CN115128516A - 用于检测熔断器故障的方法和设备 - Google Patents

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CN115128516A CN202210303795.8A CN202210303795A CN115128516A CN 115128516 A CN115128516 A CN 115128516A CN 202210303795 A CN202210303795 A CN 202210303795A CN 115128516 A CN115128516 A CN 115128516A
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约兰·马塞
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Abstract

本发明提供了一种用于检测熔断器故障的方法和设备。针对用于检测保护性熔断器(5)的故障的方法，所述保护性熔断器(5)用于保护相关联的负载(7)免受过电流和/或过载，所述方法包括以下步骤：借助于电流传感器元件(2)测量(SA)通过所述保护性熔断器(5)流到所述负载(7)的电流I，根据所测量的电流I确定(SB)在所述保护性熔断器(5)中产生的热能，以及如果所确定的热能超过预定阈值并且如果由所述电流传感器元件(2)测量的电流I已经停止流过所述保护性熔断器(5)，则自动检测(SC)所述保护性熔断器(5)的故障。

Description

用于检测熔断器故障的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于检测能够保护相关联的负载免受过电流和/或过载的保护性熔断器的故障的方法和设备。
背景技术
熔断器广泛用作过具有断开可熔零件的电路的过电流保护装置，所述可熔零件由于流过熔断器的过电流的经过而被加热和切断。在配电系统中可以使用不同的熔断器。存在各种各样的不同种类的电熔断器。
过电流包括大于负载被额定设为在特定状况下承载的电流的任何电流。除非及时移除，否则即使低过电流也可能使配电系统的系统部件过热，这进而可能损坏系统的绝缘体、导体和其他设备。这种过电流甚至可以熔化导体并蒸发所提供的绝缘。非常高的电流可以产生磁力，并且甚至可以弯曲和扭曲汇流条。
通常，存在两种主要类型的过电流故障状况，即过载故障状况和短路故障状况。在短路故障状况下，存在在电路中的其正常电流路径之外流动的过电流。短路故障可以例如由绝缘击穿或故障电连接引起。当短路故障确实发生时，电流可以绕过正常负载并且可以采用更短的路径，因此称为短路。过载故障状况可以被定义为限于正常电流路径的过电流，然而，如果过电流被允许在电路中持续更长时间，则过电流可能对设备和/或所连接的布线造成损坏。
保护性熔断器可以用于保护包括电感性负载、电容性负载和电阻性负载的不同种类的负载免受过载和/或短路故障状况。例如，保护性熔断器可以用于保护连接到马达保护性开关的电动马达。马达保护性开关适于保护电动马达免受外部导体的过载和/或故障。马达保护可以用于防止对电动马达的任何损坏，诸如电动马达中的内部故障。可以提供与保护性熔断器并联的三相电机保护性开关。在熔断器故障的情况下，马达保护性开关可以在一段时间内接管电流流动。因此，在许多使用情况下，有必要检测保护性电熔断器已经由于过电流而损坏或断开。因此，在许多用例中，需要熔断器故障监督来增加配电系统的操作可靠性和操作安全性。可以针对由相关联的保护性熔断器所保护的配电系统的关键负载实施用于保护性熔断器的熔断器故障监督。其他示例包括应急电力系统或电池加载系统。在许多使用情况下，保护性熔断器串联连接到附加的保护性开关，该附加的保护性开关可以包括半导体保护性开关或机电保护性开关。
用于检测保护性熔断器的故障的常规方法依赖于沿着保护性熔断器测量的电压降，这因此需要测量保护性熔断器两侧的电势。为了分接保护性熔断器处的电势差，需要两条电线，并且不得不连接在保护性熔断器的两侧。这增加了必要的技术努力和电路的复杂性。此外，在特殊情况下，保护性熔断器两侧的连接线可能被中断，从而增加了未检测到保护性熔断器的故障的可能性。在这种情况下，配电系统的操作安全性变差。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于检测保护性熔断器的故障的方法和设备，其在不显著增加检测电路的复杂性的情况下增加故障检测的可靠性。
根据本发明的第一方面，该目的通过一种用于检测保护性熔断器的故障的包括权利要求1的特征的方法来实现。
根据第一方面，本发明提供了一种用于检测保护性熔断器的故障的方法，所述保护性熔断器用于保护相关联的负载免受过电流和/或过载，
