专利名称：电弧保护模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及对电路中出现的电弧的保护。
背景技术：
当光控开关有故障并且在光控开关的两个触头之间的距离过短以致通过电流会 被中断时，在电路中例如可出现电弧。然后，正好在两个触头之间构造了电弧。除了在电路 中成批构造的电弧之外，电弧也可以在电路的相与零线之间形成。如果出现电弧，则周围的 部件的温度升高，并且形成燃烧。因而有意义的是提供一种设备，利用该设备保证了对电弧的防护。在USA(其 中使用了所谓的UL技术(安全检测实验室(Underwriters laboratories)，具有IlOV电 网电压的标准))，甚至规定了这种设备。在那里，采用了电弧保护开关，更确切地说，电弧 保护开关根据预先确定的准则来检测在电路中是否存在电弧并且本身具有分离触头，该 分离触头在存在电弧的情况下被打开。在电弧保护开关中使用的原理被描述在US专利 5，729，145和US专利6，031，699中。在欧洲国家(其中采用IEC技术(国际电工技术委员 会(International Electrotechnical Commission)，具有 230V 的电压的标准))，不强制 规定电弧保护开关。采用IEC技术的电路利用故障保护电流开关和线路保护装置来保护。 如果对其还加入专用的电弧保护开关，则这会与高的花费相联系。本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的模块。这种模块已在出版文献 DE 43 16 239 中公开。在该出版文献中描述了一种用于对电弧在要监控的电路中的出现进行识别的电 路，其中该电路并不具有用于使电路中断的专用装置。替代于此地，在出现电弧时将剩余电 流保护开关(Fehlerstromschutzschalter)以如下方式桥接(ueberbruecken)电路中的 剩余电流被模拟并且随后打开剩余电流保护开关的分离触头。在出版文献US 5 886 861 A中描述了一种用于识别电弧的单元，如果检测到电 弧，则该单元引起要保护的电路中的触发熔断器的短路。
发明内容
本发明的任务是能够保护电路、尤其是这种基于IEC技术的电路使之免受电弧影 响，而不引起过度的花费。该任务通过具有根据权利要求1所述的特征的模块以及通过具有根据权利要求7 所述的特征的串联电路来解决。根据本发明的用于防止在电路中出现的电弧的模块包括用于对在电路中是否出 现电弧进行检测的装置。该模块也包括用于促使分离触头的打开的装置。然而，在此并不涉 及构造在该模块中的分离触头，而是用于促使的装置使在与该模块不同的保护开关中打开 分离触头。本发明基于如下认知通常本来就有带有至少一个被连接或被布置在电路中的 分离触头的其它这样的保护开关可供使用，并且恰好可以使用该分离触头来中断电路。根据本发明的模块由于省去了专用的分离触头而是不复杂的并且因而可以紧凑地被构建，尤 其是比传统的带有专用的分离触头的电弧保护开关更紧凑地被构建。促使与该模块不同的保护开关的一个或多个分离触头打开以机械方式通过用于 促使的装置来实现。对此，该模块可以根据本发明以机械方式与保护开关耦合。该模块的 用于促使的装置具有触发机构，该触发机构正好在模块与保护开关机械耦合的情况下可以 作用于该保护开关上。能够实现与其它模块的机械耦合的保护开关本身公知，例如公知了 可以与剩余电流模块机械耦合的线路保护开关。因此，能够实现具有根据权利要求7所述 的特征的串联电路，即包含根据本发明的模块和带有至少一个分离触头的保护开关的串联 电路。该模块具有所述的触发机构，并且保护开关应正好被设计为使得能够通过以下方式 实现与模块的机械耦合该模块的用于促使的装置可以通过机械耦合使至少一个分离触头 打开。由于模块和保护开关是可耦合的，所以模块和保护开关在根据本发明的串联电路中 实际上也应彼此机械耦合，因为该模块的用于促使的装置实际上也通过机械耦合在触发情 况下使至少一个分离触头打开，也就是说在用于对在电路中是否出现电弧进行检测的装置 正好检测到在电路中存在电弧的情况下使至少一个分离触头打开。为了能够检测在电路中是否出现电弧，该模块应被连接在要保护的电路中。为此， 该模块优选地针对每个线路(相或者零线或三个相和零线)都具有输入端子和输出端子， 并且输入端子和输出端子成对地通过连接线路彼此相连。因此，该电流在该电路中流经所 述的连接线路，并且用于进行检测的装置在工作时可以在所述连接线路的至少一个连接线 路上获得关于在电路中流动的电流的信息。