专利名称：提供与电路中断器协调的断开的电气开关设备及其操作方法
技术领域：
所公开构思一般涉及电气开关设备，特别涉及接触器。所公开构思还涉及操作电 气开关设备的方法。
背景技术：
接触器用于例如但不限于启动器应用场合，以便开启/关闭负载以及保护例如电 动机或其他电气装置等负载免受电流过载影响。接触器用作电气开关设备，并具有固定触 点以及可动触点，其在闭合时传导电力。例如，三极低压接触器具有三个接触组件，每个接触组件用于三相电气装置的一 相或一极。例如，每个接触组件可包含一对静触点和可动触点。一个静触点是线路侧触点， 另一个静触点是负载侧触点。可动触点由包含衔铁和磁体组件的致动组件控制，致动组件 由线圈激励，从而移动可动触点以在静触点之间形成桥接。在可动触点与两个静触点都接 合时，允许电流从电源或线路流到负载或电气装置。在可动触点与静触点分离时形成开路， 线路和负载彼此电气隔离。通常使用一个线圈来操作所有三个接触组件的共用支架(carrier)。因此，低压 接触器被构建为，每当在三相输入的任意一极或一相中收到故障状态或开关断开指令时， 接触器的所有接触组件一致断开。简单地，接触组件作为一个组受到控制，而不是被单独控 制。中压接触器通常包含气隙、绝缘气体和真空几种。例如，真空接触器在真空中断开 电弧。例如，单相真空接触器包含真空容器，具有在其中保持的合适的高度排空真空； 操作机构；交流(AC)电力线路端子和负载端子。例如，固定触点和可动触点被容纳在真空 容器内，并且分别电气连接到线路端子和可动容器柄(bottle stem)。接触器的负载端子 通过分路器(shunt)电气连接到从容器突出的容器柄。容器柄远离容器的移动使可动触点 远离固定触点移动，由此以开路位置将触点分开。例如，操作机构包含可绕轴承转动的T形 横杆和具有衔铁的线圈，衔铁响应于线圈并附着到横杆，从而使横杆转动。T形横杆具有弹 性伸缩臂和枢轴板臂(Pivot plate arm)。包含多极的中压或真空接触器的例子在美国专利5，559，426、4，559，511、 4，544，817,4, 504，808,4, 485，366,4, 479，042 和 4，247，745 中公开。已知的接触器使用固定的断开时间，其与主启动器电力熔断器一致，以便确保接 触器不会中断比其中断额定值高的故障。例如，典型的接触器的断开时间为大约8个线路 周期或大约130毫秒的数量级。即使故障电流低于接触器的中断额定值，接触器等待这么 长的时间来断开。作为另一实例，由不同制造商制造的一些已知接触器具有4400安培与8500安 培之间的中断能力，并使用2和20线路周期之间的固定的或预定的释放时间(drop out
5time)ο例如接触器等的电气开关设备具有改进的空间。操作电气开关设备的方法也具有改进的空间。
发明内容
所公开构思的实施例满足了这些以及其他需要，实施例提供了一种电气开关设 备，例如接触器，其基于流过接触器的故障电流来决定或是做出响应地断开可分离触点 (例如立即或尽可能快地)或是将可分离触点保持为闭合并等待另一电路中断器(例如而 不限于熔断器)来清除故障。在故障电流小于接触器中断额定值时接触器清除故障的缩短 的时间使得对其他系统部件(例如而不限于电力电缆、电动机)的损坏减少。这种较短的 故障清除时间还为与上游(upstream)设备的协调提供了更大的裕量。根据所公开构思的一个方面，电气开关设备具有中断额定值，并包含数个可分离 触点；操作机构，其被构造成断开以及闭合可分离触点；数个传感器，其被构造成至少检 测流过可分离触点的电流；处理器，其被构造成与操作机构配合以断开以及闭合可分离触 点，根据检测到的流过可分离触点的电流来确定故障，其中，处理器还被构造成，如果检测 到的与故障相关联的电流小于中断额定值，则做出响应地断开可分离触点，且其中，如果检 测到的与故障相关联的电流大于中断额定值，则将可分离触点保持为闭合，并等待另一个 电路中断器来中断故障。操作机构可包含控制电路和线圈，处理器和控制电路可被构造成导致线圈的反电 动势的即时损耗(depletion)，从而缩短可分离触点的断开时间。所述数个传感器可以是数个被构造成检测与可分离触点可操作地相关联的电压 的电压传感器和数个被构造成检测流过可分离触点的电流的电流传感器，电气开关设备可 以是用于电动机的电动机启动器，处理器还可以构造成，在启动电动机时，对于启动过程中 的数个线路周期，从电流传感器和电压传感器输入线路电压和线路电流。处理器还可被构造成计算Vd= (Vb-Vs)/Vb,以及Isc = Is/Vd ；其中，Vd是每单位电压下降，Vb是启动前的线路电压，Vs是启动过程中的线路电 压，Is。是有效(available)短路电流，而Is是启动过程中的线路电流。处理器还可被构造成确定有效短路电流Is。