CN101114554A - 包含选择不同波形临界点开关特性的手动选择器的电路断流器 - Google Patents

包含选择不同波形临界点开关特性的手动选择器的电路断流器 Download PDF

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CN101114554A CNA2007101362940A CN200710136294A CN101114554A CN 101114554 A CN101114554 A CN 101114554A CN A2007101362940 A CNA2007101362940 A CN A2007101362940A CN 200710136294 A CN200710136294 A CN 200710136294A CN 101114554 A CN101114554 A CN 101114554A
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B·R·莱恰
邹廉强
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Abstract

断路器(100)包括多个独立极(101、103、105)。每一独立极包括可分离触点(108)、被构造为检测与可分离触点有效关联的电流和电压的传感器(51，53，55，61，63，65)、被构造为断开以及闭合可分离触点的磁致动的致动器(112)。手动选择器——例如旋转开关(81)——被构造为从多个不同的开关特性中选择波形临界点开关特性。波形临界点控制器(146)与手动选择器以及独立极的传感器及致动器协作，以便按照由手动选择器选择的波形临界点开关特性的功能独立且同步地断开以及闭合独立极的可分离触点。

Description

包含选择不同波形临界点开关特性的手动选择器的电路断流器
与本申请有关的交叉引用
本申请与共同转让、同时提交的下列申请有关：
2006年_月_日提交的、申请号为_/__，名为“Manual OpeningDevice And Electrical Switching Apparatus Employing The Same”的美国专利申请(Attorney Docket No.05-EDP-484)；以及
2006年_月_日提交的、申请号为_/__，名为“CircuitInterrupter Including Point-On-Wave Controller And Voltage Sensors”的美国专利申请(Attorney Docket No.06-EDP-017)。
技术领域
本发明通常涉及电路断流器(circuit interrupter)，尤其是包含由波形临界点(point-on-wave)控制器控制的多个独立极(pole)的断路器(circuit breaker)。
背景技术
电路断流器为电气系统提供保护以防止电流过载和短路等电气故障情况。许多电路断流器包括由弹簧产生动力的操作机构，其对异常情况做出响应地断开电触点以中断经过电气系统的导体的电流，然而，可采用各种各样的机械、机电或其他合适的驱动机构。
真空电路断流器(例如真空断路器、真空自动重接器、其它真空开关装置)包括被布置在绝缘外壳中的可分离触点。真空电路断流器--例如用于操作大约1,000伏以上的系统的电力断路器--典型地将例如真空断流器(vacuum interrupter)(不要与真空电路断流器(vacuum circuitinterrupter)混淆)等真空开关(vacuum switch)(不要与真空开关装置(vacuum switching device)混淆)用作开关元件。
将波形临界点(POW)技术应用于电路断流器，以便降低可分离触点闭合期间的开关瞬变(例如瞬时电流、过度的过电压)并使中断期间的触点腐蚀最小化。这种同步开关装置用于在例如中压和高压系统中降低设备上的开关瞬变并延长电路断流器的寿命。例如，在三极POW断路器中，独立地对三个极进行操作以实现同步开关或POW开关。
已经知道对POW断路器进行定制，以便对下列类型负载中的一个且仅仅一个进行激励或去激励：(1)接地的电容器组；(2)非接地的电容器组；(3)转换开关(transfer switch)(例如对线路电压和负载电压进行同步，使得它们在被连接时处于相同的电压相位角，以便最小化瞬时电流)；(4)变压器；(5)中压电动机控制器；以及(6)并联电抗器(例如，对于接地的高压并联电抗器，三相应当在相到地电压的最大值时被激励)。
当例如电容器组、转换开关、变压器或中压电动机控制器被接通时，会产生瞬时过电压和高的补偿电流。为了减少这些压力，定制的三极POW断路器在线路电压或电流的特殊预定相角处同步操作。这样的POW断路器包含被不同地控制的三个独立的操作机构，以便为特定的对应负载实现定制的POW开关。
已知的中压真空电路断流器采用电压互感器，其具有相对较大的尺寸和重量。这样的电压互感器大而且重，以至于必须被封装在与电动机控制中心外壳或开关装置中的对应电路断流器分离的独立间隔(compartment)中。
已知的POW电路断流器采用定制的机械部件和/或定制的电气部件，以便为一个特定的断开与闭合应用(例如对于接地电容器组)产生对应的一组相角开关特性。换句话说，完全相同的POW电路断流器不能用于为另一个不同的断开与闭合应用(例如对于非接地电容器组、变压器、转换开关、中压电动机控制器)产生不同的一组相角开关特性。
一种已知的三极POW电路断流器采用预编程的POW控制器，该POW控制器驱动三个线性致动器，以便为一个特定的预定断开与闭合应用产生对应的一组相角开关特性。必须将不同的POW控制器用于为另一个不同的断开与闭合应用产生不同的一组相角开关特性。
在使用波形临界点(POW)技术的电路断流器中存在改进的空间。
发明内容
上述需求以及其他需求通过本发明的实施例满足，其提供了一种电路断流器，该电路断流器含有：多个独立极，其包含被构造为断开以及闭合可分离触点的致动器；波形临界点控制器，其被构造为按照由手动选择器从多种不同的开关特性中选择的波形临界点开关特性的功能(function)独立且同步地断开以及闭合独立极的可分离触点。
