CN117638831A - 用于断开过电压保护装置的电气保护设备 - Google Patents

Abstract

这种用于断开过电压保护装置的电气保护设备包括分别连接到电气保护设备的第一端子和第二端子的第一电极和第二电极，连接到第二端子的弧切换可移动电极，通向第一电极和第二电极的电弧灭弧室，以及设计为将可移动电极从操作位置移动到切换位置的脱扣机构。为了更好的保护，电气保护设备包括具有芯部、初级线圈和次级线圈的变流器，初级线圈承载围绕芯部的电流，以及滤波器电路，包括次级线圈和检测器，用于当来自次级线圈的信号超过阈值时，响应于该信号激活脱扣机构的继电器，而滤波器电路还包括连接在次级线圈和检测器之间的电压削波装置、电压整流器和低通滤波器，滤波器电路被配置为使得滤波后的信号包含与初级线圈中的短路电流成比例的信号。

Description

用于断开过电压保护装置的电气保护设备

技术领域

本公开涉及电气保护领域，尤其涉及过电压电气保护。

背景技术

在配电设施中，通常使用过电压保护装置，例如电涌保护装置，其目的是保护电气硬件免受例如由雷电冲击导致的高振幅瞬态过电压。

众所周知，这些过电压保护装置的寿命有限，并且随着时间的推移和/或重复使用而失效。

当电涌保护装置达到其使用寿命的终点时，通常需要为其附加电气保护设备，该设备能够在除了过电压之外的电气故障(例如短路)的情况下断开电涌保护装置。理论上，这意味着防止了电涌保护装置的故障，否则会有火灾或损坏电气设施的风险。

专利EP 1 554 744 B1描述了这种保护装置的示例。

然而，传统上用于这种作用的保护设备，例如断路器或保险丝，不能提供良好的保护水平。实际上，这些保护装置并不总是能够区分短路电流和过电压，在短路电流中，电涌保护装置必须受到保护并因此被断开，在过电压中，电涌保护装置必须保持连接，以便电涌保护装置可以保护电气设施免受过电压。

本发明更具体地旨在通过提出一种用于断开过电压保护装置的电气保护设备来解决这些缺点，电气保护设备能够解决上述缺点。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于断开过电压保护装置的电气保护设备，包括：

-第一电极，连接到电气保护设备的第一端子，

-第二电极，连接到电气保护设备的第二端子，

-弧切换的可移动电极，连接到第二端子，

-电弧灭弧室，通向第一电极和第二电极，以及

-脱扣机构，被设计为将可移动电极从操作位置移动到切换位置，使得当可移动电极从操作位置移动到切换位置时，存在于第一电极和可移动电极之间的电弧转移，直到电弧在第一电极和第二电极之间。

根据本发明，电气保护设备包括：

-变流器，具有芯部、初级线圈和次级线圈，初级线圈连接在第一端子和第一电极之间，以承载围绕芯部的电流，以及

-滤波器电路，包括次级线圈和检测器，用于当来自次级线圈的信号超过阈值时，响应于该信号激活脱扣机构的继电器，

而滤波器电路还包括连接在次级线圈和检测器之间的电压削波装置、电压整流器和低通滤波器，每个都与次级线圈和检测器并联连接，以对从次级线圈到检测器的信号进行滤波，因此滤波器电路被配置为使得滤波后的信号包含与初级线圈中的短路电流成比例的信号。

