測量和/或開關設備的製作方法

2023-05-24 21:38:21 1

專利名稱：測量和/或開關設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種設備，其使用了帶有鐵芯的電流互感器。帶有鐵芯的電流互感器
將初級電流轉換成次級電流。用於輸入初級電流的裝置相應地屬於該設備。次級電流被以 任意一種形式進行分析評估。為了滿足該設備的目的，所記錄的測量值或者次級電流被作 為開關動作的基準數值來應用。與之相應地，該設備就是一種測量和/或開關設備。典型 的應用情況是低壓斷路器。
背景技術：
通過用於進行分析評估的裝置，由次級電流倒推出初級電流。迄今為止都認為次 級電流的有效值與初級電流的有效值基本成線性。然而只有當初級電流用於鐵芯的一種與 其值成比例的磁化時，這才可能實現。因此鐵芯不允許達到飽和磁化。處於飽和的區域完 全不允許被達到。由於這種原因，在所述種類的設備中通常使用一種足夠大尺寸的電流互 感器。可能值得追求的是人們可能應用更小的電流互感器。

發明內容
因此，本發明的目的是提出一種所述種類的、結構緊湊的測量和/或開關設備。
該目的通過以下途徑來實現，S卩，用於對次級電流進行分析評估的裝置設計用於， 在分析評估時考慮到當初級電流如此地高，即由該初級電流所產生的磁場引起在鐵芯的 磁化中達到飽和的區域。這種情況正好是磁化不再(基本上)與初級電流成線性地相關聯 的情況。所有這些情況導致了，次級電流的曲線形狀與初級電流的曲線形狀相偏離。
由此，即用於對次級電流進行分析評估的裝置考慮到在鐵芯的磁化中達到飽和的 區域，因此在鐵芯的磁化中不必再迴避飽和的區域。因此電流互感器可以設計成比通常情 況更小。 對於具有電流互感器的測量和/或開關設備來說重點問題是次級電流的有效值。 通過應用更小的電流互感器，在一定的初級電流值的情況下鐵芯的磁化達到飽和，並且該 有效值與在次級電流的有效值和初級電流的有效值之間的更小的初級電流的情況下的線 性特徵相比是過小的。優選地通過如下方法來考慮這種效果，即用於進行分析評估的裝置 求出(尤其是計算出)次級電流的校正的有效值，當鐵芯的磁化曲線看起來在鐵芯的磁化 中沒有達到飽和時，在實際的次級電流中會得到該校正的有效值。通過校正的有效值也就 模擬了以下情況，即應用帶有鐵芯的如此大尺寸的電流互感器，以至於次級電流還(基本 上)與初級電流成線性地相關聯。 如前所述，根據本發明的原理的優選應用是，根據本發明的設備是低壓斷路器，其 中，磁執行元件使初級電路中斷。取代應用實際的有效值作為脫扣標準的基礎，現在應用校 正的有效值，也就是說，當校正的有效值超出了低壓斷路器的設定值(例如至少一個極限 值)，那麼使磁執行元件激活。 校正的有效值的產生基於以下事實鐵芯，如果其處於飽和，則表現出一種規定的
3特性，以至於根據次級電流事實上可以倒推出初級電流，即使次級電流不再具有如同初級 電流那樣相同的曲線形狀。業已表明，可以將次級電流看作為相位部段控制的次級電流次 級電流在一定的持續時間上也就跟隨初級電流，並在鐵芯的磁化中達到飽和的情況下突然 降低。現在可以這樣地規定一個閾值，從而通過次級電流的數值求出的超出閾值的持續時 間基本上正好等於在次級電流線性地跟隨初級電流期間的持續時間。 在一個實施方式中，通過模擬式電子裝置與閾值進行對比，並這樣地產生矩形脈 衝信號，即矩形脈衝的持續時間等於超出閾值的持續時間。這種矩形脈衝信號則可以在通 過模擬_數字_轉換器的轉換之後由微型控制器來分析評估，其方法是簡單地測量矩形脈 衝的長度。 可替換地，整個分析評估可以數位化地進行。次級電流值和閾值的對比隨後同樣 也在微控制器中在通過模擬_數字_轉換器對次級電流進行轉換之後進行。隨後不必特地 產生矩形脈衝曲線。 如果由實際的有效次級電流與取決於所求出的超出閾值的持續時間的係數的乘 積被用作為校正的有效次級電流，那麼就可以最簡單地用計算方法來進行處理。該帶有求 出的持續時間a的校正係數K(a)優選地通過以下公式給出 在正弦形初級電流中，該校正係數K(a )變成l，如果實際的次級電流也近似於正 弦形的話，那麼a也就正好為Ji。在這種情況下，實際的有效次級電流也就不必校正一個 與l不同的係數。 通過次級電流的數值求出的超出閾值的持續時間並不是可以考慮用來求出用於 實際的有效次級電流的校正係數的唯一數值。因此也可以可替換地規定一種用於次級電流 的波形係數。該波形係數是次級電流的有效值與次級電流的數值平均值(也稱為整流平均 值)之比。這種測量值波形係數可以藉助於組合特性曲線而分配有校正係數，利用該校正 係數由次級電流的實際的有效值計算出次級電流的校正的有效值。


