CN107465166B - 用于断路器的外部直流过电流电子跳闸单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于断路器的外部直流过电流电子跳闸单元，公开了一种直流断路器和一种控制触头的闭合状态和断开状态的方法。直流断路器包括：至少一个触头，其配置为耦接在直流电源和直流负载之间。直流断路器包括热磁跳闸电路和电子跳闸电路。电子跳闸电路响应于所感测到的在处于闭合状态的触头中流动的直流电流的水平，用以累积感测直流电流的总时间的指示。将感测直流电流的总时间的累积的指示与预定值或预定水平进行比较，响应于累积的指示超过预定值或预定水平，使得触头从闭合状态转换为断开状态。

Description

用于断路器的外部直流过电流电子跳闸单元

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年6月2日提交的美国临时申请No.62/344,444的优先权，其全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种建立在例如快速运输列车上的直流(DC)断路器，更具体地，涉及一种用于以时域依赖方式来控制直流断路器的闭合状态和断开状态的设备和方法。

背景技术

快速运输系统广泛用于大量旅客运输。铁路客运列车DC辅助子系统由电压通常在24伏和110伏之间变化的低压电源(LVPS)供电。在紧急情况下也可以使用电池来支持重要和基本的负载。相对于交流(AC)电源来说，使用DC电源的优点是无需任何AC至DC转换就可以在负载附近分布变频驱动。航空器、载人飞行器、船、商业和工业建筑物以及数据中心中的DC辅助子系统和DC配电正在得到广泛研发。由于与AC系统相比，DC系统缺乏标准，所以DC系统中的故障保护仍然是广泛关注的问题。

铁路车辆中断路器通常优于保险丝，这是因为后者所显示出的热疲劳不能被远程控制、不能在维护期间提供容易隔离电路的手段、并且需要被更换。广泛应用于铁路车辆的断路器包括热磁跳闸电路。这种断路器的额定值被选择为足够高，以避免在紧急情况和最高工作温度条件时错误跳闸。然而，在寒冷的温度条件下，特别是在室外快速运输系统中，热磁跳闸电路(特别是在热区域中)的有效性降低。此外，可用的故障电流容差通常是有限的。由于包括热磁跳闸电路的市售断路器的跳闸曲线的额定值和容差，在短路(例如，低压母线的正极线和负极线之间的短路)期间，跳闸曲线可能将落入热区中，使得故障可能会持续数秒钟，从而导致危险状况。

发明内容

本文公开了一种断路器，其包括现有技术的热磁跳闸电路和根据本文所述示例在电子跳闸电路的控制下操作的并联跳闸线圈的组合。使用电子跳闸电路与热磁跳闸电路相结合，相比于仅使用热磁跳闸电路，有助于快速检测故障电流和更快速地断开断路器的一个或多个触头。热磁跳闸电路和电子跳闸电路的组合增加了断路器抵御电压母线上出现的故障状况的保护性能。

现在将在以下编号的条款中描述和阐述本发明的各种优选和非限制性实施例：

条款1：一种直流断路器包括配置成耦接在直流电源和直流负载之间的至少一个触头。热磁跳闸电路能够根据第一时间-电流曲线操作，所述第一时间-电流曲线限定：第一时间-电流区域(1TCR)，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于触头暴露于1TCR中的电流和时间的组合而保持在闭合状态，以及第二时间-电流区域(2TCR)，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于触头暴露于2TCR中的电流和时间的组合而转换为断开状态。电子跳闸电路能够根据第二时间-电流曲线操作，所述第二时间-电流曲线限定：第三时间-电流区域(3TCR)，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于触头暴露于3TCR中的电流和时间的组合而保持在闭合状态，以及第四时间-电流区域(4TCR)，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于触头暴露于4TCR中的电流和时间的组合而转换为断开状态。电流和时间的每个组合包括直流电流在触头中流动的总时间和在总时间内在触头中流动的直流电流的水平。

条款2：根据条款1所述的直流断路器，其中，至少1TCR的一部分和4TCR的一部分重叠，并且具有共同的时间-电流对或时间-电流点。

条款3：根据条款1或2所述的直流断路器，还包括配置为感测在触头中流动的直流电流的电流传感器，其中，电子跳闸电路包括控制器，该控制器响应于电流传感器的输出来判定电流和时间的至少一个组合是否落在4TCR中。

条款4：根据条款1-3中的任一项所述的直流断路器，其中，所述控制器响应于确定出电流和时间的至少一个组合落在第四时间-电流区域中，使触头从闭合状态转换为断开状态。

条款5：根据条款1-4中的任一项所述的直流断路器，其中，电子跳闸电路包括：转换器，其配置为将直流母线上的直流电压转换成不同电平的直流电压；以及储能器，其用于存储具有不同电平的直流电压的直流电力，以供控制器使用。

条款6：根据条款1-5中的任一项所述的直流断路器，其中，控制器包括时间过电流检测电路，时间过电流检测电路基于电流传感器的输出，确定在触头中流动的直流电流的电平超过预定水平和在电流和时间的组合落在第四时间-电流区域中之前必须累积的总时间。

条款7：根据条款1-6中的任一项所述的直流断路器，其中，控制器包括水平检测器，水平检测器配置为检测所感测的直流电流何时超过预定最大水平，并且响应于此使触头从闭合状态转换为断开状态。

条款8：一种控制直流断路器的方法，包括步骤：(a)感测在直流断路器中的处于闭合状态下的至少一个触头中流动的直流电流的水平；(b)累积在步骤(a)中感测直流电流的总时间的指示；(c)将在步骤(b)中所累积的指示与预定值或预定水平进行比较；以及(d)响应于在步骤(b)中所累积的指示超过预定值或预定水平，使至少一个触头从关闭状态转换为断开状态。

