CN105934858A - 自动重合闸交流断路器 - Google Patents

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Abstract

一种交流断路器，具有位于火线上的第一电流隔离开关(SW2)和旁路开关(SW1)、位于中性线上的第二电流隔离开关(SW3)，以及并联连接至旁路开关(SW1)的半导体开关元件(IGBT)。处理单元被布置为控制所述第一电流隔离开关(SW2)和第二电流隔离开关(SW3)、旁路开关(SW1)以及半导体开关元件(IGBT)。短路和过电流检测单元连接至所述处理单元，用于确定短路情况或过电流情况。所述处理单元还被布置为在断路器跳闸后的某一时间段之后执行重合闸尝试，其中该时间段取决于导致断路器跳闸的情况类型。

Description

自动重合闸交流断路器
技术领域
本发明涉及一种交流断路器，其包括：用于将交流负载连接至干线电源的位于带电供电接线端子和带电负载接线端子之间的火线以及位于中性供电接线端子和中性负载接线端子之间的中性线；位于火线上的第一电流隔离开关和旁路开关以及位于中性线上的第二电流隔离开关；以及并联连接至旁路开关的半导体开关元件。
背景技术
国际专利公开WO2009/043807公开了一种用于低压应用的电气装置，其被布置为使得漏电断路器在跳闸之后自动地重合闸。其利用隔离装置来实现，该隔离装置能够机械地致动漏电装置上的复位杆。
欧洲专利公开EP-A-1 569 314公开了一种自动重合闸装置，其中在重合闸相关的断路器之前，复位装置首先检查所连接的负载是否仍具有漏电流。
发明内容
本发明旨在提供一种提供自动重合闸功能的改进的交流断路器，其在多种可能的方案中，始终保证断路器的健壮性、可靠性和安全性。
根据本发明，提供了根据上述前文限定的交流断路器，该交流断路器还包括被布置为控制第一电流隔离开关和第二电流隔离开关、旁路开关以及半导体开关元件的处理单元，交流断路器还包括连接至处理单元、用于确定短路情况或过电流情况的短路和过电流检测单元，
其中处理单元还被布置为在确定短路或过电流情况之后通过断开旁路开关和半导体开关元件使交流断路器跳闸，且在断路器跳闸后的预定时间段之后执行重合闸尝试，其中预定时间段取决于导致断路器跳闸的情况类型。
下面更加详细描述的本发明实施例允许提供具有自动重合闸功能的断路器，其是可编程的以便根据导致断路器最初跳闸的具体情况提供优化的重合闸动作。
附图说明
下面将利用多个示例性实施例参考所附的附图更加详细地讨论本发明，其中
图1示出根据本发明一个实施例的交流断路器的实施例的框图。
具体实施方式
在电气设备中，微型断路器(MCB)被用作安全装置。在其他应用中还使用漏电装置(RCD)。本发明的交流断路器的实施例涉及这两类的市售装置，特别是它们的运行方式。概括地说，本发明实施例提供了在负载或配电系统接线中发生故障之后通过软启动算法自动地尝试恢复电力的装置。该故障可能是故障电流或过电流/短路。本发明交流断路器的自动重合闸装置(ARD)部分的行为是完全可编程的，且可例如利用接口编程。在发生故障时，故障的信息也可以通过该接口被传送至例如维修技术员。
目前市售的ARD大部分是基于ARD的EN50557标准。在这个标准中，定义了两种评估类型(§4.3.2)；预期漏电流评估和/或预期线电流评估。针对评估方式定义了两种安全预防措施(§4.4)：限制测试电压(通过隔离变压器限制到最大交流24V§8.12.2和§9.20.1)或限制测试电流(限制到最大交流1mA或直流2mA §8.12.3和§9.20.2)。测试电流用于测试预期漏电流(§9.20.2)，测试电压用于测试预期线电流。然而，规定的评估方式难以实现，因为昂贵且要求大空间，因此根据EN50557的ARD功能不适合用于未来智能电网和智能配电系统的智能RCD/MCB。上述已知的ARD具有传统的过电流和短路保护系统，该系统对于在主触头通过例如电机驱动附加的自动重合闸功能通常不够快和健壮。传统的短路触头和电弧室仅具有有限次数的短路断开能力，之后MCB可能发生故障且必须被安装者替换。为此，在断路器重合闸之前已经评估负载电路的评估手段是必要的。如果故障情况(短路或绝缘故障)仍然存在，装置将不会尝试重合闸，且可以在一段时间后重复评估。评估手段必须具有与干线配电网络的电流隔离，其由(在ARD标准中规定的)变压器实现，以在评估期间在负载上没有危险电压。
