專利名稱：用于斷路器的dc感測和保護(hù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于斷路器的DC感測和保護(hù)的與傳感器結(jié)合的系統(tǒng)。具體來講，本發(fā)明涉及一種與傳感器結(jié)合的緊湊型系統(tǒng)，用于斷路器的多功能DC感測和過流保護(hù)，包括過載保護(hù)、短路電流保護(hù)和瞬時保護(hù)。
背景技術(shù)：
斷路器一般用來保護(hù)負(fù)載設(shè)備，如發(fā)動機(jī)、變換器以及類似設(shè)備，以避免異常電流的損害，所述異常電流產(chǎn)生于諸如輸/配電線路和專用變電設(shè)施這樣的電路。從廣義上來分類，斷路器可分為在AC電源下運(yùn)行的AC斷路器和在DC電源下運(yùn)行的DC斷路器。AC斷路器和DC斷路器的變化均需要電流感測設(shè)備以保證其正常工作。
美國專利4,672,501公開了使用電流傳感器，如電流互感器，以提供具有電路電流采樣指示的斷路裝置。不過這樣的電流互感器在斷路器中要求有實(shí)質(zhì)上的空間，而這種實(shí)質(zhì)上的空間使其體積因容量而增大。
通常用作AC斷路器的這種電流互感器除了體積大且復(fù)雜之外，由于AC和DC電源的運(yùn)行周期的不同，不能夠被用作DC斷路器。
因此，在DC斷路器情況下的電流感測中，DC分流器的使用是人們所熟知的。這樣的DC分流器在額定電流超過時用于持續(xù)地感測電流水平并啟動斷路器。特別地，通過分流器的電壓降落被用于感測的目的。不過，在應(yīng)對大的運(yùn)行電流(在400A到4000A的范圍)和大的故障電流(在30000A到100000A的范圍)時，要求分流器的體積和重量非常大。這同樣也會產(chǎn)生斷路器的體積和重量的問題。很重要的一點(diǎn)是，除了分流器的重量和體積之外，由于具有自熱特性，所以它的能量消耗也非常大。這也會使得有必要在DC分流器與保護(hù)裝置之間使用隔離裝置。出于上述原因，已發(fā)現(xiàn)使用DC分流器來對斷路器特別是大容量斷路器進(jìn)行DC電流保護(hù)是不合適的。
將霍耳效應(yīng)感測用于電流感測也是已知的。
美國專利5,615,075公開了霍耳效應(yīng)傳感器在用于斷路器的AC/DC傳感器中的可能應(yīng)用。在該專利中使用了一種閉環(huán)磁通量集中磁芯。導(dǎo)體穿過C形磁芯間隙并置于兩個磁極之間，而且使用分離的線圈。這樣的霍耳效應(yīng)裝置所要求的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流互感器/分流器所要求的空間，因此對制造重量小、尺寸理想的斷路器很有好處。
美國專利6,106,185進(jìn)一步公開了一種具有關(guān)聯(lián)配電電路的斷路器，這種斷路器具有適當(dāng)?shù)耐庑我蕴峁┘杏陔娮訑嗦费b置內(nèi)霍耳效應(yīng)電流傳感器中的磁通量，以使傳感器更好地感測電流。
雖然上述專利確實(shí)公開了一般在斷路器中的霍耳傳感器的可能應(yīng)用，有助于在實(shí)質(zhì)上減小斷路器的體積和重量，但業(yè)已發(fā)現(xiàn)由于AC電源運(yùn)行周期與DC運(yùn)行周期之間的差異，采用這樣的霍耳效應(yīng)傳感器的直流傳感并不能夠到達(dá)理想的效果，因為其在感測直流水平時表現(xiàn)欠佳而且并不準(zhǔn)確。
除了上述的在DC電流中使用霍耳傳感器的限制以及AC和DC電源特性的不同之外，還有AC保護(hù)系統(tǒng)在DC電源中直接使用或應(yīng)用的問題和限制。特別地，在AC電源中，電流在一個周期中兩次通過零點(diǎn)，但在DC電源中，電流在任何時間點(diǎn)都不會到達(dá)零點(diǎn)，因此，在DC電流斷路期間的燃弧時間比AC電流斷路器要長許多。
