本申请要求于2016年3月1日提交的美国临时专利申请第62/301,948号的权益。
背景技术
电断路器(electricalcircuitbreaker)用于配电系统中以防止电气负载和导体暴露于过流情况。通常，存在两种类型的过流情况：过载和故障。美国国家电气规范(nec)将过载定义为：“超过正常的满载额定值的设备的操作或者当其坚持足够长的时间时超过额定载流量的导体的操作会造成损坏或者危险的过热”。与过载相比，故障通常会产生更高的过流，这取决于故障阻抗。没有阻抗的故障被称为“短路”或者“直接故障”。
传统断路器本质上是机械的。它们具有在发生故障或者长时间过流情况时会物理分离的电触点。通常使用弹簧机构、压缩空气、或者弹簧机构和压缩空气的组合来电磁地执行断开触点。
传统断路器的一个显著问题在于它们对故障的反应很慢。由于它们的机电结构，传统断路器通常需要至少几毫秒来隔离故障。反应时间较慢是不可取的，因为它会增加火灾隐患、对电气设备的损坏、甚至电弧闪光的风险，当没有足够快速地隔离短路或者直接故障时，这些情况便可能会发生。电弧闪光是产生短路情况的电导体的电爆炸。电弧闪光中释放出来的能量可以在电弧末端处产生超过35,000°f(或者20,000℃)的温度，导致金属导体快速蒸发，使熔融金属炸裂，并且会导致在极大力量下从事故点向外喷射的等离子体膨胀。因此，对于生命、财产和电气设备来说，电弧闪光显然是极其危险的。
除了隔离故障较慢之外，传统断路器存在高可变性。由于所涉及的磁性和机械设计的限制，机械断路器响应于故障或者长时间过流情况而跳闸所需的时间(以及此时的电流限制)在单个给定断路器中可能存在不同，并且在一个断路器与另一个断路器之间也可能存在不同，即使对于相同类型和相同额定值的断路器以及来自相同制造商的相同类型和额定值的断路器也可能存在不同。
由于传统断路器缺乏精度并且具有高度可变性，所以制造商通常会为他们制造并销售的每种类型和额定值的断路器提供时间-电流特性数据。特定类型和额定值的时间-电流特性数据通常以二维对数图的方式显示，诸如，图1所图示的，包括横轴上的电流、纵轴上的时间、保证断路器跳闸和不跳闸的时间-电流区域、以及断路器的跳闸状态不确定的不确定带。
传统断路器缺乏精度并且具有高度可变性使得协调研究(coordinationstudies)难以执行。协调研究是由电工或者工程师在设计配电系统期间进行的研究。协调研究涉及：选择断路器(通常具有不同额定值)并且计算出在配电系统中布置各个选定的断路器的最佳方式。协调研究中包含的一项重要任务涉及：以只有离即将发生的故障上游最近的断路器会跳闸以电气隔离即将发生的故障的这种方式，来配置各个断路器。如果正确执行该任务，则各个断路器的时间-电流不确定带不会重叠。遗憾的是，由于缺乏精度以及由此产生的时间-电流特性中的不确定带，所以始终无法按照需要或期望来完成协调研究，并且各个断路器的不确定带最终在一定程度上重叠，如图2所图示的。重叠的不确定带是有问题的，因为它会导致上游断路器响应于即将发生的故障而过早地或者不必要地跳闸的可能性，而不是通过位于更接近即将发生的故障的更远下游的断路器。上游断路器过早地或者不必要地跳闸是不可取的，因为它可以导致配电系统的较大部分不必要地断电。
传统断路器一旦跳闸就会提供较高的隔离能力。然而，它们的反应时间慢、缺乏精度、并且具有高度可变性都是不可取的特性。不仅反应时间慢会导致对电弧闪光的可能性的保护不足，而且具有高度可变性以及缺乏精度会使协调研究难以进行，在一些情况下甚至是无法进行。因此，可取的是，具有一种断路器，该断路器具有由传统机电断路器提供的较高隔离能力，而且还具有与传统机电断路器能够做到的相比更加快速地对故障和其它过流情况做出反应并进行隔离的能力。同样可取的是，具有快速反应的断路器，该断路器具有精确的并且可以被高精度地(甚至是动态且实时地)编程的时间-电流特性。
技术实现要素：
公开了一种用于配电系统的混合式气隙/固态装置保护装置(pd：protectiondevice)。该混合式气隙/固态pd包括:与固态装置串联的气隙断连单元、感测和驱动电路、和微控制器。在感测和驱动电路在pd的负载电路中检测到即将发生的故障或者过高且不可接受的过压情况时，感测和驱动电路生成快速关断固态装置的选通信号。同时，微控制器为气隙断连单元生成断连脉冲，该断连脉冲通过在负载电路中形成气隙来作出响应。关断的固态装置和气隙一起防止负载和关联的负载电路被损坏，而且还用于将故障或者过载情况的源与配电系统的其余部分电气隔离以及物理隔离。采用固态装置的优点在于，可以在几微秒内对即将发生的故障做出反应。即使固态装置未能关断或者发生故障，由气隙断连单元形成的气隙也能隔离故障，确保pd符合电气规范、法规和认证要求。
现在将参照附图详细描述本发明的其它特征和优点，包括对本发明的上述概述的示例性实施例和其它示例性实施例的详细描述，其中，相同的附图标记用于表示相同或功能上类似的元素。
附图说明
图1是与传统机电断路器相关联的时间-电流不确定带的曲线图；
图2是与三种不同的传统机电断路器相关联的时间-电流不确定带的曲线图，突出了由于重叠带而在完成协调研究时遇到的困难；
图3是突出了根据本发明的一个实施例的混合式气隙/固态断路器(即，保护装置或者“pd”)的显著部件的框图；
图4是描绘了可以实施图3所描绘的混合式气隙/固态断路器的感测和驱动电路的一种方式的图；
图5是示出了图3所描绘的pd的时间-电流特性的曲线图，突出了pd的单行时间-电流特性；
图6是当图3所描绘的pd容纳在外壳中时的透视图；
