專利名稱：用于防止意外電弧的電源開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在殼體中的多極電源開關，包括觸斷器模塊，用于與為 低壓開關機構供電的電源連接或斷開；觸發(fā)模塊，用于在過載時與低壓開 關機構斷開；電流檢測模塊，用于檢測為低壓開關機構供電的導體電流； 優(yōu)選的電子控制模塊，用于處理所檢測到的導體電流，并至少生成針對觸 發(fā)模塊的觸發(fā)信號。
背景技術：
電源開關在發(fā)生過流、短路或意外電弧時的斷電能力和切斷時間取決 于各種參數(shù)。切斷過程包括觸發(fā)時間、固有時間和切斷時間。觸發(fā)時間是 從出現(xiàn)引起觸發(fā)的變化因素到觸發(fā)過程開始的時間，例如開關閉鎖的解除。 這之后是開關的固有時間，其取決于移動和打開開關接觸點的動態(tài)過程。 在開關用于相對高的功率范圍(標稱電流高至100千安(kA))的情況中， 切斷時間可以高至50到65毫秒。已知存在這樣的電源開關，其包括電子 觸發(fā)模塊(例如，DE 19743997Al)，并且允許可變地調整開關機構的保護 條件的功能配置。然而，這種電子模塊未改變切斷時間。
電氣裝置中意外電弧的發(fā)生可能對人和/或財產造成嚴重損害；如果未 被排除，那么應該盡可能地限制這種傷害和損害。為了避免這種損害，已 經提出了各種措施，其中的最優(yōu)方案是，在比饋送開關的切斷時間更短的 時間內去除(消除)意外電弧。意外電弧的檢測需要變流器，其必須被添 加到開關機構裝置中。而這占據空間并且很昂貴。此外，必須安裝額外的 模塊來消除意外電弧。意外電弧消除模塊的額外花費在經濟上并不總是合 理的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是向電源開關添加使其切斷時間縮短的裝置。
5根據本發(fā)明，該目的是通過獨立權利要求中的特性特征實現(xiàn)的，而從 屬權利要求公開了本發(fā)明的有益發(fā)展結果。
本發(fā)明的核心在于電源開關可以由過流評估設備(電弧監(jiān)控系統(tǒng)) 激活，所述過流評估設備對在低壓開關機構中發(fā)生的意外電弧作出反應； 來自于電弧監(jiān)控系統(tǒng)的過流信號可以通過第一評估模塊與用于觸發(fā)控制模 塊的信號相聯(lián)系(linkedto)，所述第一評估模塊用于評估源自于意外電弧 的過流強度；以及只有在來自電流檢測模塊的信號高于可預調整的閾值的 情況下，才發(fā)出關斷脈沖來激活用于觸發(fā)電源開關的模塊。意外電弧的閃 現(xiàn)以及基于該電弧的故障電流的迅速上升使得來自電弧檢測與評估單元的 開關信號直接傳至用于觸發(fā)電源開關的模塊，由此導致所述電源開關打開 接觸點(contact )。
本發(fā)明的優(yōu)點基本上在于因為是直接激活用于控制電源開關的模塊， 所以與通過電源開關的設備內部電流檢測模塊來激活的情況相比較，觸發(fā) 機構被更早(并因此更迅速地)激活。本發(fā)明允許在不使用可能有用的電 弧消除設備的情況下，綜合關于意外電弧的數(shù)據的評估并利用無論如何都 存在于電源開關中的變流器，這與縮短防止意外電弧的切斷時間相關聯(lián)。
對電源開關的切斷命令在電源開關的實際電子器件中生成，并且直接 作用于電子觸發(fā)模塊的磁線圈。該觸發(fā)過程的直接影響使得能夠顯著縮短 切斷時間。在已知的電源開關中，中轉固有時間和觸發(fā)鏈使用工作電流觸 發(fā)模塊將切斷時間增至約65毫秒。所提供的方案使得該時間縮短20到30 毫秒，這意味著縮短了約50%。