条款9：根据条款8所述的方法，其中，所累积的指示是电容器上的累积的电荷。

条款10：根据条款8或9所述的方法，其中，电容器利用来自电流源的电流充电，并且充电电流的值基于在步骤(a)中所感测到的所述直流电流的水平。

条款11：根据条款8-10中的任一项所述的方法，其中，步骤(b)包括：仅在直流电流的水平超过预定值时，才累积在步骤(a)中感测直流电流的总时间的指示。

条款12：根据条款8-11中的任一项所述的方法，其中，步骤(b)、步骤(c)和步骤(d)中的至少一个是在编程数字控制器的控制下执行的。

条款13：根据条款8-12中的任一项所述的方法，其中，编程数字控制器包括在计算机可读程序代码的控制下操作的微处理器和数字信号处理器中的一个。

条款14：根据条款8-13中的任一项所述的方法，还包括步骤：响应于直流断路器的温度超过预定温度，使至少一个触头从闭合状态转换为断开状态。

条款15：根据条款8-14中的任一项所述的方法，还包括步骤：响应于由在至少一个触头中流动的直流电流产生的磁场超过预定值，使至少一个触头从闭合状态转换为断开状态。

附图说明

图1是具有五个车厢的快速运输列车的示意图，所述快速运输列车包括低压母线、电池和DC断路器，其中，低压母线在车厢之间运行并由低压电源(LVPS)供电，电池用于为分布在整个车厢中的DC负载提供电力，直流断路器用于防御低压母线上可能出现的故障状况(例如短路)；

图2是包括热磁跳闸电路的现有技术断路器的示意图；

图3是电流对时间的双对数图表，其包括图2的示例性断路器的最小容差操作的第一示例曲线(plot)和最大容差操作的第二示例曲线；

图4是图2的断路器和热磁跳闸电路在包括由示例性电子跳闸电路控制的并联跳闸线圈在内的情况下的示意图，该示例性电子跳闸电路经由电流传感器和(如果提供的话)可选的差动电流传感器接收流过断路器的一个或多个触头的电流的指示；

图5是图4中示出的电源、储能器、断路器(包括并联跳闸线圈)和并联跳闸电路的详细示意图；

图6是图4中所示的被配置为处理电流传感器的输出的低通滤波器(40)和控制器(DC电流)的详细示意图；

图7是电流对时间的双对数图表，其包括示出图6的控制器(DC电流)的操作的第三曲线和第四曲线，用以基于图6所示的控制器(DC电流)的电阻器的调整量根据第三曲线或第四曲线来控制图4的断路器的一个或多个触头的闭合和断开状态；

图8是电流对时间的双对数图表，其包括图3的第一曲线和在第一曲线上重现的图7的第三曲线；

图9是被配置为处理差动电流传感器的输出的图4的可选低通滤波器和可选控制器(差动电流)的详细示意图；

图10是断路器的示意图，所述断路器包括图4中所示的热磁跳闸电路和并联跳闸线圈，并且包括另一示例性电子跳闸电路，所述另一示例性电子跳闸电路包括用以对电流传感器和(如果提供的话)可选的差动电流传感器的输出进行数字处理的编程数字控制器；以及

图11是图10所示的编程数字控制器的示例框图。

具体实施方式

现在将参考附图描述各种非限制性示例，在附图中，相同的附图标记与类似的或功能上等价的元件相对应。

为了下文中的描述的目的，术语“端”、“上部”、“下部”、“右侧”、“左侧”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“横向”、“纵向”及它们的派生词应与附图中所指向的(多个)示例相关。然而，应当理解，除非另有明确规定，否则(多个)示例可以采用各种替代性变型和步骤顺序。还应当理解，附图中所示并且在下面的说明书中描述的(多个)具体示例仅仅是本发明的示例性示例或方面。因此，本文公开的具体示例或方面不应被解释为是限制性的。

参照图1，示例性快速运输列车可以包括车厢A1、B2、C3、B4和A5。在示例中，A1车可以是起始车厢，而A5车可以是尾部车厢。任何一个或多个车厢可以包括可以以本领域已知的方式操作的推进系统，用以向列车提供动力以沿着运行轨道或其他封闭路径移动。快速运输列车还可以包括从第三轨或架空接触网系统2(以下称为“第三轨”)接收电力的DC辅助电力系统。

图1中所示的列车可以包括以本领域已知的方式操作的一个或多个低压电源(LVPS)4，用以将由第三轨2提供的高压DC电力降低到被提供给在列车的车厢之间运行的低压母线6的较低电压。在所示的示例中，车厢B2、C3、B4各自包括LVPS 4，车厢A1和A5不包括LVPS 4。然而，这不应被解释为限制性意义，因为每个车厢根据例如对所述车厢中的LVPS 4的需要可以包括或可以不包括LVPS 4。

列车还可以包括用于存储低压母线6上所提供的DC电力的多个电池8。在示例中，低压母线6可以是32.5伏DC母线。然而，这并不被解释为是限制性的。此外，在所示示例中，车厢B2、C3、和B4包括电池8，车厢A1和A5不包括电池8。然而，这不应被解释为限制意义，因为每个车厢在本申请认为适合和/或期望时可以包括或可以不包括电池8。

在示例中，每个车厢可以包括一个或多个DC负载10，DC负载10与一个或多个电池8和一个或多个LVPS 4并联地耦接至电压母线6。列车还可以包括耦接到低压母线6的一个或多个接地故障检测电路12。在所示示例中，车厢B2、C3、B4包括接地故障检测电路12。然而，图1中所示的示例性列车的车厢中的接地故障检测电路的数量和分布可以由本领域技术人员来确定。

在示例中，图1中所示的列车还可以包括分布在低压母线6上的战略位置上和与每个电池8形成串联的多个DC断路器14。在图1所示的示例性列车中，DC断路器14设置在车厢B2和B4的每个端的低压母线6上。此外，DC断路器与每个电池8串联设置。然而，图1中所示的列车中的DC断路器14的位置不应被解释为是限制性的。

参照图2，并且继续参照图1，每个断路器14包括一个或多个触头16(以下称为“触头16”)，对断路器14的热磁跳闸电路18的控制进行操作，其以本领域已知的方式操作用以控制(多个)触头16的断开和闭合状态。具体地，热磁跳闸电路18配置为根据跳闸条件(即，可以彼此独立地起作用的热条件和磁条件)来控制触头16的断开和闭合状态。

在热跳闸条件下，(多个)触头16从闭合状态到断开状态的释放延时与流过断路器的电流相反地变化。热跳闸区域旨在在允许瞬时电流浪涌的同时防止持续过载。由于工作温度对实际的热检测机构(未示出)的影响，通常指定检测时间的相对较大的容差。

