CN108351376B - 电熔丝电流感测系统和监视方法 - Google Patents

电熔丝电流感测系统和监视方法 Download PDF

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Abstract

电流感测和监视方法包含连接感测跨越例如熔丝元件等具有非线性电阻的导体的电压。至少基于所述感测电压的第一所检测状态和所述导体的热平衡表征而计算所述导体中流动的电流。

Description

电熔丝电流感测系统和监视方法
背景技术
本发明的领域大体上涉及电力分布系统，且更具体来说涉及感测和监视电路中通过具有非线性电阻的导体的电流的系统和方法。
在各种类型的电气产品和系统中，出于多种原因而执行电流感测。电流感测和监视在各种方面中促进了对设备和过程的监督和控制，以及促进了电路保护功能性。当今目前使用各种不同类型的接触和非接触式电流传感器，包含(但不一定限于)分流电阻、电流互感器(CT)、霍尔效应传感器和使用磁光效应(法拉第效应)的光纤电流传感器(FOCS)。
在其中需要电流感测的许多住宅类电力系统中，常规电流传感器的相对成本较高，并且因此，电流传感器的使用对于住宅应用是有限的。对于包含电流感测能力的电气产品，电流传感器组件的成本可占总产品成本的多达50％。对于需要电流感测的工业和商业类型产品，感测组件可占总系统成本的多达20％。当前利用的电流传感器技术的相对高成本是在电气行业中在更广规模上的电流感测的有益采用的障碍。因此需要更低成本和/或更简单的电流感测解决方案。
附图说明
参考以下图式描述非限制性且非详尽性实施例，其中除非另外指定，否则类似参考标号贯穿各图指代类似部分。
图1是说明常规电流感测技术的电力系统的一部分的部分电路示意图。
图2是说明根据本发明的实施例的第一示例性电流感测技术的电力系统的一部分的部分电路示意图。
图3说明在使用中的示例性熔丝元件的示例性温度分布。
图4是包含图3中所示的示例性熔丝元件的示例性熔丝的示例性温度对时间曲线图。
图5A、5B和5C说明与图3和4相关且通过图2中示出的电流感测技术以算法方式利用的示例性熔丝的示例性热平衡特性，其中图5A是温度平衡电压对温度平衡电流的绘图，其中图5B是温度平衡电阻对温度平衡电压的绘图，且其中图5C是温度的温度平衡改变对电压的绘图。
图6A、6B、6C和6D说明利用图2中示出的技术以及图5A、5B和5C中示出的特性的在使用中的电熔丝的所感测的参数，其中图6A是计算的电熔丝经历的电流对时间的绘图，其中图6B是计算的电熔丝经历的温度对时间的绘图，其中图6C是计算的电熔丝经历的电阻对时间的绘图，且其中图6D是利用图2中示出的技术的感测电压对时间的绘图。
图7A和7B表示在图2中说明的技术的示例性性能，其中图7A说明熔丝元件的计算电阻对在使用中熔丝元件的实际电阻的绘图，且其中图7B说明在计算电阻时的算法误差的绘图。
图8A和8B表示在图2中说明的技术的示例性性能，其中图8A说明所计算电流对电熔丝经历的实际电流的第一示例性比较绘图，且其中图8B说明所计算电流对电熔丝经历的实际电流的第二示例性比较绘图。
图9是说明与关于先前图式说明的电流感测技术和算法相关联的示例性过程的示例性方法流程图。
图10示意性地表示根据本发明的实施例的第一示例性电流感测系统。
图11示意性地表示根据本发明的实施例的第二示例性电流感测系统。
图12示意性地表示根据本发明的实施例的第三示例性电流感测系统。
具体实施方式
图1是说明有时称为基于分流器的电流感测的常规电流感测技术的电力系统100的一部分的部分电路示意图。
如图1所示，电力系统100包含连接于与线侧电路104与负载侧电路106之间的电熔丝102。熔丝102包含外壳和导电熔丝元件，所述导电熔丝元件结构上被配置成响应于预定过电流条件而熔化、崩解、蒸发或另外结构上失效，且有效地产生线侧电路104与负载侧电路106之间的开路。当预定过电流条件在线侧电路104中发生时，负载侧电路106因此受熔丝102及其熔丝元件保护，这在熔丝元件暴露于过电流条件时电隔离负载侧电路106，因为电流不再能流动通过熔丝102，进而防止原本损害性的电流流动到负载侧电路106。熔丝元件响应于过电流条件的断开是永久性的，且熔丝102必须被另一熔丝102替换以恢复线侧电路104与负载侧电路106之间的电连接。
如还在图1中示出，电阻式分流器108在电力系统100中与熔丝102串联连接。通过监视或感测跨越分流器108的电压V感测，可容易地从欧姆定律确定流过熔丝102的电流I感测(I＝V感测/R分流器)。理想地，电阻式分流器108具有宽线性电阻带，从而允许电压V感测到电流I感测的直接转换。电阻式分流器108中的宽线性电阻带在电力系统中的其它组件中通常不可用，但却是高度需要的，且因此电阻式分流器108是针对满电流额定的且是以高精度制造。电阻式分流器108因此是相对昂贵的，但是有效的电流感测解决方案。在包含许多电熔丝102的电力系统100中，提供电阻式分流器的成本倍增且会相当大。
可以代替所描述电阻式分流器108使用的其它电流传感器是已知的，包含上文所提及的那些，但它们与电阻式分流器108相比往往更庞大和/或更昂贵，并且因此未完全满足对于紧凑且较低成本解决方案的需要。
本文在下文描述的系统和方法的示例性实施例促进了电力系统中的紧凑、可靠且经济的电流感测、监视和控制功能以及高级能力。如下文详细阐释，这是通过跨越例如熔丝元件等具有非线性电阻的导体连接补偿电路而实现。在具有非线性电阻的导体中流动的电流可以在使用基于下文描述的熔丝特性的唯一关系确定导体的电阻之后基于跨越导体的感测电压而计算。方法的各方面将部分为显而易见的，且部分在以下描述中明确地论述。
