CN102893477A - 故障电流保护开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种故障电流保护开关（1），其具有用于产生试验故障电流的试验电流回路（2），该试验电流回路（2）具有至少一第一试验电阻（3）以及一试验探针（4），为了准确地、尤其与电网电压无关地检查功能可靠性，所述试验电流回路（2）具有调节电流回路（5），并且这样设计所述调节电流回路（5），使得通过试验电流回路（2）产生的试验故障电流——基本与要保护的电网的电压无关地——具有给定的且基本恒定的值。

Description

故障电流保护开关

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的故障电流保护开关。

背景技术

故障电流保护开关用于，在出现某一大小的故障电流的情况下脱扣，并因此使局部电网与供电电网电分离。不同的老化过程、例如总电流变流器的电磁特性的变化或变差可能导致，用于使故障电流保护开关脱扣所需的故障电流随时间而增加。使用者通常长时间地感觉不到这一点。尽管使用者有可能利用试验装置检查故障电流保护开关的功能，但是由于这种试验装置通常、或者至少在常见的与电网电压无关的故障电流保护开关中产生模拟的、明显比相关故障电流保护开关的额定故障电流大的试验故障电流，因此从故障电流保护开关的成功试验中不能必然推断出其在故障情况下的正常工作的功能。此外在尤其在与电网电压无关的故障电流保护开关中常见的试验装置中，实际产生的试验故障电流的大小取决于瞬时电网电压，该瞬时电网电压当然处于某种事先不可预见的波动下。由此“旧的”故障电流保护开关可能是生活和设备的隐患，其中，目前对于使用者而言不能确定，已经安装的故障电流保护开关是否仍提供保护。

发明内容

由此本发明的目的是，提供一种开头所述类型的故障电流保护开关，通过该故障电流保护开关可以避免上述缺陷，并且通过该故障电流保护开关可以比目前更准确地、尤其与电网电压无关地检查功能安全性。

按照本发明这个目的通过权利要求1的特征实现。

由此可以从利用相应的试验装置对故障电流保护开关的成功试验中推断出故障电流保护开关在故障情况下的实际功能或功能可靠性。由此可以与所施加的电网电压无关地产生准确定义的试验故障电流。由此可以保证，在故障电流保护开关利用其试验装置进行了成功试验的情况下，该相关的故障电流保护开关在实际出现的故障电流——其中具有规定的故障电流值、因此即所谓的额定故障电流——的情况下也脱扣。

与权利要求1一样同时形成本说明书一部分的从属权利要求涉及本发明的其它有利扩展结构。

附图说明

参考在其中仅示例性地示出一优选实施例的附图更详细地说明本发明。在附图中：

图1示出按照现有技术的故障电流保护开关的示意图，

图2示出按照本发明的故障电流保护开关的一优选实施例的示意图。

具体实施方式

图2示出故障电流保护开关1，具有用于产生试验故障电流的试验电流回路2，该试验电流回路2至少具有一第一试验电阻3以及一试验探针4，其中所述试验电流回路2具有调节电流回路5，并且所述调节电流回路5设计成，使得通过试验电流回路2产生的试验故障电流——基本与所施加的电网电压无关地——具有给定的且基本恒定的值。

由此可以从利用相应的试验装置或试验电流回路2对故障电流保护开关1的成功试验中推断出故障电流保护开关1在故障情况下的实际功能或功能可靠性。由此可以与所施加的电网电压无关地产生准确定义的试验故障电流。由此可以保证，在利用故障电流保护开关1的试验电流回路2对故障电流保护开关进行了成功试验的情况下，该相关的故障电流保护开关1在实际出现的故障电流（其中具有规定的故障电流值、因此即所谓的额定故障电流）的情况下也脱扣。

电网尤其涉及供电网，其具有至少一中性导体和一导电相或外导体。按照本发明的故障电流保护开关1可以是各种类型的故障电流保护开关1，它尤其可以具有比在本发明中描述过的更多的功能性和结构组件。如图1所示，按照本发明的故障电流保护开关1尤其用在具有两个导体N、L1的电网上。但是实施形式也可以是一个供电网或配电网具有任意给定数量的导线或导体、例如三个或四个。故障电流保护开关1用于保护生物和/或设备、尤其还保护电网免受故障电流的影响。按照本发明的故障电流保护开关1具有用于检测故障电流的装置，其中优选地规定，这个装置设计成总电流变流器18，如在图2中所示的那样。按照本发明故障电流保护开关1的所示的特别优选的实施例，这个故障电流保护开关具有至少一总电流变流器18，要保护的电网的至少一第一导体N和一第二导体L1穿过该总电流变流器，其中在总电流变流器18上设置有至少一个次级绕组22，其中次级绕组22电路技术地与脱扣器20连接。