是否小于作为电气开关设备的短路断 开容量的中断额定值，并做出响应地断开可分离触点，处理器还可被构造成，如果有效短路 电流Is。大于短路断开容量，则对断开可分离触点进行延迟。处理器还可被构造成确定流过可分离触点的故障电流是否小于短路断开容量，并 做出响应地断开可分离触点。处理器还可被构造成，如果有效短路电流Is。大于短路断开容量，在故障电流已经 被这样的另一电路中断器中断之后断开可分离触点。处理器还可被构造成确定流过可分离触点的故障电流是否小于瞬时跳闸设定值 并做出响应地执行过载跳间算法；处理器还可被构造成，如果流过可分离触点的故障电流 大于瞬时跳闸设定值，则等待预定启动延迟或预定运行延迟中的一个。
处理器还可被构造成，在电动机已经启动且线路电流为满载电流的大约450%到 大约700%之后使用所述预定启动延迟，一直到线路电流降低到满载电流。处理器还可被构造成确定流过可分离触点的故障电流是否小于瞬时跳闸设定值 并做出响应地执行过载跳间算法；处理器还可被构造成，如果(a)流过可分离触点的故障 电流大于瞬时跳闸设定值，(b)有效短路电流Is。大于中断额定值，并且(c)流过可分离触 点的故障电流大于中断额定值，则对断开可分离触点进行延迟，一直到故障电流为零。操作机构可包含线圈和用于驱动线圈的控制电路，控制电路可包含电容器、开关 和用来驱动开关的脉宽调制驱动器。在开关由脉宽调制驱动器开启时，二极管可被反向偏 置且不能导通，在开关由脉宽调制驱动器关断时，线圈的反电动势可使得二极管正向偏置 并通过线圈导通循环电流，一直到开关再次开始导通，并且，循环电流可将可分离触点保持 为闭合，一直到开关再次开始导通。开关可以是第一开关，控制电路还可包含与第一开关串联电气连接的第二开关和 与线圈并联电气连接的瞬变吸收器(transorb)，处理器还可被构造成通过使第二开关关断 来断开可分离触点，以便使线圈的反电动势使得瞬变吸收器在预定电压处开始导通，这使 得可分离触点在预定时间后断开。所述数个传感器可以是数个被构造成检测与可分离触点可操作地相关联的电压 的电压传感器以及数个被构造成检测流过可分离触点的电流的电流传感器，处理器还可被 构造成从电流传感器和电压传感器输入线路电压和线路电流，由之计算有效短路电流并确 定电气开关设备是应当断开可分离触点以中断故障还是应当允许这样的另一电路中断器 中断故障。作为所公开构思的另一方面，操作具有中断额定值的电气开关设备的方法包含 使用数个可分离触点；检测流过可分离触点的电流；由检测到的流过可分离触点的电流确 定故障；确定检测到的与故障相关联的电流是否小于中断额定值，并做出响应地断开可分 离触点；确定检测到的与故障相关联的电流是否大于中断额定值，并做出响应地将可分离 触点保持为闭合，等待另一电路中断器来中断故障。该方法还可包含检测与可分离触点可操作地相关联的电压；根据检测到的电压 和检测到的电流来确定有效短路电流；确定有效短路电流是否小于作为电气开关设备的短 路断开容量的中断额定值，并做出响应地断开可分离触点；确定有效短路电流是否大于短 路断开容量，并对断开可分离触点进行延迟。该方法还可包含确定流过可分离触点的故障电流是否小于短路断开容量，并做 出响应地断开可分离触点。作为所公开构思的另一方面，接触器具有中断额定值并包含数个可分离触点； 被构造成断开以及闭合可分离触点的操作机构；被构造成检测流过可分离触点的电流的数 个电流传感器；被构造成检测与可分离触点可操作地相关联的电压的数个电压传感器；处 理器，其被构造成与操作机构配合来断开以及闭合可分离触点，并由检测到的流过可分离 触点的电流确定故障，其中，处理器还被构造为，在启动负载之前，从电压传感器输入启动 之前的线路电压Vb，其中，处理器还被构造为，在启动负载之后，对于启动过程中的数个线 路周期，分别从电压传感器和电流传感器输入线路电压Vs和线路电流Is，其中，处理器还被 构造成计算
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Vd= (Vb-Vs)/Vb,以及Isc = Is/Vd,其中，Vd是每单位电压下降，Is。是有效短路电流，其中，处理器还被构造成确定有 效短路电流Is。是否小于中断额定值并做出响应地断开可分离触点，且其中，处理器还被构 造成，如果有效短路电流Is。大于中断额定值，则对断开可分离触点进行延迟，并等待另一 电路中断器来中断故障。
结合附图阅读下面对优选实施例的说明，可以得到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接触器的原理框图；图2是图1中的处理器的程序的流程图；图3是图1中的接触器线圈控制电路的原理框图。
