CN100449898C - 电网过电压保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电网过电压保护装置(11)，其具有一第一比较器(16)，当电网电压(UN)超出一个允许的边界值时，该比较器输出一个内部信号电压(Us)；一个连接在该第一比较器(16)后的延时电路(17)，其输出一个修正的信号电压(Us′)；以及一第二比较器(18)，当该修正的信号电压(Us′)超过一个参考值(U2)时，其输出一个触发电压(UA)用以产生触发信号。

Description

电网过电压保护装置
技术领域
本发明涉及一种电网过电压保护装置，该装置有连接到输送电压电源线的电压输入端，和一个用于向与该电源线连接的跳闸装置发出触发信号的电压输出端。
背景技术
一个这样的电网过电压保护装置例如是保护开关设备的一部分。保护开关设备在电网中通常连结在用户和主电网之间，以便当出现故障时，将用户迅速而安全地与主电网隔离。故障可以是由用户一侧引起的，例如由于短路造成电网过电压。另外一个由用户方面引起的故障出现在下列情况，即当由所谓的来自电网中的漏电流或差分电流，例如通过触摸电线的人流向大地时。为了防止上述由用户引起的故障，使用了电路保护开关，以及漏电流保护开关或差分电流保护开关。漏电流或差分电流保护开关的结构例如在“etz”(1986)，第20册，第938-945页有所公开。
由主电网方面引起的故障出现在例如电网电压发生了随时间的波动时。当电网电压超出一个允许的边界值，即出现电网过电压时，这尤其会给用户损害。电网过电压保护装置的作用在于，当发生危险的电网过电压时，触发电网保护开关设备。相反，当出现瞬间电网过电压时，即一个因为其持续时间短、单独出现而不会造成对用户危险的过电压，则不将用户和电网隔离，以便避免造成用户不必要的工作中断和可能由此引发的损害。
因此，电网过电压保护装置必须在出现瞬间电网过电压时不产生错误触发；而同时，在出现危险的过电压时，其触发时间应尽可能地短。此外，电网电压超出允许的边界值引起过电压保护装置反应的公差应该尽量的小。换句话说，触发是尽可能精确的，并当电压超出边界值时是可重复的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种满足上述要求的电网过电压保护装置。
按照本发明，上述技术问题的解决是通过一种电网过电压保护装置实现的。在连接到输送电压电源线的电压输入端和一用于发出触发信号的电压输出端之间设置了一第一比较器，当电网电压超出一个允许的边界值时，该比较器输出一个内部信号电压。此外，在该第一比较器后连接有一个延时电路，该电路对该内部信号电压进行修正、特别是进行延时。修正的信号电压被送入一第二比较器，该比较器每当该修正的信号电压超过一个参考值时，即输出一个触发电压，用以产生触发信号。
比较器通常是由一个适合的、容易购买到的运算放大器构成的电路来实现的。例如，U.Tietye/Ch.Schenk在“Halbleiter-Schaltungstechnik(半导体电路技术)”，S.178ff，6.Aufl.，Berlin(Springer)，1983中就描述了一个这样的电路。
通过这两个比较器和连接在它们之间的延时电路可以保证，只有当电网过电压至少持续一个设定的时间间隔的情况下，才会引发产生触发信号输出。由于比较器具有短的动作时间和短的动作公差，既可以非常精确地确定电网过电压的开始，也可以非常精确地确定触发时刻。通过这种方式，降低了在发生瞬间电网过电压时产生错误触发的危险性。另一方面，只要电网过电压超出了没危险的时间间隔，就可得到一个非常短的断开时间。
