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CN114144953B - 具有电流隔离的固态断路器 - Google Patents

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CN114144953B CN202080043017.9A CN202080043017A CN114144953B CN 114144953 B CN114144953 B CN 114144953B CN 202080043017 A CN202080043017 A CN 202080043017A CN 114144953 B CN114144953 B CN 114144953B
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Abstract

本申请涉及具有电流隔离的固态断路器。具有电流隔离能力的固态断路器(SSCB)包括具有线路侧端子和负载侧端子的电气总线以及在线路侧端子与负载侧端子之间与可闭合气隙串联连接的固态器件。在正常工作条件期间，固态器件被切换为打开，并且SSCB迫使SSCB内部的可移动触点闭合气隙，使得在线路侧端子与负载侧端子之间保持电流路径，并且允许电流流过SSCB和附接负载。当在负载电路中发生短路或不可接受的长持续时间的过载时，SSCB将固态器件切换为关闭，以防止电流流过负载，并释放可移动触点以打开气隙，从而在线路侧端子与负载侧端子之间建立电流隔离。

Description

具有电流隔离的固态断路器
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年6月13日提交的美国临时专利申请No.62/860,913和2019年6月13日提交的美国临时专利申请No.62/860,916的权益。
技术领域
本申请涉及一种固态断路器。
背景技术
断路器用于配电(electrical distribution)系统，以保护电路及其负载免于短路和过载。传统的断路器本质上是机电式的，通常包括：电磁铁，当发生短路时，该电磁铁尽可能快地将断路器的触点分开；以及热响应双金属片，当过载在电路中持续不可接受的长持续时间后，该热响应双金属片将断路器的触点分开。
尽管传统的断路器已经广泛使用多年，并且在隔离故障方面是有效的，但是它们具有的一个显著缺点是它们响应缓慢(通常需要几毫秒来做出响应并隔离故障)。缓慢的反应时间是不可取的，因为它增加了电路电线着火、损坏电气设备以及电弧闪光的可能性的风险，这会使触点熔化并重新焊接在一起，并且在一些情况下，甚至会导致断路器发生爆炸。为了防止这些问题，传统断路器(尤其是在高电压环境中使用的断路器)通常包括某种电弧控制装置，诸如分隔和冷却电弧的灭弧室、吹灭电弧的压缩空气、包围断路器的触点的充油室，或通过电弧喷射汽化油的喷射室。
为了克服困扰传统断路器的各种问题，近年来已经努力使高功率半导体(即，“固态”器件)适用于断路器应用。固态器件很有吸引力，因为它们能够在约几微秒内中断电流流动，相比之下，传统的断路器通常需要几毫秒才能跳闸。快速的反应时间降低了火灾和电气设备损坏的风险，并且如果对固态器件进行适当控制，则实际上可以消除电弧闪光的可能性，从而排除对大型且笨重的电弧控制装置的需要。固态器件的电流-电压特性也很精确，并且从一个部分到另一部分几乎没有变化，这与传统机电式断路器不同，由于传统机电式断路器的热结构、磁结构和机械结构，所以该传统机电式断路器的时间-电流特性表现出很大的差异，即使在同一制造商提供的相同类型和额定值(rating)的断路器之间也是如此。
尽管固态器件提供了许多优于传统机电型开关的重要优点，但是在它们能够成功地用作断路器之前以及在它们可以合法部署在任何实际的配电系统中之前，必须解决和克服各种技术和监管问题以及挑战。本发明解决了这些挑战和问题并为这些挑战和问题提供了解决方案。
发明内容
具有电流隔离(galvanic isolation)能力的固态断路器(SSCB)包括具有线路侧端子和负载侧端子的电气总线以及在线路侧端子与负载侧端子之间与可闭合气隙串联连接的固态器件。在正常工作条件期间，固态器件被切换为打开，并且SSCB迫使SSCB内部的可移动触点闭合气隙，使得在线路侧端子与负载侧端子之间保持电流路径，并且允许电流流过SSCB和附接负载。当负载电路中发生短路或不可接受的长持续时间的过载时，SSCB将固态器件切换为关闭，以防止电流流过负载，并释放可移动触点以打开气隙，从而在线路侧端子与负载侧端子之间建立电流隔离。
现在将参照附图详细描述本发明(包括对本发明的以上总结的和其它示例性实施方式的详细描述)的进一步的特征和优点，其中，使用相同的附图标记来表示相同或功能相似的要素。
附图说明
图1A和图1B是根据本发明的一个实施方式的具有电流隔离能力的固态断路器(SSCB)的侧立体图；
图2是图1A和图1B中所描绘的SSCB的分解图；
图3是例示了根据本发明的一个实施方式如何将图1A、图1B和图2中描绘的SSCB的线路侧端子配置为连接至配电面板中的“堆叠”母线(busbar)，线路侧端子上的压配合安装销如何配合到堆叠母线中的匹配压配合安装插座，以及SSCB如何连接至配电面板中的通信和控制(comm/control)总线的立体图；
图4是图3中局部描绘的母线的放大立体图；
图5是例示了图1A和图1B中描绘的SSCB如何容纳在外壳内的立体图，该外壳具有前面板，该前面板具有切口，该切口示出并提供到电子显示器、开启/关闭/备用按钮/指示器、释放按钮和复位按钮的接近(access)；
图6是图5所描绘的所容纳的SSCB的线路侧立体图，突出显示了根据本发明的一个实施方式的插入配电面板中的母线的压配合安装销和用于将SSCB的导热散热器(heatspreader)安装至配电板热沉(heatsink)的弹簧加载螺钉；
