专利名称：电路断路器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于针对过流负载保护电路的电路断路器。
背景技术：
通常在网络中的不同位置处的电力分配网络中使用电路断路器，以监测在网络中流动的电流电平，并且如果流经电路断路器的电流电平超过某个阈值或限度则中断电流。
为了实现在网络的低压部分中的适当保护，通常使用热磁电路断路器。如果通过电路断路器的电流电平超过危险的电平，即当发生过载条件时，被插入到电路中的热磁电路断路器将自动地将电路断路以与网络的部分断开。在这种电路断路器中，这通常借助于基于所增加的电流电平的温度改变其机械尺寸的阻性热元件来实现。但是，热元件不能即时地响应于过载条件。相反，热元件改变其机械尺寸所需要的时间依赖于其热质量，而且在另一方面还依赖于过载电流量。热元件用于响应于具体过载条件所需要的时间相应地在不到一秒和大约一个小时之间变化。明显地，周围温度也具有对该响应时间的影响。针对由例如将过多的负载并行地连接到电路而导致的连续过载条件，热元件的非即时响应特性对于保护电路和整个网络是合适的，然而短电流尖峰将不会导致电路断路器的不期望的跳闸。当将如电视机或电马达的电负载接通时产生这种电流尖峰。
在另一方面，非即时响应特性使得带有传统热元件的电路断路器较不适于保护其关联的网络部分对抗由例如可能由短路条件导致的过电流的非常高的电平。在这种情况中，需要电路断路器的快速响应。
为了在这种极端过载条件中提供快速响应时间，所以在LV网络中使用的传统电路断路器还包括电磁元件，例如线圈，其将根据流经电路断路器的电流量来产生磁力。如果由磁元件所产生的力超过某个力的阈值，则磁元件将以几个毫秒的延迟将电路断路器跳闸以防止网络中的瞬时损坏。
除了这种传统类型的热磁电路断路器之外，其他传统类型的电路断路器只包括热元件，或只包括电磁元件，用于当已经发生过载条件时将电路断路。
这些和其他类型的传统电路断路器的每一个都具有所谓的额定电流。该参数描述了电路断路器的超过其就应该将电路断路的电流电平。在额定电流电平之上的电流电平构成了将最终导致电路断路器的跳闸的过载条件。由电路断路器的设计，例如热和/或电磁元件的尺寸、热量(thermal mass)、机械偏置等，来确定额定电流。现在，在市场上有用于各种不同的额定电流的各种电路断路器，它们被适应于由现存的各种类型的顾客、负载水平和网络负载限制引起的各种需要。但是，电装置的这些参数的一个或多个有时可能由于各种原因而变化。在电力分配网络中，可以出现更新由电路断路器保护的电路的保护程度和跳闸电流电平的需求。为了用传统电路断路器实现这个要求，就需要用具有适应于新情况的另一个额定电流的另一个电路断路器代替具有第一额定电流的现存电路断路器。这是费力、费时的，并且在大型电力分配网络中是非常不利的。在电路断路器正在进行操作期间是不能改变跳闸电流电平的。
提供和安装带有各种给定额定电流的各种不同电路断路器的需求导致对于网络维护和管理的费用有不利影响的不灵活性。所以非常需要在这个方面更高的灵活性。
发明内容
已经做出了本发明以解决与现有技术相关的这些和其他问题。根据本发明的实施方式的电路断路器包括开关，将其安装在要被保护来对抗电流过载的电路中。电路断路器还包括第一装置，用于响应于跳闸信号使得所述开关将电路断路。提供用于接收和存储可编程电流阈值命令的装置。电路断路器检测在电路中的电流电平，而且提供处理装置用于根据所述存储的电流阈值命令和所述检测的电流电平来产生所述的跳闸信号。
根据本发明的电路断路器的这种实施方式的优点是提供可编程的电路断路器的负载保护特性。以这种方式，获得适合于各种顾客、负载水平和网络负载限制的电路断路器，而不需要执行替换工作或保存大量可以获得的不同类型的电路断路器。
能够以不同的方式执行电路断路器的编程。最好，电路断路器包括输电线通讯装置，用于经由电路断路器保护的电路接收电流阈值命令。由电路断路器存储如此接收的电流阈值命令直到接收了另一个电流阈值命令为止。可以由用于管理包括多个顾客和关联的电路断路器的给定网络部分的中央设施来产生这种命令。最好将该中央设施进行适应从而可以将独立的电流阈值命令寻址到在网络部分中的独立电路断路器。这将允许网络操作者以高度灵活性和低管理费用来远程地管理连接到特定电路断路器的独立顾客。例如，通过由远程管理重新编程电路断路器可以快速地实施与最大可管理电流消耗相关的供应合同中的变化。
此外或替代地，还最好提供中央设施从而可以将电流阈值命令寻址到在网络部分中的一组或所有电流断路器。例如，响应于由中央设施管理的整个网络部分中的全局过载条件的发生，可以将合适的，例如较低的电流阈值编程到大量的电路断路器中以防止全局故障或中断，而不需要切断整个网络。例如在大量的顾客同时地以接近但低于可以用于顾客的正常电流阈值的电平从网络部分吸取电流的情况中，可能发生这种全局过载条件。类似地，在网络部分的轻负载条件下，最好将较高电流阈值编程到该部分的一组或所有电路断路器中，从而允许该部分的顾客的较高的独立电流消耗。
替代地或在提供用于经由电路断路器所连接到的电路上的输电线通讯而接收可编程的电流阈值命令的装置之外，最好能提供带有用户接口的电路断路器以例如通过键盘从操作者，或者通过如RS232、USB、蓝牙等适当的标准接口从程序员设备(例如适当的编程的个人计算机)接收可编程的电流阈值命令。如标志端口(plag port)设备的或根据IEC 61107/EN 61107/IEC62056-21的带有高等级电绝缘的接口是特别有利的。
