专利名称：电气开关设备和确定另一设备或多个绝缘体的热年龄的保护设备的制作方法
技术领域：
所公开的构思总的来说涉及电气开关设备，更具体地说，涉及例如接触器、起动 器、电动机保护继电器和断路器等的电气开关设备。所公开的构思还涉及保护继电器。
背景技术：
起动器是用于为如三相电动机等的电动机提供保护和控制的装置，其典型地用在 例如多种工业设置中以对机械进行操作。通常类型的起动器包括电磁接触器和电动机保护 继电器。接触器包括连接至电动机的各个相的可分离触点，从而当其闭合时，可分离触点将 电动机连接至例如三相电源的电源。电动机保护继电器监测负载电流，并在有些情况下监 测电压，如果发生例如持续过电流等的问题状况，则使接触器跳闸分断。典型地，电动机保 护继电器遵循负载电流的I2t特性，该特性是发热的量度。电动机保护继电器典型的包括 微处理器，其以数字方式生成I2t的值。当计算得到的I2t值达到指定的跳闸等级时，接触 器跳闸分断以中断电流到电动机的流动。美国专利No. 4，743，818公开了一种多功能电动机保护继电器，其监测三相交流 电流(AC)并基于预先编程的电动机电流和温度条件做出分立的跳闸和报警决定。旋转转 子的温度可由流经对电动机进行供电的线路的电流以及由电动机定子中的电阻式温度检 测(RTD)装置得到。系统RTD测量电动机定子绕组温度。美国专利No. 5，485，491公开了一种用于对旋转式电功率转换设备的可操作性进 行诊断的在线系统。该系统包括检测装置，用于在旋转式电功率转换设备的运行期间对其 至少一个电绝缘非热参数进行检测并生成对应的至少一个电气变量；数据转换装置，用于 将所述至少一个电气变量转换为对应的至少一个值；比较装置，用于将所述至少一个值与 旋转式电功率转换设备的对应的至少一个预定基线值进行比较并生成对应的至少一个比 较值；发信号装置，每当所述至少一个比较值超过对应的至少一个预定死区值时，发信号装 置输出与旋转式电功率转换设备的预计可操作性周期有关的至少一个信号。提供温度传感 器以用于检测油温、进水口温度、出水口温度、进油口温度、以及导引和止推轴承的温度。例如电动机等的旋转式电气设备的绝缘具有有限的寿命。多种运行条件(例如但 不限于湿度；温度；机械应力；灰尘；空气传播的化学制剂)对到达电动机绝缘的“寿命终 点”所需的实际时间产生影响。发明构思所述多种运行条件中最严重的是绕组绝缘的温度。已知的电气开关设备一例如 保护继电器(例如但不限于电动机保护继电器)一不对绕组绝缘(例如但不限于电动机绕 组绝缘)的老化进行预测。存在对电气开关设备进行改进的空间。进一步存在对保护继电器进行改进的空间。这些需求和其它需求通过所公开的构思的实施例得以满足，所公开的构思确定运行条件对绝缘系统(例如但不限于电动机的绝缘系统)的寿命所起的老化影响。根据所公开构思的一个方面，一种电气开关设备用于另一设备，所述另一设备包 括多个绝缘体，与所述多个绝缘体可操作地关联的多个温度传感器，与所述多个绝缘体可 操作地关联的多个导体。所述电气开关设备包括多个可分离触头；被构造为断开以及闭 合所述多个可分离触头的操作机构；被构造为检测流经所述多个可分离触头以及流经所 述多个导体的多个电流的多个传感器；被构造为输入来自所述多个传感器的所检测到的 多个电流的处理器；输出(32)，其中，处理器进一步被构造为计算下述中的至少一个(a) 由来自所述多个温度传感器的多个所检测到的温度计算所述另一设备的热年龄(thermal age)，和(b)由所述检测到的多个电流计算所述另一设备的热年龄，且其中，输出包括所述 另一设备的热年龄。处理器可被进一步构造为，由来自所述多个温度传感器的多个所检测到的温度， 计算所述另一设备的所述热年龄。处理器可被进一步构造为，由预定时间内来自所述多个温度传感器的多个所检测 到的温度的平均值，计算所述另一设备的平均温度。处理器可被进一步构造为，由所检测到的多个电流，计算所述另一设备的热年龄。处理器可被进一步构造为，由(IAve/INP)2X (Tclass-环境温度)+环境温度，计算所述 另一设备的推定温度；其中IAV(；为所述另一设备的RMS电流；其中，Inp为所述另一设备的铭 牌电流；且其中，Tclass为所述多个绝缘体的温度等级。处理器可被进一步构造为，确定所述另一设备的温度并由— 确定所述另 一设备的绝缘寿命期望，其中，a，b和e为常数，In为自然对数，TEMP为所确定的温度。