CN111133649B - 保护开关和操作保护开关的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种操作保护开关(1)的方法，其中在检测出故障电流的情况下开始切断过程，其中在切断过程中通过切断单元(6)将中性线(3)与至少一个带电的导线(4)之间的在保护开关(1)的输出(5)上的电压值(2)从工作电压值(7)根据给定的切断曲线(8)减小至大体为零，其中根据切断曲线(8)从起始时间点(9)起减小电压值(2)，且电压值在给定的第一持续时间后才达到大体为零。
Description
技术领域
本发明涉及一种操作保护开关的方法。
背景技术
已知在检测出故障电流的情况下将电路切断的保护开关。造成这类故障电流的原因可能在于，电流的一部分因人员触碰电路而不流经中性线，而是经人员流向地面。在此已知的是，在故障电流的大小、故障电流的持续时间和相关人员发生心室纤颤的概率之间存在关联。因此，传统的保护开关是如此构建，使得在出现超出给定的限值的故障电流的情况下，保护开关在给定的持续时间内将电路切断。在此情形下，大体以跃变方式来切断电路，例如通过将开关触点打开来缩短人员承受故障电流的持续时间。
因此，已知的故障电流保护开关尽可能快地将电路切断，其中电路的断开或切断是以跃变方式进行。
缺点在于，即使是在电路切断的情况下，就处于给定的持续时间内的故障电流而言，仍然可能发生相关人员的心室纤颤。
US 2014/104734 A1、US 2015/002977 A1、DE 42 35 138 A1、US 8 817 427 B2和WO 2017/116296 A1均揭示过保护开关设备，其适于检测过电流或者短路。这些文献中的任何一个均不涉及针对接地故障电流或身体故障电流的保护。这些文献中的任何一个均未揭示所谓的故障电流保护开关。这些文献中的任何一个均未揭示用以替代跃变式切断过程的缓慢的切断。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种本文开篇所述类型的方法，借此避免上述缺点，并且借此减少相关人员发生心室纤颤的状况。
本发明用以达成上述目的的解决方案为提供一种操作保护开关(1)的方法，其中在检测出因接机壳故障或接地故障引起的故障电流的情况下开始切断过程，其中在切断过程中通过切断单元(6)将中性线(3)与至少一个带电的导线(4)之间的在保护开关(1)的输出(5)上的电压值(2)从工作电压值(7)根据给定的切断曲线(8)减小至大体为零，其中在切断过程中不跃变式切断电路，而是根据所述切断曲线(8)从起始时间点(9)起减小所述电压值(2)，且所述电压值在给定的第一持续时间后才达到大体为零。
这样便产生以下优点：能够在触电的情况下减少相关人员发生心室纤颤的状况，从而
显著提升电气设备的使用者的安全性。
试验表明，在采用传统的保护开关的情况下，当在心脏的易损期期间进行符合规定的跃变式切断过程时，可能发生心室纤颤。其中实践表明，通过尽可能快地切断故障电流并不一定能够挽救相关人员。在最不利的情形下，即在人员的心脏的易损期期间将(流经相关人员的)故障电流切断的情况下，对于这些人员而言，切断过程自身远比相关的故障电流危险。在最不利的情形下，传统的故障电流保护开关可能通过其符合标准的触发和切断造成心室纤颤，进而最终导致相关人员死亡。其中，本应(如名称已描述的那样)对人加以保护的保护开关自身成为实质上的危险。
通过使用给定的切断曲线来替代骤然切断，以及借助电压值在切断过程中的经给定的时间特性曲线，而不使用具有较大的电压降的跃变式切断过程，能够减小发生心室纤颤的概率，因为在心脏的易损期期间不发生大的电压降。借此仍然能够快速地切断电路，但其中即使是在心脏的易损期期间进行切断的情况下，也不对相关人员造成危险。
本发明还涉及一种保护开关。
故本发明的目的还在于提供一种本文开篇所述类型的保护开关，借此避免述及的缺点，并且借此减少相关人员发生心室纤颤的状况。
