专利名称：用于运行故障电流保护开关的方法以及故障电流保护开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分用于运行故障电流保护开关的方法 以及根据权利要求6的前序部分的故障电流保护开关。
背景技术：
这样的方法和这样的故障电流保护开关由DE3642393A1公开，其中该公开物本身 基于 DE-A-3424959。一般的故障电流保护开关具有用于电网导线的多对接头，即在单相系统中有两对 以及在三相系统中有四对，并且这些接头分别通过一个初级导线相互连接并且在初级导线 中设置用于断开相应连接的开关。所有初级导线通过总电流变换器的初级侧引导，其中这 些初级导线在总电流变换器的范围内通常构成为初级绕组。在总电流变换器的次级侧提供 次级绕组。次级绕组的第一端部通过阻抗与地接头耦合，次级绕组的第二端部与矩形波发 生器耦合。在该第一端部上设置电压抽头。在根据DE3642393A1的开关的情况下，该电压 抽头设置在由更狭窄含义下的次级绕组和常规的电阻组成的串联电路和分离的阻抗元件 之间。现在次级绕组的概念应当允许包括这样的常规电阻。在这种情况下还可以关于阻抗 来定义电压抽头，即电压抽头设置在该阻抗的背向地接头的端部。在DE3642393A1中描述了一种所谓的磁放大器电路。通过矩形波发生器对次级侧 进行交变磁化直到属于总电流变换器的磁芯的饱和极限附近。如果有差电流流过初级绕 组，则在总电流变换器中叠加磁场，该磁场在与通过矩形波发生器的矩形脉冲施加的场相 同的方向上超过该变换器的饱和极限。由此次级绕组的电感电阻变小。然后对于布置在与 次级绕组组成的串联电路中的阻抗，由矩形波发生器产生比参考电势更高的电势。上述电 压抽头用于恰好检测这一点该电压抽头与分析和控制单元耦合，该分析和控制单元检测 (在电势抽头和地之间的)阈值电压是否被超过。如果是，则激活引起初级导线中开关的断 开的触发装置。DE3642393A1涉及分析和控制单元的实施方式。因为足够精确地测量施加在电压 抽头上的电势被证明是困难的。EP0005694A描述了，在故障电流保护开关中可以采用由磁导材料制成的芯，该芯 由带钢或金属线绕制，其中该带钢或金属线的端部与交流电源连接，并且出现在该带钢或 金属线的端部上的自感应电压由调节电路调节到额定值。
发明内容
本发明的任务是展示一种如何能按照不费事的方式来运行上述类型的故障电流 保护开关的途径。该任务通过一种具有根据权利要求1的特征的方法和一种具有根据权利要求6的 特征的故障电流保护开关解决。由此在根据本发明的方法中，矩形电压的矩形脉冲的脉冲大小被调节到这样的值，即由矩形脉冲在次级绕组中感应出的电流在矩形脉冲的持续期间和/或在两个矩形脉 冲之间的脉冲间歇期间的电流强度的时间变化分别具有预定的值。在矩形脉冲的特定持续期间，在通过矩形波发生器输出的矩形脉冲具有预定频率 的情况下，由于该原因穿透总电流变换器的磁芯的磁场始终具有相同的特性以及尤其是具 有相同的幅度。在由DE3642393A1公开的差电流保护开关中差电流引起相应的磁芯进一步 进入饱和并因此必须用灵敏的方法证明其效果，而在本发明中在存在差电流的情况下矩形 脉冲的脉冲大小变化就足以证明故障电流的效果。在现有技术中只利用灵敏方法推断故障电流的幅度，而这在本发明的方法中可以 用简化的方式实现。存在多个可在经过调节地运行故障电流保护开关的时候确定并且能被针对是否 由于故障电流而断开初级导线中的开关来分析的参数。在经过调节的方法中，可以按照特 别简单的方式测量在次级绕组上、尤其是在更狭窄的含义下一也就是没有其它电阻元件一 在次级绕组上降落的电压。该电压根据感应法则是电感和电流强度的时间变化的乘积。由 于现在该调节恰好引起电流强度的时间变化是恒定的，因此在次级绕组上测得的电压中反 映出与该电压的变化成比例的电感变化。因此可以基于所测得的电压直接推断出电感，并 且基于该电感可以尤其是在磁芯未被置于饱和的时候特别好地推导出故障电流的电流强 度。本发明的方法尤其是交直流灵敏的，因此既可以检测直流电流和脉冲电流也可以 检测交流电流，并且引起故障电流保护开关的触发。