CN101340079A - 故障电流保护开关和制造故障电流保护开关的方法 - Google Patents

Abstract

故障电流保护开关划分为设计用于主要为交变电流的故障电流的这种故障电流保护开关和设计用于脉冲状的故障电流的故障电流保护开关。根据本发明可以将考虑用于第一种类型的故障电流开关的集成开关回路(22)应用在后面的类型中。为此将累加电流互感器的通过放大器放大了的输出电压整流并进行积分，以便即使在脉冲状的故障电流时也会超过参考电压(REF)。

Description

故障电流保护开关和制造故障电流保护开关的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的故障电流保护开关。本发明还涉及一种用于构成故障电流保护开关的方法。

背景技术

一种故障电流保护开关应该在存在故障电流时中断在线路系统中的电流。在这种情况下，当全部输入的电流不等于全部输出的电流时，也就是说，当输入的电流中有一部分流到某一个地方时。全部输入的电流是在所有输入线路中的总电流，在这些输入线路中至少有一个输入线路，而全部输出的电流是在输出线路中的总电流，在这些输出线路中也至少有一条输出线路。本发明涉及一种具有累加电流互感器(总电流互感器)的故障电流保护开关。该累加电流互感器与变压器没有什么不同。在该累加电流互感器的初级侧如此引导输入和输出电流，即当没有故障电流时，通过输入和输出电流所产生磁场准确地补偿。当出现故障电流时产生一个磁场，通过该磁场在累加电流互感器的次级侧上产生不为零的电压。该电压被提供给放大器，该放大器将电压放大。所放大的电压通常直接被输送给比较器。该比较器将该放大器的电压与参考电压进行比较。如果所放大的电压超过参考电压，那么这就被评价为故障电流有过大的迹象，而且比较器从逻辑低至逻辑高来变换其输出信号。比较器后置一个断开电路，该电路接受比较器的输出信号。比较器的输出信号在断开电路里通常引起电流的流动，因此作为线圈而实施的断开元件被加载电流并操纵一个开关，通过该开关使线路系统里的电流被中断。

故障电流保护开关本身设计用于在故障电流为交变电流的情况下的断开。然而故障电流也可能是脉冲的并因此具有一种直流电部分。通过故障电流中的直流电部分会损坏。然而交变电流部分为累加电流互感器次级侧处的电压的主要贡献者(Hauptbeitrag)。因此可能会对通常的电路中的故障电流的危险倾向估计不足。因此必须要与通常的电路有所不同，这是因为想要这样来设计故障电流保护开关，即该故障电流保护开关即使在脉冲的故障电流时也能断开。因此将故障电流保护开关区分为只是在交变电流时断开的故障电流保护开关(称之为AC型的故障电流保护开关)和在有直流电部分时也断开的故障电流保护开关(称之为A-型的故障电流保护开关)。

在AC-型故障电流保护开关中有价廉的标准元器件。集成的开关回路(集成电路IC)尤其是已经专门设计用于AC-型的故障电流保护开关。一种用于这种集成开关回路的实例是三菱(Mitsubishi)的M54123。这种集成开关回路在以前的A-型故障电流保护开关中不能使用。人们没有考虑使用这些用于AC-型的故障电流保护开关的集成开关回路，而是在A-型故障电流保护开关中以前就按传统的方式设计了相应的电路，例如该电路具有运算放大器，或者已经专门为A-型的故障电流保护开关设计了有关应用方面的集成开关回路(application specific integrated circuits ASICS)，但是这些开关回路相对比较贵。

WO91/19340公开了一种故障电流保护开关，在此开关中安装了一种如在权利要求1的前序部分中所述的电路。

发明内容

本发明的目的在于，指出了一种途径，使得容易得到的现有元器件，尤其是设计用于AC-型的故障电流保护开关的上述集成开关回路也可以应用在A-型的故障电流保护开关中。

该目的通过一种具有根据权利要求1的特征的故障电流保护开关和一种具有根据权利要求3的特征的用于构成故障电流保护开关的方法来实现。

根据权利要求1的前序部分所述的故障电流保护开关的特征在于，放大器的输出端通过整流二极管与比较器的输入端连接。此外使比较器的输入端同时地既通过电容元件还通过并联于该电容元件的电阻元件接地。这意味着只有放大器的输出端被积分，其中通过并联的电阻元件确保了，使所整合的信号再次分开，从而不是无穷尽长地进行积分。

