本發(fā)明一般地涉及斷路器，更具體地說，本發(fā)明涉及接地故障斷路器。

背景技術(shù)：
接地故障斷路器(GFCI)保護產(chǎn)品已在1960年代末推出。此保護受UL標準UL943的規(guī)管并且顯著減少了每年觸電死亡的數(shù)量。之前的研究顯示，某些過期使用的GFCI已經(jīng)失效。該研究開啟了對UL943標準變更的調(diào)查，要求GFCI設(shè)備進行自監(jiān)控(例如，自評估、自測試)，以一種或另一種方式警告用戶保護失效(例如，指示故障)或使自己退出服務(例如，跳閘)，所有這些活動均不會干擾主要的觸電保護功能。自早期開發(fā)以來，接地故障保護一直由模擬電路提供。許多GFCI制造商開始轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)(例如，微處理器)以同時提供接地故障保護和自監(jiān)控功能。微處理器具有一些引人關(guān)注的重要特征。在供電以及在首次供電時執(zhí)行初始化之前，微處理器最初無法提供任何保護。微處理器操作由設(shè)計的編碼化操作集控制，這種編碼操作集通常非常復雜，不能正確地執(zhí)行這些操作會導致無法提供所需保護。UL意識到這點并要求提供保護的產(chǎn)品滿足UL標準UL1998的可靠度及故障模式分析要求。NEMA“GFCIAuto-MonitoringProposal(GFCI自動監(jiān)控提案)”(第6.27.2條(Section6.27.2))要求在聲稱符合特定要求的任何產(chǎn)品上自動監(jiān)控特定的故障模式。為了判定是否遵守有關(guān)自動監(jiān)控功能的條款，需要修改個別GFCI以表示那些可導致GFCI無法根據(jù)此標準對接地故障做出響應的單一組件故障模式。無需考慮焊接電源接觸。除非6.27.3中指出，否則每個樣品都應該使用表示開路組件或短路組件(除非另外指定)的單個修改來改變，下面將在涉及GFCI功能的故障模式中對此作出描述：a)改變接地故障感測組件(電流互感器)。b)通過制造商選擇的下列修改之一改變負責接地故障檢測的集成電路：1.斷開IC的電源引腳連接。2.禁用“時鐘”電路。3.斷開主IC引腳處的信號路徑。4.使信號路徑引腳一次與一個鄰近引腳發(fā)生短路c)改變接地故障檢測電路電源的限流器(例如，降壓電阻器)。d)斷開跳閘螺線管的電路。請參閱6.27.7。例外：希望針對d)項使用GFCI電路斷路器類型。e)斷開提供跳閘螺線管的開關(guān)半導體。請參閱6.27.7。例外：希望針對e)項使用GFCI電路斷路器類型。f)使提供跳閘螺線管的開關(guān)半導體發(fā)生短路。g)改變接地故障檢測電源電路中的單個整流二極管。第6.27.3條規(guī)定：如果根據(jù)電路的工程分析，滿足以下一項或多項標準，則無需測試第6.27.2條中的某些故障模式。該工程分析必須是有關(guān)的各方都接受的。a)故障模式不干擾GFCI對線對地故障做出響應的功能。b)故障模式導致自動符合5.16.4，無需自動監(jiān)控功能幫助。第5.16.4條規(guī)定：針對問題的自動監(jiān)控測試檢測結(jié)果應該是以下一項或多項：a)斷電(跳閘且無法復位)，b)跳閘但可以復位，受制于下一自動監(jiān)控測試周期或重復跳閘，以及c)可視和/或可聽指示，6.27.7允許作為a)或b)的備用。第6.27.7條規(guī)定：作為滿足6.27.5-6.27.6中所述需求的備用，6.27.2中參考6.27.7的故障模式可以符合下面所列的要求。需進行故障模式仿真的代表性GFCI將正確連接到額定線電壓并允許實現(xiàn)穩(wěn)定。需要執(zhí)行手動操作的監(jiān)控測試，之后操作復位按鈕。在滿足以下條件之一的情況下，每個代表性GFCI都應被視為滿足第6.26款的要求。a)GFCI以可視或可聽的方式指示它是否未中斷到所有負載的電路。b)GFCI中斷到所有負載的電路或者不允許在每次復位時將電力施加到任何負載。存在改進諸如接地故障斷路器之類的電氣開關(guān)裝置的空間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
