故障安全接地故障断路器的制作方法与工艺

本发明一般地涉及断路器，更具体地说，本发明涉及接地故障断路器。

背景技术：
接地故障断路器(GFCI)保护产品已在1960年代末推出。此保护受UL标准UL943的规管并且显著减少了每年触电死亡的数量。之前的研究显示，某些过期使用的GFCI已经失效。该研究开启了对UL943标准变更的调查，要求GFCI设备进行自监控(例如，自评估、自测试)，以一种或另一种方式警告用户保护失效(例如，指示故障)或使自己退出服务(例如，跳闸)，所有这些活动均不会干扰主要的触电保护功能。自早期开发以来，接地故障保护一直由模拟电路提供。许多GFCI制造商开始转向数字技术(例如，微处理器)以同时提供接地故障保护和自监控功能。微处理器具有一些引人关注的重要特征。在供电以及在首次供电时执行初始化之前，微处理器最初无法提供任何保护。微处理器操作由设计的编码化操作集控制，这种编码操作集通常非常复杂，不能正确地执行这些操作会导致无法提供所需保护。UL意识到这点并要求提供保护的产品满足UL标准UL1998的可靠度及故障模式分析要求。NEMA“GFCIAuto-MonitoringProposal(GFCI自动监控提案)”(第6.27.2条(Section6.27.2))要求在声称符合特定要求的任何产品上自动监控特定的故障模式。为了判定是否遵守有关自动监控功能的条款，需要修改个别GFCI以表示那些可导致GFCI无法根据此标准对接地故障做出响应的单一组件故障模式。无需考虑焊接电源接触。除非6.27.3中指出，否则每个样品都应该使用表示开路组件或短路组件(除非另外指定)的单个修改来改变，下面将在涉及GFCI功能的故障模式中对此作出描述：a)改变接地故障感测组件(电流互感器)。b)通过制造商选择的下列修改之一改变负责接地故障检测的集成电路：1.断开IC的电源引脚连接。2.禁用“时钟”电路。3.断开主IC引脚处的信号路径。4.使信号路径引脚一次与一个邻近引脚发生短路c)改变接地故障检测电路电源的限流器(例如，降压电阻器)。d)断开跳闸螺线管的电路。请参阅6.27.7。例外：希望针对d)项使用GFCI电路断路器类型。e)断开提供跳闸螺线管的开关半导体。请参阅6.27.7。例外：希望针对e)项使用GFCI电路断路器类型。f)使提供跳闸螺线管的开关半导体发生短路。g)改变接地故障检测电源电路中的单个整流二极管。第6.27.3条规定：如果根据电路的工程分析，满足以下一项或多项标准，则无需测试第6.27.2条中的某些故障模式。该工程分析必须是有关的各方都接受的。a)故障模式不干扰GFCI对线对地故障做出响应的功能。b)故障模式导致自动符合5.16.4，无需自动监控功能帮助。第5.16.4条规定：针对问题的自动监控测试检测结果应该是以下一项或多项：a)断电(跳闸且无法复位)，b)跳闸但可以复位，受制于下一自动监控测试周期或重复跳闸，以及c)可视和/或可听指示，6.27.7允许作为a)或b)的备用。第6.27.7条规定：作为满足6.27.5-6.27.6中所述需求的备用，6.27.2中参考6.27.7的故障模式可以符合下面所列的要求。需进行故障模式仿真的代表性GFCI将正确连接到额定线电压并允许实现稳定。需要执行手动操作的监控测试，之后操作复位按钮。在满足以下条件之一的情况下，每个代表性GFCI都应被视为满足第6.26款的要求。a)GFCI以可视或可听的方式指示它是否未中断到所有负载的电路。b)GFCI中断到所有负载的电路或者不允许在每次复位时将电力施加到任何负载。存在改进诸如接地故障断路器之类的电气开关装置的空间。

技术实现要素：
