专利名称：用于低压电网的保护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于低压电网的保护装置，它具有一个测量装置和一个连接在其后的分析装置。
用于低压电网的保护装置在先有技术中已公知有各种各样的实施形式，并尤其用于在出现过电流时断开开关设备。例如其中的测量装置可通过一个传统的电流互感器来实现。但这样一种电流互感器通常由于其必要的磁路和相应的线圈腔而相应有较高的空间需求。为了识别过载状况，目前已公知主要采用电子控制的或微处理器控制的分析电路，而这样的分析电路基本上模拟双金属效应。这样的双金属即便在简单的仪器中也可结合释放线圈一起来使用，但仍不能提供最佳的保护。
按照当前的发展，对开关设备的结构设计日益需要节省空间和重量，以及要将分析功能和通信可能性结合在开关设备中。
本发明的目的在于提供一种保护装置，它能给开关设备提供足够保护，以克服过载和短路；同时一方面允许保护装置有节省空间和质量的构造，另一方面能快速地识别反常的工作状态。
本发明的目的基于本文前言所述类型的一种保护装置这样来实现，即，其中的测量装置是一个基于印刷电路板的电流互感器，而所述分析装置则是一个用于早期识别短路的单元。该基于印刷电路板的电流互感器优选是一个多绕组互感器，它产生与电流及电流曲线波前的斜率成正比的信号。用于早期识别短路的单元可在已公知的对电流i及电流曲线波前的斜率di/dt进行分析的基础上，并尤其在容许公差幅相图(TOK)的基础上实现。在后一种所谓的TOK方法中，在一个电流和电流曲线波前的斜率的幅相图中，采用考虑到不同功率因子的幅相图作为断开准则。
按照本发明，基本上早已由先有技术公开的测量手段按照一种新的方式组合起来。基于印刷电路板的电流互感器用作多绕组互感器例如已由美国专利US-PS 5 321 380公开，而尤其是按照所谓的容许公差幅相图的原理来工作、用于早期识别短路的方法(TOK方法)则在更晚一些的未在先公开的德国专利申请文件197 29 599.1中提到过。
本发明的其它细节和优点由下面借助附图对本发明实施例的描述及从属权利要求的内容给出，附图中
图1为一个集成有印刷电路板的电流互感器的等效电路图，它带有空载次级绕组；图2和图3示出具有一相应的基于印刷电路板的互感器的保护装置的两种不同的实施形式。
图1是一个电流互感器的等效电路图。其中具体示出了初级绕组W1以及次级绕组W2,W3和W4。相应的欧姆电阻用R1至R4来表示。电流则用I来表示。
从图1所示该电流互感器的等效电路图中可以看出，在绕组W3上的感应电压相当于在绕组W2和W4的阻抗上的电阻-电感电压降。在忽略磁化电流及铁损的情况下，有待测量的电流流过绕组W2和W4。这样，绕组W3就输出一个电压，它由下列公式可得uW3=KR·i(t)+KX·di/dt (1)其中，常数KR和KX仅仅取决于集成有印刷电路板的电流互感器的构造形式。由于绕组W4被短路，由该绕组W4和运算放大器电路可知道电流，这样通过简单计算就可从绕组W3的电压uW3获得电流曲线波前的斜率di/dt。
在图2和图3中有一些专门设计为单相的短路保护装置，但它们也可设计为多相式。
在图2中，1表示集成有印刷电路板的绕组互感器。在此情形下，该绕组互感器1与初级绕组W1和次级绕组W2至W4一起被设计成4-绕组互感器。在其次级侧，一个带有运算放大器5和布线电阻6和7的放大器电路2被设计成电流-电压-互感器。在它后面则连接有用于输入常数KR和1/KX的单元8和9。
信号由此到达一个根据电流i(t)和电流曲线波前的斜率di/dt的乘积来识别短路的单元20，在此可在图2中选择一个能模拟处理信号的电路。所述单元20包括一个用于产生乘积i(t)·di/dt的乘法器21、一个用于产生绝对值|x|的单元22和一个连接在后用于与一个预定阈值y比较的比较器23。当所测得的数值x超过数值y时，就产生一个释放信号，以激活一个释放器30来断开一个电源开关60。
阈值Y在一个实施例中按照下列近似公式得出 其中，G乘积意味着断开阈值，IN表示额定电流的有效值，ω表示电网频率，而COSφN表示电网在正常运行时的功率因子。
在图3中描述了一个具体的按照TOK-方法工作的实施例。其中，1表示一个集成有印刷电路板的绕组互感器，它具有图1所示的等效电路图。有关电流i(t)和电流曲线波前的斜率di/dt的信号被输出到一个按照TOK-方法用于早期识别短路的装置40中，该装置40为数字化结构且基本上由两个A/D转换器41和42以及具有微处理器分析电路的单元46组成。
