故障电弧识别单元的制作方法

本发明涉及一种故障电弧识别单元、断路器、短路器和用于识别故障电弧的方法。

背景技术：

在低压电路或低压设备或者低压电网、即电压直至1000伏交流电压或者1500伏直流电压的电路中，短路通常与出现的故障电弧、例如并联或者串联故障电弧相关联。特别是在大功率的分配和开关设备中，其在切断不够快的情况下可能导致运行部件、设备部分或者整个开关设备的毁灭性的损坏。为了避免长持续时间并且大面积的能量供应停止并且减少人员伤害，需要在几毫秒内识别出并且熄灭这些故障电弧、特别是大电流故障电弧或并联故障电弧。传统的能量供应设备保护系统(例如保险装置和断路器)无法在所需要的时间要求下提供可靠的保护。

断路器这里特别是意为用于低压的开关。断路器特别是在通常用于63至6300安培的电流的低压设备中使用。更具体地，对于63至1600安培、特别是125至630或者1200安培的电流，使用闭路断路器、例如塑壳断路器。特别是对于630至6300安培、更具体地1200至6300安培的电流，使用开路断路器、例如空气断路器。

本发明的意义上的断路器特别是可以具有电子触发单元，也称为电子跳闸单元(electronictripunit，缩写为etu)。

断路器监视流过其的电流，并且当超过电流限制值或者电流-时间段限制值(即当在一定的时间段内存在一定的电流值时)时，中断到能量汇点或用电设备的电流或能量流，这称为触发。触发条件的确定以及断路器的触发可以借助电子触发单元来进行。

短路器是用于将线路或母线短路的特殊装置，用于产生定义的短路，以保护电路或设备。

传统的故障电弧检测系统评估由于电弧而产生的光发射，由此检测故障电弧。

这具有如下缺点：必须与电气线路或母线并行地铺设光波导或光学检测系统，以识别可能出现的故障电弧。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，呈现一种用于识别故障电弧的可能性。

上述技术问题通过具有权利要求1的特征的故障电弧识别单元、根据权利要求6的断路器、根据权利要求7的短路器以及具有权利要求8的特征的方法来解决。

根据本发明设置为，用于低压电路的故障电弧识别单元具有至少一个电压传感器和与其连接的评估单元，至少一个电压传感器用于周期性地确定电路的电压值(un,un1)。评估单元被设计为，根据所确定的电压值确定电压相对于时间的变化。将电压相对于时间的变化与阈值进行比较，并且在超过或者低于阈值时，输出故障电弧识别信号。

例如，可以在电压相对于时间的变化超过第一阈值(sw1)时，输出故障电弧识别信号。替换地，可以在电压相对于时间的变化低于第二阈值(sw2)时，输出故障电弧识别信号。在此，两个阈值的量值可以相同，其中，符号不同。

重要的是，识别出(例如在电压变化为正的情况下)超过阈值或者(例如在电压变化为负或者负半波的情况下)低于阈值的电压跳变或者电压的快速变化，并且产生故障电弧识别信号。故障电弧在电弧点燃时具有大的电压跳变。根据本发明，检测这些大的电压跳变，并且产生故障电弧识别信号。

在从属权利要求中给出了本发明的有利的设计方案。

在本发明的一个有利的设计方案中，评估单元被设计为，连续根据在时间上连续的两个电压值(un,un-1)确定电压差(dun)。将电压差(dun)除以电压值(un,un-1)的时间上的差(dtn)。将由此确定的差商(dqun)作为电压相对于时间的变化的度量与第一阈值(sw1)进行比较。在超过第一阈值的情况下，输出故障电弧识别信号。这具有如下特别的优点：当从当前的电压值(un)中减去先前的电压值(un-1)时，在电压的上升沿的情况下差商为正，从而针对超过阈值的正的电压相对于时间的变化，执行故障电弧确定。也就是说，识别出正的变化或者与电压的上升沿(在正弦的情况下0°至90°或者270°至360°的范围)有关的变化。由此提供一种简单的确定可能性。

