CN101211725A - 断路器跳闸单元额定值选择插头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及断路器跳闸单元额定值选择插头。一种额定值插头，其通过使用与运算放大器反馈回路串联的模拟开关控制运算放大器的增益，来设置电压调节(即，增益/滤波)电路上的百分比降额定值，并把断路器帧和/或传感器信息提供给微处理器。

Description

断路器跳闸单元额定值选择插头

技术领域

在此所述的发明涉及断路器领域，特别是涉及用于具有电子传感器或跳闸单元的断路器的额定值插头(rating plug)。电子跳闸单元(“ETU”)是与机电断路器配合使用以控制电流(和或电压)对(vs)时间的跳闸响应。时间对电流的跳闸特性部分地取决于断路器允许的最大持续电流。

背景技术

断路器被广泛地用于保护电力线路和设备。断路器监控流过电力导线的电流，并且只要满足某些预定标准，就“跳闸”以断开电路，中断流过电路的电流。当然，断路器还可以用于监控电压，并在预设电压的任何扰动条件下，如电压不足、过电压和电压不平衡条件下跳闸。这样的标准包括，例如，被保护电路允许的最大持续电流。断路器设计承载的最大持续电流公知为断路器帧额定值或电流额定值。只要电流保持在任意保护(长期的、短时的、接地故障、或瞬间的)额定值之下，断路器将保持闭合。跳闸信号的时间延迟和产生是电流幅值的反函数。对于非常大幅值的过电流，例如由故障产生的，微处理器被编程以瞬间地产生跳闸信号。

电流vs跳闸时间响应曲线的修正是重大的事情。基于安全的目的，断路器必须被适当地配置为提供消费者或设备工程师判断为适当的保护类型。因此，对保护的修正也必须被认为是非常重大的事情并以禁止出错的方式来处理。

典型地，断路器的额定电流值由额定电阻器设置，该额定电阻器可以是设置为与二次电流转移电流串联的“负荷电阻器”，或增益电路运算放大器的反馈回路中的电阻器，或两者的组合。选择这些是为了当与被保护电路允许的最大持续电流成比例的电流流过额定电阻器时产生预置电压。为了提供额定电流值的调节以使断路器能用来保护具有不同最大持续电流的电路，已知的是在可替换的额定值插头中加入额定电阻器，该额定值插头可以选择性地插入断路器。此外，这个额定电阻器能与“负荷”和反馈回路增益电阻器并联或串联。

电子跳闸电路断路器被设计为中断超过额定安培值的一个宽范围的过电流状态。流过被保护的电力线路的电流由电流互感器持续检测并提供电压信号给ETU电路中的信号处理器。这个电压被额定值插头中的额定电阻器调节。额定电阻器的大小因此决定了相应的电路断续器的额定安培值。因此普通的电子电路断续器可以仅通过改变电子跳闸电路中的负荷电阻器的值而在额定安培值的一个宽范围内操作。重要的是防止电子电路断续器插入对其来说电路断续器是超额定的电力分配电路。可能同样重要的是电路断续器不能插入对其来说电路断续器是额定不足的电力分配电路，会发生所谓的“有害跳闸”。确保不把不带额定值插头的电路断续器插入电力分配电路也是重要的。

因此，断路器跳闸单元的额定值通常采用许多方法设置，例如，通过可拆卸额定值插头的常规拆除和置换。在多数情况下，额定值插头包括规定了每个单独的相的增益的电阻器或具有可编程额定值的NMV(即，非易失性存储器，当电路被断电时，该存储器保留它的数据)，该额定值在上电时被断路器中的微处理器读取。然而，对于某些应用，这些方法可能不能被完全接受。

如前所述，用于具有电子跳闸单元的断路器的额定值插头在现有技术中是已知的。额定值插头改变了具有电子电路断续器(跳闸单元)的断路器的动作的操作曲线，从而，改变了断路器的额定安培值。并不是所有的额定值插头都与所有的电子跳闸单元兼容。因此，已知的问题是确保额定值插头与其所插入的电子跳闸单元兼容。

