CN112447455A

CN112447455A - 辅助电子保护模块及相关的断路器装置

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Publication number: CN112447455A
Application number: CN202010920120.9A
Authority: CN
Inventors: T.普平; B.勒博; C.伯诺特; J-B.伯纳德
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2040-09-04
Also published as: AU2020227109A1; FR3100654A1; EP3790034A1; CN112447455B; FR3100654B1

Abstract

本发明涉及一种辅助电子保护模块，该辅助电子保护模块设计成连接到热磁断路器模块(2)，该热磁断路器模块设计为连接在电气设备中，并且包括断路器机构，该断路器机构设计为执行至少一个主要断路器功能，辅助电子保护模块(4)设计成执行至少一个辅助保护功能。热磁断路器模块(2)包括第一手柄(16)，该第一手柄设计为位于第一接通位置，其中电流流经电气设备，和第二断开位置，其中电流经过设备的流动由于手动动作或断路器机构脱扣而被中断。辅助电子保护模块(4)包括第二手柄(18)，该第二手柄机械连接至热磁断路器模块(2)的第一手柄(16)，以使其跟随热磁断路器模块(2)的第一手柄(16)的位置。

Description

辅助电子保护模块及相关的断路器装置

技术领域

本发明涉及一种辅助电子保护模块，该辅助电子保护模块设计成与热磁断路器模块连接以形成断路器装置，并且涉及相关的断路器装置。

本发明的领域涉及电气设备的安全性，特别是在设备中存在电气故障的情况下中断电力供应，通常称为电路中断。

背景技术

众所周知，在由供电网络供电的电气设备中会发生各种故障，并可能危及连接在该设备中的装置的安全，甚至在某些情况下会引起火灾或对操作者造成物理危险。

为了确保电气设备的安全，使用了被称为断路器的装置，该装置配置为一旦检测到过载电流就非常迅速地中断电源。常规地，断路器包括固定触点和活动触点，活动触点设计成在其与固定触点分离且因此电流中断的打开位置和活动触点抵靠在固定触点上且电流能够流动的闭合位置之间移动。断路器还包括用于电中断的脱扣机构，该脱扣机构使断路器的触点移至打开位置，还包括复位手柄，该复位手柄设计为从脱扣机构的打开位置移至闭合位置。操作者通常可以在包含断路器的壳体的一个面上接近复位手柄，并且可以在断开位置(对应于触点打开的位置)和接通位置(对应于触点闭合的位置)之间手动地移动，反之亦然。通过触发电气中断，使手柄自动从接通位置移动到断开位置，或者由操作者手动地进行。

已知用于“微型断路器”的紧凑型热磁断路器模块，也称为MCB。这种模块特别紧凑，并在发生热故障时触发供电中断，例如由于在设备中存在过热的故障负载，以及在发生磁故障时，例如在短路的情况下发生。

具有电子微控制器的辅助保护模块也是已知的，所述模块设计为连接到现有的热磁断路器。这种辅助电子保护模块配置为例如在出现故障导体或连接中可能产生电弧的情况下实施保护。此外，辅助模块配置为实施差动保护，并且电子微控制器设计为执行这种差动保护功能，从而导致供电中断。

辅助保护模块可以单独出售，也可以与热磁断路器模块一起出售，在这种情况下，它们形成完整的断路器装置，这些断路器装置设计成由于多种原因而执行断路器功能，因此可以为电气设备提供最佳保护。

然而，目前很难确定导致这种断路器装置脱扣的原因。实际上，操作者可以观察到断路器装置的复位手柄处于触点打开的位置(断开位置)，然而，无法确定手柄是否已被手动致动或位置变化是否已由断路器机构脱扣触发，如果断路器机构已脱扣则是由什么原因引起的，即是否由于热、磁或差动故障或电弧的发生而脱扣。现在，在电气设备中要采取的纠正措施取决于导致保护脱扣的电气故障。例如，热故障表示存在故障的电负载，电弧故障表示发生火灾等。

