CN104641442A - 包括电子跳闸电路、数个温度传感器和过温跳闸例程的断路器 - Google Patents

包括电子跳闸电路、数个温度传感器和过温跳闸例程的断路器 Download PDF

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Abstract

一种断路器(2)包括第一和第二端子(4、6)、可分离触点(8)、电连接在所述端子之间的触点的导体(10、12、38)，以及断开和闭合所述触点的操作机构(14)。电流传感器(16)感测流过所述触点的电流(18)并输出电流值(20)。数个温度传感器(22)输出对应于数个所述导体的数个温度值(24)。电子跳闸电路(26)与所述操作机构配合以跳闸断开所述触点，并且包括处理器(28)，所述处理器(28)包括第一输入端(30)、第一例程(32)、数个第二输入端(34)以及第二例程(36)，所述第一输入端(30)输入所述电流值，所述第一例程(32)输入来自所述第一输入端的电流值，并且使(33)所述操作机构响应于过流而跳闸断开所述触点，所述数个第二输入端(34)输入所述数个温度值，所述第二例程(36)将数个温度值(TA、TB、TC)与数个限值(TL)相比较(86)，并且使(88、33)所述操作机构响应于过温而跳闸断开所述触点。

Description

包括电子跳闸电路、数个温度传感器和过温跳闸例程的断路器
相关申请的交叉引用
本申请要求来自于2012年9月20日提交的美国专利申请序列号13/623,394的优先权并要求其权益，其通过引用并入本文。
技术领域
本公开概念一般涉及电气开关设备，并且更特别涉及包括电子跳闸单元的断路器。
背景技术
断路器在本领域中一般是已知并且熟知的。断路器用于保护电气电路免于由于诸如过载条件或相对高电平短路或故障条件之类的过流条件导致的损坏。在用于住宅以及轻型商业应用的小型断路器(通常称为微型断路器)中，该保护通常由热-磁跳闸装置提供。该跳闸装置包括响应于持续过流条件发热并弯曲的双金属。双金属依次地解除闩锁以弹簧为动力的操作机构，该操作机构断开断路器的可分离触点以中断在受保护电力系统中流动的电流。
工业断路器常常使用装有跳闸单元的断路器框架。参见例如美国专利No.5,910,760以及6,144,271。跳闸单元可以是模块化的并可被替换，以便改变断路器的电特性。
众所周知的是采用利用微处理器检测各种类型的过流跳闸条件并提供诸如例如长延时跳闸、短延时跳闸、瞬时跳闸和/或接地故障跳闸之类的各种保护功能的跳闸单元。长延时跳闸功能保护由受保护电气系统供应的负载免于过载和/或过流。短延时跳闸功能可用于协调在断路器层级中的下游断路器的跳闸。瞬时跳闸功能保护断路器所连接到的电导体免于诸如短路之类的损坏性过流条件。如所暗示的，接地故障跳闸功能保护电气系统免于接地故障。
最早的电子跳闸单元电路设计利用诸如晶体管、电阻器和电容器之类的分立部件。
更近地，诸如在美国专利No.4,428,022以及5,525,985中公开的设计已经包括了提供改进的性能和灵活性的微处理器。这些数字系统对电流波形周期性地采样以生成电流的数字表示。微处理器使用采样以执行实施一个或多个电流保护曲线的算法。
由于不适当布线、有故障端子或其它电连接，或者可分离触点的有故障接口，在断路器端子处可能存在过热电连接，或者在断路器内部可能存在过热可分离触点。这将可能导致电力损失、电弧故障或火灾。包括双金属热跳闸机构或热-磁跳闸机构的断路器可以能够在这些类型的电连接故障中跳闸，这是因为在断路器端子和/或可分离触点处的过热将导致在双金属处更高的温度。
然而，当采用电子跳闸单元时不提供这种保护，这是因为典型的过载或过流保护是通过使用电流互感器、罗氏(Rogowski)线圈或其它电流传感器监测电流来实现，而非通过双金属跳闸机构。
断路器存在改进的余地。
发明内容
本公开概念的实施例满足这些及其它需求，在本公开的实施例中，电子跳闸电路响应于有故障的断路器电连接而使断路器跳闸。
依照本公开的概念，一种断路器包括：第一端子；第二端子；可分离触点；多个导体，其电连接在所述第一端子与所述第二端子之间的所述可分离触点；操作机构，其被构造为断开和闭合所述可分离触点；电流传感器，其被构造为感测流过所述可分离触点的电流并输出电流值；数个温度传感器，其输出与所述多个导体中的数个导体相对应的数个温度值；以及电子跳闸电路，其与所述操作机构配合以跳闸断开所述可分离触点，所述电子跳闸电路包括处理器，所述处理器包括第一输入端、第一例程、数个第二输入端以及第二例程，所述第一输入端输入来自所述电流传感器的所述电流值，所述第一例程输入来自所述第一输入端的所述电流值，并且使所述操作机构响应于过流条件而跳闸断开所述可分离触点，所述数个第二输入端输入来自所述数个温度传感器的所述数个温度值，所述第二例程将所述数个温度值与数个温度限值相比较，并且使所述操作机构响应于过温条件而跳闸断开所述可分离触点。
