具有电力阻断的自测试自动监测器接地故障电路中断器(gfci)的制作方法
【专利说明】具有电力阻断的自测试自动监测器接地故障电路中断器
(GFCI)
[0001]优先权主张
[0002]本申请案主张在2013年3月15日提出申请的序列号为61/791，114的美国专利申请案的优先权，所述美国专利申请案的全部内容针对其所教示的所有内容特此以引用方式并入。
技术领域
[0003]本发明一般来说涉及自测试故障中断装置，例如接地故障电路中断器(GFCI)。更特定来说，本发明涉及其中对故障检测执行周期性自测试的自测试故障中断装置，及所述装置独立于手动测试的跳闸部分。
【背景技术】
[0004]故障中断装置经设计以响应于对AC负载处的故障条件的检测而跳闸。所述故障条件可在人与AC负载的带电侧接触以及大地接地(可导致严重伤害的情况)时产生。接地故障电路中断器(GFCI)通过使用感测变压器来检测流入线中的电流与AC供应器的中性导体之间的不平衡(其将在使负载带电侧上的一些电流转向接地时发生)来检测此条件。当检测到此不平衡时，GFCI装置内的继电器或断路器立即跳闸到断开条件，借此从负载移除所有电力。
[0005]许多类型的GFCI装置不仅能够通过AC负载的线侧与接地之间的接触跳闸，而且能够通过AC负载的中性侧与接地之间的连接跳闸。后一类型的连接(其可由有缺陷负载或由不适当接线引起)为潜在危险的，这是因为在线对接地故障发生时，其可阻止常规GFCI装置在差动电流所需要的阈值电平处跳闸。
[0006]为在美国进行商业出售，GFCI装置必须符合由担保人实验室(Underwriter’sLaboratory (UL))连同业内领先的制造商以及其它行业成员(例如各种安全团体)建立的标准。涵盖GFCI装置的一个UL标准是UL-943，称为“安全标准-接地故障电路中断器(Standard for Safety-Ground Fault Circuit Interrupters) ”。UL-943 适用于既定用于人员的保护的A类、单相及三相GFCI，且包含对此类GFCI装置的功能、构造、性能及标记的最小要求。除其它之外，UL-943还需要特定故障电流电平及GFCI装置应跳闸的响应定时要求。通常，在检测到具有高于5毫安(mA)的电平的接地故障时需要GFCI跳闸。此外，当高电阻接地故障施加到装置时，UL-943的当前版本规定装置应跳闸且根据方程式T = (20/I) h43(其中T是指时间且以秒为单位表达并且I是指电流且以毫安为单位表达)阻止电流递送到负载。因此，在5mA故障的情形中，装置必须在7.26秒或更少内检测到故障且跳闸。
[0007]在此类有关安全的标准适当的情况下且由于GFCI装置自从其在20世纪70年代早期的引入而直接被认为以来挽救了许多生命，因此GFCI装置贯穿住宅及商业电网已变得普遍存在。然而，如同大多数机电装置，GFCI装置易受故障影响。举例来说，驱动机械电流中断器装置的电子组件中的一或多者可短路或以其它方式变得有缺陷(如故障检测器电路或装置内的其它地方中的组件可变得有缺陷)，从而使装置不能适当地检测接地故障及/或适当地中断电流的流动。出于此原因，长久以来一直需要GFCI装置具备监控电路，所述监控电路实现装置在遇到故障时跳闸的能力的手动测试。此类监控电路通常具有TEST按钮，当被按压时，所述TEST按钮致动带电导体及中性导体上的所模拟接地故障。如果所述装置适当地发挥作用，那么检测到所模拟故障且所述装置将跳闸，即，致动机械中断器以断开连接装置的线侧(例如，其中供应AC电力处)与负载侧(其中用户连接其电气设备处及下游插座或额外GFCI装置连接处)的电流路径。
[0008]由行业安全团体执行的研究指示公众很多时候不会定期测试其GFCI装置以用于适当操作，即，通过按压TEST按钮而进行。此研究进一步揭露，已处于服务中达扩展时间段的一些GFCI装置变成非功能性且不能适当地检测故障条件，因此使所述装置不安全。具体来说，已观察到，在扩展使用之后，GFCI装置在故障发生时不能跳闸，因此使所述装置可操作为电插座，但在存在故障条件的情况下为不安全的。由于装置没有被定期测试，因此此不安全条件加剧。即，鉴于装置充足地递送电力的事实，人们错误地认为其为操作的，在这时实际上所述装置为潜在地威胁生命的危险。
