CN110391112A - 具有物理打开式触点结构和故障安全保护的电子断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种断路器，该断路器包括多个主触点，这些主触点可在闭合和打开位置之间活动，使得接线端和负载端分别电气通信或电隔离。跳闸线圈连接至这些触点，响应于跳闸电流导致这些触点从闭合位置移动至打开位置，从而使断路器跳闸。提供常闭继电器，常闭继电器具有继电器激活电路和开关电路，开关电路电连接至跳闸线圈。监控电路电连接至继电器激活电路，只要作出断路器在可接受的参数范围之内操作的判定，监控电路将激活电力供应至继电器激活电路；并且一旦作出断路器不在可接受的参数范围之内操作的判定，监控电路停止将激活电力供应至继电器激活电力，从而使断路器跳闸。

Description

具有物理打开式触点结构和故障安全保护的电子断路器

技术领域

本发明涉及一种电子控制的断路器，该断路器包括机械触点机构，同时最大限度地提高断路器的故障安全等级以确保能够提供需要的电路保护。

背景技术

传统交流电(AC)断路器采用多种机电装置以提供保护来防止电流过载和冲击。类似地，交流电(AC)断路器采用电子电路，以检测断路器，并在检测到接地故障和/或电弧故障时，使断路器跳闸，该断路器通常还包括机电装置以提供保护来防止电流过载和冲击。在这些断路器中，电子器件通常并不提供断路器对电流过载或冲击的监控或防护性控制。因此，如果防护接地故障和/或电弧故障的电子电路系统失效，断路器将仍保持对过载电流和过大的冲击电流的保护。

理想化地，这样的断路器还将能够使用单独使用的电子电路系统或与接地故障和/或电弧故障保护相结合的电子电路系统，以监控电流过载和冲击电流，由此在过载电流或冲击电流过大时使断路器跳闸。其中的电子器件将能够被严格地编程，以提供精确的保护来防止过载电流和冲击电流。仅使用电子电路系统来提供断路器的防护性能的问题在于，如果电子电路系统失效，断路器在过载期间可能会保持在“接通”(连接)状态，从而导致危险的、不可接受的情况。

采用热双金属构造或液压磁性的构造来提供对电流过载和冲击的保护的机电断路器并不能完全防止故障，而是设计成尽可能是防故障的。因此，电子控制断路器的任何设计都需要与传统的机电断路器设计中固有的防故障结构类似的结构。

在使用任何完全依靠固态微处理器控制的电子器件来提供保护，而无需在跳闸(即，切断)状态期间使物理触点打开的AC电子断路器时，安全性就成为一个主要因素。而且，现有的仅使用固态微处理器控制的电子器件来切换高压AC电源的电路保护技术导致高成本和显著的散热问题。最实用和安全的方法为将基于微处理器的电子器件与机械触点机构相结合，其中电子器件用来监控所需的电路保护参数，机械触点机构会在打开(即，切断)位置提供物理触点间隙。

已经尝试提供AC电子断路器，该断路器完全依赖于固态微处理器控制的电子器件以在除了防护接地故障和/或电弧故障之外，提供对电流过载和冲击电流的防护。然而，这些尝试没有任何一个使得断路器设计能够提供与传统的机电断路器设计中固有的防故障结构类似的结构。

例如，Engel等人的美国第4,331,999号专利和Wilson等人的美国第4,338,647号专利公开了一种具有数字控制单元(154)的电路断流器，该数字控制单元能够响应于不同的感应状况导致脱扣线圈(22)脱扣。然而，这两篇参考文献讨论的都是使用开关场效应晶体管(192)以响应来自数字控制单元(154)的信号来控制流过脱扣线圈(22)的电流。因此，在数字控制单元(154)和/或晶体管(192)内部失效的情况下，晶体管(192)可能会阻断在非导电状态，从而致使脱扣线圈(22)不起作用，导致潜在的危险情况。

因此，在工业中仍存在一种未被满足的需求，即一种包含机械触点机构、同时最大限度地提高断路器的故障安全水平以确保能够提供需要的电路保护能力的电子控制断路器。

发明内容

概括而言，本发明提供了一种电子可编程的AC断路器，该断路器具有保护配置，以在电子监控电路失效时使得断路器不可操作。电子断路器采用电磁继电器或固态继电器电路，如果电子保护电路或继电器本身失效，该继电器电路的配置将导致断路器不可操作。

该断路器采用简单、低成本的磁性线圈螺线管装置以激活断路器的跳闸功能，并且包含用所需的断路器跳闸参数编程的电子控制电路，以包括过载跳闸额定值以及冲击电流延时(如果提供的话)。根据需要，电子控制电路可以包括额外的保护功能，例如接地故障和/或电弧故障防护。

断路器包括常闭继电器，断路器的跳闸线圈连接至继电器的常闭(即，接通)开关电路的输出端。供电给断路器的电源连接至断路器的主输出电路，并且还连接至断路器内部的开关，随着断路器被致动，该开关将转至其闭合(即，接通)状态以向电子控制电路供电。该内部开关在断路器的主输出电路切换至闭合(即，接通)状态之前先被驱动至闭合(即，接通)状态，由此电子保护电路在断路器向其连接的负载供电之前被致动。

当需要物理触点间隙时，出于安全和/或发热的考虑，这种电子断路器的设计也适用于直流电(DC)电路保护应用。

根据本发明的断路器的一个具体的示例性实施例包括一对相对彼此在闭合位置和打开位置之间活动的主触点，在闭合位置，接线端和负载端通过主电源电路彼此电连接，在打开位置，接线端和负载端彼此电隔离。跳闸线圈连接至这对主触点的至少一个触点，跳闸线圈导致这对柱触点响应于跳闸电流从闭合位置移动至断开位置，从而使断路器跳闸。断路器还包括常闭继电器，该继电器具有继电器激活电路和开关电路，开关电路默认为接通状态，然而当激活电力被供应至激活电路或线圈时，开关电路切换至断开状态，当中断供应至继电器激活电路的激活电力时，开关电路自动切换回接通状态。

