CN115280171A - 保护开关装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于低压电路的保护开关装置，其中，周期性地确定低压电路的电流和电压的大小。一方面，将以第一周期确定的电流大小与第一电流阈值进行比较，在超过该第一电流阈值的情况下，具有第一持续时间的第一时间窗开始，在该第一持续时间内将所确定的电压的有效值与第一电压阈值进行比较，在低于该第一电压阈值的情况下，进行第一信息显示。另一方面，将以第二周期确定的电流大小的有效值与第二电流阈值进行比较，在超过该第二电流阈值的情况下，第二时间窗开始，在第二时间窗开始并且经过了第一持续时间之后，将所确定的电压的有效值与第一电压阈值进行比较，在低于该第一电压阈值的情况下，进行第二信息显示。

Description

保护开关装置和方法
技术领域
本发明涉及如下技术领域：一种根据权利要求1的前序部分的用于低压电路的保护开关装置(例如防火开关或线路保护开关)，以及一种根据权利要求13的前序部分的用于低压电路的保护开关装置的方法。
背景技术
低压是指直至1000伏特交流电压或直至1500伏特直流电压的电压。低压尤其是指大于小电压的电压，小电压的值为50伏特交流电压或120伏特直流电压。
低压电路或低压电网或低压设备是指具有直至125安培、更具体地说直至63安培的额定电流的电路。
故障电弧是指在故障情况中出现的电弧、即由电路中的故障引起的电弧。例如由电路中、例如在低压电路的接线盒、开关或插座中的夹紧不良的、有故障的或导电不良的连接或触点引起。不是指例如在电网的正常运行中、例如在开关时或者说在电机的电刷处出现的(干扰)电弧。
串联的故障电弧是指在电路的电流路径中出现的电弧，也就是说，例如也流过耗电器的电流流过电弧。也就是说，如果电流在“几乎中断”的导体中流动，则在中断点处出现所谓的串联的故障电弧。
防火开关是用于电路或电压电网的相对新型的保护装置并且用于识别这类(尤其串联的)故障电弧。防火开关尤其可以在家用安装装置、例如保险盒中使用，以便识别这类故障，并且在存在故障或超出故障电弧边界值的情况下促使启动电路中断、自行中断或输出故障电弧识别信号。
线路保护开关是长久以来已知的过电流保护装置，其在低压电路中的电气安装技术中使用。线路保护开关保护线路免受因电流过大和/或短路而导致的发热而造成的损坏。线路保护开关可以在过载和/或短路的情况下自动地中断电路。线路保护开关是一种不会自动复位的安全元件。
与线路保护开关相比，断路器设置用于大于125A的电流，有时也从63安培开始。因此，线路保护开关更简单、更精细地设计。
线路保护开关通常机电式地设计。线路保护开关具有：用于中断(触发)电流的开关触点或工作电流触发器；双金属保护元件或双金属元件，用于在长时间持续的过电流或者在热过载的情况下触发(中断)；具有线圈的电磁触发器，用于在超过过电流边界值或短路的情况下进行短暂触发；以及一个或多个灭弧室或用于灭弧的装置。还具有用于要保护的电路的导体的连接元件。
线路保护开关基本上监测电路中的电流大小，并且在超过电流边界值或电流-时间段边界值时中断电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，改进保护开关装置、尤其防火开关或线路保护开关，特别是能够识别触发原因。
该技术问题通过具有权利要求1的特征的保护开关装置或根据权利要求13的方法来解决。
根据本发明，设置一种用于在超过电流边界值或电流-时间边界值时中断低压电路的保护开关装置，具有：
-壳体，该壳体具有用于低压电路的导体的接头，
-中断单元，该中断单元具有触点并且用于中断壳体内的低压电路，
-双金属触发器，该双金属触发器与中断单元连接，
-磁性触发器，该磁性触发器与中断单元连接，
-电流测量装置，该电流测量装置用于周期性地确定低压电路的电流大小，其中，周期性地确定电流大小或电流大小的对应有效值，
-电压测量装置，该电压测量装置用于周期性地确定低压电路的电压的有效值，
-显示装置，该显示装置用于显示保护开关装置的信息，
-控制单元，该控制单元与电流测量装置、显示装置和中断单元连接。
