CN101647167A - 用于过电流保护电路的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在一个方面，本发明提供一种用于保护包括多个电路保护设备的多个电路的系统，其中每一个电路保护设备包括各自的额定的电流额定值。根据一个实施方案，该系统包括被配置用于测量每一个电路保护设备中的电流的电流感应电路；和被配置用于接收每一个被测量的电流值的控制器。根据一个实施方案，控制器被进一步配置用于确定所有的电路保护设备所负载的电流的总和与所有的电路保护设备的额定的电流额定值的总和之间的比，并将该比例用于分别确定每一个电路保护设备的修正的额定的电流额定值。在又一个实施方案中，控制器被配置用于产生输出信号，以在被包括在选定的电路中的电路保护设备的修正的额定的电流额定值的基础上，将选定的电路从多个电路中隔绝开。

Description

用于过电流保护电路的系统和方法
技术领域
本发明的各种实施方案一般地涉及电路的过电流保护。更确切的说，至少一个实施方案涉及用于隔开电路保护设备的系统和方法。
背景技术
一般来说，电路的过电流保护是通过断路器，保险丝或二者的结合使用来提供的。根据需要被保护的电路，包括电线和电缆，以及电器，电机，变压器和其他的电气负载的额定电流来选择这些保护设备。通常，电气系统包括提供多条分支电路的主断路器或主保险丝，多条分支电路中的每一条都包括独立的保护装置。
在本文中，术语“电路保护设备”是指一种提供过电流保护的装置，包括响应于一个或更多的预定的过电流条件的过电流感应和去耦电路。
一般来说，保险丝包括金属丝或金属带，当被预定的电流数量加热时，金属丝或金属带会熔断。保险丝的额定值或额定的电流额定值是保险丝在无需具有熔丝熔断和断开电路，即无需使保险丝“熔断”时，保险丝可以负载的连续电流的数量。因此，一种20安培的保险丝在无需由于保险丝中的元件中的过高温度而断开电路时，可以在连续负载20安培的电流。保险丝将要负载的过电流的时间总和会由于电流数量的增加而减少。
断路器也可以设计为响应于过电流而断开。由于断路器被设计为在过电流跳脱之后被重新接上和闭合，因此，断路器一般包括机械的或电机械的操作装置。对应地，过电流保护可以包括响应于过电流(例如，住宅用的模制外壳断路器)，和/或电流感应和电子行程单位(例如，商业/工业用的断路器)而弯曲的热敏元件。
过电流的条件可能源自过载和短路。断路器和保险丝可以经受干扰操作，在其中断路器和保险丝通过断开电路和断开相关的负载来响应低级别的过载。保险丝可以特别快地进行动作，以及由于它们的操作速度，许多电气规程和常委会制定的规定都要求保险丝可以在特殊的操作中使用。然而，过电流条件下的保险丝的快速动作有时会导致令人讨厌的失效，失效时保险丝由于瞬间过载而断开，且必须立即被替换。同样地，许多断路器要求在作为过载的后果被断开之后，进行手动复位。
尽管，电路保护的许多现有方法提供了一套匹配的保护设备，这些设备的电流设定值(例如，设备的额定电流值)是在需要保护的电气负载的基础上建立的。正如上文中提到的，可以包括不仅是例如，照明电路，电器和类似的电路等操作设备，也包括连接电路中的各种元件的电线。对应地，电路保护的现有方法一般没有考虑保险丝的热特性会如何导致滋扰跳闸，原因在于电路保护的设计将重点集中在电路提供的设备和电线的保护上。换句话来说，出于保护由保护设备所保护的电路和设备的利益的需要，在低级别的过载中的电路保护设备的操作是可以允许的。
现有方法中的其他问题包括具有模拟输出的电流感应电路(例如，电流感应器)的使用，模拟输出被提供给数模转换器(“ADC”)的输入端。尤其是，ADC的准确度和范围受限于ADC的大小(即，转换器中的字节的数量)和ADC所选的分辨率。这些限制降低了在某些过电流条件下的电流感应的准确度。一般来说，ADC的分辨率和范围是以其被使用的电路的额定的电流额定值为基础的。然而，电路中所负载电流可以从额定的连续电流或低于额定的连续电流(例如，住宅用的电路中的15或20安培)到过载电流的水平(以是额定的连续电流的额定值的2或3倍)，和到电路短路(可以是10倍或上百倍高于额定的连续电流)的范围内大幅变化。在电流感应电路中使用的ADC的上述限制可能导致电流测量的不准确性，和对应地，ADC中使用的过电流保护的不准确性。尤其是，高于最大电流的电流被ADC准确地表示为是“截尾的(clipped)”。也就是，电流波的数字表示可能具有一些高于最大值的电流的所有振幅的相同值。
对过电流保护方案的现有方法中的其他问题还在于，热负载的补偿通常在“电路与电路”的基础上解决。也就是，系统包括多条分支电路，热负载可以在“电路与分电路”的基础上进行评估，而且整个系统的热容量不能得到充分的解决。例如，连续电流的额定电流为100安培的转换开关包括10条分支电路，每一条分支电路都具有用于保护分支电路的独立的断路器或保险丝，断路器或保险丝的总额定电流值总计远远超过转换开关的额定电流值。在先前的实施例中，10条电路中每一条电路的额定电流为20安培，提供10条电路的转换开关理论上是提供了200安培的电流。因此，转换开关不包括主电路保护设备和100安培的额定转化开关可能是过载的，而无需电路保护设备的任何操作。对应地，当主电路保护设备被包括在其中时，现有的方法可以同时将所有的10条电路与主设备隔离开，以试图给系统提供更多的保护。这样的方法可能导致关键负载所不需要的隔离。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种装置，该装置包括电流感应器，控制器和隔离设备，其中电流感应器被配置用于感应电路保护设备中的电流的和用于产生响应于感应到的电流的信号，控制器用于接收与感应到的电流对应的信号，隔离设备被配置用于隔离电路保护设备。根据一个实施方案，控制器被配置用于在电路保护设备的热特性和感应到的电流的基础上，对电路保护设备的累积的热负载进行估计。在一个实施方案中，控制器被进一步配置用于如果累积的热负载超过电路保护设备的热负载的预定的最大值，提供输出信号以激活隔离设备和中断电流。在另一个实施方案中，控制器被配置用于在电路保护设备中断电流之前，提供输出信号。