这些以及其它需求通过本发明的实施例满足，本发明利用模拟电路同时提供自监控和接地故障保护。根据本发明的一方面，一种故障安全接地故障断路器包括：可分离接触件；操作机构，其被构造为断开和闭合所述可分离接触件；以及接地故障跳闸电路，其包括具有电源输入端的模拟接地故障电路，以及以下一定数量的项：(a)接地故障感测电流互感器，与所述接地故障感测电流互感器串联电连接的第一电阻器，与所述第一电阻器和所述接地故障感测电流互感器的串联组合并联电连接的电容器，以及电连接在所述模拟接地故障电路的电源输入端与位于所述第一电阻器与所述电容器之间的公共连接点之间的第二电阻器，(b)与所述操作机构协作并被构造为使所述可分离接触件跳闸断开的跳闸致动器，以及包括与所述模拟接地故障电路的所述电源输入端电互连的阴极以及与所述跳闸致动器电互连的阳极的齐纳二极管，(c)与所述操作机构协作并被构造为使所述可分离接触件跳闸断开的跳闸螺线管，双向发光二极管，以及与所述双向发光二极管串联的电阻器，所述电阻器与所述双向发光二极管的串联组合与所述跳闸螺线管并联电连接，以及(d)与所述操作机构协作并被构造为使所述可分离接触件跳闸断开的第一可控硅整流器，以及与所述操作机构协作并被构造为使所述可分离接触件跳闸断开的第二可控硅整流器，所述第二可控硅整流器与所述第一可控硅整流器并联，其中所述接地故障跳闸电路被构造为与所述操作机构协作并响应于接地故障跳闸状况和以下一定数量的项的状况而使所述可分离接触件跳闸断开：(a)所述接地故障感测电流互感器的开路故障，(b)所述模拟接地故障电路的所述电源输入端的开路故障，(c)所述跳闸螺线管的开路故障，以及(d)一定数量的所述第一可控硅整流器和所述第二可控硅整流器的开路故障或闭路故障。所述接地故障跳闸电路可以进一步包括与第二电阻器并联的第一电阻器，最近这样的第一电阻器和最近这样的第二电阻器的并联组合电连接在电源与所述模拟接地故障电路的所述电源输入端之间。所述接地故障跳闸电路可被构造为与所述操作机构协作并响应于所述接地故障跳闸状况和所述一定数量的所述第一可控硅整流器和所述第二可控硅整流器的开路故障而使所述可分离接触件跳闸断开。所述接地故障跳闸电路可被构造为与所述操作机构协作并响应于所述接地故障跳闸状况和所述一定数量的所述第一可控硅整流器和所述第二可控硅整流器的所述闭路故障而使所述可分离接触件跳闸断开。所述模拟接地故障电路可以进一步具有电压反馈输入端；以及所述接地故障跳闸电路可被构造为与所述操作机构协作并响应于所述接地故障跳闸状况和所述电压反馈输入端的开路故障而使所述可分离接触件跳闸断开。所述模拟接地故障电路可以进一步具有运算放大器输出端；所述接地故障跳闸电路可以包括具有次级绕组的电流互感器，与所述次级绕组并联电连接的第一电容器，以及第二电容器；其中所述第二电容器可以电连接在所述运算放大器输出端与位于所述第一电容器与所述第二电容器之间的公共连接点之间；以及所述接地故障跳闸电路可被构造为与所述操作机构协作并在流过所述电流互感器的差动接地故障电流大于约1mA的情况下，响应于所述接地故障跳闸状况和所述运算放大器输出端的开路故障而使所述可分离接触件跳闸断开。作为本发明的另一方面，一种故障安全接地故障断路器包括：可分离接触件；操作机构，其被构造为断开和闭合所述可分离接触件；接地故障跳闸电路，其包括具有电源输入端的模拟接地故障电路，以及以下多项：(a)接地故障感测电流互感器，与所述接地故障感测电流互感器串联电连接的第一电阻器，与所述第一电阻器和所述接地故障感测电流互感器的串联组合并联电连接的电容器，以及电连接在所述模拟接地故障电路的电源输入端与位于所述第一电阻器与所述电容器之间的公共连接点之间的第二电阻器，(b)与所述操作机构协作并被构造为使所述可分