用于断路器改进式磁性衔铁选择性脱扣装置的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供了用于断路器的选择性装置的方法、设备和系统。本发明包括适于联接到负载导体组件的模块化组件。所述模块化组件包括：脱扣柱塞，包括适于与断路器脱扣机构相互作用的凸轮表面；衔铁，联接到所述脱扣柱塞；轭，适于响应于所述负载导体组件中的电流而产生磁场，并布置成施加与所述衔铁上的电流成正比的磁力；以及弹簧组件，适于逆平衡所述磁力，直到所述负载导体组件中的预限定的脱扣电流。公开了许多附加方面。
【专利说明】用于断路器改进式磁性衔铁选择性脱扣装置的方法和设备
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及断路器，并且更具体地涉及用于断路器的改进式磁性衔铁选择性 脱扣装置（improved magnetic armature selective tripping device)的方法和设备。
【背景技术】
[0002] 现代配电线路由降压变压器馈电，其承载用于传输的较高的传输电压（例如， 1000伏），并将电压转换为较低的更可用的电压。作为一般规则，配电网络设计有更靠近变 压器的更高电流和电压的额定线路保护装置，以及更远离变压器的更低电流和电压的额定 保护装置。简单的配电网络100的示例示于图1中。在该示例中，降压变压器102耦合到 "下游" 2000安培断路器104, "下游" 2000安培断路器104保护以三个分支并行的三个下 游800安培断路器106、108、110。800安培断路器之一 106保护以三个子分支并行的三个 下游250安培断路器112、114和116。最后，250安培断路器之一 116保护以三个子-子分 支并行的三个下游160安培断路器118U20和122。在每个下游阶段中，需要保护的电流量 减少。当电气故障事件发生时，期望为网络100的其余部分保持尽可能多的服务操作。当 网络100能够隔离故障事件并且为网络100的其余部分保持服务时，该应用被称为"选择性 的"。当网络100的未受影响的部分失去电力时（即故障事件仅发生在子分支，但会引起所 有的上游断路器脱扣），该应用是"非选择性的"。
[0003] 图2A和图2B分别更清楚地示出了非选择性应用和选择性应用的区别。图2A描 绘了非选择性网络200A，其中故障事件202已引起断路器122、116和106所有均脱扣，这导 致停电204,停电204让大部分网络200A没有电力服务。与此相反，图2B描绘了选择性网 络200B，其中故障事件202只引起断路器122'脱扣，这导致停电204'，停电204'只让网络 200B的一小部分没有电力服务。
[0004] 为了成为选择性的，线路保护装置（例如断路器）必须确定已发生电气故障的地 方并尽可能地快采取相应的行动。这意味着，上游断路器必须能够区分发生在附近发生的 故障和发生在另一断路器下游的故障。选择性配电系统意味着对电力服务客户降低的停机 成本，甚至在问题发生时更稳定的配电网络。在过去，这已使用脱扣特性曲线得以实现。
[0005] 用于选择性协调线路保护装置的脱扣特性曲线300的示例示于图3中。第一曲线 302表示下游断路器的行为，而第二曲线304表示立即位于该下游断路器上游的断路器的 行为。使用脱扣特性曲线300来实施选择性具有许多局限性，这主要受限于断路器内的接 触系统的物理属性。