对于检测在电路中是否出现电弧重要的信息是电流的幅度。因而应提供合适的用 于测量幅度的装置，并且这些用于测量幅度的装置可以包括电流互感器和连接在下游的放 大器。电流互感器仅仅必须被布置在所述连接线路的唯一一个连接线路上。也可以根据电流的高频噪声来检测在电路中是否出现电弧。因此，用于进行检测 的装置在优选的实施形式中包括高频接收器。优选地，分析单元也属于用于进行检测的装置，该分析单元优选地是电子分析单 元，并且该分析单元从用于测量幅度的装置接收测量信号和高频接收器的输出信号。在满 足一定的准则时，分析单元激励开关。可被构造为运行算法的微控制器的分析单元可以按 照非常复杂的准则和准则组合工作。借助其可以检测是否出现电弧的两个主要准则在于电 流超过一定的幅度(例如当电流强度超过5A时)以及在于高频噪声随着电流的周期性变 化。通过用于促使的装置来促使分离触头的打开原则上可以电学方式或者机械方 式来进行。虽然可能将电控制信号发送给保护开关，该电控制信号使分离触头打开。然 而，在IEC技术中，保护开关与电网电压无关并且因而不是以控制信号工作。在此有意义 的是简单地实现自动触发保护开关。在现有技术中公知的被连接在电路中的剩余电流 保护开关中可以通过以下方式实现触发用于促使的装置在电路中简单地引起剩余电流 (Fehlerstrom)。在此将如下电流视为剩余电流该电流从一个电流线路(例如相)流至另 外的电流线路(例如零线)，更确切地说在故障保护电流开关上经过。为了在模块中能够实 现该情形，剩余电流必须从在剩余电流保护开关之前的抽头流至在剩余电流保护开关之后 的抽头(即在剩余电流保护开关的输入端子之前或者之上并且在剩余电流保护开关的输出端子之上或者之后)。如果根据本发明的模块与剩余电流保护开关串联连接，则提供所述 抽头的第一抽头，并且为了可以提供所述抽头的第二抽头，该模块应包括外部端子，该外部 端子此外接着正好与剩余电流保护开关的不同于模块的电路侧的电路侧相耦合。外部端子 通过可经过开关分离的线路与在模块的输入端子与模块的输出端子之间的连接线路相耦
I=I O由此能够实现如下的串联电路模块的连接线路与剩余电流保护开关的具有所述 一个或者多个分离触头的连接线路串联连接，并且模块的所述外部端子接着与故障保护开 关的背离串联电路中的模块的那侧相耦合。因此，如果串联电路中的模块被布置在故障保 护电流开关之后，则外部端子必须与在剩余电流保护开关之前的抽头相耦合(相连)，反之 亦然。用于促使的装置可以以本身公知的方式包括桥接连接线路的线路，所述桥接连接 线路的线路可以通过开关来分离，其中在通过该线路的连接中布置有磁触发元件，在闭合 开关时(或原则上在已闭合的开关的情况下)，该磁触发元件作用于触发机构。上述开关接 着可以通过上述的分析单元被激励，例如可以设置有继电器，该继电器由分析单元供应电 流。
以下参照附图描述了本发明的优选实施形式，其中，图1示意性地示出了一种其中使用了根据现有技术的模块的实施形式的设备、即 串联电路，图2示意性地示出了其中使用了根据本发明的模块的实施形式的根据本发明的 设备(串联电路)，图3示意性地示出了其中同样使用了图2中的根据本发明的模块的实施形式的根 据本发明的设备(串联电路)。
具体实施例方式在图1至图3中所示的设备10、10'或10"是包括保护开关和模块构成的串联电 路，更确切地说，这些设备被设置为电路的部分，以便能够对该电路之内的电流施加影响。 设备10、10'和10"通过线路12、12'与电压源(通常为电源网络)相耦合。在另一侧耦 合有负载，在此象征性地示出了负载14。在设备10、10'和10"中，原理上已公知所使用的 保护开关，更确切地说，设备10和10'是组合的线路保护开关和故障保护开关16，而设备 10〃是简单的线路保护开关18。这些保护开关16或18是设备10、10'或10〃的部分，因 为模块引起保护开关的通断。在设备10中使用了根据现有技术的实施形式的模块20，而在 设备10'和10"中使用了根据本发明的根据一种实施形式的模块22。以本身公知的方式，保护开关16或18针对作为线路保护开关的功能具有热触发 器24以及磁触发器26。热触发器24通常被实施为双金属元件。当流经的电流永久地具有 过高的电流强度时，热触发器24应使电路中断，也就是说使一方面为线路12、12'与另一 方面为负载14之间的连接中断。双金属元件由于过流时的欧姆加热而弯曲。热触发器24 接着作用于分离触头28或28'。