电气接线装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于配电系统中的电气接线装置，所述装置包括处理电路，所述处理电路经配置以基于在跳闸状态已建立之后的预定时间段内检测多个线路端处的接线状态参数来确定接线状态。所述处理电路经配置以基于接线状态确定而将接线状态指示符存储在接线状态寄存器中。所述接线状态寄存器被预先设置成当AC电源第一次由安装者施加给所述多个线路端或多个负载端时，使断路器跳闸。
【专利说明】电气接线装置
【技术领域】
[0001]本实用新型大体上涉及保护性装置，且确切地说涉及具有错误接线保护的保护性装置。本实用新型大体上涉及一种具有非易失性存储器错误接线电路的保护性装置。
【背景技术】
[0002]将AC电力提供给住宅、建筑物或其他这样的设施，所用方式是通过将一个或多个断电器面板耦接到配电系统，或另一个这样的AC电源。由于已知在电气接线系统中会发生某些类型的故障，因此每个电路通常采用一个或多个电路保护装置。电路保护性装置已被设置在断电器面板、插座出口、插头内等。保护性装置通常包括断路器(circuitinterrupter)，该断路器在复位状态下将线路端连接到负载端，而在跳闸状态下使线路端与馈通和插座负载端断开连接。当故障状况发生时，断路器跳闸。存在各种类型的保护性装置，包括接地故障断路器(GFCI)、接地故障设备保护器(GFEP)，以及电弧故障断路器(AFCI)0有些保护性装置包括GFCI和AFCI两者。
[0003]在将负载端连接到AC电力来进行安装的过程中，保护性装置可能会被错误接线。当这种情况发生时，断路器可能无法在故障状况存在时中断流向插座端的电流。不幸的是，保护性装置通常不会警告用户此错误接线的状况。因此，直到损害或伤害发生时，错误接线状况才变得明显。
[0004]需要的是一种保护性装置，它拒绝在错误接线状况下将电力供给包括插座端等的被保护电路。此外，需要的是在每个和每一安装过程中会对错误接线状况做出响应的保护性装置。
实用新型内容
[0005]本实用新型满足了上述需要，方法是提供一种保护性装置，它拒绝在错误接线状况下将电力供给包括插座端等的被保护电路。此外，还有一种可以在每个和每一安装过程中对错误接线状况做出响应的保护性装置。
[0006]本实用新型涉及用于配电系统中的电气接线装置，所述配电系统包括耦接到AC电源的多个线路导体，以及多个负载导体，所述装置包括:经配置以在接线状态下来端接所述多个线路导体和所述多个负载导体的多个线路端和多个负载端；在所述多个线路导体端接到所述多个线路端时，所述接线状态处于正确接线状况；当所述多个线路导体端接到所述多个负载端时，所述接线状态处于错误接线状况；耦接到所述多个线路端或所述多个负载端的保护性电路组件，所述保护性电路组件包括至少一个故障检测器，其经配置以基于在所述多个线路端中的至少一个线路端或所述多个负载端中的至少一个负载端上传播的电扰动，而生成故障检测信号；耦接到所述保护性电路组件的断路器组件，所述断路器组件包括多个中断触点，所述多个中断触点经配置以，在复位状态下，响应于复位刺激，而在所述多个线路端与所述多个负载端之间建立连续性，以及，在跳闸状态下，响应于包括所述故障检测信号或错误接线状态信号的跳闸刺激，而在所述多个线路端与所述多个负载端之间建立不连续性；以及处理电路，所述处理电路经配置以基于在所述跳闸状态已建立之后的预定时间段内，检测所述多个线路端处的接线状态参数来确定所述接线状态，所述处理电路经配置以基于接线状态的确定而将接线状态指示符存储在接线状态寄存器中，所述接线状态寄存器被预先设置成，当所述AC电源第一次由安装者施加给所述多个线路端或所述多个负载端时，使所述断路器跳闸。
[0007]下文的【具体实施方式】部分将阐述本实用新型的其他特征和优点，并且其中的一部分将由所属领域的一般技术人员通过阅读说明而清楚地了解，或者将在按本文所述那样实践本实用新型后了解，这些说明包括随后的【具体实施方式】、权利要求书以及附图。
[0008]应了解，不管是前文概述还是下文的【具体实施方式】，这些都只是对本实用新型的示例，并且只是为帮助理解所主张的本实用新型的性质和特点而提供的概览或框架。加入附图以帮助进一步理解本实用新型，并且所述附图并入本说明书中且构成本说明书的一部分。附图所示为本实用新型的各项实施例，并且辅以描述以便对本实用新型的原理和运作加以解释。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1A为根据本实用新型一个实施例的保护性装置的示意图；
[0010]图1B为图1A中描绘的保护性装置的微控制器部分的示意图；
[0011]图2A至图2H为本实用新型的自动多用途错误接线检测特征的图形描绘；
[0012]图3为根据本实用新型另一个实施例的保护性装置的示意图；以及
[0013]图4A至图4C为示出了根据本实用新型的各种时间图的图表。
【具体实施方式】
[0014]现在将详细描述本实用新型的各项示例性实施例，所述实施例的各个实例将参考附图进行说明。在任何可能的情况下，附图中相同的参考标号始终指代相同或相似部分。图1所示为本实用新型的保护性装置的一项示例性实施例，所述保护性装置在全文中一般用参考标号10表不。
[0015]如本文所实施且如图1A所描绘，揭示了根据本实用新型一个实施例的保护性装置10的示意图。接地故障电路10包括:差动变压器LI，其经配置以感测负载侧接地故障，即，位于连接至负载端(3、4)或插座触点(5、6)的负载中的接地故障；以及变压器L2，其配置成中线接地发射器，所述中线接地发射器经配置以用于中线接地故障检测。差动变压器LI和中线接地变压器L2均经由电路系统11而耦接到故障检测器集成电路18。检测器18从双电源电路30接收电力，下文对该双电源电路进行更详细地描述。检测器18的输出端连接到SCR Ql的控制输入端。当SCR Ql接通时，双螺线管Kl的GFCI螺线管Kl-1通电后启动断路器20，使得断路器20和辅助开关16均跳闸(断开)。螺线管Kl保持通电一段时间，这段时间通常短于约25毫秒。当断路器20跳闸时，线路端(1、2)与它们各自的负载端(3,4)或插座触点(5、6)断开连接。在消除故障状况之后，断路器20可以借助于复位按钮来复位。
