專利名稱：具有儲能電路的故障電流保護(hù)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種故障電流保護(hù)開關(guān)，其由一總變流器獲得的釋放機(jī)構(gòu)的釋放信號經(jīng)一個(gè)儲能電路得到輸送，其中，總變流器具有為待保護(hù)導(dǎo)體而設(shè)的初級線圈和至少一個(gè)用于輸出釋放信號的次級繞組。
故障電流保護(hù)開關(guān)中的一個(gè)儲能電路把小的、由總變流器獲得的釋放信號裝入一個(gè)存儲器，直至一個(gè)附屬的釋放閥使存儲器經(jīng)一個(gè)釋放機(jī)構(gòu)泄放為止。釋放機(jī)構(gòu)可導(dǎo)致一個(gè)開關(guān)鎖脫扣并可導(dǎo)致待保護(hù)導(dǎo)體中的或相聯(lián)的負(fù)載中的開關(guān)觸點(diǎn)斷開。這種故障電流保護(hù)開關(guān)曾以各種不同的結(jié)構(gòu)形式公開(DE-A-3 129 277，DE-A-2 540 815)。
在故障電流保護(hù)開關(guān)中，人們目前所謀求的是故障電流保護(hù)開關(guān)不僅對交流故障電流敏感，而且對脈動(dòng)故障電流也敏感。對此，具有平直特性曲線的磁心材料，即所謂F-材料是適宜的(EP-B-0 084 814，圖2)。
本發(fā)明的目的在于進(jìn)一步開發(fā)開頭所述類型的故障電流保護(hù)開關(guān)，使其對具有平滑直流成分的故障電流盡量不敏感。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即提供一種如權(quán)利要求1所描述的故障電流保護(hù)開關(guān)。
總變流器由一種磁心材料構(gòu)成，在峰值場強(qiáng)Hs為4mA/cm的情況下，在空載時(shí)以50Hz的交流電壓測出的、該磁心材料的相對磁導(dǎo)率稱為磁導(dǎo)率μ4，并在+25℃時(shí)遵循如下關(guān)系μ4≥130000。當(dāng)峰值場強(qiáng)Hs在4mA/cm和40mA/cm之間時(shí)，該磁心材料的相對磁導(dǎo)率μr處在一個(gè)最大值μrmax和一個(gè)最小值μrmin之間，以空載為衡量基準(zhǔn)，這兩個(gè)值遵循的關(guān)系為μrmax/μrmin≤1.2。
一個(gè)具有這種磁心材料的總變流器給出故障電流保護(hù)開關(guān)，這種故障電流保護(hù)開關(guān)在有交流故障電流、脈動(dòng)故障電流和帶直流成分的故障電流時(shí)釋放并且對有平滑的直流故障電流疊加直至直流覆蓋部分的釋放極限是不敏感的，即在其釋放中不受干擾性損害，因此稱為交直流兼容的故障電流保護(hù)開關(guān)。
按照權(quán)利要求2所述的一個(gè)實(shí)施形式，得到一個(gè)特殊的F-材料。其中，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax和靜態(tài)剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Brstat之間的靜態(tài)差感△Bstat與在峰值場強(qiáng)Hs為40mA/cm時(shí)用全波整流的交流電測出的動(dòng)態(tài)差感△Bdyn之比滿足如下關(guān)系△Bstat/△Bdyn≤1.1。交流時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bw與用半波整流的交流電測出的靜態(tài)差感△Bstat之比在峰值場強(qiáng)Hs為40mA/cm時(shí)遵循如下關(guān)系Bw/△Bstat≤1.2。一個(gè)裝有這種磁心材料的故障電流保護(hù)開關(guān)能損耗很小地檢測脈動(dòng)直流故障電流并從而能使交流故障電流和脈動(dòng)的故障電流具有很一致的釋放區(qū)(Auslsebereiche)。