在磁跳闸条件下，当电流超过瞬时电流跳闸值时，触头16从闭合状态到断开状态的释放延迟是恒定的。该跳闸机构旨在防止短路。包括用于控制一个或多个触头从闭合状态释放到断开状态的热磁跳闸电路18的断路器14在本领域中是公知的。

参照图3，并且继续参照图1和图2，包括热磁跳闸电路18的断路器14的电流对时间的示例性双对数曲线，包括表示热磁跳闸电路18的示例性最小容差的第一示例曲线20以及表示热磁跳闸电路18的示例性最大容差的第二示例曲线22。

参照第一曲线20，从大约300安培到1,760安培的电流范围表示热磁跳闸电路18的热跳闸区域，而高于1,760安培的电流范围表示热磁跳闸电路18的磁跳闸区域。参照第二曲线22，大约400安培和2,640安培之间的电流范围表示热磁跳闸电路18的热跳闸区域，而高于2640安培的电流范围表示热磁跳闸电路18的磁跳闸区域。对于第一曲线20和第二曲线22中的每一个，所述曲线的左侧的时间-电流区域(包括所述曲线的热跳闸区域)表示第一时间-电流区域(1TCR)，而所述曲线的右侧的区域(包括磁跳闸区域)表示第二时间-电流区域(2TCR)。例如，关于第一曲线20，点24(400安培，1秒)位于第一曲线20的1TCR(热跳闸区域)中，而点26(1,000安培，10秒)处于第一曲线20的2TCR(也在热跳闸区域)中。关于第二曲线22，点26位于第二曲线22的1TCR(热跳闸区域)中，而点28(2000安培，100秒)位于第二曲线22的2TCR(也在热跳闸区域)中。

在图1所示的列车的环境中，可能不能接受热磁跳闸电路18的最小容差(第一曲线20)和最大容差(第二曲线22)之间的差较大。这是因为在发生故障电流(例如，低压母线6的正极线和负极线之间的短路)的情况下，流经短路并因此流过低压母线6的电流可能落入热磁跳闸电路18的热跳闸区域，并且可能持续几秒钟，由此导致危险状况。

已经描述了现有技术，现在将描述本发明。

参照图4，在示例中，断路器14可以被改进为包括与热磁跳闸电路18分离地操作的并联跳闸线圈30，以在电子跳闸电路32的控制下使触头16从闭合状态转变为断开状态。

在示例中，电子跳闸电路32包括图5中更详细地示出的电源34、储能器36和并联跳闸电路38。电子跳闸电路32还包括在图6中更详细地示出的低通滤波器40和控制器42。最后，电子跳闸电路32可以可选地包括在图9中更详细地示出的第二低通滤波器44和第二控制器46。

参照图5并且继续参照图4，电源34包括连接到低压母线6的正极线和负极线的输入电容器50。电源34包括被耦接以从低压母线6和输入电容器50接收DC电力的DC/DC转换器52。在示例中，DC/DC转换器52以本领域已知的方式操作，以将低电压母线6上的DC电压转换成这样的电压，所述电压适于由并联跳闸线圈30使用以将触头16从闭合状态释放到断开状态，并且所述电压适于供应合适的电平的DC电力以操作电子跳闸电路32的其它元件。在示例中，图5中所示的DC/DC转换器52包括变压器53，变压器53包括初级绕组54、第一次级绕组56和第二次级绕组58。

图5中所示的示例性DC/DC转换器52是包括反激式控制器60和开关元件62(例如，晶体管)的反激式转换器，反激式控制器60和开关元件62用于将来自低压母线6和输入电容器50的DC输入电压转换为AC电压，变压器53以本领域已知的方式将该AC电压转换成第一次级绕组56上的第一AC电压和第二次级绕组58上的第二AC电压。在第一次级绕组56上产生的AC电压由二极管64整流并存储在储能器36中。第二次级绕组58输出的AC电压由二极管66整流并存储在电容器68上，以供下文中所描述的电子跳闸电路32的一个或多个元件使用。第二次级绕组58、二极管66和电容器68的组合定义了低压电源69。

储能器36与并联跳闸线圈30的一端连接，并联跳闸线圈30的另一端连接到并联跳闸电路38。在示例中，并联跳闸电路38包括开关元件70(例如，晶体管)，开关元件70被耦接以在电流控制器72的控制下响应于OR电路48(图4)的输出来控制流过并联跳闸线圈30的电流。在示例中，电流控制器72可以包括可能需要将OR电路48的输出转换成用于控制开关元件70的接通/关断状态的适当的控制信号的任何合适的和/或期望的电路。还可以想到，OR电路48的输出可以用于直接控制开关元件70的接通/关断状态。

图5中所示的示例性DC/DC转换器52是反激式转换器。然而，这不被解释为限制意义，因为可以想到，可以利用任何合适的和/或期望的拓扑结构或类型的DC/DC转换器52。另一个合适的DC/DC转换器的示例是降压/升压转换器。本领域技术人员可以选择合适的DC/DC转换器用作电子跳闸电路32的电源34。因此，包括DC/DC转换器52在内的电源34的本文公开内容不应被解释为是限制性的。

参照图6，并且继续参照图4和图5，可以布置电流传感器74(例如，霍尔效应传感器)，以感测在低压母线6的正极线上流动的电流。电流传感器74的输出可以耦合到低通滤波器40，低通滤波器40以本领域已知的方式对电流传感器74的输出进行低通滤波，并且经由(如果提供的话)可选的精密整流器76将低通滤波后的输出提供给控制器(DC电流)42。

控制器42包括比较器78，比较器78将低通滤波器40的输出电压或(如果提供的话)精密整流器76的输出电压与由耦接在低压电源69的Vcc输出端与地之间的电阻器80设定的参考值进行比较。更具体地，比较器78以本领域已知的方式操作，将由低通滤波器或(如果提供的话)精密整流器76输出的第一输入端82处的电压与经由电阻器80而提供的比较器78的第二输入端84处的第二电压进行比较。

为了描述本文中的逻辑电平，将假定正逻辑约定，其中高、正或逻辑1状态将是有效状态(asserted state)(例如，+5伏)，而低、负、地或逻辑0状态将被视为无效状态(例如，0伏或接地电压)。