最好，将用于接收可编程电流阈值命令的所述装置适应来存储多个电流阈值和由所接收的电流阈值命令所指定的关联的响应时间。最好，将所述处理装置适应来在由电路断路器保护的电路中的检测的电流电平已经连续地超过所存储的编程的电流阈值一由关联的编程的响应时间确定的持续时间时，产生所述跳闸信号。以这种方式，可以实现电路断路器的响应时间可以被编程而且依赖于在电路中流过的过电流电平。最好，将响应时间编程为随着关联的电流阈值升高而下降，从而更严重的过载条件的响应时间将短于较不严重的过载条件的响应时间。作为在电流阈值命令中指定可编程的电流阈值和/或关联的响应时间的替代，最好还能提供用于存储定义不同电流电平的关联的响应时间的多个预定函数关系的装置，并且提供用于根据所接收和存储的可编程电流阈值命令来从这些预定关系中选择一个的处理装置。
作为进一步的替代，还可以将所述电流阈值命令用于仅仅指定响应时间直到所述处理装置用导致所述开关将电路断路的所述跳闸信号的产生来响应于一个或多个预定的存储的电流阈值为止。
最好，电路断路器还包括用于接收作为电路断开命令和电路闭合命令的开关命令的装置，以及用于操作所述开关根据所接收的开关命令来断开和闭合电路的装置。这种开关命令可以经由输电线通讯传输并且允许来自中央管理和控制设施的独立顾客或顾客群的电路断路器的远程控制。
最好，电路断路器还包括用于当流在电路中的电流超过预定额定电流时使得开关将电路断路的第二装置。根据本实施方式，将在流经电路断路器的电流超过预定额定电流长于给定的持续时间时使得开关将电路断路。在电路断路器的正常条件下，开关将对处理装置根据可以从外部被编程到电路断路器中的可变电流阈值而产生的跳闸信号进行响应而跳闸。第二装置最好提供与电路断路器用于将电路断路的额定电流之上的电流电平关联的上响应限制，从而考虑在电路断路器中发生错误和在被编程的阈值之上的负载条件下跳闸不工作的概率。最好，使开关断开电路的第二装置以及开关形成整体单元。而且最方便地将所述第一装置也合并到该整体单元中。
最好，将根据本发明的电路断路器合并到用于测量顾客的电能消耗的电能计或能量计中。最好，电路断路器包括如控制杆或按钮的装置，用于使操作者人工地断路或闭合电路。
将在从属权利要求中定义本发明的其他优选实施方式。
随后，将参照附图来描述本发明的具体实施方式
。在附图中，已经用相同的附图标记表示了类似或对应的元件。
图1示出了包括多个电路断路器的电力分配网络的概括图；图2示出了根据本发明的电路断路器的第一实施方式的框图；图3a、b示出了说明了根据本发明的电路断路器的实施方式的操作的t-I图；图4示出了包括中央控制设施的电力分配网络的实施方式；图5示出了根据本发明的电路断路器的第二实施方式；
图6示出了根据本发明的电路断路器的第三实施方式；图7示出了用于使得开关响应于跳闸信号而切断电路的元件13的优选实施方式；图8示出了说明电路断路器的处理装置的实施方式的操作的流程图；图9示出了在图7中所示的流程图的扩展；图10示出了处理装置的硬件实现的第一实施方式；和图11示出了处理装置的硬件实现的第二实施方式。
具体实施例方式
图1示出了用于将由发电厂(未示出)产生的电能分配到多个顾客(H1、H2....、Hn)的典型电力分配网络。借助所谓的高压网络HV将电在大的地理区域上分配，高压网络HV将供给高压网络HV的一个或多个发电厂与多个所谓的一次变电所Tp进行连接。一次变电所Tp将在HV网络上承载的高电压(例如，在欧洲380kV)变换为例如20kV的中间电压，用于能量的区域分配。中间电压分配网络MV将一个或多个一次变电所Tp与一个或多个二次变电所Ts连接，二次变电所Ts将在MV网络上承载的中间电压转变为在低电压网络LV上承载的低电压以分配到大量的顾客H1、H2、....、Hn。在欧洲，根据国家规定，典型的低电压电平是220到240伏特。三种电力分配子网络，即HV网络、MV网络和LV网络，需要在各种位置的电路断路器，以使得网络能够对故障条件，如可能导致网络损坏的短路或临时过载条件，做出适当的反应。参考标记1表示位于顾客Hn的顾客领地/房屋处的电路断路器。
参考标记2表示将顾客Hn与LV网络连接的电源线。F表示为了安全原因提供在线2中的保险丝，以防止过电流I对LV网络造成的破坏。参考标记3表示在顾客领地/房屋Hn处的电源线，例如在房屋内安装的电源线。通过电路断路器1将电源线3与电源线2连接。因此电源线3通过开关适当地依次供给多个电负载L1、L2、....、Lk。L表示安装在电路断路器1处可以由操作者从外部进行操作的控制杆，用于人工地连接或断开电源线3和电源线2。可以在其他顾客H1、H2、...、等处发现与已经详细示出的顾客Hn的结构类似的结构。
图2示出了根据本发明的电路断路器的第一实施方式。在图2的框图中，参考标记1表示连接在图1所示的电源线2和电源线3之间的电路断路器。横跨在电源线2和3以及电路断路器中的其他线上的符号n指示虽然为了简化的目的在图中仅仅示出了单相结构，但是在原理上多相设计与在此图中和本发明的其他附图示出的单相设计并无不同，并且本描述可以应用于单相供电系统(n＝1)以及多相供电系统，例如n＝3。在图2中的参考标记11表示与第一装置12串行连接的开关，第一装置12用于以热磁方式检测流经电源线3的电流I的电平。这种热磁电流检测器装置12是在现有技术中已知的，因此不必进行对热磁电流检测器12的详细描述。如在图2中的虚线所示，将热磁电流检测器装置12与开关11机械性地耦合，以在流到由电源线3其电连接的负载建立的电路(简单的说就是电路3)的电流超过预定的额定电流的情况下，使得开关11切断电路3。可以由热磁电流检测器12的设计来确定该预定的额定电流。该元件12通常包括(例如)没有在图2中示出的、会根据电流负载I改变其温度的阻性元件。传统地，可以使用双金属(bi-metal)结构来将温度的变化转化为机械移动，其随后导致开关11跳闸并且将电路3断路。电流检测器12还包括与开关11机械性耦合的电磁电流检测装置，如图2中虚线所示。例如可以借助与开关11串连的线圈来实现这些电磁电流检测装置，从而根据流到电路3中的电流I的电平由该线圈产生电磁力。如果由电流检测器12产生的该电磁力超过由电流检测器12和/或开关11的设计所确定的预定的力阈值，这将导致开关11将电路3断路。L表示可以被外部操作以使能用户人工地将开关11跳闸的控制杆L。开关11、热磁电流检测器12以及元件11和12之间的电和机械耦合的各种设计都是在现有技术中已知的，并且适合于本发明。