根据本发明的一个实施形态，电路断流器包含：多个独立极；每个独立极包含可分离触点、至少一个被构造为检测与可分离触点有效关联的电流或电压的传感器以及被构造为断开以及闭合可分离触点的致动器；被构造为从多个不同的开关特性中至少选择波形临界点开关特性的手动选择器；波形临界点控制器，其与手动选择器以及独立极的传感器及致动器协作，按照由手动选择器选择的波形临界点开关特性的功能独立且同步地断开以及闭合独立极的可分离触点。
不同的开关特性可选自：接地电容器组波形临界点开关特性、非接地电容器组波形临界点开关特性以及变压器波形临界点开关特性。
波形临界点控制器可包含非波形临界点模式，且手动选择器可被进一步构造为选择非波形临界点模式。对于所述不同的开关特性中的一些，波形临界点控制器可独立且同步地断开以及闭合独立极的可分离触点，并且，对于非波形临界点模式，波形临界点控制器可在大约第一相同时刻断开所有独立极的可分离触点或在大约第二相同时刻闭合所有独立极的可分离触点。
手动选择器可以为包含与不同开关特性对应的多个不同旋转位置的旋转开关。
附图说明
结合附图阅读下文中对优选实施例的介绍可得到对本发明的全面理解，在附图中：
图1为根据本发明一实施例的波形临界点(POW)断路器及其手动选择器的前侧立体图；
图2为图1的POW断路器的前侧的纵向正视图；
图3为图1的断路器操作机构以及手动断开装置的侧向正视图，其示出了在操作手柄位于其正常位置的情况下位于其闭合位置的一个磁致动器以及对应的极轴；
图4-6为分别对于接地电容器组、非接地电容器组和变压器的三相源电压、三相致动器控制信号以及三相可移动触点轨迹(travel)的图；
图7为用于图1的POW断路器的POW控制器的手动旋转开关选择器以及接口电路的原理框图；
图8A-8B构成了图1的POW断路器的POW控制器、跳闸单元以及三个电磁致动器控制器的布线的框图；
图9为图7的POW控制器的POW逻辑的框图；
图10-12分别为图7的POW控制器的关断、开启以及跳闸程序的流程图；
图13根据本发明另一实施例的POW断路器的立体图；
图14-17为根据本发明其他实施例的POW控制器及其手动选择器的框图。
具体实施方式
这里使用的方向术语--例如左、右、顺时针、逆时针及其派生含义--与附图所示元件的定向有关，除非在这里明确指出，否则不对权利要求构成限制。
这里采用的术语“紧固件”指的是任何合适的连接、固定或紧固机构，其明确地包括但不限于螺栓、螺钉、螺钉与螺母(例如但不限于闭锁螺母)的组合以及螺钉、垫圈与螺母的组合。
这里采用的两个或两个以上部件被“耦合”在一起的陈述意味着这些部件直接接合或通过一个或一个以上的中间部件接合。
这里采用的术语“多个”意味着一个或多于一个的整数个(即复数个)。
这里采用的术语“集成”意味着一个部件与另一个部件形成为一个单元。
本发明与具有三个独立极的磁致动中压真空断路器相关联地公开，然而，本发明可应用于含有适用于多种电压并由多种适合的致动机构致动的、任何合适数量的基于真空或非基于真空的可分离触点的多种电路断流器(例如但不限于自动重接器、电路开关装置以及其他断流器，如接触器、电动机起动器、电动机控制器以及其他负载控制器)。
参照图1，电路断流器--例如中压真空断路器100--包含电路断流器外壳102和三个独立极101、103、105(图2中示出了三个极101、103、105)。每一独立极101、103、105包括可分离触点108(以隐藏线绘图示出)、多个传感器(例如电压传感器51、53、55中对应的一个以及电流传感器63、65(图8B所示)和61(图1和图8B所示)中对应的一个)以及致动器112。示例性电压传感器51、53、55装配在电路断流器外壳102(如图1所示)上并被构造为检测与可分离触点108有效关联的电压。特别地，如导体50和传感器51所示，电压传感器51、53、55分别被电气连接到线路电力母线(line power bus)71、73、75中对应的一个以检测对应的线路电压。传感器51、53、55的输出可以分别使用电子盒52、54、56，如图8B所示。电子盒52、54、56产生发送到相应的传感器51、53、55的光信号并接收从相应的传感器51、53、55返回的光信号。这些电子盒还分析所接收到的光信号并把它们转换成对于POW控制器146的、被测线路电压的模拟输出表示。或者，电压传感器51、53、55可被嵌入支撑图13的断路器100′所示的真空断流器的绝缘支架中。
示例1
例如，所示电压传感器51、53、55为被构造为检测从大约1千伏到大约40千伏的中压的光电传感器。这些相对较小且较轻的光电电压传感器--其被置于示例性断路器外壳102的顶部--使得相对紧凑的封装中的中压测量成为可能。这些光电电压传感器使到POW控制器146的信号与对应的被测中压电隔离。光电中压传感器的一个示例为用于Texas，Bridgeport的OptiSense Network公司所售Embedded Application的OptiSense15kV等级电压传感器。
示例2
对于示例性断路器100，相电流信号由外部(例如位于对应的负载电力母线(如母线77上所示))的或开关装置外壳(未示出)内的电流传感器61、63、65提供，然而，本发明可应用于位于断路器外壳102内的电流传感器。例如，电流传感器61、63、65为被构造为对流经独立极101、103、105中对应一个的可分离触点108的负载电流进行检测的电流互感器。
示例3
三个致动器112为被构造为断开以及闭合对应的可分离触点108的磁致动的致动器(例如线性致动器)。或者，可采用任何合适的致动器。非限制性实例包括压电致动器、机电致动器和电动气动致动器。
三个示例性独立极101、103、105由三个独立受控的操作机构独立地进行操作，以便实现同步开关，也称作波形临界点(POW)开关。断路器100提供集成的三相电压监测系统和能够进行同步开关的POW控制器146。POW控制器146(在图1中以隐藏线绘图示出)由电路断流器外壳102封装(例如，POW控制器146与外壳102集成在一起)，并与独立极101、103、105的三个致动器112以及多个传感器51、53、55、61、63、65协作，以便独立且同步地断开以及闭合其可分离触点108。保护性继电器(例如跳闸单元79)与电流传感器61、63、65以及POW控制器146协作，以便跳闸断开独立极101、103、105的可分离触点108。或者，跳闸单元79可为保护性继电器(例如，其检测电流，判定是否存在故障，并向断路器100发送跳闸信号以断开被保护电路)。保护性继电器可位于断路器100的外部(未示出)，或者，可集成在断路器中(如跳闸单元79所示)。
