CN103247434B - 组合转换器装置和开关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组合转换器装置（8）和一种具有这种组合转换器装置（8）的开关设备（1）。将具有铁磁性材料制成的磁芯的电流变换器（12）与罗高夫斯基线圈（11）组合在一起称为组合转换器（9），其中，电流变换器（12）用于给开关设备（1）电子触发器（6）供电以及罗高夫斯基线圈（11）用于电流测量。为了最充分地利用在开关设备（1）中可提供使用于安装组合转换器（9）的安装空间，建议，将多个组合转换器（9）安置在公共的外壳（10）内，以及由此制备多极的组合转换器模件。

Description

组合转换器装置和开关设备
技术领域
本发明涉及一种组合转换器装置和一种具有这种组合转换器装置的开关设备。
背景技术
由现有技术已知具有电子触发器的开关设备，开关设备每个相位有带铁心的电流变换器和罗高夫斯基线圈。铁心的电流变换器用于电子触发器的电源。罗高夫斯基线圈的输出电压，与罗高夫斯基线圈围绕的导体内电流的时间导数成比例。根据所述输出电压，获知电子触发器导体内的电流随时间的变化过程。下文将所述由带铁心的电流变换器与罗高夫斯基线圈构成的组合称为组合转换器。组合转换器通常在额定电流大约从25A至6300A范围内以及电流的测量可以在几安培至大于100kA范围内的低压断路器中使用。其中为断路器的每个相位使用自己带外壳的组合转换器。通过起隔离元件作用的外壳，一方面在各相位之间，以及另一方面在相位与电子触发器之间，保持必要的空气隙和漏电路径。此外，这种结构方式还能根据所涉及的究竟是两极、三极还是四极的设计方案，灵活地配备断路器和组合转换器。
发明内容
本发明要解决是技术问题是，能最充分地利用在开关设备中可提供使用于安装组合转换器的安装空间。所述技术问题通过按一种组合转换器装置或通过一种开关设备得以解决。
本发明的核心思想是，多个组合转换器安置在一个公共的外壳内，并由此制成多极的组合转换器模件。本发明可特别有利地在低压范围内使用。尤其是，采用按本发明的组合转换器装置，可以实现通过电子触发器内部供电的低压断路器，在所述低压断路器中，通过使用罗高夫斯基线圈以及由此可达到的高的电流测量精度，不仅可以实现非常准确的保护功能，例如过载和短路保护，而且也可以实现非常精确的测量功能，例如测量和显示电流，以及与分压抽头相结合，测量有效功率、无功功率和视在功率。
因为断路器的保护功能必须不仅在内部供电断路器多相工作时而且在其单相工作时有效，所以为了电子触发器的供电，可考虑使用仅有一个铁磁性材料制的磁芯，例如铁心的电流变换器。为了不饱和并因而无失真地测量通过断路器主电流通路的初级电流，最好使用罗高夫斯基线圈。罗高夫斯基线圈是用于测量交变电流的线圈，没有铁磁性的芯。按本发明优选的实施形式，两个线圈有环形芯。由此可以尽最大可能利用开关设备中存在的安装空间或由外壳相应地规定的盛放腔。同时，所述芯的环形使电流变换器和罗高夫斯基线圈在外壳内可以特别简单和更加可靠地定位。
为此目的，按本发明优选的实施形式，外壳对于每个相位有一个装配元件。每个装配元件有一个贯通的内腔，以及用作电流变换器和罗高夫斯基线圈的支架。在最终装配状态，各自的导体穿过装配元件并因而也穿过电流变换器和罗高夫斯基线圈的最好环形的芯。若不仅对于电流变换器和罗高夫斯基线圈的芯，而且对于装配元件均选择圆形横截面，例如装配元件设计为内部空心结构形式的圆顶，则为了装配电流变换器，只须套插在装配元件上和在必要时固定在那里。装配元件的圆形横截面，与尤其在低额定电流的低压断路器中母线的大多圆形导体横截面相匹配。然而将装配元件有利地设计为，使矩形横截面的导体也能穿过外壳。
有利地，在电流变换器与罗高夫斯基线圈之间设置定距元件。最好用传热和/或不导电的塑料制成的例如圆盘形定距元件，防止电流变换器与罗高夫斯基线圈接触。因为罗高夫斯基线圈和电流变换器的线圈绕组的直径彼此明显不同，所以定距元件同时也用作保护元件，它防止两个绕组对向的机械或电磁相互作用。
按本发明另一种实施形式，必要时除了在电流变换器与罗高夫斯基线圈之间设置的定距元件外，还在电流变换器和/或罗高夫斯基线圈外侧设置定距元件。此定距元件同样起保护绕组的作用。