本發(fā)明在成本上具有明顯的優(yōu)點?？梢詷嬙炀哂心K化結構的意外電 弧防止模塊。根據本發(fā)明的電源開關的使用會使得意外電弧防止系統(tǒng)變得 更加普遍。
意外電弧防止系統(tǒng)一般來說不僅檢測光學現(xiàn)象，還檢測第二物理變量。 該第二物理變量一般為電流強度。檢測電流強度需要變流器，而變流器占 據空間并必然產生額外成本。本發(fā)明利用電源開關中己經提供的、并且之 前僅用于觸發(fā)電源開關的變流器。
本發(fā)明的進一步的有利實施例具有以下可以單獨或者 互組合來使用 的特征。優(yōu)選地，第一評估模塊的閾值應該被設置為標稱電流的兩倍。對于例 如表征為高導體阻抗的特定開關機構件，該閾值將減小。
電源開關的電流檢測模塊包括本領域技術人員已知的常規(guī)模塊，通常
使用Rogowski線圈。
電弧監(jiān)控系統(tǒng)包括至少一個意外電弧傳感器，該意外電弧傳感器的輸 出信號可以通過至少一個監(jiān)控線傳輸給控制模塊。
意外電弧傳感器檢測當出現(xiàn)意外電弧時發(fā)生的物理效應。優(yōu)選地，檢 測來自意外電弧的光學現(xiàn)象，因此主要提出光學檢測模塊(即，光電二極 管和/或光纖)。電子網關模塊可以被插入在前述監(jiān)控線與用于控制電源開 關的模塊之間。該網關模塊組合了監(jiān)控線(優(yōu)選地，可以通過連接器連接 到網關模塊)和至少一個到控制模塊的輸出線的訪問模塊。電弧監(jiān)控系統(tǒng) 與電源開關之間的通信由此用該網關模塊作為媒介。
如果使用光學檢測模塊，則來自意外電弧傳感器的信號是光信號。網 關模塊因此包括光耦合器，在其中將光信號轉換成電信號來激活用于控制 電源開關的模塊。網關模塊因此與控制模塊電氣隔離。優(yōu)選地，用于傳輸 警告信號的監(jiān)控線可以被配置為電子總線。
根據本發(fā)明的組件可以與在出現(xiàn)意外電弧時被激活來使相電流承載流 徑短路的模塊(后文中稱為"短路模塊")進行組合。因此，除了意外電弧 的檢測和基于該檢測的用于切斷電源開關的處理之外，還可以消除幾乎全 部起初的意外電弧。短路模塊產生金屬短路，其在少于2毫秒的時間內收 回提供給意外電弧的電能。因此，應該在控制模塊中配置有信號輸出，用 于激活短路模塊。這允許用短路模塊在任意級改裝根據本發(fā)明的組件。
如果使用前述短路模塊，則用于評估意外電弧過流的第二評估模塊應 該與控制模塊相關聯(lián)。第二評估模塊的可預調整的閾值應該高于第一評估 模塊的閾值，并且只有在來自電流檢測模塊的信號高于第二評估模塊的閾 值的情況下，才發(fā)出關斷脈沖來激活短路模塊。優(yōu)選地，第二評估模塊的 閾值應該被設置為標稱電流的四倍?？梢哉f存在兩個意外電弧防止級別。 這些措施防止短路模塊在低意外電弧電流時被激活，因為首先只有電源開 關由于可調整閾值而被連接。僅在相對高意外電弧電流時才幾乎立即觸發(fā) 短路模塊。電弧檢測模塊和短路模塊的元件的細節(jié)結構可以按照本領域技術人員 的期望來配置。有利地使用前述電子網關模塊，通過該電子網關模塊，使 用致動信號來激活短路模塊。如前文所述，網關模塊是電源開關與意外電 弧檢測和防止系統(tǒng)之間的通信構件。還可以在網關模塊中規(guī)定，只有在意
