CN106663937A - 选择性断路器 - Google Patents

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Abstract

选择性断路器，其在运行时能够连接在干线电源线和下游断路器之间。选择性断路器具有在电源线中的旁路开关和与旁路开关并联连接的受控半导体开关。提供旁路开关关断检测电路和短路检测电路，用于根据开关特性控制旁路开关和半导体开关。选择性断路器的开关特性是可编程的，并且选择性断路器的短路电流额定值基本上等于下游断路器的短路电流额定值。

Description

选择性断路器
技术领域
本发明涉及一种可操作地连接在干线电源线和下游断路器(或分支装置)之间的选择性断路器，该选择性断路器包括在电源线中的旁路开关、与该旁路开关并联连接的受控半导体开关、旁路开关断开检测电路和短路检测电路，用于根据开关特性控制该旁路开关和半导体开关。
背景技术
欧洲专利EP-A-2320535公开了一种包括短路功能的限流断路器，其在第一次短路检测之后的设定时间段后重新闭合。如果然后该短路故障再次被检测到，则使用控制单元来使用隔离器断开电路。还公开了一种用于限制在上游断路器的输入线路和配备有下游断路器和/或分开式接触器的输出线路之间的电路中的电流循环的方法。
发明内容
本发明寻求提供一种具有短路和过电流保护功能的自动断路器的改进实现方案。
根据本发明，提供了根据上述前序部分的选择性断路器，其中，选择性断路器的开关特性是可编程的(例如取决于下游断路器的可能/实际行为)，并且其中选择性断路器的短路电流额定值基本上等于所述下游断路器的短路电流额定值。这允许使用成本效益更好的断路器设计作为选择性断路器，其具有类似于下游断路器的功率、电流和关断特性。在选择性断路器和下游断路器之间的线路的优化保护(非常低的允许通过能量/I2t)成为可能，且选择性断路器和下游断路器之间的I2t的差异很小。进一步的实施例和相关联的优点在从属权利要求中描述，并且在本发明的实施例的以下详细描述中进一步详细地示出。
附图说明
下面将参考附图使用多个示例性实施例更详细地讨论本发明，其中：
图1示出了在本发明实施例中应用的断路器的示意图；
图2示出了与多个下游断路器组合的选择性断路器的应用的示意图；
图3示出了短路电流相对于时间的关系图，其中针对图2的电路具有两种可能的情况；
图4示出了用于测量图1的断路器中的参数的局部示意框图。
具体实施方式
在电气设备中，小型断路器(MCB)被用作安全装置。模制外壳式断路器(MCCB)具有类似的功能，并应用于更高功率的应用。在其它应用中，也使用剩余电流装置(RCD)。本发明实施例的选择性断路器涉及全部这些类别的可商购的装置，特别是其操作模式。
图1示出了用于本发明实施例中的断路器的实施例的框图。(交流)断路器包括在带电电源连接端子Lin和带电负载连接端子Lout之间的火线，以及在中性电源连接端子Nin和中性负载连接端子Nout之间的中性线，用于将(AC和/或DC)负载连接到干线电源(AC)。断路器包括火线中的第一电流分离开关SW2和旁路开关SW1、中性线中的第二电流分离开关SW3、与旁路开关SW1并联连接的半导体开关元件IGBT，以及被布置为控制第一电流分离开关SW2、第二电流分离开关SW3、旁路开关SW1和半导体开关元件IGBT的处理单元。该交流断路器还包括电源单元(图1中的电源和电压测量模块的一部分)，其连接到带电电源连接端子(Lin)和中性电源连接端子(Nin)，并且连接到处理单元和交流断路器的其它部件，用于向其提供电操作功率。
(交流)断路器还可以包括连接到处理单元的短路和过电流检测单元，用于确定短路情况或过电流情况(例如，使用图1中标记为电流测量模块中的火线中的分流电阻R1，其连接到故障电流检测和注入模块)。该处理单元还布置成通过在确定短路或过电流情况之后断开旁路开关SW1和半导体开关元件IGBT来使交流断路器跳闸，并且在断路器跳闸之后的预定时间段之后执行重新闭合的尝试，其中所述预定时间段取决于(例如，可编程的)导致断路器跳闸的情况的类型。
