CN105324899A - 用于分支电路的综合故障远程断开 - Google Patents

Abstract

一种综合故障信号发生器组件被远程定位在来自保护负载的断路器的下游的分支电路上。综合故障信号发生器组件被配置成检测不被断路器独立地检测到、可检测的或可操作的不当电路条件，诸如，例如，如果不缓解则可能导致设备损坏或财产损失的负载或插座插口的特定问题。响应于检测到不当电路条件，综合故障信号发生器组件产生综合故障信号，其引起断路器跳闸。综合故障信号发生器组件可以将综合故障信号添加到分支电路中，以向断路器提供综合故障信号。

Description

用于分支电路的综合故障远程断开

发明领域

本公开大体上涉及对于电路的保护系统，以及更具体地，涉及用于将电子断路器的保护功能扩展成覆盖不由断路器独立地检测到、可检测的或可操作的不当电路条件的综合故障信号发生器。

背景

被放置在电路分支的上游侧的断路器被设计成保护电路免于一组固定的条件。实现这个通常是通过响应于检测到的条件而从下游电路移除功率(例如，通过激活可动触头来打破导体的连续性)，也被称为跳闸。基本断路器保护功能包括对于过电流和短路电流条件的保护。诸如电弧故障中断器(AFI)或接地故障中断器(GFI)或其组合的电子断路器感测并监视由下游负载消耗的电流曲线或特征，并且如果该电流呈现某些可疑特征，断路器通过跳闸来保护电路。

然而，值得注意的是，分支电路上可能出现许多问题，这些问题都不由断路器检测到、可检测的或可操作的。这些条件可能导致设备损坏，或甚至经由火灾的财产损失。例如，分马力电机被应用于各种住宅负载中，如阁楼风机、压缩机泵、污水泵、井泵以及车库开门器中。电机处温度的逐渐上升或来自断路器的接线不良的或锈蚀的插座下游可能会导致火灾。这些条件不会被断路器在分支电路级处检测到。虽然温度保险丝开关以前都在诸如电机的电气设备中被采用以扩大由断路器提供的保护，但是这种热保险丝开关可能容易失败，且不能防止有害的、非热分支电路或负载特定条件。

发明简述

根据本公开的各方面，一种综合故障信号发生器组件被远程定位在保护负载的断路器的下游的分支电路上。断路器被配置成响应于一个或多个断路器跳闸条件而跳闸。综合故障信号发生器组件被配置成检测可能不由断路器检测到、可检测的或可操作的不当电路条件，诸如，例如，如果不缓解则可能导致设备损坏或财产损失的负载或插座插口的特定问题。即，不当电路条件不同于一个或多个断路器跳闸条件中的每一个。综合故障信号发生器组件可以包括被配置成检测有可能影响分支电路的各种条件的传感器，其中各种条件包括电流条件、温度条件、压力条件、振动条件、光照条件、声音条件、液体条件、气体条件和/或其它负载或插座插口的特定条件。不当电路条件不由断路器检测到或看上去是良性的，并且因此通常不会引起电子断路器跳闸。

响应于不当电路条件被检测到，综合故障信号发生器组件产生类似于或模仿带有电子断路器将识别的电流特征的故障信号的综合故障信号。综合故障信号发生器组件可以将综合故障信号添加到分支电路中，以引起断路器跳闸。在一个实现中，综合故障信号可以具有指示引起电子断路器跳闸的一个或多个断路器跳闸条件的特征。在另一实现中，综合故障信号可以具有断路器被配置成经由固件更新来检测的独特的特征。

综合故障信号发生器组件可以因此提供对于危险条件的额外防护，原本这些危险条件不由断路器防护。这可以不需要在综合故障信号发生器组件的远程位置和断路器的位置之间延伸附加导体来完成。这样，综合故障信号发生器组件提供一种简单和低成本的解决方案，以扩展断路器的保护功能，以覆盖可能是对特定载荷有害的不当条件。

鉴于参照附图做出的各种实施例和/或方面的详细描述，本公开的前述和另外的方面和实现将对于本领域的那些普通技术人员是明显的，接下来将提供附图简述。

附图简述

本公开的前述和其他优点将通过阅读下面的详细描述并通过参照附图而变得显而易见。

图1是根据本公开的各方面的示例性的综合故障远程断开系统的功能图。

图2是根据本公开的各方面的具有在负载的电源插头内嵌入的综合故障信号发生器组件的示例性负载的图示。

图3是根据本公开的各方面的用于保护电气设备的过程的流程图。

尽管本公开容许作出各种修改及替代形式，但已通过在附图中示例的方式示出并将在本文中详细地描述具体实施例。然而，应当理解，本公开并非旨在被限定于所公开的特定形式。相反，本发明覆盖属于本公开的范围之内的所有修改、等价物和替代物。