常闭继电器的开关电路电连接至跳闸线圈，从而当开关电路处于接通状态时常闭继电器的开关电路将跳闸电流提供至跳闸线圈，从而使断路器跳闸，然而当开关电路处于断开状态时开关电路停止将跳闸电流提供至跳闸线圈，从而允许接线端和负载端彼此电连接。监控电路点连接至常闭继电器的继电器激活电路，只要作出断路器在可接受的参数范围之内操作的判定，监控电路将激活电力供应至继电器激活电路，并且一旦作出断路器不再可接受的参数范围之内操作的判定，监控电路停止将激活电力供应至继电器激活电力，从而使断路器跳闸。

在一些实施例中，一旦检测到如下情况中的至少一者，作出断路器不在可接受的参数范围之内操作的判定：高于阈值水平的冲击电流和高于阈值水平的过载电路。在这些特定的实施例中，一旦检测到如下情况中的至少一者，作出断路器不在可接受的参数范围之内操作的判定：接地故障情况和电弧故障情况。

在一些实施例中，监控电路还与跳闸线圈直接电连接，并且监控电路响应于过载电流和/或故障情况使跳闸线圈跳闸。在一些实施例中，在主电源电路中电布置传感器并且监控电路与该传感器电连接。

在一些实施例中，常闭继电器包括固态常闭继电器并且继电器激活电路包括固态激活电路。在其他实施例中，常闭继电器包括电磁常闭继电器并且继电器激活电路包括激活线圈。

在一些实施例中，监控电路直接接收来自供电干线的电力，该供电干线将电力供应至接线端，从而当电力被供应至接线端时，监控电路通电，并且当所述监控电路适当的操作时，激活电流被供应至继电器激活电路。

在一些实施例中，断路器进一步包括内部开关，该内部开关选择性地将电力供应至监控电路，该内部开关在两个主触点闭合之前切换至接通状态，从而使得监控电路将激活电力供应至常闭继电器的继电器激活电路。在这些特定的实施例中，内部开关还选择性地将电力供应至常闭继电器的开关电路。

在这些特定的实施例中，常闭继电器的开关电路在这对主触点的下游接收来自主电源电路的电力。在这些特定的实施例中，断路器进一步包括浪涌电压保护器，该浪涌电压保护器电连接在这对主触点和常闭继电器的开关电路之间。在其他实施例中，断路器进一步包括跳闸电路开关，该开关电连接在这对主触点和常闭继电器的开关电路之间。

在这些特定的实施例中，在断路器从断开状态切换至接通状态期间，内部开关切换至接通状态，从而使得监控电路将激活电力供应至常闭继电器的继电器激活电路，随后，跳闸电路开关切换至接通状态以将电力供应至常闭继电器的开关电路，并且随后，这对主触点移动至其闭合位置。

在一些实施例中，这对主触点通过触点臂的移动在主触点的打开和闭合位置之间活动，并且调整电路开关包括接触触点臂的板簧触点并且因此在触点臂闭合这对主触点之前将电力提供至跳闸电路，从而确保提供至跳闸线圈的跳闸电流为瞬时的，这是由于随着断路器跳闸，跳闸电流立即终止。在这些特定的实施例中，板簧触点包括双板簧触点，并且双板簧触点进一步充当内部开关。

根据本发明的另一个具体的示例性实施例，断路器包括一对相对彼此在闭合位置和打开位置之间互动的主触点，在闭合位置，接线端和负载端通过主电源电路彼此电连接，并且在打开位置，接线端和负载端彼此电隔离。跳闸线圈连接至这对主触点的至少一个触点，跳闸线圈响应于跳闸电流导致这对主触点从闭合位置移动至打开位置，从而使断路器跳闸。断路器还包括常闭继电器，常闭继电器具有继电器激活电路和开关电路。

常闭继电器的开关电路电连接至跳闸线圈并且常闭继电器的开关电路在这对主触点的下游接收来自主电源电路的电力。监控电路电连接至常闭继电器的继电器激活电路，只要作出断路器在可接受的参数范围之内操作的判定，监控电路将激活电力供应至继电器激活电路，并且一旦作出断路器不在可接受的参数范围之内操作的判定，监控电路停止将激活电力供应至继电器激活电路，从而使断路器跳闸。

跳闸电路开关电连接在这对主触点和常闭继电器的开关电路之间。这对主触点通过触点臂的移动在主触点的打开和闭合位置之间活动，并且跳闸电路开关包括接触触点臂的板簧触点，并且因此在触点臂闭合这对主触点之前将电力提供至跳闸电路，从而确保提供至跳闸线圈的跳闸电流为瞬时的，这是由于随着断路器跳闸，跳闸电流立即终止。

根据本发明的另一个具体的示例性实施例，断路器包括一对相对彼此在闭合位置和打开位置之间活动的主触点，在闭合位置，接线端和负载端通过主电源电路彼此电连接，在打开位置，接线端和负载端彼此电隔离。跳闸线圈连接至这对主触点的至少一个触点，跳闸线圈响应于跳闸电流导致这对主触点从闭合位置移动至打开位置，从而使断路器跳闸。

常闭继电器具有继电器激活电路和开关电路，开关电路默认为接通状态，然而当激活电力被供应至继电器激活电路时，开关电路切换至断开状态，当供应至继电器激活电路的激活电力中断时，开关电路自动返回接通状态。