分离触头28或28'被布置在一方面为保护开关16或18的输入端子30或30'与另一方面为保护开关16或18的输出端子32或32'之间的连接 线路中。磁触发器26同样用于打开分离触头28或28'，更确切地说，在短路电流的情况 下打开分离触头28或28'。磁触发器26在附图中通过线圈来象征性地表现，因为短路电 流通常在磁触发器26中感生出磁场，并且这使附图中未示出的正好作用于触头28或28' 的磁性元件移动。在图3中的线路保护开关18中，触发器24和26双倍地被实施，即一方 面被实施在输入端子30与输出端子32之间的连接线路中，而另一方面被实施为输入端子 30'与输出端子32'之间的连接中的元件24'或26'。除了元件24和26之外，总和电流互感器(Summenstromwandler) 34被设置在组合 的保护开关16中。通过该总和电流互感器34引导两个连接线路，一方面是从端子30引导 至端子32而另一方面是从端子30'引导至端子32'。在不出现剩余电流的通常情况下，即 通过线路12和12'之一输送的总电流也通过线路12和12'的相应另一线路被引回，在这 两个连接线路中的通过总和电流互感器34引导的电流精确地平衡，并且尤其是通过所述 电流产生的磁场相互抵消。一出现剩余电流，就在总和电流互感器34中感生出剩余磁场。 该剩余磁场在总和电流互感器34的次级绕组36中感生出电流，由此使保持磁体38运动， 该保持磁体38作用于触发机构40，并且该触发机构40使分离触头28或28'打开。如果提供故障保护电流开关的功能，则通常设置有检查可能性。对此，提供了连接 线路42，更确切地说，该连接线路42将一个输入端子30'与另一输入端子30连接成使得 流经的电流仅单次经过总和电流互感器34。在此，通过连接线路42绕开了图1或图2右边 的经过总和电流互感器34的通路，并且电流仅仅流经左边的通路，即在输入端子30与输出 端子32之间的连接线路中流动。为了限制通过连接线路42的电流，设置有电阻元件44。 该电流不应持续地流经连接线路42。因而，该连接线路42通过开关46中断，该开关46可 以借助检查按键来操作。模块20或22现在与保护开关16或18串联连接。对此，模块20或22分别具有 输入端子48或48'和输出端子50或50'。一方面是在输入端子48与输出端子50之间 的连接线路以及另一方面是在输入端子48'与输出端子50'之间的连接线路由此可被连 接到电路中。在此，保护开关16或18的输出端子32与模块20或22的输入端子48相连， 而保护开关16或18的输出端子32'与模块20或22的输入端子48'相连。对此，可以采 用附图中所示的连接线路52或52'，但也可以通过使用合适的插接接触(Steckkontakt)， 一方面实现直接耦合在保护开关16或18上，而另一方面实现直接耦合在模块20或22上。 负载14在一侧与模块20或22的输出端子50相连而在另一侧与模块20或22的输出端子 50'相连。在过流时和在短路电流的情况下，保护开关16和18使电路中断，并且组合的保护 开关16此外还在剩余电流的情况下中断该电路。现在，当在该电路中在任何位置出现电弧 时，也应使该电路中断。对此，首先必须完全一次识别出现这种电弧。电弧并不在其可以在 任意负载的情况下出现的位置处被识别，而是必须借助电路中的通过电流来识别。模块20 和22对此具有两个不同的单元一方面，模块20或22的输入端子与输出端子之间的连接 线路之一(在此是输入端子48'与输出端子50'之间的连接线路)通过电流互感器54来 引导。在电流互感器54的下游连接有放大器模块56，并且放大器模块56与分析单元和控制单元58相连。后者因此被输送有关于在电路中流动的负载电流的数据，其中在此由分析 单元来检测尤其是负载电流的幅度。在模块20或22中的高频接收器60作为用于对在电 路中是否出现电弧进行检测的第二测量单元被提供，更确切地说，该高频接收器60量取一 方面为输入端子48和输出端子50之间的连接线路与另一方面为输入端子48'和输出端 子50'之间的连接线路之间的信号。测量信号同样被输送给分析单元和控制单元58。分 析单元和控制单元58可以是传统的微控制器。为了给分析单元和控制单元58供给能量， 提供了整流器(AC/DC电压互感器)62，该整流器62提供微控制器工作所需的直流电压。在分析单元和控制单元58中采用算法来根据由放大器56和高频接收器60输送 的信号识别在电路中是否出现或至少可能出现电弧。电弧一方面可以通过电流幅度的升高 超过预先确定的水平或者也可以通过一定的电流升高来识别。