專利名稱：用于交流/直流低壓供電線的保護單元的制作方法
用于交力t/直流低壓供電線的保護單元
本發明涉及用于直流(DC)或交流(AC)低壓供電線的保護單元。
保護設備在低壓電力系統中得到了大量的應用，其中需要這些保護設 備來監視電力線的正常工作，并且在工作狀況出現異常時切斷電流，以避 免電力線本身或連接到電力線的負載和應用設備受損。
為此，這樣的設^f吏用適合的系統來記錄在它們所保護的線路中流動 的電流的值，并將這些值提交到適合的保護設備-典型地是繼電器，每當 電流值高于預設的閾值時，該保護設備就使斷路器跳閘；該斷路器由此中 斷了線路中的電流。
目前市場上有各種方案可供利用，在許多情況下它們具有足夠好的性 能并保證了好的結果，但是盡管如此，它們還存在某些缺點，尤其是就用 于檢測線路中流動的電流的裝置而言。
到目前為止，對于交流(AC)和直流(DC)線路，基于不同的工作 原理，已經使用了各種類型的電流檢測器。
例如，第一種類型的電流檢測i殳^l賴于霍耳效應傳感器，而其它方 案基于使用磁傳感器，磁傳感器的磁芯以載頻供電，以便利用磁芯的磁特 性，尤其是制成磁芯的材料的磁滯循環的磁特性。
由于特別容易受到外部磁場的影響，基于霍耳效應傳感器的方案需要 復雜的屏蔽系統，這樣的系統成本高且占用空間，使得它們并不適合用于 經濟緊湊型產品。還需要特別強調的是，這種屏蔽在直流應用的情況下通 常是無效的，所以進一步限制了它們的實際應用。而且，這些方案存在由 于它們的工作消糾目對高和它們的測量動態有限而導致的問題。
基于使用磁傳感器的方案由于它們的內在結構特性-尤其是必須提 供體積依賴于被測電流值的磁芯—而主要適合于中等電流值，其范圍典型 地從若干分之一安培直至幾十安培，如例如某些類型的精密電流計或剩余 電流(IA)保護設備所要求的電流，在此情況下小尺寸的磁芯就可以滿足 要求。
基于磁傳感器的方案通常還具有使用大量部件的特點。美國專利
4,276,510中就描述了這樣一個實例，其中在磁芯上提供了兩個繞組，而 這#^會引入技術缺陷，如例如在被測導體之一的電流峰值之后產生的不 希望有的"磁記憶"現象。
本發明的主要技術目標是實現用于低壓供電線的保護單元，該保護單 元使得能夠克服上述缺陷，并且，與公知的方案相比，尤其在例如從幾安 培到幾十千安(kA)的電流記錄的大范圍內保證了高精度，并且，該保 護單元在直流或交流應用中同樣適用。
在所述技術目標的框架內，本發明的一個目的是實現這樣一種用于低 壓供電線的保護單元，該保護單元基本上不受外部磁場和磁記憶現象的影 響。
本發明的另一個目的是實現這樣一種用于低壓供電線的保護單元，該 保護單元能夠以非常低的能耗工作，并且，在信號中或在電力網中不引入 任何明顯的擾動，即^A在由所監視的供電線直皿電的情況下。
本發明的另一個目的是實現這樣一種用于低壓供電線的保護單元，該 保護單元可以用數量極為有限的部件制成，并且具有有限的整體尺寸。
本發明的另 一個目的是實現這樣一種用于低壓供電線的保護單元，該 保護單元是高度可靠的，相對容易制造，并且成本具有竟爭力。
而得以實現。
根據對根據本發明的如附圖中的非限制性實例所示的優選但不具排 他性的實施例的描述，將會看出本發明另外的特性和優點，在附圖中
-圖l是示出根據本發明的保護單元的一個可能實施例的框-圖2是示出
圖1的保護單元中的某些部件的電路的一個可能實施例
的框—圖3是示出圖1的保護單元中的某些部件的電路的另一個實施例的
框-圖4示出了圖3的電路的兩個實施例； -圖5部分地示出自動低壓斷路器的極；
-圖6是一個透視圖，示出了與根據本發明的保護單元的電阻器耦合
的斷路器極的電極。
圖1示意性地示出了根據本發明的保護單元，總體上以標號100表示，