其中所述方法包括以下步骤：
借助于电流传感器元件测量通过所述保护性熔断器流到所述负载的电流，根据所测量的电流确定在所述保护性熔断器中产生的热能，以及
如果所确定的热能超过预定阈值并且如果由所述电流传感器元件测量的电流已经停止流过所述保护性熔断器，则自动检测所述保护性熔断器的故障。
根据本发明的方法的优点是，即使在恶劣环境中也能可靠地操作。根据本发明的方法的另一优点是，可以在小于1毫秒的短检测时间内非常快速地检测到保护性熔断器的故障。
在根据本发明的第一方面的方法的可能实施例中，如果所确定的热能已经超过所述预定阈值并且由所述电流传感器元件测量的电流已经停止流过所述保护性熔断器，则自动生成熔断器故障检测信号。所生成的熔断器故障检测信号指示由于短路电流引起的所述保护性熔断器的可能发生故障。
这具有以下优点：熔断器故障检测信号可以被提供给本地或远程控制器，并且可以被考虑用于控制包括保护性负载的配电系统的功能。
在根据本发明的第一方面的方法的另一可能实施例中，所述热能被计算为安培平方秒值，并与所述预定阈值进行比较。
这具有以下优点：用作阈值的安培平方秒值可以从保护性熔断器的数据表导出。
在根据本发明的第一方面的方法的另一可能实施例中，如果作为另一条件，所接收的开关状态信号指示所述相关联的负载尚未被保护性开关外部地关断，则检测到所述保护性熔断器的故障。
这具有以下优点：在与保护性熔断器串联连接的保护性开关已经被外部控制信号跳闸的情况下，导致通过保护性熔断器的电流的流动停止不引起可能被错误地解读为保护性熔断器的故障的熔断器故障检测信号的生成。
在根据本发明的第一方面的方法的另一可能实施例中，如果所确定的热能不超过所述预定阈值，但是所测量的电流的幅值高于预定的额定电流，则确定由流动的电流引起的输入到所述保护性熔断器中的能量。
在根据本发明的第一方面的方法的另一可能实施例中，如果由所述电流输入到所述保护性熔断器中的所确定的能量确实超过预定阈值，则自动生成指示由于过载电流引起的所述保护性熔断器的即将发生的故障的过载故障警告信号。
这提供了以下显著优点：在保护性熔断器的即将发生的故障实际发生之前检测到保护性熔断器的即将发生的故障。这允许例如执行包括保护性熔断器的配电系统的抢先维护。例如，如果保护性熔断器已经由于过载电流而损坏，则可以预测保护性熔断器的可能故障，并且可以在保护性熔断器完全故障之前启动对应的对策。
在根据本发明的第一方面的方法的另一可能实施例中，输入到所述保护性熔断器中的能量通过将所述保护性熔断器的热传递平衡计算为由流过所述保护性熔断器的电流产生的热量与由所述保护性熔断器耗散的热量之间的差来确定。
根据另一方面，本发明提供了一种包括权利要求8的特征的熔断器故障检测设备。
根据第二方面，本发明提供了一种被提供用于检测保护性熔断器的故障的熔断器故障检测设备，所述保护性熔断器用于保护相关联的负载免受过电流和/或过载，
其中所述熔断器故障检测设备包括：
电流传感器元件，所述电流传感器元件适于测量通过所述保护性熔断器流到所述负载的电流，
确定单元，所述确定单元适于根据由所述电流传感器元件测量的电流来确定在所述保护性熔断器处产生的热能，以及
故障检测单元，所述故障检测单元适于如果所确定的热能超过预定阈值并且如果由所述电流传感器元件测量的电流已经停止流过所述保护性熔断器，则自动检测所述保护性熔断器的故障。
在根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备的可能实施例中，所述故障检测单元适于如果所确定的热能已经超过所述预定阈值并且如果由所述电流传感器元件测量的电流已经停止流过所述保护性熔断器，则自动生成指示由于短路电流引起的所述保护性熔断器的可能发生故障的熔断器故障检测信号。
在根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备的另一可能实施例中，所述确定单元适于计算安培平方秒值，所述安培平方秒值表示响应于由所述电流传感器元件测量的所述电流而在所述保护性熔断器处产生的热能。
在根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备的另一可能实施例中，所述故障检测单元适于如果所确定的热能已经超过所述预定阈值并且由电流传感器元件测量的所述电流已经停止流过所述保护性熔断器并且如果所接收的开关状态信号指示所述相关联的负载尚未被保护性开关外部地关断，则将所计算的安培平方秒值与预定的安培平方秒值进行比较以生成熔断器故障检测信号。
在根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备的另一可能实施例中，所述确定单元还适于如果所确定的热能不超过所述预定阈值但是所测量的电流的幅值高于预定的额定电流，则确定由所述流动电流引起的输入到所述保护性熔断器中的能量。