外電弧發(fā)生在低壓開關機構的可預選隔區(qū)(compartment)內的情況下才激 活短路模塊。因此，(通過短路模塊進行的)意外電弧的去除可以僅與開關 機構的特定保護區(qū)域相關聯(lián)(這將在后文更詳細地描述)。因此，意外電弧 防止系統(tǒng)可以用于不同的開關機構，并且因此可以在不進行后續(xù)改變的情 況下進行擴展。
在簡化實施例的方式中，如果將電弧檢測信號(通過光電網關)直接 饋送至電源開關的電子器件，則可以省略網關模塊。在該類型的一種情況 中，至少一個光傳感器可以直接連接到電源開關上的輸入。
用于產生短路的短路模塊應該被安排在負載側上(即，在電源開關之 后)，位于負載側的導電軌之間。然而，有可能存在其中將短路模塊安排在 主側上(即，在電源開關之前)更為有利的電路裝置。在這種情況中，上 級的電源開關的目的是，在短路模塊產生短路時，以無電壓的方式將該裝 置作為整體來連接。
電源開關可以具有鎖機構來防止電源開關恢復為接通，所述鎖機構在 觸發(fā)短路模塊中的開關功能之后開始工作。鎖功能在該配置中可以為機械 的或機電式的。這確保開關機構可以僅在已致動的短路模塊已經替換成功 能上為新的短路模塊并且鎖功能已經被取消時才被激活。


本發(fā)明進一步的細節(jié)和優(yōu)點將從附圖中說明的以下實施例中顯現(xiàn)，在 附圖中.-
圖1以電路邏輯的形式示出本發(fā)明的示意性構造， 圖2示出合并了短路模塊的電路邏輯的構造， 圖3是圖2的詳細說明，以及 , 圖4示出對電路邏輯的補充，其包括時間延遲模塊。
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具體實施例方式
每一幅附圖都以電路邏輯的形式示出本發(fā)明的示意性構造。該電路布 置的元件可以為分立的電子部件或集成的電子部件(微處理器)。特別地， 可以使用可編程的數(shù)字電子裝置來代替固定的硬件構造(例如，形成為可 編程控制器)。這樣，可以很容易地在編程方面作出各種改變。
附圖中的元件是殼體中的電源開關的部件，未包括位于電源開關外部
的電弧檢測單元LBS和電弧消除模塊12 LBQ。
與所有電源開關類似，根據本發(fā)明的構造包括觸斷器模塊，用于與 為低壓開關機構供電的電源連接或斷開；觸發(fā)模塊70，用于在過載時與開 關機構斷開；電流檢測模塊80 (例如Rogowski線圈)，用于檢測為低壓開 關機構供電的導體電流Ll、 L2、 L3;以及控制模塊，用于處理所檢測到 的相導體電流L1、L2、L3，并且至少生成針對觸發(fā)模塊70的觸發(fā)信號183。 優(yōu)選地，觸發(fā)模塊70可以是電子觸發(fā)模塊，從而根據本發(fā)明被配置為邏輯 電路的組件可以很容易被集成。
控制模塊的元件包括可通過調整按鈕(在電源開關前端可觸及)來 調整的閾值調整模塊Sl;用于將過流信號180引導到第一比較器63的模 塊，其中調整信號182經受了閾值調整S1;以及用于將過流信號183轉發(fā) 到與(AND)運算60的模塊，在所述AND運算60處，電氣警告或者過 流信號104來自于意外電弧檢測模塊LBS。如果過流信號180高于在閾值 調整模塊S1中所設的閾值，則用于觸發(fā)電源開關的機構70被通過激活(關 斷脈沖)200而啟動，從而接觸點打開。
閾值調整模塊Sl的調整范圍可以包括值從0.5到6的標稱電流IN。對 于典型應用，Sl可以被設為2Iw。
電弧檢測單元LBS在圖2中被示意性地指出，在圖2中還示意性地指 出了電弧消除模塊12LBQ。
