CN105659098A - 自足式分支电路监控器 - Google Patents

Abstract

自足式分支电路监控器2具有小的外形规格，其被配置为安装在负载中心1中可用的有限空间，与分支电路断路器10A联合占用在负载中心1内的分支位置槽45。柔性印刷电路板4被包在电流互感器的环形传感器线圈6的外圆周上。电流监控电路15在柔性印刷电路板上形成。监控电路被电气连接到传感器线圈的引线7、9并且由传感器线圈中从分支电路导线里的电流5感应的电流17供电。分支电路导线3A穿过电流互感器的中心。发射器22是柔性印刷电路板的一部分，发送监控的电流数据到其他位置。

Description

自足式分支电路监控器

发明领域

本发明一般涉及负载中心。

发明背景

为了创建智能电网基础设施以更好地管理能源，监控和测量在消费的各个点、在家庭、在营业场所、以及在工业场所的能量需求将是必要的。在家庭、企业和工厂中的电力分配的焦点是负载中心，在负载中心，分支电路利用占用负载中心内的分支位置槽的分支电路断路器进行组织，并且通过断路器连接到引入的主电源总线。负载中心是安装监控和测量能量需求的功能的一个位置。

在家庭、企业和工厂中能量监控设备的普遍安装设备必须简单、实用、而且不贵。在现有技术中，分支电路监控系统需要电流传感电路安装在每个单独的分支电路线上并且将电源接线到每个传感电路。这样的解决方案既不简单实用也不便宜。

发明概述

本发明提供简单、实用、并且价格相对低廉的设备来转换在家庭、企业或工厂中的负载中心，以实现对智能电网基础设施的能量监控。本发明不需要外部布线来为其操作供电，并且不需要修改或到负载中心中的分支电路断路器的连接。相反，自足式分支电路器监控器穿线于负载中心中的每个将被监控的分支电路的负载导线上。该自足式分支电路监控器具有小的外形规格，以使能够安装在负载中心中可用的有限空间，例如在布线槽里或在分支位置槽里。

该自足式分支电路监控器包括电流互感器，典型的是围绕高磁导率环形磁芯缠绕成环形线圈的磁导线的传感器线圈。包在环形线圈的外圆周上的是柔性印刷电路板。监控电路在柔性印刷电路板上形成，并被连接到来自传感器线圈的引线。分支电路导线已经通过环形磁芯的中心。

监控电路的操作是由传感器线圈中从分支电路导线里所监控的负载电流感应的电流供电。监控电路包括整流器，其在操作的第一阶段期间利用传感器线圈中感应的电流给电容器充电。在监控电路内的电压调节器检测何时电容器已被充电成足以转变到操作的第二阶段。在操作的第二阶段中，操作功率从充电的电容器被供给到监控电路中的微控制器、模拟-数字(A/D)转换器、编码器和发射器。

在操作的第二阶段，只要足够的电荷持续存在于电容器中，充当电流测量装置的A/D转换器就采样传感器线圈中感应的电流，该电流的大小与被监控的负载电流的大小有关。A/D转换器输出表示被监控的负载电流的大小的数值。

当在电容器上存在足够的电荷时，编码器编码表示被监控的负载电流的大小的数值以及发射器将该数值传输到可位于负载中心的接收器。传输的数值提供表征在相关的分支电路中所感测的负载电流的信息。该信息可以被用于设置警报、分析能量消耗、存储以供将来使用、或传输到智能电网。

该自足式分支电路监控器不需要带来成本的电源电压连接件，在狭窄空间里不需要额外导线、具有最小的安装成本、安装过程中最小化的潜在错误、和最小的产品成本。因为没有端子或裸露的导线，自足式分支电路监控器可以被实现为高度鲁棒性的并且基本上不受电噪声源的影响。该自足式分支电路监控器可以比竞争方法有较低的成本，因为低电压和电流使用非常小的芯片尺寸的半导体装置和非常小的组件。

