CN1164139A - 包括电源装置的电子解扣装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电路断路器的解扣装置，它包括至少一个把电流提供给第一供电线路(7)的电流传感器(T1、T2、T3)。与第一供电线路的输入端相连接的配电线(10)把由第一断路调节器(16)调节的电压分配给解扣装置的各个电子线路。解扣装置包括与外部电源(11)相连接的第二供电线路(9)和连接在第二供电线路(9)和配电线(10)之间的第二断路调节器(17)。第二断路调节器(17)是以与第一断路调节器同步的方式工作的。

Description

包括电源装置的电子解扣装置
本发明涉及用于电路断路器的一种电子解扣(trip)装置，它包括：
-至少一个电流传感器，用于提供代表流入由电路断路器(circuit breaker)保护的电源***的导线中的电流的次级电流。
-一个处理单元，用来接收代表流入由电路断路器保护的电源***的导线中的电流的信号，并发出解扣命令。
-第一供电线路，包括与所述的电流传感器相连接的输入端，与给解扣装置的电和电子线路供电的供电线相连接的输出端，和连接在所述的第一供电线路的输入端和输出端之间的第一调节装置，和
-第二供电线路，它包括与外部电源相连接的输入端和与供电线相连接的输出端。
已知类型的电子解扣装置包括提供用于电子线路和解扣继电器的工作所必要的电源的供电线路。这些供电线路通常与安装在要保护的电源***的电源导线上的电流互感器相连接。由这些互感器提供的电流经过整流后，然后施加到把直流电压提供给不同的电路断路器电路的供电线路中。
这些供电线路按现有工艺水平包括断路调节器(chopping regulators)，当提供的电压超过一个预置的阈值时，断路调节器短路互感器的次级电流。由电流互感器提供的电流通常情况下足够使解扣装置正常操作。
解扣装置可以包括与电保护相关的功能而设计的辅助电路，例如电功率测量，负载监测，绝缘或漏电流监测。当这些辅助电路存在于解扣装置中时，由互感器提供的电流可能不足以提供所有的电路。
电子解扣装置的主要作用是保护电源***，由互感器提供的电功率优先提供给进行这种保护的电路之用。在一些已知的解扣装置中，当由互感器提供的电流变得不足时，供电管理装置没有能力禁止辅助电路的操作或停止辅助电路的供电。
此外还知道可以使用一个额外的供电线路来弥补互感器的供电流的不足。该供电线路与电路断路器外部的一个电压源相连接，并且即使当来自互感器的电流非常小或为零时，它仍能继续进行对电路断路器的供电。
加到供电线路的外部电压源可以具有很高的值。它通常与要保护的供电***的电压相对应，例如，100至700V。然而，由供电线路提供的电压为大约10至20V的低电压值，且最好与外部电源电流地(galvanically)隔离开。由供电线路消耗的电能通常很大，这意味着必须使用庞大的电子电源部件。
额外的供电线路可以容易地并入一个很大尺寸的电路断路器中。对于小尺寸的电路断路器，所述的电路通常配置在电路断路器外部的模块中。
合并各额外供电线路在一起是非常困难的。在中等或小型尺寸的电路断路器中可用的空间通常非常小。在电路断路器中的触点和主导线中的大电流的流动引起工作温度的升高。这种在电路断路器中的高温度可能导致形成电路的部件的体积的增加。由这些部件所占的体积的增加就会与电路断路器中的可用的小空间并不相容。
本发明的目的是提供一种包括一个合为一体的额外供电装置的电子解扣装置。
根据本发明，该解扣装置包括：第二调节装置，包括与第二供电线路的输出端相连接的输入端，与供电线相连接的输出端；和与第一断路调节装置相连接的控制装置，该控制装置控制第二调节装置，以当由电流传感器提供的电流增大时，降低由第二供电线路提供的平均电流。
在一具体的实施例中，第二调节装置包括连接在所述的调节装置的输入端和输出端之间的限流装置。所述的限流装置是由该控制装置控制的。
根据一优选实施例，第一调节装置包括第一断路调节器，第二调节装置包括第二断路调节器，控制装置包括连接在第一和第二断路调节器之间的同步装置。
在优选实施例的一个改进型中：
