剩余电流装置

剩余电流装置

本发明涉及一种具有改进的功能特性的剩余电流装置，例如剩余电流电路断路器。

一般地说，剩余电流装置是一种适用于在发生剩余电流时直接地或间接地切断电路中的电流的装置。剩余电流装置的一种典型的例子是剩余电流电路断路器，下面针对这个特定的例子进行说明，但这并不限制按照本发明的装置的应用范围。

众所周知，剩余电流电路断路器是一种用于交流电路的自动电路断路器，其在电路导体中的电流的矢量和(在正常情况下是0)超过一个预定值时断开。所述电路断路器的主要特性是能够达到极短的断开和闭合时间。剩余电流电路断路器一般用于阻止金属部件，例如电气设备的外壳以及和具有合适的接地电阻的接地系统相连的被保护区域的金属物件带电，因而实现间接的保护。此外，如果所述电路断路器足够灵敏和快速，在一些情况下它们也能提供保护而避免和通常带电的部件接触，因而提供直接保护。

图1示意地表示一种剩余电流电路断路器。所述电路断路器包括用于检测剩余电流的检测器1，其一般由磁芯和二次绕组4构成，在磁芯中穿过中线2和相线3，所述中线和相线和负载(未示出)相连，并且在存在故障电流时，在二次绕组4两端便产生电压。如果发生接地故障电流，在二次绕组两端产生的电压通过合适的电子耦联系统5被提供给启动器6，耦联系统5位于检测器1和启动器6之间。接着，启动器启动释放或跳闸机构7，断开电路断路器的触点8和9，从而切断电源。

常规的剩余电流电路断路器的一个主要缺点在于，当前使用的启动器是电磁型的，一般是去磁型的电磁继电器。这些继电器实际上对磁场是敏感的，这可以引起若干缺点，例如，磁场的存在可能引起启动器的误启动，或者外部磁场可能改变电磁继电器的磁化状态，因而改变剩余电流电路断路器的灵敏度，对其性能产生不利影响。

另一个缺点在于，电磁启动器具有对撞击和振动敏感的复杂的机械结构，这导致对电路断路器的不适时的干扰，对其可靠性带来不利影响。此外，电磁启动器的成本高。

本发明的目标在于提供一种对外部磁场不敏感的剩余电流装置，使得避免不适时的干扰。

在这一目标的范围内，本发明的目的在于提供一种剩余电流装置，其包括结构简单且对撞击和振动不敏感的启动器，从而改善电路断路器的性能和总体可靠性。

本发明的另一个目的在于提供一种剩余电流装置，其可靠性高，容易制造，并且成本低。

所述的目标、目的和下面将会看出的其它方面是通过一种剩余电流装置实现的，所述剩余电流装置包括一个启动器，其在操作上和运动装置相连，用于在由检测器检测到接地故障电流时打开触点，其特征在于，所述启动器包括双稳态金属元件，其在操作上和所述运动装置相连，并且至少一个压电元件和所述双稳态金属元件耦联，所述压电元件被由于检测到所述故障电流而产生的电信号激励，并使金属元件从第一个稳定的平衡位置运动到第二个稳定的平衡位置，借助于所述运动，双稳态金属元件启动所述运动装置；所述装置还包括复位装置，其适用于使双稳态金属元件在触点再次闭合之前返回第一稳定的平衡位置。

用这种方式，通过使用压电启动器，按照本发明的装置成为对外部磁场不敏感的，因而避免了不适时的和不希望的跳闸。

按照本发明的装置的特点和优点从下面结合附图对非限制性的实施例进行的详细说明将会更加清楚，其中：图1是剩余电流电路断路器的方块图；图2是可以应用于按照本发明的剩余电流装置中的启动器的第一图7是可以应用于按照本发明的剩余电流装置中的启动器的第五参见图1，剩余电流电路断路器包括启动器6，其在操作上和运动装置7相连，用于在由检测器1检测到接地故障电流时打开电路断路器的触点8和9。

在按照本发明的装置中，启动器6有利地包括双稳态金属元件，其在操作上和运动装置7相连，并且至少一个压电元件在操作上和双稳态金属元件相关。如果发生接地故障电流，在检测器1的二次绕组4中产生的电压或者直接地或者最好通过检测器1和启动器6之间的电子耦联系统5被加于压电元件。因加电而致动的压电元件产生形变，引起双稳态金属元件从第一个稳定的平衡位置运动到第二个稳定的平衡位置。通过这一运动，双稳态金属元件把运动传递到运动装置7，后者打开触点，因而切断电源。

在第一实施例中，如图2所示，启动器6包括由金属薄层11构成的双稳态元件，其中第一端被连接到支撑本体20，例如断路器的壳体；适当的压力装置作用到金属薄层11的第二端，其和第一端相对且基本上平行，使得金属薄层被保持在第一稳定平衡位置处于加载状态。所述的压力装置例如包括被固定在金属薄层的第二端的邻接元件13和被设置在支撑元件20与邻接元件13之间的加载弹簧12。至少一个压电元件10被有利地设置和邻接元件13接触。在优选实施例中，压电元件10是双压电晶片元件，即其由两个相互平行的压电材料层构成。用这种方式，当施加电应力时，一个压电元件层由于收缩而变形，而另一个由于伸长而变形。如图2所示，作为一个电极的元件30被设置在两个压电层之间。