为了检测交流电流，用于在串联电路上 施加矩形脉冲的矩形电压的频率至少应当是通过电网导线提供的电网电压的电网频率的5 倍以及优选至少是该电网频率的20倍在50Hz电网电压的情况下矩形波发生器应当输出 例如至少IkHz的频率。合适的值是3kHz。存在如何来构成调节的不同方法。在向由次级绕组和阻抗组成的串联电路施加矩 形电压的情况下，电流显示出三角特性，也就是始终在恒定的上升和恒定的下降之间变化， 而且在该阻抗上降落的电压也显示出相应的特性。现在如果在该阻抗上降落的电压被抽取 出来并且与恒定的电压比较，则可以借助该恒定电压被该阻抗上降落的电压超过的持续时 间来识别与电流强度的时间变化的额定值之间的偏差。由此该超过的持续时间可以确定矩 形脉冲的脉冲大小。尤其是可以调节到预定的超过持续时间，并且由此还直接将每个脉冲 或每个脉冲间歇的电流强度的时间变化调节到预定值。本发明的故障电流保护开关的特征在于，分析和控制单元与矩形波发生器耦合， 从而与现有技术的系统不同地形成封闭的系统。分析和控制单元被设计为将用于确定由矩 形波发生器输出的矩形脉冲的脉冲大小的控制指令输出给矩形波发生器，其中由此该矩形 波发生器必须被设计为转换该控制指令。上述将阻抗上降落的电压与恒定电压比较的方法可通过使用比较器被转换，在所 述第一端部上抽取出的电压以及恒定电压被输送给该比较器。然后在该比较器的输出端上 输出电压脉冲，该电压脉冲的持续时间恰好是该恒定电压被阻抗上降落的电压超过的持续 时间。如果将该比较器的输出信号输送给数据处理单元，则该数据处理单元可以分析该输 出信号并且依据该输出信号向矩形波发生器输出控制指令。在数据处理单元中只需要以公 式或表格的形式存放输出信号中脉冲的持续时间和矩形脉冲的脉冲大小之间的关系。
通过提供合适的用于测量在位于次级绕组的第一端部和第二端部之间的次级绕 组上降落的电压的装置并且为此提供用于分析这样获得的测量值的装置，当用于分析的装 置在分析至少一个测量值时检测到预定标准被满足，即检测到触发标准被满足时，用于断 开故障电流保护开关的初级导线中的开关的装置可以被促使断开该开关。如上所示，可以 根据在次级绕组上测得的电压直接推断出次级绕组的电感。故障电流按照限定的方式引起 该电感的变化，从而用于分析的装置可以直接检测出故障电流的电流强度有多大。如果该 电流强度超过预定值，则典型地触发故障电流保护开关。触发阈值可以通过也经由故障电 流保护开关上的操作元件影响用于分析的装置，例如电子输入数据，来被可变地确定。
下面参照附图描述本发明的优选实施方式，其中
图1以示意图示出用于描述本发明的故障电流保护开关的主要部件， 图2示出在图1的故障电流保护开关中阻抗上降落的电压的时间变化过程，该电压与 流过故障电流保护开关中的次级绕组的电流成比例，
图3示出输送给图1的故障电流保护开关的比较器的另一输入电压， 图4示出比较器的输出电压，图2和图3的电压作为输入电压输送给该比较器， 图5是与图2相应的图，该图示出在存在故障电流时没有本发明的调节的状况， 图6与图3相应，
图7是与图4相应的图，该图示出在存在故障电流时没有本发明的调节的状况。
具体实施例方式整体用10表示的故障电流保护开关具有接头对12a，12b，14a, 14b，它们可与(未 示出的)电网导线耦合。一个接头对的两个接头分别通过初级导线16或18相互耦合，其 中在该初级导线中通过开关20或22设置断开。如果电网导线连接到接头12a，12b，14a和 14b，则在调节情况下闭合开关20和22，由此电流可以通过电网导线流动。故障电流保护开 关10的任务是，当有故障电流流动时断开开关20，22。故障电流是通过初级导线16和18 之一流动但不能通过初级导线16和18中另一个回流的电流。开关20和22的断开借助开 关锁M来进行。检测是否有故障电流流动现在借助总电流变换器进行。为此初级导线16和18作 为初级绕组26和28在图1未示出的磁芯上绕制。在同一个磁芯上绕制次级绕组30。初级 绕组沈和28被构成和布置为，使得从通过初级导线16在一个方向上流动的电流产生的磁 场通过由同时通过初级导线18回流的同一电流产生的磁场补偿。