CN108110728A - 保护开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于低压电路的保护开关。其具有：‑防火开关功能，其能够确定低压电路中的故障电弧并且能够在超过故障电弧极限值时中断低压电路，‑故障电流保护开关功能，其能够确定低压电路中的故障电流并且能够在超过故障电流极限值时中断低压电路，‑用于防火开关功能和故障电流保护开关功能的电源。保护开关被构造为，确定低压电路中的电压，并且在低于所述电压的第一极限值时，切断防火开关功能。

Description

保护开关

技术领域

本发明涉及一种用于保护低压电路的保护开关和用于针对低压电路的保护开关的方法。

背景技术

低压是指直至1000伏交流电压或者直至1500伏直流电压的电压。

保护开关是指集成了如从故障电流保护开关或剩余电流断路器已知的故障电流保护开关功能和如从防火开关或电弧故障检测设备已知的防火开关功能的组合开关。此外，还可以集成如对于线路保护开关或小型断路器已知的线路保护开关功能。另外，还可以集成其它功能。

线路保护开关通常是指针对直至125安培、更具体地针对直至63安培的电流的低压线路保护开关。

线路保护开关防止保护电路过电流和短路。也就是说，如果电路中的电流超过电流极限值，则可以中断电路。

故障电流保护开关、简称为FI开关一般是已知的。这里通常使用所谓的总和电流互感器。在此，两个或多个导线、通常在单相交流电网中为输出导线和返回导线或外部导线和中性导线或者在三相交流电网中为所有三个外部导线和中性导线被引导通过总和电流互感器。仅对导线中的差电流、即不同于输出电流和返回电流的电流进行转换。电路中的电流总和或差电流通常等于零。如果其不等于零，则其由故障电流导致，因此可以识别出故障电流。如果其超过了故障电流极限值或差电流极限值，则可以中断电路。

当总和电流互感器被构造为次级侧的能量足以操作触发单元或中断单元或触发器时，于是将这种故障电流保护开关称为与电网电压无关；否则称为与电网电压有关。

防火开关是用于电路或电网的相对新型的保护装置，其用于识别故障电弧、例如并行或者串行电弧。这些故障电弧、有时也称为干扰电弧可能由于接线盒或者插座中的不良夹紧的电连接或由于不良绝缘和接触形成。防火开关特别是可以在家用安装装置、例如保险盒中用于识别这种故障，并且在存在故障或超过故障电弧极限值时中断电路。

故障电弧特别地是指由于电路中的故障形成的串行电弧和并行电弧。这里不是指通常在进行开关时或由于操作希望的用电设备而形成的电弧。

如果将故障电流保护开关功能、简称为RCD和防火开关功能、简称为AFDD集成在一个保护开关或设备或者模块中，例如集成在宽度为18mm的单个模块中，则必须在有限的空间中实现多个功能。如果要集成更多功能，则情况更是如此。

不仅RCD部分、而且AFDD部分需要低伏特电源：必须对来自传感器(例如用于RCD的总和电流互感器或零序电流变换器；用于AFDD的电流传感器和高频传感器)的电信号进行整理和分析。这例如利用模拟或/和数字的电子部件来进行。低伏特一般是指3.3V或者5V的直流电压。电源或电源电路必须将输入电压或电网电压、一般为230V交流电压转换为低输出电压(直流电压)/低伏特。

这种电源在保护开关中需要空间并且产生热。特别是在这种电源要在宽的输入电压范围内工作时。

关于最低工作电压对防火开关功能或AFDD和故障电流保护开关功能或RCD的要求是不同的：

-针对AFDD的标准(IEC 62606)要求保护功能从额定电压或电网电压的85％起工作。在电网或电路的额定电压为230伏的情况下，这是195V。

-针对RCD的标准(IEC 61008)要求保护功能在230伏电网中从85伏起工作。在例如中国的国家，要求更高，这里要求从50伏起开始工作。

这要求电源必须在宽的输入电压范围内工作。这意味着在更小的输入电压下电流消耗增加。这也意味着电路(电容器)的输入容量必须足够大，以便在小的输入电压下存储足够的能量。输入电容器的值与电路电力消耗成正例，并且与输入电压成反比。

此外，电源还必须设计为对输入电压的大的值进行处理。例如，故障电流保护开关/RCD必须能够承受额定电压的3的方根倍或1.73倍的值的过电压，例如对于230V电网为400V；这在一个小时内没有损害。

这意味着输入电容器也必须具有大的耐压强度。这些要求的组合导致高的耐压强度下的大的容量。这些部件很大，并不总是能够在具有有限的结构空间的紧凑型设备中实现。这种保护开关的实现很困难、很昂贵或者甚至是不可能的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，改进开头提及的类型的保护开关，特别是能够实现用于保护开关的具有小的尺寸的电源。

