CN104521088B - 差动保护设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有IDN灵敏度的差动保护设备,其允许对由至少一个相导线(2)和在某些情况下的电网中性导线供电的电设施中的泄漏检测,所述导线(2)形成由铁磁材料组成的磁芯(1)的初级线圈,磁芯(1)配有第一次级线圈绕组(L1)和第二次级线圈绕组(L2),第一次级线圈绕组(L1)连接于发出恒定振幅电流、无连续成分的电压或者电流生成器(G),第二次级线圈绕组(L2)连接于用于传输到初级线圈导线(2)的泄漏电流和穿过第一次级线圈绕组(L1)的电流所感应的信号的处理阶段,以控制其提供旨在致动机械锁(11)的电磁致动器或者继电器(10)。所述设备的特征在于:形成磁芯(1)的材料具有针对相应于等于两倍IDN的最大泄漏电流的磁激励H的最大磁导率μΓ;在根据H提供磁导率μΓ的曲线的下降部分中,所述曲线的斜率至少等于‑15m/mA。
Description
背景技术
本发明涉及一种主要可使对接地故障电流进行检测成为可能的差动保护设备。这样的设备特别适用于称为残余电流设备(RCD)的电线保护装置,例如,用于家庭或者服务业电设施的开关或者差动电路断路器,以及例如,依次根据下游连接的负载或者连接在它们保护的电路中的接收器的类型加以区分的保护电路树。
通过交流电网向这些电设施供电,而本发明所涉及的设备主要旨在通过检测加以保护的电路之一中任何可能的接地泄漏提供第三方保险;必须尽可能快地定位任何这样的泄露的来源,以把所述电路从电网切断,从而终止风险。例如,与未绝缘导线(conductor)的直接第三方接触以及因接地故障所导致的间接接触而导致这样的泄漏。这些电事件某些时候会导致可能致命的事故。
在以上所提到的情况下,在下述情况的大多数情况下,按相当标准的方式提供差动保护:加以保护的电路的导线(conductor)穿入由铁磁材料制作的磁芯,所述导线构成变压器的初级线圈,其一或多个绕组构成次级线圈。在这样的配置中,磁芯为一个磁通量集中器,而且在加以保护的线路的导线中的输入和输出电流中,在导致任何不平衡的泄漏的情况下,磁芯中所建立的通量在次级线圈绕组中建立了一个电压,用于直接或者通过专门用于可以是任何继电器类型的致动器的电子装置进行控制,所述致动器相应地致动一个触发所讨论的装置与/或所述设施的其它保护装置的机制。
发明内容
这些差动保护电装置可具有不同的特性。因此,能够通过它们的灵敏度区分它们,具体地讲,灵敏度具体依赖于使用它们的电设施的类型。另外,这些装置中的某些装置可以仅针对交变电流检测泄漏,而其它、更完善的装置也提供了适用于直流电流的方案。这是一种针对根据本发明的保护设备的情况,其非常适合于检测由直流电流或者包含直流成分的可变电流构成的泄漏。直流信号的存在所引发的具体问题如下:在所述情况下,不存在由铁磁材料制作的磁芯中通量的变化,因此跨越次级线圈端子的电压为0。于是,所述检测不可基于磁芯中所预期的可量化磁通量变化的结果。
然而,具体地讲,初级线圈的相当高的直流故障的存在导致构成磁芯的磁材料的饱和,于是,导致可用于所述检测的特性:其为本发明的原理。在这一方面,根据本发明的设备(具有灵敏度IDN,而且其允许检测由相导线和(在某些情况下)电网的中性导线(因此构成由铁磁材料制作的磁芯的初级线圈)至少之一供电的电设施中的泄漏)还包含一个第一次级线圈绕组,所述第一次级线圈绕组围绕所述磁芯缠绕,并且连接于一个发射具有恒定振幅且无直流成分的交变电流的电流或者励磁电压生成器。所述磁芯还配有一个第二次级线圈绕组,其连接于针对由出现在初级线圈导线中的泄漏电流和由穿过第一次级线圈绕组的电流所感应的信号的处理阶段(stage)、提供用于控制一个被提供旨在致动用于触发电保护装置的机械锁的继电器类型的致动器的阶段。
在这一情况下,磁芯构成了针对一方面来自初级线圈导线所辐射的、另一方面由第一次级线圈绕组产生的磁场的磁通量的磁电路。不具有直流成分的交变电流以及磁芯的工作域相对曲线B(H)穿过后者,因此以构成磁芯的材料的相应特性曲线上的点H=B=0为中心。
