CN101091298A - 用于在接地保护的用电设备中后备保护以防止触电的具有依赖于电源电压的故障电流切断功能以及高选择性能的总开关装置 - Google Patents

Abstract

本专利描述了一种在接地保护的用电设备(根据IEC 60364的TT－系统)中用于后备保护以防止触电的总开关装置，该总开关装置包括外壳(1)，该外壳则具有用于电源线的接线端子并且优选由两个彼此热隔离的功能空间构成，在该外壳中安置了具有所属的锁扣机构(3)的用于中断外导体L1、L2、L3(2)和用于中断零线N(4)的接合器、总电流转换器(5)、优选不依赖于电源电压的电子存储器－和/或放大器开关电路(6)以及机电式继电器或晶闸管(7)，其中所述电子开关电路与所述总电流转换器(5)的次级绕组相连接，并且，如果故障电流超过预先给定的数值，那就通过所述机电式继电器或晶闸管根据电源电压致动工作电流切断器(8)，该工作电流切断器(8)将所述锁扣机构解锁并且由此使所述接合器断开。确定所述电子存储器－和/或放大器开关电路的尺寸，从而不依赖于故障电流的高低使所述总开关装置的切断时间总是大于0.2秒，并且对超过额定故障电流十倍数值的故障电流来说总切断时间总是小于0.5秒。

Description

用于在接地保护的用电设备中后备保护以防止触电的具有依赖于电源电压的故障电流切断功能以及高选择性能的总开关装置

已经公开了一种在接地的、具有依赖于电源电压的故障电流切断功能及高选择性能的用电设备中用于防火的总开关装置(AT 412830)，该总开关装置具有引入的零线。这在接地时(根据IEC 60364的TN-系统)是有利的，因为在这种保护系统中，所述零线总是可靠地接地，并且如此构造所述配电网，使得在出现外导体接地形式的电网故障时，可以认为所述零线承受超过50V的故障电压这样的风险是可以接受的。

因为此外在接地时通过过电流-保护装置确保故障保护，所以在出现故障的情况下通过串联的过电流-保护装置在实际上所要求的选择性由于有待朝电路末端下降的额定电流强度而产生。

这在接地保护的用电设备(根据IEC 60364的TT-系统)上就不是这种情况，在这些用电设备上故障电流-保护装置安装在电流分配系统的中心处。如果在所述设备中的任何地方出现故障，那就通过所配设的故障电流保护装置切断整个电流分配系统，也就是也切断没有故障的电路。

此外会导致这种情况，即在打雷时经常在所述设备中出现电弧，由此出现冲击电流或针对大地的电网续流，而这些电流则在普通结构形式的故障电流保护装置中导致误切断，由此也切断整个用电设备。

为了相对于普通结构形式的故障电流-保护装置实现一种选择性能，对所述结构形式S进行了标准化。该结构形式即使在出现更高的超过额定故障电流五倍数值的故障电流的情况下也具有超过0.05秒的最小切断时间，或者说在故障电流达到500A时具有超过0.04秒的最小切断时间，并且由此可选利用普通结构形式的串联的故障电流-保护装置在总体上保持在实践中常见的故障电流范围(参见表格1)。

但结构形式为S的故障电流-保护装置的安装仅仅实现了一个选择等级，并且这对更大的分配系统来说太少了，比如如果对有些输出电路来说要求通过具有额定故障电流I_ΔN＝30mA的故障电流-保护装置进行额外保护。

在保护接地的用电设备中所述接地电阻经常也很低，比如处于欧姆-范围内，并且这样从几十到几百安培的故障电流就可能流出来。这样的故障电流通过线路保护开关(对此在文献资料中经常使用缩写LS-开关)的快速切断器或者通过熔断器在几秒钟的瞬间切断。普通结构形式的故障电流-保护装置，但也包括结构形式为S的FI-开关在这些情况下经常额外地并且没有必要地进行切断，并且由此没有必要地限制电流供给。从所述故障电流-保护装置的切断数值中可看出这一点。

表格1：故障电流-保护装置的最大总切断时间和最小切断时间

结构形式	(3)	故障电流
						IΔN	2×IΔN	5×IΔN	500A
		普通(1)	最大切断时间(秒)	0.3	0.15					0.04	0.04
最大切断时间(秒)	0.5					0.2	0.15	0.15
			S(2)	最小切断时间(秒)	0.13				0.06	0.05	0.04
(1)不要求最小切断时间(2)仅仅对IΔN≥25A以及IΔN＞0.03A(3)在开关装置标准中确定了“切断时间”以及“断开时间”，也就是这里的“总切断时间”这些概念。