因此，需要通过提供断路器机构脱扣的根本原因的确定和指示来增强断路器装置。

发明内容

为此，本发明提出一种辅助电子保护模块，其设计为与热磁断路器模块连接，该热磁断路器模块设计为连接在由供电网络供电的电气设备中，并包括断路器机构，该断路器机构设计为执行至少一个主要断路器功能。辅助电子保护模块包括辅助脱扣机构，其独立于热磁断路器模块的断路器机构并设计为执行至少一个辅助保护功能。热磁断路器模块包括第一手柄，其设计为位于第一接通位置，其中电流流经电气设备，和第二打开位置，其中电流经过设备的流动由于手动动作或断路器机构脱扣而被中断，辅助电子保护模块包括第二手柄，其设计为位于第一接通位置和第二打开位置。

辅助电子保护模块的第二手柄与热磁断路器模块的第一手柄机械连接，使得所述第二手柄跟随热磁断路器模块的第一手柄的位置。

有利地，根据本发明的辅助电子保护模块包括手柄，该手柄连接至热磁断路器模块的手柄并跟随其移动。

根据本发明的辅助保护模块可以具有以下一个或多个特征，这些特征可以独立地或以任何允许的组合来采用。

机械连接包括支座(rest)和复位弹簧，其布置成使得第一手柄移动到第一接通位置导致第二手柄移动到第一接通位置，并且第一手柄移动到第二断开位置自动导致第二手柄在复位弹簧的作用下移动到第二断开位置。

机械连接包括在第一手柄和第二手柄之间的双向机械链接。

辅助电子保护模块包括用于确定第二手柄的位置的电路，所述电路在第二手柄处于第一位置时闭合并且在第二手柄处于第二位置时打开。

该电路在电连接到与第二手柄相关的连接点的电源点处被供应已知的基准电压。

该电路包括连接在供应基准电压的转换器和所述连接点之间的储能电容器。

辅助电子保护模块还包括处理单元，所述连接点连接到所述处理单元的输入。

辅助电子保护模块还包括电压整形模块，其在所述处理单元的输入处供应供电网络的电压的图像。

处理单元配置为将供电网络的电压的所述图像与代表第二手柄的位置的电压进行比较，并且基于所述比较来确定第一手柄是否已经移动到第二位置。

辅助电子保护模块还包括：电流传感器，用于流经热磁断路器模块的电流；以及电流整形模块，其连接在电流传感器的输出处并且在处理单元的输入处供应测量的电流的图像，所述处理单元配置为存储在预定持续时间的滑动时间窗口内测量的电流值。

处理单元配置为将在第二手柄已经移动到第二位置之前测量的至少一个电流值与阈值电流值进行比较，并且基于所述比较的结果来从手动操作和热磁断路器模块的断路器机构的脱扣中确定移动到第二位置的原因。

