保护开关设备和方法与流程

本发明涉及具有根据权利要求1的前序部分所述的电子中断单元的用于低压电路的保护开关设备的以及一种具有根据权利要求17的前序部分所述的电子中断单元的用于低压电路的保护开关设备的方法。

背景技术：

1、低压是指交流电压高达1000伏或直流电压高达1500伏的电压。低压特别是指大于小电压的电压，小电压的值为50伏交流电压或120伏直流电压。

2、低压电路或低压电网或低压系统是指额定电流或标称电流直至125安培、更特别是直至63安培的电路。低压电路特别是指额定电流或标称电流直至50安培、40安培、32安培、25安培、16安培或10安培的电路。提到的电流值特别是指额定电流、标称电流或/和关断电流、即在正常情况下引导通过电路的最大电流，或者电路通常中断的电流，例如通过保护装置、诸如保护开关设备或线路保护开关或断路器中断的电流。额定电流可以进一步分级，从0.5a，经1a、2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a、9a、10a等，到16a。

3、线路保护开关是从很久前就已知的过流保护装置，其在电气安装技术中应用在低压电路中。线路保护开关保护线路免受由电流过高和/或短路引起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关断电路。线路保护开关是一种非自动复位的保险丝元件。

4、与线路保护开关不同的是，断路器的电流被设置为大于125安培，在某些情况下也从63安培开始。因此，线路保护开关的结构更简单并且更精致。线路保护开关通常具有用于如下固定可能性，即固定在所谓的顶帽式导轨(支承导轨，din导轨，th35)上。

5、线路保护开关采用机电结构。在壳体中，它们具有用于中断(触发)电流的机械开关触点或工作电流触发器。通常，双金属保护元件或双金属元件用于在长时间过流(过流保护)或热过载(过载保护)的情况下触发(中断)。具有线圈的电磁触发器用于在超过过流界限值或在发生短路(短路保护)的情况下短时间地触发。设置一个或多个灭弧室或用于灭弧的装置。此外，设置用于要保护的电路的导体的连接元件。

6、具有电子中断单元的保护开关设备是相对较新的发展。保护开关设备具有基于半导体的电子中断单元。也就是说，低压电路的电流引导通过半导体器件或半导体开关，该半导体器件或半导体开关可以中断电流或切换为导电。具有电子中断单元的保护开关设备还通常具有机械分离触点系统，其特别是根据低压电路的相关标准具有分离特性，其中机械分离触点系统的触点串联连接到电子中断单元，即要保护的低压电路的电流既引导通过机械分离触点系统又引导通过电子中断单元。

7、本发明尤其涉及低压交流电路，其具有交流电压，其通常具有频率f的取决于时间的正弦交流电压。交流电压的瞬时电压值u(t)的时间依赖关系通过如下等式来描述：

8、u(t)＝u*sin(2π*f*t)

9、其中：

10、u(t)＝时间t处的瞬时电压值

11、u＝电压的幅度

12、谐波交流电压可以通过指针的旋转来表示，指针的长度对应于电压的幅度(u)。在此，瞬时偏转是指针在坐标系上的投影。振荡周期对应于指针的完全旋转，并且其全角为2π(2pi)或360°。角频率是这个旋转指针相角的变化率。谐波振荡的角频率总是其频率的2π倍，即：

13、ω＝2π*f＝2π/t＝交流电压的角频率(t＝振荡的周期持续时间)

14、角频率(ω)的说明相对于频率(f)通常是优选的，因为许多振动理论公式由于三角函数的出现可以借助角频率来更紧凑地表示，根据定义，三角函数的周期为2π：

15、u(t)＝u*sin(ωt)

16、在时间上不恒定的角频率的情况下，也使用术语瞬时角频率。

17、在正弦的、特别是在时间上恒定的交流电压的情况下，根据角速度ω和时间t的、取决于时间的值对应于取决于时间的角度该角度也称为相角也就是说，相角周期性地通过0...2π或0°...360°的范围。也就是说，相角周期性地呈现0和2π或0°和360°之间的值或由于周期性；缩写为：或