這些以及其它需求通過本發(fā)明的實施例滿足，本發(fā)明利用模擬電路同時提供自監(jiān)控和接地故障保護。根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種故障安全接地故障斷路器包括：可分離接觸件；操作機構(gòu)，其被構(gòu)造為斷開和閉合所述可分離接觸件；以及接地故障跳閘電路，其包括具有電源輸入端的模擬接地故障電路，以及以下一定數(shù)量的項：(a)接地故障感測電流互感器，與所述接地故障感測電流互感器串聯(lián)電連接的第一電阻器，與所述第一電阻器和所述接地故障感測電流互感器的串聯(lián)組合并聯(lián)電連接的電容器，以及電連接在所述模擬接地故障電路的電源輸入端與位于所述第一電阻器與所述電容器之間的公共連接點之間的第二電阻器，(b)與所述操作機構(gòu)協(xié)作并被構(gòu)造為使所述可分離接觸件跳閘斷開的跳閘致動器，以及包括與所述模擬接地故障電路的所述電源輸入端電互連的陰極以及與所述跳閘致動器電互連的陽極的齊納二極管，(c)與所述操作機構(gòu)協(xié)作并被構(gòu)造為使所述可分離接觸件跳閘斷開的跳閘螺線管，雙向發(fā)光二極管，以及與所述雙向發(fā)光二極管串聯(lián)的電阻器，所述電阻器與所述雙向發(fā)光二極管的串聯(lián)組合與所述跳閘螺線管并聯(lián)電連接，以及(d)與所述操作機構(gòu)協(xié)作并被構(gòu)造為使所述可分離接觸件跳閘斷開的第一可控硅整流器，以及與所述操作機構(gòu)協(xié)作并被構(gòu)造為使所述可分離接觸件跳閘斷開的第二可控硅整流器，所述第二可控硅整流器與所述第一可控硅整流器并聯(lián)，其中所述接地故障跳閘電路被構(gòu)造為與所述操作機構(gòu)協(xié)作并響應于接地故障跳閘狀況和以下一定數(shù)量的項的狀況而使所述可分離接觸件跳閘斷開：(a)所述接地故障感測電流互感器的開路故障，(b)所述模擬接地故障電路的所述電源輸入端的開路故障，(c)所述跳閘螺線管的開路故障，以及(d)一定數(shù)量的所述第一可控硅整流器和所述第二可控硅整流器的開路故障或閉路故障。所述接地故障跳閘電路可以進一步包括與第二電阻器并聯(lián)的第一電阻器，最近這樣的第一電阻器和最近這樣的第二電阻器的并聯(lián)組合電連接在電源與所述模擬接地故障電路的所述電源輸入端之間。所述接地故障跳閘電路可被構(gòu)造為與所述操作機構(gòu)協(xié)作并響應于所述接地故障跳閘狀況和所述一定數(shù)量的所述第一可控硅整流器和所述第二可控硅整流器的開路故障而使所述可分離接觸件跳閘斷開。所述接地故障跳閘電路可被構(gòu)造為與所述操作機構(gòu)協(xié)作并響應于所述接地故障跳閘狀況和所述一定數(shù)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閉路故障而使所述可分離接觸件跳閘斷開。所述模擬接地故障電路可以進一步具有電壓反饋輸入端；以及所述接地故障跳閘電路可被構(gòu)造為與所述操作機構(gòu)協(xié)作并響應于所述接地故障跳閘狀況和所述電壓反饋輸入端的開路故障而使所述可分離接觸件跳閘斷開。所述模擬接地故障電路可以進一步具有運算放大器輸出端；所述接地故障跳閘電路可以包括具有次級繞組的電流互感器，與所述次級繞組并聯(lián)電連接的第一電容器，以及第二電容器；其中所述第二電容器可以電連接在所述運算放大器輸出端與位于所述第一電容器與所述第二電容器之間的公共連接點之間；以及所述接地故障跳閘電路可被構(gòu)造為與所述操作機構(gòu)協(xié)作并在流過所述電流互感器的差動接地故障電流大于約1mA的情況下，響應于所述接地故障跳閘狀況和所述運算放大器輸出端的開路故障而使所述可分離接觸件跳閘斷開。