处理单元配置为分析在第二手柄已经移动到第二位置之前测量的电流值，并且基于分析结果来确定断路器模块的脱扣是由于热故障还是由于磁故障。

根据另一方面，本发明涉及一种断路器装置，其包括被连接的热磁断路器模块和辅助电子保护模块，其中，辅助电子保护模块是上面已经简要描述的类型。

附图说明

本发明的其他特征和优点将从其描述中显现出来，该描述在下面以非限制性示例的方式参考附图给出，其中：

图1是处于第一闭合状态的根据本发明的断路器装置的示意性透视图，该断路器装置由彼此链接的断路器模块和辅助保护模块形成；

图2是处于第二打开状态的根据本发明的断路器装置的示意性透视图，该断路器装置由彼此链接的断路器模块和辅助保护模块形成；

图3是处于第一闭合状态的根据一实施例的辅助电子保护模块的机构的视图；

图4是处于第二打开状态的根据一实施例的辅助电子保护模块的机构的视图；

图5示意性地示出了根据一实施例的断路器装置，该断路器装置由彼此链接的断路器模块和辅助保护模块形成；

图6是根据一实施例的由辅助电子保护模块实施的方法的主要步骤的流程图；

图7示意性地示出了在使用断路器装置的第一情况下用于随时间的电压测量的曲线；

图8示意性地示出了在使用断路器装置的第二情况下用于随时间的电压测量的曲线；

图9示意性地示出了在使用断路器装置的第三情况下用于随时间的电压测量的曲线；

图10示意性地示出了在使用断路器装置的第四情况下用于随时间的电压测量的曲线。

具体实施方式

图1和2是断路器装置1的示意性透视图，其包括两个联接的模块，分别是热磁断路器模块2和辅助电子保护模块4，以下简称为辅助保护模块。

热磁断路器模块2由于热或磁故障而实现断路器功能，所述功能称为主要断路器功能。

辅助电子保护模块4基于差动故障或电弧的检测来实施保护功能，或者实施诸如过压保护的另一种保护功能，所述功能称为辅助保护功能。辅助电子保护模块4的机构独立于热磁断路器模块2的断路器机构。

每个模块2、4包括外部壳体6、8。这些模块通过机械和电气连接装置(在这些图中未示出)联接，以形成断路器装置1。优选地，外部壳体6、8的形状彼此匹配；特别地，选择尺寸以便提供直接的机械接合。

根据一变型，模块2、4结合在形成断路器装置的壳体的一体式壳体中，除了供应到断路器模块下游的负载的电流流过的线路之外，没有电链接用于提供位置信息。

每个壳体6、8包括被称为前面的面10、12，该面旨在在安装断路器装置之后使操作者易于接近。

在相应的前面10、12上，每个模块2、4包括旨在容纳电导体的连接器14a、14b、14c、14d。

此外，第一复位手柄16位于断路器模块2的壳体6的前面10上，第二复位手柄18位于辅助保护模块4的壳体8的前面12上。

在所示的实施例中，每个手柄16、18设计成绕轴线在第一位置和第二位置之间枢转，这将在下面更详细地描述。

辅助保护模块4的第二手柄18机械地连接或偏置到断路器模块2的第一手柄16。

根据一实施例，手柄18通过单向支座连接在手柄16上，并被复位弹簧偏压。闭合手柄16导致手柄18通过手柄16上的单向支座作用在手柄18上而闭合。打开手柄16导致手柄18在复位弹簧的作用下自动打开。

另一实施例在于机械地连接两个手柄16和18，手柄16的打开和闭合将手柄18驱动到相同位置。在这种情况下，通过任何合适的双向机械链接来提供机械连接。

在图1的实施例中，断路器装置1处于第一状态(称为“闭合”状态)，这意味着由供电网络(未示出)提供的电流可以流经受保护的电气设备(未示出)。在该第一状态下，手柄16和18处于第一位置(接通位置，也称为闭合位置)。

在图2的实施例中，断路器装置1处于第二状态(称为“打开”状态)，其中电流的流动被中断。在该第二状态下，手柄16和18处于第二位置(断开位置，也称为打开位置)。

从第一状态到第二状态的移动被触发，例如通过断路器模块2的保护机构脱扣，这导致断路器模块的触点打开并且手柄16的位置改变。作为变型，从第一状态到第二状态的移动由操作者通过手动操纵被触发。

通过上述机械互锁，手柄16在第一位置和第二位置之间的枢转导致手柄18以相同的方式枢转。

图3和4分别是处于图3的第一状态(手柄18在第一位置)和处于图4的第二状态(手柄18在第二位置)的辅助保护模块4的机构的视图。

在该视图中可以看到的辅助保护模块4的机构的各种元件是已知的元件，这里将不再详细描述。下面仅描述更具体地涉及本发明的实施方式的某些元件。

辅助保护模块4包括脱扣机构54，其包括板20，该板20通过连接部件22、24链接到臂26，该臂26设计成结合手柄18的枢转在第一位置(图3)和第二位置(图4)之间移动。

此外，根据本发明增加了用于确定第二手柄18的位置的电路30。在第一电源点32处为该电路提供已知的基准电压，并包括电连接线34。

如图3所示，当手柄18处于第一位置时，电连接线34与第一电源点32接触。电线34连接至第二连接点36。当手柄18处于第一位置时，电流流过电路30，并且在第二连接点36处读取基准电压。第二连接点36也连接到辅助保护装置模块4的处理单元例如微控制器的输入，如下面更详细描述。