示例4
如同下面联系图4-7、8A-8B和9-12所讨论的，POW控制器146也与手动选择器81协作，以便按照由手动选择器81选择的特定波形临界点开关特性的功能来独立且同步地断开以及闭合独立极101、103、105的可分离触点108。手动选择器81被构造为从多种不同的开关特性中至少选择波形临界点开关特性。例如，手动选择器81可为相对较小的手动操作旋转开关，其位于断路器100的前面板83上。手动选择器81使用户能够将断路器100设置到所期望的POW开关类型，例如包括但不限于接地电容器组、非接地电容器组、变压器、转换开关或中压电动机控制器的开关，其中的每一个使用不同的对应开关相角以实现最优性能。
示例5
在图1的示例中，断路器100包含手动断开装置2。外壳102具有：开口104；多个极机构106(图1示出了包含真空断流器111的单极机构106)，其中的每个包含可分离触点108(静态触点107和可移动触点109以隐藏线绘图示出)；包含多个致动器112(一个致动器112以隐藏线绘图示出)的至少一个操作机构110。致动器112被构造为断开以及闭合极机构106中对应的一个的可分离触点108。操作机构110由外壳102支撑，并包含对应的极轴114(以隐藏线绘图示出)。
图2示出了断路器100，外壳102(图1)的前盖罩被移除以示出内部结构。在所示出的示例中，断路器100包含第一极101、第二极103、第三极105和多个极机构106。特别地，断路器100包含用于第一极101的第一真空断流器111、用于第二极103的第二真空断流器113、用于第三极105的第三真空断流器115。每个真空断流器111、113、115(如以简化形式在图2中以隐藏线绘图所示)包含电绝缘容器(pod)122(例如真空囊、真空瓶)(在图1中最好地示出)，其由任何已知或适合的紧固件耦合到断路器100的外壳102。
再次参照图1，可以看出，静态触点107和可移动触点109都被布置在电绝缘容器122中。可移动转柄机构121(以简化的形式部分地由图1和3的隐藏线绘图示出)从绝缘容器122内部它耦合到可移动触点109的地方延伸。可移动转柄机构121包含一个或一个以上的被构造为移动可移动触点109的连接元件123(一个连接元件123在图1中示出)，由此当断路器100被断开(在图1中以假想线绘图示出)以及闭合(图3)时断开以及闭合可分离触点108。连接构件--例如电绝缘连接24--包含被耦合到断路器操作机构110的对应的极轴114上的第一端26(以隐藏线绘图示出)以及通过可移动转柄机构121及其连接元件123被耦合到真空断流器111的可移动触点109的第二端28。
如图1-3中的一个或一个以上所示，手动断开装置2包含具有第一端6以及第二端8的操作手柄4。第一端6伸出断路器外壳102的开口104(图1)。操作手柄4的第二端8被耦合到凸轮组件10(图3)。具体而言，凸轮组件10包含枢轴12以及被耦合到枢轴12的至少一个凸轮14。操作手柄4的第二端8被耦合到枢轴12。在这里所示出和介绍的示例中，驱动组件16将凸轮组件10耦合到对应的第一、第二、第三极轴114、117、119以及致动器112。以这种方式，手动断开装置2被构造为当操作手柄4从第一正常位置(图3)被移动到第二断开位置(以假想线绘图示出)时同步地断开极机构106的所有可分离触点108。
具体而言，驱动组件16包含第一突出18(protrusion)、第二突出20、第三突出22以及前述连接构件，该构件为由任何已知的或合适的电绝缘材料(例如但不限于塑料)制成的电绝缘连接24。由此，在这里所示出和介绍的示例中，驱动组件16包含用于断路器100(如图2所示)的第一极轴114、第二极轴117、第三极轴119中每一个的对应的第一突出18、对应的第二突出20、对应的第三突出22。第一、第二、第三突出或杆臂(lever arm)18、20、22通常从对应的极轴114、117、119垂直延伸。为了图示的简化，仅仅第一极轴114及其第一、第二、第三突出18、20、22在图3中示出。如图3所示，当操作手柄4位于第一位置时，第一突出18通常从极轴114向凸轮组件10的枢轴12和凸轮14延伸。第二突出20将极轴114耦合到对应的致动器112，第三突出22将极轴114通过电绝缘连接24耦合到对应的真空断流器111的可移动触点109，如前面所讨论的那样。由此，当对应的极轴114作为操作手柄4被移动的结果在枢轴上旋转时，由之延伸的第一、第二和第三突出18、20、22移动，以便断开(如图1中的假想线绘图所示)真空断流器111内的可分离触点108。
如图2所示，断路器外壳102包含第一侧124、第二侧126、第一极101与第二极103之间的第一分离器(divider)128、第二极103与第三极105之间的第二分离器130。第一极轴114的第一端132被可移动地耦合到外壳102的第一侧124，第二端134被可移动地耦合到第一分离器128的一侧。第二极轴117的第一与第二端136、138分别被可移动地耦合到第一分离器128的另一侧与第二分离器130的第一侧，第三极轴119的第一与第二端140、142分别被可移动地耦合到第二分离器130的第二侧与断路器外壳102的第二侧126。换句话说，第一极轴114被布置在第一外壳侧124与第一分离器128之间，第二极轴117被布置在第一与第二分离器128、130之间，第三极轴119被布置在第二分离器130与第二外壳侧126之间。
每个致动器112包含磁体116、被耦合到对应的极轴--例如114(图3)--的第二突出20的可移动衔铁118、对应的断开弹簧120，其中，断开弹簧120被耦合到对应的极轴的第一突出18。参照图3，断开弹簧120以适用于断开对应的真空断流器111的可分离触点108的第一力对第一突出18和极轴114进行偏压，磁体116以适用于闭合可分离触点108的第二力对可移动的衔铁118进行偏压。磁体116的第二力比对应的断开弹簧120的第一力大，直到手动断开装置2的操作手柄4部分地向第二位置移动(如图3中的假想线绘图所示)。