因此，有必要為斷路器提供一種DC感測和保護(hù)系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，將分流器用作傳感器而導(dǎo)致系統(tǒng)體積的增大的問題以及涉及到簡單的霍耳效應(yīng)的電流感測方面的局限性會減少。
發(fā)明目的因此，本發(fā)明的基本目的在于提供一種斷路器的DC感測和保護(hù)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)會避免霍耳傳感器在DC電流中的限制，并為斷路器甚至是高階(high order)電流容量的斷路器提供有效的DC感測和保護(hù)。
本發(fā)明的另一個目的在于為斷路器提供DC感測和保護(hù)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能效比高、成本效率高、能夠有效方便地選擇使用霍耳效應(yīng)傳感器，并且與分流器相比，重量輕而且體積小。
本發(fā)明的再一個目的在于為斷路器提供DC感測和保護(hù)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不僅會提供高階DC電流的感測，而且能夠提供斷路器特別是涉及到高階電源的氣動斷路器的直流保護(hù)。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種結(jié)合斷路器的多功能保護(hù)的有效DC感測系統(tǒng)，包括過載保護(hù)、短路電流保護(hù)和瞬時保護(hù)。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠應(yīng)對任何方向的電流，因此斷路器就不會產(chǎn)生負(fù)載線偏壓。
本發(fā)明的再一個目的在于使DC感測元件能夠用于斷路器的不同結(jié)構(gòu)尺寸。
發(fā)明概述因此，根據(jù)本發(fā)明的基本方面，提供一種用于斷路器的DC感測和保護(hù)系統(tǒng)，包括(i)用于斷路器保護(hù)的適于DC電流選擇性總體感測的霍耳效應(yīng)傳感器；(ii)共同使用的磁芯，所述磁芯包括具有一個間隙的開環(huán)磁通量集中鐵芯，所述間隙有一中心孔以適于與電流終端進(jìn)行操作性連接，并被設(shè)計成能夠使霍耳傳感器有選擇性地安裝在磁芯的內(nèi)部；(iii)控制和保護(hù)裝置，所述控制和保護(hù)裝置包括處理裝置和多個選擇性保護(hù)裝置，所述選擇性保護(hù)裝置包括-啟動裝置；-過載保護(hù)裝置；-短路電流保護(hù)裝置；-瞬時電流保護(hù)裝置；-負(fù)載線偏壓(load-line bias)消除裝置；-容量選擇裝置。
附圖的簡要說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的斷路器的后視圖，示出了霍耳效應(yīng)傳感器的設(shè)置。
圖2是沿圖1中的C-C線的側(cè)面剖視圖。
圖3是疊片鐵芯的一個實(shí)施例的俯視平面圖，所述疊片鐵芯具有本發(fā)明的系統(tǒng)中所選擇性地提供的間隙。
圖4是本發(fā)明的系統(tǒng)中所使用的橫向霍耳效應(yīng)傳感器的一個實(shí)施例的示意圖。
圖5示出了包括傳感器和保護(hù)裝置的系統(tǒng)框圖。
圖6示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的三級保護(hù)裝置的時間對電流保護(hù)曲線。
發(fā)明的詳細(xì)描述首先參看圖1，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明的所述斷路器的后視圖，該斷路器用(1)表示。如圖所示，本發(fā)明中的系統(tǒng)包括開環(huán)磁通量集中磁芯(2)，該磁芯有一個間隙(3)和中心孔(在圖3中清楚地示出)，以便于其根據(jù)斷路器如氣動斷路器的電流終端(4)的支持/安裝?；舳?yīng)傳感器(5)安裝在間隙(3)中并優(yōu)選配有具有安裝基座的保護(hù)蓋，以便于選擇性安裝。
