專利名稱：用于自動斷路器的自供電電子保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于自動斷路器(以下簡稱為斷路器)的帶有自供電系統(tǒng)和微控制器的電子保護裝置(該電子保護裝置以下簡稱為繼電器)。
“自供電繼電器”是指不需要專門的輔助電源也能夠工作的繼電器，對于繼電器的工作，使用經(jīng)由電源裝置直接從被斷路器保護的電網(wǎng)段中獲得的能量。繼電器的電源裝置典型地包括一個或多個變流器(變流器從被斷路器保護的電網(wǎng)段中獲得能量)，并且包括電子電路(電子電路將充足的電力提供給繼電器)。
由現(xiàn)有技術(shù)可知，在繼電器的眾多功能中，最主要的是檢測故障和通過斷路器控制電路的斷路。特別地，在所有可能的故障當中，存在啟動瞬間短路(表現(xiàn)為電流Iinst)，它能夠在幾毫秒的時間內(nèi)造成巨大的不可逆的破壞。“啟動瞬間短路”，以下簡寫為SCinst，是指斷路器閉合電路那一瞬間已經(jīng)出現(xiàn)的，或者伴隨著電路閉合的短路。這種短路是非常嚴重的，因為它要求斷路器和繼電器當電路一閉合就馬上斷開。
然而，應(yīng)該想到，斷路器一旦處于閉合狀態(tài)，為了保證繼電器能夠正常工作，必須等待一段短暫但重要的啟動時間，期間電氣元件和電子元件經(jīng)歷使其進入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的瞬變。這個時間一旦過去，繼電器就能夠執(zhí)行正常的保護作用并通過斷路器控制電路的開斷。
繼電器的一個特征數(shù)據(jù)就是繼電器自身的啟動時間Tsu。
啟動時間Tsu是基于以下多個因素-上述繼電器電源裝置的電源啟動時間(Tps)，該電源裝置的輸入為被斷路器保護的電網(wǎng)段，而輸出為對于繼電器特征充足的電源；-微控制器(例如，振蕩器)工作所必需的繼電器硬件部件的穩(wěn)定特征時間(Thw)；
-微控制器中的軟件的初始化特征時間(Tsw)；-計算電流的時間(Tc)，即將來自電流傳感器的信號處理為用于產(chǎn)生保護啟動信號的形式所必需的時間。
忽略任何可能的局部重合，可以認為，啟動時間Tsu為這些部分時間的總和，即，Tsu＝Tps+Thw+Tsw+Tc。因此，不帶有任何附加策略的斷路器，在時間Tsu內(nèi)事實上是不可能提供任何保護的。因此，斷路器保護下的系統(tǒng)的部分中在時間Tsu內(nèi)可能發(fā)生的任何故障，不能被繼電器徹底解決。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)有越來越多的更快速的系統(tǒng)和部件被研究和引入，他們能夠把時間Tsu的值減少到15ms的范圍內(nèi)。在現(xiàn)有技術(shù)的當前情況下，如果出現(xiàn)瞬時短路的情況，僅僅減少Tsu是不足以將斷路器置于安全狀態(tài)。實際上，在瞬時短路(SCinst)的情況下，應(yīng)該在2ms內(nèi)跳閘。
現(xiàn)有技術(shù)中的其它系統(tǒng)是通過在主保護裝置旁提供其它附加保護裝置來解決瞬時短路(SCinst)的保護問題，這些其他的附加保護裝置啟動瞬態(tài)很快，并且能夠進行具有對主保護裝置顯著預(yù)期的跳閘。現(xiàn)有技術(shù)中所采用的用于執(zhí)行SCinst保護功能的附加保護裝置是基于以下兩種方案之一i)磁力方案，例如由設(shè)置在導(dǎo)體附近的傳感器和制動器獲得；以及ii)使用簡易元件(例如無源比較器)的電子方案，這些簡單元件不帶有微控制器，因此只受制于Tps。
從校準的精確和可能性的角度看，基于上述兩種方案的附加保護裝置比主保護器差，但是相較于后者，它的的優(yōu)點是能夠在短得多的時間間隔內(nèi)反應(yīng)。它們通常用固定的方法校準，使得它們在危險的電流水平下跳閘，即，當在比上述定義的時間Tsu短的時間內(nèi)缺少主電路的中斷可能使被斷路器保護的電網(wǎng)段或者斷路器自身暴露在永久的危險當中。