根据本发明的有利的但非强制性的方面，这种电气保护设备可以结合一个或多个单独的或根据任何允许的技术组合的以下特征：

-检测器是比较器。

-滤波器是低通积分滤波器。

-可移动电极经由电导体以永久的方式电连接到第二电触头。

-操作位置对应于可移动电极与放置在离第一电极非常小的距离处的固定触头直接接触的状态，并且切换位置对应于可移动电极远离第一电极以便将电弧引导至灭弧室的状态。

-电气保护设备的脱扣机构包括手动控制杆，用于在操作位置和切换位置之间手动地移动可移动电极。

-电气保护设备的脱扣机构包括指示可移动电极的位置的视觉指示器。

本发明还涉及一种包括如前所定义的电气保护设备和过电压保护装置的系统，电气保护设备是能够从过电压保护装置断开的可移除模块的形式。

本发明还涉及一种包括如前所定义的电气保护设备和过电压保护装置的系统，电气保护设备和过电压保护装置永久地电连接并且一起在相同的单元内，例如在相同的壳体中。

有利地，过电压保护装置包括变阻器，变阻器在操作位置连接在第一和第二端子之间，并且在切换位置被绝缘，变阻器具有欧姆电阻，欧姆电阻随着施加在变阻器两端的电压非线性地变化，当电压低于击穿电压时电阻高，当电压高于击穿电压时电阻降低。

附图说明

根据下面对用于断开过电压保护装置的电气保护设备的实施例的描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其它优点将变得更加清楚，该描述仅通过示例的方式并参考附图给出，其中：

图1是电气保护系统的简图，电气保护系统包括过电压保护装置和根据本发明的用于断开过电压保护装置的断开设备；

图2是示出了图1的电气保护系统的滤波器电路的简化框图；和

图3示意性地表示了存在短路和过电压事件时图1和2的电气保护系统的操作的示例。

为了清楚和简明地描述本发明，附图不一定按比例绘制，某些特征可以以示意图的形式呈现。

具体实施方式

图1表示电气系统2，电气系统包括电气保护装置4和过电压保护装置6，通常也称为“电涌保护装置”(缩写为“SPD”)。

例如，电气系统2旨在安装在电气设施中，例如以保护电气装备，例如电气负载和/或配电基础设施免受过电压。

在这种情况下，设备4和保护装置6彼此串联电连接。

在某些实施例中，保护设备4和过电压保护装置6永久地电连接并且一起在相同的单元内，例如在相同的壳体内。

在其他实施例中，保护设备4是能够从过电压保护装置6断开的可移除模块的形式。该模块可以与过电压保护装置6分开并独立地销售和分配。该模块可以包括其自己的壳体。

例如，壳体是由绝缘合成材料(如塑料)制成的模制壳体。

设备4包括第一连接端子8和第二连接端子10，用于将设备4电连接到过电压保护装置6和/或电气设施。

在该示例中，过电压保护装置6经由第二端子10与保护装置4串联连接。

设备4包括连接到第一端子8的第一电极12、连接到第二端子10的第二电极14和电弧灭弧室16。

例如，灭弧室16包含形成堆叠的金属板，旨在分离电弧以熄灭电弧。

灭弧室16成形为通向第一电极和第二电极。

例如，面向第二电极14布置的第一电极12的远端18具有朝向灭弧室内部(朝向金属板的堆叠)弯曲的形状，从而有利于将电弧引导至灭弧室16。

设备4还包括脱扣机构20和连接到第二端子10的弧切换的可移动电极22。

在所示的示例中，可移动电极22经由电导体23以永久的方式电连接到第二电触头14，电导体23例如是电缆或金属电缆网。

脱扣机构20被设计为将可移动电极22从称为操作位置的第一位置移动到称为切换位置的第二位置。

“操作位置”被理解为意味着例如当设备4在操作时默认处于闭合状态，并且只有当发送断开命令时才被切换到断开状态以防止电流的流动。换句话说，设备4正常处于闭合状态。

设备4因此被配置为使得当可移动电极22从操作位置切换到切换位置时，随着可移动电极22从操作位置移动到切换位置，存在于第一电极12和可移动电极22之间的电弧转移，直到电弧在第一电极12和第二电极14之间。