如图4所示，当手柄18处于第二位置时，用于确定手柄的位置的电路30的电连接线34不再与第一电源点32接触，该线由板20驱动。因此，当手柄处于第二位置时，用于确定手柄位置的电路30打开，并且第二连接点36处的电压为零。

有利地，在几乎没有额外体积的情况下并且不必重新考虑辅助保护模块的设计，通过读取第二连接点36处的电压来确定复位手柄18的位置。

有利地，借助于将辅助保护模块的手柄18锁定到断路器模块2的手柄16的机械互锁，断路器模块2的复位手柄16的位置借助于电路30确定，而没有对热磁断路器模块2的任何修改。

图5示出了***40的实施例，用于确定导致比如已参照图1和2描述的断路器装置1中断的电气故障的原因，所述***在辅助保护模块4中实施。

辅助保护模块4包括处理单元42，例如微控制器(MCU)，其是设计为基于接收到的作为输入的电压和电流测量来执行计算的电子部件。

辅助保护模块4还包括电流传感器44，其设计为测量流过断路器模块2的电流，电流传感器44连接至电流整形模块46。模块46设计为生成与处理单元42的规格兼容的所测量的电流的图像，并且电流整形模块46的输出连接到处理单元42的第一输入45A。

辅助保护模块4还包括电压整形模块48，其接收作为输入的由供电网络提供的电压测量并以与处理单元42的规格兼容的方式对电压进行整形。例如，在一实施例中，模块48使用分压器桥。电压整形模块48的输出将网络的电压的图像提供给处理单元42的第二输入45B。

作为辅助保护模块4的一部分的用于确定手柄位置的电路30包括电压转换器50，其设计为将AC电压转换为DC电压，以便提供DC基准电源电压(Vcc)，以及储能电容器52，将其连接至用于使手柄脱扣的脱扣机构54。储能电容器52的端子之一接地(在图中表示为GND)。

辅助保护模块4的手柄18的位置通过开关56示意性地示出，该开关可以闭合(位置55)或打开(位置57)。储能电容器52经由导体34连接到开关56，并且开关56还连接到处理单元42的第三输入45C。

如果开关56打开或者如果电力供应丢失，则在处理单元42的第三输入端45C处读取的电压等于0V，从而导致基准电压的损失。

有利地，借助于附加的储能电容器52，可以在这两种情况之间区分，或者换句话说，确定在微控制器的第三输入端的电压损失是由于开关56打开(即手柄的位置变化)还是由于电压供应丢失。例如，如果在断路器装置1未脱扣的情况下在供电网络的上游发生中断，则可以停止向辅助保护模块供电。

根据变型，储能电容器52可以由可再充电或不可再充电的电池单元或外部电源(例如24V外部电源)或提供连续基准电压的任何其他装置代替。

处理单元42存储在预定持续时间(例如0至80ms之间的持续时间或在50Hz的网络频率下的8个半周期)的滑动时间窗口上在第一、第二和第三输入处接收的电压和电流值。

处理单元42配置为实施用于确定断开机构脱扣的原因的方法，所述方法的一个实施例在图6中示出。

在第一步骤60期间，确定由于通过热磁断路器模块2的脱扣机构打开电路而导致热磁断路器模块的手柄是否已经移动到“断开”位置。

为此，处理单元42确定源自电路30的在第三输入处接收的电压值是否等于0V，并且识别该电压变为0V的时刻Tc。

在两种不同的情况之间进行区分：

-情况1：辅助保护模块4通过热磁断路器模块2供电，也称为“上游电源”；

-情况2：保护模块4通过电网直接供电，也称为“下游电源”。

图7至10分别并行地示出了在预定时间间隔内在处理单元的第二输入(“V_测量”曲线)和第三输入(“触发_位置(TOGGLE_POSITION)”曲线)处测量的电压的曲线，所述曲线表示测量的电源电压和源自电路30的电压以确定手柄18的位置。

