专利名称：用于断路器的dc感测和保护系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于断路器的DC感测和保护的与传感器结合的系统。具体来讲，本发明涉及一种与传感器结合的紧凑型系统，用于断路器的多功能DC感测和过流保护，包括过载保护、短路电流保护和瞬时保护。
背景技术：
断路器一般用来保护负载设备，如发动机、变换器以及类似设备，以避免异常电流的损害，所述异常电流产生于诸如输/配电线路和专用变电设施这样的电路。从广义上来分类，断路器可分为在AC电源下运行的AC断路器和在DC电源下运行的DC断路器。AC断路器和DC断路器的变化均需要电流感测设备以保证其正常工作。
美国专利4,672,501公开了使用电流传感器，如电流互感器，以提供具有电路电流采样指示的断路装置。不过这样的电流互感器在断路器中要求有实质上的空间，而这种实质上的空间使其体积因容量而增大。
通常用作AC断路器的这种电流互感器除了体积大且复杂之外，由于AC和DC电源的运行周期的不同，不能够被用作DC断路器。
因此，在DC断路器情况下的电流感测中，DC分流器的使用是人们所熟知的。这样的DC分流器在额定电流超过时用于持续地感测电流水平并启动断路器。特别地，通过分流器的电压降落被用于感测的目的。不过，在应对大的运行电流(在400A到4000A的范围)和大的故障电流(在30000A到100000A的范围)时，要求分流器的体积和重量非常大。这同样也会产生断路器的体积和重量的问题。很重要的一点是，除了分流器的重量和体积之外，由于具有自热特性，所以它的能量消耗也非常大。这也会使得有必要在DC分流器与保护装置之间使用隔离装置。出于上述原因，已发现使用DC分流器来对断路器特别是大容量断路器进行DC电流保护是不合适的。
将霍耳效应感测用于电流感测也是已知的。
美国专利5,615,075公开了霍耳效应传感器在用于断路器的AC/DC传感器中的可能应用。在该专利中使用了一种闭环磁通量集中磁芯。导体穿过C形磁芯间隙并置于两个磁极之间，而且使用分离的线圈。这样的霍耳效应装置所要求的空间远远小于电流互感器/分流器所要求的空间，因此对制造重量小、尺寸理想的断路器很有好处。
美国专利6,106,185进一步公开了一种具有关联配电电路的断路器，这种断路器具有适当的外形以提供集中于电子断路装置内霍耳效应电流传感器中的磁通量，以使传感器更好地感测电流。
虽然上述专利确实公开了一般在断路器中的霍耳传感器的可能应用，有助于在实质上减小断路器的体积和重量，但业已发现由于AC电源运行周期与DC运行周期之间的差异，采用这样的霍耳效应传感器的直流传感并不能够到达理想的效果，因为其在感测直流水平时表现欠佳而且并不准确。
除了上述的在DC电流中使用霍耳传感器的限制以及AC和DC电源特性的不同之外，还有AC保护系统在DC电源中直接使用或应用的问题和限制。特别地，在AC电源中，电流在一个周期中两次通过零点，但在DC电源中，电流在任何时间点都不会到达零点，因此，在DC电流断路期间的燃弧时间比AC电流断路器要长许多。
因此，有必要为断路器提供一种DC感测和保护系统，在这种系统中，将分流器用作传感器而导致系统体积的增大的问题以及涉及到简单的霍耳效应的电流感测方面的局限性会减少。
发明目的因此，本发明的基本目的在于提供一种断路器的DC感测和保护系统，这种系统会避免霍耳传感器在DC电流中的限制，并为断路器甚至是高阶(high order)电流容量的断路器提供有效的DC感测和保护。
本发明的另一个目的在于为断路器提供DC感测和保护系统，这种系统能效比高、成本效率高、能够有效方便地选择使用霍耳效应传感器，并且与分流器相比，重量轻而且体积小。
本发明的再一个目的在于为断路器提供DC感测和保护系统，这种系统不仅会提供高阶DC电流的感测，而且能够提供断路器特别是涉及到高阶电源的气动断路器的直流保护。
