CN1127745C

CN1127745C - 断路器

Info

Publication number: CN1127745C
Application number: CN95115982A
Authority: CN
Inventors: 林社振
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-02
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 2003-11-12
Anticipated expiration: 2015-10-23
Also published as: GB9515810D0; HK1002742A1; GB2303980A; CN1143822A; GB2303980B

Abstract

用于交流电源和负载之间的断路器，包含连接电源和负载间的开关，检测故障的故障检测电路和响应故障检测电路启动开关使负载与电源断开的控制电路。故障检测电路至少包含第一和第二互感器。第一互感器至少具有两平衡初级绕组和一个次级绕组。第二互感器至少具有两不平衡初级绕组和一个次级绕组。第一和第二互感器对应的初级绕组串联。第一互感器次级绕组输出用于检测通地漏泄事故。第二互感器次级绕组输出用于检测电流过载事故。

Description

断路器

本发明涉及断路器，它能够随接地泄漏/或过载电流的出现而使负载与交流电源断开。

交流电源和负载之间使用的断路器曾公开于例如美国专利No.5,276,416。这种断路器包括：一开关，用于电源和负载各相之间的连接；一故障检测电路，用于检测与负载有关的故障的出现；以及控制电路，用于响应于故障检测电路检测到的故障，操控开关，以便使负载与电源断开。故障检测电路包括两个电流互感器，各具有相应的单个初级绕组，与监视负载电流的各相相连。已发现这种故障检测电路的检测灵敏度和响应速度不够高，不能满足人们的需要。一个可能的原因是：各相的两个电流互感器设置成彼此独立运作。

本发明的目的是为解决上述问题而提出一种能够提高灵敏度和响应速度的改进的断路器。

本发明提供一种用于交流电源和负载之间的断路器，所述断路器包含连接在所述电源和负载之间的开关装置、用于检测与所述负载关联的故障出现的故障检测电路以及用于响应所述故障检测电路检测出所述故障而启动所述开关装置以便把所述负载与所述电源断开的控制电路，故障检测电路至少包含第一和第二互感器，所述第一互感器至少具有两个平衡的初级绕组和一个次级绕组，而所述第二互感器至少具有两个不平衡的初级绕组和一个次级绕组，所述第一互感器的所述各初级绕组与所述第二互感器的各对应的初级绕组串联，用于在所述电源和所述负载之间的连接，以容许流通相应的输入和输出负载电流，所述安置使得第一互感器的次级绕组的输出信号代表输入和输出负载电流之间的不平衡，用于检测接地泄漏事故，以及第二互感器的次级绕组的输出信号代表输入和输出负载电流之间的、幅度正比于输入/输出负载电流幅度的不平衡量、用于检测电流过载事故。

最好用尺寸相同的各自的金属丝绕制第一互感器的各初级绕组并使它们匝数相同，从而使所述各初级绕组成为平衡的。

最好使第二互感器的各初级绕组之一具有与其并联连接的元件，从而使所述各初级绕组成为不平衡的。

所述元件最好具有电阻器的形式。

在一个特定的实施例中，所述第二互感器由两个互感器构成，其中，每个互感器具有四个所述初级绕组，它们与另外两个互感器的相应的初级绕组串联连接，以便在所述电源和负载之间的三相连接。

最好把每个第二互感器的4个初级绕组配置成两对所述不平衡绕组。

使每个第二互感器对应的初级绕组对成为同样不平衡的两个元件最好是相同的。

在一个最佳实施例中，第二互感器之一的两对不平衡的初级绕组与其余第二互感器的不平衡的初级绕组对不相对应。

在一个特定实施中，所述控制电路配有第一和第二预定参考电压，第一参考电压用于同第一互感器的次级绕组的输出信号作比较以检测通地漏泄事故，而第二参考电压用于同第二互感器的次级绕组的输出信号作比较以检测电流过载事故。

所述控制电路最好备有幅度相对地小于上述第二预定参考电压的另一个第二预定参考电压，用于通过积分电路与第二互感器的次级绕组的输出信号相比较，以检查考虑过载电流持续时间的瞬时电流过载事故。