在另一组实施例中，所述交流断路器还包括连接到所述处理单元的故障电流检测和注入单元，用于确定故障电流情况，该故障电流检测和注入单元与所述火线和中性线电流分离(例如使用如图1中故障电流检测模块中所示的线圈L1和变压器)。该处理单元还布置成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的交流端子与旁路开关SW1并联连接，整流桥D1-D4的直流端子与绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极端子和集电极端子连接。处理单元连接到布置在火线中的电流测量单元，并且布置成在检测到短路和/或过载的情况下，控制旁路开关SW1、第一和第二电流分离开关SW2、SW3以及绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通状态。通过处理单元对旁路开关SW1和第一和第二电流分离开关SW2、SW3的断开和闭合的控制是使用如图1的框图中所示的连接到处理单元的各个继电器驱动器来实现的。定时可以由处理单元通过使用实时时钟(RTC)来执行，实时时钟被示为图1的框图中的处理单元的内部组件。
整流桥D1-D4是需要的，因为IGBT仅在一个方向(晶体管)导通。它必须承载与IGBT相同的电流，所以也是短路。另一种解决方案是使用具有串联二极管的“反并联”IGBT(以承载IGBT的截止状态中的反向电压)，但是这将使得整个电路更复杂和昂贵。
基于本技术的现状，其它半导体的解决方案是不可能的。存在具有非常低的沟道电阻的FET，但是这些FET不能用作兼顾高电压/高电流的类型。三端双向可控硅和晶闸管也不能使用，因为它们只能在过零点关闭并且这花费太多时间。在短路的情况下，它们不能被轻易地强制关闭，并且最终将爆炸。GTO(门极关断晶闸管)和IGCT(集成门极换流晶闸管)需要大量的能量来保持它们处于ON状态和转换成OFF。驱动电路也将更加复杂。
处理单元被布置为接纳测量输入、计算软件和输出信号逻辑和驱动。大多数时间关键的过程可以通过EPLD或逻辑端口实现，但大多数该功能可以集成在μP(微处理器)中。包括在处理单元中且在必要时在下面更详细地解释的主要功能是：
-干线电压测量(通过电源和电压测量模块)。
-干线电流测量和计算过电流特性(用于替换双金属过电流保护)。
-干线电压和电流同步。
-用于MCB中不同组件(例如IGBT和分流电阻R1)的温度测量。
-用于继电驱动器的驱动逻辑(包括存储电容器的能量监视器)。
-与IGBT驱动器单元、用户接口和通信接口通信。
-编程/预置接口，用于(过)电流特性和校准过程的编程。
-在电源中断的情况下的数据内部存储(例如接触状态，用于过电流保护的干线电流历史)，使用例如非易失性存储器(NVM)。
电流测量由分流器完成。在一个实施例中，电流测量单元包括在火线中的分流电阻R1和被布置为测量分流电阻R1两端电压的短路和过电流检测单元。分流器是这个应用的最合逻辑的选择，因为其精度和线性度优于其它组件。此外，其尺寸小，价格/可用性合理。一种替代方案是罗柯夫斯基(Rogowski)线圈，其在大范围和大电流应用中也是精确的。缺点是罗柯夫斯基线圈大得多以及输出信号低得多，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。分流电阻R1的值必须选择为使得在额定负载电流下耗散低，例如分流电阻R1必须能够在短时间内承受短路电流，例如
短路和过电流检测可以使用必须足够快地检测短路的模拟或数字电路来实现。它还必须足够精确以感测出小的负载电流以用于能量测量目的。一种合理的解决方案是运算放大器电路或集成(模拟ASIC)电路，但是具有高采样率的数字电路也是可能的。
另一实施例的交流断路器还包括连接到处理单元和该绝缘栅双极型晶体管的控制输入的IGBT驱动单元，其中IGBT驱动单元被布置成以两阶段式过程关断该绝缘栅双极型晶体管。该IGBT驱动单元还可以被布置为监测IGBT两端的电压。
第二电流分离电路(在图1所示的实施例中的电流分离2)包括用于在处理单元和IGBT驱动单元之间的通信的一个或多个光耦合器。此外，可以在IGBT驱动器单元内提供小的电流分离的SMPS，以向IGBT驱动电路供电，因为这个驱动电路比起断路器的其它电路部分来说处于另一个电势。
该IGBT驱动单元包含以下功能(可能作为单独的电路)：
-IGBT的两级输出驱动器
-IGBT的集电极-发射极电压的电压(去饱和)监视器
-旁路开关状态监视器
-IGBT驱动监视器
-IGBT ON/OFF输入
