专利名称：用于防止意外电弧的电源开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及在壳体中的多极电源开关，包括触断器模块，用于与为 低压开关机构供电的电源连接或断开；触发模块，用于在过载时与低压开 关机构断开；电流检测模块，用于检测为低压开关机构供电的导体电流； 优选的电子控制模块，用于处理所检测到的导体电流，并至少生成针对触 发模块的触发信号。
背景技术：
电源开关在发生过流、短路或意外电弧时的断电能力和切断时间取决 于各种参数。切断过程包括触发时间、固有时间和切断时间。触发时间是 从出现引起触发的变化因素到触发过程开始的时间，例如开关闭锁的解除。 这之后是开关的固有时间，其取决于移动和打开开关接触点的动态过程。 在开关用于相对高的功率范围(标称电流高至100千安(kA))的情况中， 切断时间可以高至50到65毫秒。已知存在这样的电源开关，其包括电子 触发模块(例如，DE 19743997Al)，并且允许可变地调整开关机构的保护 条件的功能配置。然而，这种电子模块未改变切断时间。
电气装置中意外电弧的发生可能对人和/或财产造成严重损害；如果未 被排除，那么应该尽可能地限制这种伤害和损害。为了避免这种损害，已 经提出了各种措施，其中的最优方案是，在比馈送开关的切断时间更短的 时间内去除(消除)意外电弧。意外电弧的检测需要变流器，其必须被添 加到开关机构装置中。而这占据空间并且很昂贵。此外，必须安装额外的 模块来消除意外电弧。意外电弧消除模块的额外花费在经济上并不总是合 理的。
发明内容
本发明的目的是向电源开关添加使其切断时间縮短的装置。
5根据本发明，该目的是通过独立权利要求中的特性特征实现的，而从 属权利要求公开了本发明的有益发展结果。
本发明的核心在于电源开关可以由过流评估设备(电弧监控系统) 激活，所述过流评估设备对在低压开关机构中发生的意外电弧作出反应； 来自于电弧监控系统的过流信号可以通过第一评估模块与用于触发控制模 块的信号相联系(linkedto)，所述第一评估模块用于评估源自于意外电弧 的过流强度；以及只有在来自电流检测模块的信号高于可预调整的阈值的 情况下，才发出关断脉冲来激活用于触发电源开关的模块。意外电弧的闪 现以及基于该电弧的故障电流的迅速上升使得来自电弧检测与评估单元的 开关信号直接传至用于触发电源开关的模块，由此导致所述电源开关打开 接触点(contact )。
本发明的优点基本上在于因为是直接激活用于控制电源开关的模块， 所以与通过电源开关的设备内部电流检测模块来激活的情况相比较，触发 机构被更早(并因此更迅速地)激活。本发明允许在不使用可能有用的电 弧消除设备的情况下，综合关于意外电弧的数据的评估并利用无论如何都 存在于电源开关中的变流器，这与縮短防止意外电弧的切断时间相关联。
对电源开关的切断命令在电源开关的实际电子器件中生成，并且直接 作用于电子触发模块的磁线圈。该触发过程的直接影响使得能够显著縮短 切断时间。在已知的电源开关中，中转固有时间和触发链使用工作电流触 发模块将切断时间增至约65毫秒。所提供的方案使得该时间縮短20到30 毫秒，这意味着縮短了约50%。
本发明在成本上具有明显的优点。可以构造具有模块化结构的意外电 弧防止模块。根据本发明的电源开关的使用会使得意外电弧防止系统变得 更加普遍。
意外电弧防止系统一般来说不仅检测光学现象，还检测第二物理变量。 该第二物理变量一般为电流强度。检测电流强度需要变流器，而变流器占 据空间并必然产生额外成本。本发明利用电源开关中己经提供的、并且之 前仅用于触发电源开关的变流器。
本发明的进一步的有利实施例具有以下可以单独或者 互组合来使用 的特征。优选地，第一评估模块的阈值应该被设置为标称电流的两倍。对于例 如表征为高导体阻抗的特定开关机构件，该阈值将减小。
电源开关的电流检测模块包括本领域技术人员已知的常规模块，通常
