для обнаружения замыкания на землю, тем самым устраняя необходимость в трансформаторе тока дугового замыкания. Псевдо-коаксиальная компоновка также создает более уместный путь прокладки линейного и нейтрального проводов для получения более сообразного поведения сдвига нагрузки, в то же время устраняя необходимость в узле витого провода.
[010] В одном аспекте настоящего изобретения предлагается миниатюрный двухфункциональный прерыватель (дуговая защита и защита от замыкания на землю) с путями для линейного тока и нейтрального тока и трансформатором 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; и вольтметр, измеряющий падение напряжения на жестком проводнике и передающий результаты измерения падения напряжения на детектор дугового замыкания.
[011] 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 жестким проводником. Жесткому проводнику также могут быть приданы функции создания повышенного сопротивления току, например, электрическое сопротивление в жестком проводнике создается уменьшенной толщиной стенки в сечении имеющей по существу трубчатую форму.
[012] Другие аспекты настоящего изобретения предлагают усовершенствование устройства прерывателя защиты от замыкания на землю, относящегося к типу дуговой защиты, содержащему трансформатор тока с магнитным сердечником, в котором имеется отверстие; печатную плату с электроникой для определения событий замыкания на землю; первый и второй первичные проводники, проходящие сквозь сердечник; при том первый первичный проводник является по существу жестким проводником, трубчатая часть которого расположена внутри сердечника и 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; и вольтметр, включенный параллельно по существу жесткому проводнику для обнаружения токов дугового замыкания. В некоторых аспектах в миниатюрном прерывателе один из проводов вольтметра может быть прикреплен к печатной плате. В других аспектах трубчатая часть жесткого проводника может не образовывать полностью замкнутую трубу.
Краткое описание чертежей
[013] Вышеописанные и другие преимущества раскрываемых вариантов настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на чертежи где:
[014] Фиг. 1 - схематическая иллюстрация рабочих частей известного прерывателя защиты от дугового замыкания.
[015] Фиг. 2 - вид изнутри механической части известного прерывателя защиты от дугового замыкания.
[016] Фиг. 3 - разнесенный вид электронной части прерывателя по фиг. 2 по настоящему изобретению.
[017] 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.
[018] Фиг. 5А, 5В и 5С - иллюстративные варианты жесткого проводника, используемого для сборки псевдо-коаксиальных проводников, проходящих сквозь трансформатор тока прерывателя защиты от замыкания на землю.
Подробное описание
[019] 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.
[020] 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
[021] 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.
[022] Средний специалист в данной отрасли поймет, что хорошо известные компоненты электронного миниатюрного прерывателя, не являющиеся необходимыми для представления настоящего изобретения, подробно не описываются, но подразумевается, что они присутствуют в функционировании прерывателя, как кратко описано выше. Хотя настоящее изобретение описывается в контексте миниатюрного прерывателя, специалистам должно быть понятно, что изобретение применимо и к другим формам прерывателей с цепью определения дугового замыкания, таким как розетки или системы мониторинга.
[023] 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 линейной 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 и биметаллический элемент 76, которые вызывают механическое размыкание, отсоединяя пластину 78 защелки ярма 74 от размыкающего рычага 80. Затем путь тока проходит через трансформатор 34 тока прерывателя защиты от замыкания на землю, как будет описано ниже, до выхода на клемму 18 нагрузки, которая соединена проводом с нагрузочной ветвью 22 (фиг. 1).
[24] 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 (фиг. 2) 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.
[025] На фиг. 4 приведен общий вид печатной платы 50 прерывателя цепи, определяющего дуговое замыкание, с интегрированным блоком 32 определения дугового замыкания и замыкания на землю, использующим один трансформатор 34 тока защиты от замыкания на землю, выступающий в роли датчика тока. Как понимается в данной области, трансформатор 34 тока содержит тороидальный сердечник с обмоткой внутри корпуса. Как показано на фиг. 4 и фиг. 5А-5С, сквозь отверстие 40 тороидального сердечника трансформатора проходит жесткий проводник 36, окружающий и удерживающий изолированный гибкий проводник 38, т.е. провод, расположенный здесь для проведения линейного тока через прерыватель, и заканчивающийся на нагрузочной клемме 18 для соединения с линией ветви нагрузки. Такая конструкция создает так называемый "псевдо-коаксиальный проводник" для использования в интегрированном блоке 32 определения тока дугового замыкания и замыкания на землю по настоящему изобретению, который содержит датчик 34 тока, жесткий проводник 36, вольтметр 54 и сопутствующую электронику 52. Жесткий проводник 36 соединен с нейтральным возвратным проводом 26, иногда называемым спиральным, на первом конце 42 жесткого проводника как часть пути нейтрального тока через прерыватель 30 цепи. Второй конец 44 жесткого проводника 36 сформирован как нейтральная клемма 28 прерывателя 10 цепи для соединения с нейтральной линией ветви нагрузки (не показана).
[026] 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 50. В число этих электронных компонентов входит вольтметр 54 (фиг. 4), выводы которого 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. 5В), для соединения параллельно первому концу 42 и второму концу 44 жесткого проводника 36 для обеспечения функциональности, необходимой для обнаружения быстрого изменения напряжения и тока в жестком проводнике 36, указывающих на событие возникновения токов дуги. Такая конструкция, таким образом, может устранить необходимость во втором трансформаторе тока для обнаружения дугового замыкания, которые обычно имеются в известных миниатюрных двухфункциональных прерывателях.
[027] На фиг 5А, 5В и 5С показаны три варианта 36а, 36b и 37с жесткого соединителя 36, используемого для сборки псевдо-соосных проводников, проходящих через трансформатор тока прерывателя защиты замыкания на землю. Каждый жесткий проводник 36а, 36b и 37с может начинаться как плоская пластинчатая часть отштампованная, согнутая и изогнутая в процессе создания жесткого проводника блока 32 псевдо-коаксиального датчика. В каждом варианте первый конец 42 жесткого проводника 36 согнут для формирования открытого цилиндра соединительной точки 60 для гибкого провода внутри прерывателя. Хотя в настоящем описании этот провод описан как несущий нейтральный ток, следует понимать, что жесткий проводник 36 может в других конструкция точно также может быть предназначен для линейного тока. Центральная трубчатая часть 62, в данном случая во всех трех вариантах не замкнутая, сформирована путем загибания более широкой центральной части пластины. Центральная часть на фиг. 5А загнута и/или закручена на 180°. Центральная часть на фиг. 5В загнута и/или закручена на 90°, а центральная часть на фиг. 5С имеет так называемую закрутку на ноль градусов, при которой кромки центральной пластины просто повернуты друг к другу баз закрутки относительно оси исходной пластины. Центральная часть по фиг. 5С дополнительно имеет признак 64 для добавления сопротивления току, который отштампован в центральной части как участок стенки уменьшенной толщины.
[028] Для оптимизации характеристик сдвига нагрузки и обнаружения линейного 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.
[29] Жесткий проводник в сочетании с проводниками печатной платы дополнительно можно использовать для замены отдельных проводных соединений с модулем. Например, вход питания и тестовый (PTT, push-to-test) вход могут быть реализованы с помощью жесткого проводника, а не с помощью проводов-перемычек. 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 провод.
[030] 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.