具体实施例方式如这里使用的，术语“数个”含义为一个或大于一的整数个(即复数个)。如这里使用的，术语“处理器”含义为能够存储、检索并处理数据的可编程模拟和 /或数字装置、计算机、工作站、个人计算机、微处理器、微控制器、微计算机、中央处理单元、 主计算机、微型计算机、服务器、网络处理器或任何合适的处理装置或设备。如这里使用的，术语“做出响应地断开”或“做出响应地开路”含义为处理器响应 于某状态(例如但不限于检测到的与故障相关联的电流小于中断额定值)使得可分离触点 立刻或尽快断开，而不等待另一电路中断器中断与这样的可分离触点串联的电力线路。所公开构思与三极中压接触器相关联地介绍，但所公开构思可应用于具有任意极 数的宽广范围的电气开关设备，例如但不限于接触器、电动机启动器或断路器。参考图1，示出了一种电气开关设备，例如示例性的三极接触器2。示例的接触器 2包含数个(例如但不限于，示出了三个)可分离触点4;被构造成断开以及闭合可分离 触点4的操作机构6 ；数个被构造成至少检测流过可分离触点4的电流的传感器8 ；处理器 10，其被构造成与操作机构6配合以断开以及闭合可分离触点4。按照惯例，处理器10还被 构造成根据检测到的流过可分离触点4的电流确定故障12 (例如但不限于，单相线路到地 故障、单相线路到线路故障、三相线路到线路故障、线路到线路以及地故障)。如下面将要 更详细地说明的，处理器10还被构造成，如果检测到的与故障12相关联的电流小于接触器 2的中断额定值，则做出响应地断开可分离触点4，如果检测到的与故障12相关联的电流大 于接触器中断额定值，则将可分离触点4保持为闭合并等待另一电路中断器——例如数个 示例的电力熔断器14——来中断故障12。实例1在此实例中，接触器2为三极中压接触器2，其包含三个电流传感器16(例如但不 限于电流互感器、Rogowski线圈)、检测与可分离触点4可操作地相关联的线路电压的三个 电压传感器18和基于处理器的控制与保护模块20。处理器10知悉接触器的中断额定值。 在例如12等的故障发生时，处理器10将故障电流级别和接触器的中断额定值进行比较。如
8果故障电流大于接触器的中断额定值，则处理器10将接触器10保持为闭合，直到上游的电 路中断器(例如但不限于数个电力熔断器14)清除故障12。如果故障电流小于接触器的中 断额定值，则处理器10做出响应地断开接触器可分离触点4。实例2图2示出了用于图1的处理器10的程序22。如下面将要讨论的，处理器程序22 确定有效短路电流Is。是否小于接触器的中断额定值(Ik)，并做出响应地断开可分离触点 4。否则，如果有效短路电流Is。大于接触器的中断额定值，则处理器程序22对断开可分离 触点4进行延迟。对于电动机24(在图1中由假想线绘图表示)的每次启动，线路电压(例如但不限 于 和线路电流(例如但不限于Is)由相应的电压和电流传感器18和16进行检测。优 选为，进入启动的数个周期(例如但不限于10个)取得读数，以便消除典型地在接触器闭 合时出现的扰动。如等式1和2分别所示，电压下降(Vd(每单位))和启动线路电流(Is) 用来计算有效短路电流(Is。)。Vd= (Vb-Vs)Ab (等式 1)其中Vd为电压下降(每单位)，Vb为启动前的线路电压(伏特)，以及Vs为启动过程中的线路电压(伏特)。Isc = Is/Vd(等式 2)其中Isc为有效短路电流(安培)，以及Is为启动过程中的线路电流(安培)。继续参考图2，程序22在26处开始。接着，在28处，程序22测量启动之前的线路 电压Vb 29，之后，在30处，接触器可分离触点4通过控制电路31而被闭合(图1和3)，如 将要说明的那样。然后，在32处，程序22在测量启动过程中的线路电压^33和启动过程中 的线路电流Is34之前等待例如数个周期(例如但不限于大约十个线路周期)。接着，在36 处，程序22使用例如等式1和2来计算有效短路电流Is。。在38处，程序22确定是否存在故障(例如但不限于故障12、电动机故障、电力电 缆故障)，如果是，则在40处，使用电流传感器16测量故障电流If41。例如但不限于，该值 为每秒钟测量4000次的RMS值。故障电流值被计算为每半个周期的RMS值，由程序22使 用。接着，在42处，确定故障电流If41是否大于接触器2的瞬时跳闸设定值Iinst。如果不是，则在44处做出响应地执行常规的启动过负载跳闸算法。否则，如果故 障电流If41大于瞬时跳闸设定值Iinst,则程序22在46处等待对应的启动延迟(如果启动) 或对应的运行延迟(如果运行)。接着，在48处，确定有效短路电流Is。是否大于中断额定值，中断额定值是接触器 的短路断开容量Ik，如果不是，则在50处，接触器断开时间被设置为尽可能快，可分离触点 4作为响应地断开，另一方面，如果有效短路电流Is。