使用Rogowski线圈。
电弧监控系统包括至少一个意外电弧传感器，该意外电弧传感器的输 出信号可以通过至少一个监控线传输给控制模块。
意外电弧传感器检测当出现意外电弧时发生的物理效应。优选地，检 测来自意外电弧的光学现象，因此主要提出光学检测模块(即，光电二极 管和/或光纤)。电子网关模块可以被插入在前述监控线与用于控制电源开 关的模块之间。该网关模块组合了监控线(优选地，可以通过连接器连接 到网关模块)和至少一个到控制模块的输出线的访问模块。电弧监控系统 与电源开关之间的通信由此用该网关模块作为媒介。
如果使用光学检测模块，则来自意外电弧传感器的信号是光信号。网 关模块因此包括光耦合器，在其中将光信号转换成电信号来激活用于控制 电源开关的模块。网关模块因此与控制模块电气隔离。优选地，用于传输 警告信号的监控线可以被配置为电子总线。
根据本发明的组件可以与在出现意外电弧时被激活来使相电流承载流 径短路的模块(后文中称为"短路模块")进行组合。因此，除了意外电弧 的检测和基于该检测的用于切断电源开关的处理之外，还可以消除几乎全 部起初的意外电弧。短路模块产生金属短路，其在少于2毫秒的时间内收 回提供给意外电弧的电能。因此，应该在控制模块中配置有信号输出，用 于激活短路模块。这允许用短路模块在任意级改装根据本发明的组件。
如果使用前述短路模块，则用于评估意外电弧过流的第二评估模块应 该与控制模块相关联。第二评估模块的可预调整的阈值应该高于第一评估 模块的阈值，并且只有在来自电流检测模块的信号高于第二评估模块的阈 值的情况下，才发出关断脉冲来激活短路模块。优选地，第二评估模块的 阈值应该被设置为标称电流的四倍。可以说存在两个意外电弧防止级别。 这些措施防止短路模块在低意外电弧电流时被激活，因为首先只有电源开 关由于可调整阈值而被连接。仅在相对高意外电弧电流时才几乎立即触发 短路模块。电弧检测模块和短路模块的元件的细节结构可以按照本领域技术人员 的期望来配置。有利地使用前述电子网关模块，通过该电子网关模块，使 用致动信号来激活短路模块。如前文所述，网关模块是电源开关与意外电 弧检测和防止系统之间的通信构件。还可以在网关模块中规定，只有在意
外电弧发生在低压开关机构的可预选隔区(compartment)内的情况下才激 活短路模块。因此，(通过短路模块进行的)意外电弧的去除可以仅与开关 机构的特定保护区域相关联(这将在后文更详细地描述)。因此，意外电弧 防止系统可以用于不同的开关机构，并且因此可以在不进行后续改变的情 况下进行扩展。
在简化实施例的方式中，如果将电弧检测信号(通过光电网关)直接 馈送至电源开关的电子器件，则可以省略网关模块。在该类型的一种情况 中，至少一个光传感器可以直接连接到电源开关上的输入。
用于产生短路的短路模块应该被安排在负载侧上(即，在电源开关之 后)，位于负载侧的导电轨之间。然而，有可能存在其中将短路模块安排在 主侧上(即，在电源开关之前)更为有利的电路装置。在这种情况中，上 级的电源开关的目的是，在短路模块产生短路时，以无电压的方式将该装 置作为整体来连接。
电源开关可以具有锁机构来防止电源开关恢复为接通，所述锁机构在 触发短路模块中的开关功能之后开始工作。锁功能在该配置中可以为机械 的或机电式的。这确保开关机构可以仅在已致动的短路模块已经替换成功 能上为新的短路模块并且锁功能已经被取消时才被激活。
本发明进一步的细节和优点将从附图中说明的以下实施例中显现，在 附图中.-
图1以电路逻辑的形式示出本发明的示意性构造， 图2示出合并了短路模块的电路逻辑的构造， 图3是图2的详细说明，以及 , 图4示出对电路逻辑的补充，其包括时间延迟模块。
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具体实施例方式