总电流变流器18具有包括磁材料的变流器芯，至少是第一和第二导体N、L1作为初级绕组穿过该变流器芯。在此，“穿过总电流变流器18”涉及总电流变流器18的通常结构，其具有环形的变流器芯，该变流器芯具有开口，相关的导体穿过该开口。这些导体优选还至少一次地围绕所述“环”的横截面包绕或缠绕。

在总电流变流器18上还设置有用于检测故障电流信号的次级绕组22，该次级绕组优选由一多次绕着“环”的横截面缠绕的导体、例如细的线材形成。次级绕组22电路技术地至少间接地与脱扣器20连接，该脱扣器优选设计成永磁体脱扣器，由此可以特别可靠且快速地响应故障电流保护开关1。脱扣器20以机械的方式通过通断锁/锁扣机构21作用于分离触点/动断触点23上。在出现危险的故障电流时，在次级绕组22中产生相应的故障电流信号，并且脱扣器20作用于分离触点23上，这些分离触点被打开/断开，并且使第一和第二导体N、L1和/或可能的第三和第四导体分离。也可以规定脱扣器20的与此不同的设计结构、例如与电网电压有关的脱扣器。

按照本发明的故障电流保护开关1还具有试验电流回路2，该试验电流回路被设计和设置用于产生模拟的试验故障电流。在此试验电流回路2使第一导体N与第二导体L1连接，其中这个连接线路不穿过总电流变流器18，而是“在外部”在总电流变流器旁边经过。试验电流回路2在故障电流保护开关1正常运行时不闭合，因此在该试验电流回路2中没有电流流动。为了闭合试验电流回路2，这个试验电流回路具有试验探针4。此外试验电流回路2具有至少一第一试验电阻3。下述这样的电阻称为在本发明的意义上的试验电阻3，即该电阻基本作为纯欧姆电阻起作用，或者至少在要保护的电网的频率时作为纯欧姆电阻起作用。

按照在图1和2中所示的实施例，试验电流回路2还具有所谓的试验回路分离触点31，该试验回路分离触点以机械的方式与通断锁21和/或另外的分离触点23连接，并且在分离触点23打开时同样也打开。由此可以防止在操纵试验探针4和故障电流保护开关1已经脱扣时其它电流流过试验电流回路2和第一试验电阻3。这种继续流动的电流可能导致在第一试验电阻3上的显著的损失功率，该损失功率可能导致试验电阻3的热损坏。通过试验回路分离触点31可以可靠地防止这一点，并且第一试验电阻3或受控电阻6可以在其允许的损失功率方面选择得较小。

图1以功能组件的示意图示出按照现有技术的用于与电网电压无关地故障电流脱扣的故障电流保护开关1的实施例。这种故障电流保护开关1用于保护设备和人，其中，在出现危险的故障电流的情况下，连接在故障电流保护开关1上的耗电器或负载19与供电网（包括第一导体N和第二导体L1）分开。故障电流保护开关1具有连接端子、尤其螺纹连接端子，用于连接供电网的至少一第一、第二导体N、L1。如图1所示的示意性电路图示出一实施例，仅具有一个第一、第二导体N、L1。在第一、第二导体N、L1中设置有分离触点23、即开关触点，分离触点被构造或设置用于第一和/或第二导体N、L1的分开或断开以及用于随后的闭合。所述的和在图1中所示的元器件或结构组件一起设置在绝缘壳体里面，该绝缘壳体至少为所述连接端子和一用于手动打开或闭合分离触点23的可手动操纵的开关手柄具有穿通部。此外可以规定，故障电流保护开关1还包括其它未示出或未描述的结构组件或元器件，例如通断位置指示器、脱扣指示器和类似部件。图1还示出耗电器意义上的示例性的负载19。

按照本发明的故障电流保护开关1优选设计成与电网电压无关的故障电流保护开关1。在这种与电网电压无关的故障电流保护开关1中被设置用于故障电流的检测和故障电流保护开关1的脱扣、即分离触点23的分开的结构组件完全从故障电流或者次级绕组22中的与故障电流成比例的故障电流信号中提取该结构组件脱扣所需的能量。

试验电流回路2与第一导体N连接并且一直延伸到上述的试验回路分离触点31，该试验回路分离触点导电地与试验探针4连接。试验探针4继而又导电地与第一试验电阻3连接，该第一试验电阻的另外的接头导电地与第二导体L1连接。