磁致动器及其结构和操作通常是旧的、也是本领域众所周知的。示例性断路器100包含三个磁致动器112，如前所述，在对应的磁致动器112的对应的断开弹簧120被耦合到第一、第二或第三极轴114、117、119中的对应一个的对应的第一突出18的情况下，第一、第二和第三断路器极101、103、105中的每个用三个磁致动器112中的一个。
示例性凸轮组件10包含三个凸轮14，其中，对操作手柄4从第一位置(图3)向第二位置(图3中假想线绘图所示)的部分移动做出响应，每个凸轮14啮合和移动对应的第一突出18以及其从之延伸的第一、第二或第三极轴114、117、119中对应的一个。这又移动对应的断开弹簧120--该弹簧被耦合到对应的第一突出18，导致磁体116的前述第二力被从凸轮14施加到第一突出18上的力和断开弹簧120的第一力压倒。换句话说，在由凸轮组件10发起断开弹簧120的移动后，磁体116的脱离力被压倒，断开弹簧120的第一力推动极轴114、117、119的在枢轴上的转动，并最终断开可分离触点108。
示例6
图4为对于接地电容器组波形临界点开关特性的三相源电压201、202与203、三相致动器控制信号204、205与206以及三相可移动触点轨迹207、208与209的图。在该示例中，A相电压传感器51(图1)被构造为检测极101的线路电压，其包含例如在233Z处的过零点。POW控制器146(图1)与独立极101、103、105的致动器112以及电压传感器51协作，以便在如230所示相对于被检测电压过零点的大约零度的地方同步地闭合第一极101的可分离触点108，在如232所示相对于被检测电压过零点的大约120度的地方同步地闭合第二极103的可分离触点108，在如231所示相对于被检测电压过零点的大约60度的地方同步地闭合第三极105的可分离触点108。
示例7
图5为对于非接地电容器组波形临界点开关特性的三相源电压211、212与213、三相致动器控制信号214、215与216以及三相可移动触点轨迹217、218与219的图。
示例8
图6为对于变压器波形临界点开关特性的三相源电压221、222与223、三相致动器控制信号224、225与226以及三相可移动触点轨迹227、228与229的图。
示例9
示例6-8的不同的闭合开关特性(分别为图4-6)可通过示例性手动选择器81按照通过图7的POW控制器146的输入进行选择。例如，考虑图4的接地电容器组波形临界点开关特性(示例6)，极A(例如但不限于第一极101)首先在230处A相电压过零点上闭合，然后，极C例如但不限于第三极103)在231处在极A后60°闭合，然后，极B(例如但不限于第二极102)在232处在极A后120°闭合。在60Hz系统中，例如，360°等于一秒的1/60。由于极101、103、105中的每一个由POW控制器146独立地进行操作和控制，可以通过纯电子控制实现这一点。
也可以通过手动选择器81来停用POW开关。例如，可出于示范目的或出于开始的断路器测试目而采用这种功能。优选为，在过电流、短路或其他故障情况发生时，该功能被自动停用。在这种情况下，断路器100的与传统的断路器类似地断开以及闭合。
表1示出了对于示例6-8的不同闭合开关特性(分别为图4-6)以及对于对应的不同断开开关特性(图4-6中未示出)的示例性控制设置。
表1应用 闭合/断开 相A 相B 相C
接地电容器组 闭合 A相电压0° A相电压120° A相电压60°
接地电容器组 断开 A相电流0°后大约1ms A相电流120°后大约1ms A相电流60°后大约1ms
非接地电容器组 闭合 A相电压-30° A相电压-30° A相电压60°
非接地电容器组 断开 A相电流0°后大约1ms A相电流90°后大约1ms A相电流90°后大约1ms
变压器 闭合 A相电压60° A相电压60° A相电压150°
变压器 断开 A相电流0°前大约2ms A相电充90°前大约2ms A相电流90°前大约2ms
表2示出了用于激励用于各种电动机连接的电感性负载的示例性控制装置。
表2
应用 闭合/断开 A相 B相 C相
Wye 闭合 A相电压大约60° A相电压大约60° A相电压大约150°
三角形(三角形中的接触器/断路器) 闭合 A相电压大约30° A相电压大约150° A相电压大约150°
三角形(三角形外的接触器/断路器) 闭合 A相电压大约60° A相电压大约60° A相电压大约150°
在示例6-8的不同的闭合开关特性(分别为图4-6)中，闭合序列由闭合命令233发起，其最典型的是与三相源电压--例如201(图4)不同步，与三相源电压中的一个的过零点--例如233Z处的示例性A相过零点--同步。尽管示出了A相/A极，可为这种同步采用三个三相源电压中的任意一个。闭合命令233通过按照例如从图1的前面板83的CLOSE按键235手动输入的闭合(ON)输入234(图7-9)被提供给POW控制器146(图7)。另外，可采用一个或一个以上的远程或外程传送的闭合输入(未示出)。
以同样的方式，对于表1的不同的断开开关特性，断开序列由断开命令发起，其最典型的是与例如通过电流传感器61(图1和8B)检测到的三相负载电流不同步，与三相负载电流中的一个的过零点--例如示例性A相过零点--同步。尽管示出了A相/A极，可为这种同步采用三个三相负载电流中的任意一个。断开命令通过按照例如从图1的前面板83的OPEN按键237手动输入的断开(OFF)输入236(图7、8A-8B和9)被提供给POW控制器146(图7)。另外，可采用一个或一个以上的远程或远程传送的断开输入(未示出)。表1示出了不同的断开开关特性相对于示例性A相电流过零点的相对定时。
例如，对于上述表1的非接地电容器组或变压器，电流传感器61被构造为检测与第一极101有效关联的电流，该电流包含过零点。POW控制器146与独立极101、103、105的致动器112以及电流传感器61协作，以便在相对于被检测电流的过零点的大约零度同步地断开第一极101的可分离触点108，在相对于被检测电流的过零点的大约90度同步地断开第二极103的可分离触点108，在相对于被检测电流的过零点的大约90度同步地断开第三极105的可分离触点108。
示例10