按照本发明的一种优选实施方式，延时电路具有一个确定的充电时间常数和一个确定的放电时间常数，其中，放电时间常数大于充电时间常数数倍。作为充电时间常数类似于阻容电路中常见的术语，即自接通信号电压起的时间间隔，修正后的信号电压按照其以大于信号电压的分数1/e(约为0.37)向其接近。相应的放电时间常数可理解为从放电开始后的时间间隔，修正的信号电压按照其以低于输出值的分数1/e下降、开始放电。
优选地用价格低廉且可靠的阻容电路来实现延时电路。这种电路包括一通过电阻充放电的电容。阻容电路的充电时间常数由充电电阻和电容器容量的乘积确定。放电时间常数由放电电阻和电容器容量的乘积确定。通过使放电时间常数远远大于充电时间常数可以做到，积累连续而短暂的过电压冲击的影响，因为在每次过电压冲击过后，延时电路在一定的时间内处于“偏压”状态。这里尤其具有优点的是放电-充电时间常数比≥10。
优选将至少第一比较器采用滞后开关。这样可以有效地避免在缓慢生成电网过电压时，出现未加控制的反复地接通和断开过电压保护装置。另一个稳定的操作特性可以通过将两个比较器均采用同一滞后开关实现。
按照本发明，在第一比较器前接入一个信号准备电路，该电路包含一个整流器和/或一个降压器。通过整流器避免了低于地电位(Massenpotential)的负输入信号，这种信号可能造成比较器工作状态的不可靠。整流器以一极其简单的构造方式由一二极管实现。通过该降压器可以将电网电压有利地降低到容易处理的低电压，该电压被用作对电网电压的度量。按一种成本特别低的方式，该降压器在此由简单的电阻构成的分压器实现。
本发明的优点尤其在于，它将一个很高的在瞬间电网过电压时不引发错误触发的性能，与可靠而迅速的断开功能结合在一起。一个关键的优点是，由于使用了阻容电路作为延时电路，瞬间电网过电压总是加在一个完全放电了的电容上，即使电网电压在出现瞬间电网过电压时已经非常接近允许的边界值时也是这样。但如果例如阻容电路在第一比较器旁路的情况下直接与该信号准备电路连接，则情况将不同。在这种情况下，阻容电路在电网过电压到达前已经处于“偏压”状态，即便一个不重要的电网过电压也会造成错误触发。同样，触发时间也优选地不依赖于下列情况：即无论电网过电压是在接入设备时出现，还是在设备接入时已经存在电网过电压。此外，还具有显著优点的是，触发操作尽可能独立于电网电压的基本频率，因此在电网电压频率波动时的反应也是鲁棒性的。此外，该电网过电压保护装置可以成本非常低地制造，这表现在由于使用了半导体器件，电流消耗量极其微小。
电网过电压保护装置因其紧凑的结构特别适于作为线路保护开关、漏电流保护开关或差分电流保护开关等的附加功能。
附图说明
下面将对照附图所示实施方式对本发明作进一步的说明。其中，
图1为一个具有电网过电压保护装置的差分电流(DI)保护开关的示意图，以及
图2为图1中电网过电压保护装置的电路图。
具体实施方式
图1示出了一个保护开关1，其主要功能是差分电流(DI)保护开关。为此，保护开关1包括一个具有磁性铁心3的和电流变压器2，电网导线通过该和电流变压器2引入。电网有一条零线N和传输电压的相线L。为简明起见，图1中未示出其它可能的相线。在此，在该保护开关1前连接有一个电网用户(没有画出的)，沿着馈电方向4从电网为该用户供电。
此外，磁性铁心3由次级线圈5缠绕。在电网L、N无干扰运行的情况下，通过磁性铁心3流过电流的向量和总是零。如果送入电流的一部分由用户导向大地的话，将出现漏电流/差分电流。这时，通过磁性铁心3流过电流的向量和的绝对值变成一个非零的量。该漏电流/差分电流在次级线圈5中感应出差分电压UD，其作为出现的差分电流的度量被引入。差分电压UD由漏电流/差分电流分析器6放大和分析。在DI保护开关中，在此以未详细示出的方式将漏电流/差分电流分析器6示为由电网部分用例如相对于地M的操作电压U0供电。在出现一个就其大小和持续时间来讲是有害的差分电流时，漏电流/差分电流分析器6以触发电压UA的形式，向触发器8的可选现有控制电路7输出一个触发信号。优选以继电器或吸持磁铁系统的形式实现的触发器8，操动机械开关锁(Schaltschloss)9，后者打开影响电网电线L，N的接触系统10的触点。从控制电路7向触发器8给出的修正触发电压UA′此时通过触发器8导入大地M。
