断路器、由双金属电压间接检测电流以及确定双金属温度与校正后的依赖于温度的双金属电阻的方法

具体实施方式

这里所用的一部件与一个或一个以上的其他部件“电气互连”的陈述意味着这些部件直接电气连接在一起或通过一个或一个以上的电气导体或一般的电传导中间部件电气连接在一起。另外，这里所用的一部件“电气连接到”一个或一个以上的其它部件的陈述意味着这些部件直接电气连接在一起或通过一个或一个以上的电导体电气连接在一起。

本发明结合电弧故障断路器进行介绍，然而，本发明适用于宽广范围的电路中断器。

参照图1，断路器2包含外壳4、可分离触点6、与可分离触点6串联电气连接的双金属8。双金属8包含依赖于温度的电阻10(图2)以及具有表征流经可分离触点6的电流16(图2)的电压14(图2)的输出12。操作机构18被结构化为断开和闭合可分离触点6。温度传感器(T)20被布置在双金属8的远端，并包含具有表征环境温度的信号24的输出22。

跳闸电路26与操作机构18协作，以便跳闸断开可分离触点6。跳闸电路26包含第一电路28、第二电路30。第一电路28提供实时热模型函数29，第二电路30提供跳闸函数31(例如但不限于电弧故障检测(AFD))。第一电路28包含第一输入32、第二输入34，第一输入32与双金属8的输出12电气互连，以便输入表征流经可分离触点6的电流16(图2)的电压14(图2)，第二输入34与温度传感器20的输出22电气互连，以便输入表征环境温度的信号24。如同下面结合图2-4讨论的那样，实时热模型函数29被结构化为提供作为双金属电压14(图2)以及表征环境温度的信号24的函数的、校正后的依赖于温度的双金属8的电阻36(图3与4)。热模型函数29又提供包含双金属电流值40的输出38，双金属电流值40为双金属电压14以及校正后的依赖于温度的双金属电阻36的函数。AFD跳闸函数31包含输入42以及输出44，输入42具有电流值40，输出44被结构化为响应于预定电流条件致动操作机构18。

例如，在美国专利No.5,224,006中，采用美国专利No.5,691,869中描述的优选类型，公开了适当的电弧故障检测器的实例，其并入此处作为参考。

实例1

第一电路28包含合适的处理器(μP)46，其被结构化为重复执行作为实时热模型函数29的迭代算法(图3中的58或图4中的58′)。μP 46包含或与模拟至数字转换器(ADC)48协作，并被结构化为周期性地输入表征流经可分离触点6的电流的电压14以及表征环境温度的信号24(例如但不限于电压)。如同将在下面结合图2-4讨论的那样，μP 46测量双金属电压14和断路器环境温度，使用热模型函数29来推定双金属温度50(图3与4)以及双金属电阻36(图3与4)，并由这些量得出断路器电流86(图3与4)。特别地，μP 46使用ADC 48检测表征环境温度的电压24以及双金属电压14，并使用图3的算法58或图4的58′处理该信息，以便提供断路器电流86。

实例2

环境温度在断路器外壳4内。μP 46使用温度传感器20(例如但不限于布置在双金属8的远端(即适当的距离，以便测量环境温度)的热敏电阻)检测断路器内部的环境温度。于是，μP 46使用断路器2以及双金属8的双金属电压14(图2)和热模型51(图2)来推定断路器内部环境温度54(图2)之上的暂态双金属温升52(图2)。所推定的暂态双金属温升52和内部环境温度54被用于推定绝对双金属温度55(图2)并确定双金属电阻10，双金属电阻10于是被用于推定实际断路器电流16。

实例3

μP 46优选为以等于或大于Nyquist速率的适当的采样频率(即快到足够使整个电压波形频谱含量被捕获)对双金属电压14(图2)进行离散时间采样。例如参见下面的公式4的采样周期Ts。

实例4

尽管公开了基于处理器的电流检测机构，可使用离散数字电子部件和/或连续时间系统(例如但不限于使用模拟电路)和/或其组合。或者，可使用其他合适的电流检测机构。一个实例包含模拟/数字混合双金属电压检测，其中，首先用模拟电路确定双金属电压的半周期积分值或峰值，接着对之进行数字采样。

实例5

图2示出了双金属8与相关联的断路器2(图1)的连结的第一阶连续时间电气模型56以及热模型51。如果想要增大的准确度，此模型可用更为详细的模型代替(下面的实例6)。到断路器内部环境温度(8C)54的双金属8的热电阻R_θ(8C/W)对包括传导、对流、辐射在内的、双金属8的暂态和稳态热损耗进行建模。双金属的热电容(thermal capacitance)C_θ(J/8C)对由于功率消耗在双金属8中产生的暂态和稳态温升进行建模。所推定的由双金属8消耗的瞬时功率由Q_bimetal(t)(W)给出。ΔT(t)为相对比于时间t在断路器内部环境温度54之上的双金属8的推定温升52。ΔT(t)通过解公式1的连续时间表达式来确定。