处理器可被进一步构造为，由满运行温度下所述另一设备的标准绝缘寿命期望除 以所确定的绝缘寿命期望来确定热年龄。处理器可被进一步构造为对热年龄进行累计。作为所公开构思的另一方面，一种保护继电器用于一设备，该设备包括多个绝缘 体以及与所述多个绝缘体可操作地关联的多个温度传感器。保护继电器包括输入，被构造 为输入来自所述多个温度传感器的多个所检测到的温度；处理器，被构造为由所述多个所 检测到的温度来计算所述多个绝缘体的热年龄；输出，其包括所述多个绝缘体的热年龄。处理器可被进一步构造为，由预定时间内来自所述多个温度传感器的所述多个所 检测到的温度的平均值来计算设备的平均温度；处理器可进一步被构造为，由e(a+b(ln(TEMP))) 确定所述多个绝缘体的绝缘寿命期望，其中，a，b和e为常数，In为自然对数，TEMP为平均 温度。处理器可被进一步构造为，由满运行温度下所述多个绝缘体的标准绝缘寿命期望 除以所确定的绝缘寿命期望来确定热年龄。 作为本公开构思的另一方面，一种保护继电器用于一设备，该设备包括多个绝缘 体和与所述多个绝缘体可操作地关联的多个导体。保护继电器包括多个传感器，被构造为 检测流经所述多个导体的多个电流；处理器，被构造为输入来自所述多个传感器的所检测 到的多个电流并由所检测到的多个电流计算所述多个绝缘体的热年龄；输出，包含所述多 个绝缘体的热年龄。
结合附图阅读下文对优选实施例的描述，可以获得对所公开构思的全面理解，在 附图中图1是根据所公开构思的实施例的电气开关设备的原理框图；图2是图1的处理器的程序流程图；图3是对于绝缘系统的四种温度等级，运行温度vs达到50%故障所需小时数 (hours to 50% failure)的双对数坐标图；图4和5是根据所公开构思的其他实施例的保护继电器的原理框图；
具体实施例方式在此所采用的术语“多个”应当表示一个或大于一个的整数个(即，复数个)。
在此所采用的术语“处理器”表示能够存储、检索和处理数据的可编程模拟和/或 数字装置；计算机；工作站；个人电脑；微处理器；微控制器；微型计算机；中央处理单元； 主计算机；小型计算机；服务器；网络处理器；或任何适合的处理装置或设备。在此所采用的术语“旋转电气设备”应当明确地包括但不限于，电动机；发电机； HVAC制冷机；压缩机；感应电机；以及在同一轴上具有多个独立绕组并且独立受到控制的 发电机或电动机。在此所采用的术语“温度传感器”应当明确地包括但不限于，多个电阻温度计；电 阻式温度检测器(RTDs)；钼电阻温度计(PRTs)；热敏电阻器；热电耦和红外温度测量传感
ο所公开的构思结合三相电动机起动器2和三相电动机4进行了描述，但所公开的 构思也可应用于宽广范围内的电气开关设备或用于具有任何适合相数或极数的宽广范围 的另一设备一例如但不限于旋转电气设备一的保护继电器。参见图1，示出了一种电气开关设备，如示例性电动机起动器2。该示例性电动机 起动器2用于另一设备，例如但不限于，示例性电动机4(以假想线示出)等的旋转电气设 备。示例性电动机4包括多个绝缘体6(例如但不限于，示出了三个不同的绝缘体6)；与 所述多个绝缘体6可操作地关联(例如，被构造为检测其温度)的多个温度传感器8 (例如 但不限于，示出了一个电阻式温度检测器(RTD)S)；与所述多个绝缘体6可操作地关联(例 如，由其进行电气绝缘)的多个导体10，12，14(例如但不限于，示出了三个不同的相导体 10，12，14)。例如，所述多个绝缘体6与所述多个导体10，12，14可操作地关联(例如，对其 进行电气绝缘)，导体形成示例性电动机4的绕组(例如但不限于，定子绕组)。例如，尽管 示出了一个RTD 8，可提供多个适合的温度传感器，例如RTD (例如但不限于，所述多个导体 10，12，14中的每一个都具有一个RTD)。示例性电动机起动器2包括多个可分离的触头16，18，20 (例如但不限于，示出了 三个接触器16，18，20)，被构造为断开以及闭合所述多个可分离触头16，18，20的操作机构 22 (例如但不限于，线圈)。示例性电动机起动器2还包括被构造为分别对流经所述多个 可分离触头16，18，20以及流经所述多个导体10，12，14的多个电流进行检测的多个传感器 24，26，28 (例如但不限于，示出了三个电流传感器24，26，28)，被构造为从所述多个传感器 24，26，28输入所检测到的多个电流的处理器30 (例如但不限于，微处理器)；输出32。如下文结合附图2将更加详细描述的那样，处理器30进一步被构造为计算下述中至少一个
