專利名稱：選擇性電子斷路裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種與電路斷路器有關(guān)的選擇性電子斷路裝置，并包括-測量流過電路斷路器的電流的裝置；-處理裝置，連接到該測量電流的裝置并包括用于確定代表電流峰值的量值的裝置和用于比較所述量值與瞬間斷路閾值以便當(dāng)所述量值超過所述閾值時提供一個瞬間斷路信號的裝置。
已知電子斷路裝置包括一般具有微處理器的處理單元，具體執(zhí)行長延遲、短延遲和瞬間斷路功能。為了實現(xiàn)在串聯(lián)或級聯(lián)連接的兩個電路斷路器之間的選擇性，已知提供給上線路(up-line)電路斷路器高額定值和提供給下線路(down-line)電路斷路器低額定值。在這種情況下，瞬間斷路的選擇是電流強度型的，下線路電路斷路器的瞬間斷路閾值低于上線路電路斷路器的閾值。
還已知兩個電路斷路器之間使用一種基于時間的選擇性。在這種情況下，上線路電路斷路器的斷路裝置具有比下線路電路斷路器的斷路裝置的瞬間斷路時間大的瞬時短路延遲。當(dāng)短路電流非常高時，這兩種選擇性的類型不是始終有效的，因為在兩個電路斷路器達到高電流閾值并且相關(guān)斷路器的太長的時間延遲可能導(dǎo)致上線路電路斷路器的接點過早地耗損。
為了減小上述的缺點，文獻EP-A-128084中已經(jīng)提出了一種選擇性斷路裝置，該裝置包括一個計數(shù)器，在短路的情況下，能夠計數(shù)電路斷路器接點的連續(xù)開-關(guān)周期。
文獻EP-A-872939中還提出一種解決方案，如果對低于預(yù)置的閾值的主電流檢測斥力(repulsion)，則可以使瞬間斷路命令無效。
在圖3和圖4中詳細描述的另外一種選擇性瞬間斷路，當(dāng)電流超過第一低的閾值和在這個時間延遲以后的第二較高的閾值，利用一個時間延遲。
在所有公知選擇性斷路裝置中，在作出瞬間斷路判斷前，實際上需要等待至少兩個短路電流峰值，這導(dǎo)致電路斷路器接點的有害的耗損。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種不存在這些缺點的選擇性斷路裝置。按照本發(fā)明的選擇性斷路裝置具有比公知選擇性斷路裝置快的特點，同時實現(xiàn)利用下線路電路斷路器的選擇性，使得在短路發(fā)生的情況下接點耗損降低到盡可能地小。
這個目的是通過這樣來實現(xiàn)的，即處理裝置包括用于確定代表電流達到峰值所需時間的第二量值的裝置；和用于根據(jù)該第二量值的遞減函數(shù)確定瞬間斷路閾值的裝置。
按照本發(fā)明的開發(fā)，瞬間斷路閾值根據(jù)配置在第一和第二之間的代表電流峰值包絡(luò)的一條曲線按照第二量值改變，當(dāng)相關(guān)的電路斷路器不與另外的連接到下線路的電路斷路器串聯(lián)連接時，獲得第一曲線，當(dāng)相關(guān)電路斷路器與連接到下線路的另外電路斷路器串聯(lián)連接時，獲得第二曲線。該第一和第二曲線最好是利用實驗確定。
因此，當(dāng)相關(guān)電路斷路器與下線路電路斷路器串聯(lián)連接時，按照本發(fā)明的斷路裝置能使相關(guān)的斷路器在沒有情況時不開路。但是，在不存在下線路電路斷路器的情況下，在小于一個電流半周期下檢測出該電路斷路器不存在，這樣能使在短路的情況下接點的斥力的破壞影響減到最小。
附圖簡述從下面僅作為非限制性例子的并結(jié)合附圖表示的具體實施例的描述中，其它優(yōu)點和特點將變得更為清楚，其中