常闭继电器的开关电路的输入端在这对主触点的下游接收来自主电源电路的电力，并且常闭继电器的开关电路的输出端电连接至跳闸线圈，从而当开关电路处于接通状态时常闭继电器的开关电路将跳闸电流提供至跳闸线圈，从而使断路器跳闸，然而，当开关电路处于断开状态时，开关电路停止将跳闸电流提供至跳闸线圈，从而使得接线端和负载端彼此电连接。

监控电路在这对主触点的下游接收来自主电源电路的电力，并且监控电路电连接至常闭继电器的继电器激活电路，只要作出断路器在可接受的参数范围之内操作的判定，监控电路将激活电力供应至继电器激活电路，并且一旦作出断路器不在可接受的参数范围之内操作的判定，监控电路停止将激活电力供应至继电器激活电路，从而使断路器跳闸。

在一些实施例中，跳闸线圈需要更大的能量或电力，以在常闭继电器的开关电路切换至其打开状态之前使跳闸线圈随时跳闸，当断路器切换至其闭合状态或当第一次为断路器提供电力时开关电路切换至其打开状态，尽管其已经处于未通电的闭合状态。在一些实施例中，电容性电路电连接在常闭继电器的开关电路的输出端和跳闸线圈之间。

根据本发明的另一个具体的示例性实施例，断路器包括一对在闭合位置和打开位置之间相对彼此活动的主触点，在闭合位置，接线端和负载端通过主电源电路彼此电连接，并且在打开位置，接线端和负载端彼此电隔离。跳闸线圈连接至这对主触点的至少一个触点，跳闸线圈响应于跳闸电流导致这对主触点从闭合位置移动至打开位置，从而使断路器跳闸。

常闭继电器具有继电器激活电路和开关电路，开关电路默认为接通状态，然而当激活电力被供应至继电器激活电路时，开关电路切换至断开状态，当供应至继电器激活电路的激活电力中断时，开关电路自动返回接通状态。

常闭继电器的开关电路的输入端在这对主触点的下游接收来自主电源电路的电力，并且常闭继电器的开关电路的输出端电连接至跳闸线圈，从而当开关电路处于接通状态时常闭继电器的开关电路将跳闸电流提供至跳闸线圈，从而使断路器跳闸，然而当开关电路处于断开状态时，开关电路停止将跳闸电流提供至跳闸线圈，从而使得接线端和负载端彼此电连接。

监控电路在这对主触点下游接收来自主电源电路的电力，并且电连接至常闭继电器的继电器激活电路，只要作出断路器在可接受的参数范围之内操作的判定，监控电路将激活电力供应至继电器激活电路，并且一旦作出断路器不在可接受的参数范围之内操作的判定，监控电路停止将激活电力供应至继电器激活电路，从而使断路器跳闸。

本发明的其他目的和其具体的特征和益处将从如下附图和所附的详细描述的考虑中更容易得出。

附图说明

图1为根据本发明的一个示例性实施例的断路器的示意图，该断路器具有保护构造以在电子监控电路中失效时导致断路器不可操作，示出的状态为向负载供电；

图2为图1中的断路器的示意图，示出的状态为故障状况导致不再向负载供电；

图3为图1中的断路器的示意图，示出的状态为内部开关处于打开(即，断开)位置并且未向负载供电；

图4为与图1中的断路器类似的断路器的示意图，然而该断路器具有略微不同的电路构造，示出的状态为向负载供电；

图5为图4中的断路器的示意图，示出的状态为故障状况导致不再向负载供电；

图6为图4中的断路器的示意图，示出的状态为内部开关处于打开(即，断开)位置并且未向负载供电；

图7为与图1中的断路器类似的断路器的示意图，然而具有略微不同的电路构造，示出的状态为向负载供电；

图8为图7中的断路器的示意图，示出的状态为故障状况导致不再向负载供电；

图9为图7中的断路器的示意图，示出的状态为内部主开关处于打开(即，断开)位置，跳闸电路开关位于打开(即，断开)位置，并且没有向负载供电；

图10和图11为图7中的断路器的示意图，示出了随着断路器从断开状态切换至接通状态的瞬时状态；

图12至图15为与图1中的断路器类似的断路器的另一个实施例的示意图，然而具有略微不同的电路构造，示出的状态为向负载供电(图12和图14)，以及随着断路器从断开状态切换至接通状态或随着向已经处于接通状态的未通电的断路器供电的瞬时状态(图13和图15)；

图16和图17为断路器的附加实施例的示意图，其分别与图12和图14中的断路器类似，然而具有监控电路，供应至监控电路的电力来自断路器的接线侧而不是负载侧。

具体实施方式

详细参考附图，首先参考图1，示出了电子控制断路器10的示例性实施例，该断路器10包含机械触点机构11，同时将断路器10的故障安全级别最大化，以确保断路器10提供所需要的电路保护的能力。

断路器10通过线路端电连接至交流电(AC)电源12，AC电源断路器10的内部开关18供电，内部开关18的输出馈送至继电器22的开关电路28的输入端和电子监控电路20。

继电器22可以是各种类型的继电器，例如固态继电器或电磁继电器，只要继电器为常闭型的，这意味着当向继电器22的激活电路/线圈24提供小于阈值的激活电力时，继电器22的开关电路28将保持在、或返回闭合(即，接通)状态。如本领域普通技术人员将认识到的，阈值激活电力的这种缺失(即，导致开关电路28闭合)可能是故意切断激活电路/线圈24的电源的结果，可能是继电器上游的电路失效(诸如监控电路20失效)的结果，可能是继电器22本身的激活电路/线圈24失效的结果，等等。然而，无论是由什么导致的，当阈值激活电力没有供应给继电器22的激活电路/线圈24时，继电器22的开关电路28是闭合(即，接通)的，如图2所示。