[0006] -些制造商已尝试在断路器内部增加额外的装置，以提高断路器区分在脱扣特性 曲线动态断路器行为区域306中已发生电气故障的地方的能力。这些额外的装置通常被设 计为断路器的集成部件，并且针对特定断路器内接触系统的特定物理属性。这些装置对不 同断路器是不适用的或可重复使用的。例如，包括一体形成的、不可拆卸的和非模块化的选 择性装置的现有技术断路器是由瑞士苏黎世的ABB Asea Brown Boveri公司制造的Tmax T6型断路器。这个示例断路器包括基于脱扣特性曲线研发的定制设计的一体化选择性装 置。因此，所需要的是用于改进式磁性衔铁选择性脱扣装置的方法和设备，改进式磁性衔铁 选择性脱扣装置是模块化的并且可以容易地构造用于不同的断路器中。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了用于断路器的选择性装置的方法和设备。所述设备包括适于联接到 负载导体组件的模块化组件。所述模块化组件包括：脱扣柱塞，包括适于与断路器脱扣机构 相互作用的凸轮表面；衔铁，联接到所述脱扣柱塞；轭，适于响应于所述负载导体组件中的 电流而产生磁场，并布置成施加与所述衔铁上的电流成正比的磁力；以及弹簧组件，适于逆 平衡所述磁力，直到所述负载导体组件中的预限定的脱扣电流。
[0008] 在一些其它实施方式中，提供了一种包括选择性装置的断路器。所述断路器包括 包围所述断路器的壳体和所述选择性装置。所述选择性装置包括适于联接到所述断路器的 负载导体组件的模块化组件。所述模块化组件包括：脱扣柱塞，包括适于与断路器脱扣机构 相互作用的凸轮表面；衔铁，联接到所述脱扣柱塞；轭，适于响应于所述负载导体组件中的 电流而产生磁场，并布置成施加与所述衔铁上的电流成正比的磁力；以及弹簧组件，适于逆 平衡所述磁力，直到所述负载导体组件中的预限定的脱扣电流。
[0009] 在又一实施方式中，提供了一种选择性地脱扣断路器的方法。所述方法包括：选 择具有期望形状的凸轮表面，以构造用于断路器的选择性装置的脱扣特性；具有所选择的 凸轮表面的选择性装置安装在断路器的负载导体组件上；以及监测流过负载导体组件的电 流，使得选择性装置反应到接近或超过预限定的安培数的电流。
[0010] 提供了许多其它方面。根据以下的详细描述、所附权利要求书和附图，本发明的其 它特征和方面将更充分地显现出来。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是描绘简化配电网络的示例的框图。
[0012] 图2A是描绘非选择性配电网络的示例的框图。
[0013] 图2B是描绘根据本发明实施方式的选择性配电网络的示例的框图。
[0014] 图3是描绘脱扣特性曲线的示例的图。
[0015] 图4是根据本发明实施方式的断路器的选择性装置的示例的透视图。
[0016] 图5是根据本发明实施方式的断路器的负载导体组件的示例的透视图。
[0017] 图6是根据本发明实施方式的断路器的选择性装置的替代示例的透视图。
[0018] 图7A和7B是示出根据本发明实施方式的断路器的示例选择性装置的操作的侧视 图。
[0019] 图8A和8B分别是根据本发明实施方式的断路器的示例选择性装置的脱扣柱塞的 透视图和侧视图。
[0020] 图9是描绘如何能够根据本发明的实施方式来计算使用本发明选择性装置脱扣 断路器的可用力的图。
[0021] 图10是描绘使用根据本发明实施方式的本发明选择性装置脱扣断路器的示例方 法的流程图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明提供了用于模制管壳断路器（molded case circuit breaker, MCCB)内部 的模块化、可构造的磁性衔铁选择性脱扣装置（例如，选择性装置）的改进式方法和设备， 其可以用于改进配电网络中的线路保护装置之间的选择性协调。本发明的选择性装置包括 可调凸轮轮廓、"U"形轭和弹簧，弹簧具有相对较低的回弹率，以提供增加量的脱扣MCCB可 用能量。本发明有利于提高选择性，特别是在具有较高水平的机构能量的装置中。进一步， 本发明的选择性装置是模块化的，并且可以被构造或调节成附接至各种不同的负载导体/ 电流互感器组件。