参考标记15表示第二装置，用于检测流到电路3中的电流I的电平。在图2中，示出用于检测电流电平I的装置15与开关11和热磁电流检测装置12串行连接。R表示与电路3串行连接的阻性元件。参考标记151表示放大器装置，用于检测在阻性元件R上出现的、与电流电平I成比例的电压降，并且输出对应的电流电平检测信号CL。在这个阶段，重要的是应该注意存在有各种已知的电流检测电路和技术，并且不应该将在图2中描述的特定实施方式理解为将电流检测装置15限制为所示实施方式。作为分流电阻器R的替代，还可以采用电流变压器，例如借助与在电流检测器12中的线圈磁性耦合的额外绕组来实现的电流变压器，所述电流检测器12在过电流电平I的情况下产生磁力以使开关11跳闸。该额外绕组与所述线圈一同构成变压器以实现电流检测器15。实现电流检测器15的其他可能性还包括霍尔(Hall)效应器件、磁致电阻器和罗格斯基(Rogosky)线圈，它们都是适合于电流检测装置的设计的已知技术。
参考标记13表示一种装置，用于响应于跳闸信号14而使得开关11将电路3断路。装置13最好包括电磁线圈，用于根据跳闸信号14将由软铁制成的可移动构件磁化。一旦磁化，就会将磁力施加于元件13中的软铁构件上。该构件机械性地与开关11耦合，如图2中的虚线所示，从而响应于跳闸信号14，元件13将使得开关11切断电路3。能够以不同的方法来实现元件13以达到所需要的功能，从而响应于跳闸信号14来使开关11跳闸。元件13的另外的实施方式利用众所公知的磁致伸缩效应，并且包括磁致伸缩材料制成的构件，其服从在接收跳闸信号14的元件13中的线圈所产生的磁场，从而响应于该跳闸信号14，磁致伸缩元件将改变其机械尺寸。该元件机械性地耦合于开关11，从而开关11将响应于施加到元件13的跳闸信号14进行跳闸。
参考标记17表示用于接收可编程的电流阈值命令CC的装置。该电流阈值命令是外部命令，其不是由电路断路器1自主产生的命令。该电流阈值命令CC由在装置17中的适当的通讯接口IF接收并且随后被传送到其中可以存储所接收的电流阈值命令的存储器MEM。通讯接口IF可以是输电线通讯接口，其用于通过电源线2和与电源线2连接的LV网络来接收电流阈值命令CC。还可以将通讯接口IF设计来通过标准通讯接口来接收电流阈值命令CC，如RS232或USB或基于有线的某种专用线路或用于同手持编程设备或个人计算机(PC)进行通讯的蓝牙或红外接口。可替代地或此外，通讯接口IF可以包括用于通过人工用户输入接收电流阈值命令CC的小键盘，所述电流阈值命令CC最好以加密形式或经历成功的用户验证，从而防止对用于接收可编程的电流阈值命令的装置17的非授权或非法访问。
参考标记16表示处理装置，其从电流检测装置15接收关于检测的电流电平的信息CL，并且该处理装置还接收关于在电流阈值命令接收和存储装置17的存储器MEM中存储的电流阈值命令的信息。处理装置16输出跳闸信号14作为处理操作的结果，其依赖于存储在存储器MEM中的电流阈值命令和电流电平信息CL的输入，并且最好还依赖于检测的电流电平CL的时间特征，如将在下面进一步详细说明的。可以在硬件中或者借助于适当地编程微处理器来实现处理装置16。处理装置16还包括驱动器电路以驱动元件13，将在下面示出具体实施方式
。如果采用微控制器来实现处理装置16，该微控制器至少还可以接管电流阈值命令接收和存储装置17的一些功能。在市场上可以获得嵌入的微控制器解决方案，包括可以被用来实现元件17的命令接收接口IF的芯片级接口(on chip interface)。
为了以示例的方法更详细地解释由处理装置16执行的操作，下面将参照图3a中示出的图。
图3a示出了t-I图以图示电路断路器对作为流经电路断路器的电流电平的各种负载条件的反应。该图的水平轴指示电流I的电平，而该图的垂直轴指示对于给定电流电平I的电路断路器的响应时间t。
在图3a中，参考标记31表示代表在IR和I2之间的电流间隔中的电流电平与关联的响应时间之间的功能关系的曲线的第一部分。参考标记32表示在I2之上的电流电平的曲线的第二部分。曲线31、32描述了热磁电流检测器12的动作，IR表示电流检测器12的额定电流。在I3、I4、I5之间的电流间隔的曲线部分331到333分别地在一方面，而I1在另一方面，以及在I1和I2之间的电流的曲线部分334，描述了电流检测器15、处理装置16和触发装置13的动作。在下面，将参照图3a中所示的这些曲线来解释图2中所示的电路断路器的操作。