为了在短路断开的情况下关闭IGBT，IGBT驱动单元将以两个步骤降低IGBT的栅极电压。这个动作既避免了IGBT两端的危险过电压也避免了SOA问题，特别是在短路关断时。关断延迟约为1μs；在这个时候，栅极的电压电平将是正常导通电压的大约一半。
旁路开关状态监视功能检测旁路开关SW1是否闭合；这是通过检测IGBT两端的电压来实现的。SW1的状态信息被转发到处理单元，然后可以在短路的情况下用于IGBT的延迟关断命令。
IGBT驱动监视器检测驱动电路的电源电压，这个被转发到处理单元。如果这个电压太低，则IGBT将处于关断状态，并且这是在正常运行中的故障情况。
IGBT ON/OFF输入从处理单元接收ON/OFF命令。
在另一实施例中，交流断路器还包括连接到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。用户接口例如是只有一个按钮或带有一些LED的拨动开关，以指示MCB的状态(加电/ON/OFF/故障等)。
此外，交流断路器可以包括连接到处理单元的通信接口，允许远程操作和监视。该通信接口用于将所有可能的数据发送到任何介质(例如总线系统、因特网或RS485)，有线或无线(RF/IR)。
注意，在图1中示出并且在此描述的配置是单极+N配置(在该阶段中仅过流和短路保护)。如果需要双极装置，则在另一实施例中包括第二旁路开关、过电压保护、整流桥、IGBT和IGBT驱动器。具有多个电极(例如3相、3相+中性或甚至4相)的干线电源的更复杂的配置还可以通过具有相关附加组件的其它实施例来适配。
此外，还可以设想使用所描述的断路器的直流应用，其中火线和中性线将是正极和负极，或者正极和地线。在这种情况下，可能需要进一步的修改，以使断路器适合于直流电流使用，例如通过修改图1所示的实施例的电源和电压测量模块。并且，该选择性断路器的开关特性的编程将针对直流应用被特别调整。
图2示出了选择性分层结构的模块安排，其中选择性断路器10连接在干线电源线和一个或多个(在这个例子中为四个)下游断路器11之间。每个下游断路器11(或分支装置)保护在下游侧连接到其上的一个或多个负载。选择性断路器10包括供电线路中的旁路开关SW1和与旁路开关SW1并联连接的受控半导体开关IGBT，如上面参考图1所述。此外，提供旁路开关关断检测电路和短路检测电路，用于根据开关特性控制旁路开关SW1和半导体开关IGBT。该选择性断路器10的开关特性是可编程的，并且例如取决于下游断路器11的可能/实际行为。该选择性断路器10的短路电流额定值基本上等于下游断路器11的短路电流额定值。
注意，在图2所示的实施例中，选择性断路器10和下游断路器11在结构和功能上类似。换句话说，选择性断路器包括与下游断路器相同的组件，即它们具有相同的设计，具有相同的部分和相同的功能特性。然而，使用处理单元，断路器10、11各自的开关特性都可以被适配。
除了在参考图1所描述的示例中存在的元件之外，还提供了图2中的另外的实施例，其具有旁路开关、并联半导体开关和在中性线中的相关联的电路(混合开关)，以及在中性线中的用于直接测量中性线中的电流的分流电阻。
一般来说，本发明实施例涉及具有下游(分支)MCB 11的选择性过电流保护特性的选择性断路器10(小型断路器MCB，模制外壳式断路器MCCB或剩余电流装置RCD)。MCB/RCD10具有长寿命和许多短路/过流断开能力。该特性是完全可编程的。所提出的选择性MCB/RCD 10也可以与常规MCB/RCD或保险丝组合使用。
选择性MCB/RCD 10具有与正常下游(或分支)MCB/RCD 11完全相同的分层结构，但是其行为不同，因为它具有不同的预编程设置(即开关特性)。由于选择性MCB/RCD是通过对标准化产品进行编程而制成的，客户可以灵活地更改参数以获得优化的安装。显著的优点是在短路情况下选择性MCB/RCD 10的允许通过能量比在常规解决方案(具有配电网络压力较小优点的常规解决方案)中低得多。
常规的选择性MCB需要承载(不中断)下游MCB的短路电流。在正常的短路情况下，这个上游/选择性MCB不被促动，因为下游MCB将中断该短路。如果由于某种原因该下游MCB没有打开或者在上游和下游MCB之间的线路中存在短路的情况下，上游/选择性MCB将断开该短路。该选择性MCB于是用作下游MCB的备用保护。
