專利名稱：自動(dòng)測(cè)試斷路器接地故障和濺射電弧的跳閘單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及斷路器的電子跳閘單元，更具體說(shuō)，涉及的跳閘單元能對(duì)接地故障和濺射電弧故障(sputtering arc fault)作出響應(yīng)，并配有測(cè)試回路以全面測(cè)試這些功能。
傳統(tǒng)的住宅和照明工業(yè)及商業(yè)用斷路器有一熱跳閘裝置，能響應(yīng)中等幅值的永久性過(guò)電流，提供延時(shí)跳閘，還有一磁性跳閘裝置，能瞬時(shí)響應(yīng)大幅值的過(guò)電流。因而，故障電流必須達(dá)到預(yù)定的幅值，例如10倍額定電流，才能發(fā)生瞬時(shí)跳閘，或者故障電流在一個(gè)給定時(shí)間段中維持預(yù)定的平均值才能完成延時(shí)跳閘。
最近，在這一類斷路器中加入接地故障跳閘單元已經(jīng)變?yōu)楹芷胀恕＝拥毓收咸l單元檢測(cè)線路導(dǎo)體與地之間和中性導(dǎo)體與地之間的故障。通常用環(huán)型線圈開關(guān)的差動(dòng)變壓器來(lái)檢測(cè)線路對(duì)地故障。線路及中性導(dǎo)體都穿過(guò)該線圈，所以，當(dāng)不存在線路對(duì)地故障時(shí)，電流相等且方向相反，在次級(jí)線圈中不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。線路對(duì)地故障使兩個(gè)導(dǎo)體中的電流有相當(dāng)大的不平衡，它可以進(jìn)行電平檢測(cè)。規(guī)程要求中性導(dǎo)體在斷路器附近接地。這樣一來(lái)，被保護(hù)系統(tǒng)中的中性線對(duì)地故障使中性導(dǎo)體和地之間形成閉環(huán)。典型地，檢測(cè)中性線對(duì)地故障是向中性導(dǎo)體注入一個(gè)信號(hào)，如果通過(guò)由中性線對(duì)地故障所形成的回路提供反饋，就會(huì)產(chǎn)生振蕩。
普通型的接地故障檢測(cè)器是一個(gè)休止(dormant)的振蕩回路。這一接地故障電路包括兩個(gè)傳感線圈。第一個(gè)作為差動(dòng)變壓器，用來(lái)檢測(cè)線路對(duì)地故障。中性線對(duì)地故障使兩個(gè)線圈耦合，提供反饋，使運(yùn)算放大器振蕩。
接地故障斷路器通常配有測(cè)試電路，用來(lái)測(cè)試電路中線路對(duì)地故障部分。典型地，它包括一條測(cè)試線，穿過(guò)差動(dòng)變壓器的線圈，并且可以通過(guò)開關(guān)有選擇地跨接在線路和中性導(dǎo)體上。就我們所知，目前尚無(wú)用來(lái)測(cè)試中性線對(duì)地故障的電路。
最近已經(jīng)關(guān)注電氣系統(tǒng)的濺射電弧故障(sputtering arc fault)保護(hù)。當(dāng)裸導(dǎo)線或剝皮導(dǎo)線接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生濺射電弧故障。這種故障造成的電流產(chǎn)生磁推斥力，使導(dǎo)體分開，因此觸發(fā)電弧。當(dāng)電流過(guò)零時(shí)電弧熄滅。機(jī)械或靜電力使導(dǎo)體又回來(lái)相接觸，這樣的循環(huán)不斷重復(fù)。由這類故障所引起的電弧可以熔化導(dǎo)體的銅，特別是例如延伸芯線的多股絞線導(dǎo)體中的銅，它會(huì)點(diǎn)燃周圍的材料。雖然這類故障會(huì)造成火災(zāi)，但電流通常不高，用熱或磁性跳閘裝置不能檢測(cè)出來(lái)。
美國(guó)專利No.5，224，006公開了一種帶有電子跳閘單元的斷路器，能對(duì)濺射電弧故障作出響應(yīng)。這一跳閘單元的根據(jù)是辨識(shí)由濺射電弧故障產(chǎn)生的階躍電流波形不同于由閃電故障和過(guò)負(fù)荷電流產(chǎn)生的正弦波形。因而，跳閘單元產(chǎn)生一個(gè)有限帶寬的di/dt信號(hào)，它進(jìn)行電平檢測(cè)，使得電流峰值低于熱或磁性跳閘裝置的起動(dòng)值的濺射電弧故障也能使斷路器跳閘。
專利No.5，224，006的濺射電弧故障檢測(cè)器利用休止的振蕩器接地故障檢測(cè)器的傳感線圈來(lái)產(chǎn)生di/dt信號(hào)，該檢測(cè)器為中性線對(duì)地故障檢測(cè)提供反饋。
1993年2月26日提交的名為“響應(yīng)由濺射電弧故障產(chǎn)生的重復(fù)性涌流的斷路器”的專利申請(qǐng)?zhí)枮?23，435，申請(qǐng)人為Raymond W.Mackenzie和Joseph C.Engel的申請(qǐng)強(qiáng)調(diào)的問(wèn)題是特征為快速連接通到由濺射電弧故障所產(chǎn)生的高值電流的電弧波形也可以由于其它一些電器或電器組同時(shí)接通產(chǎn)生。當(dāng)由這些電器所產(chǎn)生的涌流幅值不如由濺射電弧故障所產(chǎn)生的電流那樣大時(shí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼娖綑z測(cè)器便可以避免誤跳閘，后一專利申請(qǐng)?zhí)峁?duì)濺射電弧故障與電器涌流的判別是分辨后者為一次性事件，兩濺射電弧故障產(chǎn)生和切斷為重復(fù)性的。相對(duì)應(yīng)地，這一專利申請(qǐng)計(jì)算在一個(gè)給定時(shí)間間隔中di/dt信號(hào)超過(guò)閾值的次數(shù)。