大于接触器短路断开容量Ik，则这对接 触器可分离触点4的断开进行延迟，并执行在52处恢复。由于电弧电压，有效短路电流Is。 会远大于故障电流If41。因此，在52处，检查故障电流If41大于接触器的短路断开容量Ik。如果不是，则在54处，类似于50地，接触器做出响应地断开。程序22确定流过可分离触 点4的故障电流If 41是否小于短路断开容量Ik，并做出响应地断开可分离触点4。否则，如果故障电流If 41大于接触器短路断开容量Ik，则在56处，接触器的可分 离触点4保持为闭合，并在故障电流被另一电路中断器——例如电力熔断器14——中断之 后被设置为断开。接着，在58处，确定故障电流If 41是否等于零，如果不是，则在60处，接触器可 分离触点4保持为闭合，重复步骤58。另一方面，如果故障电流If41为零，则接触器可分离 触点4在62处被断开。在启动或运行过程中，在38处，程序22周期性地使用电流传感器16来检测电动 机电流，识别电流的突然增大并跳闸(例如，在50、54或62处的瞬时跳闸，在44处的过负 载或热跳闸)。因此，在故障状态期间，对于瞬时跳闸，接触器2在50或54处对于低于接触 器中断额定值的电流迅速断开，由此减小示例性电力熔断器14的疲劳度并使得对下游元 件——例如电力电缆或者示例性电动机24——的损坏最小化。瞬时跳闸功能在46处开始，并具有避免误跳闸的两种延迟(启动延迟和运行延 迟)。启动延迟避免由于例如但不限于功率因数校正电容器充电电流造成的跳闸。运行延 迟避免线路浪涌的跳闸。在步骤40、42、44中，程序22确定流过可分离触点4的故障电流是否小于瞬时跳 闸设定值，并在44处做出响应地执行过负载跳闸算法。否则，在步骤46、48、52、56、58、60、 62处，如果(a)流过可分离触点4的故障电流大于接触器瞬时跳闸设定值，(b)有效短路 电流Is。大于接触器中断额定值，且(c)流过可分离触点4的故障电流大于接触器中断额定 值，程序22对断开可分离触点4进行延迟，一直到故障电流为零。在确定瞬时跳闸后，在40和42处，程序22或者在50或54处做出响应地断开接 触器2，或者对断开接触器2进行延迟，一直到示例性电力熔断器14已经清除故障。如果程 序22延迟跳闸，则其在步骤60和58处继续监视线路电流。实例3例如，图2示出了三相电压29与33、三相电流34与41以及36处的单相计算(等 式1和2)。这里，三相电压29或33以及三相电流34或41各自优选为对于这些计算取平均值。典型地，三相电流在大约2%到3%的范围内平衡。在故障发生时(例如，如步骤52 所检测到的)，其可以是单相线路到地(LG)、单相线路到线路(LL)或三相线路到线路(LLL) 和/或线路到线路和地(LLLG)故障。例如但不限于，输入电力可具有四种故障额定值，LLL =6171A、LLG = 5580A、LL = 5344A以及LG = 4110A。这反映了例如基于电力系统电缆间 隔的不同阻抗。所有这些数字在对称的基础上(例如，在故障的大约10个周期后，所有的 不对称分量已经消除)。由于使用所有三个电流，计算得到的故障电流为LLL，这是最坏的 情况。直接故障(bolted fault)是这样的故障电力导体在一起发生碰线，并可能接地，取 决于测试。在电弧开始后，存在所涉及的电弧电压，且这取决于电弧的长度。在电动机启动 器中，这典型地为大约400伏到大约700伏或者是额定电压的大约10%到大约20%。这导 致计算得到的故障电流大于实际的故障电流。实例4
10
在接触器可分离触点4闭合并且电动机24开始转动时，电流为满负载电流的大约 450%到大约700%。由于电动机24加速，电流以额定速度下降到满负载电流。此时间长度 被称为启动模式，并且在该时间期间，指定合适的预定启动延迟(例如但不限于大约30ms ； 任何合适的时间)。程序22使用预定的启动延迟来避免由于对电动机24无害的扰动产生 的误跳闸。当存在超过跳闸所指定水平Iinst的大电流时，启动延迟拖延宣告跳闸达所指定 的时间延迟，并检验该状况是否被清除。如果该状况已经清除，则不宣告跳闸。否则，如果 该状况还没有清除，则宣告跳闸，程序22移动到下一步骤。在电动机24高速运行且电流下降到额定速度的满负载电流之后，电动机24宣告 正在运行，由此，在此时间期间，使用合适的预定运行延迟(例如但不限于大约20ms ；任何 合适时间)。运行延迟是这样的设置值其被指定为忽略电动机运行模式过程中(也就是 说，在其已经达到全速且流过可分离触点4的电流已经稳定为低于电动机满负载水平)发 生的对电动机24无害的扰动。该扰动可由例如另一电动机启动、开关电容器、瞬间电压突 降或电力系统损耗引起。实例5Is34是电动机24的启动电流(例如，锁定转子电流)。