CN102185276A

CN102185276A - 保护继电器、电气开关设备和系统

Info

Publication number: CN102185276A
Application number: CN2010106238354A
Authority: CN
Inventors: J·M·凯利斯; L·B·法尔
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2030-11-17
Also published as: CN102185276B; US20110116196A1; US8493012B2

Abstract

本发明涉及保护继电器、电气开关设备和包含数个用于确定和输出负载处的可获得故障电流和入射能或与其可操作地关联的人身保护装置等级的控制器的系统。一种用于负载(16)用电气开关设备(2)的保护继电器(14)包含：数个被构造为检测施加至负载的电压(19)的电压传感器(18)，数个被构造用于检测流至负载的电流的电流传感器(20)，以及与所述数个电压传感器及所述数个电流传感器协作的处理器(10)。处理器确定(22)负载处的可获得的故障电流。输出(24)与处理器协作。输出被构造为输出所确定的故障电流(126)以及下列中的数个：负载处的入射能(114)，与电气开关装置可操作关联的人身保护装置(PPE)等级(120)。处理器根据所确定的故障电流确定(82)下列中的数个：电气开关装置处的入射能，与电气开关装置可操作地关联的人身保护装置(PPE)等级。

Description

保护继电器、电气开关设备和系统

技术领域

所公开构思通常涉及电气开关设备，且更特别地，涉及用于控制负载的电气开关设备。所公开构思还涉及保护继电器——例如电动机保护继电器——以及包含用于控制负载的控制器的系统。

背景技术

接触器被用于例如但不限于起动器应用中，以便开启/关断负载以及保护负载——例如电动机或其他电气装置——免受电流过载。接触器被用作电气开关设备，包含固定和活动触头，固定触头和活动触头在闭合时传导电力。

起动器是用于为典型地应用于例如多种工业设置的负载——例如单相电动机或三相电动机等——提供保护和控制以操作机械的装置。一种普通类型的起动器包含电磁接触器和电动机保护继电器。接触器包含可分离触头，它们连接到电动机的每一相，以便在可分离触头闭合时，可分离触头将电动机连接至电源——例如三相电源。电动机保护继电器监视负载电流，且在某些情况下监视电压，如果发生问题状况——例如持续过电流，则将接触器跳闸断开。典型地，电动机保护继电器跟踪负载电流的I²t特性，其为发热的量度。电动机保护继电器典型地包含微处理器，其数字地产生I²t值。当计算得到的I²t值达到指定的跳闸水平时，接触器被跳闸断开以中断电流向电动机的流动。

对于闪络保护而言，NFPA 70 110.16和NFPA 70E 400.11要求位于非住宅建筑且可能在被激励的同时需要检查、调节、维修或维护的电动机控制中心、配电盘、仪表盘、工业控制面板以及仪表插座外壳应当被字段标记(field marked)以警告有资格的人员注意潜在的电弧闪络危险。标记应当被定位为在设备检查、调节、维修或维护之前对于有资格的人员清晰可见。

对于特定电力系统显示可获得的故障电流、入射能和人身保护装置(PPE)等级(例如但不限于手套；防火服)的已知过程是工程师使用电力系统参数来执行理论计算。然后，基于那些理论计算，将打印标签贴到电力系统设备上，说明人工计算的可获得故障电流，人工计算的入射能以及人工计算的PPE等级。然而，没有已知的方法去验证这些信息的正确性。此外还存在这样的风险，如果修改了该电力系统，人工计算的可获得故障电流、人工计算的入射能以及人工计算的PPE等级都将改变，但是打印的标签未被及时地更改，如果有的话。

电气开关设备存在改进的空间。

保护继电器——例如电动机保护继电器——也存在改进的空间。

此外，包含用于控制负载的控制器的系统也存在改进的空间。

发明内容

上述这些需要和其他需要通过所公开构思的实施例得到满足，所公开构思的实施例提供了一种电气开关设备，例如但不限于中压电动机起动器，其确定中压电动机上的，并显示该可获得的故障电流以及中压开关设备的入射能、被指派操作或维护中压开关设备的操作者或维护人员所需要的人身保护装置(PPE)等级中的数个。

根据所公开构思的一个方面，用于负载的电气开关设备的保护继电器包含：数个被构造为检测施加到负载的电压的电压传感器；数个被构造为检测流至负载的电流的电流传感器；与所述数个电压传感器和所述数个电流传感器协作的处理器，处理器被构造为确定负载上的可获得的故障电流；与处理器协作的输出，输出被构造为输出所确定的故障电流以及下列中的数个：电气开关设备的入射能，与电气开关设备可操作地相关联的人身保护性装置(PPE)等级，其中，处理器被构造为由所确定的故障电流确定下列中的数个：电气开关设备的入射能，与电气开关设备可操作地相关联的人身保护性装置(PPE)等级。

输出可以是显示器。显示器可被构造为显示所确定的故障电流、电气开关设备的入射能、人身保护性装置(PPE)等级以及需要穿着的人身保护性装置。

输出可被构造为与通信网络通信。

处理器可被构造为从查阅表确定人身保护装置(PPE)等级。

故障电流可以为可获得的短路电流。

作为所公开构思的另一方面，用于负载的电气开关设备包含：数个可分离触头；被构造为打开和闭合所述数个可分离触头的操作机构；被构造为检测施加至负载的电压的数个电压传感器；被构造为检测经所述数个可分离触头流至负载的电流的数个电流传感器；与所述数个电压传感器和所述数个电流传感器协作的处理器，处理器被构造为确定负载上的可获得的故障电流；与处理器协作的显示器，显示器被构造为显示所确定的故障电流以及下列中的数个：电气开关设备的入射能，与电气开关设备可操作地相关联的人身保护性装置(PPE)等级，其中，处理器被构造为由所确定的故障电流确定下列中的数个：电气开关设备的入射能，与电气开关设备可操作地相关联的人身保护性装置(PPE)等级。