断路器10的电子监控电路20具有输出端，取决于采用的是何种类型的继电器22，该输出端连接至固态继电器电路的激活输入端、或电磁继电器的线圈，这将在通电时(在图1中以标号30表示)导致继电器22的常闭开关电路28切换至打开(即，断开)位置(再次如图1中所示)。因此，正常情况下，来自电子监控电路20的该输出馈送向继电器22的激活电路/线圈24(激活电路/线圈24的另一侧通常连接至共同中线(common neutral)26)提供阈值激活电力，导致继电器22的开关电路28将切换至其打开(即，关断)位置并且因此不会向跳闸线圈32供电，从而确保断路器10的多个机械触点11能够正常接通(即，常闭)，使得AC电源12通过电连接至主电源电路16的负载端电连接至负载14。

如应当领会的，根据需要，内部开关18可以省略，电子监控电路20反而可以直接从向接线端供电的电源12接收电力。在该构造中，无论电源12何时向断路器接线端供电，电子监控电路20都会通电，并且，若电子监控电路20正确工作，电力将被供应至常闭继电器22的激活电路/线圈24，从而将继电器22的开关电路28切换至其打开(即，断开)状态。只要电力被供应至断路器10的接线输入端并且电子监控电路20正确工作，常闭继电器22就会因此保持在其断开状态，同时断路器10处于其断开状态。在常闭继电器22的开关电路28处于其打开(即，断开)状态的情况下，断路器10将能够正常工作。

现特别参考图2，电子监控电路20使用断路器应用所需要的操作参数被编程，这些参数例如为电流跳闸点、冲击(inrush)性能、接地故障阈值、电弧故障阈值等。如果这些参数中的任意一者都没有被满足，则电子监控电路20导致断路器跳闸。

这可以以各种方式完成。在一些情况下，监控电路20可直接电连接至跳闸线圈32，这样，如果没有满足任一编程参数，则监控电路20直接将跳闸电流发送至跳闸线圈32。在这样的情况下，常闭继电器22仅在监控电路20或断路器10的其他零件失效的情况下起到失效保护的作用，典型的非失效跳闸(例如，在发生过流、接地故障、电弧故障等的情况下)不会采用常闭继电器22。这样的构造可以提供系统冗余。

可替代地，在一些情况下，可能需要将常闭继电器22用于典型的非失效跳闸(例如，在发生过流、接地故障、电弧故障等的情况下)和用于在断路器10失效的情况下跳闸。在这样的情况下，如果不满足任何编程参数，监控电路20停止向常闭继电器22的激活电路/线圈24发送激活电力，结果导致继电器22的开关电路28返回其常闭(即，接通)状态，从而将电源连接至跳闸线圈32并通过打开多个触点11使断路器10跳闸(在图2中以34表示)。

然而，在任一替代方案中，作为失效保护操作的一部分，电子监控电路20持续地监控自身，并且，如果电子监控电路20检测到其可操作性中的问题，则停止向继电器22的激活电路/线圈24发送激活电力，导致继电器的常闭开关电路28闭合，从而为跳闸线圈32供电并且使断路器10的触点11跳闸。同样地，若电子器件的电源出于任何原因而失效，继电器22的激活电路/线圈24将不再接收电能，继电器22的开关电路28将因此处于或返回其常闭状态，断路器10将跳闸。

根据需要，可以在主电源电路16中设置传感器42，传感器42可以向监控电路20提供传感数据，用于作为评估特定的参数是否满足的一部分。例如，该传感器42可以是电流变换器(current transformer)以帮助评估是否存在过流情况，或者可以是检测接地故障和/或电弧故障的电路和/或线圈。根据需要，还可以提供各种其他传感器，以帮助监控电路20评估流经电路断路器和/或断路器本身的电流。

现参考图3，随着断路器跳闸且多个触点11打开，还可以使内部开关18移动至其打开(即，断开)状态以避免不必要地向跳闸线圈32持续供电，因为一旦跳闸线圈32导致触点11打开，跳闸线圈32的进一步通电不会提供益处。类似地，如果通过致动手柄等类似装置打开触点11的方式来手动关闭断路器10，也可以使内部开关18移动至其打开(即，断开)状态，因为不需要监控已经断开的断路器。

在主输出电路16的断路器的多个触点11切换至其闭合(即，接通)状态之前，该内部开关18被致动回其闭合(即，接通)状态(再次如图1中所示)，并且因此电子保护电路在断路器向其连接的负载14供电之前被激活。

现参考图4至图6，示出了根据本发明构造的断路器10’的第二示例性实施例。图4至图6的断路器10’非常类似于图1至图3的断路器10，使用了相同的附图标记来表示相同的元件。

具体参考图4，内部开关18的输出再次馈送至电子监控电路20。然而，在断路器10’中，与其说是常闭继电器22的开关电路28也电连接至内部开关18的输出端，不如说是开关电路28在断路器10’的输出端附近(即触点11的下游)内部地电连接至主电源电路16。根据需要，可以向继电器的常闭开关电路提供适当的内联过载保护36。

