具体实施方式
断路器包括被称为跳闸单元的子***,其监视受保护电路上的电流并且在故障条件的情况下(例如,检测到过载或短路条件)发起断路器接触点的打开。本发明的实施例提供以下优点:提供具有主要保护控制器和次要保护控制器的跳闸单元,以提供冗余故障检测***。本发明实施例通过包括具有简化功能性和更低成本的次要控制器来提供另外的优点。本发明的实施例提供以下又一些优点:通知操作员次要控制器是否激活了断路器,使得可执行预防性维护。
参考图1,示出具有跳闸单元22的断路器20的实施例。跳闸单元22连接以接收来自电流传感器(例如,变流器24)的信号。变流器24适合地耦合到受保护电路26,以测量从电源28通过断路器20流到受保护电路26的电流量。变流器可以是任何适合的电流传感器,其输出与流到受保护电路26的电流成比例的信号。跳闸单元22耦合以激活断路器机构30。一旦被激活,机构30打开一对或更多对的接触点以中断通过断路器20的电流,并且将受保护电路26从电源28断开。应该意识到的是,虽然图1示出单个变流器24,但是断路器20可以包括多个变流器24,每个与受保护电路26的电相位之一关联。
跳闸单元22包括信号调节电路32,其配置成接收来自变流器24的信号。信号调节电路32将输入信号分叉,并且传送第一信号到主要保护控制器34以及传送第二信号到次要保护控制器36。信号调节电路可以包括放大器和滤波器,其修改输入电流信号以具有适合被控制器34、36使用的特性。在一个实施例中,第一信号和第二信号可以是同样的。在另一实施例中,第一信号和第二信号可以具有关系,例如第二信号与第一信号成比例到这样的程度:其使得允许信号的相关和比较。
在示范实施例中,主要保护控制器34是基于微处理器的控制器,其包括监视和记录流过断路器20的电流的处理器38。主要保护控制器34还可以包括一个或更多放大器和A/D转换器40。在示范实施例中,A/D转换器可以是16位装置,其提供1-2%的出错率。如下面将详细论述的,主要保护控制器24包括累加器42。当处理器38检测到不希望的条件(例如,高负载电流)时,处理器38随着时间过去累加与电流I(经常是电流的平方)成比例的值,其在工业中被称为I2t(通常按照安培平方秒来测量),或者更具体地,I2*dt在时间t上的积分。如果负载电流超过定义的始动值,则累加器的值增加,并且如果达到阈值,则处理器38按照程序传送信号到机电跳闸***44。机电跳闸***44包括适合的组件,例如机电激励器(actuator)或螺线管,其激活机构30以打开断路器20。在示范实施例中,主要保护控制器34可以包括但不限于检测用于配电***和线缆的“长时间”保护、用于设备和人保护的“短时间和瞬态”保护、用于操作者和设备安全性的“接地故障和中性保护”、普遍在电动机负载应用中使用的用于检测***过电流、欠流、电流相位不平衡、过压、欠压的“保护继电”、用于过高温度的热量的保护。
信号调节电路32还传送来自变流器24的电流信号到次要保护控制器36。到次要保护控制器36的信号与到主要保护控制器38的信号的传送并行执行。在示范实施例中,次要保护控制器36是基于微处理器的控制器,其具有处理器46,处理器46经由通信连接48来监视来自信号调节电路32的信号和来自主要保护控制器34的信号。在示范实施例中,处理器46是低成本、有限功能性的处理器,例如基于闪存的处理器。如下面将更详细论述的,处理器38监视流到受保护电路26的电流,并且当主要保护控制器34没有在预先确定的时间量内传送信号时,处理器38可以传送信号到机电跳闸***44以响应于不希望的条件。
在一个实施例中,次要保护控制器36包括累加器,用于存储与测量的不希望条件相关联的数据。在这个实施例中,处理器46可将次要保护控制器36的累加器数据与来自通信连接48的信号相比较,并且如果比较导致越过阈值(例如,来自累加器42的数据偏离次要保护控制器36的累加器太多),则传送信号到机电跳闸***44。
在一个实施例中,次要保护控制器36包括A/D转换器50。在示范实施例中,该A/D转换器具有比A/D转换器40低的分辨率。在另一实施例中,A/D转换器50是8-10位A/D转换器。应该意识到的是,由于A/D转换器50具有比A/D转换器40低的位分辨率,所以次要保护控制器的精度将在对应的更低水平。在一个实施例中,A/D转换器50以5-10%的出错率来操作。在又一实施例中,与主要保护控制器34相比,次要保护控制器36包括更少的存储器或以更慢的速度操作。应该意识到的是,由于A/D转换器50在更低精度水平、以更少的存储器或以更慢的速度操作,所以与次要保护控制器36相关联的制造成本也减低。