图7示出了在图1的示例性手动旋转开关选择器81与POW控制器146之间的示例性接口电路239。这里，手动选择器81包含对应于四个不同的电输出241、242、243、244的四个不同的旋转位置，所述的四个电输出中的一个通过旋转臂246被电气连接到共同的输出245。这四个位置在输出245上建立起对应的电压248。电压248(例如，+2.0V、+1.5V、+1.0V、+0.5V)从由电源252输出的电压250(+2.5V)被确定，该电压通过由电阻器254以及由与相应的电输出241、242、243、244对应的四个不同旋转位置选择的四个电阻器255、256、257、258中的一个组成的分压器进行分压。输出245的被选择电压248由跟随器260缓冲到POW控制器146的模拟输入262(AI6)。在这个示例中，与四个输出241、242、243、244对应的四个旋转位置分别对应于非POW模式、变压器波形临界点开关特性、非接地电容器组波形临界点开关特性以及接地电容器组波形临界点开关特性。对于三个不同POW开关特性(表1)，POW控制器146独立且同步地断开以及闭合独立极101、103、105的可分离触点108。对于非POW模式，POW控制器146以传统的非POW断路器的方式在大约同一时刻断开所有独立极101、103、105的可分离触点108，或在大约同一时刻闭合所有极的可分离触点。
示例11
图8A-8B示出了图1的断路器100的POW控制器146、跳闸单元79和三个电磁致动器控制器(EMCON)144的布线。POW控制器146监测断路器100的功能和性能的各个方面，管理同步POW开关。POW控制器146的主要功能是确定何时在预定负载电流(例如但不限于电流传感器61的输出；被检测电流IA)或预定线路电压(例如电压传感器51的输出；被检测电压VA)的特定相位角下同步地断开以及闭合断路器100。POW控制器146还监测由辅助开关断开信号265和辅助开关闭合信号266确定的三个极各自的位置(ALL_VIS_OPEN263或ALL_VIS_CLOSE264)、断开电容器上的适当充电(proper charge)(ALL_OPEN_CAPS_CHARGED267)、闭合电容器上的适当充电(ALL_CLOSE_CAPS_CHARGED268)、断路器的一般健康度(generalhealth)(ALL_EMCONS_OK269)。
如将要介绍的，电子POW控制器146包含处理器(μP)270、模-数转换器(A/D)272、两个过零点检测器(ZCD)274与276以及多个数字与模拟输入与输出。尽管示例性POW控制器146包含μP270，将会明了，可采用一个或一个以上的模拟、数字和/或基于处理器的电路的组合。电子模拟输入278接收对于独立极中的一个(例如极101)的被检测电压(VA)。电压ZCD274输出对应的过零点检测信号(VA_ZERO_CROSSING280)。另一电子模拟输入282接收对于独立极中的一个(例如极101)的被检测电流(IA)。电流ZCD276输出对应的过零点检测信号(IA_ZERO_CROSSING284)。
跳闸单元79分别从电流传感器61、63、65接收对于独立极101、103、105的被检测电流(IA、IB、IC)，并对之做出响应地向POW控制器146输出传统的跳闸信号(TRIP_REQUEST_ON286)。
下面将介绍A相控制器144，应当明了，B相与C相控制器144以类似的方式发挥功能。控制器144包含一个或一个以上的模拟、数字和/或基于处理器的电路的组合。A相控制器144与POW控制器146协作以驱动A相致动器112，A相致动器112包含闭合线圈290和断开线圈292。
合适的功率源294(例如但不限于100-240VAC；100-300VDC)向两个直流(DC)电源298、300提供进入的V+296和进入的V-297输入。在这个示例中，两个DC电源298、300各自提供+48VDC输出，其被相加、以便在A相控制器144的输入302处提供+96VDC。为了图示的方便，仅仅示出了A相控制器144的输入302。应将明了，其他控制器144各自具有两个类似的DC电源(未示出)。
断路器100(图1)的辅助开关(未示出)在304(AUX OPEN A)上提供当断路器100断开时断开的AUX1和AUX2信号，且其在306(AUXCLOSE A)上提供当断路器100断开时闭合的AUX3和AUX4信号。
控制器144优选为包含这样的电路(未示出)：该电路保持电容器308、310、312上的保留电荷，用于通过驱动闭合信号316的输出314向闭合线圈290供电。每当三个闭合电容器308、310、312被完全充电时，控制器144还驱动输出318(CLOSE CHARGED)。控制器144进一步驱动输出320(OK)以指示断路器A相健康。控制器144优选为包含这样的电路(未示出)：该电路保持电容器322上的保留电荷，用于通过驱动断开信号328的输出326向断开线圈292供电。每当断开电容器322被完全充电时，控制器144还驱动输出330(OPEN CHARGED)。
如A相控制器144所示，POW控制器146包含用于三个EMCONS144中的各个的电子断开输出331和电子闭合输出322。A相控制器144又包含接收电子断开输出331的电子断开输入334以及接收电子闭合输出332的电子闭合输入336。响应于来自POW控制器146的电子断开输入334，A相控制器144通过驱动断开信号328的输出326向致动器断开线圈292供电。响应于来自POW控制器146的电子闭合输入336，A相控制器144通过驱动闭合信号316的输出314向致动器闭合线圈290供电。
示例12
图9示出了图1的POW控制器146的POW逻辑338的一个示例。每当ALL_EMCONS_OK269为真且ALL_VIS_OPEN263或ALL_VIS_CLOSE264中的一个为真时，系统健康状态(BREAKER_OK340)被输出到指示器342(图1)。基于闭合输入234、断开输入236、手动旋转开关选择器81(图1和7)的被选择状态，POW控制器μP270(图8A)通过POW逻辑338确定用于输入的八个状态信号(IS1-IS8)的一个。POW逻辑338又为EMCON144中的各个将对于对应的被选择POW开关特性的闭合或断开致动器控制信号346(图9)输出到输出331、332(图8A)，其中，VIA为A相真空断流器111，VIB为B相真空断流器113，VIC为C相真空断流器115。这里，图9通常遵循表1并具有下列不同。信号IS4对应于图7的传统非POW模式闭合，其中，所有独立极101、103、105的可分离触点108在大约同一时刻闭合，不具有延迟。信号IS8对应于图7的传统非POW模式断开，或对来自跳闸单元79的TRIP_REQUEST_ON286做出响应地跳闸，其中，所有独立极101、103、105的可分离触点108在大约同一时刻断开，不具有延迟。