[0016]中线接地发射器L2经配置以检测中线接地状况。(线路中线2通常在线路中在面板处接地，而这并不构成中线接地故障状况)。当不存在中线接地状况时，中线接地发射器L2经配置以将相等信号耦合到火线和中线中。由于差动变压器LI经配置以感测差动电流，因此由中线接地发射器L2提供的相等信号能有效地彼此抵消。另一方面，当负载中线(即，连接到负载中线端4或中线插座触点6的导线)意外接地时，会发生中线接地状况。这样会在中线线路端2与中线负载端4之间形成(相对于中线返回路径)并联的导电路径。因此，另一信号围绕着该电流回路循环，并且耦合到中线(而非火线)上，以产生差动电流。差动变压器LI对火线与中线之间的差动电流进行感测，且检测器18响应于此而生成故障检测信号。该故障检测信号会使断路器20跳闸。当跳闸时，断路器20借助于触点24而去除与火线端(1、3、5)的耦接，并借助于触点22而去除与中线端(2、4、6)的耦接。在故障信号被移除之后，断路器20可以借助于复位按钮(未图示)而手动复位，该复位按钮将中线触点22和火线触点24闭合。因此，当断路器20处于复位状态时，端(1、3、5)通过火线触点24互连，而中线端(2、4、6)通过中线触点22互连。当断路器20处于跳闸状态时辅助开关16断开，而当断路器处于复位状态时辅助开关闭合。
[0017]参考双电源电路30，所述双电源电路用于满足检测功能(上文描述)以及下文描述的通用自动测试功能的需要。双电源电路30包括第一电源部分，所述第一电源部分包括与电阻器R8串联的二极管D2的串联电路。该串联电路设置在二极管D6的阴极与二极管D15的阳极之间。因此，该第一电源部分经由二极管D6和螺线管Kl连接到线路火线，并且进一步经配置以经由二极管D15向检测器18的电源端供电。二极管D6进一步连接到第二电源部分，所述第二电源部分包括与电阻器RlO串联的二极管D16的串联电路。该串联电路连接到二极管D15的阴极。第二电源部分经配置以对电容器C2充电，而第一电源部分经配置以对并联电容器组(C15至C19)充电。电容器组(C15至C19)的总电容大于电容C2的电容。电容器组(C15至C19)存储了足够能量，以在负半周期自动测试过程中维持电源电压。当AC线路周期为负时，二极管D15正向偏置，从而将电容器组(C15至C19)耦接到电容器C6。由于在负半周期中电源是接通的，因此检测器18也会对此自动测试做出响应。
[0018]当GFCIlO检测到故障状况时，它经配置以在AC线路周期的正半周期使断路器20中断。为了满足跳闸时间要求，第二电源部分(D16，R10)经配置以在小于约2毫秒内充电至满电源电压。这意味着，在正半周期中检测到危险的接地故障状况并迅速将其中断。另一方面，由于电容器组(C15至C19)的值较大，因此第一电源部分(D2、R8)充满电的耗时较长。该电源(D2、R8)以大约15毫秒的时间常数进行充电。然而，由于二极管D15的反向偏置，因此无法阻止第二电源部分(D16、R10)快速充电。总之，检测器18在正半周期中依靠第二电源(D16、R10)来进行接地故障检测，而在负半周期中依靠第一电源(D2、R8)来进行自动测试。
[0019]在此，对通用自动测试电路12进行论述比较有帮助，因为双电源30的目的之一是支持自动测试电路12。当FET Q2接通时，自动测试电路12会借助于电线回路12-1生成模拟中线接地测试信号。当FET Q2转为接通状态(ON)时，中线接地发射器L2产生振荡信号，所述振荡信号是满电源电压的函数。在接通状态(ON)的FET Q2的电阻小于约4欧姆。因此，电线回路12-1与FET Q2 (处于接通状态(ON))—起形成穿过差动变压器LI和中线发射器L2的回路，以模拟中线接地状况。在一个替代实施例中，电线回路12-1可以包括设置在线路中线端2与负载中线端4之间的中线导体的一部分，而不是具有穿过变压器(L1、L2)的第三电线。将第三电线放置在电线回路内的一个优点在于，提高了抗噪声性。当采用第三电线时，电线回路12-1与中线是隔离的，这样，在自行测试过程中，在电线回路12-1中传播的电流不会受到电压下降或中线中传播的电噪声的影响。否则，在中线上传播的噪声可能损害测试故障信号以及GFCI对该信号的检测。
[0020]FET接通状态的定时由定时电阻器Rl来控制。在本实用新型的一个实施例中，FETQ2在AC电源的正半周期即将结束时转为接通状态(0N)，且在负半周期的一部分中保持接通状态(0N)，以产生测试故障信号。响应于在电线回路12-1中传播的测试电流，中线接地变压器L2生成差动电流。该差动电流继而由变压器LI感测到。如果电路正确地工作，那么由LI提供的传感器信号应被检测器18视作故障。如上所述，在正常运作过程中并且当GFCIlO正确地运作时，故障检测器18提供足以接通SCR Ql的故障检测信号。然而，自动测试在负半周期中或在正半周期的后期执行，从而在正半周期中，SCR Ql不会在一个时间转为接通状态(ON)从而可能引起断路器无故跳闸。在一项实施例中，SCR Ql在AC线路周期的正半周期的后期转为接通(0N)，其中流经SCR Ql的电流量不足以使双螺线管Kl中的GFCI螺线管Kl-1通电。在另一项实施例中，Ql在负半周期接通(0N)，在接下来的正半周期之前保持接通状态(0N)，直到电源30充分放电，这在接下来的正半周期开始之前发生。此夕卜，在负半周期中，由二极管D6来防止SCR Ql将电流引导穿过双螺线管K1-1。