以本领域已知的方式，当第一输入端82处的电压低于第二输入端84处的电压时，比较器78的输出将为逻辑0(例如，接地电压)。相比之下，当第一输入端82处的电压大于第二输入端84处的电压时，比较器78的输出将为逻辑1(例如，+5V)。

可以理解，比较器78的第一输入端82处的电压经由低通滤波器40或(如果提供的话)精密整流器76与在低压母线6的正极线上流动并因此流经断路器14的触头16的电流相关。通过适当地选择电阻器80的值，可以设置比较器78的第二输入端84处的电压，于是，当在低压母线6的正极线中流动并因此流经触头16的电流超过预定电流值时，第一输入端82处的电压将超过第二输入端84处的电压，从而使比较器78的输出从逻辑0切换到逻辑1。相反，当在低压母线6的正极线中流动的电流小于预定电流值时，比较器78的第一输入端82处的电压将小于第二输入端84处的电压，并且比较器78的输出将为逻辑0。因此，比较器78和电阻器80的组合用作瞬时过电流检测电路90。

OR电路48(图4)被耦接以接收比较器78、比较器86(图6)和比较器88(图9)的输出，并以本领域已知的方式对这些输出执行逻辑“或”以生成用以控制并联跳闸电路38的操作的单输出。更具体地，响应于OR电路48输出逻辑1，电流控制器72使并联跳闸电路38的开关元件70从非导通切换到导通，由此，电流流过并联跳闸线圈30，使得断路器14的(多个)触头16从闭合状态转换为断开状态，从而终止流过断路器14的电流。

低通滤波器40或(如果提供的话)精密整流器76的输出也被提供至乘法器92的第一输入端91，乘法器92具有连接到可变电阻器94的第二输入端93，该可变电阻器94将第二输入端93处的电压电平设置为期望电平。可变电阻器94耦接在低压电源69的Vcc输出端和地之间。以本领域已知的方式，乘法器92对第一输入端91的电压和第二输入端93处的电压进行组合(乘法)，并将相乘后的信号输出到具有耦接到节点98的输出端的电压控制电流源96的控制输入端。电压控制电流源96所输出的电流值以本领域已知的方式与乘法器92所输出的电压相关。

低通滤波器40或(如果提供的话)精密整流器76的输出也被提供至比较器102的第一输入端100，比较器102具有耦接到可变电阻器106的第二输入端104，该可变电阻器106将第二输入端104处的电压电平设置为期望电平。可变电阻器106耦接在低压电源69的Vcc输入端和地之间。当第一输入端100处的电压小于第二输入端104处的电压时，耦接到节点98的比较器102的输出为逻辑0(例如，接地电压)。相反，当第一输入端100处的电压大于第二输入端104处的电压时，比较器的输出为逻辑1(例如，+5伏)。在使用中，比较器102的输出处于逻辑0与比较器102的输出为接地电平相对应。因此，当比较器102的输出处于接地电平时，由电压控制电流源96输出到节点98的电流将以本领域已知的方式经由比较器102的输出流到地。相反，当比较器102的输出为逻辑1(例如，+5伏)时，由电压控制电流源96输出至节点98的电流将流入定时电容器108，定时电容器108响应于由电压控制电流源96输出的馈送电流而随时间线性地充电。因此，通过选择电阻器106的值，可以设置与比较器102的输出从逻辑0切换至逻辑1的情况相对应的流过低压母线6的正极线电流电平。

比较器86具有耦接到节点98的第一输入端110和耦接到可变电阻器114的第二输入端112，可以选择可变电阻器114的值，使得可以将第二输入端112处的电压设置为预定值，在该预定值处期望比较器86响应于第一输入端110处的电压超过第二输入端112处的电压而从逻辑0切换到逻辑1。可变电阻器114耦节在低压电源69的Vcc输出端和地之间。

乘法器92、电压控制电流源96、电阻器94、比较器102、电阻器106、定时电容器108、比较器86和电阻器114定义了时间过电流检测电路116，现在参照图7的电流对时间的双对数图表来描述时间过电流检测电路116的操作。

图7包括可以由时间过电流检测电路116实现的电流对时间的第三曲线118。第四曲线119是下文中将描述的第三曲线118的变型。

第三曲线118包括左侧的垂直线部分120，垂直线部分120具有位于点122(400安培，4.5秒)处的一个端点，并且在400安培线上沿时间超过4.5秒(例如，时间＞1,000秒)的方向垂直向上延伸到图表的顶部。

第三曲线118还包括右侧的垂直线部分124，垂直线部分124具有位于点126(1000安培，1秒)处的一个端点，并且在1,000安培线上沿时间方向垂直向下延伸到点128(1,000安培，0.03秒)。第三曲线118还包括倾斜线130，倾斜线130是将左侧垂直线部分120的点122和右侧垂直线部分124的点126进行连接。

继续参照图7并返回参照图6，垂直线部分124的右侧的电流-时间点是由瞬时过电流检测电路90设置的，更具体地，是通过调整电阻器80的值并因此调整比较器78的第二输入端84处的电压来设置的。例如，降低第二输入端84处的电压减小了流过断路器14的(多个)触头16的电流值，其使得比较器78的输出从逻辑0转换为逻辑1。相反，增加第二输入端84处的电压增加了流过(多个)触头16的电流值，其使得比较器78从逻辑0切换到逻辑1。因此，通过控制比较器78的第二输入端84处的电压，可以调整流过(多个)触头16的电流的水平，由此可以调整图7中的右侧垂直线部分124的水平位置，其使得并联跳闸线圈30断开触头16。在图7中，该调整由双头箭头132表示。

在示例中，假设设定了电阻器80的值，于是，当流过(多个)触头16的电流超过1000安(如右侧垂直线部分124所表示的那样)时，比较器78的输出从逻辑0变为逻辑1。作为响应，OR电路48输出这样一个信号，该信号使得并联跳闸电路38转换为有电流流经并联跳闸线圈30的状态，使得(多个)触头16从闭合状态释放为断开状态，从而终止流经DC断路器14的电流。通过由调整电阻器80的值来减小或增加第二输入端84处的电压，如双头箭头132所示的那样，可以将右侧垂直线部分124的水平位置(因此即，导致输出从逻辑0变为逻辑1的电流值)向左或向右移动。