-第一断路调节器包括与第一调节装置的输入端相连接的分流装置和连接在供电线和分流装置之间的第一检测装置，当供电线的电压超过第一预置阈值时，所述的检测装置发出命令使第一调节装置的输入端短路。
-第二断路调节器包括由该控制装置控制的电流中断装置。当第一调节装置发出命令使第一调节装置的输入端短路时，该控制装置发出命令中断由第二调节器提供的电流。
在本发明的第一种改进型中，第二调节装置的输出端是与第一调节装置的输入端相连接的。
在本发明的第二种改进型中，第二调节装置的输出端是与第一调节装置的输出端相连接的。
最好是，第二供电线路包括与外部供电源相连接的整流电路，与各整流电路的输出端相连接的限压器，和与限压器的各输出端相连接并把一个电压施加到第二调节装置的输入端的断路器。
所述断路器包括由初级绕组和次级绕组组成的互感器，该互感器的初级绕组是通过一振荡器供电的，互感器的次级绕组与初级绕组电隔离开并与第二调节装置的输入端相连接。
该断路器最好是反馈(flyback)型的。
下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明，从如下的描述中，本发明的其它优点和特征将变得更加明显。
图1表示一个已知的与电路断路器相关联的解扣装置的电路图。
图2表示根据本发明的第一实施例的解扣装置的电路图。
图3表示根据本发明的第二实施例的解扣装置的电路图。
图4a-4d显示了在根据图2或图3的解扣装置中代表调节模式的电信号。
图5表示根据图3的解扣装置的详细电路图。
图1表示一种已知类型的电路断路器，要保护的电源***1包括与可以建立或中断电流的触点2相连接的导线。与电源***的各条导线相连的电流传感器T1、T2、T3把很大的主电流转换成与各电子解扣装置相兼容的次级电流。次级电流被加到整流和检测电路3的输入端。这个电路把表示电流的各个信号提供给电子处理单元4，并把供电电流提供给解扣装置的第一供电线路7。由处理单元4产生的解扣命令被加到控制继电器5的输入端，该控制继电器5驱动电路断路器触点2的打开机械装置6，供电线路7通过供电线10给解扣装置的电子线路，特别是处理单元4，继电器5和辅助电路8供电。
当由各传感器提供的电流不再足够时，连接在外部电源11和供电线10之间的第二供电线路9供电给解扣装置及电子线路4、5和8等部分。
在图1中，第一供电电路7把各传感器提供的电流Itc转换成提供给电线10的一个或数个直流电压。第二供电线路9把由电源11提供的第一直流或交流电压VL转换成提供给供电线10的第二直流电压。该供电线最好与外部电源11电流地(galvanically)分隔开。
在由图2所表示的电子解扣装置中，电流互感器T1、T2和T3分别与三个桥式整流电路3a、3b和3c的***输入端相连接。这些桥式整流电路的正输出端与导线12相连接，所述的桥式整流电路的负输出端与参考线0相连接。导线12把各桥式整流电路的正输出端与第一供电线路7的输入端连接在一起。由电流互感器产生的次级电流经过桥式整流电路3a、3b和3c整流之后，然后被提供给第一供电线路7的输入端。
采用目前工艺水平，第一供电线路7包括连接在与导线12相连的输入端和与供电线10相连的输出端之间的二极管13；连接在输出端和参考线0之间的电容器14；连接在输入端和参考线0之间的晶体三极管15；和连接在供电线10和参考线0之间并包括与晶体管15的控制电极相连接的输出端的第一断路调节器16。
由互感器T1、T2或T3提供的电流是通过、桥式电路3a、3b或3c整流的。然后只要晶体管处于关闭状态，所述的电流流经二极管13，对电容器14充电，并提供给与导线10相连接的电路。当导线10和参考线0之间的电压，即电容器14的端电压Vc超过一个预置的电压阈值时，断路调节器16发出命令打开晶体管15。则来自互感器的电流被分流到参考线0中，不再流过供电线10。二极管13阻塞了该电容器放电给晶体管15。
断电调节器16根据供电线10上所出现的电压打开或关闭晶体管15。断电频率和周期比率依据来自互感器的电流和与导线10相连接的电路所吸收的电流而变化。如果来自互感器的电流增大，晶体管处于打开状态的平均时间也增大，该晶体管处于关闭状态的时间减小。该电容器的充电电流也变大。
