CN102089842A - 用于切断载流线路中的故障电流的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于一动态断开开关的一闭锁装置的脱扣器，所述脱扣器建立在电弧燃烧期间对流经所述开关的电流进行测量的基础上。其中，测量电弧电压或者以所述电压的近似公式为依据来计算功率。根据所述开关上的功率或功率积分(即能量)来实施脱扣操作。

Description

用于切断载流线路中的故障电流的设备

技术领域

本发明涉及一种用于切断载流线路中的故障电流的设备。所述设备包括用于断开该线路的开关元件和至少一个用于触发这一断开操作的执行器。本发明此外还涉及一种借助载流线路中的开关元件来切断该线路中的故障电流的方法。

背景技术

这类用于切断故障电流(特别是短路电流)的设备通常设置在三相网络(尤其是三相供电网)中。此时，该设备具有三个开关元件。这类设备也可设置在配电网中，该配电网包含单独一个与一条中性导线相连的载流导线。此时，该设备可具有一个或两个开关元件。

出现短路时，这种设备的开关元件必须很早就使其开关触点断开，以便迅速形成对短路电流起限流作用的电弧电压。为此，需要对快速检测短路的算法、快速脱扣系统、电动断开力以及快速的电弧漂移(Bogenlaufen)加以充分利用。

将电流输向某一开关元件的相关开关触点的载流通路所采用的结构设计使得流经电流对该触点产生断开力。这种情况称为“电流断开力”。这种方案的优势在于，一旦出现大电流就能毫无延迟地瞬时产生断开力。然而，一般情况下仅凭电流断开力还不足以完全断开开关元件的触点。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于快速切断故障电流的设备，发生短路时，特别是已出现短路状况时，这种设备能够以简单、低成本的方式将相关载流线路快速断开。本发明的另一目的是提供一种快速切断故障电流的方法，这种方法同样具有上述优点。

在设备方面，本发明用来达成上述目的的解决方案是具有权利要求1所述特征的用于切断载流线路中的故障电流的设备。在方法方面，本发明用来达成上述目的的解决方案是具有权利要求10所述特征的用于切断载流线路中的故障电流的方法。从属权利要求涉及的是本发明的有利的改进方案。

本发明用于切断载流线路中的故障电流的设备包括用于断开该线路的开关元件和至少一个用于触发这一断开操作的执行器。此外，还设有用于检测所述开关元件中的电弧并在检测到电弧的情况下驱动所述执行器的装置。所述装置进而具有复数个用于对流经所述开关元件的电流进行测量的第一构件。所述装置最后还具有复数个用于对一个表示所述开关元件上的电压的值进行确定的第二构件。

本发明借助载流线路中的开关元件来切断该线路中的故障电流的方法，其步骤如下：

-测量流经所述开关元件的电流，

-确定一个可以表示所述开关元件上的电压的值，

-根据所述电流和所述表示电压的值来确定一额定值(Bemessungswert)，

-将该额定值与阈值进行比较，以及

-在比较结果的基础上触发所述开关元件断开所述线路。

所述开关元件可以是断路器(特别是低压用断路器)的一部分。为此，所述开关元件采用一种可以使流经电流对其触点产生断开力的设计。出现过电流或短路电流时，这样就可以使得触点彼此断开。此时会产生电弧，这个电弧尽管允许电流继续通过，但会限制电流强度。符合上述原理的开关(特别是断路器)包含一个或多个开关元件。

本发明建立在对流经线路及开关元件的电流进行测量的基础上。测量电流的方法多种多样。例如使用电流互感器测量电流。也可使用罗氏线圈。也可在分流电阻上测量电流。采用变压器式分接点(transformatorischerAbgriff)(即电流互感器或罗氏线圈)的优点是可实现与线路上可能存在的高电压的直流隔离。

此外，本发明还采用一个表示所述开关上的电压的值。将这个值与测得电流相结合来触发使得开关元件的触点断开的操作。举例而言，可根据电流和这个表示电压的值来确定一额定值。再将该额定值与阈值进行比较。一旦高于或低于这个阈值(视具体计算方法而定)，就会引发断开操作，例如使得闭锁装置脱扣。

