CN115280449A - 保护开关装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保护开关装置(SG)，其具有：用于低压交流电路的导体的电网侧接头(L1，N1)和负载侧接头(L2，N2)；与电网侧接头(L1，N1)连接的机械分离触点***(MK)，其用于电流中断低压电路，该机械分离触点***另一方面与电子中断单元(EU)连接，该电子中断单元通过基于半导体的开关元件具有用于中断的开关元件的高欧姆状态和用于低压电路中的电流流动的开关元件的低欧姆状态，其中电子中断单元(EU)另一方面与负载侧接头(L2，N2)连接。机械分离触点***(MK)可手动致动，使得机械分离触点***(MK)的触点可以手动地接通以用于电流流动并且手动地断开以用于低压电路中的中断。测量机械分离触点***(MK)与电子中断单元(EU)之间的导体(L，N)之间的电压的大小，并且在单极中断的机械分离触点***(MK)的情况下，在10至50伏特的电压下降的情况下，或者在双极中断的机械分离触点***(MK)的情况下，在20至100伏特的电压下降的情况下，识别出机械分离触点***(MK)的致动。

Description

保护开关装置及方法

技术领域

本发明涉及如下技术领域：一种具有电子中断单元的用于低压电路的保护开关装置和一种用于具有电子中断单元的用于低压电路的保护开关装置的方法。

背景技术

低压是指交流电压最高1000伏特或直流电压最高1500伏特的电压。低压特别是指大于小电压的电压，小电压的值为交流电压50伏特或直流电压120伏特。

低压电路或低压电网或低压设备是指额定电流或标称电流最大125安培、更具体地说最大63安培的电路。低压电路特别是指额定电流或标称电流最大50安培、40安培、32安培、25安培、16安培或10安培的电路。提到的电流值特别是表示额定、标称和/或关断电流，即在正常情况下通过电路最大引导的电流，或电路通常例如通过保护装置、诸如保护开关装置、线路保护开关或断路器中断的最大电流。

线路保护开关是一种从很久前就已知的过流保护装置，其在电气安装技术中应用在低压电路中。其保护线路免受由过高电流和/或短路引起的发热而造成的损坏。线路保护开关能够在过载和/或短路的情况下自动关断电路。线路保护开关是一种不会自动复位的保险丝元件。

相对于线路保护开关，断路器设置用于大于125A的电流，在某些情况下也从63安培开始。因此，线路保护开关具有更简单、更精致的设计。线路保护开关通常具有固定在所谓的帽轨(支承轨道，DIN导轨，TH35)上的固定可能性。

线路保护开关被机电地构造。在壳体中，它们具有机械开关触点或者工作电流触发器，以用于中断(触发)电流。通常，双金属保护元件或者双金属元件用于在长时间过电流(过电流保护)或者在热过载(过载保护)的情况下触发(中断)。具有线圈的电磁触发器用于在超过过电流界限值时或者在短路(短路保护)的情况下用于短时间的触发。设置一个或多个灭弧室或用于灭弧的设备。此外，设置用于待保护的电路的导体的连接元件。

具有电子中断单元的保护开关装置是相对较新的发展。它们具有基于半导体的电子中断单元。也就是说，低压电路的电流流动通过半导体器件或半导体开关引导，该半导体器件或半导体开关可以中断电流流动或者导电地接通。此外，具有电子中断单元的保护开关装置通常具有机械分离触点***，特别是具有根据低压电路的相关标准的分离特性，其中，机械分离触点***的触点与电子中断单元串联连接，即，待保护的低压电路的电流通过机械分离触点***以及通过电子中断单元引导。

这种分离触点***通常具有灭弧***，利用该灭弧***可以将在开关时产生的电弧(开关电弧)熄灭或减少。

本发明涉及低压交流电路，具有交流电压，通常具有频率为f的、取决于时间的正弦交流电压。交流电压的瞬时电压值u(t)的时间依赖关系通过如下等式来描述：

u(t)＝U*sin(2π*f*t)。

其中：

u(t)＝时间t处的瞬时电压值

U＝电压的幅值(最大值)

谐波交流电压可以通过指针的旋转来表示，指针的长度相应于电压的幅值(U)。在此，瞬时偏转是指针在坐标系上的投影。振荡周期对应于指针的一整圈，其全角为2π(2pi)或者360°。角频率是这个旋转指针的相位角的变化率。谐波振荡的角频率始终是其频率的2π倍，即：

ω＝2π*f＝2π/T＝交流电压的角频率(T＝振荡的周期持续时间)