作為本發(fā)明的另一方面，一種故障安全接地故障斷路器包括：可分離接觸件；操作機構(gòu)，其被構(gòu)造為斷開和閉合所述可分離接觸件；接地故障跳閘電路，其包括具有電源輸入端的模擬接地故障電路，以及以下多項：(a)接地故障感測電流互感器，與所述接地故障感測電流互感器串聯(lián)電連接的第一電阻器，與所述第一電阻器和所述接地故障感測電流互感器的串聯(lián)組合并聯(lián)電連接的電容器，以及電連接在所述模擬接地故障電路的電源輸入端與位于所述第一電阻器與所述電容器之間的公共連接點之間的第二電阻器，(b)與所述操作機構(gòu)協(xié)作并被構(gòu)造為使所述可分離接觸件跳閘斷開的跳閘致動器，以及包括與所述模擬接地故障電路的所述電源輸入端電互連的陰極以及與所述跳閘致動器電互連的陽極的齊納二極管，(c)與所述操作機構(gòu)協(xié)作并被構(gòu)造為使所述可分離接觸件跳閘斷開的跳閘螺線管，雙向發(fā)光二極管，以及與所述雙向發(fā)光二極管串聯(lián)的電阻器，所述電阻器與所述雙向發(fā)光二極管的串聯(lián)組合與所述跳閘螺線管并聯(lián)電連接，以及(d)與所述操作機構(gòu)協(xié)作并被構(gòu)造為使所述可分離接觸件跳閘斷開的第一可控硅整流器，以及與所述操作機構(gòu)協(xié)作并被構(gòu)造為使所述可分離接觸件跳閘斷開的第二可控硅整流器，所述第二可控硅整流器與所述第一可控硅整流器并聯(lián)，其中所述接地故障跳閘電路被構(gòu)造為與所述操作機構(gòu)協(xié)作并響應于接地故障跳閘狀況和以下多項狀況而使所述可分離接觸件跳閘斷開：(a)所述接地故障感測電流互感器的開路故障，(b)所述模擬接地故障電路的所述電源輸入端的開路故障，(c)所述跳閘螺線管的開路故障，以及(d)一定數(shù)量的所述第一可控硅整流器和所述第二可控硅整流器的開路故障或閉路故障。附圖說明當結(jié)合附圖閱讀下面對優(yōu)選實施例的描述時，可以全面地理解本發(fā)明，其中：圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的接地故障斷路器的框圖。圖2是圖1中的接地故障斷路器的接地故障跳閘電路的示意性框圖。具體實施方式如在此使用的那樣，術(shù)語“數(shù)量”應該表示1或大于1的整數(shù)(即，多個)。如在此使用的那樣，陳述兩個或更多個部件“連接”或“耦合”在一起應該表示這些部件直接連接或者通過一個或多個中間部件連接在一起。進一步地，如在此使用的那樣，陳述兩個或更多個部件“附著”應該表示這些部件直接連接在一起。本發(fā)明結(jié)合模擬接地故障集成電路進行描述，盡管本發(fā)明可應用于大范圍的不同模擬接地故障電路?，F(xiàn)在參考圖1，故障安全接地故障斷路器(GFCI)2包括可分離接觸件4、被構(gòu)造為斷開和閉合可分離接觸件4的操作機構(gòu)6，以及接地故障跳閘電路8。接地故障跳閘電路8包括模擬接地故障電路，例如具有電源輸入端(+Vs)12的模擬接地故障集成電路實例10，以及以下電路14、26、36、44中的一種、多種或全部。第一電路14包括接地故障感測電流互感器16(T1)，與接地故障感測電流互感器16進行串聯(lián)電連接的第一電阻器18，與第一電阻器18和接地故障感測電流互感器16的串聯(lián)組合進行并聯(lián)電連接的電容器20，以及電連接在模擬接地故障集成電路10的電源輸入端12與位于第一電阻器18和電容器20之間的公共連接點24之間的第二電阻器22。第二電路26包括與操作機構(gòu)6協(xié)作并被構(gòu)造為使可分離接觸件4跳閘斷開的跳閘致動器28，以及包括與模擬接地故障集成電路10的電源輸入端12進行電互連的陰極32以及與跳閘致動器28進行電互連的陽極34的齊納二極管30。第三電路36包括與操作機構(gòu)6協(xié)作并被構(gòu)造為使可分離接觸件4跳閘斷開的跳閘螺線管38，雙向發(fā)光二極管40，以及與雙向發(fā)光二極管40進行串聯(lián)的電阻器42，電阻器42與雙向發(fā)光二極管42的串聯(lián)組合與跳閘螺線管38進行并聯(lián)電連接。第四電路44包括與操作機構(gòu)6協(xié)作并被構(gòu)造為使可分離接觸件4跳閘斷開的第一可控硅整流器(SCR)46，以及與操作機構(gòu)6協(xié)作并被構(gòu)造為使可分離接觸件4跳閘斷開的第二SCR48，第二SCR48與第一SCR46進行并聯(lián)。