以下根據附圖對本發明的優選實施方式加以說明。圖中示出
圖1 :根據本發明的低壓斷路器的電子脫扣單元； 圖2 :當電流互感器的鐵芯未進入飽和時，次級電流的隨時間變化曲線； 圖3 :當電流互感器的鐵芯進入飽和時，次級電流的隨時間變化曲線； 圖4 :在根據圖3的曲線上設定閾值標準； 圖5 :根據閾值標準而得到的具有矩形脈衝的曲線； 圖6 :組合特性曲線，其描述了校正係數與測量的波形係數的關係； 圖7是由根據本發明的一個實施方式的次級電流的隨時間變化曲線來推導出校
正的有效值。
具體實施例方式
在低壓斷路器中，從電流的某一特定的有效值起，使該電流能夠流動的電路應該 被中斷。根據本發明的低壓斷路器包括電子脫扣單元，其在圖1中在整體上用IO表示。現 在並不將在要中斷的電路中流動的電流直接應用作為用於中斷電路的標準，而是將其作為 初級電流ip(t)輸送給電流互感器12，該電流互感器應該具有鐵芯。電流互感器在次級側 上產生次級電流is(t)，而且該次級電流用作為使電路脫扣的標準。次級電流ijt)在連接 電阻(負載)14處下降並被輸送給模擬_數字_轉換器16。這樣地獲得被輸送給微控制器 18的數字值，該微控制器進行真正的分析評估。根據某一特定的標準，微控制器18對數字 化的次級電流進行分析，並在一定條件下通過磁執行元件20對低壓斷路器的鎖扣機構發 出指令，機械地打開流動有初級電流ip(t)的電路。 在傳統的低壓斷路器中應用這樣的電流互感器，在該電流互感器中，次級電流對 於所期望的初級電流來說具有相同的形狀。對於這種情況，圖2示出了用於正弦形的初級 電流的次級電流ijt)的隨時間變化曲線22。次級電流同樣也是正弦形，這是因為電流互 感器的鐵芯沒有達到飽和。 圖3現在示出了另一種情況，在此，電流互感器與圖2中用於產生次級電流曲線22 而應用的電流互感器相比較是更小的。在初級電流相同的情況下，鐵芯的磁化進入飽和狀 態。隨後取代曲線22得到了圖3所示的次級電流曲線24。如由圖3可見，在圖3中用26 標出的曲線24的部分差不多設計成如同曲線22的一個對應部分一樣，也就是說經過了正 弦曲線的一個部分。自達到某一個特定的初級電流起，鐵芯磁化就進入飽和狀態，而曲線迅 速下降，見部段28。可以將圖3中的次級電流看作為相位部段控制的次級電流。
通過曲線部段26和28所限定的尖峰的寬度是磁化曲線的影響程度的一個尺度， 這是由於以下事實，即達到了它們的非線性的飽和區域。現在，確定一個閾值30並求出尖 峰的寬度a。寬度a的單位是時間。然而也可以將其看做為相位，而a稱作為導通角。 類似於閾值30也可以確定其負值30'，並且對於低於該負值的情況，同樣也求出所屬尖峰 的寬度a 。 現在可以將曲線24與閾值30和30'的比較結果匯總成一條曲線，其在圖5中示 出。當超出閾值時，曲線處於邏輯高("比較結果=l")，而只要在數值上低於閾值30或 30'，那曲線處於邏輯低("比較結果=0")。在圖5中，寬度a也就是矩形脈衝的持續時 間。鐵芯的磁化飽和越少，a就越大，並且曲線連續地越接近邏輯高，而且如果越來越多地 達到鐵芯磁化的飽和，那麼a就越小。 可以由次級電流的實際有效值I^f,^和參量a計算出次級電流的校正有效值
1^f,k,，其中校正的有效值是在電流互感器更大而且在通過同一個初級電流進行激勵時可 能沒有達到鐵芯磁化中的飽和區域時所可能得出的值。當閾值30或30'足夠低時，可以推 導出以下公式
formula see original document page 5
設計為由微控制器18求出參量a ，其方法是在那裡進行數位化數據與閾值30 的對比；也在微控制器中求出Isrff,Mal ;並且求出Isrff,k。 。當次級電流強度的校正的有效值Isrff,k。 超出一個預定的閾值時，就通過微控制器18來使磁執行元件20脫扣。由
於校正的有效值大於次級電流的實際有效值，因此比通常情況更快地實現了脫扣，如同其
在初級電流和次級電流之間為一種純線性的關係時所可能實現的那樣。 取代這種方法，即根據閾值30和30'的定義來規定參量a ，然後求出它並用於計
算出校正值K ( a )，校正值K也可以以其它途徑來求出。在這種可替換的解決方法中，應用
次級電流的波形係數。該波形係數定義為有效值與整流平均值、也就是說數值平均值之比，
其中有效值為 整流平均值|TH為 該波形係數可以如下近似地與導通角a建立關係式
如果應用如在上述的可替換方案中同樣的校正值K( a )， 1