在以上專利申請(qǐng)中所敘述的跳閘單元均包括了前面所述的測(cè)試回路，它僅能測(cè)試線路對(duì)地跳閘功能，這些跳閘單元并不測(cè)試中性線對(duì)地檢測(cè)器或?yàn)R射電弧檢測(cè)器。
電子跳閘單元需要改進(jìn)，使它對(duì)包括中性線對(duì)地故障在內(nèi)的各種接地故障以及測(cè)試濺射電弧故障檢測(cè)器提供全面測(cè)試。本發(fā)明能滿足該需要及其它需要。
本發(fā)明自動(dòng)測(cè)試跳閘單元提供對(duì)中性線對(duì)地故障檢測(cè)功能的測(cè)試，以及對(duì)線路對(duì)地故障檢測(cè)功能的測(cè)試。此外，本發(fā)明中的自動(dòng)測(cè)試跳閘單元還提供了本跳閘單元對(duì)濺射電弧檢測(cè)功能的測(cè)試。因此，電子跳閘單元的全部跳閘功能均被測(cè)試。
更具體地說(shuō)，為了測(cè)試跳閘單元的中性線對(duì)地故障功能，無(wú)源測(cè)試裝置包括一測(cè)試導(dǎo)體和一開關(guān)，該導(dǎo)體穿過(guò)電流傳感線圈，該開關(guān)有選擇地將測(cè)試導(dǎo)體連成穿過(guò)傳感線圈的回路。測(cè)試開關(guān)閉合模擬中性線對(duì)地故障。在休止的振蕩器接地故障檢測(cè)器的情況下，測(cè)試導(dǎo)體穿過(guò)這兩個(gè)傳感線圈，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)提供兩個(gè)線圈之間的耦合。包括兩個(gè)傳感線圈在內(nèi)的整個(gè)休止振蕩器電路必須有效地檢測(cè)中性線對(duì)地故障，這一簡(jiǎn)單的無(wú)源測(cè)試裝置對(duì)休止振蕩器接地故障檢測(cè)器作全面測(cè)試。
在濺射電弧故障檢測(cè)器中，連接到電流傳感線圈二次繞組上的裝置產(chǎn)生有限帶寬di/dt信號(hào)，然后進(jìn)行電平檢測(cè)，測(cè)試信號(hào)注入傳感線圈的二次側(cè)，因?yàn)楹茈y產(chǎn)生線圈一次側(cè)所要求的信號(hào)幅值。然而，當(dāng)濺射電弧檢測(cè)器和接地故障檢測(cè)器的電流傳感線圈結(jié)合，并且利用這一線圈時(shí)，接地故障測(cè)試提供對(duì)線圈的測(cè)試。
在第一實(shí)施例中，用于注入測(cè)試信號(hào)以便測(cè)試濺射電弧故障檢測(cè)器的裝置包括連接到電流傳感線圈二次繞組上的阻抗和一個(gè)可選擇地將阻抗接到線路導(dǎo)體上的開關(guān)。濺射電弧檢測(cè)器包括用來(lái)計(jì)算有限帶寬di/dt信號(hào)超過(guò)閾值的次數(shù)的裝置，來(lái)自線路導(dǎo)體的半周交變電流提供了測(cè)試檢測(cè)器的重復(fù)信號(hào)。
將測(cè)試信號(hào)注入濺射電弧檢測(cè)器的另一種電路包括聯(lián)接到電流傳感線圈二次側(cè)上的電容和對(duì)電容充電的裝置。開關(guān)有選擇地使電容對(duì)傳感線圈二次繞組放電，產(chǎn)生有足夠幅值的振蕩，使得在一選定的時(shí)段中有限帶寬di/dt信號(hào)超過(guò)閾值所要求的次數(shù)。感知濺射電弧故障的另一種方法是測(cè)量中性導(dǎo)體電阻上的電壓降，所得到的信號(hào)穿過(guò)一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器，如上面參考的專利申請(qǐng)No.023，435所述，通過(guò)連在其上的阻抗和利用將所述阻抗聯(lián)到線路導(dǎo)體上的測(cè)試開關(guān)，可以將測(cè)試信號(hào)注入到第一濾波器的輸出。
附圖作為說(shuō)明書中的一部分，說(shuō)明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，它們和文字部分結(jié)合在一起，解釋本發(fā)明的原理。


圖1的原理圖是一濺射電弧故障斷路器，它與一接地故障檢測(cè)電路結(jié)合，并與其共用一傳感線圈，為根據(jù)本發(fā)明的測(cè)試電路的一個(gè)實(shí)施例。
圖2為一集成電路的原理電路圖，它是圖1所示電路中的一部分。
圖3為圖1和圖2中所示斷路器的附加測(cè)試電路的原理電路圖，其中一部分為方框圖。
圖4為圖1和圖2中所示斷路器的另一種測(cè)試電路的原理圖，其中一部分也為方框圖。
圖5為另一濺射電弧故障斷路器結(jié)合一接地故障檢測(cè)電路的原理性電路圖，接地故障檢測(cè)電路包括了根據(jù)本發(fā)明的測(cè)試電路。
圖6為一集成電路的原理電路圖，它是圖5所示斷路器的一部分。