該保護單元包括用于檢測在一個或多個供電線導體l中流動的電流(Ij
的裝置和至少第一電子保護裝置2;所述保護裝置2包括處理單元3，連 同諸如跳閘線圏(tripcoil)之類的釋放裝置8，根據眾知的實施例，處理 單元3包括微控制器或微處理器或者DSP (數字信號處理器)；在工作狀 況下，電子裝置2以工作方式耦合到帶有便于在導體1上插入的至少一個 極的斷路器，所述至少一個極在圖1和圖5中以標號4示意性地表示。保 護裝置2優選地包括諸如保護或跳閘單元之類的電子繼電器，或優選地形 成電子繼電器的一部分。
為了便于描述，圖l僅示出了單個供電線導體l，線電流(It)通過 該導體，但以下描述無疑可以以完全相同的方式適用于任何數量的供電線 導體和對應的斷路器極。例如，圖2和3中的電路示意性地示出了在適用 時與另 一個極關聯的電路部件200的存在。
在根據本發明的保護單元100中，檢測裝置有利地包括至少一個電阻 器5和在圖1中總體上以標號20表示的至少一個第一電子處理電路，所 述電阻器5用于與斷路器的極4以串聯方式電連接并用于承載在導體1 中流動的電流IL，所述第一電子處理電5^收作為輸入的指示電阻器5 的端子處的電壓(VSENSE)的信號，并且在適當的處理之后，將對應的指 示在供電線導體1中流動的電流lL的信號發送到第一電子保護裝置2。
根據一個結構上簡單明了但功能上有效的實施例，電阻器5包括至少 一段位于兩個預it基準點之間，例如它的兩個端子之間的電導體，該電導 體具有預定值的電阻(RsENSE)。例如，電阻器5可以采取某一長度的適 當地加有可控比例的其它化學元素的銅條的形式，如加有6%的鎳(Ni) 的銅條。所述電阻器5可以直接安裝在斷路器體的內部或外部。
根據一個優選實施例，電阻器5包括至少一段沿著斷路器的極4的電 極6設置的導體，該導體如圖5中以示意性的方式示出的那樣在斷路器體 的內部，或者在其外部。更確切地說，在兩種情況下，例如借助于對電極 6的至少一段的適當成形和/或借助于為整個所述電極或所述電極的一部 分適當地選取結構性材料，預定電阻的電阻器5都可以如圖5中以示意性 的方式示出的那樣直接包括電極6的至少一部分。作為替換，可以通過沿 著電極6的體物理地放置附加的導體來獲得電阻器5，在這種情況下，表 示電阻器5的所述附加的導體可以包括單個導體件或者兩個或多個分開
的導體件。圖6中示意性地示出了這樣一個實例，其中電阻器5包括兩個 分開的具有已知電阻的導體元件5a和5b，這兩個導體元件以相互并聯的 方式設置，使得它們共同來構成在電極6上串聯的電阻器5。在電阻器5 的端子處有合適的接觸件51和52，電壓Vs畫E從這些接觸件獲得。使用 這個方案在應用中提供了適當的靈活性，因為可以例如通過改變所述兩個 導體件5a和5b的形狀和/或尺寸和/或組成來適當地"調整"這兩個導體 件，以便得到各種方案。而且，在某些情況下，導體件5a和5b之一或兩 者還可以具有機械功能，或者主要地(在此后一種情況下，僅一個導體件) 具有機械功能，以便出于集中等目的來支撐另外的元件。
根據將要在后面進一步說明的實施例和目的，如圖2和3所示，電流 檢測裝置優選地包括至少一個溫度傳感器7，例如一個或多個熱電偶，以 工作方式與電阻器5以及與第一處理電路20關聯，以便將指示電阻器5 的工作溫度的信號發送到電子保護裝置2。