上述技术问题通过具有本发明的特征的保护开关来解决。上述技术问题还通过具有本发明的特征的方法来解决。

根据本发明设置，用于低压电路的保护开关具有：

-防火开关功能，其能够确定低压电路中的故障电弧并且能够在超过故障电弧极限值时中断低压电路，

-故障电流保护开关功能，其能够确定低压电路中的故障电流并且能够在超过故障电流极限值时中断低压电路，

-用于防火开关功能和故障电流保护开关功能的电源，

保护开关被构造为，确定低压电路中的电压，

在低于所述电压的第一极限值时，切断防火开关功能。这意味着，在低于电压的第一极限值时，不进行故障电弧识别。也就是说，在超过第一极限值时，接通防火开关功能。在低于第一极限值时，断开防火开关功能。

这使得能够使用较小的电源，因为在电网中的电压低时，不需要为防火开关功能提供能量。由此，在电压低时，电源或电源件仅须提供较小的电流，由此使结构尺寸明显减小。这对于与电网电压有关的故障电流保护开关或故障电流保护开关功能是特别有利的。

下面给出本发明的有利构造。

在本发明的一个有利构造中，在低于所述电压的第一或者第二极限值时，切断保护开关的第一外围装置。

这具有如下特别的优点：使得能够进一步减小电源的结构尺寸，因为在电压低时切断或者从特定电压起才接通外围装置，例如显示单元、例如显示器或者LED显示器或/和通信单元。在此，针对防火开关功能和外围装置的极限值可以相同或者不同。

在本发明的一个有利构造中，在低于所述电压的第三极限值时，切断保护开关的第二外围装置。

这具有如下特别的优点：可以根据低压电路的电压根据外围装置的电力消耗对切断进行分级，由此可以减小或优化保护开关的电源。

在本发明的一个有利构造中，保护开关具有导线保护功能，其确定低压电路中的电流，并且能够在超过电流极限值时中断低压电路。

这具有如下特别的优点：在保护开关中集成其它保护功能，由此其可以更普遍地适用。通过减小电源的结构尺寸，该附加功能能够实现。

在本发明的一个有利构造中，设置控制装置(MCU)，其被构造为，其将所确定的电压与至少一个极限值进行比较，并且依据低于或者超过至少一个极限值切断或/和接入防火开关功能、第一或者第二外围装置。

这具有如下特别的优点：例如通过具有小的电力消耗以及小的尺寸的微控制器有利地进行实现，由此能够在小的壳体或模块中实现保护开关。

在本发明的一个有利构造中，第一、第二或者第三极限值处于100伏至180伏的范围内，特别是处于110伏至170伏的范围内。更具体地，第一、第二或者第三极限值处于120伏至160伏的范围内，特别是其具有在120、130、140、150或160伏的范围内的值，也就是说，具有+/-5伏的容差。

这具有如下特别的优点：在低于按照标准要求的电网电压时也给出防火开关功能，其中，可以根据结构尺寸或电源来确定极限值。

在本发明的一个有利构造中，外围装置是显示单元或/和通信单元。

这具有如下特别的优点：在电压低时切断或从特定电压水平起才接入特别是电流密集的单元，由此产生更小的电力消耗，由此得到更小的电源。

仅返回参考本发明的单个特征或者返回参考本发明的特征组合的所有构造产生对保护开关的改进。

附图说明

本发明的所描述的特性、特征和优点以及实现其的方式，结合下面对结合附图详细说明的实施例的描述将变得更清楚并且更容易理解。

附图中：

图1示出了电子电路的电路图。

具体实施方式

图1示出了具有第一和第二晶体管Q1,Q2；第一、第二和第三电阻R1,R2,R3；输入端Enable；第一电源接线端Vdc1,Ground；电源输出端Vdc2的电路。

输入端Enable与第三电阻R3连接，第三电阻R3又与第一晶体管Q1的基极连接。第一晶体管Q1例如是NPN型晶体管。其发射极与第一电源的接线端Ground连接。其集电极不仅与第一电阻R1连接，而且与第二电阻R2连接。第一电阻R1在另一端与第一电源接线端Vdc1连接，第一电源接线端Vdc1又与第二晶体管Q2的发射极连接。第二晶体管Q2例如是PNP型晶体管。其基极与电阻R2的另一个接线端连接。第二晶体管Q2的集电极形成作为电源输出端的接线端Vdc2。

根据本发明，提出了针对保护开关的智能能量管理或电力供给。通过接入或切断或者激活/去激活不同的开关功能或电路部分，与电网/保护开关的低压电路的输入电压有关地优化电力消耗。例如在控制单元中、例如在微处理器中使用相同的原理，其中，与电压有关地使用或者不使用微处理器的不同的程序或程序部件。微处理器于是以较少的功能运行。因此，微处理器由此可以例如以较低的频率工作或者进入睡眠模式，由此节省能量或电力。由此需要较小的电源或电源件。

保护开关的功能例如被划分为3个部分：

-故障电流功能/RCD例如总是或在从85V或者50V起的电压下工作。

-防火开关功能/AFDD总是在从额定电压的85％起、例如在230伏电网中从195伏起的输入电压下工作。其根据保护开关或电源的尺寸，在更小的电压下、例如在值120、130、140、150、160伏(具有+/-5伏的容差)下就可能开始工作。