图7是图5中所描绘的所容纳的SSCB的负载侧立体图，突出显示了用于附接至负载的负载侧连接接线片、用于将SSCB的导热散热器安装至配电板热沉的弹簧加载螺钉以及连接至配电面板内的comm/control总线的comm/control总线连接器；
图8是根据本发明的一个实施方式的部署在SSCB中以允许或中断通过SSCB和附接的负载的电流流动的固态器件的一个实现方式的示意图；
图9A、图9B和图9C是例示了根据本发明的一个实施方式如何将图1A、图1B和图2中描绘的SSCB配置为在开启状态、关闭状态和备用状态下工作的图；
图10和图11是示出了根据本发明的一个实施方式的在图1A、图1B和图2中所描绘的SSCB的气隙组件的主要(salient)部件的立体图；
图12是图10和图11中所描绘的气隙组件的一部分的侧视图；
图13是图1A、图1B和图2中所描绘的SSCB的触点组件的一部分的立体图，除了其它项之外，还突出显示了当SSCB的气隙组件脱离(disengage)时存在的气隙，以及有助于最大限度地减少SSCB气隙打开的时间期间的跨SSCB的气隙的电弧以及SSCB的整体尺寸和占地面积两者的非导电塑料阻挡件的存在和定位；
图14是描绘可以在SSCB中使用以打开/闭合SSCB的气隙的单点型连接器而不是在图1A、图1B和图2中描绘的SSCB的示例性实施方式中使用的桥型连接器的图；
图15是图1A、图1B和图2中描绘的SSCB的简化框图，突出显示了SSCB的控制板(包括其微控制器)，以及微控制器与SSCB的其它部件的关系；以及
图16是描绘了本发明的一个实施方式中的SSCB如何仅由几个紧凑的子组件构成的图，所述子组件可以仅以少量的可重复步骤快速且可靠地组装。
具体实施方式
参考图1A至图1B和图2，示出了根据本发明的一个实施方式的固态断路器(SSCB)100的立体图(图1A和图1B)和分解图(图2)。SSCB 100的主要部件包括：前面板102；控制板104；机械气隙组件106；驱动器板108；浪涌保护板110；线路输入(即，线路侧)端子112；铜总线114；桥接触点116；FET(场效应晶体管)功率模块118；S形弯曲部(S-bend)120；电流感测板122；线路输出(即，负载侧)端子124；负载连接接线片126；以及导热散热器128。注意，这里描绘的SSCB 100的示例性实施方式是三相装置。因此，存在三个线路输入端子112、铜总线114中的三个铜传输线路、具有六个桥接触点116的三个桥接件145(每个桥接件145两个触点116)、通过FET功率模块118的三个固态器件电流流动路径、三个S形弯曲部120、三个电流感测板122、三个线路输出端子124和三个负载侧连接接线片126。SSCB的单相版本将仅具有这些项中的每一项中的一个并且可能具有其它部件，如本领域普通技术人员将领会和理解的。还请注意，图1A和图1B描绘了气隙组件106分别“接合”和“脱离”的SSCB 100。下面提供这两种状态的详细描述以及气隙组件106如何工作的详细描述。
SSCB 100被设计为使得其线路输入端子112可以容易地连接至配电板(即，配电面板)中的三相“热”母线。在本发明的一个实施方式中(在图1A、图1B和图2中描绘)，线路输入端子112包括导电压配合安装/连接销127，其插入母线130中的匹配销安装插座132，如图3所例示。母线130(其可以在图4的放大立体图中更完整地看到)包括三个导电(例如，铜)层(或“条”)，该三个导电层彼此堆叠，中间具有电绝缘层。通过堆叠各个层，母线130和SSCB100(和其它SSCB)在配电板中占据的空间和面积被最小化。请注意，每个销安装插座132具有导电表面或套管，其电连接至堆叠的条之一(即，堆叠中的导电层之一)，并且尺寸被设计为与SSCB 100的对应导电压配合连接销127之一配合(即，容纳SSCB 100的对应导电压配合连接销127之一)。当SSCB 100安装在配电板中时，电源电缆可以连接并从负载路由至线路输出端子124的连接接线片126。
优选地，SSCB 100被封闭在壳体(即，“外壳”)内，如图5至图7所例示。图7(其是封闭的SSCB 100的负载侧立体图)示出了负载侧连接接线片126。图7还示出了保护与SSCB100的控制板104电连通(例如，通过线束的方式)的电气通信和控制(comm/control)总线连接器(未示出)的comm/control总线屏蔽件135。该comm/control总线连接器被设计为使得其可以连接至沿配电板中的comm/control总线139配置的匹配comm/control总线连接器137之一(参见图3)。所述comm/control总线139为SSCB 100提供了与本地或远程计算机进行通信并由其控制的能力，类似于共同转让的题为“Hybrid Air-Gap/Solid-StateCircuit Breaker”的美国专利No.10,541,530和共同转让的题为“Dynamic Coordinationof Protection Devices in Electrical Distribution Systems”的美国专利No.10,276,321中所描述的，两者均通过引用并入本文。所述comm/control总线139(其例如可以是IC间(I2C)或控制器局域网(CAN)总线)还允许本地或远程计算机进行除其它操作之外的如下操作：编程和指导SSCB 100的控制板104上的微控制器148的控制和操作；将唯一的电子地址和/或其它电子标识符单独分配给SSCB 100(从而允许知道或确定SSCB 100在配电板中的确切物理位置)；确定SSCB 100的跳闸和工作状态(例如，开启、关闭或备用)；命令SSCB 100脱离机械气隙组件106；命令SSCB 100将FET功率模块118中的FET切换为接通和关断(OFF)；测试、监测和/或记录SSCB 100的实时和非实时操作特性(例如，实时线路电流、线路输入和线路输出电压、FET功率模块118的工作温度等)；诊断SSCB 100可能经历或遇到的与性能相关的问题；设置、操作和允许人员(例如，电工或工程师)手动设置和更改SSCB 100的跳闸设置；并允许人员定义、更改和控制在SSCB 100的电子显示器178上显示的信息。请注意，本地或远程计算机可以是任何类型的计算机，包括大型主机计算机、台式计算机、膝上型计算机、手持式计算机、平板计算机、智能手机等，并且comm/control总线139可以包括、包含和/或被配置为连接至任何一个或更多个有线和/或无线网络以及通过任何一个或更多个有线和/或无线网络进行通信，所述一个或更多个有线和/或无线网络包括局域网(LAN)、广域网(WAN)、蜂窝网络、互联网等。