在其中初级线圈导线所传导的电流之和为0的情况下,意味着不存在泄漏,由它们各磁通量之和所导致的磁芯中的磁通量也为0。因此,磁芯中所生成的磁通量仅为因不具有直流成分的交变电流穿过的第一次级线圈绕组所导致的磁通量。于是,跨越第二次级线圈绕组的端子的电压仅因第一次级线圈绕组所产生的可变磁通量所导致。
在接地故障的情况下,初级线圈导线所传导的电流的时间之和不再为0。由磁芯中的这些初级线圈导线所辐射的磁场所导致的磁通量也不再为0。
在磁芯中流动的磁通量当前为两个磁通量(即,因初级线圈导线中电流的时间不平衡所导致的磁通量以及由第一次级线圈绕组连续产生的磁通量)之和。
同样,以上所提到的两个通量导致磁芯的第二次级线圈绕组中所感应的电压。本发明的基本构思是:当在初级线圈导线处检测到泄漏时,建立第二次级线圈绕组中信号显著变化的条件,以在良好条件下生成对差动电装置的触发。
为此,本发明的特征在于:
-构成磁芯的材料具有针对相应于等于两倍IDN的最大泄漏电流的磁激励H的最大磁导率μΓ。
-在根据H提供磁导率μΓ的曲线的下降部分中,所述曲线的斜率至少等于-15m/mA。
这些特性反映了磁芯的磁材料的一种具体选择,从而保证了在接地故障存在的情况下,在磁芯的第二次级线圈绕组中获得其主整流值明显低于在不具有这样的故障的情况下所获得的主整流值的电压。另外,上述特性还意味着这一电压(具体地讲,由位于绕组下游的电子阶段所整流的)随初级线圈导线的不平衡的故障电流的强度明显降低。
具体地,为了选择材料,特性B(H)以及随之的μΓ(H)为:在最低可能磁场值H时,实际达到最大磁导率。因此,在特性B(H)的饱和区域(zone)中,以及随之在其中相对磁导率不仅变得较弱(由于其相应于构成磁芯的材料的磁饱和),而且还显著降低的特性μΓ(H)的域中,一个不平衡的电流,甚至低于两倍电流IDN,足以偏移磁芯的工作域(working field)。
另外,还可以不必通过来自第一次级线圈绕组的励磁信号使磁材料饱和,从而具有明显降低设备消耗的优点。事实上,仅当把泄漏通量添加于持续交变电流(将作为励磁电流加以描述)所建立的通量时,才需要将其自身定位于饱和区域中。
以上所提到的有关μΓ(H)的斜率的第二条件表明:在达到最大磁导率之后磁导率随H快速降低。然而,H构成了故障电流的图像。由于磁导率的快速降低以及随之致使跨越第二次级线圈绕组的端子的电压的快速降低,这一特性保证了所述区域(zone)中的工作域(working field)的偏移导致跨越第二次级线圈绕组的端子的主整流的电压的显著降低。
事实上,在第二次级线圈绕组产生既依赖于因第一次级线圈绕组所导致的励磁电流也依赖于直流故障电流的信号的情况下,磁导率不再为常数,因为磁芯的操作变得向曲线B(H)的饱和区域(region)偏移,其中,作为所述曲线斜率的磁导率沿降低的方向变化。
其它参数(例如磁芯的大小)可以进一步优化所述电压的降低。已经把其内外直径调整为可以最小化生成器发射至第一次级线圈绕组的电流的值。
于是,根据本发明,磁芯的维度遵守下列关系:
(Dext+Dint)×H(μrmax)≤(4×N1×IDN)/∏
其中,Dext是磁芯的外直径,Dint是内直径,N1是初级线圈的圈数,H(μrmax)是针对最大磁导率的磁激励的值,以及IDN是差动设备的灵敏度。
磁芯的材料当然重要,因为材料的选择是使提供这些特性成为可能的主要因素。
较佳的做法是,令生成器所发射的电流具有高于电网频率的频率。如先前所提到的,不要求所述电流对磁芯的饱和。事实上,这一构思旨在减小励磁电流,以降低所述设备的消耗,同时试图通过添加因励磁和电流所导致的通量而在第二次级线圈绕组的输出处获得足够高的电压,以致能够由置于下游的电子阶段(stages)使用所述信号。
根据一种可能的配置,由第一AC/DC转换器为向第一次级线圈绕组的位置(address)发射励磁电流的电流生成器供电。