本發(fā)明的主題是一種配備有微控制器的新型保護裝置，這種保護裝置在很短的時間內(nèi)提供SCinst保護功能、并利用微控制器的全部潛力，而不需要使用附加保護裝置。
本發(fā)明的實現(xiàn)是通過使繼電器具有至少兩種不同的工作級，即，第一工作級(其中快速地提供SCinst保護功能)以及至少一個第二工作級(其中還實現(xiàn)繼電器的其它功能)。
上述兩種工作級能夠借助于獨立的微控制器(比如，至少一個微控制器用于執(zhí)行SCinst保護功能，至少一個微控制器用于執(zhí)行繼電器的其它保護功能)中立地實現(xiàn)，或者只由一個微控制器來實現(xiàn)，其中這個微控制器具有至少一個具有優(yōu)先啟動權(quán)的、用于執(zhí)行SCinst功能的部分，以及至少一個用于執(zhí)行繼電器其它功能的其他部分。
在由斷路器保護的電路閉合的時候，使用能夠從電網(wǎng)得到的全部能量啟動與第二工作級相比具有優(yōu)先權(quán)的第一工作級。
與繼電器的其它功能(從立即可用的角度來說，它具有較次的重要性)相對應(yīng)的第二工作級被隨后啟動。
這種方案在于，使用自供電繼電器利用能夠至少顯著減少Tsn時間的策略即刻傳輸所有能量，從而也并且更重要地使得能夠直接在微控制器上實現(xiàn)瞬時保護。
在微控制器執(zhí)行瞬時保護具有很多優(yōu)點，其中，復(fù)雜算法的復(fù)雜度僅受微控制器運算能力或者操作者可用的功能數(shù)量的限制。使用其它方案不能以低成本獲得的這樣的算法和功能的例子是-與使斷路器更復(fù)雜、可靠性差的傳統(tǒng)繼電器相比，排除對附加裝置的需要；-根據(jù)連續(xù)或離散函數(shù)將跳閘閾值Iinst程式化的可能性；-由操作者以精確、簡單的方式(用數(shù)字而不是機械形式，或用借助于調(diào)整器)借助于任何類型的接口修改運算的所述閾值或其它參數(shù)；-用與其相關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備對斷路器的特征(典型地是跳閘閾值)進行采樣，使得繼電器自動適應(yīng)其被安裝在上面的斷路器；-與其它繼電器進行數(shù)字交換，比如為了聯(lián)鎖功能；以及
-在RAM或非易失性存儲器中記錄和保存檢測到的現(xiàn)象，從而通過本地或遠程接口為操作者提供對于檢測到的故障的更好的診斷，典型地是用傳統(tǒng)系統(tǒng)不能檢測的SCinst故障。
能夠得到的其它優(yōu)點是，例如，利用其它保護已經(jīng)用到的同一H/W，降低成本。
根據(jù)本發(fā)明的用于自動斷路器的電子自供電保護裝置具有在以下描述中將更清楚得知的以上以及其他優(yōu)點，其特征在于，它包括-電源裝置，它從被所述斷路器保護的電網(wǎng)段中獲得能量；-控制裝置，包括至少兩個工作級，所述至少兩個工作級中的第一工作級與防止瞬時短路SCinst的功能相關(guān)聯(lián)，第二和可能的其他工作級與所述保護裝置的其他功能相關(guān)聯(lián)；以及-選擇接口裝置，包括用于調(diào)節(jié)電源的裝置，用于調(diào)節(jié)電源的裝置在第一步驟里、緊隨在被斷路器保護的電路閉合之后，為所述第一工作級供電，而在一段受控的時間之后，它還為所述控制裝置的第二和可能的其他工作級供電。
根據(jù)本發(fā)明的電子自供電保護裝置中，控制裝置可以包括微控制器，其包括兩個被分別供電的部分，第一部分與所述至少兩個工作級的第一級相關(guān)聯(lián)，而第二部分與所述至少兩個工作級的第二級相關(guān)聯(lián)。
可選地，根據(jù)優(yōu)選實施方式，所述控制裝置可以包括第一微控制器和第二微控制器，第一微控制器與所述至少兩個工作級的第一級相關(guān)聯(lián)，而第二微控制器與所述至少兩個工作級的第二級相關(guān)聯(lián)。在這種情況下，所述第一微控制器優(yōu)選地是低功率型的，具有減少了的達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的時間。