因此，本发明的优点在于只需使用电变量就能确定脱扣标准。无需确定其他物理变量，例如电弧引起的压力增加等等。

举例而言，可将所述开关上的电功率的瞬时值作为所述额定值。当开关处于闭合状态时，功率几乎为零。但是当开关触点彼此轻微分开，从而引发电弧燃烧时，开关中会在一定的电弧电压下产生电流，这两个值随时间变化很大。众所周知，开关上所消耗的电功率是电流与表示电压的值的乘积。如果脱扣器采用这个功率的瞬时值(即该瞬时值与阈值的比较结果)作为脱扣标准，那么这个脱扣器就是基于功率的脱扣器。

作为替代方案，也可采用基于能量的脱扣器，具体实现方式是：根据至少两个时间点上的电流与表示电压的值的乘积之和来产生所述额定值。换言之就是将例如瞬时功率的多个(至少两个)值相加，由此得到开关的脱扣标准。对多个功率值进行积分运算所产生的值表示的是在电弧中发生转换的总能量。

采用功率瞬时值、功率总和或功率积分的优点在于，这些都是可直接加以检测和比较的电变量和物理变量。在本发明范围内也可应用不同于电流电压乘积的其他公式来计算其他变量。

所述表示电压的值可用不同方法加以测定或确定。一种方式是对开关上的电压进行测量来用于此处。其优点在于，所述值总是对应于实际存在的电压。这样就可以尽可能地通过电流和电压来对开关断开时可能出现的突发事件进行检测。测量电压的方式多种多样。优选在开关两端设置通向整流器(例如配有四个二极管的已知桥式整流器)的分接点。这样使得被确定的只是电压的绝对值，因为极性对于脱扣器而言无关紧要。优选以隔直流方式将所确定的电压传输给脱扣器的其他组件。举例而言，可在所述整流器中设置串联的电阻器和发光二极管来达到这个目的，由此可借助发光强度来传输测得电压。

一种特别有利的替代性电压测量方案是从一个假定(电弧)电压中产生所述表示电压的值。所述假定电压是以任何方式测得电流与一个随时间呈指数级增长的电阻的乘积。亦即，假定开关上的电压(也就是电弧电压)按下述假设方式进行变化：

U_B(t)＝i(t)·a·e^b(t-t0)

其中，U_B(t)是电弧电压，即开关上的电压，i(t)是测得电流，a和b是常数。t0是指数级变化开始的起始时间。这里的起始时间大致对应于电弧的发生的起始时间。

如果采用瞬时功率p(t)＝i(t)*U_B(t)作为所述额定值，则在将电压的假定值考虑在内的情况下，计算该额定值的公式为：

p(t)＝i²(t)·a·e^b·(t-t0)

进而，如果同样采用起始时间t0作为积分运算的起始时间点，则计算能量的公式为：

$E\left(t\right)=\underset{t0}{\overset{t}{\∫}}{i}^2\left(T\right)\·a\·e^{b\·(T-t0)}\mathrm{dT}$

亦即，从电变量意义上说，功率值和能量都只与测得电流有关。因此，本发明这个改进方案的优点在于，不需要通过显式的电压测量值来计算功率、能量或其他由电流和电压构成的变量。

然而，如果可以确定或定义起始时间t0，就比较有利。为此，本发明的一种改进方案是设定电流阈值。将测得的电流超过这个阈值时的时间点定义为起始时间t0。从这个时间点起，所述假定电压开始发生指数级变化。随后，一旦实际测得电流超过该阈值，就触发触点断开操作。

本发明的一种替代改进方案是通过电压测量来定义所述起始时间点。为此可以采用前述电压测量方法，在此情况下，所确定的电压用来定义起始时间。采用这种改进方案时并非一定要以模拟值形式传输电压。相反，只需传输一个提示信息即可，举例而言，这个提示信息表示的是一个明显不同于零的电压。

优选以如下方式对所述脱扣器的电气组件和电子组件进行供电，即，使得即使当开关在故障情况下被接通时，脱扣器也能足够迅速地作出反应。为此，本发明的一种优选改进方案采用了一个与脱扣器各构件相连的供电单元。该供电单元的充电时间优选短于0.1ms。