按照本发明规定，试验电流回路2具有调节电流回路5，并且调节电流回路5设计成，使得通过试验电流回路2产生的试验故障电流——基本与要保护的电网的电压无关地——具有给定的且基本恒定的值。在此术语“值”尤其是指用于电流强度的值。因为电网通常涉及交流电网，所以试验故障电流自然也是交流电流，并因此随时间变化。因此所述值尤其是指交流电流的有效值。具有恒定值的试验故障电流也可以称为恒定的试验故障电流。

这种调节电流回路5可以——为了唤起或引起相关的作用/效果——以各种方式和方法设计。尤其是，相关的功能可以通过电子调节回路或者组合的硬件/软件技术方案来实现。

按照本发明的一优选设计方案，调节电流回路5仅在试验电流回路闭合时才与电网的导体N、L1电路技术地连接。通过仅在对故障电流保护开关1进行试验/检验的时期内给调节电流回路5供电，调节电流回路5的元器件、尤其调节电流回路5的所有半导体元器件上的功率损失可保持得非常小，并且限制在非常短的时间段上。因此可以使元器件的热负荷保持微小，由此可以使用小的元器件。此外由此还可以实现元器件的长使用寿命。在此，“闭合的试验电流回路”尤其涉及一种状态，在该状态下试验探针4以及可能设有的试验回路分离触点31闭合。

为了在按照本发明的故障电流保护开关1在具有正弦交流电流的电网中常规运行时实现对故障电流脱扣的精确试验/检验，尤其规定，这样设计调节电流回路5，使得通过试验电流回路2产生的试验故障电流与要保护的电网的电流同相。

尤其规定，试验电流回路2具有受控电阻6，用于匹配试验故障电流。通过这种受控电阻6可以将实际出现的或由试验电流回路2引起的试验故障电流容易地保持在一给定值上。通过调节受控电阻6的电阻值可以方便地限制或调节实际在试验电流回路2中流动的电流。

按照在图2中所示的优选实施例，受控电阻6电路技术地至少间接地与第一试验电阻3串联，由此能够特别简单地调节总有效试验电阻，该总有效试验电阻由第一试验电阻3和受控电阻6组成。

受控电阻6可以设计成各种形式的电元器件，所述电元器件具有带有欧姆分量的电阻，其电阻值能以可预先给定的方式被控制或影响。例如优选地，受控电阻6设计成晶体管、尤其场效应晶体管7。尤其通过将受控电阻设计成场效应晶体管7，能以非常小的功率实现电阻值的控制。由此支持调节电流回路5的与电网电压无关的结构。

在受控电阻6设计成场效应晶体管7的优选实施例中还规定，试验电流回路2具有全波整流器10，并且设计成场效应晶体管7的受控电阻6电路技术地与全波整流器10的直流接头16连接。由此实现了这样构造的故障电流保护开关1在常见的交流电网中的使用，因为优选的场效应晶体管7仅适用于直流运行。

调节电流回路5还具有相应的用于控制受控电阻6、即用于以可预先给定和有针对性的方式改变受控电阻6的电阻值的结构/措施。按照所示的优选实施例，尤其规定，为了控制受控电阻6，试验电流回路2具有直流电压放大器8、尤其是运算放大器9。

为了运行直流电压放大器还优选地规定，试验电流回路2包括被调节的电压供应装置/电压波腹馈接装置，该电压供应装置电路技术地与全波整流器10的直流接头16以及与直流电压放大器8连接。通过调节这个电压供应装置，可以给定最大通过直流电压放大器8实现的调制范围/调节范围。

对试验故障电流的有源调节需要分接出瞬时施加的电网电压。为此优选规定，第一试验电阻3和受控电阻6被分压器12电路技术地桥接/跨接。此外优选地规定，分压器12的分接头13电路技术地与直流电压放大器8的第一输入端14连接，并且试验故障电流施加在直流电压放大器8的第二输入端15上。由此可以使受控电阻6的电阻值匹配于各电网电压。

下面借助于图2详细解释按照本发明的故障电流保护开关1的一特别优选的实施形式。

图2仅示出按照本发明的故障电流保护开关1的特别优选的实施例，其中故障电流保护开关1的原理构造与按照图1的故障电流保护开关1在很大程度上一致，不同之处仅限于按照本发明的试验电流回路2的设计结构。