圖1以方框圖形式表示其中本發(fā)明可以實施的已知類型的斷路裝置；圖2示意性地表示包括其中按照本發(fā)明的斷路裝置可以使用的串聯(lián)連接的電路斷路器的電氣安裝的一個具體實施例；圖3和4表示利用時間延遲的公知型選擇性瞬間斷路裝置的操作；圖5和6表示具有一定的極限容量的斷路裝置中預(yù)期短路電流的兩個不同值(虛線)的主電流Ip(實線)相對于時間的變化；圖7表示代表分別在單一電路斷路器(虛線)中和在與位于下線路(實線)的另外的電路斷路器串聯(lián)相連的電路斷路器中實驗測量的主電流Ip隨時間變化的兩族曲線；圖8表示當(dāng)電流Ip的第一峰值出現(xiàn)時，單一電路斷路器和利用兩個串聯(lián)相連的電路斷路器的分別相對于時間tc的兩族曲線的峰值包絡(luò)E1和E2，曲線E3表示按照本發(fā)明的瞬時斷路閾值；
圖9到12表示代表按照本發(fā)明的瞬時斷路閾值的S值相對于電流達到峰值所需時間tc的曲線的各種實施例；圖13表示按照本發(fā)明在斷路裝置中測量的電流I相對于時間的變化；圖14是圖13的另一個實施例，其中斷路裝置通過取樣執(zhí)行電流I的測量；圖15和16表示能夠用于按照本發(fā)明的斷路裝置的處理流程的兩個可替代的實施例；圖17和18表示能夠用于本發(fā)明的斷路裝置的已知類型電流傳感器的兩個具體實施例。
優(yōu)選實施例的詳細描述在圖1中，電路斷路器的接點1能使在電源系統(tǒng)2的導(dǎo)線中流動的電流被中斷，在提供的特定的實施例中該電源系統(tǒng)是三相的。與電路斷路器相連的電子斷路裝置包括連接到饋送代表流過電源系統(tǒng)導(dǎo)線的主電流的信號的電流傳感器4a、4b和4c的處理單元3。處理單元3可以執(zhí)行各種斷路功能，并當(dāng)需要時饋送斷路信號到相關(guān)的電路斷路器的接點1的開路繼電器5。在圖1表示的處理單元3包括最好是基于微處理器的電路的處理電路6，可以經(jīng)整形電路7接收代表所測量的電流的信號I。整形電路具體執(zhí)行由電流傳感器饋送的信號的整流。
處理單元還包括給處理電路提供適當(dāng)電源電壓Vdc的電源電路8。在圖1表示的實施例中，斷路裝置是自供電的，即，電源電路8是由電流傳感器4a、4b和4c經(jīng)整形電路7饋電的。在電路斷路器開路以后，電源電壓Vdc不存在。
在圖2中表示的電氣安裝包括第一電路斷路器9或上線路電路斷路器，其連接到主線路10并饋電到次線路11，次線路連接到兩個下線路電路斷路器12和13。
如果短路發(fā)生在由下線路斷路器饋電的線路14，圖2中的電路斷路器12、上線路電路斷路器9檢測到這一故障。但是，其應(yīng)該進行選擇，并且在這種情況下，不能立即斷路。實際上，下線路電路斷路器12也檢測到這一故障，開路并消除短路電流。選擇性的上線路斷路器9不再檢測到故障，不進行斷路，并繼續(xù)對諸如電路斷路器13的其它斷路器或設(shè)備供電。
當(dāng)短路發(fā)生在直接由上線路斷路器9供電的線路11時，僅由上線路斷路器9檢測到。在這種情況下，上線路斷路器9必須盡可能快地斷路。
在現(xiàn)有技術(shù)中，上線路斷路器的選擇性是例如由一種連接到上線路電路斷路器的并利用時間延遲的選擇性斷路裝置實現(xiàn)的。參照圖3和4對這種斷路裝置的操作進行簡單描述。
選擇性斷路裝置的處理單元6比較電流I與一個低的閾值Sb。當(dāng)在時間t1(圖3)達到這個閾值時，時間延遲信號A改變值。例如，在圖4中的時間t1，信號A從0變化到1。在預(yù)置時間延遲持續(xù)期T，信號A保持這個值1，然后在時間t2復(fù)原到其初始值0。在一個優(yōu)選實施例中，對于工作在50Hz的供電系統(tǒng)，該時間延遲具有持續(xù)期T=8.125ms。