附图简述

在如下简要描述的附图中描绘了本发明的示例实施例：

图1A示出了本发明的基本组成部件，显示了包括具有环形线圈和高磁导率环形磁芯的电流互感器的自足式分支电路监控器。

图1B示出图1A中所示的本发明的示例实施例，显示了具有被包在环形线圈的外圆周上的柔性印刷电路板的自足式分支电路监控器。监控电路显示为在柔性印刷电路板上，并连接到来自传感器线圈的引线。分支电路导线被显示为通过环形磁芯的中心。

图1C示出图1B所示的本发明的示例实施例，显示了封装在具有方便电流测量信息传输的传输孔的两件式壳体中的自足式分支电路监控器。

图2示出本发明的示例实施例，显示了自足式分支电路监控器具有小的外形规格，以能够安装在负载中心的布线槽或负载中心的分支位置槽。多个分支电路断路器被显示于负载中心内，每个电路断路器的负载电流由位于负载中心的布线槽中的相应的自足式分支电路监控器监控。

图3示出了本发明的示例实施例，显示了自足式分支电路监控器中的柔性印刷电路板和示例监控电路。

示例实施例的详细描述

本发明提供简单、实用、并且价格相对低廉的设备来转换在家庭、企业或工厂中的负载中心，以实现对智能电网基础设施的能量监控。本发明不需要外部布线来为其操作供电，并且不需要修改或到负载中心中的分支电路断路器的连接。相反，自足式分支电路监控器穿线于在负载中心内的每个将被监控的分支电路的负载导线上。该自足式分支电路监控器具有小的外形规格，以使能够安装在负载中心内可用的有限空间，例如在布线槽或分支位置槽中。自足式分支电路监控器可容易地加装在负载中心中的分支电路导线上。

图1A示出本发明的示例实施例，显示了自足式分支电路监控器2，其作为具有环形传感器线圈6和高磁导率环形磁芯11的电流互感器13。传感器线圈6可以是围绕高磁导率环形磁芯11缠绕成环形线圈，形成环形的电流互感器的磁导线。环形磁芯11使得分支电路导线3A穿过环形磁芯中心。环形磁芯11可以由具有高磁导率的铁磁材料如硅钢或高磁导率的铁氧体制成。

图1B示出图1A中所示的本发明的示例实施例，显示了具有被包在环形线圈11的外圆周上的柔性印刷电路板4的自足式分支电路监控器2。监控电路15被显示为在柔性印刷电路板4上形成，并连接到传感器线圈6的引线7和9。分支电路导线3A被显示为穿过环形磁芯11的中心。

柔性印刷电路板4包括具有沉积于其上的导电线的柔性基板。柔性印刷电路板4具有至少一个组件——附接到柔性基板并且由导电线电气互连的监控电路15。柔性印刷电路板4的柔性基板在它的背部上具有粘合剂涂层以把柔性印刷电路板4固定到环形线圈11的外周。

示例柔性印刷电路板4可以由在一面或两面具有薄铜层的聚酰亚胺薄片组成。薄铜层可用所期望的导线模式遮蔽，然后通过光刻技术进行蚀刻以除去铜的未遮蔽区，留下遮蔽物下方的铜导线。铜导线可以与接触垫端接。监控电路15可以被体现为大规模集成(LSI)电路芯片，其具有低熔点焊料组成的在其下侧的接触电极。例如，LSI芯片的接触电极可以与在聚酰亚胺片上的导线的接触垫对准，并通过加热组件到低熔点焊料的熔化温度来接合。粘合剂涂层可以涂在柔性印刷电路板4的背部以把柔性印刷电路板4固定到环形线圈11的外圆周。