图2说明根据本发明的实施例的第一示例性电流感测技术。比较图1和2，看见消除了电阻式分流器108，且直接导出跨越熔丝102的电压V感测。如下所述，电流I感测可以间接地从电压V感测确定而不涉及如图1所示的相对昂贵串联连接的分流器108。如本发明得到的电阻式分流器108的消除比成本减少更有利。电阻式分流器的消除还节省了物理空间，且在共同位置中利用许多熔丝的应用中，为了容纳熔丝所需要的位置的大小可以减小。举例来说，当许多熔丝位于汇流箱、配电板或熔丝块中时，汇流箱、配电板或熔丝块的物理大小可减小，同时仍提供电流感测能力和高级熔丝状态特征、异常熔丝检测和警报等。对于包含大量熔丝的电力系统，通过消除单独提供的电流传感器，同时仍提供对电力系统的高级监视和监督，成本减少和空间节省以及熔丝的性能都可为显著的。
图2中示出的技术识别熔丝102像所有电熔丝那样是基本上经过校准的电阻器。因为电阻器在操作期间下降电压，称为电压V感测，所以如果熔丝电阻R熔丝是已知的则可以使用欧姆定律计算电流I感测。不同于图1中示出的基于分流器的电流感测，跨越熔丝102的电压V感测不允许使用欧姆定律对电流I感测的简单和直接确定。这是因为熔丝102中的熔丝元件展现非线性电阻。即，熔丝元件的电阻R熔丝在不同操作条件中经受改变，且在电阻改变时，检测到的电压V感测将以并不始终与电流改变相关的方式变化。因此，以熔丝102而不是分流器来实施电流感测的挑战是在任何给定时间点确定熔丝电阻R熔丝。
因此提供补偿电路110以尤其在连续的时间周期迭代地检测电压V感测，在每一特定时间点确定电阻R熔丝，且使用欧姆定律和/或在某些操作条件下熔丝元件的电压和电阻、温度和电流之间的预定关系计算电流I感测。随时间过去，可以仅从所检测熔丝电压V感测可靠地确定熔丝电流I感测中改变，且可以实现有效的电流感测而无需例如上文描述的那些常规电流传感器。
补偿电路110因此可以包含控制器112，所述控制器112按周期性间隔测量熔丝元件电压V感测以考虑熔丝电阻R熔丝的变化，确定在每一周期性间隔的熔丝电阻R熔丝，且基于所监视电压V感测和所确定电阻R熔丝而计算电流I感测。虽然控制器112被说明为补偿电路110的部分，但替代地可以在别处提供控制器，包含但不限于例如包含熔丝102的汇流箱中的子计量模块(sub-metering module，SMM)中。即，控制器112无需在所有实施例中自身是补偿电路110的部分，而是可以单独地提供。
在一些实施例中，所检测电压V感测可以任选地输入到在相对于熔丝102的本地或远程位置处的另一任选的控制器114，所述控制器以下文描述的方式计算电流I感测。可以补充或代替控制器112而提供控制器114。然而应理解，所示的控制器112、114的功能性可以在需要时组合成单个控制器。无论如何，控制器112、114中的一者或两者可以如下文所解释有利地在任何给定时间点确定电阻R熔丝，且基于电阻R熔丝的确定，可使用欧姆定律计算电流I感测(即，I感测＝V感测/R熔丝)，同时实现与图1中示出的系统相比相对更小且更经济的电流感测系统。
控制器112和/或114可以各自为基于处理器的控制装置。如本文所使用，术语“基于处理器的”将不仅指代包含处理器或微处理器的控制器装置，而且指代其它等效元件，例如微型计算机、可编程逻辑控制器、精简指令集(RISC)电路、专用集成电路和其它可编程电路、逻辑电路、其等效物，以及能够执行下文描述的功能的任何其它电路或处理器。上文所列的基于处理器的装置仅是示例性的，且因此并不希望以任何方式限制术语“基于处理器的”的定义和/或意义。
代替或补充控制器112，补偿电路110可以包含对基于处理器的装置提供直接或间接电压输入的差分放大器，或者可以在补偿电路110中应用此项技术中已知的另一电压传感器或电压传感器电路以检测电压V感测以用于计算电流I感测。电流计算可以完全或部分地在电路110内进行，或者电路110可以将电压信号供应到另一装置以进行计算或完成电流计算。
在预期实施例中，控制器装置112或114中的一个或两个利用算法来将熔丝元件的非线性响应转换为所计算的电流读数。计算出的电流读数是基于熔丝元件在稳态温度平衡下的理想化性能，如下文进一步解释。此理想化性能可以使用已知的关系用数学方式建模和/或针对电熔丝和熔丝元件的特定类型和配置以实验方式建立和检验。所建模的性能可以用图形绘图和/或数学关系式来表达，这可用以在检测到电压V感测的改变时计算流过熔丝的电流。
具体地说，可以使用例如下文描述的那些熔丝特性的预定算法、模型和关系，基于电压V感测而确定熔丝的电阻(R熔丝)。用于这些模型和关系的唯一识别符或代码可随后借助例如RFID标记或条形码标签而编码到个别熔丝102上或个别熔丝102中。还如下文描述，熔丝读取器可以替代地集成到有时称为基座的熔丝座的外壳或分离开关的外壳中。经由此读取器元件以及计算电流所需要的关系的唯一识别符，提供智能以用于同一读取器元件监视跨越不同类型熔丝的电压降且仍准确计算熔丝中流动的电流。
虽然在利用熔丝102来感测电流的情形中说明所描述的概念，但图2中说明的概念可以替代地应用于除熔丝以外的其它导电元件。例如熔丝、断路器触点、电连接和将串联电阻引入电路的所有其它组件等电路元件的使用可以有效地与伴随的补偿电路操作一起应用。由于用于电流感测的每一电路元件可具有其自身的唯一且个别的变量和性质，因此需要关于电路元件的这些唯一变量和性质进行译码的方案，以用于电阻器电压向所计算电流的恰当且准确的转换。如上文所提及，译码方案可以包含RFID标记和或条形码标记。
本领域的技术人员将了解，所提出的电子电路需要适当的隔离方案以将电力系统100的系统电压隔离于电子器件。一旦确定，便可经由例如光学或无线通信系统将电流数据发射到远程位置，但如果需要则其它类型的通信也是可能的。提供预测和/或诊断能力，其使用电流感测系统的比较低的成本和简单架构增强了对电力分布系统的监督、监视和控制。