图6(其是封闭的SSCB 100的线路侧立体图)示出了插入母线130的销安装插座132中以促进和简化SSCB 100在配电板中的安装的压配合安装销127。图6和图7还例示了SSCB的外壳如何配备(即，“保持”)四个弹簧加载螺钉134。弹簧加载螺钉134中的两个弹簧加载螺钉被保持在负载侧外壳件202中(如图7和图16所示)，并且另外两个弹簧加载螺钉134被保持在线路侧外壳件200中(如图6和图16所示)。四个弹簧加载螺钉134用于将SSCB 100安装至配电板，并且在本发明的一个实施方式中，SSCB 100的导热散热器128(其优选地由铝制成)被设计为使得其可以安装成与位于配电板背面的大型热沉直接物理接触。为了实现这一点，配电板的后壁的一部分被移除(例如，切除)，使得配电板热沉暴露在配电板的背面。以这种方式，散热器128不仅可以用作将热量从FET功率模块118传导出去的热沉，而且还可以用作安装板(或“块”)。当安装至配电板热沉时，SSCB的散热器128夹在FET功率模块118与配电板热沉之间并与它们直接物理接触。配电板热沉的暴露在配电板背面的部分具有四个螺纹接收孔，该螺纹接收孔用于接收保持在SSCB 100的线路侧外壳件200和负载侧外壳件202中的四个弹簧加载螺钉134。(注意配电板热沉的暴露在配电板背面的部分具有用于安装在配电板中的各个SSCB的四个接收孔。)根据本发明的一个实施方式，两个通孔136形成为穿过母线130(参见图3和图4)，并且另外两个通孔形成为穿过或靠近包围comm/control总线导轨139的导轨，从而允许SSCB的四个弹簧加载螺钉134中的两个穿过并拧入四个配电板热沉接收孔。通过在SSCB的线路侧上形成穿过母线130的两个通孔，并在SSCB的负载侧上形成穿过comm/control总线导轨或在其附近的另外两个通孔，SSCB 100和其它SSCB在配电板占用的空间体积被最小化。此外，使用四个弹簧加载螺钉134而不是没有弹簧的螺钉确保了导热散热器128被压紧且平坦地抵靠配电板热沉。弹簧加载螺钉134中的弹簧也防止螺钉被过度拧紧。为了增强远离FET功率模块118并且到配电板热沉的热传导，可以将热化合物施加至与FET功率模块118和配电板热沉直接物理接触的导热散热器128的一个或两个表面。另选地，在装配/安装过程期间，可以在SSCB的散热器128与配电板热沉之间插入热垫。因此，SSCB 100的弹簧加载螺钉134与其压配合安装销127一起确保将SSCB 100(以及相同类型的其它SSCB)安装到配电板的过程是简单、一致、可靠且可重复的。
应该提到的是，虽然本公开中描述的SSCB 100被设计用于装配/安装在配电板中，但在本发明的另一实施方式中，SSCB包括单断路器型外壳，该单断路器型外壳不是专门设计用于装配/安装在配电板中的。在该另选实施方式中，SSCB将不包括这里描述的示例性SSCB 100具有的允许其装配/安装在配电板中的所有各种设计特征。例如，单断路器型外壳不一定包括压配合安装/连接销127，并且不一定包括弹簧加载螺钉134来将SSCB安装至配电板热沉。
FET功率模块118包括多个固态器件，该多个固态器件确定被引导到线路输入端子112中的线路电流是否能够传递(即，流动)到SSCB 100的负载侧。图8是例示了如何在FET功率模块118中配置多个固态器件(本示例中为多个功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))的示意图。(本领域普通技术人员将领会并理解，虽然在该示例性实施方式中使用了MOSFET，但也可以另选地使用其它类型的固态器件(不一定是FET)。)三相中的每一者都包括一对背对背MOSFET 138。采用背对背MOSFET配置，因为它可以用于促进感应电机负载的软启动，类似于先前提到的共同未决和共同转让的美国专利申请No.15/443,736中所解释的。然而，就本发明而言，每个相中的单个固态器件将足以控制SSCB 100的线路输入侧与线路输出侧之间的电流流动。在图8描绘的示例性示意图中，金属氧化物变阻器(MOV)140连接在每对相之间，优选地在负载侧，并且瞬态电压抑制(TVS)二极管142连接在每个相中的每对MOSFET 138的两端。(注意，在图1A至图1B和图2中描绘的SSCB 100的示例性实施方式中，TVS二极管142和MOV 140安装在单独的浪涌保护板110上，而不是安装在FET功率模块118中的电路板上，尽管它们可以另选地包含在FET功率模块118中的电路板上。)在其它保护功能中，TVS二极管142和MOV 140抑制短路事件期间发生的电压浪涌以及“电流脉冲”技术期间可能出现的电压尖峰，SSCB 100可以配置为执行所述“电流脉冲”技术，以在机械断路器下游选择性地对它进行协调，如共同未决和共同转让的题为“SelectiveCoordination of Solid-State Circuit Breakers and Mechanical Circuit Breakersin Electrical Distribution Systems”的美国专利申请No.16/382,590(该美国专利申请以引用方式并入)中所讨论的。