[0021]针对回路12-1生成的模拟故障信号使用相对较长的持续时间的一个原因在于，确保检测器18有足够的时间来对自行测试进行检测。此方法的一个缺点涉及传感器芯中的磁通量的持续时间。具体而言，如果该芯中的磁通量延续到随后的正半周期，那么所得的传感器输出将使检测器18不当地接通SCR Ql并且使装置10无故跳闸。为此，在负半周期结束之前，双电源30的输出电压会发生崩溃。崩溃的电源电压能防止无故跳闸，其中一个原因在于中线接地振荡无法在没有电源输出电压时持续。即使FET Q2接通(0N)，一旦电源电压崩溃，传感器芯中基本上也不存在磁通量。因此，如果电源电压30在负半周期结束之前崩溃，那么另外将由FET Q2生成的中线接地振荡无法延续到正半周期。因此，双电源30的崩溃防止了自动测试功能引起的无故跳闸。
[0022]最后，读者应注意GFCI电源30与辅助开关和螺线管Kl是串联的。当辅助开关16闭合时，螺线管Kl的电感保护GFCI电源免于雷击电涌，否则此雷击电涌可能会损坏GFCI。另一方面，辅助开关16在SCR Ql短路时保护了螺线管K1-1，因为当断路器20跳闸时它中断了供给GFCI电路的电力。同样地，辅助开关16在SCR Q3短路时保护了另一个螺线管K1-2，因为当断路器20跳闸时它中断了供给自行测试电路的电力。
[0023]现在更详细地描述防止无故跳闸特征。在自行测试过程中，FET Q2转为接通(0N)，且中线接地发射器L2产生振荡信号，所述振荡信号是满电源电压的函数。如果检测器18在运作，那么SCR Ql在AC线路周期的约225°至280°处(即，在负半周期的一部分中)转为接通(0N)。因此，电容器C2和电容器组C15至C19经由SCR Q1、二极管D8和电阻器R6进行切断电源式放电(dump-di scharged)，从而使电源的输出电压崩溃。由于时间常数与电容器组C15至C19相关，因此放电过程将渐渐发生。随着电源电压根据上述时间常数渐渐崩溃，中线接地发射器L2所产生的振荡信号的幅度也减小。继而，在围绕回路12-1流动的中线接地模拟电流也减小。最后，变压器芯中的磁通量太低以至于它提供给故障检测器18的传感器信号无法表示故障状况。上述过程在负半周期结束之前发生。因此，在随后的正半周期开始时，变压器芯中只有很少或没有磁通量。在本实用新型的一个实施例中，电容器组C15至C19时间常数约为0.5毫秒，中线接地振荡的时间约为0.15毫秒。
[0024]GFCI电路还包括三个金属氧化压敏电阻(M0V1、M0V2和M0V3)，这三个金属氧化物压敏电阻经配置以保护GFCI免于雷击电涌。MOVl用于保护低电压电路。M0V2和M0V3保护GFCI电路和自行测试电路。由于MOVl设置成跨过线路，因此它的尺寸相对较大(12mm)，以抵抗电涌。由于M0V2、M0V3分别与GFCI螺线管Kl-1和自行测试螺线管K1-2串联，因此它们的尺寸可以相对较小(例如，5mm)。双螺线管Kl的电感用作高频滤波器，它限制了 M0V2和M0V3在雷击的情况下必需吸收的电涌能量。
[0025]参考图1B，它揭示了图1A中描绘的保护性装置的微控制器40部分的示意图。在一个实施例中，微控制器40可以由处理器例如瑞萨科技(Renesas)的R5F10266等来实施。处理器40提供用于数字时钟的IMHz时钟信号以及其他内部定时信号。处理器40为在嵌入式处理器设计中广泛使用的16位微控制器。处理器40包括用于存储固件的2KB ROM以及用于实施接线状态寄存器的2KB闪存。
[0026]所属领域的一般技术人员应显而易见地认识到，可以根据处理复杂度对本实用新型的处理器40做出修改和变化。嵌入式处理器40包括板上存储器，该板上存储器通常包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。嵌入式处理器40功能可以使用以下各种形式来实施，如硬件、软件、嵌入式处理器、信号处理器、RISC计算机、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)装置、门阵列状态机、定制集成电路以及/或者上述装置的组合。RAM存储器可以具有备用电池。因此，本实用新型的实施例并不限于硬件电路系统和/或软件的任何特定组合。在本文中，可以将RAM与ROM—起并称为“计算机可读媒体”。本文中所用的术语“计算机可读媒体”指代在向处理器提供数据和/或指令以用于执行的过程中所参与的任何媒体。举例来说，本文中所采用的计算机可读媒体可以包括任何合适的存储器装置，包括SRAM、DRAM、NVRWM、PROM、E2PROM,闪存存储器，或任何合适类型的存储器。闪存存储器或带备用电池的RAM为非易失性存储器的实例，所述非易失性存储器在本文中用来对针对多用途错误接线目的的装置的接线状态进行存储。
[0027]现在来看处理器40，注意处理器40的引脚14为通过R25耦接到线路火线的零交叉输入端(zero cross input)。尽管处理器40具有其自身时钟,但是由于其操作频率较高而通常大于约1MHz，因此将其用于对较长的定时间隔进行计数通常是不实际的。引脚14允许用精确性稍低的方式来计时，即，将线路周期用作定时信号。因此，精确性稍低的定时信号可以支持再循环指示器，该再循环指示器可以大约每秒钟循环一次。也可以使用该不精确定时信号来做出寿命终止决策。上述自行测试功能可能在预定时间段内需要测试接受信号，该预定时间段的范围为约3个线路周期至3小时的时间段。另外，零交叉信号还允许处理器40将自行测试信号与AC电源同步，例如在负半周期内发生。
[0028]处理器40的引脚13为GFCI监控输入端，该输入端耦接到SCR Ql的阳极。如上所述，当执行自行测试功能时，SCR Ql在负半周期内被启动。该信号被处理器40作为测试接受信号来寄存，即，GFCI在正常地工作。每当引脚13电压变低，处理器40的内部“寿命终止”定时器便重置。但注意，引脚13还耦接到滤波器电路(R14、C14和R17)。该滤波器移除高频噪声，所述高频噪声可能错误地指示装置10通过了寿命终止测试。如果寿命终止定时器在预编程的时间帧内未复位，那么它将发信号通知处理器40中的CPU以寿命终止状况已达到。CPU使引脚16和19的电压升高。引脚16连接到指示器LED D7。引脚19经由二极管D3、滤波器电路(R15、C20)以及SCR Q3耦接到自行测试螺线管K1-2。