在根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备的又一可能实施例中，所述故障检测单元适于如果由所述电流输入到所述保护性熔断器中的所确定的能量超过预定阈值，则生成过载故障警告信号，其中所生成的过载故障警告信号指示由于过载电流引起的所述保护性熔断器的即将发生的故障。
在根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备的又一可能实施例中，所述确定单元适于通过将所述保护性熔断器的热传递平衡计算为由流过所述保护性熔断器的电流产生的热量与由所述保护性熔断器耗散的热量之间的差来确定输入到所述保护性熔断器中的能量。
在根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备的可能实施例中，所述电流传感器部件适于测量直流电电流。
在根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备的又一可能替代实施例中，所述电流传感器部件适于测量交流电电流。
在根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备的又一可能实施例中，所述电流传感器元件串联连接到所述负载的电流供应路径内的所述保护性熔断器，或附接到所述负载的电流供应路径。
在可能的实施方式中，附接到所述负载的所述电流供应路径的所述电流传感器元件也可以沿着所述电流供应路径的线或条移动。
在根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备的又一可能实施例中，所述故障检测单元包括从保护性开关接收开关状态信号的接口，所述保护性开关沿着所述负载的电流供应路径与所述保护性熔断器串联连接。
根据另一方面，本发明提供了一种适配器装置，包括根据本发明的第二方面的熔断器故障检测设备。
在下文中，参考附图更详细地描述本发明的不同方面的可能实施例。
附图说明
图1示出了用于图示根据本发明的一个方面的熔断器故障检测设备的可能示例性实施例的框图；
图2示出了根据本发明的另一方面的用于检测保护性熔断器的故障的方法的可能示例性实施例的主要步骤的流程图；
图3示出了用于图示根据本发明的一个方面的用于检测保护性熔断器的故障的方法的可能示例性实施例的另一流程图；
图4A、图4B示出了信号示意图以图示保护性熔断器在短路状况下的操作；
图5图示了用于通过根据本发明的方法和设备确定保护性熔断器内的热能的安培平方秒值的定义的简单示意图；以及
图6示出了用于提供免受过载和/或免受过电流的保护的保护性熔断器的操作行为的示意图。
具体实施方式
从图1的示意性框图可以看出，根据本发明的熔断器故障检测设备1可以包括三个主要部件。在所示的实施例中，熔断器故障检测设备1包括电流传感器元件2、确定单元3和故障检测单元4。熔断器故障检测设备1与保护性熔断器5串联连接，如图1所示。在可能的实施例中，熔断器故障检测设备1可以串联连接在电源6和电负载7之间的电流供应路径中，如图1所示。在可能的实施例中，电流供应路径还可以包括可选的保护性开关8，也如图1的框图所示。电负载7可以包括电阻负载、电容负载或电感负载。
在可能的实施例中，电流传感器元件2可以在负载7的电流供应路径内串联连接到保护性熔断器5。电流供应路径可以适于承载DC供应电流或AC供应电流。在可能的实施例中，电流传感器元件2也可以附接到负载7的电流供应路径。在该实施例中，电流传感器元件2可以例如夹在将流过保护性熔断器5并流过保护性开关8的电流输送到负载7的电线上。电流引起磁场，该磁场可以由附接到电流输送线或电流输送汇流条的电流传感器元件2检测。该实施例具有电流传感器元件2可以沿着电源6和负载7之间的电流供应路径移动的附加优点。因此，附接到电流供应路径的电流传感器元件2也可以手动地固定在电源6和负载7之间的电流输送线上的不同位置处。当通过将根据本发明的熔断器故障检测设备1添加到相应的系统来扩展现有的配电系统时，这提供了更大的灵活性。换句话说，该实施例不需要中断保护性熔断器5和电负载7之间的现有电流输送线。
在图1所示的实施例中，熔断器故障检测设备1设置在保护性熔断器5后面，即在保护性熔断器5的其面向负载侧处的输出侧上。在替代实施例中，根据本发明的熔断器故障检测设备1也可以位于保护性熔断器5的面向电源6的一侧上。
在可能的实施例中，图1所示的电流传感器部件2可以适于测量由电源6提供并经由电流供应路径供应给电负载7的直流电电流。在替代实施例中，电流传感器元件2适于测量从交流电电流源6经由电流供应路径流到电负载7的交流电电流。