按本发明另一种有利的实施形式，在电流变换器与罗高夫斯基线圈之间和/或在电流变换器和/或罗高夫斯基线圈外侧设置的定距元件满足多重功能。例如至少其中一个定距元件同时用于将电流变换器和罗高夫斯基线圈固定在它们的装入位置，尤其从电流变换器和/或罗高夫斯基线圈套插在装配元件上的时刻起，直至外壳用填料充填，如后面详细说明的那样。为此目的，所述定距元件配备有连接元件，优选地设计为夹紧、固锁或卡扣元件等，它们与装配元件或与设在装配元件上相应的连接元件配合作用。
按本发明另一种有利的实施形式，为电流变换器和/或罗高夫斯基线圈配设的定距元件具有固定装置，为了与电子模件连接，在罗高夫斯基线圈和/或电流变换器的漆包线与横截面大得多的绞合线之间的钎焊或压线连接可以固定在上述固定装置中。
按本发明的一种肯定特别有利的实施形式，在外壳装入电流变换器和罗高夫斯基线圈后留下的空腔，至少部分充填一种按理想不导电的填料。此外，填料最好将外壳封闭，从而不需要附加的结构件，例如盖之类，用于封闭外壳。填料最好完全按密闭封装的方式围绕设置在外壳内的构件。所述填料优选地涉及一种浇注材料，在电流变换器和罗高夫斯基线圈装入后用这种材料浇注组合转换器装置。
与组合转换器装置的外壳使用电绝缘塑料相结合，其中塑料外壳的壁厚最好至少约为1mm，所述填料保证在断路器主电流通路与电流变换器和罗高夫斯基线圈之间，或在所述主电流通路与和电流变换器及罗高夫斯基线圈电连接的电子触发器之间最佳绝缘。这尤其在这种断路器中有重要意义，其中电子触发器有用于与其他断路器或上级的控制装置通讯的接头。通过这种通讯连接，可以由电子触发器接收例如要调整的保护参数，以及发送电流、电压和功率的测量值。在这些情况下，必须保证在主电流通路与电子触发器内的开关电路之间可靠隔离。
特别有利的是，通过使用填料没有必要在外壳内各相位之间设置隔板。因此不仅降低结构性费用并因而降低生产成本。而且可以将电流变换器的外径选择得比较大，这对于电流变换器和罗高夫斯基线圈的结构并因而对于其电传输特性有良好的效果。
若填料是传热的，则它确保次级绕组中产生的热量向周围环境散出。由此可在总体上避免在次级绕组内和组合转换器装置内不允许的高温。基于在具有铁心的电流变换器次级绕组内在电流通过时产生的损耗功率可导致上述发热。
与例如由现有技术已知的一方面结构非常复杂并因而昂贵的方案相比，采用本发明制成一种比较简单和便宜的组合转换器装置。不仅组装，尤其将电流变换器和罗高夫斯基线圈装入外壳内，而且尤其通过浇注组合转换器模件加入填料，均能比较经济地实施。其结果是，形成一种结构比较紧凑的组合转换器模件，它能以很低的损坏风险进行运输、使用和工作。通过所述的模件结构方式，还能避免组合转换器制造时以错误的相位关系与电子部件错误地连接。
总之，按本发明的装置非常耐用、易生产、便宜和有很良好的电绝缘性能。与例如在现有技术中将它们使用于装备三相断路器的三个单个组合转换器相比，采用所介绍的组合转换器装置具有成本优势。
本发明可特别有利地在低压断路器中使用。在这里，不仅可以涉及结构紧凑型断路器(MCCB,Moulded Case Circuit Breakers)，而且可以涉及敞开式断路器(ACB,AirCircuit Breaker)。
附图说明
与下面参照附图对实施例详细阐述的说明相结合，可以清楚而明了地理解本发明的上述特性、特征和优点以及它们如何达到的方式。其中：
图1表示低压断路器简化方框图；
图2表示组合转换器装置分解图；
图3表示组合转换器装置和母线透视图；以及
图4表示定距器和钎焊辅助器透视图。
具体实施方式
全部附图通过其重要的组成部分仅示意表示本发明。其中相同的附图标记对应功能相同或类似的元件。
下面举例说明组合转换器装置或具有这种组合转换器装置的低压断路器。
图1描绘的断路器1设计用于借助开关触点3开关操作三个电导体2。开关触点3可通过触发机构4操作。断路器1的电子触发器6包括电子模件5和组合转换器模件8。触发机构4由电子模件5根据电流值控制。为此电子模件5通过连接导线7一方面与触发机构4以及另一方面与按本发明的组合转换器模件8连接。组合转换器模件8既用于检测三个导体2内的电流，而且也用于给电子模件5供电。为此目的组合转换器模件8包括三个组合转换器9，它们安置在塑料制成的公共外壳10内。每个组合转换器9有一个用于电流测量的罗高夫斯基线圈11，以及一个具有铁心的电流变换器12用于电子模件5供电。罗高夫斯基线圈11作为输出信号提供一个电压，所述电压与罗高夫斯基线圈围绕的导体2内的电流随时间的变化成比例。在电子触发器6的电子模件5内，根据此电压信号，借助模拟信号处理装置和连接在下游具有模数转换器的微型控制器，确定导体2内电流随时间的变化曲线及有效值。若对于规定的持续时间电流随时间的变化曲线或有效值超过规定的阈值，则由电子模件5控制触发机构4并由此断开开关触点3。