本发明用以达成上述目的的解决方案为提供一种保护开关(1)，包括中性线(3)、至少一个带电的导线(4)和切断单元(6)，其中所述切断单元(6)适于在通过故障电流检测器(11)检测出因接机壳故障或接地故障引起的故障电流的情况下实施切断过程，其特征在于，所述切断单元(6)适于在所述切断过程中将所述中性线(3)与所述至少一个带电的导线(4)之间的在保护开关(1)的输出(5)上的电压值(2)根据给定的切断曲线(8)从工作电压值(7)减小至大体为零，其中在切断过程中不跃变式切断电路，而是根据所述切断曲线(8)从起始时间点(9)起减小所述电压值(2)，且所述电压值在给定的第一持续时间后才达到大体为零。
所述保护开关的优点对应前文就所述方法述及的优点。
优选地，所述切断曲线(8)至少局部是持续的。
优选地，所述切断曲线(8)整体上是持续的。
优选地，所述切断曲线(8)具有至少一个跃变点(14)，以及，所有跃变点(14)均具有电压值(2)的程度为工作电压值(7)的最大50％、特别是最大40％、特别优选最大30％的下降。
优选地，所述切断曲线(8)大体呈凸面状。
优选地，为所述切断曲线(8)叠加高频信号(15)。
优选地，所述可给定的第一持续时间为至少10ms、特别是至少20ms、特别优选至少50ms。
优选地，所述切断单元(6)具有至少一个半导体开关(12)和与所述至少一个半导体开关(12)作用性连接的控制单元(13)，所述切断曲线(8)存储在所述控制单元(13)中，以及，控制单元(13)适于根据切断曲线(8)控制所述至少一个半导体开关(12)的电阻。
附图说明
下面结合附图对本发明进行详细说明，附图中仅示例性呈现优选实施方式。其中：
图1为在传统的保护开关的切断过程中的电压特性曲线；
图2为左心室在试验中的压力特性曲线；
图3为切断曲线的第一优选实施方式的图表；
图4为切断曲线的第二优选实施方式的图表；
图5为切断曲线的第三优选实施方式的图表；
图6为切断曲线的第四优选实施方式的图表；
图7为切断曲线的第五优选实施方式的图表；
图8为保护开关的一个优选实施方式的示意图。
具体实施方式
图8示出保护开关1的一个优选实施方式，包括中性线3、至少一个带电的导线4和切断单元6，其中切断单元6适于在通过故障电流检测器11检测出故障电流的情况下实施切断过程。
保护开关1是用于接触电压保护的开关装置，一旦检测出因接机壳故障
或者其他接地引起的达到给定大小的故障电流，该开关装置便立即将电路切断。
为了切断电路，保护开关1具有切断单元6，其在检测出具有给定大小的故障电流的情况下，将由中性线3与所述至少一个带电的导线4、特别是所有带电的导线4构成的电路切断。
保护开关1将电路切断的过程称作切断过程，但也可以称作保护开关1的触发。特别优选地，切断单元6可以具有故障电流检测器11，以便检测故障电流。在此情形下，保护开关1构建为故障电流保护开关。其中，故障电流检测器11对中性线3和所述至少一个带电的导线4、特别是所有带电的导线4进行监控，所述导线将下游的子网络与上游的供电网络连接。故障电流检测器11特别是可以构建为总和电流互感器，例如针对交流电。作为替代方案，故障电流检测器11可以构建为福斯特探测器
或者分流电阻器，例如针对直流电。
作为替代方案，切断单元6可具有针对故障电流信号的输入。在此情形下，故障电流检测器11可以远离保护开关1布置，并且在检测出故障电流的情况下输出故障电流信号。以有线的方式或者通过无线电将所述故障电流信号传输至保护开关1的切断单元6，从而能够在检测出故障电流的情况下以远程控制的方式将保护开关1关断。
根据现有技术，在切断过程中跃变式地将电路断开，这通过将开关触点打开，或者立即将半导体开关12切换至阻挡电阻来实现。在图1中例示性地示出：就中性线3与至少一个带电的导线4之间的在保护开关1的输出5上的电压值2而言，根据现有技术的切断过程有何特性。通过将开关触点打开，或者立即将半导体开关12切换至阻挡电阻，电压值2在时间特性曲线中的唯一一个跃变点14处从工作电压值7跃变式降低至大体为零。在时间分辨率足够高的情况下，从物理角度看来，即便开关触点的打开或者半导体开关12的立即切换也不是瞬时进行的，故下文将持续时间小于1ms的过程视作跃变式。
图2为在离体的兔子心脏上实施的试验的图表，其中在该图表中示出左心室的压力随时间变化的特性曲线。直至位置A为止，心律是正常的。在位置A处将一个外部直流电压施加至心脏。可以看出伴随升高的心率的心动过速，但心脏仍然具备泵血能力。在位置B中，如图1所示那样将所述直流电压切断，其中在心脏的易损期内进行切断过程。心脏的易损期是心脏循环中的一个短暂的时间段，在此期间，心脏的细胞处于不确定的电气状态下。在心脏的易损期内进行的切断过程，以及与此关联的急剧的电压降会引发心脏的心室纤颤。在位置C中，通过电除颤脉冲重新恢复正常的心律。