所述第一端子可以是线路端子；所述第二端子可以是负载端子；所述多个导体可以包括线路导体、负载导体以及柔性导体，所述线路导体电连接到所述线路端子，所述负载导体电连接到所述负载端子；所述可分离触点可以包括固定触点和可动触点；所述操作机构可以包括承载所述可动触点的可动触点臂；所述柔性导体可以电连接在所述可动触点臂与所述负载导体之间；并且所述数个温度传感器中的至少一个可接近在所述柔性导体与所述负载端子之间的电连接，以便感测所述电连接的温度。
所述数个温度值可以是数个模拟温度值；并且所述处理器可以还包括模数转换器，所述模数转换器用于将所述数个模拟温度值转换成数个数字温度值以便由所述第二例程输入。
所述数个温度值可以是数个数字温度值；并且所述数个数字温度值可以由所述第二例程输入。
所述数个温度值可以是多个温度值；并且所述第二例程可以确定所述多个温度值的最大温度值，并且将所述最大温度值与单个温度限值相比较以确定所述过温条件。
附图说明
当接合附图阅读时，可从如下优选实施例的描述中获得本公开概念的完全理解，其中：
图1是依照本公开概念的实施例的断路器的框图；
图2是示出沿着依照本公开概念的实施例的断路器的电流传导路径的测量和计算的温度分布的绘图；
图3是用于图1的处理器的跳闸例程的流程图。
具体实施方式
如在本文中采用的，术语“数个”将意为一或大于一的整数(即多个)。
如在本文中采用的，术语“处理器”将意为可存储、检索并处理数据的可编程模拟和/或数字装置；计算机；工作站；个人计算机；微处理器；微控制器；微计算机；中央处理单元；主机计算机；小型计算机；服务器；联网的处理器；或任何适合的处理装置或设备。
如在本文中采用的，两个或更多个部分“连接”或“耦接”在一起的陈述将意为所述部分或直接地或通过一个或多个中间部分接合在一起。而且，如在本文中采用的，两个或更多个部分附接的陈述将意为所述部分直接地接合在一起。
虽然本公开概念适用于广泛的具有任意极数的断路器，但本公开概念结合单极或三极断路器来描述。
参照图1，如常规的一样，断路器2包括第一端子4、第二端子6、可分离触点8以及多个导体，例如10、12、38，所述多个导体电连接在第一和第二端子4、6之间的可分离触点8。操作机构14被构造为断开以及闭合可分离触点8。电流传感器16被构造为感测流过可分离触点8的电流18，并输出电流值20。
依照本公开概念，数个温度传感器22(在图1中仅示出一个示例温度传感器22)输出对应于数个导体10、12、38的数个温度值24(在图1中仅示出一个示例温度值24)。电子跳闸电路26(例如，但不限于，电子跳闸单元)配合操作机构14以跳闸断开可分离触点8。电子跳闸电路26包括处理器28，该处理器28具有第一输入端30和常规第一例程32(例如，但不限于，瞬时跳闸；I2t；长延时跳闸；短延时跳闸；接地故障跳闸)，该第一输入端30输入来自电流传感器16的电流值20，该常规第一例程32输入来自第一输入端30的电流值20并使操作机构14(例如，但不限于，由跳闸线圈33供电)响应于过流条件而跳闸断开可分离触点8。
依照本公开概念，处理器28还具有数个第二输入端34(在图1中仅示出一个示例第二输入端34)和第二例程36，该第二输入端34输入来自数个温度传感器22的数个温度值24，该第二例程36将数个温度值24与数个温度限值相比较并使操作机构14响应于过温条件而跳闸断开可分离触点8。
示例1
第一端子4是线路端子，第二端子6是负载端子，并且导体10、12、38包括线路导体10、负载导体12以及柔性导体38，该线路导体10电连接线路端子4，该负载导体12电连接到负载端子6。可分离触点8包括固定触点40和可动触点42。操作机构14包括可动触点臂44，该可动触点臂44承载在断开位置(在图1中示出)与闭合位置(以虚线图形示出)之间的可动触点42。柔性导体38电连接在可动触点臂44与负载导体12之间。数个温度传感器22中的至少一个接近在柔性导体38与负载端子6之间的电连接37，以便感测电连接37的温度。
示例2
数个温度值24是数个模拟温度值。处理器28还包括模数转换器(ADC)46(以虚线图形示出)，该模数转换器46用于将数个模拟温度值转换成数个数字温度值以便由所述第二例程36输入。优选地，处理器28还包括适当的多路复用器(未示出)，以允许ADC 46将模拟电流值20转换成数字电流值以便由第一例程32输入。
示例3
备选地，数个温度值24是由第二例程36输入的数个数字温度值。