在示例中，响应于流过(多个)触头16的电流低于1000安培，比较器78的输出从逻辑1变回逻辑0。作为使得比较器78的输出从逻辑0变为逻辑1(或反之亦然)的电流值的示例的1000安培仅用于说明的目的，并且不被解释为是限制性的。

现在参照左侧垂直线部分120，现在将描述时间过电流检测电路116的操作。

比较器102的第二输入端104处的电压设置将使得定时电容器108利用来自电压控制电流源96的电流进行充电的电流的水平，并因此设置比较器86的操作。具体地，如果比较器102的第一输入端100处的电压小于第二输入端104处的电压，则比较器102的输出将为逻辑0(例如，接地电压)，于是，由电压控制电流源96输出的电流将经由节点98流入到比较器102的接地的输出端。应当理解，第一输入100处的电压与在(多个)触头16中流动的电流相关，并且第二输入104处的电压与在(多个)触头16中流动的预定电流相对应，在高于预定电流时期望得到控制。

在示例中，假设第二输入端104处的电压值被设置为与400安培的电流相对应，例如，如图7中的左侧垂直线部分120所示的那样。当在低压母线6的正极线中流动的电流小于400A时，比较器102的第一输入端100处的电压将小于第二输入端104处的电压，于是，比较器102的输出将为逻辑0(例如，接地电压)，由此，由电压控制电流源96输出的电流将经由比较器102的输出端流到地。相反，响应于在低压母线6的正极线中流动的电流≥400安培，比较器102的第一输入端100处的电压将超过第二输入端104处的电压，于是，比较器102的输出将是逻辑1(例如，+5伏特)，因此，来自电压控制电流源96的电流将流入定时电容器108以随时间线性地对定时电容器108充电。

当定时电容器108上的电压响应于通过来自电压控制电流源96的电流充电而增加时，比较器86的第一输入端110处的电压随着时间的推移从低于第二输入端112处的电压(此时，比较器86的输出为逻辑0)的电压增加至大于第二输入端112处的电压(此时，比较器86的输出为逻辑1)的电压。响应于第一输入端110处的电压变得大于第二输入端112处的电压，比较器86的输出从逻辑0转换到逻辑1。作为响应，OR电路48输出这样一个信号，该信号使并联跳闸电路38切换到有电流流过并联跳闸线圈30的状态，使得(多个)触头16从闭合状态释放到断开状态，从而终止流过DC断路器14的电流。

响应于终止流经DC断路器14的(多个)触头16的电流，比较器102的第一输入端100处的电压下降到第二输入端104处的电压值以下，从而使比较器102从逻辑1转换回到逻辑0，于是，来自电压控制电流源96的电流再次经由比较器102的输出端流到地，并且存储在定时电容器108中的电荷通过比较器102的接地输出端放电。响应于定时电容器108以这种方式放电，比较器86的输出从逻辑1转换回逻辑0。

因此，响应于DC断路器14的(多个)触头16断开，瞬时过电流检测电路90和时间过电流检测电路116的状态可以返回到起始状况，例如逻辑0输出到OR电路48。

如果需要，电流控制器72可以包括使并联跳闸电路38保持在电流流过并联跳闸线圈30的状态的锁存电路(未示出)，从而将(多个)触头16保持在断开状态直到锁存电路被外部输入复位为止。以这种方式将(多个)触头16锁存为断开状态，避免了当低压母线6的线路上仍然存在故障状态(短路)时(多个)触头16的自动闭合。如果需要，该外部复位可以是手动复位，或者可以是经由尝试在一段时间之后将(多个)触头16复位到闭合状态的外部电路(未示出)执行的时基复位。

现在将参照图7中的倾斜线130来描述时间过电流检测电路116的操作的示例。假设低压母线6的正极线中流过的电流为500安培，并且该电流被电流传感器74感测到。作为响应，与500安培相对应的电压被提供至乘法器92的输入端91和比较器102的第一输入端100。进一步假设比较器102的第一输入端100处的电压大于第二输入端104处的电压，第二输入端104处的电压被设置为与例如流过低压母线6的正极线的400安培的电流相对应。在这些条件下，比较器102的输出将为逻辑1。

响应于乘法器92的输入端91的电压与流入低压母线6的正极线的500安培的电流相对应，乘法器92向电压控制电流源96输出电压，该电压与乘法器92的输入端91处的所述电压和经由电阻器94被施加到乘法器92的输入端93的电压的乘积相对应。被施加至电压控制电流源96的输入端的电压(该电压基于在低压母线6的正极线中流动的电流而变化)使得电压控制电流源96向节点98输出与低压母线6的正极线中的500安培相对应的电流。在该示例中，因为比较器102的输出是逻辑1，所以由电压控制电流源96输出的电流流入到定时电容器108中并对定时电容器108进行线性充电。如图7所示，对于与500安培相对应的垂直线(位于400安培垂直线的紧右侧的垂直线)，定时电容器108累积电荷3.5秒，此时出现在比较器86的第一输入端110处的电容器108上的电压超过比较器86的第二输入端112处的电压，因此，比较器86的输出从逻辑0转换到逻辑1。响应于比较器86的输出转换到逻辑1，并联跳闸电路38的开关元件70经由OR电路48从断开状态转换为闭合(导通)状态。响应于开关元件70切换到导通状态，电流流过并联跳闸线圈30导致DC断路器14的(多个)触头16从闭合状态转换到断开状态，从而终止流过断路器14的电流。

因此，从图7中的500安培垂直线可以理解出，在500安培流过低压母线6的正极线的3.5秒之后，(多个)触头16从闭合状态转换到断开状态。

在参照图7的另一示例中，响应于在低压母线6的正极线中流动的电流为900安培，以上述针对500安培的方式进行操作的时间过电流检测电路116将在1.1秒之后导致(多个)触头16从闭合状态转换到断开状态。