因此，切断单元6适于在切断过程中根据给定的切换曲线8将中性线3与至少一个带电的导线4之间的在保护开关1的输出5上的电压值2从工作电压值7减小至大体为零，其中根据切断曲线8从起始时间点9起减小电压值2，且该电压值在给定的第一持续时间后才达到大体为零。电压值2对应有效电压，故就交流电而言并不一定对应时变电压。在此情形下，保护开关1的输出5是保护开关1的面向下游的子网络的电触点。工作电压值7是在保护开关1的接通状态下，在中性线3与所述至少一个带电的导线4之间存在于保护开关的输出5上的电压值2。切断过程对应保护开关1的切断，其中将电压值2减小至大体为零，用以将所述子网络从供电网络断开。在此，大体为零是与子网络无关的电压值2，在通过具有非常高、但并非无限大的阻挡电阻的半导体开关12来进行断开的情况下，可能出现此电压值。
切断单元6是如此构建，使得在切断过程中并非跃变式切断电路，而是在切断过程中在第一持续时间内并且根据给定的切断曲线8将电压值2减小至大体为零。因此，根据切断曲线8从起始时间点9起减小电压值2，其中电压值2在与起始时间点9间隔所述给定的第一持续时间的末尾时间点10上达到大体为零。因此，不仅通过尽可能快速地切断，也通过在切断过程中将电压值2导引至大体为零时所采用的受控的形式，减小心室纤颤的危险。大体为零的电压值2在此对应保护开关1的断开状态。切断曲线8在此是如此设计，使得从起始时间点9起减小电压值2，但又使得电压值2在可给定的第一持续时间后才达到大体为零。故并非跃变式地，而是在给定的第一持续时间内使得电压值2从工作电压7下降至大体为零。
这样便产生以下优点：能够在触电的情况下减少相关人员发生心室纤颤的状况，从而显著提升电气设备的使用者的安全性。在此，试验表明，在采用传统的保护开关1的情况下，当在心脏的易损期期间进行符合规定的跃变式切断过程时，可能发生心室纤颤。通过在切断过程中使用给定的切断曲线，以及电压值2的给定的时间特性曲线，而不使用具有较大的电压降的跃变式切断过程，能够减小发生心室纤颤的概率，因为在心脏的易损期期间不发生大的电压降。
此外，提出一种操作保护开关1的方法，其中在检测出故障电流的情况下开始切断过程，其中在切断过程中通过切断单元6将中性线3与至少一个带电的导线4之间的在保护开关1的输出5上的电压值2从工作电压值7根据给定的切断曲线8减小至大体为零，其中根据切断曲线8从起始时间点9起减小电压值2，且所述电压值在给定的第一持续时间后才达到大体为零。
特别优选地，在中性线3与所述至少一个带电的导线4之间可以存在直流电。故特别优选地，保护开关1可以是为直流电而设计。就直流电而言，电压值2特别是可以对应实际存在的电压。所述方法或所述保护开关1对于直流电而言特别有利，因为在电流在相关人员体内流过期间不发生心室纤颤的前提下，与交流电相比，直流电可以具有更高的故障电流强度。为此，保护开关1的切断过程中的实际电压降通常大于交流电。故就直流电而言，在采用传统的保护开关1的情况下，在切断过程中才造成心室纤颤的频率要高得多，故所述方法或所述保护开关1能够显著减小采用直流电时的心室纤颤危险。
此外，直流电网的比例因电力交通的加速普及而增大。故特别优选地，可以将所述方法或保护开关1应用在电动车辆的充电过程中或工作中。这样便能在电动车辆的充电过程或者工作中减小例如因触碰受损车辆的框架而引起的致死电击的危险。
作为替代方案，在中性线3与所述至少一个带电的导线4之间可以存在交流电。在此情形下，保护开关1可以是为交流电而设计。就交流电而言，电压值2对应有效电压，而非时变电压。
特别优选地，切断单元6可以具有至少一个半导体开关12和与所述至少一个半导体开关12作用性连接的控制单元13，切断曲线8存储在控制单元13中，以及，控制单元13适于根据切断曲线8控制所述至少一个半导体开关12的电阻。半导体开关12是一个电子构件，其能够基于可能的高阻挡电阻而发挥机械开关的作用。通过控制单元13的施加至半导体开关12的控制电压的大小，通常能够在导通电阻与阻挡电阻之间对半导体开关12的电阻进行无级调节。阻挡电阻通常非常高，特别是大于1MΩ，但并非无限大，故无法将电压值2减小至精确的零值，而是减小至一个可忽略的值，其被视作大体为零。故可将切断曲线8作为具有给定的时间特性曲线的可调阅的电压信号简单地存储在控制单元13中，在切断过程中将该电压信号施加在半导体开关12上。这样便能以定义的且可良好设定的切断曲线8来实施切断过程。
