CN110612649B - 用于识别pen导体上的电压的di断路器装置和操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供了DI断路器装置，具有检测相位导体和中性导体中的故障电流的求和电流转换器及识别保护接地导体的故障状态的识别器件。识别器件在输入侧上连接到上述导体，且在输出侧上连接到用于控制DI断路器的开关级。DI断路器适用于切换上述导体中的开关触头。识别器件将保护接地导体上的相位电压的存在检测为故障状态；并具有电容传感器，当用户触摸时，电容传感器形成具有相对于地电势的阻抗的电容器；还具有评估电子器件，适用于通过将传感器连接到相位导体且与其分开地连接到中性导体来确定相位位置。当评估电子器件确定在相位导体处存在相位的情况下在中性导体与保护接地导体之间不存在电压时，其得出关于保护接地导体上不存在相位电压的结论。

Description

用于识别PEN导体上的电压的DI断路器装置和操作方法
技术领域
本发明大体涉及DI断路器装置。这种断路器装置从EP 0 806 825 B1中已知。
背景技术
在从现有技术中已知的DI断路器装置中，识别器件具有传感器，所述传感器可以被用户触摸，且具有包括导电材料的传感器表面，当被用户触摸时，所述传感器表面被拉到地电势，前提是通过触摸在用户的手与传感器表面之间产生必要的电接触。识别器件电连接到保护接地导体，使得当被触摸时，可以通过检测导电传感器表面与保护接地导体之间的电压降得出关于保护接地导体是否无电压的结论。
然而，已知的DI断路器装置具有以下缺点：它们还能够实现电绝缘接通，例如，由于用户佩戴不导电或导电性差的手套，使得上述安全功能失效。另外，也可以以这种方式将具有不够低的阻抗的保护接地导体检测为“良好”。因此，现有传感器不足以实现保护接地导体状态的可靠识别，具体地不足以保证其中不存在电压，特别是在使用防护服(手套、鞋等)时。
因此，本发明的目的是进一步改进上述DI断路器装置，其方式为:当DI断路器装置以电隔离的方式致动时，其还允许可靠检查地保护接地导体。
发明内容
此目的通过DI断路器装置来实现，其具有用于检测相位导体和中性导体中的故障电流的求和电流转换器且具有用于识别保护接地导体的故障状态的识别器件，其中，所述识别器件在输入侧上连接到所述相位导体、所述中性导体和所述保护接地导体，且在输出侧上连接到用于控制DI断路器的开关级，其中所述DI断路器适用于开关所述相位导体、所述中性导体和所述保护接地导体中的开关触头，其中所述识别器件将所述保护接地导体上的相位电压的存在识别为故障状态。
因此，提供识别器件具有电容传感器，当用户触摸时，所述电容传感器形成具有相对于地电势的电容性电抗的电容器，所述识别器件还具有评估电子器件，例如微控制器，所述评估电子器件适用于通过将传感器连接到相位导体且与其分开地连接到中性导体来确定相位导体的位置，且当评估电子器件确定在相位导体处存在相位的情况下在中性导体与保护接地导体之间不存在电压时，评估电子器件得出关于保护接地导体上不存在相位电压的结论。
因此，利用电容传感器表面来代替在现有技术断路器装置中使用的导电传感器表面，使得不需要产生与传感器表面的直接导电连接。为了产生可评估的信号，传感器应有利地配置成使得即使在厚防护服的情况下也提供足够大的传感器信号。传感器原理的出发点是平板电容，所述平板电容可以按如下方式计算：
Figure GDA0003633988260000021
期望获得高传感器电容，使得经由得到的电容性电抗来调节尽可能高的电流：
Figure GDA0003633988260000022
然而，此传感器电流可能并非可以伤害用户的数量级。具体地，目标应为几微安的电流强度。
因此，可以提供DI断路器装置的介电壳体的外侧在被用户触摸时形成具有电导体的电容器。例如，电导体可以容纳在壳体间隙中，附接到壳体的外侧或者可以是壳体的内侧上的涂层或可以在内侧上具有涂层。