[0029]引脚17具有通电复位(POR)能力。引脚17耦接到接地端T2、R24、R22、R23、D13、D14以及Q5。简言之，处理器40立刻将QS接通(0N)，以将测试信号注入设置在配电系统的地线导体中，所述配电系统连接到T2。通电复位(POR)引脚17以下文参考图2A至图2H描述的各种方式进行使用。
[0030]如上简要描述，引脚16驱动多用途指示器D7。处理器40可以经编程以驱动指示器D7，从而提供多个指示，这些指示包括跳闸指示、复位指示、寿命终止指示、夜明灯能力，以及/或者接地连续性指示。所示指示器D7为视觉指示器(LED)，但是所属领域的技术人员将了解，它可以实施为听觉指示器或实施为听觉兼视觉指示器。当检测到寿命终止状况时，指示器D7可以提供循环或振荡指示以警告用户电力中断即将发生。在预定间隔之后，实施电力中断以使GFCI跳闸。一旦跳闸，GFCI便无法复位。在另一个实施例中，GFCI可以复位，但是GFCI在另一个预定间隔之后会再次跳闸。指示器D7也可以用于指示POR测试失败并且提供与自行测试寿命终止状况不同的独特显示。在本实用新型的一个实施例中，POR失败显示为再现的双闪烁或双哔声。
[0031]引脚20为整数状态(INT STATUS)引脚，并且将中断触点20的状态提供给处理器40。它用间接的方式这样做，从而对辅助开关16的断开或闭合状态进行监控。间接监控的一个优点是，无需将电路系统连接到负载侧端。这样的电路系统可能需要被隔离，使得当断路器20处于跳闸状态时，不会妥协去除线路端(1、2)与负载端(3、4、5、6)的耦接。因此，可以避免使用昂贵的隔离电路系统。另一个优点是，引脚20还对辅助开关16的寿命终止状况进行监控。确切地说，引脚20连接到寄存器R7、R9和R20，以及双螺线管Kl的自行测试部分螺线管K1-2。当辅助开关16断开时，由于R7的电压被划分在串联电阻器R9和R20上，因此引脚20处的电压为低。当辅助开关16闭合时，引脚20处的电压为高。
[0032]辅助开关16和双螺线管Kl通过如下方式保护电路。当辅助开关16闭合时，自行测试螺线管K1-2的电感保护R7、R9、R20以及引脚20免于雷击电涌。还注意，辅助开关16在跳闸状态下中断供给双螺线管Kl的线圈的电力。这意味着当SCR Q3短路(发生故障)时，供给自行测试螺线管K1-2的电力被中断以保护它使其免于烧坏。同样地，当SCR Ql短路(发生故障)时，供给GFCI螺线管Kl-1的电力被中断以保护它使其免于烧坏。在没有辅助开关16的情况下，如果其中一个螺线管烧坏，故障状况可以无限持续；K1则可能无法驱动断路器20来中断它。然而，通过包含辅助开关，断路器在每次尝试复位时均会保持跳闸。这意味着，可以避免因短路状况的产生而提供未受保护的电力给负载端的风险。
[0033]弓丨脚19为自动监控器(AUT0_M0NIT0R)输入端且用于经由自行测试螺线管Kl_2来使断路器跳闸。参考图1Α，自动监控器输入端经由电阻器R15和电容器C20而耦接到SCRQ3的控制输入端。Q3的阳极经由二极管D3而连接到螺线管Κ1。在替代实施例中，引脚17可以连接到二极管D17(见图1Α)并且可以用于在寿命终止状况下将SCR Ql接通(0N)。因此，双螺线管(Κ1-1，Κ1-2)的两侧可以用于使断路器20跳闸，以确保装置10在寿命终止时跳闸。
[0034]引脚10 (VCC)耦接到冗余处理器电源35并且从断路触点的线路边获得电力。处理器电源35的各部件连接到线路火线并且包括D4、R5、D5和C12。处理器电源35允许自行测试电路在GFCI电源30 (见图1Α)中发生寿命终止状况下运作。读者应注意，GFCI电源30在跳闸状态下断电。见上文。然而，由于处理器40自身具有电源35，该电源从端I而不是借助于辅助开关16来接收电力，因此该处理器在跳闸状态下是可作用的。
[0035]本实用新型提供错误接线保护能力。该功能只需一位的非易失性存储器，但是系统存储器可以包括更多位。所述一位存储器，即，接线状态寄存器，用于存储装置的接线状态。(1=正确接线，0=错误接线)。因此，当接线状态寄存器存储I (ONE)时，处理器40允许断路器20复位(假定寿命终止状态不再存在)。然而，如果接线状态寄存器为低(LOW)，那么它指示错误接线状况且断路器20无法保持复位，因为处理器将一直使断路器跳闸，直到实现正确接线且存储位被设置成高(HIGH)状态为止。如上所述，在本实用新型的一个实施例中，接线状态寄存器使用闪存存储器来实施。
[0036]当制造GFCI装置时，在该装置进入商用电流之前的最终组装步骤之一为，将逻辑零写入接线状态寄存器中。这是通过以下顺序来实现的。将源电压施加给负载端以模拟错误接线状况。通过使断路器20复位来使GFCI电源30和自行测试电源通电。施加模拟故障状况，以使该装置跳闸(这可以通过按下测试按钮来实现)。当中断触点20被跳闸时，整数状态引脚20的电压变低，且零交叉输入端引脚14停止提供零交叉数据。在自行测试电源的电压开始衰减前，处理器40将运作约两个线路周期。此时，处理器40将跳闸状态下不存在零交叉数据解译为指示装置10被错误接线，并且因此将所述一位存储器设置为逻辑O(ZERO)状态。随后，每次尝试复位时，处理器40便来引导SCR Q3以经由自行测试螺线管K1-2使断路器20跳闸。一位存储器将一直保持逻辑O (ZERO)状态，直到处理器40检测到正确接线状况并且将一位寄存器的值设置为等于逻辑I (ONE)。