提出的本发明实施例解决了这种短路断开能力次数有限的问题。另外，评估的时间短，没有会干扰其他负载或者会导致干线配电网络不稳定的显著供电中断。利用变压器进行评估的另一个问题是区分真正的短路和高容性负载，该高容性负载例如是由SMPS负载引起的。
注意，自动重合闸与MCB/RCD的手动重合闸具有相同的目的。
在图1中示出根据本发明的断路器的实施例的框图。交流断路器包括：用于将交流负载连接至干线电源AC的位于带电供电接线端子L输入和带电负载接线端子L输出之间的火线以及位于中性供电接线端子N输入和中性负载接线端子N输出之间的中性线。断路器包括位于火线上的第一电流隔离开关SW2和旁路开关SW1，位于中性线上的第二电流隔离开关SW3，并联连接至旁路开关SW1的半导体开关元件IGBT，以及被布置为控制第一电流隔离开关SW2和第二电流隔离开关SW3、旁路开关SW1以及半导体开关元件的处理单元。交流断路器还包括供电单元(图1中的供电和电压测量块的部分)，该供电单元连接至带电供电接线端子(L输入)和中性供电接线端子(N输入)，并且连接至处理单元以及交流断路器的其他组件，用于提供电操作功率。
根据第一组实施例，提供了一种交流断路器，该交流断路器还包括短路和过电流检测单元，该短路和过电流检测单元连接至处理单元，用于确定短路情况和过电流情况(例如利用在图1中标记为电流测量的块中的火线上的分流电阻R1)。处理单元还被布置为在确定短路或过电流情况之后通过断开旁路开关SW1和半导体开关元件IGBT使交流断路器跳闸，且在断路器跳闸后的预定时间段之后执行重合闸尝试，其中预定时间段取决于(例如可编程的)导致断路器跳闸的情况类型。
在另一组实施例中，交流断路器还包括连接至处理单元以用于确定故障电流情况的故障电流检测和注入单元，该故障电流检测和注入单元与火线和中性线电流隔离(例如利用图1中的故障电流测量块中所示的线圈L1和变压器)。处理单元还被布置为在确定故障电流情况之后使交流断路器跳闸。
在图1所示的实施例中，半导体开关元件包括整流桥D1-D4和绝缘栅双极型晶体管IGBT的组合。整流桥D1-D4的交流端子并联连接至旁路开关SW1，且整流桥D1-D4的直流端子连接至绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极和集电极端子。处理单元连接至布置在火线上的电流测量单元，且被布置为在检测到短路状态的情况下控制旁路开关SW1、第一电流隔离开关SW2和第二电流隔离开关SW3以及绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通状态。利用如在图1的框图中所示的连接至处理单元的各个继电器驱动器，实现通过处理单元断开和闭合旁路开关SW1、第一电流隔离开关SW2和第二电流隔离开关SW3的控制。利用在图1的框图中作为处理单元的内部组件示出的实时时钟(RTC)，可以通过处理单元执行定时。
整流桥D1-D4是必要的，因为IGBT仅在一个方向上导通(晶体管)。它必须承载与IGBT相同的电流，短路也是同样如此。另一个方案是将IGBT与串联二极管“反向并联”(以承载IGBT关断状态下的反向电压)，但是这将使得整个电路更复杂和昂贵。
鉴于技术现状，没有可行的其他半导体方案。FET具有非常低的沟道电阻，但是它们不可同时用作高电压/高电流类型。不能使用双向可控硅(triac)和晶闸管(thyristor)，因为它们仅能够在过零点关断，而这会花费过多的时间。在短路情况下，它们不容易受迫关断，最终会发生爆炸。