基于安全的原因，具有可互换的额定值插头的所有电子跳闸单元需要排除额定值插头和跳闸单元的错误组合。这种排除典型地通过将销(pin)放入额定值插头所插入的跳闸单元的插口中来实现的。这些销一般置于跳闸单元壳体的侧面，抵触额定值插头壳体侧面上的突出部。因此，通过将额定值插头壳体和额定值插头插口锁定由此防止不兼容的额定值插头安装到断路器中，防止与特定断路器不兼容的额定值插头的安装。

尽管现有技术的系统可以工作，但它们存在几个缺点和不利因素。其中之一是直到额定值插头几乎完全被插入跳闸单元才会发生销和突出部之间的抵触，这通常导致用户误认为额定值插头的插入已经适当地完成。另一个问题是销是独立元件，即，它们不是额定值插头壳体或跳闸单元壳体的组成部分，这样销可以被乱动单元的人移动，而用户并不知道销存在与否。

发明内容

在此所述的本发明的一个方面是提供一种开关逻辑电平额定值插头，其允许单个额定值插头在制作时选择用于所有断路器帧(breaker frame)和传感器。

本发明的另一个方面是描述一种额定值插头，除了通过使用与运算放大器反馈回路串连的模拟开关控制运算放大器增益来设定电压调节(即，增益/滤波)电路的百分比降额定值(percentage de-rating)之外，还把断路器帧和/或传感器信息提供给微处理器(这个能力归因于5伏的逻辑电平信号输入)。

本发明的另一个方面描述一种额定值插头，其在微处理器上电之前自动设置电压调节(增益/滤波)电路的增益水平，从而使得能够快速提供断路器保护，并且因而允许更快的跳闸时间带和更好的配合。

更特别的是，关于在此描述的发明，跳闸单元具有额定值插头，该额定值插头包括一系列开关和用于将插头固定于跳闸单元的连接器。这些开关在制造时被编程，将识别断路器帧和/或传感器的额定值和/或允许断路器降低额定值(即，降低有效的电流容量，例如，从2000安培的容量降额定值到40％或一组相似的参数)的降额定值因素。通过采用这种额定值插头的方法，相位增益马上被设置用于保护，并且微处理器能够以测量为目的地读取开关设置。例如，如果断路器的最终用户将购买和安装2000安培的断路器，而后来意识到对于预定的负载合适的断路器是800安培，他们仅仅需要拆除和替换现有的额定值插头为40％(即，2000的40％是800)的降低额定值的插头，就可不用购买和安装用于800安培的预定负载的新断路器。

本领域技术人员参照下面的附图和详细的描述会更彻底和全面地理解根据本发明的额定值插头。

附图说明

图1描述的是根据本发明的电子跳闸单元的主要部件；和

图2描述的是通常如图1所示和上面所述的额定值插头和增益/滤波调节接口的更详细的视图。

具体实施方式

参照图1，给电子跳闸单元(“ETU”)的主要部件供电的电流互感器提供交变的二次电流输出，其与流过电流互感器的一次电流成比例。例如，如果1000A的电流流过互感器的一次线圈，例如200mA的较小电流将从互感器流到跳闸单元。跳闸单元将这个二次输出用于工作电源和用于感测电流。当然，如果跳闸单元采用电流互感器传感器，对于产生馈送给增益/滤波电路的电压来说负荷电阻器是必要的(图1中，在增益/滤波电路中示出了引向这样的负荷电阻器的普通馈线)。

可选择地是，Rogowski传感器可以替代用来感测的电流互感器以提供与流过其的高电平的一次电流成比例的衍生的二次电压输出。Rogowski传感器或线圈是用来测量交变电流或高速电流脉冲的装置，其包括导线螺旋线圈，该螺旋线圈的引线从一个端部穿过该线圈的中心返回到另一个端部，从而导致了两个接线端在同一个端部。然后全部线圈绕电流待测的馈线卷绕，由于电压与馈线中的电流的变化率成比例，因此线圈的输出信号与电流成比例。