与断路器10一样，断路器10’的电子监控电路20具有输出端，该输出端连接至固态继电器电路的激活输入端或电磁继电器的线圈，取决于应用的是何种类型的继电器22，这将在继电器22通电时(在30处表示)导致继电器的常闭开关电路28切换至打开(即，断开)位置。因此，在正常情况下(如图4中所示)，电子监控电路20的输出馈电保持继电器的开关电路28处于其打开(即，断开)位置，并且因此，在断路器处于其“打开”状态的情况下，不向跳闸线圈32供电，从而使得断路器10’保持在“接通”并且正常操作。如前所述，电子监控电路20按照断路器应用所需要的操作参数进行编程，这些参数例如为电流跳闸点、冲击性能、接地故障阈值、电弧故障阈值等。若这些参数中的任一者不满足，电子监控电路20会导致断路器跳闸。

这可以以各种方式完成。在一些情况中，监控电路20可直接电连接至跳闸线圈32，使得如果编程参数中的任何一个不满足，监控电路20将跳闸电流直接送至跳闸线圈32。在这样的情况下，常闭继电器22的功能仅在监控电路20或断路器10’的一些其他零件失效的情况下起到失效保护的作用，典型的非失效跳闸(例如，在发生过流、接地故障、电弧故障等情况下)不会采用常闭继电器22。这样的构造有望提供系统冗余。

可替代地，在一些情况下，可能需要常闭继电器22既用于典型的非失效跳闸(例如，在发生过流、接地故障、电弧故障等的情况下)又用于在断路器10’失效的情况下跳闸。在这样的情况下，如果编程参数中的任何一个未满足，监控电路20停止向常闭继电器22的激活电路/线圈24发送激活电力，导致继电器22的开关电路28返回其常闭(即，接通)状态(如图5中所示)，并且因此，随着断路器10’到达其“接通”位置，电力将通过继电器的开关电路28被馈送至跳闸线圈32并打开触点11以使断路器10’跳闸。

然而，在任一替代方案中，作为失效保护操作的一部分，电子监控电路20持续地监控自身，并且，若电子监控电路20检测到其可操作性中的问题，则停止向继电器22的激活电路/线圈24发送激活电力，再次导致继电器的常闭开关电路28闭合，并且无论断路器已经处于“接通”状态还是处于切换至其“接通”状态的过程中均使断路器跳闸，因为电力将通过继电器22的开关电路28流动至跳闸线圈32。同样地，若电子器件的电力出于任何原因故障，继电器将不再接收电力，并且因此处于或返回其常闭状态，断路器10’将跳闸。

进一步地，如图6中所示，若断路器10’的内部开关18被关断(即，打开)，将停止供应至监控电路20和持续供应至继电器22的激活电路/线圈24的电力，导致继电器的常闭开关电路28闭合，从而使跳闸线圈32通电并且使断路器10的触点11跳闸。如可见的，在没有首先将内部开关18切换至其闭合(即，接通)位置的情况下，任何试图闭合触点11的尝试将导致触点11立即跳闸(再次打开)。

正如断路器10，如果需要的话，可以在主电源电路16中提供传感器42，传感器42可以向监控电路20提供传感器数据，用于作为评估特定的参数是否满足的一部分。例如，该传感器42可为电流变换器以帮助评估是否存在过流情况，或可为接地故障和/或电弧故障检测的电路和/或线圈。如果需要的话，还可提供多种其他传感器以帮助监控电路20评估流经电路断路器和/或断路器本身的电流。

现参考图7至图11，示出了根据本发明构造的断路器10”的第三示例性实施例。图7至图11的断路器10”在某些方面非常类似于图1至图6的断路器10、10’，相同的元件使用相同的参考标记。

首先参考图7和图8，除了将电力提供至电子控制电路20的内部开关18之外，断路器10”还使用了额外的跳闸电路开关38，跳闸电路开关38连接至继电器22的常闭开关电路28的输入端。随着断路器10”朝向其“接通”位置机械地激活并且先于断路器的主触点11处于闭合(即，接通)位置，内部开关18因此将电力提供至电子保护电路20。图9示出了全部处于打开(即，断开)位置中的多个主触点11、内部开关18和跳闸电路开关38这三者。图10示出的情况为断路器10”处于朝其“接通”位置激活的过程，其中内部开关18已经接通(即，闭合)，然而跳闸电路开关38和多个主触点11仍断开(即，打开)。

跳闸电路开关38然后将再次在断路器的多个主触点11处于闭合(即，接通)位置之前、然而在内部开关18切换至其闭合(即，接通)位置之后，切换至其闭合(即，接通)位置。该状态在图11中示出。

跳闸电路开关38构造成在断路器的跳闸机构32的下游激活，导致当断路器10”跳闸时来自跳闸电路开关38的电力立即关断(即，打开)。跳闸电路开关38的闭合可通过在触点臂闭合断路器的多个主触点11之前与断路器10”的触点臂进行接触来完成。该构造确保随着跳闸线圈32使断路器10”跳闸，跳闸线圈32仅经历短暂的、瞬时功率脉冲。

更具体地，可使用板簧触点作为跳闸电路开关38以与断路器10”的触点臂接触并且因此在触点臂闭合断路器10”的多个主触点11之前将电力提供至继电器的常闭开关电路28。由于跳闸电流随着断路器跳闸立即终止，这确保了提供至跳闸线圈32的跳闸电流仅为瞬时的。如果需要的话，可以使用双板簧触点布置来额外实现内部开关18以使电力首先被送至电子器件，随后，在断路器的主触点11闭合之前，再次被送至继电器的常闭开关电路28。

因此，随着断路器10”开通，电子保护电路20首先通电，并且，有条件地，当电力被提供至电子器件并且电子控制电路20正确运行时，电力被电子控制电路20提供至常闭继电器22的激活电路/线圈24。继电器22的开关电路28因此通电至其打开(即，断开)位置。随着断路器10”继续被致动至其“接通”位置，跳闸电路开关38切换至其闭合(即，接通)位置并且将电力提供至继电器22的开关电路28。在电子电路正确操作并且将电力提供至继电器的情况下，将不会有电力提供至跳闸螺线管32的线圈并且断路器10”的主触点11将能够切换至其闭合(即，接通)位置，从而将电力提供至连接的负载14。这在图7中示出。