如图2和图3中表示的那样，组合转换器模件8的外壳10基本上由后壁13、与后壁13连接的外壳盖14、与后壁13连接并与外壳盖14相对置的外壳底15、以及两个与后壁13连接并将外壳底15与外壳盖14连接起来的侧壁16组成。三个按圆顶的方式设计的装配元件17，从后壁13出发朝敞开的外壳前侧18的方向延伸。内部制有通孔的装配元件17平行于断路器1内的导体2延伸，这些导体2以后穿过装配元件17。
相应于相位的数量，外壳10包括三个互相连接的分段19、20、21，其中每个外壳分段19、20、21至少部分具有圆柱形形状。例如在图2所示的实施形式中，外壳10的两个靠外的分段19、21设计为超过50％的圆柱形，或在图3所示的实施形式中设计为几乎75％的圆柱形，所以外壳10的侧壁16有板状装配轨22，用于将外壳10安装在开关设备1相应的安装槽(未表示)内。外壳底15的形状基本上由分段19、20、21的圆柱形决定。其中这些分段19、20、21如在图3所示的实施形式中那样相互直接过渡，或如在图2所示的实施形式中那样通过一个平的连接段23相互过渡。由此形成的凹槽24或附加地在外壳底15上加工的肋(未表示)，用于从断路器1最理想地引出在短路的情况下产生的废气流。外壳盖14设计成平的。从外壳10的后壁13伸出用外壳材料制成的肋25，它们总是成对地定位于在最终装配状态从外壳10伸出的设计为母线的导体2之间，以及用于保持主电流通路之间需要的空气隙和漏电路径，见图3。在外壳前侧18附近设置在外壳盖14上按桥接的方式设计的支架26，用于固定罗高夫斯基线圈11或电流变换器12的以后从填料伸出的连接导线(未表示)，使这些连接导线保持处于规定的位置，直至填料硬化。与罗高夫斯基线圈11和电流变换器12次级绕组的末端相连的连接导线(未表示)与接线插座27连接。所述接线插座27可以通过连接导线7实现断路器1电子触发器6的组合转换器模件8与电子模件5的电连接。
组合转换器模件8每个相位有一个罗高夫斯基线圈11以及一个电流变换器12。每个罗高夫斯基线圈11有一个绕好线的环形的塑料或陶瓷芯，以及每个电流变换器12有一个绕好线的环形的环带磁芯，所以分别构成一个通孔36。在组合转换器模件8组装时，各一个罗高夫斯基线圈11和一个电流变换器12套插在一个装配元件17上。其中在罗高夫斯基线圈11与电流变换器12之间安装起定距器作用的塑料圆盘28，它们用于防止接触。为了安装在装配元件17上，塑料圆盘28有中心孔29，孔29的直径基本上与装配元件17的外径一致。在本例中另一个结构相同的塑料圆盘28，定位在电流变换器12的与罗高夫斯基线圈相对置的面朝外壳前侧18的外侧35。因此电流变换器12两侧防止接触。塑料圆盘28有三个形式上为夹钳的固定元件30，它们彼此均匀间隔地从加工在塑料圆盘28内的具有较大直径的第一孔边缘出发朝圆盘中心延伸，并通过其自由端31确定可利用的直径较小的孔29的直径，所以塑料圆盘28在其安装在装配元件17上的状态下，同时固定罗高夫斯基线圈11和电流变换器12的装入位置防止滑动。为了保持电流测量的精度不变，业已证实特别有利的是，首先将罗高夫斯基线圈11装入外壳10，所以它贴靠在外壳后壁13上。由此即使在接着用浇注材料充填外壳10期间，仍达到非常可靠地固定在装入位置。
图4表示起定距元件作用的另一种可选用的塑料圆盘28，它在本发明另一种实施形式中替代在罗高夫斯基线圈11与电流变换器12之间的定距元件。所述另一种可选用的塑料圆盘28没有固定元件，在这种情况下罗高夫斯基线圈11和电流变换器12的装入位置仅通过前部第二塑料圆盘28定位。但所述另一种可选用的塑料圆盘28有设置在圆盘圆周附近垂直于圆盘表面伸出、在装配状态支靠在罗高夫斯基线圈11圆周上或围卡罗高夫斯基线圈11的第一固定装置37，它有安装口或安装导槽38，一方面用于从罗高夫斯基线圈11引出的细的电连接导线的接线端，以及另一方面用于引向电子模件5的电连接导线的接线端。此外，所述另一种可选用的塑料圆盘28有第二固定装置37(图4中不能看到)，它与第一固定装置37一致并与之镜像对称地设置为，使第二固定装置37面朝相反的方向，以及在装入状态支靠在电流变换器12圆周上或围卡电流变换器12。通过在固定装置37内可靠固定接线端，接线端可以机械化焊接。固定装置37也可以设计为接线端之间压线连接的结构形式。不过所述塑料圆盘28并非必须有两个固定装置37。只有一个固定装置37，例如仅为罗高夫斯基线圈11对应配设固定装置的结构形式，同样是允许的。