在接地故障的情况下，压电元件10或者直接地或者最好通过电子耦联系统5被加上由电流检测器1的二次绕组产生的电压。电源使构成压电元件10的两层变形；这使得保持金属元件11的负载力减少到其临界门限以下，所述临界门限是这样一个门限，超过该门限时，金属元件就从由实线所示的第一稳定平衡位置运动到虚线所示的第二稳定平衡位置。

从第一位置向第二位置的运动启动启动元件14，例如销钉，这意味着启动运动装置7，打开由剩余电流装置保护的电路的触点。

如图3所示，在按照本发明的装置中使用的启动器的第二实施例中，由标号111表示的双稳态金属薄层基本上呈M形。具体地说，薄层111具有两个端部，其基本上是直的，并且相互平行，并被固定到支撑元件120上，以及一个弧形的中央部分，其实际上和图1的薄层11的结构相同。用这种方式，薄层111被设置在第一稳定平衡位置，使得不需要使用弹簧12和邻接元件13。弧形的中央部分的一个表面上具有两个相互分开的压电元件100，每个元件由一个或几个压电材料层构成。在这种情况下，当由于故障电流而加上电压时，压电元件100就产生变形，把弯曲运动传递到金属薄层111，其从初始的稳定位置转换到第二稳定平衡位置，如虚线所示，因而启动启动元件14。此外，在这种情况下，也可以把压电材料层设置成一个相互的双压电晶片结构。

图4是启动器6的第三实施例的结构，其中由金属材料制成的薄层由标号211表示，其借助于被设置在外支撑体220的两个L形元件之间的压力弹簧212被保持在第一稳定平衡位置。

在这种情况下，压电元件由两对压电材料层构成，分别由标号200a，200b表示，它们彼此面对，并具有被设置在其间的薄层211，如图5的详细图所示。

图6说明启动器6的第四实施例，其和图4的实施例的区别在于，在由标号311表示的由金属材料制成的薄层的同一个表面上，设置有由标号300表示的第一压电元件和第二压电元件，它们在所述薄层的表面上相互分开。

图7是启动器6的第五实施例，其和图3的实施例的区别在于，其具有被设置在M形的薄层411的基本上直的部分上的两个压电元件400。

图8说明在本发明的剩余电流装置中使用的启动器6的第六个特别优选的实施例。在这种情况下，薄层511具有两个基本上平行的端部，它们最好通过互锁连接被固定到支撑元件520上，例如断路器的壳体，两个压电元件500被固定在一个所述平行端部的两个相对的表面上，并被设置成互为双压电晶片的结构，也至少部分地被固定在所述支撑上。用这种方式，薄层被保持在第一稳定位置，如图8的实线所示；当发生接地故障时，压电元件500被前述的电源电压激励，通过产生变形使薄层从第一稳定平衡位置转换到第二稳定平衡位置，如图8的虚线所示。由于压电元件也至少部分地被固定在支撑上，所以实际上发生压电元件和薄层的刚性的相互耦合，其中压电元件作为一个枢轴，使得弯曲运动只被最佳地传递到自由的薄层的有用部分。

在由第一稳定平衡位置转换到第二稳定平衡位置时，薄层启动一个启动元件，例如销钉14，这意味着启动运动装置7，打开被剩余电流装置保护的电路的触点。

如图9和10所示，薄层511在其结构中有利地包括一个或几个工作铰链(functional hinge)530，其借助于局部减少其横截面积被获得。具体地说，所述铰链或者通过具有合适形状的缺口被提供，所述缺口通过除去合适形状的材料而被获得，如图10所示，或者通过减少薄层的厚度被提供，例如通过层压加工或放电加工，如图9所示。铰链530可以被形成在接近和压电元件500相连的薄层部分、接近和支撑刚性连接的薄层511的相对端的位置，或者在上述两个所述区域形成，并且具有两种功能：在不和压电元件500相连的一端附近，其有助于薄层从第一平衡位置向第二平衡位置的最佳的运动；接近压电元件处，具有使薄层稳定在两个选择的平衡位置的功能。此外，在两个区域同时具有铰链使得两个铰链可以相互协同操作，从而完成上述功能。

显然，本实施例的铰链以及薄层和压电元件的固定，可以用于上述所有的实施例中。

本发明的另一个有利的方面在于，薄层的两端以两个位置被固定在支撑520上，所述两个位置相对于薄层在未变形状态下的中平面550被相互错开。这种方法能够使得薄层从第一平衡位置转换到第二平衡位置所需的能量最小，并且能够以最佳的方式利用可以由故障获得的有限的能量。