在整個時間延遲持續(xù)期中，選擇性斷路裝置不進行斷路。然而，如果存在一個下線路斷路器，在這段期間選擇性斷路裝置能使下線路斷路器清除故障。在該時間延遲結(jié)束時，選擇性斷路裝置比較電流I與Sh＞Sb的高閾值。如果下線路電路斷路器在t2前的時間延遲期間已經(jīng)清除了故障，則由選擇性斷路裝置測量的I不超過閾值Sh。另一方面，在時間t2，或者由于不存在下線路電路斷路器，或者由于后者的不正常工作，或者由于該故障不影響下線路電路斷路器(例如，在圖2的線路11短路)，故障可能沒有被清除。在這種情況下，如圖3所表示，電流I超過高閾值Sh并且選擇性斷路裝置引起上線路電路斷路器開路。因此上線路電路斷路器的斷路被延遲并且例如為14ms的這個延遲引起線路斷路器的損傷。在上線路電路斷路器中流過的故障電流在其達到它的峰值兩倍前是不會斷開的。實際上，具體取決于取樣頻率，在上線路電路斷路器發(fā)生開路前，經(jīng)過峰值經(jīng)常需要等待3個階段。
本發(fā)明的目的是消除這種缺點。如果下線路電路斷路器存在并且能夠很快地斷路，或如果下線路斷路器不存在，能夠在小于半個周期內(nèi)很快地斷路，按照本發(fā)明的選擇性斷路裝置必須能夠不斷路，使得上線路斷路器的接點的斥力(repulsion)破壞影響最小，并增加由該電路斷路器能夠執(zhí)行斷路操作的次數(shù)。
在短路電流事件發(fā)生時，本發(fā)明取流過上線路電路斷路器的主電流的某些部分。
已知在短路發(fā)生的情況下，電路斷路器具有某種限制能力，這種能力取決于電路斷路器的類型。圖5和6表示對于預(yù)期的短路電流的兩種不同值的主電流Ip相對于時間的變化。在圖5中，預(yù)期的150kA rms的短路電流(虛線)給出峰值為35kA、持續(xù)期為3ms的限定電流。另一方面，在圖6中，低于圖5的例如為100kA rms(虛線)的預(yù)期的短路電流，產(chǎn)生峰值略低于前者的峰值為30kA的、持續(xù)期大于前者的持續(xù)期為6ms的限定電流。
圖7表示通過實驗獲得的并表示在短路情況下電路斷路器中主電流Ip相對于時間的變化的兩族曲線。以虛線表示的第一族曲線對應(yīng)于一個單電路斷路器。以實線表示的第二族曲線對應(yīng)于當(dāng)短路電流流過下線路電路斷路器時流過上線路電路斷路器的主電流，該上線路電路斷路器是與下線路電路斷路器串聯(lián)連接的，產(chǎn)生額定值(rating)比上線路電路斷路器低的下線路電路斷路器接點的斥力(repulsion)，并限制流過兩個電路斷路器的短路電流。在每個曲線族中，如圖5和6所示，不同預(yù)期短路電流值獲得不同曲線，當(dāng)?shù)谝环逯惦娏鞯姆冉档蜁r，主電流的持續(xù)期增加。
還可以看出，對于相同預(yù)期短路電流，當(dāng)下線路電路斷路器已經(jīng)被抑制時(實線)第一峰值出現(xiàn)比當(dāng)上線路斷路器是單獨(虛線)時更快。在圖7中，兩族曲線的峰值的包絡(luò)已經(jīng)被粗體線表示出來。
對于每族曲線，進行了測試來修改兩族曲線的預(yù)期短路電流和測試結(jié)束角度(相對于零交叉的偏移)，以便考慮到對于短路設(shè)想的各種不同情況(幅度、對稱、非對稱的短路等)。按照這種方式，當(dāng)?shù)谝环逯党霈F(xiàn)時，可以對每個電路斷路器繪制出相對于時間tc的兩族曲線的峰值Ic的包絡(luò)。在圖8中，曲線E1對應(yīng)于利用單電路斷路器獲得的包絡(luò)和曲線E2對應(yīng)于利用串聯(lián)連接的上線路和下線路電路斷路器獲得的包絡(luò)。因此，當(dāng)?shù)谝环逯党霈F(xiàn)時，峰值電流幅度Ic的兩個值都與時間tc1相關(guān)，第一個值Ic1對應(yīng)于電路斷路器是單獨的情況(曲線E1)，并且第二個值Ic2對應(yīng)于電路斷路器與下線路電路斷路器串聯(lián)的情況(曲線E2)。當(dāng)?shù)谝环逯党霈F(xiàn)時，在每個tc1時間，第二個值Ic2低于第一個值Ic1。