在将罗高夫斯基线圈11、电流变换器12和塑料圆盘28置入外壳10中之后，用浇注材料充填外壳10。图3表示组合转换器模件8处于已准备妥当可以运用的状态，但出于视图清晰的原因没有表示填料。三个导引穿过外壳10的、两端设有用于与断路器1主电流通路连接的电连接端子32、33的导体2，在贯穿外壳的长度上有圆形横截面。装配元件17的内径最好与导体2的外径相匹配。
在准备妥当可运用的状态，浇注材料充满罗高夫斯基线圈11与电流变换器12之间或它们与外壳盖14、外壳底15、外壳后壁13和外壳侧壁16之间的空腔34，并完全覆盖在端侧的塑料圆盘28，所以浇注材料向前完全封闭外壳10。与采用浇注材料不同，也可以使用其他填料，例如一种应置入外壳10内的绝缘材料。按另一种设计，可以在外壳10上加装塑料盖，并借助插塞连接或超声波焊接等固定。
原则上允许，为了测量初级电流不使用罗高夫斯基线圈11，而使用其他传感器。此时例如涉及具有铁心的电流变换器，或涉及霍耳传感器。如果所述其他传感器同样有最好是环形的芯，则在装入外壳10内的结构性优点也可以移植到所述其他传感器上。
在上述实施例中，组合转换器装置按三极的结构形式介绍。与之类似，也可以是双极和四极的结构形式。当然，所表示的结构设计同样有可能在单极的结构形式中实现。
虽然通过优选的实施例详细图解和说明了本发明，但本发明不受此公开例子的限制，以及本领域技术人员可以由此推导出其他的变型设计，但并不脱离本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种组合转换器装置(8)，其中，多个组合转换器(9)安置在公共的外壳(10)内，每个组合转换器(9)包括罗高夫斯基线圈(11)和电流变换器(12)；在每个组合转换器(9)的罗高夫斯基线圈(11)与电流变换器(12)之间设置定距元件(28)；和/或，定距元件(28)安装在每个组合转换器(9)的罗高夫斯基线圈(11)的外侧和/或电流变换器(12)的外侧(35)；该定距元件(28)设有将罗高夫斯基线圈(11)和电流变换器(12)固定在它们在外壳(10)内装入位置的固定元件(30)，和/或设有用于固定电连接导线接线端的固定装置。
2.按照权利要求1所述的组合转换器装置(8)，其特征为，每个组合转换器(9)的罗高夫斯基线圈(11)具有绕好线的环形的塑料或陶瓷芯，以及每个组合转换器(9)的电流变换器(12)具有绕好线的铁磁性材料制成的环形磁芯。
3.按照权利要求1或2所述的组合转换器装置(8)，其特征为，所述外壳(10)对于每个相位具有装配元件(17)，所述装配元件被与该相位对应配设的电导体(2)穿过，以及，所述装配元件(17)用作配属该相位的组合转换器(9)的罗高夫斯基线圈(11)和电流变换器(12)的支架。
4.按照权利要求3所述的组合转换器装置(8)，其特征为，所述罗高夫斯基线圈(11)以这样的方式安置在所述装配元件(17)上，亦即将罗高夫斯基线圈(11)贴靠在所述外壳(10)的后壁(13)上。
5.按照权利要求1或2所述的组合转换器装置(8)，其特征为，所述外壳(10)的空腔(34)充填一种不导电的填料。
6.一种具有电触发器(6)的开关设备(1)，其特征为：电触发器(6)具有按照权利要求1至5之一所述的组合转换器装置(8)。
7.按照权利要求6所述的开关设备(1)，其特征为，所述组合转换器装置(8)的每个组合转换器(9)配属于所述开关设备(1)的一个相位。
8.按照权利要求6或7所述的开关设备(1)，其特征为，每个组合转换器(9)的罗高夫斯基线圈(11)用于测量初级电流，以及每个组合转换器(9)的电流变换器(12)设计用于给电子触发器(6)的电子模件(5)供电。
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