CN115699239A - 具有电子跳闸控制的断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有电子跳闸控制的断路器。断路器由至少一个电流路径(L1、L2、L3)穿过，并且能够免受在连接到电流路径(L1、L2、L3)的电路中发生至少一个短路类型故障；断路器包括：电源(A)；电流检测器(D)，其能够检测在电流路径(L1、L2、L3)或电流路径(L1、L2、L3)中的至少一个中的电流；电子跳闸器(3、I2、4、5)，其包括电子处理单元(3)；包括线圈(10)的致动器(1)；以及断开机构，其能够由致动器(1)致动；断路器还包括用于抑制可能引起意外跳闸的对致动器的磁影响的抑制电路(2,2’,I1)，其能够使线圈短路；电子处理单元还被配置为能够控制抑制电路并且协调跳闸控制信号的发射与抑制电路的控制，以便在发生跳闸的同时不使线圈短路。

Description

具有电子跳闸控制的断路器

技术领域

本发明涉及保护电路免受故障(如，短路)的领域，并且涉及具有电子跳闸控制的断路器。

背景技术

保护装置(如，断路器)的功能是在电路中发生故障的情况下中断电流。

在包括多个保护装置的设备中，选择性在于协调这些保护装置，使得当故障出现在要保护的电路中时，仅最靠近故障的保护装置跳闸，从而避免其余电气设备停止使用。这种协调保护装置的改进方法能够确保服务的连续性。

已知几种选择性技术，具体是电流型选择性和计时型选择性，其中电流型选择性基于上游断路器和下游断路器的跳闸阈值，计时型选择性包括延迟上游断路器的跳闸，使得下游断路器在超过跳闸阈值时先跳闸。

如果确保选择性达到安装下游断路器处的短路电流的假定最大值，则上游断路器和下游断路器之间的选择性被称为总选择性。选择性极限被定义为指示短路电流值，低于该短路电流值时，仅下游断路器将跳闸。

在涉及选择性的电气保护装置中，具有电子跳闸控制的断路器确保针对至少一种类型的故障的保护，例如在电路中发生的短路。当故障发生时，这些断路器能够通过断开至少一个主触点来跳闸，从而中断穿过所述断路器并功能性地连接到该电路的至少一个电流路径中的电流。这种断路器通常包括：

电流检测器，其用于检测在所述电流路径或所述电流路径中的至少一个中的电流。为此，电流检测器包括：电流传感器，其中，每个电流路径均设置一个电流传感器；以及调节电路，其发射表示在电流路径中流动的电流的获取信号；

电子跳闸器，所述电子跳闸器包括模拟的电子处理单元或基于微处理器的电子处理单元，所述电子处理单元被配置为能够处理由检测器发射的所述获取信号，并且当已经超过跳闸阈值时同时地或延迟地发出跳闸控制信号；

致动器，所述致动器由所述跳闸控制信号驱动跳闸并且包括线圈，其为电磁体线圈型的线圈，所述线圈围绕通常为铁芯的可动铁芯、压缩弹簧和永磁体。当致动器没有跳闸时，铁芯被线圈中的永磁体吸引。当发生跳闸时，线圈被供给电流并产生与永磁体的磁场相反并超过永磁体的磁场，这具有在弹簧的推力的辅助下使所述铁芯轴向移动的效果，并随后致动断开机构的效果；以及

断开机构，所述断开机构也称为锁定机构，能够在所述撞击器的移动作用下致动主触点的断开；以及

电源，其集成到或不集成到所述电子跳闸器中，用于向所述电子处理单元和所述致动器的线圈提供能量，即电流和电压。

通常通过至少一个电流路径和电源装置来确保向电子处理单元提供电流，所述电源装置例如是功能性地连接到所述电流路径的电流互感器。

断路器还包括晶体管(MOSFET)类型的受控开关，由电子处理单元发出的跳闸控制信号通常激活所述受控开关，所述受控开关在被控制为闭合状态时、能够闭合将致动器的线圈连接到电源的电势和参考电势的电路，所述闭合具有使电流流入线圈以便向其提供电流以允许发生跳闸的效果。