[0009]部署于场中的GFCI装置变得越来越不可操作且不安全的发现结合人们不定期测试其GFCI装置的认识(尽管制造商明确指示这样做)起始对UL-943标准的可能改变的调查，以需要GFCI装置对自身进行自测试(例如，自动监测器)而不需要人类干涉。UL-943的预期改变进一步包含警告消费者失去保护及/或装置从服务自动移除其自身(例如，永久跳闸)的要求。此外，将必须在不干涉装置的主要功能(即，在遇到实际故障时跳闸)的情况下执行这些额外自测试操作。
[0010]上文所提及的经修订的自测试功能性还不是UL-943认证的要求，但期望其不久将成为UL-943认证的要求。为此显著的UL改变作准备且鉴于表面上看来集成电路成本无限的减少，因此许多GFCI制造商已迀移到有利于先前模拟设计的数字技术(例如，微处理器及微控制器)以提供接地故障保护及自监测功能性两者。然而，迄今为止所提供的数字解决方案并不理想。举例来说，数个相关技术GFCI设计(包含针对于提供自测试功能性的那些GFCI设计)遭受误(nuisance)跳闸，S卩，其中在既不存在真实的接地故障、手动产生的所模拟接地故障，也不存在自动自测试故障时致动中断器的情况。许多人认为此不利条件是因自动自测试的额外要求(此导致在装置内产生额外感应电流)而恶化。
[0011]因此，期望提供一种提供特定自测试能力(包含在下一版本的UL-943中提出的自测试能力)但最小化与误跳闸相关联的风险的GFCI装置。
【发明内容】
[0012]考虑到商业GFCI装置的特定可能的额外要求及与相关技术GFCI装置相关联的疑难问题(包含但不限于上文所讨论的疑难问题)，根据本发明的一或多个示范性实施例的自测试GFCI装置一般来说包含自动监测电路，所述自动监测电路连续监测GFCI装置的执行。举例来说，GFCI装置具备自动监测电路，所述自动监测电路周期性地且自动地测试装置响应于接地故障的能力。此外，此测试在不断开所述装置的电路中断器接触件的情况下进行。
[0013]同样，在GFCI装置经正确接线的情况下，即，在AC电力连接到所述装置的线侧的情况下，每当电力变得可用于经适当接线GFCI的负载端子或(或者)线端子，自动监测电路便执行自动测试。所述自动测试在电力可用于线端子或负载端子的五秒内起始，且至少每三小时重复所述自动测试且所述自动测试并不损害GFCI装置响应于接地故障或接地中性故障的能力。
[0014]自动监测电路检测到问题的至少一个结果包含以下各项中的一或多者:(a)使装置跳闸及/或以其它方式阻断到负载或线、端子的电力(电力阻断)，且阻止所述装置被复位，(b)使装置跳闸，所述装置具有复位能力，经受下一自动监测测试循环或重复跳闸，(C)提供对所述情况的视觉及/或声音指示。
[0015]更具体来说，例如微控制器或微处理器的处理装置经配置以基于所存储软件程序周期性地执行自动监测例程，以用于测试及验证GFCI装置内的各种子电路的可行性及功能性。为测试GFCI装置的适当的电流隔离，耦合到所述微控制器的驱动器经操作以每当执行或运行自动监测例程，便起始表示接地故障的测试信号，且监测不同电路节点来确认所述装置的适当操作。
[0016]寿命终止指示器也耦合到所述微控制器以指示是GFCI装置不能适当地检测测试信号还是装置内的一些其它故障发生。在产生测试信号时为避免使机械电流-中断装置跳闸，但还允许尽可能多的GFCI装置电路执行其既定功能，提供独特的监测器电路，所述监测器电路利用数字组件(例如GFCI集成电路装置及微控制器)的各种功能性。具体来说，为提供监测GFCI装置的故障检测能力而在正常条件下不干涉及导致误跳闸的自动测试功能，与本发明一致的实施例包含与GFCI集成电路(IC)装置的中断器驱动输出相关联的经具体选择的滤波电容器。对电容器及其它相关电路组件的适当选择阻止中断器驱动电路(例如，硅控制的整流器(SCR))起动或接通直到遇到真实故障条件为止。
