專利名稱：電氣開關設備和確定另一設備或多個絕緣體的熱年齡的保護設備的制作方法
技術領域：
所公開的構思總的來說涉及電氣開關設備，更具體地說，涉及例如接觸器、起動 器、電動機保護繼電器和斷路器等的電氣開關設備。所公開的構思還涉及保護繼電器。
背景技術：
起動器是用于為如三相電動機等的電動機提供保護和控制的裝置，其典型地用在 例如多種工業設置中以對機械進行操作。通常類型的起動器包括電磁接觸器和電動機保護 繼電器。接觸器包括連接至電動機的各個相的可分離觸點，從而當其閉合時，可分離觸點將 電動機連接至例如三相電源的電源。電動機保護繼電器監測負載電流，并在有些情況下監 測電壓，如果發生例如持續過電流等的問題狀況，則使接觸器跳閘分斷。典型地，電動機保 護繼電器遵循負載電流的I2t特性，該特性是發熱的量度。電動機保護繼電器典型的包括 微處理器，其以數字方式生成I2t的值。當計算得到的I2t值達到指定的跳閘等級時，接觸 器跳閘分斷以中斷電流到電動機的流動。美國專利No. 4，743，818公開了一種多功能電動機保護繼電器，其監測三相交流 電流(AC)并基于預先編程的電動機電流和溫度條件做出分立的跳閘和報警決定。旋轉轉 子的溫度可由流經對電動機進行供電的線路的電流以及由電動機定子中的電阻式溫度檢 測(RTD)裝置得到。系統RTD測量電動機定子繞組溫度。美國專利No. 5，485，491公開了一種用于對旋轉式電功率轉換設備的可操作性進 行診斷的在線系統。該系統包括檢測裝置，用于在旋轉式電功率轉換設備的運行期間對其 至少一個電絕緣非熱參數進行檢測并生成對應的至少一個電氣變量；數據轉換裝置，用于 將所述至少一個電氣變量轉換為對應的至少一個值；比較裝置，用于將所述至少一個值與 旋轉式電功率轉換設備的對應的至少一個預定基線值進行比較并生成對應的至少一個比 較值；發信號裝置，每當所述至少一個比較值超過對應的至少一個預定死區值時，發信號裝 置輸出與旋轉式電功率轉換設備的預計可操作性周期有關的至少一個信號。提供溫度傳感 器以用于檢測油溫、進水口溫度、出水口溫度、進油口溫度、以及導引和止推軸承的溫度。例如電動機等的旋轉式電氣設備的絕緣具有有限的壽命。多種運行條件(例如但 不限于濕度；溫度；機械應力；灰塵；空氣傳播的化學制劑)對到達電動機絕緣的“壽命終 點”所需的實際時間產生影響。發明構思所述多種運行條件中最嚴重的是繞組絕緣的溫度。已知的電氣開關設備一例如 保護繼電器(例如但不限于電動機保護繼電器)一不對繞組絕緣(例如但不限于電動機繞 組絕緣)的老化進行預測。存在對電氣開關設備進行改進的空間。進一步存在對保護繼電器進行改進的空間。這些需求和其它需求通過所公開的構思的實施例得以滿足，所公開的構思確定運行條件對絕緣系統(例如但不限于電動機的絕緣系統)的壽命所起的老化影響。根據所公開構思的一個方面，一種電氣開關設備用于另一設備，所述另一設備包 括多個絕緣體，與所述多個絕緣體可操作地關聯的多個溫度傳感器，與所述多個絕緣體可 操作地關聯的多個導體。所述電氣開關設備包括多個可分離觸頭；被構造為斷開以及閉 合所述多個可分離觸頭的操作機構；被構造為檢測流經所述多個可分離觸頭以及流經所 述多個導體的多個電流的多個傳感器；被構造為輸入來自所述多個傳感器的所檢測到的 多個電流的處理器；輸出(32)，其中，處理器進一步被構造為計算下述中的至少一個(a) 由來自所述多個溫度傳感器的多個所檢測到的溫度計算所述另一設備的熱年齡(thermal age)，和(b)由所述檢測到的多個電流計算所述另一設備的熱年齡，且其中，輸出包括所述 另一設備的熱年齡。