包括帶局部氣隙的電流互感器的斷路器的製作方法

2023-05-09 22:01:41 1

專利名稱：包括帶局部氣隙的電流互感器的斷路器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電流互感器，尤其涉及用在斷路器中的電流互感器。
有電子跳閘單元的常規斷路器通常包括位於給負載供電的配電系統的線路導體周圍的電流互感器。電流互感器有電連接到斷路器的電子跳閘單元的多匝次級繞組。次級繞組用來檢測所述線路導體中的電流過載或不平衡，並根據檢測情況，給跳閘單元提供與電流過載或不平衡成正比的輸出信號。根據收到的信號，跳閘單元開始中斷經線路導體供給負載的電流。次級繞組也能用來給斷路器的電子跳閘單元中的電子元件供給工作電源。
運行中，斷路器中的負載電流能覆蓋很寬的範圍。遺憾的是，用作電流互感器磁芯的通用磁性材料限制了檢測裝置的動態範圍。磁通量密度峰值在動態範圍上端是一個限制因素，而磁芯損耗/導磁率衰減限制了動態範圍的下端。對於所給定的磁芯材料和要求的精度，這些參數限制了電流互感器的工作範圍。要擴大動態範圍就要加大磁芯材料的體積和/或二次級繞組的匝數，這就增大了電流互感器的尺寸，這通常是很嚴重的。
通常用有環形磁芯的環形電流互感器。連續的環形磁芯能供給所需的全動態範圍。但是，在有跳閘單元的電流互感器中用這類磁芯的使用並不理想。跳閘單元需要加電而且在第1個半周就跳閘，因此，電流互感器的電流輸出必需要有大小一致的第1半周。換句話說，必須用輸出電流衰減最小的電流互感器。電流互感器要有連續的環形磁芯，要能供給所需的全動態範圍的工作電流，這種電流互感器還能提供不需要的顯著的剩磁衰減。剩磁是磁力停止後磁芯中剩餘的磁通密度。由於顯著的剩磁衰減與連續的環形磁芯相關，使用有這種磁芯的電流互感器不是很理想。
為了減少剩磁量，去掉部分磁芯給磁芯中加入氣隙，構成「C」形磁芯。但是，這樣做，氣隙會減小磁芯的飽和量，因而減小了電流互感器的工作電流範圍。
另一種通用的電流互感器有疊片結構的磁芯。為了防止磁芯在更高的電流電平變成飽和，採用價格昂貴的磁鋼片疊層。這些磁鋼片疊層的大小可以允許檢測短路電流但不會使磁芯飽和。有磁鋼片疊層磁芯的電流互感器，疊層磁芯傳送極小的剩磁衰減，但它們的使用不理想，因為，它們的工作範圍有限。
本發明的典型實施例中，電流互感器用於檢測電流並供給跳閘單元工作電源，它包括有頂表面和底表面的金屬芯，頂表面與底表面之差確定金屬芯的高度。金屬芯有由申通過高度的中心開口，中心開口的外邊點與金屬芯最近的外邊點之間的平面距離確定那點的金屬芯厚度。初級繞組穿過開口。次級繞組也通過開口延伸並環繞金屬芯的厚度，金屬芯中有局部氣隙。
該結構有許多超過現有技術的優點。用氣隙減小衰減，而仍保持最大的工作範圍。預先確定局部氣隙的大小，通過使剩磁衰減最小而同時又能電流工作範圍最大，使電流互感器的功能達到最佳。
參見附圖，幾個圖中相同的部分用同一數字指示。


圖1是包含按本發明的有局部氣隙的環形磁芯的電流互感器的斷路器的頂部透視圖；圖2是現有技術的環形磁芯電流互感器的透視圖；圖3是現有技術環形磁芯電流互感器的透視圖；圖4是按本發明的有局部氣隙的環形磁芯的電流互感器的透視圖；圖5是圖4的有局部氣隙環形磁芯的頂視圖；圖6是沿圖5中6-6線剖開的有局部氣隙的磁芯的剖視圖；圖7是按本發明的有局部氣隙的環形磁芯的第1替換例的透視圖；圖8是按本發明的有局部氣隙的環形磁芯的第2替換例的透視圖；圖9是按本發明的有局部氣隙的環形磁芯的第3替換例的透視圖；圖10是按本發明的有局部氣隙的環形磁芯的第4替換例的透視圖；圖11是按本發明的有局部氣隙的環形磁芯的第5替換例的透視圖；圖1示出模塑蓋12固定到模塑外殼14上構成的斷路器10。斷路器10還包括輔助蓋16和外部夠得著的操作柄18，它可以經斷路器操作機構(沒畫)手動控制可移動觸點20相對於固定觸點22的開關狀態。打開時，觸點20,22中止流過裝在斷路器蓋12中的電子跳閘單元24的電流。