[0017]根据一个示范性实施例，在(举例来说)第7，443，309号美国专利中揭示的装置的电路组件值及微控制器软件经修改以满足额外的UL943要求，例如第6.30章的要求(2015年)，章节标题为自动监测功能测试(Auto-Monitoring Funct1n Tests)。当已验证GFCI的寿命终止(EOL)状态时，微控制器(uC)中的软件(S/W)在端口 GP1、引脚6上输出信号(例如，高信号)达20毫秒或更多。此时间为可调整的且考虑到包含用于独立于在AC波期间断言信号跳闸的时间而激活螺线管所需的正60Hzl/2循环。
[0018]微控制器接着在端口 GP1、引脚6上输出信号(例如，低信号)以制止任何进一步复位(经由复位开关)触发SCR及将接触件闩锁为闭合的。电阻器R5(即，连接于微控制器的GPl与SCR的栅极之间的电阻器)的值经选择性挑选(例如，小于美国专利7，443，309中的等效电阻器的值)以确保(举例来说)在施行电力阻断时的时间期间尝试复位时，SCR的栅极电压不会达到其‘接通’阈值点。此外，指示器(例如红色LED)经控制以闪光来提供对情况(例如，E0L)的清晰的视觉指示。
[0019]此外，EOL状态经存储于微控制器内的存储器中(例如，RAM中)，且在AC电力丢失的情况下被清除。如果在电力还原时导致EOL条件的故障仍存在，那么微控制器再次验证并断言EOL状态。或者，如果在电力还原时导致EOL的故障不再存在，那么GFCI继续自动监测及正常操作。
[0020]还关于其它示范性实施例提供额外任选特征。举例来说，如果导致EOL的故障不再存在且自动监测例程经由一或多个确认操作(例如在预定时间段内确认正常条件)验证此“自修复”，那么EOL状态可经清除且GFCI的正常操作重新开始。根据本发明的GFCI装置以除60Hz以外的操作频率的操作(包含自动监测及自测试特征)也由本发明涵盖。举例来说，通过修改微控制器内的各种装置组件及/或软件代码，根据本发明的装置可在除美国以外的国家(其中电力网使用具有各种频率的电力信号)中实施。
【附图说明】
[0021]当连同附图一起阅读时，本发明的这些及其它方面、优点及新颖特征将依据以下详细描述更易于了解，附图中:
[0022]图1是根据本发明的一实施例的接地故障电路中断(GFCI)装置的实例的透视图；
[0023]图2是根据本发明的一实施例的图1中所展示的接地故障中断装置的另一透视图；
[0024]图3A到3B是根据本发明的一实施例的接地故障电路中断器的示意图，其中常规GFCI芯片结合微处理器一起被采用来操作GFCI ;
[0025]图4到6是图解说明根据本发明的一实施例的图1中所展示的接地故障电路中断装置的错接线板的操作的透视图；
[0026]图7到9是图解说明根据本发明的一实施例的图1的接地故障电路中断装置的错接线板、闩锁板及复位销的位置的实例的横截面图；
[0027]图10是根据本发明的一实施例对GFCI执行自动自测试的方法的实例的流程图；
[0028]图11是根据本发明的一实施例对GFCI执行手动测试的方法的实例的流程图；
[0029]图12是根据本发明的一实施例使用GFCI装置响应于外部产生的接地故障的方法的实例的流程图；
[0030]图13是根据本发明的一实施例的使用GFCI装置的错接线阻止方法的实例的流程图；
[0031]图14根据本发明的一实施例的接地故障电路中断器的示意图；
[0032]图15是根据本发明的一实施例的接地故障电路中断器的示意图；
[0033]图16是根据本发明的一实施例图解说明满足各种测试要求的方式的接地故障电路中断器的示意图；
[0034]图17是根据本发明的一实施例图解说明满足各种测试要求的方式的接地故障电路中断器的图解说明；
[0035]图18是根据本发明的一实施例图解说明满足各种测试要求的方式的接地故障电路中断器的图解说明；
[0036]图19是图解说明在已确定寿命终止条件时根据本发明的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0037]图1是根据本发明的一实施例的接地故障电路中断(GFCI)装置10的实例的透视图。GFCI装置10包括具有盖部分14及后部分16的壳体12。当从后部分16移除盖部分14时，所述GFCI还包含内壳体13 (参见图4)。盖部分14及后部分经由扣接构件(例如夹子、螺丝、托架、接头片及类似物)以可移除方式固定到彼此。盖部分包含插入槽(也被称为面