18、因此，瞬时电压值u(t)指的是在时间点t的电压的瞬时值，即，在正弦(周期性的)交流电压的情况下指的是关于相角的电压的值(或针对相应的周期)。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，改进上述类型的保护开关设备，特别是改进这种保护开关设备的安全性或替换地改进低压电路的供电安全性或实现用于这种保护开关设备的新型方案，特别是改进连接在负载侧的电路的安全性。

2、上述技术问题通过具有权利要求1的特征的保护开关设备以及通过根据权利要求17的方法来解决。

3、根据本发明提供了一种用于保护低压电路、特别是低压交流电路的保护开关设备，具有：

4、-壳体，具有用于低压电路的导体的电网侧的接头和负载侧的接头，

5、-电流传感器单元，用于确定低压电路的电流的大小，

6、-机械分离触点单元，具有触点的闭合状态用于低压电路中的电流流动或者具有触点的断开状态用于低压电路中的避免电流流动的电流隔离，

7、该机械分离触点单元尤其可以通过机械手柄操作和切换，从而能够(通过手柄)切换触点断开用于避免电流流动或触点闭合以用于低压电路中的电流流动，因此可以切换低压电路中的(特别是)电流隔离；

8、在机械分离触点单元中，触点的断开也可以被称为断路，触点的闭合也可以被称为接合；

9、-电子中断单元，该电子中断单元在电路侧与机械分离触点单元串联连接，并且该电子中断单元通过基于半导体的开关元件具有开关元件的(特别是不导通的)高阻状态以避免电流流动和开关元件的(导通的)低阻状态以用于低压电路中的电流流动；

10、在电子中断单元中，开关元件的(特别是不导通的)高阻状态(以避免电流流动)也称为关断状态(过程：关断)，开关元件的(导通的)低阻状态(以用于电流流动)被称为接通状态(过程：接通)；

11、-控制单元，其与电流传感器单元、机械分离触点单元和电子中断单元连接，其中，当超过电流界限值或电流-时间界限值时(即在超过电流界限值持续特定时间段时)，启动低压电路的电流流动的避免，特别是以便避免短路电流。

12、根据本发明，保护开关设备被设计为，使得在通过电子中断单元的开关元件的高阻状态和触点的闭合状态避免电流流动之后，在至少一个负载侧的接头处进行至少一个电参数的检查。

13、这具有特别的优点，即在避免电流流动的事件之后，通过保护开关设备进行进一步的检查，有利地在通常引起避免电流流动的事件的负载侧的接头处，有利地通过检查至少一个电参数。因此，可以进一步监测负载侧的接头处的状态，并且在状态改变时有利地进行另外的动作，例如根据本发明的有利的设计方案。

14、另一方面，因此提出了保护开关设备的全新的运行方案，其中，与例如迄今的线路保护开关不同，在避免电流流动的事件之后也执行检查。

15、本发明的有利的设计方案在从属权利要求和实施例中给出。

16、根据本发明，保护开关设备包含两个开关单元，机械分离触点单元(开关单元)和电子中断单元(开关单元)，其中，

17、-机械分离触点单元具有(执行/承担)用于(电流地)接合和断路的功能，以及

18、-电子中断单元具有(执行/接收)用于接通和关断电流或电压的功能。

19、特别地，通过机械手柄仅能操作机械分离触点单元。借助电子中断单元的接通和关断不能(直接)在设备上操作。

20、在本发明的一种有利的设计方案中，至少一个电参数具有尤其取决于保护开关设备的目标范围。

21、如此长时间地执行检查，直到电参数位于目标范围中。

22、使得位于目标范围中的电参数将电子中断单元变换到低阻状态中。

23、这具有特别的优点，即提出了一种全新的保护开关设备的运行方案。在根据现有技术的线路保护开关中，在避免电流流动的事件之后，不能容易地设置通过保护开关设备本身启动的重新接通或负载侧的能量供应。在任何情况下存在附加设备，例如具有ard(automatic reclose device，自动复位装置)的所谓的远程驱动器或电机驱动器，该远程驱动器或电机驱动器必须附加地安装在外部，成本高并且需要附加的空间。然而，这些附加设备具有分钟范围内的重新接通时间，在最快的情况下具有数个或更大的秒范围。有利地，通过根据本发明的新型保护开关设备的设计方案，在负载侧的一个或多个接头处的避免电流流动的事件消失或位于目标范围内的电参数的情况下，通过低阻状态(自动地或预定义地)再次建立能量供应，这借助电子中断单元在毫秒范围内或在微秒范围内进行。