作为所公开构思的又一方面，一种系统包含：包含处理器和输出的装置、数个控制器以及所述数个控制器和所述装置之间的数个信道，其中，所述数个控制器的每一个包含数个被构造为检测施加到相应负载的电压的电压传感器、数个被构造为检测流至相应负载的电流的电流传感器以及与所述数个电压传感器和所述数个电流传感器协作的处理器，后面的这种处理器被构造为确定相应负载上的可获得的故障电流；所述数个信道的每一个被构造为从所述数个控制器中相应一个控制器向所述装置传送所确定的故障电流，其中，该装置的处理器被构造为由所述数个控制器中的一个的所确定的故障电流确定下列中的数个：所述数个控制器中的这样一个控制器的入射能，与所述数个控制器中的这样一个控制器可操作地相关联的人身保护性装置(PPE)等级，且其中，该装置的输出端被构造为输出所述数个控制器中的这样一个控制器的所确定的故障电流以及下列中的数个：所述数个控制器中的这样一个控制器的入射能，与所述数个控制器中的这样一个控制器可操作地相关联的人身保护性装置(PPE)等级。

所述数个控制器可以是多个控制器，且所述数个信道可以是所述数个控制器和所述装置之间的通信网络。

所述数个控制器可以是多个控制器，且所述装置的处理器可被构造为根据所述数个控制器的所确定的故障电流来确定最大故障电流，并根据所确定的最大故障电流来确定下列中的数个：所述数个控制器中的这样一个控制器的入射能，与所述数个控制器中的这样一个控制器可操作地相关联的人身保护性装置(PPE)等级。

根据所公开构思的又一方面，用于负载的电气开关设备包含：数个可分离触头；被构造为打开和闭合所述数个可分离触头的操作机构；被构造为检测施加至负载的电压的数个电压传感器；被构造为检测经所述数个可分离触头流至负载的电流的数个电流传感器；与所述数个电压传感器和所述数个电流传感器协作的处理器，处理器被构造为确定负载上的可获得的故障电流；与处理器协作的显示器，该显示器被构造为显示所确定的负载上的可获得的故障电流。

附图说明

结合附图阅读下面对优选实施例的说明，可获得对所公开构思的全面理解，在附图中：

图1是根据所公开构思实施例的三相中压电动机起动器的原理框图；

图2是用于图1的处理器的程序的流程图；

图3是图1的线圈控制电路的原理框图；

图4是根据所公开构思其他实施例包含显示模块和数个控制器的系统的原理框图；

图5是用于图4的显示模块的处理器的程序的流程图；

图6和7是图4的显示模块的显示输出。

具体实施方式

如这里所使用的，术语“数个”将表示一个或大于一个的整数个(例如，复数个)。

如这里所使用的，术语“处理器”表示可存储、检索和处理数据的可编程模拟和/或数字装置；计算机；工作站；个人电脑；微处理器；微控制器；微计算机；中央处理单元；大型计算机；微型计算机；服务器；网络处理器或任何合适的处理装置或设备。

如这里所使用的，术语“低压”将表示任何小于约600V_RMS的电压。

如这里所使用的，术语“中压”将表示高于低压且位于约600V_RMS至52kV_RMS范围内的任意电压。

如这里所使用的，术语“控制器”表示接触器和保护继电器的组合。

如这里所使用的，术语“保护继电器”或“保护性继电器”可包含例如而不限于数个电流和/或电压传感器、处理器以及开闭接触器的控制电路。继电器和/或电流和/或电压传感器可以是接触器的一部分或与接触器分离。

如这里所使用的，术语“接触器”包含例如但不限于低压接触器、中压接触器或电气操作的低压或中压断路器。接触器可包含例如但不限于数个可分离触头和操作机构。接触器和断路器也可包含辅助触头。

如这里所使用的，术语“开关装置”包含例如但不限于也可包含断路器和熔断开关的一个或多于一个电动机起动器的组件。

结合磁闭合接触器——例如三极真空接触器或三相中压电动机起动器——描述了所公开构思，但所公开构思可应用于宽广范围的电气开关装置应用或用于宽广范围的电压的具有任何相数或极数的保护继电器。例如但不限于，所公开构思的方面可有利地用于电气操作的低压或中压断路器。

参考图1，示出了电气开关设备(例如但不限于，中压或低压电气开关设备，例如电路断续器、断路器或熔断开关；三相电气开关设备；电动机起动器；中压或低压电动机起动器；三相电动机起动器；三极控制器；三极接触器)，例如示例性的三相中压电动机起动器2。示例性的电动机起动器2包含：数个(例如但不限于，示出了3个)可分离触头4；操作机构6，其被构造为开和闭可分离触头4；数个传感器8，其被构造为检测电压和检测流经可分离触头4的电流；处理器10，其被构造为与操作机构6协作以开和闭可分离触头4。如惯常的，处理器10可进一步构造为从检测的流经可分离触头4的电流确定故障12(例如但不限于，单相线-地故障；单相线-线故障；三相线-线故障；线-线和接地故障)。