所述霍耳傳感器(5)的輸出端與所述基于微控制器的保護(hù)和控制裝置操作性連接，以便于響應(yīng)導(dǎo)體中的電流，對斷路器進(jìn)行感測和保護(hù)。
圖4中示出的線性霍耳傳感器通過一個與導(dǎo)體中的電流成比例的感測信號，來響應(yīng)所述磁通量。
現(xiàn)在參看圖5，該圖以框圖形式示出了介于外部電源與本發(fā)明的系統(tǒng)中的霍耳效應(yīng)傳感器之間的基于微控制器的保護(hù)和控制裝置的運(yùn)行界面。
正如圖5所清楚地示出的那樣，所述分析和保護(hù)裝置基本上涉及(a)傳感器卡，該卡包括用于脫扣操作的電源裝置，用于霍耳傳感器的電源裝置，和信號調(diào)節(jié)裝置，(b)主電源卡，該卡包括脫扣電路和感測以及處理電路，和(c)處理器卡，該卡包括微控制器卡/裝置，所述微控制器卡/裝置具有或不具有附加的指示/設(shè)置裝置。
圖6示出了所獲得的本發(fā)明的系統(tǒng)的三級保護(hù)裝置的時間對電流保護(hù)曲線，用于基于本發(fā)明系統(tǒng)的三級保護(hù)(過載保護(hù)、短路電流保護(hù)和瞬時電流保護(hù))裝置的微控制器的設(shè)置。
本發(fā)明中的系統(tǒng)具有霍耳效應(yīng)傳感器，該傳感器產(chǎn)生被加入到處理裝置的信號?；舳鷤鞲衅髟诟袦yDC斷路器中的電流的有利使用再加上保護(hù)和控制裝置，會對400安培到4000安培的大范圍的運(yùn)行電流中的斷路器提供有效的直流感測和保護(hù)。
所述傳感器的輸出端與基于微控制器的控制和保護(hù)裝置操作性連接。所述控制和保護(hù)裝置有選擇性地包括以下裝置a)過載保護(hù)裝置；b)短路電流保護(hù)裝置；c)和瞬時電流保護(hù)裝置。
在本發(fā)明的上述系統(tǒng)中，各種各樣已知的用于電流感測的、形狀和尺寸不同的任何可獲得的霍耳傳感器均可使用，霍耳傳感器優(yōu)選是橫向類型的，因為這種類型的傳感器適于測量為此目的而在磁芯中提供的薄間隙中的場。所述霍耳傳感器被夾在C形開環(huán)磁通量集中鐵芯之間。
輸入信號從通用的霍耳效應(yīng)裝置(霍耳傳感器)中產(chǎn)生，被限制在疊片鐵芯中并置于待測DC電流的磁場中。本發(fā)明在全部的電流范圍中采用單個的霍耳效應(yīng)裝置(霍耳傳感器)。所述疊片鐵芯有一間隙，以放置所述霍耳傳感器并促進(jìn)對DC電流的有選擇性和有利的全部感測。將通過這種方式所產(chǎn)生的信號輸入所述電流處理裝置，該電流處理裝置根據(jù)終端用戶所選擇的脫扣設(shè)置來評估該信號。出于此目的的考慮，所述系統(tǒng)包括用于與過流情況有關(guān)的電流和時間延遲的選擇開關(guān)設(shè)置。
所述霍耳效應(yīng)傳感器適用于不同結(jié)構(gòu)尺寸的斷路器，而磁芯尺寸的選擇應(yīng)使其緊貼安裝在載流導(dǎo)體的上方。
所述微控制器保護(hù)裝置用來產(chǎn)生輸出脈沖，該脈沖被輸送到啟動裝置，如去磁離合器。所述離合器的磁桿可以凸出以使所述斷路器跳脫。
重要的是，上述系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需要采用不同的設(shè)置，因此，有可能根據(jù)用戶的需要來改變可選擇的設(shè)置。
特別地，上述控制裝置可根據(jù)用戶所希望的規(guī)格來保護(hù)電力電路和負(fù)載設(shè)備。重要的是，所述系統(tǒng)涉及通過霍耳效應(yīng)傳感器和電流保護(hù)的方式進(jìn)行電流感測，并結(jié)合通過基于微控制器的裝置進(jìn)行電流感測，以便于過載保護(hù)、短路保護(hù)和瞬時保護(hù)。
由本發(fā)明的微控制器裝置中的過載保護(hù)裝置、短路保護(hù)裝置和瞬時保護(hù)裝置所提供的保護(hù)的范圍包括以下示例性的可選的保護(hù)，但并不僅限于此1.過載拾取電流(Ir.)- 0.4到1倍于In設(shè)置- 0.4，0.5，0.6，0.7，0.75，0.8，0.85，0.9，0.95和1.0X In.