然而，如果电力未提供至电子电路或如果电子电路本身失效，激活电力不会被提供至继电器22的激活电路/线圈24并且常闭开关电路28将保持在其闭合(即，接通)位置。随着跳闸电路开关38闭合(即，开启)，电力将被提供至继电器22的开关电路28并且因此被提供至跳闸螺线管32，跳闸螺线管32因此立即使断路器10”跳闸。进一步地，如果存在常闭继电器22的失效，断路器10”将无法使用，因为无论何时断路器10”被激活且跳闸电路开关38闭合(即，开启)，继电器22的开关电路28将处于其常闭位置并且因此传导电流以激活跳闸螺线管32并且使断路器10”跳闸。

对电子监控电路20进行编程，使其具有断路器应用所需要的操作参数，例如电流跳闸点以及冲击性能(如果提供的话)。若违反这些参数中的任一个，电子监控电路20以类似于如上描述的方式使断路器10”跳闸。

电子监控电路20可以被编程为持续监控自身，并且，若监控电路20检测到其操作性中的问题，则停止将激活电力送至继电器22的激活电路/线圈24，导致继电器的常闭开关电路28闭合，这将随后为跳闸线圈32通电并且使断路器10”跳闸。

现参考图12至图15，示出了根据本发明构造的断路器10”’的第四示例性实施例。图12至图15的断路器10”’在许多方面非常类似于图1至图11的断路器10、10’、10”，其中使用相同的参考标记表示相同的元件。

具体参考图12和图14，在该构造中，电子监控电路20和常闭继电器22的开关电路28的输入端都在断路器10”’的输入负载端附近(即多个触点11的下游)内部地连接至主电源电路16。当断路器10”’通电并且切换至其闭合(即，接通)位置时，电力将因此被供应至电子监控电路20并且被供应至常闭继电器22的开关电路28的输入端。正如前述实施例，常闭继电器22的开关电路28的输出端连接至断路器跳闸线圈32。

断路器10”’的电子监控电路20控制向固态继电器的激活输入端供电或向电磁继电器的线圈供电，取决于应用的是何种类型的继电器。当电子监控电路20向常闭继电器22的激活电路/线圈24供电时，常闭继电器22的开关电路28将因此切换至其打开(即，断开)位置。

一旦通电，电子监控电路20则被编程为立即向常闭继电器22的激活电路/线圈24供电，从而激活常闭继电器22的开关电路28至其打开(即，非导电)状态。电子监控电路20随后监控断路器的输出端至其连接的负载14，并且，若电子监控电路20判定规定的保护性参数不满足，则导致断路器10”’的跳闸。

如同上述实施例，这可以以多种方式实现。在一些情况下，电子监控电路20可直接电连接至跳闸线圈32，这样如果任何一个编程参数不满足，则监控电路20将跳闸电流直接送至跳闸线圈32。在这种情况下，常闭继电器22仅在监控电路20或断路器10”’的一些其他零件故障时起到故障保护的作用，在典型的非故障跳闸(例如，在过流、接地故障、电弧故障等的情况下)不会使用常闭继电器22。这样的构造对于提供系统冗余是可取的。

可替代地，在某些情况下，可能需要常闭继电器22同时应用于典型非失效跳闸(例如，在过流、接地故障、电弧故障等的情况下)和断路器10”’失效情况下的跳闸。在这样的情况下，如果任何一个编程参数不满足，则监控电路20停止向常闭继电器22的激活电路/线圈24供电，导致继电器22的开关电路28返回其常闭(即，接通)状态，因此将电源连接至跳闸线圈32，通过打开触点11使断路器10”’跳闸。

然而，在任一替代实施例中，作为故障保护操作的一部分，电子监控电路20持续地监控本身，并且，若电子监控电路20检测到其可操作性中的问题，则停止向继电器22的激活电路/线圈24供电，导致继电器的常闭开关电路28闭合，从而使跳闸线圈32通电并且使断路器10”’的触点11跳闸。此外，若电子器件的电力因任何原因而失效，继电器22的激活电路/线圈24不再接收电力，并且继电器22的开关电路28将因此处于或返回其常闭状态，断路器10”’将跳闸。

同样，如上描述的，如果需要的话，可在主电源电路16中提供传感器42，传感器42可将传感器数据提供至监控电路20，用于作为评估特定的参数是否满足的一部分。例如，该传感器42可为电流变换器以帮助评估是否存在过流情况，或可为接地故障和/或电弧故障检测的电路和/或线圈。如果需要的话，还可提供多种其他传感器以帮助监控电路20评估流经电路断路器和/或断路器本身的电流。

当断路器10”’切换至其闭合(即，接通)状态、或可替代地在断路器10”’已经处于未通电、闭合(即，接通)状态的同时被提供电力时，电力将被同时馈送至电子监控电路20以及馈送至常闭继电器22的开关电路28的输入端。由于开关电路28将处于其闭合(即，接通)状态直至电子监控电路20能够将电力提供至激活电路/线圈24以激活开关电路28切换至其打开(即，断开)状态，跳闸线圈32将经历短暂的功率脉冲，直至监控电路20能够导致开关电路28被激活至打开(即，断开)状态。在图13和图15中示出了这种瞬时状况，其中主触点11和常闭继电器22的开关电路28处于闭合(即，接通)状态。