作为附加功能，该保护开关1包括一个电网过电压保护装置11。该电网过电压保护装置11具有电压输入端12，它与相线L和零线N电连接。电网电压UN首先由相线L通过电压输入端12，导向信号准备电路13。在信号准备电路13内，设置有一个整流器14和一个与其连接的降压器15，后者将经过整流的、相对电网电压UN幅度适当低的电压作为输入电压UE，加到第一比较器16上。比较器16将输入电压UE与一个参考电压U1相比较，并向延时电路17输出一个与比较结果相关的信号电压Us。延时电路17输出一个尤其是延时了的修正信号电压Us′，到第二比较器18，后者将修正信号电压Us′与第二参考电压U2相比较。第二比较器18为了发出触发信号，通过电压输出端19，与控制电路7或者直接与触发器相连。为了操作比较器16、18，电网过电压保护装置11由电网部分供给操作电压U0。为了避免由于将漏电流/差分电流分析器6的输出端和比较器18的输出端连接在一起而造成的误操作，需要一个例如二极管形式的去偶合电路20。该去偶合电路20还可以连接到电压输出端19。
图1所示的原理电路，同样可以移植到一个具有电网过电压保护装置的漏电流(FI)保护开关。在这种情况下，要求漏电流触发与电网电压无关，因此漏电流/差分电流分析器6的工作也无须外部电压供电。此外，FI保护开关中没有控制电路7。
参考电压U1是根据将输入电压UE这样选择的，即当电网电压UN超出允许的边界值时，输入电压UE超过参考电压U1。此时比较器16的输出端由“低”电平变为“高”电平。因此，在延时电路17中，当修正信号电压Us′的绝对值逐渐递增时，信号电压Us的中断将被延迟。如果电网过电压长时间存在，则修正信号电压Us′将在相对电网过电压开始后的一个延迟时刻超过参考电压U2。此时第二比较器18的输出端由“低”电平变为“高”电平，并向控制电路7送出一触发电压UA，该驱动电压触发器8并打开接触系统10。
图2所示为电网过电压保护装置11的电路技术实现。其中，电网电压UN通过电压输入端12加到利用二极管D1实现的整流器14上。降压器15是一个简单的、由两个电阻组成的分压器。为此二极管D1的输出端通过电阻R1，R2接大地M。输入电压UE在电阻R1，R2之间被截取，并被送到第一比较器16。比较器16由一个运算放大器P1、输入串联电阻R5，以及一个用于在运算放大器P1输入端+和输出端之间建立开关转换滞后而连接的电阻R4构成。运算放大器P1的参考电压输入端一加有正操作电压U0经电阻R3由齐纳二极管D2确定的参考电压U1。运算放大器P1的输出端经一按导电方向连接的二极管D3与延时电路17相连。延时电路17通过一阻容电路和与大地M相连的电容C1，以及阻容电路输入端串联的充电电阻R6实现。此外，延时电路17还包括电阻R7，它在充电电阻R6的输入端与电容C1并联地与大地M相接，这样一来R6+R7的和构成放电电阻。电阻R8和电阻R9组成的串联电路与R6+R7并联，在这种情况下可使R8+R9＞＞R6+R7(注释：＞＞表示远大于)而可忽略。在充电电阻R6和电容C1之间给出修正信号电压Us′，该电压被引向第二比较器18。该比较器类似于第一比较器16，由一个运算放大器P2、输入电阻R9，以及一个连接在运算放大器P2输入端+和输出端的电阻R8构成。运算放大器P2的参考电压输入端一，与运算放大器P1的参考电压输入端一相连，从而使在两个运算放大器P1，P2上一直保持相同的参考电压U2＝U1。运算放大器P2的输出端和电网过电压保护装置11的输出端19相连。