在可能的实施方式中，电流传感器元件2可以包括分流电阻器，该分流电阻器串联连接到在负载7的电流供应路径内的保护性熔断器5。沿着分流电阻器的电压与流过分流电阻器的电流成正比。
在替代实施例中，电流传感器元件2可以包括适于测量交流电流或高速电流脉冲的线圈，特别是罗哥夫斯基线圈(Rogowski Coil)。由于罗哥夫斯基线圈的低电感，罗哥夫斯基线圈可以对几纳秒左右的快速变化的电流作出响应。
电流传感器元件2还可以包括其他类型的电流传感器元件，特别是霍尔效应电流传感器或巨磁阻GMR传感器。霍尔效应传感器适于测量可以由沿着电流供应路径流动的电流引起的磁场的大小。因此，在可能的实施例中，电流传感器元件2到电流供应路径的附接不需要电流连接。在这样的实施例中，熔断器故障检测设备1与电源6和负载7之间的电流供应路径电流隔离。在高短路过电流确实发生的情况下，这增加了熔断器故障检测设备1的操作可靠性。此外，可以促进现有配电系统的扩展，因为电流传感器元件2仅机械地附接到电流供应路径以测量磁场，而不需要在将熔断器故障检测设备1安装到保护性熔断器5和负载7之间的电流输送线时中断电流供应路径。
从图1的框图可以看出，熔断器故障检测设备1不需要在保护性熔断器5的两侧上分接电势。根据本发明的熔断器故障检测设备1被提供在保护性熔断器5的面向电源6的上游侧或保护性熔断器5的面向电负载7的下游侧。
电流传感器元件2测量流过保护性熔断器5的电流I，并将测量的电流I通知给熔断器故障检测设备1的确定单元3，如图1所示。确定单元3适于根据由电流传感器元件2测量的电流I来确定在保护性熔断器5处产生的热能。在可能的实施例中，确定单元3适于计算表示响应于由电流传感器元件2测量的电流I而在保护性熔断器5处产生的热能的安培平方秒值。
熔断器故障检测设备1还包括故障检测单元4，故障检测单元4适于如果所确定的热能确实超过预定阈值并且如果由电流传感器元件2测量的电流已经停止流过保护性熔断器5则自动检测保护性熔断器5的故障。
在可能的实施例中，故障检测单元4适于如果所确定的热能已经超过预定阈值并且如果由电流传感器元件2测量的电流I已经停止流过保护性熔断器5，则自动生成指示由于短路电流引起的保护性熔断器5的可能故障的熔断器故障检测信号FFDS。在可能的实施例中，故障检测单元4适于如果所确定的热能已经超过预定阈值并且如果由电流传感器元件2测量的电流I已经停止流过保护性熔断器5，则将计算的安培平方秒值与预定安培平方秒值进行比较以生成熔断器故障检测信号FFDS。
I2t额定值与当熔断器元件清除电气故障时熔断器元件允许通过的能量的量有关。该术语通常在短路状况下使用，并且这些值可以用于执行电气网络中的协调。I2t参数可以通过制造商数据表中的图表针对不同类型的熔断器来提供。为了与上游或下游装置协调熔断器操作，指定熔化I2t和清除I2t两者。熔化I2t与开始熔化熔断器元件所需的能量的量成比例。清除I2t与当清除故障时熔断器允许通过的总能量成比例。能量主要取决于熔断器的电流和时间以及可用的故障水平和系统电压。由于熔断器的I2t额定值与其允许通过的能量成比例，因此它是由故障产生的热量和磁力引起的热损伤的量度。
在可能的实施例中，如果满足附加条件，即如果接收到的开关状态信号SWSS指示相关联的负载7尚未被提供在电流供应路径内的相关联的保护性开关8外部地关断，则故障检测单元4仅生成熔断器故障检测信号FFDS。在该实施例中，故障检测单元4可以包括用于从保护性开关8接收开关状态信号SWSS的接口，保护性开关8沿着负载7的电流供应路径与保护性熔断器5串联连接。保护性开关8可以包括机电保护性开关和/或半导体保护性开关。
在可能的实施例中，故障检测单元4还适于如果由沿着电流供应路径流动的电流输入到保护性熔断器5中的所确定的能量确实超过预定阈值则生成过载故障警告信号OFWS。所生成的过载故障警告信号OFWS可以指示由于过载电流引起的保护性熔断器5的即将发生的(即未来的)故障。在可能的实施例中，确定单元3可以通过将保护性熔断器5的热传递平衡计算为由流过保护性熔断器5的电流I产生的热量与由保护性熔断器5耗散的热量之间的差来确定输入到保护性熔断器5中的能量。因此，如果所确定的热能不超过预定阈值，但是所测量的电流I的电流高于预定的额定电流，则可以确定由流动的电流I引起的输入到保护性熔断器5中的能量。如果该能量输入确实超过预定阈值，则过载故障警告信号OFWS可以由故障检测单元4生成并经由熔断器故障检测设备1的接口输出。在图1所示的实施例中，熔断器故障检测设备1包括被提供为输出所生成的熔断器故障检测信号FFDS和过载故障警告信号OFWS的数据接口。熔断器故障检测信号FFDS指示由于短路电流引起的保护性熔断器5的故障。在这种情况下，由于非常高的短路过电流，保护性熔断器5已经断开或熔化。相反，过载故障警告信号OFWS确实指示由于沿着电流供应路径流动的过载电流引起的保护性熔断器5的可能未来故障。