第一電子處理電路20包括模數(A/D)轉換器電路21和例如所謂的 "浪涌保護器"型的電路安全(或保護)設備22。在圖2所示的實施例 中，安全設備22是通過包括第 一 電子級23的隔離或電解耦電路來獲得的， 第一電子級23用于調節指示電阻器5的端子處的電壓的輸入信號。具體 而言，所述調節級23可以放大或衰減信號或動態(dynamics);在圖2 所示的實施例中，它具有放大功能。而且，安全i更備22包括第二隔離級 24，其向A/D轉換器21發送經隔離的信號，即它沒有電連續性(galvanic continuity),或沒有不間斷的導體材料段。作為替換，調節級23和隔離 24級可以相互顛倒，即信號先被隔離，然后被調節(在圖2的實施例中 即乾故大)，而不影響i殳備的總的功能性。
根據圖3所示的實施例，安4^殳備22包括高阻抗電路，該高阻抗電 路仿真電解耦(galvanic uncoupling)并且包括單個處理級，該單個處理 級接收指示電阻器5的端子處的電壓的輸入信號，并且在對該信號進g 節(這里，在該實例中同樣說明了放大功能)和高阻抗解耦之后將對應的 信號發送到轉換器21。
如圖所示，安4^殳備22有利地設置在電阻器5的下游，后者與A/D 轉換器21之間。這在A/D轉換器的上游建立了隔離屏障，該隔離屏障使 得電路處理部分能夠與干線電力網或主電路隔離，因此使所述電路處理部 分實際上能夠抵御對于所設想的保護單元100的應用場合來說典型的電 流或者特別是電壓的任何峰值。在根據本發明的單元100中，至少第一電子保護裝置2，特別是微處 理器單元3和A/D轉換器21有利地由同一個電源來供電，該電源在圖中 以標號25來表示；單元22優選地也由所述同一個電源來供電。如圖2 和3中以示意性的方式所示出的，A/D轉換器21、微處理器單元3和安 4^殳備22 (如果有的話)可以由以下電源中的一個或多個電源來供電
-具有電壓(Vaux)的電隔離的輔助供電單元；
-經由網絡電源、源自線電壓(VJ的供電裝置，在圖1中以標號 26示意性地示出。在這種情況下，供電單元26提供隔離的供電裝置，還 提供模擬信號(在適用時)，用于測量線電壓，并且如在電流信號的情況 下，用于在被A/D轉換器21采集之后由微控制器單元3處理?；谒?集的數字信號，處理單元3由此可以具有可用的電壓、功率和能量測量值， 還可以具有電流測量值(在需要該功能性的情況下)。
在工作狀況下，導體l中流動的電流lL流過電阻器5和極4;在電阻 器5的末端產生基本上與電流L成比例的壓降(VSENSE )。信號VSENSE變
成第一處理電路20的輸入，在第一處理電路20中，信號Vsense在安全
設備22中先被隔離/解耦，然后被調節。更確切地說，如上所述，安全設 備22可以以兩種方式來實施在圖2所示的實施例中，信號先被調節(在 所示的情況下即枕故大)然后凈皮隔離，或者反過來，首先被隔離然后被調 節，這是通過將與隔離的運算放大器和電隔離的電源(與Vdc和GND隔 離的VDC—ISO、 GNDJSO)用于所iL改大器的兩個部分來實現的；另一 方面，在^3所示的^施例中，借助于如圖4中的A部分所示的高阻抗 級，或者借助于如圖4中的B部分所示的^M^故大器來調節(在所示的 實例中，放大)和解耦來自電阻器5的信號，所述高阻抗級可以使用帶有 高輸入阻抗的差動放大器來實現。然后，調節且隔離/解耦的電壓信號VSI (其值與Vsense成比例)在A/D轉換器21中被轉換并最終被處理單元3 以數字數據流(Vmg)的形式獲得，處理單元3獲取測量值并且在所監視 的工作狀況需要斷路器的干預時操作斷路器致動器8。
處理單元3還接收來自溫度傳感器7的信號(如果有的話)，這個信 號也被調節/隔離和轉換，其方式與前述針對在電阻器5的端子處所拾取 的信號的方式大致相同；因此，微處理器單元3還對電阻器5的性能執行 與溫度相關的補償。結果，與溫度變化相關的RSENSE值的任何變化的作 用并不是問題，因為只要所4吏用的材料的R - T性能是預先已知的，就可 以將處理單元3中所包括的簡單算法用來進行必要的調整。