在另一方面，本发明提供一种过电流感应装置，该过电流感应装置包括被配置用于产生表示被感应到的电流的模拟输出信号的电流感应电路，被配置用于接收模拟输出信号并通过使用多个离散样本来产生模拟输出信号的数字表示的数模转换器，以及控制器，该控制器被配置用于通过评估具有实质上相同的振幅的样本来对被电流感应电路所感应到的过电流的数量进行评估。在一个实施方案中，表示处于最大电流值或高于最大电流值的模拟输出信号的多个离散样本表示中的每一个都具有实质上相同的振幅。在其他的实施方案中，过电流被评估到的数量是在具有实质上相同的振幅的一定数量的连续样本的基础上确定的。
在又一个方面，本发明提供一种用于保护包括多个电路保护设备的多个电路的系统，其中每一个电路保护设备包括各自的额定的电流额定值。根据一个实施方案，系统包括电流感应电路，其被配置用于测量每一个电路保护设备中的电流，和控制器，其被配置用于接收每一个测量到的电流值。根据一个实施方案，控制器被进一步配置用于确定所有的电路保护设备所负载的总电流和所有的电路保护设备的额定的电流额定值的总和之间的比，并将该比例用于分别确定每一个电路保护设备的修正的额定的电流额定值。在又一个实施方案中，控制器被进一步配置用于产生输出信号，以在被包括在选定的电路中的电路保护设备的修正的额定的电流额定值的基础上，将选定的电路从多个电路中隔绝开。根据又一个实施方案，控制器被配置用于确定每一个电路保护设备中哪一个的修正的额定的电流额定值超过设备的额定的电流额定值。
本发明的其他方面在于提供一种用于保护电路保护设备的方法。该方法包括感应电路保护设备中的电流，产生响应于感应到的电流的信号，在电路保护设备的热特性和感应到的电流的基础上估计电路保护设备中的累积的热负载，和如果累积的热负载超过电路保护设备的热负载的预定最大值时，中断电流。
在方法中，预定的最大热负载实质上可以对应于电路保护设备的平均熔断时间。该方法可以进一步包括在由电路保护设备所负载的电流的热效应的基础上确定预定的最大热负载。
附图说明
随附的附图不是严格按照比例绘制的。在附图中，各个用于举例说明的附图中的每一个相同或近似相同的部件都用相同的数字表示。出于清楚的目的，并不是每一个部件都标记在每一张附图中。附图包括：
附图1是根据本发明的一个实施方案的装置的示意图；
附图2电路保护设备的时间-电流特征曲线图；
附图3是根据本发明的一个实施方案的进程的流程图；
附图4是根据另一个实施方案的时间-电流的特征曲线图；
附图5是根据本发明的一个实施方案的系统的单线图；
附图6是根据本发明的又一个实施方案的进程的流程图；
附图7是根据本发明的一个实施方案的波形图；
附图8是根据本发明的一个实施方案的第二波形图；
附图9是根据本发明的一个实施方案的第三波形图；以及
附图10是根据本发明的又一个实施方案的装置的示意图。
具体实施方式
本发明并不将其应用限制在附图所对应的描述或解释中设定的部件的排列和结构的细节上。本发明可以具有其他的实施方案和可以通过各种不同的方式来执行或实践。同样地，本文中为了进行举例说明使用的术语和措辞不应该被视为是限制。术语“包括”，“包含”，或“具有”，“含有”，“包括在......中”以及以上术语的结合使用，意味的是包括其后所列的项目和等同项目以及其他的项目。
现在参考附图1，根据一个实施方案的装置20的示意图得以解释说明。该示意图举例说明的是包括电源22的电路18，电路保护设备24，和电气负载26。另外，附图1举例说明了电流感应电路28，控制器30，和隔离设备32。根据一个实施方案，电流感应电路28，控制器30，和隔离设备32被包括在装置20中。电源22可以是直流电源或交流电源，此外，当电源22是交流电源时，其可以包括一个厢或多个厢。尽管是作为一种保险丝进行解释说明，电路保护设备24可以是保险丝，断路器，前述二者的结合和/或可以操作以响应于过电流条件来隔开电路20的其他一些电路保护设备。进一步，电路保护设备可以是单厢设备或多厢设备，这取决于应用。一般来说，当操作响应于过电流状况时，电路保护设备24将电源22和负载26之间的电流通路完全断开。例如，大部分的保险丝包括在预定时间量内熔断的内部载流元件(例如，金属元件)，预定时间量的变化取决于过电流的振幅。一般来说，断路器包括一个或更多的载流接触对，其断开以中断电流来响应于热元件或与断路器有关的电流感应电路所感应到的过电流。
在各种实施方案中，电流感应电路28可以包括变流器，分流器，霍尔效应传感器或者在电路中感应电流的其他装置。根据一个实施方案，电流感应电路28包括输出端36。
根据一个实施方案，控制器30可以包括数模转换器(“ADC”)，一个或更多的处理器或存储器。根据一个实施方案，控制器30包括由Texas仪器公司制造TI DSP 2801微控制器，该公司可以提供CPU，ADC和单片机中的存储器。对应地，控制器30可以在微控制器中，或在执行嵌入式的软件和/或硬件指令的微处理器中运行。根据一个实施方案，控制器也可以包括输入端38和输出端39。在该实施方案的一种形式中，输入端38被连接到电流感应电路的输出端36上，和控制器的输出端39被连接到隔离设备32上。在其他的实施方案中，其他的输出端可以被包括以提供可以指示过载条件的来自控制器的外部信号。