(a)由来自所述多个温 度传感器8的多个检测到的温度，计算示例性电动机4的热年龄34，
(b)由所检测到的多个电流，计算示例性电动机4的热年龄34。如所示出的那样，处理器输 出32包括示例性电动机4的热年龄34。尽管没有要求，对应的示例性三相电力系统可视情况可选地包括多个熔断器或断 开器(disconnnects)36，38，40，其分别与所述多个可分离触头16，18，20电气串联连接。示例 1输出32可以是显示器，该显示器被构造为显示示例性电动机4的多个温度和热年 龄34、示例性电动机4的绝缘寿命期望、示例性电动机4的实际运行小时数。例如但不限 于，显示器可显示示例性电动机4的热年龄34和绝缘寿命期望。示例 2输出32可以是被构造为传送热年龄34的通信网络。示例 3处理器30可以被构造为，由来自所述多个温度传感器8的多个所检测到的温度， 计算示例性电动机4的热年龄34。示例 4处理器30可以被构造为，由来自电流传感器24，26，28的多个所检测到的电流，计 算示例性电动机4的热年龄34。示例 5图2示出了用于图1的处理器30的示例性程序42。示例性程序42为推定电动机 温度提供了两种可选择的方案(1)来自多个温度传感器8的平均值；以及(2)在适合的预 定时间(例如，但不限于，一个小时；任意适合的时间)内平均得到的RMS电动机电流。将 会明了，可使用这些可选择方案中的一个或二者。示例 6例如，图2的程序42可使用嵌入在图1的示例性电动机绕组10，12，14中的多个 RTD 8来对电动机温度进行测量，或者可使用基于图1的示例性电动机4中所流动的平均电 流的电动机发热来推定电动机温度。在任一情况下，所测量得到的或者推定得到的温度被 用于基于电动机绝缘系统的寿命期望来计算该绝缘系统的老化。示例 7例如，如8等的RTD为温度传感器，其利用了一些材料的电阻随温度变化而发生的 可预期变化。例如，RTD被用在相对大型的电动机(例如，但不限于，超过约200HP)上并被 放置为例如但不限于，六个RTD位于定子中；两个RTD，每个电动机轴承座(bearing well) 中放置一个；两个RTD，位于负载轴承中；另一RTD，位于适当的用户定义位置。例如，定子中 的RTD夹在绕组之间，远离定子心，以提供相对较小的温度误差。使用RTD被认为是最精确地确定温度的方式，这是因为电动机由于类似绕组上的 灰尘、进风的堵塞、高或低的环境空气温度以及破损的冷却风扇而丧失了冷却能力。举例来 说，如8等的RTD被放置在如12，14等的绕组之间，在那里，热量处于电动机4的中心。示例 8作为替代地，推定电动机温度基于电动机电流和下列假设对温升进行近似电动机4清洁，不存在制冷空气的堵塞，环境温度为40°C，并且电动机冷却风扇(未示出)正常 工作。然而，除非为相对较新的电动机，否则，这些假设可能不准确。在图2的示例性程序42中，首先，在44中，确定电动机4是否具有RTD 8。如果 无，则在46和48中，监测流入电动机4的电流并计算电动机温升。在46中，程序42对适当 的预定时间(例如，但不限于，一个小时；任意适合的时间)内的电动机电流进行平均。接 着，在48中，由等式1计算推定运行温度，其假设电动机4工作在其最大环境温度(例如， 但不限于，40°C ；额定环境温度；任何适当的环境温度)。Test = (WInp)2X (Tclass-40°C )+40°C (等式 1)其中Test为预定时间(例如，但不限于，一个小时；任何适合的时间)内的推定电动机温 度；Iavg为该预定时间的RMS电动机电流；Inp为电动机4的铭牌(如，满载)电流；以及Tclass为绝缘6的温度等级(例如，但不限于，等级A为105°C ；等级B为130°C ；等 级F为155°C;等级H为180°C;任何适合的绝缘温度等级，但前述四个等级普遍用在电动机 中)。等式1将电动机4的平均RMS电动机电流除以铭牌电流后再平方。公式I2R表 示由流经具有欧姆电阻(R)的电动机绕组10，12，14(例如，但不限于，铜线)的安培电流 (I)所产生的热量。出于全部的实践目的，电阻在轻载时和在满载时相同。因此，从等式1 中去除了该电阻。