图7是不存在pd的电子设备时图3所描绘的pd的分解图，突出了pd的气隙断连单元的物理属性；
图8是示出了图3所描绘的pd的时间-电流特性的曲线图，突出了一个事实，即，在本发明的一个实施例中，pd的操作参数(包括电流的最大变化率di/dt_max、长时间跳闸阈值电流ilt、瞬时跳闸阈值电流imax、以及短时间跳闸时间上阈值tupper和下阈值tlower)是能够由用户设定的；
图9a至图9c是可以包含在图3所描绘的pd中的手动/机械按钮开关的图，人可以按下该手动/机械按钮开关以关断对固态装置的供电并且迫使pd的气隙断连单元形成气隙；
图10是描绘了图3所描绘的pd中的微控制器可以被编程为遵循以便防止pd的固态装置在涌入事件的期间超过其安全工作区(soa)的方法的流程图；
图11是根据本发明的一个实施例的图10所描绘的方法所基于的热路模式的图；
图12是图示了在充当三相感应电动机的pd时可以构造并配置图3所描绘的pd的固态装置的一种方式的框图；
图13a和图13b是图示了如何控制与三相感应电动机的一相相关联的两对开关对以防止或抑制在感应电动机的软启动期间形成电压瞬变的图；
图14是感测和驱动电路的图，该感测和驱动电路可以用于图3所描绘的pd中，并且具有检测雷电浪涌的发生并区分由于雷击而引起的电流浪涌与由于短路情况而引起的电流浪涌的能力；以及
图15是描绘了根据本发明的一个实施例的图3所描绘的pd中的微控制器被编程为要遵循的故障验证方法的流程图。
具体实施方式
参照图3，示出了描绘了根据本发明的一个实施例的混合式气隙/固态断路器300(在下文的详细描述中也称为“保护装置”或者“pd”)的图。pd300包括微控制器302、感测和驱动电路304、固态装置306、和气隙断连单元308。微控制器302、感测和驱动电路304、和pd300的其它部件由通过一个或多个本地dc电源供电的直流(dc)电源驱动(所述一个或多个本地dc电源独立于配置pd300的配电系统)，或者来自从配电系统中的ac电源产生dc电力的dc功率转换器的交流电(ac)。固态装置306包括(多个)电控固态装置，诸如，绝缘栅双极结晶体管(igbt)、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、晶闸管、硅控整流器(scr)、交流三极管(triac)、或者任何其它合适的高功率控制固态装置。固态装置306与气隙断连单元308串联，使得当pd300部署在配电系统中时，固态装置306和气隙断连单元308在连接至负载的线路输入(line-in)端子与线路输出(line-out)端子之间串联。
感测和驱动电路304被配置为不断监测感测电流isense(其表示通过line-in端子所汲取的电流)，并且产生控制是否接通(在这种情况下，允许来自线路line-in端子的电流流到pd300用于保护的负载)还是关断(以将负载与line-in端子电气隔离)固态装置306的选通信号。图4是图示了可以实施感测和驱动电路304的短路检测部分的一种方式的图。从以下描述显而易见的是，感测和驱动电路304具有确定从line-in端子汲取的电流的突然增大是由于接入的负载还是由于即将发生的故障的能力。感测和驱动电路304还能够区分电阻负载与电感负载，并且确定电流的突然增大是对应于通过电感负载在接入时汲取的涌入电流还是即将发生的故障的结果。
如图4所示，示例性感测和驱动电路304包括：微分器402；第一、第二和第三高/低比较器404、406、408；and逻辑门410；以及or门412。微分器402操作以对感测电流isense进行微分，并且产生指示感测电流isense的变化率的微分感测电流disense/dt。因为感测电流isense是ac，具有正半周和负半周，并且在感测电流isense的正半周或负半周期间可能发生从line-in端子汲取的电流的突然增大，所以由微分器402产生的微分感测电流disense/dt指示在正半周和负半周期间感测电流isense的变化率。
第一和第二高/低比较器404和406以及and逻辑门410用于确定从line-in端子汲取的电流的突然增大是由于即将发生的故障还是由于接入的(或者“接通的”)电阻负载。这种区分即将发生的故障与接入的电阻负载的能力是很重要的，因为它能防止pd300在电流的突然增大是由于接入的电阻负载而不是由于即将发生的故障的情况下，不必要地或者过早地跳闸。为了完成该任务，第一高/低比较器404将微分感测电流disense/dt与预定的电流的最大变化率di/dt_max相比较。在微分感测电流disense/dt超过电流的最大变化率di/dt_max的情况下，第一高/低比较器404产生逻辑high输出。逻辑high输出指示故障可能正在负载电路中发生。另一方面，只要微分感测电流disense/dt保持小于电流的最大变化率di/dt_max，第一高/低比较器404就产生逻辑low输出。