输出信号S1-S3和S5-S7包含如结合图4-6所示的示例性的九周期(9T)延迟。输出信号S5、S6还包含附加延迟(例如大约1ms)期，采用附加延迟期以便使在触点间隙两端的电压达到其最大值前的最大触点间隙成为可能。输出信号S7还包含减少的(或负)延迟(例如大约-2ms)期，采用减少的(或负)延迟期以便使中断过程中的电弧能量最小化。
示例13
图10示出了用于图1的POW控制器146的关断程序350。在352中，POWμP270(图8A)检测断开输入236(OFF)的有效状态。接着，在354中，判定是否所有断开电容器被充电(ALL_OPEN_CAPS_CHARGED267)、是否所有三个极是闭合的(ALL_VIS_CLOSE_264)以及控制电路是否可工作(ALL_EMCONS_OK_269)。如果是，接着在356中，判定POW模式是否被选择(状态S1’-S3’(图11)或状态S5’-S7’)。如果是，接着，在358中，在收到A相电流过零点检测信号(图8A的IA_ZERO_CROSSING284)时，POWμP270的计时器(未示出)被设置为零并开始其计数。在360中，在合适的POW时刻(例如表1)，被选择的POW断开控制信号361(图10)被发送到三个致动器112的断开线圈292。接下来，在364中，判定辅助继电器是否确定所有三个极为断开(图8A的ALL_VIS_OPEN263)。如果是，则在366中，指示器367(图1)被照亮以指示所有三个极被断开，在368中，指示器342被照亮以指示断路器100健康，在370中，断开电容器322(图8B)被充电。否则，如果364处的测试失败，则在372中指示器342熄灭以指示断路器100不健康。
另一方面，如果356处的测试失败，且非POW模式被选择(状态S4(图11)或S8)，则在362中，被选择的非POW断开控制信号361(图10)被立即发送到三个致动器112的断开线圈292，在这之后如所讨论地执行步骤364。
状态S5’-S7’通常分别与图9中的状态S5-S7相同，除了用于三相A-C控制器144的电子断开输出331(图8A)在相对较早的时刻(例如分别比图9的状态S5、S6或S7的对应时刻早Δt2A、Δt2B、Δt2C)被输出，以便考虑极101、103、105中的机械延迟。例如，这种机械延迟可能由于特定的致动器112、连接构件24和真空断流器111、113、115的特性引起。应当明了，时间Δt2A、Δt2B、Δt2C可基于断路器100的通常设计预先确定(且因此可为同样的)，或者可基于特定断路器的特定部件被测量以及预先确定(且因此两个或所有三个时间可以是不同的)。
图10的步骤374读取POW A/D272(图8A)并由对应于图7的模拟输入262(AI6)的数字值确定状态S5’-S7’或S8中被选择的一个。该值被用于通过多路复用器功能378选择用于输出的合适的POW断开控制信号361。
示例14
图11示出了用于图1的POW控制器146的关断程序400。在402中，POWμP270检测闭合输入236(OPEN)的有效状态。接着，在404中，判定是否所有闭合电容器被充电(ALL_CLOSE_CAPS_CHARGED268)、是否所有三个极是断开的(ALL_VIS_OPEN263)以及控制电路是否可工作(ALL_EMCONS_OK269)。如果是，则在406中判定POW模式是否被选择(状态S1’-S3’(图11)或状态S5’-S7’)。如果是，则在408中，POWμP270的计时器(未示出)被设置为零并在收到A相电压过零点检测信号(VA_ZERO_CROSSING280)时开始其计数。在410中，在合适的POW时刻(例如表1)，被选择的POW闭合控制信号411被发送到三个致动器112的闭合线圈290。接下来，在414中，判定辅助继电器是否确定所有三个极为闭合(ALL_VIS_CLOSE264)。如果是，则在416中，指示器417(图1)被照亮以指示所有三个极被闭合，在418中，指示器342被照亮以指示断路器100健康，并在420中，闭合电容器322被充电。否则，如果在414中的测试失败，则在422中，指示器342被熄灭以指示断路器100不健康。
另一方面，如果在406中的测试失败且非POW模式被选择(状态S4(图11)或S8)，则在412中，被选择的非POW断开控制信号411(图11)被立即发送到三个致动器112的闭合线圈290，在这之后，如所讨论的那样执行步骤414。
状态S1’-S3’通常分别与图9中的状态S1-S3相同，除了用于三相A-C控制器144的电子闭合输出332(图8A)在相对较早的时刻(例如分别比图9的状态S1、S2或S3的对应时刻早Δt2A、Δt2B、Δt2C)输出以便考虑极101、103、105中的机械延迟以外。例如，这样的机械延迟可能由于特定的致动器112、连接构件24和真空断流器111、113、115的特性引起。应当明了，时间Δt2A、Δt2B、Δt2C可基于断路器100的通常设计预先确定(且因此可为相同的)，或者可基于特定断路器的特定部件被测量以及预先确定(且因此，两个或所有三个时间可以不同)。尽管用于断开(图10)以及闭合(图11)的时间Δt2A、Δt2B、Δt2C被示为相同的，应当明了，这些时间也可以不同。
图11的步骤424读取POW A/D 272(图8A)并由对应于模拟输入262(AI6)(图7)的数字值确定状态S1’-S3’或S8中被选择的一个。该值被用于通过多路复用器功能428选择用于输出的合适的POW闭合控制信号411。
示例15
图12示出了POW控制器146的跳闸程序450，其从跳闸单元79接收传统的跳闸信号(TRIP_REQUEST_ON)286。首先，在452中，判定是否所有的断开电容器被充电(图8A的ALL_OPEN_CAPS_CHARGED267)、是否所有三个极是闭合的(图8A的ALL_VIS_CLOSE264)以及控制电路是否可工作(图8A的ALL_EMCONS_OK269)。如果是，则在454中，传统的非POW断开控制信号被立即且同步地发送到三个致动器112的断开线圈292。接下来，在456中，判定辅助继电器是否确定所有三个极为断开(图8A的ALL_VIS_OPEN263)。如果是，则在460中，指示器367(图1)被照亮以便指示所有三个极被断开，在462中，指示器342被照亮以便指示断路器100健康，且在464中，断开电容器322被充电。否则，如果在456处的测试失败，则指示器342在458中被熄灭以指示断路器100不健康。