设备4还包括固定触头32，其放置在离第一电极12非常小的距离处，并且面向可移动电极22放置。

在操作位置，电极18与固定触头32相距一段距离。可移动电极22与固定触头32直接接触。

该距离足以在电极18和固定触头32之间维持作为电绝缘体的气隙。然而，在过电压的情况下，在电极18和固定触头32之间的气隙中可以形成低压电弧。

在过电压保护装置6的寿命结束时，短路电流经过电极18、固定触头32和可移动触头22。该短路电流将被传感器28检测到，并且断开命令被传输到致动器24，致动器24驱动机构20以断开可移动触头22。由于电极12和14的结构，已经存在于可移动电极22和固定触头32之间的电弧将被引导至灭弧室16。灭弧室中产生的电弧电压导致短路电流被切断，以保护电气设施的其余部分。

在切换位置，可移动电极22与固定触头32分开超过一定的绝缘距离。因此，在切换位置，可移动电极22和固定触头32之间的气隙比在操作位置更宽，并确保电流电气绝缘。

实际上，过电压保护装置6可以包括提供过电压保护的变阻器。

变阻器在操作位置连接在第一和第二端子之间，并且在切换位置被绝缘。

变阻器的欧姆电阻随着施加在变阻器的端子之间的电压非线性变化。例如，当施加的电压低于变阻器特有的击穿电压时，电阻高，当施加的电压高于击穿电压时，电阻降低。

有利地，保护设备4的脱扣机构20包括手动控制杆21，用于在操作位置和切换位置之间手动地移动可移动电极22。手动控制杆21例如被成形为由用户操纵。

有利地，保护设备4的脱扣机构20包括指示可移动电极22的位置的视觉指示器，从而使用户能够从设备4的外部看到脱扣已发生。

如下文将解释，保护设备4包括集成的脱扣装置，脱扣装置被配置为在存在电气故障的情况下，并且取决于故障的性质，选择性地触发可移动电极22的切换，以当保护装置6到达寿命终点时断开保护装置6，但是在电涌事件的情况下，过电压保护装置6保持连接。

现在参照图1和2描述脱扣装置的特征。

设备4包括致动器24、滤波器电路26和变流器28。

致动器24适于激活脱扣机构20的切换，以便在操作位置和切换位置之间切换可移动电极22。

优选地，致动器24是机电致动器，例如继电器。

例如，致动器24机械地联接到机构20。

变流器28包括芯部(在图2中由42表示)、初级线圈和次级线圈。

例如，芯部是磁芯。

初级线圈和次级线圈围绕芯部形成。

初级线圈连接在第一连接端子8和第一电极12之间，以承载由Ip表示的围绕芯部的电流。

滤波器电路26包括次级线圈和检测器50，其被配置为当来自次级线圈的信号超过阈值时，响应于该信号来操作机构20的致动器24(在图2中，致动器24和机构20分别由52和54表示)。例如，根据电气设施的特性和/或根据装置6的特性来选择阈值。

例如，检测器50的输出连接到致动器24的控制输入。

在许多示例中，检测器50是电子电路，例如集成电路或模拟电路，例如比较器。

滤波器电路26还包括，优选地以此顺序连接在次级线圈和检测器50之间：电压削波装置44、电压整流器46和低通滤波器48。

电压削波装置44、电压整流器46和低通滤波器48与次级线圈和检测器50并联连接，以过滤来自次级线圈的信号。

通常，滤波器电路26可以通过一个或多个电路和/或电子和/或机电部件来制造。

在图2中，电压Ve表示削波器44的端子之间的电压，电压Vr表示整流器46的端子之间的电压，电压Vd表示低通滤波器48的端子之间的电压。

例如，滤波器48是积分滤波器。

滤波器电路26因此被配置为使得在低通滤波器48的输出获得的滤波信号包括与初级线圈中的电流Ip的强度成比例的信号(特别是当短路电流存在于初级线圈中时)。

通过滤波器电路26，尤其是低通滤波器48的滤波提供了能够出现的两种类型的故障电流之间的区别：一方面是过电压(电涌)事件，另一方面是短路。

例如，过电压事件的特征是短暂和瞬时的冲击波。典型地，电流Ip的幅度非常高，例如能够高达40kA(千安培)，但是该故障仅持续短的持续时间，通常持续时间小于1ms(毫秒)，例如持续时间在20μs和350μs(微秒)之间。