离接触件跳闸断开的跳闸致动器，以及包括与所述模拟接地故障电路的所述电源输入端电互连的阴极以及与所述跳闸致动器电互连的阳极的齐纳二极管，(c)与所述操作机构协作并被构造为使所述可分离接触件跳闸断开的跳闸螺线管，双向发光二极管，以及与所述双向发光二极管串联的电阻器，所述电阻器与所述双向发光二极管的串联组合与所述跳闸螺线管并联电连接，以及(d)与所述操作机构协作并被构造为使所述可分离接触件跳闸断开的第一可控硅整流器，以及与所述操作机构协作并被构造为使所述可分离接触件跳闸断开的第二可控硅整流器，所述第二可控硅整流器与所述第一可控硅整流器并联，其中所述接地故障跳闸电路被构造为与所述操作机构协作并响应于接地故障跳闸状况和以下多项状况而使所述可分离接触件跳闸断开：(a)所述接地故障感测电流互感器的开路故障，(b)所述模拟接地故障电路的所述电源输入端的开路故障，(c)所述跳闸螺线管的开路故障，以及(d)一定数量的所述第一可控硅整流器和所述第二可控硅整流器的开路故障或闭路故障。附图说明当结合附图阅读下面对优选实施例的描述时，可以全面地理解本发明，其中：图1是根据本发明的实施例的接地故障断路器的框图。图2是图1中的接地故障断路器的接地故障跳闸电路的示意性框图。具体实施方式如在此使用的那样，术语“数量”应该表示1或大于1的整数(即，多个)。如在此使用的那样，陈述两个或更多个部件“连接”或“耦合”在一起应该表示这些部件直接连接或者通过一个或多个中间部件连接在一起。进一步地，如在此使用的那样，陈述两个或更多个部件“附着”应该表示这些部件直接连接在一起。本发明结合模拟接地故障集成电路进行描述，尽管本发明可应用于大范围的不同模拟接地故障电路。现在参考图1，故障安全接地故障断路器(GFCI)2包括可分离接触件4、被构造为断开和闭合可分离接触件4的操作机构6，以及接地故障跳闸电路8。接地故障跳闸电路8包括模拟接地故障电路，例如具有电源输入端(+Vs)12的模拟接地故障集成电路实例10，以及以下电路14、26、36、44中的一种、多种或全部。第一电路14包括接地故障感测电流互感器16(T1)，与接地故障感测电流互感器16进行串联电连接的第一电阻器18，与第一电阻器18和接地故障感测电流互感器16的串联组合进行并联电连接的电容器20，以及电连接在模拟接地故障集成电路10的电源输入端12与位于第一电阻器18和电容器20之间的公共连接点24之间的第二电阻器22。第二电路26包括与操作机构6协作并被构造为使可分离接触件4跳闸断开的跳闸致动器28，以及包括与模拟接地故障集成电路10的电源输入端12进行电互连的阴极32以及与跳闸致动器28进行电互连的阳极34的齐纳二极管30。第三电路36包括与操作机构6协作并被构造为使可分离接触件4跳闸断开的跳闸螺线管38，双向发光二极管40，以及与双向发光二极管40进行串联的电阻器42，电阻器42与双向发光二极管42的串联组合与跳闸螺线管38进行并联电连接。第四电路44包括与操作机构6协作并被构造为使可分离接触件4跳闸断开的第一可控硅整流器(SCR)46，以及与操作机构6协作并被构造为使可分离接触件4跳闸断开的第二SCR48，第二SCR48与第一SCR46进行并联。接地故障跳闸电路8被构造为与操作机构6协作并响应于接地故障跳闸状况和以下一定数量的项的状况而使可分离接触件4跳闸断开：(a)接地故障感测电流互感器16的开路故障，(b)模拟接地故障集成电路10的电源输入端12的开路故障，(c)跳闸螺线管38的开路故障，以及(d)一定数量的第一SCR46和第二SCR48的开路故障或闭路故障。