CN102124622B - 故障电流检测设备 - Google Patents

Abstract

一种故障电流保护开关包括总电流变换器，交流故障电流通过该总电流变换器在次级线圈（32）中感应出电压，其中同时矩形波发生器（54）以高于电网频率的频率对次级线圈（32）施加矩形脉冲，因此规则地感应出电压，其中所感应出的电压受到直流故障电流的影响。分析装置（50）检测在设置于到接地接头（40）的次级绕组之后的电感（38）上降落的电压。根据本发明，该分析装置包括放大因数能被调节的放大器。由此可以设置在故障电流的哪个幅度处故障电流保护开关（10）应当触发。

Description

故障电流检测设备

技术领域

本发明涉及一种故障电流检测设备。

背景技术

对故障电流的检测由于很多原因可能是期望的。经典的是故障电流检测设备被构造为故障电流保护开关，通过该故障电流保护开关可以在检测到所出现的故障电流具有预定的最小电流强度情况下断开电流流动。在作为所谓的差电流保护开关的实施方式中，EP0167079A1公开了一种根据权利要求1的前序部分的故障电流检测设备。

该故障电流检测设备被接入电网中，使得通过该电网流动的电流也通过该故障电流检测设备流动。为此该故障电流检测设备具有多个接头对，其中在这些接头上可以连接电网导线。一对接头分别通过初级导线相互连接，从而电网通过连接到该对接头中一个接头上的电网导线、即初级导线以及然后通过连接到同一对接头中另一个接头上的电网导线延伸。故障电流目前由于感应原理而被检测到。为此初级导线通过总电流变换器的初级侧，其中这些初级导线在总电流变换器的范围内典型地作为初级绕组来提供。在该总电流变换器的次级侧提供次级绕组。该次级绕组的第一端部通过阻抗与接地接头耦合，第二端部与矩形波发生器耦合。在该阻抗的能与次级绕组的第一端部重合的未在接地接头一侧的端部上提供电势抽头，该电势抽头与分析装置耦合。

这些初级绕组被绕制成，使得在有电流流过电网导线以及由此通过没有故障电流出现的初级导线时，流过初级导线的电流在所属的初级绕组中产生磁场，该磁场通过由相同的、经由另一初级导线流向反方向的电流产生的磁场精确补偿。如果故障电流是交流电流，则在次级绕组中产生可以由分析装置检测的电压。为了也能检测是直流电流或脉冲式电流的故障电流，矩形波发生器持续产生具有以下频率的矩形电压，该频率至少是电网频率的5倍，并优选至少是电网频率的20倍，在50Hz时例如为3kHz。从而通过矩形波发生器持续地在次级绕组中感应出电压。是直流电流或脉冲式电流的故障电流通过基于该故障电流的磁场、典型地通过总电流变换器的磁芯传递地引起对次级绕组的电感的改变。如果在分析装置中检测由于矩形脉冲产生的电压，则可以检测电感的改变以及由此还可以检测是直流电流的故障电流。

所述分析装置应当可以借助施加在电势抽头上的电势来识别在大范围的电流强度上的故障电流，无论该故障电流是直流电流还是交流电流。

在DE3642393A1中公开了这样的分析装置的示例，该分析装置作为分析电路提供。

发明内容

本发明的任务是改进根据权利要求1的前序部分的故障电流检测设备，使得该故障电流检测设备在大范围的电流强度上检测到故障电流。

该任务通过根据权利要求1的故障电流检测设备解决。

由此所述分析装置包括放大器，可以（例如通过操作元件，可能地还通过数字数据的传送）调节该放大器的放大因数。

通过使用放大器，原则上可以按照预定方式制备信号，而且既在放大器之前又在该放大器之后进行。因此在分析装置的不同于放大器的单元的实施方式中不需要考虑故障电流检测设备的期望的灵敏度。如果应当提高灵敏度，只需要增大放大因数。所述分析装置的设置在放大器之后的元件原则上可以总是相同地工作，例如当这些元件被设置在输入端以接收来自预定时间间隔的电压信号时。这例如在使用微处理器和其它电子数据处理单元的情况下是这样。