半导体开关12特别是可为半导体断路器。
半导体开关12特别是可以具有场效应晶体管。
此外可以采用以下方案：除半导体开关12以外，切断单元6还具有机械开关触点。在此情形下，根据切断曲线8通过半导体开关12进行切断过程，其中所述机械开关触点在切断过程完成后额外地确保电路的电隔离。
特别是可以为中性线3以及为各带电的导线4设置各一半导体开关12。在图8中仅以方块示出不同的半导体开关12。
作为替代方案，切断单元6可以通过机械开关与附加的电气构件、特别是电容器的组合实现电压值2的根据切断曲线8的特性曲线。在此情形下，可以在保护开关1的接通状态下对电容器进行充电，在机械开关断开时在切断过程期间对该电容器进行放电，进而引起电压值2在第一持续时间内的下降。
切断曲线8，即电压值2在切断过程中的经给定的时间特性曲线可以具有不同的给定的形式，其适于减少发生心室纤颤的状况。
起始时间点9特别是可以设置在切断过程的开端处。
此外可以采用以下方案：在检测出故障电流的情况下，无延迟地开始切断过程。
根据切断曲线8的一个未示出的实施方式，切断曲线8仅具有电压值2的至少两个跃变点14，其中电压值2的一个跃变点14在开始时间点9处，且电压值2的另一跃变点14在末尾时间点10处。电压值2的跃变点14是电压值2的跃变式下降。作为从工作电压7至大体为零的唯一一个跃变式电压降的替代方案，将所述电压降划分成数个更小的并且在时间上相互隔开的跃变式电压降。这样就已经能够减小发生心室纤颤的概率。
此外可以采用以下方案：切断曲线8单调下降，特别是严格地单调下降。单调下降是指，根据切断曲线8的电压值2仅下降或者保持恒定。严格地单调下降是指，根据切断曲线8的电压值2仅下降。
特别优选地，切断曲线8至少局部是持续的。因此，切断曲线8特别是可以具有无跃变点14的时域。在切断曲线8的这些持续的区域内，电压值2连续地并且非跃变式地减小，借此能够大幅减小发生心室纤颤的危险。
特别优选地，切断曲线8至少局部、尤其整体上是持续的。在切断曲线8整体上持续的情况下，切断曲线8完全无电压值2的跃变点14。
切断曲线8特别是可以至少局部大体呈线性。
在图3中例示性示出切断曲线8，其整体上持续并且大体呈线性。
此外可以采用以下方案：切断曲线8具有至少一个持续的时域和至少一个跃变点14。
此外可以采用以下方案：切断曲线8从起始时间点9起至末尾时间点10为止持续地下降至第一电压值2，并且在末尾时间点10处具有从第一电压值2减小至大体为零的跃变点14。借助位于末尾时间点10处的跃变点14，电压值2在跃变点14前便已下降至低值。借此能够缩短所述第一持续时间，其中仍然能够将发生心室纤颤的概率保持在低水平。在图4中例示性示出这种切断曲线8。
特别优选地，所述切断曲线8可以具有至少一个跃变点14，以及，所有跃变点14均具有电压值2的程度为工作电压值7的最大50％、特别是最大40％、特别优选最大30％的下降。因此，切断曲线8包含一或数个跃变点14，其中所有跃变点均小于工作电压值7，并且均不超出程度为工作电压值7的最大50％、特别是最大40％、特别优选最大30％的电压降。这样便能避免电压值2的较大的跃变式下降。
此外可以采用以下方案：切断曲线8大体呈凸面状。就切断曲线8的凸面状形状而言，电压降随时间增大。因此，当电压值2接近工作电压值7时，电压降尚且较小，而电压值2的依据时间的变化则随电压值2的进一步下降而增大。这样便能将心室纤颤的概率保持在低水平，因为在电压值2较高的情况下，电压值2的依据时间的变化保持在低水平。在图5至图7中例示性示出这类切断曲线8。
此外可采用以下方案：为切断曲线8叠加高频信号15。特别是可以将具有介于2kHz与100kHz之间的频率的信号视作高频信号15。在此情形下，特别是通过控制单元13的信号对半导体开关12进行控制，所述信号为切断曲线8与高频信号15的叠加。高频信号15的优点在于，其对于心脏细胞的极性反转而言过快，故具有足够高的频率的信号不会引发心室纤颤。通过高频信号15能够减小心脏对切断过程的敏感度，从而减小心室纤颤的概率。