根據圖1中以示意性的方式示出的實施例，單元IOO還包括例如電流 互感器(CT)的電流傳感器10和第二電子保護裝置11,該電流傳感器 10以工作方式與斷路器的極4關聯，該第二電子保護裝置11優選地包括 常規類型的電子繼電器，能夠采集信號，將其與閣值比較，并且如果必要 的話，4吏斷路器跳閘。所述第二保護裝置11以工作方式連接到電流傳感 器10并且由電流傳感器10供電。
第二電子保護裝置11從電流傳感器IO接收指示在導體1中流動的電 流的信號，并且它們將這個信號與對應于例如短路電流M Isc的預定閾 值(其可以例如借助于雙列直插式開關(dip switch)來設置)相比較。 當超過了所述閾值時，第二保護裝置11將對應的信號12發送到用于使斷 路器跳閘的裝置，如斷開所述斷路器的電磁釋放裝置。
作為替換,檢測裝置可以包括諸如電流互感器之類的第一電流傳感器 10和例如Rogowski線圏的第二電流傳感器14,所述第一電流傳感器以 工作方式與斷路器極關聯，僅將第二電子保護裝置ll工作所需的電力傳
送給它們，所述第二電流傳感器14也以工作方式與斷路器極4關聯，將 指示導體l中流動的電流的信號發送到保護裝置11。在此，保護裝置ll 也處理Rogowski傳感器所產生的信號，對其進行積分并將結果與可以例 如借助于雙列直插式開關調整的閾值相比較。當超過了所述閾值時，跳閘 命令12救良送到用于使斷路器跳閘的裝置。
電子保護裝置2的微處理器單元3有利地以工作方式耦合到第二保護 裝置ll,并且配置成當設備100以穩態工作時優先于(override)所述第 二保護裝置11而起作用；可以例如借助于在圖1中以標號30示意性i^ 示的公知類型的開關設備來實現所述優先，其中單元3向該開關設備發送 適合的信號。
這樣，即使在設備100、特別是就電路20和裝置2而言達到穩態所 需要的短時間段內，兩個實施例均保證了足夠的保護。實際上，尤其是在 從干線網絡(Vl)供電的情況下，啟動時間可占用大約10到100ms，因 此，如果在斷路器被切換到ON位置的初始階段在需要保護的網絡中已經 有潛在的短路存在，則這會是特別有用的。
已經通過實發汪明了 根據本發明的保護單元實現了上述技術目標和 目的，并且較之于本領域公知的現有技術，提供了數量可觀的優點和技術 上與功能上的改進。具體而言，單元100具有高動態測量能力，該能力被 轉化成高精度和大檢測范圍，單元IOO的構造簡單明了且便宜，適合于保證穩定且可重復的性能，并且甚至在高電流值時也特別有效和準確，而本 領域公知的現有技術的方案已被證明對這種高電流值的情況特別不足。單
元100還基本上不受任何磁記憶現象的影響，原因是僅有的磁部件(如 果有的話)，即電流傳感器IO, ^ML極其有限的時間段內起作用。
一個遠遠不能忽略的特征是，考慮到斷路器體內部的可用空間通常是 狹窄的，就所述設備的整體尺寸而言，包括安裝在斷路器體內部的電阻器 5的具體方案是極其有利的，特別是在其包括極4的某一長度的電極的情 況下。另一方面，當為傳統類型的斷路器(未曾針對該目的而專門預先設 置)配備單元100、特別是電子繼電器2的新功能性時，包括在斷路器外 部的電阻器5的方案特別是適合而有利的。