每一幅附图都以电路逻辑的形式示出本发明的示意性构造。该电路布 置的元件可以为分立的电子部件或集成的电子部件(微处理器)。特别地， 可以使用可编程的数字电子装置来代替固定的硬件构造(例如，形成为可 编程控制器)。这样，可以很容易地在编程方面作出各种改变。
附图中的元件是壳体中的电源开关的部件，未包括位于电源开关外部
的电弧检测单元LBS和电弧消除模块12 LBQ。
与所有电源开关类似，根据本发明的构造包括触断器模块，用于与 为低压开关机构供电的电源连接或断开；触发模块70，用于在过载时与开 关机构断开；电流检测模块80 (例如Rogowski线圈)，用于检测为低压开 关机构供电的导体电流Ll、 L2、 L3;以及控制模块，用于处理所检测到 的相导体电流L1、L2、L3，并且至少生成针对触发模块70的触发信号183。 优选地，触发模块70可以是电子触发模块，从而根据本发明被配置为逻辑 电路的组件可以很容易被集成。
控制模块的元件包括可通过调整按钮(在电源开关前端可触及)来 调整的阈值调整模块Sl;用于将过流信号180引导到第一比较器63的模 块，其中调整信号182经受了阈值调整S1;以及用于将过流信号183转发 到与(AND)运算60的模块，在所述AND运算60处，电气警告或者过 流信号104来自于意外电弧检测模块LBS。如果过流信号180高于在阈值 调整模块S1中所设的阈值，则用于触发电源开关的机构70被通过激活(关 断脉冲)200而启动，从而接触点打开。
阈值调整模块Sl的调整范围可以包括值从0.5到6的标称电流IN。对 于典型应用，Sl可以被设为2Iw。
电弧检测单元LBS在图2中被示意性地指出，在图2中还示意性地指 出了电弧消除模块12LBQ。
图1示出电弧检测单元LBS的细节。电弧监控系统LBS包括至少一 个意外电弧传感器10，该意外电弧传感器IO可以被配置为点传感器(光 电二极管)或线传感器(光纤)。电弧传感器还可以通过监控总线进行连接。 Zl、 Z2、 Z3表示电气开关机构的隔区，每一个都包含意外电弧传感器。
将低压开关机构分成隔区Z1、 Z2、 Z3限定了不同的功能单元和保护区域。区分子划分(母线箱(chamber)、器件箱、连接箱，每一个都包括 分区、盖或者器件护层)降低了进行维护和连接工作的人员的潜在风险。 然而，子划分产生对电弧传感器的遮蔽(shading)。电弧传感器(点或线 传感器)的布置和选择取决于开关机构的子划分的程度。电子网关模块30 可以包含用于选择和分配电弧传感器给隔区Z1、 Z2、 Z3的模块38。取决 于用户所设定的开关机构的构造，网关模块能够在用电弧传感器改装开关 机构时通过设置区域选择开关38来顾及电弧检测的性质和灵敏性。优选 地，区域选择开关可以被配置为DIP开关。因此，网关模块也可以被这样 配置，即短路模块仅在意外电弧发生在低压开关机构的预选隔区中时才被 激活。因此，根据本发明的组件对于改装来说是灵活且适应性强的，而不 必预先特别地连接该组件。
来自意外电弧的光信号20经过网关模块30、经过线路102到达光耦 合器50，该光耦合器50将光信号102转换为电信号104。网关模块30可 以通过四极线路、通过RJ45型迷你连接器连接到光耦合器50和短路模块 网关52。短路模块网关52在图3中示出。它具有用于通过致动信号188 来激活短路模块12的二元输出。接触点32、 34、 36、 40 (还在图3和图4 中看到)可以组合在RJ45型迷你连接器中。
未示出承载导体电流L1、 L2、 L3的电流路径的位置和布置。短路模之间。
图2说明了控制模块S1、 180、 182、 183、 60为用于评估意外电弧过 流的第二评估模块S2、 184、 64、 185。第二评估模块S2、 184、 64、 185 的可预调整的阈值S2在这种情况下被设置为比第一评估模块S1、 63、 60 的阈值Sl高。阈值调整模块S2的调整范围可以包括从标称电流IN的两倍 到十倍的值。通常，S2被设置为Sl的设定值的两倍高。只有在来自于电 流检测模块80的信号180高于第二评估模块的阈值S2的情况下，才发出 关断脉冲200来激活短路模块70。