根据本发明，断路器的故障检测电路的设置方式使得故障检测灵敏度和响应速度得以提高。

下面将参照附图举例更具体地描述本发明，附图中：

图1是本发明的断路器的第一实施例的三相电路图；

图2是图1的断路器的部分电路图，说明出现通地漏泄事故时的运作情况；

图3是图1的断路器的部分电路图，说明出现电流过载事故的运作情况；

图4是图1的断路器的供选择的另一个延时电路的电路图；

图5是本发明的断路器的第二实施例的单相简化电路图。

首先参照图1，图中示出本发明第一实施例的断路器10，该断路器10有三个互感器形式的主要部件，即，互感器20、30和40，它们构成故障检测电路。每个互感器20/30/40有四个初级绕组P1至P4以及一个次级绕组S1。互感器20/30/40的相应的初级绕组P1至P4串联连接，在用于连接到三相电源的输入端X和用于连接到三相负载的输出端Y之间构成三条带电线路(黄、红和蓝)和一条中性线(黑)。通过继电器的四个各自的开关SW1至SW4，可以将所述带电线路和中性线断开和接通，所述继电器装有一个公共的电磁线圈CO。借助可控硅整流器SCR来控制线圈CO的激励。

第一互感器20用来检测通地漏泄事故，而其他两个互感器30和40用来检测电流过载事故。

互感器20的初级绕组P1至P4是相同的，它们由基本上相同尺寸的各自的金属丝绕制而成并具有相同匝数，因此，就初级侧而论，互感器20是平衡的。虽然其余两个互感器30/40中每一个的初级绕组P3和P4也是相同的，但是，互感器30的初级绕组P3和P4与各自的电阻器R1和R2并联连接，而互感器40的初级绕组P1和P4与各自的电阻器R3和R4并联连接。因此，就初级侧而论，互感器30/40变成不平衡的。互感器30/40中的一个的两对不平衡的初级绕组与互感器30/40中的另一个的两对不平衡的初级绕组不相对应。四个电阻器R1至R4是相同的，它们具有基本上相同的电阻值。因此，互感器30有第一对平衡的初级电路P1和P2以及第二对平衡的初级电路P3和P4。同样，互感器40也有第一对平衡的初级电路P1和P4以及第二对平衡的初级电路P2和P3。

所述三个次级绕组S1中的每一个都是一端接地并装有跨接在其两端的滤波电容C1。分别用V1、V2、V3表示三个次级输出电压。

互感器20的次级绕组S1的另一端接到电压比较器50。电压比较器50装有运算放大器OA1，它使次级绕组S1的输出电压V1与代表通地漏泄电流的最大容许值的预定参考电压进行比较。当输出电压V1超过所述参考电压时，运算放大器OA1提供使可控硅整流器SCR导通的输出信号，可控硅整流器SCR随即激励电磁线圈CO而使开关SW1至SW4断开，以便使负载与电源断开(用断路器10)。

其余两个互感器30和40的各次级绕组S1的另一端彼此用线连接，然后连接到另一个电压比较器60。电压比较器60装有一对运算放大器OA2和OA3，它们把所述次级绕组S1的输出电压V2/V3与第一和第二预定参考电压相比较。第一参考电压相对地高于第二参考电压。第一参考电压代表最大的容许过载电流，不管是瞬时的还是持续的，并且，与过载电流的持续时间无关。当输出电压V2/V3超过第一参考电压时，运算放大器OA2提供使可控硅整流器SCR导通的输出信号，以便用同上述相同的方式使负载(用断路器10)与电源断开。

第二参考电压代表考虑过载电流持续时间的中等的容许过载电流。每当输出电压V2/V3超过第二参考电压时，运算放大器OA3就为依次连接以控制硅整流器SCR的延时电路70提供一种输出信号。延时电路70由运算放大器OA4、电容器C2和若干电阻器组成，起运算放器OA3的输出信号积分器的作用。积分以如下方式进行：电容器C2随时间积累从运算放大器OA3接收到的电荷。当电容器C2充电到足够量时，运算放大器OA4启动双级晶体管TR而使可控硅整流器SCR导通，从而，以同上述相同的方式使负载(用断路器10)与电源断开。

电路50、60和70一起组成控制电路，用于在互感器20、30和40检测出故障时作出反应而起动开关SW1至SW4，以便使负载与电源断开。

图2说明三相负载处出现通地漏泄事故导致漏泄电流I4流向大地的情况。三相负载星形连接，具有连接到黑线(中性线)公共交点。在正常情况下，用I1、I2和I3标明的三相电流在流经平衡互感器20时与中线电流相抵消，因此，互感器20给出零次级输出电压V1。漏泄电流I4的出现扰乱了负载电流I1至I3的平衡状态，从而产生幅度正比于漏泄电流I4的幅度的非零次级输出电压V1。当该次级输出电压V1超过相关的参考电压时，断路器10起作用而断开负载。