所述放大器可以作为合适的元件设置。但是为了制备在电势抽头上提供的信号，整流被证明是有利的。所述放大器可以集成在为此提供的整流单元中，因此尤其可以在一个步骤中同时进行整流和放大。

故障电流检测设备优选是交直流灵敏的，因此既检测是交流电流的故障电流，又检测是直流电流或脉冲式电流的故障电流。在此被证明有利的是，为这两种类型的故障电流提供分离的分析分支。为此优选提供与电势抽头耦合的第一分析分支和第二分析分支，第一分析分支用于为交流故障电流分析制备施加在电势抽头上的信号，而第二分析分支用于为直流故障电流分析制备施加在电势抽头上的信号，并且在这些分支的每一个中设置放大器，该放大器的放大因数可调节。

下面两个分析分支可以彼此完全分离，但是它们还可以又会聚在一起，尤其是会聚在共有的分析单元中，该分析单元用于分析通过相应的分支提供的经过制备的信号。这样的分析单元优选是数字的，并且为了与第一和第二分析分支耦合的目的而具有两个输入端。通过使用共有的分析单元，可以引起协作效应。在数字分析单元中可以使用两个软件模块，它们分离地分析输送给输入端的经过制备的信号。但是这些协作效应甚至可以这样进行，即唯一的一个计算机程序同时用于分析通过这两个分支输送的信号。协作效应尤其还可以在故障电流检测设备是故障电流保护开关的情况下产生。由此分析单元的任务反正就是根据一个或多个预定的标准针对故障电流保护开关是否应当触发来分析所输送的信号。如果为两个分析分支设置共有的分析单元，则存在唯一的一个可以将用于触发该故障电流保护开关的指令输出给触发单元的中心，而该触发单元又作用于开关锁，该开关锁断开设置在用于电网导线的接头对之间的初级导线中的开关。

为了分析是交流电流的故障电流，第一分析分支优选具有带通滤波器，该带通滤波器使得预定电网频率附近的信号，即尤其是应当与故障电流检测设备连接的电网的信号（欧洲：50Hz，USA：60Hz）通过。在此假定是交流电流的故障电流通过电网电压产生并因此具有相同的频率。由此在带通滤波器之后在第一分析分支中设置整流器和放大器，尤其是同时具有整流器功能和放大器功能的整流单元，并且该整流单元在此是其放大因数可被调节的放大器。该整流是有利的，因为只需要尤其针对阈值标准来检查故障电流强度的大小，而不需要分离地在正支路中和负支路中检测振荡。

优选的，第二分析分支具有高通滤波器。该高通滤波器应当让所具有的频率等于由矩形波发生器可产生的频率的信号通过。由于第二分析分支应当检测是直流电流的故障电流，因此这可以借助通过矩形波发生器产生的电压来识别。由此矩形波发生器实际上输出的频率应当被高通滤波器通过。该高通滤波器可以为此目的被设置为，使得该高通滤波器让来自对矩形波发生器来说可能的频率范围的所有频率通过。必要时在矩形波发生器构成为成本有利的情况下该矩形波发生器也只能用于输出具有固定频率的矩形脉冲。如果该频率范围—矩形波发生器可以在该频率范围上输出矩形脉冲—对高通滤波器来说太大，则该高通滤波器还可以只让来自相比之下有些受限的频率范围的信号通过。在分析是直流电流的故障电流时，整流也被证明是有意义的，从而在此也在该高通滤波器之后设置整流器和放大器，必要时作为具有整流器功能和放大器功能的整流单元的一部分，其中该整流单元是其放大因数可被调节的放大器。由于高通滤波器可能还让具有电网频率的信号通过，因此优选地还在整流器和放大器之后设置低通滤波器，该低通滤波器滤除具有预定电网频率的信号、即应当与故障电流检测设备连接的电网的信号（欧洲：50Hz，USA：60Hz）。