图9A是示出了当SSCB 100被配置在闭合电路(其中负载连接至线路输出端子124的连接接线片126)中时线路电流之一在线路输入端子112与线路输出端子124之间遵循的电流流动路径的图。(注意，当SSCB 100处于此“状态”时，FET功率模块118中的MOSFET 138处于导通(ON)状态。)如图所示，在气隙组件106(下面详细描述)的机架(holster)146的远端处的桥接触点144与铜总线114上的对应桥接触点116物理接触和电接触并输入至FET功率模块118。(注意，各有三对桥接触点144和桥接触点116。因此在SSCB 100的该三相实施方式中总共存在十二个触点。参见图1A至图1B和图2)。如图9A所例示，进入线路输入端子112的线路电流沿铜总线114流动，通过第一对触点116/144，跨过由机架146保持的导电桥接件145，通过第二对触点116/144，通过FET功率模块118中的一对背对背MOSFET 138的漏-源路径，通过S形弯曲部120，最后到线路输出端子124。注意SSCB 100中的各个S形弯曲部120包括显著长度的在水平弯回线路输出端子124之前垂直向上延伸的导线(conductor)。S形弯曲部120的垂直延伸部分为安装电流感测板122提供了必要的长度和表面积，该电流感测板122优选地包括用于测量线路电流的霍尔效应传感器。(电流感测板122可以在图1A、图1B和图2中看到。)与使用较短长度的导线相比，S形弯曲部120的垂直延伸部分的显著长度还允许获得更准确的霍尔效应读数。最后并且重要地，S形弯曲部120的独特“S形”有助于最大限度地减少SSCB 100占用的占地面积和空间体积。
FET功率模块118中的MOSFET 138由驱动器板108(参见图1A、图1B和图2)上的驱动器驱动。在驱动器板108上产生的驱动信号经由从驱动器板108的底部延伸、穿过浪涌保护板110并最终到达MOSFET 138的栅极的馈通147(参见图1A)传输。电流感测板122上的电流传感器121(例如，霍尔效应传感器)对沿刚刚描述的线路电流路径流动的线路电流进行测量。在本发明的一个实施方式中，驱动器板108包括电流监测和检测电路(硬件)，其基于从电流感测板122接收到的电流测量结果来监测线路电流。如果电流监测和检测电路确定线路电流中的任一者上升到指示短路(或即将发生的短路)的水平，则该电流监测和检测电路生成选通禁用信号，以将FET功率模块118中的MOSFET 138切换为关断。在本发明的另一实施方式中，由电流感测板122获得的电流测量结果被引导至控制板104上的微控制器148。根据该另选的以软件为中心的方法，微控制器148被编程为基于它接收到的电流测量结果来确定线路电流中的任一者是否已上升到指示短路或即将发生的短路的水平。如果确定存在短路或即将发生的短路，则微控制器148命令驱动器板108上的驱动器立即将FET功率模块118中的MOSFET 138切换为关断。
除了具有通过将MOSFET 138切换为关断来中断电流流动的能力之外，SSCB 100还具有在线路输入端子112与线路输出端子124之间有意形成完全电流隔离的能力。FET功率模块118本身完全能够阻止线路电流流动。然而，由于当断路器处于“跳闸”状态时政府、监管和认证机构通常要求在断路器中存在电流隔离，因此SSCB 100配备有机械气隙组件106，当“脱离”时，该机械气隙组件在铜总线114与FET功率模块118的输入端之间形成气隙(电流隔离)。如图10至图12更清晰可见地，除其它项之外，气隙组件106包括大(即，高电容，例如，10000微法拉或更高)电容器150、螺线管152、机架146、旋转闩锁156、断开弹簧162、棘爪151、复位按钮168和释放按钮172。如下文将详细解释的，气隙组件106可以被触发以自动(通过螺线管152的动作)、手动(无需螺线管152的帮助但响应于人按下释放按钮172)或响应于来自本地或远程计算机(其被配置为经由comm/control总线139与SSCB 100交互)的命令而脱离。每当在SSCB 100的负载电路中检测到短路或其它电路异常(例如，不可接受的长持续时间的过载)时(无论是通过驱动器板108上的电路(硬件方法)还是通过控制板104上的微控制器148(以软件为中心的方法))，发生自动触发。在正常工作条件下，即，在检测到任何短路或其它异常之前，螺线管152的柱塞154延伸，并且绕枢轴158旋转的旋转闩锁156被定位成使得其保持机架146向下。更具体地，如图10最佳所示，当旋转闩锁156处于该“锁定”条件时，它与机架146的顶部唇缘170接合，从而保持机架146向下，使得气隙组件106“接合”，并且导电桥接件145底部上的桥接触点144与对应桥接触点116物理接触和电接触(如在图1A和图9A中可以更好地看出的)。然而，在发生短路或不可接受的长时间过载时，大电容器150(其被配置为使得其在正常工作条件下保持充电并准备就绪)跨螺线管152的线圈切换，例如，通过关闭与大电容器150和线圈串联连接的开关(图中未示出)。当大充电电容器150跨螺线管152的线圈切换时，大量电流开始流过线圈，这进而产生磁场，该磁场使螺线管152将其柱塞(即，“活塞”)154拉入螺线管壳体内部。绕枢轴158(参见图12中的枢轴158)旋转的旋转闩锁156连接至螺线管152的柱塞(即，“活塞”)154的远端。因此，当螺线管152将其柱塞154拉入内部时，旋转闩锁156绕枢轴158旋转，从而导致其摆动离开并从机架146的顶部唇缘170释放。现在没有任何东西将机架146保持向下，正常压缩的断开弹簧162然后能够解压缩并将机架146抬起。比较图10与图11、图12，它们分别示出了处于锁定位置(图10)和未锁定位置(图11和图12)的旋转闩锁156。当处于未锁定位置时(气隙组件106脱离并且机架146处于“向上”位置)，导电桥接件145底部上的触点144不再与下方的匹配桥接触点116接触(图1B和图9B中描绘的状态)。因此，在线路输入端子112与线路输出端子124之间实现了完全的电流隔离(即，以及“气隙”)。应该提到的是，因为FET功率模块118中的MOSFET138在气隙组件106能够脱离并形成气隙之前被切换为关断，则不可能跨气隙产生电弧闪光。因此，完全避免了在SSCB 100中需要大型且笨重的电弧控制装置。还应该提到的是，旋转闩锁156比其它类型的保持和释放机构(例如，仅在一个线性方向上移动的保持/释放机构，诸如在一个平面上仅横向(例如，前后)移动的保持/释放机构)占据更少的空间。因此，SSCB 100设计的这一方面进一步有助于最大限度地减少SSCB 100的占地面积。