處理器可被進一步構造為，由來自所述多個溫度傳感器的多個所檢測到的溫度， 計算所述另一設備的所述熱年齡。處理器可被進一步構造為，由預定時間內來自所述多個溫度傳感器的多個所檢測 到的溫度的平均值，計算所述另一設備的平均溫度。處理器可被進一步構造為，由所檢測到的多個電流，計算所述另一設備的熱年齡。處理器可被進一步構造為，由(IAve/INP)2X (Tclass-環境溫度)+環境溫度，計算所述 另一設備的推定溫度；其中IAV(；為所述另一設備的RMS電流；其中，Inp為所述另一設備的銘 牌電流；且其中，Tclass為所述多個絕緣體的溫度等級。處理器可被進一步構造為，確定所述另一設備的溫度并由— 確定所述另 一設備的絕緣壽命期望，其中，a，b和e為常數，In為自然對數，TEMP為所確定的溫度。處理器可被進一步構造為，由滿運行溫度下所述另一設備的標準絕緣壽命期望除 以所確定的絕緣壽命期望來確定熱年齡。處理器可被進一步構造為對熱年齡進行累計。作為所公開構思的另一方面，一種保護繼電器用于一設備，該設備包括多個絕緣 體以及與所述多個絕緣體可操作地關聯的多個溫度傳感器。保護繼電器包括輸入，被構造 為輸入來自所述多個溫度傳感器的多個所檢測到的溫度；處理器，被構造為由所述多個所 檢測到的溫度來計算所述多個絕緣體的熱年齡；輸出，其包括所述多個絕緣體的熱年齡。處理器可被進一步構造為，由預定時間內來自所述多個溫度傳感器的所述多個所 檢測到的溫度的平均值來計算設備的平均溫度；處理器可進一步被構造為，由e(a+b(ln(TEMP))) 確定所述多個絕緣體的絕緣壽命期望，其中，a，b和e為常數，In為自然對數，TEMP為平均 溫度。處理器可被進一步構造為，由滿運行溫度下所述多個絕緣體的標準絕緣壽命期望 除以所確定的絕緣壽命期望來確定熱年齡。 作為本公開構思的另一方面，一種保護繼電器用于一設備，該設備包括多個絕緣 體和與所述多個絕緣體可操作地關聯的多個導體。保護繼電器包括多個傳感器，被構造為 檢測流經所述多個導體的多個電流；處理器，被構造為輸入來自所述多個傳感器的所檢測 到的多個電流并由所檢測到的多個電流計算所述多個絕緣體的熱年齡；輸出，包含所述多 個絕緣體的熱年齡。
結合附圖閱讀下文對優選實施例的描述，可以獲得對所公開構思的全面理解，在 附圖中圖1是根據所公開構思的實施例的電氣開關設備的原理框圖；圖2是圖1的處理器的程序流程圖；圖3是對于絕緣系統的四種溫度等級，運行溫度vs達到50%故障所需小時數 (hours to 50% failure)的雙對數坐標圖；圖4和5是根據所公開構思的其他實施例的保護繼電器的原理框圖；
具體實施例方式在此所采用的術語“多個”應當表示一個或大于一個的整數個(即，復數個)。
在此所采用的術語“處理器”表示能夠存儲、檢索和處理數據的可編程模擬和/或 數字裝置；計算機；工作站；個人電腦；微處理器；微控制器；微型計算機；中央處理單元； 主計算機；小型計算機；服務器；網絡處理器；或任何適合的處理裝置或設備。在此所采用的術語“旋轉電氣設備”應當明確地包括但不限于，電動機；發電機； HVAC制冷機；壓縮機；感應電機；以及在同一軸上具有多個獨立繞組并且獨立受到控制的 發電機或電動機。在此所采用的術語“溫度傳感器”應當明確地包括但不限于，多個電阻溫度計；電 阻式溫度檢測器(RTDs)；鉬電阻溫度計(PRTs)；熱敏電阻器；熱電耦和紅外溫度測量傳感