这是在电动机24开始加 速时在系统中流动的电流，例如但不限于，其为满负载电流的大约450%到大约700%。尽 管提供了典型的范围，启动电流可以是满负载电流的任何合适的更小或更大的百分比。Is。(等式2)是系统的直接短路电流(bolted short circuit current)。该电流 典型地为电流Is34的大约15到大约20倍。If41是在系统中流动的实际故障电流。此电流包含电弧电压的效应并典型地为Is。 的大约80%，根据启动过程中不起作用的系统的间隔和阻抗。采用电动机电源电路(例如，如图1所示)，三线单相值施加到三相电路。接触器 可分离触点4(例如但不限于，真空中断器)为额定单相，并且在完全线路到线路电压和接 触器短路断开容量电流下测试。电力熔断器14也额定成这种形式。实例6电动机故障为，在电动机24中出现故障时，电动机引线到地或三相绕组相到相或 相到地故障。电缆故障发生在连接到电动机24的电力电缆中，或者是相到相或者是相到地故障。实例 7在图2中，在40和42处确定瞬时跳闸后，程序22或者做出响应地断开接触器可 分离触点4 (在48处Ise < Ik,或者在52处If < Ik)，或者对断开进行延迟，一直到数个示例 性电力熔断器14已经清除了故障(例如，If = 0)，故障清除之后，在62处断开可分离触点 4。因此，如果接触器可分离触点4保持闭合，在60和58处重复对于If = 0的最终检查。实例8在图2中的44处，可使用任何合适的过负载跳闸算法。作为一非限制性实例，当 电动机电流超过预设水平时(始动(Pickup))，合适的时间序列被启动，其将在电流不降低 到低于始动水平的条件下产生跳闸。一个例子是填充热井(thermal bucket)。相对较小的 流(即相对较小的过负载电流)取相对较长的时间，而相对较大的流(即相对较大的过负 载电流)取相对较短的时间。
实例9在图2中，在42、48、52处存在对于一个值大于( > )另一个值的三个示例性测 试。这里，如果处理器10使用浮点计算，则测试相等(=)或者不会出现，或者非常不可能 出现。作为替代的是，可进行大于或等于(》)测试，使得如果测试结果为大于( > )或等 于(=)，则可分离触点4保持为闭合。将会明了，58处对于一个值等于零的测试可以是例如该值近似等于零，以便将噪 音和/或电流传感器16的分辨率或准确度考虑在内。实例10参考图3，操作机构6包含控制电路31和线圈64。处理器10和控制电路31优选 为产生线圈64的反电动势(EMF)的即时损耗，以便减少可分离触点4的断开时间。这在故 障电流小于接触器中断额定值的情形(例如图2的52和54)中有用。示例性控制电路31包含电容器66、例如场效应管(FET)68的开关、用来驱动FET 68的脉宽调制(PWM)驱动器70。在FET 68被PWM驱动器70开通时，二极管72反向偏置 而不能导通。另一方面，在FET 68被PWM驱动器70关断时，线圈64的反向EMF使二极管 72正向偏置并通过线圈64导通循环电流，直到FET 68重新开始导通。此循环电流将可分 离触点4保持为闭合，直到FET 68重新开始导通。示例性控制电路31还包含合适的充电电路，例如示例性的全波桥74，以便从控制 电压77给电容器66充以足够的能量，从而将可分离触点4保持为闭合，并将处理器10保 持为在失去控制电压77之后可运行至少达预定的时间。在激励线圈64达预定的时间之 后，PWM驱动器70将到线圈64的电压降低到将可分离触点4保持为闭合的预定电压。控制电路31还包含第二开关，例如为示例性的FET 76，其和第一 FET 68串联电 气连接；瞬变吸收器78，其与线圈64并联电气连接。处理器10通过使第二 FET 76关断来 断开可分离触点4。FET 76的关断使线圈64的反向EMF在预定的电压下通过瞬变吸收器 78导通，这使得可分离触点4在预定的时间之后断开。示例性的控制电压77可以是例如但不限于120V ACU25V DC或240V AC。例如， 此电压77优选为电容器66充入足够的能量，以便将接触器2保持为闭合，并将处理器10 保持为在失去控制电压77之后能够运行达大约300毫秒。在处理器10接收到启动命令80时，它使PWM驱动器70通过PWM信号82开通FET 68。处理器10还使FET驱动器84开通第二 FET 76。PWM信号82的非限制性示例性额定 值为大约IOOOHz。实例11例如，大约200毫秒之后，被PWM驱动器70驱动的第一 FET 68将到线圈64的电 压降低到大约10伏。这对在操作过程中保持接触器2闭合来说是足够的电压，并允许线圈 64仅具有大约6°C的温升。例如，如果控制电压77降低到小于大约70伏，则接触器2不会 始动。