示例16
图14示出了POW控制器470--其与图1中的POW控制器146类似--及其手动选择器472。这里，手动选择器是包含预定值(V)474的可移除(removable)存储器装置472。POW控制器470包含被构造为读取可移除存储器装置472以及按照来自可移除存储器装置472的预定值474的功能而独立且同步地断开以及闭合独立极101、103、105(图1)的可分离触点108的处理器(μP)476。不同的波形临界点开关特性可以通过从合适的存储器保有装置478移除包含第一预定值(例如但不限于用于变压器的V＝2)的可移除存储器装置472并手动地用包含不同的第二预定值(例如但不限于用于非接地电容器组的V’＝3)的另一不同的可移除存储器装置472’(用假想线绘图示出)或相同但经修改的可移除存储器装置(未示出)替代可移除存储器装置472而被手动选择。
示例17
图15示出了POW控制器480--其与图1的POW控制器146类似--及其手动选择器482。这里，POW控制器480包含多个输入484，手动选择器是对应于POW控制器480的多个输入484的多个跳接器482。例如，存在三个输入484，其对应于变压器、接地电容器组和非接地电容器组。这里，例如，跳接器486向输入489提供合适的选择信号488，其对应于接地电容器组。其他的两个未被选择的输入484对应于变压器和非接地电容器组。
示例18
图16示出了POW控制器490--其与图1的POW控制器146类似--及其手动选择器492。这里，POW控制器490包含第一通讯接口494。手动选择器是远程用户接口492，其包含对应于多种波形临界点开关特性的多个手动输入496、输入手动输入496的第二通讯接口498以及位于第一与第二通讯接口494与498之间的通讯通道499。第一和第二通讯接口494、498与通讯通道499协作以将手动输入496输入到POW控制器490。
示例19
图17示出了POW控制器500--其与图1的POW控制器146类似--及其手动选择器502。这里，手动选择器502包含具有对应于多种波形临界点开关特性的多个手动输入506的本地用户接口504。
图1的示例性断路器极101、103、105分别被电气连接到A相、B相、C相线路电力母线71、73、75。或者，断路器极101、103、105不需要以这种严格的相序连接到线路电力母线，但是，如果它们不是处于A、B与C相或者C、A与B相或者B、C与A相的相序，对应的闭合角和断开角需要进行适当的调整。
尽管具体介绍了本发明的典型实施例，本领域技术人员将会明了，在本公开的教导的启示下可实现对这些细节的多种修改和替换。相应地，所公开的特定布置仅意味着说明性而不对本发明的范围构成限制，本发明的范围由所附权利要求的全文以及任何和所有等同内容给出。

Claims (22)

1.一种电路断流器(100；470；480；490；500)，其包含：
多个独立极(101、103、105)，每一所述独立极包含：
可分离触点(108)；
被构造为对与所述可分离触点有效关联的电流或电压进行检测的至少一个传感器(51，61)，以及
被构造为断开以及闭合所述可分离触点的致动器(112)；
被构造为从多个不同的开关特性中至少选择波形临界点开关特性的手动选择器(81；472；482；492；502)；以及
波形临界点控制器(146)，其与所述手动选择器以及所述独立极的所述传感器及所述致动器协作，以便按照由所述手动选择器选择的所述波形临界点开关特性的功能独立且同步地断开以及闭合所述独立极的所述可分离触点。
2.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述不同的开关特性选自：接地电容器组波形临界点开关特性、非接地电容器组波形临界点开关特性、变压器波形临界点开关特性。
3.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述独立极(101，103，105)的数量为三个。
4.如权利要求3所述的电路断流器(100)，其中，由所述手动选择器选择的所述波形临界点开关特性为接地电容器组波形临界点开关特性。
5.如权利要求4所述的电路断流器(100)，其中，所述独立极包含第一极(101)、第二极(103)和第三极(105)；其中，所述至少一个传感器包括被构造为对包含过零点的电流进行检测的电流传感器(61)，所述电流传感器与所述第一极有效关联；且其中，所述波形临界点控制器与所述独立极的所述电流传感器及所述致动器协作，以便在相对于所述检测的电流的所述过零点的零度之后大约1ms同步地断开所述第一极的所述可分离触点，在相对于所述检测的电流的所述过零点的120度之后大约1ms同步地断开所述第二极的所述可分离触点，以及以在相对于所述检测的电流的所述过零点的60度之后大约1ms同步地断开所述第三极的所述可分离触点。
6.如权利要求4所述的电路断流器(100)，其中，所述独立极包括第一极(101)、第二极(103)和第三极(105)；其中，所述至少一个传感器包括被构造为对包含过零点(233Z)的电压进行检测的电压传感器(51)，所述电压传感器与所述第一极有效关联；且其中，所述波形临界点控制器与所述独立极的所述电压传感器及所述致动器协作，以便在相对于所述检测的电压的所述过零点的大约零度同步地闭合所述第一极的所述可分离触点，在相对于所述检测的电压的所述过零点的大约120度同步地闭合所述第二极的所述可分离触点，以及在相对于所述检测的电压的所述过零点的大约60度同步地闭合所述第三极的所述可分离触点。
7.如权利要求3所述的电路断流器(100)，其中，由所述手动选择器选择的所述波形临界点开关特性为非接地电容器组波形临界点开关特性。