通過(guò)傳統(tǒng)的住宅用斷路器來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，如在此配合作為對(duì)比文件的美國(guó)專利No.4，081，852所述的斷路器。那種斷路器包括一個(gè)熱-磁性過(guò)電流跳閘機(jī)構(gòu)和一個(gè)接地故障檢測(cè)器，安裝在一個(gè)模壓箱的并排室中，接地故障檢測(cè)器包括一個(gè)跳閘電磁線圈，帶有一可動(dòng)鐵芯柱，沿模壓箱中兩個(gè)室之間的壁延伸，去激發(fā)熱-磁性跳閘機(jī)構(gòu)，響應(yīng)接地故障使斷路器跳閘。
如圖1所示，作為最佳實(shí)施例的本發(fā)明斷路器1把接地故障檢測(cè)器5和濺射電弧檢測(cè)器3結(jié)合起來(lái)。斷路器1保護(hù)電氣系統(tǒng)7，該系統(tǒng)7包括線路導(dǎo)體9和中性導(dǎo)體11，向負(fù)荷13提供電功率。除了保護(hù)典型的由負(fù)荷13引起的過(guò)電流和由閃電引起的線路對(duì)中性線故障以外，本發(fā)明的斷路器1還保護(hù)在線路導(dǎo)體9和中性導(dǎo)體11之間的濺射電弧故障15，線路對(duì)地故障17和中性線對(duì)地對(duì)故障19。如上面所討論過(guò)的，由于例如絕緣損壞或剝落等原因使線路和中性導(dǎo)體的裸露部分接觸時(shí)產(chǎn)生濺射電弧故障。斷路器1通過(guò)電流互感器21和23型的電流傳感器檢測(cè)電氣系統(tǒng)7的故障。電流互感器21和23是環(huán)形線圈。線路導(dǎo)體9和中性導(dǎo)體11穿過(guò)環(huán)形線圈21的開口處形成電流互感器的原邊。電流互感器23有一個(gè)原邊，由中性導(dǎo)體11穿過(guò)環(huán)形線圈的開口而形成。電流互感器21的二次繞組和電流互感器23的二次繞組27各自聯(lián)接到集成電路29上。
電流互感器21檢測(cè)線路對(duì)地故障。當(dāng)電氣系統(tǒng)7上沒發(fā)生線路對(duì)故障的時(shí)候，流過(guò)作為變壓器原邊的線路和中性導(dǎo)體9和11上的電流相等，且方向相反，所以，在二次繞組25上沒有感應(yīng)電流。當(dāng)線路導(dǎo)體9接地時(shí)，該導(dǎo)體上有大電流通過(guò)，但中性導(dǎo)體上的電流很小或沒有，在二次繞組25上便會(huì)感應(yīng)出相當(dāng)大的電流。這一信號(hào)通過(guò)一個(gè)直流阻斷電容31后，通過(guò)NEGGFI和POSGFI輸入端加到集成電路(IC)29上，使得在IC上運(yùn)算放大器的偏置(以下將說(shuō)明)并不加在電流互感器21上。電阻33很關(guān)鍵地阻尼了由電容器31和電流互感器21的二次繞組25串聯(lián)所造成的諧振?？缃釉贗C輸入端的電容器35抑制噪聲。反饋電阻37整定IC29中運(yùn)算放大器的增益。
正如下面將要進(jìn)行詳細(xì)討論的，如果電流互感器21的二次繞組25中的電流幅值超過(guò)了所選擇作為檢測(cè)線路對(duì)地故障的閾值，IC29上的OR輸出變?yōu)楦唠娢?，使SCR39導(dǎo)通。SCR39導(dǎo)通時(shí)所流過(guò)的電流激勵(lì)跳閘電磁線圈41，電流是從線路和中性導(dǎo)體流來(lái)。這一電流由二極管43作半波整流。金屬氧化物變阻器(MOV)45對(duì)SCR39進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，電容器47則對(duì)SCR39進(jìn)行柵極的噪聲保護(hù)。跳閘電磁線圈41的激勵(lì)起動(dòng)跳閘機(jī)構(gòu)49如美國(guó)專利No.4，081，852所述，線路導(dǎo)體9上的觸頭51便打開。
二極管43還向IC29的并聯(lián)調(diào)節(jié)器提供直流功率。IC中的電流不足以起動(dòng)跳閘線圈41。IC29的電源包括一濾波電容器53，還有一對(duì)電阻55和57，它們決定了供電電流水平。直流電源供給IC29的VPOS輸入端。VNEG引腳聯(lián)接到中性導(dǎo)體的接地點(diǎn)上。旁路電容59保證了VPOS輸入端中沒有交流成分。同樣地，另一旁路電容61消除了POSGFI輸入端中的交流成分。
接地故障檢測(cè)器5是一種休止的振蕩器。電流互感器23的二次繞組27通過(guò)耦合電容63，在引腳GAMP處連接到IC29的運(yùn)算放大器上。中性線對(duì)地故障通過(guò)電流互感器21和23，使二次繞組25和27耦合，形成圍繞IC29的反饋回路，引起IC中運(yùn)算放大器振蕩。選擇電容63和電容65的值以及電流互感器21和23的參數(shù)可以整定這一振蕩頻率。在一個(gè)示范性的斷路中，這一頻率約為20KHZ。當(dāng)振蕩幅值超過(guò)所選的閾值時(shí)，SCR39導(dǎo)通使斷路器跳閘。
根據(jù)本發(fā)明，電流互感器23也用來(lái)對(duì)檢測(cè)濺射電弧故障感知電流。在電流互感器23中有一鐵心，它在要求產(chǎn)生跳閘的電流值下并不飽合，用它來(lái)產(chǎn)生濺射電弧故障檢測(cè)所需的電流信號(hào)的變化率di/dt。鐵心的合適材料是具有低mu和高磁飽和值的鐵粉。這類鐵心通過(guò)少量增加振蕩頻率，僅僅影響中性線接地檢測(cè)。