图3说明三相负载处出现过载电流的情况，所述三相负载也是星形连接，但公共交点连接到黄线(带电线)。在正常情况下，由于互感器30和40在初级侧是不平衡的，所以，相应的次级绕组S1将给出幅度正比于三相负载电流I1至I3的幅度的非零输出电压V2/V3。当由于出现电流过载事故而使三相负载电流I1至I3中的一路或几路电流大到不能接受的程度时，输出电压V2/V3会超过第一参考电压。一旦出现这种情况，断路器10将启动而断开负载。

互感器30通过测量由黄线与红线之间以及蓝线与黑线之间的电阻器R1和R2人为产生的电流不平衡幅度来监视流经带电线路和中性线的电流。互感器40通过测量由黄线与黑线之间以及红线与蓝线之间的电阻器R3和R4人为产生的电流不平衡幅度来监视流经带电线路和中性线的电流。在正常情况下，按照正常负载电流的一定的百分比把流经电阻器R1至R4的电流不平衡值规定在10mA以下，例如，大约1至2mA。由于过载电流必然流经所述四条线路之一并且经过其中另一条线路返回，所以，或者互感器30、或者互感器40将能够检测出所述不平衡值，并随后断开开关SW1至SW4。

以互感器30为例，当过载电流流经黄线/红线之一并经过蓝线/黑线之一返回时，它将检测出过量的电流不平衡值，在这种情况下，如果过载电流经过黄线/黑线或者红线/蓝线流入和返回的话，互感器40将不能检测出所述过载电流。从另一方面来说，当过载电流流经黄线/黑线之一并经过红线/蓝线之一返回时，互感器40将能够检测出过量的电流不平衡值。这种情况下，如果过载电流经过黄线/红线或者蓝线/黑线流入和返回，那么，互感器30将不能检测出所述过载电流。两个互感器30/40相互补充，以覆盖所述四条线路。安装最多四个互感器30/40来逐一地监视所述四条线路是可能的，例如，所述互感器具有不同的灵敏度。还可以想像根据负载的接法，使互感器30/40监视所述四条线路中的一些线路而不是所有线路，在这种情况下，可能只需要一个这种检测互感器30/40。

在漏泄电流幅度足够大的通地漏泄事故的情况下，除了互感器20之外，互感器30和/或40也可能作出响应。

运算放大器OA2的参考电压预置在正常工作时允许的最大负载电流所对应的正常次级输出电压V2/V3的大约4倍到7倍。运算放大器OA3的参考电压预置在相对较低的值，即，正常次级输出电压V2/V3的大约2倍到3倍。为了适合于可能不是故障的任何瞬时电流过载而插入延时电路70。这种瞬时过载电流可能由，例如启动时的马达负载所产生。除了瞬时过载电流非常大，足以触发运算放大器OA2的情况之外，幅度相对较小但还是足够大的瞬时过载电流也将触发另一个运算放大器OA3，从而启动延时电路70起作用。延时电路70借助电容器C的充电来监视所述瞬时过载电流。如果瞬时过载电流的持续时间间隔长到足以使电容器C充足地充电，那么，运算放大器OA4将给出使可控硅整流器SCR导通的输出信号，从而断开所述负载。

图4示出适合于代替延时电路70的另一个延时电路70′。除了别的以外，延时电路70′装有运算放大器OA4′、电容器C′、相对小的电阻器R′和相对大的电阻器R″。电容器C′的配置是使得能够通过小电阻R′快速充电，而通过大电阻R″慢放电。双极晶体管TR′用于随运算放大器OA4′的输出信号而换向。延时电路70′特别适合于监视具有相对小的传号空号比的瞬时过载电流。

最后参照图5，图中局部示出本发明实施例的第二个断路器110，断路器110预定用于单相电源/负载电路中。断路器110包含两个互感器形式的主要部件，即，互感器120和130。每个互感器120/130有两个初级绕组P1和P2以及一个次级绕组S1。相应的初级绕组P1和P2串联连接而构成一条带电线路和一条中性线路。借助继电器的两个相应的开关SW1和SW2可以断开和接通所述带电线路和中性线路，所述继电器装有用于断开开关SW1和SW2的公共电磁线圈。断路器110的其余部分的结构和运行情况实质上与上述断路器10的相同，只是对断路器10作适当的修改以适合于单相工作。

