專利名稱：用于運行故障電流保護開關(guān)的方法以及故障電流保護開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分用于運行故障電流保護開關(guān)的方法 以及根據(jù)權(quán)利要求6的前序部分的故障電流保護開關(guān)。
背景技術(shù)：
這樣的方法和這樣的故障電流保護開關(guān)由DE3642393A1公開，其中該公開物本身 基于 DE-A-3424959。一般的故障電流保護開關(guān)具有用于電網(wǎng)導線的多對接頭，即在單相系統(tǒng)中有兩對 以及在三相系統(tǒng)中有四對，并且這些接頭分別通過一個初級導線相互連接并且在初級導線 中設(shè)置用于斷開相應連接的開關(guān)。所有初級導線通過總電流變換器的初級側(cè)引導，其中這 些初級導線在總電流變換器的范圍內(nèi)通常構(gòu)成為初級繞組。在總電流變換器的次級側(cè)提供 次級繞組。次級繞組的第一端部通過阻抗與地接頭耦合，次級繞組的第二端部與矩形波發(fā) 生器耦合。在該第一端部上設(shè)置電壓抽頭。在根據(jù)DE3642393A1的開關(guān)的情況下，該電壓 抽頭設(shè)置在由更狹窄含義下的次級繞組和常規(guī)的電阻組成的串聯(lián)電路和分離的阻抗元件 之間。現(xiàn)在次級繞組的概念應當允許包括這樣的常規(guī)電阻。在這種情況下還可以關(guān)于阻抗 來定義電壓抽頭，即電壓抽頭設(shè)置在該阻抗的背向地接頭的端部。在DE3642393A1中描述了一種所謂的磁放大器電路。通過矩形波發(fā)生器對次級側(cè) 進行交變磁化直到屬于總電流變換器的磁芯的飽和極限附近。如果有差電流流過初級繞 組，則在總電流變換器中疊加磁場，該磁場在與通過矩形波發(fā)生器的矩形脈沖施加的場相 同的方向上超過該變換器的飽和極限。由此次級繞組的電感電阻變小。然后對于布置在與 次級繞組組成的串聯(lián)電路中的阻抗，由矩形波發(fā)生器產(chǎn)生比參考電勢更高的電勢。上述電 壓抽頭用于恰好檢測這一點該電壓抽頭與分析和控制單元耦合，該分析和控制單元檢測 (在電勢抽頭和地之間的)閾值電壓是否被超過。如果是，則激活引起初級導線中開關(guān)的斷 開的觸發(fā)裝置。DE3642393A1涉及分析和控制單元的實施方式。因為足夠精確地測量施加在電壓 抽頭上的電勢被證明是困難的。EP0005694A描述了，在故障電流保護開關(guān)中可以采用由磁導材料制成的芯，該芯 由帶鋼或金屬線繞制，其中該帶鋼或金屬線的端部與交流電源連接，并且出現(xiàn)在該帶鋼或 金屬線的端部上的自感應電壓由調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)到額定值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是展示一種如何能按照不費事的方式來運行上述類型的故障電流 保護開關(guān)的途徑。該任務(wù)通過一種具有根據(jù)權(quán)利要求1的特征的方法和一種具有根據(jù)權(quán)利要求6的 特征的故障電流保護開關(guān)解決。由此在根據(jù)本發(fā)明的方法中，矩形電壓的矩形脈沖的脈沖大小被調(diào)節(jié)到這樣的值，即由矩形脈沖在次級繞組中感應出的電流在矩形脈沖的持續(xù)期間和/或在兩個矩形脈 沖之間的脈沖間歇期間的電流強度的時間變化分別具有預定的值。在矩形脈沖的特定持續(xù)期間，在通過矩形波發(fā)生器輸出的矩形脈沖具有預定頻率 的情況下，由于該原因穿透總電流變換器的磁芯的磁場始終具有相同的特性以及尤其是具 有相同的幅度。在由DE3642393A1公開的差電流保護開關(guān)中差電流引起相應的磁芯進一步 進入飽和并因此必須用靈敏的方法證明其效果，而在本發(fā)明中在存在差電流的情況下矩形 脈沖的脈沖大小變化就足以證明故障電流的效果。