GTO(门极可关断晶闸管)和IGCT(集成门极换流晶闸管)需要大量能量以使得它们保持在导通状态和关断。而且驱动器电路会复杂得多。
处理单元被布置为适配测量输入、计算软件以及输出信号逻辑和驱动器。通过EPLD或逻辑端口可以实现大多数的时间严格进程，但是大部分功能可以集成在μP(微处理器)中。在必要时处理单元中包括且下文将更详细解释的主要功能有：
-干线电压测量(通过电源和电压测量块)。
-干线电流测量和计算过电流特性(用于代替双金属过电流保护)。
-干线电压和电流同步。
-MCB中不同组件(例如IGBT和分流电阻R1)的温度测量。
-继电器驱动器的驱动逻辑(包括储能电容器的能量监测)。
-与IGBT驱动器单元、用户接口和通信接口通信。
-用于对(过)电流特性和校准过程进行编程的编程/预置接口。
-在电力中断情况下例如利用非易失性存储器(NVM)进行数据的内部存储(例如接触状态、过电流保护的干线电流历史)。
通过分流器进行电流测量。在一个实施例中，电流测量单元包括位于火线上的分流电阻R1以及布置为测量分流电阻R1两端的电压的短路和过电流检测单元。对本申请来说，分流器是最逻辑选择，因为其精确度和线性度要优于其他组件。而且体积小、价格/可用性合理。另一种选择是罗氏(Rogowski)线圈，罗氏线圈在很宽的范围内和高电流应用中也是精确的。缺点是罗氏线圈更大并且输出信号更低，这使得用于短路保护和(小)电流/能量测量的集成/组合设计更加困难。必须选择分流电阻R1的值，使得在额定负载电流下具有低耗散，例如分流电阻R1必须能在短时间承受短路电流，例如
可以采用模拟或数字电路实现短路和过电流检测，模拟或数字电路必须足够快以检测短路。为了能量测量目的，其还必须足够精确以感测小负载电流。合乎逻辑的方案有运放电路或集成(模拟ASIC)电路，但具有高采样率的数字电路也是可行的。
另一个实施例的交流断路器还包括连接至处理单元和绝缘栅双极型晶体管的控制输入端的IGBT驱动器单元，其中IGBT驱动器单元被布置为以两阶段过程关断绝缘栅双极型晶体管。IGBT驱动器单元还可以被布置为监测IGBT两端的电压。
第二电流隔离电路(图1所示实施例中的电流隔离2)包括用于在处理单元和IGBT驱动器单元之间通信的一个或多个光耦合器。在IGBT驱动器单元内还可以设置小的电流隔离的SMPS以对IGBT驱动器电路供电，因为该驱动器电路相比断路器的其他电路部分处于另一个电压电位。
IGBT驱动器单元包含以下功能(可能作为单独的电路)：
-IGBT的两步输出驱动器
-IGBT集电极-发射极电压的电压(去饱和)监测器
-旁路开关状态监测器
-IGBT驱动监测
-IGBT导通/关断输入
在短路断开的情况下，为了关断IGBT，IGBT驱动器单元将以两步减小IGBT的栅极电压。这一行为避免了IGBT两端危险的过电压和SOA问题，尤其是在短路关断时。关断延时大约为1μs，在该时间内栅极的电压电平将是正常导通电压的大约一半。
旁路开关状态监测器功能检测旁路开关SW1是否闭合；其通过检查IGBT两端的电压进行。SW1的状态信息被转发到处理单元，然后在短路情况下可以被用于IGBT的延迟关断指令。
IGBT驱动器监测器检查驱动器电路的供电电压，其被转发到处理单元。如果该电压过低，IGBT将处于关断状态，这在正常运行中是故障情况。
IGBT导通/关断输入从处理单元接收导通/关断指令。
在另一个实施例中，交流断路器还包括连接至处理单元的用户接口。用户接口例如包括测试开关SW4和状态指示器。用户接口例如仅是具有一些LED的按钮或拨动开关以报告MCB的状态(上电/导通/关断/故障等)。
此外，交流断路器可以包括连接至处理单元的通信接口，允许远程操作和监测。通信接口被用于将所有可能的数据发送到任何媒介(例如总线系统、因特网或RS485)，以有线或无线(RF/IR)方式。