圖1示出電弧檢測單元LBS的細節(jié)。電弧監(jiān)控系統(tǒng)LBS包括至少一 個意外電弧傳感器10，該意外電弧傳感器IO可以被配置為點傳感器(光 電二極管)或線傳感器(光纖)。電弧傳感器還可以通過監(jiān)控總線進行連接。 Zl、 Z2、 Z3表示電氣開關機構的隔區(qū)，每一個都包含意外電弧傳感器。
將低壓開關機構分成隔區(qū)Z1、 Z2、 Z3限定了不同的功能單元和保護區(qū)域。區(qū)分子劃分(母線箱(chamber)、器件箱、連接箱，每一個都包括 分區(qū)、蓋或者器件護層)降低了進行維護和連接工作的人員的潛在風險。 然而，子劃分產生對電弧傳感器的遮蔽(shading)。電弧傳感器(點或線 傳感器)的布置和選擇取決于開關機構的子劃分的程度。電子網關模塊30 可以包含用于選擇和分配電弧傳感器給隔區(qū)Z1、 Z2、 Z3的模塊38。取決 于用戶所設定的開關機構的構造，網關模塊能夠在用電弧傳感器改裝開關 機構時通過設置區(qū)域選擇開關38來顧及電弧檢測的性質和靈敏性。優(yōu)選 地，區(qū)域選擇開關可以被配置為DIP開關。因此，網關模塊也可以被這樣 配置，即短路模塊僅在意外電弧發(fā)生在低壓開關機構的預選隔區(qū)中時才被 激活。因此，根據本發(fā)明的組件對于改裝來說是靈活且適應性強的，而不 必預先特別地連接該組件。
來自意外電弧的光信號20經過網關模塊30、經過線路102到達光耦 合器50，該光耦合器50將光信號102轉換為電信號104。網關模塊30可 以通過四極線路、通過RJ45型迷你連接器連接到光耦合器50和短路模塊 網關52。短路模塊網關52在圖3中示出。它具有用于通過致動信號188 來激活短路模塊12的二元輸出。接觸點32、 34、 36、 40 (還在圖3和圖4 中看到)可以組合在RJ45型迷你連接器中。
未示出承載導體電流L1、 L2、 L3的電流路徑的位置和布置。短路模之間。
圖2說明了控制模塊S1、 180、 182、 183、 60為用于評估意外電弧過 流的第二評估模塊S2、 184、 64、 185。第二評估模塊S2、 184、 64、 185 的可預調整的閾值S2在這種情況下被設置為比第一評估模塊S1、 63、 60 的閾值Sl高。閾值調整模塊S2的調整范圍可以包括從標稱電流IN的兩倍 到十倍的值。通常，S2被設置為Sl的設定值的兩倍高。只有在來自于電 流檢測模塊80的信號180高于第二評估模塊的閾值S2的情況下，才發(fā)出 關斷脈沖200來激活短路模塊70。
第二評估模塊的元件包括閾值調整模塊S2 (具有相應的調整按鈕); 用于分支和傳輸過流信號180到第二比較器64的?！姥耄渲姓{整信號184 經受了第二閾值調整S2;以及用于將信號185轉發(fā)到觸發(fā)模塊(通過或OR)門62、與運算60和信號200)和短路模塊12 (通過網關52和網 關模塊30)的模塊。
如果過流信號180高于在閾值調整模塊Sl中設置的閾值而低于閾值 S2，則電源開關的短路機構70未被激活。這通過或門62來保證。過流信 號180只有在過流條件(根據信號180)大于閾值S2 (例如，S2=4IN)時 才經受與運算60。
圖3將圖2的示意圖分解為多個細節(jié)，盡管這些細節(jié)已經在圖1中涉 及并對其進行了描述。
在圖2中，標號51表示光電網關，其也可以是用于控制電源開關的模 塊的部件。來自電弧傳感器的檢測信號102、 104可以通過該網關直接傳輸 到控制模塊，而不用提供接口和光耦合器(如圖1中示出的兩種情況)。