熔断器故障检测信号FFDS和过载警告信号OFWS两者可以被供应给本地或远程控制器以自动触发对策。在本地或远程控制器接收到熔断器故障检测信号FFDS的情况下，需要更换已经由于短路电流而断开的保护性熔断器5。在远程或本地控制器接收到过载故障警告信号OFWS的情况下，保护性熔断器5仍然工作，但是可能被流动的过载电流损坏，需要在不久的将来由维护操作者更换。过载故障警告信号OFWS提供关于保护性熔断器5的可能未来功能故障的警告，并且在可能的实施例中可以自动触发配电系统的抢先维护操作。
在所示的实施例中，熔断器故障检测设备1可以包括控制接口以从保护性开关8接收开关状态信号SWSS，保护性开关8可以串联连接到在电流供应路径内的保护性熔断器5。保护性开关8可以是单独的元件，特别是半导体装置，诸如绝缘栅双极晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或其他半导体开关装置，诸如双极结型晶体管BJT或结型栅场效应晶体管JFET。其他可能的实施例包括晶闸管或集成栅极换向晶闸管IGCT。一旦保护性开关8已经关断电负载7，开关状态信号SWSS就可以被设置为逻辑高，指示相关联的负载7已经被保护性开关8关断。只要开关状态信号SWSS为逻辑低并且指示相关联的负载尚未被保护性开关8外部地切断，如果所确定的热能已经超过预定阈值并且故障检测单元4检测到由电流传感器元件2测量的电流已经停止流过保护性熔断器5，则故障检测单元4就可以自动生成熔断器故障检测信号FFDS。在该实施例中，故障检测单元4可以监测由电流传感器元件2测量的电流的幅值。如果电流的幅值在短的预定时间内下降到零，则故障检测单元4可以确定电流I已经停止流过保护性熔断器5。因此，在优选实施例中，故障检测单元4只有在满足三个条件时才生成熔断器故障检测信号FFDS。第一条件是所计算的安培平方秒值已经超过预定安培平方秒值。第二条件是流过保护性熔断器5并由电流传感器元件2测量的电流I已经停止流动。第三条件是所接收的开关状态信号SWSS确实指示保护性开关8尚未执行关断，例如，所接收的开关状态信号SWSS为逻辑低。
在熔断器故障检测设备1的可能实施方式中，电流传感器元件2、确定单元3和故障检测单元4可以集成在对应装置的壳体中。在替代实施例中，熔断器故障检测设备1的不同单元(特别是确定单元3和故障检测单元4)可以分布在配电系统内的不同位置。在又一可能的实施例中，熔断器故障检测设备1的壳体还可以包括如图1的框图所示的保护性开关8。
图2示出了用于检测保护性熔断器(诸如图1的框图所示的保护性熔断器5)的故障的方法的可能示例性实施例的流程图。在所示实施例中，该方法包括三个主要步骤SA、SB、SC。
在第一步骤SA中，借助于电流传感器元件2检测通过保护性熔断器5流到负载7的电流。电流传感器元件2可以集成在熔断器故障检测设备1的壳体中，如图1的框图所示。电流传感器元件2还可以包括将确定单元3和故障检测单元4连接到传感器信号线的单独元件。测量的电流I可以包括直流电流和/或交流电流。
在另一步骤SB中，确定根据测量的电流在保护性熔断器5中产生的热能。在可能的实施例中，热能可以被计算为安培平方秒值，并且然后与预定阈值进行比较。
在另一步骤SC中，如果在步骤SB中确定的热能接收到预定阈值，并且如果作为第二条件，在步骤SA中由电流传感器元件2测量的电流I已经停止流过保护性熔断器5，则自动检测保护性熔断器5的故障。如果检测到这样的故障，则可以生成指示由于短路电流引起保护性熔断器5的可能故障的熔断器故障检测信号FFDS。
图3示出了保护性熔断器5的故障的方法的可能实施例的流程图。
该过程在步骤S0处开始。在另一步骤S1中，确定是否可以检测到电流。如果由电流传感器部件2测量的流动电流I的幅值超过预定阈值达预定最小时间跨度，则检测到电流流动。如果在步骤S1中检测到电流流动，则测量的电流I的安培平方秒值可以被计算，并且可以在步骤S2中与预定的安培平方秒阈值进行比较。该预定的安培平方秒阈值包括可以在初始化期间在确定单元3的配置存储器中设置的参数。在可能的实施方式中，存储在配置存储器中的安培平方秒阈值也可以由用户或操作者借助于用户界面来调整，或由外部控制器通过熔断器故障检测设备1的数据接口来调整。可以在配置寄存器或配置存储器中设置的另一参数可以包括对于负载7可见的额定电流。在可能的实施方式中，可以通过故障检测单元4的比较器来执行所计算的安培平方秒值与预定的安培平方秒阈值的比较。在可能的实施方式中，可以基于在可能的实施例中每十毫秒内的测量电流来计算安培平方秒值。该时间段可以根据使用情况而改变。在可能的实施例中，用于计算安培平方秒值的时间段是可调的。