然而，一旦通电，电子监控电路20将在非常短时间内反应(这段时间以毫秒计量)，以将电力送至激活电路/线圈24以从而激活开关电路28至其打开(即，断开)状态并且断开供应至跳闸线圈32的电力的连接，从而非常迅速地回复到图12和图14中所示的情况。一旦供电，常闭继电器22还将在非常短的时间内反应以打开开关电路28，取决于使用的是何种继电器，电子固态继电器在比电磁继电器反应时间更短的时间内反应。

跳闸线圈32将因此经历短暂的瞬时电力输入。为了防止跳闸线圈32随着切换至其闭合(即，接通)位置而使断路器跳闸、或相反在断路器已经处于其闭合(即，接通)位置的同时当电力被恢复时防止断路器跳闸，应用两个可替代的构造、或这两个构造的组合。

如图12和图13所示，当断路器10”’切换至其闭合(即，接通)状态时，或可替代地当断路器10”’已经处于未通电、闭合(即，接通)状态时，一个配置使用跳闸线圈32的构造比该构造在在常闭继电器22的开关电路28切换至其打开(即，断开)状态之前瞬时经历的需要更大的能量、或电力(即，在图13和图15中示出的情况的非常短的时间段期间存在)。在该构造中，跳闸线圈32将被设计为需要更大的磁力以激活其跳闸杆(lever)、或活塞(plunger)，从而需要比跳闸线圈32将瞬时经历的更大的持续电力。

如图14和图15所示，第二个配置使用电容性电路40，在电学上电容性电路40将来自常闭继电器22的开关电路28的电力供应至跳闸线圈32。电容性电路40瞬时吸收足够的能量以延迟供应至跳闸线圈32的电力并且防止跳闸线圈32流过足够的电流来使断路器10”’跳闸。在该构造中，可以使用典型的跳闸线圈32、或具有类似于与图12和图13相关的如上描述的跳闸线圈的特征的跳闸线圈32。

现参考图16和图17，示出了根据本发明构造的断路器10””的第五示例性实施例。除了图16和图17的断路器10””的电子监控电路20在断路器10””的输入接线端附近(即，多个触点11的下游)内部地连接至主电源电路16之外，图16和图17的断路器10””分别非常类似于图12和图14的断路器10”’。

因此，在断路器10””中，无论触点11打开或闭合，监控电路20都通电，这意味着监控电路20可将电力送至激活电路/线圈24以因此激活开关电路28至其打开(即，断开)状态并且断开供应至跳闸线圈32的电力连接(无论触点11处于其打开(即，断开)或闭合(即，接通)状态)。同样地，由于多个触点11从其打开(即，断开)状态移动至其闭合(即，接通)状态，不会涉及跳闸线圈32经历短、瞬时的电力输入。

然而，如果在多个触点11处于其闭合(即，接通)位置的情况下中断流向断路器10””的接线输入端的电力，一旦电力被恢复，触点11将很可能跳闸至其打开(即，断开)位置，因为电子电路很可能不会足够快速恢复常闭继电器22的电力以在开关电路28为跳闸线圈21通电和使多个触点11跳闸之前打开开关电路28。

为了在断路器电力恢复而断路器已经处于其闭合(即，接通)位置时防止跳闸线圈32使断路器跳闸，可采用两个可替代的构造、或这两个构造的结合。

如图16所示，当断路器10””切换至其闭合(即，接通)状态，或可替代地当断路器10””已经处于未通电、闭合(即，接通)状态时，一个配置使用跳闸线圈32的构造比该构造在断路器10””常闭继电器22的开关电路28切换至其打开(即，断开)状态之前瞬时经历的需要更大的能量、或电力。在该构造中，跳闸线圈32将被设计为需要更大的磁力以激活其跳闸杆(lever)、或活塞(plunger)，从而需要比跳闸线圈32将瞬时经历的更大的持续电力。这非常类似于与图12和图13相关如上描述的构造。

如图17所示，第二个构造使用电容性电路40，在电学上电容性电路40将来自常闭继电器22的开关电路28的电力供应至跳闸线圈32。电容性电路40瞬时地吸收足够的能量以延迟供应至跳闸线圈32的电力并且防止跳闸线圈32流过足够的电流来使断路器10””跳闸。这非常类似于于图14和图15相关如上描述的构造。在该构造中，可使用典型的跳闸线圈32、或具有类似于与图16相关如上描述的跳闸线圈的特征的跳闸线圈32。

尽管已经参考各部分、特征等的特定设置描述了本发明，这些并不旨在穷尽特征的全部可能设置，并且对于本领域中的技术人员，许多修改和变型将是可以确定的。

另外，可在认为适当时提供多种辅助特征。例如，断路器10、10’、10”、10’”、10””可包括第二跳闸螺线管，该第二螺线管一旦通电将插入杠杆臂，该杠杆臂将永久生效以使断路器的跳闸连接机构跳闸，不论断路器已经处于“接通”状态还是处于正在激活的过程中。该杠杆臂将永久地防止跳闸连接机构重置并且因此导致断路器永久地失效。该特征可选择地并入以通过提供防止跳闸螺线管通电的主跳闸线圈的故障的保护水平来提供增强级别的故障保护可操作性。

在该示例中，电子监控电路将具有输出端，该输出端为该第二线圈通电，并且电子监控电路还将具有到主跳闸线圈的多个连接点以确保处理器监控主跳闸线圈。随着断路器10、10’、10”、10’”、10””朝向“接通”位置激活，处理器将被激活并且将立即检查主跳闸线圈的状态。若处理器判定主跳闸线圈接通或有故障，处理器将发送电力至第二线圈，从而触发第二线圈的跳闸杠杆臂的永久生效以致使断路器永久不可操作。