对此的更多细节被描述在US 专利6，031，699中。另一方面，电弧也可以根据高频噪声来识别，尤其是根据该高频噪声随 着电流变化的周期性特性来识别。对此的细节被描述在US专利5，729，45中。由分析单元 和控制单元58使用的算法可以可替选地、但优选组合地使用两个准则，其中除了所述的简 单的关系之外，也可以通过合适的算法识别出更复杂的关系。因此，模块20和22的共同之 处在于通过装置54、56、60和通过分析单元和控制单元58中的分析算法来检测在电路中 是否出现电弧。当然，该检测只有当在识别出电弧的出现之后进行电路的中断时才是有意义的。 两个模块20和22的共同之处在于没有提供像保护开关的可能被打开的分离触头28和 28'那样的专用分离触头。替代于此地，两个模块20和22促使串联连接的保护开关16或 18的分离触头28和28'打开。在模块20中，这在使用自动触发机构、尤其是需要剩余电流的触发机构的情况下 来实现。而在模块22中，通过机械耦合到保护开关16或18或多或少直接地(即仅仅通过 触发机构40的迂回路线)使分离触头28和28'打开。非常简单，根据本发明的模块20所基于的原理是简单地人为产生剩余电流，并 且这导致在保护开关16中识别该剩余电流并且通过上面所描述的自动机构打开分离触头 28和28'。如上面已经根据连接线路42所解释的那样，人为的剩余电流必须流动来使得 所述人为的剩余电流流经穿过总和电流互感器34的一条线路，但是不流经第二线路。这只 有当在保护开关16的按电路方式背离模块20的那侧上进行量取时才是可能的，即在此只 有当在保护开关16的输入端子30'之前或者之上的分接点64上进行量取时才是可能的。 抽头64通过连接线路66与模块20的外部端子68相连。外部端子68通过电阻70和开关 72与如下线路相连该线路将模块20的输入端子48与模块20的输出端子50相连。应注 意的是剩余电流必须从一个线路路径流至另一线路路径，即在一方面为未划成虚线的带 有线路12和端子30、32、48和50的系统与另一方面为带有线路30' ,32' ,48'和50'的 划成虚线的系统之间流动。由于在此从外部端子68到未划成虚线的系统(在端子48和50 之间的连接线路)实现内部连接，所以在模块20之外的外部端子必须与划成虚线的系统相 连，在此也就是说与线路12'相连。现在如果分析单元和控制单元58识别出电弧出现，则 发出控制流，该控制流促使附图中未示出的继电器闭合开关72。因此，人为的剩余电流流 动，所述人为的剩余电流在总和电流互感器34的次级绕组36中感生出相对应的磁场，使 保持磁体38运动，该保持磁体38作用于触发机构40并且打开分离触头28和28'。模块20因此不具有专用的触发机构，而是使用串联连接的保护开关16的功能。应注意的是像 组合的保护开关16那样的保护开关通常本来就存在于IEC系统中。尤其是与提供带有专 用的分离触头的专用保护开关来保护电路使之免于电弧影响的情况相比，额外提供模块20 及其与保护开关16的串联连接是相对不复杂的。模块22通过另一原理来使与模块22串联连接的保护开关16或18的分离触头28 和28'打开，更确切地说通过接合耦合来打开。关于剩余电流保护模块，公知的是将触发 机构布置在模块中，该触发机构在这种保护开关的预先确定的实施形式中可以与具有分离 触头的线路保护开关的触发机构耦合，以便模块的触发机构正好最后使所耦合的保护开关 的分离触头打开。该原理在此也用于模块22。该模块22具有触发机构74，该触发机构74 正好可以与组合的保护开关16的触发机构40或线路保护开关18的触发机构40和40'耦 合。触发机构74以本身公知的方式由磁触发器76来操作，更确切地说，其方式是在磁触发 器76中产生使磁触发器76中的部件运动的磁场。该磁触发器76被布置在如下的连接线 路中该连接线路将在一方面为模块22的输入端子48和模块22的输出端子50之间的连 接线路与另一方面为在模块22的输入端子48'和输出端子50'之间的连接线路相连，更 确切地说，在此也通过开关78来连接，该开关78可以借助继电器来闭合。当开关78应闭 合时，该继电器正好由分析单元和控制单元58加载以相对应的控制流，以便激活触发机构 74并且打开与模块22机械耦合的保护开关16或18的分离触头28和28'。在模块22中也省去了专用的分离触头，并且采用了在IEC系统中本来存在的、线 路保护开关18或组合的保护开关16的分离触头来中断该电路。模块22与专用的保护开 关相比也紧凑地被构建。模块20和22的功能可以借助检查按键80来检查，该检查按键80闭合该电路，其 中通过电流经过分析单元和控制单元58来识别，该分析单元和控制单元58能够运行其算 法并且用测试的方式激励属于该开关72或78的继电器。显示器82显示模块的状态和检测到的最后触发的原因。由此，技术人员可以快速 地确定绝缘故障或者实际上危险的电弧是触发的原因。附图标记列表