图1C示出图1B所示的本发明的示例实施例，显示了封装在壳体46中的自足式分支电路监控器2。示例壳体46可以是两件式壳体，其包括两个杯形端部——第一覆盖部分49A和第二覆盖部分49B，具有分支电路导线3A可以通过的在中心的孔。所述部分49A和49B的边缘在传感器线圈6上配合在一起，从而形成保护传感器线圈6和监控电路15的环形包封。在壳体46里的传输孔47便于传输来自监控电路15的射频电磁信号、超声波信号、可见光信号、或红外光信号，这些信号带有电流测量信息。传输孔47可以与监控电路15中的发射体对准，以能够传输来自监控电路15的发射体的射频电磁信号、超声波信号、可见光信号、或红外光信号。示例壳体也可一体地被模塑在传感器线圈6和监控电路的主体周围，例如，通过使用热塑性塑料注射模塑封装过程。壳体46提供将传感器线圈6从分支电路导线3A和其他分支电路电线分离的爬电距离，其适用于典型分支电路导线电压水平。爬电距离是沿着绝缘表面测量的两个导电部分之间(或导电部分和设备的边界表面之间)的最短路径。适当的和足够的爬电距离可以防止漏电(tracking)，其是由于在绝缘表面上或接近绝缘表面的放电而导致在绝缘材料的表面上产生局部劣化的部分导电路径的过程。

图2示出本发明的示例实施例，显示了自足式分支电路监控器2具有小的外形规格，以能够安装在负载中心1的布线槽44或负载中心1的分支位置槽45。分支位置槽45被示出为图中的虚线。分支电路装置，例如分支断路器10A，被连接到分支电路导线3A和主电源总线6。分支电路断路器10A被示为占用在负载中心1中的分支位置槽45。分支电路导线3A被显示穿过自足式分支电路监控器2。例如，分支电路装置还可以包括接地故障隔离器、电涌保护器、电弧故障断路器、或自动转换开关。多个分支电路断路器10A、10B和10C被示为占用在负载中心1中的分支位置槽45。多个自足式分支电路监控器2被显示占用在负载中心1中的布线槽44，每个自足式分支电路监控器2穿过相应的分支电路导线3A、3B和3C。自足式分支电路监控器2可容易地加装在负载中心1中的分支电路导线上。

在本发明的一个替代实施例中，自足式分支电路监控器2可以通过用粘合剂将其附接到分支电路断路器10A的主体来进行加装。在本发明的另一替代实施例中，自足式分支电路监控器2可以在制造分支断路器时被附接到分支电路断路器10A的主体。

图3示出了本发明的示例实施例，显示了自足式分支电路监控器2中的柔性印刷电路板4和示例监控电路15。负载电流5是流经分支电路导线3A的交流电流，其通过电磁感应的方式在传感器线圈6中感应产生交流电流。由负载电流5所产生的交变磁场与传感器线圈6感应耦合，从而在传感器线圈6中产生感应交流电流。在传感器线圈6中的感应交流电流基本上与传感器线圈6的分支电路导线3A中的交流负载电流5成一定比例。引线7和9传导传感器线圈6中的感应交流电流到柔性印刷电路板4上的监控电路15中的整流器8。整流器8输出整流电流17到节点19。开关10和分压器21、25均被连接到节点19。

在操作的第一阶段期间，开关10传导经整流的电流17到电容器12中，在第一阶段期间给电容器充电。自足式分支电路监控器2具有管理利用来自传感器线圈6中感应的电流的经整流的电流17对电容器12的充电的第一操作模式。分压器21、25所表示的阻抗限制经整流的电流17由于对电容器12充电而被转移的部分。在第一阶段中，模拟-数字(A/D)转换器18未通电，因而不可操作。

因为电容器12在操作的第一阶段期间被充电，节点23上的电压增加。连接到节点23的电压调节器14被配置为检测何时节点23上的电压表明电容器12已经被充电到预定的阈值。当节点23上的电压达到预定阈值时，电压调节器14被配置为给微控制器16、模拟-数字(A/D)转换器18、编码器20和调制器/发射器22提供输出功率。当节点23上的电压达到预定的阈值，这表明到操作的第二阶段的转变。