本发明的再一个目的在于提供一种结合断路器的多功能保护的有效DC感测系统，包括过载保护、短路电流保护和瞬时保护。
本发明的再一个目的在于提供一种系统，这种系统能够应对任何方向的电流，因此断路器就不会产生负载线偏压。
本发明的再一个目的在于使DC感测元件能够用于断路器的不同结构尺寸。
发明概述因此，根据本发明的基本方面，提供一种用于断路器的DC感测和保护系统，包括(i)用于断路器保护的适于DC电流选择性总体感测的霍耳效应传感器；(ii)共同使用的磁芯，所述磁芯包括具有一个间隙的开环磁通量集中铁芯，所述间隙有一中心孔以适于与电流终端进行操作性连接，并被设计成能够使霍耳传感器有选择性地安装在磁芯的内部；(iii)控制和保护装置，所述控制和保护装置包括处理装置和多个选择性保护装置，所述选择性保护装置包括-启动装置；-过载保护装置；-短路电流保护装置；-瞬时电流保护装置；-负载线偏压(load-line bias)消除装置；-容量选择装置。
附图的简要说明
图1是根据本发明的断路器的后视图，示出了霍耳效应传感器的设置。
图2是沿图1中的C-C线的侧面剖视图。
图3是叠片铁芯的一个实施例的俯视平面图，所述叠片铁芯具有本发明的系统中所选择性地提供的间隙。
图4是本发明的系统中所使用的横向霍耳效应传感器的一个实施例的示意图。
图5示出了包括传感器和保护装置的系统框图。
图6示出了本发明的系统的三级保护装置的时间对电流保护曲线。
发明的详细描述首先参看图1，该图示出了根据本发明的所述断路器的后视图，该断路器用(1)表示。如图所示，本发明中的系统包括开环磁通量集中磁芯(2)，该磁芯有一个间隙(3)和中心孔(在图3中清楚地示出)，以便于其根据断路器如气动断路器的电流终端(4)的支持/安装。霍耳效应传感器(5)安装在间隙(3)中并优选配有具有安装基座的保护盖，以便于选择性安装。
所述霍耳传感器(5)的输出端与所述基于微控制器的保护和控制装置操作性连接，以便于响应导体中的电流，对断路器进行感测和保护。
图4中示出的线性霍耳传感器通过一个与导体中的电流成比例的感测信号，来响应所述磁通量。
现在参看图5，该图以框图形式示出了介于外部电源与本发明的系统中的霍耳效应传感器之间的基于微控制器的保护和控制装置的运行界面。
正如图5所清楚地示出的那样，所述分析和保护装置基本上涉及(a)传感器卡，该卡包括用于脱扣操作的电源装置，用于霍耳传感器的电源装置，和信号调节装置，(b)主电源卡，该卡包括脱扣电路和感测以及处理电路，和(c)处理器卡，该卡包括微控制器卡/装置，所述微控制器卡/装置具有或不具有附加的指示/设置装置。
图6示出了所获得的本发明的系统的三级保护装置的时间对电流保护曲线，用于基于本发明系统的三级保护(过载保护、短路电流保护和瞬时电流保护)装置的微控制器的设置。
本发明中的系统具有霍耳效应传感器，该传感器产生被加入到处理装置的信号。霍耳传感器在感测DC断路器中的电流的有利使用再加上保护和控制装置，会对400安培到4000安培的大范围的运行电流中的断路器提供有效的直流感测和保护。
所述传感器的输出端与基于微控制器的控制和保护装置操作性连接。所述控制和保护装置有选择性地包括以下装置a)过载保护装置；b)短路电流保护装置；c)和瞬时电流保护装置。
在本发明的上述系统中，各种各样已知的用于电流感测的、形状和尺寸不同的任何可获得的霍耳传感器均可使用，霍耳传感器优选是横向类型的，因为这种类型的传感器适于测量为此目的而在磁芯中提供的薄间隙中的场。所述霍耳传感器被夹在C形开环磁通量集中铁芯之间。
输入信号从通用的霍耳效应装置(霍耳传感器)中产生，被限制在叠片铁芯中并置于待测DC电流的磁场中。本发明在全部的电流范围中采用单个的霍耳效应装置(霍耳传感器)。所述叠片铁芯有一间隙，以放置所述霍耳传感器并促进对DC电流的有选择性和有利的全部感测。将通过这种方式所产生的信号输入所述电流处理装置，该电流处理装置根据终端用户所选择的脱扣设置来评估该信号。出于此目的的考虑，所述系统包括用于与过流情况有关的电流和时间延迟的选择开关设置。