所述脱扣器各组件的具体实施方式多种多样。根据本发明的一种改进方案，这些组件都是模拟电路组件。其中，除了由二极管构成的桥式整流器、以及用于实现光耦合的串联电阻和发光二极管以外，还设有运算放大器。所述假定电压的指数级变化同样可以通过模拟方式得到实现。根据一种优选替代方案，对基于假定电弧电压计算出的功率进行对数运算。所得出的功率瞬时值公式如下：

ln[p(t)]＝2·ln[i(t)]+ln a+b·(t-t0)

因此，不必再用模拟组件来表示指数信号。为此需要将电流的测得值予以对数化。举例而言，可以采用市场上有售的带温度补偿功能的对数运算器。其余的运算过程可以通过运算放大器来完成，比较方便。

根据本发明的一种替代改进方案，所述构件(即各种计算构件和比较构件)以数字方式实现。为此可以采用像CPLD或FPGA这样的模块。用模/数转换器对测得电流值和测得电压值进行数字化处理并由上述数字模块进行进一步处理。当然也可将模拟和数字这两种方案混合起来应用。

根据一种特别有利的实施方案，所述开关已具有数字控制模块(例如电子脱扣单元，Electronic Trip Unit，ETU)且将所述脱扣器的各构件整合在这个控制模块中。由此，本发明至少可以部分借助现有硬件得以实现。

附图说明

下面借助附图对本发明的优选实施例进行详细说明，这些实施例对本发明的保护范围不构成任何限制。附图中，部分发明特征仅以示意图形式得到展示，相同部件在各图中用相同的参考符号表示，其中：

图1为一包括功率脱扣器的开关的电路图，该功率脱扣器对触点间隙(Schaltstreckenspannung)电压进行测量；

图2为一包括能量脱扣器的开关的电路图，该能量脱扣器对触点间隙电压进行测量；

图3为一包括功率脱扣器的开关的电路图，该功率脱扣器将呈指数级增长的电弧电阻考虑在内；

图4为一包括能量脱扣器的开关的电路图，该能量脱扣器将呈指数级增长的电弧电阻考虑在内；

图5为一包括功率脱扣器的开关的电路图，该功率脱扣器将呈指数级增长的电弧电阻考虑在内并对触点间隙电压进行测量；以及

图6为一包括能量脱扣器的开关的电路图，该能量脱扣器将呈指数级增长的电弧电阻考虑在内并对触点间隙电压进行测量。

具体实施方式

所有将予描述的结构都具有断路器1。断路器1设计为，其触点在出现过电流时将动态断开。这时就产生一个电弧，这个电弧在一段时间内允许电流继续通过。断路器1具有一个未图示的执行器，该执行器能引起开关触点的最终断开。通向断路器1的点线表示执行器的运作方式。

此外，在所有结构中都设有电流互感器2，该电流互感器位于断路器1的其中一条进线上。所述电流互感器可确定流经这条进线及断路器1的电流。在这些实施例中，电流互感器2为变压器式电流互感器(transformatorischerStromwandler)2。作为替代方案，也可采用(例如)罗氏(Rogowski)线圈。

此外，所有这些示例中的结构都具有一个与电流互感器2相连的供电单元6。供电单元6通过电流互感器2获取电能。该供电单元用于为下文将予描述的脱扣器供电。为此，需要使供电单元6的充电时间例如短于0.1ms。只有脱扣器的电子设备能够足够迅速地投入使用，才能确保该脱扣器即使在故障情况下也能一接通即作出反应。

在图1所示的第一实施例中，除上述组件外还设有一个用于对触点间隙上的电压进行测量的装置13。为此，断路器1两端各设有一个分接点，它们都通向一个由四个二极管3构成的桥式整流器。这个整流器使得所确定的只是断路器1上的电压的绝对值。该整流器的输出端与串联电阻4和发光二极管5相连。所述串联电阻以已知方式对发光二极管5进行操作。发光二极管5根据瞬时的电压绝对值发光。