常规上游选择性MCB的问题在于，它必须能够断开比下游MCB更高(得多)的短路。这意味着必须选择高于下游MCB的短路额定值。因此，常规的选择性MCB具有特殊的结构，包括重触头、更大的电弧室和(机械)触头的延迟触发机构。这使得常规的选择性MCB昂贵，因而基础保险丝常常被使用。
通过本发明的选择性MCB 10的性质和系统分层，不需要特殊的结构，因此克服了这些缺点。由于相同的原因，也可以容易地并入选择性RCD功能。
图3示出了对于使用本发明实施例的两种不同情况(即最差情况系统限制选择性操作模式和正常选择性操作模式)下，作为时间函数的短路电流的曲线图。一般来说，选择性断路器10可在正常操作模式或系统限制选择性模式中操作，其中在正常操作模式中，选择性断路器10被布置(例如通过编程)成晚于下游断路器11断开，并且其中在系统限制选择性模式中，选择性断路器10被布置(例如通过编程)以实施重新连接尝试。
在最坏情况系统限制选择性操作模式中，选择性断路器10和支路断路器11都具有相等的预期短路能力，例如10kA，这是MCB设计的最大允许短路能力。测试环境是最坏情况，所以是最大的。10kA rms且短路起始角为90°。MCB 10、11都处于ON位置，并且在正常的稳定运行中发生短路。在正常操作模式中，旁路开关SW1闭合。这种情况反映在图3的上部的线条中：
在t＝0时，短路发生在90°；那么可以描述以下时刻：
1、此时，MCB 10、11都独立地检测到显著的过电流并决定打开它们的旁路开关SW1。IGBT并联电路总是正常地导通(ON)。
2、此时，两个MCB 10、11的旁路开关SW1打开触点；短路电流将被IGBT接管或换向至IGBT。在该时间点附近或之前的某刻，两个MCB 10、11也都决定了短路严重以至于必须断开(基于I2t的决定，即能量的测量)。然而，在这一时刻，旁路开关SW1还没有足够的接触距离，因此两个MCB10、11的IGBT都将等待接触断开延迟时间。
3、此时，旁路开关SW1具有足够的接触间隙，并且一个MCB 10将通过断开IGBT(正常的短路断开序列)来断开短路。因为MCB 10、11(在本实施例中)都没有相互通信，所以定时从未精确地协调；总有一个是最快的。在第一个MCB 10断开短路之后，另一个MCB 11也将很快跟随并且也断开负载。在时刻3之后，负载中剩余的短路能量将被也并联连接到旁路开关SW1的变阻器吸收，并且电流将减小到0A。
在这种情况之后，MCB 10、11都已经断开了其负载侧，分支MCB 11还将断开电流分离开关SW2、SW3(见图1)。选择性MCB 10断开而分支MCB 11不断开的情况是不可能的，因为打开MCB 10、11的决定时刻出现在最快的MCB 10断开短路之前。
下一步是选择性MCB 10被编程，使得其尝试在干线电压的下一个过零点重新闭合。该重新闭合将通过再次闭合IGBT和测量负载电流来开始。如果这仍然太高，它将再次断开IGBT。由于旁路开关SW1尚未闭合，第二次重新断开将快得多，并且具有低得多的通过能量I2t。如果短路由分支MCB11断开，则选择性MCB 10可以在其它分支MCB 11和负载不会注意到该电压中断的时段内再次重新闭合。或者在更一般的措辞中，在系统限制选择性模式中，选择性断路器10被编程为在选择性断路器10切断之后在干线电源的下一个过零点执行重新闭合尝试。
在实践中，通常不会达到这种最坏情况系统限制选择性操作模式。在选择性断路器10和分支断路器11之间有些许米的布线的情况下，由于环路阻抗，分支MCB之后的短路电流将较低。然而，选择性断路器10仍然必须能够直接在配电面板负载线处断开短路，这可以是上述最坏情况的短路电流。
在正常选择性操作模式中，只有分支断路器11将打开并断开短路。选择性断路器10将保持闭合。因此，可以将这种情况与已存在的选择性过电流保护解决方案进行比较。在该模式中，断路器10、11都具有相同或不同的预期短路能力(分支断路器11总是具有相同或更低的短路额定值)。测试环境不是最坏的情况，因此例如10kA rms且短路起始角为30°的短路。在不是最差的情况下，dI/dt参数低于最差情况选择性模式，所以定时不太关键，并且旁路开关SW1不再是时间关键的因素。
选择性和下游断路器10、11都处于ON的位置，并且短路在正常稳定运行中发生。在正常操作模式中，旁路开关SW1闭合。这种情况2反映在图3的下部线条中。
在t＝0时，短路发生在例如30°；那么可以描述以下时刻：