因此为了用后置的普通结构形式以及结构形式为S的具有过电流保护装置的故障电流-保护装置为更高的故障电流实现广泛的选择性，可以象在专利AT 412 830中所说明的用于防止由接地故障电流引起的起火的总开关装置中一样，为按本发明的用于后备保护以防止触电的总开关装置设置0.2秒的最小切断时间。

在此，“后备保护”这个概念得到与很长时间以来在过电流保护中常用的概念相类似的意义。在过电流保护装置上，这个概念意味着备用熔断器(多数是指熔断器)，该备用熔断器在短路电流如此之高从而可能会破坏后置的过电流保护装置的时候对该过电流保护装置(多数是指LS-开关)进行保护。在使用后备保护时，所述备用熔断器在短路电流可能引起损坏之前也就是在后置的保护装置失灵之前将该短路电流切断。在进行防止触电的后备保护时，以相同的方式在TT-系统上额外地安装总开关装置，该总开关装置在所述用于故障保护的故障电流保护装置失灵时，承担了所出现的具有可以接受的风险的故障电压的切断任务。所述总开关装置具有有待保护的后置的故障电流保护装置，但也具有LS-开关，这种总开关装置的选择性能在此尤为重要，因为在无故障运行时应该是所述故障电流保护装置或者说LS-开关而不应该是所述总开关装置在出现对地绝缘故障时切断设备的有故障的部件。在使用LS-开关时在这种情况下应该考虑，在用于对快速切断进行检查的标准中要求在0.1秒内进行切断。如果在经过较长的安装时间之后考虑到老化现象，那就必须为前置的总开关装置要求0.2秒的最低切断时间，用于确保必需的选择性。由此同时实现更高的、相对于后置的熔断器的选择性，但在今天已极少地安装所述后置的熔断器用于保护输出电路。

如早已解释的一样，由此也用所述后置的所有结构形式的故障电流-保护装置确保了完整的选择性。当然，在防止触电方面，各种保护装置的可靠性是特别重要的。

因为故障电流-保护装置是机电式开关装置，在此对所述开关装置的切断敏感性提出了很高要求，所以必须预料到故障情况。就象大量的并且在文献资料中所说明的检验在接地保护的用电设备中所表明的一样，在实践中也会出现所述故障情况。事实上，今天在市场上出售的故障电流-保护装置不论其是用不依赖于电源电压的故障电流切断器还是用依赖于电源电压的故障电流切断器进行工作，都具有高达1000fit的故障率λ，也就是在百分数范围内的故障率F，这种故障率是太高了。

在这里，现在所述按本发明的总开关装置显著提高了防止触电的可靠性。如果安装在分配系统的输入端上，那么利用后置的普通结构形式或者结构形式为S的故障电流-保护装置就产生很高的选择性。因此，在受到保护的用电设备中出现绝缘故障时，通常就切断其中一个后置的故障电流保护装置。但如果这些开关中的其中一个开关失灵，那么在整个设备中就存在很高的事故风险，因为在所述由于有故障的故障电流保护装置现在不受保护的电路的其中一个电路中出现绝缘故障时，在整个用电设备中就出现很高的故障电压。但如果将按本发明的总开关装置安装在所述设备的中央，那就通过该总开关装置的切断消除了这种危险。因为所述按本发明的总开关装置使用了按EP 495 771A2所述的具有很高的切断可靠性的故障电流保护装置的原理，并且其电子组件优选布置在一个自己的功能空间中，如在AT-专利申请A928/2004中所说明的一样该功能空间为这些电子组件实现了低工作温度，所以该总开关装置的故障率λ处于和LS-开关相同的数量级上，也就是说，所述具有普通结构形式或者结构形式为S的故障电流-保护装置的总开关装置的串联不仅具有很高的选择性，而且极其可靠，并且由此在保护接地的用于防止触电的用电设备中实现可以接受的事故风险。

为此，必须如此确定所述按本发明的总开关装置的切断时间，使得所述切断时间在电病理学上对于有害的触电意味着一种可以接受的风险。在此，一般当然可以为后备保护约定比通常的故障保护更长的时间。