如果安培平方秒值不超过预定阈值，则在步骤S3中执行进一步的比较，如图3的流程图所示。在步骤S3中确定测量的电流是否超过预定的额定电流，该预定的额定电流可以从熔断器故障检测设备1的配置存储器读取。如果不是这种情况，则保护性熔断器5仍然在正常操作范围内，并且没有出现临界情况。相反，如果测量的电流超过预定的额定电流，则可以在步骤S4中计算或确定由流动的电流I引起的输入到保护性熔断器5中的能量。在可能的实施例中，确定单元3在步骤S4中通过计算保护性熔断器5的热传递平衡来确定输入到保护性熔断器5中的能量。热传递平衡包括由流过保护性熔断器5的电流I产生的热量与由保护性熔断器5耗散的热量之间的差。如果由电流I输入到保护性熔断器5中的能量确实超过预定阈值，则在优选实施例中，故障检测单元4可以在步骤S4中生成指示由于过载电流引起的保护性熔断器5的可能即将发生的故障的过载故障警告信号OFWS。
因此，在由计算的安培平方秒值表示的热能不超过预定阈值但是流过保护性熔断器5的电流高于预定的额定电流的情况下，即在过载电流情况下，生成过载故障警告信号OFWS。在优选实施例中，如果计算的热传递平衡指示输入到保护性熔断器5中的临界能量可能引起对保护性熔断器5的损坏，则自动生成过载故障警告信号OFWS。
在步骤S5中，确定流过保护性熔断器5并由电流传感器元件2测量的电流I是否已经停止。如果电流I仍然流动，则过程循环回到步骤S2，如图3的流程图所示。相反，如果所监测的电流I已经停止流动，则在步骤S6中判断电流I的中断是否是由外部保护性开关(诸如图1的框图中所示的保护性开关8)引起的。在可能的实施例中，评估所接收的开关状态信号SWSS以判断是否已经执行外部关断。如果接收到的开关状态信号SWSS指示外部关断，则过程循环回到步骤S1，如图3的流程图所示。然而，如果开关状态信号SWSS指示没有执行外部关断，则在步骤S7中断定保护性熔断器5已经由于高短路电流而被断开。在这种情况下，故障检测单元4还可以在步骤S7中自动生成指示由于短路电流引起的保护性熔断器5的可能故障的熔断器故障检测信号FFDS。
从图3可以看出，存在可以外部地设置的两个参数，即预定的安培平方秒阈值I2tmax和额定电流IR。在可能的实施方式中，可以在初始化阶段设置两个参数。在另一实施例中，还可以在熔断器故障检测设备1的操作期间经由用户或数据接口调整参数。数据接口可以将熔断器故障检测设备1与可以在配电电源系统的操作期间设置参数的远程或本地控制器连接。此外，可以根据要由保护性熔断器5保护的负载7来适配额定电流IR。在可能的实施方式中，可以从数据库或从集成在待保护的负载7中的本地存储器读取可允许的额定电流IR。
保护性熔断器5包括可熔元件。保护性熔断器5内的这些可熔元件可以熔化以保护保护性熔断器5连接到的下游负载。保护性熔断器也可以被称为电路中的牺牲装置。保护性熔断器5内的可熔元件被具体地设计成在不开路的情况下连续地承载特定量的电流。这被称为保护性熔断器5的额定电流IR。如果电流I流过电熔断器5的这些元件桥接部或限制部，则产生热量。直到在热传递中存在平衡，熔断器元件继续按预期承载电流。在所产生的热量等于所耗散的热量的情况下实现热传递的平衡。
相反，如果由于过电流状况(诸如过载或短路发生)而存在热传递的不平衡，则所产生的热量大于所耗散的热量。这进而引起由限制或弱点执行的保护性熔断器5的可熔元件处的温度升高。如果温度升高确实达到可熔元件的熔点(例如，对于铜为1085℃或对于银为962℃)，则保护性熔断器5内的元件桥接部确实开始熔化并断开，导致通过保护性熔断器5流到受保护负载7的电流I中断。在短路状况的情况下，保护性熔断器5内的可熔元件开始熔化，并且然后在仅几毫秒内将保护性负载7与电源6分开。在该时间段期间，可以在熔断器5内产生电弧，也如图4A、图4B的信号示意图所示。
在由保护性熔断器5中断故障电流期间产生的热能可以以焦耳为单位表示，并且通常被称为安培平方秒。在操作时间t期间，热能与电流I的平方成比例。
所产生的热能可以表示为熔化安培平方秒值、电弧放电安培平方秒值和清除安培平方秒值。
熔化安培平方秒值I2t是由保护性熔断器5在过电流发生之后直到熔断器元件确实熔化为止传递的热能。
电弧放电安培平方秒值是由保护性熔断器5在其电弧放电时间期间传递的热能。
清除安培平方秒值是熔化安培平方秒值加上电弧放电安培平方秒值的总和。
图5图示了安培平方秒值的计算。存在熔化时间和电弧放电时间。熔化时间包括从过电流状况的开始到当电弧放电在保护性熔断器5内部开始的时刻的时间跨度。这之后是电弧放电时间，即熔断器熔丝的熔化直到过电流中断之间的时间跨度。如果已经到达没有返回的点，则保护性熔断器5熔化并中断电流供应路径。
图6示出了用于短路过电流保护和过载电流保护的保护性熔断器5的操作。