图7和8对应于情况1，其中辅助保护模块4通过热磁断路器模块2(上游电源)供电，图9和10对应于情况2，其中辅助保护模块4直接通过电网(下游电源)供电。

图7示意性地示出了其中所测量的电源电压的损失在时刻Tc开始的情况，对应于源自电路30的电压的损失。

在这种情况下，可以推断出断路器机构已脱扣，辅助保护模块4的手柄18且因此断路器模块2的手柄16在时刻Tc移至“断开”位置。

图8示意性地示出了在时刻Tp处的电源电压的损失。源自电路30的电压测量在随后的时刻Tc变为0V。在这种情况下，由此推断出发生了电压损耗并且电路30保持闭合，由于存在储能电容器52，电压损失随着时间的推移而继续传递。例如，在这种情况下，电压损失是由于断路器装置在配电链上游脱扣所致。

换句话说，当通过热磁断路器模块2向辅助保护模块4供电时，在处理单元42的第二输入和第三输入处的同时或几乎同时的电压损失指示热磁断路器模块的手柄通过手动动作或热磁电路断开而移至“断开”位置。

图9示意性地示出了其中电网的电源电压没有损失，但是源自电路30的电压测量在时刻Tc变为0V的情况。在这种情况下，电路30已经打开，代表手柄16、18移动至“断开”位置。

图10示意性地示出了在时刻Tp电网的电源电压丢失并且源自电路30的电压丢失并且在时刻Tc(其晚于时刻Tp)变为0V的情况。在这种情况下，由此推断出发生了电压损失并且电路30保持闭合，由于存在储能电容器52，所以电压损失随着时间的推移而继续传递。由此推断出断路器机构尚未脱扣。

换句话说，当辅助保护模块4直接由电网供电时，在处理单元的第二输入和第三输入处的同时或几乎同时的电压损失表示热磁断路器模块的手柄已移至“断开”位置。

参照图8和10，例如，在储能电容器52被电池单元或外部电源代替的情况下，源自电路30的电压丢失的时刻Tc可能比时刻Tp稍晚，或者根本不晚于其。然而，由此推断出在处理单元的第二输入处源自电路30的电压的持续存在超过电压损失表明断路器机构尚未脱扣的情况。

返回图6，如果确定手柄16的位置已经改变(对步骤60的测试的肯定响应)，则在步骤60之后是至少一个测量的电流值I与阈值电流值In的比较62，电流值I是在测量的电压丢失的时刻Tc之前的时刻在处理单元的第一输入处获得的。

例如，在一实施例中，使用选定持续时间的滑动窗口中的一系列电流值I，所述持续时间例如等于80ms，或者在50Hz的网络频率下为8个半周期，并且将该滑动窗口中的最大测量电流值与阈值电流值In进行比较。

根据一变型，在步骤62中计算滑动窗口上的平均电流值，并将其与阈值电流值In进行比较。

阈值电流值In特定于断路器模块2的操作，并且指示该电流值，超过该电流值便确定需要使断路器脱扣的电流过载。

阈值电流值In例如由操作者在断路器装置1的安装阶段中输入并且由处理单元42存储。

如果从滑动窗口中的一系列电流值获得的电流值I小于阈值电流值In，则确定手柄16、18已通过手动操作打开(步骤64)。

如果从滑动窗口中的一系列电流值获得的电流值I大于阈值电流值In(步骤62)，则在比较步骤62之后进行预定时间间隔内的分析(步骤66)，例如持续时间为80ms或50Hz频率下的8个半周期，以检测测量的电流值中突然出现尖峰。

例如，突然尖峰的特征在于，半周期的最大值(或峰值)(称为当前峰值)高于多个先前半周期内的半周期峰值的平均值。例如，检查当前峰值是否大于8个先前半周期内的半周期峰值的平均值的两倍。

如果在步骤66中进行的分析之后确定没有突然电流尖峰，则由此推断出断路器机构由于热故障而脱扣(步骤68)。

如果在步骤66中进行的分析之后确定存在突然电流尖峰，则由此推断出断路器机构由于磁故障而脱扣(步骤70)。

因此，通过分析在电路打开之前的时间间隔内测量的电流变化，可以确定是什么原因导致热磁断路器模块的手柄移动到断开位置，从而检测断路器机构的脱扣并确定其原因，而无需修改热磁断路器模块。