根据一个实施方案，隔离设备32可以是继电器，断路器或其他的可以通过电操作来断开接收来自控制器30的信号的设备。进一步，隔离设备的实施方案也可以通过电操作以关闭来自控制器30或其他装置的闭合信号。
此外，电路保护设备24可以是单厢设备或者是多厢设备，这取决于应用。
附图2举例说明的是“一族”保险丝(例如，Cooper Busman的G类的延时保险丝)的一组时间-电流特征曲线40(或者是平均熔断时间)。例如，左边的大部分曲线解释说明的是二分之一安培保险丝的时间-电流特征，而右边的大部分曲线解释说明的是60安培保险丝的时间-电流特征。在附图2中，Y轴包括的时间以秒为单位，X轴包括的电流以安培为单位，和每一个轴都用对数刻度测点绘制。由于电流从左边向右边增加，每一条曲线都表示的是平均的熔断时间。明显的是，随着电流的增加，平均的熔断时间减少。
在附图2中，保险丝的额定电流值确定了保险丝的额定连续电流的额定值。也就是，保险丝可以负载的电流数量持续不确定的一段时间(至少在理论上)。作为一个实施例，参考20安培的保险丝的曲线，保险丝可以在接近0.25秒的时间内负载100安培的电流，在这一时间内，保险丝元件上的电流的热效应将会使保险丝元件熔断和断开电路中的保险丝。其他的实施例也可以提供类似的关于在操作之前(即，在熔断之前)保险丝可以负载的给定电流的时间数量的信息。时间-电流特征曲线也可以被提供给其他的保护设备，例如，理论上操作的断路器和采用可电流感应的固态断路器。
根据一个实施方案，电路保护设备24的热特性被确定和提供给控制器30。控制器30包括在由电流感应电路28的提供的输入的基础上的被电路用于确定电路所负载的电流的一种或更多的算法。算法也可以确定电路保护设备24上的累积的热负载。在进一步的实施方案中，控制器30可以被提供电路保护设备的最大的允许热负载。在这一实施方案中，算法可以被用于确定累积的热负载是否超过电路保护设备24的最大的允许热负载。
根据一个实施方案，当累积的热负载超过电路保护设备24的最大的允许热负载时，控制器30在输出端39发出信号。该信号可以传递到隔离设备32中，操作隔离设备32以断开和中断流入到电路18中的电流来响应于信号。在至少一个实施方案中，系统被配置用于在电路保护设备“熔断”之前中断电流。
现在参考附图3，根据本发明的一个实施方案，描述的是进程50的流程图。进程50提供了一个实施例，其中装置20可以用于防止电路保护设备24的不需要的操作，同时继续向使用了电路保护设备24的电路提供过电流保护。一般来说，和根据一个实施方案，进程50将电路保护设备24的累积的热负载与电路保护设备的理想的最大热负载进行了对比。在一个实施方案中，该对比被用于确定控制器30是否提供信号以操作隔离设备32和在电路保护设备的操作之前将电路隔开。
根据一个实施方案，在电路保护设备的时间-电流特征的基础上确定最大的热负载，这是在时间-电流曲线的单一点上进行的。例如，大于电路保护设备的额定电流的电流可以被选出，和为选出的电流确定热负载(根据函数I2t来进行计算)。在一个实施方案中，在计算中使用的时间数量是从时间-电流特征曲线中确定的。再次参考附图2，如果60安培的电流被用于为电流为20安培的额定电路保护设备确定热负载，2.5秒的时间或更少的时间将被用于确定导致20安培的电路保护设备的操作的热负载。在这样的实施例中，对于20安培的电路保护设备而言，60安培的电流的确定的最大热负载是：
最大热负载＝(60)(60)2.5＝9000    等式1
换句话说，为预防电路保护设备24的操作，装置20应被配置用于当电路保护设备的负载是60安培时，在2.5秒的时间内操作隔离设备32。
根据一个实施方案，I2t的最大值的确定是基于额定的电流额定值和时间-电流曲线上的选定点的电流之间的差值。在这样实施例中，额定的电流额定值是20安培和选定的过电流是60安培。对应地，I2t的最大值可以根据以下确定：
I2t的最大值＝(60-20)(60-20)2.5＝4000    等式2
在一些实施方案中，对累积的热负载进行评估以确定是否达到最大的热负载。例如，感应电流被评估为多个离散样本I-n，每一个都具有的时间周期为ts，感应电流对每一个样本周期的电流的总的I2t效应的贡献可以根据方程式3进行确定：
对I2t的最大值的贡献＝(In-20)(In-20)t    等式3
更进一步，根据一个实施方案，任何等于额定的电流额定值或低于额定的电流额定值的电流不会对电路保护设备上的累积的热负载做出贡献，和会减少累积的热负载。也就是，在电流等于额定的电流额定值时(例如，20安培)，电流不会影响电路保护设备上的累积的热负载。当电流小于额定的电流额定值时(例如，小于20安培)，电流通过I2t减少累积的热负载：
I＝ΔI＝|I时间t-I额定|    等式4
根据一个用于举例说明的实施方案，进程50包括动作52，在动作52中，电流在第一时间增量中被测量。在一个实施方案中，电流被电流感应电路28感应和与传递到控制器30。在本实施方案的一种形式中，电流感应电路28提供模拟输出信号到控制器30和控制器30将信号转换为包括模拟电流波形的离散样本组的数字信号。
根据一个实施方案，进程也包括动作54，在动作54中，电路保护设备的额定的电流额定值从在动作52中的测量到的电流中减出，以确定ΔI的值。例如，再次参考20安培的保险丝，保险丝的额定的电流额定值是20安培。
进一步，在一个实施方案中，进程50包括动作56，在动作56中，电流对电路保护设备的热负载的贡献被确定用于一段周期中，在该周期中电流在动作52中被测定。