在操作的第二阶段中，微控制器16接收来自电压调节器14的操作功率，并将切换信号发送到开关10以停止传导经整流的电流17到节点23，从而中断对电容器12的充电。经整流的电流17流经分压器21、25并且在节点27与经整流的电流17成比例的输出电压被施加到模拟-数字(A/D)转换器的输入端，模拟-数字(A/D)转换器此时从电压调节器14接收操作功率。模拟-数字(A/D)转换器18对在节点27的与经整流的电流17成比例的输出电压进行采样，经整流的电流17在第二阶段期间从传感器线圈6中感应的电流得到。模拟-数字(A/D)转换器18被配置为输出表示分支电路导线3A中的负载电流5的大小的数值。这表示当电容器上的电压达到预定值时测量在传感器线圈中感应的电流的第二操作模式。

编码器20以及调制器和发射器22从电压调节器14接收操作功率。在第二阶段期间，编码器20接收来自模拟-数字(A/D)转换器18的数值，并且编码该数值用于由调制器和发射器22进行传输。调制器和发射器22将数值发送到可以位于负载中心内的接收器55，如图2所示，以提供表征在分支电路中所感测的分支电路导线3A中的负载电流5的信息。发射器22可以通过射频电磁信号、超声波信号、可见光信号和红外光信号中的至少一个发送数值给接收器55。示例无线电发射器22可以是蓝牙^TM低功耗(LE)发射器，其能够在低功率水平下操作。发射器22的传输表示传输在传感器线圈中测得的感应电流值的第三操作模式。接收器55可以是无线电中继器，其转发电流测量值到网络，如智能电网。信息可以被用于设置警报、分析能量消耗、存储以供将来使用、或传输到智能电网。

因为在第二阶段期间电容器12上的电荷消耗了，微控制器16感测到由模拟-数字(A/D)转换器18提供的操作功率的降低。在预定的操作功率电平，微控制器16向开关10发送开关信号以将其导通来传导经整流的电流17从而再充电电容器12。这使监控电路15回到第一阶段，从模拟-数字(A/D)转换器18、编码器20和调制器/发射器22中移除操作功率。监控电路15在给电容器12充电的第一阶段和提供操作功率以测量分支电路电流5和发送信息到例如智能电网的第二阶段之间反复循环。

如上述所提到的，自足式分支电路监控器具有三种操作模式。第一操作模式对应于利用在传感器线圈中感应的电流给电容器充电的第一阶段。第二操作模式是当电容器上的电压达到预定值时测量在传感器线圈中感应的电流。第三操作模式是传输在传感器线圈中测得的感应电流值。测量电流的第二模式必须在传输测量结果的第三模式之前发生。在本发明的示例实施例中，微控制器16可以控制第二模式中的测量和第三模式中的传输的时序。发射器22的传输动作需要能量，而不管传输是用射频电磁信号、超声波信号、可见光信号、还是红外光信号。如果在电容器12上的可用电荷已经减少到少于传输必需的电荷，微控制器可以通过存储电流的测量值，直到当电容器12已经被再充电以及测量值可被传输的下一个周期，来延迟第三模式的发生。作为另一个例子，微控制器可以评估测量的质量，因为例如它可能被噪声破坏。在这种情况下，微控制器将丢弃该测量结果以及对于该测量结果，第三模式的传输将不会发生。

在示例实施例中，本发明可以执行监控负载中心中的分支电路中的电流来提供信息以设置警报、分析能量消耗、存储以供将来使用、或传送到智能电网的方法。示例方法可以包括以下步骤：

示例性的第一步骤可以是在操作的第一阶段给自足式分支电路监控器中的电容器充电，通过在被缠绕成环形线圈的传感器线圈中感应的电流进行该充电，该电流通过穿过环形线圈的中心的分支电路导线里的分支电路电流感应而得。