过电流是大于所连接的负载、设备或装置被额定设为在指定状况下承载的电流的任何电流。除非及时移除过电流，否则即使中等的过电流也会使系统部件快速过热。
过载故障状况包括限于正常电流路径的过电流。通常，小于受保护负载7或应用的额定电流IR的600％的过电流被称为过载故障电流。当临时浪涌电流持续存在于系统中时，例如由于机械阻塞或卡住的设备状况，在应用或系统中经常出现过载状况。
通常，大于受保护装置或负载的额定电流IR的600％的过电流被称为短路故障电流。短路状况可能由于诸如事故、错误应用或绝缘击穿的发生而出现。
图6图示了示出保护性熔断器5的特性曲线的图。存在保护性熔断器5的三个主要操作区域。只要测量的电流I低于额定电流IR，就存在正常操作行为，并且保护性熔断器5不受影响。如果电流I超过预定的额定电流IR，则在可能的实施例中，被提供在由铜制成的限制部或桥接部处的铅可以扩散到桥接部元件中，从而降低熔断器元件桥接部的熔化温度。降低的熔融温度可以是例如170℃。因此，导致物质扩散到连接桥接部元件中的过载电流可以随着时间的推移而引起熔化温度的降低，并且最终导致桥接部元件的断裂。在短路情况的情况下，非常高的电流几乎立即导致桥接铜制元件的中断，因为快速达到的铜的约1083℃的初始熔化温度。
熔断器故障检测设备1的确定单元3可以根据由电流传感器元件2测量的电流连续地确定在保护性熔断器5中产生的热能。只要保护性熔断器5处于正常操作范围内，就不生成检测或警告信号。可以通过连续监测计算的热传递平衡来检测过载情况。
热传递平衡指示热进入与由保护性熔断器5耗散的热之间的差。
热进入可以被计算为ΔQ+＝R*I2*Δt。
耗散的热量可以被计算为ΔQ-＝λ(Tn–T0)*Δt，
其中Δt是增量时间单位，
T0是例如35℃的环境温度，
Tn是外推温度，
R是熔断器元件处的电阻，并且
I是电流。
Tn+1＝Tn+ΔT，
其中ΔT是温度差，并且可以被计算如下：
ΔT＝(ΔQ+-ΔQ-)*C*Δt，
其中C是热容。
可以针对保护性熔断器5的铅和受限熔断器元件单独地执行热进入的计算。该计算可以由计算单元(即，处理器或微处理器)执行。
在可能的实施例中，如图1所示的熔断器故障检测设备1还可以包括适于测量保护性熔断器5处的瞬时温度T的至少一个温度传感器元件。所测量的温度可以用于验证所计算的外推温度或用于校准目的。
在可能的实施例中，熔断器故障检测设备1可以集成在其他装置中。在可能的实施例中，熔断器故障检测设备1可以集成在适配器装置中。该适配器装置可以用于将电负载或电负载控制装置连接到电源系统的线或汇流条。在可能的实施例中，该适配器装置还可以包括保护性开关8和保护性熔断器5。
在另一可能的实施例中，熔断器故障保护设备1还可以包括具有图形显示单元的用户界面。在该实施例中，如果熔断器故障检测信号FFDS或过载故障警告信号OFWS被显示给电源系统的操作者，则熔断器故障检测信号FFDS和/或过载故障警告信号OFWS可以被显示给他以帮助操作者执行必要的对策。用户界面的显示单元还可以显示为熔断器故障检测设备1设置的参数，特别是额定电流IR和预定的安培平方秒阈值。在可能的实施例中，如图2、图3的示例性流程图所示的根据本发明的方法可以由集成在熔断器故障检测设备1中的处理器FPGA执行。熔断器故障检测设备1可以是具有集成的电流传感器元件2的移动手持设备1，该集成的电流传感器元件2可以夹在负载7的电源路径的线或汇流条上。

Claims (18)

1.一种用于检测保护性熔断器(5)的故障的方法，所述保护性熔断器(5)用于保护相关联的负载(7)免受过电流和/或过载，
所述方法包括以下步骤：
-借助于电流传感器元件(2)测量(SA)通过所述保护性熔断器(5)流到所述负载(7)的电流I；
-根据所测量的电流I确定(SB)在所述保护性熔断器(5)中产生的热能；以及
-如果所确定的热能超过预定阈值并且如果由所述电流传感器元件(2)测量的电流I已经停止流过所述保护性熔断器(5)，则自动检测(SC)所述保护性熔断器(5)的故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中如果所确定的热能已经超过所述预定阈值并且由所述电流传感器元件(2)测量的电流I已经停止流过所述保护性熔断器(5)，则自动生成指示由于短路电流引起的所述保护性熔断器(5)的可能发生故障的熔断器故障检测信号(FFDS)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述热能被计算为安培平方秒(I2t)值，并与所述预定阈值进行比较。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中如果作为另一条件，所接收的开关状态信号(SWSS)指示所述相关联的负载(7)尚未被保护性开关(8)外部地关断，则检测到所述保护性熔断器(5)的故障。