从而，电动机4的发热(温升)为电流平方的函数。假定电动机4处于 稳定的满温度(full temperature)(例如，其铭牌电流的温度等级和40°C环境温度)。项 (Tclass-40°C )将温度等级减少到温升。另一方面，如果电动机4具有RTD 8，则在50中，计算总的温升vs.环境温度。此 处，运行电动机温度由RTD 8检出并在适合的预定时间(例如，但不限于，一个小时；任何适 合的时间)内被平均。在48或50后，在52中，使用等式2和3以及表1来计算50中的平均温度下的或 者48中的推定温度下的绝缘寿命期望。In (HRS) = a+b (In (TEMP))(等式 2)HRS = eln(HES) = e(a+b(ln(TEMP)))(等式 3)其中In为自然对数；HRS为特定温度(预计50%的绝缘系统在此时故障)下的绝缘寿命期望；a和b为如下面表1中所示的对于四个示例性温度等级的常数；TEMP为平均的或推定的运行温度；以及e为无理常数，其约等于2. 718281828。表权利要求
1.一种电气开关设备(2)，其用于另一设备(4)，所述另一设备(4)包括多个绝缘体 (6)，与所述多个绝缘体可操作地关联的多个温度传感器(8)，与所述多个绝缘体可操作地 关联的多个导体(10，12，14)，所述电气开关设备包括多个可分离触头(16，18，20)；操作机构(22)，被构造为断开以及闭合所述多个可分离触头；多个传感器(24，26，28)，被构造为检测流经所述多个可分离触头以及流经所述多个导 体的多个电流；处理器(30)，被构造为输入来自所述多个传感器的所检测到的多个电流；以及输出(32)，其中，所述处理器进一步被构造为(42)计算下述中的至少一个(a)由来自所述多个 温度传感器的多个所检测到的温度得到的所述另一设备的热年龄(34)，以及(b)由所述检 测到的多个电流得到的所述另一设备的热年龄(34)，且其中，所述输出包括所述另一设备的热年龄。
2.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述另一设备为旋转电气设备(4)，该旋转电 气设备(4)进一步包括多个绕组(10，12，14)和与所述多个绕组可操作地关联的所述多个 温度传感器，所述多个绝缘体与所述多个绕组可操作地关联。
3.权利要求2的电气开关设备(2)，其中，所述旋转电气设备为电动机(4)；且其中，所 述多个绕组为所述电动机的多个定子绕组(10，12，14)。
4.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述多个温度传感器为多个电阻式温度检测 器⑶。
5.权利要求4的电气开关设备(2)，其中，所述另一设备为旋转电气设备(4)；其中，所 述多个绕组为所述旋转电气设备的多个绕组(10，12，14)；且其中，所述多个电阻式温度检 测器与所述多个绕组可操作地关联。
6.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述输出为显示器(32)。
7.权利要求6的电气开关设备(2)，其中，所述显示器被构造为显示所述另一设备的所 述热年龄和多个温度、所述另一设备的绝缘寿命期望、所述另一设备的实际运行小时数。
8.权利要求6的电气开关设备(2)，其中，所述显示器被构造为显示所述另一设备的所 述热年龄和绝缘寿命期望。
9.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述输出为通信网络(32)。
10.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述处理器进一步被构造(50，52，54)为， 由来自所述多个温度传感器的所述多个所检测到的温度，计算所述另一设备的所述热年 龄。
11.权利要求10的电气开关设备(2)，其中，所述处理器进一步被构造(50)为，由预定 时间内来自所述多个温度传感器的所述多个所检测到的温度的平均值，计算所述另一设备 的平均温度。
12.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述处理器进一步被构造(46，48，52，54) 为，由所述所检测到的多个电流，计算所述另一设备的所述热年龄。