注意，来自图1示出的图和这里描述的结构是1极+N结构(仅在该相中过电流和短路保护)。在另一个实施例中，如果需要2极装置，则包括第二旁路开关、过电压保护、整流桥、缓冲器、IGBT和IGBT驱动器。其它实施例可以利用相关附加组件提供具有多极(例如3相、3相+中性、甚至4相)的干线电源的更复杂结构。
在正常运行时，本发明的断路器处于导通状态，这意味着所有负载被供电。如果负载中的一个发生故障(例如故障电流、过电流或短路)，断路器将根据标准所规定的行为和断开时间来断开负载。然而在某些情况下，电源故障或负载的断开可能是不期望的，且导致过程扰动或高成本。还要求和需要越来越多的不间断配电，且系统故障往往是不能接受的。不期望电源故障的例子有冰箱、办公室(其中许多人因为没有干线电压而不能工作)、数据中心、交通信号灯等。并非在所有情况下维修技术员都能在短时间内到达。
如上所述，一般地说，它取决于发生了哪种类型的故障、断路器的重合闸是否具有任何意义。例如，如果由于例如雷击在交通灯装置中发生过高的通地漏泄，重合闸会是非常有用的。在这种情况下，交通的风险被最小化，且维修技术员不需要出现。
另一个例子是由于接通电子HF照明控制装置(HF＝高频)导致的过高浪涌电流所引起的故障。如果很多这样的HF装置被连接至一个断路器，浪涌电流会是几百安培，这可导致断路器的不期望的跳闸。在这种情况下，断路器的自动(软启动)重合闸也是非常有用的。
在一个实施例中，重合闸尝试包括首先闭合半导体开关元件(IGBT)，监测可能的短路或过电流情况，且仅当不存在短路或过电流情况时，闭合旁路开关SW1。
另一方面，还存在故障余留和持续的情况，例如绝缘故障。在这种情况下，重合闸尝试将直接地导致另一断开。在另一个实施例中，处理单元被布置为在经过预定次数的不成功重合闸尝试后停止重合闸尝试。
本发明实施例的交流断路器提供了可编程且智能的重合闸方案的能力。对于术语“智能重合闸行为”，其意味着：根据故障的类型，可以通过处理单元中的软件算法选择/改变重合闸(间隔)时间。例如，如果过电流缓慢增加超过额定值，快速重合闸尝试不会很成功。同样的情况适用于缓慢增加的故障电流。在这些情况下，对维修技术员发出预防警告信号可能会更明智。在这些情况下，较长时期之后的重合闸尝试更为成功，因为故障改变的时间常数也很长。在由于故障电流引起的故障情况下，存在人体直接接触的风险。在这些情况下，快速重合闸也将是不合理的。然而，在电容性故障电流(这可以从故障电流的相位角看出)时，这不会是人体故障电流，在这种情况下，快速重合闸尝试将是合理的。
换句话说，处理单元被布置为在断路器的跳闸之前利用短路和过电流检测单元监测实际负载电流I和负载电流增加速度dI/dt，
且如果负载电流增加速度dI/dt低于或等于预设的阈值，选择第一时间段作为预定时间段，
且如果负载电流增加速度dI/dt大于预设的阈值，选择第二时间段作为预定时间段，
第一时间段比第二时间段长。
因此，在缓慢增加过电流/故障电流的情况下选择较长的第一时间段，而在例如脉冲通地泄漏(雷击)或过高浪涌电流的情况下选择较短的第二时间段。
类似于上文已经描述的微型断路器实施例，同样在漏电装置实施例的情况下，重合闸尝试可以包括首先闭合半导体开关元件IGBT，监测可能的故障电流情况，且仅当不存在故障电流时闭合旁路开关SW1。
在另一个实施例中，处理单元由此被布置为在断路器跳闸之后利用故障电流检测和注入单元监测测试电流和电压，且如果故障电流被确定为电容性故障电流，选择短的时间段作为预定时间段。
在其他一些情况下，例如，当面板不能被用户(工业上，供具有心理缺陷的人使用的房屋)接触，远程重合闸选择也是可以想象的。这可以由例如服务工程师在其通过本发明断路器实施例的通信接口或直接地从用户得到故障消息之后完成。如果已编程，他可以看到根据本发明的断路器的记录，且进行分析并决定做出远程重合闸。如上面已经描述的，交流断路器还可以包括连接至处理单元的通信接口。处理单元例如被布置为基于通过通信接口接收的命令执行重合闸尝试。处理单元还可以被布置为通过通信接口向外部接收方发送跳闸消息。在更进一步的实施例中，处理单元被布置为通过通信接口发送断路器的记录数据。