当电阻负载接入时，它从line-in端子汲取的电流将是阶状的。然而，即将发生的故障也会产生阶状的电流变化。由于disense/dt在两种情况下都较高，所以超过di/dt_max的disense/dt本身不足以绝对确定地断定故障正在负载电路中发生。然而，正在发生的故障与电阻负载的接通瞬变(turn-ontransient)之间的一个显著差异在于，一旦完成了电阻负载的接通瞬变(这会发生地很快)，电阻负载汲取的电流的幅值就会趋近于某个有限值(具体值取决于负载的电阻)。另一方面，当故障正在发生时，从线路汲取的电流的幅值会上升到更高的幅值，这仅受线路将电流输送到故障处的能力的限制。感测和驱动电路304利用该差异来检测并确定电阻负载是否接入或者故障是否正在发生。具体地，第二高/低比较器406将感测电流isense的幅值与“长时间跳闸阈值电流”ilt的幅值相比较。如果从线路汲取的电流(表示为感测电流isense)上升到比长时间跳闸阈值电流ilx更大的值，则第二高/低比较器406产生逻辑high输出。因此，在disense/dt超过di/dt_max并且从线路汲取的电流(表示为感测电流isense)超过长时间跳闸阈值电流ilx的情况下，and逻辑门410将生成逻辑high输出。逻辑high输出指示故障正在负载电路中发生，或者存在或正在发生过高且不可接受的过载情况。因此，一旦and逻辑门410产生逻辑high输出，并且逻辑high输出通过or门412，就在输出处产生选通禁用逻辑，命令感测和驱动电路304的剩余电路系统关断固态装置306以便将负载与即将发生的故障或过载情况电气隔离。另一方面，如果disense/dt保持在di/dt_max之下，或者从线路汲取的电流(表示为感测电流isense)保持在长时间跳闸阈值电流ilt之下，则and逻辑门410产生逻辑low输出，并且固态装置306保持接通。通过这种方式，即使在电阻负载接入时disense/dt超过di/dt_max，只要其汲取的最大电流不会导致感测电流isense超过长时间跳闸阈值电流ilt，就仍然允许电阻负载接入。
第三高/低比较器408用于不断地将输入感测电流isense与“瞬时跳闸阈值电流”imax相比较。瞬时跳闸阈值电流imax是pd300在任何情况下允许流到负载的绝对最大电流。如果通过负载汲取的电流(表示为感测电流isense)超过瞬时跳闸阈值电流imax，则第三高/低比较器408会产生逻辑high输出，其在通过or逻辑门412传播之后会立即命令关断固态装置306。关断固态装置306所需的时间仅受感测和驱动电路逻辑生成逻辑high输出所需的时间(传播延迟)、禁用栅极驱动电路系统的时间和固态装置306改变状态所需的反应时间的限制。此处使用“瞬时”一词是为了指示该时间将是几微秒甚至更少的数量级。
感测和驱动电路304进一步能够区分电阻负载与电感负载，并且防止在电感负载(诸如，感应电动机)接入时发生的过高的涌入电流。与电阻负载接入时产生的近似阶状的disense/dt相比，电感负载接入时会产生更小的disense/dt，并且在正常操作状态下会保持小于di/dt_max。因此，只要disense/dt保持小于di/dt_max并且感测电流isense在涌入事件的期间保持在瞬时跳闸阈值电流imax之下，则在电感负载接入时or逻辑门412的输出会保持在逻辑low处。然而，如果在涌入事件的期间涌入电流超过瞬时跳闸阈值电流imax，则第三高/低比较器408会产生逻辑high输出，其在通过or逻辑门412传播之后会命令关断固态装置306。
在本发明的优选实施例中，由感测和驱动电路304执行的各种功能是在硬件中实施的(如上文参照图4所描绘并描述的)。硬件实施方式是优选的，因为它提供了检测并响应即将发生的故障的最快方式。在上文描述的感测和驱动电路304中，可以在几微秒甚至更少的时间内完成对即将发生的故障的检测和响应。虽然硬件方式由于其快速反应能力而是优选的，但是可以替代地使用“软件”方式，或者由感测和驱动电路304执行的各种功能中的一些功能可以是软件控制的。在软件控制的实施方式中，微控制器302将被编程并被配置为检测并响应即将发生的故障，区分接入的负载与即将发生的故障，并且在情况允许时生成指示关断固态装置306的选通信号。可替代地，这些各种功能可以部分地由感测和驱动电路304的硬件执行，并且部分地由微控制器302执行。
在本发明的一个实施例中，不仅将感测电流isense引导至感测和驱动电路304，还将其引导至pd300中的微控制器302(参见图3)。在(例如，通过使用分压器)将感测电流isense减小到更低电压之后，固态装置306的输入和输出处的输入电压vin和输出电压vout也可以引导至微控制器302。通过使用接收到的线路电流和电压信息，微控制器302然后可以生成可以显示在显示器310上的实时操作数据，诸如，例如，通过负载汲取的实时电流量。通过使用实时电流和电压信息，微控制器302还可以执行与固态装置306的操作状态和性能有关的诊断检查和/或指示感测和驱动电路304在情况允许时关断固态装置306。应该指出的是，无论固态装置306的操作状态如何，都将实时电流信息(以及可能的实时线路电压信息)发送到微控制器302。因此，如果固态装置306发生故障，则仍然可以在存在故障的情况下启动气隙断连单元308，在这种情况下，气隙断连单元308(这在下文将会进行更详细的描述)充当“故障安全装置”。
在本发明的一个实施例中，pd300中的微控制器302包括用于连接至通信/控制总线的一个或多个输入/输出端口。为微控制器302提供通过通信/控制总线通信的能力使得微控制器302能够将与pd300相关联的信息，诸如，例如，操作状态、诊断信息、电流数据、负载信息、pd识别信息等，报告给也连接至通信/控制总线的另一个计算装置。
采用固态装置306并且通过使用快速反应的感测和驱动电路304对其进行控制，使得pd300能够比使用传统机电断路器更加快速地检测并响应即将发生的故障和其它电气危害。为电力应用设计的固态装置具有在几微秒(在一些情况下甚至是几纳秒)内改变状态(即，可以接通并关断)的能力。因此，通过采用固态装置306并且通过使用快速反应的感测和驱动电路304对其进行控制，pd300能够比使用传统机电断路器(如上文背景技术中所解释的，通常需要几毫秒来响应并隔离故障)快千倍地隔离故障。