1、此时，MCB 10、11都独立地检测到显著的过电流并决定打开它们的旁路开关SW3。IGBT并联电路总是正常导通(ON)。在具有较低短路额定值的分支MCB 11的情况下，它将在较早阶段中的检测显著的过电流并且已经打开其旁路开关SW3也是可能的。
2、此时，两个MCB 10、11的旁路开关SW3打开触点；短路电流将被IGBT接管或者换向至IGBT。在具有较低短路额定值的分支MCB 11的情况下，这些触点也可能在较早阶段已经断开。
3、在这一时刻，两个MCB 10、11的旁路开关SW1具有足够的接触距离，并且MCB 10、11都准备好通过打开IGBT来切断短路电流。然而这还没有完成，因为用于选择性和分支MCB10、11的预定的I2t值还没有达到。在具有较低短路额定值的分支MCB 11的情况下，这个时刻6在一个更早的阶段到达也是可能的。
4、基于分支MCB 11的I2t设置，这将通过打开IGBT来断开短路。该I2t设置低于选择性MCB 10的I2t设置(其被设置为例如电路设计的最大允许值)。
5、在这一时刻，选择性MCB 10本来会达到其I2t设置，但是该短路已经被分支MCB10断开。在一段时间之后，选择性MCB 10将再次闭合旁路开关SW1。
注意，选择和分支MCB 10、11可以具有相同预期短路额定值但不同的I2t断开设置。具有较低预期短路额定值的分支MCB 11通常具有较低的I2t设置。通常可以通过电子检测使I2t检测非常准确。
图3所示的时段9和10对于选择性和分支MCB 10、11来说都是相等的。这是用于打开旁路开关SW1的时间延迟，包括为恒定值的充足的接触距离。旁路开关SW1的这个总打开时间(电气+机械+接触打开距离延迟)是用于预期短路断开额定值的主要因素。
注意，从“最坏情况系统限制选择性模式”到“正常选择性操作模式”的变化是自动完成的并且由选择性断路器和下游断路器10、11的操作算法独立地控制。如果短路的dI/dt斜率越来越小，就会存在不需要断开选择性MCB10的短路的情况，因为分支MCB 11已经断开而选择性MCB 10仍然低于最大的最坏情况系统限制。因此换句话说，选择性断路器10被布置成基于干线电源线中的dI/dt测量来选择正常选择性或系统限制选择性操作模式。
为了具有由短路断开所涉及的能量的可靠值，I2t值通常被用作参数。能量通常为E＝U*I*t；所以E＝I*R*I*t；所以E＝I2*R*t。由于在保险丝或断路器的情况下，R低且恒定，这个被忽略且因此可以假设能量相对于I2t值呈线性。
可以通过包含乘法器(I*I＝I2)和积分器网络的电子电路进行I2t检测，该积分器网络在时间上对I2值进行积分。
在图4中，所示的可能的框图是决定旁路开关断开(OFF)检测(来自于图3的点1和4)和短路断开检测(在最坏情况系统限制选择性操作模式的点2以及正常选择性操作模式的点7和8下描述)的检测时刻。负载电流使用分流阻抗21(也见图1)测量，放大器22连接在该阻抗两端。放大器22的输出通过整流器23整流(在火线上的交流的情况下)。然后这个信号被引导到旁路开关关断检测模块24和短路电流检测模块25的输入。在这些(功能)模块中，该信号与用于幅度、随时间的改变(dI/dt)和/或能量(I2t)的阈值等级进行比较，并且取决于断路器10、11的具体实现/编程被合计来提供输出信号。通过该原理，可以自由选择用于检测短路的幅度、dI/dt和I2t值的最佳组合。“旁路开关关断检测”模块24和“短路检测”模块25是图1的“短路和过电流检测”模块的一部分。输出连接到图1的处理模块。一般来说，选择性断路器10(以及可能还有下游断路器11)的开关特性基于能量参数(I2t驱动的)的测量、电流幅度的测量和/或电流随时间的变化(dI/dt)。
上述过程适用于短路情况。选择性断路器10和下游或分支断路器11之间的协作比正常过载情况下更加具有时间关键性。在过载情况下，还必须保证分支断路器11总是较早地断开。特别是当将类似设计的两个断路器(见图1和图2)用作选择性断路器10和分支断路器11时，可以将选择性断路器10和分支断路器11之间的过载设定保持低差别。原则上(精确的电流测量和过载的软件rms计算)，公差比使用现有技术的双金属解决方案时小得多。
通过选择两个断路器10、11的额定电流值之间的至少小但适当的距离，来保证在选择性断路器10和分支断路器11之间的过电流的选择性。这可以容易地通过额定电流值以及两个断路器10、11的过载特性编程。