用設在構成與外部配電電路(沒畫)連接的負載條28周圍的電流互感器38給配電電路中的電流取樣。設置安裝在輔助蓋16下面的電子跳閘單元24來接收從電流互感器38取樣的電流。當取樣電流表明在配電電路中有過電流狀態時，電子跳閘單元24給機電式傳動機構(沒畫)提供跳閘信號。響應跳閘信號，機電式傳動機構斷開斷路器操作機構。一旦斷開，操作機構斷開觸點20和22，因此，中止流過配電電路的電流，保護配電電路不被過電流狀態損壞。斷路器10的操作是已知的。
為易於說明，圖1畫了一個電流互感器38，但是，可以理解多相配電系統中每一相有一個電流互感器。電流互感器38給電子跳閘單元24既要提供工作電源也要供給電流取樣。
圖2是現有技術的電流互感器26。通常需要測量有極寬動態範圍的負載電流時，通常用圖2所示的有環形磁芯30的互感器26。通常電流互感器26的環形磁芯30用磁鋼帶繞制而成。變壓器芯所需的材料應有高磁通密度而且溫升要在規定的限制範圍內。一旦適當地繞成了磁芯就用點焊並塗敷精製材料使它固定在一起。
參見現有技術的圖2，電流互感器26的磁芯30包圍負載條28，它也作為初級繞組，而且次級繞組32包封磁芯30。負載電流覆蓋極寬的動態範圍時，有環形磁芯30的電流互感器26可操作，但是，剩磁衰減作用會很明顯。
為了減小剩磁衰減，如圖3的現有技術所示，磁芯30通常要加氣隙34以構成有氣隙的磁芯36。構成磁芯30的材料有磁滯回線或B-H回線，以確定材料的磁通密度，矯頑力，達到飽和導磁率所需的驅動電平量。磁芯30加氣隙34，通過減小磁通量和允許更嚴密控制剩磁來剪切B-H回線。加氣隙32有助於減小剩磁衰減量，但是，氣隙32也減小了氣隙磁芯36出現飽和的等級，因而減小了電流互感器26的操作範圍。
參見圖4，本發明的電流互感器38包括被有局部氣隙的磁芯40包圍的負載條或初級繞組28，有局部氣隙的磁芯40是磁芯30中加氣隙42構成的。次級繞組32包圍有局部氣隙的磁芯40。如現有技術中看到的，本發明的環形磁芯40通常用磁鋼帶繞制而成，製造互感器芯用的那些規定材料有高磁通密度而且溫升在限定範圍內。一旦適當地繞成了磁芯40就用點焊和塗精製材料。
參見圖5和6，有局部氣隙的磁芯40包括外徑44和內徑46，在外徑44與內徑46之差的1/2處確定為有局部氣隙的磁芯40的厚度48。此外，有局部氣隙的磁芯40包括頂表面50和底表面52，它們之間的差是有局部氣隙的磁芯40的高度54。磁芯40的厚度48中的開口規定是局部氣隙42的寬度56。
局部氣隙42的大小隨電流互感器38所要求的最佳程度變化。若電流互感器能在基本要求的範圍內操作，則可用較小的局部氣隙42。但是，如果主要要求是減小剩磁衰減，就要用較大的局部氣隙42。所示實施例中，局部氣隙42穿過磁芯40的整個厚度48延伸，寬度56約為0.010英寸，高度55是高度54的3/4。寬度56在0.010至0.020英寸的範圍內，高度55在高度54的1/3至3/4之間更好。寬度56和高度55可隨電流互感器38所規定的應用情況變化。
圖4-6畫出的有局部氣隙的磁芯40，是在有局部氣隙磁芯40的頂表面50上取向的有局部氣隙42的環形磁芯。顯然其它類形的磁芯也能用，而且，局部氣隙42可在有局部氣隙的磁芯40上有不同的取向，局部氣隙42可能取向的實例如圖7-11所示。
圖7示出局部氣隙42在有局部氣隙的磁芯40的底表面52上取向穿過磁芯40的整個厚度48延伸並部分通過磁芯40的高度54。圖8示出局部氣隙42在磁芯40的外徑44上取向穿過磁芯40的整個高度54並部分通過磁芯40的厚度48。圖9示出局部氣隙42在磁芯40的內徑46上取向穿過磁芯40的整個高度54和部分通過磁芯40的厚度48。圖10示出局部氣隙42按一定角度通過磁芯40，起點在頂表面的內徑上，終點在底表面的外徑上。最後，圖11示出局部氣隙42按一定角度通過磁芯40，起點在頂表面外徑上，終點在底表面內徑止。