在进一步的实施方案中，进程50包括动作58，在动作58中，在动作54中确定的电流差被评估以确定其是否大于零。在一个实施方案中，动作58也包括测量周期电流和电路保护设备的额定的电流额定值之间的差(例如，在方程式2中所示)的绝对值的动作，而在其他的实施方案中，绝对值的确定是在动作56中进行的。正如上文中所提到的，小于额定的电流额定值的电流可以减少累积的热负载，而大于额定的电流额定值的电流可以增加累积的热负载。
根据一个实施方案，在动作54中确定的值小于或等于零时，进程50进行到动作60。在动作60中，对在动作56确定的时间周期内的累积的热负载的电流的贡献被用于增加保护设备的热负载。在一个实施方案中，在动作56确定的I2t的值(例如，ΔI2t)从累积的热负载中减出。根据一个实施方案，如果动作60的结果是负数值，累积的热负载的值围绕在零值周围小于零。
根据一个实施方案，动作60之后是动作64(下面将进行更为详细的描述)，在一个可以选择的实施方案中，进程50进行到动作52(随后的时间周期中)之后是动作60。
在动作54确定的值大于零，进程50进行到动作62。在动作62中，对累积的热负载的电流的贡献(在动作56中确定的一段时间周期中)被应用到保护设备的累积的热负载中。在一个实施方案中，在动作56中确定的I2t值被加入到累积的热负载中。
动作62之后，进程50进行到动作64，在此需要确定总的累积的热负载是否大于电路保护设备所确定的最大的热负载。正如上文中的讨论，最大的热负载可以在一个或更多沿着时间-电流特征曲线的点的基础上确定。
根据又一个实施方案，如果其确定累积的热负载大于电路保护设备的最大热负载，进程50进行到动作66。在动作66中，宣布出现过载。各种不同的实施方案可以建立过载的水平，其是等于或小于在过电流保护设备的时间-电流特征曲线上定位一个或更多的点所确定的最大热负载。这一方法提供了误差幅度以确保当出现相对低水平的过电流出现时(例如，对于短路出现的过载)，隔离设备的操作快于电路保护设备。这样的方法可以提供保护并防止电路保护设备被操作。举例来说，装置20可以允许60安培的电流来保持在电路中2秒的时间而不是电路保护设备提供的2.5秒。对应地，在这一实施例中，I2t的最大值可以通过(40)(40)2＝3200，而不是4000来确定。
在动作66中，宣布出现过电流状况。在一些实施方案中，在动作68，当过电流出现时，控制器30在输出端39提供信号，以操作隔离设备32。然而，控制器30可以被配置用于仅仅提供其他的响应或者除了前款。例如，控制器可以提供信号到用户界面以在隔离设备或电路保护设备两者的其中之一的操作之前，识别过电流条件。
在又一个实施方案中，在动作64，累积的热负载被确定小于电路保护设备的最大的热负载，控制器为其他周期对一个或更多的随后的电流测量进行评估，和为随后的电流测量启动进程50。
在一个特定的实施例中，进程50导致以下结果，每一个周期是60Hz(接近16.7msecs)信号的一个周期：1)连续的电流是20安培或更小和累计的I2t总量保持在零；2)负载电流继续增加到60安培和每一周期中增加到累计总量的ΔI2t为26.72；3)在150个周期之后，累积的热负载到达最大的可允许的热负载。由于在这一实施例中，60安培和2.5秒被用于建立最大的可允许的热负载，过载维持的时间总量(例如，在控制器30宣布过载和操作隔离设备32之前的时间总量)是150个周期和(0.0167秒/周期)-2.5秒的产物。
正如上文所述，I2t的最大值的单一点的使用是可以允许的热负载在其他点上的最接近的基本结果。该近似值被用于提供在过电流保护设备将操作的时间之前确保电路保护设备被很好隔开的差值。也就是，电路保护设备的操作慢于较低水平的过电流。再次参考20安培的电路保护设备的实施例，50％的过载(例如，30安培)不会达到电路保护设备的对应的最大热的额定值，直到电流被维持接近100秒。因此，在2.5秒的基础进行的先前的I2t的最大值的计算是可以用于降低电路保护设备的额定值。
尽管，进程提供了一种保守方法，其他的实施方案采用了进一步的方法来确定允许的I2t最大值。总的来说，该方法确定将在每一个样本周期中增加的热效应ΔI2t的增量，首先为电路保护设备的时间-电流特征曲线确定曲线拟合，然后采用产生匹配曲线的方程式来确定热效应的增量。
参考附图4，根据这一实施方案，标绘图42用于举例说明一种电路保护设备。标绘图42包括第一曲线43，和第二曲线44。这些曲线使用X轴为电流和纵轴Y轴为以秒数为单位的时间。第一曲线43表示的是与20安培的保护设备的时间-电流特征曲线最匹配的曲线拟合(曲线43在真实的时间-电流特征曲线上是过载的)。第二曲线44表示的是根据先前的实施方案，当单一点被采用时的20安培的保护设备的最大的允许热负载。第二曲线44是基于可以允许的I2t，其中对于全部的电流值，t＝2.5秒，。从标绘图上可知，先前的实施方案为过载提供了较低的热负载，其中过载电流小于与单一点(在此确定最大的热负载)有关的电流。参考先前的实施例，在曲线43和44中举例说明的，对于20安培的保护设备，小于60安培的过载电流将导致控制器发出信号给隔离设备以热负载操作电路保护设备本身之前(用曲线43表示)很好隔开电路保护设备
根据一个实施方案，电流为20安培的保护设备的曲线拟合来自以下方程式，其中
Y＝(Ax1010)XB    等式5
其中A＝1.1877和B＝-5.437，据此，
Y＝(1.1877×1010)X-5.437 等式6
对于本领域内的普通技术人员来说，系数A和B可以通过曲线匹配特征来确定。
根据这一个实施方案，将为每一个样本添加的热效应ΔI2t的增量通过以下方程式确定：
ΔI2t＝A/IB    等式7
结果是，一个实施方案被用于最大的热负载，该最大的热负载更为接近的响应于电路保护设备本身的额定的最大热负载。