如在下文详细描述，预期实施例简单且直接以例如20Hz的预定频率测量跨越熔丝102的电压降V感测，且基于测得电压降和在理想化条件下经由熔丝的所应用关系对熔丝的先前表征而计算造成测得电压降的电流。有利的是，可以相对低成本实现电流感测架构，同时为其中仅需要遥测准确性而不是高精度的某些应用提供足够准确性。
本文中所描述的电流感测技术是以理想化假设为前提，既虽然熔丝元件当连接到被供能的电路时通常展现非线性电阻，但在某些操作条件中熔丝元件的电阻线性地取决于温度。通过集中于这些操作条件，对温度的此线性相依性提供了容易地确定在那些条件下熔丝元件的电阻且继而计算在任何所需时间点的电流I感测的基础。实际上，在熔丝电阻的确定和计算电流后的理想化假设可以或可能不会实现，但是在许多情况下仍可准确计算电流，如下文进一步证明。
考虑众所周知类型的熔丝元件，例如具有一个或多个减少横截面积的弱点或区域的导电金属条带(例如，铜条带)，线性电阻和温度的理想化假设明显可能表现为不适当的。铜具有0.0038的温度系数，且假定电阻实际确实随温度线性地改变，则应用此系数可以预期熔丝元件的电阻跨越60℃温度差改变约23％。然而实际上，在熔丝元件简单地不遵循假设行为的条件中，此假设可带来每℃约0.38％误差。
图3示出了被制造为细长金属条带122的示例性熔丝元件120，所述金属条带具有第一末端124、第二末端126以及具有减少横截面积的弱点128。当从末端124到末端126传导电流时，熔丝元件120的温度是不均匀的。随着接近弱点128而减少横截面积，温度比在末端124、126处具有较大横截面积的区域中更高。此不均匀温度作用涉及弱点128的电阻在设计上不同于在末端124、128处的电阻。不均匀温度作用部分地解释了在至少一些操作条件中为何在熔丝电阻随温度为线性的理想化假设与示出电阻为非线性的实际熔丝性能之间存在误差。但是，本文所描述的电流感测技术采用在熔丝的操作期间跨越熔丝元件的理想化平均均匀温度，但在许多情况下仍允许可靠且准确的电流计算。
应用理想化假设，当电流通过熔丝元件120时，功率以热的形式在熔丝元件120中耗散，以使得熔丝元件120的温度的增加(即，发热)随时间而发生。然而同时，熔丝元件120由其周围环境冷却。当首先经受电流或从初始电平到增加电平的电流改变时，熔丝元件120的温度将增加直到加热和冷却彼此抵消的点且熔丝元件120的平均温度到达恒定值，在本文中被称作温度平衡点。即，当由熔丝元件120的焦耳加热产生的热和每单位时间耗散到周围环境的热确切相同时到达温度平衡点。此温度平衡点对应于条件有时称为热平衡条件。
图4说明示例性熔丝和电流的各种温度平衡点或热平衡条件。在图4中示出的实例中，熔丝温度从在时间0的初始值上升到在后续时间点的大体上恒定值，在本文中被称作平衡电流值。在所示的实例中，对于约20A的第一平衡电流值在约60℃到达第一平衡温度，对于约30A的第二平衡电流值在约80℃到达第二平衡温度，对于约50A的第三平衡电流值在约120℃到达第三平衡温度，且对于约80A的第四平衡电流值在约180℃到达第四平衡温度。
还如图4中所见，分别在不同时间在20A、30A、50A和80A平衡电流中的每一个下获得热平衡条件。较低平衡电流的热平衡条件是在较高平衡电流的热平衡条件之前实现。虽然图4中示出平衡电流和平衡温度的若干实例，但温度和电流的其它值是可能的，且平衡温度将取决于在熔丝中使用的熔丝元件以及具有不同熔丝元件的不同熔丝的结构配置而变化。然而大体来说，本文所描述的概念适用于熔丝元件的任何结构和配置。
对于在操作中的熔丝的恒定环境温度，对于每个电流电平和温度唯一地到达热平衡条件和对应热平衡温度。如从图4的绘图可能了解，平衡温度随着电流而变。任两个系统都不会具有相同的熔丝平衡温度但不同的平衡电流电平。此外，在热平衡条件中，熔丝的电阻(R熔丝)随着温度线性变化。因此，一旦到达热平衡，熔丝元件的平衡电阻也随着电流而变。
在热平衡条件中的平衡电流和平衡电阻的乘积提供熔丝的平衡电压。这对于本发明的电流感测是重要的，因为在任何给定时间点熔丝可以展现的电压、电流、温度和电阻的完整集合中，电压是仅有的可容易测量的参数(图2中的V感测)。假定所感测电压V感测是平衡电压，只要在热平衡条件中熔丝的特性得到谨慎地评估且事先知道，则所关注电流I感测匹配于可容易计算的平衡电流。这在本文称为熔丝的热平衡表征且在接下来阐释。
在热平衡条件中，熔丝元件的电流、温度和电阻可以全部建模为如图5A、5B和5C中所示的电压的函数，其表示示例性熔丝的示例性热平衡表征。基于例如这些热平衡表征绘图，可以始终作为电压的函数而反向计算电流(图2中的I感测)。如图5A中所见，平衡电压和电流是线性的，而在图5B和5C中，电阻和温度的改变不随电压线性变化。热平衡表征功能可以数学方式建模且以实验方式检验，或者可以在不同实施例中针对熔丝元件和/或熔丝的结构配置的每一特定类型而在经验上建立。应认识到，熔丝和熔丝元件的不同结构配置可以导致可能与所示的示例性函数相当不同的电压的唯一电流、温度和电阻函数。
在电流从一个值改变为另一值时，根据作为线性数学函数的欧姆定律，电压随着电流瞬时改变，如图5A中所见。在预期的热平衡表征中，图5A表示平衡电压与平衡电流关系。一旦确定平衡电阻，便可由此绘图容易地计算或确定平衡电流。
如图5B的热平衡表征绘图中所见，在电压从初始值改变为最终值时电阻改变并不像电流那样立即或瞬时改变。如在绘图的左下方所示，在电压改变时电阻改变初始地是缓慢且逐渐的改变，且因此，电阻改变初始地跟随或稍微滞后于电压改变，因为熔丝元件物理上反应于电压改变会花费一些时间。因此即使电压已改变，电阻在短暂时间周期中也根本无法改变，电阻在跟随第一时间周期的第二时间周期中缓慢改变，且电阻随后在电压继续上升时最终较快地上升。因此，在图5B中见到在熔丝元件已经完全且物理上反应于电压从初始值的改变之前和之后对电压改变的多个且相异的电阻响应。在预期的热平衡表征中，图5B表示平衡电压与平衡电阻关系。一旦确定平衡电压，在预期实施例中假设为V感测，便可由此绘图确定平衡电阻。一旦确定平衡电阻，便可以不用图5A中示出的绘图而使用欧姆定律来计算电流，或替代地可以从图5A的绘图直接导出。
