用於低壓電網的保護裝置的製作方法

2023-05-28 23:43:46

專利名稱：用於低壓電網的保護裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於低壓電網的保護裝置，它具有一個測量裝置和一個連接在其後的分析裝置。
用於低壓電網的保護裝置在先有技術中已公知有各種各樣的實施形式，並尤其用於在出現過電流時斷開開關設備。例如其中的測量裝置可通過一個傳統的電流互感器來實現。但這樣一種電流互感器通常由於其必要的磁路和相應的線圈腔而相應有較高的空間需求。為了識別過載狀況，目前已公知主要採用電子控制的或微處理器控制的分析電路，而這樣的分析電路基本上模擬雙金屬效應。這樣的雙金屬即便在簡單的儀器中也可結合釋放線圈一起來使用，但仍不能提供最佳的保護。
按照當前的發展，對開關設備的結構設計日益需要節省空間和重量，以及要將分析功能和通信可能性結合在開關設備中。
本發明的目的在於提供一種保護裝置，它能給開關設備提供足夠保護，以克服過載和短路；同時一方面允許保護裝置有節省空間和質量的構造，另一方面能快速地識別反常的工作狀態。
本發明的目的基於本文前言所述類型的一種保護裝置這樣來實現，即，其中的測量裝置是一個基於印刷電路板的電流互感器，而所述分析裝置則是一個用於早期識別短路的單元。該基於印刷電路板的電流互感器優選是一個多繞組互感器，它產生與電流及電流曲線波前的斜率成正比的信號。用於早期識別短路的單元可在已公知的對電流i及電流曲線波前的斜率di/dt進行分析的基礎上，並尤其在容許公差幅相圖(TOK)的基礎上實現。在後一種所謂的TOK方法中，在一個電流和電流曲線波前的斜率的幅相圖中，採用考慮到不同功率因子的幅相圖作為斷開準則。
按照本發明，基本上早已由先有技術公開的測量手段按照一種新的方式組合起來。基於印刷電路板的電流互感器用作多繞組互感器例如已由美國專利US-PS 5 321 380公開，而尤其是按照所謂的容許公差幅相圖的原理來工作、用於早期識別短路的方法(TOK方法)則在更晚一些的未在先公開的德國專利申請文件197 29 599.1中提到過。
本發明的其它細節和優點由下面藉助附圖對本發明實施例的描述及從屬權利要求的內容給出，附圖中