此外，如果控制电压77降低到低于大约45伏，则相对较长的时间后接触器2释放 (drop out)ο实例12在处理器10希望接触器2释放时，其使FET驱动器84关断第二 FET76。线圈64 的反向EMF迫使瞬变吸收器78 (或合适的瞬变电压抑制二极管)在大约150伏开始导通。瞬变吸收器78吸收的能量使接触器2在合适的可预测时间释放。实例13在故障发生时，已知的接触器保持闭合，并等待电路中断器——例如电力熔断 器——清除故障的合适的足够的时间。然而，接触器的很多应用具有接触器能够相对易于 清除的短路电流。所公开构思计算短路电流容量(有效短路电流IJ并确定接触器2应当中断故障 12还是保持闭合并允许电力熔断器14来清除故障。这有两个优点。第一，电力熔断器14 不必更换(例如但不限于，每次故障大约$1000)。第二，由于电力熔断器14花费相对较长 的时间来清除相对较低等级的故障，使用所公开的接触器2，对负载——例如示例性电动机 24和/或电力电缆——的潜在危险小得多，因此，检修成本较低。实例14公开的接触器2可以是例如但不限于具有数个极的接触器、中压电动机启动器或 三极中压接触器，例如电动机启动器。例如，在电动机启动中，负载变化可测量并相对较为
显者ο作为替代的是，所公开构思可用于配电开关设备。在配电开关设备应用中，负载变 化不那么显著，因此使得有效短路电流Is。的计算相对不那么可靠。实例15一种操作电气开关设备——例如示例性的接触器2——的方法，包含使用数个可 分离触点——例如4——检测流过可分离触点4的电流Is或If，由检测到的流过可分离触 点4的电流确定故障12，确定与故障12相关联的检测电流是否小于接触器2的中断额定 值，并做出响应地断开可分离触点4，确定与故障12相关联的检测电流是否大于中断额定 值，做出响应地将可分离触点4保持为闭合并等待另一电路中断器——例如示例性的电力 熔断器14——中断故障12。尽管已详细说明了所公开构思的具体实施例，本领域技术人员将会明了，在本公 开的全部内容的教导下，可对这些详细内容进行多种修改和替代。因此，所公开的具体配置 仅仅是说明性的，而不限制所公开构思的范围，所公开构思的范围由所附权利要求及其任 何以及所有等效内容的全部广度给出。附图标记
2电气开关设备，例如三极接触器
4数个可分离触点
6操作机构
8数个传感器
10处理器
12故障
14另一电路中断器，例如数个电力熔断器
16三个电流传感器
18三个电压传感器
20基于处理器的控制与保护模块
22程序[0121 [0122 [0123 [0124 [0125 [0126 [0127 [0128 [0129 [0130 [0131 [0132 [0133 [0134 [0135 [0136 [0137 [0138 [0139 [0140 [0141 [0142 [0143 [0144 [0145 [0146 [0147 [0148 [0149 [0150 [0151 [0152 [0153 [0154 [0155 [0156
24电动机 26步骤 28步骤
29Vb，启动前的线路电压 30步骤 31控制电路 32步骤
33VS，启动过程中的线路电压 34IS，启动过程中的线路电流 36步骤 38步骤 40步骤
41故障电流，If 42步骤 44步骤 46步骤 48步骤 50步骤 52步骤 54步骤 56步骤 58步骤 60步骤 62步骤 64线圈 66电容器
68开关，例如场效应晶体管(FET) 70脉宽调制(PWM)驱动器 72 二极管
74充电电路，例如示例性的全波桥
76第二开关，例如示例性的FET
77控制电压
78瞬变吸收器
80开始命令
82PWM信号
84FET驱动器。
权利要求
一种具有中断额定值(Ik)的电气开关设备(2)，所述电气开关设备包含数个可分离触点(4)；操作机构(6)，其被构造成断开以及闭合所述可分离触点；数个传感器(8)，其被构造成至少检测流过所述可分离触点的电流；以及处理器(10)，其被构造成与所述操作机构配合以断开以及闭合所述可分离触点，并根据检测到的流过所述可分离触点的所述电流来确定(38、40)故障(12)，其中，所述处理器还被构造成(22)，如果检测到的与所述故障相关联的电流小于所述中断额定值，则做出响应地断开(50、54)所述可分离触点，且其中，所述处理器还被构造成，如果检测到的与所述故障相关联的电流大于所述中断额定值，则将所述可分离触点保持为闭合(56)并等待(58)另一电路中断器(14)中断所述故障。
2.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述电气开关设备为三极中压接触器。
3.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述电气开关设备为具有数个极的接触器。