由此在次级绕组30中不 产生磁场。只要电流通过初级导线16和18之一流动并且不通过另一个初级导线流动，带 入磁芯中的磁场就被改变，从而次级线圈30的电感改变。现在在故障电流保护开关10中采用受控感应的原理。次级绕组的端部32通过阻 抗34与地耦合。次级绕组30的另一端部36通过可以构成为电容元件的滤波器38与矩形 波发生器40耦合。矩形波发生器40向由次级线圈30和阻抗34组成的串联电路施加矩形 脉冲。该矩形脉冲现在引起电流通过次级线圈30和阻抗34流动，该电流的电流强度在矩 形脉冲期间恒定上升，并且在与该矩形脉冲恰好相同持续长度的脉冲间歇期间又恰好恒定下降，并且时间导数的大小相同。该电流的该特性再次反映在次级线圈的端部32上的电势 中，也就是反映在阻抗34上相对于地降落的电压U1中，该电压的时间变化过程借助图2的 曲线42示出。电压仏在此与流动的电流成比例。该电压U1现在被输送给整体用46表示的比较器的输入端44。在该比较器的第二 输入端48上输送相应于图3的曲线50的恒定电压U20该比较器现在当电压U1大于U2时 输出逻辑高值，并且当该电压小于U2时输出逻辑低值。因此如果在曲线42中电压U1上升， 则该电压到达点52，从该点开始电压U1超过电压U20然后在该时刻P1电压U3从逻辑低值 U3-tlef跃变为逻辑高值U3_h。。h。在时刻t2时矩形脉冲结束，并且电压U1已经达到曲线42中 的点54。此后电压U1再次下降，直到电压U1在时刻t3达到点56，在点56处U1又恰好等于 U20然后在时刻t3比较器46上的输出电压U3又跃变地下降为值U3_tief0总之，图4所示的 曲线58是针对比较器46的输出端51上的电势给出的。故障电流保护开关10的特征在于，进行一种调节，使得曲线42被一再遍历， 也就是电流的时间导数具有恒定的大小。首先要解释在存在故障电流的情况下如果没 有这样的调节会发生什么如果出现故障电流，则如上所述磁芯被施加附加的磁场。由 此次级线圈30的电感改变。由矩形波发生器40输出的矩形脉冲在没有其它措施的 情况下现在会引起电流强度改变。图5借助曲线60示出该电流强度的变化过程以 及因此还可以看出在这种情况下与该电流强度成比例的电压仏的变化过程。电流在 脉冲期间的时间变化仍然是恒定的，但是借助曲线60可以看见该时间变化比在没有 故障电流的情况下更大。在具有与曲线42相同的脉冲大小的矩形脉冲期间，在时刻 t/处达到点62时达到大于根据曲线50的U2的电压U10因此U3在位于时刻、前面的时
亥Ijt/处从U3_tirf跃变到U3_h。。h。该脉冲结束时的时刻t2是相同的，因此在曲线60中也与在
曲线42中一样曲线反转了。由于点64处的电压峰值高于点M处的电压峰值，因此尽管时 间导数较大还持续得更长，直到电压U1在点66处又下降到U2根据曲线50的值。因此电压 U3在位于时刻t3后面的时刻t '处才跃变地下降到U3_tirf。由此给出图7中用实线示出的 曲线68。现在可以根据U3位于值U3_h。。h的持续时间通过分析单元70 (图1)确定是否存在 相对于正常状态的偏差，因为这样的脉冲在曲线68中的持续时间iW = U-1·'大于脉 冲在曲线58中的持续时间At = t;:-t。现在，电流的时间变化的大小除了取决于电感之外还取决于由矩形波发生器40 输出的矩形脉冲的大小。现在进行一种调节，使得不会与相应于曲线42的变化过程发生偏 差。这可以由分析单元70针对比较器46的输出端51上的脉冲是根据曲线58行动来识别。 分析单元70只需要测量脉冲持续时间。分析单元70控制矩形波发生器40，使得比较器46 的输出端51上的脉冲具有恒定的持续时间。现在通过测量装置72测量在次级线圈30的两个端部32和36之间降落的电压。 该电压队根据感应法则得到队，L .其中L是电感，而di/dt是电流强度i在时
间t上的导数。现在由于被调节到恒定的di/dt，因此队与电感L成正比。现在如果由于故
6障电流L而发生变化，则队也同样地变化。变化八队与！^的变化AL成比例，也就是
权利要求