[0037]接线状态寄存器根据以下顺序来设置为逻辑I (ONE)。很明显，必须将AC电源施加给线路端。最初通过按下测试按钮来使GFCI跳闸(如果尚未跳闸的话)。当正确接线时，将零交叉数据提供给处理器40，即使在该装置跳闸时也如此。因此，处理器40对引脚14(ZC)和引脚20 (整数状态)进行读取并且在跳闸状态下中断对零交叉数据的接收，以指示装置10正确接线。处理器40将逻辑I (ONE)值写入接线状态寄存器中并且允许该装置在用户将装置10复位后保持复位状态。
[0038]如果装置10从服务中被移除，且随后重新正确安装，那么处理器将读取接线状态寄存器中的逻辑I (ONE)值并且允许复位。另一方面，如果该装置在重新安装时错误接线，那么处理器经编程以响应于用户对测试按钮的操作来执行上述接线状态检测测试。
[0039]在本实用新型的另一个实施例中，一位存储器被相反地配置，使得逻辑O (ZERO)状态表示正确接线状况而逻辑I (ONE)状态表示错误接线状况。
[0040]如果接线状态检测测试失败(B卩，存在错误接线状况)，那么处理器40依靠自行测试程序来让检测器18使断路器20跳闸。在本实用新型的另一个实施例中，在不生成模拟故障状况下，处理器40可以经编程以使用AUT0_M0NIT0R引脚来引导SCR Q3使该装置跳闸。在上述另一个实施例中，引脚17可以连接到二极管D17 (见图1A)并且可以用于在存在错误接线状况的情况下将SCR Ql接通(0N)。
[0041]参考图2A至图2H，它们揭示了本实用新型的自动多用途错误接线检测特征的图形描绘。确切地说，这些特征与图1B中描绘的POR电路50 (引脚17)的功能有关。图2A至图2H提供了意欲帮助读者理解该标的物的简图。在每个描绘中，所示断路器20处于复位位置。
[0042]在图2A中，GFCIlO正确接线。接地电路50 (见图1A)设置在LI的线路边，并且通过电开关Q5而接地。每当处理器40从断电状态转换成通电状态时，Q5自动且立刻闭合。SI被定时以在正半周期内闭合。当Q5闭合时，接地电路50通过线路火线和地线而注入循环电流(I)以模拟接地故障状况。在本实用新型的一个实施例中，接地电路50包括15K欧姆的电阻器。该电流不通过LI循环，因此，不存在LI输出信号且断路器不会跳闸。
[0043]在图2B中，GFCIlO被错误接线。在这种情况下，接地电流(I)通过LI循环且被LI检测为差动电流。检测器18将SCR Ql接通(0N)。由于Q5在正半周期内闭合，因此SCRQl在正半周期内接通(ON)且断路器20借助于GFCI螺线管Kl-1来跳闸。每当复位按钮被启动时，断路器将复位，但是循环电流恢复，且断路器20再次跳闸。该过程自身一直重复。断路器将保持复位且只在错误接线问题被安装者更正时才提供电力。
[0044]图2C和图2D所示为自动多用途错误接线电路系统的另一个实施例。在该实施例中，接地电路50设置在LI的负载边且Q5在AC线路周期中断路器无法跳闸的某个点处(例如，在线路频率的正半周期的后期或在负半周期内)闭合。当闭合发生在正半周期的后期时，线路电压不足以使GFCI螺线管释放跳闸机构。当闭合发生在负半周期中时，D6被反向偏置，因此即使SCR Ql接通，GFCI螺线管Kl-1也不通电。图2C所示为GFCI被正确接线且LI检测到循环电流(I)。SCR Ql被接通(ON)但GFCI螺线管Kl-1不使断路器20跳闸。处理器40识别出SCR Ql已接通(ON)而没有发生任何情况。另一方面，图2D所示为处于错误接线状态下的GFCI。此次循环电流(I)不被LI检测到，因此SCR Ql不被转为接通(0N)。处理器40将失败转成接通(ON)当作为寿命终止状况来处理，并且在正半周期的前期发送一个信号至自动监控器引脚19以将SCR Q3接通，进而经由自行测试螺线管K1-2来使断路器20跳闸。
[0045]在图2E中，示出了自动错误接线电路的另一个实施例。即使存在反极性状况(AC电压源中的火线和中线的对换)，该电路配置也提供错误接线保护。如图2E所示，中线4’连接到负载火线端3，而火线3’电线连接到负载中线端4。这样，图2E示出了反极性状况和错误接线状况两者。多用途错误接线电路类似于图2C至图2D中所示的实施例，除了接地电路50经由分压器耦接到线路端(1，2)。这意味着循环电流(I)即使在反极性状况下也将流动。通过图2C至图2D的方式，当存在错误接线状况时，LI不会检测到循环电流，这会使断路器跳闸。然而，当存在正确接线状况时，能检测到循环电流，且不发生任何情况。
[0046]图2C至图2D的实施例在反极性状况下不生成循环电流，因此，即使正确接线，断路器也不保持复位。在反极性呈现出电击危险(例如在具有极化插头的某些器具中发生的危险)的某些情况下，这可能是安全特征。
[0047]POR特征还保护以防止发生断开接地状况。断开接地状况可能是由到达端T2的不良电气连接或不具有地线的安装所导致的。在图2C至图2D以及图2E所示的实施例中，不存在循环电流(在存在断开接地状况时发生)，这使得断路器跳闸且不会提供电力给负载端。
[0048]图2F中示出上电复位(POR)特征的另一个实施例。此处，上电复位故障为涉及地线和中线的模拟接地中线状况。模拟接地中线电阻器60小于约4欧姆，量值小于接地故障模拟电路中采用的电阻值的数量级，例如，接地电路50包括15000欧姆的电阻值。这样，模拟接地中线方法能够检测低阻抗值处的断开接地状况。换句话说，模拟接地中线方法可以检测模拟接地故障方法可能无法检测到的断开接地状况。
[0049]如果电源相线(phase source conductor)和电源中线的极性正好反向偏置,那么当FET Q5接通(ON)时电阻60将设置在电压源上，并且该电阻会被烧坏。为了防止发生这种情况，晶体管62与电阻64串联地连接在线路中线端2与接地端T2之间。因此当存在正确极性状况时晶体管62将断开(0FF)，而当在反极性状况下火线连接到端2时，晶体管将接通(0N)。晶体管62防止了 FET Q5在反极性状况下接通(0N)。当晶体管62断开时(0FF)，FET Q5响应于来自处理器40的信号而接通(ON)。