圖1為一個集成有印刷電路板的電流互感器的等效電路圖，它帶有空載次級繞組；圖2和圖3示出具有一相應的基於印刷電路板的互感器的保護裝置的兩種不同的實施形式。
圖1是一個電流互感器的等效電路圖。其中具體示出了初級繞組W1以及次級繞組W2,W3和W4。相應的歐姆電阻用R1至R4來表示。電流則用I來表示。
從圖1所示該電流互感器的等效電路圖中可以看出，在繞組W3上的感應電壓相當於在繞組W2和W4的阻抗上的電阻-電感電壓降。在忽略磁化電流及鐵損的情況下，有待測量的電流流過繞組W2和W4。這樣，繞組W3就輸出一個電壓，它由下列公式可得uW3=KR·i(t)+KX·di/dt (1)其中，常數KR和KX僅僅取決於集成有印刷電路板的電流互感器的構造形式。由於繞組W4被短路，由該繞組W4和運算放大器電路可知道電流，這樣通過簡單計算就可從繞組W3的電壓uW3獲得電流曲線波前的斜率di/dt。
在圖2和圖3中有一些專門設計為單相的短路保護裝置，但它們也可設計為多相式。
在圖2中，1表示集成有印刷電路板的繞組互感器。在此情形下，該繞組互感器1與初級繞組W1和次級繞組W2至W4一起被設計成4-繞組互感器。在其次級側，一個帶有運算放大器5和布線電阻6和7的放大器電路2被設計成電流-電壓-互感器。在它後面則連接有用於輸入常數KR和1/KX的單元8和9。
信號由此到達一個根據電流i(t)和電流曲線波前的斜率di/dt的乘積來識別短路的單元20，在此可在圖2中選擇一個能模擬處理信號的電路。所述單元20包括一個用於產生乘積i(t)·di/dt的乘法器21、一個用於產生絕對值|x|的單元22和一個連接在後用於與一個預定閾值y比較的比較器23。當所測得的數值x超過數值y時，就產生一個釋放信號，以激活一個釋放器30來斷開一個電源開關60。
閾值Y在一個實施例中按照下列近似公式得出 其中，G乘積意味著斷開閾值，IN表示額定電流的有效值，ω表示電網頻率，而COSφN表示電網在正常運行時的功率因子。
在圖3中描述了一個具體的按照TOK-方法工作的實施例。其中，1表示一個集成有印刷電路板的繞組互感器，它具有圖1所示的等效電路圖。有關電流i(t)和電流曲線波前的斜率di/dt的信號被輸出到一個按照TOK-方法用於早期識別短路的裝置40中，該裝置40為數位化結構且基本上由兩個A/D轉換器41和42以及具有微處理器分析電路的單元46組成。
在圖3所示的單元46中，在一個以1:IN為橫坐標，以1/(ω·IN)·di/dt為縱坐標的圖表中進行描繪。作為幅相圖例如示出一條包絡線3。對於一個預定的接通相角區域和一個在0.1＜COSφ＜0.9的功率因子範圍來說，這條包絡線包括了所有的開關狀態。因此，利用這條包絡線3，就可以將在任意的接通相角和由此對於不同的功率因子首先求得的包絡線的情況下的所有幅相圖考慮在同一條曲線中。這意味著，當一個設備運行時，若一個由電流i和電流曲線波前的斜率di/dt的瞬時值構成的運行點位於所構成的包絡線3之外，便表示存在一個短路。這樣，在預定的極限內，在功率因子和起始電流之間就實現了不相關。在此，將判定特徵稱為所謂的TOK準則(容許公差幅相圖準則)。對於該方法的研究在以前的德國專利申請文件197 29 599.1中有詳細記述。
在圖3中，信號通過模擬/數字轉換器41和42輸出到按照TOK-方法進行分析的單元46中。在此，圖3中的該單元46進行數位化工作，它對有關電流i和電流曲線波前的斜率di/dt的數位化信號進行分析，以繪出幅相圖。只要在一個設備的工作狀態中有一個值落在幅相圖3之外，就由單元46對圖2所示釋放器30進行控制，釋放器30進一步將導電線中的一個開關60斷開。
圖3所示單元46也可以為模擬化結構。其中的控制器件可以有相應的變型。
尤其通過圖2和圖3所示裝置，以及利用基於印刷電路板的多繞組電流互感器，可以獲得一個明顯節省空間的構造方式。相對於傳統的互感器，其空間需求減小了50倍。在未進一步具體示出的印刷電路板上，可以在互感器的次級繞組旁同樣設置運算放大器電路，它在電流一電壓轉換後，將一個與有待測量的電流強度成正比的電壓輸出去作進一步分析。
尤其通過將基於印刷電路板的電流互感器與一個基於TOK-方法的單元46的相應的分析算法結合起來，可以實現早期識別短路。由此可在過載或短路情況下提早切斷有關電流迴路。故障信息也同樣可進一步傳遞給一個上級通信設備。
權利要求
1．一種用於低壓電網的保護裝置，它具有一個測量裝置和一個連接在其後的分析裝置，其特徵在於，測量裝置是一個基於印刷電路板的電流互感器(2)，它產生一個與電流及電流曲線波前的斜率的瞬時值成正比的信號，而所述分析裝置則是一個用於早期識別短路的單元(20,40)，它利用電流(i)及電流曲線波前的斜率(di/dt)的瞬時值來識別短路。
2．如權利要求1所述的保護裝置，其特徵在於，所述基於印刷電路板的電流互感器是一種多繞組互感器(W1-W4)。
3．如權利要求1或2所述的保護裝置，其特徵在於，所述多繞組互感器(12)包括一個電流-電壓互感器(2)。
4．如權利要求1所述的保護裝置，其特徵在於，所述用於早期識別短路的單元(20)在測算電流(i)及電流曲線波前的斜率(di/dt)的極限值的基礎上來工作。
5．如權利要求3所述的保護裝置，其特徵在於，在所述用於早期識別短路的單元(20)中，考慮將電流(i)及電流曲線波前的斜率(di/dt)的乘積(i·di/dt)作為極限值。
6．如權利要求4所述的保護裝置，其特徵在於，對於電流(i)及電流曲線波前的斜率(di/dt)的乘積(i·di/dt)適用下列公式 其中，G乘積斷開閾值，當其被超過時存在短路；IN額定電流的有效值；ω電網頻率；COSφN電網在正常運行時的功率因子。
7．如權利要求3所述的保護裝置，其特徵在於，所述用於早期識別短路的單元(40)在容許公差幅相圖(TOK-方法)的基礎上進行工作，其中，在一個電流(i)及電流曲線波前的斜率(di/dt)的幅相圖中，採用考慮了不同的功率因子(0.1＜COSφ＜0.9)的幅相圖作為斷開準則。
8．如權利要求7所述的保護裝置，其特徵在於，所述按照TOK-方法工作、用於早期識別短路工作的單元(40,46)具有數位化開關器具。
9．如權利要求7或8所述的保護裝置，其特徵在於，在基於印刷電路板的電流互感器(1,2)和分析裝置之間(46)之間連接一個模擬-/數字轉換器(42,43)。
10．如權利要求8所述的保護裝置，其特徵在於，所述按照TOK-方法工作、用於早期識別短路工作的單元(40,46)具有模擬化開關器具。
全文摘要
這種保護裝置通常具有一個測量裝置和一個連接在其後的分析裝置，按照本發明，測量裝置是一個基於印刷電路板的電流互感器(1,2)，而所述分析裝置則是一個用於早期識別短路的單元(20,40)，所述基於印刷電路板的電流互感器(1,2)優選是一種多繞組互感器(W
文檔編號H02H3/08GK1317166SQ99810553
公開日2001年10月10日 申請日期1999年8月18日 優先權日1998年8月31日
發明者沃納·埃利舍, 格德·格裡彭特羅格, 萊因哈德·梅爾, 埃裡克·澤比安 申請人:西門子公司