现在参考附图5，根据本发明的一个实施方案，对电气系统80进行了图表式地举例说明。电气系统80可以包括主电路保护设备82和多个负载电路保护设备84A-84J，保护设备是保险丝，断路器，继电器或是它们的任意结合。在一种形式中，负载电路保护设备84A-84J中的每一个都分别包括在电路1-10中。在一个实施方案中，电气系统被包括在转换开关中，该转换开关向负载电路保护设备84提供电能。在一些实施方案中，转换开关被配置用于从多个电源中的任何一个中提供电源。
电气系统包括装置，该装置包括控制器30和电流感应电路28。在用于举例说明的实施方案中，电流感应电路包括多个电流感应器85A-85J，这些电流感应器通过电线86被连接到控制器30上。在一个实施方案中，每一个电流感应器85A-85J分别感应电路1-10中的电流。尽管电线86是图表式地表现为单一的电路，在各种不同的实施方案中，电线86包括多个电路，例如，每一个电路都被分别连接到电流感应器85A-85J的其中之一上。此外，电流感应器可以与主电路保护设备82相连。在一些实施方案中，电流感应器85可以被集成到关联的电路保护设备中。在可以选择的实施方案中，电流感应器85不是关联的电路保护设备的一部分，以及电路保护设备可以是(例如，断路器)包括其他的被包括在电路保护设备中的集成的过电流保护所采用电流感应器。正如被本领域内的普通技术人员所承认的那样，当电路保护设备是保险丝时，电流感应器不会被包括在电路保护设备中。
在各种不同的实施方案中，电路保护设备82，84可以包括远程控制的访问功能，远程控制的关闭功能，或者被本领域内的普通技术人员所熟知的以上两者。这些远程控制操作允许在接收到来自并没有集成到局部的电路保护设备中的设备(例如，电子或电气控制元件)的控制信号后，分别地对电路保护设备进行断开和关闭的操作。设备可以包括在容纳负载电路保护设备84的设备中(例如，电器外壳)。可以选择的是，设备可以是在空间上远程的，例如，在不同的外壳中、房间或建筑物中。
根据一个实施方案，装置20通常如同在附图1中所描述的实施方案那样进行操作。也就是，控制器30产生用于在保护设备的操作进行之前响应于过载而隔开保护设备82，84的信号。根据一个实施方案，电路保护设备82，84包括远程控制访问功能和控制器30被配置用于产生访问信号，该访问信号是用于隔开电路1-10，正如下文中将要进行详细描述的那样。
对应地，在一个实施方案中，电路保护设备82，84被电操作。也就是，电路保护设备82，84是包括至少一个远程的访问功能的断路器或者是继电器。此外，它们也包括远程的关闭功能。
在一个可以替换的实施方案中，一个或更多的电路保护设备82，84是保险丝或其他的非电操作的保护设备，和装置20包括与非电操作的保护设备有关的独立的隔离设备，例如，在参考附图1描述过的隔离设备(例如，隔离设备32)。对应地，在一个实施方案中，独立的隔离设备与电路1-10中的每一条电路中的每一个负载电路保护设备84结合使用。
进一步，尽管电路传感器被举例说明为单一的元件，电流感应电路28可以包括多个电流感应器，例如，多厢电路(例如，电路1-10中的任何一个)的每一厢中的传感器。
在一个或更多的实施方案中，一个或更多的负载电路保护设备84是可以电操作的，例如，电操作的断路器。一般来说，根据这些实施方案，控制器30可以操作以开打负载电路保护设备84，来响应于在关联电路中感应到的电流。例如，通过电流感应器85C，控制器30可以操作负载电路保护设备84C响应于在电路3中感应到的电流。
根据一个实施方案，在电气系统80上集聚的负载的基础上，对装置20进行操作以隔开一个或更多的电路1-10。例如，电气系统的可以负载的总电流是100安培。对应地，主电路保护设备可以包括额定的连续电流的额定值为100安培。各个负载电路保护设备84的额定值是累计的，然而，可能超过主电路保护设备82的额定的连续电流的额定值。因此，当电路1-10都包括20安培的额定的连续电流的额定值时，负载电路保护设备的累积的电流额定值为200安培，其是电气系统80和主电路保护设备82的连续电流的额定值的两倍。
在一个实施方案中，例如，电气系统80(即，包括在转换开关中)是额定的，以提供最大电流为100安培的连续电流，电路1-10的每一个都被20安培的保险丝所保护和负载在表一中有所指示。
表1
  电路  测量的电流 安培
  1  15
  2  20
  3  5
  4  18
  5  8
  6  12
  7  19
  8  7
  9  14
  10  14
 累积132
对于上表，电气系统80是过载的。过载可以被主电路保护设备82感应到，其最终将隔开电气系统80以响应于持续的过载。从附图2中的时间-特征曲线中可以看出，例如，负载的数量增加时，主电路保护设备82的响应时间将减少。尽管，总电流大于电气系统80的额定的最大连续电流，装置20可以被配置用于在对主电路保护设备82进行操作以断开整个电气系统80之前，选择性的隔开一个或更多的电路1-10，以将总电流减低到100安培或更少(即，去掉过载的条件)。
在一个实施方案中，装置20一般采用方法70(附图6)，该方法将选用一个或更多的电路来隔开。在方法70中，在第一动作71，需要确定总电流是否超过最大值。如果动作71的结果是“否”，那么方法70返回到起始点。如果动作71的结果是“是”，那么方法进行到动作72，其中实际的总电流与电气系统的额定的最大连续电流之间的比例R被确定。下一步，在动作73，通过确定电流1-10中的每一个的修正的额定电流来推进方法70，这是通过测量的电流乘以每一条电路的比例R来实现的。方法进行到动作74，其中具有修正的额定电流的电路(在电路1-10中的电路)被确定，修正的额定电流大于负载电路保护设备所保护的电路的额定的电流额定值。下一步，在动作75，方法进行是通过确定被先前的动作所识别的电路(如果不止一条电路被识别)，具有修正的额定电流的额定值，其最大程度超过包括在电路中的保护设备的额定的电流额定值。最后的动作76包括隔开在动作75中隔开的电路，和重复动作71-75直到实际的总电流不再超过电气系统的额定的最大连续电流。