注意，在具有多于一个分支断路器11的网络中，在选择性断路器10和分支断路器11的额定电流值之间总是存在差异。然而，由于“同时因素”，通常不通过相加分支断路器11的额定电流来获得选择性电流。并非所有分支都完全被加载，因此常常将分支断路器11的总功率相加并乘以例如0.6以获得选择性断路器10的功率额定值。
断开过载的时间段很长，所以旁路开关SW1断开的时间延迟不是问题。注意，在电源中断或临时关断(OFF)情况下，本发明的断路器10、11可以将过载历史数据存储在NVM(非易失性存储器)中，并且通过实时时钟(RTC)它将在电源接通(ON)后再次考虑过载历史数据。
因为用于(智能)断路器10、11的电源接通程序不同于常规的现有技术的断路器，在接通电源时或在干线电源中断之后断开短路或过载的行为也是不同的。
在未供电的情况下，选择性和下游断路器10、11都是完全断开的(电隔离的)。内部电源连接在断路器的线路侧(见图1)，并且因此能够在接通负载之前给处理模块供能。实际上，智能断路器的上电时间为例如500ms。在上电(对于第一次或在电源中断之后)时，首先选择性断路器10将被供电并接通。如果在另一个500ms后没有短路，分支断路器11也将接通其负载。
如果一接通选择性断路器10后就检测到选择性断路器10和分支断路器11之间的短路，则根据正常的短路断开过程，选择性断路器10将立即再次断开。如果一接通分支电路断路器11后就检测到分支断路器11之后的短路，则根据上述情况1和2进行断开协作。
手动或通过远程控制接通的支路断路器11在其被供电和完全可操作之前不会闭合其触点，所以如果选择性断路器10处于OFF状态，则不可能强制支路断路器11接通。
该智能断路器分层结构还能够与其它类型的断路器或保险丝正确地协作，即下游断路器可以是常规类型的断路器，例如保险丝、自动断路器等。如果选择性断路器10是在本发明的实施例中讨论的类型，下游常规分支断路器或保险丝的I2t参数必须较低以保证正确的协作。然而，一般来说，常规MCB和熔丝的I2t高得多，因为它们中断短路电流较慢。这种缓慢的断开行为会对电缆和供电网络造成压力。还有，为了检测过载情况，常规断路器和保险丝相对不精确，所以必须选择一个在选择性断路器10和常规断路器或保险丝的过载设置之间的较大的距离。
在另一实施例中，还提供故障电流检测功能。在常规的选择性MCB中，通常没有提供接地故障检测功能，这本应是附加的装置。然而对于本发明的选择性和下游断路器10、11，非常容易通过分层结构(具有或不具有选择性)来包含接地故障功能。该产品将是“智能MCB/RCD(组合MCB和RCD或带有过电流保护的剩余电流断路器，RCBO)”。
如果在现有技术方案中必须保证选择性和分支RCD之间的接地故障选择性，则额定接地故障敏感度IΔn总是存在差异。如果分支RCD具有30mA的IΔn，则选择性RCD将为100mA或300mA。除此之外，选择性RCD还需要比标准RCD的致动时间更长的非致动时间。因为常规的选择型RCD具有另一种操作特性并且不能在所有情况下使用，所以它们具有不同的类型标记“S型”。
当然，通过本发明智能MCB/RCD 10、11的层级结构，这种标准化的“S型”可以完全集成在选择性版本中，但是还有其它更多的可能性。
类似于短路断路原理，选择性和下游RCD 10、11可以具有相同的一般类型额定值，例如，IΔn＝30mA。然而，选择性RCD 10在比分支RCD 11更高的故障电流下跳闸；例如分支RCD 11在20mA下跳闸而选择性RCD 10在25mA下跳闸。另外，可以使选择性RCD 10的时间延迟稍微长于分支RCD11的时间延迟(但是在标准的界限内)。在这种情况下，选择性RCD 10断开而分支RCD 11不断开的情况保证是不可能的。通常，通过在如上所述的“智能MCB/RCD”中使用的电子检测可以使得故障电流检测非常准确。通常，选择性断路器10具有基本上类似于下游断路器11的接地故障额定值的接地故障灵敏度，以及高于下游断路器11的电流阈值的电流阈值。此外，选择性断路器10可具有比下游断路器11的接地故障时间延迟更长的接地故障时间延迟。