如图5C中所见，温度改变初始地也跟随或滞后于电压改变，同样是因为熔丝元件物理上反应于电压的改变会花费一些时间，如绘图的左下方所示。即使电压已改变，温度的改变也首先缓慢改变，且在电压继续上升时最终较快地上升，但在示例性绘图中不是很均匀。在电流从初始值增加时，温度的改变对应于增加的功率耗散。在预期的热平衡表征中，图5C表示平衡电压与平衡温度关系。
图6A、6B、6C和6D说明利用图2中示出的技术以及图5A、5B和5C中示出的热平衡表征关系计算的在使用中的电熔丝的参数的实例。
电压降(V感测)由电路110或控制器114监视，且示出为在某一时间周期中如图6D中所示而变化。假设所感测或监视的电压降V感测表示平衡电压，且可如下使用熔丝的热平衡表征确定所检测的各种电压电平对应于图6A中示出的电流变化。
一旦经由在时间t0感测跨越熔丝的电压V感测而知道假设的平衡电压，便可从图5B中标绘的热平衡表征关系确定或反向计算在时间t0的平衡电阻R熔丝。在时间t0的电流I感测可随后经由欧姆定律进行计算且对应于V感测/R熔丝。替代地，一旦经由在时间t0感测跨越熔丝的电压V感测而知道平衡电压，便可从图5A中标绘的关系反向计算或另外确定在时间t0的平衡电阻R熔丝。因为以预定频率对电压V感测进行取样，所以检测电压的改变且经由在时间t1、t2、t3..tn的后续确定随时间而重复计算电流的对应改变，分别如图6D和6A的绘图中所示，以使得使实时电流改变和数据可用于评估电力系统的操作。
同样，可在时间t1、t2、t3..tn从图6D的所感测平衡电压V感测实时导出图6B中所见的温度绘图，且温度关系可如图5C中所标绘。图6C中所见的电阻绘图也可从图6D的所感测平衡电压和图5B中标绘的关系迭代地导出且实时确定。
由于在预期实例中假设平衡电压始终对应于V感测，则在其中热平衡条件尚未发生的从一个所检测电压电平到另一所检测电压电平的瞬时条件(对应于电流的改变)期间，假定的平衡电阻在每一受影响时间点并不实际匹配于熔丝元件的电阻。这些瞬时条件导致电流I感测的有误差的计算，因为如上文所论述在电流突然改变时实际熔丝电阻将随时间温度缓慢变化。即，至少在一些情况下，基于假设稳定状态的平衡电阻计算将导致在实际尚未到达的热平衡温度下确定电阻，并且因此计算出的电流和实际电流将不对应。但随着接近稳定状态平衡温度，计算出的电流I感测变得越来越准确。
图7A和7B中示出采用平衡电压和电阻的上文描述的算法的性能。图7A示出计算出的电阻130以若干陡峭阶梯的上升，而实际电阻132较为逐渐地上升，但计算出的电阻130和实际电阻132大部分最终收敛于大体上相同的值。图7B示出了算法误差(即，图7A中计算出的电阻130与实际电阻132之间的误差)且示出了错误率相当小。
使用此算法的电流感测方法的准确性主要取决于如上文相对于图5A、5B和5C所解释的熔丝的平衡表征的准确性。
至此如所描述的根据热平衡表征感测电压且计算电流的算法方法将在正计算的电流不经常改变的环境中和/或当不需要经常计算电流时最佳地起作用。在这些环境中，描述的算法电流感测方法有利地使简单无源装置(即，电熔丝)变为用于对电力系统进行监视、监管和故障处理的智能预测和诊断工具。所描述的算法电流感测方法涉及仅需要跨越熔丝元件的电压的测量的简单架构，这可使用简单的低成本差分放大器来完成。所描述的算法电流感测方法由于所需架构的简单而是相当有成本效益的，且需要的硬件的大小可小到足以配合在熔丝座、熔丝块、分离装置或甚至熔丝自身内部，如下文进一步描述。
在电流确实随机地改变且需要更经常计算的电力系统中，可建议比到目前为止描述的方法更复杂的方法。因此，下文描述更复杂的方法，其预期所检测的任何给定电压改变V感测可归于以下三个状态或情境中的一个。利用下文论述的示例性参数，可以在每一状态中使用不同方法和准则来计算电流。
首先，所检测电压改变可归于实际的电流改变。在此情境下，电流的改变造成所检测电压的突然尖峰，如上文相对于图5A所论述。电压改变实际上是瞬时的且也可瞬时地检测。在此改变期间，熔丝电阻保持短暂地相同，因为在少量时间(例如，0.1s)内可能的最大电阻改变是极低的(例如，小于0.01％)。此作用在图5B的绘图中在左下方可见。
此第一状态可以通过感测所检测电压的斜坡率(即，变化率)且将其与预定阈值进行比较而可靠地检测。如果斜坡率大于预定阈值，那么可以假设所检测电压改变可归因于实际的电流改变。当检测到此状态时可以进一步假设恒定的熔丝电阻，且可以基于瞬态电压除以恰在电压尖峰之前确定的平衡电阻值而计算电流。
第二，所检测电压改变可归于在电流保持恒定或不变时熔丝的电阻的改变。不同于上文描述的第一状态或情形，此第二情形或状态预期其中熔丝电阻可变的非热平衡条件。此状态通常恰在如上文相对于第一情形所描述其中电流已经改变且所检测电压出现尖峰的第一状态之后发生。在此第二状态中，所检测电压以取决于预定熔丝时间常数τ的最大斜坡率缓慢改变，所述时间常数与其中温度根据逆指数关系随时间增加的一段时间相关。熔丝元件的电阻展现根据逆指数关系和同一时间常数的相似改变。因此，在其中电流恒定的此状态下，所检测电压作为逆指数而增加(由实验室测试论证的假设)。随电压而变的电阻改变可以基于实验而建模，且时间常数τ对于所关注的每一熔丝或整个一系列熔丝可以是预定的。
在第二状态中，熔丝电阻必定在两个值之间移动，即对应于恰在突然的电流变化发生之前的平衡电阻的R1，以及对应于在新电流电平下的平衡电阻的R2。在所述两个水平的R1与R2之间，熔丝电阻将遵循由熔丝时间常数决定的逆指数曲线。熔丝时间常数τ可以建模为熔丝的热平衡表征的部分，且基于此表征，可以随时间而变确定变化的电阻。可以将所检测的瞬态电压除以此连续改变的电阻以根据欧姆定律找出流动通过熔丝的电流的瞬时值。