在本发明的一个有利的设计方案中，评估单元被设计为，连续根据在时间上连续的两个电压值(un,un-1)确定电压差(dun)。将电压差(dun)除以电压值(un,un-1)的时间上的差(dtn)。将据此确定的差商(dqun)作为电压相对于时间的变化的度量与第二阈值(sw2)进行比较。在低于第二阈值的情况下，输出故障电弧识别信号。这具有如下特别的优点：当从当前的电压值(un)中减去先前的电压值(un-1)时，在电压的下降沿的情况下差商为负，从而针对超过阈值的负的电压相对于时间的变化，执行故障电弧确定。也就是说，识别出负的变化或者与电压的下降沿(在正弦的情况下90°至270°的范围)有关的变化。由此提供另一种简单的确定可能性。

在本发明的一个有利的设计方案中，评估单元被设计为，连续根据在时间上连续的两个电压值(un,un-1)确定电压差(dun)。将电压差(dun)除以电压值(un,un-1)的时间上的差(dtn)。将据此确定的差商(dqun)的量值作为电压相对于时间的变化的度量与第一阈值(sw1)进行比较。在超过第一阈值的情况下，输出故障电弧识别信号。这具有如下特别的优点：不仅针对正的电压相对于时间的变化，而且针对负的电压相对于时间的变化，执行故障电弧确定，因为对电压相对于时间的变化的没有符号的量值进行评估。如果量值超过第一阈值，则输出故障电弧识别信号。因此，提供一种不仅用于正的电压变化或跳变、而且用于负的电压变化或跳变的确定可能性。

在本发明的一个有利的设计方案中，设置至少一个电流传感器，电流传感器确定电路的电流并且与评估单元连接。评估单元被设计为，电流必须超过第三阈值(sw3)，以输出故障电弧识别信号。也就是说，在输出故障电弧识别信号之前，必须满足另一个标准、即超过第三阈值(sw3)。这具有使得能够更准确地识别故障电弧的特别的优点，因为故障电弧经常在大电流下才出现。因此，例如当在正常运行中出现快速的电压变化时，能够避免错误的故障电弧识别信号。

根据本发明，还提供一种用于低压电路的断路器。其具有根据本发明的故障电弧识别单元。故障电弧识别单元与断路器连接，其中，故障电弧识别单元被设计为，在输出故障电弧识别信号时，触发断路器，即中断电路。由此可以使故障电弧熄灭。如果断路器具有电子触发单元，则在存在故障电弧识别信号时，可以实现断路器的非常快速的触发。这具有如下特别的优点：为断路器扩展了另一个有利的用于保护电气设备的功能。在此，故障电弧的识别和断开有利地在一个设备中进行。在需要时，可以一起使用已有的组件、例如电压和/或电流传感器、电源件、评估单元的微处理器等，因此实现协同作用。

根据本发明，还提供一种具有故障电弧识别单元的短路器，故障电弧识别单元与短路器连接。故障电弧识别单元被设计为，在输出故障电弧识别信号时，短路器将电路短路，以使得故障电弧熄灭。这具有如下特别的优点：提供一种简单、快速并且有效的用于熄灭故障电弧的可能性。

此外，根据本发明，提供一种用于识别电路的故障电弧的方法。在此，周期性地确定电路的电压值(un,un1)。借助其，连续确定电压相对于时间的变化。如果例如在电压相对于时间的变化为正的情况下，电压相对于时间的变化超过第一阈值(sw1)，或者如果例如在电压相对于时间的变化为负的情况下，电压相对于时间的变化低于第二阈值(sw2)，则输出故障电弧识别信号。这具有提供一种简单的用于识别故障电弧的方法的特别的优点。

本发明的所有设计方案和特征使得故障电弧的识别或其熄灭得到改善。

附图说明

结合下面对结合附图详细说明的实施例的描述，所描述的本发明的特性、特征和优点以及实现其的方式将变得更清楚并且更容易理解。

附图中：

图1示出了电弧点燃之后的时间电压和电流曲线的曲线图，

图2示出了用于识别故障电弧的流程图，

图3示出了根据本发明的解决方案的框图，

图4示出了用于说明本发明的使用的第一图示，

图5示出了用于说明本发明的使用的第二图示，

图6示出了用于说明本发明的使用的第三图示。

具体实施方式

在故障电弧燃烧的电路或电网中，可以测量到具有独特的曲线的电流和电压曲线。在图1中示出了针对故障电弧的一般的电压和电流曲线。图1示出了曲线图的图示，其中示出了在电路、特别是低压电路中电弧或故障电弧、特别是并联故障电弧点燃之后的电压(u)和电流(i)的时间曲线。