ο所公開的構思結合三相電動機起動器2和三相電動機4進行了描述，但所公開的 構思也可應用于寬廣范圍內的電氣開關設備或用于具有任何適合相數或極數的寬廣范圍 的另一設備一例如但不限于旋轉電氣設備一的保護繼電器。參見圖1，示出了一種電氣開關設備，如示例性電動機起動器2。該示例性電動機 起動器2用于另一設備，例如但不限于，示例性電動機4(以假想線示出)等的旋轉電氣設 備。示例性電動機4包括多個絕緣體6(例如但不限于，示出了三個不同的絕緣體6)；與 所述多個絕緣體6可操作地關聯(例如，被構造為檢測其溫度)的多個溫度傳感器8 (例如 但不限于，示出了一個電阻式溫度檢測器(RTD)S)；與所述多個絕緣體6可操作地關聯(例 如，由其進行電氣絕緣)的多個導體10，12，14(例如但不限于，示出了三個不同的相導體 10，12，14)。例如，所述多個絕緣體6與所述多個導體10，12，14可操作地關聯(例如，對其 進行電氣絕緣)，導體形成示例性電動機4的繞組(例如但不限于，定子繞組)。例如，盡管 示出了一個RTD 8，可提供多個適合的溫度傳感器，例如RTD (例如但不限于，所述多個導體 10，12，14中的每一個都具有一個RTD)。示例性電動機起動器2包括多個可分離的觸頭16，18，20 (例如但不限于，示出了 三個接觸器16，18，20)，被構造為斷開以及閉合所述多個可分離觸頭16，18，20的操作機構 22 (例如但不限于，線圈)。示例性電動機起動器2還包括被構造為分別對流經所述多個 可分離觸頭16，18，20以及流經所述多個導體10，12，14的多個電流進行檢測的多個傳感器 24，26，28 (例如但不限于，示出了三個電流傳感器24，26，28)，被構造為從所述多個傳感器 24，26，28輸入所檢測到的多個電流的處理器30 (例如但不限于，微處理器)；輸出32。如下文結合附圖2將更加詳細描述的那樣，處理器30進一步被構造為計算下述中至少一個
(a)由來自所述多個溫 度傳感器8的多個檢測到的溫度，計算示例性電動機4的熱年齡34，
(b)由所檢測到的多個電流，計算示例性電動機4的熱年齡34。如所示出的那樣，處理器輸 出32包括示例性電動機4的熱年齡34。盡管沒有要求，對應的示例性三相電力系統可視情況可選地包括多個熔斷器或斷 開器(disconnnects)36，38，40，其分別與所述多個可分離觸頭16，18，20電氣串聯連接。示例 1輸出32可以是顯示器，該顯示器被構造為顯示示例性電動機4的多個溫度和熱年 齡34、示例性電動機4的絕緣壽命期望、示例性電動機4的實際運行小時數。例如但不限 于，顯示器可顯示示例性電動機4的熱年齡34和絕緣壽命期望。示例 2輸出32可以是被構造為傳送熱年齡34的通信網絡。示例 3處理器30可以被構造為，由來自所述多個溫度傳感器8的多個所檢測到的溫度， 計算示例性電動機4的熱年齡34。示例 4處理器30可以被構造為，由來自電流傳感器24，26，28的多個所檢測到的電流，計 算示例性電動機4的熱年齡34。示例 5圖2示出了用于圖1的處理器30的示例性程序42。示例性程序42為推定電動機 溫度提供了兩種可選擇的方案(1)來自多個溫度傳感器8的平均值；以及(2)在適合的預 定時間(例如，但不限于，一個小時；任意適合的時間)內平均得到的RMS電動機電流。將 會明了，可使用這些可選擇方案中的一個或二者。示例 6例如，圖2的程序42可使用嵌入在圖1的示例性電動機繞組10，12，14中的多個 RTD 8來對電動機溫度進行測量，或者可使用基于圖1的示例性電動機4中所流動的平均電 流的電動機發熱來推定電動機溫度。