通常，角频率(ω)的说明比频率(f)更优选，因为由于三角函数的出现许多振动理论公式可以借助角频率更紧凑地表示，三角函数的周期根据定义为2π：

u(t)＝U*sin(ωt)

在时间上不恒定的角频率的情况下，也使用术语瞬时角频率。

在正弦的、尤其是时间恒定的交流电压的情况下，根据角速度ω和时间t的、取决于时间的值对应于取决于时间的角度

该角度也被称为相位角

也就是说，相位角

周期性地穿过0…2π或者0°…360°的范围。也就是说，相位角周期性地呈现0和2π或者0°和360°之间的值

或者

由于周期性；缩写为：

或者

因此，以瞬时电压值u(t)表示在时间点t的电压的瞬时值，即在正弦(周期性的)交流电压的情况下指的是关于相位角

的电压的值(

或者

相应的周期)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，改进开头所述类型的保护开关装置，特别是能够实现对机械分离触点***的开关动作的(替换的)识别。更特别地，能够实现减少由开关电弧引起的触点烧损或者在时间上缩短开关电弧。

上述技术问题通过具有权利要求1的特征的保护开关装置以及通过根据权利要求14的方法来解决。

根据本发明提供了一种用于保护低压电路、特别是低压交流电路的保护开关装置，其具有：

-壳体，该壳体具有用于低压交流电路的(至少两个)导体的电网侧接头和负载侧接头，

-与(两个)电网侧接头连接的机械分离触点***，其用于电流地中断低压电路，该机械分离触点***另一方面与电子中断单元连接，该电子中断单元通过基于半导体的开关元件具有用于中断的开关元件的高欧姆状态和用于低压电路中的电流流动的开关元件的低欧姆状态，

其中，电子中断单元另一方面与(两个)负载侧接头连接，

-电压传感器，该电压传感器布置在机械分离触点***与电子中断单元之间，用于确定低压电路的在那里的电压的大小，

-机械分离触点***能够手动地致动，从而机械分离触点***的触点能够手动地接通以用于电流流动并且能够手动地断开以用于低压电路中的中断，

-控制单元，该控制单元与电压传感器和电子中断单元连接。

根据本发明，保护开关装置被设计为，使得确定电压的大小，并且

-在单极中断的机械分离触点***的情况下(例如低压电路的两个导体的仅一个导体中断)，在10至50伏特的电压下降的情况下，或者

-在双极中断的机械分离触点***的情况下(例如低压电路的两个导体的两个导体中断)，在20至100伏特的电压下降的情况下，识别出机械分离触点***的断开。

此外，在小于10伏特的电压下降的情况下，同样可以识别出机械分离触点***的断开。

因此，根据本发明有利地可以实现与机械分离触点***、即与其机械部件无关地识别其断开(致动)，其中在低压电路中仅使用一个电压测量。有利地，应该使用非常快速的电压测量。

本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出。

在本发明的有利的设计方案中，将电压的(瞬时的)大小与(瞬时的)下阈值进行比较。(瞬时的)下阈值由电压的(瞬时的)期望值的绝对值乘以比例因数并且减去固定电压值形成，该比例因数尤其可以是在0.85至1的范围内的值，该固定电压值尤其在单极中断的机械分离触点***的情况下是10至50伏特的范围内的值，或者在双极中断的机械分离触点***的情况下是20至100伏特的范围内的值。在低于瞬时的下阈值时，识别出机械分离触点***的断开。

这具有特别的优点，即给出了用于本发明的简单的阈值比较解决方案。通过比例因数，在比例因数例如为0.85的情况下，可以实现鲁棒的解决方案，其避免了错误识别，或者在比例因数例如为1的情况下(即取消缩放)，可以实现灵敏的识别。

在本发明的有利的设计方案中，将电压的(瞬时的)大小与(瞬时的)上阈值进行比较。(瞬时的)上阈值由电压的(瞬时的)期望值的绝对值除以比例因数(尤其是0.85至1的范围中的值)并且与固定电压值(尤其是10至100伏特的范围中的值)相加形成，该固定电压值特别地与机械分离触点***的极数无关。

在超过瞬时的上阈值时，识别出机械分离触点***(MK)的断开。

这具有特别的优点，即给出了用于本发明的另一种简单的阈值比较解决方案。开关引起的电压升高也可以在断开处识别或者作为断开识别，该电压升高例如可以通过负载侧上的电感产生。