電流互感器23的二次繞組27上所產(chǎn)生的的di/dt信號(hào)通過(guò)一個(gè)低通濾波器67后是有限帶寬的。這是一個(gè)兩極低通濾波器，由電容69和電阻71形成第一極，由電容73和電阻75形成第二極。在一示范性斷路器中的低通濾波器67在大約為2KHz處有一個(gè)半功率點(diǎn)。正如在以上所參考的專利申請(qǐng)中所討論的。可以用di/dt信號(hào)給出過(guò)電流指示，線路對(duì)中性線故障指示和濺射電弧故障的指示選擇有限帶寬低通濾波器67的參數(shù)，以使減輕由于濺射電弧故障引起di/dt信號(hào)的尖峰，并調(diào)節(jié)電路對(duì)于線路對(duì)中性線故障過(guò)電流的正弦電流及對(duì)于濺射電弧故障的階躍函數(shù)的相對(duì)靈敏度。也正如上面已經(jīng)討論過(guò)的，本發(fā)明通過(guò)計(jì)算在一個(gè)預(yù)定時(shí)間間隔中檢測(cè)到的階躍函數(shù)數(shù)目，來(lái)區(qū)分濺射電弧故障和由于某些電器引起的涌流。下面將要討論用電容77和電阻79整定選擇時(shí)間間隔的方法。
圖2為IC29的原理性電路圖。集成電路板29有電源81，它是由上述通過(guò)VPOS和VNEG引腳的半波整流電源供電。運(yùn)算放大器83將電流互感器21的二次繞組上的信號(hào)放大后，再加到由比較器87和89組成的窗口比較器85上。由電源81所提供的參考電壓加偏壓到比較器87上，這一偏壓是檢測(cè)線路對(duì)地故障的正閾值。同樣地，負(fù)的閾值偏壓加到比較器89上。大約為電源電壓中關(guān)的偏壓加到運(yùn)算放大器83的非反相輸入上。在比較器87，89的輸出和VPOS之間聯(lián)接有負(fù)載電阻(pull-up resistor)91。這些比較器的輸出還聯(lián)接到“或”電路93的反相輸入上，“或”電路93的輸出通過(guò)IC29中的OR引腳聯(lián)接到SCR39的柵極。比較器87和89的輸出一般為高，所以SCR39不選通。出現(xiàn)線路對(duì)地故障使電流互感器21的二次繞組25上所產(chǎn)生的信號(hào)在負(fù)荷電流的交流半周波中超過(guò)加在比較器87和89上的閾值。接地電流的正半波使比較器87的輸出為低值，OR電路93的輸出便為高，使SCR39選通，并且使跳閘電磁線圈41充電。在負(fù)半周中，比較器89使SCR39選通。
正如前面所討論的，在中性線對(duì)地故障時(shí)，第二電流互感器23通過(guò)接在IC29的GAMP引腳上的耦合電容63與運(yùn)算放大器83的輸出相連。任何的中性線對(duì)地故障在連到運(yùn)算放大器83輸出上的電流互感器23和連接到輸入上的電流互感器21之間形成反饋回路。當(dāng)這一振蕩幅值超過(guò)了窗口比較器85的閾值時(shí)，通過(guò)OR93將SCR39選通。
正如所提到過(guò)的，電流互感器23也用來(lái)檢測(cè)濺射電弧故障。在二次繞組27上產(chǎn)生di/dt信號(hào)，由低通濾波器67限制帶寬后，通過(guò)一個(gè)跟隨運(yùn)算放大器95加到由比較器99和101組成的第二窗口比較器97上。比較器99和101比較有限帶寬di/dt信號(hào)和由電源81整定的正、負(fù)閾值。當(dāng)有限帶寬di/dt信號(hào)在所選定的極限范圍內(nèi)時(shí)，連到VPOS上的負(fù)載電阻103保持了比較器99和101輸出上有一高邏輯信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到代表濺射電弧故障的電流波形時(shí)，窗口比較器97的輸出變低。由于某些電器能產(chǎn)生類似的波形，雖然典型的幅值低些，在窗口比較器97的輸出上提供有一計(jì)數(shù)器電路107。計(jì)數(shù)器電路107計(jì)算超過(guò)窗口比較器97閾值的次數(shù)。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，在選定的時(shí)間間隔中出現(xiàn)兩次這樣事件時(shí)，計(jì)數(shù)器電路107便產(chǎn)生一個(gè)跳閘信號(hào)。
計(jì)數(shù)器電路包括一個(gè)D觸發(fā)器109。窗口比較器97的輸出通過(guò)一個(gè)反相器111為觸發(fā)器109定時(shí)。窗口比較器97的輸出還通過(guò)一個(gè)二極管113連接到比較器115的反相輸入上。比較器115將窗口比較器97的輸出與由電源81產(chǎn)生的正閾值電壓進(jìn)行比較。通常參考電壓為電源電壓的四分之三。比較器115的輸出加到觸發(fā)器109的數(shù)據(jù)輸入端D。當(dāng)時(shí)鐘脈沖加到CLK輸入時(shí)，在圖2的電路中并沒有用到的觸發(fā)器109的Q輸出變?yōu)镈端信號(hào)的邏輯值。因此，當(dāng)觸發(fā)器定時(shí)時(shí)，它的Q輸出變?yōu)榧釉贒端上信號(hào)的邏輯的反值。Q連到OR93的反相輸入上。