如所提到的,针对出现在跨越第二次级线圈绕组的端子的信号的一定数目的处理阶段使获得能够致动机械锁的继电器的控制信号成为可能。根据本发明的设备是这样一种设备:具体地讲,把第二次级线圈绕组至少连接于信号的一个放大器阶段与/或一个时间延迟阶段,在所述阶段的输出处,参考电压和输出电压之间存在一个比较阶段,并且将第二次级线圈绕组连接于一个控制继电器的功率控制阶段。
事实上,较佳的做法是,令时间延迟阶段为一个电压倍增器AC/DC转换器阶段或者一个具有跨越其端子的电容的整流器阶段。
这一转换器必须能够在其输入与输出之间生成一个时间延迟,实际上,所述延迟使具有促进EMC类型的尖峰信号和强平衡电流的管理的延迟反应成为可能,并且使管理向设备供电时出现的问题成为可能。
较佳的做法是,令比较阶段的输入处的参考电压来自第一AC/DC转换器。根据一种可能性,还可以把时间延迟阶段连接在第一AC/DC转换器和比较阶段之间。
另外,非常适合于交变电流方案的比较器阶段的使用不太适合于直流电流方案:于是,这一比较器阶段可以由阈值电压检测阶段跟随的减法器阶段构成。
附图说明
现在,将使用附图描述本发明,其中:
图1示出了适应于根据本发明的设备的B(H)特性,
图2示出了相应于前者的μΓ(H)特性,
图3和图4分别示出了在不存在泄漏电流的情况下的B(H)和μΓ(H)特性,
图5示出了可以在无泄漏电流和具有相应交变电流IAC(t)的情况下获得的曲线B(t)的一个实例,
图6和图7示出了在存在泄漏电流的情况下的特性B(H)和μΓ(H),
图8示出了可以在具有作为电流之和IDC+IAC(t)出现在图中的泄漏电流IDC的情况下获得的曲线B(t)的一个实例,
图9以框图形式图解了根据本发明的设备,以及
图10示出了本发明的一种可能的替换实施例。
具体实施方式
参照图1,适合于根据本发明的差动保护设备的磁芯的相应特性B(H)为:在相应于漂移的曲线上,如图2中所示,获得了具有针对绝对值最低可能H值所获得的最高点的特性μΓ(H)。对于特性B(H)中以B=H=0为中心的操作,一旦图9和图10中所示的第二次级线圈绕组(L2)不再仅由通过第一次级线圈绕组(L1)传送的励磁电流IAC(t)所激励,如图3中所示,而初级线圈处的泄漏电流出现,则出现围绕点B0的工作域的位移。图6中示出了这一点。
在第一种情况下,图3中示出了这一情况,工作点处于曲线B(H)的线性区域,从而导致μΓ1和μΓ2之间的一个准恒定磁导率μΓ,如图4中所示,而且可以把次级线圈(L2)处的电压U2表示如下:
当仅存在一个交变励磁信号AC时,BAC和HAC是B和H的值,换句话说,是单励磁电流IAC(t)。在励磁电流IAC(t)和直流故障电流IDC的情况下,如图6中所说明的,向曲线B(H)的非线性饱和区域偏移工作点,而且磁导率μΓ不再为常数,并且变得依赖于H(参见图7),其也依赖于直流故障电流。于是,电压U2表示为:
泄漏电流DC导致BDC和HDC是B和H的值。在后面一种情况下,其min(B2)和max(B1)值之间的磁导率的中间振荡点不再处于B=0处(如图3中所示),而处于大于0(或者小于0,取决于HDC的符号)的点B0处(图6)中示出了这一点。
如果HDC充分增加,在考虑B0向曲线的右侧移动的情况下,这意味着把磁芯的操作点向B(H)的曲线的饱和区域偏移,在所述域中,磁导率较低(参见图7),而且电压也经历了相关的降低。
图8示出了作为时间的函数、既针对建立磁通量的电流和也针对所产生的磁感应出现的信号。
图9和图10中所示的设备主要由以下元件构成:
允许电网电压的AC/DC转换的电源(C1)。
--磁芯(1),要保护的电设施的导线(相导线(2)和可选的中性导线)的电流(2)从其中穿过。
--磁芯(1)配有至少两个次级线圈绕组L1和L2。
--自动频率生成器(G),其经由第一次级线圈绕组(L1)连续地注入具有固定振幅和高于电网频率的频率的交变励磁信号(电压或者电流)IAC(t)。不需要励磁线圈(L1)所产生的励磁场H对磁芯(1)的饱和。
--一个或多个第二次级线圈绕组(L2),其测量励磁绕组(L1)所感应的电压,和其随故障电流的存在的变化。