处理器10和传感器8协作，对用于负载的保护继电器14——例如但不限于，用于三相中压电动机16的三相中压电动机保护继电器——进行供给。传感器8包含被构造为用于感应施加于电动机16上的示例性三相线路电压19的数个(例如但不限于，三个被示出)电压传感器18和被构造为用于检测流至电动机16的电流的数个(例如但不限于，三个被示出)电流传感器20。处理器10包含数个程序，例如但不限于保护程序21和将在下面结合图2讨论的程序22。

简要地，处理器10与所述数个电压传感器18以及所述数个电流传感器20协作，确定电动机16上的可获得的故障电流。处理器10还根据已确定的故障电流确定下列中的数个：(1)示例性电动机起动器2的入射能；(2)与示例性电动机起动器2可操作地关联的个人保护性装置(PPE)等级。输出24与处理器10协作，输出所确定的故障电流以及下列中的数个：(1)示例性电动机起动器2的入射能；(2)与示例性电动机起动器2可操作地关联的个人保护性装置(PPE)等级。

示例1

输出24可以是信号器或显示器，其与处理器10协作并显示所确定的故障电流和下列中的数个：(1)示例性电动机起动器2的入射能；和/或(2)与示例性电动机起动器2可操作地关联的个人保护性装置(PPE)等级。

示例2

输出24可以与通信网络(例如图4的80)通信，通信网络可以向本地或远程地点传送所确定的故障电流和下列中的数个：(1)示例性电动机起动器2的入射能；和/或(2)与示例性电动机起动器2可操作地关联的个人保护性装置(PPE)等级。

示例3

处理器10可以根据查阅表25确定个人保护性装置(PPE)等级，其中，查阅表25将示例性电动机起动器2的入射能转换为对应的PPE等级。

示例4

所确定的故障电流可以是示例性电动机起动器2上的可获得的短路电流。图2示出了用于图1的处理器10的程序22。示例性电动机16每次起动时，测量(例如检测)(起动前的)三相电压以及(起动过程中的)三相电压和三相电流。在闭合可分离触头4之后以及在进入起动的数个周期后进行三相电压和三相电流的测量，以消除由这种闭合引起的扰动。正如将要讨论的那样，处理器程序22确定可获得的短路电流Isc。

对于示例性电动机16(图1中用虚线所示)的每次起动，相应的电压传感器和电流传感器18和20检测线路电压(例如但不限于，Vs)和线路电流(例如但不限于，Is)。优选地，取进入起动数个周期(例如但不限于，10个)后的读数，以消除闭合可分离触头4后典型地见到的扰动。使用电压降(Vd(每单元(per unit)))和起动线路电流(Is(安培))来计算可获得的短路电流(Isc(安培))，分别如等式1和2分别所示。

V_d＝(V_b-V_s)/V_b (等式1)

其中：

Vd是电压降(每单元)；

Vb是起动前的线路电压(伏特)；以及

Vs是起动过程中的线路电压(伏特)。

I_sc＝I_s/V_d (等式2)

其中：

Isc是可获得的短路电流(安培)；以及

Is是起动电流或起动过程中的线路电流(安培)。

继续参考图2，在26处，程序22开始。接下来，正如要解释的那样，在28处，程序22测量起动前的线路电压Vb 29，随后在30处，由控制电路31(图1和3)闭合可分离触头4。然后，在32处，在测量起动过程中的线路电压Vs 33和起动过程中的线路电流Is 34之前，程序22等待例如但不限于数个周期(例如但不限于大约10个线路周期)。接下来，在36处，程序22使用例如等式1和2计算可获得的短路电流Isc。

然后，在38处，读取来自在前起动的之前保存的最高可获得短路电流I_{highest_sc}。接下来，在40处，将对于当前起动的可获得短路电流Isc与来自在前起动的之前保存的最高可获得短路电流I_{highest_sc}(例如但不限于过去六个月内的最高短路电流)进行比较。如果对于当前起动的可获得短路电流Isc为较大值，那么在42处将其保存作为来自在前起动的最高可获得短路电流I_{highest_sc}。该事件可以与该事件的时间和日期、电压(Vb，Vs)和电流(Is)、可获得的短路电流(Isc)一起记入日志。否则，或在42之后，程序22在44处退出。

示例5

参照图3，操作机构6包含控制电路31和线圈45。处理器10和控制电路31优选为引起线圈45的反电动势(EMF)的立即耗尽，以减少可分离触头4的断开时间。这在故障电流小于接触器中断额定值的情况下是有用的。

示例性控制电路31包含：电容器46；开关，例如场效应晶体管(FET)48；用于驱动FET 48的脉冲宽度调制(PWM)驱动器50。当FET 48被PWM驱动器50开通时，二极管52被反向偏置，且不导通。另一方面，当FET 48被PWM驱动器50关断时，线圈45的反电动势(EMF)使得二极管52被正向偏置，并经过线圈45导通循环电流，直至FET 48再次开始导通。此循环电流保持可分离触头4闭合，直到FET 48再次开始导通。

示例性控制电路31还包含适当的充电电路，例如示例性的全波桥路 54，以便由具有足够能量的控制电压57为电容器46充电，从而对于失去控制电压57之后的至少预定的时间保持处理器10可运行，并保持可分离触头4闭合。在激励线圈45达预定时间后，PWM驱动器50将到线圈45的电压降低至预定电压，该预定电压保持可分离触头4闭合。

控制电路31还包含：第二开关，例如示例性FET 56，其与第一FET 48串联电气连接；瞬变吸收器58，其与线圈45并联电气连接。处理器10通过使第二FET 56关断来断开可分离触头4。FET 56的关断引起线圈45的反EMF以预定电压经过瞬变吸收器58导通，该预定电压使得可分离触头4在预定时间后断开。