对应地，对于表1中提供的实施例，实际的总电流和电气系统的额定的最大连续电流之间的比例是通过以下方程式确定，
R＝132/100＝1.32    等式8
用在方程式3中确定的比例R适用到表1描述的电路，结果是：
表2
  电路   测量的电流安培   修正的电流安培
  1   15   19.8
  2   20   26.4
  3   5   6.6
  4   18   23.76
  5   8   10.56
  6   12   15.84
  7   19   25.08
  8   7   9.24
  9   14   18.48
  10   14   18.48
  总计132
电路2，4和7中的每一个都具有超过对应的电流保护设备的额定的电流额定值的修正的额定电流。进一步，电路2具有的修正的额定电流是最大程度地超过了对应的保护设备(即，保护设备84B)的额定的电流额定值(例如，20安培)。根据一个实施方案，控制器30产生的输出信号与电路保护设备84B进行通信，然后，对其进行操作以把电路2隔开，以降低电气系统80的全部负载。结果是，全部的负载被降低到112安培，正如表3中所示(当然是假设在其他的激励电路中的负载没有发生变化的情况)。
表3
  电路   测量的电流安培
  1   15
  2   0
  3   5
  4   18
  5   8
  6   12
  7   19
  8   7
  9   14
  10   14
  总计112
根据一个实施方案，控制器30继续对电气系统80的负载进行评估的过程。继续过载的结果是，比例R将重新计算，根据以下的方程式：
R＝112/100＝1.12    等式9
修正的额定电流的新的值可以通过电路的修正电流乘以新的比例来确定。操作的结果显示在表4中。
表4
  电路   测量的电流值安培   修订电流值安培
  1   15   16.8
  2   0   0
  3   5   5.6
  4   18   20.16
  5   8   8.96
  6   12   13.44
  7   19   21.28
  8   7   7.84
  9   14   15.68
  10   14   15.68
  总计112
使用这些修正的电流的新的计算值，电路4和7都继续具有超过对应的电路保护设备的额定的电流额定值的修正的额定电流。在此，电路7具有的修正的额定电流是最大程度地超过了对应的保护设备(即，保护设备84G)的额定的电流额定值(例如，20安培)。根据一个实施方案，控制器30产生的输出信号与电路保护设备84G进行通信，然后，对其进行操作以把电路7隔开，以降低电气系统80的全部负载。结果是，全部的负载被降低到93安培，正如表5中所示。
表5
  电路   测量的电流安培
  1   15
  2   0
  3   5
  4   18
  5   8
  6   12
  7   0
  8   7
  9   14
  10   14
  总计93
表5举例说明了这样的结果，其中被包括在电气系统80中的电路中的两条被隔开消除了过载的条件。重要的是，不用操作主电路保护设备82就能获得这样的结果。也就是，尽管有瞬时过载，10条电路中的8条仍维持是可以操作的。当与被主电路保护设备82所隔开的全部10条电路进行对比而不需要减负载时，这一结果是最有利的。
当电路保护设备84或有关的隔离设备(例如，在保险丝或手动操作的断路器的例子中)包括电关闭操作，被再次激活的电路(例如，电路2和电路7)可以在适当的延迟被提供之后，在总的电流保持少于电气系统80的额定的电流额定值时，可以远程地再连接到电源上。在一个实施方案中，再次连接是被装置20自动执行的。当然，再设置/再关闭负载电路的保护设备和/或隔离设备可以包括手动完成。
在以上描述的实施方案中，单一的线性比例被用于“降低”各个电路电流测量的额定值。在其他的实施方案中，以R为基础的更多的复杂的公式被使用，例如，在一些实例中R的平方被使用，特别是，需要更多的电流的减负载的方法时。
尽管先前结合附图5的描述举例说明了电气系统(例如，电气系统80)，该电气系统包括主电路保护设备82，本发明的实施方案也可以有效地运用于不包括主电路保护设备的电气系统。一般来说，本发明的实施方案可以用于单独地隔开使电气系统过载的电路，例如，没有检测到过载，直到系统的热额定值被超过。
现在参考附图10，电气系统90的实施方案包括被用于举例说明的转换开关92(例如，由West Kingston，RI的美国功率转化公司制造的通用转换开关)。可以与本发明的实施方案一并使用转换开关的实施例在Paik等人于2004年9月28日提交的发明名称为“System and Method for Allocating Power to Loads”的第10/952,565号美国专利申请中有所描述，其教导通过引证被并入本文。在一个实施方案中，装置20被用于保护转换开关92不会超过其全部的热容量。在用于举例说明的实施方案中，转换开关包括含有电路1-9的10条电路的总数，其操作的电压为120伏，和电路10操作的电压是240伏。出于清楚的目的，只有电路7包括与装置20有关的细节，尽管全部电路或任一电路可以包括装置。例如，全部电路或任一电路可以包括通过控制器30操作的隔离设备32。在一些实施方案中，单一的控制器30被用于多个电路，而在可以选择的实施方案中，每一个电路都配有专用的控制器。