根据本发明的第一实施例，图2的解扣装置包括连接在第二供电线路9和供电线10之间的电流控制电路17。电路17包括接收由供电线路9提供的直流或整流过的电压的输入端和把调节的电流提供给导线10的输出端。当互感器T1、T2和T3的次级电流增大时，电路17的电流调节使得由电路17提供给导线10的电流的平均值降低。
调节电路17包括串联地连接在其输入端和输出端之间的晶体三极管18和二极管19，和与晶体管18的基极相连接用来控制对导线10的电流提供的控制装置20。控制装置20控制晶体管的断路。它包括通过用同步线S与断路调节器16相连接的输入端。
在本发明的这个实施例中，该控制装置是与断路调节器16同步的。当该调节器检测到线电压升高时，它发出命令打开晶体管15以分流供电线路7的输入电流，并把一个信号送到装置20以便阻止调节电路17的电流输出。
通过调节电路17提供的电流是与电容器14的充电同步的。当晶体管15处于关闭状态时，来自互感器的电流和来自电路17的电流加起来对电容器14充电，于是增加了导线10的电压。在电容器的放电过程中，来自互感器的电流被分流到导线0，通过电路9和17提供的电流为0。
电容器14的充电时间依赖于互感器提供的电流值和电路17提供的电流值。由电路17提供的电流平均值依赖于相应于电容器17的充电和放电时间的周期比率。只有当电容器充电时电路17才把电流提供给导线10。当互感器提供的电流增大时，电容器的充电时间减少，由电路17提供的平均电流也降低。
图3显示了根据本发明的解扣装置的另一个实施例。调节电路17的输出是与第一供电线路7的输入端相连接的。调节器16包括将导线10的电压与一参考电压进行比较并控制晶体管15的运作的带有滞后(hysteresis)的第一比较器21。电路17包括连接在电路17的输入端和输出端之间的受控限流器22。
控制电路20包括第二比较器23，第二比较器23具有与电路17的输出端相连接的第一输入端，与一参考电压相连接的第二输入端和与用来控制电路17的输出电流的限流器22相连接的输出端。
控制电路20与断路调节器16的同步是通过把电路17的输出端和电路7的输入端连接在一起的方法来实现的。当电容器必须被充电时，比较器21发出命令关闭晶体管15。则来自互感器T1、T2和T3的电流流向电容器14和导线10。电路20的比较器23在电路17的输出上检测到一个高电压Vt(处于关闭状态的晶体管15的端电压)，并发出命令通过电路17把电流提供到电路7的输入端上。通过电路17提供的电流被加到来自电流互感器的电流中。
一旦电容器14的端电压Vc，即导线10上的电压达到一个预置的阈值，比较器21发出命令打开晶体管以分流电路7的输入电流。通过晶体管15开线的短路使得电路7的输入端和电路17的输出端处电压Vt下降。比较器23探测到这个由于短路引起的低电压并使限流器22失去作用以中断把电流提供到电路7的输入中。
与第一实施例中的情况一样，只有当电容器充电时电路17才把电流提供给导线10。此时，电流流经第一供电线路7。
在图3中，第二供电线路9的一种具体实施例包括与外部电源11相连接的整流电路24；与整流电路的输出端相连接的限压器25；和与限压器25的输出端相连接并把电压提供给电路17的输入端的断路器26。
整流器24包括与外部电源11相连接的输入端和提供直流或偏置(极化)电压的输出。电源11可以是直流的，也可以是交流的；即可以是单相的，也可以是三相的。电路25限制被加到断路器26的输入端的直流电压的最大值。
断路器26包括具有初级绕组28和次级绕组29的互感器27，该初级绕组与断路器的各输入端相连接并通过电子振荡器30供电。次级绕组借助整流二极管31与电路17相连接。互感器27通过电流地把电源11从解扣装置中隔离开。
断路器的工作最好是反馈型的。
在图4a至4c中的各个信号表示了根据本发明的解扣装置的供电的特征。图4a显示了由电流互感器提供的电流Itc，在时刻t0到t1之间，该电流为0。在时刻t1到t2之间，电流的幅度小；而在时间t2到t3之间，电流的幅度大。