高频信号15特别是可以具有大体不变的幅值。在图6中例示性示出这种切断曲线8。
此外可以采用以下方案：高频信号15构建为电压值2的高频周期性间断。在图7中例示性示出这种切断曲线8。
需要注意的是，在图6和图7中以局部严重失真的方式示出切断曲线8的时间特性曲线、高频信号15的时间特性曲线以及高频信号15的幅值，因为否则将无法展示高频信号15的特性曲线。
此外优选地，可给定的第一持续时间为至少10ms，特别是至少20ms，特别优选为至少50ms。通过所述第一持续时间的这些值能够减小在易损期内发生切断曲线8的整个电压降的概率。
此外可采用以下方案：可给定的第一持续时间为最大100ms，特别是最大75ms，特别优选为最大50ms。
Claims (11)
1.一种操作保护开关(1)的方法，其中在检测出因接机壳故障或接地故障引起的故障电流的情况下开始切断过程，其中在切断过程中通过切断单元(6)将中性线(3)与至少一个带电的导线(4)之间的在保护开关(1)的输出(5)上的电压值(2)从工作电压值(7)根据给定的切断曲线(8)减小至零，其中在切断过程中不跃变式切断电路，而是根据所述切断曲线(8)从起始时间点(9)起减小所述电压值(2)，且所述电压值在给定的第一持续时间后才达到零，所述切断曲线(8)具有至少一个跃变点(14)，以及，所有跃变点(14)均具有电压值(2)的程度为工作电压值(7)的最大50％的下降，以及所述给定的第一持续时间为至少10ms。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切断曲线(8)至少局部是持续的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述切断曲线(8)整体上是持续的。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所有跃变点(14)均具有电压值(2)的程度为工作电压值(7)的最大40％的下降。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切断曲线(8)呈凸面状。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，为所述切断曲线(8)叠加高频信号(15)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述给定的第一持续时间为至少20ms。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所有跃变点(14)均具有电压值(2)的程度为工作电压值(7)的最大30％的下降。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述给定的第一持续时间为至少50ms。
10.一种保护开关(1)，包括中性线(3)、至少一个带电的导线(4)和切断单元(6)，其中所述切断单元(6)适于在通过故障电流检测器(11)检测出因接机壳故障或接地故障引起的故障电流的情况下实施切断过程，其特征在于，所述切断单元(6)适于在所述切断过程中将所述中性线(3)与所述至少一个带电的导线(4)之间的在保护开关(1)的输出(5)上的电压值(2)根据给定的切断曲线(8)从工作电压值(7)减小至零，其中在切断过程中不跃变式切断电路，而是根据所述切断曲线(8)从起始时间点(9)起减小所述电压值(2)，且所述电压值在给定的第一持续时间后才达到零，所述切断曲线(8)具有至少一个跃变点(14)，以及，所有跃变点(14)均具有电压值(2)的程度为工作电压值(7)的最大50％的下降，以及所述给定的第一持续时间为至少10ms。
11.根据权利要求10所述的保护开关(1)，其特征在于，所述切断单元(6)具有至少一个半导体开关(12)和与所述至少一个半导体开关(12)作用性连接的控制单元(13)，所述切断曲线(8)存储在所述控制单元(13)中，以及，控制单元(13)适于根据切断曲线(8)控制所述至少一个半导体开关(12)的电阻。
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