响应于感测到不希望的条件,主要保护控制器34将发送信号到机电跳闸***44。如果主要保护控制器34没有在预先确定的时间量内传送信号,则次要保护控制器36传送信号到机电跳闸***44。次要保护控制器36等待的预先确定时间的长度可取决于不希望条件的类型、幅度或频率和用户定义的保护设定点。在次要保护控制器以比主要保护控制器34低的速度来操作的实施例中,预先确定时间的长度可以是次要保护控制器36处理信号和确定不希望条件存在所花费的时间。
机电跳闸***可以包括耦合到闩锁机构54的激励器52。闩锁机构54连接到断路器机构30。响应于接收来自控制器34、36的信号,激励器激活移动闩锁机构54。闩锁机构54的移动释放了弹簧加载的断路器机构30,从而允许接触臂56打开。接触臂56的打开中断通过断路器20的电流,并且将受保护电路26从电源28断开。
图2中示出多相断路器20的另一实施例。在这个实施例中,断路器20包括用于多个电相位(例如相位A、相位B、相位C和中性相位)的连接。电相位将受保护电路26与电源28相连接。对于每个电相位,存在对应的变流器56、58、60、62。电连接64、66、68、70将变流器56、58、60、62中的每个与主要保护控制器80相连接。主要保护控制器80包括多个A/D转换器72、74、76、78,其设置成经由电连接64、66、68、70来接收来自对应相位变流器56、58、60、62的信号。在一个实施例中,A/D转换器72、74、76、78是高精度(1-2%错误)转换器,例如16位装置。类似于控制器34,主要保护控制器80是基于微处理器的控制器,其具有处理器82和存储器84。处理器82经由A/D转换器72、74、76、78接收来自每个相位的信号,并且确定是否在任何电相位上存在不希望的条件。当不希望的条件存在时,处理器82使用存储器84中的累加器来跟踪不希望条件的发生、幅度、频率和类型。
当越过预先确定的阈值时,主要保护控制器80传送信号到机电跳闸***86。应该意识到的是,取决于不希望条件的类型、幅度和频率以及基于应用的用户定义的设定点,预先确定的阈值可以改变。机电跳闸***86接收信号,并且通过激励器90(例如,螺线管)来移动闩锁机构88。闩锁机构88的激活释放弹簧加载的机构56,使得用于每个电相位的接触臂56从闭合位置移动到打开位置。一旦接触臂56位于打开位置,就将受保护电路26从电源28断开。
断路器20还包括次要保护控制器92。电连接94经由多个阻塞二极管96、98、100、102将次要保护控制器92连接到电连接64、66、68、70。在一个实施例中,阻塞二极管96、98、100、102中的每个将相位电连接64、66、68、70之一连接到单个电连接94。这个设置提供优点,因为次要保护控制器92可以使用单个A/D转换器104用于接收来自变流器56、58、60、62的信号。应该意识到的是,通过在单个A/D转换器104处接收信号而依然允许次要保护控制器区别不希望条件的类型、幅度或频率,制造成本可以减少。因此,次要保护控制器92在检测不希望的条件中提供冗余,而不招致完全冗余保护控制器的费用。在一个实施例中,阻塞二极管96、98、100、102中的每个配置成与电阻器串联。
次要保护控制器92是基于微处理器的控制器,其具有处理器106和存储器108。处理器106监视从A/D转换器104接收的信号,用于不希望条件的发生。当检测到不希望的条件时,处理器106等待预先确定的时间量,并且确定主要保护控制器80是否已经传送信号到机电跳闸***86。如果主要保护控制器92没有传送信号,则处理器106进行传送信号到机电跳闸***86,其使得机构30被释放,并且受保护电路从电源28断开。