根据本发明，保护开关装置被设计为，使得一方面，将以第一周期确定的电流大小与第一电流阈值进行比较，在超过该第一电流阈值的情况下，具有第一持续时间的第一时间窗开始，在该第一持续时间内将所确定的电压的有效值与第一电压阈值进行比较，在低于该第一电压阈值的情况下，进行第一信息显示。
另一方面，将以第二周期确定的电流大小的有效值与第二电流阈值进行比较，在超过该第二电流阈值的情况下，第二时间窗开始，在第二时间窗开始并且经过了第一持续时间之后，将所确定的电压的有效值与第一电压阈值进行比较，在低于该第一电压阈值的情况下，进行第二信息显示。
通过选择第一和第二周期、第一持续时间、电流阈值和电压阈值，可以有利地显示不同的运行情况或触发原因。
本发明的有利的设计方案在从属权利要求中说明。
在本发明的一种有利的设计方案中，第一周期位于1毫秒的范围内，从而大约每毫秒将所确定的电流大小与第一电流阈值进行比较。
这具有特别的优点，即存在用于显示短路状态或短路触发的最佳时间段。
在本发明的一种有利的设计方案中，第一持续时间位于200毫秒的范围内，从而每当超过第一电流阈值时，具有大约200毫秒的持续时间的第一时间窗开始。
这具有特别的优点，即存在用于显示短路状态或短路触发的最佳第一持续时间。
在本发明的一种有利的设计方案中，保护开关装置具有额定电流。额定电流是指，当给装置提供额定电压时，在正常情况或运行情况下在保护开关装置中流动的最大电流。也就是说，此处不是指过电流或短路电流。保护开关装置的额定电流通常为6A、10A、13A、16A、20A、25A、30A、40A、50A、63A、80A、100A、125A等。
第一电流阈值是额定电流的倍数。特别地，第一电流阈值是额定电流的三倍或五倍，或者是在这个范围内或者在这个范围附近的值。可以根据保护开关装置的特性(B、C、D等)来设置电流阈值。
这具有特别的优点，即给出了第一电流阈值的大小取决于保护开关侧的额定电流的解决方案，特别是针对短路情况。
在本发明的一种有利的设计方案中，保护开关装置具有额定电流，其中，第二电流阈值是额定电流的倍数。特别地，第二电流阈值是额定电流的1.15倍。
这具有特别的优点，即给出了电流阈值的大小取决于保护开关侧的额定电流的解决方案，特别是针对过电流情况。
在本发明的一种有利的设计方案中，第二周期位于一秒的范围内，从而大约每秒将所确定的电流的有效值与第二电流阈值进行比较。
这具有特别的优点，即存在用于确定过电流状态或过电流触发的最佳时间段。
在本发明的一种有利的设计方案中，第二时间窗在超过第二电流阈值的情况下开始并且在低于第二电流阈值的情况下结束。
这具有特别的优点，即存在用于最佳地确定过电流状态或过电流触发的解决方案。
在本发明的一种有利的设计方案中，所确定的电流大小通过两个模数转换器并行地转换。第一模数转换器具有例如12位或16位的分辨率，该第一模数转换器提供以第一周期确定的电流大小。第二模数转换器具有例如24位的分辨率，该第二模数转换器提供以第二周期确定的电流大小。
这具有特别的优点，即，一方面尤其是针对高的(短路)电流，在具有足够的精度(12位或16位)的同时提供快速的转换，另一方面尤其是针对过电流，以足够的速度提供更高的精度(24位)。
在本发明的一种有利的设计方案中，保护开关装置具有额定电压。第一电压阈值是额定电压的一小部分。特别地，第一电压阈值小于额定电压的0.4倍，更特别地小于或等于额定电压的0.35倍。
在例如230伏特的额定电压的情况下，第一电压阈值例如可以是80伏特或者位于80伏特的范围内。
这具有特别的优点，即给出了电压阈值的大小取决于保护开关侧的额定电压的解决方案。
在本发明的一种有利的设计方案中，设置测量电阻器用于电流测量。
这具有特别的优点，即，使得能够特别简单地、线性地确定电流大小。
在本发明的一种有利的设计方案中，控制单元具有微处理器。
这具有特别的优点，即能够实现灵活的、计算机程序支持的实现。
根据本发明，还要求保护一种并行的用于低压电路的方法，在该方法中，至少周期性地确定低压电路的电流和电压的大小。根据本发明，一方面，将以第一周期确定的电流大小与第一电流阈值进行比较，在超过该第一电流阈值的情况下，具有第一持续时间的时间窗开始，在第一持续时间内将所确定的电压的有效值与第一电压阈值进行比较，在低于该第一电压阈值的情况下，进行第一信息显示。另一方面，将以第二周期确定的电流大小的有效值与第二电流阈值进行比较，在超过该第二电流阈值的情况下，第二时间窗开始，在第二时间窗开始并且经过了第一持续时间之后，将所确定的电压的有效值与第一电压阈值进行比较，在低于该第一电压阈值的情况下，进行第二信息显示。