在用于举例说明的实施方案中，独立的保险丝给每一条电路提供过电流保护，然而，主电路保护设备没有被使用。正如上文中的讨论，转换开关92的热容量可能会被超过，而无需确定在这样的情况下的电路1-10的总负载。对应地，装置20可以被用于选择性地操作一个或更多的隔离设备32以减少连接到的负载，当控制器30感应到转换开关92的负载超过开关的最大的额定热负载时。正如上文中的讨论，装置20也可以被用于再次连接任何电路，所述电路在预定的周期之后被绝缘，在预定的周期中转换开关92的总负载小于开关的最大的额定热负载。
在各种实施方案中，以上描述的方法可以提供保护一个或更多的关键电路不会被不必要的关闭的减负载方案。也就是，电路1-10可以优先考虑，以致较低的优先电路的隔离发生在较高的优先电路之前，即使较高的优先电路具有修正的额定电流值和额定的额定电流值之间的较大的差值。这一方法可以实质上减少关键负载的停止工作的时间。在至少一个实施方案中，本文描述的方法都被连续用于提供电源给可以延迟的负载并向不能延迟的负载供电，正如在第10/952,565号美国专利申请中所描述的那样。
电路中所负载电流通常可以从额定的连续电流或低于额定的连续电流(例如，住宅用的电路中的15或20安培)到过载电流的水平(以是额定的连续电流的额定值的2或3倍)，和到电路短路(可以是10倍或上百倍高于额定的连续电流)的范围内大幅变化。对应地，过电流保护设备可以响应于大范围的电流。
正如上文中所提到的，与过电流保护设备一并使用的电流感应电路通常采用电流感应器，该电流感应器提供对应于感应到的电流的输出信号给ADC。ADC被用于将来自电流感应电路的模拟输出信号转变为数字信号的格式以进一步通过数字电路对信号进行处理。例如，在附图1中举例说明的控制器30可以包括与输出端38连接的ADC。ADC的精度和范围是有限制的，然而，ADC的大小(例如，包括在转换器中的字节的数量)和ADC的选定分辨率。
在一个实施例中，ADC包括8个字节，和对应地，具有256到1动态的范围。一般来说，ADC的分辨率通过字节的数量来确定(例如，8)，和最大的8位字节(例如，28-1＝255)所表示的电流值。因此，当由8位的ADC(即，255)所提供的最大值表示的是100安培，ADC的分辨率是100/256＝0.39安培。在可以选择的方法中，需要的分辨率首先被确定，和然后计算被ADC的最大值所表示的电流值。例如，每一字节代表0.1安培，可以由ADC表示的最大电流值的计算是0.1×255＝25.5安培。可以选择的，可以使用一个16位字节的ADC，以在相同的分辨率内增加动态范围。也就是，在0.1安培/字节，最大的电流值是0.1×65,536＝6553.6，其是被绝对表示的最大电流。
对与电流感应电路一并使用的ADC的以上限制可以导致电流测量的不准确性，以及对应地，ADC的过电流保护的精度不高。尤其是，大于最大电流的电流被ADC准确地表示为“截尾”。例如，对于一个8位字节的ADC来说，具有的最大显著字节表示为0.39安培，同样的数字值(对应于100安培)将代表每一个样本，在此感应的电流100安培是或高于100安培。对应地，每一个样本的模拟电流大于100安培将被不准确的表示。同样地，对于一个16位字节的ADC来说，具有的最大显著字节表示为0.1安培，同样的数字值(例如，计数)将代表每一个样本，在此感应的电流是6553.6安培或高于6553.6安培。
以上情况在附图7-9中有举例说明。这些附图举例说明的实施方案包括模拟的电流波形和包括模拟的电流波形的全波记录形式的数字样品的对应组的第二波形。在一个实施方案中，附图7-9都与具有包括20安培的保险丝的电路和8位字节0.34安培/字节的ADC的系统相连。这一可以效仿的系统所精确感应到的最大峰值电流是86.7安培，其对应大约60安培RMS。进一步，第二波形建立在被每周期64倍采样的模拟的电流波形的基础上。
附图7-9中的每一个都包括对应于数字样本采样间隔的水平轴，第一纵轴对应于以安培为单位的瞬间电流和第二纵轴对应于由ADC产生的计数。参考附图7，波形点100包括模拟的电流波形102和数字样本组104，对于模拟的电流波形102，其对应于ADC的输出。在附图7中，感应到的模拟电流是20安培RMS或接近峰值28安培。由于电流值小于最大电流值，所以其可以被ADC的输出精确表示，数字样本组104不包括任何削波，和模拟电流被数字样本组104精确表示。
现在参考附图8，波形106举例说明的是模拟的电流波形108和数字样本组110，对于模拟的电流波形108，其对应ADC的输出。在这一实施例中，被感应的模拟电流是70安培RMS或接近峰值99安培。当电路被额定为20安培的持续电流，70安培RMS电流表示过载。因此，数字波形110被“削波”，原因就在于被感应的电流大于可以通过ADC的输出来进行精确表示的最大电流。在这一实施例中，数字波形110包括11个连续样本(在每一个峰值中心)，对此数字波形具有同样的值。也就是，这些样本中的每一个具有同样的计数。正如上文中的描述，这一结果的发生是由于11个连续的样本中的每一个都表示模拟的电流波形的一部分，在此电流是最大电流或高于最大电流，最大电流可以被ADC的输出精确表示(例如，60安培RMS)。正如下文中详细的描述，本发明的实施方案为过载提供改进的电流感应，过载包括大于被ADC的输出所精确表示的电流的最大电流的。