示例性的第二步骤可以是感测何时电容器已被充电到指示到操作的第二阶段的转变的阈值，其中电容器提供操作功率给在包在环形线圈的外圆周上的柔性印刷电路板上形成的组件。

示例性的第三步骤可以是在操作的第二阶段期间对在传感器线圈中感应的电流进行采样，由在柔性印刷电路板上形成的组件来进行该采样，该组件使用由充电的电容器提供的操作功率，经采样的传感器线圈中感应的电流是分支电路电流的测量值。

示例性的第四步骤可以是传输信息，该信息表示在操作的第二阶段期间分支电路电流的测量值，传输是通过在柔性印刷电路板上形成的组件进行，组件使用由充电的电容器供给的操作功率。

该信息可以被用于设置警报、用于分析能量消耗、存储以供将来使用、或传输到智能电网。

上面的示例方法步骤可表示与模拟-数字(A/D)转换器18，编码器20、调制器/发射器22结合在微控制器16的存储器中存储的计算机代码指令。计算机代码指令可以通过在微控制器16的中央处理单元(CPU)执行，以执行本发明的示例实施例的功能。方法步骤可以按与所示的不同的其他顺序执行，且各个步骤可组合或分成组成步骤。额外步骤可包括在该方法中。

虽然公开了本发明的特定示例实施例，本领域中的技术人员将认识到，可对关于特定示例实施例所述的细节做出改变而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种在负载中心内的自足式分支电路监控器，包括：

由围绕环形磁芯缠绕成环形线圈的导线形成的传感器线圈，所述环形磁芯使得分支电路导线穿过所述环形磁芯的中心；

柔性印刷电路板，所述柔性印刷电路板包在所述环形线圈的外圆周上；以及

监控电路，所述监控电路在所述柔性印刷电路板上形成，所述监控电路电气连接到所述传感器线圈的引线，所述监控电路的操作由所述传感器线圈中从所述分支电路导线中的电流感应的电流供电，所述监控电路被配置为使用操作功率来对所述传感器线圈中感应的电流进行采样作为所述分支电路导线中的电流的测量值。

2.根据权利要求1所述的在负载中心内的自足式分支电路监控器，还包括：

其中所述自足式分支电路监控器被封装在壳体里，所述壳体提供适于分支电路导线电压的爬电距离。

3.根据权利要求2所述的在负载中心内的自足式分支电路监控器，还包括：

在所述监控电路中的发射器，所述发射器被配置为发送表示所述分支电路导线中测得的电流值的信号；以及

在所述壳体中的传输孔，所述传输孔与所述发射器对准并且被配置为促进所述发射器发射的信号的传输。

4.根据权利要求1所述的在负载中心内的自足式分支电路监控器，还包括：

其中所述柔性印刷电路板具有和所述柔性印刷电路板上的所述监控电路电气互连的导电线，以及在所述柔性印刷电路板的背部把所述柔性印刷电路板固定到所述环形线圈的外圆周的粘合剂涂层。

5.根据权利要求1所述的在负载中心内的自足式分支电路监控器，还包括：

其中所述自足式分支电路监控器具有小的外形规格，以能够安装在所述负载中心中可用的有限空间中，例如安装在布线槽里或在分支位置槽里。

6.根据权利要求1所述的在负载中心内的自足式分支电路监控器，还包括：

整流器，其被耦合到所述传感器线圈的所述引线；

电容器，其被耦合到所述整流器，所述电容器在操作模式的第一阶段期间由所述传感器线圈中感应的电流充电；

电压调节器，其被耦合到所述电容器，所述电压调节器被配置为感测何时所述电容器被充电到阈值，所述阈值表明向操作的第二阶段的转变，在所述第二阶段中，所述电容器提供操作功率给在所述自足式分支电路监控器里的组件，所述组件被配置为使用所述操作功率来对所述传感器线圈中感应的电流进行采样作为所述分支电路导线中的电流的测量值。