$\mathrm{\Delta T}\left(t\right)=\frac{1}{C_{\Theta }}\int Q_{C_{\Theta }}\left(t\right)·\mathrm{dt}$(公式1)

其中，Q_Cθ(t)为传送到断路器双金属8中的净瞬时功率。

对于热流使用基尔霍夫定律，重写公式1，提供公式2的表达式。

$\mathrm{\Delta T}\left(t\right)=\frac{1}{C_{\Theta }}\int (Q_{\mathrm{bimetal}}\left(t\right)-\frac{\mathrm{\Delta T}\left(t\right)}{R_{\Theta }})·\mathrm{dt}$(公式2)

公式3提供了由公式2的对应的Laplace域表达式。

$\mathrm{\Delta T}\left(s\right)=\frac{\frac{1}{C_{\Theta }}}{s+\frac{1}{R_{\Theta }·C_{\Theta }}}{Q}_{\mathrm{bimetal}}\left(s\right)$(公式3)

其中：

s由定义；

为反Laplace变换运算符；以及

ΔT(t＝0^-)＝0。

公式4提供了公式3的替代，以便通过向后矩形积分得出上面的连续时间模型的离散版本。

$s=\frac{1}{T_s}·(1-z^{-1})$公式4

其中：

T_s为采样周期(秒)(例如但不限于，对于60Hz线周期(line cycle)大约为1ms；适当的周期，使得采样频率等于或大于Nyquist速率)；

z为连续时间系统中的Laplace运算符s的离散时间系统等价物，并由Z^-1{ΔT(z)}＝ΔT(n)定义；

Z^-1为反Z变换运算符；以及

ΔT(n＝0)＝0。

公式5表示热模型51的离散时间等价物。

$\mathrm{\Delta T}\left(n\right)=\left[\frac{\frac{1}{C_{\Theta }}}{\frac{1}{T_s}+\frac{1}{R_{\Theta }·C_{\Theta }}}\right]·Q_{\mathrm{bimetal}}\left(n\right)+\left[\frac{\frac{1}{T_s}}{\frac{1}{T_s}+\frac{1}{R_{\Theta }·C_{\Theta }}}\right]·\mathrm{\Delta T}(n-1)$公式5

其中：

n为大于或等于零的整数；

ΔT(n)为对于采样n在断路器内部环境温度(8C)之上的双金属8的推定温升；

Q_bimetal(n)为对于采样n由双金属8消耗的推定瞬时功率(W)；以及

ΔT(n-1)为对于采样n-1在断路器内部环境温度之上的双金属8的推定温升(8C)。

实例6

离散时间模型51中相对较好的性能通过使用较好的积分方法来获得，例如使用梯形积分。公式6提供了公式3的适当的替代物。

$s=\frac{2}{T_s}·\frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}}$公式6

公式7表示热模型51的相对更为准确的离散时间等价物。

$\mathrm{\Delta T}\left(n\right)=\left[\frac{\frac{1}{C_{\Theta }}}{\frac{2}{T_s}+\frac{1}{R_{\Theta }·C_{\Theta }}}\right]·[Q_{\mathrm{bimetal}}\left(n\right)+Q_{\mathrm{bimetal}}(n-1)]\left[\frac{\frac{2}{T_s}-\frac{1}{R_{\Theta }·C_{\Theta }}}{\frac{2}{T_s}+\frac{1}{R_{\Theta }·C_{\Theta }}}\right]·\mathrm{\Delta T}(n-1)$公式7

其中，

Q_bimetal(n-1)为对于采样n-1的推定的由双金属8消耗的瞬时功率(W)。

实例7

图3示出了算法58，其使用了实例6的热模型。首先，在60中，整数n——其表示采样数——被设置为零。接着，在62中，环境之上的合适的初始双金属温升ΔT(0)被设置为对于采样0的值u，该值为预定值(8C)(例如但不限于0、大约0、任何合适的值)。接着，在64中，由双金属消耗的合适的初始推定瞬时功率Q_bimetal(0)被设置为对于采样0的值v，该值为预定值(W)(例如但不限于0、大约0、任何合适的值)。接着，在66中，整数n增大。接着，在68与70中，双金属8的电压V_bimetal(n)(V)以及断路器内部环境温度T_ambient(n)(8C)分别通过ADC 48(图1)受到测量。接着，在72中，对于采样n的双金属(8C)的推定的绝对温度50由公式8确定。

T_bimetal(n)＝T_ambitet(n)+ΔT(n-1)公式8

其中：

T_ambient(n)为断路器内部环境(8C)的绝对温度，例如，如热敏电阻20(图1)所测量的；以及

ΔT(n-1)为对于采样n-1的断路器内部环境温度(8C)之上的双金属8的前一推定温升。

于是，在74中，双金属8的推定电阻36，R_bimetal(n)(ζ)，由公式9对于采样n确定。

R_bimetal(n)＝f_r(T_bimetal(n))公式9

其中，f_r(T)为表征或近似表示双金属电阻(ζ)随双金属温度(8C)变化的函数(例如但不限于，由从双金属制造商那里获得的数据得出；接近为线性函数；由线性函数近似；hash函数)。这提供了作为双金属8的绝对温度的预定函数的、校正后的依赖于温度的双金属电阻。