如图9A至图9C所示和例示的，在铜总线114与FET功率模块118的线路侧输入端之间存在物理且永远存在的间隙164。在本发明的一个实施方式中，非导电塑料“阻挡件”166被插入到该间隙164中。阻挡件166(其显示为存在于以上描述和描绘的SSCB 100的示例性实施方式中)(例如，参见图1A和图1B中的“阻挡件166”)是比是空气更有效的电流隔离器，因此，对于给定的电流，提供电流隔离(不可能跨间隙164产生电弧)所需的间隙164的宽度小于不存在阻挡件166的情况。较小的间隙164是合乎需要的，因为它有助于最小化SSCB100的整体尺寸和占地面积。注意，当存在阻挡件166时，间隙164当然不会被空气占据。然而，在气隙组件106脱离(机架146处于“向上”位置)期间，在铜总线114与FET功率模块118的输入端子之间仍然形成气隙。具体地，如在图13中的特写图中可以更好地看出的，在阻挡件166上方和横向围绕阻挡件166的外侧的空间体积中仍然存在气隙。这些气隙路径比间隙164的宽度长。因此，对于给定宽度的间隙164，使用阻挡件166有效地增加了当气隙组件106脱离时在铜总线114与FET功率模块118的线路侧输入端之间形成的气隙的宽度。
桥型连接器144/145只是可以用于桥接间隙164的各种方法中的一种。在本发明的另一实施方式中，使用类似于图14中所描绘的单点型连接器167。相反，不是形成跨间隙164的导电桥接件145，而是保持/释放构件161向下推动臂163，从而绕铰链165旋转它以闭合单点触点169。因为只存在单点触点，而不是每个桥型连接器144/145需要的两个触点，所以只需要一半的力来将触点169向下保持和维持在闭合(接合)位置。注意，在本发明的一个实施方式中，保持/释放构件161的底端永久地附接至臂163的远端并且断开弹簧用于向上拉动保持/释放构件161，类似于上述桥型连接器方法中断开弹簧162如何向上拉动机架146。在本发明的另一实施方式中，保持/释放构件161不是永久地附接至臂163，而是在气隙组件106接合时简单地推靠臂163。根据该另选方法，弹簧或其它致动构件被配置在臂163下方，以在气隙组件106脱离过程期间推动触点169打开，从而在线路输入端子112与线路输出端子124之间建立电流隔离。
在气隙组件106已脱离(机架146处于“向上”位置)后，它可以通过按下复位按钮168重新接合(机架146处于“向下”位置)，如图1B所示，该复位按钮168从SSCB 100的内部延伸穿过前面板102。按下复位按钮168迫使机架146远端上的桥接触点144与下方配合桥接触点116进行物理接触和电接触，从而移除气隙并重新建立线路输入端子112与线路输出端子124之间的导电路径。当复位按钮168被压入外壳时，复位按钮168接合机架146并重新压缩断开弹簧162。它还接合旋转闩锁156，该旋转闩锁156通过绕枢轴158旋转以再次接合机架146的顶部唇缘170来做出响应。(参见示出了处于“接合”位置的气隙组件106的图1A和图9A以及示出了处于“锁定”位置的旋转闩锁156的图10。)应该提到的是，在短路或不可接受的过载期间，旋转闩锁156被配置为使该旋转闩锁156接合棘爪151。当接合时，即使按下并按住复位按钮168，在存在短路或不可接受的过载期间，也不能迫使机架146向下返回以重新接合气隙组件触点。此功能防止人员尝试使SSCB 100超出其能力范围工作，从而使SSCB100成为“无跳闸”断路器。
每当SSCB 100检测到短路时，螺线管152自动触发气隙组件106，以脱离并提供SSCB 100的线路输入端子112与和线路输出端子124之间的电流隔离。在本发明的一个实施方式中，气隙组件106也可以手动(由人)脱离，具体地，通过按下释放按钮172(参见图1A至图1B和图2)。当按下释放按钮172时，连接构件174推靠旋转闩锁156上的凸轮表面155，从而导致旋转闩锁156绕枢轴158旋转，但在复位(“接合”)气隙组件106时它沿相反旋转方向旋转。这导致旋转闩锁156从机架146的顶部唇缘170释放(脱离)，并允许断开弹簧162，以解压缩并提升机架146以形成气隙(在图1B、图11和图12中描绘的SSCB 100的状态)。当机架146提升时，它也推动并抬起复位按钮168，以暴露上锁挂牌(LOTO)孔175，维修或维护(维修/维护)工人可以通过该LOTO孔插入挂锁或其它锁定装置，以完成LOTO安全程序。(注意，无论气隙组件106是自动脱离(通过螺线管152的动作)还是手动脱离(通过人按下释放按钮172)，复位按钮168都会弹出以示出LOTO孔175。)完成LOTO安全程序确保了维修/维护工人或其他人不会无意地或意外地重新接合气隙组件106。在完成维修/维护后，维修/维护工人然后可以移除挂锁或其它锁定装置并通过将复位按钮168推回到SSCB外壳中来重新接合气隙组件106。
在手动脱离气隙组件106之前，优选地首先将FET功率模块118中的MOSFET 138转换为关断，使得不会跨间隙164产生电弧。为了实现这一点，在本发明的一个实施方式中，释放按钮172配备有根据释放按钮172的物理位置断开和闭合的微动开关(图中未示出)。微动开关与控制板104上的微控制器148电连通，从而允许微控制器148监测微动开关的状态(断开或闭合)。只要释放按钮172处于其自然状态(未按下)，微型开关就保持闭合。然而，一旦按下释放按钮172，微动开关就断开，并且当微控制器148检测到微动开关已经断开时，它立即通过指示驱动器板108上的驱动器将FET功率模块118中的MOSFET 138切换为关断来做出响应。在该过程中，MOSFET 138被非常快速地切换为关断，远在气隙组件106能够将机架的桥接触点144与对应触点116脱离之前。以这种方式，避免了跨间隙164的电弧。注意，在SSCB100的优选实施方式中，使用了两个触觉机械开关153(两个用于冗余)(参见图2)。