此第三状态或情形对应于熔丝温度再次到达热平衡的状态。如果电流在大于五个时间常数τ的时期中未遇到任何高斜坡率事件，那么可以假设第三状态。此第三状态对应于上文描述的平衡状态，且充当误差校正机制以使得在熔丝的长期活动期间误差不会积累。
如果所检测电压改变的斜坡率比预定阈值慢，那么可假设熔丝保持于热平衡且因此可计算电流。
图8A和8B说明上文所论述的三级方法的性能。对于一系列阶梯变化，按所述三级方法计算出的电流极密切地遵循实际电流。图8B是图8A的一部分的放大绘图。计算电流与实际电流之间小于1％的误差视为电流到达其新电平，而随时间过去，在到达新热平衡电平时所述误差变成几乎为零。
图9是说明与上文描述的电流感测技术、系统和电路相关联的示例性过程200的方法流程图。
如图9中所示，所述方法包含在步骤202提供用于电流感测的正受监视的熔丝的热平衡表征。上文在预期实施例中相对于图5A、5B和5C描述了可以对应于热平衡表征的随电压而变的电流、电阻和温度的示例性关系。然而，本文所描述的实例仅是为了说明而非限制的目的提供的实例。除了描述的那些关系之外的热平衡表征的其它关系可以在本发明的进一步和/或替代实施例中与除本文具体描述的电路之外的电路一起使用。提供热平衡表征的步骤202可以包含建模、仿真、分析、在经验上确定和/或测试以确认在热平衡下表征熔丝的关系的相关联步骤。替代地，提供热平衡表征的步骤202可以包含从例如熔丝制造商等另一方获得热平衡表征且使所述热平衡表征可供使用。提供热平衡表征的步骤202还可以包含将数据加载到例如上文所论述的控制器112、114中的一个等基于处理器的装置的存储器中，或另外允许处理器装置存取热平衡表征数据以用于如所描述计算电流。对数据的存取可以例如经由局域网、经由因特网连接、或经由允许装置彼此交换必要信息的无线通信系统而提供。
所述方法包含在步骤204提供用于电流感测的正受监视的熔丝的非热平衡表征。非热平衡表征包含建立上文所论述的预定斜坡率阈值、熔丝时间常数τ以及基于时间的电阻关系。提供非热平衡表征的步骤204可以包含建模、仿真、分析、在经验上确定和/或测试以确认在非热平衡下表征熔丝的关系的相关联步骤。替代地，提供非热平衡表征的步骤204可以包含从例如熔丝制造商等另一方获得非热平衡表征且使所述热平衡表征可供使用。提供非热平衡表征的步骤204还可以包含将数据加载到例如上文所论述的控制器112、114中的一个等基于处理器的装置的存储器中，或另外允许处理器装置存取热平衡表征数据以用于如所描述计算电流。对数据的存取可以例如经由局域网、经由因特网连接、或经由允许装置彼此交换必要信息的无线通信系统而提供。
可以针对任何数目的不同类型熔丝重复步骤202、204，且可以创建包含为了电流感测目的而将监视的每一熔丝的唯一地识别的热平衡表征和非热平衡表征的数据库。多个热平衡表征关系和非热平衡表征关系预期分别与用以实施熔丝元件电阻的测量和计算的不同类型熔丝和不同类型电路一起的特定使用。因此，在步骤205，可以针对将以电流感测系统监视的特定熔丝选择适用的表征。恰当的选择可以经由例如熔丝上的编码标签或另一合适的识别符来进行辅助，以匹配特定熔丝与其适用的表征以使得可以正确地进行计算。如下文进一步描述，在步骤205的选择可以包含以电子读取器元件读取标签以获得用于熔丝的识别信息，以促进匹配熔丝与恰当的表征以使得可进行正确的计算。
在步骤206，控制器112或114或者与控制器通信的电压传感器元件连接到包含如图2所示的熔丝102的电路。一旦连接，便可以预定时间间隔测量或检测跨越熔丝的电压。在步骤206的所检测电压在步骤208从电路输出且输入到控制器112或114。在步骤210，在步骤208获得的电压由控制器112或114监视是否有任何变化。
如果在步骤210控制器112或114确定所检测电压不变，那么假设熔丝在热平衡下操作。使用在步骤202提供的热平衡表征，在步骤210计算平衡温度，在步骤214计算平衡电阻，且在步骤216计算平衡电流。可通过上文描述的任何基于处理器的装置且在各种位置进行所述计算。如上文所描述，鉴于作为电压的函数的所表征平衡温度、平衡电阻和平衡电流而进行这些计算中的每一个计算。由于所检测电压是已知的且假设为平衡电压，因此可以从所表征关系反向计算温度、电阻和电流值。一旦在步骤212、214、216计算出值，所述过程便以迭代方式重复以在预定时间间隔在步骤206再次测量电压。任选地，在步骤218，将计算出的温度、电阻和电流值传送到在相同或不同位置的另一装置。
如果在步骤210控制器112或114确定所检测电压已改变，那么在步骤220控制器112或114确定所检测电压是否为突变的。此确定是通过如上文所描述将所检测电压的变化率与预定斜坡率阈值进行比较而做出。
如果所检测电压的变化率等于或超过预定斜坡率阈值，那么在步骤220将电压范围视为突变的。一旦做出突然电压改变的确定，那么在步骤222假定熔丝的电阻不变，且在步骤224使用来自步骤216的最后所确定的平衡电阻进行电流计算。一旦做出电流计算，过程便重复而再次在步骤206测量电压。任选地，在步骤218将计算出的温度、电阻和电流值传送到在相同或不同位置的另一装置。
如果所检测电压的变化率小于预定斜坡率阈值，那么在步骤220不将其视为突变的。一旦做出此确定，那么假设熔丝在具有变化的电阻的非热平衡状态中操作。使用在步骤204提供的非热平衡表征，在步骤226使用逆指数温度关系和时间常数τ计算温度，在步骤228使用逆指数电阻关系和时间常数τ计算电阻，且在步骤230使用计算出的电阻计算电流。所述计算可通过上文描述的任何基于处理器的装置且在各种位置做出。一旦在步骤226、228、230计算出值，过程便重复而再次在步骤206测量电压。任选地，在步骤218将计算出的温度、电阻和电流值传送到在相同或不同位置的另一装置。