示例性控制电压57可以是例如102VAC，125VDC或240VAC，但不限于这些。例如，此电压57优选为以足够的能量对电容器46充电，以便对于失去控制电压57后直到约300毫秒的可调节时间延时，保持处理器4可运行，并保持可分离触头4闭合。

当处理器10收到起动命令60时，它使得PWM驱动器50用PWM信号62开通FET 48。处理器10还使FET驱动器64开启第二FET 56。PWM信号62的非限制性示例速率为大约1000Hz。

参照图4，系统70被示为包含：一装置，例如示例性中央显示模块(CDM)72；数个控制器，例如示例性电动机起动器74，其可与图1的示例三相中压电动机起动器2相同或相似。CDM 72包含处理器(P)76和输出(O)78。示出了数个(例如但不限于，一个)通信网络80(例如但不限于RS-485网络，以太网，INCOM，任意适合的通信网络；INCOM网络和协议的示例在美国专利US 4644547，4644566，4653073，5315531；5548523；5627716；5815364和6055145中披露)，然而，在示例性电动机起动器74和示例性CDM 72之间可以使用任意适当数量的通信通道，例如数个有线或无线通信链路。示例性通信网络80被构造成将来自任意数量示例性电动机起动器74的所确定的故障电流(例如Isc；I_{highest_sc})传送至示例性CDM 72。在某些程度上类似于图2的程序22，CDM处理器76被构造为根据电动机起动器74的所确定的故障电流确定下列中的数个： (1)相应开关设备(未示出)的入射能；(2)与这样的相应开关设备或主电力母线可操作地相关联的人身保护性装置(PPE)等级。CDM输出78被构造为输出电动机起动器74的所确定的故障电流以及下列中的数个：(1)相应开关设备(未示出)的入射能；以及(2)与这样的相应开关设备或主电力母线可操作地相关联的人身保护性装置(PPE)等级。

示例6

如图4所示，所述数个控制器为多个电动机起动器74，且所述数个信道是示例性电动机起动器74和示例性CDM 72之间的单个通信网络80。

示例7

某种程度上类似于图1的处理器10，CDM处理器76可根据电动机起动器74的所确定的故障电流来确定最大故障电流(例如I_{highest_sc})，并根据所确定的最大故障电流来确定下列中的数个：(1)相应开关设备(未示出)处的入射能；以及(2)与这样的相应开关设备可操作地相关联的人身保护性装置(PPE)等级。

示例8

示例性电动机起动器74位于同一电力母线上(例如但不限于，中压4160VAC_RMS主电力母线)(未示出)，并具有相同的直接(bolted)短路电流。例如，每个电动机起动器74计算其当前的可获得的短路电流Isc和/或其最大可获得的短路电流I_{highest_sc}，并将之通过通信网络80传送给CDM 72。

示例9

图5示出了用于图4的CDM处理器76的程序82。程序82优选为基于IEEE Std 1584-用于执行弧-闪危险计算的IEEE指南执行飞弧时间、入射能、FPB、HRC和SPB的运算。

在开始后，在84处，程序82轮询图4的数个电动机起动器74，以获得它们相应的可获得短路电流(Isc)值。随后，在88处，选出那些值中的最大值，并在90处将之与线-线系统电压(Vsys)一起显示。例如，对于数个电动机起动器74的公共主电力母线(未示出)而言，这提供了能被显示并用于随后计算例如入射能和PPE等级的最差情况的可获得短路电流(Isc)值。接下来，在91处，输入工作距离(例如但不限于12、18、24、36或48英寸)。

接下来，在92处，确定是否有足够的信息可用于计算飞弧时间。例如，飞弧时间可在98处人工录入，或者，用于计算飞弧时间的信息可在100处输入。如果在92处可获得足够的信息，则在94处如将要阐释的那样计算飞弧时间。否则，如果在92处无法获得足够的信息，那么在96处请求人工录入飞弧时间。如果请求了人工录入飞弧时间，那么在98处输入飞弧时间。然后，在94或者98后，如要解释的那样，程序82在102处计算入射能，在104处计算闪络保护边界(FPB)和风险种类(HRC)，并在105处从查阅表25(附图1)查找包含有限接近(LA)、受限接近(RA)和禁止接近(PA)的冲击保护边界(SPB)。接下来，程序82在106处显示FPB，HRC和包含LA，RA和PA的SPB。最后，在107处，确定步骤91的工作距离是否在步骤104的FPB内。如果是的话，那么重复步骤91。否则，程序82在108处退出。

如果在96处不请求人工录入飞弧时间，那么在100处输入关于上游(upstream)保护装置的多种数据，在此之后重复92。因此，或者通过98处的人工输入在96处请求飞弧时间，或者基于100处的用户输入在94处计算飞弧时间。

关于步骤94所使用的示例性上游保护(例如过电流)装置的信息在下面的示例10-13和19中进行讨论。

示例10

如果使用熔断器(未示出)作为上游(例如相对于图4的多种示例性电动机起动器74的主电力母线(未示出))保护装置，那么相应的信息包含熔断器的额定电流、熔断器类型以及熔断器在系统中的位置(例如电压等级；例如如果保护熔断器或断路器处于高于电动机起动器74的系统电压，那么电流减小；例如，如果电动机起动器74为4160伏，Isc是10kA，熔断器为23kV，那么短路电流将仅仅为大约1809安培)。优选地，为例如变压器的系统部件提供补偿。