图4b显示了晶体管15的状态和其相应的端电压Vt。状态1意味着晶体管15处于关闭状态和电压Vt是高的，很明显其等于导线10上的电压。状态0意味着晶体管15处于打开状态和它的端电压Vt非常低，接近于0伏特。
图4c显示了代表导线10上的电压的信号Vc或电容器14的端电压。电压Vc的变化表示电容器14的充电和放电。
图4d显示了由调节电路17提供的电流Is。
在时刻t0到t1之间，电流Itc为0，通过解扣装置的电流只由电路17提供。电容器的充电时间长，并且在每一个电容器的充/放电周期中，电流Is的提供时间大于该电流Is被断开的时间。在时刻t0时所表示的实施例中，电容器14已经被充电到一个接近于控制打开晶体管15的电压阈值的电压。外部电源已处于工作状态。
在时刻t1到t2之间，电流Itc是低的，该解扣装置被电流Is和电流Itc提供。在每一个周期中，电流Is的供电所持续的时间小于时刻t0到t2之间的时间。因此，由电路17提供到导线10中的平均电流减少。
在时刻t2到t3之间，电流Itc是高的，充电时间缩短。而且在每个周期中，低于所述电流Is被断开的持续时间的电流Is的供电所持续的时间小于从时刻t1到t2之间的时间。因此，通过电路17提供到导线10上的平均电流减少得更多。
图5显示了根据图3的解扣装置的电源的一具体实施例的详细图示。在这个图中，只有互感器T1被表示出来。整流器3a由四个二极管32、33、34和35连接成一个全波整流器表示出来。二极管32和33的负极把正电流提供给与晶体管15和二极管13相连接的导线21，二极管34和35的阴极接收通过一测量电阻36和参考线0的反馈电流。
调节电路16包括根据滞后周期进行操作的比较器21。电阻37、38和39分别连接在比较器非倒相输入端与比较器的输出端，导线0和导线10之间，因此，它决定滞后的阈值和窗口值。连接在倒相输入端和导线0之间的齐纳二极管40设定比较器的参考电压。二极管40的取向(polarization)是通过连接在导线10和该二极管的负极之间的电阻41进行的。与二极管40并联的电容器42改善了加电时的操作。比较器的输出端是通过把该比较器的输出端连接到导线10的电阻43上来偏置的。连接在比较器21的输出端和晶体管15的栅极之间的齐纳二极管限制晶体管的控制电压。晶体管15的栅极和齐纳二极管44的偏置是通过把晶体管15的栅极与导线0连接在一起的电阻45来进行的。
断路器26在图5中只有一部分被表示出来，它提供一个偏置电压。这个电压是一个直流电压，或者更一般地，是脉冲形式的。该断路器电压通过导线46被施加到限流器22上，限流器22包括具有通过电阻48与导线46相连接的发射极的晶体管47。该晶体管47的基极电压是由连接在该基极和导线46之间的齐纳二极管49和连接在二极管49的正极和导线0之间的偏置电阻50决定的。被限制的电流的数值由下式给出：(V2-Vbe)/R，其中V2是齐纳二极管49的电压，Vbe是晶体管47的基极一发射极电压，R是电阻48的阻值。
限流器的输出是在晶体管47的集电极上得到的。被限制的电流流经二极管51，然后加到导线12上来自互感器的电流中。当提供的电流只由电路17提供时，连接在晶体管47的集电极和导线46之间的电阻52才使导线10上的电压的调节被触发并且进行调节。
控制电路包括比较器23和控制晶体管58。比较器的倒相输入端与由两个电阻53和54形成的电阻式分压器桥的公共点相连接。电阻53是连接在该公共点和导线10之间的，电阻54是连接在导线0和该公共点之间的。电容器55是与电阻54并联的，用来滤波分压器桥的电压。电阻式分压器桥的电阻53、54把一个参考电压施加到比较器23的倒相输入端上。比较器23的非倒相输入端是与限流器22的输出端相连接的，也就是说，是与晶体管47的集电极相连接的。
比较器23的输出端是通过电阻56与晶体管58的控制栅极相连接的。偏置电阻57连接在晶体管58的栅极和源极之间。
当晶体管15处于关闭状态时，导线12的电压是一个高值，比较器23的非倒相输入端的电压高于施加到其倒相输入端的参考电压，且比较器23并不发出命令打开晶体管58。则限流器22提供一个电流，这个电流被加到互感器T1的电流中。