示例4
本公开的电子跳闸单元26感测断路器导体温度(例如，但不限于，柔性导体38的温度；在柔性导体38与负载导体12之间的电连接37的温度)，并且向电子跳闸单元26的处理器28(例如，但不限于，微处理器)提供感测的温度值24。采用导体温度以确定在断路器端子4、6的其中之一处或在固定触点40与可动触点42之间的接口(Interface)处是否存在任何过热，这归因于如下事实，即随着在断路器端子4、6或可分离触点8处的温度升高，在相应断路器导体处的温度将相应地升高，如将结合图2讨论的。
示例5
温度传感器22优选地相对轻巧，例如，但不限于，热电偶、无线无源表面声波(SAW)温度传感器、红外温度传感器，或任何其它适当的电流传感器。处理器28及其第二例程36输入感测的温度值24以确定是否超过预定温度水平。如果是，则电子跳闸单元26通过对跳闸线圈33供电来使断路器2跳闸。
示例6
可选地，当采用不提供电隔离的温度传感器(例如热电偶)时，可在温度传感器22与处理器28之间采用诸如光学隔离器(未示出)之类的光电耦合器来提供电隔离。
示例7
图2示出沿着示例225塑壳断路器(未示出)的电流导通路径(未示出)的计算的温度分布50、52、54和测量的温度56、58、60、62、64。参考图1，可将温度传感器22附接到、耦接到或安装在载流断路器导体(例如38和/或12)附近以便感测导体温度24。随着在可分离触点8与断路器端子4、6处的温度升高(降低)，在温度传感器位置处的温度升高(降低)。
图2的计算的温度分布52相对于计算的温度分布50具有5℃温度升高，而计算的温度分布54相对于计算的温度分布50具有5℃温度降低。测量的温度56、58、60、62、64分别对应五个示例导体位置：(1)负载端子位置66；(2)温度传感器位置68；(3)可分离触点位置70的可动触点臂侧；(4)可分离触点位置70的线路导体侧；以及(5)线路端子位置72。
用于计算的温度分布50、52、54以及测量的温度56、58、60、62、64的水平轴74是用于与沿着如下项的各种位置相对应的温度：负载线缆、负载线缆端子接口、断路器外部的负载导体、断路器内部的负载导体、双金属(其不需要成为本公开概念的部分)、编织带或柔性导体、可动触点臂、可分离触点、断路器内部的线路导体、断路器外部的线路导体、线路线缆端子接口以及线路线缆。
可将温度传感器大约放置在断路器内部负载导体与编织带之间的常规双金属的位置处，该双金属然后耦接到可动触点臂，以便监测载流导体温度。该固定的位置68(其对应图1的柔性导体38与负载导体12之间的电连接37)适当地接近大约在编织带(其对应图1的柔性导体38)处的最大温度位置。然而，因为编织带或柔性导体38在一端处随着图1的可动触点臂44移动，优选将图1的温度传感器22放置在固定(不动)位置处。
在图2中，如果例如对于温度分布50，在负载线缆/负载端子接口位置处由于在该位置处的电连接故障而存在上升到57℃以上的温度，则在温度传感器位置处的温度上升将高于75℃。
示例8
图3示出用于图1的处理器28的第二跳闸例程36。在该示例中，数个温度值24是多个温度值(TA、TB和TC)，并且例程36确定多个温度值中的最大温度值(TM)并将最大温度值(TM)与预定温度限值(TL)相比较以确定过温条件。
首先，在76处，例程36开始以适当的预定时间间隔(例如，但不限于，每隔60秒；任何适当的时间间隔)进行数据采样。在78、80和82处，从多个温度传感器22读取相应温度值TA、TB和TC。然后，在84处，从三个示例温度值TA、TB和TC的最大值中确定最大温度值(TM)。在86处，确定最大温度值(TM)是否超过预定温度限值(TL)。若否，则在期望时间间隔之后重复76。否则，如果最大温度值(TM)超过预定温度限值(TL)，则在88处对跳闸线圈33(图1)供电以跳闸断开可分离触点8(图1)。
在图3中，示例例程36用于三相断路器(未示出)，在该三相断路器中采用三个极(未示出)和三个对应的温度传感器22，每个极(图1示出单个极)对应一个温度传感器22。备选地，对于单断路器极或对于单极断路器，可采用多个温度传感器22。在采用多个温度传感器22的情况下，将在(或者单极的，或者来自多极的)不同导体位置处测量的多个温度值中的最大温度值(TM)与预定温度限值(TL)相比较。备选地，可采用多个温度限值，多个温度值中的每一个对应一个温度限值。
虽然已经详细描述了本公开概念的具体实施例，本领域技术人员将理解，根据本公开的全面教导可产生对这些细节的各种修改和变更。因此，公开的特定布置仅意为说明性，并不作为对本公开概念范围的限制，所附权利要求及其任意或全部等效物的完整广度将给出本公开概念的范围。