示例11

对于热磁断路器(未示出)而言，相应的信息包含热磁断路器的跳闸额定值、它的瞬时设置以及在系统中的位置(例如电压等级)。

示例12

对于带有电子跳闸的断路器(未示出)而言，相应的信息包含始动、跳闸或制动额定值(pickup，trip or plug rating)(例如安培；电流传感器等级的倍数)，长时间始动设置，短时间始动设置，瞬时设置，跳闸是否基于I²T(例如以安培为单位的跳闸设置的平方乘以以秒为单位的时间)以及在系统中的位置(例如电压等级)。

示例13

对于机电过电流(O/C)继电器(未示出)而言，相应的信息包含对于一次侧(例如但不限于600安培)和二次侧(例如但不限于5安培)的继电器电流互感器(CT)额定值，继电器波形(例如但不限于ANSIModerate Inverse(CO-7)，ANSI Very Inverse(CO-9)和ANSI Extremely Inverse(CO-11))，抽头设置(例如但不限于0.5至12安培)，时间整定值(例如但不限于0.5，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12)，瞬时“时常(in times)”电流互感器比率以及在系统中的位置(例如电压等级)。

示例14

在图5的102处，计算特定的工作距离处(例如但不限于12，18，24，36或48英寸)的入射能(cal/cm²)。还计算特定距离处——例如36英寸——的入射能。这是在该区域内工作但不在设备上工作的人当其打扫地面或油漆墙壁时将开始获知其PPE要求的距离。

图5的104的HRC(危害风险分类)被确定为在0至4的范围内。

示例15

基于104的HRC和102的入射能，可由图1的查阅表25确定对应的PPE等级的列表。例如，对于HRC 0等级和1cal/cm²的入射能，输出可以是：连衣裤工作服(1层)，Indura

Ultrasoft Style 301，最小电弧额定值＝8cal/cm²，以及PPE等级的安全眼镜。

示例16

图6和7是图1的输出24或者图4的输出78的示例性显示输出。

图6的示例性显示输出110示出了两个不同的工作距离116、118处和PPE等级120的HRC 112和入射能114。

图7的示例性显示输出122示出了基于可获得的短路电流(Isc)126和飞弧时间128的FPB 124，以及主母线电压138下分别对于LA、RA和PA距离132、134和136的SPB 130。例如，对于图4的示例性电动机起动器74的主母线电压138等级的冲击保护边界(SPB)列表可包含有限接近(LA)距离132，受限接近(RA)距离134和禁止接近(PA)距离136，其中，有限接近距离132是没有资格的工人必须离开被激励设备的距离，受限接近距离134是不具有额定电压PPE(人身保护性装置)(例如但不限于手套或其他PPE)的有资格的工人必须离开被激励设备的距离，禁止接近距离136为其实际接触被激励设备的距离。

示例17

由于NFPA 70国家电力规范和OSHA要求用户被标记在电气设备的每种阵列(lineup)上，图7的示例性显示输出122可用作那种标记。

示例18

下面是图5中的步骤102的入射能计算的实例。在86处，CDM 72(图4)向每个起动器74发送请求索要它的计算得到的可获得短路电流(Isc)126。这可在每次电动机起动计算并更新，以反映例如过去六个月内的最高记录值。在88处，CDM 72采集起动器74的最高Isc 126，并用它来计算例如中压电动机控制中心(MV-MCC)的入射能。使用NFPA 70E-2004的等式D.7，用步骤88的短路电流(Isc)，步骤90的系统电压(Vsys)，步骤94或98的飞弧时间以及步骤91的工作距离来计算MV-MCC的入射能，如等式3所示：

E＝(793×I_sc×V_sys×T_a)/D² (等式3)

其中：

E是入射能(cal/cm²)；

Isc是直接短路电流(kA)；

Vsys是MV-MCC线-线电压(kV)；

Ta是飞弧时间(S)；以及

D是距电弧源的距离(英寸)。

示例19

下面是图5中步骤94的飞弧时间计算的实例。在步骤96中，CDM 72要求人工录入飞弧时间。如果已知，那么在98处录入飞弧时间。例如，如果已经进行配位研究(coordination study)，那么负责的工程师可以使用步骤90的所显示的Isc，利用配位图(未示出)来确定飞弧时间(Ta)。否则，在94处，CDM 72计算保守的飞弧时间。在该实例中，“保守的”意味着保守飞弧时间等于或长于实际将要发生的时间。这将导致相对较高的入射能等级以及相应的较高的PPE要求。

否则，如果在96处不知道飞弧时间，那么步骤99输入上游保护性设备(未示出)处的电压等级。例如，通常一次侧保护位于配电变压器(未示出)的电源侧。所以，短路电流以变压器的电压比减小。例如，如果MV-MCC的线-线电压是4160伏特，并且由断路器和继电器控制的变压器的一次侧电压是13200伏，那么流经一次侧的电流将是Isc的31.5％。

步骤100录入关于上游保护性设备的数据。这决定了保护类型是熔断器还是断路器。如果保护的类型是熔断器，那么输入额定电流(If)和熔断器类型。接下来，确定熔断器类型。例如，可以有两种具有截然不同的时间电流中断特性的中压熔断器，即通用限流熔断器和冲击式熔断器。由于飞弧电流只有Isc的约85％至约90％，所用电流是0.85×Isc。

在收集了相关信息后，步骤94可以根据等式4来确定限流熔断器的飞弧时间。

T_{a} = e^{(a X^{2} + bX + c)}

(等式4)