[0050]图2F的实施例在存在反极性状况时不运作。这是因为即使在GFCI正确接线时，也不存在循环电流(I)。如果需要使接地中线模拟方案在反极性状况下仍然起作用，那么“接通(0N)”的晶体管62启动反向开关(未图示)，从而去除电阻(60，64)与线路中线端2的耦接并且随后将这些电阻器耦接到中线所在处的线路火线端I (电阻(60、64)仍然连接到变压器L1，L2的一侧)。因此，当该装置正确接线时，即使存在反极性状况时，循环电流(I)也流动。
[0051]图2G中示出了另一个实施例，且示出了模拟电路50可以连接到电路中断触点的负载侧。该电路的运作类似于图2C至图2D中所示的实施例。
[0052]图2G的实施例示出了将接地连续性监控器接合到例如GFCI等中断装置的优点。尽管使用了图2G，但是该优点可能在本实用新型的其他实施例中显示出来。负载70连接到一组负载端(3、4)。负载70具有连接到接地端T2的金属外壳72。如果在面板处的地面74与端T2之间的接地路径中存在不连续性，且如果不存在电路中断供应，那么不发生任何情况。随后，当故障状况76在负载70与金属外壳72之间发生时，如果用户在触摸外壳72时则会暴露于电击的风险中，而没有东西来阻止。然而，存在断路器时，当在端T2与地面74之间存在接地不连续性时，负载电力被中断。当负载70与电源的耦接被去除时，不可能会因为负载70中绝缘被损害而发生电击。这样，GFCIlO通过以下两种方式来保护用户免于电击:通过确保地线的存在以及通过能够检测并中断接地故障状况。图2G中所示的另一个优点是，循环电流(I)穿过该组中断触点24。处理器40经由SCR Ql接通(ON)来识别出存在循环电流(I)，并且将此解译为断路器20经由SCR OUT (引脚15)被复位。然而，处理器40还通过借助于整数状态(INT STATUS)(引脚20)监控辅助开关16，来对断路器的状态进行监控。当在两个处理器输入端(15、20)(即，一个指示复位而另一个指示跳闸)之间存在不一致时，处理器40经由一个或两个螺线管(Κ1-1、Κ1-2)来启动跳闸命令或经由指示器D7来指示断路器20中的寿命终止状况。断路器寿命终止状况的一个实例为焊接式电力触点。
[0053]在图2H中，上电复位(POR)特征从辅助开关电路16和螺线管Kl-1或Kl_2中获得电力。再来参考图1Α，螺线管Kl-1和MOVl的电感，或螺线管Κ1-2和M0V3的电感，保护了接地部件50和晶体管Q5电路免于雷击电涌。
[0054]如本文所实现且如图3所描绘，揭示了根据本实用新型另一个实施例的保护性装置的示意图。在该实施例中，GFCI的核心功能类似于图1A至图1B中所描绘的装置。
[0055]一个差异涉及GFCI电源。在该实施例中，包括二极管D4、电阻器R8和RlO以及电容器C6的单个电源30提供了未过滤的半波电源。GFCI电源D4只在正半周期内才“接通”。因此，该实施例在负半周期内不执行自行测试。相反，自行测试在正半周期快结束时执行，此时瞬时电源电压近乎零交叉，因此足够低，这使得断路器不会跳闸。
[0056]接地中线模拟电路由来自处理器80的信号来驱动。该方法关于在AC线路周期上的何处执行接地中线测试信号，提供了更大的灵活性。该特征允许对电源进行一些简化。该特征还允许处理器用更大的灵活性来安排测试，即，自行测试无需在每一 AC线路周期执行。这样允许处理器80将寿命终止跳闸决策延到更长时间段之后。延迟跳闸决策减少了由于某瞬间负载状况(例如，可能使寿命终止测试机构失效的涌入)而无故跳闸的几率。注意，处理器80的引脚17耦接到测试开关。当按下测试开关(TEST)时，引脚17的电压变高(HIGH)，以警告处理器80发生了手动测试事件。如上所述，手动测试特征使断路器20跳闸。此外，该实施例的接线状态检测特征类似于图1A至图1B的实施例，除了 POR特征以外。手动测试按钮的启动使处理器80执行上述错误接线检测程序。由于涉及到按钮，因此该方法称为“手动”多用途错误接线。该按钮可以为离散的测试按钮或它可以为组合按钮，其中测试功能在该按钮被按下以完成测试电路并且机械地耦接到断路器时执行，使得当包含POR特征时，不涉及任何按钮，这就是它被称为提供“自动”多用途错误接线的原因。不管怎样，处理器(40、80)经编程以基于GFCIlO是正确接线还是错误接线来改变接线状态寄存器的状态。并且不管怎样，接线状态由跳闸状态下是否存在零交叉来决定。
[0057]在本实用新型的一个实施例中，处理器80使用富士通公司(Fujitsu)的MB95f564k处理器来实施。如先前的实施例一样，该处理器为20引脚装置且包括具有IMHz时钟、20KB ROM以及496B闪存存储器的8位处理器。
[0058]参考图4A至图4C，揭示了根据本实用新型的各种时间图。在图4A至图4C中，正半周期表示为P1-Pn，其中P指代正半周期，且N为正半周期的整数目。因此，P1为第一正周期，P2为第二正周期，如此类推。负半周期标记为N1-Nm,其中N指代负半周期，且M为周期的整数目，这样，N1为第一负周期，N2为第二负周期，如此类推。
[0059]图4A至图4B适用于GFCI电源30在整个AC线路周期(B卩，正半周期加负半周期)的绝大部分中通电的情况，而图4C适用于这样的实施例，其中电源在负半周期的绝大部分中不通电。
[0060]简言之，术语“自行测试”指代接地中线自行测试、接地故障自行测试或AFCI自行测试。如果在AFCI中包含GFCI功能以感测特定电弧故障状况(例如，在线路与地线之间发生的电弧故障)，那么AFCI自行测试可以包括接地中线测试或接地故障自行测试。POR测试在本文中描述为包括以下项中的一项或多项:自动多用途错误接线测试、接地连续性测试，或反极性测试。