除了具有几乎瞬时地隔离故障的能力之外，由pd300提供的另一个显著优点在于，其时间-电流特性要比传统断路器的时间-电流特性精确得多。可以重复地制造固态装置，以具有几乎相同的操作特性。制造中的可重复性显著降低了从一个固态装置到另一个固态装置的可变性，并因此降低了从一个pd300到另一个pd300的可变性。相比之下，相同类型和额定值的，甚至是来自相同制造商的相同类型和额定值的，传统机电断路器具有倾向于随着高度可变性而改变的时间-电流特性，从而产生具有较宽不确定带的时间-电流特性轮廓，如上文参照图1和图2所讨论的。此处，因为pd300采用了固态装置306，所以在pd300的时间-电流特性中不存在不确定带。由固态装置传导的电流也可以快速控制，并且具有比传统机电断路器更高程度的精度。这些属性导致pd300具有表示为单线的时间-电流特性轮廓，如图5所图示的，即，不存在指示pd300的操作特性可以从一个pd变化到下一个pd的不确定带。(将图5与上文的图1相比较)。
关断之后，所有固态装置都会泄漏一定量的泄漏电流。泄漏的电流量取决于使用的半导体装置的特定类型。泄漏电流是否具有存在安全问题的任何可能性，取决于泄漏的实际电流量以及泄漏电流流动的系统部分中存在的电压。在大多数情况下，泄漏电流不会造成安全危害。然而，为了完全避免任何可能性，并且为了确保符合电气规范、法规和/或认证标准，pd300进一步包含气隙断连单元308。在pd300确定在负载电路中存在故障或者其它过高且不可接受的过流情况时，微控制器302将电脉冲传输到气隙断连单元308中的螺线管，如下文更详细地解释的，这通过在pd300的line-in端子与line-out端子之间形成气隙来响应电脉冲。在形成气隙的情况下，绝对没有电流能够流入负载电路中。
图6是当图3所描绘的pd300容纳在外壳中时的透视图。外壳包括正面602，该正面602具有：用于on和off按钮312的切口；用于显示器310的切口；以及用于气隙断连复位按钮707的切口，这可以用于防止断路器在维护或者维修工作期间复位。在微控制器302的指示下，可以控制显示器310显示各种信息，包括，例如，电流额定值、实时线路电流和电压信息、pd名称和其它pd识别信息、负载信息、配电板识别信息、和任何其它实时或非实时信息。在本发明的一个实施例中，显示器310包括电子墨水显示器，该电子墨水显示器是一种这样的显示技术，其即使在移除了显示器310的电源之后也能继续显示正在显示的信息。
图7是未示出电子设备(微控制器302、感测和驱动电路304、和固态装置306)的pd300的分解图。pd300的分解图突出了pd的气隙断连单元308以及涉及其操作的各种组件的物理属性。如图所示，pd300容纳在外壳中，该外壳包括：前面板602、中间包封件701、和背部包封件709。充当气隙断连单元308的致动器的螺线管712和关联的保持件703彼此相邻地安装在安装板705上，保持件703被设计为装配在l形保持器713下方，并且螺线管712安置在螺线管底座714旁边。螺线管712包括柱塞715，该柱塞715在正常操作状态下(例如，不存在故障或者过载情况)保持缩回到螺线管外壳中。保持件703被配置为在与柱塞715行进的方向平行的方向上滑动，并且在一端包括突片716。突片716具有使其能够装配在通过连接器叶片皮套711的中心部分形成的插槽717内的大小和尺寸。在正常操作状态下，当将电力分配到连接的负载并且在负载电路中不存在或者未发生故障或其它不期望的过载情况时，保持件703的突片716保持在插槽717中。在突片716定位在插槽717中的情况下，保持件703将导电的公连接器叶片702保持在母线至负载连接器708的相应导电插座718中，并且防止皮套回位弹簧706将连接器叶片皮套711和附接的公连接器叶片702从插座718中拉出。通过将导电的公连接器叶片702保持在导电插座718中，使得线路电流能够流到负载(只要固态装置306也是接通的)。然而，在感测和驱动电路304感测并向微控制器302报告在负载电路中存在或者正在发生故障或过高且不可接受的过载情况时，微控制器302通过将电脉冲传输到螺线管712来响应。电脉冲使螺线管712弹出其柱塞715。保持件703附接至柱塞715。因此，当柱塞715从螺线管外壳中弹出时，保持件703的突片716被迫从连接器叶片皮套711中的插槽717中移除。一旦突片716被迫从插槽717中移除，回位弹簧706就能够提升连接器叶片皮套711，将所附接的导电的公连接器叶片702从母线至负载连接器708的导电插座718中拉出。将公连接器叶片702从插座718中拉出导致形成气隙，该气隙用于将负载与正在发生或者存在故障或其它潜在危害的部件完全隔离。如上文所解释的，因为气隙与固态装置306串联，所以也防止了可能流过固态装置306并且流入负载电路中的任何泄露电流。
应该指出的是，图7所描绘的pd300是三相pd的示例。因此，存在附接至连接器叶片皮套711的底部的三个公连接器叶片702以及在母线至负载连接器708中形成的三个相应插座718。在单相pd中，仅需要单个公连接器叶片702和相应的单个母插座718来产生气隙。还应该指出的是，上文参照图4描述的感测和驱动电路304是设计用于单相pd中的感测和驱动电路304的示例。在三相pd的情况下，可以将感测和驱动电路304修改用于三相pd中，从而使得修改后的感测和驱动电路304能够对任何类型的故障或者不期望的过载情况(包括三相和单相接地故障)做出反应。