在水平的x轴上以毫秒(ms)为单位示出了时间(t)。在垂直的y轴上，在左侧标度上以伏(v)为单位描绘了电压(u)的大小。在右侧标度上以安培(a)为单位描绘了电流(i)的大小。

在电弧点燃之后，电流(i)的曲线近似为正弦形的。电压(u)在一次近似中示出了矩形曲线，而不是通常的正弦形曲线。

与纯正弦形的电压曲线不同，在故障电弧燃烧的电路或电网中产生严重变形的电压曲线。抽象地考虑的话，在电压曲线中可以看到与由于测量位置和电弧之间的电压降而产生的正弦形部分叠加并且在高台上呈现高随机部分的矩形波形。矩形波形的特征在于，在电弧点燃时，并且在随后的交流电压的电压过零点，出现下面称为电压跳变的显著增大的电压变化，因为电压变化的增加与正弦形的电压曲线相比明显更大。

根据本发明，要识别这种电压变化或电压跳变，随后输出故障电弧识别信号。特别是，在此可以进行检测拟设(detektionsansatz)，使得检测在电弧点燃以及之后的电压过零点时的电压跳变。例如，为此可以进行差计算。连续或周期性地确定电压值(un,un-1)，其中，所确定的电压值(un,un-1)的测量频率或采样频率应当是交流电压的频率的倍数，例如应当处于1至200khz的范围内、更具体地10至40或者60khz的范围内、特别是40至50khz的范围内。

然后，例如利用所确定的电压值(un,un-1)进行差计算，其中，针对电压(un)的每个采样值计算差商(dqun)。为此，求当前的电压采样值(un)与先前的电压采样值(un-1)的差。将该差(dun)除以电压采样值(un,un-1)的时间上的差(dtn)，即dtn＝tn–tn-1，从而根据公式1得到差商(dqun)。

将该差商(dqun)作为针对电压相对于时间的变化的度量与阈值(sw)进行比较。在满足阈值条件的情况下，输出故障电弧识别信号。替换地，也可以从先前的电压采样值(un-1)中减去当前的电压采样值(un)(dun＝(un-1)–(un))。由此，仅差商的符号发生变化。在不是将量值、而是将绝对值与阈值进行比较的比较中，相应地也必须注意并且调整阈值的符号。

例如，以20μs的时间间隔(这对应于50khz的采样频率)测量到了30伏(un-1)和50伏(un)的电压值。

第一阈值例如可以是0.5v/μs。

所确定的差商1v/μs处于0.5v/μs以上。因此，输出故障电弧识别信号。

在图2中示出了对应的评估。根据图2，在第一步骤(1)中，进行差商电压(dqun)的连续计算。在第二步骤(2)中，将差商电压与阈值(sw)进行比较。如果超过了阈值(sw)，则在第三步骤(3)中，识别出故障电弧和/或输出故障电弧识别信号。如果未超过阈值(sw)，则可以在第四步骤(4)中通知不存在故障电弧或燃烧的故障电弧。计算可以连续进行。

根据一个设计方案，例如当计算出电压的有符号的变化参量时，可以对于正的值针对超过第一、例如正的阈值(sw1)进行比较，和/或对于负的值针对低于第二、例如负的阈值(sw2)进行比较。也就是说，当负的偏差的量值在数值上大于负的阈值的量值时。替换地，也可以形成电压的变化的量值(正)，然后将其与正的第一阈值(sw1)进行比较，并且在超过第一阈值时，输出故障电弧识别信号。

作为故障电弧识别信号的替换或者附加，也可以在“没有燃烧的故障电弧”和“存在燃烧的故障电弧”之间进行显示或者在设备中进行相应的区分。

此外，根据本发明的依赖于电压曲线的故障电弧识别可以与其它标准组合。例如与电路的电流的测量组合。为此，在电路中设置用于测量电流的另外的传感器。在此，将测量的电流、特别是例如可以根据曼恩莫里森(mann-morrison)方法计算的测量的电流的有效值与第三阈值(sw3)进行比较，并且仅当也超过该第三阈值(sw3)并且满足针对故障电弧识别信号的标准时，也输出故障电弧识别信号。该称为过电流释放的标准产生可靠的故障划界。对于故障电弧识别，必须在电路中流过最小故障电弧电流，以产生故障电弧识别信号。作为用于过电流释放的阈值，可以选择与运行电流有关的值。替换地，阈值确定也可以以特定于电弧的方式进行，因为对于燃烧的低压电弧，对于并联电弧，存在通常至少1000a的电弧电流，并且对于串联电弧，存在从1a起的电流。也就是说，根据使用或应用，可以将第三阈值sw3确定为从1a、10a、100a、1000a、5000a起。