4.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述操作机构包含控制电路(31)和线圈 (64)；且其中，所述处理器和所述控制电路被构造成导致所述线圈的反电动势的即时损耗， 从而缩短所述可分离触点的断开时间。
5.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述数个传感器为数个被构造成检测与所述 可分离触点可操作地关联的电压的电压传感器(18)和数个被构造成检测流过所述可分离 触点的所述电流的电流传感器(16)；其中，所述电气开关设备是用于电动机(24)的电动机 启动器(2)；且其中，所述处理器被进一步构造成，当启动所述电动机时，对于所述启动过 程中的数个线路周期，从所述电流传感器和所述电压传感器输入(32)线路电压(33)和线 路电流(34)。
6.权利要求5的电气开关设备(2)，其中，所述处理器被进一步构造成(36)计算 其中，Vd是每单位电压下降，Vb是所述启动前的线路电压，Vs是所述启动过程中的线路 电压，Isc是有效短路电流，Is是所述启动过程中的线路电流。
7.权利要求6的电气开关设备(2)，其中，所述处理器被进一步构造成确定(48)有效 短路电流Is。是否小于所述中断额定值，并做出响应地断开(50)所述可分离触点，所述中 断额定值就是所述电气开关设备的短路断开容量(Ik)；且其中，所述处理器被进一步构造 成，如果有效短路电流Is。大于短路断开容量(Ik)，则对断开所述可分离触点进行延迟(52、 56)。
8.权利要求7的电气开关设备(2)，其中，所述处理器被进一步构造成确定(52)流过 所述可分离触点的故障电流(If，41)是否小于短路断开容量(Ik)，并做出响应地断开(54) 所述可分离触点。
9.权利要求7的电气开关设备(2)，其中，所述处理器被进一步构造成(48、58)，如果有 效短路电流Is。大于短路断开容量(Ik)，在故障电流被所述另一电路中断器中断之后，断开 (62)所述可分离触点。
10.权利要求5的电气开关设备(2)，其中，所述处理器被进一步构造成，确定(42)流过所述可分离触点的故障电流(If)是否小于瞬时跳闸设定值(Iinst)并做出响应地执行 (44)过负载跳闸算法；且其中，所述处理器被进一步构造成(42、46)，如果流过所述可分离 触点的故障电流(If)大于瞬时跳闸设定值(Iinst),则等待预定的启动延迟或预定的运行延 迟中的一种。
11.权利要求10的电气开关设备(2)，其中，所述处理器被进一步构造成(46)，在所述 电动机已经启动且线路电流(Is)为满负载电流的大约450%到大约700%之后使用所述预 定的启动延迟，直到线路电流(Is)降低到所述满负载电流。
12.权利要求6的电气开关设备(2)，其中，所述处理器被进一步构造成，确定(42)流 过所述可分离触点的故障电流(If)是否小于瞬时跳闸设定值(Iinst)并做出响应地执行 (44)过负载跳闸算法；且其中，所述处理器被进一步构造成(42、46、48、52、58)，如果(a)流 过所述可分离触点的故障电流(If)大于瞬时跳闸设定值(Iinst)，(b)有效短路电流Is。大于 所述中断额定值(Ik)，并且(c)流过所述可分离触点的故障电流(If)大于所述中断额定值 (Ik)，则对断开所述可分离触点进行延迟，一直到故障电流(If)为零。
13.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述操作机构包含线圈(64)和用于驱动 所述线圈的控制电路(31)；其中，所述控制电路包含电容器(66)、开关(68)和用来驱动所 述开关的脉宽调制驱动器(70)；其中，当所述开关由所述脉宽调制驱动器开通时，所述二 极管反向偏置且不能导通，其中，当所述开关由所述脉宽调制驱动器关断时，所述线圈的反 电动势使所述二极管正向偏置并通过所述线圈导通循环电流，一直到所述开关重新开始导 通；且其中，所述循环电流将所述可分离触点保持为闭合，一直到所述开关重新开始导通。
14.权利要求13的电气开关设备(2)，其中，所述控制电路还包含充电电路(74)，所述 充电电路被构造成从控制电压(77)为所述电容器充入足够的能量，以便将所述可分离触 点保持为闭合，并将所述处理器保持为在失去所述控制电压之后至少可运行预定的时间。
15.权利要求13的电气开关设备(2)，其中，所述脉宽调制驱动器被构造成，在激励所 述线圈达预定的时间之后，将到所述线圈的电压降低到预定电压并将所述可分离触点保持 为闭合。