在任一情況下，所測量得到的或者推定得到的溫度被 用于基于電動機絕緣系統的壽命期望來計算該絕緣系統的老化。示例 7例如，如8等的RTD為溫度傳感器，其利用了一些材料的電阻隨溫度變化而發生的 可預期變化。例如，RTD被用在相對大型的電動機(例如，但不限于，超過約200HP)上并被 放置為例如但不限于，六個RTD位于定子中；兩個RTD，每個電動機軸承座(bearing well) 中放置一個；兩個RTD，位于負載軸承中；另一RTD，位于適當的用戶定義位置。例如，定子中 的RTD夾在繞組之間，遠離定子心，以提供相對較小的溫度誤差。使用RTD被認為是最精確地確定溫度的方式，這是因為電動機由于類似繞組上的 灰塵、進風的堵塞、高或低的環境空氣溫度以及破損的冷卻風扇而喪失了冷卻能力。舉例來 說，如8等的RTD被放置在如12，14等的繞組之間，在那里，熱量處于電動機4的中心。示例 8作為替代地，推定電動機溫度基于電動機電流和下列假設對溫升進行近似電動機4清潔，不存在制冷空氣的堵塞，環境溫度為40°C，并且電動機冷卻風扇(未示出)正常 工作。然而，除非為相對較新的電動機，否則，這些假設可能不準確。在圖2的示例性程序42中，首先，在44中，確定電動機4是否具有RTD 8。如果 無，則在46和48中，監測流入電動機4的電流并計算電動機溫升。在46中，程序42對適當 的預定時間(例如，但不限于，一個小時；任意適合的時間)內的電動機電流進行平均。接 著，在48中，由等式1計算推定運行溫度，其假設電動機4工作在其最大環境溫度(例如， 但不限于，40°C ；額定環境溫度；任何適當的環境溫度)。Test = (WInp)2X (Tclass-40°C )+40°C (等式 1)其中Test為預定時間(例如，但不限于，一個小時；任何適合的時間)內的推定電動機溫 度；Iavg為該預定時間的RMS電動機電流；Inp為電動機4的銘牌(如，滿載)電流；以及Tclass為絕緣6的溫度等級(例如，但不限于，等級A為105°C ；等級B為130°C ；等 級F為155°C;等級H為180°C;任何適合的絕緣溫度等級，但前述四個等級普遍用在電動機 中)。等式1將電動機4的平均RMS電動機電流除以銘牌電流后再平方。公式I2R表 示由流經具有歐姆電阻(R)的電動機繞組10，12，14(例如，但不限于，銅線)的安培電流 (I)所產生的熱量。出于全部的實踐目的，電阻在輕載時和在滿載時相同。因此，從等式1 中去除了該電阻。從而，電動機4的發熱(溫升)為電流平方的函數。假定電動機4處于 穩定的滿溫度(full temperature)(例如，其銘牌電流的溫度等級和40°C環境溫度)。項 (Tclass-40°C )將溫度等級減少到溫升。另一方面，如果電動機4具有RTD 8，則在50中，計算總的溫升vs.環境溫度。此 處，運行電動機溫度由RTD 8檢出并在適合的預定時間(例如，但不限于，一個小時；任何適 合的時間)內被平均。在48或50后，在52中，使用等式2和3以及表1來計算50中的平均溫度下的或 者48中的推定溫度下的絕緣壽命期望。In (HRS) = a+b (In (TEMP))(等式 2)HRS = eln(HES) = e(a+b(ln(TEMP)))(等式 3)其中In為自然對數；HRS為特定溫度(預計50%的絕緣系統在此時故障)下的絕緣壽命期望；a和b為如下面表1中所示的對于四個示例性溫度等級的常數；TEMP為平均的或推定的運行溫度；以及e為無理常數，其約等于2. 718281828。表權利要求