通过对放大器输出端的积分，使那些归因于故障电流中的直流电部分的那些部分在累加电流互感器次级侧的电压中占有更强的权重。因此可以在没有改变参考电压时另外将一种AC-型的故障电流保护开关的基本构造应用于A-型的故障电流保护开关中。

根据本发明是这样设计的，即应用一种集成开关回路，这种开关回路最初是考虑用于AC-型的故障电流保护开关，例如三菱的M54123。这意味着，放大器和比较器共同设置在集成开关回路上。这种集成开关回路具有多个连接可能性，以便可以实现上面所述的集成电路。电容元件和电阻元件都连接于集成开关回路上。向比较器输入参考电压的单元也可以属于该集成开关回路。

根据本发明的类型的故障电流保护开关的性能可以通过如下方法进一步提高：产生在电流互感器的次级侧所产生的电压信号的确定部分的谐振电路放大系数，其方法是使累加电流互感器的次级侧的多个接头通过电容元件相互连接起来。与累加电流互感器的次级侧的电容一起形成了LC谐振电路。当电网电压为50Hz时这种谐振电路例如具有在70和90Hz之间的谐振频率，例如80Hz。因此这不是归因于50Hz的故障电流的交变电流部分的、而是归因于直流电压部分的一部分在电压中过大。直流电压部分也可以按照电网频率的谐振来检测。上面所提到的谐振频率的数值范围为电网频率的1.5-1.8倍。

一种根据本发明用于制造故障电流保护开关的方法，该电流保护开关用于在由至少一个输入线路和至少一个输出线路组成的线路系统中使电流中断，该方法包括有以下步骤：

准备累加电流互感器，该累加电流互感器具有用于使所有输入线路和输出线路连接的初级侧的接头，并具有二个次级侧的接头。

准备集成开关回路，该集成开关回路具有电压放大器和比较器，其中电压放大器的两个输入端和至少一个输出端可以与比较器的输入端和输出端连接，

使累加电流互感器的次级侧接头与电压放大器的输入端连接，

使电压放大器的输出端通过整流二极管与比较器的输入端连接，并使比较器的输入端通过电容元件以及与之并联地通过电阻元件接地，

准备并连接用于中断电流的断开元件以及用于断开元件的断开电路，

将断开电路与比较器的输出端连接。

根据本发明的方法的特征在于，至少在功能方面实际上应用了如同在根据AC-型的故障电流保护开关时同样的构件，尽管通过电压放大器的输出端经过整流二极管与比较器的输入端连接和通过比较器的输入端经过电阻元件接地，可以如下实现一种特殊的匹配，从而使故障电流保护开关可以作为A-型的故障电流保护开关来使用。

在构成一种故障电流保护开关的方法中也可以提供累加电流互感器输出信号的谐振电路放大系数，其方法是累加电流互感器的次级侧接头通过电容元件相互连接。

附图说明

下面参照示意图对本发明的优选实施例进行描述，其中

图1示意性示出了AC-类型的故障电流保护开关的构造，

图2示出了根据本发明的故障电流保护开关(A-型)的构造，

图3部分地详细示出了图2中构造。

具体实施方式

图1示出了一种AC-类型的故障电流保护开关的构造，也就是说一种设计用于检测出没有或者只有少量直流电部分的故障电流保护开关。

存在有电流输入线路L和电流输出线路N(接地线路)。在图1中所示出的元件都属于故障电流保护开关。尤其是线路L的线路段和线路N的线路段分别属于该故障电流保护开关。这些线路段包括有在累加电流互感器10的初级侧上延伸的一部分、以及其中设计在开关12、12′中的一部分，当出现检测认为太大的故障电流时，这些开关被断开。