所述霍耳效应传感器适用于不同结构尺寸的断路器，而磁芯尺寸的选择应使其紧贴安装在载流导体的上方。
所述微控制器保护装置用来产生输出脉冲，该脉冲被输送到启动装置，如去磁离合器。所述离合器的磁杆可以凸出以使所述断路器跳脱。
重要的是，上述系统可以根据用户的需要采用不同的设置，因此，有可能根据用户的需要来改变可选择的设置。
特别地，上述控制装置可根据用户所希望的规格来保护电力电路和负载设备。重要的是，所述系统涉及通过霍耳效应传感器和电流保护的方式进行电流感测，并结合通过基于微控制器的装置进行电流感测，以便于过载保护、短路保护和瞬时保护。
由本发明的微控制器装置中的过载保护装置、短路保护装置和瞬时保护装置所提供的保护的范围包括以下示例性的可选的保护，但并不仅限于此1.过载拾取电流(Ir.)- 0.4到1倍于In设置- 0.4，0.5，0.6，0.7，0.75，0.8，0.85，0.9，0.95和1.0X In.
延迟(tr)固定的(30秒)2.短路拾取电流(Is)- 0.6到10倍于In设置- 0.6，1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，6.0，8.0，9.0，10.0x In.
延迟(ts)(毫秒) I2t OFF 100-200-300-400I2t ON 30-100-200-300-4003.瞬时拾取电流(Ip)6In-12In-OFF因此，在过载保护期间，本发明的系统提供在0.4到1倍于标称电流(In)范围的额定电流(Ir)，并对于6倍额定电流(6Ir)提供30秒的延迟时间(tr)。所述系统适用于在0.4到1倍于标称电流(In)范围的脱扣设置。在短路电流保护期间，所述系统提供在0.6到10倍于标称电流(In)范围的拾取电流设置(Is)，并带有固定的(I2tOFF)延迟和可变的(I2t ON)延迟的脱扣设置。
用于本发明中基于微控制器的电气脱扣的上述设置的时间与电流保护曲线在图6中进一步示出。
所述系统的控制和保护装置中的处理装置是以微控制器为基础的电流，并优选具有根据终端用户的具体用途选择电流方向的特性。所述控制和保护装置具有双向开关布置以选择开关装置的线路和负荷端，这种控制和保护装置能够应对任何方向的电流，因此断路器就不会产生负载线偏压。所述电流处理装置还适用于大范围的断路器电流容量，包括通常用于高阶电流保护的气动断路器。不过，所述系统能够有选择性地应用于任何不同的断路器以进行有利的感测，并通过所述系统进行DC电流的分析和保护。
本发明的系统还包括断路器容量选择装置和脱扣装置。适用于本发明的系统的断路器容量包括800A-1000A-1250A-1600A-2000A-2500A。断路器的容量可由脱扣器顶端的电位计有选择地进行调节。本发明中的脱扣系统还具有热/冷曲线和热反射率。所述热反射率模式和瞬时设置可通过指拨开关进行选择。
所述系统可以包括常用的小配件，如显示过去48小时内的故障原因的电力LED、故障指示LED和询问按钮，清除所述故障指示LED的清除按钮以及用于脱扣操作的不脱扣试验的试验按钮。所述系统可适用于高达80°的运行温度和利用外部装备进行试验。
因此，有可能通过本发明中的所述系统的方法来感测、分析和保护包括大数值的直流并在直流感测用途中跳脱断路器。重要的是，所述系统有利于对直流的有效感测，它能够通过对霍耳效应和基于微控制器的分析/保护系统进行有选择的结合来对断路器进行分析和保护以提供过载保护、短路保护和瞬时保护。还有重要的一点是，本发明中的系统有利于满足新式断路器的要求，在这些新式的断路器中，人们希望不会产生负载线偏压。因此，所述系统可用于断路器的既简单、通用又有成本效益的DC感测。