相比之下，短路电流表现出比过电压更长的持续时间(例如，小于或等于100毫秒的持续时间，并且通常在2ms和10ms之间)。

现在将参考图3，对于设备4可能面临的两种场景(分别为过电压事件和短路)来描述操作的示例。

在该图3中，示例60示出了作为时间(横坐标轴，用“t”表示)的函数的在初级线圈中流动的故障电流Ip(曲线图62和64)、整流电压Vr(曲线图66和68)和检测器50的端子之间的电压Vd(曲线图70和72)的波形。对应于过电压(电涌)事件情况的曲线图62、66和70以实线绘制，而对应于短路情况的曲线图64、68和72以虚线绘制。

在正常操作中，可移动触头22与第一电极12(与固定触头32)保持近的距离，并且可移动电极22和固定触头32之间的气隙确保了电流绝缘，使得在装置6的变阻器中没有泄漏电流。这限制了变阻器的过早老化。

在过电压事件的情况下，电弧出现在可移动电极22和固定触头32之间，并且电流在可移动电极22和固定触头32之间流动，而不产生高峰电压。

装置4没有脱扣，可移动电极32保持在其操作位置。

这使得装置6能够发挥其过电压保护作用：因此，保护的总电压是装置6的变阻器的箝位电压，该电压可以加上可移动电极22和固定触头32之间的气隙的箝位电压。

然而，当装置6的变阻器表现出恶化的性能时，例如因为它将到达寿命终点，或者在过电压事件期间已完成其作用之后，情况发生变化。

在这种情况下，装置6的变阻器具有比其标称阻抗值更低的阻抗。由于可移动电极22和固定触头32之间的气隙仍然是导电的，电气设施中的标称电压(电网电压)足以产生短路电流或在变阻器中和可移动电极22与固定触头32之间的气隙中流动的强电流。

为了保护设施，设备4必须脱扣以切断短路电流。

因此，可移动电极22被切换到其脱扣位置，以消除存在于可移动电极22和固定触头32之间的电弧。

短路电流被灭弧室切断。在可移动电极22和固定触头32之间的气隙中产生的电弧被引导至灭弧室16，从而产生大于电气设施电压的电弧电压，因此迫使短路电流为零。

滤波器电路26提供过电压事件和短路之间的区分。

变流器28用于获得测量电流，测量电流是在初级线圈中流动的电流Ip的镜像，同时提供电流绝缘。

削波器44用于吸收由过电压事件产生的电流电涌峰值(曲线图62)，同时仅允许低振幅部分通过(曲线图66)。

整流器46确保装置4对于正负方向电流以相同的方式操作。

检测器50然后将滤波后的信号与阈值进行比较。

如果信号低于预定义的阈值，则机构20不脱扣，电极22保持在操作位置。

另一方面，如果信号达到或超过阈值水平，则检测器50指令致动器24操作，以便使机构20脱扣，从而将可移动触头22切换到切换位置，从而将电弧引导至灭弧室16。

电压Vd(经过积分滤波器48之后的电压)的斜率与电流Ip成比例。一旦电弧被设备4的脱扣中断，电流Ip变为零，电压Vd经由检测器的泄漏电流放电，并逐渐降低到零。

本发明使得保护设备4能够更好地区分短路和过电压事件，尤其是通过使用包含磁芯和处理电路的改进的脱扣装置来代替传统上与过电压保护装置一起使用的磁脱扣装置。处理电路包括滤波器，用于区分过电压事件和短路电流，过电压事件例如由闪电导致。