通常，这些断路器还包括控制杆，该控制杆从断路器的壳体突出并且连接到主触点，该主触点能够由断开机构移动以便允许断路器的手动跳闸。

此外，在这种断路器中，电子处理单元还被配置为能够检查致动器的线圈的电气状态。为了执行该检查，必须向线圈提供电流，也就是说，提供低于其额定跳闸电流的电流，或者提供足够低而不会导致跳闸的电流，这是通过用于监测所述电子处理单元的监测电路来执行的。

这些具有电子跳闸控制的断路器遇到的问题是构成断路器的各部件之间的电磁影响。具体地，这种类型的保护装置中的集成约束要求各部件必须布置在小且紧凑的体积中，也就是说彼此靠近。结果是这些部件之间的影响增加，具体是由至少一个电流路径产生的对线圈的电磁影响。具体地，至少一个电流路径通常位于线圈附近，并且被定向为至少部分地垂直于或横向于致动器的轴线，使得所述电流路径可以产生与磁体的保持力相反的磁场，然后具有引起铁芯移动并因此使断路器跳闸的效果。因此，至少一个电流路径或另一外部磁或电磁影响可导致通过断路器的意外跳闸的断路器的故障。这种故障的后果是选择性的损失。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种具有电子跳闸控制的断路器来克服这些缺点，使得可以抑制可能施加在线圈上并导致断路器意外跳闸的磁影响，并且具体是抑制来自至少一个电流路径(具体是当电流路径至少部分地横向于或垂直于致动器的轴线延伸时)的磁影响。

为此，根据本发明的具有电子跳闸控制的断路器，所述断路器由至少一个电流路径穿过并且能够确保免受在连接到所述电流路径的电路中发生至少一个短路类型故障，断路器包括电流检测器，该电流检测器能够检测在所述电流路径或所述电流路径中的至少一个中流动的电流，并且能够发出表示所述电流的获取信号；电子跳闸器，所述电子跳闸器包括电子处理单元，所述电子处理单元被配置为能够处理所述获取信号，并且当已经超过跳闸阈值时发出跳闸控制信号；致动器，所述致动器由所述跳闸控制信号驱动而跳闸并且包括线圈；以及断开机构，所述断开机构能够由所述致动器致动，以断开至少一个主触点，从而中断所述电流路径中的所述电流；以及电源。其基本特征在于，所述断路器还包括用于抑制可能引起意外跳闸的对所述致动器的磁影响的抑制电路，其能够在所述电路被控制为处于闭合状态时使所述线圈短路，以执行所述抑制；以及在所述电路被控制为处于断开状态时不使所述线圈短路；以及其基本特征在于，所述电子处理单元还被配置为能够控制所述抑制电路并且协调所述跳闸控制信号的发射与所述抑制电路的控制，以便在发生跳闸的同时不使所述线圈短路。

根据这种断路器的一个特定特征，可能对线圈施加磁影响的至少一个电流路径至少部分地横向于或垂直于致动器的轴线延伸。

附图说明

通过以下涉及优选实施例的描述，将更好地理解本发明，该优选实施例通过非限制性示例给出并参考所附示意图进行解释，其中：

图1是根据本发明的具有电子跳闸控制的断路器的功能框图；

图2示出了图1所示断路器的电子跳闸器和电磁致动器的电路图，该断路器还包括用于监测该致动器的监测电路；

图3示出了本发明优选实施例中图2所示的电路图，其中电子跳闸器还包括延迟电路；

图4示出了图3所示的断路器的详细电路图，其中不包括致动器；

图5是图1或图3中所示的跳闸装置的致动器的截面图，该致动器设置在被定向为垂直于致动器的轴的三个电流路径之一的上方；

图6分别示出了与通过监测电路监测致动器的状态以及对短路开关和驱动开关两者的控制相关的时序图；

图7示出根据本发明的实施例的断路器的两个开关的断开状态或闭合状态以及对所述开关的同时控制的时序图，其中不包括延迟电路；以及

图8示出了图7中所示的时序图，其中包括延迟电路。

具体实施方式

图1至图8涉及根据本发明的具有电子跳闸器的断路器，所述断路器由至少一个电流路径L1、L2、L3穿过，并且能够确保针对在连接到所述电流路径L1、L2、L3或每个电流路径L1、L2、L3的电路中发生的至少一个短路类型故障的保护，所述断路器包括：