控制板104用作SSCB 100的“大脑”并执行多种功能，而不仅仅是检测释放按钮172上的微动开关是断开还是闭合。控制板104上的中心和最重要的部件是微控制器148。图15是SSCB 100的简化框图，突出显示了控制板104和微控制器148与SSCB 100的其它部件的关系。除了微控制器148之外，控制板104包括非暂时性计算机可读介质(CRM)176，该非暂时性计算机可读介质(CRM)176包括用于存储指导微控制器148的操作的固件的闪存和/或电可擦除只读存储器(EPROM)，以及微控制器148在执行固件指令时使用的随机存取存储器(RAM)。非暂时性CRM 176可以在微控制器148的外部(如图15所示)、嵌入在微控制器148中或者可以包括部分嵌入在微控制器148中并且部分在微控制器148外部的非暂时性CRM。CRM176被配置为存储指导微控制器148的总体操作的计算机程序指令；指示微控制器148是否、如何以及何时与SSCB 100中的其它电气部件交互的指令；以及允许它经由comm/control总线139与其它装置(例如，外部计算机)进行通信并受其控制的指令和协议。在本发明的一个实施方式中，计算机程序指令还包括指导微控制器148如何对从电流感测板122接收到的电流测量信息做出响应的指令，并且具体是指导微控制器148和控制板104上的显示驱动器如何操作以显示非实时和实时信息(例如，由附接负载汲取的实时线路电流和/或电子显示器178上的跳闸状态(开启、关闭或备用))的指令。如图5最佳所示的，电子显示器178安装在通过前面板102形成的第一切口中。优选地，电子显示器178是电子墨水显示器，其是即使显示器的电力被中断或完全移除也允许当前正显示的信息继续显示的显示技术。前面板102还包括用于开启按钮180/关闭按钮182/备用按钮184的第二切口、第三切口和第四切口。(注意带状电缆186提供控制板104与开启按钮180/关闭按钮182/备用按钮184之间的电连接。)
在本发明的一个实施方式中，开启按钮180/关闭按钮182/备用按钮184是半透明的并且分别为绿色、红色和黄色，并且发光二极管(LED)(图中未示出)配置在每个按钮下方。因此，无论哪个LED被点亮，都指示并强调SSCB 100的当前状态。具体地，当按下开启按钮180(带有“I”指示器的绿色按钮)开启并点亮其下方的LED时，绿色强调表示：SSCB 100处于完全工作状态(FET功率模块118中的MOSFET 138接通并且气隙组件106接合，如图9A所示)。当按下备用按钮184(标有“X”的黄色按钮)并点亮其下方的LED时，黄色强调表示SSCB100处于备用状态(气隙组件106接合，但FET功率模块118中的MOSFET 138关断，如图9C所示)。(注意，如果需要，则可以通过简单地推动开启(绿色)按钮180来实现从备用状态到开启状态的转变。)最后，当气隙组件106脱离且FET功率模块118中的MOSFET 138处于关断状态(参见图9B)时，关闭红色按钮182(在这里描述的SSCB 100的示例性实施方式中，它实际上不是可按下的按钮(但可以是另选设计))由其下方的LED点亮。红色强调表示SSCB 100处于“跳闸”状态，即，完全关闭状态(FET功率模块118中的MOSFET 138关断并且气隙组件106脱离)。关闭红色按钮182不需要是可按下按钮的原因是该功能已经由释放按钮172提供，如上所述，当被按下时，该释放按钮会导致SSCB的电子设备和驱动器电路将FET功率模块118中的MOSFET 138切换为关断，之后很快触发气隙组件106脱离并且升高线束146，使得在SSCB的线路输入端子112与线路输出端子124之间存在电流隔离。
阻挡件166、S形弯曲部120和旋转闩锁156都有助于最小化SSCB 100占据的总占地面积和空间体积，这是尤其重要的，因为SSCB 100通常(尽管不总是)安装在配电板中，其内部空间通常非常有限。为了进一步最小化SSCB 100的整体尺寸和占地面积，在本发明的一个实施方式中，SSCB 100的所有各种部件都被构造成仅仅几个紧凑的子组件，然后可以以几个简单且可重复的步骤组装该子组件。在一个特定实施方式中，SSCB 100仅包括三个子组件(参见图16)：1)前面板组件192；2)气隙子组件194和3)FET子组件196。气隙子组件194包括螺线管152、充电电容器150、机架146、桥接触点144、导电桥接件145、旋转闩锁156、复位按钮168和释放按钮172。FET子组件196包括驱动器板108、浪涌保护板110、线路输入端子112、铜总线114、阻挡件166、FET功率模块118、具有附接电流感测板122的S形弯曲部120和导热散热器128。最后，前面板组件192包括控制板104和具有开启按钮180/关闭按钮182/备用按钮184的面板102。气隙子组件194的边缘滑入形成在线路输入外壳件200和线路输出外壳件202中的凹槽/槽198中，并且线路输入外壳件200和线路输出外壳件202使用螺钉(未示出)固定在一起。然后将前面板组件192附接至线路输入外壳件200和线路输出外壳件202(再次使用螺钉)。导热散热器128用作后外壳，并且如上面详细解释的，用作散热器和用于将SSCB 100附接至配电板热沉的安装装置的双重目的。
虽然已经描述了本发明的各种实施方式，但是它们是通过示例而非限制的方式呈现的。对于相关领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对示例性实施方式进行形式和细节上的各种改变。因此，本发明的范围不应由示例性实施方式的细节限制，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。