在一个实施例中,当处理器106传送第一信号到机电跳闸***86时,处理器106还传送第二信号或警报信号到指示器112。指示器112可以是在断路器的可视指示或可听指示,例如光、机械标记或音频音调。指示器112还可以是在诸如设施管理***的软件监视或控制***内。指示器112还可以是自测试警告指示器,例如部署在断路器20上的光蜂鸣器。指示器112提供以下优点:向操作者给出断路器20被次要保护控制器92而不是主要保护控制器80打开的反馈。操作者然后知道使得服务的断路器确定主要保护控制器80为什么未操作。在另一实施例中,不是传送信号到指示器112,而是处理器106可在内部存储器中存储/记录(用于以后***作员再调用)主要保护控制器80未操作。
在另一个实施例,通信连接110将初级保护控制器80与次要保护控制器92相连接,以允许传送来自控制器80累加器的信号。通信连接110提供以下优点:向处理器106提供对由主要处理器82使用的相同存储数据的访问权。这允许次要处理器106确定何时主要保护控制器80应该已经传送信号到机电跳闸***86。如果处理器106确定主要保护控制器80应该已经传送信号并且在预先确定的时间量内没有信号被传送,则次要保护控制器92传送信号到机电跳闸***86,使得机构30被释放,并且受保护电路26从电源28断开。可以通过不希望条件的类型、幅度或频率来确定预先确定时间的长度。例如短路的条件可具有比例如轻微的过流条件短的预先确定时间。
在一个实施例中,A/D转换器104被图4和图6中示出的比较器电路128替换。在这个实施例中,比较器电路128包括多个比较器130、132、134、136,其被连接以分别接收来自电连接64、66、68、70的信号。每个比较器130、132、134、136具有来自电连接64、66、68、70的第一输入,以及表示阈值的值的第二输入138、140、142、144。每个比较器130、132、134、136检测146是否其第一输入信号高于阈值的值。如果超过阈值的值,则比较器经由输出148、150、152、154输出信号,并且次要保护控制器92确定相位和是活动的。次要保护控制器92然后递增定时器156,并且确定158定时器是否已经超过限制阈值。如果未超过限制阈值,则过程循环回到确定比较器是否依然处于相位和活动状态中。这个过程继续直到相位和活动状态减缓(在这种情况下,次要保护控制器92清除160定时器)或者已经超过阈值限制。一旦已经超过阈值限制,次要保护控制器92就传送162信号到机电跳闸***86、指示器112或者这两者。
在图5中示出比较器电路128的另一实施例。这个实施例类似于图4的比较器电路,只是附加了滤波器164。滤波器164从比较器130、132、134、136接收相位和活动信号,并且允许该信号被传送到处理器106或到模拟电路(未示出)。
参考图1和图3,将描述断路器20的操作。图3示出在模拟不希望条件发生期间断路器20的组件的信号波形。变流器24传送故障电流信号114到控制器34、36。在t0,主要保护控制器34检测不希望条件,并且实行跳闸,如波形118中的尖峰116所指示的,其表示来自主要保护控制器34的输出信号。虽然主要处理器38已经实行对断路器20跳闸,但是出于某一原因信号并没有传送到机电跳闸***44。由于主要保护控制器36没有传送信号,所以故障信号114在时间t0之后依然存在。应该意识到的是,来自主要保护控制器34的输出信号还可表示处理器38的内部信号。
如上面论述的,次要保护控制器36可以经由来自信号调节电路32的信号或者经由来自累加器42的信号,来检测不希望条件的存在。在一个实施例中,次要保护控制器可以例如经由通信连接48知道主要保护控制器34试图对断路器20跳闸。当次要保护控制器36确认不希望条件存在时,对不希望条件进行分类,并且基于条件的类型、幅度或频率以及用户定义的设定点来确定预先确定时间的长度。在预先确定时间段在t1到期之后,次要处理器实行对断路器20跳闸,如波形122中的尖峰120所指示的。来自次要保护控制器36的信号独立于主要保护控制器34被传送,并且被机电跳闸***44接收,使得激励器54激活,如波形126中的尖峰124所指示的。激励器52的激活导致断路器20打开,并且在时间t2受保护电路26从电源28断开。
应该意识到的是,虽然本文的实施例涉及的次要保护控制器相对于主要保护控制器具有较低精度,但是这仅是为了示范目的,并且不应该这样限制要求保护的本发明。在其它实施例中,通过以下方法来实现低成本的次要保护控制器:使用较慢的处理器;通过使用更少的存储器(ROM或RAM),使得不包括所有的保护曲线;通过降低I/O连接的数量,没有客户接口和将次要保护控制器阈值维持在最大值;或通过降低采样率。