在現(xiàn)有技術(shù)中只利用靈敏方法推斷故障電流的幅度，而這在本發(fā)明的方法中可以 用簡化的方式實現(xiàn)。存在多個可在經(jīng)過調(diào)節(jié)地運行故障電流保護開關(guān)的時候確定并且能被針對是否 由于故障電流而斷開初級導線中的開關(guān)來分析的參數(shù)。在經(jīng)過調(diào)節(jié)的方法中，可以按照特 別簡單的方式測量在次級繞組上、尤其是在更狹窄的含義下一也就是沒有其它電阻元件一 在次級繞組上降落的電壓。該電壓根據(jù)感應法則是電感和電流強度的時間變化的乘積。由 于現(xiàn)在該調(diào)節(jié)恰好引起電流強度的時間變化是恒定的，因此在次級繞組上測得的電壓中反 映出與該電壓的變化成比例的電感變化。因此可以基于所測得的電壓直接推斷出電感，并 且基于該電感可以尤其是在磁芯未被置于飽和的時候特別好地推導出故障電流的電流強 度。本發(fā)明的方法尤其是交直流靈敏的，因此既可以檢測直流電流和脈沖電流也可以 檢測交流電流，并且引起故障電流保護開關(guān)的觸發(fā)。為了檢測交流電流，用于在串聯(lián)電路上 施加矩形脈沖的矩形電壓的頻率至少應當是通過電網(wǎng)導線提供的電網(wǎng)電壓的電網(wǎng)頻率的5 倍以及優(yōu)選至少是該電網(wǎng)頻率的20倍在50Hz電網(wǎng)電壓的情況下矩形波發(fā)生器應當輸出 例如至少IkHz的頻率。合適的值是3kHz。存在如何來構(gòu)成調(diào)節(jié)的不同方法。在向由次級繞組和阻抗組成的串聯(lián)電路施加矩 形電壓的情況下，電流顯示出三角特性，也就是始終在恒定的上升和恒定的下降之間變化， 而且在該阻抗上降落的電壓也顯示出相應的特性?，F(xiàn)在如果在該阻抗上降落的電壓被抽取 出來并且與恒定的電壓比較，則可以借助該恒定電壓被該阻抗上降落的電壓超過的持續(xù)時 間來識別與電流強度的時間變化的額定值之間的偏差。由此該超過的持續(xù)時間可以確定矩 形脈沖的脈沖大小。尤其是可以調(diào)節(jié)到預定的超過持續(xù)時間，并且由此還直接將每個脈沖 或每個脈沖間歇的電流強度的時間變化調(diào)節(jié)到預定值。本發(fā)明的故障電流保護開關(guān)的特征在于，分析和控制單元與矩形波發(fā)生器耦合， 從而與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)不同地形成封閉的系統(tǒng)。分析和控制單元被設(shè)計為將用于確定由矩 形波發(fā)生器輸出的矩形脈沖的脈沖大小的控制指令輸出給矩形波發(fā)生器，其中由此該矩形 波發(fā)生器必須被設(shè)計為轉(zhuǎn)換該控制指令。上述將阻抗上降落的電壓與恒定電壓比較的方法可通過使用比較器被轉(zhuǎn)換，在所 述第一端部上抽取出的電壓以及恒定電壓被輸送給該比較器。然后在該比較器的輸出端上 輸出電壓脈沖，該電壓脈沖的持續(xù)時間恰好是該恒定電壓被阻抗上降落的電壓超過的持續(xù) 時間。如果將該比較器的輸出信號輸送給數(shù)據(jù)處理單元，則該數(shù)據(jù)處理單元可以分析該輸 出信號并且依據(jù)該輸出信號向矩形波發(fā)生器輸出控制指令。在數(shù)據(jù)處理單元中只需要以公 式或表格的形式存放輸出信號中脈沖的持續(xù)時間和矩形脈沖的脈沖大小之間的關(guān)系。
通過提供合適的用于測量在位于次級繞組的第一端部和第二端部之間的次級繞 組上降落的電壓的裝置并且為此提供用于分析這樣獲得的測量值的裝置，當用于分析的裝 置在分析至少一個測量值時檢測到預定標準被滿足，即檢測到觸發(fā)標準被滿足時，用于斷 開故障電流保護開關(guān)的初級導線中的開關(guān)的裝置可以被促使斷開該開關(guān)。如上所示，可以 根據(jù)在次級繞組上測得的電壓直接推斷出次級繞組的電感。故障電流按照限定的方式引起 該電感的變化，從而用于分析的裝置可以直接檢測出故障電流的電流強度有多大。如果該 電流強度超過預定值，則典型地觸發(fā)故障電流保護開關(guān)。觸發(fā)閾值可以通過也經(jīng)由故障電 流保護開關(guān)上的操作元件影響用于分析的裝置，例如電子輸入數(shù)據(jù)，來被可變地確定。
