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。
电气设备在发生短路时会承受电动负荷和热负荷。这些负荷不仅会受到识别出短路之前所耗费的时间(亦即所谓的短路识别时间)的影响，还会受到用于断开短路所需时间(所谓的断开时间)的影响。
为了识别过载状况，已公知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。在简单的仪器中可采用磁力释放线圈和双金属，但它不能提供最佳的保护。切断短路则几乎无一例外地用机械开关来完成，此时，触点通常在经过一定的反应时间之后才开始分离，通过由此形成的电弧产生一个抵消电网电压的电压。该电弧电压限制短路电流并最终使之消失。而对于以传统的半导体为基础的开关来说，由于其在正常工作时的较高的传输损失，仅仅在例外情形下才采用它。
本发明的目的在于提供一种保护装置，它通过非常迅速地识别反常的工作状态，能在低压电网中给开关仪器提供足够保护，以克服过载和短路。
本发明的目的通过本文前言所述类型的一种保护装置来实现，其中，所述分析装置是一个用于早期识别短路的单元，利用它控制一个半导体开关并由此将出现故障的支路与电网断开。该半导体开关优选是一种碳化硅基(SiC基)半导体开关，以便将正常工作状态下的损失保持在最低。
按照本发明，用于早期识别短路的单元对电流及电流曲线波前的斜率的瞬时值进行分析，由此导出一个反常的工作状态。该用于早期识别短路的单元优选基于所谓的容许公差幅相图(Toleranten Ortskurven-TOK)方法工作。按照这种方法，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和起始电流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技术手段按照一种新的方式组合起来。SiC基开关由更晚一些的公开文献公开。借助电流和电流曲线波前的斜率的乘积来早期识别短路则属于目前通行的技术方案，而一种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。这种按照TOK方法工作的单元可以是模拟电路、数字化电路或者混合型电路。但无论是在何种情形下，最主要的是，在半导体开关中有待转化的开关操作功通过对短路的快速识别被减少了。这样就只需更小的半导体开关容量，也因此可以采用更小的开关。
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示出本发明的第一种装置，它基于一个模拟工作的电路，借助电流和电流曲线波前的斜率的乘积来早期识别短路，并随后通过对一个SiC基半导体开关的控制，将出现故障的电路断开；图2示出本发明的第二种装置，它基于一个数字化微处理器，借助容许公差幅相图(TOK)方法来早期识别短路，并随后通过对一个SiC基半导体开关的控制，将出现故障的电路断开。
在图1和图2中分别示出利用一个单相电路来识别短路并借助半导体开关来断开故障电路的装置。在此，该单相电路同样也可以用多相电路来替代。
在图1和图2中，N表示中性线，L1表示一条相线。在电路中连接有一个用电器10。
在图1的相线L1中连接有一个电流互感器11，它例如可以按照集成印刷电路板的电流互感器的原理来构造。在此，该电流互感器被设计成所谓的多绕组互感器，其中，在次级侧设有多个绕组。电流信号按照图1例如通过一个负荷电阻(Buerdenwiderstand)来接收。
图1中有一个根据电流i和电流曲线波前的斜率di/dt(电流的瞬时值)的乘积来早期识别短路的单元20。它例如通过对信号进行模拟处理来工作。21表示一个用于构成电流瞬时值di/dt的微分器。22则表示一个构成i(t)di/dt值的乘法器。23是一个构成|x|绝对值的单元，24是一个询问比较值x＞y的比较器。
当阈值被超过时，由比较器24提供一个断开信号，用于激活一个对所谓的结型场效应晶体管50进行门控制的单元49。借助结型场效应晶体管50可无迟滞地立刻切断短路。为了在交流电网中能够进行换向操作，该结型场效应晶体管50由两个反串联的半导体构件51和52组成，这在先有技术中早已公知。
SiC基半导体材料相对于传统的半导体阀有很低的传输损失。由于高的击穿场强，SiC可以制成特别薄的构件。这样回路电阻(Durchgangswiderstand)可保持得很低。由此带来这样的优点，即，在识别短路后可几乎无迟滞地切断短路，从而可减小对受保护设备的热负荷和电动负荷。通过快速识别短路可减少半导体开关中有待转化的开关操作功，由此半导体和冷却装置可设计得比目前为止更小。在总电流路径中也同样可使正常工作中的传输损失功率很小。