formula see original document page 6那麼就可以求出在波形係數F和校正係數K之間的關係，例如通過計算出用於不 同的a的上述公式。可以求出組合特性曲線或者說特性曲線，在其中使校正係數K(a)與 波形係數F二F(a)建立關係式。該特性曲線在圖6中示出，並在那裡用32標出。如果應 用特性曲線32，那就完全不必再求出值a。特性曲線32尤其是也可以與通過上述方程式 不同地來求出，例如根據對電流互感器的試驗或者藉助於有限元進行模擬。
圖7總結了應用組合特性曲線32的方法由is(t) —方面求出有效值i^f,，"和 另一方面求出整流平均值|is(t) l，它們相互存在一種關係，以便確定波形係數F，並由波形 係數F根據組合特性曲線32推導出校正係數K。該校正係數K接著乘以以前求出的Isrff,
real，以Y守至ll ISeff，k。rr。 對於兩種實施方式來說相同的是根據次級電流的實際有效值藉助於校正係數K 計算出校正的有效值。在根據本發明的方法中也可以考慮用其它的方法，如可以考慮以任 意一種形式來達到鐵芯的飽和磁化的區域。這種考慮的後果是帶有鐵芯的電流互感器不 必過大。那麼在現有技術中就不再需要將帶有鐵芯的電流互感器設計成如此之大，從而使 次級電流與初級電流成線性地相關聯。
權利要求
一種測量和/或開關設備，具有用於輸入初級電流(ip(t))的裝置；帶有鐵芯的電流互感器(12)，所述電流互感器將所述初級電流轉換成次級電流(is(t))；以及用於對所述次級電流進行分析評估的裝置(14，16，18)，其特徵在於，用於對所述次級電流(is(t))進行分析評估的所述裝置(14，16，18)設計用於在分析評估時考慮到當所述初級電流(ip(t))如此地高，即由所述初級電流所產生的磁場引起在所述鐵芯的磁化中達到飽和的區域。
2. 根據權利要求1所述的測量和/或開關設備，其特徵在於，用於進行分析評估的所述裝置(14， 16， 18)求出所述次級電流的校正的有效值(1^,k,)，當所述鐵芯的磁化曲線 看起來在所述鐵芯的磁化中沒有達到飽和時，在實際的次級電流中會得到所述校正的有效值。
3. —種測量和/或開關設備，其特徵在於，所述測量和/或開關設備是低壓斷路器，其 中，當校正的有效值(Isrff,k。rr)超出所述低壓斷路器的設定參數時，磁執行元件(20)使初級 電路中斷。
4. 根據權利要求2或3所述的測量和/或開關設備，其特徵在於，定義一個閾值(30， 30')，通過隨時間變化的所述次級電流的數值求出超出所述閾值的持續時間，並隨後由所 述持續時間推導出所述校正的有效值(Isrff,k。 )。
5. 根據權利要求4所述的測量和/或開關設備，其特徵在於，設置在所述電流互感器的 次級側下遊的電路產生矩形脈衝曲線，在所述矩形脈衝曲線中，矩形脈衝的持續時間等於 超出所述閾值的所述持續時間，其中將所述矩形脈衝曲線提供給模擬_數字_轉換器，並由 微控制器來記錄所述矩形脈衝的持續時間。
6. 根據權利要求4所述的測量和/或開關設備，其特徵在於，所述電流互感器(12)的 次級側與模擬_數字_轉換器(16)連接，並在設置在所述模擬_數字_轉換器(16)下遊 的微控制器(18)中實現次級電流值與所述閾值(30，30')的比較，從而所述微控制器推導 出超出所述閾值的所述持續時間(a )。
7. 根據權利要求4至6中任一項所述的測量和/或開關設備，其特徵在於，Isrff,kOT = Isrff,real *K( a )，其中Isrff,real為所述次級電流的有效值，並且Isrff,k。 是所述次級電流的校 正的有效值，其中K(a)是取決於所求出的所述持續時間a的校正係數，所述校正係數優 選根據以下公式求出
8.根據權利要求2或3所述的測量和/或開關設備，其特徵在於，求出用於所述次級電 流(is(t))的波形係數(F)，作為所述次級電流的有效值1^f,^與所述次級電流的數值平 均值ITU之比，並且根據組合特性曲線32為所述波形係數(F)分配校正係數K，並根據 以下公式算出所述次級電流的校正的有效值Isrff,k。
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全文摘要
本申請涉及一些方法，即當從初級電流產生次級電流時鐵芯的磁化達到飽和時，如何從帶有鐵芯的電流互感器的次級電流的實際有效值中通過計算來算出校正的有效值。該校正的值模擬了未達到飽和時的情況。這可以為此而被充分利用，即在具有帶有鐵芯的電流互感器的測量和/或開關設備中，例如在低壓斷路器中應用一種比通常情況更小的帶有鐵芯的電流互感器。
文檔編號G01R19/20GK101790689SQ200880104767
公開日2010年7月28日 申請日期2008年8月25日 優先權日2007年8月27日
發明者託馬斯·金德爾 申請人:西門子公司