下面參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其中
圖1以示意圖示出用于描述本發(fā)明的故障電流保護開關(guān)的主要部件， 圖2示出在圖1的故障電流保護開關(guān)中阻抗上降落的電壓的時間變化過程，該電壓與 流過故障電流保護開關(guān)中的次級繞組的電流成比例，
圖3示出輸送給圖1的故障電流保護開關(guān)的比較器的另一輸入電壓， 圖4示出比較器的輸出電壓，圖2和圖3的電壓作為輸入電壓輸送給該比較器， 圖5是與圖2相應的圖，該圖示出在存在故障電流時沒有本發(fā)明的調(diào)節(jié)的狀況， 圖6與圖3相應，
圖7是與圖4相應的圖，該圖示出在存在故障電流時沒有本發(fā)明的調(diào)節(jié)的狀況。
具體實施例方式整體用10表示的故障電流保護開關(guān)具有接頭對12a，12b，14a, 14b，它們可與(未 示出的)電網(wǎng)導線耦合。一個接頭對的兩個接頭分別通過初級導線16或18相互耦合，其 中在該初級導線中通過開關(guān)20或22設(shè)置斷開。如果電網(wǎng)導線連接到接頭12a，12b，14a和 14b，則在調(diào)節(jié)情況下閉合開關(guān)20和22，由此電流可以通過電網(wǎng)導線流動。故障電流保護開 關(guān)10的任務(wù)是，當有故障電流流動時斷開開關(guān)20，22。故障電流是通過初級導線16和18 之一流動但不能通過初級導線16和18中另一個回流的電流。開關(guān)20和22的斷開借助開 關(guān)鎖M來進行。檢測是否有故障電流流動現(xiàn)在借助總電流變換器進行。為此初級導線16和18作 為初級繞組26和28在圖1未示出的磁芯上繞制。在同一個磁芯上繞制次級繞組30。初級 繞組沈和28被構(gòu)成和布置為，使得從通過初級導線16在一個方向上流動的電流產(chǎn)生的磁 場通過由同時通過初級導線18回流的同一電流產(chǎn)生的磁場補償。由此在次級繞組30中不 產(chǎn)生磁場。只要電流通過初級導線16和18之一流動并且不通過另一個初級導線流動，帶 入磁芯中的磁場就被改變，從而次級線圈30的電感改變。現(xiàn)在在故障電流保護開關(guān)10中采用受控感應的原理。次級繞組的端部32通過阻 抗34與地耦合。次級繞組30的另一端部36通過可以構(gòu)成為電容元件的濾波器38與矩形 波發(fā)生器40耦合。矩形波發(fā)生器40向由次級線圈30和阻抗34組成的串聯(lián)電路施加矩形 脈沖。該矩形脈沖現(xiàn)在引起電流通過次級線圈30和阻抗34流動，該電流的電流強度在矩 形脈沖期間恒定上升，并且在與該矩形脈沖恰好相同持續(xù)長度的脈沖間歇期間又恰好恒定下降，并且時間導數(shù)的大小相同。該電流的該特性再次反映在次級線圈的端部32上的電勢 中，也就是反映在阻抗34上相對于地降落的電壓U1中，該電壓的時間變化過程借助圖2的 曲線42示出。電壓仏在此與流動的電流成比例。該電壓U1現(xiàn)在被輸送給整體用46表示的比較器的輸入端44。在該比較器的第二 輸入端48上輸送相應于圖3的曲線50的恒定電壓U20該比較器現(xiàn)在當電壓U1大于U2時 輸出邏輯高值，并且當該電壓小于U2時輸出邏輯低值。因此如果在曲線42中電壓U1上升， 則該電壓到達點52，從該點開始電壓U1超過電壓U20然后在該時刻P1電壓U3從邏輯低值 U3-tlef躍變?yōu)檫壿嫺咧礥3_h。。h。在時刻t2時矩形脈沖結(jié)束，并且電壓U1已經(jīng)達到曲線42中 的點54。