控制器112或114因此可以基于由在步骤210和220表示的确定的结果表示的在三个不同且相异模式中跨越熔丝得到的感测电压值而智能地计算电流值。然而应认识到，在一些实施例中，取决于电力系统中经历的电流条件，可能仅满足所表示模式中的一个。举例来说且如上所述，步骤212、214和216可以针对一些电力系统提供令人满意的结果，且因此可以是所提供的仅有计算步骤。然而，所描述实例的变化以及作为本文公开的概念的扩展的替代实施例是可能的。
如在步骤240所示，所检测电压数据也可以保存在数据日志240中以创建随时间的所检测电压的历史。此数据可用以重新计算适用的温度、电阻和电流值以用于研究和分析。这提供一些智能以在诊断上评估电力系统的性能且对系统进行故障检修，以及对熔丝制造商和其它有利害关系的各方提供宝贵的数据以评估在使用中的熔丝的性能。如在步骤242指示，这些数据可以有助于以预测方式指示在电力系统中仍有待实现的问题。
按上文的说明在功能上描述关系、算法和计算后，本领域的技术人员可以经由控制器或其它基于处理器的装置的编程相应地实施所述关系、算法和计算。描述的概念的这些编程或实施被认为在本领域的技术人员的知识内且将不进一步描述。
现将在被认为有利于可熔组件和系统的更特定实施例中描述采用上文描述的概念和算法的示例性电流感测系统。
图10示意性地表示根据本发明的实施例的第一示例性电流感测系统250。系统250包含熔丝102，其在熔丝外壳252内包含熔丝元件120和与熔丝元件120并联连接的电路110。熔丝外壳252具备熔丝端子T1和T2以用于与线侧电路104和负载侧电路106建立电连接。
熔丝元件120可以按所需的任何结构形状和配置提供，且可以被设计成响应于所需的任何过电流状况而断开。外壳252也可以按所需的任何形状提供，包含但不一定限于圆的圆柱形形状和矩形形状，且可以填充有灭弧介质。熔丝端子T1和T2可以是任何已知的熔丝端子形状和配置，包含但不一定限于端盖或套管、刀片触点或端子刀片。在一些预期实施例中，熔丝102可以被配置为密苏里州圣路易斯市的Bussmann by Eaton的
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模块化熔丝，其具有矩形外壳和从矩形外壳的共同侧突出的端子刀片。无论如何，且如图10中所示，补偿电路110嵌入于熔丝构造中。即，电路110(包含控制器112以及可能例如上文描述的那些其它电子器件)在熔丝外壳252内部且因此内建于熔丝102。
读取器装置254展示为系统250中单独提供的装置。读取器装置254在一些实施例中可以是便携式装置，或者在其它实施例中可以固定安装。在一些实施例中，读取器装置254可以是手持式装置。读取器装置254可以是基于处理器的装置，且可以与电路110无线地通信以接收以上文所描述的方式分析或计算正感测的电流所需要的感测电压信息或其它数据。虽然电路110与读取器装置254之间的无线通信在较大电力系统100中是有益的，但是并非在所有情况下都是严格必要的，且读取器装置254可以改为在需要时经由熔丝102中的连接端口和端子硬连线到电路110。
在预期实施例中读取器装置254可以被配置为RFID读取器或询问器装置。在此类实施例中，一旦从电路110中的对应RFID元件获得信息，读取器装置254便可计算所关注的电流，或在其中在嵌入于熔丝102中的电子器件内计算电流的实施例中，计算出的电流可简单地传送到读取器装置254。
如先前所提及，熔丝102可以在熔丝102的外壳252上具有RFID标签或条形码标签256。标签256可以包含将传送到读取器装置254的经编码信息。读取器装置254可以因此是包含与熔丝的元件通信的多个构件的多功能装置。RFID标签或条形码标签可以包含熔丝102的识别信息、熔丝102的额定值信息，以及促进所感测电流的计算的编码信息。因此，通过读取熔丝外壳上的标签或条形码，读取器装置254可知道使用多个预定平衡和非平衡表征中的哪一个来计算电流，且读取器装置还可以获得熔丝102的可能唯一的任何系数以用于进行计算。在此情形中，读取器装置254是可区分不同类型的熔丝且选择多种预定表征中的一种来从所检测电压计算感测电流的智能装置。
一旦获得，由读取器装置254获得的包含计算出的电流的信息便可经由任何所需通信网络进一步传送到远程装置258。远程装置258可以促进对电力系统100和任何相关过程的监视和监督。远程装置258可以例如是如本领域的技术人员可了解的监视工业设施和过程的方面的监控与数据采集(SCADA)系统的部分。
应了解在一些实施例中，如果需要则实际可以由在远程位置的远程装置258计算所感测的电流，读取器装置254仅供应进行计算所需要的信息。读取器装置254中的不同程度的复杂度和复杂性可以在以不同成本提出的系统250中提供。
图11示意性地表示根据本发明的另一实施例的第二示例性电流感测系统260。系统260包含熔丝座或熔丝块262，其包含外壳264，所述外壳具备端子T1H和T2H，所述端子分别被配置成在结构上建立到线侧和负载侧电路104、106的电连接。熔丝102的端子T1F和T2F被配置成在结构上与熔丝座或熔丝块262的端子T1H和T2H配对，以使得通过熔丝元件120建立线侧与负载侧电路之间的电连接。
不同于系统250(图10)，在系统260中电路110不提供于熔丝的外壳252中，而是提供于熔丝座或熔丝块262的外壳264上或中。因此，电路110在此实施例中嵌入于熔丝块262中而不是熔丝102中。然而，电路110的操作仍是相同的，且标签256和读取器254也可以如上文所描述具备相似作用。
在其中电路110如上文所描述在系统250中嵌入于熔丝102中的替代实施例中，读取器254可以嵌入于熔丝块或外壳262中。