还应该意识到的是,断路器20提供以下多个优点:提供低成本冗余保护控制器设置,其允许独立传送信号,该信号导致释放断路器机构和受保护电路从电源断开。
可以以用于实践这些过程的计算机实现的过程和设备的形式来实施本发明的实施例。还可以以具有计算机程序代码的计算机程序产品的形式来实施本发明,计算机程序代码包含在有形介质中包括的指令,有形介质例如软盘、CD-ROM、硬盘驱动、USB(通用串行总线)驱动或者任何其它计算机可读存储介质,例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或者可擦可编程只读存储器(EPROM),其中,当计算机程序代码被加载到计算机中并且被该计算机执行时,该计算机变成用于实践本发明的设备。还可以以计算机程序代码的形式来实施本发明,例如,无论存储在存储介质中、被加载到计算机中和/或被计算机执行,或通过某一传送介质来传送,例如通过电线或线缆,通过光纤,或经由电磁辐射,其中,当计算机程序代码被加载到计算机中并且被该计算机执行时,该计算机变成实践本发明的设备。当在通用微处理器上实现时,计算机程序代码段配置微处理器以创建专用逻辑电路。可执行指令的技术效果是打开断路器,以响应于来自次要保护控制器的信号,其中,次要保护控制器在传送信号之前等待了预先确定的时间量。
虽然已经结合仅有限数量的实施例来详细描述本发明,但是应该容易理解的是,本发明不限于这类公开的实施例。更确切地,本发明能够修改成并入之前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替代或等效设置。另外,虽然已经描述了本发明的多种实施例,但是要理解的是,本发明的方面可仅包括所描述实施例中的一些。因此,本发明不被视为受前述说明书限制,而是受所附权利要求的范围限制。
20 |
断路器 |
22 |
跳闸单元 |
24 |
变流器 |
26 |
受保护电路 |
28 |
电源 |
30 |
机构 |
32 |
信号调节电路 |
34 |
主要保护控制器 |
36 |
次要保护控制器 |
38 |
处理器 |
40 |
A/D转换器 |
42 |
累加器 |
44 |
机电跳闸*** |
46 |
处理器 |
48 |
通信连接 |
50 |
A/D转换器 |
52 |
激励器 |
54 |
闩锁机构 |
56 |
变流器(相位A) |
58 |
变流器(相位B) |
60 |
变流器(相位C) |
62 |
变流器(中性相位) |
64 |
电连接(相位A) |
66 |
电连接(相位B) |
68 |
电连接(相位C) |
70 |
电连接(中性) |
72 |
A/D转换器(相位A) |
74 |
A/D转换器(相位B) |
76 |
A/D转换器(相位C) |
78 |
A/D转换器(中性) |
80 |
主要保护控制器 |
82 |
处理器 |
84 |
存储器 |
86 |
机电跳闸*** |
88 |
闩锁机构 |
90 |
激励器 |
92 |
次要保护控制器 |
94 |
电连接 |
96、98、100、102 |
阻塞二极管 |
104 |
A/D转换器 |
106 |
处理器 |
108 |
存储器 |
110 |
通信连接 |
112 |
指示器 |
114 |
故障电流信号 |
116、120、124 |
尖峰 |
118 |
主要处理器波形 |
122、126 |
波形 |
128 |
比较器电路 |
130 |
比较器-相位A |
132 |
比较器-相位B |
134 |
比较器-相位C |
136 |
比较器-中性相位 |
138、140、142、144 |
阈值的值 |
146 |
检测相位和 |
148 |
输出-相位A |
150 |
输出-相位B |
152 |
输出-相位C |
154 |
输出-相位D |
156 |
递增时间 |
158 |
确定定时器是否超过限制 |
160 |
清除定时器 |
162 |
使得断路器跳闸 |
164 |
滤波器 |
166 |
|
168 |
|
170 |
|