--阶段(C2),其允许由磁芯的第二次级线圈绕组(L2)所传送的电压的AC/DC转换。可能需要经由第一放大器阶段(A1)对这一电压的预放大,以确保最佳转换。借助至少一个电容的存在,这一阶段也允许来自第二次级线圈绕组(L2)的输入信号(U1或者U2)与其输出电压(U3)之间的延迟的建立。这样的延迟使具有一个有助尖峰信号(EMC和强电流)管理的延迟的反应成为可能。可选地,也可以通过电压倍增器产生所述延迟。
--第二(可选)放大阶段(A2)。
--减法器(S)(图9)或者比较器(C)(图10),其使把电压(U4)与参考电压(U5)加以比较成为可能。
--时间延迟电路(R),其使延迟参考电压到达减法器(S)或者比较器(C),以避免设备供电后出现的问题成为可能。
--可以把减法器(S)的输出连接于电压检测器(D)的输入。在其中使用了比较器(C)的情况下,可以把所述输出用作开始(attack)控制阶段(P)的输入的控制信号。
--在大功率电子设备中,电压检测器(D)的输出或者比较器(C)的输出驱动控制阶段(P),从而使命令电磁继电器(或者致动器)(10)解锁机械锁(11),并且打开置于电网的导线(2)上的触点(12)成为可能,这提供了对与所讨论的线路相关的人的保护。
图9和图10中所示的电路仅为可能的实例,在不超出本发明的范围的情况下,可以对它们进行修改,其中某些修改(添加一个放大器阶段、不同时间延迟可能等)已经在前面提及。
Claims (9)
1.一种具有灵敏度IDN的差动保护设备,其允许检测由至少一个相导线和/或电网的中性导线供电的电设施中的泄漏,所述相导线和/或中性导线构成由铁磁材料制作的磁芯(1)的初级线圈,磁芯(1)配有第一次级线圈绕组(L1)和第二次级线圈绕组(L2),第一次级线圈绕组(L1)连接于发出具有恒定振幅、无直流成分的电流或者励磁电压生成器(G),第二次级线圈绕组(L2)连接于针对出现在初级线圈导线中的泄漏电流和穿过第一次级线圈绕组(L1)的电流所感应的信号的处理阶段,以控制被提供以致动机械锁(11)的电磁致动器或者继电器(10),其特征在于:
构成磁芯(1)的材料具有针对相应于等于两倍IDN的最大泄漏电流的磁激励H的最大磁导率μΓmax;
在根据H提供磁导率μΓ的曲线的下降部分中,所述曲线的斜率至少等于-15m/mA。
2.根据权利要求1的差动保护设备,其特征在于,磁芯(1)的维度遵从下述关系:
(Dext+Dint)×H(μΓmax)≤(4×N1×IDN)/∏
其中,Dext是磁芯(1)的外直径,Dint是磁芯(1)的内直径,N1是初级线圈的圈数,H(μΓmax)是针对最大磁导率的磁激励的值,以及IDN是差动设备的灵敏度。
3.根据权利要求2的差动保护设备,其特征在于,生成器(G)所发出的电流具有高于电网频率的频率。
4.根据权利要求3的差动保护设备,其特征在于,第一AC/DC转换器(C1)向生成器(G)供电。
5.根据前述任一权利要求的差动保护设备,其特征在于,把第二次级线圈绕组(L2)连接于信号的至少一个放大器阶段(A1,A2)和/或第一时间延迟阶段(C2),在所述信号的至少一个放大器阶段(A1,A2)或第一时间延迟阶段(C2)的输出处,参考电压(U5)和输出电压(U4)之间存在一个比较阶段(C),和将第二次级线圈绕组(L2)连接于功率控制阶段(P),以控制继电器(10)。
6.根据权利要求5的差动保护设备,其特征在于,第一时间延迟阶段(C2)是电压倍增器AC/DC转换器阶段或者整流器阶段,该整流器阶段具有跨越该整流器阶段的端子的电容。
7.根据权利要求6的差动保护设备,其特征在于,参考电压(U5)来自第一AC/DC转换器(C1)。
8.根据权利要求7的差动保护设备,其特征在于,第二时间延迟阶段(R)连接在第一AC/DC转换器(C1)和比较阶段(C)之间。
9.根据权利要求6~8之一的差动保护设备,其特征在于,比较阶段由阈值电压检测阶段(D)所跟随的减法器阶段(S)构成。
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