进一步如图1所示，电流互感器负荷电阻器的电压或Rogowski线圈的输出经过增益/滤波电路。增益/滤波电路被设计为提供滤波以去除信号的任何寄生电‘噪声’；Rogowski线圈输入的情况下模拟积分；并为了获得断路器额定值下微处理器模拟/数字转换器(“A/D”)上的同样的电压值，采用额定值插头选择(断路器的40％到100％)以设置电路中的运算放大器(“op-amp”)的增益。提供下面的例子以更全面的解释设置运算放大器增益的额定值插头选择之间的关系：

例1

用来更清楚地展示如图1所示的增益/滤波电路的例子，假设存在的断路器额定为1000A，而额定值插头额定为断路器额定的1000A的100％。采用1000A的电流，流过A/D转换器的电压是2伏。现在，假设用户希望通过将额定值插头改为额定在40％而不是100％来改变断路器的额定值。有效地是，因为断路器现在被额定为1000A的40％，上述改变将产生等效的400A断路器。施加的电流现在是400A，而A/D的输出电压将保持2伏。因此，如果断路器被额定为1000A(100％)，当采用额定电流时将得到2伏；而如果断路器被额定为400A，采用额定电流(400A)时仍将得到2伏。在这两个例子的每一个中，如果超过额定电流，断路器将跳闸。

即使两个额定值均在微处理器A/D上提供2伏，跳闸单元也能够识别额定值插头被设置为用于一个还是另一个安培数(这个例子中，400A还是1000A，但是其它降额定值百分比也是可能的)。这是可能的，因为测量是一个相对比较慢的过程，其不像保护(即，跳闸)一样关键。为了测量，微处理器读取被预编程为额定值插头的开关以确定断路器的读数。

如图2所示，额定值插头设有5伏的输入线以激励包含一系列开关的插头，这些开关用于选择和识别百分比(在例1中示例的是40％和100％，然而，可以选择例如表1中所示的其它百分比)和/或传感器的额定值和/或帧和/或附加的相关断路器/跳闸单元功能。开关提供的信息作为信号(图2所示的信号0，信号1，信号2和帧)供应给微处理器，而微处理器用这些信号来确定用于测量目的的降额定值百分比。单独的开关设置(信号0，信号1，信号2......)控制模拟开关的开/关操作。通过如此的控制模拟开关的操作，可以为通常如表1所示的每一个的百分比降额定值设置不同的增益。如下面所讨论的，额定值插头开关在插头制造时被预设置以表示特定的百分比降额定值和/或传感器和/或帧额定值。图2所示的增益/滤波调节电路接口部分包括电阻器(R1，R2，和R3)、运算放大器(U1)和接收来自额定值插头的信号的模拟开关。增益/滤波器的输出，如图1和2所示，被供应给A/D转换器。

例如，额定值插头开关(在所示的例子中是0-7或更多)可以根据下面的表1配置来提供指定降额定值百分比：

表1

开关76543	帧	电流传感器	开关210	％降额定值
00000	错误		000	错误/40％
					00001	1	150A	001	100％
00010	1	200A	010	90％
					...	...	...	011	80％
01100	2	2000A	100	70％
					...	...	...	101	60％
10101	4	4000A	110	50％
								111	40％
				...