Claims (39)

1.一种固态断路器SSCB，所述SSCB包括：
电气总线，所述电气总线包括线路侧端子和负载侧端子；
气隙和固态器件，所述气隙和所述固态器件串联连接在所述线路侧端子与所述负载侧端子之间；
触点保持件，所述触点保持件具有一个或更多个可移动触点；
气隙组件，所述气隙组件具有旋转闩锁机构，所述旋转闩锁机构被配置为在所述SSCB处于未跳闸状态的时间期间接合所述触点保持件并迫使所述一个或更多个可移动触点与所述电气总线上的一个或更多个匹配固定触点保持物理接触和电接触，从而闭合所述线路侧端子与所述负载侧端子之间的所述气隙；以及
控制器，所述控制器被配置为在所述SSCB检测到短路或不可接受的长持续时间的过载时触发所述气隙组件，并使所述旋转闩锁机构自动与所述触点保持件脱离，使得所述一个或更多个可移动触点不再被迫保持与所述一个或更多个匹配固定触点的物理接触和电接触，并且所述线路侧端子与所述负载侧端子之间的所述气隙被打开。
2.根据权利要求1所述的SSCB，所述SSCB进一步包括电流监测和检测电路，所述电流监测和检测电路与所述控制器分开，所述电流监测和检测电路被配置为监测在附接至所述负载侧端子的负载电路中流动的电流，并且在检测到所述负载电路中发生短路或即将发生短路时，在所述气隙组件被所述控制器触发后完成打开所述气隙之前，产生将所述固态器件切换为关闭的控制信号。
3.根据权利要求1所述的SSCB，其中，所述一个或更多个可移动触点包括一个或更多个导电桥接件，所述一个或更多个导电桥接件在所述SSCB处于所述未跳闸状态并且所述旋转闩锁机构接合所述触点保持件并迫使所述一个或更多个可移动触点与所述一个或更多个匹配固定触点保持物理接触和电接触的时间期间桥接所述气隙。
4.根据权利要求1所述的SSCB，其中，所述一个或更多个可移动触点包括一个或更多个单点型连接器。
5.根据权利要求1所述的SSCB，所述SSCB进一步包括释放按钮，所述释放按钮机械地连接至所述气隙组件，当被按下时，所述释放按钮使所述旋转闩锁机构与所述触点保持件手动脱离，并允许所述可移动触点与所述一个或更多个匹配固定触点物理地和电气地分开，从而打开所述气隙。
6.根据权利要求5所述的SSCB，所述SSCB进一步包括复位按钮，所述复位按钮机械地连接至所述气隙组件并且能够工作用于在所述SSCB已跳闸后将所述SSCB复位为所述未跳闸状态，其中，当被按下时，所述复位按钮使所述旋转闩锁机构旋转，重新接合所述触点保持件，并迫使所述一个或更多个可移动触点返回到与所述一个或更多个匹配固定触点物理接触和电接触。
7.根据权利要求6所述的SSCB，其中，所述复位按钮被配置为在所述控制器触发所述气隙组件以自动打开所述气隙时以及在所述释放按钮被按下以手动打开所述气隙时从容纳所述SSCB的外壳中弹出，并且其中，所述复位按钮包括上锁挂牌LOTO孔，一旦所述复位按钮从所述外壳中弹出，该LOTO孔就暴露出来。
8.根据权利要求7所述的SSCB，其中，所述气隙组件被配置为如果所述负载电路中存在短路或不可接受的长持续时间的过载或试图使所述SSCB在其预期或指定的工作能力之外工作，则阻止所述复位按钮被压入所述外壳中而复位所述SSCB。
9.根据权利要求1所述的SSCB，其中，所述电气总线包括一个或更多个弯曲部，所述一个或更多个弯曲部有助于最小化所述SSCB的体积或占地面积。
10.根据权利要求1所述的SSCB，所述SSCB进一步包括导热散热器，所述导热散热器与所述固态器件热接触，所述导热散热器用作所述SSCB的壁和用于将所述SSCB安装至配电面板中的热沉的安装板两者。
11.根据权利要求10所述的SSCB，其中，所述线路侧端子和所述负载侧端子配备有导电压配合安装销，所述导电压配合安装销被配置为插入到所述配电面板的母线中的匹配销安装插座中。
12.根据权利要求1所述的SSCB，其中，所述SSCB能够被配置为处于以下状态：
关闭状态，在该关闭状态下，所述固态器件关闭并且所述气隙打开；
开启状态，在该开启状态下，所述固态器件打开并且所述气隙闭合；以及
备用状态，在该备用状态下，所述固态器件关闭并且所述气隙闭合。
13.根据权利要求12所述的SSCB，其中，所述SSCB被封装在具有前面板的壳体中，所述前面板示出了在任何给定时间指示所述SSCB是处于所述关闭状态、所述开启状态还是所述备用状态的指示器或按钮。
14.根据权利要求13所述的SSCB，其中，所述前面板进一步包括用于显示器的开口，即使在所述显示器的电力已经被中断或完全移除后，所述显示器也能够工作以继续显示信息。
15.一种固态断路器SSCB，所述SSCB包括：
电气总线，所述电气总线包括线路侧端子和负载侧端子；
气隙和固态器件，所述气隙和所述固态器件串联连接在所述线路侧端子与所述负载侧端子之间；
一个或更多个可移动导电桥接件；
气隙组件，所述气隙组件被配置为在所述SSCB处于未跳闸状态的时间期间迫使所述一个或更多个可移动导电桥接件桥接所述气隙，从而保持所述线路侧端子与所述负载侧端子之间的电流路径；以及
控制器，所述控制器被配置为在所述SSCB在附接至所述负载侧端子的负载电路中检测到短路或不可接受的长持续时间的过载时触发所述气隙组件，并阻止所述一个或更多个导电桥接件桥接所述气隙；以及
导热散热器，所述导热散热器与所述固态器件热接触，所述导热散热器用作所述SSCB的壁和用于将所述SSCB安装至配电面板中的热沉的安装板两者。
16.根据权利要求15所述的SSCB，所述SSCB进一步包括电流监测和检测电路，所述电流监测和检测电路与所述控制器分开，所述电流监测和检测电路被配置为监测在所述负载电路中流动的电流，并且在检测到所述负载电路中发生短路或即将发生短路时，在所述气隙组件被所述控制器触发后完成阻止所述一个或更多个导电桥接件桥接所述气隙之前，产生将所述固态器件切换为关闭的禁用信号。
17.根据权利要求15所述的SSCB，所述SSCB进一步包括释放按钮，所述释放按钮机械地连接至所述气隙组件，当被按下时，所述释放按钮使所述气隙组件手动阻止所述一个或更多个导电桥接件桥接所述气隙并且不需要所述控制器触发所述气隙组件。