本發(fā)明利用這種特性使選擇性斷路裝置能夠當(dāng)短路發(fā)生時區(qū)別電路斷路器是單獨的情況和下線路電路斷路器相串聯(lián)的情況，從而相應(yīng)地調(diào)整其瞬間斷路對策。
為此，定義一個瞬間斷路閾值S，當(dāng)電流信號峰值出現(xiàn)時，它是一個時間tc的遞減函數(shù)。在圖8中，曲線E3代表這個函數(shù)S(tc)。曲線E3位于曲線E1和E2之間。因此，包括在曲線E1和E2的相關(guān)值(Ic1、Ic2)之間的閾值(S1)-Ic2＜S1＜Ic1對應(yīng)于當(dāng)?shù)谝环逯党霈F(xiàn)時的時間的每個值(tc1)。
電路斷路器額定值之間的距離越大曲線E1和E2之間的距離越大。這個距離還隨著下線路電路斷路器的極限容量而增加。下線路電路斷路器的極限容量越高，對應(yīng)的峰值越低。利用具有較好的極限容量的下線路電路斷路器和容量沒有限制的上線路電路斷路器，獲得最佳的距離，上線路電路斷路器的額定值至少是下線路電路斷路器的額定值的兩倍。
值Ic代表主電流的峰值。選擇性斷路裝置實際上以非常方便的方式使用電流傳感器測量的值。
按照本發(fā)明的第一實施例，如圖9和10所示的函數(shù)S(tc)是一種階梯函數(shù)(step function)。這種類型的函數(shù)特別適合以表的形式存儲在基于微處理器的斷路裝置中。
在圖9中，表示了兩個曲線S(tc)，曲線E3b相對于曲線E3a在時間上是交錯排列的。曲線E3a被用于自供電斷路裝置(圖1)中，其中處理電路的供電僅經(jīng)電流傳感器提供，即，處理單元是不事先供電的。曲線E3b被用于斷路裝置被例如由輔助電源始終供電的情況(先對處理單元供電)(或在短路電流出現(xiàn)時電路斷路器在額定電流下已經(jīng)工作)。
在圖10中，曲線E3d相對于曲線E3c在幅度上是交錯排列的。例如，曲線E3c被用于與額定值250A的電路斷路器相關(guān)的斷路裝置，而曲線E3d被用于與例如為630A的較高額定值電路斷路器相關(guān)的斷路裝置。對于相同的時間tc值，對應(yīng)于曲線E3d的閾值大于對應(yīng)于曲線E3c的閾值。
對應(yīng)于各種可能選擇(有或沒有先供電、不同額定值)在選擇性斷路裝置中可以提供多個表，并當(dāng)進行其安裝時，使在斷路裝置中選擇的選項有效。
按照本發(fā)明的另一個實施例(圖11)，函數(shù)S(tc)可以由多個不同斜率的直線段構(gòu)成的。如圖9和10所示，這個函數(shù)可以按照各種可能的選擇在時間上或在幅度上分級(staggered)。
上述同樣適用于圖12的實施例的情況，其中函數(shù)S(tc)從數(shù)學(xué)函數(shù)得到的。
下面將參照代表饋送到斷路裝置(在沒有斷路的情況)的處理電路6的電流I相對于時間變化的圖13，說明按照本發(fā)明的選擇性斷路裝置的一個在這個具體實施例中，處理電路將電流I與一個低閾值比較。只要達到這個閾值(時間t3)，斷路裝置初始化需要達到它的第一峰值Ic(時間t4)的時間Tc的計數(shù)。利用上面定義的類型的預(yù)定曲線S(tc)，斷路裝置相應(yīng)地調(diào)整瞬間斷路閾值為S(tc)值。在時間t4，如果電流Ic超過閾值S(tc)，相關(guān)的電路斷路器被認為是單獨的并且立即產(chǎn)生斷路命令。另一方面，在時間t4，如果電流Ic仍然低于閾值S(tc)，則斷路裝置認為，相關(guān)的電路斷路器是與下線路電路斷路器串聯(lián)連接的，并且不進行斷路，然后下線路電路斷路器清除該故障。