1.一種電氣開關設備(2)，其用于另一設備(4)，所述另一設備(4)包括多個絕緣體 (6)，與所述多個絕緣體可操作地關聯的多個溫度傳感器(8)，與所述多個絕緣體可操作地 關聯的多個導體(10，12，14)，所述電氣開關設備包括多個可分離觸頭(16，18，20)；操作機構(22)，被構造為斷開以及閉合所述多個可分離觸頭；多個傳感器(24，26，28)，被構造為檢測流經所述多個可分離觸頭以及流經所述多個導 體的多個電流；處理器(30)，被構造為輸入來自所述多個傳感器的所檢測到的多個電流；以及輸出(32)，其中，所述處理器進一步被構造為(42)計算下述中的至少一個(a)由來自所述多個 溫度傳感器的多個所檢測到的溫度得到的所述另一設備的熱年齡(34)，以及(b)由所述檢 測到的多個電流得到的所述另一設備的熱年齡(34)，且其中，所述輸出包括所述另一設備的熱年齡。
2.權利要求1的電氣開關設備(2)，其中，所述另一設備為旋轉電氣設備(4)，該旋轉電 氣設備(4)進一步包括多個繞組(10，12，14)和與所述多個繞組可操作地關聯的所述多個 溫度傳感器，所述多個絕緣體與所述多個繞組可操作地關聯。
3.權利要求2的電氣開關設備(2)，其中，所述旋轉電氣設備為電動機(4)；且其中，所 述多個繞組為所述電動機的多個定子繞組(10，12，14)。
4.權利要求1的電氣開關設備(2)，其中，所述多個溫度傳感器為多個電阻式溫度檢測 器⑶。
5.權利要求4的電氣開關設備(2)，其中，所述另一設備為旋轉電氣設備(4)；其中，所 述多個繞組為所述旋轉電氣設備的多個繞組(10，12，14)；且其中，所述多個電阻式溫度檢 測器與所述多個繞組可操作地關聯。
6.權利要求1的電氣開關設備(2)，其中，所述輸出為顯示器(32)。
7.權利要求6的電氣開關設備(2)，其中，所述顯示器被構造為顯示所述另一設備的所 述熱年齡和多個溫度、所述另一設備的絕緣壽命期望、所述另一設備的實際運行小時數。
8.權利要求6的電氣開關設備(2)，其中，所述顯示器被構造為顯示所述另一設備的所 述熱年齡和絕緣壽命期望。
9.權利要求1的電氣開關設備(2)，其中，所述輸出為通信網絡(32)。
10.權利要求1的電氣開關設備(2)，其中，所述處理器進一步被構造(50，52，54)為， 由來自所述多個溫度傳感器的所述多個所檢測到的溫度，計算所述另一設備的所述熱年 齡。
11.權利要求10的電氣開關設備(2)，其中，所述處理器進一步被構造(50)為，由預定 時間內來自所述多個溫度傳感器的所述多個所檢測到的溫度的平均值，計算所述另一設備 的平均溫度。
12.權利要求1的電氣開關設備(2)，其中，所述處理器進一步被構造(46，48，52，54) 為，由所述所檢測到的多個電流，計算所述另一設備的所述熱年齡。
13.權利要求12的電氣開關設備(2)，其中，所述處理器進一步被構造(48)為，由 (Iavg/Inp)2X Ooass-環境溫度)+環境溫度，計算所述另一設備的推定溫度；其中，Iatc為所述另一設備的RMS電流；其中，Inp為所述另一設備的銘牌電流；且其中，TaASS為所述多個絕 緣體的溫度等級。
14.權利要求1的電氣開關設備(2)，其中，所述處理器進一步被構造為，確定(46，48； 50)所述另一設備的溫度，并由e(a+b(ln(TEMP)))，確定(52)所述另一設備的絕緣壽命期望，其 中，a，b和e為常數，In為自然對數，TEMP為所述確定的溫度。
15.權利要求14的電氣開關設備(2)，其中，所述處理器進一步被構造(54)為，由滿運 行溫度下所述另一設備的標準絕緣壽命期望除以所述確定的絕緣壽命期望，確定所述熱年 齡。