在极少的选择性RCD 10还是关断的情况下，对其进行编程以使得它在一段时间后尝试以预编程的试验次数重连接也是可能的。如果接地故障仍然存在，它将在标准的时间限制内再次直接关断。这不应该被任何标准禁止，因为它也可以手动重新连接(通过操作肘杆)。注意，在另一分支RCD 11中存在稳定故障电流的情况下，选择性差异方法不再起作用。然而，在这种情况下，可以采取多种措施。例如，将这种存在的稳定故障电流报警给维护工程师或(临时)自动增加该选择性差异。在存在稳定电容性接地故障的情况下，也可以通过识别相位差来忽略该情况。
因为本发明的智能MCB/RCD 10、11具有通信装置(通信接口，见图1)，所以它们具有关于接地漏电状态的持续接触是可能的。如果分支RCD 11注意到稳定故障电流(和相位角)，则可以将其传送到选择性RCD 10。选择性RCD 10收集所有数据并将其与自己测量的故障电流进行比较。通过这个比较，智能RCD 10可以计算所测量的故障电流是来自一个或多个分支RCD11，还是归因于分支RCD 11和选择性RCD 10之间的线路的某处。实际上，分支RCD应当仅断开这个后者的故障电流。
通常，选择性断路器可以被布置为检测在选择性断路器10和下游断路器11之间的线路中是否存在接地故障和/或短路故障。
选择性断路器11可以被编程为根本不打开，而是仅通过通信端口向维护工程师报告故障电流。在某些情况下，电源断开可能比接受(暂时的)故障电流更加危险或昂贵。当根据标准不是必须使用选择性或备份RCD时，这种可能性是特别有利的，但是维护工程师接收关于配电网络“健康性”的持续的质量信息。
本发明实施例还可以用于实现选择性断路器10的自适应短路特性，即在操作期间根据用于经由电源线馈电的电源来编程用于短路的关断特性。选择性断路器10被布置成根据连接到选择性断路器的干线电源来改变开关特性。干线电源可以是变压器(如通常使用的)、不间断电源UPS、发电机等。这在例如数据中心(其中所有机架和服务器的不间断供电都非常重要)中是特别有利的。在这种情况下，通常使用来自公共干线的正常供电(通过变压器供电)，以及UPS(静态的或旋转的)和发电机。在多个级别提供短路保护，重要的是保证了对于每个这样类型的电源的考虑到下游断路器11的选择性。在正常的变压器馈电公共电源中，可能出现比在UPS(例如基于电池的)或发电机的情况下高得多的短路电流，并且当开关时，可能不能保证选择性：如果对于机架的断路器的断开特性针对公共电源，则在短路情况下切换到UPS或发电机时，该断路器将响应较慢，因为短路电流将较低。因此，短路将存在更长的时间，并且机架将失去电源更长时间，从而对机架中的服务器的连续性构成更大的威胁(有时服务器没有电源的状态只能持续10-20ms)。在本发明的一个实施例中，从公共电源到UPS的切换可以通过信号被发送到选择性断路器10，允许断路器10的短路特性改变到对于实际使用的电源的最佳设置。同样对于其它情况(例如：从例如太阳能或风力的可再生能源供电)，可以(自动地)选择最佳短路特性。
这种(自动)适配选择性断路器的短路特性在其它情况下也是有利的。例如，可以分析由选择性断路器10和分支断路器11保护的网络和负载，并相应地适配短路特性。通常，在潜在的短路功率中可能出现大差异，源阻抗和来自中压变压器的电缆长度是其中的因素。通常选择比绝对必须的高得多的潜在短路功率，然而这导致在短路情况下释放的能量不必要地高(火灾危险)，且公共电源因此中断太长时间。可以使用测量装置来允许对(潜在的)短路功率进行现场测量，并且使用这种测量可以适当地对选择性断路器10进行编程。测量装置甚至可以直接耦合到通信接口，允许在运行期间的自适应。一般来说，选择性断路器可以被布置成在运行期间测量现场短路功率，并且相应地改变开关特性，其可能是自动的。
在另一实施例中，选择性断路器在安全领域具有其它优点，特别是当维修人员需要在具有电气设备的封闭空间(房间)中工作时。在检测到人在设备附近时(例如，当进入外壳时)，选择性断路器的关断特性适配到较低的电流水平。于是在实际短路情况下被释放的潜在能量降低，从而提高安全水平。一般来说，选择性断路器还布置成根据对人的存在的检测来改变关断特性。
本发明的实施例提供了优于现有技术示例的选择性断路器的若干优点和益处：
选择性和分支MCB 10、11之间的线路的优化保护(非常低的通过能量/I2t)，其在选择和分支MCB 10、11之间具有非常小的I2t差。
选择性和分支RCD之间的优化的接地故障保护，其在选择性和分支RCD之间具有小的故障电流灵敏度差异。
选择性MCB/RCD和分支MCB/RCD间的电源线的非常短的中断时间，其他负载不会注意到该中断时间。通过预设参数重新闭合选择性MCB。