比較器115的反相輸入通過(guò)IC29中的RC引腳和定時(shí)電容77相連(見圖1)。電容77的另一端與VPOS相聯(lián)。正常情況下電容77通過(guò)并聯(lián)電阻79放電，因此，比較器115的輸出為低。當(dāng)窗口比較器97的輸出第一次變?yōu)榈椭?，即表示有濺射電弧故障事件發(fā)生時(shí)，由脈沖的前沿使觸發(fā)器109定時(shí)。由于在時(shí)鐘脈沖時(shí)D輸入為低，Q輸出保持為高，沒有柵極信號(hào)通過(guò)OR93加到SCR39上。當(dāng)窗口比較器97的輸出變?yōu)榈椭禃r(shí)，電容77通過(guò)二極管113快速放電到接近VPOS。由于現(xiàn)在非反相輸入端上的電壓超過(guò)了參考電壓，比較器115的輸出變?yōu)楦?。由于濺射電弧電流達(dá)到其峰值使窗口比較器97的輸出再次變?yōu)楦邥r(shí)，電容77開始通過(guò)電阻79放電。選擇這些元件的值，使選定時(shí)間間隔中，電容77上電壓仍高于加在比較器115上的參考電壓值。如前所述，合適的時(shí)間間隔約為一秒鐘。如果在定時(shí)器開始定時(shí)以前，即表示有濺射電弧故障以前，窗口比較器97的輸出便轉(zhuǎn)為低電位，當(dāng)觸發(fā)器109定時(shí)時(shí)，它的D輸入將是高值，Q輸出將為低值，造成OR93的輸出變?yōu)楦?，使SCR39選通去給跳閘線圈41充電。
典型的接地故障斷路器，包括相關(guān)申請(qǐng)的斷路器有一個(gè)內(nèi)部測(cè)試開關(guān)，通過(guò)向電流互感器21注入初級(jí)電流來(lái)測(cè)試接地故障電子電路的運(yùn)行情況。它僅測(cè)試接地故障斷路器響應(yīng)線路對(duì)地故障的能力，并不測(cè)試中性線對(duì)地故障檢測(cè)回路的運(yùn)行情況。如果這一回路失效，在線路對(duì)地故障的同時(shí)有中性線對(duì)地故障出現(xiàn)時(shí)，它可能不跳閘，雖然接地故障斷路器通過(guò)測(cè)試開關(guān)可以跳閘。
圖1和圖2中所示的包括濺射電弧保護(hù)功能的加強(qiáng)型接地故障斷路器1使測(cè)試問(wèn)題更加復(fù)雜化。用內(nèi)部測(cè)試開關(guān)產(chǎn)生測(cè)試電弧檢測(cè)電路所要求的初級(jí)電流值看來(lái)并不實(shí)用。另外，電弧檢測(cè)回路3把接地的中性線電流互感器23當(dāng)作電弧傳感器，而線路對(duì)地故障測(cè)試并不去測(cè)試這一電流互感器整體。
根據(jù)本發(fā)明，用測(cè)試接地的中性線故障檢測(cè)代替線路對(duì)地故障保護(hù)，來(lái)完成更全面的接地故障斷路器自動(dòng)測(cè)試。接地中性線故障測(cè)試要求全部電子電路都起作用才能跳閘。中性線對(duì)地測(cè)試回路119包括測(cè)試導(dǎo)體121，它穿過(guò)電流互感器21和23，并且作為它們的另一個(gè)一次繞組。電阻123和測(cè)試導(dǎo)體121及測(cè)試開關(guān)125串聯(lián)，當(dāng)開關(guān)合上時(shí)，它便選擇地形成通過(guò)兩個(gè)互感器21和23線圈和回路127。電阻123的值基本上等于中性線接地故障時(shí)由中性導(dǎo)體11和地所形成的回路的最大阻抗。這一值一般約為2歐姆。如果測(cè)試導(dǎo)體121的分布電阻等于這個(gè)值時(shí)，就不需要加分立電阻。
測(cè)試開關(guān)125閉合形成回路127，可以模擬中性線對(duì)地故障。為了使中性線對(duì)地故障產(chǎn)生跳閘信號(hào)，兩個(gè)電流互感器21和23都必須動(dòng)作，整個(gè)接地故障檢測(cè)器被測(cè)試。測(cè)試回路119比線路對(duì)地故障測(cè)試器更為簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰与娫?。電路板的布置也得以?jiǎn)化，因?yàn)橛捎?20V交流的出現(xiàn)而必須保持間隔的走線少了。假如初始中性線接地靈敏度不過(guò)分大，靈敏度下降到線路對(duì)地故障也將使電路不能測(cè)試地對(duì)中性線故障。
在圖1和圖2所示的斷路器1中采用了中性線接地故障測(cè)試回路119，可測(cè)試多數(shù)電子電路，包括傳感線圈或電流互感器21和23，跳閘線圈41，及包括元件39，43-47和53-57的電源部分，用戶集成電路29的大部分和除59-61和69-75以外的全部無(wú)源元件。因此，測(cè)試回路121可能改進(jìn)濺射電弧檢測(cè)器3的動(dòng)作可能性，因?yàn)檫@一檢測(cè)器中采用的傳感線圈(電流互感器23)已經(jīng)包括在測(cè)試中。雖然并未測(cè)試100%的電路，不過(guò)對(duì)測(cè)試濺射電弧檢測(cè)器來(lái)說(shuō)可能是足夠的了。
利用圖3所示的第二測(cè)試電路129可以測(cè)試濺射電弧檢測(cè)器3的全部電子電路。為了簡(jiǎn)單化，濺射電弧檢測(cè)器3和接地故障檢測(cè)器5以方塊圖形式131給出。第二測(cè)試電路129包括一個(gè)阻抗133，該阻抗聯(lián)接在線路導(dǎo)體9和中性導(dǎo)體11上的傳感線圈或電流互感器23的第二繞組27之間。通過(guò)開關(guān)135有選擇地把交流信號(hào)注入到第二繞組27中。阻抗133可以是電阻或者電容，也可以是電阻和電容串聯(lián)。選擇阻抗與電路的阻抗匹配，使線路電壓減到適合于測(cè)試的水平。理論上說(shuō)，減到正好足以保證在低線路電壓下跳閘。由測(cè)試電路129所施加的交流電壓半周提供了電弧檢測(cè)電路跳閘所需要的作用條件。測(cè)試電路129最好和測(cè)試電路119結(jié)合起來(lái)使用，使能測(cè)試濺射電弧故障檢測(cè)器和接地故障檢測(cè)器的全部電子電路。