为了在用户的手和壳体之间实现尽可能大的接触表面，并由此实现最大的有效电容器表面A，可以使得壳体的外侧以符合人体工程学的方式成形，以便当用户用手或手套抓握壳体时在用户的手或包围手的手套之间产生大面积接触。可以经由电导体向电容器供应电压。具体地，为此目的，电导体可以电连接到识别器件。
当根据等式1确定电容器的电容时，ε可以是介电质的介电系数，且d是介电质的厚度，所述厚度可以是壳体厚度、人体皮肤厚度、可能滞留的空气以及任选的手套材料厚度的总和，其中A可以是在被用户触摸覆盖的内侧处的电导体的表面面积。
有利的是，将DI断路器装置的壳体或至少壳体内侧处的电导体的大小增大到至少3×10-3m2，这大致对应于两只手的表面面积。另外，壳体表面应尽可能平坦地接触用户的手，使得壳体至少在用户接触的外侧处具有符合人体工程学的几何形状。
评估电子器件具体地可以适用于确定相位导体和中性导体上的相位位置，因为所述评估电子器件将相位导体和中性导体依次连接到传感器且在每种情况中测试电压降的存在。因此，不同于如由已知的现有技术装置所提供的那样直接测试保护接地导体，可以使得将导体L(N)和N(L)初始地依次连接到电容传感器。根据所获得的信号，根据定性检测到的电压降(是/否)，评定是否可以引入测试阶段。在评估所获得的信号之后，相位可以与N导体或L导体上的位置相关联。因此，评估电子器件可以适用于经由相位导体和中性导体处的定性检测到的电压降根据对应真值表来确定相位位置：
Figure GDA0003633988260000031
接下来，可以针对保护接地导体测试相位导体和中性导体。这样的话，尤其可以观察到中性导体与保护接地导体之间的电势差是否低于触摸电压的允许值，例如低于50V。
因此，评估电子器件还可以适用于在了解所述相位位置的情况下针对保护接地导体测试相位导体以及针对保护接地导体测试中性导体以获得电压降，且评估电子器件得出以下结论：仅在存在与对应于相对相位导体所确定相位位置的电压降且不存在对应于相对中性导体所确定相位位置的电压或电压降低于触摸电压时，保护接地导体才正常工作。
评估电子器件可以适用于通过针对保护接地导体测试相位导体以及针对保护接地导体测试中性导体以获得对应于以下真值表的电压降来确定保护接地导体的状态：
Figure GDA0003633988260000041
如果对中性导体与保护接地导体之间的电势差的测试示出所述电势差低于允许的触摸电压，那么随后可以由评估电子器件执行对保护接地导体质量的测试，具体地对保护接地导体的低阻抗的测试。
如果也通过了此质量测试，那么可以从识别器件向用于控制DI开关的开关级发送使能信号，并因此可以接通DI断路器装置的输出。
根据另一方面，本发明涉及一种用于操作上述类型的DI断路器装置的方法，所述方法具有以下步骤：
-用手触摸DI断路器装置的传感器，所述手任选地包围在手套中，电容器形成有相对于地电势的电容性电抗；
-相位导体和中性导体依次连接到传感器，并由此确定相位；
-在得知相位位置的情况下，针对保护接地导体测试相位导体以及针对保护接地导体测试中性导体来获得电压降；
-仅当测试示出保护接地导体存在/具有低阻抗且/或无电压时，才闭合相位导体、中性导体和保护接地导体的开关触头。
上述方法还可以包括：抓握DI断路器装置的壳体，使得在用户的手或手套与壳体的外侧之间产生最大可能的接触面积。为了促进此操作，可以提供以符合人体工程学的方式形成壳体的外侧。
附图说明
将参考附图来描述本发明的另外细节。附图示出：
图1是实施例形式的示意图，其示出用于根据本发明的DI断路器装置的电容传感器的结构；以及
图2是根据本发明的实施例形式的DI断路器装置的方框接线图。
具体实施方式