在累加电流互感器10的次级侧上存在具有两个接头16和16′的电感元件14，这两个接头通过电阻元件18相互连接起来。累加电流互感器用其名称，是因为将一方面在线路L里的和另一方面在线路N里的电流求和且在次级侧感应出电压。如果没有故障电流，那么总和就等于零，而且不会产生电压。当出现故障电流时该电流虽然通过线路L流入，但较少有电流通过线路N流出，从而电流的总和具有最终数值并且在次级侧在接头16和16′之间产生电压。该电压被输送给集成开关回路22的输入端20、20′。在此应该尤其是指三菱的集成开关回路M54123。在该集成开关回路22中存在放大器，而且接头20和20′就是其输入接头。放大器24的输出端作为接头24使用。在集成开关回路22中存在比较器，而且其输入端是作为接头26准备的。在现有技术中接头24和26直接地相互连接，也就是说放大器的输出端与比较器的输入端相连接。比较器26的输入端无论如何都通过电容器28接地。电容器28引起时间延迟直至在比较器中输入信号。通过合适地选择电容器28的电容可以调整该时间延迟。

在集成开关回路22中的比较器的输出端同样也用作为接头，即作为接头30。该输出端与包括至少一个晶闸管的断开电路32连接。如果在比较器的输入端26处的电压超出了参考电压，那就使输出端30逻辑地变高，并且晶闸管32接通。因为晶闸管32接在位于两条线路L和N之间连接中，在该连接中附带地接入断开线圈34，因此当故障电流充足够高时，电流就流动，而且电流足够使断开线圈34操纵在图1中未示出的元件，该元件机械地使开关12和12′断开。

如上所述，当故障电流是交变电流时，那么特别是具有图1所示的元件的故障电流保护开关可以起作用。然而故障电流也可以是脉冲的。图1示出了电流脉冲序列36作为用于这种故障电流的实例。这种电流脉冲序列36在次级侧在接头16和16′(或20和20′)之间引起电压脉冲序列38。在根据图1所示的电路中在比较器的输入26处产生电压脉冲序列40。如由图1可见，电压脉冲40任何时刻都未达到参考电压REF的大小。这意味着：比较器非逻辑地升高，晶闸管32因此并不接通，而且开关12和12′没有被操纵。但是很希望操纵(或者说致动)开关12和12′，因为在该脉冲序列36中的电流脉冲相对比较高并且可能是有害的。

根据实施例，图1中的布置在两个位置处改变，从而使开关12和12′即使在根据脉冲序列36形式的脉冲序列时也能断开。

一方面电容器41附加于电阻18，其使接头16和16′相互连接。电感元件14与电容器41一起形成LC谐振电路，因此当合适地选择出谐振频率，例如当电网频率为50Hz时，其为80Hz(电网频率的1.6倍)，那就使脉冲特别地放大。

得到脉冲序列42来代替脉冲序列38，其中应该注意到，在脉冲序列42中的脉冲有规则地比脉冲序列38中的脉冲更高。此外脉冲序列42与脉冲序列38相比也被平滑过了。

因此向集成开关回路22中的放大器输入的信号完全不同于在根据图1所示的现有技术中的信号。放大器的输出端24不再直接与比较器的输入26连接。而是在中间接入二极管44作为整流元件。并联于电容器28接入电阻46。二极管44使放大器24的输出信号进行整流，这与电容器28一起导致了信号的整合或积分(aufintegrieren)。电阻46引起了信号的缓慢降低，以便并不是唯独通过过长的时间来整合。

脉冲序列42在输入端26处引起的电压变化曲线对应于曲线48。电压虽然在脉冲序列42的第一脉冲时总是还没有达到参考电压REF，但是由于二极管44整流作用几乎并不降低，其中降低的大小由电阻46来确定。脉冲序列42的第二脉冲则已经使电压在曲线48中超过了参考电压REF，而第三脉冲则明显超过了参照电压REF。因此保证了，比较器在输出端30处在某个时候及时地逻辑向上接通，使晶闸管32短路，从而使断开线圈34通过电流并使开关12和12′断开。