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中如果所确定的热能不超过所述预定阈值，但是所测量的电流I的幅值高于预定的额定电流(IR)，则确定由流动的电流I引起的输入到所述保护性熔断器(5)中的能量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中如果由所述电流I输入到所述保护性熔断器(5)中的所确定的能量超过预定阈值，则自动生成指示由于过载电流引起的所述保护性熔断器(5)的即将发生的故障的过载故障警告信号(OFWS)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中输入到所述保护性熔断器(5)中的能量通过将所述保护性熔断器(5)的热传递平衡计算为由流过所述保护性熔断器(5)的电流I产生的热量与由所述保护性熔断器(5)耗散的热量之间的差来确定。
8.一种被提供用于检测保护性熔断器(5)的故障的熔断器故障检测设备(1)，所述保护性熔断器(5)用于保护相关联的负载(7)免受过电流和/或过载，
所述熔断器故障检测设备(1)包括：
-电流传感器元件(2)，所述电流传感器元件(2)适于测量通过所述保护性熔断器(5)流到所述负载(7)的电流I；
-确定单元(3)，所述确定单元(3)适于根据由所述电流传感器元件(2)测量的电流I来确定在所述保护性熔断器(5)处产生的热能；以及
-故障检测单元(4)，所述故障检测单元(4)适于如果所确定的热能超过预定阈值并且如果由所述电流传感器元件(2)测量的电流I已经停止流过所述保护性熔断器(5)，则自动检测所述保护性熔断器(5)的故障。
9.根据权利要求8所述的熔断器故障检测设备，其中所述故障检测单元(4)适于如果所确定的热能已经超过所述预定阈值并且如果由所述电流传感器元件(2)测量的电流I已经停止流过所述保护性熔断器(5)，则自动生成指示由于短路电流引起的所述保护性熔断器(5)的可能发生故障的熔断器故障检测信号(FFDS)。
10.根据权利要求8或9所述的熔断器故障检测设备，其中所述确定单元(3)适于计算安培平方秒(I2t)值，所述安培平方秒(I2t)值表示响应于由所述电流传感器元件(2)测量的所述电流I而在所述保护性熔断器(5)处产生的热能。
11.根据权利要求10所述的熔断器故障检测设备，其中所述故障检测单元(4)适于如果所确定的热能已经超过所述预定阈值并且由电流传感器元件(2)测量的所述电流I已经停止流过所述保护性熔断器(5)并且如果所接收的开关状态信号(SWSS)指示所述相关联的负载(7)尚未被保护性开关(8)外部地关断，则将所计算的安培平方秒(I2t)值与预定的安培平方秒(I2t)值进行比较以生成所述熔断器故障检测信号(FFDS)。
12.根据前述权利要求8至11中任一项所述的熔断器故障检测设备，其中所述确定单元(3)还适于如果所确定的热能不超过所述预定阈值但是所测量的电流I的幅值高于预定的额定电流(IR)，则确定由所述流动电流I引起的输入到所述保护性熔断器(5)中的能量。
13.根据前述权利要求8至12中任一项所述的熔断器故障检测设备，其中所述故障检测单元(4)适于如果由所述电流I输入到所述保护性熔断器(5)中的所确定的能量超过预定阈值，则生成过载故障警告信号(OFWS)，其中所生成的过载故障警告信号(OFWS)指示由于过载电流引起的所述保护性熔断器(5)的即将发生的故障。
14.根据前述权利要求8至13中任一项所述的熔断器故障检测设备，其中所述确定单元(3)适于通过将所述保护性熔断器(5)的热传递平衡计算为由流过所述保护性熔断器(5)的电流I产生的热量与由所述保护性熔断器(5)耗散的热量之间的差来确定输入到所述保护性熔断器(5)中的能量。
15.根据前述权利要求8至14中任一项所述的熔断器故障检测设备，其中所述电流传感器部件(2)适于测量直流电电流和/或交流电电流。
16.根据前述权利要求8至15中任一项所述的熔断器故障检测设备，其中所述电流传感器元件(2)串联连接到在所述负载(7)的电流供应路径内的所述保护性熔断器(5)，或附接到所述负载(7)的电流供应路径。
17.根据前述权利要求8至16中任一项所述的熔断器故障检测设备，其中所述故障检测单元(4)包括从保护性开关(8)接收开关状态信号(SWSS)的接口，所述保护性开关(8)沿着所述负载(7)的电流供应路径与所述保护性熔断器(5)串联连接。
18.一种适配器装置，包括根据前述权利要求8至17中任一项所述的熔断器故障检测设备(1)。
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