24、在本发明的一种有利的设计方案中，通过目标值来表征目标范围。尤其如此长时间地执行该检查，直至电参数大于最小的目标值。

25、这具有特别的优点，即存在特别简单的目标范围，仅在超过目标值的情况下执行检查。因此，本发明的(经济上)简单的实现是可能的。

26、在本发明的一种有利的设计方案中，在位于目标范围中的电参数的情况下，只有当电参数位于目标范围中持续第一时间范围(无故障的时间范围)时，电子中断单元才变换到低阻状态中。特别地，第一时间范围是可调节的，例如通过输入单元(通信单元)。

27、第一时间范围例如可以是10ms至100ms，此外关于较短的时间，第一时间范围可以是1ms至100ms。第一时间范围在较长的时间方面例如可以是10ms至10s，特别是10ms至1s或10ms至200ms。任何中间值都是可能的并被公开。

28、这具有特别的优点，即给出能量供应装置的更高的供应安全性，因为在短时间的故障的情况下不中断能量供应。

29、在本发明的一种有利的设计方案中，保护开关设备具有输入单元。在位于目标范围中的电参数的情况下，只有当借助输入单元(通信单元)进行确认(quittierung)时或者在(借助输入单元(通信单元))进行确认之后，电子中断单元才变换到低阻状态中。

30、这具有特别的优点，即在低压电路中得到更高的安全性，因为在故障时必须首先通过操作人员进行确认。

31、在本发明的一种有利的设计方案中，在超过电流界限值或电流-时间界限值之后，在第一时间段pre-trip 1(第一检查时间的时间段)内进行至少一个电参数的检查。特别地，第一时间段是可调节的，例如通过输入单元(通信单元)。第一时间段尤其可以小于200ms、100ms、50ms、30ms、20ms或10ms。中间值也是可能的。

32、这具有特别的优点，即尤其在通过标准确定的时间上的触发特性(保护开关设备必须在100ms之后[根据din en 60898-1检查，在100ms内(在短路情况下)触发中断电路]之前执行检查，以便因此符合标准地确定故障或故障状态，或必要时再次(符合标准地)给电路供应能量。有利地，该第一时间段是可配置的或该时间段取决于触发的事件/故障情况。

33、在本发明的一种有利的设计方案中，在经过第一时间段之后，当至少一个电参数位于其目标范围之外时，断开机械分离触点单元的触点。

34、这具有特别的优点，即存在新型的保护开关设备相对于迄今的设备、例如线路保护开关的等效特性(通过电流中断)，以便因此满足标准规定。有利地，可以在电流中断之前执行检查，这借助迄今的保护开关设备是不可能的。

35、在本发明的一种有利的设计方案中，电参数是电流、电压、电阻、电容、电感或阻抗。在第一变型方案中，电参数尤其是电阻、电容、电感或阻抗，特别是电阻或阻抗。在第二变型方案中，电参数尤其是电流或电压。

36、这具有特别的优点，即可以实现针对电参数的特定的测量。

37、在本发明的一种有利的设计方案中，机械分离触点单元与负载侧的接头相关联，并且电子中断单元与电网侧的接头相关联。

38、这具有特别的优点，即给出了支持保护开关设备的根据本发明的特性的结构，因为一方面保护开关设备在高阻的中断单元的情况下中断电流，然而，通过负载侧的闭合的触点，此外可以在至少一个负载侧的接头处进行根据本发明的对至少一个电参数的检查。

39、在本发明的一种有利的设计方案中，通过电子中断单元的至少一个开关元件、尤其是两个或所有开关元件变为低阻，在至少一个负载侧的接头处检查至少一个电参数。尤其是通过变为低阻持续第一接通持续时间。

40、这具有特别的优点，即，给出用于在至少一个负载侧的接头处检查至少一个电参数的简单可能性，因为仅需要将存在的电子中断单元(短时间地)切换到低阻状态中，以便短时间地产生测量电流或测量电压，以便执行对至少一个电参数的检查，例如用于电流以及用于确定电阻、电容、电感或阻抗的大小。