试验电流回路2与第一导体N连接并且一直延伸到第一试验电阻3，该第一试验电阻的另一接头不仅与桥式整流器的第一交流接头连接，而且与设计成运算放大器9（也称为OpAmp（operational amplifier）9）的直流电压放大器8的第二输入端15连接。运算放大器9的第二输入端15设计成反相输入端。桥式整流器的第二交流接头与试验探针4连接，该试验探针又与试验回路分离触点31连接，而该试验回路分离触点又电路技术地与第二导体L1连接。第一试验电阻3和桥式整流器利用分压器12被桥接，其中分压器12具有第一分压电阻28和第二分压电阻29，以及被称为分压器12的分接头13的、位于两个分压电阻28、29之间的触点。分接头13电路技术地与运算放大器9的非反相/同相的第一输入端14连接。运算放大器9的输出端与设计成自截止的n-Mosfet的场效应晶体管7的栅极电路技术地连接。相关场效应晶体管7的栅极和源极与桥式整流器的直流接头16连接。

相关的调节电流回路5还具有用于给运算放大器9供电的被调节的电压供应装置/电压波腹馈接装置。该电压供应装置具有二极管27和稳流电阻/附加电阻30，它们与桥式整流器的正的直流接头16连接。稳流电阻30的一接头与运算放大器9的正的供电输入端连接，以及还与用于稳定和光滑供电电压的电容器25连接，以及还与用于调节供电电压的齐纳二极管26连接。电容器25以及齐纳二极管26的另一接头和运算放大器的负的供电输入端一样各自与桥式整流器的负的直流接头16连接。

这样构造的故障电流保护开关1，尽管存在有源的元器件，也是完全与电网电压无关的故障电流保护开关1。有源元器件仅在试验探针4闭合的情况下被供电。在此，为此功能调节电流回路5只需几伏供使用的电网电压。

在操作试验探针4时电流流过第一试验电阻3。第一试验电阻3后面的电位施加在运算放大器9的第二输入端15上。此外，由分压器12分接出的电位施加在运算放大器9的第一输入端14上。由这个电位差求得调节参数，并且控制与电压有关的电阻6，该电阻6——通过全波整流器10——与第一试验电阻3串联，并且该电阻6的值增加，由此有源地调节试验故障电流。

其它按照本发明的实施例仅具有一部分所述特征，其中可以设置——尤其不同的所述实施例的——任意的特征组合。

Claims (11)

1.一种故障电流保护开关（1），具有用于产生试验故障电流的试验电流回路（2），该试验电流回路（2）具有至少一第一试验电阻（3）以及一试验探针（4），其特征在于，所述试验电流回路（2）具有调节电流回路（5），所述调节电流回路（5）被设计成，使得通过试验电流回路（2）产生的试验故障电流——基本与电网的电压无关地——具有给定的且基本恒定的值。

2.根据权利要求1所述的故障电流保护开关（1），其特征在于，所述调节电流回路（5）仅在试验电流回路闭合时与电网的导体（N，L1）电路技术地连接。

3.根据权利要求1或2所述的故障电流保护开关（1），其特征在于，所述调节电流回路（5）被设计成，使得通过试验电流回路（2）产生的试验故障电流与要保护的电网的电流同相。

4.根据权利要求1、2或3所述的故障电流保护开关（1），其特征在于，所述试验电流回路（2）具有受控电阻（6），用以调节试验故障电流。

5.根据权利要求4所述的故障电流保护开关（1），其特征在于，所述受控电阻（6）电路技术地与第一试验电阻（3）串联。

6.根据权利要求4或5所述的故障电流保护开关（1），其特征在于，所述受控电阻（6）设计成晶体管、尤其是场效应晶体管（7）。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的故障电流保护开关（1），其特征在于，所述试验电流回路（2）具有直流电压放大器（8）、尤其是运算放大器（9），用以控制所述受控电阻（6）。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的故障电流保护开关（1），其特征在于，所述试验电流回路（2）具有全波整流器（10），设计成场效应晶体管（7）的所述受控电阻（6）电路技术地与全波整流器（10）的直流接头（16）连接。

9.根据权利要求8所述的故障电流保护开关（1），其特征在于，所述试验电流回路（2）包括被调节的电压源，该电压源电路技术地与全波整流器（10）的直流接头（16）以及与直流电压放大器（8）连接。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的故障电流保护开关（1），其特征在于，所述第一试验电阻（3）和所述受控电阻（6）被分压器（12）电路技术地桥接。

11.根据权利要求10所述的故障电流保护开关（1），其特征在于，所述分压器（12）的分接头（13）电路技术地与直流电压放大器（8）的第一输入端（14）连接，所述试验故障电流施加在直流电压放大器（8）的第二输入端（15）上。

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