作为非限制性实例，模拟接地故障集成电路实例10为RV4145IC，这是FairchildSemiconductorCorporationofSanJose,California(位于加州圣何塞的FairchildSemiconductorCorporation)推出的Fairchild低功率接地故障断路器。如图所示，接地故障跳闸电路实例8包括与另一电阻器52进行并联的电阻器50，这些电阻器50、52的并联组合电连接在GFCI电源54与模拟接地故障集成电路10的电源输入端12之间。如果电阻器50、52之一发生故障，将有足够的电流到达电源输入端12。模拟接地故障集成电路实例10进一步具有电压反馈输入端(VFB)56并被构造为与操作机构6协作并响应于接地故障跳闸状况和电压反馈输入端56的开路故障而使可分离接触件4跳闸断开。模拟接地故障集成电路实例10进一步具有运算放大器输出端58(OpAmp输出端)。接地故障跳闸电路实例8进一步包括具有次级绕组62的电流互感器60，与次级绕组62进行并联电连接的第一电容器64，以及第二电容器66。第二电容器66电连接在运算放大器输出端58与位于电容器64、66之间的公共连接点68之间。接地故障跳闸电路8被构造为与操作机构6协作并在流过电流互感器60的差动接地故障电流大于约1mA的情况下，响应于接地故障跳闸状况和运算放大器输出端58的开路故障而使可分离接触件4跳闸断开。来自电流互感器16、60的信号与电压反馈(VFB)输入端56进行耦合。相应放大器的增益通过设定跳闸电平的反馈电阻器设定。接地故障跳闸电路8被构造为与操作机构6协作并响应于接地故障跳闸状况和第一SCR46和/或第二SCR48的开路故障或闭路故障而使可分离接触件4跳闸断开。接地故障感测电流互感器16(T1)的开路由两个电阻器18、22(例如但不限于510kΩ；任何适当的值)、电容器20(例如但不限于0.1uF；任何适当的值)以及跨电容器72的二极管70进行感测。这是安全故障模式。在正常操作期间，来自两个电阻器18、22的电流通过电流互感器16(T1)绕组转移到接地故障集成电路10基准电压(VREF)输入端74，第一电阻器18中没有任何电流流入接地故障集成电路10输入电压(VFB)输入端56。但是，如果电流互感器16(T1)绕组断开，则第一电阻器18的电流经过二极管70流入接地故障集成电路10输入电压(VFB)输入端56，然后被放大且被检测为跳闸状况，从而导致GFCI2瞬间跳闸。如果IC电源输入端12遇故障断开(例如，典型的故障模式)，则检测到断开模拟接地故障集成电路10的电源输入端12的连接，并通过齐纳二极管30(例如但不限于30V；任何适当的值)产生瞬间跳闸。如果IC电源输入端12处于开路状态，则该节点上的电压增加，直到齐纳二极管30传导来自并联电阻器50、52的电源电流并将该电流分流到两个SCR46、48的栅极以造成瞬间跳闸。这是安全故障模式。接地故障集成电路10输入电压(VFB)输入端56处输入信号路径的开路等同于断开IC电源输入端12并产生瞬间跳闸。运算放大器输出端58处输出信号路径的开路将在任一接地故障电流高于约1mA时导致瞬间跳闸。这是安全故障模式。输入端56或输出端58的开路都将导致开路环增益，从而增加敏感性。使电源输入端12引脚一次与IC10的一个邻近(为简化说明，在图2中未示出为邻近)引脚(OpAmp输出端58或SCR触发器59)发生短路导致瞬间跳闸。类似地，使电压反馈输入端56引脚与其邻近的IC10的引脚(+输入端57)发生短路导致瞬间跳闸。希望针对诸如38之类的跳闸螺线管的开路故障使用电路断路器。如果跳闸螺线管38绕组遇故障断开，则没有断开GFCI2的机构。但是，当跳闸螺线管38处于开路状态时，所公开的电路36使用跨跳闸螺线管38的电阻器78流出的电流点亮双向LED40，从而指示故障。