权利要求
1.一种用于断路器的DC感测和保护系统，包括(i)用于断路器保护的适于DC电流选择性总体感测的霍耳效应传感器(5)；(ii)共同使用的磁芯，所述磁芯包括具有一个间隙(3)的开环磁通量集中铁芯(2)，所述间隙有一中心孔以适于与电流终端(4)进行操作性连接，并被设计成能够使霍耳传感器有选择性地安装在所述间隙中；(iii)控制和保护装置，所述控制和保护装置包括处理装置和多个选择性保护装置，所述选择性保护装置包括—启动装置；—过载保护装置；—短路电流保护装置；—瞬时电流保护装置；—负载线偏压(load-line bias)消除装置；—容量选择装置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制和保护装置具有基于微控制器的卡，所述基于微控制器的卡用于为所述启动装置产生输出脉冲。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述启动装置包括去磁离合器和磁杆，所述去磁离合器和磁杆用于提供过载保护、短路电流保护和瞬时电流保护。
4.如权利要求1到3中任何一项所述的系统，其特征在于，所述控制和保护装置包括a.传感器卡，包括(i)用于脱扣操作的电源装置；(ii)用于霍耳传感器的电源装置；(iii)和信号调节装置；b.主电源卡；c.和处理器装置。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理器装置包括处理器卡，所述处理器卡中合并有微控制器卡和可选择的指示装置或设置装置。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述可选择的指示装置包括用于显示过去约48小时内的故障原因的电力LED、故障指示LED和询问按钮。
7.如权利要求5或6所述的系统，包括用于清除所述指示LED所指示的故障的清除按钮。
8.如权利要求6或7所述的系统，包括用于脱扣操作的不脱扣试验的试验按钮。
9.如权利要求1到8中任何一项所述的系统，其特征在于，所述控制和保护装置配有用于过载保护的可变设置器，以提供范围在0.4到1倍于标称电流(In)的额定电流(Ir)，和对于6倍额定电流(6Ir)提供30秒级别的固定延迟时间(tr)。
10.如权利要求1到9中任何一项所述的系统，其特征在于，所述控制和保护装置配有用于短路电流保护的可变设置器，以提供范围在0.6到10倍于标称电流(In)的拾取(pick-up)电流设置(Is)，和带有固定的(I2t OFF)延迟和可变的(I2t ON)延迟的设置成几百毫秒的脱扣延迟(tripping delay)设置。
11.如权利要求1到10中任何一项所述的系统，其特征在于，所述保护和控制装置具有双向开关布置，以选择开关装置的线路和负荷端。
12.如权利要求1到11中任何一项所述的系统，还包括所述断路器容量的选择装置，所述选择装置包括适用于容量在800A到2500A的断路器的电位计。
13.如权利要求1到12中任何一项所述的系统，还包括脱扣装置，所述脱扣装置适合于通过指拨开关(Dip switch)配置有反射率模式和瞬时设置。
全文摘要
本发明涉及一种用于断路器的DC感测和保护系统，包括霍耳效应传感器、共同使用的开环磁通量集中铁芯和控制和保护装置，该控制和保护装置包括处理装置和多个选择性保护装置。该系统还包括容量选择装置和脱扣装置。
文档编号H02H7/22GK1797889SQ20041010265
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月29日 优先权日2004年12月29日
发明者笛派克·莫瑞, 哈沙拉·卡玛尼 申请人:拉森特博洛有限公司