基于外部参数的重合闸方案也是可以想象的(即，基于通过通信接口接收的数据)。例如，当人们在建筑物中或处于预编制的时间表时，在接地故障之后不会发生自动重合闸。或者例如在进行电气系统测试时，自动重合闸功能被禁用。在本实施例中，处理单元被布置为基于通过通信接口接收的外部数据执行重合闸尝试。
对于很多负载类型和情况，有不同种类的重合闸方案。在本发明断路器的系统体系内，很多方案能被编程作为预设或由终端用户/服务工程师手动地更改。
在具体的实施例中，提供了需要在短路之后重合闸的情况。这是特殊情况，因为在这种情况下，重合闸是最关键的。传统的MCB仅能断开一些短路，之后短路必须被安装者/服务工程师更换。对于终端用户来说，手动地接通在现有的短路上的MCB也不是好的体验。虽然没有涉及个人危险，但必须由MCB断开的能量可能很高，这会导致令人不快/令人恐惧的巨响和/或闪光。
如上所述，根据EN50557的自动重合闸装置(RCD)具有评估手段以在仍然存在短路的情况下阻止不期望的重合闸。这将损坏ARD的MCB部分并且将显著地降低ARD的寿命。由传统的MCB断开短路也需要一些时间，达到几毫秒是正常的，这也可能干扰其他负载或进程，可能额外地使配电板中的上游熔断器和应力电缆老化，以及使供电电源不必要地过载。
在本发明实施例的断路器中，在现有的短路处的这一重合闸被不同地实现。本发明的微型断路器中的断路器没有可用的预评估手段，因此这也不会使重合闸延迟。如果处理单元决定重合闸，首先IGBT将在干线电压的过零点被闭合。如果短路仍然存在，其将立即被短路检测电路检测到。根据预期的短路，其可以已经在例如100μs以内，因为该检测电路不仅测量实际的电流，而且测量dI/dt。dI/dt(负载电流增加速度)是负载电阻的量度。如果处理单元识别出短路仍然存在，处理单元将在几个μs内关断IGBT，因此自动重合闸装置的总的“导通时间”仅至多达到大约例如100μs。另外，这一原理涉及的断开能量远低于传统的MCB机构。注意，旁路继电器SW1也仍然没有闭合，因此也还没有参与使短路重合闸。因此，在本发明的另一个实施例中，提供了交流断路器，其中处理单元还被配置为利用短路和过电流检测单元检测短路情况，且如果检测到短路情况，通过如下方式执行短路重合闸尝试：
-在干线电源的过零点闭合半导体开关元件IGBT；
-利用短路和过电流检测单元(通过测量实际电流I和负载电流增加速度dI/dt)检测短路情况是否仍然存在，如果短路情况仍然存在，直接断开半导体开关IGBT，或如果没有检测到短路情况，进一步继续断路器的重合闸尝试。
在另一个实施例中，交流断路器还包括连接至处理单元且与半导体开关元件IGBT热接触的温度监测单元，其中处理单元被布置为当半导体开关元件IGBT的温度高于预设的温度阈值时停止重合闸尝试。因为IGBT的温度被不断地监测且混合开关能够对短路做出数千次的重合闸试验，这是非常健壮的解决方案。因为重合闸试验的时间范围是如此短(例如小于100μs)，其他负载不会被干扰，且干线配电网络不会过载。
注意，上述实施例也可以被应用在如上所述的多极配置中。例如在3相系统(即4极装置)中，如果仅在单个极中检测到接地故障或短路，可以仅使该极重合闸。
上面已经参考附图中所示的多个示例性实施例描述了本发明实施例。一些部件或元件的修改和替换实施方式是可行的，并且这些修改和替换实施方式被包括在所附权利要求所限定的保护范围内。

Claims (13)

1.一种交流断路器，包括：
-用于将交流负载连接至干线电源的位于带电供电接线端子(L输入)和带电负载接线端子(L输出)之间的火线以及位于中性供电接线端子(N输 入)和中性负载接线端子(N输出)之间的中性线，
-位于所述火线上的第一电流隔离开关(SW2)和旁路开关(SW1)，位于所述中性线上的第二电流隔离开关(SW3)，以及
-并联连接至所述旁路开关(SW1)的半导体开关元件(IGBT)，
-被布置为控制所述第一电流隔离开关(SW2)和第二电流隔离开关(SW3)、所述旁路开关(SW1)以及所述半导体开关元件(IGBT)的处理单元，