触头16响应于在低压母线6的正极线中流动的500安培电流或900安培电流而从闭合状态切换到断开状态之前的时间的差是以下操作的结果：当在低压母线6的正极线中流动的电流为500安培时，由乘法器92输出的控制电压更小，而当在低压母线6的正极线中流动的电流为900安培时，由乘法器92输出的控制电压更大。更具体地，当在低压母线6的正极线中流动的电流为500A时，由电压控制电流源96输出的电流将更小，并且在低压母线6的正极线中流动的电流为900A时，由电压控制电流源96输出的电流将更大，从而定时电容器108在比较器86的第一输入端110处的电压大于第二输入端112处的电压之前进行充电的时长改变。因此，从倾斜线130可以理解出，时间过电流检测电路116对在低压母线6的正极线中流动的较高电流响应地更快，并且对在低压母线6的正电流中流过的较低电流响应地更慢。当然，如上所述，与右侧垂直线部分124相对应的电流是由瞬时过电流检测电路90设置的，而与左侧垂直线部分120相关联的电流是由时间过电流检测电路116的比较器102设置的。

可以理解，图7中的第三曲线118表示图6中所示的包括瞬时过电流检测电路90和时间过电流检测电路116的控制器42的示例响应。通过调整瞬时过电流检测电路90的电阻器80，右侧垂直线部分124的水平位置可以如图7中的双头箭头132所示出的那样向左或向右调整。类似地，调整时间过电流检测电路116的比较器102的电阻器106的值可以如图7中的双头箭头158所示出的那样调整左侧垂直线部分120的水平位置。

此外，倾斜线130的斜率可以通过调整电阻器94的值来调整，电阻器94控制被施加至乘法器92的第二输入端处的电压。通过调节该电压，由乘法器92输出到电压控制电流源96的输入端的电压可以控制倾斜线130的斜率。

最后，在图7中，倾斜线130的垂直位置可以垂直向上和向下地调节，从而调整定时电容器108必须在(多个)触头16从闭合状态转换为断开状态之前以在低压母线6的正极线中流动的给定电流进行充电的时间长度。在示例中，假设期望在(多个)触头16从闭合状态转换到断开状态之前400A至1000A之间的电流在低压母线6的正极线中流过的时间延长。为了实现这一点，通过调整电阻器114的值来增加比较器86的第二输入端112处的电压。响应于比较器86的第二输入端112处的电压增大，定时电容器108肯定会在比较器86的第一输入端110处的电压超过第二输入端112处的电压之前累积电荷更长的时间段。因此，在该示例中，对于在低压母线6的正极线中流动的400mA至1000A之间的电流，增加比较器86的第二输入端112处的电压延长了所述电流在(多个)触头16从闭合状态转换为断开状态之前流动的时长。这通过图7中的倾斜线130的位置移位至倾斜线134的位置得以示出。类似地，降低第二输入端112处的电压缩短了400安培至1000安培之间的电流在使得(多个)触头16从闭合状态转换到断开状态之前在低压母线6的正极线中流过的时长。

在上述例子中，对于400A至1000A之间的电流在(多个)触头16从闭合状态转换到断开状态之前在低压母线6的正极线中流过的时长延长的情况，当电流为1000安培时，这导致倾斜线134在点138(1,000安培，2秒)处、而不是在点126(对于倾斜线130，1,000安培，1秒)处与1,000安培垂直线交叉。在点126之下，第三曲线118和第四曲线119共有右侧垂直线124。在另一示例中，对于400安培的电流在低压母线6的正极线中流动的情况，延长400安培的电流流动的时长，导致倾斜线134在点136(400安培，10秒)处、而不是在倾斜线130的点122(400安培，4.5秒)处与400安培垂直线交叉。应当理解，图7中的第三曲线118和第四曲线119仅是由于电阻器80、94、106和114中的一个或多个的调整所引起的控制器42的不同的响应。

从图7可以看出，当在低压母线6的正极线中流动的电流超过1000安培时，瞬时过电流检测电路90在短暂延迟之后将使得(多个)触头16从闭合状态转变为断开状态，所述短暂延迟是由于通过低通滤波器40、瞬时过电流检测电路90、OR电路48和并联跳闸电路38的信号传播延迟而造成的。在图7所示的示例中，所述延迟在0.03秒和0.045秒之间。然而，这并不被解释为是限制性的。

因为图7中的倾斜线130和134的垂直差异仅仅表示控制器42针对将电压供应至比较器86的第二输入端112的电阻器114的不同的值做出的响应，为了下文的讨论，将仅参照包括倾斜线130的第三曲线118。然而，这并不被解释为限制意义，因为本领域技术人员将理解，下面的讨论可以同样适用于包括倾斜线134的第四曲线119。

在图7中，第三曲线118左侧的时间-电流区域表示第三时间-电流区域(3TCR)，在该区域中，起始状态为闭合状态的(多个)触头16响应于一个或多个触头暴露于3TCR中的电流和时间的组合而保持为闭合状态。第三曲线118右侧的时间-电流区域表示第四时间-电流区域(4TCR)，在该区域中，起始状态为闭合状态的(多个)触头16响应于(多个)触头16暴露于4TCR中的电流和时间的组合而转变为断开状态。为了讨论的目的，可以认为由第三曲线118表示的电流-时间点驻留在4TCR中。

参照图8，其中，图3中的第一曲线20和图7中的第三曲线118被绘制在同一电流对时间的双对数图表上，假设：图4所示的断路器14的热磁跳闸电路18根据由第一曲线20表示的热磁跳闸(最小容差)进行操作，并且控制器42设置为根据第三曲线118进行操作。从图8可以理解出，1TCR和3TCR的大部分重叠，以及2TCR和4TCR的大部分重叠。

然而，从图8可以理解出，第一曲线20左侧的一部分1TCR和第三曲线118右侧的一部分4TCR在区域140所示的电流对时间的区域中重叠。正是在该区域140中，电子跳闸电路32(更具体地，控制器42)将(多个)触头16的开关性能提高为超过由第一曲线20表示的热磁跳闸电路18的切换性能，以便以时间依赖方式可靠地从闭合状态转换到断开状态。在参照图8的示例中，当流过低压母线6的正极线的电流为500安培时，电子跳闸电路32(更具体地，控制器42)在3.5秒后将使得(多个)触头16从闭合状态转换到断开状态，而热磁跳闸电路18在约16秒之后将使得(多个)触头16从闭合状态转换到断开状态。