图1示意性地示出用于根据实施例形式的本发明DI断路器装置的电容传感器17的结构。因此，传感器17基本上由DI断路器装置的壳体29形成。壳体29在其内侧31处具有电导体30。电导体30可以是例如壳体29的内侧31的金属涂层。根据本发明，电导体30可以连接到识别器件14的评估电子器件14a，以便出于确定相位位置的目的而连接到相位导体或中性导体(见图2)。壳体29具有表面28，所述表面可以被用户的手包围。所述表面构成由导体31形成的电容器的第一电极。厚度为d的壳体材料形成电容器的电介质并具有介电系数ε。介电系数描述了壳体材料的介电导率。
壳体29的内侧31处的电导体30的表面面积是最大可用传感器表面。实际实现的电容表面面积A通过被用户的手包围的壳体表面28与传感器表面A的重叠精确地限定。因此，壳体29的厚度d精确地形成电容器板之间的距离。可以基于上述平板电容器的等式(等式1)根据上述值来计算有效电容以及传感器电容。这可以大致如下所述执行。
在以下示例中，以简化的方式确定传感器表面与手之间的传感器电容。所指示的表面面积对应于传感器17的有效电容表面。介电系数ε作为参数而被忽略，以便聚焦于传感器几何形状。假设最上层皮肤的介电系数与手套的介电系数相同，则：
·
Figure GDA0003633988260000051
·最上层皮层的厚度d1＝30·10-6m；
·手套的厚度d2＝7·10-3m；
·壳体厚度约为1mm；
·拇指的表面A1大致对应于
(20·10-3m)·(20·10-3m)＝400·10-6m2；
·手的表面A2大致对应于
(150·10-3m)·(100·10-3m)＝15·10-3m2。
在等式1中插入值d1和A1得出以下情况：传感器上的无手套的拇指。
Figure GDA0003633988260000061
用d2代替d1得出以下情况：传感器上的有手套的拇指。
Figure GDA0003633988260000062
假设皮肤电容C1和手套电容C2的串联连接得出以下总电容：
Figure GDA0003633988260000063
计算等式3中无手套的结果与等式5中有手套的结果的比得出以下值：
Figure GDA0003633988260000064
由于电容C与电抗XC间接成比例，因此较低的传感器电容导致较低的传感器电流(基于欧姆定律)。因此，较高的电容导致较高的传感器电流。使用A2和d2执行相同的电容计算(等式5到等式6)得出以下新比率的结果：
Figure GDA0003633988260000065
因此，在传感器表面保持不变的情况下，当使用手套时，传感器信号差234.33倍(独立于材料常量)。如果传感器表面增大到手表面的大小，那么与具有对应小传感器表面的本领域已知的拇指传感器相比，在有手套的情况下信号仅差7.22倍。因此，手套可以由传感器表面部分地补偿。为了得到完全补偿，在此情况下，表面面积必须增加到93.33×10- 3m2。然而，此参数受到用户手的表面面积大小的限制，因为仅将手表面和传感器表面的重叠视为有效表面面积。
因此，将有效传感器表面增大到两只手的大小例如增加到30x10-3m2是有利的。此外，壳体表面28应以尽可能平坦的方式接触用户的手，使得壳体表面28的人体工程学设计是优选的。
图2示出根据本发明的DI断路器装置的优选实施例形式的方框接线图。在此情况下，L相位导体1经由线路4连接到保护阻抗5，并且中性导体2经由线路6连接到保护阻抗7。保护阻抗5、7通过导线8、9连接到输出侧的节点10。节点10经由线路11连接到另一个保护阻抗12，此另一个保护阻抗在输出侧上经由线路13连接到用于检测保护接地导体的状态的器件14。保护阻抗5、7和12用于限制电流。器件14还经由线路15连接到保护接地导体3，且经由线路16连接到传感器17。根据本发明，传感器17是电容传感器，例如参考图1所描述的传感器。
器件14的输出经由导线18连接到开关级19，所述开关级19经由线路20切换DI接地故障断路器21。DI接地故障断路器21连接到求和电流转换器22，所述求和电流转换器22的初级绕组由相位导体1和中性导体2形成。求和电流转换器22还具有次级绕组，所述次级绕组经由线路23、24将感应电压传导到包含在DI开关21中的评估电子器件。DI开关21机械连接到开关触头25、26、27，所述开关触头连接到线路1、2、3中。