在气隙断连过程期间，压缩弹簧710迫使气隙断连复位按钮707从前部包封件704的面板602中顶出(即，弹出)。气隙断连复位按钮707具有孔719，维护或维修人员可以通过该孔719插入挂锁或者其它锁定装置以完成上锁-挂牌(loto)安全程序。完成loto安全程序确保了维护或维修人员不会意外地将pd300复位，并且未意识到危害或潜在危害的其它人也不会无意地将其复位。一旦维护或维修人员清除了危害或潜在危害，那么就可以移除挂锁或者其它锁定装置，并且可以通过将气隙断连复位按钮707按回到外壳中来将pd300复位。将气隙断连复位按钮707按回到外壳中迫使导电的公连接器叶片702重新插入到母线至负载连接器708的导电插座718中，并且使得保持件703的端部处的突片716能够重新插入到连接器叶片皮套711中的插槽717中。要注意的是，螺线管712具有内部弹簧，该内部弹簧在弹出并且形成气隙之后很快地将柱塞715拉回到螺线管外壳中。由于保持件703也附接至柱塞715，所以当将柱塞715拉回到螺线管中时，保持件703也被拉回到其正常操作状态位置，并且保持件703的端部处的突片716被重新插入到插槽717中。随着突片716被重新插入到插槽717中，然后保持件703能够再次将公连接器叶片702保持在母线至负载连接器708的插座718中，而回位弹簧706不需要将连接器叶片皮套711和附接的公连接器叶片702从插座718中拉出。然后，保持件703继续将公连接器叶片702保持在插座718中，直到再次启动气隙断连过程。
在气隙断连单元308复位期间，并且在pd300中进行高压连接时，可能不期望将信号反弹定向到用于为pd300中的电子设备供电的低压电源。这种不期望的信号反弹(signalbounce)现象是，由于系统的固有电容以及在pd的line-in与line-out端子之间突然施加高压而引起的。为了避免不期望的信号反弹，在本发明的一个实施例中，公连接器叶片702的尖端被设计为具有较高电阻，使得当它们首次插入到母线至负载连接器708的插座718中时，能够迫使系统的固有电容更加缓慢地充电。通过采用电阻尖端，从而产生两阶段的重新连接过程，包括第一阶段和第二阶段，在第一阶段期间，电阻尖端刚好与插座718接触以抑制信号反弹，在第二阶段期间，公连接器叶片702完全插入到插座718中以完成电接触并脱离气隙。
在上文的描述中，当感测和驱动电路304确定在负载电路中存在或者正在发生故障或其它可能有害的过载情况时，自动启动气隙断连过程。pd300还设置了off按钮(参见图6中的on和off按钮)，人可以按下该off按钮以手动启动气隙断连过程。当人按下off按钮时，微控制器302通过将电脉冲发送到螺线管712来响应以启动气隙断连过程。
在许多情况下，前一段所描述的形成气隙的手动方式是充分且有效的。然而，例如，一些本地电气规范/法规和/或国家或跨国认证公司，诸如，ul(保险商实验室)，要求断路器向人提供完全通过机械操纵方式，即，不需要任何电气辅助，关断断路器的能力。为了符合该要求，在本发明的一个实施例中，包括off按钮(或者除了off按钮之外的一些其它按钮)，使得能够仅经由机械操纵来形成气隙。图9a至图9c以手动/机械按钮902的形式图示了本发明的这个方面。如在按照时间顺序排列的一系列图中可以看到的，当人将按钮902推入到面板602中时，致动件908延伸并将保持件703推入到气隙断连单元308中，使得突片716脱离连接器叶片皮套711中的插槽717(参见上文的图7和随附描述)。在突片716从插槽717中移除的情况下，回位弹簧706能够将连接器叶片皮套711和附接的公连接器叶片702从母插座718中提出，从而形成气隙。要注意的是，与前一段所描述的手动断连方式相比，气隙完全是通过机械操纵的方式形成的，没有来自电控螺线管712的任何辅助。
图9a至图9c所描绘的手动/机械按钮902也配备有簧片开关906，该簧片开关906被配置为在按钮902被部分按下并且永磁体904很靠近时关断。如图9b所图示的(按钮被部分按下，但未完全按下)，当簧片开关902关断时，允许控制电压通过开关。该控制电压充当关闭pd300中的电力电子设备的控制信号。随后，当按钮902被进一步并且完全按下(如图9c所示)时，致动件908完全延伸并且将保持件703推入到气隙断连单元308中，使得保持件703的端部处的突片716脱离插槽717，回位弹簧706将公连接器叶片702从母插座718中提出，并且形成气隙。通过在形成气隙(图9c)之前关断pd300中的电子设备的电源(图9b)，防止在形成气隙期间在气隙断连组件中发生电弧放电。
应该提到的是，机械地操纵保持件703以使其脱离连接器叶片皮套711的方式不一定要按照图9a至图9c所描绘的方式来执行。图9a至图9c所描绘的方式(通过使用致动件908)仅是一个示例。从图9a至图9c中的图中得到的更重要的点是：1)响应于人的物理命令并且完全通过机械操纵的方式(即，不需要任何电气辅助)来形成气隙；以及2)在形成气隙之前将pd300的电子设备的电源移除，从而防止在气隙断连组件中发生电弧放电。还应该提到的是，不需要使用簧片开关来关断pd的电子设备的电源。可以使用任何合适的开关类型，只要该开关可以与手动/机械气隙组件协作进行操作并且用于在形成气隙之前移除pd的电子设备的电源。