如果导线12的电压升高，比较器21发出命令打开晶体管15。比较器23的非倒相的输入端电压变成低于施加在倒相输入端的参考电压。则比较器23的输出端发出命令打开晶体管58，晶体管58使齐纳二极管49短路。然后，晶体管47关闭，限流器只提供一个非常低的电流值流经电阻52。
根据本发明的解扣装置通常包括带有磁路的电流互感器，这些磁路提供电流测量信号和电源。在其它的实施例中，根据本发明的解扣装置可以包括用来测量电流的罗戈斯基(Rogowski)环状空心互感器(air transformer)和用来测量电源的磁路互感器。
在上述的实施例中，只有单一的供电线10提供解扣装置的电路。但根据本发明，可以采用包括多条供电线的解扣装置，这几条供电线可以设计成用于各种各样的电路，并且有不同的电压。

Claims (9)

1、用于电路断路器的电子解扣装置，包括：
-至少一个电流传感器(T1、T2、T3)，提供代表流入由该电路断路器保护的电源***(1)的导线中的电流的次级电流；
-处理单元(4)，用来接收代表流入由该电路断路器保护的电源***的电流的信号，并提供解扣命令；
-第一供电线路(7)，包括与所述的电流传感器相连接的输入端；与提供解扣装置的电和电子线路(4、5、8)的供电线(10)相连接的输出端；和连接在所述第一供电线路的输入端和输出端之间的第一调节装置(15、16)，和
-第二供电线路(9)，包括与外部电源(11)相连接的输入端和与供电线(10)相连接的输出端；
-解扣装置，其特征在于，其包括第二调节装置(17)和控制装置(20)，其中所述第二调节装置(17)包括与第二供电线路(9)的输出端相连接的输入端和与供电线(10)相连接的输出端；所述控制装置(20)与第一断路调节装置(15、16)相连接，用于控制第二调节装置(17)，以当电流传感器提供的电流增大时，降低该第二供电装置提供的平均电流。
2、根据权利要求1所述的解扣装置，其特征在于，第二调节装置(17)包括连接在所述调节装置的输入端和输出端之间的限流装置(18、22、47、48、49)，该限流装置是受该控制装置(20)控制的。
3、根据权利要求1和2所述的解扣装置，其特征在于，第一调节装置(15、16)包括第一断路调节器(15、16、21、37-44)，第二调节装置(17)包括第二断路调节器(18、20、22、58、56、57)，以及控制装置(20)包括连接在第一和第二断路调节器之间的同步装置(5、23、53-55)。
4、根据权利要求3所述的解扣装置，其特征在于：
-第一断路调节器(15、16、21、37-44)包括与第一调节装置的输入端相连接的电流分流装置(15)和连接在供电线和该分流装置之间的第一检测装置，当供电线电压超过第一预置阈值时，所述检测装置发出命令使第一调节装置的输入端短路。
-第二断路调节器包括由控制装置(20)控制的电流中断装置(18、22、47、58)，当第一调节装置发出命令短路第一调节装置的输入端时，该控制装置(20)发出命令中断由第二调节器提供的电流。
5、根据权利要求1至4的任一个所述的解扣装置，其特征在于，第二调节装置(17)的输出端与第一调节装置(16)的输入端相连接。
6、根据权利要求1至4的任一个所述的解扣装置，其特征在于，第二调节装置(17)的输出端与第一调节装置(16)的输出端相连接。
7、根据权利要求1至6的任一个所述的解扣装置，其特征在于，第二供电线路(9)包括与外部电源(11)相连接的整流电路(24)；与整流电路的各输出端相连接的限压器(25)和与该限压器(25)的各输出端相连接并把一个电压施加到第二调节装置(17)的输入端的断路器(26)。
8、根据权利要求7所述的解扣装置，其特征在于，该断路器(26)包括具有初级绕组(28)和次级绕组(29)的互感器(27)，该初级绕组(28)通过一振荡器(30)供电，该次级绕组(29)与初级绕组相电分隔开，并与第二调节装置(17)的输入端相连接。
9、根据权利要求8所述的解扣装置，其特征在于，该断路器(26)是反馈型的。
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