[0023] 通过使MCCB更准确地区分电气故障事件何时发生在断路器邻近以及问题何时处 于网络中的更下游，本发明有助于向配电网络提供选择性。在本发明中使用体现为脱扣装 置的选择性装置，当电流以特定量通过MCCB时，脱扣装置被磁激活。触发脱扣装置的特定 量的电流对应于可能只存在于当电气故障直接位于安装选择性装置的MCCB的下游时的电 流水平。代替仅仅基于断路器接触系统的特定物理属性，本发明的选择性装置的脱扣特性 受限于选择性装置脱扣柱塞上的凸轮选定形状。
[0024] 换言之，本发明的脱扣装置的新颖特征在于，凸轮脱扣表面是可调节的。这意味着 一些脱扣特性可以通过简单地改变一个表面的形状而改变。本发明的另一个优点在于其开 放性质。这允许选择具有更平坦回弹率（flatter spring rate)的较大直径的弹簧。更平 坦回弹率确保最大量的能量可被用来脱扣MCCB。在空间受限的同时，此特征有利于增强具 有更高的所需脱扣能量的更大断路器的选择性性能。最后，该装置使用唯一是电子脱扣单 元（ETU)式断路器的载流结构以尽可能模块化（例如，作为一单元是可拆卸的，可构造用于 不同的应用/断路器）这样的方式进行安装。
[0025] 现在转到图4,示出了本发明选择性装置400的示例实施方式。在一些实施方式 中，选择性装置400包括选择性安装基座402,其适于容易地附接至现有的断路器。基座402 支持着包括脱扣柱塞404、脱扣柱塞基座406、两个衔铁板408、两个拉簧410和轭412的组 件。选择性装置400安装到负载导体组件414,负载导体组件414不是选择性装置400的一 部分。
[0026] 注意到，负载导体组件414的现有结构不需要修改，以支撑本发明的选择性装置 400。因此，选择性装置400是可以添加到现有的断路器或从现有的断路器移除的模块化组 件。在图5中描绘了负载导体组件414的详细透视图，没有安装选择性装置400。负载导体 组件414包括编织终端（braid terminal) 502、负载侧导体504和布置其间的电流互感器 506。整个选择性装置400可以只用两个紧固件（例如，螺钉、螺栓等）牢固地和可靠地安 装到负载导体组件414,以与电流互感器506成为一体。这种布置允许设计的最大柔性化和 模块化。选择性装置400可作为可选的增强件安装至基于电子脱扣单元（ETU)的断路器， 或者当不需要选择性时选择性装置400可以容易省略成本降低的断路器。已知现有技术的 选择性装置一体地连接到传导路径并形成传导路径的一部分，使得模块化不可行。
[0027] 现在转到图6,描绘了根据本发明的选择性装置600的替代实施方式。装置600的 替代实施方式适用于断路器的中心极位置（center pole position)。替代装置600的结构 和功能类似于图4所描绘的装置400,除了脱扣柱塞602包括横向偏移构件604,横向偏移 构件604将凸轮表面定位在负载导体组件414的中心外。这种布置便于将凸轮表面与断路 器的脱扣轴（例如，参见图7A，706)容易地对准。否则，如同图4所描绘的装置400,替代 装置600包括选择性安装基座402,其适于容易地附接至现有断路器的现有负载导体组件 414。也如同图4所描绘的装置400,基座402支撑着包括修改的脱扣柱塞602、脱扣柱塞基 座406、两个衔铁板408、两个拉簧410和轭412的组件。
[0028] 选择性装置400(或600)的操作示于图7A和7B中。当电流（由小箭头702表 示）通过负载导体组件414时，磁场（由大箭头704表示）产生在轭412中。磁场704迫 使（即拉动）金属衔铁板408向下克服弹簧410朝向轭412的反力。由于衔铁板408附接 至脱扣柱塞基座406和脱扣柱塞404 (或602)，生成向下的运动。向下运动迫使脱扣柱塞 404 (或602)的凸轮表面在断路器机构710的脱扣轴706上相互作用。脱扣轴706通过如 图7B所示脱扣断路器的相互作用而旋转（由弧形箭头712表示）。
