CN102054634B - 用于检测致动器开关装置的故障的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

断路器包括致动器、连接到该致动器的开关装置和配置成通过检测致动器和开关装置之间的连接处的第一连接电压测试致动器和开关装置之间的连接的测试单元。该测试单元进一步配置成通过接通开关装置测试开关装置的操作而不操作致动器。

Description

用于检测致动器开关装置的故障的方法和设备
技术领域
本文描述的主旨大体上涉及致动器，例如，断路器致动器，并且更加具体地涉及检测致动器开关装置的故障。 
背景技术
在交流和直流配电电路的断路器内的电子跳闸单元通常用于保护防止由于线路接地电流流过人体引起的危险电击。这些电子跳闸单元包括，例如感测断路器的相导线和中性导线之间的电流不平衡的接地故障电路断流器(GFCI)、电弧故障断流器和过电流保护断流器。该电子跳闸单元典型地使用开关装置以操作致动器跳闸或断开电路以防止严重的电击或触电。 
电子跳闸单元可被测试以保证正确操作，然而开关装置的一些故障可发生，其可使断路器无法操作而没有任何指示。例如，电子跳闸单元可提供跳闸信号给例如晶体管或SCR等开关装置，其进而激励致动器以使断路器跳闸。断路器电路通常配置使得如果开关装置没有短路，则致动器被激励，断路器将跳闸，并且由此检测故障。然而，在该配置中，如果开关装置没有断开，致动器不能被激励，断路器不能自动跳闸。此外，如果致动器变为从开关装置电断开，致动器也不能被激励并且断路器不能自动跳闸。目前，没有检测该类型的故障而无需从待测试的服务中去除断路器的技术。 
因此，存在需要自动监测断路器以检测适当的故障检测并且在电子故障保护的不正确操作的情况下提供指示。 
发明内容
根据另一个示范性实施例，断路器包括致动器、连接到该致动器的开关装置和配置成通过检测该致动器和该开关装置之间的连接处的第一连接电压测试该致动器和该开关装置之间的连接的测试单元。该测试单元进一步配置成通过接通开关装置而不操作致动器来测试开关装置的操作。 
根据更另一个示范性实施例，提供自行测试具有致动器和连接到该致动器的开关装置的断路器的方法。该方法包括通过检测该致动器和该开关装置之间的连接处的第一连接电压测试该致动器和该开关装置之间的连接，并且通过接通开关装置而不操作致动器来测试开关装置的操作。 
附图说明
下列详细说明参照附图进行，其中： 
图1示出根据公开的实施例的示范性断路器的示意图； 
图2示出断路器的测试单元的示范性实施例的框图； 
图3A和3B示出测试单元内的电路的示范性实施例； 
图4A至4F描绘测试单元的示范性操作的流程图； 
图5示出测试单元的另一个示范性实施例；以及 
图6和7示出根据公开的实施例的测试单元的另外的实施例。 
具体实施方式
图1示出根据公开的实施例的示范性断路器100的示意图。应该理解在图1中示出的断路器100仅仅是为了示范性目的并且在备选实施例中断路器100可包括用于使断路器100根据示范性实施例操作的任何适合的部件。断路器100可是能够处理任何适当的电压和/或电流负载的任何适当类型的断路器100。尽管公开的实施例将参照图描述，应该理解公开的实施例可采用许多备选形式体现。另外，可以使用任何适当的尺寸、形状或类型的元件或材料。 
断路器100包括可操作以迫使断路器触点(没有示出)在一起或分开用于实现电流通过断路器100流动的致动器105。致动器105可连接到致动器电源155并且可由断路器跳闸电路110激励。致动器105可以是螺线管、致动器、通量移位电路(flux shifter)或任何适合于迫使断路器触点在一起或分开的电动机械装置。致动器电源155提供致动器电源电压160。断路器跳闸电路110可包括开关装置115、电子跳闸单元120和测试单元125。致动器105可直接连接到开关装置115并且由开关装置115激励。尽管开关装置115示为例如晶体管或SCR的单个装置，应该理解开关装置115可包括用于激励致动器105的任何适当的开关或开关电路，只要开关装置可在激励致动器之前在“导通”状态和“断开”状态之间切换即可。电子跳闸单元120可为电弧故障、接地故障、过电流故障或任何其他适当的故障情况监测电源(没有示出)并且响应于检测到故障，可操作以提供跳闸信号130给开关装置115。电子跳闸单元120一般包括检测电路135和跳闸电路140。该检测电路135可配置成检测关系到电源的任何适当的故障，例如接地故障、电弧故障、过电流故障等等。该跳闸电路140一般包括用于响应于由检测电路135检测到故障并且用于提供跳闸信号130以驱动开关装置115的电路。 