第二评估模块的元件包括阈值调整模块S2 (具有相应的调整按钮); 用于分支和传输过流信号180到第二比较器64的模±央，其中调整信号184 经受了第二阈值调整S2;以及用于将信号185转发到触发模块(通过或OR)门62、与运算60和信号200)和短路模块12 (通过网关52和网 关模块30)的模块。
如果过流信号180高于在阈值调整模块Sl中设置的阈值而低于阈值 S2，则电源开关的短路机构70未被激活。这通过或门62来保证。过流信 号180只有在过流条件(根据信号180)大于阈值S2 (例如，S2=4IN)时 才经受与运算60。
图3将图2的示意图分解为多个细节，尽管这些细节已经在图1中涉 及并对其进行了描述。
在图2中，标号51表示光电网关，其也可以是用于控制电源开关的模 块的部件。来自电弧传感器的检测信号102、 104可以通过该网关直接传输 到控制模块，而不用提供接口和光耦合器(如图1中示出的两种情况)。
图4示出向电路逻辑添加时间延迟模块(66、 67、 193)。开关设备， 特别是用于相对高的电流的保护开关，产生开关电弧。在电源开关被安排 在开关装置内或其附近并且未在空间上被分离开的情况中，电弧传感器还 可以检测电源开关的开关电弧。为了防止开关电弧在切断电源开关的过程 中(尤其是在高或极高电流负载下)起动短路模块12，使用电子时间延迟 模块67来将切断信号192延迟一段短时间(约2到5毫秒)。在图4中， 示出了用于切断电源开关的切断致动器(手动致动设备)ST。致动信号192 通过或门66经由电流路径193被输入到短路模块70。在电源开关承载特 别高的电流(高于过流调整模块S3设置的阈值S3)的情况中，开关信号 188由此只有在一延迟之后才到达短路模块。过载阈值S3的设定值应该被 设置为高于前两个阈值(S1和S2)的设定值。
标号，未在说明书中说明
10电弧传感器(点传感器，LWL)
12短路模块(电弧消除设备LBQ)
20检测线(监控总线)
30网关模块
32警告信号口 (socket) 102 34 压源端子(例如，24VDC) ii36接地电势口 106
38区域选择开关、DIP开关、接触点区域分配(Zl、 Z2、 Z3) 50耦合构件(光耦合器) 51光电网关
52短路模块网关(具有二元输出)
60与运算
62,62'或门
63第一加法器
64第二加法器
65第三加法器
66或门
67时间延迟模块 68或门
70触发模块(励磁线圈，电磁体)
80测量变换器；测量值预备模块；电流检测模块(例如，Rogowski 线圈)
102警告信号(光信号)
104警告信号(电信号)
106接地电势
110电压源(例如，24VDC)
180过流信号
182阈值S1
183,183'高于阈值S1的过流信号
184阈值S2
185高于阈值S2的过流信号
188，188'短路模块开关命令
190过载控制值
191信号过载控制值S3
192切断信号
193切断信号192在其中循环200对触发模块的命令(切断信号)
LBS电弧监控系统(过流评估设备)
LBQ短路模块12
SI S2第一、第二阈值设置模块
S3过载控制器
ST切断致动器
Zl Z2开关机构子划分区域
1权利要求
1、一种在壳体中的电源开关，包括·触断器模块，用于与为低压开关机构供电的电源连接或断开，·触发模块(70)，用于在过载时与所述低压开关机构断开，·电流检测模块(80)，用于检测为所述低压开关机构供电的导体电流(L1、L2、L3)，·控制模块(S1、180、182、183、60)，用于对所检测到的导体电流(L1、L2、L3)进行处理，并至少生成针对所述触发模块(70)的触发信号(183)，其特征在于所述电源开关能够由对意外电弧的发生作出反应的电弧监控系统(LBS)来激活；来自于所述电弧监控系统(LBS)的过流信号(104)通过第一评估模块(S1、63、60)与来自所述控制模块(S1、180、182、183、60)的触发信号(183)相联系，所述第一评估模块(S1、63、60)用于评估意外电弧过流；以及只有在来自所述电流检测模块(80)的信号(180)高于可预调整的阈值(S1)的情况下，才发出关断脉冲(200)来激活用于触发所述电源开关的模块(70)。