同样地，附图9中举例说明的是波形112，该波形具有模拟的电流波形114和数字波形116，对于模拟的电流波形114，其对应于ADC的输出。在这一实施例中，感应到的模拟电流是500安培RMS或接近峰值707安培。电流的水平(例如，电路的额定的电流额定值的25倍)具有与短路有关的振幅。由于电流的振幅大于最大电流，因此，其可以被精确地通过ADC的输出表示。也是，数字波形110是“截尾”的。进一步，由于振幅是如此大，削波通过模拟的电流波形114的周期的大部分发生。特别是，削波开始于模拟电流波形的交叉点的两个样本之间。
在各种不同的实施方案中，装置20可以使用方法，其中“削波”值的发生和持续时间被检测，然后被用于确定有关的过电流的严重程度。这样的方法在AC系统中特别有用，在需要评估何时会出现ADC的输出的最大值(例如，“截尾”)以及该最大值会延续多长时间时，则采用零交叉提供的可用的参考。在至少一个实施方案中，为说明ADC的潜在的不准确性，最大值读数的多个计数中的任何读数都可以被认为是“截尾的”和包括在“截尾的”范围内。
根据一个实施方案，控制器30包括处理器和存储器。该实施方案的更进一步是，以上描述的方法可以通过一个或更多的存储在存储器中的算法来执行，存储器是通过包括在控制器30中的处理器进行操作。
由于本发明的至少一个实施方案的若干方面得到描述，因此，对于本领域内的普通技术人员来说各种不同的变化，修改和改进都是可能发生的。这样的变化，改进和修改都是本公开的一部分，并落入本发明的主题和范围之内。对应地，以上描述和附图仅仅起到可以效仿的作用。

Claims (20)

1.一种装置，该装置包括：
电流感应器，该电流感应器被配置用于感应电路保护设备中的电流和用于产生对应于感应到的电流的信号；
接收对应于感应到的电流的信号的控制器，该控制器被配置用于在电路保护设备的热特性和感应到的电流的基础上，对电路保护设备的累积的热负载进行估计；以及
被配置用于选择性地隔开电路保护设备的隔离设备，
其中如果累积的热负载超过电路保护设备的预定的最大热负载，控制器被进一步配置用于提供输出信号以激活隔离设备并中断电流。
2.根据权利要求1的装置，其中隔离设备被配置用于与电路保护设备进行串联连接。
3.根据权利要求1的装置，进一步包括电路保护设备，而且其中的电路保护设备是保险丝。
4.根据权利要求3的装置，其中预定的最大热负载实质上对应于保险丝的平均熔断时间。
5.根据权利要求4的装置，其中电路保护设备的预定的最大热负载小于足以操作电路保护设备的热负载。
6.根据权利要求1的装置，其中预定的最大热负载是在电路保护设备所负载的电流的热效应的基础上确定的。
7.根据权利要求6的装置，其中预定的最大热负载是在电路保护设备的时间-电流特征曲线上的单个点上确定的热负载的基础上确定的。
8.根据权利要求7的装置，其中电流的热效应与电路保护设备的时间-电流特征曲线的近似值进行对比。
9.一种过电流感应装置，包括：
电流感应电路，该电流感应电路被配置用于产生代表被感应到的电流的模拟输出信号；
数模转换器，该数模转换器被配置用于接收模拟输出信号和使用多个离散样本来产生模拟输出信号的数字表示，其中代表实质上处于最大电流或高于最大电流的模拟输出信号的多个离散样本中的每一个都具有实质上相同的振幅；以及
控制器，该控制器被配置用于通过评估具有实质上相同的振幅的样本来估计被电流感应电流所感应到的过电流的数量。
10.根据权利要求9的装置，其中被估计的过电流的数量是在一定数量的具有实质上相同的振幅的连续样本的基础上确定的。
11.根据权利要求9的装置，其中被估计的过电流的数量被用于确定在运行响应过电流的电路保护设备之前何时隔开电路保护设备。
12.一种用于保护包括多个电路保护设备的多个电路的系统，其中每一个电路保护设备包括各自的额定的电流额定值，该系统包括：
被配置用于测量每一个电路保护设备中的电流的电流感应电路；以及
被配置用于接收每一个被测量的电流值的控制器，该控制器被进一步配置用于确定所有的电路保护设备所负载的电流的总和与所有的电路保护设备的额定的电流额定值的总和之间的比例，并将该比例用于分别确定每一个电路保护设备的修正的额定的电流额定值，
其中控制器被进一步配置用于产生输出信号，以在被包括在选定的电路中的电路保护设备的修正的额定的电流额定值的基础上，将选定的电路从多个电路中隔开。
13.根据权利要求12的系统，其中控制器被配置用于将该比例适用到各个额定的电流额定值中的每一个上以确定电路保护设备中的每一个的修正的额定的电流额定值。
14.根据权利要求12的系统，其中控制器被配置用于分别确定每一个电路保护设备中哪一个的修正的额定的电流额定值超过设备的额定的电流额定值。
15.根据权利要求14的系统，其中控制器被配置用于识别选定的电路，由于选定的电路包括具有设备的额定电流额定值和修正的额定的电流额定值之间的差值的电路保护设备，所以其在多个电路保护设备中是最大的。
16.根据权利要求12的系统，其中控制器被配置用于当比例大于1时产生输出信号。
17.根据权利要求12的系统，其中对保护选定的电路的电路保护设备进行操作以响应于输出信号。
18.一种用于保护电路保护设备的方法，该方法包括：
感应电路保护设备中的电流；
对应于被感应到的电流产生信号；
在电路保护设备的热特性和感应到的电流的基础上，对电路保护设备的累积的热负载进行估计；以及
如果累积的热负载超过电路保护设备的预定的最大热负载，则中断电流。
19.根据权利要求18的方法，其中预定的最大热负载实质上对应于电路保护设备的平均熔断时间。
20.根据权利要求18的方法，进一步包括在电路保护设备所负载的电流的热效应的基础上确定预定的最大热负载。
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