因此，在沒有下線路電路斷路器的情況下，對于自身連接的電路斷路器不存在斷路時間延遲，因此降低該電路斷路器的耗損。信號的第一峰值(t4)一出現(xiàn)就將被判定沒有時間延遲，利用本發(fā)明的選擇性斷路裝置，電路斷路器對短路能夠執(zhí)行的斷路數(shù)量可以從現(xiàn)有技術(shù)的2或3增加到6到9。
按照一個優(yōu)選實施例，正如圖14所表示，斷路裝置的處理電路通過取樣執(zhí)行電流測量。電流是利用預(yù)置的取樣周期Te進行取樣的。
按照圖15的流程圖，處理從初始化步驟F1開始，在這期間代表電流達到峰值的時間的量值Tc被復(fù)位為0。然后，處理電路執(zhí)行(F2)電流樣值的測量。然后，比較(F3)這個樣值的幅度與低閾值Sb。如果這個幅度低于或等于Sb(F3輸出否)，則電路返回步驟F2。如果已經(jīng)達到該閾值Sb(F3輸出是)，處理電路遞增Tc的值(F4):Tc=Tc+1。因此，當(dāng)?shù)谝粯又档姆?圖14置的I1)超過閾值Sb時，量值Tc取值1。然后，處理電路確定(F5)與這個Tc值相關(guān)的閾值的值S(Tc)。然后檢查(F6)是否已經(jīng)對達到峰值。如果是沒有達到的情況(F6輸出否)，則在返回步驟F4前，執(zhí)行新的I的測量(F7)。在每個新的樣值情況下，量值Tc被遞增并且對應(yīng)的閾值被確定。當(dāng)達到峰值(F6輸出是)時，處理電路比較最后的樣值與閩值S(Tc)。如果該閾值未被超過(F8輸出否)，則處理完成，短路電流被下線路斷路器處理掉。另一方面，如果該閾值被超過(F8輸出是)，則處理電路觸發(fā)(F9)電路斷路器。
在圖16的另外一個實施例中，去掉步驟F5，并由在F6和F8之間執(zhí)行的等效步驟F10替代。因此，在第一實施例中，閾值被不斷地適配測量的量值Tc的最后的值。另一方面，在第二實施例中，閾值僅在當(dāng)峰值已經(jīng)達到時進行確定，這種方法最小化每個樣值的處理時間。
在一個優(yōu)選實施例中，當(dāng)電流值下降時，即當(dāng)最后樣值的幅度小于以前的樣值時，認為達到了峰值。在圖14中，第5樣值(I5)的幅度小于以前的樣值(I5＜I4)。因此，當(dāng)量值Tc等于5時認為已經(jīng)達到峰值，這個5代表取樣周期Te的5倍。然后，對應(yīng)于這時間的閾值被用于進行判斷如果要求的話執(zhí)行瞬間斷路。
為了使獲得的結(jié)果可靠，由傳感器提供的電流應(yīng)當(dāng)表示主電流。傳感器的剩磁(remanence)越小，其越不飽和，結(jié)果越可靠。圖17和18表示滿足這些條件的已知的兩種類型的電流傳感器。
按照圖17的電流傳感器是一種線性傳感器。它包括一個磁路和一個由線圈16形成的次級繞組。一般，由一疊矽鋼片構(gòu)成的磁路圍繞有流過將要測量的主電流的電源系統(tǒng)的導(dǎo)線17。磁路15的部分18通過次級繞組的中心并構(gòu)成線圈16的鐵芯。
在圖18中表示的電流傳感器的優(yōu)選實施例是在文獻EP-A-704867中描述的具有分路效應(yīng)(shunt effect)的鐵芯傳感器。該傳感器包括一個磁分路19，分路地連接到次級繞組的磁芯上并包含一個空氣隙20。具體，這種類型的電流傳感器比其它類型的傳感器提供更小的剩磁，使得其能更可靠地測量第一峰值。