所有的设计方案，无论是以从属形式参考独立权利要求还是仅参考权利要求的单个特征或特征组合，都引起了保护开关装置的改进。
附图说明
结合下面对结合附图更详细阐述的实施例的描述更清楚且更明晰地理解所描述的本发明的特点、特征和优点以及其实现方式。
在此在附图中：
图1示出了用于阐述本发明的保护开关装置的图示，
图2示出了用于阐述本发明的线图的图示。
具体实施方式
图1示出了用于低压电路、在示例中用于单相交流电路的保护开关装置SG(例如防火开关、线路保护开关或组合的防火开关/线路保护开关)的图示，具有：
-壳体(未示出)，其具有用于低压电路的导体的输入侧接头Ne、Le和输出侧接头Na、La，在示例中，能量源连接到输入侧接头Ne、Le处并且一个或多个耗电器连接到输出侧接头Na、La处。
-电流测量装置SH，在示例中为分流器、分流电阻器、测量电阻器或电阻器，用于周期性地确定低压电路的电流大小，
-电压测量装置(未示出)，用于周期性地确定低压电路的电压的有效值，
-显示装置(未示出)，用于显示保护开关装置的信息，
-控制单元SE，其与电流测量装置SH和显示装置连接。
此外，设置有与控制单元SE连接的具有触点KT的中断单元UB，用于中断低压电路。
此外，设置有双金属触发器BM或双金属或双金属保护元件，低压电路的电流流过该双金属触发器BM或双金属或双金属保护元件，并且该双金属触发器BM或双金属或双金属保护元件与中断单元UB连接。也就是说，在低压电路中的过高电流存在一定持续时间的情况下，双金属触发器BM会发热并且由于发热而变形，该变形导致中断单元UB的触发，该中断单元因此断开触点KT并导致电路的中断。也就是说，在超过电流-时间边界值的情况下，通过双金属进行中断，这被称为所谓的热触发。
此外，设置所谓的磁性触发器MR。该磁性触发器也与中断单元UB连接。磁性触发器MR具有线圈，低压电路的电流流过该线圈。如果电流超过一定的电流边界值，则线圈的磁场变得这么大，使得磁性触发器MR的铁部分被吸引，从而触发中断单元UB并且因此断开触点KT并且导致电路的中断。这被称为磁性触发，在超过了电流边界值或在低压电路中出现短路的情况下，该磁性触发引起低压电路的几乎立即的中断。
触点KT可以具有灭弧装置ARC，其熄灭在断开触点时产生的电弧。灭弧装置可以具有所谓的电弧导向器(arc runner)AR。
根据图1，例如用于中性导体的输入侧接头Ne(输入侧中性导体接头)通过触点KT的第一子触点与输出侧接头Na(输出侧中性导体接头)连接。例如用于相导体的输入侧接头Le(输入侧相导体接头)通过磁性触发器MR、触点KT的第二子触点、双金属BM和电流测量装置SH与输出侧接头La(输出侧相导体接头)连接。具有电弧导向器AR的灭弧装置ARC与触点KT的第二子触点并联连接。
控制单元SE一方面与电流测量装置(在示例中为电阻器SH)的两个接头连接，并且另一方面与输出侧接头Na(输出侧的中性导体接头)连接。
根据本发明，保护开关装置被设计为，使得一方面，将以第一周期(例如1毫秒)借助电流测量装置SH确定的电流大小与第一电流阈值进行比较，在超过该第一电流阈值的情况下，具有第一持续时间(例如200毫秒)的时间窗开始，在第一持续时间(200毫秒)内将所确定的电压的有效值与第一电压阈值进行比较，在低于该第一电压阈值的情况下，进行第一信息显示。另一方面，将以第二周期(例如1秒)确定的或存在的电流大小的有效值与第二电流阈值进行比较，在超过该第二电流阈值的情况下，第二时间窗开始，在第二时间窗开始并且经过了第一持续时间(例如200毫秒)之后，将所确定的电压的有效值与第一电压阈值进行比较，在低于该第一电压阈值的情况下，进行第二信息显示。
第一周期位于1毫秒(0.5毫秒到1.5毫秒)的范围内，从而大约每毫秒将所确定的电流大小与第一电流阈值进行比较。然后可以使用(大约)每毫秒的电流绝对值以及(大约)每毫秒的有效值(RMS)。
第一持续时间位于200毫秒(150毫秒至250毫秒)的范围内，从而每当超过第一电流阈值时，具有大约200毫秒的持续时间的时间窗开始。也就是说，可能例如每毫秒开始200毫秒长的时间窗。因此，可以存在多个并行的(时间上重叠的)时间窗。在例如200毫秒之后，第一时间窗结束。