[0061]参考图4A，断路器10经配置以在正半周期P1-P7内跳闸。所有测试发生在负半周期内。图4A示出了一些测试组合的混合和匹配的可能性。如图所示，测试发生在半周期N1-N3与N5-N6内。不在正半周期内进行测试的一个原因是为了避免任何误跳闸。测试也不在半周期N4内执行。读者应注意，负半周期被划分为各区段(即，A、B，有时还有C)。例如，负半周期N3还包括“C”区段。基于这些区段，模拟接地中线测试在负半周期N1, N2和N5中标记为“A”的区域内执行，且在这些周期的B部分内不执行其他测试。处理器40/80被固件安排在负半周期N3的区段A中执行自行测试，以及在该半周期的区段C中执行POR测试。在负半周期N6内，在区段A中执行另一个POR测试，而不是执行自行测试。相应地，自行测试在选定的负半周期内执行。POR测试可以在自行测试不执行时执行，或有时，这两个测试可以在同一半周期内执行。处理器通常在电源电压刚施加给该装置之后立刻安排POR测试。
[0062]负半周期自行测试的持续时间被减小，以避免潜在的测试信号侵入接下来的正半周期并引起无故跳闸。相应地，本实用新型的一个实施例将区段A实施为约4毫秒(mS)的窗口，在该窗口内执行模拟接地中线故障测试。在另一个实施例中，自行测试执行模拟接地故障相对快于接地中线测试。在另一个实施例中，GFCI的噪声滤波器级25 (见图1A)被绕过，以缩短测试时间。例如，处理器40的引脚I可以将错误(ERROR)信号输入提供给检测器18，以绕过滤波器25，使得SCR Ql在约2mS内接通(ON)。如果检测器18或SCR Ql无法在预定时间帧内做出响应，那么处理器引导SCR Q3使该装置跳闸。该特征减小了无故跳闸的几率，并且还减少了半波电源在负半周期内需持续的时间量。因此，在该实施例中，组(C15至19)中电容器的数量可以减少。
[0063]在图4B中，示出了根据本实用新型另一个实施例的类似的半周期框架。此处，自行测试在负半周期K、N2和N6的A区段内执行，而POR测试在正半周期P4、P6和P7的B区段部分内执行。图4B示出了本实用新型范围内一些测试组合的混合和匹配的可能性。
[0064]在图4C中，自行测试和POR测试均由处理器80在正半周期内执行。同样，测试发生在正半周期的后期，此时断路器无法跳闸。例如，自行测试在正半周期PpP2和P6的B区段内执行且被定时使得SCR Ql相对近乎零交叉地接通(0N)，使得能量不足以使螺线管Kl通电。POR测试在正半周期PJP P5内执行。在图3的实施例中，例如，GFCI电源30在正半周期的绝大部分中通电，而在负半周期的足够时间内不通电以允许此时进行测试。
[0065]尽管以上描述了 GFCI，但是其他保护性装置也是适用的，例如AFCI或组合式AFCI/GFCI。
[0066]本文所述的所有参考文献，包括公开案、专利申请案以及专利都以引用的方式并入本文中，正如将每份参考文献个别及具体地指明是通过引用的方式完整地并入本文并于本文获得陈述的那样。
[0067]在说明本实用新型的过程中使用了术语“一”和“所述”以及类似的词语(尤其是在所附权利要求书中)，应该将这些术语解释为既涵盖单数又涵盖复数，除非本文中另有指明或上下文有明确的相反提示。应该将术语“包含”、“具有”、“包括”以及“含有”解释为开放性术语(即，表示“包括但不限于”)，除非另有说明。应该将术语“所连接的”解释为部分或完全包含于其中、附接到或结合在一起，即使是存在中介元件时也是如此。
[0068]本文中所叙述的数值范围仅仅是一种速记，意图用于按个别方式提及属于相关范围的每个独立的值，除非本文中另有说明；并且每个独立的值都并入本说明书中，正如这些值按个别方式陈述于本文中一样。
[0069]本文中所述的所有方法都可以按任何适当次序加以执行，除非本文中另有指明或上下文有明确的相反提示。对本文中所提供的任何以及所有实例或示例性语言(例如“诸如”)的使用都仅仅为了更好地说明本实用新型的实施例，而并非对本实用新型的范围加以限制，除非另外主张。
[0070]本说明书中任何措辞都不应被解释为将任一非要求保护的元件指示为实践本实用新型所必须的。
[0071]在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下，所属领域的一般技术人员可以对本实用新型作各种修改和变化。本文绝非意图将本实用新型限于所揭示的一种或多种特定形式，相反，而是意图涵盖所附权利要求书所界定的本实用新型的精神和范围内的所有修改、替代结构以及等效物。因此，本实用新型应涵盖所有属于所附权利要求书及其等效物的范围内的修改和变化。
【权利要求】
1.一种用于配电系统中的电气接线装置，所述配电系统包括耦接到AC电源的多个线路导体，以及多个负载导体，所述装置包括: 经配置以在接线状态下来端接所述多个线路导体和所述多个负载导体的多个线路端和多个负载端；在所述多个线路导体端接到所述多个线路端时，所述接线状态处于正确接线状况；当所述多个线路导体端接到所述多个负载端时，所述接线状态处于错误接线状况； 耦接到所述多个线路端或所述多个负载端的保护性电路组件，所述保护性电路组件包括至少一个故障检测器，其经配置以基于在所述多个线路端中的至少一个线路端或所述多个负载端中的至少一个负载端上传播的电扰动，而生成故障检测信号； 耦接到所述保护性电路组件的断路器组件，所述断路器组件包括多个中断触点，所述多个中断触点经配置以，在复位状态下，响应于复位刺激，而在所述多个线路端与所述多个负载端之间建立连续性，以及，在跳闸状态下，响应于包括所述故障检测信号或错误接线状态信号的跳闸刺激，而在所述多个线路端与所述多个负载端之间建立不连续性；以及 处理电路，所述处理电路经配置以基于在所述跳闸状态已建立之后的预定时间段内，检测所述多个线路端处的接线状态参数来确定所述接线状态，所述处理电路经配置以基于接线状态的确定而将接线状态指示符存储在接线状态寄存器中，所述接线状态寄存器被预先设置成，当所述AC电源第一次由安装者施加给所述多个线路端或所述多个负载端时，使所述断路器跳闸。