在此应该注意，在接地保护的用电设备中在有故障的情况下经常出现接近对地电源电压的、也就是大约200V的故障电压。

图1示出了在人接触50Hz的交流电时有损健康的电击Z1(AC)和Z2(AC)的可以接受的和不能接受的风险的时间/电流区，所述时间/电流区符合电病理学的知识的最新水平。在此为从手-手(手-脚)一直到双手-躯干(人坐在地上并且用双手握住有缺陷的电器)的接触电流及电路画出了保护区域1和2。边界由过渡区域c-c’构成。在200V的接触电压时，人们发现总开关装置的最高0.5秒的切断时间作为有损健康的电击的风险还是可以接受的，其中用于TT-系统上的后备保护的边界线c’一般认为是合适的。如果在不饱和接地的情况下出现仅仅50V的接触电压，那就以1秒钟限制切断时间，尽管50V的交流电在国际标准中允许不受限制的时间。因此，所述总开关装置的最高0.5秒的总切断时间可以配属于200V的接触电压，并且由此在不利的条件下在保护接地中可以配属于饱和接地。如果为I_F＝10×I_ΔN(其中I_ΔN是所述总开关装置的额定故障电流)的故障电流要求总切断时间t_g，那就计算出保护接地的用电设备(TT-系统)的最高允许接地电阻R_A为

$R_A\≤\frac{230V}{10\×I_{\mathrm{\ΔN}}}$

以下方法用于根据故障电流确定总切断时间t_g的特性曲线：

由于在超过10×I_ΔN的故障电流的情况下机械切断时间在实际上保持恒定，所以，即使在所述故障电流为几百安培时，特性曲线也仅仅有很小的变化，并且可以继续用最高0.5秒的时间用常规方法进行确定。在0.5×I_ΔN和1.0×I_ΔN之间，总切断时间t_g趋于无穷。如果用两个具有中间值2×I_ΔN、1秒的点I_ΔN、5秒和10×I_ΔN、0.5秒来确定所述切断特性曲线，那就由此产生按表格2的切断特性曲线。

表格2：按本发明的用于后备保护的总开关装置的最大总切断时间t_g以及最小切断时间t_a

故障电流	IΔN	2×IΔN	10×IΔN	100A	500A
						总切断时间(最大)tg(s)	5	1	0.5	0.5	0.5
切断时间(最小)ta(s)	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
						IΔN额定故障电流

如前所述最小切断时间在整个切断范围内为t_a＝0.2秒。

对于按本发明的总开关装置的按表格2的切断特性曲线来说，提出对字母F进行标识。

因此，对于按本发明的具有I_ΔN＝0.1A的总开关装置来说，接地电阻R_A最高为230欧姆，在I_ΔN＝0.3A时最高为77欧姆。在实际上，这些数值在大多数情况下低于10欧姆，并且由此在接地保护的用电设备中出现绝缘故障时在后置的故障电流-保护装置失灵时通过后备保护在低于0.5秒的时间内进行切断，也就是说在小于人的心动周期的时间内进行切断。这就决定性地降低了有损健康的电击的风险。

按本发明的总开关装置因此是一种在保护接地的、具有连接的零线及总电流转换器的用电设备中用于后备保护以防止触电的故障电流-保护装置，其中所述总电流转换器的次级绕组与优选不依赖于电源电压的电子存储器-和/或放大器开关电路相连接，该开关电路在故障电流超过预先给定的数值时致动机电式继电器或晶闸管。由此根据电源电压通过工作电流切断器将锁扣机构解锁并且由此使外导体触点及零线触点断开。按本发明，如此确定所述电子存储器-和/或放大器开关电路的尺寸，从而不依赖于故障电流的高低使所述开关装置的切断时间总是大于0.2秒，并且自10×I_ΔN起总切断时间总是小于0.5秒。

图2示出按本发明的总开关装置，其具有外壳1，在该外壳1中安置了用于外导体2以及零线4的接合器、锁扣机构3、用于所述外导体L1、L2和L3以及零线N的电流路径、总电流转换器5、优选不依赖于电源电压的电子存储器-和/或者放大器开关电路6、机电式继电器或者晶闸管7以及工作电流切断器8。不仅所述外导体L1、L2和L3的电流路径，而且所述零线N的电流路径都在所述总开关装置切断时通过所述外导体触点2及零线触点4而中断。

图3示范性地示出所述按本发明的具有I_ΔN1＝0.3A的额定故障电流的总开关装置的保护特性曲线，所述总开关装置与结构形式为S的具有额定故障电流I_ΔN2＝0.1A的故障电流-保护装置以及具有额定电流I_N＝16A的特征为B的线路保护开关串联，其中该线路保护开关具有设置在3×I_N和5×I_N之间的快速切断器。