圖4示出向電路邏輯添加時間延遲模塊(66、 67、 193)。開關設備， 特別是用于相對高的電流的保護開關，產生開關電弧。在電源開關被安排 在開關裝置內或其附近并且未在空間上被分離開的情況中，電弧傳感器還 可以檢測電源開關的開關電弧。為了防止開關電弧在切斷電源開關的過程 中(尤其是在高或極高電流負載下)起動短路模塊12，使用電子時間延遲 模塊67來將切斷信號192延遲一段短時間(約2到5毫秒)。在圖4中， 示出了用于切斷電源開關的切斷致動器(手動致動設備)ST。致動信號192 通過或門66經由電流路徑193被輸入到短路模塊70。在電源開關承載特 別高的電流(高于過流調整模塊S3設置的閾值S3)的情況中，開關信號 188由此只有在一延遲之后才到達短路模塊。過載閾值S3的設定值應該被 設置為高于前兩個閾值(S1和S2)的設定值。
標號，未在說明書中說明
10電弧傳感器(點傳感器，LWL)
12短路模塊(電弧消除設備LBQ)
20檢測線(監(jiān)控總線)
30網關模塊
32警告信號口 (socket) 102 34 壓源端子(例如，24VDC) ii36接地電勢口 106
38區(qū)域選擇開關、DIP開關、接觸點區(qū)域分配(Zl、 Z2、 Z3) 50耦合構件(光耦合器) 51光電網關
52短路模塊網關(具有二元輸出)
60與運算
62,62'或門
63第一加法器
64第二加法器
65第三加法器
66或門
67時間延遲模塊 68或門
70觸發(fā)模塊(勵磁線圈，電磁體)
80測量變換器；測量值預備模塊；電流檢測模塊(例如，Rogowski 線圈)
102警告信號(光信號)
104警告信號(電信號)
106接地電勢
110電壓源(例如，24VDC)
180過流信號
182閾值S1
183,183'高于閾值S1的過流信號
184閾值S2
185高于閾值S2的過流信號
188，188'短路模塊開關命令
190過載控制值
191信號過載控制值S3
192切斷信號
193切斷信號192在其中循環(huán)200對觸發(fā)模塊的命令(切斷信號)
LBS電弧監(jiān)控系統(tǒng)(過流評估設備)
LBQ短路模塊12
SI S2第一、第二閾值設置模塊
S3過載控制器
ST切斷致動器
Zl Z2開關機構子劃分區(qū)域
1權利要求
1、一種在殼體中的電源開關，包括·觸斷器模塊，用于與為低壓開關機構供電的電源連接或斷開，·觸發(fā)模塊(70)，用于在過載時與所述低壓開關機構斷開，·電流檢測模塊(80)，用于檢測為所述低壓開關機構供電的導體電流(L1、L2、L3)，·控制模塊(S1、180、182、183、60)，用于對所檢測到的導體電流(L1、L2、L3)進行處理，并至少生成針對所述觸發(fā)模塊(70)的觸發(fā)信號(183)，其特征在于所述電源開關能夠由對意外電弧的發(fā)生作出反應的電弧監(jiān)控系統(tǒng)(LBS)來激活；來自于所述電弧監(jiān)控系統(tǒng)(LBS)的過流信號(104)通過第一評估模塊(S1、63、60)與來自所述控制模塊(S1、180、182、183、60)的觸發(fā)信號(183)相聯(lián)系，所述第一評估模塊(S1、63、60)用于評估意外電弧過流；以及只有在來自所述電流檢測模塊(80)的信號(180)高于可預調整的閾值(S1)的情況下，才發(fā)出關斷脈沖(200)來激活用于觸發(fā)所述電源開關的模塊(70)。
2、 根據權利要求l所述的電源開關，其特征在于，所述電流檢測模塊 (80)包括Rogowski線圈。