电子跳闸单元120、检测电路135和跳闸电路140一般可包括用于检测故障并且用于提供跳闸信号130的任何电路或程序，包括一个或多个处理器、现场可编程门阵列、可编程逻辑装置、门阵列逻辑装置、状态机和存储装置。该存储装置可包括计算机可读或可用介质和计算机可读或可用存储介质，其编码有计算机可执行组件(computer executable component)、软件、程序、指令、命令等用于实现本文公开的实施例。电子跳闸单元120、检测电路135和跳闸电路140还可包括任何适当的传感器、数字信号处理器、缓冲器、模数和数模转换器、电平移位电路(level shifter)、放大器、整流器或任何其他适当的用于检测故障和用于提供跳闸信号130的电部件。 
测试单元125可配置成执行致动器105和开关装置115之间的连接150的自动测试以及开关装置115自己的自动测试。在一些实施例中，初始测试信号165可使测试单元执行本文描述的测试、该初始测试信号165可由例如自动测试装置或用户启动开关的另一个装置(没有示出)供应。测试单元125操作以感测在致动器105和开关装置115之间的连接150处的电压并且确定致动器105是否连接到开关装置115。测试单元125还操作以提供跳闸信号130并且证实在致动器105和开关装置115之间的连接150处的电压作为响应而变化而不激励致动器105。测试单元125可产生指示致动器105和开关装置115之间的连接150的操作状态和开关装置115的操作状态的状态信号145。该操作状态可包括连接150和开关装置115中的一个或两者是否是起作用的，即运行的、工作的或可用的。该操作状态还可包括连接150和开关装置115中的一个或两者是否有故障，即有缺陷的、不工作的或失灵的。 
图2示出测试单元125的实施例的示范性框图，其中测试单元包括微处理器205和可选电压移位电路210。该电压移位电路210连接到连接150。在连接150处的电压与微处理器205的输入不兼容的实施例中，该电压移位电路210操作以缩放该电压到兼容或可由微处理器205读取的范围并且提供兼容输出信号215。微处理器205一般可包括用于读取或感测兼容输出信号215并且用于提供状态信号145的任何电路或程序，在适当的情况下包括附加处理器和存储装置。该存储装置可包括计算机可读或可用介质和计算机可读或可用存储介质，其编码有计算机可执行组件、软件、程序、指令、命令等用于实现本文公开的实施例。微处理器205和电压移位电路210还可包括任何适当的传感器、数字信号处理器、缓冲器、模数和数模转换器、电平移位电路、放大器、整流器或任何其他适当的用于调节在连接150处的电压、提供兼容输出信号215、从兼容输出信号信号215检测故障并且用于提供状态信号145的电部件。 
图3A和3B示出电压移位电路210的示范性实施例。在图3A中，在连接150处的电压由电阻305、NPN晶体管310、电阻315和电压VCC的组合缩放到可由微处理器205读取的水平。图3B示出备选实施例，其中在连接150处的电压由电阻320、MOSFET325、齐纳二极管330、电阻335和电压VCC的组合缩放。在两个实施例中，选择这些部件使得由电压移位电路210抽取的电流在安全余量内不达到致动器105的工作电流。 
图4A描绘测试单元125的示范性操作的流程图。在公开的实施例中，在正常操作期间，即当断路器100处于未跳闸状态，在连接150处的电压将接近致动器电源155的电压。如上文描述的，电压移位电路210可操作以缩放连接150处的电压到可由微处理器205读取的水平。 
参照图4A的框402，微处理器205可操作以通过直接或通过可选电压移位电路210感测连接150处的电压来检查连接150。参照框404，如果电压存在，连接150可如在框406中示出的起作用。如果没有电压存在，连接150可如在框408中示出的是有故障的。 