在本实施方式中，电路断路器在命令接收和存储装置17中的存储器MEM中存储电流阈值命令CC，其标识分别与各个电流阈值I3、I4、I5关联的曲线331、332和333之一。这种电流阈值命令是之前通过电路断路器的命令接口IF从外部接收的。为了解释电路断路器的操作，首先假设操作条件，即通过电路断路器的负载电流I处于编程的电流阈值之下，即图3a中的I4，当前存储在存储器MEM中。在这种情况中，处理装置16将施加由存储的电流阈值命令I4定义的特征曲线332。由于电流负载在电流阈值I4之下，所以处理装置16将不产生跳闸信号，并且开关11将保持闭合从而电流I将继续流动。假设现在因为电流I大于编程的电流阈值I4而产生过载条件的发生，处理装置将根据编程的电流阈值I4借助于测量这种过载条件连续地存在的时间来处理从电流检测器15报告来的检测的电流电平。如果过载条件的持续时间达到与检测的电流电平I关联的响应时间，如曲线332所示，处理装置将产生会使得开关11切断电路的跳闸信号14，从而终止在电路3中的电流流动。在图3a中所示的例子中，在I4和I1之间的间隔中的过载条件会产生对于大约200秒(对于在编程的阈值I4之上的电流电平)和大约100秒(如果电流电平接近I1)之间的响应时间。换句话说，将处理装置16适应来以响应时间也依赖于过载量的方式响应于检测的过载条件来产生跳闸信号。在图3a的示例图中，所有三条曲线331、332和333在电流电平I1处并入曲线334。如果图1中的电流检测器15检测在阈值I1之上的过载条件，一旦在阈值I1之上的过载条件已经存在多于1秒的时间的时候，则处理装置16就产生跳闸信号14，如曲线部分334所示。可以预先定义与各种电流电平关联的响应时间t，或者可以借助电流阈值命令CC可编程地提供它们。
曲线部分31表示在图2中所示的热磁电流检测器12中的热元件的功能。从图3a中，可以明显看出由于如刚刚描述的与电流检测器15和跳闸装置13协同的处理装置16的操作，热磁电流检测器12应该没有机会使得开关11将电路断路，因为对于给定过载条件，处理装置16将产生带有响应时间短于由热磁电流检测器12的曲线部分31描述的热响应时间的跳闸信号14。在图3a中所示的实施方式中，仅仅对于接近热磁电流检测器12的磁力阈值I2的极端高的过载条件，热磁电流检测器12的响应时间并且具体是该电流检测器12的电磁元件的响应时间，将短于处理装置16的响应时间。因此，热磁电流检测器12提供了备份功能以确保即使在图2中的任何元件13到17中发生故障的情况下，电路断路器会用电路3的中断来响应于过载条件。
在图3a所示的具体例子中，可以预先确定电流阈值I1以提供固定的上限电流。其可以与热磁电流检测器12的额定电流IR吻合，因为在这个例子中，在电流电平IR之上的任何负载条件将借助于热磁电流检测器12而使得开关11将电路3断路，除非处理装置16导致开关11的更早跳闸。重要的是应该注意不应以任何方式将这个具体的例子理解为对本发明的限制。当然，在不偏离本发明的原理的情况下，可以将图3中所示的电流阈值I1到I5根据特定的设计而适应于各种不同的需要。但是，最好将电路断路器进行编程，从而编程的t-I曲线保持在热磁电流检测器12的曲线部分31、32之下。
虽然图3a的实施方式仅仅提供了单个可编程的电流阈值，但是还可以有利地将处理装置16进行适应，从而电流阈值命令CC识别要由处理装置16在处理关于检测的电流电平CL的信息中施加的4个t-I曲线。能够以表的形式或以特征在于参数化形式的一组曲线的数学等式的形式，在处理装置16或在电流阈值命令接收和存储装置17中定义可以被获得以用于选择的多条曲线。
图3b示出了由处理装置16采用的t-I曲线的另一个例子。在该实施方式中，不仅将电流阈值I1、I3、I4、I5提供为可编程的，而且与相邻阈值之间的电流间隔关联的响应时间t1、t3、t4、t5也是可编程的，如图3所示。在这种实施方式中，电流阈值命令CC包含至少一个电流阈值Ij和至少一个关联的响应时间tj。虽然将所有电流阈值I1、I3、I4、I5都示为小于IR，但是这不是必须的。可以将IR之上的电流阈值用在图3b中的曲线31、32之下的关联响应时间进行编程。
图4示出了电力分配网络的实施方式，该网络包括用于产生电流阈值命令CC的中央控制设施。在图4中，用相同的参考标记表示与图1中所示元件类似的元件。对于这些元件，请参考图1的描述以避免重复。
在图4中，S表示用于将在中间电压网络MV上承载的电压转变为在低电压网络LV上承载的低电压的二次变电所。为此，二次变电所S包括如上所述的变压器Ts。CBT表示与二次变电所S关联的通讯装置。通讯装置CBT可以产生电流阈值命令，该命令被寻址到位于与由二次变电所S供电的LV网络部分连接的顾客领地/房屋H1、H2、...、Hn处的单独几个或特定几组电路断路器1。参考标记24表示耦合装置，例如，耦合电容器，用于将由通讯装置CBT产生的电流阈值命令CC耦合到LV网络的电源线2。因此，在图4所示的实施方式中，由二次变电所S供给的LV网络部分不仅用于将电力分配给顾客H1、H2、...、Hn，而且还用于通信介质以将电流阈值命令CC传送到独立的电路断路器1。在这种实施方式中，通讯装置CBT包括用于检测网络部分的当前负载条件的装置。通讯装置CBT包括适当的处理设施以处理检测的负载条件，也就是正在由二次变电所S供给到其LV网络部分的电力，从而产生适当的电流阈值命令给在该LV网络部分的顾客领地/房屋H1、H2、...、Hn处的选择的几个或所有的电路断路器1。如果总体负载条件接近例如二次变电所S的电流限制或电力限制，则将通讯装置CBT进行编程以产生电流阈值命令，并且将它们经由LV网络部分广播到该网络部分的顾客H1、H2、...、Hn。在顾客领地/房屋处的电路断路器1接收广播电流阈值命令并且将其存储在它们的存储器MEM中。以这种方式，作为对于在二次变电所S的整个LV网络部分中的临界负载情况的反应，所有电路断路器1都减低它们的电流阈值，从而仅仅将正在吸取大量电流的顾客从LV网络部分断开。以这种方式，可以避免整个LV网络部分的完全切断。如果受影响的顾客从电源线3切断某些负载L1、L2、....、LK，他将可以通过电路断路器1的控制杆L的操作来重新连接到LV网络。因此，在图4的实施方式中，通讯装置CBT能够适应性地根据当前的总体过载条件来控制每个顾客可以从网络中吸取的最大电力，从而防止将需要断开整个LV网络部分的严重过载条件的发生。在轻负载条件下，CBT将产生适当的广播电流阈值命令，从而增加被编程到位于不同顾客领地/房屋H1、H2、...、Hn处的电路断路器1中的电流阈值。