详细描述

图1示出一种根据本公开的各方面的用于保护从电源14接收功率的负载12的综合故障远程断开系统10的功能框图。综合故障远程断开系统10被示出在图1中的配电系统的分支电路15上；然而，这种配置仅仅是示例性的，并且旨在促进对于综合故障远程断开系统10的理解。本发明不限于图1所示的特定配置，如将从下面的描述中变得明显的。

图1中所示的分支电路15可以是更大的配电系统的部分，更大的配电系统可以包括一个或多个主分配断路器、馈线断路器、支路断路器和/或其他电气装备。根据一些方面，配电系统可以是交流(AC)配电系统，其可以在分支电路15上将单相或多相(例如，两相或三相)电从电源14分配到负载12。在图1中所示的特定实例中，分支电路15包括线路导体16A和中性导体16B，其用于传导电源14和负载12之间的AC电功率。

分支电路15上负载12的非限制性实例可以包括诸如电动机、计算机、加热器、照明和/或其他电气装置的设备。作为额外的非限制性实例，负载12可以是包括诸如阁楼风扇、压缩机泵、储槽泵、井泵或车库开门的分马力电机的设备。

综合故障远程断开系统10包括电子断路器18(即，界定在图1中的分支的断路器)和远程定位在断路器18的下游的综合故障信号发生器组件20。断路器18通过响应于一个或多个断路器跳闸条件(即，故障或异常电流条件)而跳闸来保护负载12。更具体地，电子断路器18被配置成为了指示一个或多个断路器跳闸条件的发生的一个或多个故障信号而监视在导体16A、16B上至下游负载12的电流。响应于断路器跳闸条件被检测到，断路器18将负载12从电源14断开。例如，断路器18可以包括一个或多个触头17，一个或多个触头17可被致动以打开以及中断在电源14和负载12之间传导功率的电路。

根据本公开的各方面，电子断路器18可以被配置成电弧故障电路中断器(AFCI)、接地故障断路器(GFI)或它们的组合。相应地，一个或多个断路器跳闸条件可以包括，例如，短路跳闸条件(多个)、电流过载跳闸条件(多个)、接地故障跳闸条件(多个)和/或电弧故障跳闸条件(多个)。当线路导体16A接触中性导体16B(或在采用多个线路导线的系统中的另一线路导体)时，或者如果在分支电路15中的导体16A、16B中有断点，可能产生短路跳闸条件。当电流在由跳闸电流确定的时间间隔期间持续超过断路器18的连续额定电流时，产生电流过载跳闸条件。由在线路导体16A和中性导体16B之间流动的电流的不平衡产生接地故障跳闸条件，这种不平衡可能是由漏电流或者电弧接地故障引起。电弧故障跳闸条件通常被定义为通过电离的气体的电流，例如，其发生在供给负载12的两个导体16A、16B之间或在导体(例如，导体16A)和地面之间的有缺陷的触头或连接器处。有很多条件可能导致电弧故障跳闸条件，例如，腐蚀、磨损或老化的布线、连接器、触头或绝缘层、松动的连接、由钉子或钉书钉损坏绝缘层的布线以及由反复超载、雷击等引起的电应力。

如上所述，电子断路器18保护免受特征在于一个或多个断路器跳闸条件的一组特定问题。然而，值得注意的是，断路器18本身不能防止所有可能发生在分支电路15上的问题。例如，HVAC鼓风机马达能够连续工作(例如，如果控制继电器出故障)，其可能不由断路器18检测为有害条件，但最终会导致温度失常以及过量的能量使用。继续未被检查的话，这种温度失常和过量的能量使用会导致大量财产损失，带来火灾隐患，并产生对于负载12的操作者的潜在危险条件。作为附加的实例，电子断路器18无法检测到漏水、超温条件或在分支15上的电源插座(未示出)中的发光的连接。