而且，整個系統與主供電線和/或輔助電源隔離使得能夠在不必去除 電子電路的情況下，安全地實施并成功地完成由參考標準針對自動斷路器 所規定的電介質試驗。此夕卜，緣于其由極為有限的消耗所表征的優化的能 量吸收，這樣實現的單元100還適用于安裝在可用能量有限或者用戶希望 避免明顯干擾總能量平衡的系統中，而且，所述單元甚至能夠在電壓 VSENSE的值極為有限的情況下工作，且從而能夠在電阻器的電阻RSENSE 的值極為有限的情況下工作。例如，采樣電阻RSENSE可以具有大約在8 到30fiQ之間的阻值，從而防止對系統的電氣狀況的任何明顯的干擾，并 且不會在斷路器中產生明顯的熱現象。例如，如果RSENSE=30nQ， IL=600A， 那么耗散PR=RSENSE* IL * IL = VSENSE*IL=30*10-6*600*600 = 10.8 W。結果， 電流甚至可以超過50kA而不會有任何問題，即VSENSE的大小不會超過幾 伏。
最后，但當然不失重要性地，特別是在工業應用場合，根據本發明的 單元100可以以耦合到各種電氣系統中的直流或交流低壓電力線的方式 來使用。這樣，本發明的另一個目的是一種低壓電氣系統，其特征在于， 該系統包括如上所述且在權利要求中陳述的保護單元100。
而且，就結構而言，單元IOO可以利用一組在實際應用中以工作方式 組裝在一起的分立部件制成將它們從物理上耦合到不同的部件，或者將 它們設置在單個裝置的板上，并將它們4故成單個元件，或者若干分開的組 成部分。如上所述，例如，電阻器5可以包括在斷路器體的內部，而電子 部分可以整體地裝配在安裝在電子繼電器中的板上，或者只是部分地裝配 在所iiil上，例如將轉換器21設置在繼電器上；或者，可以使其全部成 為安裝在繼電器上的一個或多個部件，然后將該繼電器耦合到斷路器；或
者，單元100同樣可以以與斷路器體在內部和/或外部直接關聯的一個或 多個分開的部分制成。這樣，本發明的另一個目的包括根據前面的描述 和權利要求的保護單元100和包括所述電子繼電器的斷路器；包括如上所 述的、優選地與所述斷路器體直接耦合的保護單元100的低壓斷路器。
在本發明的構思的范圍內，由此所設想的保護單元可以有大量修改和 若干變型。而且，這里所述的組成部分可以以其它的技術上等同的元件來 替換。在實踐中，根據需要和技術J^狀況，所述設備可以具有任何部件 材料和尺寸。
權利要求
1.一種用于保護交流或直流低壓供電線的保護單元，包括用于檢測一個或多個供電線導體中所流動的電流的裝置和以工作方式耦合到斷路器的至少第一電子保護裝置，所述斷路器具有便于在所述導體上插入的至少一個極，其特征在于所述檢測裝置包括至少一個電阻器和至少第一電子處理電路，所述電阻器適合于與所述斷路器極以串聯方式電連接并使所述導體中所流動的電流能夠通過，所述第一電子處理電路接收指示所述電阻器的端子處的電壓的信號，并將指示所述線導體中所流動的電流的信號發送到所述第一電子保護裝置。
2. 根據權利要求1所述的保護單元，其特征在于所述電阻器包括 一個長度的具有預定電阻的電導體。
3. 根據權利要求2所述的保護單元，其特征在于所述電阻器包括 一段直M于斷路器體內部的電導體。
4. 根據權利要求2所述的保護單元，其特征在于所述電阻器包括 一個長度的耦合到所述斷路器的極并且安裝在所述斷路器外部的電導體。
5. 根據前述權利要求中的一項或多項所述的保護單元，其特征在于 所述電阻器至少包括所述斷路器極的電極的一段。
6. 根據權利要求1到4中的一項或多項所述的保護單元，其特征在 于所述電阻器至少包括一段耦合到所述斷路器極的電極并且沿著所述斷 路器極的電極設置的電導體。
7. 根據權利要求1到4所述的保護單元，其特征在于所述電阻器 包括兩個電導體，所述兩個電導體相互并聯且一并與所述電極串聯。
8. 根據前a利要求中的一項或多項所述的保護單元，其特征在于 所述第一電子處理電路包括模數(A/D)轉換器單元和電路安4^殳備，所 述電路安全i殳備插在所述電阻器和所述m轉換器之間。