但是，本發(fā)明并不僅限于一種特定類型的電流傳感器。也可以利用其它類型的線性電流傳感器。例如，可以利用空氣電流傳感器、鐵芯電流傳感器、霍爾效應(yīng)電流傳感器等。
本發(fā)明同樣可以很好地應(yīng)用到單相或者多相電源系統(tǒng)。在多相電源系統(tǒng)中，對每個相位分別執(zhí)行處理。
低閾值Sb(圖13和14)最好是不為0?？紤]到選擇的Sb值對曲線S(tc)進行調(diào)整。
權(quán)利要求
1．一種與電路斷路器(9)相關(guān)的選擇性電子斷路裝置，包括；用于測量流過電路斷路器的電流的裝置(4a、4b、4c)；處理裝置(3)，連接到該電流測量裝置，包括用于確定代表電流峰值的量值的裝置(F2、F7)，和用于比較所述量值與瞬間斷路閾值S(Tc)以便當(dāng)所述量值超過所述閾值時提供瞬間斷路信號(D)的裝置(F8)；斷路裝置的特征在于處理裝置(3)包括用于確定代表電流達到峰值需要的時間的第二量值的裝置(F4)，和根據(jù)該第二量值(Tc)的遞減函數(shù)，確定瞬間斷路閾值的裝置(F5、F10)。
2．按照權(quán)利要求1的斷路裝置，其特征在于，瞬間斷路閾值S(Tc)按照根據(jù)配置在代表電流的各峰值的第一和第二曲線(E1、E2)之間的曲線(E3)的第二量值(Tc)變化，第一曲線(E1)是當(dāng)相關(guān)的電路斷路器(9)未與連接到下線路的另外的電路斷路器串聯(lián)連接時得到的，第二曲線(E2)是當(dāng)相關(guān)斷路器(9)與連接到下線路的另外的電路斷路器(12、13)串聯(lián)連接時得到的。
3．按照權(quán)利要求2的斷路裝置，其特征在于，第一和第二曲線(E1、E2)是通過實驗確定的。
4．按照上述各權(quán)利要求的任何一個的斷路裝置，其特征在于，第二量值(Tc)代表電流從電流超過預(yù)置的低閾值(Sb)的瞬間達到峰值需要的時間。
5．按照上述各權(quán)利要求的任何一個的斷路裝置，其特征在于所述函數(shù)是階梯函數(shù)(step function)。
6．按照權(quán)利要求1到4的任何一個的斷路裝置，其特征在于所述函數(shù)是由多個具有不同斜率的直線段構(gòu)成的。
7．按照上述各權(quán)利要求的任何一個的斷路裝置，其特征在于，對于預(yù)置的第二量值(Tc)，瞬間斷路閾值的幅度隨著電路斷路器的額定值(rating)而增加。
8．按照上述各權(quán)利要求的任何一個的斷路裝置，其特征在于，當(dāng)處理裝置未被事先提供時，所述瞬間斷路閾值的變化曲線按時間交錯排列。
9．按照上述各權(quán)利要求的任何一個的斷路裝置，其特征在于，用于測量電流的裝置包括至少一個線性電流傳感器。
10．按照權(quán)利要求1到8的任何一個的斷路裝置，其特征在于，用于測量電流的裝置包括至少一個具有分路效應(yīng)的鐵芯傳感器。
全文摘要
選擇性斷路裝置的瞬間斷路閾值(S)是代表電流達到峰值需要的時間的變量(Tc)的遞減函數(shù)。該變量曲線S(tc)配置在通過實驗得到的第一和第二曲線之間并且表示電流的峰值包絡(luò)。第一曲線是當(dāng)與選擇性斷路單元相關(guān)的電路斷路器隔離時得到的和第二曲線是當(dāng)與另外的下游電路斷路器串聯(lián)時得到的。
文檔編號H02H7/30GK1321350SQ00801940
公開日2001年11月7日 申請日期2000年1月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月25日
發(fā)明者多米尼克·博多德 申請人:施耐德電器工業(yè)公司