电流检测器D，其能够检测在电流路径L1、L2、L3中流动的电流或在电流路径L1、L2、L3中的至少一个中流动的电流，并能够发射表示所述电流的获取信号。为此，电流检测器D可以包括：能够检测在所述电流路径L1、L2或L3中流动的电流的至少一个传感器D0，以及发射表示由传感器D0检测到的电流的获取信号的调节电路D1；

电子跳闸器3、I2、4、5，其包括电子处理单元3，所述电子处理单元被配置为能够处理由检测器D发射的所述获取信号并且当已超过跳闸阈值时发射跳闸控制信号；

致动器1，其由所述跳闸控制信号驱动以跳闸，并且包括线圈10，具体是电磁线圈型的线圈；以及

断开机构，也称为锁定机构，能够由所述致动器1致动，以断开至少一个主触点C1、C2、C3，其能够中断所述电流路径L1、L2、L3中的电流或所述电流路径L1、L2、L3之一中的电流；

电源A；

电源A可以集成到或不集成到电子跳闸器3、I2、4、5中，并且为电子处理单元3和致动器1的线圈10提供能量，以及在适当的情况下为构成断路器并需要这种电源的其它电气元件或电子元件或部件提供能量，即提供电流和/或电压。电源A可以由电流路径L1、L2、L3中的至少一个来实现，例如借助于电流互感器D’来实现，电源A可以包括所述电流互感器D’并且所述电流互感器D’功能上连接到所述电流路径L1、L2或L3。

根据本发明，这种断路器还包括抑制电路I1、2、2’，其用于抑制可能引起意外跳闸的对致动器1的磁影响，所述抑制电路I1、2、2’能够在所述电路被控制为闭合状态时使线圈10短路以便执行抑制，并且能够在所述电路被控制为断开状态时不使线圈10短路。

根据本发明，磁影响应当被理解为磁影响或电磁影响。

仍然根据本发明，电子处理单元3还被配置为能够控制所述抑制电路I1、2、2’并且协调跳闸控制信号的发射与所述抑制电路I1、2、2’的控制，以便在发生跳闸的同时不使线圈10短路。

应当理解，电子处理单元3将抑制电路I2、2、2’控制为闭合状态可以以永久、周期或一次性的方式进行。在以永久方式执行控制的情况下，这将在跳闸期间被电子处理单元3中断，以便在所述跳闸发生的同时不使线圈10短路。

由抑制电路I1、2、2’这样产生的线圈10的短路允许感应电流流入线圈10，该电流与引起它的原因相反，从而补偿对致动器1的磁影响。可能对致动器1的磁影响可以由电流路径L1、L2、L3中的至少一个产生，该电流路径被定向为横向于或垂直于致动器1的轴X且被设置为靠近致动器1(图1和图5)，或者可能对致动器1的磁影响是由所述电流路径L1、L2、L3中的至少一个的一部分产生，该电流路径被定向为横向于或垂直于致动器1的轴X且被设置为靠近致动器1。

在抑制电路I1、2、2’的一个优选实施例中，抑制电路包括称为短路开关的开关I1，其由电子处理单元3控制并且直接连接到线圈10的端子(在附图中未示出的实施例)或者经由具有零电阻或可忽略电阻的一个或多个电气导体2、2’(具体参见图2和图3)和/或经由具有零电阻或可忽略电阻的电气部件。

参照图5，可以看出，线圈10以已知的方式围绕诸如铁芯、压缩弹簧12和永磁体13的可动铁芯11。当没有与永磁体13反向且超过该永磁体13的其它场时，永磁体13通过用其磁场吸引铁芯11而将铁芯11保持在线圈10中，铁芯11压缩弹簧12。在电子处理单元3的受控跳闸期间，跳闸电流流入线圈10，然后产生与永磁体13的磁场相反并超过永磁体13的磁场的磁场，这具有在弹簧12的推力的辅助下、与永磁体13的吸引力相反地轴向移动所述铁芯11的效果，以及具有致动断开机构(图中未示出)的效果。