其中：

对于限流熔断器而言a是0.7494；

对于限流熔断器而言b是-7.8537；

对于限流熔断器而言c是15.111；

X＝ln(0.85×Isc/If)；

Isc为直接短路电流(kA)；

If为熔断电流额定值；以及

e为自然对数的基底(约2.71828)；

以类似的方式，在收集相关信息后，步骤94可根据等式4确定冲击式熔断器的飞弧时间，其中

对于冲击式熔断器而言a是0.6769；

对于冲击式熔断器而言b是-6.2051；

对于冲击式熔断器而言c是11.594；

这些提供了相对长于预期的飞弧时间，因此提供了对PPE要求的保守方式。

对于其它熔断器曲线(例如但不限于K型)而言，它们落在通用限流熔断器和冲击式熔断器——其是最慢的——之间。尽管可以使用其它计算，但是对于“不确定”的类型，保守的方式是使用冲击式熔断器计算，由此提供相对较长的飞弧时间和对于PPE要求的相对更加保守的方式。

如果熔断器不用于一次保护，那么可以使用例如中压断路器(MVCB)的断路器。所有MVCB使用过电流继电器来检测电路误动作，并将主母线从电力系统断开。主电路中流通的电流被隔离，并经由电流互感器(CT)降低至1A或5A的标准化二次侧等级。在100处，CDM 72输入CT比或一次侧和二次侧的额定电流。

存在许多不同类型的过载跳闸曲线。然而，对于主母线保护而言，大约90％的时间通常使用三种类型。这些曲线的形状已经由IEEE继电器委员会确定。机电继电器和基于电子微处理器的继电器的曲线间的唯一区别是，始动电流在机电继电器中由抽头设置设定，在基于电子微处理器的继电器中可具有更加精细的调节。步骤100输入过电流曲线的类型(例如 ANSI，IEC)，并输入形状(例如Moderately Inverse、Very Inverse、Extremely Inverse)。Moderately Inverse(MINV)意味着当电流增加时，时间以非线性的方式较快减小。这个形状典型地用于保护包含具有相对较长的加速时间的相对较大电动机起动器的系统。Very Inverse(VINV)典型地用于保护具有中等尺寸的电动机的系统且还能相对较快地移除短路电流以限制由短路引起的危害。Extremely Inverse(EINV))典型地用于保护具有熔炉和非电动机负载但能具有相对极短持续时间的高电流浪涌的系统。

存在直接短路事件期间用于消除时间延迟的过电流继电器上使用的瞬间设置。在保护MV-MCC的继电器中不包含瞬时元件是惯用的实践。电动机起动熔断器和瞬时功能的协调是困难的，通常电动机保护熔断器和瞬时元件——熔断器——均清除故障，且瞬时元件使得馈电断路器断开。这叫做相对较大的电动机和变压器负载上的有害跳闸。

对于继电器来说，要花约一个周期或17mS的时间来检测电流并闭合，由此开始断路器跳闸事件。NFPA 70E-2004要求对于MVCB总清除时间使用五个线路周期(例如60Hz时约为0.083S)。

在100处，如果继电器类型为机电继电器，那么抽头设置被输入。这是可能刚好使继电器闭合并开始跳闸事件的电流互感器二次侧电流等级。抽头设置具有固定值(例如但不限于0.5、1.0、1.5)，且为位于继电器磁闭合线圈上的抽头。这可被视为位于继电器面板上的螺丝，或在继电器配位研究中给出。最后，输入时间整定值，随后输入瞬时电流设置，其中，时间整定值建立在闭合跳闸触头和起动跳闸事件之前感应盘移动的距离，瞬时电流设置是将在没有从容的(deliberate)时间延迟的情况下开始跳闸事件的CT二次侧电流(A)流动的等级。

否则，在100处，如果继电器的类型是基于电子微处理器的继电器，那么输入始动电流(PU)；这是刚好使继电器开始跳闸事件的CT二次侧电流等级。当处于编程模式时，其可以典型地以约0.1A的步进进行调整，且作为继电器设置被显示在继电器的面板上。这也可在继电器配位研究时给出。对于基于电子微处理器的继电器，100处的时间整定值(TD)的输入建立了在闭合跳闸触头和在特定电流等级下开始跳闸事件之前需要的时间。

尽管公开了CT二次侧电流的输入，一些继电器厂商会提供电流值是一次侧电流等级的继电器。在这种情况下，例如，如果输入的电流设定值高于50A，那么可以请求适当的确认(例如但不限于，“电流值是一次侧电流吗？”)。

在收集相关信息后，步骤94可以根据等式5来确定到跳闸的时间。

T＝TD×(A+B/(M^C-1)) (等式5)

其中：

故障电流是0.85乘以计算得到的直接故障电流，给出相对于预期较长的飞弧时间，并因此提供对于PPE要求的保守方式；

T是到跳闸的时间(S)；

TD是时间整定值(无单位)；

M＝(Isc/CTr)/PU(无单位)；

Isc是计算得到的直接短路电流(A)；

CTr是CT比(一次侧电流/二次侧电流)(无单位)；

PU是跳闸功能将致动的CT二次侧电流(A)；以及

A，B，C是表1中示出的常数。

表1

	A	B	C
				ANSI MINV	0.0226	0.0104	0.02
ANSI VINV	0.0963	3.8800	2
				ANSI EINV	0.0352	5.6700	2
IEC MINV	0	0.1400	0.02
				IEC VINV	0	13.5000	1
IEC EINV	0	80	2

例如，大多数MVCB会花费大约五个线路周期或约83mS(例如60Hz)来运行，且对于继电器运行而言通常增加大约一个线路周期或约17mS。所以，对于入射能计算而言，计算得到的跳闸时间将是Ta＝T+0.100S。

如果存在瞬时电流等级(Iinst)，那么：

I_inst＜(085×I_SC/CT_r) (等式6)