16.权利要求13的电气开关设备(2)，其中，所述开关是第一开关(68)；其中，所述控 制电路还包含与所述第一开关串联电气连接的第二开关(76)以及与所述线圈并联电气连 接的瞬变吸收器(78)；且其中，所述处理器被进一步构造成，通过使所述第二开关关断来 断开所述可分离触点，以便使所述线圈的反电动势使得所述瞬变吸收器以预定的电压开始 导通，这使得所述可分离触点在预定时间后断开。
17.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述数个传感器为数个被构造成检测与所 述可分离触点可操作地相关联的电压的电压传感器(18)和数个被构造成检测流过所述可 分离触点的所述电流的电流传感器(16)；其中，所述处理器被进一步构造成(22)，从所述 电流传感器和所述电压传感器输入(28、32)线路电压(Vs)和线路电流(Is)，由之计算(36) 有效短路电流(IJ并确定(42、48、52、58)所述电气开关设备应当断开所述可分离触点以 中断故障还是应当允许所述另一电路中断器中断所述故障。
18.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述电气开关设备为中压电动机启动器⑵。
19.权利要求1的电气开关设备(2)，其中，所述电气开关设备为配电开关装置(2)。
20.一种操作具有中断额定值的电气开关设备的方法，所述方法包含 使用数个可分离触点(4)；检测(16)流过所述可分离触点的电流；根据检测到的流过所述可分离触点的所述电流来确定(38、40)故障(12)； 确定(48、52)检测到的与所述故障相关联的电流是否小于所述中断额定值，做出响应 地断开(50、54)所述可分离触点；以及确定(48、52)检测到的与所述故障相关联的电流是否大于所述中断额定值，做出响应 地将所述可分离触点保持为闭合(56、58、60)并等待(58)另一电路中断器(14)中断所述 故障。
21.权利要求20的方法还包含检测(18)与所述可分离触点可操作地相关联的电压； 根据检测到的所述电压和检测到的所述电流来确定(36)有效短路电流(Is。)； 确定(48)有效短路电流是否小于所述中断额定值，并做出响应地断开(50)所述可分 离触点，所述中断额定值是所述电气开关设备的短路断开容量(Ik)；以及确定(48、52、56、58)有效短路电流是否大于短路断开容量，并对断开所述可分离触点 进行延迟。
22.权利要求21的方法还包含确定(48)流过所述可分离触点的故障电流(If)是否小于短路断开容量(Ik)，并做出 响应地断开(50)所述可分离触点。 一种具有中断额定值(Ik)的接触器(2)，所述接触器包含 数个可分离触点⑷；操作机构(6)，其被构造成断开以及闭合所述可分离触点；数个电流传感器(16)，其被构造成检测流过所述可分离触点的电流；数个电压传感器(18)，其被构造成检测与所述可分离触点可操作地相关联的电压；以及处理器(10)，其被构造成与所述操作机构配合来断开以及闭合所述可分离触点，并根 据检测到的流过所述可分离触点的所述电流来确定(38、40)故障(12)，其中，所述处理器被进一步构造成(22)，在启动负载之前，从所述电压传感器输入 (28)所述启动之前的线路电压Vb，其中，所述处理器被进一步构造成，在启动所述负载之后，对于所述启动过程中的数个 线路周期，分别从所述电压传感器和所述电流传感器输入(32)线路电压Vs和线路电流Is， 其中，所述处理器被进一步构造成计算(36) Vd= (V、)/\，以及 Isc — IS/Vd，其中，Vd是每单位电压下降，Isc是有效短路电流，其中，所述处理器被进一步构造成确定(48)有效短路电流Is。是否小于所述中断额定 值并做出响应地断开(50)所述可分离触点，且其中，所述处理器被进一步构造成(48、52、56、58)，如果有效短路电流13。大于所述中 断额定值，则对断开所述可分离触点进行延迟并等待另一电路中断器(14)中断所述故障。
全文摘要
一种电气开关设备(2)，包含数个可分离触点(4)、构造成断开以及闭合可分离触点的操作机构(6)、数个构造成至少检测流过可分离触点的电流的传感器(8)以及构造成与操作机构配合以断开以及闭合可分离触点的处理器(10)。处理器根据检测到的流过可分离触点的电流来确定(38、40)故障(12)。如果检测到的与故障相关联的电流小于电气开关设备的中断额定值，处理器还做出响应地断开(50、54)可分离触点。如果检测到的与故障相关联的电流大于中断额定值，则处理器保持(56)可分离触点为闭合并等待(58)另一电路中断器(14)中断故障。
文档编号H02H7/085GK101924345SQ201010253469
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月2日 优先权日2009年6月2日
发明者J·M·凯利斯, L·B·法尔 申请人:伊顿公司