保护开关装置具有额定电流，其中，电流阈值是额定电流的倍数。特别地，第一电流阈值是额定电流的三倍或五倍。特别地，第二电流阈值是额定电流的1.15倍。
第二周期位于1秒的范围内，从而大约每秒将所确定的电流的有效值与第二电流阈值进行比较。第二时间窗在超过第二电流阈值的情况下开始并且在低于第二电流阈值的情况下结束。也就是说，可能连续地开始和结束第二时间窗。不存在并行的第二时间窗。
所确定的电流大小可以通过两个模数转换器并行地转换。第一模数转换器可以具有12位或16位的分辨率，并且可以每毫秒提供所确定的电流大小(或其有效值)。
第二模数转换器可以具有24位的分辨率，并且可以每秒提供所确定的电流大小或其有效值。替换地，第二模数转换器也可以更频繁地、例如关于80毫秒的时间段或每80毫秒计算有效值。其中，仅每秒使用例如80毫秒的有效值，即大约每十二个值。
保护开关装置具有额定电压。第一电压阈值是额定电压的一小部分。特别地，第一电压阈值小于额定电压的0.4倍，更特别地小于或等于额定电压的0.35倍。在例如230伏特的额定电压的情况下，第一电压阈值例如可以是80伏特或者位于80伏特的范围(60或70伏特到90或100伏特)内。
控制单元(SE)或电流测量装置(SH)可以具有用于将电流值数字化的模数转换。控制单元(SE)可以具有用于实施所提及的功能的微处理器。
诸如线路保护开关或防火开关之类的保护开关装置可能由于不同的原因而触发。关于触发的原因可能是：过电流(超过电流-时间边界值)，其导致热触发；或者短路(超过电流边界值)，其导致磁性触发；如开篇阐述的那样。直到现在还不能识别出关于触发的原因。本发明通过评估电流上升解决了这个问题。通过实现电流测量装置，电流例如借助模数转换器进行采样并且由控制单元的微控制器进行处理，该电流测量装置可以基于分流器/(测量)电阻器或(电流)变压器。
图2示出了线图，在该线图中，在水平X轴上绘制了时间t并且在竖直Y轴上绘制了关于时间的电流。
示出了第一曲线BMA，其表示针对通过双金属BM引起的触发的关于时间的电流(走向)，和第二曲线MRA，其表示针对通过磁性触发器MR引起的触发的电流(走向)。
第二曲线MRA的上升大于第一曲线BMA的上升。通过根据本发明的对电流值、比较和持续时间的评估，可以确定和显示相应的触发。
通过根据本发明的保护开关装置，电流走向必要时在时间窗内被连续地采集并连续地与阈值进行比较，从而可以显示触发的类型(双金属、磁性触发器)。
该实现可以通过例如在控制装置的微控制器中运行的方法或计算机程序产品来实现。该方法例如可以存储当前的电流值并且在时间窗内或在时间间隔内比较该电流值。如果超过相应的阈值，则进行相应的显示。
此外，也可以采集和显示保护开关装置的手动触发。可以在热触发、磁性触发以及可能的通过控制单元(例如微控制器中的方法/计算机程序产品)的手动触发之间进行区分。
基于对不同触发原因的识别，例如可以更好地预测保护开关装置的维护需求。该信息可以用于警告客户在系统中可能的过载触发，或者显示由于短路触发或热触发的次数而需要进行的更换。电气安装人员或电工在故障探测时具有关于触发原因的宝贵信息。保护开关装置可以具有例如借助有线和/或无线的通信方式的通信装置，通过该通信装置可以传输所确定的触发原因。例如传输到上级设置的管理系统或监控系统。通信装置例如可以具有诸如ZigBee、蓝牙、WLAN、Thread或其他诸如此类的通信方式。
数据的传输可以(几乎)实时地进行。数据可以用于估计装置的使用寿命。也用于触发对装置的(有效的)维护。
虽然在细节上通过实施例对本发明进行了更详细的阐述和描述，但是本发明却不限于所公开的示例并且本领域技术人员可以从中导出其它变型方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种保护开关装置(SG)，用于在超过电流边界值或电流-时间边界值时中断低压电路，具有：
-壳体，所述壳体具有用于所述低压电路的导体的接头(Ne，Na，Le，La)，
-中断单元(UB)，所述中断单元具有触点(KT)并且用于中断所述壳体内的低压电路，
-双金属触发器(BM)，所述双金属触发器与所述中断单元(UB)连接，