在一个设计方案中，也可以依据第三阈值sw3的设置来确定第一和/或第二阈值sw1、sw2。也就是说，在第三阈值的量值大时，第一和第二阈值的量值同样大。

对此，图3示出了向用于确定故障电弧的第一评估单元(ae1)馈送所确定的电路的电压u的图示。向用于确定电流条件、例如超过第三电流限制值(sw3)的第二评估单元(ae2)馈送所确定的电路的电流i。将这两个单元的输出用“与”单元(&)连结，其输出在满足两个标准的情况下输出故障电弧识别信号(sles)。

图4示出了具有用于检测故障电弧的输出选择性故障电弧识别单元的设备配置的概览电路图的示意性图示。图4示出了具有保险装置si的低压电源nse，之后是其用于三相交流电网或电路的导线的汇流排或母线l1,l2,l3。未示出中性导线或零线。分别对三个母线l1,l2,l3中的每一个分配电压传感器seu1,seu2,seu3和电流传感器sei1,sei2,sei3。母线与开关和/或分配设备sva连接。电压和电流传感器与根据本发明的故障电弧识别单元see连接，故障电弧识别单元see具有根据本发明的评估单元ae。其具有用于输出故障电弧识别信号sles的输出。电压和电流传感器确定母线l1,l2,l3的电压值(un,un1)和电流值(in,in1)并且将其馈送到根据本发明的故障电弧识别单元see。传感器在此布置在故障电弧识别单元外部并且与其连接。

图5示出了具有用于检测故障电弧的中央故障电弧识别单元的设备配置的概览电路图的另一个示意性图示。图5示出了低压电源nse，之后是馈入线缆elt1，之后是馈入开关esch，之后是电流传感器sei1和电压传感器seu1，之后是母线ss。在母线ss上设置有3个输出abgi,abgii和abgiii。其分别与输出线缆alt1,alt2,alt3相关联。

传感器sei1,seu1与故障电弧识别单元see连接，其输出又与馈入开关esch连接。馈入开关在此可以是断路器。当例如在输出中的一个中出现故障电弧时，在识别出故障电弧时，可以将电路、即母线ss的电力供应中断。

图6示出了根据图5的图示，不同之处在于，传感器布置在第二输出abgii中，第二输出abgii还具有保险装置si和短路器ks。传感器sei1和seu1检测输出abgii的电流和电压值，并且将其传输到故障电弧识别单元see。如果故障电弧识别单元see识别出故障电弧，则在其输出处输出故障电弧识别信号并且传输到短路器ks。该短路器随后将输出abgii短路，以使故障电弧熄灭。

根据图5或者图6的故障电弧识别例如可以作为移动系统实施。

下面再一次说明本发明。

利用本发明，可以识别特别是低压开关和分配设备中的故障电弧、特别是并联或者大电流故障电弧。为此，根据本发明，可以特别是基于对测量的电压值或信号的评估提供数值求解或检测算法。为了识别故障电弧，测量电压，并且借助信号曲线分析进行评估。由于在实践中需要进行快速的电弧检测，在此，根据本发明，可以提供在时间上极其快速的评估。

利用本发明，例如可以基于电源处的中央电压测量，快速地检测例如处于低压的例如开关和分配设备中的大电流故障电弧。

本发明特别是可以有利地在断路器或者短路器中使用。

不需要在设备中用于识别故障电弧的光波导的复杂的安装。电压测量可以中央地实现，并且在需要时可以与其它运行部件协同使用。

此外，可以简单地在已有的开关和分配设备中实现，因为根据本发明的检测系统例如可以仅中央地安装，而不需要安装在要保护的各个单元中。

本发明可以作为具有中央电压测量的组件来实现。

迄今为止在市场上可获得的检测系统基于光学故障识别，因此有由于外来光(例如闪光灯)的影响而被误触发的可能性。在根据本发明的解决方案中基于电压测量，因此不存在这种潜在的风险。

虽然通过实施例进一步详细示出并描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，本领域技术人员可以得出其它变形，而不脱离本发明的保护范围。