在两个分析分支中可以规定，滤波器设置是可变的，也就是在第一分析分支中的带通滤波器的中心频率可调节，和/或第二分析分支中的高通滤波器的边界频率和/或第二分析分支中的低通滤波器的边界频率是可变的。

尤其适宜的是，在设置操作元件的情况下操作具有两个分析分支的根据本发明的故障电流检测设备，通过该操作元件可以调节两个分支中的放大器的放大因数。该操作元件例如可以是简单的旋转开关，其中在操作元件的设置不同的情况下，也就是在旋转开关的设置不同的情况下在每个分析分支中的整流器和放大器单元内接入不同的电阻，其中在两个分析分支中的这些电阻可以不同，即使它们通过同一个操作元件设置。

如开头已经解释的，故障电流检测尤其在故障电流保护开关的情况下是有意义的，其中至少一个初级导线可通过开关断开。分析装置分析施加在电势抽头上的信号，并且在存在预定分析结果时引起初级导线中每个开关的断开。根据预定标准对输入信号的检查尤其可以通过在信号路径上设置在放大器之后的分析单元来进行，该分析单元可以如上所示对两个分析分支是共有的。由此可以由该分析单元始终使用同一个阈值作为触发标准，其中放大因数的改变引起在使用同一个阈值时改变灵敏度：如果放大是小的，则故障电流保护开关在故障电流相对高（故障电流具有高的电流强度）的情况下触发，如果放大较大，则故障电流保护开关在故障电流较小时（故障电流具有较小的电流强度）就已经触发。

附图说明

下面参照附图描述本发明的优选实施方式，其中

图1示意性示出其中采用了本发明的故障电流保护开关的结构，以及

图2以示意图示出根据本发明在图1的故障电流保护开关中使用的分析装置。

具体实施方式

整体用10表示的故障电流保护开关具有第一接头对12a，12b以及第二接头对14a，14b，它们用于将故障电流保护开关10连接到电网导线。一对接头的两个接头通过初级导线分别相互连接，也就是接头12a和12b通过初级导线16相互连接，接头14a和14b通过初级导线18相互连接。在初级导线16中设置开关20，在初级导线18中设置开关22，通过该开关可以断开相应的接头12a和12b以及接头14a和14b之间的相应连接。开关20和22借助开关锁24断开，该开关锁由触发单元26控制。

在故障电流保护开关10中采用总电流变换器。为此将初级导线16和18按段地构成为初级绕组28和30。总电流变换器包括次级绕组32。该次级绕组的端部34通过电阻元件36和阻抗38与接地接头40连接。阻抗38现在包括电容器42以及与电容器42并联的、由电容器44和电阻元件46组成的串联电路。

在阻抗38的一端部上具有接地接头40。在阻抗38的另一端部上设置电势抽头48。施加在电势抽头48上的电势由分析装置50检查。

如果在开关20和22闭合的时候有常规的电流流过故障电流保护开关10，则由该电流在初级绕组28一侧以及在初级绕组30另一侧产生的磁场恰好被抵消。如果存在是交流电流的故障电流，则这些磁场不再被抵消，并且通过所产生的磁场在次级绕组32中感应出电压，这可以在电势48上通过分析单元50识别。然后分析装置50通过控制指令促使触发装置26操作开关锁24。为了还能检测是直流电流的这样的故障电流，次级绕组32的第二端部52与矩形波发生器54耦合，其中可以在次级绕组32的第二端部52和矩形波发生器54之间设置诸如电容元件的中间元件56。矩形波发生器54输出具有3kHz频率的矩形电压脉冲。该频率远高于与故障电流保护开关20连接的电网的50或60Hz的频率，使得对分析装置50来说可以看见矩形脉冲在电势抽头48上的作用而不会受到电网电流的影响。尤其是，该矩形脉冲在次级绕组32中感应出电压。该电压取决于次级绕组32的电感。现在如果有是直流电流的故障电流流动，则该故障电流产生通过未在图1中示出的总电流变换器的磁芯引起次级绕组32的电感变化的磁场。电感的变化引起通过矩形脉冲感应的电压的变化，并且这可以通过分析装置50来识别。