圖4所示為另一種形式的附加測(cè)試電路。測(cè)試電路137利用從內(nèi)部電源81引出的直流功率，來(lái)產(chǎn)生完成濺射電弧故障檢測(cè)器測(cè)試所需要的脈沖。測(cè)試電路137包括電容139，由跨接在傳感線圈或電流互感器23的第二繞組27上的引線141聯(lián)接。直流電源81通過(guò)電阻143向電容139充電。測(cè)試開關(guān)145在閉合時(shí)將電容139跨接在傳感線圈或電流互感器23的第二繞組27上。由繞組27和電容139所形成的諧振回路產(chǎn)生一系列脈沖，使濺射電弧故障檢測(cè)器啟動(dòng)。因?yàn)闇y(cè)試電路137對(duì)濺射電弧電路并包括傳感線圈23進(jìn)行全面測(cè)試，這一測(cè)試電路可以和中性線對(duì)地測(cè)試電路119配合使用，也可以和僅能測(cè)試線路對(duì)地故障檢測(cè)電路的運(yùn)行的現(xiàn)有技術(shù)測(cè)試電路配合使用。
圖5為本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中，斷路器1′也能響應(yīng)接地故障和濺射電弧故障，但是并不利用接地故障指示器的傳感線圈來(lái)檢測(cè)濺射電弧故障。在圖5中所示的斷路器1′以上面提到過(guò)的美國(guó)專利申請(qǐng)023，435中所討論的方式利用中性導(dǎo)體的固有電阻來(lái)檢測(cè)濺射電弧故障。在改進(jìn)的斷路器1′中，中性導(dǎo)體11的電阻產(chǎn)生電壓，該電壓通過(guò)由電阻149和電容151組成的低通濾波器147。然后，電容155和電阻75組成的高通濾波器153對(duì)低通濾波器的輸出微分，高通濾波器153跟隨的低通濾波器147的組合產(chǎn)生和圖1中線圈電路同樣有限帶寬di/dt信號(hào)，盡管信號(hào)電平很低。如圖6所示，有限帶寬di/dt信號(hào)加到集成電路29運(yùn)算放大器的反相輸入，而不是非反相輸入。反饋電阻157提供了放大電平很低的檢測(cè)信號(hào)所需要的增益。集成斷路器的其余部分與圖1相同。
用于測(cè)試斷路器1′中濺射電弧部分的測(cè)試電路159包括阻抗161，它通過(guò)測(cè)試開關(guān)163和電阻149串聯(lián)跨接在線路和中性導(dǎo)體上。電阻149和159形成一個(gè)分壓器，它將適當(dāng)幅值的測(cè)試電壓注入濺射電弧檢測(cè)電路中。
雖然已經(jīng)詳細(xì)地?cái)⑹隽吮景l(fā)明的一些特殊實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在公開的全部技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展對(duì)細(xì)節(jié)的各種改進(jìn)和改變。同樣，所公開的一些特殊安排僅作為例子，并不局限本發(fā)明的范圍，對(duì)本發(fā)明還可以給出全部可能的補(bǔ)充和各種各樣所述例子的等價(jià)實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于斷路器的接地故障跳閘單元，該斷路器保護(hù)有線路導(dǎo)體和中性導(dǎo)體的電氣系統(tǒng)，其中所述中性導(dǎo)體在所述斷路器附近接地，所述接地故障跳閘單元包括所述中性導(dǎo)體從其中穿過(guò)的傳感線圈裝置；連接到所述傳感線圈裝置上的中性線對(duì)地故障檢測(cè)裝置，當(dāng)所保護(hù)的電氣系統(tǒng)中發(fā)生中性線對(duì)地故障時(shí)，能使所述斷路器產(chǎn)生跳閘信號(hào)；與所述傳感線圈裝置耦合的測(cè)試裝置，能模擬中性線接地故障，使所述中性線對(duì)地故障檢測(cè)裝置產(chǎn)生所述跳閘信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接地故障跳閘單元，其中所述測(cè)試裝置包括穿過(guò)所述傳感線圈裝置的測(cè)試導(dǎo)體裝置和一個(gè)測(cè)試開關(guān)，該開關(guān)用來(lái)有選擇地將所述測(cè)試導(dǎo)體裝置聯(lián)接為穿過(guò)所述傳感線圈的閉合回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的接地故障跳閘單元，其中所述測(cè)試導(dǎo)體裝置的阻抗基本等于所述保護(hù)電氣系統(tǒng)中中性點(diǎn)對(duì)地故障的最大阻抗。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的接地故障跳閘單元，其中所述測(cè)試導(dǎo)體裝置包括一根電線和一個(gè)分立阻抗，其值基本等于被保護(hù)的電氣系統(tǒng)中所述中性點(diǎn)對(duì)地故障的所述阻抗。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的接地故障跳閘單元，其中所述測(cè)試導(dǎo)體裝置包括一個(gè)電導(dǎo)體，其分布阻抗基本等于被保護(hù)電氣系統(tǒng)中所述中性點(diǎn)對(duì)地故障的所述阻抗。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的接地故障跳閘單元，其中所述傳感線圈裝置包括所述線路導(dǎo)體和所述中性導(dǎo)體均從其中穿過(guò)的第一傳感線圈和僅有所述中性導(dǎo)體從其中穿過(guò)，所述線路導(dǎo)體并不穿過(guò)的第二傳感線圈，其中所述接地故障檢測(cè)裝置包括一休止振蕩器接地故障檢測(cè)電路，一連接到所述第一和第二傳感線圈上，所述測(cè)試導(dǎo)體裝置穿過(guò)所述第一和第二傳感線圈。