延遲(tr)固定的(30秒)2.短路拾取電流(Is)- 0.6到10倍于In設(shè)置- 0.6，1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，6.0，8.0，9.0，10.0x In.
延遲(ts)(毫秒) I2t OFF 100-200-300-400I2t ON 30-100-200-300-4003.瞬時拾取電流(Ip)6In-12In-OFF因此，在過載保護(hù)期間，本發(fā)明的系統(tǒng)提供在0.4到1倍于標(biāo)稱電流(In)范圍的額定電流(Ir)，并對于6倍額定電流(6Ir)提供30秒的延遲時間(tr)。所述系統(tǒng)適用于在0.4到1倍于標(biāo)稱電流(In)范圍的脫扣設(shè)置。在短路電流保護(hù)期間，所述系統(tǒng)提供在0.6到10倍于標(biāo)稱電流(In)范圍的拾取電流設(shè)置(Is)，并帶有固定的(I2tOFF)延遲和可變的(I2t ON)延遲的脫扣設(shè)置。
用于本發(fā)明中基于微控制器的電氣脫扣的上述設(shè)置的時間與電流保護(hù)曲線在圖6中進(jìn)一步示出。
所述系統(tǒng)的控制和保護(hù)裝置中的處理裝置是以微控制器為基礎(chǔ)的電流，并優(yōu)選具有根據(jù)終端用戶的具體用途選擇電流方向的特性。所述控制和保護(hù)裝置具有雙向開關(guān)布置以選擇開關(guān)裝置的線路和負(fù)荷端，這種控制和保護(hù)裝置能夠應(yīng)對任何方向的電流，因此斷路器就不會產(chǎn)生負(fù)載線偏壓。所述電流處理裝置還適用于大范圍的斷路器電流容量，包括通常用于高階電流保護(hù)的氣動斷路器。不過，所述系統(tǒng)能夠有選擇性地應(yīng)用于任何不同的斷路器以進(jìn)行有利的感測，并通過所述系統(tǒng)進(jìn)行DC電流的分析和保護(hù)。
本發(fā)明的系統(tǒng)還包括斷路器容量選擇裝置和脫扣裝置。適用于本發(fā)明的系統(tǒng)的斷路器容量包括800A-1000A-1250A-1600A-2000A-2500A。斷路器的容量可由脫扣器頂端的電位計有選擇地進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明中的脫扣系統(tǒng)還具有熱/冷曲線和熱反射率。所述熱反射率模式和瞬時設(shè)置可通過指撥開關(guān)進(jìn)行選擇。
所述系統(tǒng)可以包括常用的小配件，如顯示過去48小時內(nèi)的故障原因的電力LED、故障指示LED和詢問按鈕，清除所述故障指示LED的清除按鈕以及用于脫扣操作的不脫扣試驗的試驗按鈕。所述系統(tǒng)可適用于高達(dá)80°的運(yùn)行溫度和利用外部裝備進(jìn)行試驗。
因此，有可能通過本發(fā)明中的所述系統(tǒng)的方法來感測、分析和保護(hù)包括大數(shù)值的直流并在直流感測用途中跳脫斷路器。重要的是，所述系統(tǒng)有利于對直流的有效感測，它能夠通過對霍耳效應(yīng)和基于微控制器的分析/保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行有選擇的結(jié)合來對斷路器進(jìn)行分析和保護(hù)以提供過載保護(hù)、短路保護(hù)和瞬時保護(hù)。還有重要的一點(diǎn)是，本發(fā)明中的系統(tǒng)有利于滿足新式斷路器的要求，在這些新式的斷路器中，人們希望不會產(chǎn)生負(fù)載線偏壓。因此，所述系統(tǒng)可用于斷路器的既簡單、通用又有成本效益的DC感測。
權(quán)利要求