在至少兩個微控制器的情況下，所述第一微控制器優(yōu)選地與防止瞬時短路SCinst的功能和內(nèi)部時鐘的功能相關(guān)聯(lián)。為此，能夠使用帶有內(nèi)部振蕩器的微控制器。
根護本發(fā)明的電子自供電保護裝置中，電源裝置優(yōu)選地包括一個或多個變流器，變流器從被斷路器保護的電網(wǎng)段的導(dǎo)體中得到能量。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的電子自供電保護裝置中，所述調(diào)節(jié)裝置包括用于為所述第一工作級供電的第一供電調(diào)節(jié)器，并且更為優(yōu)選地包括也為所述第二和可能的其他工作級供電的第二供電調(diào)節(jié)器?！坝糜跒樗龅谝还ぷ骷壒╇姟焙汀坝糜谝矠樗龅诙涂赡艿钠渌ぷ骷壒╇姟北硎舅龅谝缓偷诙╇娬{(diào)節(jié)器分別用于為與所述第一、第二和可能的其他工作級相關(guān)聯(lián)的硬件部分供電。
根據(jù)本發(fā)明的電子自供電保護裝置的特定實施方式，所述第一工作級包括當能量供電功能可用時至少管理所述兩個工作級的啟動。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的所述電子自供電保護裝置的控制裝置與高速電流傳感器相關(guān)聯(lián)，其優(yōu)選是由Rogowski線圈組成。
一般來說，本發(fā)明涉及一種用于自動斷路器的電子自供電保護裝置，其特征在于，它包括SCinst功能啟動時間少于或等于2ms的電子控制裝置。
由借助于附圖對根據(jù)本發(fā)明的用于編程和對話的裝置及方法的優(yōu)選但不唯一的實施例的描述(以指示并且非限制的例子的方式說明)，我們將更加清楚地看出其他特征和優(yōu)點，其中-

圖1是根據(jù)本發(fā)明的電子自供電保護裝置的實施例的框圖。
參考圖1，根據(jù)根據(jù)本發(fā)明的電子自供電保護裝置(作為整體用參考序號1來表示)包括電源裝置2，其從由保護裝置自身與其相關(guān)聯(lián)的斷路器所保護的電網(wǎng)段獲得能量。優(yōu)選地，電源裝置2包括一個或更多的變流器21，它從被斷路器保護的電網(wǎng)段的導(dǎo)體得到能量。
根據(jù)本發(fā)明的裝置還包括控制裝置3，控制裝置3包括至少兩個工作級，所述至少兩個工作級中的第一級與防止瞬時短路SCinst的功能相關(guān)聯(lián)，第二和可能的其他工作級與所述保護裝置的其它功能相關(guān)聯(lián)。這里還包括選擇接口裝置4，它包括用于調(diào)節(jié)所述電源的裝置41和42，這些調(diào)節(jié)裝置在第一步驟中，緊隨被斷路器保護的電路閉合之后，為所述第一工作級供電，并且，在一段被控制的時間之后，也為所述控制裝置的所述第二和可能的其他工作級供電。
根據(jù)本發(fā)明的電子自供電保護裝置1的第一實施例，控制裝置3可以包括微控制器，微控制器具有能夠被分別供電的兩個部分31和32，第一部分31與所述至少兩個工作級中的第一級相關(guān)聯(lián)，而第二部分32與所述至少兩個工作級中的第二級相關(guān)聯(lián)。
可選地，根據(jù)優(yōu)選實施例，所述控制裝置3可以包括第一微控制器31和第二微控制器32，第一微控制器31與所述至少兩個工作級中的第一級相關(guān)聯(lián)，第二微控制器32與所述至少兩個工作級中的第二級相關(guān)聯(lián)。而且，第一微控制器31可以優(yōu)選地與防止瞬時短路SCinst的功能和內(nèi)部時鐘的功能相關(guān)聯(lián)。為此，可以使用帶有內(nèi)部振蕩器的微控制器。