-可选地可以在任意电压极限或极限值下接入或切断外围装置或设备，例如显示单元、LED显示器或者通信单元。

保护开关必须测量低压电路的电压，并且通过将电压与极限值进行比较来决定切断或接入保护开关的哪些功能或部分。这例如可以至少部分地由保护开关的控制装置中的微处理器执行。

根据电压的值，例如可以实现以下状态：

1)输入电压小于/等于第一极限值：

仅激活故障电流保护开关功能/RCD功能。

例如，第一极限值可以为120伏。

保护开关“仅仅”是故障电流保护开关。防火开关功能/AFDD功能和例如显示器不可用。

能量或电力消耗明显减少。

2)输入电压在第一极限值和第二极限值之间：

例如，第二极限值可以为160伏。

这里，可以使用外围装置或者防火开关功能，即接入一个或多个其它功能。例如Led显示器或者通信部件。

3)输入电压高于第二极限值：

这里，激活保护开关的所有功能。保护开关保证RCD和AFDD功能。

可以以类似的方式确定另外的极限值、例如第三极限值，并且将其与保护开关的特定功能的接入或切断相关联。

因此，可以依据电压或输入电压对保护开关的电源和功能进行优化。

微处理器的程序部件的激活/去激活以类似的方式进行。

根据本发明，可以对功能或程序部件等的接入/切断或接通/断开或激活/去激活设置滞后。也就是说，在进行激活或去激活、随后进行去激活或激活时，在进行其之前，阈值必须首先低于或超过在该阈值以下或以上的另一个值，或/和低于或超过阈值必须存在一定的时间段。从而在电压正好处于极限值或围绕极限值波动时，避免功能、装置、程序部件等不断地断开或者接通。

特定功能或电路部件的激活/去激活可以通过直接将微处理器的输出用于激活/去激活电路部件的电源来进行，其中，可以使用根据图1的根据本发明的电路。激活/去激活通过改变微处理器的输出或微处理器的GPIO输出的输出状态来进行。由此可以直接向电路/电路部件供给电力。在电流较大的情况下，使用根据图1的根据本发明的电路。其是一种转换开关。输入端Enable与微处理器的输出端连接，微处理器的使能信号(低电平0V或者高电平3.3V)在高电平下使第一晶体管Q1导通。由此，第二晶体管Q2的基极电压变小并且第二晶体管Q2导通。由此，第二晶体管将Vdc1处的电压作为输出电压Vdc2输出，由此向连接到其的电路/电路部件供给能量/电力。

大小为大约50mV的第二晶体管Q2上的电压降(集电极-发射极)在此可以忽略。由此，例如可以接通或切断AFDD功能。

对能量供给的控制替换地也可以例如通过光电耦合器或者继电器来实现。

保护开关的电力供给或能量供给设计(空间、成本、效率)可以利用本发明或根据本发明的功率管理得到优化。根据电压激活保护开关的不同的功能、例如RCD/AFDD。

利用本发明使得能够实现满足相关标准的具有小的结构方式的保护开关。

虽然通过实施例进一步详细示出并描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，本领域技术人员可以从中得出其它变形，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于低压电路的保护开关，具有：

-防火开关功能，其能够确定低压电路中的故障电弧并且能够在超过故障电弧极限值时中断低压电路，

-故障电流保护开关功能，其能够确定低压电路中的故障电流并且能够在超过故障电流极限值时中断低压电路，

-用于防火开关功能和故障电流保护开关功能的电源，

其特征在于，

保护开关被构造为，确定低压电路中的电压，

在低于所述电压的第一极限值时，切断防火开关功能。

2.根据权利要求1所述的保护开关，

其特征在于，

在低于所述电压的第一或者第二极限值时，切断保护开关的第一外围装置。

3.根据权利要求1或2所述的保护开关，

其特征在于，

在低于所述电压的第三极限值时，切断保护开关的第二外围装置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的保护开关，

其特征在于，

保护开关具有导线保护功能，其能够确定低压电路中的电流，并且能够在超过电流极限值时中断低压电路。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的保护开关，

其特征在于，

设置控制装置(MCU)，其被构造为，其将所确定的电压与至少一个极限值进行比较，并且依据低于或者超过至少一个极限值切断或/和接入防火开关功能、第一或者第二外围装置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的保护开关，

其特征在于，

第一、第二或者第三极限值处于100伏至180伏的范围内，特别是处于110伏至170伏的范围内。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的保护开关，

其特征在于，

第一、第二或者第三极限值处于120伏至160伏的范围内，特别是具有120、130、140、150或者160伏的范围内的值。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的保护开关，

其特征在于，

外围装置是显示单元或/和通信单元。

9.一种用于针对低压电路的保护开关的方法，具有：

-防火开关功能，其确定低压电路中的故障电弧并且在超过故障电弧极限值时中断低压电路，

-故障电流保护开关功能，其确定低压电路中的故障电流并且在超过故障电流极限值时中断低压电路，

其特征在于，

确定低压电路中的电压，

在超过所述电压的第一极限值时，才接入防火开关功能。