此外，还提供了进一步的保护或针对过电压的另一种保护功能。

此外，还提出了范围检查或走廊检查(下阈值和上阈值)，其中可靠地识别断开。

通过比例因数，在比例因数例如为0.85的情况下，可以实现鲁棒的解决方案，其避免了错误识别，或者在比例因数例如为1的情况下(即取消缩放)，可以实现灵敏的识别。

在本发明的有利的设计方案中，在识别出机械分离触点***的断开(致动)的情况下，电子中断单元的基于半导体的开关元件变换到高阻抗状态，尤其在第一时间段内或者小于第一时间段，第一时间段尤其小于100μs、更特别地小于50μs或10μs，以避免由开关电弧引起的触点烧损或者在时间上减少机械分离触点***的开关电弧持续时间。

这具有特别的优点，即机械触点能够给几乎无功率地开关或者断开，并且减小触点烧损(其使设备老化和损坏)，这是因为在识别出由开关电弧引起的电压下降之后，通过电子中断单元实现(一定程度上)立即的高阻抗，由此立即减小并且因此一定程度上立即减小进一步的电流流动。由此还可以有利地取消灭弧***。此外，有利地，触点***可以被更简单地构造，因为不需要为触点烧损设置如此多的材料或不必为触点材料使用特殊合金。

在本发明的有利的设计方案中，保护开关装置具有通信单元。在识别出机械分离触点***的断开时，通过通信单元输出信息。

这具有如下特别的优点：识别出保护开关装置的关断并进行通信，例如与上级单元或者通信管理***进行通信。

在本发明的有利的设计方案中，保护开关装置具有显示单元。在识别出机械分离触点***的断开时，通过显示单元显示信息。

这具有如下特别的优点：显示机械分离触点***的断开。

在本发明的有利的设计方案中，保护开关装置具有存储器。在识别出机械分离触点***的断开时，将信息存储在存储器中。

这具有如下特别的优点：关于机械分离触点***的断开的信息随后是可调用的。

在本发明的有利的设计方案中，另外的电压传感器设置在电网侧接头与机械分离触点***之间。

这具有特别的优点，即给出了用于识别机械分离触点***的断开的替换的可能性和用于另外的选项。

在本发明的有利的设计方案中，另外的电压传感器仅如下地执行电压确定：电压是否施加在电网侧接头上。尤其是，是否施加了有效的电网电压(例如230V+/10％)。

这具有特别的优点，即可以使用简化的电压传感器。由此可以进一步验证或者区分：电网侧的能量源是已被关断还是存在机械的致动过程/断开。

在本发明的有利的设计方案中，另外的电压传感器确定那里的电压的大小。通过两个电压传感器的电压形成差来确定电压降。

这具有特别的优点，即给出了用于识别机械分离触点***的断开的替换的可能性。

在本发明的有利的设计方案中，另外的电压传感器与保护开关装置的其它单元电流隔离。特别地，可以设置至少一个光耦合器或电容元件。

这具有如下特别的优点：避免了机械分离触点***的分离功能或者分离特性的桥接。

在本发明的有利的设计方案中，保护开关装置具有带有储能器的能量供应(如电源)。具有储能器的能量供应被设计为，使得在机械分离触点***的触点的断开过程之后，有足够的能量被设置用于：

-将基于半导体的开关元件变换到高阻抗状态中，或(/和)

-通过通信单元输出信息，或(/和)

-通过显示单元显示信息，或(/和)

-将保护开关装置变换到限定的状态，包括存储信息、特别是关于致动的时间点和/或电压和/或电流的大小和/或频率和/或温度的信息。

这具有如下特别的优点：即使在取消能量供应之后也可以提供根据本发明的功能。

在本发明的有利的设计方案中，在机械分离触点***的触点的断开过程之后，通过储能器提供持续10ms至1s、尤其是20ms至100ms或500ms时间的能量供应。

这具有特别的优点，即保护开关装置、特别是控制单元可以在断开过程之后进入限定的状态，在该断开过程中常规的能量供应也被关断，可以存储信息并且可以发送信息、特别是关于触点的断开和/或保护开关装置的关断的信息。控制单元、尤其是其微处理器由此可以限定地关闭01或者限定地完成关断过程。

根据本发明，要求保护用于低压电路的具有电子(基于半导体的)开关元件的保护开关装置的对应的方法，其具有相同的和另外的优点。

所有的设计方案，不仅以从属形式参考权利要求1或14，并且还仅参考权利要求的各个特征或特征组合，引起了对保护开关装置的改善，以便快速且可靠地识别机械分离触点***的断开过程/减少触点烧损/开关电弧。