在不同类型的顾客之间进行区分是特别有利的。有这样几类顾客，例如，医院，需要在任何情况下都对其进行供电。对于其他类型的顾客，例如普通家庭顾客，可以假定电流阈值的临时降低将会产生较轻的影响。因此，从通讯装置CBT将顾客类型指示与可编程的电流阈值命令CC一起提供，并且根据顾客的类型将对应预定义的类型指示存储在每个电路断路器中会是有利的。这种顾客类型指示允许下面的情况，即为了防止在严重负载条件下的完全中断，CBT首先降低其较少依赖于保证的预定电力电平的这种类型的顾客的电流阈值，并且在需要进行电流阈值降低以防止完全中断的条件中，逐渐将电流阈值的降低扩大到其他类型的用户。
重要的是注意虽然已经示出和描述了对于连接到由二次变电所S供电的LV网络部分的顾客的这种概念，但是还可以将相同的概念应用于在网络等级中更高的其他网络部分。例如，通过位于一次变电所Tp处的通讯装置，可以将如上所述的可编程电路断路器提供给MV网络的保护部分，所述通讯装置监测当前负载条件并且产生适当的电流阈值命令给MV网络中的电路断路器和/或位于由相关MV网络部分供电的用户领地/房屋处的电路断路器。
在图4中的参考标记23表示用于通过公共无线远程通讯网络20将通讯装置CBT与中央管理和控制设施21进行连接的装置。可以提供中央管理和控制设施21从而使用与二次变电所S关联的通讯装置CBT作为中间通讯节点，以等级的方式来管理较大部分的网络。可以使用设施21来管理(例如)关于单独顾客Hi所预定的最大功率的供电合同，并且根据与单独顾客Hi达成的合同规定将对应的电流阈值和/或响应时间编程到顾客Hi的电路断路器1中，而不用让服务人员到访顾客的领地/房屋。
图5示出了在图4示出的电力分配网络中的电路断路器1的实施方式。在图5的电路断路器1中，用相同的参考标记来表示与图2中所示出的元件类似的元件，从而对于这些元件可以参考图1的描述。
在图5的实施方式中，将电流阈值命令接收和存储装置17适应来从将顾客Hn连接到LV网络的输电线2经由输电线通讯而接收电流阈值命令CC。参考标记171表示电容耦合装置，用于提取由图4中的通讯装置CBT产生的、来自输电线2的输电线通讯信号。如上所述，这些承载电流阈值命令CC的输电线通讯信号由命令接口IF接收并且被存储在电流阈值命令存储器MEM中。在市场上可以获得大量不同的现成产品和解决方案来实现输电线通讯系统。可以采用任何这些输电线通讯解决方案以将电流阈值命令CC传送到电路断路器1，因此在此处可省略对输电线通讯技术的详细说明。
图6示出了根据本发明的电路断路器1的第三实施方式。这个实施方式与图5的实施方式的不同之处在于提供了电力测量装置18，用于测量和计数由顾客通过输电线2从电力分配网络吸取的电力。在图6所述的实施方式中，电力测量装置18从电流检测器15接收电流电平检测信号CL。电力测量装置18根据所检测的电流电平CL和所检测的供电电压U来计算电力并且至少累加从供电网络吸取的有功(active)电力。将累加的电力量显示在显示器19上。图6的实施方式的电路断路器1的所有其他组件与图5的第二实施方式中所示的组件对应。所以，请参照已经在上面给出的描述。
图7示出了装置13的优选实施方式，其用于使得开关响应于跳闸信号而切断电路。该实施方式适于在此描述的任何电路断路器实施方式。在图7中，用相同的参考标记来表示与之前图中所示的元件类似或相同的元件。对于这些元件，请参考上面的说明。在图7的实施方式中，装置13包括电磁线圈131，其被连接来从处理装置16接收跳闸信号14。线圈131将机械地耦合到开关11的接触件111的可移动元件132磁化。而且，可移动元件132还与控制杆L耦合用于人工地操作开关11。参考标记133表示与可移动元件132机械地耦合的辅助开关。辅助开关133与线圈131串连，从而通过跳闸信号14的线圈131的激励依赖于辅助开关133的状态。参考标记θ11表示断开开关11的接触所需要的可移动元件132的位移量，例如角度。类似地，θ133表示断开辅助开关133所需要的可移动元件132的位移量，例如角度。根据图7所示的实施方式，可以将开关11和辅助开关133这样构造，使得断开辅助开关133所需要的位移量θ133大于断开开关11所需要的位移量θ11。当处理装置16产生跳闸信号14时，这将激励线圈131直到可移动元件132的位移量足够大到断开辅助开关133为止。然后这个位移量将确保足够大到能够可靠地断开开关11的接触件111。同时，还可以实现通过线圈131的电流既不高于也不小于需要的电流，并且也不比用于可靠地断开开关11所需的时间流动更长的时间。用于处理装置16产生跳闸信号14的持续时间并不重要。