16.權利要求15的電氣開關設備(2)，其中，所述處理器進一步被構造(56)為累計所 述熱年齡。
17.一種保護繼電器(60)，其用于一設備(62)，該設備(62)包括多個絕緣體(64)和與 所述多個絕緣體可操作地關聯的多個溫度傳感器(66)，所述保護繼電器包括輸入(68)，被構造為輸入來自所述多個溫度傳感器的多個所檢測到的溫度；處理器(70)，被構造(42)為由所述多個所檢測到的溫度計算所述多個絕緣體的熱年 齡(72)；以及輸出(74)，包含所述多個絕緣體的熱年齡。
18.權利要求17的保護繼電器(60)，其中，所述處理器進一步被構造(50)為，由預定 時間內來自所述多個溫度傳感器的所述多個所檢測到的溫度的平均值，計算所述設備的平 均溫度；且其中，所述處理器進一步被構造(52)為，由e(a+b(ln(TEMP)))，確定所述多個絕緣體的 絕緣壽命期望，其中，a，b和e為常數，In為自然對數，TEMP為所述平均溫度。
19.權利要求18的保護繼電器(60)，其中，所述處理器進一步被構造(54)為，由滿運 行溫度下所述多個絕緣體的標準絕緣壽命期望除以所述確定的絕緣壽命期望，確定所述熱 年齡。
20.一種保護繼電器(80)，其用于一設備(82)，該設備(82)包括多個絕緣體(84)和與 所述多個絕緣體可操作地關聯的多個導體(86)，所述保護繼電器包括多個傳感器(88)，被構造為檢測流經所述多個導體的多個電流；處理器(90)，被構造(42)為輸入來自所述多個傳感器的所檢測到的多個電流并由所 述所檢測到的多個電流計算所述多個絕緣體的熱年齡(92)；以及輸出(94)，包含所述多個絕緣體的熱年齡。
21.權利要求20的保護繼電器(80)，其中，所述處理器進一步被構造(46，48)為，由 (Iavg/INP)2X Ooass-環境溫度)+環境溫度，計算所述設備的推定溫度；其中，Iavc；為所述所檢 測到的多個電流的平均RMS電流；其中，Inp為所述設備的銘牌電流；其中，TaASS為所述多個 絕緣體的溫度等級；且其中，所述處理器進一步被構造(52)為，由胃))〉確定所述多 個絕緣體的絕緣壽命期望，其中，a，b和e為常數，In為自然對數，TEMP為所述推定溫度。
22.權利要求21的保護繼電器(80)，其中，所述處理器進一步被構造(54)為，由滿運 行溫度下所述多個絕緣體的標準絕緣壽命期望除以所述確定的絕緣壽命期望，確定所述熱 年齡。
全文摘要
一種電氣開關設備(2)，其用于另一設備(4)，所述另一設備(4)包括多個絕緣體(6)，與所述多個絕緣體可操作地關聯的多個溫度傳感器(8)，與所述多個絕緣體可操作地關聯的多個導體(10，12，14)。所述電氣開關設備包括多個可分離觸頭(16，18，20)，被構造為斷開以及閉合可分離觸頭的操作機構(22)，被構造為檢測流經可分離觸頭以及流經導體的多個電流的多個傳感器(24，26，28)，被構造為輸入來自傳感器的所檢測到的電流的處理器(30)，輸出(32)。處理器計算(42)下述中的至少一個(a)由來自溫度傳感器的多個所檢測到的溫度得到的所述另一設備的熱年齡(34)，(b)由檢測到的電流得到的所述另一設備的熱年齡(34)。輸出包括所述另一設備的熱年齡。
文檔編號H02H5/04GK102035176SQ201010285159
公開日2011年4月27日 申請日期2010年7月26日 優先權日2009年7月24日
發明者L·B·法爾 申請人:伊頓公司