为了解决该保护中的缺陷，综合故障信号发生器组件20被配置成检测一个或多个不当电路条件，并且响应于此，引起电子断路器18跳闸。不当电路条件是针对负载12的条件、针对断路器18的下游的诸如插座插口(未示出)的其它电气设备的条件、或在分支电路15的直接环境中的如果没有缓解则可能会导致设备损害或财产损失的条件。如上所述，不当电路条件是可能不由电子断路器18检测到、检测的或可操作的条件。即，不当电路条件对于断路器18呈现为是良性的，并且因此通常不会引起断路器18跳闸。

综合故障信号发生器组件20包括被通信地耦合到综合故障信号发生器24的不当条件检测系统22。检测系统22检测一个或多个不当电路条件的发生，并且一旦检测到不当电路条件的发生，则提供触发信号给综合故障信号发生器24。响应于该触发信号，综合故障信号发生器24产生引起电子断路器18跳闸的综合故障信号。

不当条件检测系统22包括被配置成检测一个或多个电路不当条件的一个或多个传感器26。该一个或多个传感器26位于负载12(或，如下所述，断路器18的下游的其他电气设备，如插座插口)中、负载12上和/或负载12附近。一个或多个传感器26相对于负载12的位置可以有助于可能不由远程定位的上游断路器18检测到的不当电路条件的检测。

不当电路条件可以包括电流条件(多个)、热条件(多个)、压力条件(多个)、振动条件(多个)、光照条件(多个)、声音条件(多个)、液体条件(多个)、气体条件(多个)和/或其他负载、插座插口或分支环境条件。相应地，一个或多个传感器26可以被配置成检测前述条件的特性。例如，传感器(多个)26可以被配置成基于检测到的幅度、强度、频率、持续时间、变化率、体积和/或与一个或多个不当电路条件有关的特性的存在或不存在，是否已经发生判断不当电路条件。

可以预期的是，根据一些可选的方面，不当条件检测系统22可以包括被配置成处理由传感器(多个)26检测到的特性(例如，测得的电流值、温度值、压力值、光值、声音值、液体值、气体值等)以确定是否已经发生不当电路条件的附加电路。例如，不当条件检测系统22可以包括用于确定何时由传感器(多个)26检测到的特性是在预定范围的阈值(例如，高于和/或低于一个或多个阈值)之外的模拟组件和/或数字组件(例如，控制器(多个)或处理器(多个))。

响应于从检测系统22接收触发信号(即，响应于由检测系统22检测到不当电路条件)，综合故障信号发生器24产生综合故障信号。通过将综合故障信号添加到分支电路15中而在导体16A、16B上将综合故障信号传达到断路器18。综合故障信号引起监测在分支电路15上的下游电流的电子断路器18跳闸。综合故障信号发生器组件20可以因此提供对于否则不由断路器18保护的危险条件的附加保护，而不需要在综合故障信号发生器组件20的远程位置和上游断路器18的位置之间运行附加的导体。

根据本公开的各方面，综合故障信号具有类似于或模仿故障信号特征的特征，电子断路器18被配置成将故障信号特征识别为指示断路器跳闸条件(多个)。这样，可以通过利用断路器18的现有功能而以最小的成本将本公开的综合故障远程断开系统10改装成现有基础设施。综合故障远程断开系统10由此提供简单和低成本的解决方案以将断路器18的保护功能扩展到覆盖有害于特定负载12(并且可能否则不由断路器18保护免受)的条件。

在一个非限制性的实现中，电子断路器18可以被配置成通过测量所监视的下游电流(即，在导体16A、16B上的电流)的特征波形中的频谱分量来检测电弧故障跳闸条件。如果某些频带中存在足够的频谱含量，这可以被考虑并用于例如通过使用信号处理检测算法来检测一个或多个断路器跳闸条件(例如，电弧故障)。以这种方式，断路器18可以被配置成保护分支电路15免于一组固定的断路器跳闸条件(即，基于已知为指示断路器跳闸条件的特征波形的频谱含量)。

响应于由检测系统22检测到不当电路条件，故障信号发生器24被配置成产生包括在频带(多个)中的频谱含量的综合故障信号，断路器18被配置成将其识别为指示断路器跳闸条件的故障信号。例如，综合故障信号发生器24可以被配置成使用穿过导体(多个)16A、16B的脉冲宽度调制信号驱动开关分流器来产生类似于电弧故障特征的综合故障信号。通过监视分支电路15上的下游负载电流，断路器18接收被添加到分支电路15的导体16A、16B上的综合故障信号，将综合故障信号的谐波含量识别为表示断路器跳闸条件(多个)中的一个，并将负载12从电源14断开。