第一互感器120用于检测通地漏泄故障，它具有相同的和平衡的初级绕组P1和P2。互感器120将检测出经过初级绕组P1和P2流入和返回的负载电流的、由出现通地漏泄事故引起的不平衡。如果所述通地漏泄电流大到不能接受的程度，互感器120将使开关SW1和SW2开路，从而把负载与电源断开。

第二互感器130用于检测过载电流。该互感器130具有相同的初级绕组P1和P2，但是，一个初级绕组P1与电阻R1并联，从而使初级侧成为不平衡的。由于所述初级侧不是平衡的，所以，互感器130能够通过检测经由初级绕组P1和P2的离开和返回通路之间的不平衡来监视负载电流。这种不平衡的幅度正比于负载电流的幅度。如果所述不平衡大到不能接受的程度，那么，互感器130将使开关SW1和SW2开路，以便把负载与电源断开。

以上仅以实施例介绍了本发明，但是，在本发明权利要求所规定的范围内，由所属技术领域的技术人员可以对所述实施例进行的各种更改和/或变换都不会偏离权利要求书所述发明的范围。

Claims

1、一种用于交流电源和负载之间的断路器，所述断路器包含连接在所述电源和负载之间的开关装置、用于检测与所述负载关联的故障出现的故障检测电路以及用于响应所述故障检测电路检测出所述故障而启动所述开关装置以便把所述负载与所述电源断开的控制电路，其特征在于，故障检测电路至少包含第一和第二互感器，所述第一互感器至少具有两个平衡的初级绕组和一个次级绕组，而所述第二互感器至少具有两个不平衡的初级绕组和一个次级绕组，所述第一互感器的所述各初级绕组与所述第二互感器的各对应的初级绕组串联，以使在所述电源和所述负载之间相连接，从而容许流通相应的输入和输出负载电流，所述安置使得第一互感器的次级绕组的输出信号代表输入和输出负载电流之间的不平衡，用于检测接地泄漏事故，以及第二互感器的次级绕组的输出信号代表输入和输出负载电流之间的、幅度正比于输入/输出负载电流幅度的不平衡量、用于检测电流过载事故。

2、如权利要求1的断路器，其特征在于，所述第一互感器的所述各初级绕组是用尺寸相同的各自的金属丝绕制而成的，并且，具有相同的匝数，从而，使所述各初级绕组是平衡的。

3、如权利要求1的断路器，其特征在于，交流单相电源的所述第二互感器两个初级绕组完全相同，达至平衡状态，但其中一个初级绕组有一个与其并联的元件，因而改变该初级绕组对另一个初级绕组相对变成不平衡。

4、如权利要求3的断路器，其特征在于，所述元件为电阻器的形式。

5、如权利要求1的断路器，其特征在于，所述第二互感器由两个互感器组成，其中，每一个互感器具有四个所述初级绕组，它们与其他两个互感器的对应的初级绕组串联连接，以便所述电源和负载之间的三相连接。

6、如权利要求5的断路器，其特征在于，每个所述第二互感器的四个初级绕组配置成两对所述不平衡绕组。

7、如权利要求6的断路器，其特征在于，所述第二互感器四个初级绕组完全相同，达至平衡状态，但其中有两个初级绕组各有一个与其并联的元件，因而变成两对不同状态平衡初级绕组，有元件并联的两个初级绕组成一对平衡绕组，两个没有元件并联的初级绕组成一对平衡绕组，相对有元件并联的初级绕组对没有元件并联的初级绕组则成为不平衡状态，所述两个元件是相同。

8、如权利要求6的断路器，其特征在于，所述第二互感器之一的两对不平衡的初级绕组与所述另一个第二互感器的两对不平衡的初级绕组对不一致。

9、如权利要求1的断路器，其特征在于，所述控制电路备有用于同第一互感器的次级绕组的输出信号作比较以检测通地漏泄事故的第一预定参考电压，以及用于同第二互感器的次级绕组的输出信号作比较以检测电流过载事故的第二参考电压。

10、如权利要求9的断路器，其特征在于，所述控制电路备有幅度相对小于上述第二预定参考电压的另一个第二预定参考电压，所述另一个第二参考电压用于通过一个积分电路同第二互感器的次级绕组的输出信号作比较，以检测涉及过载电流持续时间的瞬时电流过载事故。