在另一示例中，当在低压母线6的正极线中流动的电流为1000安培或以上时，电子跳闸电路32(更具体地，控制器42)在通过电子跳闸电路32的电路的信号传播延迟之后将使得(多个)触头16从闭合状态转换为断开状态。相比之下，当在低压母线6的正极线中流动的电流为1000安培和1,760安培之间时，热磁跳闸电路18将允许电流在低压母线6的正极线中流动的时长介于1,760安培时的0.5秒和1,000安培时的约2秒之间。

因此，可以看出，电子跳闸电路32和并联跳闸线圈30的组合可以将(多个)触头16的转换性能提高为超过单独使用热磁跳闸电路18时的跳闸性能。据此，如图8中的第一曲线20所示，当在低压母线6的正极线中流动的电流低于400A时，(多个)触头16的打开和关闭状态是通过热磁跳闸电路18以本领域已知的方式控制的。

参照图9并回过来参照图4，可选的差动电流传感器142可以测量在低压母线6的正极线和负极线中流动的电流之间的差，并且可以生成与所述差相关的输出，该输出经过可选低通滤波器44达到至可选控制器(差动电流)46。如图9所示，控制器46包括峰值检测电路144，峰值检测电路144具有连接至比较器88的第一输入端146的输出端，比较器88具有连接至由Vcc和地偏置的可变电阻器150的第二输入端。由差动电流传感器142感测到的电流差由低通滤波器44进行低通滤波，并由峰值检测电路144检测，峰值检测电路144将相应的信号输出到比较器88的第一输入端146。响应于第一输入端146处的电压超过第二输入端148处的电压，比较器88的输出从逻辑0转换到逻辑1。响应于比较器88的输出切换到逻辑1，使得并联跳闸电路38的开关元件70从非导通状态转换为导通状态，由此，电流在并联跳闸线圈30中流动，从而导致(多个)触头16从闭合状态转换为断开状态。因此，可以理解出，当比较器88的第一输入端146处的电压(与由差动电流传感器142感测到的电流差相对应)超过第二输入端148处的电压时，(多个)触头16可从闭合状态转换为断开状态。

应当理解，电源34和储能器36可以用于在低压母线6上的电压状况变化期间向并联跳闸线圈30和低通滤波器40、控制器42、OR电路48、并联跳闸电路38、以及(如果提供的话)可选的低通滤波器44和控制器46中的电子部件供电。例如，当低压母线6的正极线和负极线短接在一起时，由低压母线6施加至电源34的电压可以处于或接近0伏特。在这种情况下，储能器36可配置成为各种电子部件提供电力，只要认为通过适当选择储能器36(其可以是电容器或可充电电池)的尺寸和存储容量来合适和/或满足期望即可。

参考图10，另一示例性电子跳闸电路32'可以在许多方面类似于以上讨论的电子跳闸电路32，但有以下例外。由低通滤波器40、控制器42和OR电路48执行的功能可由编程数字控制器150执行。如果需要的话，由可选的低通滤波器44和可选的控制器46执行的功能也可以由编程数字控制器150执行。

参照图11并继续参考图10，在该示例中，电流传感器74的输出被提供给模拟数字转换器(ADC)152，模拟数字转换器(ADC)152将电流传感器74的模拟输出转换成被提供给数字信号处理块154的数字等效值。在示例中，数字信号处理块154可以是在计算机可读程序代码的控制下操作的微处理器或数字信号处理器(DSP)。数字信号处理块154在计算机可读程序代码的控制下操作，可以模拟由上述低通滤波器40、控制器42和OR电路48执行的部分或全部功能。例如，在简化的实施例中，计算机可读程序代码可以使得数字信号处理块154根据图7中所示的第三曲线118来控制(多个)触头16的断开状态。换句话说，当由数字信号处理块154测量的电流和时间的组合存在于4TCR时，根据计算机可读程序代码进行操作的数字信号处理块154可使得(多个)触头16从闭合状态转换为断开状态。类似地，经受热磁跳闸电路18的操作，对于位于3TCR中的任何电流和时间的组合，根据计算机可读程序代码进行操作的数字信号处理块154可用于使得(多个)触头16保持在闭合状态。

如果需要的话，数字控制器150还可以包括耦接到差动电流传感器142的输出端的可选的第二模数转换器(ADC)156。ADC 156可以以本领域已知的方式将差动电流传感器142的模拟输出转换为数字等效值，该数字等效值可被提供给数字信号处理块154以用于可选的处理。如果需要的话，可以通过在计算机可读程序代码的控制下操作的数字信号处理块154对由低通滤波器44和控制器46执行的功能进行数字仿真。在简单的例子中，如果由差动电流传感器142感测到的差动电流超过预定值，则计算机可读代码可以使数字信号处理块154对并联跳闸电路38输出使(多个)触头16从闭合状态转换为断开状态的信号。

因此，可以看出，可以通过程序数字控制器150的编程对由图4中的低通滤波器40、控制器42、OR电路48、以及(如果需要的话)低通滤波器44和控制器46执行的功能进行仿真。

可以看出，本文中公开了一种DC断路器，其包括配置为耦接在DC电源和DC负载之间的至少一个触头。DC断路器包括可根据第一时间-电流曲线操作的热磁跳闸电路，该第一时间-电流曲线限定：第一时间-电流区域(1TCR)，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于触头暴露于1TCR中的电流和时间的组合而保持在闭合状态；以及第二时间-电流区域(2TCR)，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于触头暴露于2TCR中的电流和时间的组合而转换为断开状态。DC断路器还包括电子跳闸电路，该电子跳闸电路可根据第二时间-电流曲线操作，该第二时间-电流曲线限定：第三时间-电流区域(3TCR)，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于触头暴露于3TCR中的电流和时间的组合而保持在闭合状态；以及第四时间-电流区域(4TCR)，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于触头暴露于4TCR中的电流和时间的组合而转换为断开状态。电流和时间的每个组合可以包括：DC电流在触头中流动的总时间和在所述总时间内在触头中流动的DC电流的水平。

至少1TCR的一部分和4TCR的一部分可以重叠，并且具有共同的时间-电流对或点。

可以提供电流传感器以感测在触头中流动的DC电流。电子跳闸电路可以包括这样一种控制器，该控制器响应于电流传感器的输出来判定电流和时间的至少一个组合是否落在4TCR中。