[0029] 现在转到图8A和8B，分别以透视图和侧视图更详细地示出了脱扣柱塞404。凸轮 头802包括凸轮表面804,其适于与断路器机构710 (图7A和7B)的脱扣轴706 (图7A和 7B)相互作用。凸轮头802安装在脱扣柱塞轴806上，脱扣柱塞轴806包括一个或多个导 轨808,以便当它上下移动在脱扣柱塞基座406的消光凹槽（matting grooves)(图4)中 时保持脱扣柱塞404的对准。脱扣柱塞404还包括凸缘810,凸缘810便于联接到衔铁板 408 (图 4)。
[0030] 脱扣柱塞404的凸轮表面804允许选择性装置400被调节或构造用于不同的断路 器和不同的触发电流。通过改变凸轮表面806的形状，可以调整脱扣断路器所需的力的大 小。在一些实施方式中，各种凸轮头802可以具有不同的凸轮表面804,通过选择哪个凸轮 头802附接至脱扣柱塞404,期望的凸轮表面804可简单地进行选择。因此，显著的性能变 化可以实现，对各部件的影响最小。
[0031] 返回参照图7A和7B，显而易见的是，凸轮表面804的倾斜/形状影响着当磁力704 下拉衔铁板408从而下拉脱扣柱塞404时选择性装置400将脱扣断路器的速度。换言之， 如果凸轮表面804的倾斜/形状改变为更垂直，则需要更小的力来下拉脱扣柱塞404,但脱 扣断路器的时间增加。如果凸轮表面804的倾斜/形状改变为更水平，则需要更大的力来 下拉脱扣柱塞404,但脱扣断路器的时间减少。此外，凸轮表面804的斜面可以具有从底部 到顶部的变化斜率，例如使得下拉脱扣柱塞404所需的初始力相对较低（例如，在凸轮表面 的下端有更垂直的斜面），随后所需的力更高，但断路器脱扣更快（例如，朝向凸轮表面的 上端有更水平的斜面）。可以使用调节所考虑的其它形状和性能。总之，调节或选择由本发 明所提供的凸轮表面804的能力改变了从磁性结构脱扣断路器所需的能量，因此，可控制 和可构造地允许改变选择性装置400的性能特性。
[0032] 如同任何机械系统，存在实现期望结果所需的能量的临界量。在这种情况下，所考 虑的能量在于需要哪一个在脱扣轴706处脱扣断路器。由于选择性装置400上的磁性影响 在可提供用于脱扣断路器的大量能量中具有有限的余量，所以期望的是，用在选择性装置 400中的弹簧410具有尽可能平坦的回弹率。通过使弹簧在断路器内占据比现有技术选择 性装置更大的总体积，本发明允许这种平坦回弹率。这种增强的体积可用性允许选择具有 更大直径的弹簧410。更大直径的弹簧410意指更平坦的回弹率。例如，在用于设计为在 35000安培下脱扣的1000安培断路器的选择性装置中，可以使用具有大约5. 5_至8_直 径的弹簧，以及大约2. 5N/mm至0. 7N/mm的回弹率。在现有技术选择性装置中，弹簧通常在 负载总线内部，并因此受到可用空间的更多收缩。因此，现有技术装置通常导致更少的能量 可用于脱扣断路器。
[0033] 本发明的增加的可用体积的另一个优点是，允许使用多个弹簧，而不是单个弹簧。 当使用多个弹簧时，衔铁板408和轭412之间的更大的磁引力可被容纳，因此，选择性装置 410的激活点可以更高。
[0034] 转到图9,可用于脱扣断路器的力、轭412的磁力、弹簧410的回弹率、轭412和衔 铁片408之间的开口距离、以及横向磁力的摩擦损耗之间的关系示于图表900中。该关系 可以用公式来表示：
[0035]
【权利要求】
1. 一种用于断路器的选择性装置，所述选择性装置包括： 适于联接到负载导体组件的模块化组件，所述模块化组件包括： 脱扣柱塞，包括适于与断路器脱扣机构相互作用的凸轮表面； 衔铁，联接到所述脱扣柱塞； 轭，适于响应于所述负载导体组件中的电流而产生磁场，并布置成施加与所述衔铁上 的电流成正比的磁力；以及 弹簧组件，适于逆平衡所述磁力，直到所述负载导体组件中的预限定的脱扣电流。