因此，获得了一种配备有选择性脱扣机构的系统，脱扣机构当过电压保护装置到达寿命终点(从而导致短路)时断开过电压保护装置的电触头，但是在过电压事件的情况下不断开过电压保护装置的电触头。

此外，杆断开机构20用于断开触头，以在维护操作期间提供安全绝缘。指示器使用户能够观察设备4何时脱扣。

在权利要求限定的范围内，上述实施例和变型可以相互结合以产生新的实施例。

Claims (10)

1.一种电气保护设备(4)，用于断开过电压保护装置(6)，包括：

-第一电极(12)，连接到所述电气保护设备的第一端子(8)，

-第二电极(14)，连接到所述电气保护设备的第二端子(10)，

-弧切换的可移动电极(22)，连接到所述第二端子(10)，

-电弧灭弧室(16)，通向所述第一电极和所述第二电极，以及

-脱扣机构(20)，被设计为将所述可移动电极(22)从操作位置移动到切换位置，使得当所述可移动电极(22)从所述操作位置移动到所述切换位置时，存在于所述第一电极(12)和所述可移动电极(22)之间的电弧转移，直到所述电弧在所述第一电极(12)和第二电极(14)之间，

其特征在于，所述电气保护设备(4)包括：

-变流器(28)，具有芯部(42)、初级线圈和次级线圈，所述初级线圈连接在所述第一端子和所述第一电极之间，以承载围绕所述芯部的电流(Ip)，以及

-滤波器电路(26)，包括次级线圈和检测器(50)，用于当来自所述次级线圈的信号超过阈值时，响应于所述信号激活所述脱扣机构(22、52)的继电器(24、50)，

其中所述滤波器电路(26)还包括连接在所述次级线圈和所述检测器之间的电压削波装置(44)、电压整流器(46)和低通滤波器(48)，电压削波装置(44)、电压整流器(46)和低通滤波器(48)中的每个与所述次级线圈和所述检测器并联连接，以对从所述次级线圈到所述检测器的信号进行滤波，所述滤波器电路(26)因此被配置为使得滤波后的信号包含与所述初级线圈中的短路电流成比例的信号。

2.根据权利要求1所述的设备(4)，其中所述检测器(50)是比较器。

3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(4)，其中所述滤波器(48)是低通积分滤波器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(4)，其中所述可移动电极(22)经由电导体(23)以永久的方式电连接到所述第二电触头(14)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(4)，其中所述操作位置对应于所述可移动电极(22)与固定触头(32)直接接触的状态，所述固定触头(32)放置在距所述第一电极(12)非常小的距离处，并且其中所述切换位置对应于所述可移动电极(22)远离所述第一电极以便将所述电弧引导至所述灭弧室(16)的状态。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(4)，其中所述电气保护设备(4)的脱扣机构(20)包括手动控制杆(21)，用于在所述操作位置和所述切换位置之间手动地移动所述可移动电极(22)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备(4)，其中所述电气保护设备(4)的脱扣机构(20)包括视觉指示器，所述视觉指示器指示所述可移动电极(22)的位置。

8.一种系统(2)，包括根据前述权利要求中任一项所述的电气保护设备(4)和过电压保护装置(6)，所述电气保护设备(4)是能够从所述过电压保护装置(6)断开的可移除模块的形式。

9.一种系统(2)，包括根据权利要求1至7中任一项所述的电气保护设备(4)和过电压保护装置(6)，所述电气保护设备(4)和所述过电压保护装置(6)永久地电连接并且一起在相同的单元内，例如在相同的壳体中。

10.根据权利要求8或9所述的系统(2)，其中所述过电压保护装置(6)包括变阻器，所述变阻器在所述操作位置连接在所述第一端子和第二端子之间，并且在所述切换位置被绝缘，所述变阻器具有欧姆电阻，所述电阻随着施加在所述变阻器两端的电压非线性地变化，当所述电压低于击穿电压时，所述电阻高，当所述电压高于所述击穿电压时，所述电阻降低。