在图3所示的单元46中，在一个以1:IN为横坐标，以1/(ω·IN)·di/dt为纵坐标的图表中进行描绘。作为幅相图例如示出一条包络线3。对于一个预定的接通相角区域和一个在0.1＜COSφ＜0.9的功率因子范围来说，这条包络线包括了所有的开关状态。因此，利用这条包络线3，就可以将在任意的接通相角和由此对于不同的功率因子首先求得的包络线的情况下的所有幅相图考虑在同一条曲线中。这意味着，当一个设备运行时，若一个由电流i和电流曲线波前的斜率di/dt的瞬时值构成的运行点位于所构成的包络线3之外，便表示存在一个短路。这样，在预定的极限内，在功率因子和起始电流之间就实现了不相关。在此，将判定特征称为所谓的TOK准则(容许公差幅相图准则)。对于该方法的研究在以前的德国专利申请文件197 29 599.1中有详细记述。
在图3中，信号通过模拟/数字转换器41和42输出到按照TOK-方法进行分析的单元46中。在此，图3中的该单元46进行数字化工作，它对有关电流i和电流曲线波前的斜率di/dt的数字化信号进行分析，以绘出幅相图。只要在一个设备的工作状态中有一个值落在幅相图3之外，就由单元46对图2所示释放器30进行控制，释放器30进一步将导电线中的一个开关60断开。
图3所示单元46也可以为模拟化结构。其中的控制器件可以有相应的变型。
尤其通过图2和图3所示装置，以及利用基于印刷电路板的多绕组电流互感器，可以获得一个明显节省空间的构造方式。相对于传统的互感器，其空间需求减小了50倍。在未进一步具体示出的印刷电路板上，可以在互感器的次级绕组旁同样设置运算放大器电路，它在电流一电压转换后，将一个与有待测量的电流强度成正比的电压输出去作进一步分析。
尤其通过将基于印刷电路板的电流互感器与一个基于TOK-方法的单元46的相应的分析算法结合起来，可以实现早期识别短路。由此可在过载或短路情况下提早切断有关电流回路。故障信息也同样可进一步传递给一个上级通信设备。
权利要求
1．一种用于低压电网的保护装置，它具有一个测量装置和一个连接在其后的分析装置，其特征在于，测量装置是一个基于印刷电路板的电流互感器(2)，它产生一个与电流及电流曲线波前的斜率的瞬时值成正比的信号，而所述分析装置则是一个用于早期识别短路的单元(20,40)，它利用电流(i)及电流曲线波前的斜率(di/dt)的瞬时值来识别短路。
2．如权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述基于印刷电路板的电流互感器是一种多绕组互感器(W1-W4)。
3．如权利要求1或2所述的保护装置，其特征在于，所述多绕组互感器(12)包括一个电流-电压互感器(2)。
4．如权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述用于早期识别短路的单元(20)在测算电流(i)及电流曲线波前的斜率(di/dt)的极限值的基础上来工作。
5．如权利要求3所述的保护装置，其特征在于，在所述用于早期识别短路的单元(20)中，考虑将电流(i)及电流曲线波前的斜率(di/dt)的乘积(i·di/dt)作为极限值。
6．如权利要求4所述的保护装置，其特征在于，对于电流(i)及电流曲线波前的斜率(di/dt)的乘积(i·di/dt)适用下列公式 其中，G乘积断开阈值，当其被超过时存在短路；IN额定电流的有效值；ω电网频率；COSφN电网在正常运行时的功率因子。
7．如权利要求3所述的保护装置，其特征在于，所述用于早期识别短路的单元(40)在容许公差幅相图(TOK-方法)的基础上进行工作，其中，在一个电流(i)及电流曲线波前的斜率(di/dt)的幅相图中，采用考虑了不同的功率因子(0.1＜COSφ＜0.9)的幅相图作为断开准则。
8．如权利要求7所述的保护装置，其特征在于，所述按照TOK-方法工作、用于早期识别短路工作的单元(40,46)具有数字化开关器具。
9．如权利要求7或8所述的保护装置，其特征在于，在基于印刷电路板的电流互感器(1,2)和分析装置之间(46)之间连接一个模拟-/数字转换器(42,43)。
10．如权利要求8所述的保护装置，其特征在于，所述按照TOK-方法工作、用于早期识别短路工作的单元(40,46)具有模拟化开关器具。
全文摘要
这种保护装置通常具有一个测量装置和一个连接在其后的分析装置，按照本发明，测量装置是一个基于印刷电路板的电流互感器(1,2)，而所述分析装置则是一个用于早期识别短路的单元(20,40)，所述基于印刷电路板的电流互感器(1,2)优选是一种多绕组互感器(W
文档编号H02H3/08GK1317166SQ99810553
公开日2001年10月10日 申请日期1999年8月18日 优先权日1998年8月31日
发明者沃纳·埃利舍, 格德·格里彭特罗格, 莱因哈德·梅尔, 埃里克·泽比安 申请人:西门子公司