图1所示的电源被配置为提供18-24伏的电压用于通量移动器(fluxshifter)、运算放大器、和电路中需要此电压的其他部件，并提供5伏的电压给微处理器和电路中需要此电压的其他部件。

用于电子跳闸单元的微处理器被制造为具有内部A/D，该内部A/D被设计为处理来自电流互感器和/或Rogowski线圈单元的模拟信号。微处理器还被制造为包含用来存储跳闸单元设定点(setpoint)和选项(这些参数在电源故障时不能丢失)的非易失性存储器。微处理器还被配置为当电流超过预编程的阈限值时通过采用通量移动器提供跳闸信号，当被来自微处理器的跳闸信号激励时，包含线圈和控制杆的机电设备将促使断路器断开或跳闸。

在此描述的电子跳闸单元有几个优点，在本发明形成之前已知的跳闸单元中没有发现这些优点。例如，这些优点之一是它使得逻辑电平信号(5伏)能够控制增益/滤波电路的增益，而在过去必须在额定值插头上采用反馈电阻器来设置增益(在这种情况下由于校正或小的失调导致的任何额定值插头的连接问题将会导致增益改变，这是非常不希望出现的，因为它将以在微处理器A/D上与期望值不同的值而告终)。另一个优点是因为它是逻辑电平信号，微处理器可以没有任何延时地从额定值插头读取百分比降额定值(或断路器的额定值)帧。相对于过去的技术还有一个优点是虽然额定值插头与非易失性存储器一起使用，但是降低额定值保存在额定值插头NVM中，(即，这种情况下，跳闸单元微处理器需要从额定值插头非易失性存储器中获得断路器额定值的读数，并接着基于这个值执行跳闸决定；这是一个非常耗时的机制，其中断路器可能不会及时跳闸)。然而，在当前例子中，单元一旦上电，增益就自动被确定和设置(甚至在微处理器上电之前)，从而使微处理器仅以测量为目的读取开关。

虽然已经图解和描述了本发明的优选的实施方式，可以理解的是本发明可以变化和修改，因此，本发明不希望限于所提到的确切术语，而是希望受益于使得本发明适用于各种用途和条件的修改和改变。例如这样的变化和修改将包括结构上相似于在此提供的部件的替代，其用于产生与上面清楚地描述的部件基本相同的结果。因此，基本上不改变上面清楚描述的部件的功能或它们的使用的那些变化被认为是在本发明的范围之内的。从而，这样的变化和改变应在等效的全部范围之内，所以也在下面的权利要求的范围之内。

这样已经用全面、清楚、简明和准确的术语描述了我们的发明和制造和使用它的方式和过程，从而使所属领域或与所属领域最接近的领域的任何技术人员能制造和使用。

Claims (5)

1.一种断路器跳闸单元额定值插头，包括：

用于将该插头固定于跳闸单元的装置；和

一系列开关，这些开关适于控制模拟开关的开/关操作以及指示所述插头的特定百分比降额定值和/或传感器和/或帧额定值。

2.根据权利要求1所述的断路器跳闸单元额定值插头，其还包括用于把电压提供给所述插头以激励所述插头的装置，和用于把来自所述一系列开关中的每个开关的电信号从所述插头传送给微处理器的装置。

3.根据权利要求1所述的断路器跳闸单元额定值插头，其中所述插头的百分比降额定值为40％到100％。

4.根据权利要求1所述的断路器跳闸单元额定值插头，其被配置为通过使用所述一系列开关中的至少一个控制所述电路中的运算放大器增益来自动地设置电压调节电路的增益水平，所述开关被配置为与包含在所述运算放大器中的反馈回路串联。

5.一种断路器，其包括：

电流互感器和/或Rogowski线圈，配置成提供与流过其的一次电流成比例的二次输出；

断路器跳闸单元额定值插头，其包括用于将该插头固定于跳闸单元的装置；和一系列开关，这些开关适于控制模拟开关的开/关操作以及指示所述插头的特定百分比降额定值和/或传感器和/或帧额定值；和

微处理器，其具有：

内部模拟-数字转换器，其被设计为处理来自电流互感器和/或Rogowski线圈和单元的模拟信号；

非易失性存储器，用于存储跳闸单元的设定点和选项；并且

被配置为当流过所述断路器的电流超过预编程的阈限值时提供跳闸信号。

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