7.一種用于被保護(hù)的電氣系統(tǒng)中的斷路器的跳閘單元，該電氣系統(tǒng)有一線路導(dǎo)體和一中性導(dǎo)體，并且可以遭受濺射電弧故障和接地故障。所述跳閘單元包括傳感線圈裝置用于傳感所述被保護(hù)電氣系統(tǒng)中的電流;連接到傳感線圈裝置上的故障檢測(cè)裝置，用于響應(yīng)包括中性線接地故障的接地故障和響應(yīng)濺射電弧故障，產(chǎn)生跳閘信號(hào);連接到所述傳感線圈裝置上的測(cè)試裝置，用于向所述故障檢測(cè)裝置有選擇地注入信號(hào)來(lái)模擬中性線接地和濺射電弧故障條件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的接地故障跳閘單元，其中所述測(cè)試裝置包括一個(gè)穿過(guò)所述傳感線圈裝置的測(cè)試導(dǎo)體和一測(cè)試開關(guān)，該開關(guān)用來(lái)有選擇地將所述測(cè)試導(dǎo)體聯(lián)接為穿過(guò)所述傳感線圈裝置的閉合回路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接地故障跳閘單元，其中所述測(cè)試導(dǎo)體裝置的阻抗基本等于所保護(hù)電氣系統(tǒng)中中性線對(duì)地故障的最大阻抗。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的接地故障跳閘單元，其中所述傳感線圈裝置包括所述線路導(dǎo)體和所述中性導(dǎo)體均從其中穿過(guò)的第一傳感線圈和僅有所述中性導(dǎo)體從其中穿過(guò)，而所述線路導(dǎo)體并不穿過(guò)的第二傳感線圈，其中所述故障檢測(cè)裝置包括一休止振蕩器接地故障檢測(cè)電路，連接到所述第一和第二傳感線圈上，還包括一濺射電弧檢測(cè)電路，連接到所述第二傳感線圈上，且其中所述測(cè)試導(dǎo)體裝置穿過(guò)所述第一和第二兩個(gè)傳感線圈。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的跳閘單元，其中所述第二線圈有一個(gè)二次繞組，所述濺射電弧檢測(cè)電路包括連接到所述二次繞組上產(chǎn)生有限帶寬di/dt信號(hào)的裝置，其中i為所述中性導(dǎo)體中的電流;還包括響應(yīng)所述di/dt信號(hào)、在預(yù)先選定的條件下產(chǎn)生所述跳閘信號(hào)的裝置;其中所述測(cè)試裝置進(jìn)一步包括將測(cè)試信號(hào)注入所述二次繞組的裝置，它使所述濺射電弧檢測(cè)電路產(chǎn)生所述跳閘信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的接地故障跳閘單元，其中注入測(cè)試信號(hào)的所述裝置包括連接到所述二次繞組的阻抗裝置和可選擇地將所述阻抗裝置連接到所述線路導(dǎo)體上的開關(guān)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的接地跳閘單元，其中所述注入測(cè)試信號(hào)的裝置包括連接到所述二次繞組的電容，給所述電容充電的裝置和使所述電容有選擇地向所述二次繞組放電的開關(guān)裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的跳閘單元，其中響應(yīng)所述di/dt信號(hào)的裝置包括電平檢測(cè)裝置，將所述di/dt信號(hào)與閾值比較，還包括響應(yīng)所述電平檢測(cè)器的裝置，當(dāng)一個(gè)選定的時(shí)間間隔中所述di/dt信號(hào)超過(guò)所述閾值一預(yù)定次數(shù)時(shí)，便產(chǎn)生跳閘信號(hào)。所述將測(cè)試信號(hào)注入所述二次繞組的裝置，在所述選定的時(shí)間間隔中，當(dāng)所述測(cè)試信號(hào)超過(guò)所述閾值一預(yù)定次數(shù)時(shí)，將測(cè)試信號(hào)注入所述二次繞組中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的跳閘單元，其中注入測(cè)試信號(hào)的所述裝置包括連接到所述二次繞組的阻抗裝置和一個(gè)可選擇地將所述阻抗裝置連接到所述線路導(dǎo)體上，以便把交流脈沖注入所述二次繞組的開關(guān)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的跳閘單元，其中所述測(cè)試裝置包括一個(gè)連接到所述二次繞組上的電容，對(duì)所述電容充電的裝置和可選擇地使所述電容向所述二次繞組放電，以產(chǎn)生振蕩的開關(guān)裝置。