虽然在识别具有指示电弧故障的特征的信号的电子断路器18的环境中描述了上述实例，电子断路器18可以另外和/或可替代地被配置成检测接地故障跳闸条件。在这样的实施例中，综合信号故障发生器24可以另外地和/或可替代地被配置成产生类似于或模仿指示接地故障跳闸条件的故障信号的综合故障信号。例如，综合故障信号发生器24可以通过响应于触发信号而将电流泄露到来自导体16A、16B中的一个的电容来产生类似于或模仿接地故障尖端条件的综合故障信号。导体16A、16B上产生的电流的不平衡可以由断路器18检测作为表示接地故障跳闸条件，并因此引起断路器18跳闸。

如上述实施例表明的，可以基于在特定的频带中的谐波含量和/或电流不平衡来识别综合故障信号，并且不需要待识别的高水平的功耗。因此，可以安全地生成综合故障信号，而无需使用高幅度的电流，并且因此，不构成对系统10的电应力威胁。可以预期的是，根据本公开的另外的和/或可选择的各方面，综合故障信号可以具有断路器18被配置成经由固件更新来检测的独特的特征。

如以上所描述的，综合故障信号发生器组件20被远程定位在断路器18的下游。根据本公开的一些方面，综合故障信号发生器组件20可以被定位在负载12中、负载12上或负载12附近。综合故障信号发生器组件20相对于负载12的位置可有助于不由远程定位的断路器18检测到、可检测的或可操作的不当电路条件的检测。

在一些实现中，综合故障信号发生器组件20可以被嵌入负载12的电源插头内。例如，图2示出包括电源插头50的示例性负载12，综合故障信号发生器组件被嵌入到电源插头50中。电源插头50包括用于分别电耦合到分支电路15的线路导体16A和中性导体16B的带电引脚52A和中性引脚52B。插头50还包括插头壳体54，不当条件检测系统22和综合信号发生器24被定位在插头壳体54中。在图示的实例中，经由电阻56和用于产生脉冲宽度调制综合故障信号的晶体管58将带电引脚52A耦合到综合故障信号发生器24。中性引脚52B也经由晶体管58被耦合到综合故障信号发生器24。插头壳体54还可以包括不当条件检测系统22的一个或多个传感器26。

在其他实现中，部分或整个综合故障信号发生器组件20可以位于负载12的其他部分中、上或附近(即，电插头壳体外部)。例如，综合故障信号发电器组件20可以是部分或整个地位于负载12设备的外壳55或电源线上的AC电源适配器(未示出)中、上或附近。

虽然综合故障信号发生器组件20(或它的一个或多个传感器26)已经被描述为位于负载12中、负载12上或负载12附近，根据本公开的一些方面，可以预期的是，根据本公开的另外的或可替代的各方面，综合故障信号发生器组件20可以位于配电系统中的断路器18下游的其他电气装置中、上或附近。例如，综合故障信号发生器组件20可以位于被配置成提供电功率给负载12的插座插口中、上或附近。在这样的实施例中，不当电路条件可以包括如果没有缓解则可能导致设备损坏或财产损失的插座插口的特定问题(例如，发光的连接)。

现在参照图3，用于保护分支电路15免于不由电子断路器18独立地检测到、可检测的或可操作的不当电路条件的过程100的流程图被示出。电气设备被远程定位在相对于上游断路器18的下游(例如，在分支电路、馈电电路等上)。在框110处，过程100被初始化。在确定框112处，确定是否已经检测到一个或多个不当电路条件，例如，经由电气设备中、上或附近的一个或多个传感器26。如果确定不当电路条件在框112处未被检测到，则过程100返回到框110。

如果确定不当电路条件已经在框112处被检测到，则在框114处产生综合故障信号(例如，经由综合故障信号发生器24)。在框116处，综合故障信号被提供给上游断路器18。例如，综合故障信号可以被添加到导体(多个)16A、16B上，在导体(多个)16A、16B上，将电功率在上游断路器18和下游电气设备之间传导。在框118处，由上游断路器18接收综合故障信号。在框120处，上游断路器18确定综合故障信号指示断路器跳闸条件并跳闸以从下游电气设备去除电功率。

尽管本发明的具体实现和应用已被图示并描述，但是应当理解，本公开不限于本文所公开的精确结构和组合物并且可以从前述说明中明显看出各种修改、改变和变体而不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种综合故障信号发生器组件，其位于相对于电源的电子断路器的下游的分支电路上，包括：