由于电流测量以及对在断路器1上测得的电压的传输都以隔直流方式进行，因此，所述脱扣器的其余部分可与断路器1及其进线实现电位隔离。

所述脱扣器此外还具有第一电子设备21，该电子设备包含乘法器7和比较单元9。第一电子设备21接收电流值以及从LED 5传输过来的电压值。乘法器7的作用是确定测得电流和测得电压的乘积，也就是断路器1上所消耗的瞬时功率。在断路器1闭合的情况下，这个功率几乎为零，因为此时该断路器上的电压极低。断路器1根据电流动态断开时产生电弧。在这个状态下，断路器1上的电压会大幅上升。比较单元9的作用是确定测得电流与电压(即电弧电压)的乘积是否超过预定阈值。如果超过，就用所述执行器来快速地将断路器1完全断开。

图1所示的第一实施例涉及的是一个基于功率的脱扣器。其闭锁装置仅根据功率的瞬时值进行脱扣。作为替代方案，图2展示的第二实施例涉及的是一种基于能量的脱扣器。

图1所示第一实施方案中的组件也都应用在了第二实施例中。此处也是根据瞬时电流值和瞬时电压值来计算瞬时功率值。此外，第二实施例中所应用的第二电子设备22还具有加法单元8，该加法单元对瞬时功率值进行加法或积分运算。亦即，第二实施例所应用的这个电子设备根据瞬时功率值确定在断路器1中发生转换的总能量。

除电流测量装置外，上面两个实施例中的脱扣器还都具有一个电压测量装置13。因此，所确定的总是电弧电压的实际值。下面四个实施方案采用的是在本发明范围内的其他途径。这四种实施方案并非通过测量电压来确定功率的当前瞬时值。而是基于以下认识：一旦电弧开始燃烧，断路器1上的电压(即电弧电压)将随时间呈指数级变化。通过以下公式可以估算电弧电压U_B，其中的a和b是需要加以规定的常数：

U_B(t)＝i(t)·a·e^b·(t-t0)

根据这个公式，电弧电压是流经电流i(t)与一个随时间呈指数级增长的项的乘积。

由此得出功率p＝U_B(t)*i(t)的公式：

p(t)＝i²(t)·a·e^b·(t-t0)

也就是说，根据测得电流就可确定功率的瞬时值，而无需为此进行电压测量。因此，采用这种方法时需要规定或确定指数级变化的起始时间点t0。这方面存在多种不同的实现方法，下面通过第三实施例至第六实施例来对此进行说明。

图3所示的第三实施例仍设置了上文所述的组件。但脱扣器的第三电子设备23包括对数化元件10和功率计算单元11。此外还包括起始信号发生器12和比较单元9。第三电子设备23考虑的是：从模拟电路技术角度看，如果将上述功率公式对数化，就可以简化该公式的转换：

ln[p(t)]＝2·ln[i(t)]+ln a+b·(t-t0)

在对数化单元10中将测得电流对数化，并在功率计算单元11中将测得电流与常数ln(a)和常数b一起应用，以算出当前瞬时功率。起始时间点t0由起始信号发生器12规定。在第三实施例中，由起始信号发生器12检验电流有否超过阈值。如果超过，起始信号发生器12就向功率计算单元11发出相应信号，该单元据此将当前时间定为起始时间点t0，从而启动b*(t-t0)。

随后由比较单元9检验功率的对数化瞬时值有否超过预定阈值。优选也将该阈值对数化，这样就不必将功率的瞬时值重新换算成功率值。由于与阈值进行比较的是功率的瞬时值，因此，图3所示的第三实施方案涉及的同样是基于功率的脱扣器。

图4展示的是一种结构与第三实施例相似的脱扣器，但该脱扣器基于能量工作。在这个第四实施方案中，第四电子设备24中再度增设了加法单元8。这个加法单元对功率的瞬时值进行加法或积分运算并根据瞬时功率值计算在断路器1中发生转换的总能量。

本发明的第五实施方案和第六实施方案不是借助电流，而是借助触点间隙上的实际电压来规定b*(t-t0)斜坡的起始时间点。与第一实施例和第二实施例相同，此处同样需要测量电压。

图5展示的是第五实施例。第五实施例中的第五电子设备25与第三实施例中的电子设备基本相同。其区别之处在于，第三实施方案中的起始信号发生器12被电压测量装置14代替。此时，测得电压并非直接用于确定功率的瞬时值，而是用于确定起始时间点t0。第五实施例涉及的同样是基于功率的脱扣器。