接地故障跳閘電路8被構(gòu)造為與操作機構(gòu)6協(xié)作并響應于接地故障跳閘狀況和以下一定數(shù)量的項的狀況而使可分離接觸件4跳閘斷開：(a)接地故障感測電流互感器16的開路故障，(b)模擬接地故障集成電路10的電源輸入端12的開路故障，(c)跳閘螺線管38的開路故障，以及(d)一定數(shù)量的第一SCR46和第二SCR48的開路故障或閉路故障。作為非限制性實例，模擬接地故障集成電路實例10為RV4145IC，這是FairchildSemiconductorCorporationofSanJose,California(位于加州圣何塞的FairchildSemiconductorCorporation)推出的Fairchild低功率接地故障斷路器。如圖所示，接地故障跳閘電路實例8包括與另一電阻器52進行并聯(lián)的電阻器50，這些電阻器50、52的并聯(lián)組合電連接在GFCI電源54與模擬接地故障集成電路10的電源輸入端12之間。如果電阻器50、52之一發(fā)生故障，將有足夠的電流到達電源輸入端12。模擬接地故障集成電路實例10進一步具有電壓反饋輸入端(VFB)56并被構(gòu)造為與操作機構(gòu)6協(xié)作并響應于接地故障跳閘狀況和電壓反饋輸入端56的開路故障而使可分離接觸件4跳閘斷開。模擬接地故障集成電路實例10進一步具有運算放大器輸出端58(OpAmp輸出端)。接地故障跳閘電路實例8進一步包括具有次級繞組62的電流互感器60，與次級繞組62進行并聯(lián)電連接的第一電容器64，以及第二電容器66。第二電容器66電連接在運算放大器輸出端58與位于電容器64、66之間的公共連接點68之間。接地故障跳閘電路8被構(gòu)造為與操作機構(gòu)6協(xié)作并在流過電流互感器60的差動接地故障電流大于約1mA的情況下，響應于接地故障跳閘狀況和運算放大器輸出端58的開路故障而使可分離接觸件4跳閘斷開。來自電流互感器16、60的信號與電壓反饋(VFB)輸入端56進行耦合。相應放大器的增益通過設(shè)定跳閘電平的反饋電阻器設(shè)定。接地故障跳閘電路8被構(gòu)造為與操作機構(gòu)6協(xié)作并響應于接地故障跳閘狀況和第一SCR46和/或第二SCR48的開路故障或閉路故障而使可分離接觸件4跳閘斷開。接地故障感測電流互感器16(T1)的開路由兩個電阻器18、22(例如但不限于510kΩ；任何適當?shù)闹?、電容器20(例如但不限于0.1uF；任何適當?shù)闹?以及跨電容器72的二極管70進行感測。這是安全故障模式。在正常操作期間，來自兩個電阻器18、22的電流通過電流互感器16(T1)繞組轉(zhuǎn)移到接地故障集成電路10基準電壓(VREF)輸入端74，第一電阻器18中沒有任何電流流入接地故障集成電路10輸入電壓(VFB)輸入端56。但是，如果電流互感器16(T1)繞組斷開，則第一電阻器18的電流經(jīng)過二極管70流入接地故障集成電路10輸入電壓(VFB)輸入端56，然后被放大且被檢測為跳閘狀況，從而導致GFCI2瞬間跳閘。如果IC電源輸入端12遇故障斷開(例如，典型的故障模式)，則檢測到斷開模擬接地故障集成電路10的電源輸入端12的連接，并通過齊納二極管30(例如但不限于30V；任何適當?shù)闹?產(chǎn)生瞬間跳閘。如果IC電源輸入端12處于開路狀態(tài)，則該節(jié)點上的電壓增加，直到齊納二極管30傳導來自并聯(lián)電阻器50、52的電源電流并將該電流分流到兩個SCR46、48的柵極以造成瞬間跳閘。這是安全故障模式。接地故障集成電路10輸入電壓(VFB)輸入端56處輸入信號路徑的開路等同于斷開IC電源輸入端12并產(chǎn)生瞬間跳閘。運算放大器輸出端58處輸出信號路徑的開路將在任一接地故障電流高于約1mA時導致瞬間跳閘。這是安全故障模式。輸入端56或輸出端58的開路都將導致開路環(huán)增益，從而增加敏感性。使電源輸入端12引腳一次與IC10的一個鄰近(為簡化說明，在圖2中未示出為鄰近)引腳(OpAmp輸出端58或SCR觸發(fā)器59)發(fā)生短路導致瞬間跳閘。類似地，使電壓反饋輸入端56引腳與其鄰近的IC10的引腳(+輸入端57)發(fā)生短路導致瞬間跳閘。希望針對諸如38之類的跳閘螺線管的開路故障使用電路斷路器。如果跳閘螺線管38繞組遇故障斷開，則沒有斷開GFCI2的機構(gòu)。