[发明专利]集成的电弧故障和接地故障电流感测封装件

说明书

本申请涉及集成的电弧故障和接地故障电流感测封装件。例如在小型电路断路器中的用于电弧故障感测电路中断器的线路功率和中性导体被布置为在穿过接地故障中断器电流互感器时包围并保持绝缘柔性导体的刚性导体。电压测量在刚性导体两端发生，以使能在小型电路断路器中在单个电流互感器的空间内进行电弧故障检测和接地故障检测。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及在本文被统称为“电弧故障检测”电路断路器或中断器的、利用接地故障感测作为故障检测方法的一部分的双功能(电弧故障和接地故障)电路中断器或电弧故障断路器，并且特别涉及在住宅使用中最常见的这种电弧故障感测小型电路断路器和输出插座。

2.技术讨论

图1示出了接地故障中断器类型的已知电路断路器10的基础，其中有线路功率电流路径(line power current path)11的示意性表示。线路电流路径在断路器10的线路功率端子13处开始，并继续通过可分离触头15和环形电流互感器电流传感器(toroidalcurrent transformer current sensor)17到达负载端子18，该负载端子18接线到在这里被表示为电机的分支负载22。电路断路器10的机械“侧”或部分16包含热和磁跳闸单元19，通常分别是双金属片(bimetal)和磁轭组件，其为用于在过电流状况的情况下使触头15跳闸、即分离的部件。

电弧故障感测电路断路器10的电子“侧”或部分20包含以电流互感器17的形式的电流传感器以及用于接地故障事件的评估的相关电子设备(electronics)21。电子设备21控制致动器23，致动器23一般是螺线管，其功能也是使可分离触头15跳闸并从负载22移除电力。

来自负载22的返回中性电流路径24从负载22行进到中性端子28通过电流互感器电流传感器17，并出来到中性回路导线26。应该认识到，在中性型断路器上的插头将具有端子夹而不是所示的引出导线。

当功率导体和中性导体被布设穿过接地故障电流互感器17的传感器外壳时，功率导体和中性导体的电流流动方向相反。每个载流导体将产生符合用于确定通量方向的“右手法则”的磁通量。当两个导体在相反的方向携带相同电平(level)的电流时，一个导体的通量将抵消来自另一个导体的通量。这于是具有零的净通量值。如果有相等的电流离开并然后通过接地故障电路断路器返回，则接地故障传感器将不输出信号。如果在电路导线中存在电流的不平衡，则接地故障中断器传感器将输出与电流不平衡成比例的电流，且如果该不平衡超过预定阈值，则接地故障电路断路器将检测到接地故障的存在并中断电路。

接地故障中断器传感器的一个公认的问题是，如果导体没有正确地定位在传感器中，即使通过导体路径的总电流是平衡的，在整个电流传感器组件中的不均匀磁场也可导致来自电流传感器的输出电流。结果是电流传感器输出的不准确，其被称为负载转移误差。通常，当主导体(线路导体和中性导体)穿过接地故障电流互感器时，通过扭转主导体来补偿这种误差。例如通过Misencik的美国专利3,725,741提出了用刚性管状外导体代替双绞线(twisted pair of)的主导体(线路导体和中性导体)，该刚性管状外导体围绕穿过接地故障中断器电流互感器的孔的绝缘柔性导体。

在双功能(DF)电路断路器中，接地故障中断器(GFI)功能和电弧故障中断器(AFI)功能都被包括。因此，在已知技术中，通常添加另一个电流互感器(未示出)来测量指示电弧故障事件的电流异常。初级电流导体之一，即线路或中性电流导线被布设通过接地故障和电弧故障电流互感器，另一条导线仅通过接地故障传感器。当然，包含电流互感器和布设导线的可用空间在小型电路断路器的范围内受到重视。在已知技术中，还提出测量已经存在的导体两端的电压降以检测电弧故障电流异常。Mason Jr.等人的美国专利6,232,857提出了在电弧故障中断器电路断路器中的热阻跳闸单元的双金属片可用于检测这种电弧故障电流。

发明概述