可替代地，或另外地，断路器10、10’、10”、10“‘、10””可包括各种性能(如可通过Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Z-Wave、和/或到中心处理器的硬接线启用)以确保远程通信，从而允许远程监控、控制、和/或编程。

电子断路器10、10’、10”、10’”、10””可在电子控制电路20没有编程为用于电路保护的情况下制造。在这种状态下，由于电阻控制电路20不会将任何电力提供至常闭继电器22，断路器10、10’、10”、10’”、10””不会提供保护并且将保持不可操作的。因此，如果断路器10、10’、10”、10’”、10””安装和激活，断路器10、10’、10”、10’”、10””将在任何电流被供应至任何连接的负载之前跳闸。

在该状态下，断路器10、10’、10”、10’”、10””能够被制造者或零售商非程序化地储存。断路器的电子控制电路20将需要高等级的安全保护代码以确保被编程。可提供编程装置，编程装置确保选择需要的电路保护参数，并且在断路器10、10’、10”、10’”、10””正确连接至所述装置的情况下，断路器能够用需要的保护性参数编程并相应地标记。这种性能将极大地减少存货的投资，这是因为单个通用断路器将能够被编程为选自更大范围的电压和电流额定值、冲击、接地故障、电弧故障和其他保护性特性提供特定保护。

本发明因此提供了一种电子控制断路器，该断路器包括机械触点机构，同时将断路器的故障保护水平最大化以确保断路器提供需要的电路保护的能力。

Claims (15)

1.一种断路器，包括：

一对主触点，所述一对主触点相对于彼此在闭合位置和打开位置之间活动，其中，在所述闭合位置时接线端和负载端通过主电源电路彼此电气通信，在所述打开位置时接线端和负载端彼此电隔离；

跳闸线圈，所述跳闸线圈连接至所述一对主触点中的至少一个触点，所述跳闸线圈响应于跳闸电流使得所述一对主触点从所述闭合位置移动至所述打开位置，从而使得所述断路器跳闸；

常闭继电器，所述常闭继电器具有继电器激活电路和开关电路；

其中所述常闭继电器的开关电路与所述跳闸线圈电连接；以及

监控电路，所述监控电路电连接至所述常闭继电器的所述继电器激活电路，所述监控电路配置为：只要作出所述断路器在可接受的参数范围之内操作的判定，则所述监控电路向所述继电器激活电路提供激活电力，并且一旦作出所述断路器不在可接受的参数范围之内操作的判定，则所述监控电路停止将所述激活电力供应至所述继电器激活电路，使得所述断路器跳闸。

2.根据权利要求1所述的断路器，其中所述监控电路在所述一对主触点下游接收来自所述主电源电路的电力。

3.根据权利要求2所述的断路器，其中，所述跳闸线圈需要比在所述常闭继电器的所述开关电路切换至所述开关电路的打开状态之前所述跳闸线圈瞬时经历的能量或电力更大的能量或电力来跳闸，其中，当所述断路器切换至所述断路器的闭合状态或所述断路器在已经处于未通电的闭合状态的同时第一次被提供电力时所述开关电路切换至所述开关电路的打开状态。

4.根据权利要求1所述的断路器，其中所述监控电路在所述一对主触点的上游接收来自所述主电源电路的电力。

5.根据权利要求4所述的断路器，其中，相比于在所述常闭继电器的所述开关电路切换至所述开关电路的打开状态之前跳闸线圈瞬时经历的能量或电力，所述跳闸线圈需要更大的能量或电力跳闸，其中，当断路器已经处于未通电的闭合状态的同时被第一次提供电力时所述开关电路切换至所述开关电路的打开状态。

6.根据权利要求1所述的断路器，，进一步包括电容电路，所述电容性电路电连接在所述常闭继电器的所述开关电路的输出和所述跳闸线圈之间。

7.根据权利要求1所述的断路器，其中在检测到以下至少一种情况时，则判定所述断路器在可接受的参数范围之内不工作：超过阈值水平的冲击电流和高于阈值水平的过电流。

8.根据权利要求1所述的断路器，其中在检测到以下至少一种情况时，判定所述断路器在可接受的参数范围内不操作：接地故障状况和电弧故障状况。

9.根据权利要求1所述的断路器，其中所述监控电路还与所述跳闸线圈直接电气通信，并且其中所述监控电路响应于过流和/或故障状况使得所述跳闸线圈跳闸。

10.根据权利要求1所述的断路器，进一步包括传感器，所述传感器电气设置在所述主电源电路中，并且其中所述监控电路与所述传感器电气通信。

11.根据权利要求1所述的断路器，其中所述常闭继电器包括固态常闭继电器，并且所述继电器激活电路包括固态激活电路。

12.根据权利要求1所述的断路器，其中所述常闭继电器包括电磁常闭继电器，并且所述继电器激活电路包括激活线圈。

13.根据权利要求1所述的断路器，其中所述开关电路默认为接通状态，然而当激活电力被供应至所述继电器激活电路时所述开关电路切换至断开状态，当供应至所述继电器激活电路的激活电力中断时所述开关电路自动返回接通状态。

14.根据权利要求13所述的断路器，其中当所述常闭继电器的所述开关电路处于接通状态时，所述开关电路将跳闸电流提供至所述跳闸线圈，使得所述断路器跳闸，然而，当所述开关电路处于断开状态时，所述开关电路停止将跳闸电流提供至所述跳闸线圈，从而允许接线端和负载端彼此电气通信。

15.根据权利要求1所述的断路器，其中所述常闭继电器的所述开关电路的输入端在所述一对主触点的下游接收来自所述主电源电路的电力，并且所述常闭继电器的所述开关电路的输出端电连接至所述跳闸线圈。