但是，當跳閘螺線管38處于開路狀態(tài)時，所公開的電路36使用跨跳閘螺線管38的電阻器78流出的電流點亮雙向LED40，從而指示故障。跳閘螺線管38一般使兩個電源電阻器50、52拉動的電流發(fā)生短路。在這種狀況下，LED40指示開路繞組狀態(tài)。通常，在沒有跳閘的狀況下，跨跳閘螺線管38的電壓是線電壓的約1/1000(電源電阻器實例50、52例如但不限于約39kΩ，跳閘螺線管38電阻例如但不限于約24Ω)或者約0.12VAC。該電壓太低，無法使LED40傳導電流和發(fā)光。但是，如果跳閘螺線管38繞組處于開路狀態(tài)，則所有電源電流(例如但不限于約5mA)嘗試流過LED40，因為當跳閘螺線管38繞組處于開路狀態(tài)時，這是備用路徑。該電源電流導致LED40發(fā)光，從而指示GFCI2發(fā)生故障。使用第一SCR46和相并聯(lián)的第二SCR48提供SCR開路狀況下的保護。使用與第一SCR46基本保持并聯(lián)關(guān)系的第二SCR48在兩個SCR46、48之一每次處于開路狀態(tài)時提供跳閘。GFCI2通過該故障模式正常工作。使兩個SCR46、48中的任一者發(fā)生短路導致GFCI2瞬間跳閘，這是安全故障模式。針對跳閘SCR46、48，以及電源降壓電阻器50、52提供冗余。如果SCR46、48或電阻器50、52發(fā)生單一故障，則GFCI2仍舊100％起作用。另外，提供柵極電阻器80、82(例如但不限于1kΩ；任何適當?shù)闹?，以使SCR操作獨立于其它SCR的功能狀態(tài)。短路的SCR是故障安全狀況，因為GFCI2在閉合時候會瞬間跳閘。模擬IC10不帶時鐘，因此，不應用相應的測試。電源電阻器50或52的故障模式為開路故障。通過提供該電源降壓電阻器功能的冗余來維持保護。兩個電阻器50、52(例如但不限于39KΩ；任何適當?shù)闹?并聯(lián)使用。如果一個電阻器50、52遇故障斷開，則另一電阻器50、52繼續(xù)提供電源電流。GFCI2通過該故障模式正常工作。本發(fā)明包括廣泛接受的冗余使用以消除因單一錯誤故障而造成的失去保護。通過短路改變GFCI電源54中的單個整流器二極管84導致瞬間跳閘。這是安全故障模式。電源整流器二極管84之一處于開路狀態(tài)導致正常工作。GFCI2通過該故障模式正常工作。此處公開的各種GFCI故障通過GFCI產(chǎn)品中的主要故障機制NEMA判定。在此處公開的實例之外的所有情況下，故障導致故障安全跳閘狀況。在其它實例中，當跳閘螺線管38繞組遇故障斷開時，雙向LED40向用戶指示或警示繞組處于開路狀態(tài)。盡管示出模擬接地故障集成電路實例10，但是將理解，可以采用其它多種模擬接地故障電路。其它非限制性實例在公開號為2009/0086387和2006/0018059的美國專利申請中進行描述。雖然詳細描述了本發(fā)明的特定實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，根據(jù)本發(fā)明的全部教導，可以對這些詳細描述做出各種修改和替換。因此，所公開的特定配置僅出于示意的目的，并非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍包含所附權(quán)利要求及其所有等同物的全部涵蓋范圍。參考標號列表2故障安全接地故障斷路器(GFCI)4可分離接觸件6操作機構(gòu)8接地故障跳閘電路10模擬接地故障集成電路12電源輸入端(+Vs)14第一電路16接地故障感測電流互感器(T1)18第一電阻器20電容器22第二電阻器24公共連接點26第二電路28跳閘致動器30齊納二極管32陰極34陽極36第三電路38跳閘螺線管40雙向發(fā)光二極管42電阻器44第四電路46第一可控硅整流器(SCR)48第二SCR50電阻器52電阻器54GFCI電源56電壓反饋(VFB)輸入端57+輸入端58運算放大器輸出端(OpAmp輸出端)59SCR觸發(fā)器60電流互感器62次級繞組64第一電容器66第二電容器68公共連接點70二極管72電容器74基準電壓(VREF)輸入端78電阻器80柵極電阻器82柵極電阻器84整流器二極管