熔丝座或熔丝块外壳264可以具有多组端子T1H和T2H，以使得多组熔丝102可容纳于熔丝外壳或熔丝块262中。外壳264可以单个零件或多个零件来提供，且可以可彼此附接的模块化零件来提供。外壳264可以被配置为断开式熔丝块，或者可以按需要部分或完全封闭熔丝102。
提供于外壳264上的端子T1H和T2H可以包含回弹性弹簧夹片，所述夹片在结构上被配置成接纳且保持熔丝102的端子T1F和T2F。熔丝端子T1F和T2F可以任何形状和结构配置提供，包含但不一定限于端盖或套管、刀片触点或端子刀片。熔丝座或熔丝块外壳264上的端子T1H和T2H因此可以变化以与熔丝102的端子T1F和T2F配对。熔丝排斥特征可以内建于熔丝102的端子T1F和T2F和/或可以并入外壳264中以防止不兼容熔丝的安装。
提供于外壳264上的端子T1H和T2H还包含端子特征，例如盒凸耳、弹簧夹具或者被配置成接受且保持用于建立与熔丝块或外壳262的线和负载侧电连接的导线的一端的其它端子。替代地，可以提供面板安装夹片及类似物，以及用以建立与线和负载侧电路104、106的机械和电连接的另一端子结构。
图12示意性地表示根据本发明的实施例的第三示例性电流感测系统270。系统270包含可熔性分离开关装置272，其包含具备端子T1L和T2L的外壳或基座274，所述端子分别被配置成在结构上建立与线侧和负载侧电路104、106的电连接。开关276提供于外壳或基座274中，所述开关可以选择性断开或闭合以形成或打断通过分离开关装置272的电流路径，且当安装熔丝102且开关276闭合时，熔丝102的熔丝元件120完成线侧与负载侧电路104、106之间的电连接。基座274在一些实施例中可以被配置为密苏里州圣路易斯市的Bussmannby Eaton的紧凑型电路保护器(CCP)。如图12的示意图中可见，分离开关装置272不包含直列式断路器且因此比常规直列式断路器和熔丝组合小。
熔丝102的端子T1F和T2F被配置成在结构上与基座274的互补端子配对，以使得可以通过熔丝元件120建立电连接。基座274的互补端子可以包含回弹性弹簧夹片，所述夹片在结构上被配置成接纳且保持熔丝102的端子T1F和T2F。熔丝端子T1F和T2F可以任何形状和结构配置来提供，包含但不一定限于端盖或套管、刀片触点或端子刀片。熔丝座或熔丝块外壳上的互补端子因此可以变化以与熔丝102的端子T1F和T2F配对。熔丝排斥特征可以内建于熔丝102的端子T1F和T2F和/或可以并入外壳274中以防止不兼容熔丝的安装。当安装熔丝102时，开关276可以操作以连接或断开通过熔丝元件120以及线侧与负载侧电路104、106之间的电连接。因此，在熔丝102保持在适当的位置时开关276提供通过装置272的电路路径的连接和断开。
在图12中示出的实施例中，电路110不提供于熔丝102的外壳152中，而是提供于开关分离装置272的基座274上或中。因此，电路110在此实施例中嵌入于基座274中而不是熔丝102中。然而，电路110的操作仍然相同，且标签256和读取器254也可以如上文所描述具有相似作用。
在其中电路110如上文所描述在系统250中嵌入于熔丝102中的替代实施例中，读取器144可以嵌入于基座274中。
基座274可以具有多组端子以使得可容纳多组熔丝102。基座274可以单个零件或多个零件来提供，且可以可彼此附接的模块化零件来提供。基座274可以按需要部分完全封闭熔丝102。
提供于基座274上的端子T1L和T2L还包含端子特征，例如盒凸耳、弹簧夹具或者被配置成接受且保持用于建立与分离开关装置272的线侧和负载侧电连接的导线的一端的其它端子。替代地，可以提供面板安装夹片及类似物以及用于建立与线和负载电路104、106的机械和电连接的另一端子结构。
鉴于系统250、260和270，可以灵活地实施电流感测系统的小尺寸和简单架构，以用经济的方式根据热平衡和非热平衡表征来有利地感测跨越熔丝的电压且计算电流。可避免更昂贵且更庞大的电流感测解决方案，包含但不限于如图1所示的电阻式分流器，以有利于经由如所描述的熔丝的更紧凑且经济的电流感测。
本发明的优点和益处现在被认为已经相对于所公开的示例性实施例进行充分说明。
已公开电流感测系统的实施例，包含：导体，其当连接到电力系统时具有非线性电阻；以及处理器，其接收跨越所述导体感测的电压且可操作以至少基于所感测电压的第一所检测状态和所述导体的热平衡表征而迭代地计算流动通过所述导体的电流。
任选地，所述导体可以是熔丝元件。熔丝元件可以包含于熔丝外壳中，且处理器也可以包含于熔丝外壳中。替代地，所述系统可以包含熔丝座，且处理器可以提供于熔丝座上。如再另一替代方案，所述系统可以包含分离开关，且处理器可以提供于分离开关上。
所述系统可以进一步包含被配置成与处理器通信的读取器装置。所述系统可以包含与所述导体相关联的标签，且读取器装置可以被配置成读取标签且利用来自标签的信息计算流动通过导体的电流。
所述处理器可以进一步可操作以至少基于所感测电压的第二所检测状态和导体的非热平衡表征而计算流动通过导体的电流。所述处理器可以被配置成比较所感测电压的所检测状态的变化率与预定斜坡率阈值。如果所感测电压的所检测状态的变化率低于预定斜坡率阈值，那么处理器可以可操作以基于电阻和时间的逆指数关系而计算电流。如果所感测电压的所检测状态的变化率高于预定斜坡率阈值，那么处理器可以可操作以基于导体的最后先前计算电阻而计算电流。
还公开电流感测系统的实施例，包含：电熔丝，其包含外壳、第一和第二端子元件以及当连接到电力系统时具有非线性电阻的熔丝元件；以及处理器，其接收跨越所述熔丝元件感测的电压，其中所述处理器可操作以取决于跨越熔丝元件感测的电压的第一所检测状态和第二所检测状态中的至少一个而以不同方式迭代地计算流动通过熔丝元件的电流；其中在跨越熔丝元件感测的电压的第一所检测状态中，基于跨越熔丝元件感测的电压和熔丝元件的热平衡表征而计算电流；并且其中在跨越熔丝元件感测的电压的第二所检测状态中，基于跨越熔丝元件感测的电压和熔丝元件的非热平衡表征而计算电流。