传感器，其被配置成检测不当电路条件；

综合故障信号发生器，其被通信地耦合到所述传感器，所述综合故障信号发生器被配置成响应于所述传感器检测到所述不当电路条件而产生综合故障信号，并将所述综合故障信号传达到所述断路器以引起所述断路器跳闸。

2.如权利要求1所述的综合故障信号发生器组件，其中，所述不当电路条件不被所述断路器独立地检测到、可检测的或可操作的。

3.如权利要求1所述的综合故障信号发生器组件，其中，所述断路器被配置成响应于一个或多个断路器跳闸条件而跳闸，所述不当电路条件不同于所述一个或多个断路器跳闸条件中的每一个，所述综合故障信号模仿所述一个或多个断路器跳闸条件之一。

4.如权利要求1所述的综合故障信号发生器组件，其中，所述综合故障信号发生器被配置成通过将所述综合故障信号添加到所述分支电路中来将所述综合故障信号传达到所述断路器。

5.如权利要求4所述的综合故障信号发生器组件，其中，所述综合故障信号发生器包括切换分流器，该切换分流器被脉冲宽度调制以产生所述综合故障信号并将所述综合故障信号传达到所述断路器。

6.如权利要求1所述的综合故障信号发生器组件，其中，所述综合故障信号发生器位于负载中、负载上或负载附近。

7.如权利要求6所述的综合故障信号发生器组件，其中，所述负载包括电源插头，所述综合故障信号发生器位于所述电源插头中。

8.如权利要求1所述的综合故障信号发生器组件，其中，所述综合故障信号发生器位于插座插口中。

9.如权利要求1所述的综合故障信号发生器组件，其中，所述传感器是热传感器，且所述不当电路条件是超温条件。

10.如权利要求1所述的综合故障信号发生器组件，其中，所述传感器和所述综合故障信号发生器位于共同的壳体中。

11.一种使电子断路器跳闸的方法，所述电子断路器被配置成响应于断路器跳闸条件而将负载从电源断开，所述方法包括：

经由综合故障信号发生器组件检测不当电路条件的发生，所述综合故障信号发生器组件被远程定位在相对于所述断路器的下游的分支电路上，所述不当电路条件不由所述断路器独立地检测到、可检测的或可操作的；

响应于检测到所述不当电路条件的所述发生而产生综合故障信号，所产生的综合故障信号具有指示所述断路器跳闸条件的特征；以及

提供所述综合故障信号给所述断路器，以引起所述断路器跳闸。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述提供所述综合故障信号给所述断路器包括将所述综合故障信号添加到线路导体上，在所述线路导体上，电功率被在所述断路器和所述负载之间传导。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述综合故障信号的所述特征包括在一个或多个频带中的频谱含量，所述断路器被配置成将所述频谱含量识别为指示所述断路器跳闸条件的故障信号。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述断路器包括固件，所述方法还包括更新所述固件以配置所述断路器来检测所述综合故障信号。

15.如权利要求11所述的方法，其中，所述不当电路条件与插座插口相关联。

16.如权利要求11所述的方法，其中，检测所述不当负载条件的所述发生包括确定检测到的温度是否大于温度阈值、检测到的压力是否大于压力阈值、检测到的光强度是否大于光强度阈值、检测到的液体体积是否大于液体体积阈值或检测到的声音强度是否大于声音强度阈值。

17.如权利要求11所述的方法，其中，所述综合故障信号通过创建所述分支电路上的电流不平衡来模仿接地故障信号。

18.一种用于保护从电源接收功率的负载的系统，包括：

电子断路器，其被电耦合到所述电源，所述断路器被配置成响应于预定的断路器跳闸条件而将所述负载从所述电源断开；以及

综合故障信号发生器，其被电耦合到所述断路器，所述综合故障信号发生器被远程定位在相对于所述电源的所述断路器的下游的分支电路上，所述综合故障信号发生器被配置成检测不由所述断路器检测到、可检测的或可操作的不当电路条件，所述综合故障信号发生器还被配置成将综合故障信号添加到所述分支电路中，以引起所述断路器响应于所述综合故障信号发生器检测到所述不当电路条件而将所述负载从所述电源断开，所述综合故障信号指示所述断路器跳闸条件。

19.如权利要求18所述的系统，其中，所述断路器是电弧故障电路中断器。

20.如权利要求18所述的系统，其中，所述断路器是接地故障中断器。