所述交流断路器还包括：
-连接至所述处理单元、用于检测短路情况或过电流情况的短路和过电流检测单元，
其中所述处理单元还被布置为
-在确定短路或过电流情况之后，通过断开所述旁路开关(SW1)和半导体开关元件(IGBT)使所述交流断路器跳闸，以及
-在所述断路器的跳闸后的预定时间段之后执行重合闸尝试，其中所述预定时间段取决于导致断路器跳闸的情况类型。
2.根据权利要求1所述的交流断路器，其中重合闸尝试包括
-首先闭合所述半导体开关元件(IGBT)，
-监测可能的短路或过电流情况，
且仅当不存在短路或过电流情况时，闭合所述旁路开关(SW1)。
3.根据权利要求1或2所述的交流断路器，其中所述处理单元被布置为在所述断路器跳闸之前利用所述短路和过电流检测单元监测实际负载电流I和负载电流增加速度dI/dt，
且如果所述负载电流增加速度dI/dt低于或等于预设的阈值，选择第一时间段作为预定时间段，
且如果所述负载电流增加速度dI/dt大于所述预设的阈值，选择第二时间段作为预定时间段，
所述第一时间段比所述第二时间段长。
4.根据权利要求1、2或3所述的交流断路器，其中所述处理单元还被配置为利用所述短路和过电流检测单元检测短路情况，
且如果检测到短路情况，通过如下方式执行短路重合闸尝试：
-在所述干线电源的过零点闭合所述半导体开关元件(IGBT)；
-利用所述短路和过电流检测单元检测短路情况是否仍然存在，以及
-如果短路情况仍然存在，直接断开所述半导体开关(IGBT)；
-如果没有检测到短路情况，进一步继续所述断路器的重合闸尝试。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的交流断路器，其中所述交流断路器还包括
-连接至所述处理单元用于确定故障电流情况的故障电流检测和注入单元，所述故障电流检测和注入单元与所述火线和中性线电流隔离，
所述处理单元还被布置为在确定故障电流情况之后使所述交流断路器跳闸。
6.根据权利要求5所述的交流断路器，其中重合闸尝试包括
-首先闭合所述半导体开关元件(IGBT)，
-监测可能的故障电流情况，
且仅当不存在故障电流情况时，闭合所述旁路开关(SW1)。
7.根据权利要求5或6所述的交流断路器，其中所述处理单元被布置为在所述断路器跳闸之后利用所述故障电流检测和注入单元监测测试电流和电压，
且如果故障电流被确定为电容性故障电流，选择短的时间段作为预定时间段。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的交流断路器，其中所述处理单元被布置为在经过预定次数的不成功重合闸尝试后停止重合闸尝试。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的交流断路器，其中所述交流断路器还包括连接至所述处理单元的通信接口，且
所述处理单元被布置为基于通过所述通信接口接收的命令执行重合闸尝试。
10.根据权利要求9所述的交流断路器，其中所述处理单元被布置为通过所述通信接口向外部接收方发送跳闸消息。
11.根据权利要求9或10所述的交流断路器，其中所述处理单元被布置为通过所述通信接口发送所述断路器的记录数据。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的交流断路器，其中所述处理单元被布置为基于通过所述通信接口接收的外部数据执行重合闸尝试。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的交流断路器，还包括连接至所述处理单元且与所述半导体开关元件(IGBT)热接触的温度监测单元，
其中所述处理单元被布置为当所述半导体开关元件(IGBT)的温度高于预设的温度阈值时停止重合闸尝试。
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