除了断路用SiC基半导体开关50外，另外还设有一个隔离开关55。它在切断有故障的电流电路之后创造一个可见的电流中断。
在图1中，在单元24中总是预先给定一个乘积(i·)di/dt，当某一极限值y被超过时，就切断短路。对于上述乘积可提供下列近似公式 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2中具体示出一个利用用于SiC基结型场效应晶体管50的TOK准则来早期识别短路的装置。为此，可采用普通的开关器具。相应的装置可以是纯模拟化电路、纯电子化电路或者是混合型电路，在此，采用纯电子化电路。
在图2中示出一个用于测量电流曲线波前的斜率di/dt或电流强度i的传感器，例如一个Rogowski线圈，一前面串接有低通滤波器42的模拟/数字转换器43，一个用于同时调节额定电流强度的电平适配器(Pegelanpassung)44，一个由电流曲线波前的斜率di/dt计算电流强度i的求和单元45或者由电流强度i来计算电流曲线波前的斜率di/dt的微分器以及一个数字分析单元46，该数字分析单元46将测得的值与TOK准则进行比较，并在识别到短路时控制一个释放器47。
在图2所示的分析单元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。在此幅相图中示出一条包络线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。
图1和图2所示装置可结合结型场效应晶体管50用于快速识别低压电网中的短路。为此，在结型场效应晶体管50前面连接一个用于门控制的单元49，该单元49以一种预定的算法工作。在结型场效应晶体管50之后可连接一个机械隔离开关。
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，所述分析装置是一个对电流及电流曲线波前的斜率的瞬时值进行分析，用于早期识别短路的单元(46)，利用它控制一个半导体开关(50)。
2．如权利要求1所述的用于低压电网的保护装置，其特征在于，所述半导体开关是碳化硅基(SiC基)半导体开关。
3．如权利要求2所述的保护装置，其特征在于，所述半导体开关(50)是一个结型场效应晶体管。
4．如权利要求1至3中任一项所述的保护装置，其特征在于，由两个反串联的半导体构件(51,52)连接组成所述半导体开关。
5．如权利要求1至4中任一项所述的保护装置，其特征在于，所述半导体开关(50)配备有一个机械隔离开关(55)。
6．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在计算电流(i)及电流曲线波前的斜率(di/dt)的极限值的基础上进行工作。
7．如权利要求6所述的保护装置，其特征在于，在用于早期识别短路的单元中，考虑将乘积(di/dt)·i作为极限值。
8．如权利要求7所述的保护装置，其特征在于，对于所述乘积适用下列近似公式 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。
9．如权利要求6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。
10．如权利要求1至7中任一项所述的保护装置，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。
11．如权利要求1至7中任一项所述的保护装置，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)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，所述分析装置是一个用于早期识别短路的单元(20,40)，利用它控制一个优选为SiC基的半导体开关(50)。所述用于早期识别短路的单元(20,40)利用关于电流(i)及电流曲线波前的斜率(di/dt)的乘积的预定阈值来工作，或者在容许公差幅相图的基础上工作。在后一种情形下，在一个电流(i)及电流曲线波前的斜率(di/dt)的幅相图中采用不同的功率因子(0.1＜COSφ＜0.9)。半导体开关(50)优选包括两个反串联的SiC基开关元件。
文档编号H02H3/44GK1317167SQ99810554
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
发明者格尔德·格里彭特罗格, 莱恩哈德·梅尔, 海因茨·米特莱纳, 埃里克·泽比安 申请人:西门子公司