7.根据权利要求6所述的在负载中心内的自足式分支电路监控器，还包括：

电流测量装置，其在所述第二阶段期间被耦合到所述电压调节器以从其获得操作功率，并且所述电流测量装置在所述第二阶段期间被耦合到所述整流器以对所述传感器线圈中感应的电流进行采样，所述电流测量装置被配置为输出表示所述分支电路导线中的电流的大小的值。

8.根据权利要求7所述的在负载中心内的自足式分支电路监控器，还包括：

发射器，所述发射器在所述第二阶段期间被耦合到所述电压调节器以从其获得操作功率，并且所述发射器被耦合到所述电流测量装置，所述发射器被配置为在所述第二阶段期间从所述电流测量装置接收所述值来传输所述数值。

9.根据权利要求6所述的在负载中心内的自足式分支电路监控器，还包括：

其中所述自足式分支电路监控器具有利用所述传感器线圈中感应的电流来管理对所述电容器的充电的第一操作模式；

当所述电容器上的电压达到预定值时测量在所述传感器线圈中感应的电流的第二操作模式；以及

传输测得的在所述传感器线圈中感应的电流的值的第三操作模式。

10.根据权利要求8所述的在负载中心内的自足式分支电路监控器，还包括：

其中所述发射器通过射频电磁信号、超声波信号、可见光信号和红外光信号中的至少一种信号来传输所述值。

11.根据权利要求6所述的在负载中心内的自足式分支电路监控器，还包括：

模拟-数字(A/D)转换器，其在所述第二阶段期间被耦合到所述电压调节器以从其获得操作功率，并且在所述第二阶段期间被耦合到所述整流器以对所述传感器线圈中感应的电流进行采样，所述模拟-数字(A/D)转换器被配置为输出表示所述分支电路导线中的电流的大小的数值。

12.一种负载中心，包括：

自足式分支电路监控器，其被配置为安装在所述负载中心的布线槽中；

在所述自足式分支电路监控器中的传感器线圈，所述传感器线圈具有环形磁芯，所述环形磁芯使得分支电路导线穿过所述环形磁芯的中心；

柔性印刷电路板，其在所述自足式分支电路监控器内，所述柔性印刷电路板包在所述环形线圈的外圆周上；以及

监控电路，其在所述柔性印刷电路板上形成，所述监控电路电气连接到所述传感器线圈的引线并且由所述传感器线圈中从所述负载中心内的分支电路装置的所述分支电路导线中的电流感应的电流供电。

13.根据权利要求12所述的负载中心，还包括：

其中所述自足式分支电路监控器被封装在壳体里，所述壳体提供适于分支电路导线电压的爬电距离。

14.根据权利要求13所述的负载中心，还包括：

在所述监控电路中的发射器，所述发射器被配置为传输表示所述分支电路导线中测得的电流值的信号；以及

在所述壳体中的传输孔，所述传输孔与所述发射器对准并且被配置为便于所述发射器发射的信号的传输。

15.根据权利要求12所述的负载中心，还包括：

其中在所述负载中心中的所述分支电路装置选自由分支电路断路器、接地故障隔离器、电涌保护器、电弧故障断路器和自动转换开关组成的组。

16.根据权利要求12所述的负载中心，还包括：

其中所述自足式分支电路监控器具有小的外形规格以能够安装在所述负载中心中可用的有限空间中，例如安装在布线槽里或在分支位置槽里。

17.根据权利要求14所述的负载中心，还包括：

接收器，所述接收器位于所述负载中心内，所述接收器被配置为接收来自所述发射器的信号，所述信号表示所述分支电路导线中测得的电流值。

18.根据权利要求17所述的负载中心，还包括：

其中所述分支电路导线中的所述测得的电流值被用于设置报警、分析能量消耗、存储已备将来使用、或传输到智能电网。