2. 如权利要求1所述的设备，其中，所述模块化组件可以从所述负载导体组件移除，而 不改变所述断路器的线路保护特征。
3. 如权利要求1所述的设备，其中，所述脱扣柱塞适于通过改变所述凸轮表面来调整 所述选择性装置的脱扣特性。
4. 如权利要求3所述的设备，其中，所述凸轮表面的形状会影响到所述选择性装置反 应到所述负载导体组件中的预限定的脱扣电流的速率。
5. 如权利要求3所述的设备，其中，所述凸轮表面的形状会影响到所述选择性装置使 所述断路器脱扣所需的力的量。
6. 如权利要求1所述的设备，其中，所述脱扣柱塞包括凸轮头，所述凸轮头包括所述凸 轮表面，并且其中所述凸轮头适于替换为具有不同凸轮表面的另一凸轮头。
7. 如权利要求1所述的设备，其中，所述弹簧组件包括两个或更多个弹簧。
8. -种断路器，包括： 包围所述断路器的壳体和选择性装置，所述选择性装置包括： 适于联接到所述断路器的负载导体组件的模块化组件，所述模块化组件包括： 脱扣柱塞，包括适于与断路器脱扣机构相互作用的凸轮表面； 衔铁，联接到所述脱扣柱塞； 轭，适于响应于所述负载导体组件中的电流而产生磁场，并布置成施加与所述衔铁上 的电流成正比的磁力；以及 弹簧组件，适于逆平衡所述磁力，直到所述负载导体组件中的预限定的脱扣电流。
9. 如权利要求8所述的断路器，其中，所述模块化组件可以从所述负载导体组件移除， 而不改变所述断路器的线路保护特征。
10. 如权利要求8所述的断路器，其中，所述脱扣柱塞适于通过改变所述凸轮表面来调 整所述选择性装置的脱扣特性。
11. 如权利要求10所述的断路器，其中，所述凸轮表面的形状会影响到所述选择性装 置反应到所述负载导体组件中的预限定的脱扣电流的速率。
12. 如权利要求10所述的断路器，其中，所述凸轮表面的形状会影响到所述选择性装 置使所述断路器脱扣所需的力的量。
13. 如权利要求8所述的断路器，其中，所述脱扣柱塞包括凸轮头，所述凸轮头包括所 述凸轮表面，并且其中所述凸轮头适于替换为具有不同凸轮表面的另一凸轮头。
14. 如权利要求8所述的断路器，其中，所述弹簧组件包括两个或更多个弹簧。
15. -种选择性地脱扣断路器的方法，所述方法包括： 选择具有期望形状的凸轮表面，以构造用于断路器的选择性装置的脱扣特性； 具有所选择的凸轮表面的选择性装置安装在断路器的负载导体组件上；以及 监测流过负载导体组件的电流，使得选择性装置反应到接近或超过预限定的安培数的 电流。
16. 如权利要求15所述的方法，其中，安装选择性装置包括安装包括以下部分的选择 性装置： 适于联接到所述断路器的负载导体组件的模块化组件，所述模块化组件包括： 脱扣柱塞，包括适于与断路器脱扣机构相互作用的凸轮表面； 衔铁，联接到所述脱扣柱塞； 轭，适于响应于所述负载导体组件中的电流而产生磁场，并布置成施加与所述衔铁上 的电流成正比的磁力；以及 弹簧组件，包括两个或更多个弹簧并适于逆平衡所述磁力，直到所述负载导体组件中 的预限定的电流量。
17. 如权利要求16所述的方法，其中，所述模块化组件可以从所述负载导体组件移除， 而不改变所述断路器的线路保护特征。
18. 如权利要求16所述的方法，其中，所述脱扣柱塞适于通过选择不同凸轮表面来调 整所述选择性装置的脱扣特性。
19. 如权利要求18所述的方法，其中，所述凸轮表面的形状会影响到所述选择性装置 反应到所述负载导体组件中的预限定的电流量的速率。
20. 如权利要求18所述的方法，其中，所述凸轮表面的形状会影响到所述选择性装置 使所述断路器脱扣所需的力的量。
【文档编号】H01H71/74GK104160466SQ201280071212
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年3月5日 优先权日:2012年3月5日
【发明者】J.M.卡德韦尔, L.M.佛朗哥卡巴勒罗 申请人:西门子公司