根据本实施方式的有利改进，根据线圈131是否被激励来决定是否将控制杆L和开关11机械地耦合在一起。如果激励线圈131，则从开关11将控制杆11分离。为此，可以提供电磁耦合元件(未示出)用于选择性地将控制杆L和开关接触件111耦合或者分离。电磁耦合元件可以具有可移动钩、凸轮、挺杆或能够被例如弹簧偏移以将控制杆L机械地与开关11的接触件111耦合的任何其他结合元件。电磁耦合元件具有装置，用于当将线圈131被激励时电磁地退回结合装置以将控制杆L从开关接触件111分离。当处理装置16输出连续的跳闸信号时，例如响应于(已经导致开关11断开电路3的)外部电路中断命令并且用户然后还试图将控制杆L移动到开关11的闭合位置以重新建立电路3，这将使得辅助开关133在开关11能够闭合之前闭合，由于因为断开辅助开关133所需要的位移量大于断开开关11所需要的位移量的这种情况，开关133将早于开关11而闭合。因此这将激励线圈131并且在开关接触件111能够闭合电路之前将控制杆L从开关接触件111分离。而且激励的线圈还在控制杆L上产生能够被用户察觉的力，从而使得控制杆返回断开位置。在另一方面，如果不再存在来自处理装置16的跳闸信号，则可以将控制杆移动回闭合位置。
电磁耦合元件(未示出)可以包括与线圈131串行电连接的其自身的驱动器(例如，线圈)，或者可以将电磁耦合元件连接到被线圈131激励的磁路，从而只要线圈131将可移动元件132磁化，则将磁力也施加到结合装置从而退回与开关接触件111的结合。
图8示出了处理装置的实施方式的操作的流程图。在这个实施方式中，处理装置包括微处理器和关联的程序和数据存储器，以及输出/输出端口装置。在市场上能够以例如嵌入的微控制器解决方案的形式获得这种硬件结构，其中将微处理器以及如存储器和I/O端口的所需要的外围器件集成在单个芯片上。对于本领域普通的技术人员很明显，图8中所示的实施方式仅仅是在电路断路器1的任何之前描述的实施方式中处理装置16的大量不同的可能实施方式之中的一个。在这个实施方式中，将在处理装置16中的微处理器进行编程从而执行图8中所示的操作流程。该操作流程实现下面的处理检测电流电平CL并且根据保存在存储器MEM中的存储的编程的电流阈值命令(其指示编程的电流阈值Ij和关联的响应时间Tj)来产生跳闸信号14。当所检测的电流电平CL在电流阈值Ij之上时，图8的流程实施过载条件的持续时间的可重新触发测量，其中不稳定的过载条件将不导致跳闸命令14的产生，如下所述。
图8中的S1表示将递增指数i初始化为具有值1的操作。将使用该递增的指数来识别编程的响应时间Tj的K个子间隔Ti之一。图8中的操作的流程查询K个子间隔Ti的每个是否过载条件存在。当且仅当对于K个连续的子间隔Ti都出现过载条件，才产生跳闸信号14以切断电路3。
在图8的操作S2中，加载具有值Ti的定时器。操作S3的作用是检查在操作S2中所设置的定时器到时与(分支Y)否(分支N)。在子间隔Ti到时之后，流程行进到操作S4，其中检查电流电平CL是否大于编程的电流阈值Ij。在否定的情况中(分支N)，流程返回到操作S1以重新初始化增量指数i。如果肯定(操作S4的分支Y)，流程继续移动到操作S5以增加指数i。然后，在操作S6检查增量指数是否超过值K，其中K满足K乘以Ti等于编程的响应时间Tj的条件。如果否定，则对于长于编程的响应时间Tj，过载条件还没有存在并且流程返回到操作S2。如果肯定(分支Y)，则流程行进到操作S7以产生跳闸命令，即处理装置16的跳闸信号14。
可以开始图8中所示的操作流程，作为只要电流检测器15指示已经超过了编程的电流阈值Ij就将执行的中断例程。或者，在例如由定时器中断触发的规则时间间隔处可重复地执行图8的流程，或者将操作S1到S7的流程实现为由被实施用于在微控制器上执行的其他软件例程以轮询方式重复地调用的子例程。如果电流阈值命令指示多个编程的电流阈值Ij和关联的响应时间Tj，例如图3b中所示，将对于电流阈值Ij和关联的响应时间Tj的每个可编程对执行图8中的操作流程。
图9示出了有利的扩充，其在已经产生跳闸信号的时候提供安全检查，以确定所检测的电流电平CL实际上达到零。在操作S8，检查是否存在有效的跳闸信号。只要跳闸信号存在(在操作S8中的分支Y)，就检查电流电平CL是否已经达到零。在否定的情况中(在操作S9中的分支N)，流程行进到操作S10以设置警告条件，这是因为尽管为开关11产生了跳闸命令但是电流电平的检测还是大于零。这种警告条件可以是在电路断路器1处的音频和/或者视觉指示。更好的情况是，电路断路器1包括装置，用于报告这种警告条件给通讯装置CBT和/或将随后采取适当行动的中央管理和控制设施21。
图10示出了在图2、5和6的任何一个中的处理装置16和电流检测器15的另外的实施方式。在图10的实施方式中，参考标记152表示用于转换流经输电线2的电流的电流转换器。153表示变换器，用于执行由电流转换器152检测的电流的均方根变换并且产生电流电平检测信号CL。163表示包括用于平均和延迟电流电平检测信号CL的RC元件的滤波和平均电路。164表示一种电路，用于例如借助于使用如在现有技术中公知的、将数字电流阈值转换为电位计的抽头位置的数字电位计而将可编程的电流阈值变换为参考电压Vref。165表示比较器电路，其将滤波和平均电路163的输出信号与编程的参考电压Vref进行比较。166表示驱动器电路，例如在其栅极接收来自比较器电路165的输出信号的MOSFET晶体管或双极晶体管。一旦电路163的输出信号超过编程的参考电压Vref，则比较器电路165产生栅极信号，从而晶体管166变为导通使得跳闸电流流过装置13，这将随后导致开关11断开电路。在这个实施方式中，元件163、164、165使用硬件元件来实现处理装置16。