下面借助图2解释如何可以通过分析装置50来分析施加在电势抽头48上的信号（可被描述为相对于地施加的电压的时间变化过程），使得既检测是直流电流的故障电流又检测是交流电流的故障电流。

分析装置50包括两个不同的分支或支路，即准备对交流故障电流的检测的第一分析分支58以及准备对直流故障电流或脉冲式故障电流的检测的第二分析分支60。现在分析分支58和60又会聚在共有的分析单元62中，该分析单元62与触发装置26耦合。

第一触发分支58具有带通滤波器64。带通滤波器的中心频率等于应当与故障电流保护开关10连接的电网中的电网频率，即在欧洲等于50Hz而在美国等于60Hz。在通向分析单元62的带通滤波器之后设置整流单元66，该整流单元66同时对从带通滤波器64到达整流单元66的信号整流和放大。放大因数可以通过调节单元68调节。例如，该调节单元可以包括机械作用的开关，其中在将该开关移至不同的位置上时分别在整流单元66的开关电路中接入不同的电阻元件，从而改变了放大因数。

第二分析分支60包括高通滤波器70。高通滤波器70尤其可以让矩形波发生器54输出的矩形脉冲所具有的频率通过，该频率现在是3kHz。为了让这样的频率能够通过，高通滤波器的边界频率典型地在要通过的频率的最高71%处。在高通滤波器70之后设置整流单元72，该整流单元对由高通滤波器70通过的信号同时进行整流和放大。调节单元68还与整流器72耦合，并且通过该调节单元68还可以在放大同时被整流的信号时调节放大因数。在整流单元72之后，在通向分析单元62的信号路径中设置低通滤波器74，该低通滤波器74的边界频率低于上述电网频率，从而具有该电网频率的信号不被通过，来自输出高于电网频率的频率的矩形波发生器的信号也不被通过。

现在来自两个分析分支58和60的信号到达分析单元62的输入端76和78。

到达输入端76的信号被制备为，使得尤其是交流电流的故障电流得以识别。该信号的时间变化过程为如下方式：使得电压信号中的幅度可被识别。如果分析单元62是微处理器，则该信号在预定的电压范围中移动。可以规定，分析单元62检查该幅度是否超过预定的电压。在这里由此假定，通过由调节单元68适当选择整流器66的放大因数，该幅度的阈值恰好在交流故障电流达到故障电流保护开关10应当触发时的电流强度的数量级情况下被超过。然后在超过该阈值时，分析单元62向触发装置26发送相应的信号。替换的为此还可以规定，调节单元68通过连接导线80向分析单元62传送放大因数，从而分析单元62可以直接回算到故障电流的振幅，然后可以设置相应的标准。

正是这样，在分析单元62的输入端78上存在可用于识别是直流电流的故障电流的幅度的信号。通常存在或多或少恒定的电压。在此也可以规定，分析单元62在该恒定电压超过预定阈值时促使触发装置26触发。替换地，通过相应的关于导线80的信息，还可以推断出故障电流的幅度，并且将预定的标准与这样确定的幅度关联。

为了实现本发明，不需要但优选由分析单元62分析来自两个触发分支58和60的信号。代替触发单元62，还可以为每个分析分支58和60设置分别合适的触发单元。

在根据图2的实施方式中，同一个调节单元68用于调节整流单元66的放大因数以及用于调节整流单元72的放大因数。还可以设置两个分离的调节单元或者在一个调节单元上设置两种分离的针对放大因数的调节可能。但是耦合进调节放大因数的优点是，故障电流的由此开始被触发的幅度始终具有相同的比例，例如始终被预定为相同。