18.根据权利要求17所述的SSCB，所述SSCB进一步包括复位按钮，所述复位按钮机械地连接至所述气隙组件并且能够工作用于在所述SSCB已跳闸后将所述SSCB复位到所述未跳闸状态，其中，当被按下时，所述复位按钮使所述气隙组件迫使所述一个或更多个可移动导电桥接件再次桥接所述气隙。
19.根据权利要求18所述的SSCB，其中，所述复位按钮被配置为在所述控制器触发所述气隙组件以及在所述释放按钮被按下以手动阻止所述一个或更多个导电桥接件桥接所述气隙时从容纳所述SSCB的外壳中弹出，并且其中，所述复位按钮包括上锁挂牌LOTO孔，一旦所述复位按钮从所述外壳中弹出，该LOTO孔就暴露出来。
20.根据权利要求15所述的SSCB，其中，所述电气总线包括一个或更多个弯曲部，所述一个或更多个弯曲部有助于最小化所述SSCB的体积或占地面积。
21.根据权利要求15所述的SSCB，其中，所述线路侧端子和所述负载侧端子配备有导电压配合安装销，所述导电压配合安装销被配置为插入到所述配电面板的母线中的匹配销安装插座中。
22.根据权利要求15所述的SSCB，其中，所述SSCB能够被配置为处于以下状态：
关闭状态，在该关闭状态下，所述固态器件关闭并且所述气隙打开；
开启状态，在该开启状态下，所述固态器件打开并且所述气隙闭合；以及
备用状态，在该备用状态下，所述固态器件关闭并且所述气隙闭合。
23.根据权利要求22所述的SSCB，其中，所述SSCB被封装在具有前面板的壳体中，所述前面板示出了在任何给定时间指示所述SSCB是处于所述关闭状态、所述开启状态还是所述备用状态的指示器或按钮。
24.根据权利要求23所述的SSCB，其中，所述前面板进一步包括用于显示器的开口，即使在所述显示器的电力已经被中断或完全移除后，所述显示器也能够工作以继续显示信息。
25.一种固态断路器SSCB，所述SSCB包括：
电气总线，所述电气总线包括线路侧端子和负载侧端子；
气隙和固态器件，所述气隙和所述固态器件串联连接在所述线路侧端子与所述负载侧端子之间；
气隙组件，所述气隙组件控制所述气隙是打开的还是闭合的，并在附接至所述负载侧端子的负载电路中发生短路或不可接受的长持续时间的过电流时自动打开所述气隙；以及
驱动器电路，当所述负载电路中发生短路或不可接受的长持续时间的过电流时，所述驱动器电路将所述固态器件切换为关闭，
其中，所述气隙组件和所述驱动器电路被配置为在任何给定时间以三种工作状态之一手动工作：关闭状态，在该关闭状态期间，所述固态器件被切换为关闭并且所述气隙打开；开启状态，在该开启状态期间，所述固态器件被切换为打开并且所述气隙闭合；以及备用状态，在该备用状态期间，所述固态器件被切换为关闭并且所述气隙闭合。
26.根据权利要求25所述的SSCB，其中，所述气隙组件包括：触点保持件，所述触点保持件用于保持一个或更多个可移动触点；以及旋转闩锁机构，所述旋转闩锁机构被配置为在所述SSCB处于未跳闸状态的时间期间接合所述触点保持件并迫使所述一个或更多个可移动触点与所述电气总线上的一个或更多个匹配固定触点保持物理接触和电接触，从而闭合所述线路侧端子与所述负载侧端子之间的所述气隙。
27.根据权利要求26所述的SSCB，其中，所述一个或更多个可移动触点包括一个或更多个导电桥接件。
28.根据权利要求26所述的SSCB，其中，所述一个或更多个可移动触点包括一个或更多个单点型连接器。
29.根据权利要求25所述的SSCB，其中，所述驱动器电路被配置为当所述气隙组件和所述驱动器电路将所述SSCB从所述开启状态转变至所述关闭状态时，在所述气隙组件完成打开所述气隙之前，将所述固态器件切换为关闭。
30.根据权利要求25所述的SSCB，所述SSCB进一步包括释放按钮，所述释放按钮机械地连接至所述气隙组件，当被按下时，所述释放按钮使所述气隙组件手动打开所述气隙。
31.根据权利要求30所述的SSCB，所述SSCB进一步包括复位按钮，当所述复位按钮在所述SSCB处于所述关闭状态时被按下时，所述释放按钮机械地重新接合所述气隙组件并且闭合所述气隙。
32.根据权利要求31所述的SSCB，其中，所述复位按钮被配置为在所述气隙组件自动打开所述气隙时以及在按下所述释放按钮以手动打开所述气隙时，从容纳所述SSCB的外壳中弹出。
33.根据权利要求32所述的SSCB，其中，所述气隙组件被配置为如果所述负载电路中存在短路或不可接受的长持续时间的过载或试图使所述SSCB在其预期或指定的工作能力之外工作，则阻止所述复位按钮被压入所述外壳中。
34.根据权利要求25所述的SSCB，其中，所述电气总线包括一个或更多个弯曲部，所述一个或更多个弯曲部有助于最小化所述SSCB的体积或占地面积。
35.根据权利要求25所述的SSCB，所述SSCB进一步包括导热散热器，所述导热散热器与所述固态器件热接触，所述导热散热器用作所述SSCB的壁和用作安装至配电面板中的热沉的安装板两者。
36.根据权利要求25所述的SSCB，其中，所述SSCB被封装在具有前面板的壳体中，所述前面板示出了在任何给定时间指示所述SSCB是处于所述关闭状态、所述开启状态还是所述备用状态的指示器。
37.根据权利要求36所述的SSCB，所述SSCB进一步包括关闭按钮或开关，所述关闭按钮或开关能够从所述前面板接近并且当被按下或切换时使所述气隙组件和所述驱动器电路将所述SSCB转变为所述关闭状态。
38.根据权利要求37所述的SSCB，所述SSCB进一步包括备用按钮或开关，所述备用按钮或开关能够从所述前面板接近并且当被按下或切换时使所述气隙组件和所述驱动器电路将所述SSCB转变为所述备用状态。
39.根据权利要求38所述的SSCB，其中，所述前面板进一步包括用于显示器的开口，即使在所述显示器的电力已经被中断或完全移除后，所述显示器也能够工作以继续显示信息。
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