17.一種用于被保護(hù)的電氣系統(tǒng)中的斷路器的自動(dòng)測(cè)試跳閘單元，該電氣系統(tǒng)有線路導(dǎo)體和中性導(dǎo)體，并遭受濺射電弧故障，所述跳閘單元包括由所述線路或中性導(dǎo)體作為一次繞組，并有二次繞組的傳感線圈;連到所述二次繞組上、產(chǎn)生有限帶寬di/dt信號(hào)的裝置，其中i為所述被保護(hù)電氣系統(tǒng)中的電流;還包括電平檢測(cè)器裝置，將所述有限帶寬di/dt信號(hào)與選定的閾值進(jìn)行比較;還包括在一選定的時(shí)間間隔中所述有限帶寬di/dt信號(hào)超過(guò)所述選定的閾值達(dá)預(yù)定次數(shù)時(shí)，產(chǎn)生跳閘信號(hào)的裝置;還包括連接到所述傳感線圈上的測(cè)試裝置，其產(chǎn)生的脈沖所產(chǎn)生的有限帶寬di/dt信號(hào)在所述選定時(shí)間間隔中超過(guò)所選定閾值達(dá)到所述預(yù)定次數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的自動(dòng)測(cè)試跳閘單元，其中所述測(cè)試裝置包括連接到所述二次繞組的阻抗裝置和可選擇地將所述阻抗裝置與所述線路導(dǎo)體相連的開關(guān)裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的自動(dòng)測(cè)試跳閘單元，其中所述測(cè)試裝置包括連接到所述二次繞組上的電容;對(duì)所述電容充電的裝置;以及可選擇地使電容向所述二次繞組放電以產(chǎn)生振蕩的開關(guān)裝置。
20.一種用于被保護(hù)的交流電氣系統(tǒng)中的斷路器的跳閘單元，該系統(tǒng)有線路導(dǎo)體和中性導(dǎo)體，所述跳閘單元包括感應(yīng)所述被保護(hù)電氣系統(tǒng)電流的傳感裝置;連接到所述傳感裝置的故障檢測(cè)裝置，還包括響應(yīng)被保護(hù)電氣系統(tǒng)中濺射電弧故障所產(chǎn)生的電流而產(chǎn)生跳閘信號(hào)的裝置;與所述傳感裝置耦合的測(cè)試裝置，它模擬由濺射電弧故障所產(chǎn)生的所述電流以產(chǎn)生所述跳閘信號(hào)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的跳閘單元，其中所述故障檢測(cè)裝置包括響應(yīng)在一個(gè)選定時(shí)間間隔中電流超過(guò)預(yù)選定次數(shù)的電流的裝置，其中所述測(cè)試裝置包括了產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)，該信號(hào)在所述預(yù)選定時(shí)間間隔中，超過(guò)所述預(yù)選定幅值所述預(yù)定次數(shù)的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的跳閘單元，其中所述傳感裝置包括所述中性導(dǎo)體從其中穿過(guò)的傳感線圈裝置，所述測(cè)試裝置包括延伸穿過(guò)所述傳感線圈裝置的測(cè)試導(dǎo)體裝置和可選擇地連接所述測(cè)試導(dǎo)體裝置，成為穿過(guò)所述傳感線圈裝置的閉合回路的測(cè)試開關(guān)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的接地故障跳閘單元，其中所述傳感裝置包括連接到所述中性導(dǎo)體和跟隨有一高通濾波器的低通濾波器上的引線，其中所述測(cè)試裝置包括一阻抗和一開關(guān)，當(dāng)開關(guān)有選擇地閉合時(shí)，將所述阻抗跨接在線路導(dǎo)體和中性導(dǎo)體上，所述阻抗便連接到所述低通濾波器上。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的跳閘單元，其中所述低通濾波器包括電阻和電容，所述阻抗和所述電阻形成分壓器來(lái)產(chǎn)生所述測(cè)試信號(hào)。
全文摘要
一種用于斷路器的接地故障跳閘單元，用無(wú)源測(cè)試電路來(lái)測(cè)試。該測(cè)試電路包括穿過(guò)電流互感器線圈的測(cè)試導(dǎo)體和可選擇地將測(cè)試導(dǎo)體連成回路，以便模擬中性線對(duì)故障的測(cè)試開關(guān)。在一個(gè)休止振蕩器接地故障測(cè)試電路中，測(cè)試導(dǎo)體回路穿過(guò)兩個(gè)傳感線圈。在中性線對(duì)地故障檢測(cè)器和濺射電弧故障檢測(cè)器結(jié)合并且共用一個(gè)公共傳感線圈的情況下，為完成對(duì)全部元件的測(cè)試，要增加一個(gè)附加測(cè)試電路。或者另一種方法是把從直流電源充電的電容跨接在傳感線圈的二次繞組上。
文檔編號(hào)H01H83/04GK1106957SQ9411525
公開日1995年8月16日 申請(qǐng)日期1994年9月14日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月15日
發(fā)明者雷蒙德·W·麥肯齊, 約翰·A·韋弗 申請(qǐng)人:尹頓公司