3、 根據權利要求1或2中的任意一個所述的電源開關，其特征在于， 所述電弧監(jiān)控系統(tǒng)(LBS)包括至少一個意外電弧傳感器(10)，來自所述 至少一個意外電弧傳感器(10)的輸出信號能夠通過至少一個監(jiān)控線(20) 被傳輸給所述控制模塊(Sl、 180、 182、 183、 60)。
4、 根據前述權利要求中的任意一個所述的電源開關，其特征在于，所 述電源開關的所述控制模塊(Sl、 180、 182、 183、 60)包括光電網關(51)， 其能夠由來自所述電弧傳感器的檢測信號(102、 104)直接作用。
5、 根據前述權利要求中的任意一個所述的電源開關，其特征在于，在所述控制模塊中配置有信號輸出(185)，用于激活短路模塊(12、 LBQ)， 所述短路模塊(12、 LBQ)用于使承載所述導體電流(Ll、 L2、 L3)的電流路徑短路。
6、 根據權利要求5所述的電源開關，其特征在于用于評估所述意外 電弧過流的第二評估模塊(S2、 184、 64、 185)與所述控制模塊(Sl、 180、 182、 183、 60)相關聯(lián)；所述第二評估模塊(S2、 184、 64、 185)的可預 調整的閾值(S2)高于所述第一評估模塊(Sl、 63、 60)的閾值(Sl); 以及只有在來自所述電流檢測模塊(80)的信號(180)高于所述第二評估 模塊(S2、 184、 64、 185)的閾值(S2)的情況下，才發(fā)出關斷脈沖(200) 來激活所述觸發(fā)模塊(70)。
7、 根據權利要求6所述的電源開關，其特征在于，所述第二評估模塊 (S2、 184、 64、 185)的閾值(S2)被設置為所述第一評估模塊(Sl、 63、60)的閾值(Sl)的兩倍。
8、 根據權利要求5、 6或7中的任意一個所述的電源開關，其特征在 于，所述短路模塊(12)能夠由通過網關模塊(30)的致動信號(185、 188) 來激活。
9、 根據權利要求5到8中的任意一個所述的電源開關，其特征在于， 所述短路模塊(12)被安排在負載側的導電軌之間以用于產生短路。
10、 根據權利要求5到9中的任意一個所述的電源開關，其特征在于， 所述電源開關具有鎖機構，以防所述電源開關恢復為接通，所述鎖機構在 觸發(fā)所述短路模塊(12)中的開關功能之后開始工作。
11、 根據權利要求5到10中的任意一個所述的電源開關，其特征在于， 提供了電子時間延遲模塊(67)，其將傳送給所述短路模塊(12)的短路開關信號(192)延遲2到5毛秒的時間.
全文摘要
本發(fā)明涉及被配置來防止低壓開關機構中的意外電弧的電源開關。本發(fā)明為該電源開關提供對開關機構中產生的意外電弧作出響應的過流評估模塊。來自于電弧監(jiān)控系統(tǒng)LBS的過流信號104(閃現(xiàn)意外電弧)通過第一評估模塊S1、182、63與用于觸發(fā)控制模塊的信號103相聯(lián)系，所述第一評估模塊S1、182、63用于評估源自于意外電弧的過流強度。只有在來自電流檢測模塊80的信號180高于可預調整的閾值S1的情況下，才發(fā)出關斷脈沖200來激活用于觸發(fā)電源開關的模塊70。本發(fā)明允許電源開關更迅速地去除基于意外電弧的過流。
文檔編號H02H3/08GK101682183SQ200880015516
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權日2007年5月10日
發(fā)明者A·舒馬赫, S·達爾, W·瓦格納 申請人:默勒有限公司