图11示出了电流检测器15和处理装置16的另一个实施方式。用相同的参考标记来表示与图10中所示的元件类似的元件。对于这些元件，请参照图10的描述。在图11中，1631表示电压频率转换器，用于将电流电平检测信号CL转换为对应的频率。1632表示分频器，其将由电压频率转换器1631提供的频率以由存储在电路断路器1的存储器MEM中的编程的电流阈值确定的因数进行分频。分频器输出分频的信号ck用于为计数器1651提供时钟(clocking)。1642表示一种电路，用于将与编程的电流阈值关联的编程的时间间隔从在存储器MEM中的存储的数字表示转换为用于控制振荡器1641的频率的信号。振荡器1641用根据编程的时间间隔Tj的频率来输出复位信号到计数器1651。如果发生分频器CK的输出信号比复位信号的频率高出给定因数的频率，则计数器1651将输出过流信号到驱动器晶体管166以产生跳闸信号。
因此，图11中所示的实施方式以硬件实现了处理装置16，从而处理装置16能够根据指示电流阈值Ij和关联的响应时间间隔Tj的存储的可编程电流阈值命令，并且根据流到电路3中的检测电流电平来产生跳闸信号14。
至此所描述的实施方式包括开关11，其能够由第一装置13并且还可以由作为备份而有利地提供的第二装置12来进行跳闸。开关11可以是带有用于断开或闭合电路的可移动接触件111的机械开关。或者，开关11可以包括串连的机械开关和固态开关，例如三端双向可控硅开关(triac)。将机械开关与第二装置12机械地耦合，并且固态开关根据来自处理装置16的跳闸信号14从第一装置13接收控制信号。
在上述实施方式中，通过检测流经电路断路器的电流，并且通过根据一个或多个可编程的电流阈值和有关响应时间间隔而控制断路器开关，来实现断路器的特性。可以提供断路器的热磁特性作为安全余量，同时可以将实际操作阈值编程到电路断路器中。这允许使得触发阈值依赖于例如在电力分配网络中的当前负载、一天中的时间、或者如顾客的类型(例如医院相对于私人顾客)和在电力分配网络中的当前负载情况的更加复杂的参数。因此可编程电路断路器允许对于供给合同中的变化和/或例如当接近网络能够承受的最大负载时的紧急情况中的有效应对措施进行远端适应。
虽然根据在电路3中流动的电流的检测已经在上面描述了某些实施方式，但是本领域的普通技术人员应该理解在除了在电路3中流动的电流的检测/或者在电路3中流动的电流的检测之外的情况中，只要检测送到电路3中的有功和/或无功功率就能够基本上实现相同的效果。类似地，上述的可编程电流阈值可以限定电流阈值或功率阈值或包括电流和功率的适当的复杂组合。只要上述描述表示电流电平的检测或者电流阈值的编程，就应该将术语电流以更通用的方式进行理解。不应该将在权利要求中的参考标记理解为对它们范围的限制。
权利要求
1.一种用于保护电路(3)免于过电流负载的电路断路器(1)，包括-开关(11)，将其安装在所述电路(3)中；-第一装置(13)，用于响应于跳闸信号(14)使得所述开关(11)将所述电路(3)断路；-装置(17)，用于接收(IF)和存储(MEM)可编程电流阈值命令(CC)；-装置(15)，用于检测在所述电路(3)中的电流电平(CL)；和-处理装置(16)，用于根据所述存储的可编程电流阈值命令(CC)和所述检测的电流电平(CL)来产生所述的跳闸信号(14)。
2.根据权利要求1所述的电路断路器(1)，其中用于检测所述电路中的电流电平的所述装置(15)包括-装置(R)，用于将在所述电路中流动的电流转换为电压；和-装置(151)，用于检测所述电压并且输出对应的电流电平检测信号(CL)。
3.根据权利要求2所述的电路断路器(1)，其中用于将电流转换为电压的所述装置(15)包括分路阻抗(R)或者磁性地耦合的线圈结构以构成变压器或者霍尔效应器件或者磁致电阻器或者罗格斯基线圈，即Rogosky线圈。
4.根据前面权利要求中任何一项的电路断路器(1)，其中将所述处理装置(16)适应来在所述检测的电流电平(CL)已经连续超过所述编程的电流阈值(I3、I4、I5)一特定的持续时间Tj之后产生所述跳闸信号(14)。
5.根据权利要求4所述的电路断路器(1)，其中可以根据在所述电路(3)的检测的电流电平(CL)将所述特定持续时间进行编程。
6.根据权利要求4或5所述的电路断路器，包括用于接收和存储指定所述持续时间Tj的命令的装置(17)。
7.根据权利要求5或6所述的电路断路器(1)，包括-装置，用于存储比所述编程的电流阈值(I3、I4、I5)高的第二电流阈值(I1)；-如果所述检测的电流电平(CL)高于所述编程的电流阈值(I3、I4、I5)并且低于所述第二电流阈值(I1)，则将所述特定的持续时间预定或编程为第一持续时间，如果所述检测的电流电平(CL)高于所述第二电流阈值(I1)，则将所述特定的持续时间预定或编程为短于所述第一持续时间的第二持续时间。
8.根据权利要求7所述的电路断路器(1)，包括-装置，用于接收第二电流阈值命令；-将所述第二电流阈值存储装置适应来根据所述接收的第二电流阈值命令来存储所述第二电流阈值。
9.根据权利要求7或8所述的电路断路器(1)，其中-所述编程的电流阈值(I3、I4、I5)低于所述额定的电流电平(I1)；并且-所述第二电流阈值(I1)低于与所述力阈值对应的电流电平(I2)。
10.根据权利要求4所述的电路断路器(1)，其中将所述处理装置(16)适应来-提供每个都为多个电流电平(I)指定对应关联的持续时间(t)的多个函数关系(331、332、333)；并且-根据所述电流阈值命令(CC)来选择所述函数关系(331、332、333)之一。
11.根据权利要求10所述的电路断路器(1)，其中以表的形式或者以用于计算所述函数关系的软件例程的形式将所述函数关系存储在所述处理装置(16)中。
12.根据前面权利要求中任何一项的电路断路器(1)，包括用于接收电路闭合命令的装置(17)；和用于操作所述开关(11)以响应于所述电路闭合命令来闭合电路的装置(13)。