附图说明

结合下面对结合附图详细阐述的设计方案的描述更清楚且更明晰地理解上面描述的本发明的特点、特征和优点以及其实现方式。

在此，附图中：

图1示出了保护开关装置的图示，

图2示出了保护开关装置的第一设计方案，

图3示出了保护开关装置的第二设计方案，

图4示出了保护开关装置的第三设计方案，

图5示出了保护开关装置的第四设计方案，

图6示出关于时间的第一电压曲线和阈值曲线，

图7示出关于时间的第二电压曲线和阈值曲线。

具体实施方式

图1示出了用于保护低压电路的保护开关装置SG的图示，该保护开关装置SG具有壳体GEH，该保护开关装置SG具有：

-用于低压电路的导体(L，N)的接头、特别是用于保护开关装置SG的电网侧、特别是能量源侧的接头EQ的第一接头L1、N1，和用于保护开关装置SG的负载侧、特别是(在无源负载的情况下)能量吸收器侧的接头ES(耗电器侧接头)的第二接头L2、N2，其中可以特别设置相导体侧接头L1、L2和中性导体侧接头N1、N2；

负载侧接头可以具有无源负载(耗电器)或/和有源负载((另外的)能量源)，或者例如按时间顺序既可以是有源又可以是无源的负载；

在该示例中，保护开关装置被构造为双极：第一极用于低压(交流)电路的相导体L1、L2，第二极用于中性导体N1、N2；

-与电网侧接头L1、N1连接的机械分离触点***MK，用于电流地中断低压电路，该机械分离触点***MK另一方面与电子中断单元EU连接，该电子中断单元通过基于半导体的开关元件具有用于中断的开关元件的高欧姆状态和用于低压电路中的电流流动的开关元件的低欧姆状态，

其中，电子中断单元EU另一方面与负载侧接头L2、N2连接，

机械分离触点***MK和电子中断单元EU电串联连接，

-机械分离触点***MK尤其仅能够手动地致动，使得机械分离触点***MK的触点能够手动地接通以用于电流流动，并且能够手动地断开以用于低压电路中的中断，

例如，在保护开关装置上能够安装有用于断开和接通触点的手柄，此外能够在手柄与触点之间设置有用于开关辅助的机械机构，

-电压传感器SU，该电压传感器布置在机械分离触点***MK与电子中断单元EU之间，用于确定低压电路的那里的电压的大小、尤其用于(周期性地)确定低压电路的电压的大小，从而存在节拍形式的/瞬时的电压值，

-控制单元SE，该控制单元与电压传感器SU和电子中断单元EU连接。

保护开关装置SG被设计为，使得确定电压的大小，并且在单极中断的机械分离触点***的情况下，在电压下降为10至50伏特的情况下，或在双极中断的机械分离触点***的情况下，在电压下降为20至100伏特的情况下，识别出机械分离触点***的断开或者致动。替换地或附加地，在电压下降到小于10伏特的情况下，识别出机械分离触点***的断开或者致动。

在这种识别机械分离触点***的断开或者致动的情况下，电子中断单元的基于半导体的开关元件例如可以变换到高阻抗状态，以避免机械分离触点***的触点的、由开关电弧引起的触点烧损。

保护开关装置SG可以具有通信单元。在识别出机械分离触点***的断开或者致动的情况下，可以通过通信单元输出信息。该信息可以涉及分离触点的致动，但也可以涉及其他信息，例如在致动的时刻施加的电流、电压的瞬时值、时间点或温度。

保护开关装置可以具有显示单元。在识别出机械分离触点***的断开或者致动的情况下，通过显示单元显示信息。

保护开关装置可以具有存储器。在识别出机械分离触点***的断开或者致动的情况下，将信息(例如关于识别的时间点、电压和/或电流的大小、频率、温度等)存储在存储器中，这些信息随后可以被读取。

另外的电压传感器可以设置在电网侧接头(L1，N1)与机械的分离触点***MK之间。该另外的电压传感器可以仅如下地执行电压确定：电压是否施加在电网侧接头上、特别地是否存在某个大小。另外的电压传感器可以确定那里的电压的大小。电压降可以通过两个电压传感器的电压形成差来确定。

另外的电压传感器可以与保护开关装置SG的其他单元电流隔离，特别是通过至少一个光耦合器或电容元件，以避免桥接存在的机械分离触点。

保护开关装置具有带有储能器的能量供应，例如具有电容式储能器(电容器)的电源NT。电源NT一方面与低压电路的导体连接、优选地与机械分离触点***MK和电子中断单元EU之间的导体连接。另一方面，电源NT用于给控制单元SE和/或电子中断单元EU以及可能的电压传感器SU和/或电流传感器SI供电。具有储能器的能量供应被设计为，使得在机械分离触点***MK的触点的断开过程之后，有足够的能量被设置用于：