按照權(quán)利要求3所述的本發(fā)明的另一實(shí)施形式，一個(gè)儲能電路的存儲電容器設(shè)在一個(gè)整流電路的輸出端，在總變流器的次級繞組被納入的情況下，在整流電路的輸入端存在一個(gè)對頻率的諧振匹配(Resonanzanpassung)，該頻率在次級繞組中被一個(gè)在總變流器的初級線圈中流動(dòng)的、脈動(dòng)的直流故障電流所感應(yīng)。此外，在溫度為+25℃時(shí)的磁導(dǎo)率μ4，即μ4(+25)、溫度為-25℃時(shí)的磁導(dǎo)率μ4，即μ4(-25)和溫度為+85℃時(shí)的磁導(dǎo)率μ4，即μ4(+85)之間存在如下關(guān)系0.85≤μ4(+25)/μ4(-25)≤1.1和0.85≤μ4(+25)/μ4(+85)≤1.1。
權(quán)利要求3所述的故障電流保護(hù)開關(guān)用諧振匹配放大釋放信號并確保釋放值具有充分的溫度恒定性，這些釋放值本來在調(diào)諧中在不采取特殊措施的情況下會(huì)隨溫度具有很大的變化。
該故障電流保護(hù)開關(guān)及其不同的實(shí)施形式能采用較小截面的總變流器和較少的匝數(shù)。因此可實(shí)現(xiàn)這樣的故障電流保護(hù)開關(guān)，這些故障電流保護(hù)開關(guān)的初級線圈僅為一根貫穿的導(dǎo)線并且次級繞組只有幾個(gè)線圈。此外，整流裝置可設(shè)有一個(gè)倍壓電路，以便進(jìn)一步升高由總變流器在其次級繞組中獲得的釋放信號。
下面借助于附圖及所示的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明

圖1是具有儲能電路的故障電路保護(hù)開關(guān)的原理圖，圖2是一個(gè)曲線圖，其中，橫坐標(biāo)為場強(qiáng)H，縱坐標(biāo)為一個(gè)總變流器的磁心材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，圖3是一個(gè)曲線圖，其中橫坐標(biāo)為峰值場強(qiáng)Hs或者 ，縱坐標(biāo)為相對磁導(dǎo)率μr，圖4是一個(gè)曲線圖，其中，橫坐標(biāo)為峰值場強(qiáng)Hs或者 ，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度B?？砂褕D中顯示的直線理解為動(dòng)態(tài)B-H特性曲線的斜率，據(jù)此，在換向調(diào)制度小時(shí)的磁導(dǎo)率，即可逆磁導(dǎo)率近似相當(dāng)于動(dòng)態(tài)B-H特性曲線的斜率，換言之，在疊加有最大達(dá)40mA/cm的直流場強(qiáng)的情況下，可逆磁導(dǎo)率保持恒定。
圖1所示的故障電流保護(hù)開關(guān)用一個(gè)總變流器1，譬如一個(gè)環(huán)形磁心工作，一根初級導(dǎo)線作為線圈穿過以上環(huán)形磁心并形成初級線圈2或者說初級繞組。次級繞組3帶有一個(gè)儲能電路4，該儲能電路4由整流電路5和儲能元件6(在實(shí)施例中儲能元件6是電容器C2)和譬如用一個(gè)齊納二極管作為基準(zhǔn)元件的過截繼電器7組成。釋放機(jī)構(gòu)8可用一個(gè)吸持磁鐵線圈工作。一個(gè)電容器9，即C1可使與總變流器的次級繞組3至少是部分地調(diào)諧成為可能，以便加強(qiáng)釋放信號。釋放信號由總變流器經(jīng)過整流電路5到達(dá)儲能元件6。如果過截繼電器7的閾值被超過，則儲能元件6經(jīng)過釋放機(jī)構(gòu)8釋能。
當(dāng)額定故障電流I△n＝30mA，和初級線圈的匝數(shù)N1＝1時(shí)的釋放交流故障電流為譬如22.5mA時(shí)，典型磁路長度IFe為5至7cm時(shí)的場強(qiáng)調(diào)制范圍約為4至6mA/cm是比較低的。為了在如此低的調(diào)制范圍的情況下，在22.5mA時(shí)取得一個(gè)對釋放機(jī)構(gòu)8或者對釋放電路中的釋放電子組件而言足夠的、譬如5伏的電壓，采用在+25℃時(shí)其相對磁導(dǎo)率μ4≥130000的磁心材料是相宜的。
在變流器的截面AFe為0.5至0.7cm2并且做為儲能元件6的儲能電容器C2的裝載電壓為譬如5伏時(shí)，一個(gè)做為整流器5的倍壓電路可使次級繞組3具有低的值在1000至2000之間的次級線圈匝數(shù)N2。該范圍的較小匝數(shù)是由電容器9或者說C1的諧振匹配而獲得的。