41、有利地，为此还设置有电压传感器单元，尤其用于确定电阻、电容、电感或阻抗的大小。

42、在本发明的一种有利的设计方案中，通过在电压的绝对瞬时值小于第一电压阈值的情况下电子中断单元的开关元件变为低阻，在至少一个负载侧的接头处进行对至少一个电参数的检查。

43、第一电压阈值尤其小于50伏或(保护)小电压的值。有利地，第一电压阈值是可调节的。

44、这具有特别的优点，即在至少一个负载侧的接头处的至少一个电参数的检查在对人没有危险的电压下进行，从而不仅得到保护开关设备的安全性而且得到低压电路中的安全性。

45、在本发明的一种有利的设计方案中，开关元件在电压的绝对瞬时值大于第一电压阈值的情况下再次变为高阻。

46、这又具有特别的优点，即在至少一个负载侧的接头处的对至少一个电参数的检查在对人没有危险的电压下进行，从而不仅得到保护开关设备的安全性而且得到低压电路中的安全性。

47、在本发明的一种有利的设计方案中，通过施加小于第一电压界限的辅助电压、尤其是直流电压，在负载侧的接头处检查至少一个电参数。第一电压界限尤其小于50伏或(保护)小电压的值。

48、这又具有特别的优点，即在至少一个负载侧的接头处的对至少一个电参数的检查通过另外的解决方案在对人没有危险的电压下进行，从而不仅得到保护开关设备的安全性而且得到低压电路中的安全性。

49、在本发明的一种有利的设计方案中，尤其在经过第一时间段之后，在至少一个负载侧的接头处以第一时间间隔进行对至少一个电参数的检查。第一时间间隔可以是可调节的或可配置的。第一时间间隔尤其为1s、10s、30s、60s或1min、5min、10min或15min(min＝分钟)。任何中间值都是可能的。

50、这具有特别的优点，即在较长的时间段上进行周期性检查，而无需持久地执行检查功能或检查例程。

51、在本发明的一种有利的设计方案中，在经过第一时间界限之后，机械分离触点单元变换到分离触点的断开状态中。

52、第一时间界限可以是可调节或可配置的。第一时间界限例如为1min、5min、10min、15min、30min、1h、8h、24h、36h或48h。任何中间值都是可能的。第一时间间隔取决于第一时间界限。也就是说，第一时间间隔小于第一时间界限。

53、这具有特别的优点，即在经过时间界限之后，可以推断出低压电路中的持续性的或重大的缺陷，并且通过电流隔离启动低压电路中的安全状态。

54、在本发明的一种有利的设计方案中，在保护开关设备处设置有用于信息显示的显示单元，该显示单元与控制单元连接。显示单元尤其显示保护开关设备的状态。此外，例如检查功能的执行或/和在无故障的情况下自动地再次接通。

55、信息显示尤其显示电子中断单元的开关元件的状态。此外，尤其可以显示机械分离触点单元的触点的位置。

56、这具有特别的优点，即用户可以快速地识别保护开关设备的状态、尤其是电子中断单元的状态。

57、在本发明的一种有利的设计方案中，在至少一个负载侧的接头处(替换地或附加地在至少一个电网侧的接头处)对至少一个电参数的检查执行以下参数中的至少一个、尤其是多个或全部的检查：

58、-检查是否超过第一过压值或/和更高的第二过压值或/和更高的第三过压值持续第一持续时间，

59、-检查是否低于负载侧的第一或/和第二电阻值或负载侧的第一或/和第二阻抗值持续第二持续时间。

60、在此，过压或过压值尤其是指超过有效的运行电压。不是指过压骤降的大小，例如在所谓的突发或浪涌的情况下，该突发或浪涌典型地可以为4kv或8kv(在230伏或400伏电网的情况下)，和所谓的电网过压(即例如低压电路的标准电压的十倍)的情况下。

61、特别地，第一过压值可以比标准电压值高特定的百分比。例如在230伏的标准电压值的情况下例如高10％，230v+10％。

62、特别地，第二过压值可以比标准电压值高特定的更高的百分比。例如在230伏的标准电压值的情况下例如高20％，230v+20％。

63、特别地，第三过压值可以比标准电压值高特定的还更高的百分比。例如在230伏的标准电压值的情况下例如高30％，230v+30％。

64、这具有特别的优点，即例如保护开关设备不接通到具有错误参数的负载上。因此，例如在将例如230伏保护开关设备错误地连接到例如电压为40伏的两个相上的情况下，就可以识别和避免缺失的保护。同样可以避免与此相关联的保护开关设备的潜在损坏。以类似的方式，可以识别并避免(再次)接通到短路。因此，在低压电路中实现了提高的运行安全性。