1.一種用于斷路器的DC感測和保護(hù)系統(tǒng)，包括(i)用于斷路器保護(hù)的適于DC電流選擇性總體感測的霍耳效應(yīng)傳感器(5)；(ii)共同使用的磁芯，所述磁芯包括具有一個間隙(3)的開環(huán)磁通量集中鐵芯(2)，所述間隙有一中心孔以適于與電流終端(4)進(jìn)行操作性連接，并被設(shè)計成能夠使霍耳傳感器有選擇性地安裝在所述間隙中；(iii)控制和保護(hù)裝置，所述控制和保護(hù)裝置包括處理裝置和多個選擇性保護(hù)裝置，所述選擇性保護(hù)裝置包括—啟動裝置；—過載保護(hù)裝置；—短路電流保護(hù)裝置；—瞬時電流保護(hù)裝置；—負(fù)載線偏壓(load-line bias)消除裝置；—容量選擇裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制和保護(hù)裝置具有基于微控制器的卡，所述基于微控制器的卡用于為所述啟動裝置產(chǎn)生輸出脈沖。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述啟動裝置包括去磁離合器和磁桿，所述去磁離合器和磁桿用于提供過載保護(hù)、短路電流保護(hù)和瞬時電流保護(hù)。
4.如權(quán)利要求1到3中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制和保護(hù)裝置包括a.傳感器卡，包括(i)用于脫扣操作的電源裝置；(ii)用于霍耳傳感器的電源裝置；(iii)和信號調(diào)節(jié)裝置；b.主電源卡；c.和處理器裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器裝置包括處理器卡，所述處理器卡中合并有微控制器卡和可選擇的指示裝置或設(shè)置裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可選擇的指示裝置包括用于顯示過去約48小時內(nèi)的故障原因的電力LED、故障指示LED和詢問按鈕。
7.如權(quán)利要求5或6所述的系統(tǒng)，包括用于清除所述指示LED所指示的故障的清除按鈕。
8.如權(quán)利要求6或7所述的系統(tǒng)，包括用于脫扣操作的不脫扣試驗的試驗按鈕。
9.如權(quán)利要求1到8中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制和保護(hù)裝置配有用于過載保護(hù)的可變設(shè)置器，以提供范圍在0.4到1倍于標(biāo)稱電流(In)的額定電流(Ir)，和對于6倍額定電流(6Ir)提供30秒級別的固定延遲時間(tr)。
10.如權(quán)利要求1到9中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制和保護(hù)裝置配有用于短路電流保護(hù)的可變設(shè)置器，以提供范圍在0.6到10倍于標(biāo)稱電流(In)的拾取(pick-up)電流設(shè)置(Is)，和帶有固定的(I2t OFF)延遲和可變的(I2t ON)延遲的設(shè)置成幾百毫秒的脫扣延遲(tripping delay)設(shè)置。
11.如權(quán)利要求1到10中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述保護(hù)和控制裝置具有雙向開關(guān)布置，以選擇開關(guān)裝置的線路和負(fù)荷端。
12.如權(quán)利要求1到11中任何一項所述的系統(tǒng)，還包括所述斷路器容量的選擇裝置，所述選擇裝置包括適用于容量在800A到2500A的斷路器的電位計。
13.如權(quán)利要求1到12中任何一項所述的系統(tǒng)，還包括脫扣裝置，所述脫扣裝置適合于通過指撥開關(guān)(Dip switch)配置有反射率模式和瞬時設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于斷路器的DC感測和保護(hù)系統(tǒng)，包括霍耳效應(yīng)傳感器、共同使用的開環(huán)磁通量集中鐵芯和控制和保護(hù)裝置，該控制和保護(hù)裝置包括處理裝置和多個選擇性保護(hù)裝置。該系統(tǒng)還包括容量選擇裝置和脫扣裝置。
文檔編號H02H7/22GK1797889SQ20041010265
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者笛派克·莫瑞, 哈沙拉·卡瑪尼 申請人:拉森特博洛有限公司