图4B描绘测试单元125的另一个示范性操作的流程图。测试单元125可通过接通和断开开关装置115而不激励致动器105来检查开关装置115的操作。微处理器205可如在框410中示出的应用跳闸信号130于开关装置115。微处理器205然后可如在框412中示出的在致动器105操作之前从开关装置115去除跳闸信号130。参照框414，微处理器205可确定在跳闸信号130应用和去除的时间之间电压中的变化是否在致动器105和开关装置115之间的连接150处发生。电压中的变化可表示开关装置115如在框416中示出的起作用，而电压无变化可指示开关装置115如在框418中示出的是有故障的。 
图4C和4D示出测试单元125的另外的示范性操作。如在框420和422中示出的，在连接150可能存在的情况下，测试单元可产生采用指示连接150的操作状态是起作用的方式的状态信号145。如在框 424和426中示出的，在连接150可能有故障的情况下，测试单元125可产生采用指示致动器105和开关装置115之间的连接的操作状态是有故障的方式的状态信号145。如在框428和430中示出的，在开关装置115可能是起作用的情况下，测试单元可产生采用指示开关装置115的操作状态是起作用的方式的状态信号145。如在框432和434中示出的，在开关装置115可能是有故障的情况下，测试单元可产生采用指示开关装置115的操作状态是有故障的方式的状态信号145。 
在另外的实施例中，测试单元125的微处理器205可能够测量或可预编程有致动器电源电压160(也称为Vactuator supply)。微处理器可确定代表当致动器105连接到致动器电源155和连接150并且开关装置115是断开或断路时可在连接150处出现的电压范围的近似最小值的第一阈值电压Vfirst threshold。该第一阈值电压Vfirst threshold可从致动器电源电压V160与横跨致动器105的任何电压降、横跨连接150的任何电压降和可影响如在连接150处测量的致动器电源电压160的任何其他因素的任意组合确定。电压降的参数和其他因素以及用于确定该第一阈值电压Vfirst threshold的任何公式或计算可预编程进入微处理器205。在一些实施例中Vfirst threshold自己可预编程序进入微处理器205。 
图4E和4F示出测试单元125的另外的示范性操作的流程图。参照图4E，微处理器205可操作以如上文描述的并且如在框436中示出的确定第一阈值电压Vfirst threshold。微处理器205可如在框438中示出的直接或通过可选电压移位电路210感测在连接150处的电压。然后，如在框440中示出的，微处理器205确定在连接150处的电压是否小于或等于致动器电源电压Vactuator supply并且大于或等于第一阈值电压。如果在连接150处的电压满足这些条件，微处理器205可操作以如在框442中示出的产生采用指示致动器105和开关装置115之间的连接是起作用的方式的状态信号145。如果在连接150处的电压不满足这些条件，微处理器205可操作以如在框444中示出的产生采用指示致动器105和开关装置115之间的连接是有故障的方式的状态信号145。 
在公开的实施例中，致动器105的响应时间一般比开关装置115的那个慢并且从而开关装置115可在比致动器105被激励所要求的时间要少的时间闭合并且重新断开。也就是说，开关装置115可在致动器105对开关装置115的闭合反应之前闭合并且重新断开。从而，开关装置115的操作可被证实而不操作致动器105和使断路器100跳闸。 
如上文提到的，测试单元125的微处理器205可能够测量或可预编程有致动器电源电压160。微处理器可操作以确定代表当开关装置115是导通或闭合时可在连接150处出现的电压范围的近似最大值的第二阈值电压Vsecond threshold。该第二阈值电压Vsecond threshold可从致动器电源电压V160与横跨致动器105的任何电压降、横跨连接150的任何电压降、横跨开关装置115的任何电压降和可影响当开关装置115是导通或闭合时在连接150处出现的电压的任何其他因素的任意组合确定。电压降的参数和其他因素以及用于确定该第二阈值电压Vsecond threshold的任何公式或计算可预编程进入微处理器205。在一些实施例中Vsecond threshold自己可预编程进入微处理器205。 