在沒有諧振匹配的情況下并在正弦形故障電流時(shí)，穩(wěn)態(tài)空載時(shí)得到一個(gè)感應(yīng)電壓Uindu^ind=N2×dφ/dt;]]>u^ind=N2×2πf×μ0×μr×H^×AFe;]]>當(dāng)H^=Δ×N1/IFe]]>并且μO＝4π×10-7Vs/Am時(shí)，則u^ind=2000×6.28×50s-1×12.6×10-7Vs/Am]]>×130000×4mA/10-2m×0.6×10-4cm2＝2.5V在有一個(gè)倍壓電路的情況下，則儲能電容器6上可得到5伏電壓。
通過一個(gè)其μrmax/μrmin≤1.2的、確切地說處于其峰值場強(qiáng)在4mA/cm和40mA/cm之間的場強(qiáng)的范圍內(nèi)的磁心，結(jié)合權(quán)利要求1的其他特征可在次級線圈比較少的情況下得到一個(gè)足夠的釋放信號。通過一個(gè)比較恒定的相對磁導(dǎo)率保障了一種良好的交直流兼容性。
從圖2所示的曲線圖中，在一個(gè)空載時(shí)測出的總變流器的磁化曲線上示出了用以作為故障電流保護(hù)開關(guān)的基礎(chǔ)的材料特性參數(shù)。較窄的曲線是在空載狀態(tài)下在交流電壓下對磁心材料勵(lì)磁時(shí)得出的。在較寬的、相當(dāng)于更高的磁化損耗的曲線上記載有全波整流時(shí)得出的△Bdyn。在使磁心勵(lì)磁、經(jīng)半波整流的交流電壓下可在靠內(nèi)的曲線上得出作為結(jié)果的△Bstat?？客獾拇艤€又稱為動(dòng)態(tài)磁滯曲線11，靠內(nèi)的磁滯曲線又稱為靜態(tài)磁滯曲線12。通過權(quán)利要求2所述的磁心參數(shù)可選擇出一個(gè)特殊的、損耗極小的F-材料，該材料特別適于檢測脈動(dòng)的直流故障電流。按此，當(dāng)峰值場強(qiáng)Hs為40mA/cm時(shí)，Bstat/△Bdyn≤1.1并且Bw/△Bstat≤1.2。
通過要求的諧振匹配，以便在變流器材料具有小的橫截面和在盡可能只有一根貫穿導(dǎo)線構(gòu)成初級繞組并在次級線圈匝數(shù)少的情況下得到更高的釋放信號，磁導(dǎo)率具有升高的溫度變化過程。為了在約-25℃至+85℃這個(gè)寬的溫度范圍內(nèi)使故障電流保護(hù)開關(guān)的釋放特性盡量保持恒定，磁心的參數(shù)應(yīng)滿足權(quán)利要求3所述的給定值，即應(yīng)滿足如下關(guān)系0.85≤μ4(+25)/μ4(-25)≤1.1和0.85≤μ4(+25)/μ4(+85)≤1.1在圖3中示意出了以上關(guān)系，按此，在峰值場強(qiáng)為4至40mA/cm的情況下，給出了μrmax和μrmin之間的相對磁導(dǎo)率μr曲線，其中，μrmax/μrmin≤1.2。結(jié)合μ4≥130000這一要求，就給出了一種適宜的磁心材料的相對磁導(dǎo)率曲線。
圖1中所用的電容器9與次級繞組3的諧振匹配越強(qiáng)，則相對磁導(dǎo)率的良好恒定性越加重要。
通過權(quán)利要求3中的磁心參數(shù)考慮了這些關(guān)系。
在圖4所示曲線中，在橫坐標(biāo)列出了在4到40mA/cm之間的峰值場強(qiáng)，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖中用直線變化記錄的特性曲線13說明，在渦流損耗忽略不計(jì)的情況下，在換向調(diào)制度小時(shí)，相對磁導(dǎo)率作為磁導(dǎo)率幾乎與動(dòng)態(tài)B-H特性曲線的斜率相當(dāng)。換言之，當(dāng)疊加的直流場強(qiáng)為40mA/cm時(shí)，可逆磁導(dǎo)率保持恒定。
具有所述磁心參數(shù)的故障電流保護(hù)開關(guān)可后接一個(gè)專用于直接故障電流的保護(hù)開關(guān)，譬如一個(gè)相應(yīng)的DI-保護(hù)開關(guān)，毋使故障電流保護(hù)開關(guān)的釋放特性受到平滑的直流故障電流的不應(yīng)有的損害。故障電流保護(hù)開關(guān)即使在直流故障電流成分增大的情況下仍能可靠地工作，直至專用于直流故障電流的保護(hù)開關(guān)能承擔(dān)斷開工作為止。在傳統(tǒng)的故障電流保護(hù)開關(guān)中，直流成分增大導(dǎo)致故障電流保護(hù)開關(guān)不再能可靠地釋放，使人們迄今不得不通過一個(gè)接在故障電流保護(hù)開關(guān)之后的萬能電子保護(hù)開關(guān)來承擔(dān)斷開工作。但這種萬能電子保護(hù)開關(guān)不能與電源電壓無關(guān)地付諸實(shí)施。因此，應(yīng)用一個(gè)具有所述磁心參數(shù)的與電源電壓無關(guān)的故障電流保護(hù)開關(guān)可建立特別有利的保護(hù)開關(guān)組合。