此后電壓U1再次下降，直到電壓U1在時刻t3達到點56，在點56處U1又恰好等于 U20然后在時刻t3比較器46上的輸出電壓U3又躍變地下降為值U3_tief0總之，圖4所示的 曲線58是針對比較器46的輸出端51上的電勢給出的。故障電流保護開關(guān)10的特征在于，進行一種調(diào)節(jié)，使得曲線42被一再遍歷， 也就是電流的時間導數(shù)具有恒定的大小。首先要解釋在存在故障電流的情況下如果沒 有這樣的調(diào)節(jié)會發(fā)生什么如果出現(xiàn)故障電流，則如上所述磁芯被施加附加的磁場。由 此次級線圈30的電感改變。由矩形波發(fā)生器40輸出的矩形脈沖在沒有其它措施的 情況下現(xiàn)在會引起電流強度改變。圖5借助曲線60示出該電流強度的變化過程以 及因此還可以看出在這種情況下與該電流強度成比例的電壓仏的變化過程。電流在 脈沖期間的時間變化仍然是恒定的，但是借助曲線60可以看見該時間變化比在沒有 故障電流的情況下更大。在具有與曲線42相同的脈沖大小的矩形脈沖期間，在時刻 t/處達到點62時達到大于根據(jù)曲線50的U2的電壓U10因此U3在位于時刻、前面的時
亥Ijt/處從U3_tirf躍變到U3_h。。h。該脈沖結(jié)束時的時刻t2是相同的，因此在曲線60中也與在
曲線42中一樣曲線反轉(zhuǎn)了。由于點64處的電壓峰值高于點M處的電壓峰值，因此盡管時 間導數(shù)較大還持續(xù)得更長，直到電壓U1在點66處又下降到U2根據(jù)曲線50的值。因此電壓 U3在位于時刻t3后面的時刻t '處才躍變地下降到U3_tirf。由此給出圖7中用實線示出的 曲線68?，F(xiàn)在可以根據(jù)U3位于值U3_h。。h的持續(xù)時間通過分析單元70 (圖1)確定是否存在 相對于正常狀態(tài)的偏差，因為這樣的脈沖在曲線68中的持續(xù)時間iW = U-1·'大于脈 沖在曲線58中的持續(xù)時間At = t;:-t?，F(xiàn)在，電流的時間變化的大小除了取決于電感之外還取決于由矩形波發(fā)生器40 輸出的矩形脈沖的大小?，F(xiàn)在進行一種調(diào)節(jié)，使得不會與相應于曲線42的變化過程發(fā)生偏 差。這可以由分析單元70針對比較器46的輸出端51上的脈沖是根據(jù)曲線58行動來識別。 分析單元70只需要測量脈沖持續(xù)時間。分析單元70控制矩形波發(fā)生器40，使得比較器46 的輸出端51上的脈沖具有恒定的持續(xù)時間。現(xiàn)在通過測量裝置72測量在次級線圈30的兩個端部32和36之間降落的電壓。 該電壓隊根據(jù)感應法則得到隊，L .其中L是電感，而di/dt是電流強度i在時
間t上的導數(shù)。現(xiàn)在由于被調(diào)節(jié)到恒定的di/dt，因此隊與電感L成正比?，F(xiàn)在如果由于故
6障電流L而發(fā)生變化，則隊也同樣地變化。變化八隊與！^的變化AL成比例，也就是
權(quán)利要求
1.一種用于運行故障電流保護開關(guān)(10)的方法，在該故障電流保護開關(guān)中與電網(wǎng) 導線耦合的初級導線(16，18)通過總電流變換器引導，在該總電流變換器上提供次級繞組 (30)，該次級繞組通過阻抗(34)與地耦合，其中在該方法中由次級繞組(30)和阻抗(34)組 成的串聯(lián)電路被施加了矩形電壓，并且測量和分析參數(shù)，其中在存在預定的分析結(jié)果時斷 開至少一個初級導線(16，18)，其特征在于，所述矩形電壓的矩形脈沖的脈沖大小被調(diào)節(jié)到 這樣的值，即由矩形脈沖在次級繞組(30)中感應出的電流在矩形脈沖的持續(xù)期間和/或在 兩個矩形脈沖之間的脈沖間歇持續(xù)期間的電流強度的時間變化分別具有預定的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述參數(shù)是在次級繞組上降落的電壓，并且當該 電壓的大小根據(jù)預定的標準超過預定值或者根據(jù)預定標準低于預定值時，斷開所述至少一 個初級導線(16，18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中用于在所述串聯(lián)電路上施加矩形脈沖的矩形 電壓的頻率至少是通過電網(wǎng)導線提供的電網(wǎng)電壓的電網(wǎng)頻率的5倍以及優(yōu)選至少是該電 網(wǎng)頻率的20倍。