13.权利要求12的电气开关设备(2)，其中，所述处理器进一步被构造(48)为，由 (Iavg/Inp)2X Ooass-环境温度)+环境温度，计算所述另一设备的推定温度；其中，Iatc为所述另一设备的RMS电流；其中，Inp为所述另一设备的铭牌电流；且其中，TaASS为所述多个绝 缘体的温度等级。
14.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述处理器进一步被构造为，确定(46，48； 50)所述另一设备的温度，并由e(a+b(ln(TEMP)))，确定(52)所述另一设备的绝缘寿命期望，其 中，a，b和e为常数，In为自然对数，TEMP为所述确定的温度。
15.权利要求14的电气开关设备(2)，其中，所述处理器进一步被构造(54)为，由满运 行温度下所述另一设备的标准绝缘寿命期望除以所述确定的绝缘寿命期望，确定所述热年 龄。
16.权利要求15的电气开关设备(2)，其中，所述处理器进一步被构造(56)为累计所 述热年龄。
17.一种保护继电器(60)，其用于一设备(62)，该设备(62)包括多个绝缘体(64)和与 所述多个绝缘体可操作地关联的多个温度传感器(66)，所述保护继电器包括输入(68)，被构造为输入来自所述多个温度传感器的多个所检测到的温度；处理器(70)，被构造(42)为由所述多个所检测到的温度计算所述多个绝缘体的热年 龄(72)；以及输出(74)，包含所述多个绝缘体的热年龄。
18.权利要求17的保护继电器(60)，其中，所述处理器进一步被构造(50)为，由预定 时间内来自所述多个温度传感器的所述多个所检测到的温度的平均值，计算所述设备的平 均温度；且其中，所述处理器进一步被构造(52)为，由e(a+b(ln(TEMP)))，确定所述多个绝缘体的 绝缘寿命期望，其中，a，b和e为常数，In为自然对数，TEMP为所述平均温度。
19.权利要求18的保护继电器(60)，其中，所述处理器进一步被构造(54)为，由满运 行温度下所述多个绝缘体的标准绝缘寿命期望除以所述确定的绝缘寿命期望，确定所述热 年龄。
20.一种保护继电器(80)，其用于一设备(82)，该设备(82)包括多个绝缘体(84)和与 所述多个绝缘体可操作地关联的多个导体(86)，所述保护继电器包括多个传感器(88)，被构造为检测流经所述多个导体的多个电流；处理器(90)，被构造(42)为输入来自所述多个传感器的所检测到的多个电流并由所 述所检测到的多个电流计算所述多个绝缘体的热年龄(92)；以及输出(94)，包含所述多个绝缘体的热年龄。
21.权利要求20的保护继电器(80)，其中，所述处理器进一步被构造(46，48)为，由 (Iavg/INP)2X Ooass-环境温度)+环境温度，计算所述设备的推定温度；其中，Iavc；为所述所检 测到的多个电流的平均RMS电流；其中，Inp为所述设备的铭牌电流；其中，TaASS为所述多个 绝缘体的温度等级；且其中，所述处理器进一步被构造(52)为，由胃))〉确定所述多 个绝缘体的绝缘寿命期望，其中，a，b和e为常数，In为自然对数，TEMP为所述推定温度。
22.权利要求21的保护继电器(80)，其中，所述处理器进一步被构造(54)为，由满运 行温度下所述多个绝缘体的标准绝缘寿命期望除以所述确定的绝缘寿命期望，确定所述热 年龄。
全文摘要
一种电气开关设备(2)，其用于另一设备(4)，所述另一设备(4)包括多个绝缘体(6)，与所述多个绝缘体可操作地关联的多个温度传感器(8)，与所述多个绝缘体可操作地关联的多个导体(10，12，14)。所述电气开关设备包括多个可分离触头(16，18，20)，被构造为断开以及闭合可分离触头的操作机构(22)，被构造为检测流经可分离触头以及流经导体的多个电流的多个传感器(24，26，28)，被构造为输入来自传感器的所检测到的电流的处理器(30)，输出(32)。处理器计算(42)下述中的至少一个(a)由来自温度传感器的多个所检测到的温度得到的所述另一设备的热年龄(34)，(b)由检测到的电流得到的所述另一设备的热年龄(34)。输出包括所述另一设备的热年龄。
文档编号H02H5/04GK102035176SQ201010285159
公开日2011年4月27日 申请日期2010年7月26日 优先权日2009年7月24日
发明者L·B·法尔 申请人:伊顿公司