根据相位导体的位置，存在从线路4经由保护阻抗5和线路8或经由线路6、保护阻抗7和线路9到节点10以及从节点10经由线路11、保护阻抗12、导体13、识别器件14和线路15到保护接地导体3的电流流动。通常，即当相位导体1、中性导体2和保护接地导体3正确连接时，此电流经由线路15通过器件14流到保护接地导体3。
然而，如果不存在此电流，例如因为保护接地导体未连接或中断，那么器件14会检测到此故障状态，因为无任何电流流过导体15到达保护接地导体3，并且经由隔离的开关级19而切换DI断路器21，所述DI断路器21断开开关触头25、26、27并相应地中断导体1、2、3。
除此之外，器件14被配置为检测保护接地导体3的外部电压或线路电压的存在。在被用户触摸时形成具有相对于接地的电容性电抗的电容器的电容传感器17用于此目的。识别器件14具有评估电子器件14a，所述评估电子器件14a适用于通过将传感器17连接到相位导体1以及将传感器17与相位导体1分开地连接到中性导体2来确定相位导体的位置。因此，代替直接测试现有技术装置中提供的保护接地导体，首先将中性导体和保护接地导体依次连接到传感器，以便将相位与L导体或N导体上的位置相关联。根据获得的信号，评定是否可以开始下一个测试阶段：
Figure GDA0003633988260000071
Figure GDA0003633988260000081
在确定相位位置之后，针对保护接地导体测试相位导体和中性导体。在信号评估之后，可以评定中性导体和保护接地导体之间是否存在电势差，且如果存在，那么评定此电势差是否低于触摸电压。例如，如果电势差小于50V，那么可以假设触摸电压是可忽略的。可以对应于以下真值表来执行用于评定中性导体与PE之间的电势差的信号评估：
Figure GDA0003633988260000082
随后可以例如通过确定保护接地导体的电阻来执行对保护接地导体质量的测试。
在前面的说明书、附图以及权利要求中公开的本发明的特征对于单独地和以任何组合方式实现本发明可以具有重要性。

Claims (12)

1.一种DI断路器装置，其具有用于检测相位导体(1)和中性导体(2)中的故障电流的求和电流转换器(22)且具有用于识别保护接地导体(3)的故障状态的识别器件(14)，
其中，所述识别器件(14)在输入侧上连接到所述相位导体(1)、所述中性导体(2)和所述保护接地导体(3)，且在输出侧上连接到用于控制DI断路器(21)的开关级(19)，其中所述DI断路器(21)适用于开关所述相位导体(1)、所述中性导体(2)和所述保护接地导体(3)中的开关触头(25、26、27)，其中所述识别器件(14)将所述保护接地导体(3)上的相位电压的存在识别为故障状态，
其中，
所述识别器件(14)具有电容传感器(17)，当用户触摸时，所述电容传感器(17)形成具有相对于地电势的电容性电抗的电容器，其中所述识别器件(14)还具有评估电子器件(14a)，所述评估电子器件(14a)适用于通过将所述传感器(17)连接到所述相位导体(1)且与其分开地连接到所述中性导体(2)来确定相位位置，其中当所述评估电子器件(14a)确定在所述中性导体(2)与所述保护接地导体(3)之间不存在电压时，所述评估电子器件(14a)得出关于所述保护接地导体(3)上不存在相位电压的结论，
其中，所述DI断路器装置的介电壳体(29)的外侧(28)在被用户触摸时与所述壳体的电导体(30)形成所述电容器，
其中，所述电容器的电容根据C＝εA/d(等式1)而确定，
其中ε是介电质的介电系数，其是壳体厚度、人体皮肤厚度、可能滞留的空气以及任选的手套材料厚度的总和，且A是在由所述用户触摸覆盖的所述介电壳体(29)的内侧(31)处的所述电导体(30)的表面面积。