由图2所示的布置使用了三菱的集成开关回路M54123。通过在集成开关回路之外适合地接线布置该故障电流保护开关就变成A-型的故障电流保护开关，也就是说它即使在脉冲状的故障电流时也能可靠地断开。

图3再次详细地示出了图2所示的布置：图2简略地示出了元器件，而图3则示出了实际的电路。

示出了图2中布置的一部分，它以接头16和16′开始，并以向着断开线圈34的接头50和以向着接地线N的接头52终止。接头16和16′通过齐纳二极管Z1跨接，该齐纳二极管具有3.3V的反向电压。接头16通过39Ω的电阻R1与点P1连接。接头16′通过第一肖特基二极管S1与点P1在通过方向上连接，而第二肖特基二极管S2与点P1在反向方向上连接。这些限制了在电容器41上的电压进而限制了在谐振时所应用的能量。电容器41具有330nF的电容。点P1通过1KΩ的电阻R2与点P2连接，点P2通过电阻值为200Ω的电阻18与接头16′连接。接头16′通过220Ω的电阻R3与点P3连接，而点P2和P3通过电容为47nF的电容器C1相互连接起来。点P2和P3直接地与集成开关回路23中的放大器V的输入接头20和20′相连接。除了放大器V之外，集成开关回路22还包括有比较器K，参考电压发生器G和电压调节器V-R。在里面比较器K与发生器G相连接。比较器K的第二输入端在外面连接于集成开关回路22，这也就是输入端26。如根据图2所说明的那样，这个输入端与输出端24连接，其中以图2中所述的形式接入了二极管44、电容为47nF的电容器28、以及电阻值为2mΩ的电阻46，并构成了积分器I。除了图2中所示的输出端30之外，比较器K还具有第二输出端30′，其中这些输出端通过电容为47nF的电容器C2相互连接。这符合集成开关回路M54123的制造厂商三菱的接线建议(Schaltvorschlag)。

如在图2中已经示出，点30直接与晶闸管32连接。点30此外还通过另一个电容为150nF的电容器C3接地。与晶闸管32并联地接入可变电阻R4。在接头50后面设置有在图2中未示出的电桥电路，其由二极管D1、D2、D3、和D4组成。二极管对线路L中(线路L通过断开线圈34与接头50相连，见图2)的电压进行整流，而且另一接在二极管后面的电阻R5(电阻值为100KΩ)限制电流。接头50通过二极管D1和电阻R5与点P4连接，该点通过齐纳二极管Z2接地。齐纳二极管Z2将点P4处的电压限制为12V。点P4与电压调节器V-R的输入端54连接，而电压调节器V-R的第二输入端56则通过电容为47nF的电容器C4与点P2连接。同时输入端56接地。晶闸管32与位于二极管D1和电阻R5之间的点P5连接。在比较器K的逻辑低的输出时，在点30处晶闸管32未接通，而且总是有较小的电流从接头50流经二极管D1、电阻R5、和齐纳二极管Z2接地，该电流并不使断开线圈34断开。如果对应于图2中的曲线48，当故障电流为脉冲状时超过了比较器K处的参考电压REF，那么比较器就逻辑地升高。晶闸管32则使点P5与点P6短路。这意味着点P5接地。通过二极管D2至接头52形成短路，而且电流可以从接头50流向接头52。这意味着，(参见图2)电流可以从线路L经过断开线圈34流至线路N，而且开关12和12’可以通过断开线圈34断开。

根据图3的电路还包括有另一个接头58，它称之为“功能接地”接头，并且对于忘记了将接头52与线路N连接起来的情况来说是重要的。功能接地接头58例如将电路与壳体连接并因此接地。接头52通过一个可变电阻R6与接头58连接。点P6通过两个二极管D5和D6与接头58连接。当接头52没有连接时，如情况可能，电流则流向功能接地接头58。