任选地，所述处理器可以包含于熔丝外壳中。所述系统可以包含熔丝座，且处理器可以替代地提供于熔丝座上。所述系统可以替代地包含分离开关，且所述处理器可以提供于分离开关上。所述电熔丝可以包含条形码和RFID标记中的至少一个，且所述系统可以包含读取器装置，所述读取器装置被配置成与条形码和RFID标记中的所述至少一个通信以获得用以进行电流计算的信息。标签可以与电熔丝相关联，且读取器装置可以被配置成读取所述标签且利用来自标签的信息以确定适用的热平衡表征和非热平衡表征。
已公开电力系统中感测电流的方法。所述方法包含：提供当连接到电力系统时具有非线性电阻的导体；感测跨越所述导体的电压；以及至少基于所感测电压的第一所检测状态和所述导体的热平衡表征而计算流动通过所述导体的电流。
所述方法可以任选地包含，提供当连接到电力系统时具有非线性电阻的导体包括提供包含熔丝元件的电熔丝。所述熔丝可以包含熔丝外壳，且感测跨越导体的电压可以包含在熔丝外壳内部的位置感测跨越熔丝元件的电压。
本书面说明使用实例来公开本发明，包含最佳模式，且还使本领域的技术人员能够实践本发明，包含制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，并且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有与所附权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么这种其它实例希望在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种电流感测系统，包括：
导体，其当连接到电力系统时具有非线性电阻；以及
处理器，其接收跨越所述导体感测的电压，且可操作以至少基于所述感测电压的第一所检测状态和所述导体的热平衡表征而迭代地计算流动通过所述导体的电流。
2.根据权利要求1所述的电流感测系统，其中所述导体是熔丝元件。
3.根据权利要求2所述的电流感测系统，其中所述熔丝元件包含于熔丝外壳中，且所述处理器也包含于所述熔丝外壳中。
4.根据权利要求2所述的电流感测系统，进一步包括熔丝座，且所述处理器提供于所述熔丝座上。
5.根据权利要求2所述的电流感测系统，进一步包括分离开关，且所述处理器提供于所述分离开关上。
6.根据权利要求1所述的电流感测系统，进一步包括被配置成与所述处理器通信的读取器装置。
7.根据权利要求6所述的电流感测系统，进一步包括与所述导体相关联的标签，所述读取器装置被配置成读取所述标签且利用来自所述标签的信息以计算流动通过所述导体的所述电流。
8.根据权利要求1所述的电流感测系统，其中所述处理器进一步可操作以至少基于所述感测电压的第二所检测状态和所述导体的非热平衡表征而计算流动通过所述导体的电流。
9.根据权利要求8所述的电流感测系统，其中所述处理器被配置成比较所述感测电压的第二所检测状态的变化率与预定斜坡率阈值。
10.根据权利要求9所述的电流感测系统，其中如果所述感测电压的所述第二所检测状态的所述变化率低于所述预定斜坡率阈值，那么所述处理器可操作以基于电阻和时间的逆指数关系而计算所述电流。
11.根据权利要求9所述的电流感测系统，其中如果所述感测电压的所述第二所检测状态的所述变化率高于所述预定斜坡率阈值，那么所述处理器可操作以基于所述导体的最后先前计算电阻而计算所述电流。
12.一种电流感测系统，包括：
电熔丝，其包含外壳、第一和第二端子元件，以及当连接到电力系统时具有非线性电阻的熔丝元件；以及
处理器，其接收跨越所述熔丝元件感测的电压，其中所述处理器可操作以取决于跨越所述熔丝元件感测的电压的第一所检测状态和第二所检测状态中的至少一个而以不同方式迭代地计算流动通过所述熔丝元件的电流；
其中在跨越所述熔丝元件感测的所述电压的所述第一所检测状态中，基于跨越所述熔丝元件感测的所述电压和所述熔丝元件的热平衡表征而计算所述电流；且
其中在跨越所述熔丝元件感测的所述电压的所述第二所检测状态中，基于跨越所述熔丝元件感测的所述电压和所述熔丝元件的非热平衡表征而计算所述电流。
13.根据权利要求12所述的电流感测系统，其中所述处理器包含于所述熔丝外壳中。
14.根据权利要求12所述的电流感测系统，进一步包括熔丝座，且所述处理器提供于所述熔丝座上。
15.根据权利要求12所述的电流感测系统，进一步包括分离开关，且所述处理器提供于所述分离开关上。
16.根据权利要求12所述的电流感测系统，所述电熔丝包含条形码和RFID标记中的至少一个，所述系统进一步包括读取器装置，所述读取器装置被配置成与所述条形码和所述RFID标记中的所述至少一个通信以获得用以进行所述电流计算的信息。
17.根据权利要求16所述的电流感测系统，进一步包括与所述电熔丝相关联的标签，所述读取器装置被配置成读取所述标签且利用来自所述标签的信息以确定适用的所述热平衡表征和非热平衡表征。
18.一种在电力系统中感测电流的方法，所述方法包括：
提供当连接到电力系统时具有非线性电阻的导体；
感测跨越所述导体的电压；以及
至少基于所述感测电压的第一所检测状态和所述导体的热平衡表征而计算流动通过所述导体的电流。
19.根据权利要求18所述的方法，其中提供当连接到电力系统时具有非线性电阻的所述导体包括提供包含熔丝元件的电熔丝。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述熔丝包含熔丝外壳，且其中感测跨越所述导体的电压包括在所述熔丝外壳内部的位置感测跨越所述熔丝元件的所述电压。
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