2.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，如果所述接线状态指示符指示所述AC电源耦接到所述多个负载端，所述处理电路经配置以在所述复位刺激之后使所述断路器跳闸。
3.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，如果所述接线状态指示符指示所述AC电源耦接到所述多个线路端，所述处理电路经配置以在所述复位刺激之后保持所述复位状态。
4.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，当所述装置进入商用电流时，所述处理电路经配置以将所述接线状态指示符预先设置为错误接线指/j、l Ο
5.根据权利要求4所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，如果所述处理电路在所述预定时间段内检测到所述接线状态参数，所预先设置的错误接线指示变为正确接线状态指示。
6.根据权利要求4所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，如果所述处理电路在所述预定时间段内无法检测到所述接线状态参数，则保持所预先设置的错误接线指示。
7.根据权利要求6所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，如果错误接线指示存储在所述接线状态寄存器中，所述处理电路经配置以响应于检测到跳闸刺激而读取所述接线状态寄存器，并且将所述错误接线状态信号提供给所述断路器。
8.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，进一步包括至少一个用户可接触按钮元件，所述按钮元件经配置以将所述复位刺激以及所述跳闸刺激施加给所述断路器。
9.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，所述接线状态寄存器由电子存储装置来实施。
10.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，所述接线状态寄存器由电容器兀件来实施。
11.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，所述接线状态寄存器以及所述处理电路在单个集成封装中实施。
12.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，所述处理电路实施为嵌入式微处理器或状态机。
13.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，所述处理电路实施为信号处理器、RISC处理器、CISC处理器、至少一个专用集成电路、至少一个现场可编程门阵列装置、至少一个定制集成电路，或者上述装置的组合。
14.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，进一步包括接地端，所述接地端经配置以在所述配电系统中端接地线，其中所述处理电路经配置以不时地在所述接地端上传输预定信号，所述处理电路经配置以监控所述电气接线装置对所述预定信号的响应，以检测装置接线状况，所述装置接线状况选自一组装置接线状况，该组装置接线状况包括所述错误接线状况、所述正确接线状况、反极性状况，或断开接地状况。
15.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，所述处理电路经配置以不时地执行所述保护性电路组件的装置完整性测试，所述处理电路经配置以在所述保护性电路组件没有通过所述装置完整性测试时，生成装置完整性故障信号。
16.根据权利要求15所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，进一步包括测试电路，所述测试电路经配置以生成测试信号以作为所述装置完整性测试一部分，所述测试信号在AC电源的周期的预定部分内不时地生成，如果所述保护性电路组件在预定时间段内未能响应所述测试信号，所述处理器则生成所述装置完整性故障信号。
17.根据权利要求16所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，接线确认信号和所述测试信号出现在所述AC电源的不同半周期上。
18.根据权利要求16所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，所述接线确认信号和所述测试信号出现在所述AC电源的相同半周期内。
19.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，进一步包括耦接到测试电路的可手动操作的测试按钮，所述测试电路经配置以响应于所述测试按钮的启动而使所述断路器跳闸，所述处理电路包括用于检测所述测试按钮的所述启动的测试按钮检测器。
20.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，所述断路器进一步包括辅助开关，当所述断路器处于所述复位状态时所述辅助开关位于闭合位置，而当所述断路器处于所述跳闸状态时所述辅助开关位于断开位置。
21.根据权利要求1所述的用于配电系统中的电气接线装置，其特征在于，所述接线状态参数为AC电力线路周期的零交叉，在所述断路器进入所述跳闸状态之后若不存在零交叉，则表示所述错误接线状况。
【文档编号】H02H11/00GK204205588SQ201320735558
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】杜海湖, J·P·海恩斯 申请人:帕西·西姆公司