选择性和分支MCB/RCD的标准化(等同)设计；定制/现场可编程的选择性功能。
集成的和可编程的MCB/RCD特性；每个单独的装置可以被编程为MCB选择性和/或RCD选择性。
将选择性MCB功能与选择性RCD功能组合。
对维护工程师的和智能MCB/RCD之间的通信系统。
选择性RCD能够收集分支RCD稳态故障电流信息，并且通过将其与其自己的测量进行比较，它可以识别故障位于哪里(分支RCD之后还是分支和选择性RCD之间)。通过该信息，选择性RCD可以决定是否必须断开或忽略该故障电流。
上面已经参照附图所示的多个典型示例描述了本发明的实施例。一些部件或元件的修改和替代实施方式是可能的，这些修改和替代实施方式均包括在如所附权利要求中限定的保护范围内。

Claims (14)

1.选择性断路器，其在运行时能够连接在干线电源线和下游断路器之间，
所述选择性断路器包括在电源线中的旁路开关、与所述旁路开关并联连接的受控半导体开关、用于根据开关特性控制所述旁路开关和所述半导体开关的旁路开关断开检测电路和短路检测电路，
其中所述选择性断路器的所述开关特性是可编程的，
并且其中所述选择性断路器的短路电流额定值基本上等于所述下游断路器的短路电流额定值。
2.根据权利要求1所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器包括与所述下游断路器相同的组件。
3.根据权利要求1或2所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器可运行在正常操作模式或系统限制选择性模式中，
其中在正常操作模式中，所述选择性断路器被编程为比所述下游断路器更晚地断开，
并且其中在所述系统限制选择性模式中，所述选择性断路器被编程为实施重新连接尝试。
4.根据权利要求3所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器被布置成基于所述干线电源线中的dI/dt测量来选择所述正常选择性或所述系统限制选择性操作模式。
5.根据权利要求3或4所述的选择性断路器，其中，在所述系统限制选择性模式中，所述选择性断路器被编程为在所述选择性断路器关断之后在所述干线电源的下一过零点执行重闭合尝试。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器的所述开关特性基于能量参数的测量、电流幅度的测量和/或电流随时间的变化(dI/dt)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的选择性断路器，其中，所述下游断路器是常规类型的断路器。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器被布置成根据连接到所述选择性断路器的干线电源来改变所述开关特性。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器被布置成在运行期间测量现场短路功率，并且相应地改变所述开关特性。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器还被布置成根据对人的存在的检测来改变关断特性。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器具有基本上类似于所述下游断路器的接地故障额定值的接地故障灵敏度，以及比所述下游断路器的电流阈值更高的电流阈值。
12.根据权利要求11所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器具有比所述下游断路器的接地故障时间延迟更长的接地故障时间延迟。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器被布置为检测在所述选择性断路器和所述下游断路器之间的线路中是否存在短路故障和/或接地故障。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的选择性断路器，其中，所述选择性断路器包括用于与所述下游断路器交换数据的通信接口。
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