优选地，如图4所示，短路开关I1是晶体管，优选地是MOSFET类型的场效应晶体管。这种晶体管旨在阻塞或饱和模式下工作。

以已知的方式，更具体地参照图2、图3、图4、图7和图8，电子跳闸器3、I2、4、5可包括开关I2，被称为驱动开关I2，其由电子处理单元3控制并能够由所述电子处理单元发出的跳闸控制信号触发而闭合，以便向线圈10提供电流以及执行跳闸。优选地，如从图4中可以看出，驱动开关I2是晶体管，优选地是MOSFET类型的场效应晶体管。

在图2和图3中可以更具体地看出，线圈10的一端连接到电源A的电势Vs以便被提供有电流，并且另一端经由驱动开关I2连接到参考电势GND。驱动开关I2因此能够在电子处理单元3的控制下、断开或闭合向线圈10供应电流的电路。

根据本发明，对控制的协调使得可以协调对两个开关I1、I2的控制，以便在所述线圈10未被电子处理单元3驱动/控制时使致动器1的线圈10短路，也就是说，驱动开关I2未被控制为闭合，这避免了以下情况：所述开关I1、I2的同时电传导导致电子跳闸器3、I2、4、5的电源和致动器1的短路，从而导致断路器的保护功能丧失。

在分别控制短路开关和驱动开关I1、I2的优选形式中，电子处理单元3被配置为同时控制两个开关I1、I2，以将它们切换到另一闭合或断开状态(图7和图8)。如下面将看到的，更具体地，通过考虑两个开关I1、I2的切换时间(图7和图8中的断开时间I1、闭合时间I2、闭合时间I1、断开时间I2)来执行所述同时控制，取决于其被控制为断开(图7和图8中的断开时间I1或I2)还是被控制为闭合(图7和图8中的闭合时间I1或I2)，所述切换时间可以是不同的。

然而，同时控制两个开关I1、I2不一定导致它们同时切换以改变状态。具体地，已知本发明可以提供的类型的开关的切换与在相反方向上切换相比，可以更快地从一个状态切换到另一个状态。例如，如图7和图8所示，开关I1、I2从断开状态到闭合状态的切换(闭合时间I1或I2)比从闭合状态到断开状态的切换(断开时间I1或I2)快。因此，两个开关I1或I2中的一个改变状态，而另一个开关I1或I2在较短的时间内不改变状态(图7)，使得尽管在将抑制电路控制为闭合状态期间协调对不跳闸的控制，断路器仍可以发现其自身处于禁止状态(这不是期望的)，其中两个开关I1和I2同时闭合持续较短的时间(电源的短路)，如图7所示，也就是说，当在与断路器连接的电路中出现故障时，线圈10的电源Vs的短路状态防止该线圈10被驱动，以迫使其跳闸。

为了克服这个问题，如图3、图4和图8所示，在本发明中，电子跳闸器3、I2、4、5还包括延迟电路5，该延迟电路能够相对于对旨在从第二状态切换到第一状态的开关I1或I2的控制而延迟对旨在从第一状态切换到第二状态的另一开关I1或I2的控制，这之后是对两个开关I1、I2的同时控制，以便将它们中的一个开关从第一状态切换到第二状态，将另一个开关从第二状态切换到第一状态，同时考虑到从第一状态到第二状态的切换(图8中的闭合时间I1或I2)比从第二状态到第一状态的切换(图8中的断开时间I1或I2)快。

在图7和图8中可以看出，所述开关I1、I2的第一状态可以是断开状态，第二状态可以是闭合状态。然后，每个开关I1、I2从断开状态到闭合状态的切换(闭合时间I1或I2)比它们从闭合状态到断开状态的切换(断开时间I1或I2)快，并且如图8所示，然后，延迟电路5将延迟对所述开关I1、I2的控制，以便将其从断开状态切换到闭合状态，这种延迟是相对于对所述另一开关I1、I2的控制以便将其从闭合状态切换到断开状态而言，从而两个开关I1、I2不会同时切换到相同的闭合状态。