2.根据权利要求1所述的DI断路器装置，其中，
所述电导体(30)容纳在介电壳体间隙中、附接到所述介电壳体的所述外侧(28)或者是所述介电壳体(29)的所述内侧(31)上的涂层或在所述内侧上具有涂层。
3.根据权利要求1或2所述的DI断路器装置，其中，
所述介电壳体(29)的所述外侧(28)以符合人体工程学的方式成形，以便当用户用手或手套抓握所述介电壳体(29)时在所述用户的手或包围手的手套之间产生大面积接触。
4.根据权利要求1所述的DI断路器装置，其中，
所述电容器经由所述电导体(30)而被供应电压。
5.根据权利要求1所述的DI断路器装置，其中，
所述评估电子器件(14a)适用于通过将所述相位导体(1)和所述中性导体(2)彼此分开地连接到所述传感器(17)且在每种情况中测试电压降的存在来确定所述相位导体(1)和所述中性导体(2)上的相位位置。
6.根据权利要求5所述的DI断路器装置，其中，
所述评估电子器件(14a)适用于经由在所述相位导体(1)和所述中性导体(2)处对应于以下真值表定性检测到的电压降来确定所述相位位置：
Figure FDA0003633988250000021
7.根据权利要求1所述的DI断路器装置，其中，
微控制器还适用于在了解所述相位位置的情况下针对所述保护接地导体(3)测试所述相位导体(1)以及针对所述保护接地导体(3)测试所述中性导体(2)以获得电压降，其中，仅在存在对应于相对所述相位导体(1)所确定的相位位置的电压降且不存在对应于相对所述中性导体(2)所确定的相位位置的电压或电压降低于触摸电压时，所述评估电子器件(14a)才得出所述保护接地导体(3)正常工作的结论。
8.根据权利要求1所述的DI断路器装置，其中，
微控制器还适用于在了解所述相位位置的情况下针对所述保护接地导体(3)测试所述相位导体(1)以及针对所述保护接地导体(3)测试所述中性导体(2)以获得电压降，其中，仅在存在对应于相对所述相位导体(1)所确定的相位位置的电压降且不存在对应于相对所述中性导体(2)所确定的相位位置的电压或电压降低于50V电压时，所述评估电子器件(14a)才得出所述保护接地导体(3)正常工作的结论。
9.根据权利要求7所述的DI断路器装置，其中，
所述评估电子器件(14a)适用于通过针对所述保护接地导体(3)测试所述相位导体(1)以及针对所述保护接地导体(3)测试所述中性导体(2)以获得对应于以下真值表的电压降来确定所述保护接地导体(3)的状态：
Figure FDA0003633988250000031
10.根据权利要求8所述的DI断路器装置，其中，
所述评估电子器件(14a)适用于通过针对所述保护接地导体(3)测试所述相位导体(1)以及针对所述保护接地导体(3)测试所述中性导体(2)以获得对应于以下真值表的电压降来确定所述保护接地导体(3)的状态：
Figure FDA0003633988250000041
11.一种用于操作根据前述权利要求中任一项所述的DI断路器装置的方法，所述方法包括以下步骤：
-用手触摸所述DI断路器装置的所述传感器(17)，所述手任选地包围在手套中，其中电容器形成有相对于地电势的电容性电抗；
-将所述相位导体(1)和所述中性导体(2)彼此分开地连接到所述传感器(17)并由此确定相位位置；
-在得知所述相位位置的情况下，针对所述保护接地导体(3)测试所述相位导体(1)以及针对所述保护接地导体(3)测试所述中性导体(2)来获得电压降；
-仅当所述测试示出所述保护接地导体存在/具有低阻抗且/或无电压时，才闭合所述相位导体(1)、中性导体(2)和保护接地导体(3)的开关触头。
12.根据权利要求11所述的方法，其中
所述方法还包括：抓握所述DI断路器装置的壳体(29)，使得在用户的手或手套与所述壳体(29)的外侧(28)之间产生最大可能的接触面积。
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