在图6所示的第六实施例中，第六电子设备26除第五实施例的组件外还具有加法单元8，该加法单元对功率的瞬时值进行加法或积分运算。亦即，第六实施方案中的脱扣器同样是基于能量的脱扣器。

显然，所有这些实施例中涉及到的组件也可以采用不同于上述方式的实现方式。例如在电压测量方面，也可以用本领域技术人员所熟知的其他实施方式来代替上述结合发光二极管使用的桥式整流器。

首先，允许对脱扣器的电子设备21至26，也就是被划分成不同功能块的乘法器7、加法单元8、比较单元9、对数化单元10、功率计算单元11和起始信号发生器12等元件可有多种实际的实现方式。例如，可将上述各元件单独实施为模拟电路。其次，也可将这些元件部分或全部实施为数字形式，例如像CPLD这样的可编程模块。显然，根据具体实现方式，各元件可能并非如本文所述处于分离状态，而是构成一个可以统一执行各相应功能的公共元件。在具有数字电路(例如电子脱扣单元，Electronic Trip Unit，ETU)的断路器中，将脱扣器的各元件部分或全部整合在这个ETU中是十分有利的。

第三至第六实施例进一步利用对数化来简化结构，这一点尤其适用于模拟组件。目前市场上可以获得电路形式的对数运算器10，其他组件则可通过(例如)运算放大器来实现。也可以对未经对数化的值直接进行使用。

Claims (15)

1.一种用于切断一载流线路(30)中的一故障电流的设备，所述设备包括：

一用于断开所述线路的开关元件(1)，

至少一个用于触发所述断开操作的执行器，以及

一用于检测所述开关元件(1)中的一电弧并在检测到一电弧的情况下驱动所述执行器的装置，其中，所述装置具有

复数个用于对流经所述开关元件(1)的电流进行测量的第一构件(2)，以及

复数个用于对一个表示所述开关元件(1)上的电压的值进行确定的第二构件(13)。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述装置设计用于根据所述电流与所述表示电压的值的乘积来实施所述脱扣操作。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述装置设计用于根据至少两个时间点上的所述电流与所述表示电压的值的乘积之和来实施所述脱扣操作。

4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述第二构件(13)包括复数个用于对所述开关元件上的电压进行测量的元件(3，4，5，13)。

5.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述第二构件(13)设计用于从一假定电压中产生所述值，其中，所述假定电压是所述电流与一随时间呈指数级增长的电阻的乘积。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述装置设计用于通过将所述电流与一电流阈值进行比较来为所述随时间呈指数级增长的电阻确定一起始时间点。

7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述装置包括复数个用于对所述开关元件(1)上的电压进行测量的元件(3，4，5)，且设计用于通过测量所述开关元件(1)上的电压来为所述随时间呈指数级增长的电阻确定一起始时间点。

8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的设备，其被设计成使得一流经所述开关元件(1)的电流会对所述开关元件(1)的复数个触点产生一断开力，出现过电流时，所述断开力会使所述触点断开。

9.一种开关(1)，所述开关包括至少一个根据上述权利要求中任一项权利要求所述的设备。

10.一种借助一载流线路(30)中的一开关元件(1)来切断所述载流线路中的一故障电流的方法，其中：

测量流经所述开关元件(1)的电流，

确定一个表示所述开关元件(1)上的电压的值，

根据所述电流和所述表示电压的值来确定一额定值，

将所述额定值与一阈值进行比较，以及

在所述比较的结果的基础上触发所述开关元件(1)断开所述线路(30)。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述电流与所述表示电压的值的乘积作为所述额定值。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，将至少两个时间点上的所述电流与所述表示电压的值的乘积之和作为所述额定值。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，测量所述开关元件(1)上的电压，以便确定所述表示所述开关元件(1)上的电压的值。

14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，为了确定所述表示所述开关元件(1)上的电压的值，从一假定电压中产生所述值，其中，所述假定电压是所述电流与一随时间呈指数级增长的电阻的乘积。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述电流与一电流阈值进行比较，或者测量所述开关元件(1)上的电压并将其与一电压阈值进行比较，由此来为所述随时间呈指数级增长的电阻确定一起始时间点。

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