参照图3和图4，可以看出，延迟电路5可以由电子电路组成，优选地由逻辑电路组成，该逻辑电路连接到电子处理单元3以用于对其控制，并且分别连接到短路开关和驱动开关I1、I2，所述延迟电路5能够在电子处理单元3的输出处分配对开关I1、I2中的一个开关的控制相对于对开关I1、I2中的另一个开关的控制的延迟，之后是由电子处理单元3同时控制这些开关(图3和图4)。更具体地，尤其在图4中可以看出，构成延迟电路5的逻辑电路可以包括“或”型的第一逻辑门50，其输出通过电压电平适配器连接到短路开关I1，在适当的情况下，连接到构成所述短路开关I1的场效应晶体管的栅极端；以及逻辑电路可以包括“与”型的第二逻辑门51，其输出连接到驱动开关I2，在适当的情况下，连接到构成所述短路开关I1的场效应晶体管的栅极端。第一逻辑门50的一个输入连接到“或”型的第三门52的输出。第三门52的两个输入构成逻辑电路的输入，并且连接到电子处理电路3，以便分别接收短路控制信号和驱动控制信号。第二门51的一个输入连接到“或”型的第三门52的两个输入之一。RC电路53、54连接到每个逻辑门51、52的两个其它输入之一。

在另一实施例中，延迟电路5也可以旨在集成到电子处理单元3中。

断路器可以以已知的方式进一步包括监测电路4，使得可以通过控制通过线圈10的电连续性来控制其状态和致动器1的状态，并且更具体地，根据是否确保连续性，控制线圈10的功能存在或功能不存在(图2、图3和图4)。这种监测电路4由电子处理单元3驱动，并且可以包括由电子处理单元3控制的开关I3。优选地，如图4所示，开关I3是晶体管，优选地是MOSFET类型的场效应晶体管。

电子处理单元3可以被配置为协调三个开关I1、I2、I3的控制，并因此协调短路、驱动跳闸和监测这三个功能。更具体地，电子处理单元3可被配置成使得短路开关I1的断开的持续时间足够短，以便在监测断路器的状态时出现磁干扰的情况下不获得意外跳闸，并且短路开关I1的断开的持续时间足够长以便允许监测功能检测致动器1上的异常并且更具体地检测线圈10上的异常(图6)。

通过使致动器1的线圈10短路以便以与引起感应电流的原因相反的方式，允许感应电流流入线圈10中，因此安装在这种保护装置中的磁跳闸装置能够补偿并因此抑制电流路径对致动器1的磁影响且更具体地对铁芯11的磁影响。这种装置还可用于补偿并因此抑制来自其它电气元件的磁影响。

根据本发明的跳闸装置通过协调使得可以保持驱动致动器1的已知功能，更具体地线圈10的已知功能，和/或在适当的情况下保持监测功能，同时确保新颖的短路功能，该短路功能使得可以抑制对致动器1的磁影响，该磁影响可能导致断路器的意外跳闸。

当然，本发明并不限于所描述的和附图中所示的实施例。在不背离本发明的保护范围的情况下，尤其是从各种元件的构造的观点或通过替换技术等同物，改变仍然是可能的。

Claims (9)

1.一种具有电子跳闸控制的断路器，其中，所述断路器由至少一个电流路径(L1、L2、L3)穿过，并且能够确保免受在连接到所述电流路径(L1、L2、L3)的电路中发生至少一个短路类型故障；

所述断路器包括：

电流检测器(D)，所述电流检测器能够检测在所述电流路径(L1、L2、L3)或所述电流路径(L1、L2、L3)中的至少一个中流动的电流，并且能够发出表示所述电流的获取信号；