65、也就是说，关于超过或低于参数的检查是指以相应的持续时间(第一、第二持续时间)超过或低于。也就是说，在超过/低于持续该持续时间之后才存在可能的故障(例如过电压)。第一或第二持续时间例如可以是从5ms到50ms到500ms到5s的范围中的值(任何中间值都是可能的并且被公开)。

66、在本发明的一种有利的设计方案中，根据前面的实现：

67、在超过第一过压值时，输出过压信息，

68、在超过第二过压值时，电子中断单元变为高阻，

69、在超过第三过压值时，通过机械分离触点单元断开触点(断路)，

70、在低于负载侧的第一电阻值或负载侧的第一阻抗值(持续第二持续时间)时，输出阻抗信息，或者

71、在低于负载侧的第二电阻值或负载侧的第二阻抗值时，电子中断单元保持高阻。

72、这具有特别的优点，即根据超过或低于特定的所定义的参数来执行分级地定义的措施-警告-保持高阻-电流隔离。避免了重新接通到故障上，或者可以在故障消失之后有利地再次进行重新接通。因此，在低压电路中实现了提高的运行安全性或供电安全性。

73、在本发明的一种有利的设计方案中，连续地执行对参数中的至少一个、尤其多个或所有参数的检查。在本文中，“连续”更具体地是指例如在每个电网周期(全波)或电压的半波(半振荡)中进行检查。替换地，每第二、第三、第四、……第n电网周期执行检查。这尤其在触点未断开的情况下进行。在不再超过或低于相应的参数的情况下，允许开关元件的低阻状态。

74、这具有特别的优点，即允许保护开关设备的不同的特性。在负载侧的接头处的不超过一定界限值的偏差的参数的情况下，保护开关设备保持在接合的(但不接通的)状态中，直到可能参数特别是持续时间范围地在目标范围或正常范围内。然后可以再次接通。因此，在高安全性的同时实现了高灵活性。

75、在本发明的一种有利的设计方案中，在分离触点单元接合和低阻的中断单元的情况下，以及

76、-在所确定的电流超过第一电流界限值时，尤其是超过第一电流界限值持续第一时间时，电子中断单元变为高阻并且机械分离触点单元保持闭合。

77、进一步地，可以：

78、-在所确定的电流超过第二电流界限值时，尤其是超过第二电流界限值持续第二时间时，电子中断单元变为高阻并且机械分离触点单元断开。

79、进一步地，可以

80、-在所确定的电流超过第三电流界限值的情况下，电子中断单元立即或几乎立即变为高阻。替换地，可以附加地断开机械分离触点单元。

81、这具有特别的优点，即存在用于根据本发明的保护开关设备的分级的断开方案。

82、在本发明的一种有利的设计方案中，保护开关设备被设计为，使得机械分离触点单元的触点可以通过控制单元断开，但不能通过控制单元闭合。

83、这具有特别的优点，即在低压电路中实现提高的运行安全性，尤其是不可能实现远程的电子接合。

84、在本发明的一种有利的设计方案中，进行机械分离触点单元的触点位置的(机械)显示。

85、这具有特别的优点，即在无能量的状态下也可以目视检查触点位置。因此，在低压电路中实现了提高的运行安全性。

86、在本发明的一种有利的设计方案中，机械分离触点单元具有自由触发装置，使得当在触点的闭合过程开始之后启动触点的断开时，即使继续保持闭合过程，触点也返回到断开位置中。

87、或者换句话说，当在触点的闭合开始之后引入触点的断开时，即使当触点的闭合过程通过手柄保持不变时，运动的触点也返回到断开位置中并且保持在该断开位置中。

88、这具有特别的优点，即在低压电路中实现提高的运行安全性。在接合到未识别的(未知的)短路时，用户操纵机械分离触点单元的手柄并且因此希望闭合触点。然而，触点在短路时必须断开，这与操作方向(通过操作者闭合触点)相反。只有反向于操作方向(快速)断开触点才能防止较大的故障。根据本发明，在通过手柄闭合触点时，电子中断单元还是高阻的，从而避免故障。