当输入电压UE超过参考电压U1时，运算放大器P1的输出端由一个电压“低”，变为相对较高的内部信号电压“高”。从这个第一接通时刻起，电容C1将通过充电电阻R6缓慢充电，这使得修正信号电压Us′相对于信号电压Us只是较为缓慢地上升。当修正信号电压Us′达到参考电压U2时，运算放大器P2将由“低”转换成为“高”，并由此以在触发电压UA上形成跳跃性的电压上升方式，发出触发信号，通过电压输出端19加到控制电路7上。因此，由电网过电压保护装置11、控制电路7和触发器8组成的电网过电压触发电路，可以有效地与漏电流/差分电流触发电路并行连接。出于合理的理由，可以由差分电流分析器6和电网过电压保护装置11共同使用可选的现成控制电路7和触发器8。
在电网过电压时，运算放大器P1信号电压Us的一部分通过电阻R4反馈到其输入端+，使输入端+加上一个比输入电压UE高的电压。因此，运算放大器P1的反向接通(Rueckschaltung)，只有当输入电压UE明显低于参考电压U1时才得以实现。原则上同样也可以通过电阻R8，R9为运算放大器P2设定的这种开关阈值和反向开关阈值之间的差值，被称为开关转换滞后。
在出现瞬间(即动态)电网过电压时，在运算放大器P2开关条件形成之前，运算放大器P1得以反向接通，这就使电容C1通过电阻R6和电阻R7放电。其中电阻R7优选地设置成比充电电阻R6明显的大，从而使放电电阻(R6+R7)与(R8+R9)并联，至少要大于充电电阻R610倍以上。电容C1在阻容电路的这种设置下，在出现静态电网过电压时，持续充电。这里，通过二极管D3避免了电容C1通过电阻R6和比较器16的输出端快速放电。
另一方面，当只有个别而短暂的电网电压冲击出现时，电阻R6和电阻R7可以保证使电容C1一直完全放电。

Claims (9)

1.一种电网过电压保护装置(11)，其具有连接到输送电压电源线(L，N)的电压输入端(12)，和一个用于向与该电源线(L，N)连接的跳闸装置(7，8，9，10)发出触发信号(UA)的电压输出端(19)，其特征在于，其具有一个第一比较器(16)，当电网电压(UN)超出一个允许的边界值时，该比较器输出一个内部信号电压(Us)；一个连接在该第一比较器(16)后的延时电路(17)，其输出一个修正的信号电压(Us′)；以及一第二比较器(18)，当该修正的信号电压(Us′)超过一个参考值(U2)时，其输出一个触发电压(UA)用以产生触发信号。
2.根据权利要求1所述的电网过电压保护装置，其特征在于，所述延时电路(17)包括一个阻容电路(C1，R6，R7)。
3.根据权利要求1所述的电网过电压保护装置，其特征在于，所述延时电路(17)具有一个充电时间常数和一个放电时间常数，其中，该放电时间常数明显大于该充电时间常数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电网过电压保护装置，其特征在于，所述第一比较器(16)是利用一开关转换滞后电路实现的。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电网过电压保护装置，其特征在于，在所述第一比较器(16)前连接有一个包含整流器(14)的信号准备电路(13)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电网过电压保护装置，其特征在于，在所述第一比较器(16)前连接有一个包含降压器(15)的信号准备电路(13)。
7.根据权利要求5所述的电网过电压保护装置，其特征在于，所述整流器(14)由一个齐纳二极管构成。
8.根据权利要求6所述的电网过电压保护装置，其特征在于，所述降压器(15)由一个分压器(R1，R2)实现。
9.一种电路保护装置，其具有一个与一差分电流/漏电流触发电路(6，7，8)相并联的、根据权利要求1至8中任一项所述的电网过电压保护装置(11)。
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