电子跳闸器(3、I2、4、5)，所述电子跳闸器包括电子处理单元(3)，所述电子处理单元被配置为能够处理所述获取信号，并且当已经超过跳闸阈值时发出跳闸控制信号；

致动器(1)，所述致动器由所述跳闸控制信号驱动跳闸并且包括线圈(10)；以及

断开机构，所述断开机构能够由所述致动器(1)致动，以断开至少一个主触点(C1、C2、C3)，从而中断所述电流路径(L1、L2、L3)中的电流；以及

电源(A)；

其中，所述断路器还包括用于抑制可能引起意外跳闸的对所述致动器(1)的磁影响的抑制电路(I1、2、2’)，所述抑制电路(I1、2、2’)能够在所述电路被控制为处于闭合状态时使所述线圈(10)短路，以执行所述抑制；以及在所述电路被控制为处于断开状态时不使所述线圈(10)短路，以及

其中，所述电子处理单元(3)还被配置为能够控制所述抑制电路(I1、2、2’)并且能够协调所述跳闸控制信号的发射与所述抑制电路(I1、2、2’)的控制，以便在发生跳闸的同时不使所述线圈(10)短路。

2.根据权利要求1所述的断路器，其中，所述抑制电路(I1、2、2’)包括开关(I1)，所述开关被称为短路开关(I1)，所述开关(I1)由所述电子处理单元(3)控制并且直接连接到所述线圈(10)的端子，或者通过具有零电阻或可忽略电阻的至少一个电气导体(2、2’)和/或通过具有零电阻或可忽略电阻的电气部件连接到所述线圈的端子。

3.根据权利要求2所述的断路器，其中，所述开关(I1)是晶体管，优选地是MOSFET类型的场效应晶体管。

4.根据权利要求2和3中任一项所述的断路器，其中，所述电子跳闸器(3，I2，4，5)包括开关(I2)，所述开关被称为驱动开关(I2)，所述开关(I2)由所述电子处理单元(3)控制并且能够由所述电子处理单元发出的跳闸控制信号触发而闭合以向所述线圈(10)供应电流并且执行跳闸；优选地，所述驱动开关(I2)是晶体管，优选地是MOSFET类型的场效应晶体管。

5.根据权利要求4所述的断路器，其中，所述电子处理单元(3)被配置为同时控制所述两个开关(I1、I2)，以将所述两个开关(I1、I2)在闭合状态与断开状态之间进行切换。

6.根据权利要求5所述的断路器，其中，所述电子跳闸器(3，I2，4，5)还包括延迟电路(5)，其能够相对于对要从第二状态转到第一状态的一个开关(I1，I2)的控制，来延迟对要从所述第一状态转到所述第二状态的另一开关(I1，I2)的控制，随后是对所述两个开关(I1，I2)的同时控制，以将所述两个开关(I1，I2)中的一个开关从所述第一状态切换到所述第二状态，将另一个开关从所述第二状态切换到所述第一状态，并且同时考虑到从所述第一状态到所述第二状态的切换比从所述第二状态到所述第一状态的切换更快，更具体地，所述第一状态是所述开关(I1，I2)的断开状态，所述第二状态是所述开关(I1，I2)的闭合状态。

7.根据权利要求6所述的断路器，其中，所述延迟电路(5)包括电子电路，优选地是逻辑电路；所述电子电路连接到所述电子处理单元(3)以用于对所述电子电路进行控制，并且所述电子电路分别连接到所述短路开关和所述驱动开关(I1、I2)两者；所述延迟电路(5)能够在所述电子处理单元(3)的输出处、分配所述开关(I1、I2)中的一个开关的控制相对于另一开关(I2)的控制的延迟，随后是由所述电子处理单元(3)对所述驱动开关(I1、I2)的同时控制。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的断路器，其中，所述断路器还包括监测电路(4)，所述监测电路(4)用于通过检查其功能性连接到的所述线圈(10)的电连续性来监测所述致动器(1)，所述监测电路(4)由所述电子处理单元(3)驱动，所述监测电路(4)还被配置为：在所述抑制电路(I1、2、2’)被控制为所述闭合状态以使所述线圈(10)短路的同时，不执行所述监测。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的断路器，其中，可能对所述线圈(10)产生磁影响的至少一个电流路径(L1、L2、L3)至少部分地横向于或垂直于所述致动器(1)的轴线(X)延伸。

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