控制器可以响应于确定出所述电流和时间的至少一个组合落在4TCR中来使触头从闭合状态转换到断开状态。

电子跳闸电路可以包括：转换器，其配置为将DC母线上的DC电压转换成不同水平的DC电压；以及储能器，其用于存储具有不同水平的DC电压的DC电力以供控制器使用。

控制器可以包括时间过电流检测电路，该时间过电流检测电路基于电流传感器的输出来判定在触头中流动的DC电流的水平是否超过预定水平，确定在电流和时间的组合落在4TCR之前必须累积的总时间。

控制器还可以包括水平检测器(或瞬时过电流检测电路)，其配置为检测所感测的DC电流何时超过预定最大水平，并且响应于此使触头从闭合状态转换为断开状态。

本文中还公开了一种控制DC断路器的方法，包括步骤：(a)感测在DC断路器中的处于闭合状态的至少一个触头中流动的DC电流的水平；(b)累积在步骤(a)感测DC电流的总时间的指示；(c)将在步骤(b)中所累积的指示与预定值或预定水平进行比较；以及(d)响应于在步骤(b)中所累积的指示超过预定值或预定水平，使至少一个触头从闭合状态转换为断开状态。

累积的指示可以表示为电容器上的累积电荷。

可以利用来自电流源的电流对电容器充电，并且充电电流的值可以基于在步骤(a)中所检测到的DC电流的水平。

步骤(b)可以包括：仅当DC电流的水平超过预定值时，累积在步骤(a)感测DC电流的总时间的指示。

步骤(b)、(c)和(d)中的至少一个可以在编程数字控制器的控制下执行。编程数字控制器可以包括在计算机可读程序代码的控制下操作的微处理器或数字信号处理器(DSP)中的一个。

该方法还可以包括步骤：(e)响应于DC断路器的温度超过预定温度，使至少一个触头从闭合状态转换为断开状态。

该方法还可以包括步骤：(e)响应于由在所述至少一个触头中流动的所述DC电流产生的磁场超过预定值，使所述至少一个触头从闭合状态转换为断开状态。

已经参照附图描述了前述示例。在阅读和理解了为了说明本发明的目的而提供的不应被解释为限制意义的前述实施例时，其他人将会想到本发明的改型和替代方案。因此，上述实施例不应被解释为用于限制本公开。

Claims (12)

1.一种直流断路器，包括：

至少一个触头，其配置为耦接在直流电源和直流负载之间；

热磁跳闸电路，其能够根据第一时间-电流曲线操作，所述第一时间-电流曲线限定：

第一时间-电流区域，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于所述触头暴露于所述第一时间-电流区域中的电流和时间的组合而保持在闭合状态，以及

第二时间-电流区域，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于所述触头暴露于所述第二时间-电流区域中的电流和时间的组合而转换为断开状态；

以及

电子跳闸电路，其能够根据第二时间-电流曲线操作，所述第二时间-电流曲线限定：

第三时间-电流区域，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于所述触头暴露于所述第三时间-电流区域中的电流和时间的组合而保持在闭合状态，以及

第四时间-电流区域，其中，起始状态为闭合状态的触头响应于所述触头暴露于所述第四时间-电流区域中的电流和时间的组合而转换为断开状态；

其中：

电流和时间的每个组合包括直流电流在所述触头中流动的总时间和在所述总时间内在所述触头中流动的直流电流的水平；

至少所述第一时间-电流区域的一部分和所述第四时间-电流区域的一部分重叠，并且具有共同的第一时间-电流对或第一时间-电流点；以及

至少所述第二时间-电流区域的一部分和所述第三时间-电流区域的一部分重叠，并且具有共同的第二时间-电流对或第二时间-电流点。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，还包括配置为感测在所述触头中流动的直流电流的电流传感器，其中，所述电子跳闸电路包括控制器，所述控制器响应于所述电流传感器的输出来判定电流和时间的至少一个组合是否落在所述第四时间-电流区域中。

3.根据权利要求2所述的直流断路器，其中，所述控制器响应于确定出所述电流和时间的至少一个组合落在所述第四时间-电流区域中，使所述触头从闭合状态转换为断开状态。

4.根据权利要求2所述的直流断路器，其中，所述电子跳闸电路包括：

转换器，其配置为将直流母线上的直流电压转换成不同电平的直流电压；以及

储能器，其用于存储具有不同电平的直流电压的直流电力，以供所述控制器使用。

5.根据权利要求2所述的直流断路器，其中，所述控制器包括时间过电流检测电路，该时间过电流检测电路基于所述电流传感器的输出，确定在所述触头中流动的直流电流的电平超过预定水平和在电流和时间的组合落在所述第四时间-电流区域中之前必须累积的总时间。

6.根据权利要求2所述的直流断路器，其中，所述控制器包括水平检测器，该水平检测器配置为检测所感测的直流电流何时超过预定最大水平，并且响应于此使所述触头从闭合状态转换为断开状态。

7.一种控制直流断路器的方法，其中所述直流断路器为根据权利要求1至6中任一项所述的直流断路器，所述方法包括步骤：

(a)感测在直流断路器中的处于闭合状态下的至少一个触头中流动的直流电流的水平；

(b)累积在步骤(a)中感测直流电流的总时间的指示；

(c)将在步骤(b)中所累积的指示与预定值或预定水平进行比较；以及

(d)响应于在步骤(b)中所累积的指示超过预定值或预定水平，使所述至少一个触头从关闭状态转换为断开状态，其中，所述所累积的指示是电容器上的累积的电荷，所述电容器利用来自电流源的电流充电，并且充电电流的值基于在步骤(a)中所感测到的所述直流电流的水平。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(b)包括：仅在所述直流电流的水平超过预定值时，才累积在步骤(a)中感测所述直流电流的总时间的指示。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(b)、步骤(c)和步骤(d)中的至少一个是在编程数字控制器的控制下执行的。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述编程数字控制器包括在计算机可读程序代码的控制下操作的微处理器和数字信号处理器中的一个。

11.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：

(e)响应于所述直流断路器的温度超过预定温度，使所述至少一个触头从闭合状态转换为断开状态。

12.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：

(e)响应于由在所述至少一个触头中流动的直流电流产生的磁场超过预定值，使所述至少一个触头从闭合状态转换为断开状态。

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