参照图4E的框436，微处理器205可操作以如上文描述的确定第二阈值电压Vsecond threshold。微处理器205可操作以如在框448中示出的应用跳闸信号130到开关装置115使开关装置接通或闭合，并且从而传导电流。微处理器205还可操作以如在框450中示出的感测在连接150处的电压并且如在框452中示出的比较第二阈值电压Vsecond threshold与在连接150处的电压。如果在连接150处的电压等于或小于第二阈值电压Vsecond threshold，微处理器205如在框454中示出的在激励致动器105之前从开关装置115去除跳闸信号130，并且如在框456中示出的产生状态信号145以指示开关装置是起作用的。如果在连接150处的电压没有等于或小于第二阈值电压Vsecond threshold，微处理器205如在框458中示出的在激励致动器105之前从开关装置115去除跳闸信号130，并且如在框460中示出的产生状态信号145以指示开关装置115是有故障的。 
图5示出在没有可编程或时钟装置的情况下实现的测试单元500的另一个实施例。在正常操作期间，当断路器100处于未跳闸状态中并且没有初始测试信号520时，在连接150处的电压将接近致动器电源155的电压使在节点505的电压接近VCC。当在节点505的电压超过VREF时，放大器515的输出510也接近VCC，指示连接150是起作用的。 
在其他操作中，初始测试信号520由例如自动测试装置或用户启动开关的另一个装置(没有示出)应用于开关装置Q1545。通过开关装置Q1“导通”或传导，电流通过电阻550、Q1545和二极管525到开关装置115，将开关装置115“接通”。通过开关装置115“导通”并且由此传导电流，在连接150处的电压拉到由横跨致动器105和横跨开关装置115的电压降确定的“低”状态。这进而使节点505通过二极管530、放电电容器535拉“低”并且使放大器515的输出510拉“低”从而指示开关装置115已经“接通”。 
当初始测试信号520去除或在连接150处的电压拉“低”从而去除通过电阻550、Q1545和二极管525到开关装置115的电流时，开关装置115将“断开”。 
在另一个操作模式中，初始测试信号520基于定期来施加，根据电阻540和电容器535的时间常数使在节点505的电压仍然是低，其中V505＝VCC*e-t/(R540*C535)。如果开关装置115故障，在节点505的电压将超过VREF使放大器的输出拉“高”从而指示开关装置115的故障。 
图6图示测试单元610和用于提供测试设施和致动器操作两者的支持电路的更另一个实施例。测试单元610可包括微处理器615和电压移位电路620，如在上文公开的实施例中，其包括任何电路、部件、附加处理器和存储装置，其具有计算机可读或可用介质和计算机可读或可用存储介质，其编码有计算机可执行组件、软件、程序、指令、命令等用于实现本文公开的实施例。测试单元610可配置成自动或响应于上文描述的初始测试信号165执行测试。电阻645和电阻650的 值可选择使得通过电阻645和电阻650中任一个的电流不足以使致动器105致动。Q655和Q660可包括适合于激励致动器105的任何开关、开关装置或开关电路。 
当测试单元610没有被启动用于测试时，测试单元可操作以响应于跳闸信号130接通Q655和Q660两者、致动致动器105并且使断路器跳闸。为了测试断路器，测试单元610一般可操作以提供跳闸信号625和跳闸信号630并且读取或感测测试信号635和测试信号640。到致动器105的连接可通过提供跳闸信号625以使Q655传导或“接通”和提供跳闸信号630以使Q660断开或“关断”并且感测测试信号640而测试。大致上等于致动器电源155的电压的在测试信号640的电压指示连接存在并且Q655和Q660正确操作。大致上等于致动器电源155的1/2电压的在测试信号640的电压指示连接存在并且Q655可能失灵。大致上0伏特的在测试信号640的电压指示Q660可能短路。在这些状况下，螺线管可致动，使断路器跳闸。 
Q655和Q660的另外操作可通过提供跳闸信号625以使Q655断开或“关断”和提供跳闸信号630以使Q660闭合或“接通”并且感测测试信号640而测试。大致上等于0伏特或接地的在测试信号640的电压指示Q655和Q660可正确操作。没有基本等于0伏特或接地的在测试信号640的电压指示Q660不正确传导或接通。致动器105的致动指示0655可能短路。测试单元610可提供状态信号145以指示这些状况和故障中的每个。 