10,10'、10"设备
12,12'线路
14负载
16,18保护开关
20,22模块
24,26触发器
28,28'分离触头
30,30'、48、48'输入端子
32,32'、50、50'输出端子
34总和电流互感器
36次级绕组
38保持磁体
40、74触发机构
42、52、52'、66连接线路44电阻元件46、72、78开关54电流互感器56放大器模块58控制单元60高频接收器62整流器64分接点68端子64分接点70电阻76触发器80检查按键
权利要求
一种用于防止在电路中出现的电弧的模块(22)，其具有 用于对在电路中是否出现电弧进行检测的装置(54，56，60，58)， 用于促使与所述模块(22)不同的具有布置在所述电路中的至少一个分离触头(28，28′)的保护开关(16，18)打开所述分离触头(28，28′)的装置(58，76，78，74)，以便使所述电路中断，其特征在于，所述模块(22)能够以机械方式与保护开关(16，18)相耦合并且用于促使的装置具有触发机构(74)，所述触发机构(74)被设计为在所述模块(22)与所述保护开关(16，18)机械耦合的情况下作用于所述保护开关(16，18)。
2.根据权利要求1所述的模块(22)，其具有至少两个输入端子(48，48')和具有至 少两个输出端子(50，50')，其中所述模块(22)中的在所有情况下的一个输入端子(48 ； 48')通过连接线路与在所有情况下的一个输出端子(50 ;50')相连，使得所述模块(22) 能够被连接到要保护的电路中，并且其中在工作时，用于进行检测的装置(54，56，60，58) 从至少一个连接线路获得关于在所述电路中流动的电流的信息。
3.根据权利要求2所述的模块(22)，其中，用于进行检测的装置包括用于对流经连接 线路的电流的幅度进行测量的装置(54，56，58)。
4.根据权利要求2或3所述的模块(22)，其中，用于进行检测的装置包括高频接收器 (60)。
5.根据权利要求3或4所述的模块(22)，其中，用于进行检测的装置包括分析单元 (58)，所述分析单元(58)被连接在用于进行测量的装置(54，56)或者高频接收器(60)的 下游或者是用于进行测量的装置(54，56)和高频接收器(60)中的至少一个的部分，并且在 满足一定的准则时，所述分析单元(58)激励开关(72，78)。
6.根据权利要求2至5之一所述的模块(22)，其中，用于促使的装置包括将两个连接 线路桥接的线路，所述将两个连接线路桥接的线路能够通过开关(78)被分离，并且在所述 将两个连接线路桥接的线路中布置有磁触发元件(76)，所述磁触发元件(76)在开关(78) 闭合时作用于所述触发机构(74)。
7.—种串联电路(10'，10")，其包括根据上述权利要求之一所述的模块(22)和带 有至少一个分离触头(28，28')的保护开关(16，18)，其中所述保护开关(16，18)被设计 为使得通过如下方式实现与模块(22)的机械耦合所述模块(22)的用于促使的装置(58， 76，78，74)能够通过机械耦合使所述至少一个分离触头(28，28')打开，并且其中所述模 块(22)和保护开关(16，18)实际上以机械方式相耦合。
全文摘要
在IEC技术中，众所周知地使用了线路保护开关以及故障保护开关，其中分别设置有分离触头，所述分离触头在过流时和在短路电流或剩余电流的情况下使电路中断。该电路现在即使在出现电弧时也被中断。对此提供了一种模块(20，22)，该模块(20，22)具有用于检测在该电路中是否出现电弧的装置。该模块(20，22)并不具有专用的分离触头，而是更确切地说具有用于促使本来就布置在该电路中的保护开关(16，18)的分离触头(28，28′)打开的装置。该促使可以以电子方式通过产生人为的剩余电流来实现或者通过机械耦合来实现。
文档编号H02H3/33GK101911239SQ200880124966
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月29日 优先权日2008年1月17日
发明者H-J·休伯, J-M·马特尔, M·克利迈耶 申请人:西门子公司