跳闸螺线管38一般使两个电源电阻器50、52拉动的电流发生短路。在这种状况下，LED40指示开路绕组状态。通常，在没有跳闸的状况下，跨跳闸螺线管38的电压是线电压的约1/1000(电源电阻器实例50、52例如但不限于约39kΩ，跳闸螺线管38电阻例如但不限于约24Ω)或者约0.12VAC。该电压太低，无法使LED40传导电流和发光。但是，如果跳闸螺线管38绕组处于开路状态，则所有电源电流(例如但不限于约5mA)尝试流过LED40，因为当跳闸螺线管38绕组处于开路状态时，这是备用路径。该电源电流导致LED40发光，从而指示GFCI2发生故障。使用第一SCR46和相并联的第二SCR48提供SCR开路状况下的保护。使用与第一SCR46基本保持并联关系的第二SCR48在两个SCR46、48之一每次处于开路状态时提供跳闸。GFCI2通过该故障模式正常工作。使两个SCR46、48中的任一者发生短路导致GFCI2瞬间跳闸，这是安全故障模式。针对跳闸SCR46、48，以及电源降压电阻器50、52提供冗余。如果SCR46、48或电阻器50、52发生单一故障，则GFCI2仍旧100％起作用。另外，提供栅极电阻器80、82(例如但不限于1kΩ；任何适当的值)，以使SCR操作独立于其它SCR的功能状态。短路的SCR是故障安全状况，因为GFCI2在闭合时候会瞬间跳闸。模拟IC10不带时钟，因此，不应用相应的测试。电源电阻器50或52的故障模式为开路故障。通过提供该电源降压电阻器功能的冗余来维持保护。两个电阻器50、52(例如但不限于39KΩ；任何适当的值)并联使用。如果一个电阻器50、52遇故障断开，则另一电阻器50、52继续提供电源电流。GFCI2通过该故障模式正常工作。本发明包括广泛接受的冗余使用以消除因单一错误故障而造成的失去保护。通过短路改变GFCI电源54中的单个整流器二极管84导致瞬间跳闸。这是安全故障模式。电源整流器二极管84之一处于开路状态导致正常工作。GFCI2通过该故障模式正常工作。此处公开的各种GFCI故障通过GFCI产品中的主要故障机制NEMA判定。在此处公开的实例之外的所有情况下，故障导致故障安全跳闸状况。在其它实例中，当跳闸螺线管38绕组遇故障断开时，双向LED40向用户指示或警示绕组处于开路状态。尽管示出模拟接地故障集成电路实例10，但是将理解，可以采用其它多种模拟接地故障电路。其它非限制性实例在公开号为2009/0086387和2006/0018059的美国专利申请中进行描述。虽然详细描述了本发明的特定实施例，但是本领域的技术人员将理解，根据本发明的全部教导，可以对这些详细描述做出各种修改和替换。因此，所公开的特定配置仅出于示意的目的，并非限制本发明的范围，本发明的范围包含所附权利要求及其所有等同物的全部涵盖范围。参考标号列表2故障安全接地故障断路器(GFCI)4可分离接触件6操作机构8接地故障跳闸电路10模拟接地故障集成电路12电源输入端(+Vs)14第一电路16接地故障感测电流互感器(T1)18第一电阻器20电容器22第二电阻器24公共连接点26第二电路28跳闸致动器30齐纳二极管32阴极34阳极36第三电路38跳闸螺线管40双向发光二极管42电阻器44第四电路46第一可控硅整流器(SCR)48第二SCR50电阻器52电阻器54GFCI电源56电压反馈(VFB)输入端57+输入端58运算放大器输出端(OpAmp输出端)59SCR触发器60电流互感器62次级绕组64第一电容器66第二电容器68公共连接点70二极管72电容器74基准电压(VREF)输入端78电阻器80栅极电阻器82栅极电阻器84整流器二极管