根據(jù)本發(fā)明的電子自供電保護裝置的圖1中的實施例，調(diào)節(jié)裝置4包括用于為所述第一工作級供電的第一供電調(diào)節(jié)器41，以及更為優(yōu)選地包括也為所述第二和可能的其他工作級供電的第二供電調(diào)節(jié)器42。第一供電調(diào)節(jié)器41通常是功率較低而速度更快，通常適用于單獨的低功率微控制器。第二供電調(diào)節(jié)器42卻是功率更大，并且當其執(zhí)行所有功能時(在只有一個控制器的情況下)適用于微控制器的高吸收水平，或是適用于第二微控制器32，它執(zhí)行第二工作級特有的功能(如圖1所示)。
調(diào)節(jié)裝置4還包括調(diào)節(jié)框44，當電路斷開時，它在第一供電調(diào)節(jié)器41和地之間產(chǎn)生高電壓，這個高電壓為所述第一供電調(diào)節(jié)器41所利用。而當電路閉合時，它使得能夠為第二供電調(diào)節(jié)器42提供更多功率。
根據(jù)本發(fā)明的電子自供電保護裝置的特定實施例，根據(jù)可用的電源能量，第一微控制器31通過框43至少管理第二微控制器32的啟動。
本發(fā)明采用的考慮使用兩個工作級的方案，通過優(yōu)化組成本發(fā)明的裝置的所有部件使得能夠顯著減少啟動時間，具體方法是a)使用電源2和接口4，這將使得能夠從用作外部供電源的變流器盡可能快地獲得能量、利用開路的傳感器以及使電壓穿過它們；相同電源提供啟動器所必需的電壓，以便由斷路器斷開電路；b)使用帶有內(nèi)部振蕩器的微控制器31，這使得能夠大大減少達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的時間，甚至在10μs之內(nèi)；同一微控制器保證了與自供電一致的低吸收水平(正常工作狀態(tài)下在2mA的范圍內(nèi))；c)由于微控制器31的調(diào)整在于很少數(shù)量的功能(典型地是SCinst和時鐘)，所以顯著減少了微控制器啟動的時間，這實際上受到SCinst保護功能所必須使用的H/W特征(外設(shè))和S/W特征(運算的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))的限制；以及d)使用Rogowsky線圈作為電流傳感器，其通過產(chǎn)生與電流導(dǎo)數(shù)成比例的信號，實際上以90°(50Hz時對應(yīng)5ms)來預(yù)期電流信號，以這種方式使得保護算法能夠早期干預(yù)。
依據(jù)所述方案，根據(jù)本發(fā)明的裝置能夠以大概1.5ms的時間實現(xiàn)瞬時保護，其中典型地是1ms用于a)，而500μs用于b)和c)。從這點開始，微控制器準備跳閘，并且跳閘時間取決于算法。因此可以說，根據(jù)本發(fā)明的用于自動斷路器的電子自供電保護裝置的特征在于它包括電子控制裝置，電子控制裝置的SCinst功能啟動時間少于或等于2ms。
根據(jù)本發(fā)明的電子自供電保護裝置一般應(yīng)用于自動斷路器，特別是低電壓自動斷路器。
實際上已經(jīng)看到了根據(jù)本發(fā)明的裝置如何實現(xiàn)預(yù)置任務(wù)以及預(yù)置目的。由此設(shè)計的裝置可以進行多種改進和變化，它們都落入本發(fā)明構(gòu)思的領(lǐng)域中；而且，所有部件可以被其它技術(shù)等同物替換。實際上，材料以及尺寸可以是根據(jù)要求和本領(lǐng)域現(xiàn)狀的任何材料和尺寸。
權(quán)利要求
1.一種用于自動斷路器的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述電子自供電保護裝置包括從被所述斷路器保護的電網(wǎng)段獲得能量的電源裝置；包括至少兩個工作級的控制裝置，所述至少兩個工作級中的第一級與防止瞬時短路SCinst的功能相關(guān)聯(lián)，第二和可能的其他工作級與所述保護裝置的其它功能相關(guān)聯(lián)；以及包括用于調(diào)節(jié)所述電源的裝置的選擇接口裝置，其中，所述用于調(diào)節(jié)所述電源的裝置在第一步驟中，緊隨于斷路器接通所述電路之后，為所述第一工作級供電，而在被控制的一段時間之后，也為所述控制裝置的所述第二和