在一实施例中，辅助保护模块还配备有无线电通信模块，然后通过无线通信将确定的断路原因传输到远程设备，例如集线器，该集线器设计为在电气设备上执行集中动作，并且将信息传输给客户或维护操作者。

有利地，根据本发明的辅助电子保护模块配置为检测相关的热磁断路器模块的断路器机构的手柄的移动并基于电压和电流测量来确定脱扣的原因。

Claims

1.一种辅助电子保护模块，其设计为与热磁断路器模块(2)连接，该热磁断路器模块设计为连接在由供电网络供电的电气设备中，并包括断路器机构，该断路器机构设计为执行至少一个主要断路器功能，

所述辅助电子保护模块(4)包括辅助脱扣机构，其独立于热磁断路器模块的断路器机构并设计为执行至少一个辅助保护功能，

所述热磁断路器模块(2)包括第一手柄(16)，该第一手柄设计为位于第一接通位置和第二断开位置，在第一接通位置，电流流经电气设备，在第二断开位置，电流经过设备的流动由于手动动作或断路器机构脱扣而被中断，

所述辅助电子保护模块(4)包括第二手柄(18)，该第二手柄设计为位于第一接通位置和第二断开位置，

其特征在于，辅助电子保护模块(4)的所述第二手柄(18)与热磁断路器模块(2)的第一手柄(16)机械连接，使得所述第二手柄(18)跟随热磁断路器模块(2)的第一手柄(16)的位置。

2.根据权利要求1所述的辅助电子保护模块，其中，所述机械连接包括支座和复位弹簧，所述支座和复位弹簧布置成使得第一手柄(16)移动到第一接通位置导致第二手柄(18)移动到第一接通位置，并且第一手柄(16)移动到第二断开位置自动导致第二手柄(18)在复位弹簧的作用下移动到第二断开位置。

3.根据权利要求1所述的辅助电子保护模块，其中，所述机械连接包括在第一手柄(16)和第二手柄(18)之间的双向机械链接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的辅助电子保护模块，包括用于确定第二手柄(18)的位置的电路(30)，所述电路在第二手柄(18)处于第一位置时闭合并且在第二手柄(18)处于第二位置时打开。

5.根据权利要求4所述的辅助电子保护模块，其中，所述电路(30)在电连接到与第二手柄(18)相关的连接点(36)的电源点处被供应已知的基准电压。

6.根据权利要求5所述的辅助电子保护模块，其中，所述电路(30)包括连接在供应基准电压的转换器(50)和所述连接点(36)之间的储能电容器(52)。

7.根据权利要求5或6所述的辅助电子保护模块，还包括处理单元(42)，所述连接点(36)连接至所述处理单元(42)的输入(45C)。

8.根据权利要求7所述的辅助电子保护模块，还包括电压整形模块(48)，其在所述处理单元(42)的输入(45B)处供应供电网络的电压的图像。

9.根据权利要求8所述的辅助电子保护模块，其中，所述处理单元配置为将供电网络的电压的所述图像与代表第二手柄的位置的电压进行比较，并且基于所述比较来确定第一手柄是否已经移动到第二位置。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的辅助电子保护模块，还包括：电流传感器(44)，用于流经热磁断路器模块(2)的电流；以及电流整形模块(46)，其连接在电流传感器(44)的输出处并且在处理单元(42)的输入(45A)处供应测量的电流的图像，所述处理单元(42)配置为存储在预定持续时间的滑动时间窗口内测量的电流值。

11.根据权利要求10所述的辅助电子保护模块，其中，所述处理单元(42)配置为将在第二手柄已经移动到第二位置之前测量的至少一个电流值与阈值电流值进行比较，并且基于所述比较的结果来从手动操作和热磁断路器模块的断路器机构的脱扣中确定移动到第二位置的原因。

12.根据权利要求11所述的辅助电子保护模块，其中，所述处理单元配置为分析在第二手柄已经移动到第二位置之前测量的电流值，并且基于分析结果来确定断路器模块的脱扣是由于热故障还是由于磁故障。

13.一种断路器装置，包括连接起来的热磁断路器模块(2)和辅助电子保护模块(4)，其特征在于，所述辅助电子保护模块是根据权利要求1至12中任一项所述的辅助电子保护模块。