对于应用三菱的集成开关回路M54123作为集成开关回路22的备选方案也可以设计另外一种集成开关回路，其至少具有一个放大器、一个比较器和用于产生参考电压的适合的装置，如果这种集成开关回路的连接方法设计成如图2所示的且可能如同图3所示的那样的话：这样就足够了，即放大器的输出端通过二极管与比较器的输入端相连接，并且使比较器的输入端可以通过根据电容器28的形式的电容器并与此并联地通过根据电阻46形式的电阻接地。

参考标识

10累加电流互感器            12、12′开关

14电感元件                  16、16′接头

18电阻元件                  20、20′输入端

22集成开关回路              24接头

26比较器                    28电容器

30、36接头                  32晶闸管

34断开线圈                  36、38、40、41脉冲序列

44二极管                    46电阻

48曲线                      50、52接头

54、56电压调节器的输入      58功能接地接头

C1、C2、C4电容器

D1、D2、D3、D4、D5、D6二极管

G参考电压发生器             I积分器

K比较器                     L电流输入线路

N电流输出线路               P1、P2、P3、P4、P5、P6点

R1，R2，R3，R4，R5电阻

REF参照电压                 S2肖特基二极管

V放大器                     V-R电压调节器

Z1、Z2齐纳二极管。

Claims (4)

1.一种故障电流保护开关，用于当在所述线路系统的至少一个输入线路中的总电流不等于在所述线路系统的至少一个输出线路中的总电流时中断在所述线路系统中的电流，所述故障电流保护开关具有累加电流互感器(10)，其中在所述累加电流互感器的初级侧上如此接入至少一条输入线路(L)和至少一条输出线路(N)，从而在所述累加电流互感器(10)的次级侧(16、16′)上出现故障电流时产生不为零的电压，其中所述故障电流保护开关还具有：放大器(V)，用于放大这样所产生的电压；比较器(K)，用于将输给其的电压与参考电压(REF)比较，而且其中所述故障电流流保护开关还包括有断开电路(32)，所述断开电路接受所述比较器(K)的输出信号并且控制用于中断在所述线路系统中的电流的断开元件(34)，其中所述放大器(V)的输出端(24)经过整流二极管(44)与所述比较器(K)的一个输入端(26)连接，而且其中所述比较器(K)的所述输入端(26)既通过电容元件(28)还通过与所述电容元件(28)并联的电阻元件(46)接地，其特征在于，

所述放大器(V)和所述比较器(K)一起设置于集成的开关回路(22)上，所述电容元件(28)和所述电阻元件(46)连接在所述集成的开关回路上。

2.根据权利要求1所述的故障电流保护开关，其特征在于，所述累加电流互感器(10)的次级侧的两个接头(16、16′)通过电容元件(41)相互连接。

3.一种用于制造故障电流保护开关的方法，所述故障电流保护开关用于在由至少一条输入线路(L)和至少一条输出线路(N)组成的线路系统中使电流中断，所述方法包括以下步骤：

准备累加电流互感器(10)，所述累加电流互感器具有用于使所有所述输入线路(L)和所述输出线路(N)连接的初级侧接头，并且所述累加电流互感器具有两个次级侧接头(16、16′)，

准备集成的开关回路(22)，所述集成的开关回路具有电压放大器(V)和比较器(K)，其中所述电压放大器的两个输入端(20、20′)和输出端(24)与所述比较器(K)的一个输入端(26)和一个输出端(30)连接，

使所述累加电流互感器(10)的所述次级侧接头(16、16′)与所述电压放大器(V)的所述输入端(20、20′)连接，

使所述电压放大器(V)的所述输出端(24)通过整流二极管(44)与所述比较器(K)的输入端(46)连接，并使所述比较器(K)的输入端(26)通过电容元件(28)以及通过与之并联的电阻元件(46)接地，

准备并连接用于中断电流的断开元件(32、12、12′)和用于所述断开元件(32)的断开电路，

将所述断开电路(32)与所述比较器(K)的输出端(30)连接。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，附带地使所述累加电流互感器(10)的所述次级侧接头(16、16′)通过一个电容元件(41)相互连接。

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