用有局部氣隙的磁芯40的電流互感器38能使負載電流的操作動態範圍達到最佳也能使剩磁衰減達到最佳。即，可使負載電流的操作動態範圍最大，同時使剩磁衰減量達到小。局部氣隙42保持磁芯40的一部分沒有磁化，因而使剩磁作用減至最小。範圍是橫截面積的函數，完整的氣隙34如圖3所示，在磁芯36中提供高磁阻抗通路，並使電流互感器26在較低量飽和。局部氣隙42提供某些阻抗，該阻抗小到不能引起飽和量的明顯減小。
要知道，本領域的技術人員在要求保護的發明範圍內會對這裡所述的優選實施例進行改進。本發明已用其具體的實施例加以說明，但發明不限於這些實施例，本發明精神和發明範圍將覆蓋很廣的範圍。
權利要求
1.電流互感器(38)，用於檢測電流並給電子跳閘單元(24)提供操作電源，包括金屬芯(40)，有頂表面(50)和底表面(52)，它們之間的差確定金屬芯(40)的高度(54)，金屬芯(40)有延伸通過高度(54)的中心開口，中心開口上外邊點與最接近的裡邊點之間的平面距離確定金屬芯(40)在那點的厚度(48)；初級繞組(28)，它貫穿開口；次級繞組(32)，它延伸穿過開口並包圍金屬芯(40)的厚度(48)；和局部氣隙(42)，它有通過金屬芯(40)的厚度(48)延伸和部分通過金屬芯(40)的高度(54)的預定寬度(56)。
2.按權利要求1的電流互感器(38)，其中，金屬芯(40)是環形。
3.按權利要求2的電流互感器(38)，其中，局部氣隙(42)的寬度(56)是0.010英寸，高度約是金屬芯(40)的高度(54)的3/4。
4.按權利要求2的電流互感器(38)，其中，局部氣隙(42)的寬度(56)是0.010英寸，高度範圍是金屬芯(40)的高度的1/3至3/4。
5.斷路器(10)組件，包括外殼(14)，有可拆卸蓋(12)；固定觸點(22)和可移動觸點(20)，它們在外殼(14)中取向，其中可移動觸點(20)在被保護的電路中檢測到過流狀態時與固定觸點(22)分開；電子跳閘單元(24)，在蓋(12)中取向，其中，電子跳閘單元(24)用於檢測保護電路中的過電流狀態並控制可移動觸點(20)；和電流互感器(38)，在外殼(14)中取向，並電連接到電子跳閘單元(24)，其中，電流互感器(38)包括金屬芯(40)，有頂表面(50)和底表面(52)，它們之間的差確定金屬芯(40)的高度(54)，金屬芯(40)有中心開口，它通過高度(54)延伸，中心開口的外邊點，和最接近的裡邊點之間的平面距離確定金屬屬芯(40)在那點的厚度(48)；初級繞組(28)，它穿過開口；次級繞組(32)，它穿過開口和金屬芯(40)的整個厚度(48)延伸；和局部氣隙(42)，有穿過金屬芯(40)的厚度(48)和部分穿過金屬芯(40)的高度(50)延伸的預定寬度(56)。
6.按權利要求5的斷路器(10)組件，其中，金屬芯(40)是環形。
7.按權利要求6的斷路器組件(10，還包括、負載條，它與外部配電電路連接，其中，負載條有初級繞組(28)的功能。
8.按權利要求7的斷路器組件(10)，其中，局部氣隙(42)的寬度(56)是0.010英寸，高度約為金屬芯(40)的高度(54)的3/4。
9.按權利要求7的斷路器組件(10)，其中，局部氣隙(42)的寬度(56)是0.010英寸，高度範圍是金屬芯(40)的高度(54)的1/3到3/4。
全文摘要
有電子跳閘單元的斷路器組件,在保護電路中用於檢測過電流狀態。電子跳閘單元電連接到用於檢測電流和給電子跳閘單元提供工作電源的電流互感器。電流互感器有金屬芯,金屬芯有頂表面和底表面,它們之間的差確定芯的高度。金屬芯有延伸穿過高度的中心開口,中心開口的外邊點和最接近芯的外邊點之間的距離確定那點處的芯的厚度。初級繞組穿過金屬芯開口,次級繞組圍繞金屬芯的厚度。在金屬芯加局部氣隙使開口區達到最大同時使剩磁衰減最小,以使電流互感器的使用壽命最長。
文檔編號H01F38/28GK1313614SQ0111732
公開日2001年9月19日 申請日期2001年3月6日 優先權日2000年3月6日
發明者A·J·梅瑟爾利, Z·吉戴 申請人:通用電氣公司