图7图示测试单元710和用于提供测试设施和致动器操作两者的支持电路的更另一个实施例。测试单元710可包括微处理器715和电压移位电路720，与上文公开的实施例相似，其包括任何电路、部件、附加处理器和存储装置，其具有计算机可读或可用介质和计算机可读或可用存储介质，其编码有计算机可执行组件、软件、程序、指令、命令等用于实现本文公开的实施例。测试单元710可配置成自动或响应于上文描述的初始测试信号165执行测试。与本文描述的其他实施 例相似，电阻745和电阻750的值可选择使得通过它们中任一个的电流不足以使致动器105致动。Q755和Q760可是适合于激励致动器105的任何开关、开关装置或开关电路。 
当测试单元710没有被启动用于测试时，测试单元可操作以响应于跳闸信号630接通Q755和Q760两者、致动致动器105并且使断路器跳闸。为了测试断路器，测试单元710一般可操作以提供跳闸信号725和跳闸信号730并且读取或感测测试信号735。到致动器105的连接可通过提供跳闸信号725以使Q755传导或“接通”和提供跳闸信号730以使Q760断开或“关断”并且感测测试信号735而测试。大致上等于致动器电源155的电压的在测试信号735的电压指示连接存在并且Q755和Q760正确操作。大致上等于致动器电源155的1/2电压的在测试信号735的电压指示连接存在并且Q755可能失灵。大致上0伏特的在测试信号735的电压指示Q660可能短路。在这些状况下，螺线管可致动，使断路器跳闸。Q755和Q760的另外操作可通过提供跳闸信号725以使Q755断开或“关断”和提供跳闸信号730以使Q760闭合或“接通”并且感测测试信号735而测试。大致上等于0伏特或接地的在测试信号735的电压指示Q755和Q760可能正确操作。没有基本等于0伏特或接地的在测试信号735的电压指示Q760不正确传导或操作。致动器105的致动指示Q755可能短路。测试单元710可提供状态信号145以指示这些状况和故障中的任何一个。 
应该理解尽管测试单元125、500、610、710的不同实施例在上文描述为与电子跳闸单元120分开，在备选实施例中测试单元可以是电子跳闸单元120或断路器100的任何其他适当部分的一部分或与其集成。 
示范性实施例提供断路器100的开关装置的自动自我测试而不干扰通过断路器100供应给负载的电力。根据示范性实施例，致动器和开关装置之间的连接与开关装置的正确操作一起自动测试，而不激励断路器致动器，并且从而不使断路器跳闸。 
尽管实施例已经连同目前考虑为最实用并且优选的实施例描述，要理解实施例不限于本文公开的那些。相反，描述的实施例意在覆盖包括在附上的权利要求的精神和范围内的各种修改和等同设置中的所有。 
部件列表 
  100   断路器   105   致动器
  110   断路器跳闸电路   115   开关装置
  120   电子跳闸单元   125   测试单元
  130   跳闸信号   135   检测电路
  140   跳闸电路   145   状态信号
  150   连接   155   致动器电源
  160   致动器电源电压   165   初始测试信号
  205   微处理器   210   电压移位电路
  215   兼容输出信号   305   电阻
  310   开关装置   315   电阻
  320   电阻   325   开关装置
  330   二极管   335   电阻
  505   节点   510   输出
  515   放大器   520   初始测试信号
  525   二极管   530   二极管
  535   电容器   540   电阻
  545   开关装置Q1   550   电阻
  610   测试单元   615   微处理器
  620   电压移位电路   625   跳闸信号
  630   跳闸信号   635   测试信号
  640   测试信号   645   电阻
  650   电阻   655   开关装置
  660   开关装置   710   测试单元