13.根据前面权利要求中任何一项的电路断路器(1)，包括用于接收电路中断命令的装置(17)；和用于操作所述开关(11)以响应于所述电路中断命令来断开所述电路(3)的装置(13)。
14.根据前面权利要求中任何一项的电路断路器(1)，包括经由通过所述开关(11)供给所述电路(3)的公共输电线(LV，2)来接收所述命令的输电线通讯装置(171，IF)。
15.根据前面权利要求中任何一项的电路断路器，包括-第二装置(12)，用于在所述电路中流动的电流超过预定的额定电流(IR)长于特定的持续时间(31、32)的情况下使得所述开关(11)断开所述电路(3)。
16.根据权利要求15所述的电路断路器(1)，所述第二装置(12)包括-热电流电平检测元件；和-在所述热电流电平检测元件超过温度阈值的情况下使得所述开关(11)断开所述电路(3)的装置。
17.根据权利要求15或16的任何一个所述的电路断路器(1)，所述第二装置(12)包括-包括线圈的电磁电流电平检测装置；和-在由所述线圈产生的磁力超过阈值的情况下使得所述开关(11)断开所述电路(3)的装置。
18.根据权利要求15所述的电路断路器(1)，所述第二装置(12)包括-热电流电平检测装置，用于以热的方式检测在所述电路中流动的电流量(I)；-在所述热电流电平检测装置超过确定所述电路断路器(1)的额定电流(I1)的温度阈值的情况下使得所述开关断开所述电路(3)的装置；-电磁电流电平检测装置，其包括用于根据在所述电路(3)中流动的电流量(I)来产生磁力的线圈；和-用于在由所述线圈所产生的所述磁力超过力阈值(I2)的情况下使得所述开关装置断开所述电路的装置；-将所述电磁电流检测装置和所述热电流电平检测装置制成这样的尺寸，从而与所述力阈值对应的电流电平(I2)高于所述额定电流电平(I1)。
19.根据权利要求15到18之一所述的电路断路器(1)，其中-所述开关(11)包括与固态中断元件串连的机械中断元件；-将在所述电路(3)中流动的电流(I)超过预定的额定电流(I1)的情况下使得所述开关断开所述电路的所述第二装置(12)进行安排以将所述机械中断元件跳闸；和-将响应于跳闸信号(14)而使得所述开关断开所述电路的所述第一装置(13)进行安排以将所述固态中断元件跳闸。
20.根据权利要求15到19任何一项所述的电路断路器，将所述第一装置(13)、所述第二装置(12)和所述开关(11)集成到单个单元中。
21.根据前面权利要求中任何一项的电路断路器，其中-所述第一装置(13)包括用于电磁地驱动可移动元件(132)的线圈(131)和与所述线圈(131)串连的辅助开关(133)；-将所述开关(11)和所述辅助开关(133)与所述可移动元件(132)机械地耦合从而进行驱动；-用于断开所述辅助开关(133)所需的位移量(θ133)大于用于断开所述开关(11)所需的位移量(θ11)。
22.一种用于测量通过电路(3)提供给电力顾客(Hn)的电力量的电力计(100)，包括根据前面权利要求的任何一项所述的电路断路器(1)。
23.根据权利要求22所述的电力计(100)，包括-装置(18)，用于将所述检测的电流电平(CL)与所述电路(3)的供电电压(U)相乘以获得提供给所述电路(3)的瞬时有功和无功功率电平的测量；和-装置(18)，用于将所述获得的瞬时功率电平在时间上进行积分从而获得提供到所述电路(3)的有功和无功能量。
24.一种电力分配网络，包括-至少一个发电厂，用于产生要被分配给多个顾客(H1、H2、....、Hn)的电力；-电力分配网络(HV、MV、LV)，用于将在所述至少一个发电厂所产生的电力分配给所述顾客(H1、H2、....、Hn)；和-多个根据权利要求1到18的任何一项所述的电路断路器(1)和/或多个根据权利要求21或22所述的电力计(100)。
25.根据权利要求24所述的电力分配网络，包括管理和控制设施(21)，用于在所述电力分配网络(HV、MV、LV)中监测负载条件，并且用于根据所述监测的负载条件为所述电路断路器(1)产生至少一个所述命令。
26.根据权利要求25所述的电力分配网络，包括-在所述电力分配网络的高压部分(HV)和中间电压部分(MV)之间安置的多个一次变电所(Tp)；-在所述电力分配网络的低压部分(LV)和中间电压部分(MV)之间安置的多个二次变电所(Ts)；-在至少一个所述二次变电所处安置的通讯装置(CBT)，用于接收来自所述管理和控制设施(21)的命令，并且用于根据从所述管理和控制设施(21)接收的命令产生所述电流阈值命令(CC)和/或电路闭合命令和/或电路中断命令；-输电线通讯装置(24)，用于将所述通讯装置(CBT)产生的所述命令注入到用于传输到至少一个所述电力顾客(H1、H2、....、Hn)的所述电力分配网络的低压部分(LV，2)；-将所述管理和控制设施(21)和所述通讯装置(CBT)进行安置以经由公共电话网络(20)彼此通讯。
27.根据权利要求26所述的电力分配网络，其中所述公共电话网络是无线移动电话网络(20，23)。
全文摘要
一种电路断路器(1)，包括开关(11)，将其安装所述电路(3)中；装置(13)，用于响应于跳闸信号(14)将所述电路(3)断路；装置(17)，用于接收(IF)和存储(MEM)可编程电流阈值命令(CC)；装置(15)，用于检测在所述电路(3)中的电流电平(CL)；和处理装置(16)，用于根据所述存储的可编程电流阈值命令(CC)和所述检测的电流电平(CL)来产生所述的跳闸信号(14)。
文档编号H02J13/00GK1788398SQ03826633
公开日2006年6月14日 申请日期2003年4月17日 优先权日2003年4月17日
发明者法比奥·维罗尼 申请人:埃内尔迪斯特里布齐恩公司