接着，在76中，流经双金属的推定瞬时电流86，i_bimetal(n)(A)，由公式10对于采样n被确定。

$i_{\mathrm{bimetal}}\left(n\right)=\frac{V_{\mathrm{bimetal}}\left(n\right)}{R_{\mathrm{bimetal}}\left(n\right)}$(公式10)

接着，在78中，由双金属消耗的推定瞬时功率，Q_bimetal(n)(W)，由公式11与12中的一个被确定。

$Q_{\mathrm{bimetal}}\left(n\right)=\frac{{\left(V_{\mathrm{bimetal}}\left(n\right)\right)}^2}{R_{\mathrm{bimetal}}\left(n\right)}$(公式11)

Q_bimetal(n)＝(i_bimetal(n))²·R_bimetal(n)(公式12)

接着，在80中，ΔT(n)由上面的公式7基于热模型来确定。

最后，在82与84中，分别保存ΔT(n)与Q_bimetal(n)，以便用于下一次迭代(采样n+1)，其在步骤66中开始重复。

因此，μP 46由迭代算法58的初始迭代确定下面的内容：(a)在步骤62中，由环境温度加预定值u，确定双金属8的初始绝对温度，(b)在步骤78中，确定由双金属8消耗的瞬时功率，以及(c)在步骤80中，确定在环境温度之上的双金属8的温升。接着，在迭代算法58的随后迭代中，μP 46：(d)在步骤72中，由环境温度的随后输入加上双金属在环境温度之上的温升，确定双金属8的随后绝对温度，(e)在步骤78中，确定由双金属消耗的随后瞬时功率，(f)在步骤80中，确定双金属在随后输入的环境温度之上的随后温升。该过程在迭代算法58的随后迭代上继续，以便由环境温度的另一输入加上双金属8的随后温升、双金属8消耗的另一瞬时功率以及双金属8在最后一次输入的环境温度之上的另一温升，精化双金属8的绝对温度。

实例8

图4示出了使用实例5的热模型的算法58′。这种算法58′类似于算法图3的58，除了不使用步骤64(Q_bimetal(0)＝v)和步骤84(保存用于下一次迭代的Q_bimetal(n))以及除了公式5在步骤80′中代替公式7使用以外。

实例9

如果ΔT(0)(图3与4的步骤62中假设的双金属8在环境温度之上的初始温升)不同于双金属8在环境温度之上的实际初始温升，可产生推定的电流86中的暂态误差。该误差可不差于传统的断路器跳闸单元(其对于双金属电阻随温度的变化没有补偿)中的。另外，给定时间，该误差将衰减为零。一种抑制该误差的方法是开始时将ΔT(0)设置为等于零，从而使得所推定的双金属电阻36即R_bimetal(n)被最小化，因此，i_bimetal(n)86必然等于或大于实际双金属电流16(图2)。这种方法提供了在安全侧具有误差的方法，但可能在某些实例中导致断路器的有害跳闸(nuisancetrip)。

实例10

如果实例5和6的热模型没有准确参数化，它们仍可能产生有利的信息，只要推定的双金属电阻36近似但不超过实际双金属电阻10(图2)。在这种情况下，电流测量中与温度有关的误差将不为零，但将小于没有温度补偿的断路器中的。

实例11

如果所推定的双金属电阻36(如算法58、58′所计算的)变为大于实际双金属电阻10(图2)，则所推定的断路器电流86小于实际断路器电流16(图2)。因此，必须适当地选择断路器2和双金属热模型参数(R_θ和C_θ)，以便保证这种情况不发生。

实例12

示例性跳闸电路26包含电枢88，其由非常高的过电流所产生的大的磁力吸引，以便致动操作机构18并提供瞬时跳闸功能。

跳闸信号90在AFD输出44上产生，以便断开适当的开关(例如可控硅整流器(SCR)92)，从而激励跳闸螺线管94。跳闸螺线管94在被激励时致动操作机构18，以便跳闸断开可分离触点6。与螺线管94的线圈串联的电阻器96(或者，如果不使用电阻器96，则为线圈的电阻)限制线圈电流，电容器98保护SCR 92的栅极免受由于噪音引起的误跳闸以及电压尖脉冲。

尽管详细介绍了本发明的具体实施例，本领域技术人员将会明了，在本公开的总体教导下，可开发对于细节的多种修改和替代。因此，所公开的特定布置意味着仅仅是限制性的，不对本发明的范围进行限制，本发明的范围由所附权利要求的全部宽度及其所有等价物给出。