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中在所述阻抗(34)上降落的電壓(U1)被抽 取出來并且與恒定電壓( )比較，以及該恒定電壓( )被所述阻抗(34)上降落的電壓(U1) 超過的持續(xù)時間確定了所述矩形脈沖的脈沖大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中調(diào)節(jié)到預定的超過持續(xù)時間，以便將每個脈沖和 /或每個脈沖間歇的電流強度的時間變化調(diào)節(jié)到預定值。
6.一種故障電流保護開關(guān)(10)，具有多個電網(wǎng)導線的接頭對(1 , 12b ；1 , 14b)，其 中每對的接頭分別通過初級導線(16，18)相互連接，以及在至少一個初級導線(16，18)中 設(shè)置用于斷開相應連接的開關(guān)(20，22)，以及此外所有初級導線(16，18)通過總電流變換 器的初級側(cè)引導，在該總電流變換器的次級側(cè)上提供次級繞組(30)，該次級繞組的第一端 部(32)通過阻抗(34)與地接頭耦合，并且該次級繞組的第二端部(36)與矩形波發(fā)生器 (40)耦合，其中第一端部上的電壓抽頭(32)與分析和控制單元(46，70)耦合，其特征在于，該分析和控制單元(46，70)與矩形波發(fā)生器(40)耦合，并且被設(shè)計為將用于確定由矩 形波發(fā)生器(40)輸出的矩形脈沖的脈沖大小的控制指令輸出給矩形波發(fā)生器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的故障電流保護開關(guān)，其特征在于，所述分析和控制單元包括 比較器(46)，在第一端部(32)上抽取出的電壓(U1)以及恒定電壓( )被輸送給該比較器， 并且該比較器的輸出端(51)與數(shù)據(jù)處理單元(70)耦合，該數(shù)據(jù)處理單元被設(shè)計為分析該 比較器(46)的輸出信號并且依據(jù)該輸出信號向矩形波發(fā)生器輸出控制指令。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的故障電流保護開關(guān)(10)，具有用于測量在位于次級繞組 的第一端部(32)和第二端部(36)之間的次級繞組上降落的電壓的裝置(72)，具有用于分 析這樣獲得的測量值的裝置(72)，該用于分析的裝置與用于斷開初級導線(16，18)中的開 關(guān)(20，22 )、尤其是每個開關(guān)(20，22 )的裝置(24 )耦合并且被設(shè)計為，在分析至少一個測量 值時如果檢測到預定標準被滿足，則促使用于斷開的裝置(24)斷開該開關(guān)。
全文摘要
在故障電流保護開關(guān)(10)中使用受控電感的原理次級線圈(30)被矩形波發(fā)生器(40)施加脈沖。根據(jù)本發(fā)明，由矩形波發(fā)生器(40)輸出的矩形脈沖的脈沖大小變化，以調(diào)節(jié)通過次級線圈(30)流動的電流，使得該電流強度的時間導數(shù)具有恒定的大小?，F(xiàn)在如果在次級線圈(30)的兩個端部(32,36)上測量電壓，則該電壓直接是對次級線圈(30)的電感的度量，由此可以推斷出可能的故障電流。
文檔編號H02H3/33GK102124621SQ200980131588
公開日2011年7月13日 申請日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月14日
發(fā)明者許貝爾 A., 施波雷爾 T. 申請人:西門子公司