8.如权利要求7所述的电路断流器(100)，其中，所述独立极包括第一极(101)、第二极(103)和第三极(105)；其中，所述至少一个传感器包括被构造为对包含过零点的电流进行检测的电流传感器(61)，所述电流传感器与所述第一极有效关联；且其中，所述波形临界点控制器与所述独立极的所述电流传感器及所述致动器协作，以便在相对于所述检测的电流的所述过零点的零度之后大约1ms同步地断开所述第一极的所述可分离触点，在相对于所述检测的电流的所述过零点的90度之后大约1ms同步地断开所述第二极的所述可分离触点，以及在相对于所述检测的电流的所述过零点的90度之后大约1ms同步地断开所述第三极的所述可分离触点。
9.如权利要求7所述的电路断流器(100)，其中，所述独立极包括第一极(101)、第二极(103)和第三极(105)；其中，所述至少一个传感器包括被构造为对包含过零点(233Z)的电压进行检测的电压传感器(51)，所述电压传感器与所述第一极有效关联；且其中，所述波形临界点控制器与所述独立极的所述电压传感器及所述致动器协作，以便在相对于所述检测的电压的所述过零点的大约-30度同步地闭合所述第一极的所述可分离触点，在相对于所述检测的电压的所述过零点的大约-30度同步地闭合所述第二极的所述可分离触点，以及在相对于所述检测的电压的所述过零点的大约60度同步地闭合所述第三极的所述可分离触点。
10.如权利要求3所述的电路断流器(100)，其中，由所述手动选择器选择的所述波形临界点开关特性为变压器波形临界点开关特性。
11.如权利要求10所述的电路断流器(100)，其中，所述独立极包括第一极(101)、第二极(103)和第三极(105)；其中，所述至少一个传感器包括被构造为对包含过零点的电流进行检测的电流传感器(61)，所述电流传感器与所述第一极有效关联；且其中，所述波形临界点控制器与所述独立极的所述电流传感器及所述致动器协作，以便在相对于所述检测的电流的所述过零点的零度之前大约2ms同步地断开所述第一极的所述可分离触点，在相对于所述检测的电流的所述过零点的90度之前大约2ms同步地断开所述第二极的所述可分离触点，以及在相对于所述检测的电流的所述过零点的90度之前大约2ms同步地断开所述第三极的所述可分离触点。
12.如权利要求10所述的电路断流器(100)，其中，所述独立极包括第一极(101)、第二极(103)和第三极(105)；其中，所述至少一个传感器包括被构造为对包含过零点(233Z)的电压进行检测的电压传感器(51)，所述电压传感器与所述第一极有效关联；且其中，所述波形临界点控制器与所述独立极的所述电压传感器及所述致动器协作，以便在相对于所述检测的电压的所述过零点的大约60度同步地闭合所述第一极的所述可分离触点，在相对于所述检测的电压的所述过零点的大约60度同步地闭合所述第二极的所述可分离触点，以及在相对于所述检测的电压的所述过零点的大约150度同步地闭合所述第三极的所述可分离触点。
13.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述波形临界点控制器包括非波形临界点模式(IS4，IS8)；且其中，所述手动选择器(81)进一步被构造为选择所述非波形临界点模式。
14.如权利要求13所述的电路断流器(100)，其中，对于所述不同的开关特性(S1-S3；S5-S7)中的一些，所述波形临界点控制器独立且同步地断开以及闭合所述独立极的所述可分离触点；且其中，对于所述非波形临界点模式(IS4，IS8)，所述波形临界点控制器在大约第一相同时刻断开所有的所述独立极的所述可分离触点，或在大约第二相同时刻闭合所有的所述独立极的所述可分离触点。
15.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述手动选择器为包含与所述不同的开关特性对应的多个不同旋转位置(241，242，243，244)的旋转开关(81)。
16.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述致动器为机电致动器(112)，其中的每一个包含断开输入(292)以及闭合输入(290)；且其中，所述波形临界点控制器为电子波形临界点控制器(146)，所述电子波形临界点控制器(146)包含对所述机电致动器的所述断开输入与所述闭合输入进行驱动的多个电子输出(231，232，326，314)。
17.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述中压电路断流器为中压断路器(100)。
18.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述电路断流器为中压真空电路断流器(100)。
19.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述手动选择器是包含与所述波形临界点开关特性对应的预定值(474)的可移除存储器装置(472)；且其中，所述波形临界点控制器(470)包含处理器(476)，该处理器被构造为对所述可移除存储器装置进行读取以及按照来自所述可移除存储器装置的所述预定值的功能独立且同步地断开以及闭合所述独立极的所述可分离触点。
20.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述波形临界点控制器(480)包括多个输入(484)；且其中，所述手动选择器是与所述波形临界点控制器的所述多个输入对应的多个跳接器(482)。
21.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述波形临界点控制器(490)包括第一通信接口(494)；且其中，所述手动选择器包含远程用户接口(492)，所述远程用户接口(492)包含与所述波形临界点开关特性对应的多个手动输入(496)、输入所述手动输入的第二通信接口(498)以及位于所述第一与第二通信接口之间的通信通道(499)，所述第一与第二通信接口以及所述通信通道协作，以便向所述波形临界点控制器输入所述手动输入。
22.如权利要求1所述的电路断流器(100)，其中，所述手动选择器包括本地用户接口(504)，所述本地用户接口(504)具有与所述波形临界点开关特性对应的多个手动输入(506)。
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