-磁性触发器(MR)，所述磁性触发器与所述中断单元(UB)连接，
-电流测量装置(SH)，所述电流测量装置用于周期性地确定所述低压电路的电流大小，
-电压测量装置，所述电压测量装置用于周期性地确定所述低压电路的电压的有效值，
-显示装置，所述显示装置用于显示所述保护开关装置的信息，
-控制单元(SE)，所述控制单元与所述电流测量装置(SH)、所述显示装置和所述中断单元(UB)连接，
所述保护开关装置(SG)被设计为，
使得一方面，将以第一周期确定的电流大小与第一电流阈值进行比较，在超过所述第一电流阈值的情况下，具有第一持续时间的第一时间窗开始，在所述第一持续时间内将所确定的电压的有效值与第一电压阈值进行比较，在低于所述第一电压阈值的情况下，进行第一信息显示，
使得另一方面，将以第二周期确定的电流大小的有效值与第二电流阈值进行比较，在超过所述第二电流阈值的情况下，第二时间窗开始，在所述第二时间窗开始并且经过了所述第一持续时间之后，将所确定的电压的有效值与所述第一电压阈值进行比较，在低于所述第一电压阈值的情况下，进行第二信息显示。
2.根据权利要求1所述的保护开关装置，
其特征在于，
所述第一周期位于1毫秒的范围内，从而大约每毫秒将所确定的电流大小与所述第一电流阈值进行比较。
3.根据权利要求1或2所述的保护开关装置，
其特征在于，
所述第一持续时间位于200毫秒的范围内，从而每当超过所述第一电流阈值时，具有大约200毫秒的持续时间的第一时间窗开始。
4.根据权利要求1、2或3所述的保护开关装置，
其特征在于，
所述保护开关装置具有额定电流，使得所述第一电流阈值是所述额定电流的倍数，特别地使得所述第一电流阈值是所述额定电流的三倍或五倍。
5.根据上述权利要求中任一项所述的保护开关装置，
其特征在于，
所述保护开关装置具有额定电流，使得所述第二电流阈值是所述额定电流的倍数，特别地使得所述第二电流阈值是所述额定电流的1.15倍。
6.根据上述权利要求中任一项所述的保护开关装置，
其特征在于，
所述第二周期位于一秒的范围内，从而大约每秒将所确定的电流的有效值与所述第二电流阈值进行比较。
7.根据上述权利要求中任一项所述的保护开关装置，
其特征在于，
所述第二时间窗在超过所述第二电流阈值的情况下开始并且在低于所述第二电流阈值的情况下结束。
8.根据上述权利要求中任一项所述的保护开关装置，
其特征在于，
所确定的电流大小通过两个模数转换器并行地转换，
第一模数转换器具有12位或16位的分辨率并且提供以第一周期确定的电流大小，
第二模数转换器具有24位的分辨率并且提供以第二周期确定的电流大小。
9.根据上述权利要求中任一项所述的保护开关装置，
其特征在于，
所述保护开关装置具有额定电压，使得所述第一电压阈值是所述额定电压的一小部分，特别地使得所述第一电压阈值小于所述额定电压的0.4倍，更特别地小于或等于所述额定电压的0.35倍。
10.根据上述权利要求中任一项所述的保护开关装置，
其特征在于，
所述保护开关装置是：
-线路保护开关，或
-用于识别串联的故障电弧的装置，或
-组合的线路保护开关和用于识别串联的故障电弧的装置。
11.根据上述权利要求中任一项所述的保护开关装置，
其特征在于，
所述电流测量装置具有电阻器(SH)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的保护开关装置，
其特征在于，
所述控制单元(SE)具有微处理器。
13.一种用于低压电路的方法，在所述方法中，周期性地确定所述低压电路的电流和电压的大小，
其特征在于，
一方面，将以第一周期确定的电流大小与第一电流阈值进行比较，在超过所述第一电流阈值的情况下，具有第一持续时间的时间窗开始，在所述第一持续时间内将所确定的电压的有效值与第一电压阈值进行比较，在低于所述第一电压阈值的情况下，进行第一信息显示，
另一方面，将以第二周期确定的电流大小的有效值与第二电流阈值进行比较，在超过所述第二电流阈值的情况下，第二时间窗开始，在所述第二时间窗开始并且经过了所述第一持续时间之后，将所确定的电压的有效值与所述第一电压阈值进行比较，在低于所述第一电压阈值的情况下，进行第二信息显示。
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