專利名稱：用于低壓電網(wǎng)的保護裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于低壓電網(wǎng)的保護裝置，它具有一個測量裝置和一個連接在其后的分析裝置。
用于低壓電網(wǎng)的保護裝置在先有技術(shù)中已公知有各種各樣的實施形式，并尤其用于在出現(xiàn)過電流時斷開開關(guān)設備。例如其中的測量裝置可通過一個傳統(tǒng)的電流互感器來實現(xiàn)。但這樣一種電流互感器通常由于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，目前已公知主要采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(jié)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(fā)展，對開關(guān)設備的結(jié)構(gòu)設計日益需要節(jié)省空間和重量，以及要將分析功能和通信可能性結(jié)合在開關(guān)設備中。
本發(fā)明的目的在于提供一種保護裝置，它能給開關(guān)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(jié)省空間和質(zhì)量的構(gòu)造，另一方面能快速地識別反常的工作狀態(tài)。
本發(fā)明的目的基于本文前言所述類型的一種保護裝置這樣來實現(xiàn)，即，其中的測量裝置是一個基于印刷電路板的電流互感器，而所述分析裝置則是一個用于早期識別短路的單元。該基于印刷電路板的電流互感器優(yōu)選是一個多繞組互感器，它產(chǎn)生與電流及電流曲線波前的斜率成正比的信號。用于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，并尤其在容許公差幅相圖(TOK)的基礎上實現(xiàn)。在后一種所謂的TOK方法中，在一個電流和電流曲線波前的斜率的幅相圖中，采用考慮到不同功率因子的幅相圖作為斷開準則。
按照本發(fā)明，基本上早已由先有技術(shù)公開的測量手段按照一種新的方式組合起來。基于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、用于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(fā)明的其它細節(jié)和優(yōu)點由下面借助附圖對本發(fā)明實施例的描述及從屬權(quán)利要求的內(nèi)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于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上的感應電壓相當于在繞組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(shù)KR和KX僅僅取決于集成有印刷電路板的電流互感器的構(gòu)造形式。由于繞組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(cè)，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。在它后面則連接有用于輸入常數(shù)KR和1/KX的單元8和9。
信號由此到達一個根據(jù)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包括一個用于產(chǎn)生乘積i(t)·di/dt的乘法器21、一個用于產(chǎn)生絕對值|x|的單元22和一個連接在后用于與一個預定閾值y比較的比較器23。當所測得的數(shù)值x超過數(shù)值y時，就產(chǎn)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(guān)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(wǎng)頻率，而COSφN表示電網(wǎng)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(guān)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-方法用于早期識別短路的裝置40中，該裝置40為數(shù)字化結(jié)構(gòu)且基本上由兩個A/D轉(zhuǎn)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。對于一個預定的接通相角區(qū)域和一個在0.1＜COSφ＜0.9的功率因子范圍來說，這條包絡線包括了所有的開關(guān)狀態(tài)。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于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(gòu)成的運行點位于所構(gòu)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(nèi)，在功率因子和起始電流之間就實現(xiàn)了不相關(guān)。在此，將判定特征稱為所謂的TOK準則(容許公差幅相圖準則)。對于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(shù)字轉(zhuǎn)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(shù)字化工作，它對有關(guān)電流i和電流曲線波前的斜率di/dt的數(shù)字化信號進行分析，以繪出幅相圖。只要在一個設備的工作狀態(tài)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(guān)60斷開。
圖3所示單元46也可以為模擬化結(jié)構(gòu)。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，以及利用基于印刷電路板的多繞組電流互感器，可以獲得一個明顯節(jié)省空間的構(gòu)造方式。相對于傳統(tǒng)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(zhuǎn)換后，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。
尤其通過將基于印刷電路板的電流互感器與一個基于TOK-方法的單元46的相應的分析算法結(jié)合起來，可以實現(xiàn)早期識別短路。由此可在過載或短路情況下提早切斷有關(guān)電流回路。故障信息也同樣可進一步傳遞給一個上級通信設備。
權(quán)利要求
1．一種用于低壓電網(wǎng)的保護裝置，它具有一個測量裝置和一個連接在其后的分析裝置，其特征在于，測量裝置是一個基于印刷電路板的電流互感器(2)，它產(chǎn)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于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(quán)利要求1所述的保護裝置，其特征在于，所述基于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(quán)利要求1或2所述的保護裝置，其特征在于，所述多繞組互感器(12)包括一個電流-電壓互感器(2)。
4．如權(quán)利要求1所述的保護裝置，其特征在于，所述用于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(quán)利要求3所述的保護裝置，其特征在于，在所述用于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(quán)利要求4所述的保護裝置，其特征在于，對于電流(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(wǎng)頻率；COSφN電網(wǎng)在正常運行時的功率因子。
7．如權(quán)利要求3所述的保護裝置，其特征在于，所述用于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，采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(quán)利要求7所述的保護裝置，其特征在于，所述按照TOK-方法工作、用于早期識別短路工作的單元(40,46)具有數(shù)字化開關(guān)器具。
9．如權(quán)利要求7或8所述的保護裝置，其特征在于，在基于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(shù)字轉(zhuǎn)換器(42,43)。
10．如權(quán)利要求8所述的保護裝置，其特征在于，所述按照TOK-方法工作、用于早期識別短路工作的單元(40,46)具有模擬化開關(guān)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后的分析裝置，按照本發(fā)明，測量裝置是一個基于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于早期識別短路的單元(20,40)，所述基于印刷電路板的電流互感器(1,2)優(yōu)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(yōu)先權(quán)日1998年8月31日
發(fā)明者沃納·埃利舍, 格德·格里彭特羅格, 萊因哈德·梅爾, 埃里克·澤比安 申請人:西門子公司