2、 根据权利要求l所述的电源开关，其特征在于，所述电流检测模块 (80)包括Rogowski线圈。
3、 根据权利要求1或2中的任意一个所述的电源开关，其特征在于， 所述电弧监控系统(LBS)包括至少一个意外电弧传感器(10)，来自所述 至少一个意外电弧传感器(10)的输出信号能够通过至少一个监控线(20) 被传输给所述控制模块(Sl、 180、 182、 183、 60)。
4、 根据前述权利要求中的任意一个所述的电源开关，其特征在于，所 述电源开关的所述控制模块(Sl、 180、 182、 183、 60)包括光电网关(51)， 其能够由来自所述电弧传感器的检测信号(102、 104)直接作用。
5、 根据前述权利要求中的任意一个所述的电源开关，其特征在于，在所述控制模块中配置有信号输出(185)，用于激活短路模块(12、 LBQ)， 所述短路模块(12、 LBQ)用于使承载所述导体电流(Ll、 L2、 L3)的电流路径短路。
6、 根据权利要求5所述的电源开关，其特征在于用于评估所述意外 电弧过流的第二评估模块(S2、 184、 64、 185)与所述控制模块(Sl、 180、 182、 183、 60)相关联；所述第二评估模块(S2、 184、 64、 185)的可预 调整的阈值(S2)高于所述第一评估模块(Sl、 63、 60)的阈值(Sl); 以及只有在来自所述电流检测模块(80)的信号(180)高于所述第二评估 模块(S2、 184、 64、 185)的阈值(S2)的情况下，才发出关断脉冲(200) 来激活所述触发模块(70)。
7、 根据权利要求6所述的电源开关，其特征在于，所述第二评估模块 (S2、 184、 64、 185)的阈值(S2)被设置为所述第一评估模块(Sl、 63、60)的阈值(Sl)的两倍。
8、 根据权利要求5、 6或7中的任意一个所述的电源开关，其特征在 于，所述短路模块(12)能够由通过网关模块(30)的致动信号(185、 188) 来激活。
9、 根据权利要求5到8中的任意一个所述的电源开关，其特征在于， 所述短路模块(12)被安排在负载侧的导电轨之间以用于产生短路。
10、 根据权利要求5到9中的任意一个所述的电源开关，其特征在于， 所述电源开关具有锁机构，以防所述电源开关恢复为接通，所述锁机构在 触发所述短路模块(12)中的开关功能之后开始工作。
11、 根据权利要求5到10中的任意一个所述的电源开关，其特征在于， 提供了电子时间延迟模块(67)，其将传送给所述短路模块(12)的短路开关信号(192)延迟2到5毛秒的时间.
全文摘要
本发明涉及被配置来防止低压开关机构中的意外电弧的电源开关。本发明为该电源开关提供对开关机构中产生的意外电弧作出响应的过流评估模块。来自于电弧监控系统LBS的过流信号104(闪现意外电弧)通过第一评估模块S1、182、63与用于触发控制模块的信号103相联系，所述第一评估模块S1、182、63用于评估源自于意外电弧的过流强度。只有在来自电流检测模块80的信号180高于可预调整的阈值S1的情况下，才发出关断脉冲200来激活用于触发电源开关的模块70。本发明允许电源开关更迅速地去除基于意外电弧的过流。
文档编号H02H3/08GK101682183SQ200880015516
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月9日 优先权日2007年5月10日
发明者A·舒马赫, S·达尔, W·瓦格纳 申请人:默勒有限公司