89、根据本发明，要求保护一种用于具有电子(基于半导体的)开关元件的低压电路的保护开关设备的相应的方法，具有相同的和其它的优点。

90、一种用于保护开关设备的方法，该保护开关设备用于保护低压电路，其中，

91、-设置用于低压电路的导体的电网侧的接头和负载侧的接头，

92、-设置机械分离触点单元，该机械分离触点单元具有触点的闭合状态用于低压电路中的电流流动或者触点的断开状态用于低压电路中的避免电流流动的电流隔离，

93、-设置电子中断单元，该电子中断单元在电路侧与机械分离触点单元串联连接，并且该电子中断单元通过基于半导体的开关元件具有用于避免电流流动的开关元件的高阻状态或者用于低压电路中的电流流动的开关元件的低阻状态，

94、-确定低压电路的电流的大小，并且在超过电流界限值或电流-时间界限值的情况下启动低压电路中的电流流动的避免，

95、-在通过电子中断单元的开关元件的高阻状态和触点的闭合状态避免电流流动之后，在至少一个负载侧的接头处进行至少一个电参数的检查。

96、在该方法的有利的设计方案中，可以设置所提到的点中的一个或多个：

97、-如此长时间地执行所述检查，直至所述电参数位于所述目标范围中，并且在所述电参数位于所述目标范围中的情况下，所述电子中断单元变换到所述低阻状态中。

98、-如此长时间地执行该检查，直至电参数大于最小的目标值，其中，通过目标值来表征目标范围。

99、-在位于目标范围中的电参数的情况下，当电参数位于目标范围中持续第一时间范围(从1ms或10ms或100ms或1s开始；直至10ms或100ms或1s或10s；尤其10ms至100ms或至200ms或至1s或至10s)时，电子中断单元才变换到低阻状态中。

100、-在位于目标范围中的电参数的情况下，当进行确认时，电子中断单元才变换到低阻状态中。

101、-在第一时间段内超过电流界限值或电流-时间界限值之后，进行至少一个电参数的检查。该第一时间段尤其小于200ms、100ms、50ms、30ms、20ms或10ms。

102、-在经过第一时间段之后，当至少一个电参数位于其目标范围之外时，断开机械分离触点单元的触点。

103、-通过电子中断单元的至少一个开关元件、尤其是两个或所有开关元件变为低阻，在至少一个负载侧的接头处进行至少一个电参数的检查。

104、-在电压的绝对瞬时值小于第一电压阈值的情况下，通过电子中断单元的开关元件变为低阻，在至少一个负载侧的接头处进行至少一个电参数的检查。

105、-在电压的绝对瞬时值大于第一电压阈值的情况下，开关元件再次变为高阻(尤其是第一电压阈值是用于(保护)小电压的电压阈值)。

106、-通过施加小于第一电压界限的辅助电压、尤其是直流电压，在至少一个负载侧的接头处进行至少一个电参数的检查。

107、-尤其在经过第一时间段之后以第一时间间隔进行检查。

108、-在经过第一时间界限之后，机械分离触点单元(mk)变换到分离触点的断开状态中。

109、根据本发明，要求保护一种用于保护开关设备的相应的计算机程序产品。计算机程序产品包括指令，在通过微控制器执行程序时，在通过电子中断单元的开关元件的高阻状态和触点的闭合状态避免电流流动之后，该指令促使微控制器根据权利要求1至16中任一项所述地在至少一个负载侧的接头处执行至少一个电参数的检查。微控制器是保护开关设备、尤其是控制单元的一部分。

110、根据本发明，要求保护相应的计算机可读的存储介质，在该存储介质上存储有计算机程序产品。

111、根据本发明，要求保护传输计算机程序产品的相应的数据载体信号。

112、所有设计方案，无论是引用权利要求1或17，还是仅引用权利要求的单个特征或特征组合，特别是从属装置权利要求对独立方法权利要求的引用，都引起保护开关设备的改进、特别是保护开关设备的安全性的改进，并且提供用于保护开关设备的新的安全的方案。