如图3所图示的，pd300进一步包括非暂时性计算机可读介质(crm)316，例如，闪速存储器、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、磁性硬盘等。非暂时性crm316可以在微控制器302外(如图3所示)，嵌入到微控制器302中，或者可以包括部分嵌入到微控制器302中并且部分在微控制器302外的非暂时性crm。crm316被配置为存储如下各项：指示pd300通常如何进行操作的计算机程序指令；指示微控制器302如何且何时与连接至通信/控制总线的其它(多个)计算装置通信的指令和协议；和/或确定pd300如何且何时收集信息(例如，线路电流和电压信息)以及如何且何时将该信息报告给与通信/控制总线电通信的其它(多个)计算装置的指令。
在本发明的一个实施例中，存储在crm316中的计算机程序指令进一步包括计算机程序指令，该计算机程序指令为微控制器302提供设置并改变pd300的操作参数的能力，诸如，例如，电流的最大变化率di/dt_max、长时间跳闸阈值电流ilx、感测和驱动电路304所使用的瞬时跳闸阈值电流imax、和/或pd300的短时间跳闸时间上阈值tupper和下阈值tlower。如图8中的pd300的示例性时间-电流特性所图示的，短时间跳闸时间“上”阈值tupper确立了pd300会承受高于长时间跳闸阈值电流ilt的负载电流多长时间。短时间跳闸时间“下”阈值tlower确立了pd300会承受略低于瞬时跳闸阈值电流imax的负载电流多长时间。微控制器302调整长时间跳闸阈值电流ilt、瞬时跳闸阈值电流imax、和/或短时间跳闸时间上阈值tupper和下阈值tlower的能力为用户在为任何特定应用配置pd300方面提供了极大的灵活性。这种灵活性以及时间-电流特性较精确(即，不具有较宽的不确定带，如传统机电断路器的时间-电流特性(参见上文的图1和2)中存在的)的事实和可以高精度地控制pd300的时间-电流特性的事实，极大地简化了可以通过使用多个pd300来执行的任何协调研究。而且，即使在根据完成的协调研究映射的配电系统中安装了pd300之后，也可以按照需要或期望来重新调整配电系统中的任何一个或多个pd300的长时间跳闸阈值电流ilt、瞬时跳闸阈值电流imax、使用的变化长时间跳闸阈值电流ilt、以及短时间跳闸时间上阈值tupper和下阈值tlower中的任何一个或多个，例如，以适应配电系统中的交变负载情况。
如参照上文的图4所讨论的，感测和驱动电路304中的di/dt检测电路系统为pd300提供了区分短路情况与当电感负载(例如，感应电动机)接入时发生的较大涌入电流的能力。满载感应电动机的离线启动可以汲取的涌入电流是电动机的满载电流的10至12倍。为了确保pd300能够承受这些较大的涌入电流而不使pd的固态装置306暴露于可能损坏固态装置306的过高且长时间的涌入电流，在本发明的一个实施例中，pd300的微控制器302进一步被编程为监测涌入事件，使得pd300中的固态装置306在任何涌入事件的期间都无法在其“安全工作区”(soa)外进行操作。固态装置制造商通常会指定其固态装置在给定时间段内可以消耗而不会被损坏的最大功率。该规范相当于固态装置在没有故障的情况下能够吸收(并且不经由散热器消耗)的最大能量emax。固态装置306在电感负载接入期间吸收的总能量etotal随着涌入电流的增大而增加。因此，为了防止pd300中的固态装置306在涌入事件的期间被损坏，不应允许吸收的总能量etotal超过最大能量emax规范。
图10是描绘了pd300的微控制器302被编程为遵循以便防止pd300中的固态装置306在涌入事件进行期间超过其soa的一种方法1000的流程图。要注意的是，方法1000中的各个步骤不一定按照流程图所示的顺序执行。进一步地，方法1000中的一些步骤，例如，决策1006，是连续执行的，而不是作为整个过程中的离散和有序步骤执行的。方法1000中的前两个步骤1002和1004涉及：确定固态装置306的结温tj，并且基于所确定的结温tj降低制造商提供的emax规范。固态装置制造商通常仅为特定温度(例如，25c)指定emax。然而，实际上，固态装置的结温tj可能是不同的，并且通常高于与制造商的emax规范相对应的结温。因此，根据本发明的该实施例，通过在发生涌入事件之前不久确定结温tj，可以降低emax规范，以便为emax提供更安全且更准确的上限。
在本发明的一个实施例中，通过(例如，通过使用热电偶)测量容纳固态装置306的壳体的温度(tcase)，然后通过使用热模型(参见图11)推断结温tj是多少，来确定结温tj。基于该热模型，由固态装置306消耗的稳态功率pdev可以示出为：
pdev＝(ts-tcase)rθjc+(tcase—tamb)(rθch+rθha)，
其中tcase是容纳固态装置306的壳体的温度，tamb是环境温度，rθjc是结壳热阻，rθch是壳体到散热器的热阻，并且rθha是散热器到环境的热阻。通过该等式，可以确定结温tj为：
其中，rconst＝rθch+rθha是稳态情况下的已知常数，tj和pdev都是可测量的量，并且可以将tamb假设为最大值(例如，40c，对于大多数应用来说是足够的)。在步骤1002中确定了结温tj之后，在步骤1004中，降低由固态装置制造商提供的最大能量emax规范，以便为emax提供更加安全且更加准确的上限。(可替代地，如果固态装置处于off状态的时间长于结点到环境的热传播延迟(通常为20至30秒)，则与结点温度相同的壳体温度tcase(即，tj＝tcase)可以用于降低emax的基础)。这种确定结温tj并且降低emax的过程在此之前经常执行，使得在涌入事件开始之前最新的结温tj和emax的降额刚好可用。