Claims (5)

1.一种断路器(2)，所述断路器包括：
第一端子(4)；
第二端子(6)；
可分离触点(8)；
多个导体(10、12、38)，其电连接在所述第一端子与所述第二端子之间的所述可分离触点；
操作机构(14)，其被构造为断开和闭合所述可分离触点；
电流传感器(16)，其被构造为感测流过所述可分离触点的电流(18)并输出电流值(20)；
数个温度传感器(22)，其输出与所述多个导体中的数个导体相对应的数个温度值(24)；以及
电子跳闸电路(26)，其与所述操作机构配合以跳闸断开所述可分离触点，所述电子跳闸电路包括处理器(28)，所述处理器(28)包括第一输入端(30)、第一例程(32)、数个第二输入端(34)以及第二例程(36)，所述第一输入端(30)输入来自所述电流传感器的所述电流值，所述第一例程(32)输入来自所述第一输入端的所述电流值，并且使(33)所述操作机构响应于过流条件而跳闸断开所述可分离触点，所述数个第二输入端(34)输入来自所述数个温度传感器的所述数个温度值，所述第二例程(36)将所述数个温度值(TA、TB、TC)与数个温度限值(TL)相比较(86)，并且使(88、33)所述操作机构响应于过温条件而跳闸断开所述可分离触点。
2.如权利要求1所述的断路器(2)，其中所述第一端子是线路端子(4)；其中所述第二端子是负载端子(6)；其中所述多个导体包括线路导体(10)、负载导体(12)以及柔性导体(38)，所述线路导体(10)电连接到所述线路端子，所述负载导体(12)电连接到所述负载端子；其中所述可分离触点包括固定触点(40)和可动触点(42)；其中所述操作机构包括承载所述可动触点的可动触点臂(44)；其中所述柔性导体电连接在所述可动触点臂与所述负载导体之间；并且其中所述数个温度传感器中的至少一个接近在所述柔性导体与所述负载端子之间的电连接(37)，以便感测所述电连接(37)的温度。
3.如权利要求1所述的断路器(2)，其中所述数个温度值是数个模拟温度值(24)；并且其中所述处理器还包括模数转换器(46)，所述模数转换器(46)用于将所述数个模拟温度值转换成数个数字温度值以便由所述第二例程输入。
4.如权利要求1所述的断路器(2)，其中所述数个温度值是数个数字温度值(24)；并且其中所述数个数字温度值由所述第二例程输入。
5.如权利要求1所述的断路器(2)，其中所述数个温度值是多个温度值(24、TA、TB、TC)；并且其中所述第二例程确定所述多个温度值中的最大温度值(TM)，并且将所述最大温度值与单个温度限值(TL)相比较(86)以确定(88)所述过温条件。
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