在大约60A的情况下在超过所述LS-开关的快速切断器的响应极限后，所述LS-开关以大约t_g＝0.02秒的总切断时间切断。在此时间以下，利用热切断器所述LS-开关的总切断时间处于秒或者说分钟的范围内，并且在大约20A以下该LS-开关按规范保持接通状态。如果比如在不饱和接地时，对地的故障电流处于安培范围内并且完全有起火危险，那么所述LS-开关就不起作用。而后，通常就切断普通结构形式的或者结构形式为S的故障电流保护装置。图3示出了S-FI-保护开关的切断特性曲线，该保护开关根据表格1在I_ΔN2＝0.1A时切断t_g＝0.5秒，并且其总切断时间t_g在出现更高的2×I_ΔN2＝0.2A的故障电流时为0.2秒，并且在5×I_ΔN2＝0.5A时为0.1秒，也就是说如同对5×I_ΔN2所要求的低于0.15秒。根据表格1，它的最小切断时间t_a2在I_ΔN2时为0.13秒并且在500A时为0.04秒。因此，它在出现超过大约80A的故障电流时可以用所述后置的LS-开关进行选择。

所述总开关装置在I_ΔN1＝0.3A时切断5秒钟，在2×I_ΔN1＝0.6A时切断低于1秒钟，并且在10×I_ΔN1或者说100A及500A时切断低于0.5秒。其最小的切断时间t_a1在整个范围内为0.2秒。因此，可以在全部的切断范围内用所述后置的S-FI-保护开关并且也用所述LS-开关加以选择。

可以看到，在整个故障电流范围内，在所述按本发明的总开关装置和后置的故障保护装置或者说线路保护开关之间产生完整的选择性，也就是说，所述结构形式为S的LS-开关或者FI-保护开关首先接通并且所述按本发明的总开关装置保持接通状态。只有在所述S-FI-保护开关(或者比如另一个后置的故障电流保护装置)失灵时并且仅仅在出现低于所述LS-开关的快速切断器的响应极限的故障电流时，所述按本发明的总开关装置才切断所述用电设备，并且由此防止出现高的和危险的故障电压。

图4的安装示意图用保护接地的具有两个部分的用电设备示范性地示出所述按本发明的解决方案的优点。一个部分作为故障保护使用结构形式为S的、比如额定电流40A和额定故障电流I_ΔN＝0.1A的故障电流保护装置2，因为要求选择使用用于插座的输出电路，在所述输出电路中为进行附加保护使用了具有额定故障电流I_ΔN＝0.03A的LS/FI-保护开关4。这个部分的输出电路的一部分向照明电路供电，在此用LS-开关5仅仅防止所述照明电路的输出电路出现过载。所述比如用于电热设备的第二部分通过普通结构形式的比如具有额定故障电流I_ΔN＝0.1A和额定电流40A的故障电流-保护装置3得到保护。

在没有所述总开关装置1的情况下，在所述故障电流保护装置2或3失灵时并且在所述仅仅通过LS-开关5保护的输出电路中出现绝缘故障时，就会在整个用电设备中出现危险的故障电压而没有进行切断。在相关标准中可能为所述按本发明的总开关装置的结构建议使用标识

，这样按本发明的总开关装置比如就具有额定故障电流I_ΔN＝0.3A以及额定电流I_N＝63A。如果所述故障电流保护装置2或3失灵，那么它在实践中在接地保护的用电设备中出现故障电流时切断少于0.5秒。

Claims (5)

1.在接地保护的用电设备中用于后备保护以防止触电的总开关装置，其包括外壳(1)、用于电源线的连接端子、具有所属的锁扣机构(3)的用于中断外导体L1、L2和L3(2)的以及零线N(4)的接合器、工作电流切断器(8)、总电流转换器(5)、电子存储器-和/或放大器开关电路(6)和机电式继电器或晶闸管(7)，其中所述电子存储器-和/或放大器开关电路(6)与所述总电流转换器(5)的次级绕组相连接，并且，如果故障电流超过预先给定的数值，那就通过所述机电式继电器或晶闸管(7)根据电源电压致动所述工作电流切断器(8)，该工作电流切断器(8)将所述锁扣机构(3)解锁并且由此使所述接合器断开，其特征在于，确定所述电子存储器-和/或放大器开关电路(6)的尺寸，从而不依赖于故障电流的高低使所述总开关装置的切断时间总是大于0.2秒，并且对超过额定故障电流的十倍数值的故障电流来说总切断时间总是小于0.5秒。

2.按权利要求1所述的总开关装置，其特征在于，所述电子存储器-和/或放大器开关电路(6)不依赖于电源电压。

3.按权利要求1或2所述的总开关装置，其特征在于，所述外壳(1)具有第一功能空间以及与该第一功能空间热隔离的第二功能空间。

4.按权利要求3所述的总开关装置，其特征在于，在所述第一功能空间中至少布置了所述接合器、锁扣机构(3)、工作电流切断器(8)和总电流转换器(5)。

5.按权利要求3或4所述的总开关装置，其特征在于，在所述第二功能空间中至少布置了所述电子存储器-和/或放大器开关电路(6)和所述机电式继电器或晶闸管(7)。

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