方法1000中的决策1006是确定涌入事件开始的决策。感测和驱动电路304不断地执行该决策1006，与上文参照图4所解释的类似。当决策1006在决策1006中确定涌入事件开始时，在步骤1008中，微控制器302立即开始计算并追踪当涌入电流增大时由固态装置306吸收的累积能量etotal。通过对数字化电压样本vx和电流样本ix的乘积求和来逐个样本地计算由固态装置306吸收的累积能量etotal，即，etotal＝∑vx·ix·tsampleperiod，其中vx和ix表示数字化电压样本和电流样本，并且tsampleperiod是采样周期。
在每个采样周期tsampleperiod之后(或者在每几个采样周期之后)，在步骤1010中，微控制器302计算关断固态装置306所需的能量eoff＝vlatest·ilatest·tturn-off·δmargin。此处，vlatest和ilatest是最新采样的电压样本vx和电流样本ix，tturn-off是pd的驱动器电路系统响应并关断固态装置306所需的时间量，并且δmargin是防止低估关断固态装置306实际所需的能量和/或时间的边际因子。
接下来，在决策1012中，微控制器302从步骤1004中确定的降额(derated)emax中减去步骤1010中计算得到的eoff，然后将结果与步骤1008中确定的etotal相比较。如果微控制器302确定etotal>emax(降额的)-eoff，则该确定是固态装置306正在或者即将开始在其soa外进行操作的指示。为了防止固态装置306被损坏或者破坏，在步骤1014中，微控制器302立即向固态装置306发送选通信号，命令其关断。另一方面，如果etotal<emax(降额的)-eoff，则在决策1012中，方法前进到决策1016，该决策1016查询涌入事件是否已经结束。如果答案是“yes”，则允许固态装置306保持接通(步骤1018)，允许电感负载完全接入，并且方法1000结束。另一方面，如果在决策1016中确定涌入事件仍然在进行(例如，如果ilatest>ilt)，则方法循环回到步骤1008。然后重复步骤1008和1010以及决策1012，直到固态装置306由于超过soa而关断或者涌入事件结束。
在感应电动机离线启动期间，感应电动机可以生成较大扭矩。这些较大的扭矩是不可取的，因为它们可以机械地对电动机和/或电动机用于驱动的设备(例如，皮带、皮带轮、齿轮等)施加压力并将其损坏。为了防止生成较大扭矩，在本发明的一个实施例中，存储在crm316中的计算机程序指令进一步包括计算机程序指令，该计算机程序指令允许微控制器302促进感应电动机负载的软启动。在本发明的该实施例中，pd300的固态装置306包括两个或多个mosfet开关对，这取决于感应电动机是单相感应电动机还是三相感应电动机。图12是图示了在三相感应电动机负载的情况下如何配置pd300中的固态装置306的图。可以看出，pd300的微控制器302经由驱动器1204控制对组成固态装置306的三对开关对s1/s2、s3/s4和s5/s6的选通。图13a和图13b图示了如何通过微控制器302来控制设置在线路la和lh中的两对开关对s1/s2和s3/s4以促进三相感应电动机1202的软启动。在感应电动机1202离线启动时，微控制器302控制施加到mosfet开关对s1/s1和s3/s4的驱动信号，使得线路到线路(l-l)电压vab的占空比逐渐增大。针对感应电动机1202的其它两相重复该过程。通过逐渐增大施加到感应电动机的三相的la-lb电压vab、lb-lc电压vbc和la-lc电压vac的占空比，迫使感应电动机1202逐渐增大其接入时的转速。由于电动机生成的扭矩与所施加的线路电压的平方成比例，因此在软启动过程期间避免较大的电动机扭矩。
在本发明的一个实施例中，pd300的微控制器302进一步被编程为：当在正半周与负半周之间切换mosfet开关对s1/s2、s3/s4和s5/s6时，在软启动过程期间以防止发生过高的电压瞬变的方式，来控制mosfet开关对s1/s2、s3/s4和s5/s6的切换。再次关注la-lb，在软启动期间，当vab为正时，mosfet开关s1和s4接通，mosfet开关s2和s3关断。如图13a所图示的，这导致相流iab流过mosfet开关s1的漏源路径以及mosfet开关s2的体二极管，然后流过a-b定子绕组(在图中表示为lab和电阻rab)，并且最终通过mosfet开关s4的漏源路径以及mosfet开关s3的体二极管返回。随着la-lb电压vab在其正半周结束时减小并且过零(即，进入其负半周)，相应的相流iab会继续沿图13a所示的方向流动，并且会持续沿该方向流动，直到电感器lab中的磁能消散。通过使用由线路电压和电流传感器1206感测/测量的相流信息，微控制器302监测iab，并且仅在它确定相流iab已经(或者即将)减小到零之后，指示mosfet开关s1和s4关断以及mosfet开关s2和s3接通(如图13b所图示的)。在电感器iab中的磁能消散期间，mosfet开关s3和s2的体二极管d3和d2阻止电流反转，因此尽管vab进入其负半周，但是不允许发生相流iab的突然变化。因此，通过在相流iab减小到零之前延迟mosfet开关s2和s3的接通以及mosfet开关s1和s4的关断，来避免较大的开关电压瞬变。在软启动过程期间，这种相同的方式也适用于其它两相，从而避免了对额外的电压瞬变抑制滤波器或系统的任何需要。