1.一种用于运行故障电流保护开关(10)的方法，在该故障电流保护开关中与电网 导线耦合的初级导线(16，18)通过总电流变换器引导，在该总电流变换器上提供次级绕组 (30)，该次级绕组通过阻抗(34)与地耦合，其中在该方法中由次级绕组(30)和阻抗(34)组 成的串联电路被施加了矩形电压，并且测量和分析参数，其中在存在预定的分析结果时断 开至少一个初级导线(16，18)，其特征在于，所述矩形电压的矩形脉冲的脉冲大小被调节到 这样的值，即由矩形脉冲在次级绕组(30)中感应出的电流在矩形脉冲的持续期间和/或在 两个矩形脉冲之间的脉冲间歇持续期间的电流强度的时间变化分别具有预定的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述参数是在次级绕组上降落的电压，并且当该 电压的大小根据预定的标准超过预定值或者根据预定标准低于预定值时，断开所述至少一 个初级导线(16，18)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中用于在所述串联电路上施加矩形脉冲的矩形 电压的频率至少是通过电网导线提供的电网电压的电网频率的5倍以及优选至少是该电 网频率的20倍。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中在所述阻抗(34)上降落的电压(U1)被抽 取出来并且与恒定电压( )比较，以及该恒定电压( )被所述阻抗(34)上降落的电压(U1) 超过的持续时间确定了所述矩形脉冲的脉冲大小。
5.根据权利要求4所述的方法，其中调节到预定的超过持续时间，以便将每个脉冲和 /或每个脉冲间歇的电流强度的时间变化调节到预定值。
6.一种故障电流保护开关(10)，具有多个电网导线的接头对(1 , 12b ；1 , 14b)，其 中每对的接头分别通过初级导线(16，18)相互连接，以及在至少一个初级导线(16，18)中 设置用于断开相应连接的开关(20，22)，以及此外所有初级导线(16，18)通过总电流变换 器的初级侧引导，在该总电流变换器的次级侧上提供次级绕组(30)，该次级绕组的第一端 部(32)通过阻抗(34)与地接头耦合，并且该次级绕组的第二端部(36)与矩形波发生器 (40)耦合，其中第一端部上的电压抽头(32)与分析和控制单元(46，70)耦合，其特征在于，该分析和控制单元(46，70)与矩形波发生器(40)耦合，并且被设计为将用于确定由矩 形波发生器(40)输出的矩形脉冲的脉冲大小的控制指令输出给矩形波发生器。
7.根据权利要求6所述的故障电流保护开关，其特征在于，所述分析和控制单元包括 比较器(46)，在第一端部(32)上抽取出的电压(U1)以及恒定电压( )被输送给该比较器， 并且该比较器的输出端(51)与数据处理单元(70)耦合，该数据处理单元被设计为分析该 比较器(46)的输出信号并且依据该输出信号向矩形波发生器输出控制指令。
8.根据权利要求6或7所述的故障电流保护开关(10)，具有用于测量在位于次级绕组 的第一端部(32)和第二端部(36)之间的次级绕组上降落的电压的装置(72)，具有用于分 析这样获得的测量值的装置(72)，该用于分析的装置与用于断开初级导线(16，18)中的开 关(20，22 )、尤其是每个开关(20，22 )的装置(24 )耦合并且被设计为，在分析至少一个测量 值时如果检测到预定标准被满足，则促使用于断开的装置(24)断开该开关。
全文摘要
在故障电流保护开关(10)中使用受控电感的原理次级线圈(30)被矩形波发生器(40)施加脉冲。根据本发明，由矩形波发生器(40)输出的矩形脉冲的脉冲大小变化，以调节通过次级线圈(30)流动的电流，使得该电流强度的时间导数具有恒定的大小。现在如果在次级线圈(30)的两个端部(32,36)上测量电压，则该电压直接是对次级线圈(30)的电感的度量，由此可以推断出可能的故障电流。
文档编号H02H3/33GK102124621SQ200980131588
公开日2011年7月13日 申请日期2009年7月27日 优先权日2008年8月14日
发明者许贝尔 A., 施波雷尔 T. 申请人:西门子公司