  715   微处理器   720   电压移位电路
  725   跳闸信号   730   跳闸信号
  735   测试信号   745   电阻
  750   电阻   755   开关装置
  760   开关装置   765   电阻

Claims (14)

1.一种断路器，包括：
致动器；
连接到该致动器的开关装置；
配置成提供第二致动器电源电压的致动器电源；
测试单元，配置成通过检测所述致动器和所述开关装置之间的连接处的第一连接电压来测试所述致动器和所述开关装置之间的连接，所述测试单元进一步配置成通过接通所述开关装置而不操作所述致动器来测试所述开关装置的操作，以及
处理器，配置成如果所述第一连接电压小于或等于所述第二致动器电源电压则产生指示所述致动器和所述开关装置之间的起作用的连接的信号。
2.如权利要求1所述的断路器，其中所述测试单元进一步配置成产生指示所述致动器和所述开关装置之间的连接的操作状态的状态信号。
3.如权利要求1所述的断路器，其中所述测试单元进一步配置成产生指示开关装置操作状态的信号。
4.如权利要求1所述的断路器，其中所述处理器进一步配置成：
确定第三阈值电压，以及
如果所述第一连接电压小于或等于所述第二致动器电源电压并且大于或等于所述第三阈值电压则产生指示所述致动器和所述开关装置之间的起作用的连接的信号。
5.如权利要求4所述的断路器，其中所述处理器进一步配置成如果所述第一连接电压大于所述第二致动器电源电压或小于所述第三阈值电压则产生指示所述致动器和所述开关装置之间的故障连接的信号。
6.如权利要求1所述的断路器，其中所述处理器进一步配置成应用跳闸信号于所述开关装置而不激励所述致动器；
配置成当所述跳闸信号应用时感测在所述致动器和所述开关装置之间的连接处的所述第一连接电压的电路；
其中所述处理器进一步配置成：
确定第四阈值电压，以及
当所述跳闸信号应用时如果所述第一连接电压小于或等于所述第四阈值电压则产生指示起作用的开关装置的信号。
7.如权利要求6所述的断路器，其中所述处理器进一步配置成当所述跳闸信号应用时如果所述第一连接电压大于所述第四阈值电压则产生指示故障的开关装置的信号。
8.一种用于自行测试具有致动器和连接到所述致动器的开关装置的断路器的方法，所述方法包括：
提供第二致动器电源电压；
接通所述开关装置而不操作所述致动器；
通过检测所述致动器和所述开关装置之间的连接处的第一连接电压来测试所述致动器和所述开关装置之间的连接；以及
如果所述第一连接电压小于或等于所述第二致动器电源电压则产生指示所述致动器和所述开关装置之间的起作用的连接的信号。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括产生指示所述致动器和所述开关装置之间的连接的操作状态的状态信号。
10.如权利要求8所述的方法，进一步包括产生指示所述开关装置的操作状态的状态信号。
11.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
确定第三阈值电压，以及
如果所述第一连接电压小于或等于所述第二致动器电源电压并且大于或等于所述第三阈值电压则产生指示所述致动器和所述开关装置之间的起作用的连接的信号。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括如果所述第一连接电压大于所述第二致动器电源电压或小于所述第三阈值电压则产生指示所述致动器和所述开关装置之间的故障连接的信号。
13.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
应用跳闸信号于所述开关装置而不激励所述致动器；
当所述跳闸信号应用时感测在所述致动器和所述开关装置之间的连接处的所述第一连接电压；
确定第四阈值电压，以及
当所述跳闸信号应用时如果所述第一连接电压小于或等于所述第四阈值电压则产生指示起作用的开关装置的信号。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括当所述跳闸信号应用时如果所述第一连接电压大于所述第四阈值电压则产生指示故障的开关装置的信号。
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