再一次地，由于大多数MVCB要花费大约五个线路周期或约83mS(例如60Hz)来运行，且对于继电器运行而言通常增加大约一个线路周期或约17mS。所以，对于入射能计算而言，计算得到的跳闸时间将是Ta＝0.100S。

示例20

这个实例涉及步骤104的闪络保护边界(FPB)的计算。在超过600伏的电压等级下，FPB是入射能等于5J/cm²(1.2cal/cm²)的距离。对于故障清除时间为0.1S(或更快)的情况，FPB是入射能水平等于6.24J/cm²(1.5cal/cm²)的距离。这由NFPA 70E 130.3(A)第二段定义，且为皮肤将会刚好愈合而不留疤痕的灼伤等级。FPB距离根据(NFPA 70E-2004)修改而来的公式D.3(d)和D.3(e)来计算，如等式7所示：

FPB＝53×MVA_bf×T (等式7)

其中：

FPB为闪络保护边界(英尺)；

MVA_bf＝1.732×C×I_SC×0.707/10⁶；

MVA_bf为电弧的直接故障能量(MVA)；

T是飞弧时间(S)；

Isc是直接短路电流(A)；以及

V为线-线电压(V)。

示例21

这个实例涉及步骤104中的风险种类(HRC)的计算。表2基于NEMAE2(熔断接触器)的表130.7(C)(9)(a)对于2.3kV至7.2kV的电动机起动器定义HRC。

表2

可以看出，HRC取决于个体正在进行的工作。

示例22

在图5的步骤106中，可以显示图6和7的入射能、PPE HRC、FPB以及SPB。

例如，弹出式窗口(未示出)可询问工作是否预期在图7的FPB内。如果是，那么弹出式窗口可询问是否要打开门/盖。如果是，HRC可以以所要求的合适的PPE的清单来显示。优选地，如果FPB距离大于步骤91的期望工作距离，FPB距离被突出显示(例如但不限于，用红色)。

尽管提供了默认PPE清单，优选为，它们基于特殊现场要求而修改。

示例性SPB边界LA、RA和PA对于751V至15kV等级的设备是相等的：有限接近(LA)是5英尺，受限接近(RA)是2英尺2英寸，禁止接近(PA)是7英寸。

例如，所公开输出24、78基于负载或电力系统的当前情况输出对于特定对应开关设备或电力系统的可获得的故障电流、入射能和人身保护性装置(PPE)等级。由于这些参数被示例性电动机起动器2和/或示例性电动机起动器74和示例性CDM 72更新，所述信息基于最后和/或最差情况下的电动机起动条件的是当前的且正确的。此外，即使负载、开关设备或电力系统被修改，计算得到的可获得故障电流、计算得到的入射能和计算得到的PPE等级是当前且是最新的，使得例如有资格的或无资格的工人得到当前且正确的可获得故障电流、入射能和PPE等级参数的通知。

所公开构思可应用于中压电动机控制中心(MCC)、低压MMC或中压开关设备。它们通常具有至少一个相对较大的电动机起动器，用于母线上大约10％-大约15％的负载。随着电动机尺寸相对于配电系统增加，Isc的计算在准确度上增加。

所公开电动机起动器可以是基于断路器或接触器的，且可以通过公共母线电气连接。

虽然已经详细地描述了所公开构思的特定实施例，本领域技术人员将会明了，在所公开构思的整体教导下，可以对细节进行多种修改和替代。因此，所公开的特定设置仅是示例性的，并非是对所公开构思的范围的限制，该范围由所附权利要求书及其任意与全部等同方式的全部广度给出。

附图标记列表

2 电气开关装置，例如示例性三相中压电动机起动器

4 数个可分离触头

6 操作机构

8 数个传感器

10 处理器

12 故障

14 保护继电器

16 负载，例如示例性电动机

18 数个电压传感器

19 三相线电压

20 数个电流传感器

21 保护程序

22 程序

24 输出

25 查阅表

26 步骤

28 步骤

29 起动前的线路电压，Vb

30 步骤

31 线圈控制电路

32 步骤

33 起动过程中的线路电压，Vs

34 起动过程中的线路电流，Is

36 步骤

38 步骤

40 步骤

42 步骤

44 步骤

45 线圈

46 电容器

48 开关，例如场效应晶体管(FET)

50 脉冲宽度调制(PWM)驱动器

52 二极管

54 充电电路，例如示例性全波桥路

56 第二开关，例如示例性FET

57 控制电压

58 瞬变吸收器

60 起动命令

62 PWM信号

64 FET驱动器

70 系统

72 装置，例如示例性中央显示模块(CDM)

74 数个控制器，例如示例性电动机起动器

76 处理器(P)

78 输出(O)

80 通信网络

82 程序

84 步骤

86 步骤

88 步骤

90 步骤

91 步骤

92 步骤

94 步骤

96 步骤

98 步骤

99 步骤

100 步骤

102 步骤

104 步骤

105 步骤

106 步骤

107 步骤

108 步骤

110 显示器输出

112 HRC

114 入射能

116 距离

118 距离

120 PPE等级

122 显示器输出

124 FPB

126 短路电流(I_SC)

128 飞弧时间

130 SPB

132 距离

134 距离

136 距离

138 母线电压

Claims

1.一种用于负载(16)的电气开关设备(2)的保护继电器(14)，所述保护继电器包含：

数个电压传感器(18)，被构造为检测施加到所述负载的电压(19)；

数个电流传感器(20)，被构造为检测流至所述负载的电流；

处理器(10)，与所述数个电压传感器以及所述数个电流传感器协作，所述处理器被构造(22)为确定所述负载上的可获得的故障电流；以及

输出(24)，与所述处理器协作，所述输出被构造为输出所确定的故障电流(126)和下列中的数个：所述电气开关设备的入射能(114)，与所述电气开关设备可操作地关联的人身保护性装置(PPE)等级(120)，