可能的其他工作級供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述控制裝置包括微控制器，所述微控制器包括能夠被分別供電的兩個部分，第一部分與所述至少兩個工作級中的所述第一級相關(guān)聯(lián)，而第二部分與所述至少兩個工作級中的所述第二級相關(guān)聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述控制裝置包括第一微控制器和第二微控制器，所述第一微控制器與所述至少兩個工作級中的第一級相關(guān)聯(lián)，所述第二微控制器與所述至少兩個工作級中的第二級相關(guān)聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述第一微控制器是具有減短的達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的時間的低功率型微控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述第一微控制器與防止瞬時短路SCinst的功能和內(nèi)部時鐘功能相關(guān)聯(lián)。
6.根據(jù)一個或多個前述權(quán)利要求的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述供電裝置包括一個或多個變流器。
7.根據(jù)一個或多個前述權(quán)利要求的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述調(diào)節(jié)裝置包括用于為所述第一工作級供電的第一供電調(diào)節(jié)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述調(diào)節(jié)裝置包括用于為所述第二和可能的其他工作級供電的第二供電調(diào)節(jié)器。
9.根據(jù)一個或多個前述權(quán)利要求的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述第一工作級包括根據(jù)可用的供電能量至少管理所述第二工作級的啟動。
10.根據(jù)一個或多個前述權(quán)利要求的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述控制裝置與高速電流傳感器，特別是Rogowski線圈電流傳感器相關(guān)聯(lián)。
11.一種用于自動斷路器的電子自供電保護裝置，其特征在于，所述電子自供電保護裝置包括SCinst功能啟動時間少于或等于2ms的電子控制裝置。
12.一種自動斷路器，包括根據(jù)一個或多個前述權(quán)利要求的電子自供電保護裝置。
13.一種低電壓自動斷路器，包括根據(jù)權(quán)利要求1-11中一個或多個的電子自供電保護裝置。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于自動斷路器的電子自供電保護裝置，包括從被所述斷路器保護的電網(wǎng)段獲得能量的電源裝置；包括至少兩個工作級的控制裝置，所述至少兩個工作級中的第一級與防止瞬時短路SCinst的功能相關(guān)聯(lián)，第二和可能的其他工作級與所述保護裝置的其它功能相關(guān)聯(lián)；包括用于調(diào)節(jié)電源的裝置的選擇接口裝置，用于調(diào)節(jié)電源的裝置在第一步驟中，緊隨于斷路器閉合電路之后，為所述第一工作級供電，并且在一段被控制時間之后，也為所述控制裝置的所述第二和可能的其他工作級供電。
文檔編號H02H1/06GK1691449SQ20051006529
公開日2005年11月2日 申請日期2005年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月19日
發(fā)明者弗朗西斯柯·維阿羅, 馬爾克·斯圖奇 申請人:Abb服務(wù)有限公司