此外，在这种情况下，金属薄层511的运动启动销钉14，以便把运动和力传递到运动装置7，用于打开触点。按照本发明的剩余电流装置有利地包括复位装置，其能够使启动器复位，因此，在触点被再次闭合之前使所述装置为新的干预作好准备。

所述复位装置可以通过使用销钉14被获得，具有一定形状的头15和销钉14相连，所述的头具有适用于使所述启动器进行正确复位所需的形状。在这种情况下，伴随所述销钉通过例如被杠杆控制的返回弹簧16被弹回，复位可以在启动之后立即实现，从而恢复继续供电，所述杠杆例如可以是用于再次闭合电路断路器触点的杠杆。当电路断路器断开时，杠杆和弹簧16脱离，弹簧16将其能量直接地或者通过插入为此目的而设置的传递机构传递给销钉14。由于销钉14的运动，以及头15的几何形状和薄层的表面相匹配，因而使薄层准确地运动到第一稳定平衡位置。在此位置，启动器为新的干预作好准备。

如图11示意地表示的，在启动器复位装置的另一个实施例中，销钉14只用于把运动和力传递给用于打开触点的运动系统。在这种情况下，复位功能由其枢轴在启动器的支撑520上的凸轮521完成。实际上，例如通过在用于使电路断路器的主触点闭合的杠杆上施加力而使装置复位时，杠杆的转动例如通过未示出的两个划轮传递给凸轮521，一个划轮被设置在闭合杠杆的轴上，另一个划轮被设置在凸轮的转轴上。借助于使凸轮521绕其本身的轴沿箭头522的方向转动，使其和薄层511接触，迫使压电元件500的端部向下弯曲，所述弯曲足以超过为恢复用于脱扣的操作条件所需的值。与此同时，凸轮的头部沿着薄层运动，借助于由此施加的推力的正切分量，帮助实现再加载作用，不会对压电元件的截面施加过大的力，因此避免可能的断裂。当凸轮仍然向薄层施加推力，从而把压电元件的端部保持超过正确复位所需的弯曲程度，这样便可以实现薄层的速动作用。一旦发生使薄层复位的速动作用，凸轮便运动而和薄层脱离接触，因而使压电元件返回其操作状态，为下一次干预作好准备。在复位操作结束时，凸轮已经转动360度，从而准备好薄层的下一次复位，并使其处于一个这样的位置，在此位置，其不干扰所述启动器的下一次速动作用。所述的转动可以通过正确地选择用于把来自电路断路器闭合杠杆的运动传递给所述凸轮的机构的尺寸来实现。这种解决方案确保再加载作用对于时间的重复性。此外，借助于凸轮头的合适的形状，可以使凸轮施加到薄层的力的分量达到一个最佳值，从而避免撞击压电元件，对压电元件的撞击可能破坏启动器或者缩短其操作寿命。

复位装置的另一个实施例如图12所示。在这种情况下，在主触点打开期间，销钉14沿在支撑结构520中形成的轨道701运动，并把运动传递给用于打开触点的运动装置7，与此同时，和销钉相关的合适的导向件702运动到用于阻止销钉沿着轨道701的同一部分落回的第一单向弹簧710之外。借助于对主触点的闭合杠杆施加的作用，杠杆的运动通过合适的运动系统被传递到导向件702，导向件702沿着轨道703滑动，直到销钉位于接近压电元件的位置为止。在此位置，销钉头部开始对薄层施加推力。随着杠杆的转动，销钉在轨道703中运动，并且其头部同时沿着所述薄层滑动。因而达到这样一个位置，在此位置，薄层的构型不稳定，因而发生速动作用，返回其初始的稳定平衡位置。一旦复位完成，销钉继续沿着轨道703滑动，并且不再和薄层接触，从而避免在下一次速动作用期间的任何干扰。在运动结束时，销钉处于准备脱扣的操作位置，同时导向件702运动到第二单向弹簧711之外，使得在脱扣期间不能沿着轨道703返回。显然，按照特定的要求，轨道的形状可以不同。

显然，用于使启动器复位的复位装置可以等效的方式用于前述的所有实施例中。

实际上，已经观察到，按照本发明的装置完全实现了所期望的目标和目的，因为其具有一个对外磁场完全不敏感的启动器，因而避免了不适时的干扰。此外，其结构简单，并能够大大增加装置的可靠性，尤其是具有打开操作和复位操作的高的重复性。此外，所述装置可以由剩余电流电路断路器构成，如前所述，或者由一般和热磁电路断路器相连的剩余电流组件构成。

还注意到这样的事实，即本装置的所有的一般功能和本发明的所有方面都可以通过使用以极低的成本从市场上购买的元件和材料来实现。

因而，本装置容易作出多种改变和改型，所有这些，都落在本发明的范围内。所有的细节都可以利用在技术上等效的元件代替。

实际上，按照需要以及本领域的技术状态，所使用的材料和尺寸可以改变，只要符合特定的应用即可。