其中，所述处理器被构造(82)为由所确定的故障电流确定所述下列中的数个：所述电气开关设备的入射能，与所述电气开关设备可操作地关联的人身保护性装置(PPE)等级。

2.根据权利要求1的保护继电器(14)，其中，所述负载是电动机(16)，且其中，所述保护继电器是电动机保护继电器(14)。

3.根据权利要求1的保护继电器(14)，其中，所述负载是电动机(16)，且其中，所述保护继电器构成电动机起动器(2)的一部分。

4.根据权利要求1的保护继电器(14)，其中，所述保护继电器是中压保护继电器(14)。

5.根据权利要求1的保护继电器(14)，其中，所述保护继电器是三相保护继电器(14)。

6.根据权利要求1的保护继电器(14)，其中，所述输出是显示器(24)。

7.根据权利要求6的保护继电器(14)，其中，所述显示器被构造(120，122)为显示所确定的故障电流(126)、所述电气开关设备的入射能(114)、人身保护性装置(PPE)等级(120)以及要求穿戴的人身保护性装置。

8.根据权利要求1的保护继电器(14)，其中，所述输出(24)被构造为与通信网络(80)通信。

9.根据权利要求1的保护继电器(14)，其中，所述处理器被构造为由查阅表(25)确定人身保护性装置(PPE)等级。

10.根据权利要求1的保护继电器(14)，其中，所述输出是信号器(24)。

11.根据权利要求1的保护继电器(14)，其中，所述故障电流是可获得的短路电流(126)。

12.一种用于负载(16)的电气开关设备(2)，所述电气开关设备包含：

数个可分离触头(4)；

操作机构(6)，被构造为断开以及闭合所述数个可分离触头；

数个电压互感器(18)，被构造为检测施加至所述负载的电压(19)；

数个电流传感器(20)，被构造为检测经所述数个可分离触头流至所述负载的电流；

处理器(10)，与所述数个电压传感器以及所述数个电流传感器协作，所述处理器被构造为确定所述负载上的可获得的故障电流；以及

显示器(24)，与所述处理器协作，所述显示器被构造为显示所确定的故障电流(126)以及下列中的数个：所述电气开关设备的入射能(114)，与所述电气开关设备可操作地关联的人身保护性装置(PPE)等级(120)，

13.根据权利要求12的电气开关设备(2)，其中，所述电气开关设备是中压电气开关设备(2)。

14.根据权利要求12的电气开关设备(2)，其中，所述电气开关设备是三相电气开关设备(2)。

15.根据权利要求12的电气开关设备(2)，其中，所述故障电流是可获得的短路电流(126)。

16.根据权利要求12的电气开关设备(2)，其中，所述电气开关设备是电动机起动器(2)；且其中，所述负载是电动机(16)。

17.根据权利要求16的电气开关设备(2)，其中，所述电动机起动器是中压电动机起动器(2)。

18.根据权利要求16的电气开关设备(2)，其中，所述电动机起动器是三相电动机起动器(2)。

19.根据权利要求16的电气开关设备(2)，其中，所述故障电流是可获得的短路电流(126)。

20.一种系统(70)，包含：

装置(72)，其包含：

处理器(76)，以及

输出(78)；

数个控制器(74)，所述数个控制器中的每一个包含：

数个电压传感器(18)，被构造为检测施加到对应负载的电压(19)；

数个电流传感器(20)，被构造为检测流至所述对应负载的电流；以及

处理器(10)，与所述数个电压传感器以及所述数个电流传感器协作，后面的所述处理器被构造为确定所述对应负载上的可获得的故障电流；以及

所述数个控制器和所述装置之间的数个信道(80)，所述数个信道中的每一个被构造为从所述数个控制器中对应的一个控制器向所述装置传送所确定的故障电流，

其中，所述装置的处理器被构造(82)为由所述数个控制器中的一个控制器的所确定的故障电流确定下列中的数个：所述数个控制器中的所述一个控制器的入射能，与所述数个控制器中的所述一个控制器可操作地关联的人身保护性装置(PPE)等级，且

其中，所述装置的输出被构造为输出所述数个控制器中的所述一个控制器的所确定的故障电流(126)以及所述下列中的数个：所述数个控制器中的所述一个控制器的入射能(114)，与所述数个控制器中的所述一个控制器可操作地关联的人身保护性装置(PPE)等级(120)。

21.根据权利要求20的系统(70)，其中，所述数个控制器是多个控制器(74)，且其中，所述数个信道是所述多个控制器和所述装置之间的通信网络(80)。

22.根据权利要求20的系统(70)，其中，所述数个控制器是多个控制器(74)，且其中，所述装置的处理器被构造(82)为由所述多个控制器的所确定的故障电流确定最大故障电流(88)，并由所确定的最大故障电流确定(102，105)所述下列中的数个：所述数个控制器中的所述一个控制器的入射能，与所述数个控制器中的所述一个控制器可操作地关联的人身保护性装置(PPE)等级。

23.一种用于负载(16)的电气开关装置(2)，所述电气开关装置包含：

数个可分离触头(4)；

操作机构(6)，被构造为断开以及闭合所述数个可分离触头；

数个电压传感器(18)，被构造为检测施加至所述负载的电压(19)；

显示器(24)，与所述处理器协作，所述显示器被构造为显示所确定的所述负载上的可获得的故障电流(126)。