在設(shè)備微調(diào)方面，在實(shí)踐中如此選擇，場強(qiáng)為4mA/cm時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B4和場強(qiáng)為40mA/cm時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B40，使上限稍低于下限，即滿足Bmax≤1.25Bmin這一關(guān)系是相宜的。經(jīng)濟(jì)上的可能性會(huì)對滿足這一要求有所限定。
權(quán)利要求
1.故障電流保護(hù)開關(guān)，其由一總變流器(1)獲得的釋放機(jī)構(gòu)(8)的釋放信號經(jīng)一個(gè)儲能電路(4)得到輸送，其中，總變流器(1)具有為待保護(hù)導(dǎo)體而設(shè)的初級線圈(2)和至少一個(gè)用于輸出釋放信號的次級繞組(3)，其特征在于，總變流器(1)包括一種磁心材料，-在峰值場強(qiáng)Hs為4mA/cm的情況下，在空載時(shí)以50Hz的交流電壓測出的，該磁心材料的相對磁導(dǎo)率μr稱為磁導(dǎo)率μ4，并在+25℃時(shí)遵循如下關(guān)系μ4≥130000，-在峰值場強(qiáng)Hs在4mA/cm和40mA/cm之間時(shí)，該磁心材料的相對導(dǎo)磁率μr處在一個(gè)最大值μrmax和一個(gè)最小值μrmin之間，空載時(shí)測得，這兩個(gè)值遵循的關(guān)系為μrmax/μrmin≤1.2。
2.按照權(quán)利要求1所述的故障電流保護(hù)開關(guān)，其特征在于，在該磁心材料中，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax和靜態(tài)剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Brstat之間的靜態(tài)差感△Bstat與在峰值場強(qiáng)Hs為40mA/cm時(shí)用全波整流的交流電測出的動(dòng)態(tài)差感△Bdyn之比滿足如下關(guān)系△Bstat/△Bdyn≤1.1，交流電時(shí)的磁感應(yīng)Bw與用半波整流的交流電測出的靜態(tài)差感△Bstat之比在峰值場強(qiáng)Hs為40mA/cm時(shí)遵循如下關(guān)系Bw/△Bstat≤1.2。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的故障電流保護(hù)開關(guān)，其特征在于，一個(gè)儲能電路(4)的存儲電容器設(shè)在一個(gè)整流電路(5)的輸出端，在總變流器(1)的次級繞組(3)被納入的情況下，在一個(gè)在整流電路(5)的輸入端存在一個(gè)對頻率的諧振匹配，該頻率在次級繞組(3)中被一個(gè)在總變流器(1)的初級線圈中流動(dòng)的、脈動(dòng)的直流故障電流所感應(yīng)，在溫度為+25℃時(shí)的磁導(dǎo)率μ4，即μ4(+25)、溫度為-25℃時(shí)的磁導(dǎo)率μ4，即μ4(-25)和溫度為+85℃時(shí)的磁導(dǎo)率μ4，即μ4(+85)之間存在如下關(guān)系0.85≤μ4(+25)/μ4(-25)≤1.1和0.85≤μ4(+25)/μ4(+85)≤1.1。
全文摘要
故障電流保護(hù)開關(guān)，其由一總變流器(1)獲得的釋放機(jī)構(gòu)(8)的釋放信號經(jīng)一個(gè)儲能電路(4)得到輸送，其中，總變流器(1)具有為待保護(hù)導(dǎo)體而設(shè)的初級線圈(2)和至少一個(gè)用于輸出釋放信號的次級繞組(3)，其中規(guī)定，總變流器(1)包括一種磁心材料。
文檔編號H01F3/00GK1131807SQ95115088
公開日1996年9月25日 申請日期1995年8月15日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月16日
發(fā)明者伯恩哈德·鮑爾 申請人:西門子公司