故障电流保护开关10现在被设计为在单相系统中使用，因此具有两个接头对（12a，12b；14a，14b）以及初级导线（16，18）。本发明还可以用在可连接到三相电网的故障电流保护开关中。这样的故障电流保护开关相应地具有4个接头对并且在共有的总电流变换器中具有4个包括初级绕组的初级导线。这样的故障电流保护开关在次级侧不需要与图1的故障电流保护开关10不同。

附图标记列表

10故障电流保护开关

12a，12b；14a，14b接头对

16,18初级导线

20,22,24开关

26 触发单元

28,30初级导线

32次级绕组

34,52次级绕组32的端部

36,46电阻元件

38阻抗

40接地接头

42,44电容器

48电势抽头

50分析装置

54矩形波发生器

58,60分析分支

62分析单元

64带通滤波器

66,72整流单元

68调节单元

70高通滤波器

74低通滤波器

76,78输入端

80连接导线

Claims (7)

1.一种故障电流检测设备（10），具有多对用于电网导线的接头（12a，12b；14a，14b），其中每对接头（12a，12b；14a，14b）分别通过初级导线（16,18）相互连接，该初级导线通过总电流变换器的初级侧，其中在总电流变换器的次级侧提供次级绕组（32），该次级绕组的第一端部（34）通过阻抗（38）与接地接头（40）耦合，该次级绕组的第二端部（52）与矩形波发生器（54）耦合，其中在所述阻抗（38）的非接地接头一侧的端部上提供电势抽头（48），该电势抽头与分析装置（50）耦合，其特征在于，所述分析装置（50）具有：                 

－与电势抽头（48）耦合的第一分析分支（58），该第一分析分支用于为交流故障电流分析制备在电势抽头（48）上施加的信号，以及

－与电势抽头（48）耦合的第二分析分支（60），该第二分析分支用于为直流故障电流分析制备在电势抽头上施加的信号，

其中在每个分支（58,60）中都提供放大因数能被调节的放大器（66,72）。

2.根据权利要求1所述的故障电流检测设备（10），其特征在于，所述放大器是整流单元（66,72）的部件。

3.根据权利要求1所述的故障电流检测设备（10），其特征在于，第一和第二分析分支（58,60）会聚在共有的分析单元（62）中，该分析单元用于分析通过各分支（58,60）提供的经过制备的信号。

4.根据权利要求1、2或3所述的故障电流检测设备（10），其特征在于，第一分析分支（58）具有带通滤波器（64）和在该带通滤波器（64）之后设置的整流器和放大因数能被调节的放大器（66），该带通滤波器让预定电网频率附近的信号通过。

5.根据权利要求1至3之一所述的故障电流检测设备（10），其特征在于，第二分析分支（60）包括高通滤波器（70），该高通滤波器（70）让具有与矩形波发生器（54）能产生的频率相同的频率的信号通过，在高通滤波器（70）之后设置整流器和放大因数能被调节的放大器（72），以及在整流器和放大器（72）之后设置低通滤波器（74），该低通滤波器滤除具有预定电网频率的信号。

6.根据权利要求1至3之一所述的故障电流检测设备（10），其特征在于操作元件（68），通过该操作元件能调节两个分支（58,60）中的放大器（66,72）的放大因数。

7.根据权利要求1至3之一所述的故障电流检测设备（10），该故障电流检测设备是故障电流保护开关（10），能由该故障电流保护开关通过开关（20,22）断开至少一个初级导线（16,18），并且其中所述分析装置（50）被设计为分析在电势抽头（48）上施加的信号并且在存在预定分析结果的情况下引起初级导线（16,18）中每个开关（20,22）的断开。

Images