9. 根據權利要求8所述的保護單元，其特征在于所述安全設備包 括第一電子調節級和第二隔離或電解耦級，所述第一級和第二^合在一 起，以便將經調節和隔離的信號發送到所述轉換器單元，該信號對應于所 收到的信號并且指示所述電阻器的端子處的電壓，所述第一級和第二^目 互之間可以以任何順序i殳置。
10. 根據權利要求8所述的保護單元，其特征在于所述電路安全設備包括單個高阻抗處理級，所述單個高阻抗處理級接收所述指示所述電阻 器的端子處的電壓的信號，并且將對應的經調節和解耦的信號發送到所述 轉換器單元。
11. 根據前述權利要求中的一項或多項所述的保護單元，其特征在于所述檢測裝置包括至少一個溫度傳感器，所述溫度傳感器以工作方式 耦合到所述電阻器和第一處理電路，以便將指示所述電阻器的工作溫度的 信號發送到所述第 一 電子保護裝置。
12. 根據前述權利要求中的一項或多項所述的保護單元，其特征在 于所述第一電子保護裝置包括從與所述模數轉換器相同的電源供電的微 處理器單元。
13. 根據前述權利要求中的一項或多項所述的保護單元，其特征在 于所述保護單元包括電流傳感器和第二電子保護裝置，所述電流傳感器 以工作方式與所述斷路器極關聯，所述第二電子保護裝置以工作方式連接 到所述電流傳感器并由所述電流傳感器供電，所述第二電子保護裝置適用 于產生信號，該信號用于每當來自所述電流傳感器的輸入指示所述線導體 中所流動的電流超過了預設閾值時就使所述斷路器跳閘而斷開。
14. 根據權利要求1到12中的一項或多項所述的保護單元，其特征 在于所述保護單元包括第一電流傳感器、第二電子保護裝置、第二電流 傳感器，所述第一電流傳感器以工作方式與所述斷路器極關聯，所述第二 電子保護裝置以工作方式連接到所述第 一 電流傳感器并由所述第 一 電流 傳感器供電，所述第二電流傳感器將指示所述導體中所流動的電流的信號 發送到所述第二電子保護裝置，所述第二電子保護裝置適用于產生信號， 該信號用于每當所述指示所述導體中所流動的電流的輸入信號超過了預 設閾值時就使所述斷路器跳閘而斷開。
15. 根據前述權利要求中的一項或多項所述的保護單元，其特征在 于所述第 一電子保護裝置的所述微處理器單元以工作方式耦合到所述第 二電子保護裝置，以便在以穩態工作期間優先于后者。
16. —種交流/直流低壓電氣系統，其特征在于所述交流/直流低壓 電氣系統包括根據前述權利要求中的一項或多項所述的保護單元。
17. —種電子繼電器，其特征在于所述電子繼電器包括根據權利要 求1到15中的一項或多項所述的保護單元。
18. —種低壓斷路器，其特征在于所述低壓斷路器包括根據權利要求1到15中的一項或多項所述的保護單元，所述保護單元直接耦合到所 述斷路器的體。
19. 一種低壓斷路器，其特征在于所述低壓斷路器包括根據權利要 求17所述的電子繼電器。
全文摘要
用于交流或直流低壓供電線的保護單元，包括用于檢測一個或多個供電線導體中所流動的電流的裝置和以工作方式耦合到斷路器的至少第一電子保護裝置，該斷路器具有便于沿著所述導體插入的至少一個極，其特征在于所述檢測裝置包括至少一個電阻器和至少第一電子處理電路，該電阻器適合于與所述斷路器極以串聯方式電連接并使所述導體中所流動的電流能夠通過，該第一電子處理電路接收指示所述電阻器的端子處的電壓的信號，并將指示所述線導體中所流動的電流的信號發送到所述第一電子保護裝置。
文檔編號G01R1/20GK101346863SQ200680049262
公開日2009年1月14日 申請日期2006年12月1日 優先權日2005年12月29日
發明者盧卡·蘭佐尼, 盧卡·拉奇蒂 申請人:Abb公司
專業數控銑床產品供應商
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