一些认证体(例如，ul)要求断路器能够通过雷击进行操作，即，不需要不必要的跳闸。雷击持续时间较短，大约30微秒，并且可以达到1至2ka范围内的电流水平。在本发明的一个实施例中，修改上文参照图4讨论的pd300的感测和驱动电路304，以将检测雷击的发生并且区分高电流雷击情况与短路情况的电路系统包括在内。区分雷击与短路情况的能力是有利的，因为如果确定电流突然大幅增大是由雷击引起的，则可以防止pd300进行不必要的关断。图14是包括能够检测雷击的发生并且区分雷击与短路情况的电路系统的感测和驱动电路1400的图。感测和驱动电路1400与上文讨论的感测和驱动电路304(参见图4和随附描述)类似，除了感测和驱动电路1400进一步包括第四高/低比较器1402和附加and逻辑门1404之外。感测和驱动电路1400基于以下事实进行操作：由雷击引起的电流的突然增大大于由短路引起的电流的突然增大，即，di/dt_lightning>di/dt_short。高/低比较器1402被配置为将disense/dt与电流变化率参考值di/dt_max,2相比较，该变化率参考值di/dt_max,2大于比较器404在检测短路情况时所使用的电流变化率参考值di/dt_max,1。在发生雷击期间，disense/dt会大于di/dt_max,2，所以高/低比较器1402会在其输出处产生逻辑low输出。将该逻辑low输出经由and门1404和410传播到or门412的输入处。因此，在雷电浪涌期间，or门412的输出会保持为逻辑low输出，并且pd300会通过雷电浪涌持续进行操作，即，不会跳闸或关断。另一方面，如果di/dt_max,2>disense/dt>di/dt_max,l，则感测和驱动电路1400会以与上文参照图4所描述的感测和驱动电路304类似的方式进行操作，以便确定线路电流的突然增大是由于即将发生的故障还是过高的过载情况。具体地，如果disense/dt超过di/dt_max,l并且从线路汲取的电流(表示为感测电流isense)超过长时间跳闸阈值电流ilt(同时指示正在发生短路情况)，则and逻辑门1404和410会都生成逻辑high输出，并且最后的or门412也会产生逻辑high选通禁用输出，以关断固态装置306。
在本发明的另一实施例中，在固态装置306上下降的电压用于检测雷击的发生并且区分雷击与短路情况。在雷电浪涌到来时，线路电压会明显突增，并且这只能归因于雷击。然而，当正在发生短路情况时，线路电压vline保持不变(或者下降到较低值)。由于在雷击期间线路电压会超过所施加的线路电压vline，所以与正在发生短路情况期间相比，线路电流的电流上边界iupper(可以通过求积分di/dt＝vline/l得到，其中l是系统的电感)在雷电浪涌期间会增大到更高值。因此，通过监测在固态装置306上下降的电压并且将其与iupperxrds(on)相比较，其中rds(on)是固态装置的接通电阻，可以检测到雷击的发生并且将其与短路情况进行区分。
在上文描述的本发明的示例性实施例中，感测和驱动电路304在检测到故障时生成选通信号(参见图4和随附描述)以快速关断pd300中的固态装置306。存在故障自然地自行清除的情况。例如，掉落的树可能会暂时导致故障，但是当树完全掉落到地面时，故障可能会清除。在这些和其它类似情况下，对于pd300来说，能够快速自动地自行复位(即，切换回on)而不需要任何人为干涉是有利的。然而，为了确保在更长时间段内将固态装置306切换回on之前故障已经实际清除了，在本发明的一个实施例中，pd300的微控制器302被编程为执行“故障验证”方法。图15是示出了故障验证方法1500中的显著步骤的图。方法1500在感测和驱动电路304发送了选通禁用以关断固态装置306之后立即开始。具体地，一旦发送了选通禁用信号，在方法1500中的步骤1502中，微控制器302等待短暂的时间段δt(例如，δt＝100μs)。在δt到期了之后，在步骤1504中，微控制器302然后指示固态装置306切换回on。如果在决策1506处仍然存在故障，则感测和驱动电路304会无视微控制器的命令，并且将固态装置306切换(1508)回off。然后，电工或者线路工程师会警惕地执行步骤并且调查故障的原因。另一方面，如果故障已经自行清除了，则在步骤1510中，允许固态装置306保持接通并且系统恢复正常操作。
刚刚描述的故障验证方法1500也可以有利地适用于解决雷电浪涌。代替采用图14所描绘的修改的感测和驱动电路1400(其使得pd300中的固态装置306能够通过雷电浪涌持续进行操作)，图4所描绘的感测和驱动电路304用于当雷电浪涌发生时快速地关断固态装置306。雷电浪涌通常仅持续30至100微秒，所以通过将固态装置306切换回on，在100微秒后(与刚刚参照图15所描述的算法类似)，pd300能够在雷电浪涌过去之后快速自动地复位，并且恢复正常操作。
虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是它们是作为示例而非限制来呈现的。对于相关领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对示例性实施例进行形式和细节上的各种改变。因此，本发明的范围不应受示例性实施例的细节的限制，而是应由所附权利要求确定，包括这些权利要求所赋予的等同物的全部范围。