-将基于半导体的开关元件变换到高阻抗状态中，或者(/和)

-通过通信单元输出信息，或者(/和)

-通过显示单元显示信息，

-将保护开关装置变换到限定的状态(准备关闭控制单元)，包括存储信息，例如关于致动的时间点、电压和/或电流的大小、频率、温度等的信息。

通常，可以如下地进行尺寸确定，即，在机械分离触点***的触点的断开过程之后，通过储能器在1ms至1s、尤其是20ms至100ms或者500ms的时间内提供能量供应。

附加地，对于本发明的设计方案，还可以设置电流传感器SI，用于(周期性地)确定低压电路的电流的大小和/或电流随时间的变化，从而存在(节拍形式的)电流值和/或电流变化值，如在根据图1的示例中所绘出的那样。

电流传感器SI于是与控制单元SE连接。电流变化值的确定例如可以在电流传感器SI本身中或在控制单元SE中进行。

根据图1，电子中断单元EU在两个导体中作为块示出。在第一变型方案中，这意味着两个导体不中断。至少一个导体、尤其是有源导体或相导体具有基于半导体的开关元件。中性导体可以是无开关元件的，即没有基于半导体的开关元件。这意味着中性导体是直接连接的，即不会变为高阻抗。也就是说，仅进行(相导体的)单极中断。如果设置有另外的有源导体/相导体，则在电子中断单元EU的第二变型方案中，相导体具有基于半导体的开关元件。中性导体直接连接，即不会变为高阻抗。例如用于三相交流电路。

在电子中断单元EU的第三变型方案中，中性导体同样可以具有基于半导体的开关元件，即在电子中断单元EU中断的情况下，两个导体变为高阻抗。

电子中断单元EU可以具有半导体器件、诸如双极晶体管、场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管(Isolated Gate Bipolartransistoren，IGBT)、金属氧化物层场效应晶体管(Metall Oxid Schicht Feldeffekttransistoren，MOSFET)或其他(自换向的)功率半导体。特别是IGBT和MOSFET由于低的导通电阻、高的阻档层电阻和良好的开关特性特别好地适用于根据本发明的保护开关装置。

在第一变型方案中，机械分离触点***MK可以单极中断。这意味着，两个导体中的仅一个导体、特别是有源导体或相导体被中断，即具有一个机械触点。因此，中性导体是无触点的，即中性导体直接连接。

如果设置有另外的有源导体/相导体，则在第二变型方案中，相导体具有机械分离触点***的机械触点。在该第二变型方案中，中性导体直接连接。例如用于三相交流电路。

在机械分离触点***MK的第三变型方案中，中性导体同样具有机械触点，如图1中所示。例如用于双极或全极中断。

在三相交流电路的情况下，进行电压下降的模拟确定，其中，在此可以在两个有源导体(相导体)之间或者在有源导体与中性导体之间进行测量。

本发明涉及对机械分离触点***的触点的手动致动、尤其是断开的识别。识别与断开的触点的数量相关地进行。根据本发明，对手动致动的识别应该与对机械致动的采集无关地进行，即纯电子地进行。

保护开关装置SG具有机械分离触点***MK，特别是根据标准具有符合标准的分离特性，用于电流隔离电路、特别是用于电路的符合标准的释放(与关断相反)。

机械分离触点***MK尤其是指(符合标准的)分离功能，其通过分离触点***MK实现。分离功能是指以下几点：

-根据标准的最小空气距离(触点的最小距离)，

-机械分离触点***的触点的触点位置指示，

-机械分离触点***的致动始终是可能的(没有分离触点***的闭锁)。

关于分离触点***的触点之间的最小空气距离，该最小空气距离基本上与电压相关。其他参数是污染程度、场类型(均匀，非均匀)和气压或高于标准零点的高度。

对于该最小空气距离或爬电距离有相应的规定或标准。这些规定例如在空气中针对冲击耐压强度规定了最小空气距离，其依据污染程度用于不均匀的和均匀的(理想的)电场。冲击耐压强度是施加相应的冲击电压时能够承受的强度。只有在存在该最小长度(最小距离)的情况下，分离触点***或保护开关装置才具有分离功能(分离器特性)。

在此，在本发明的意义上，对于分离器功能及其特性，标准系列DIN EN 60947或者IEC 60947是相关的，在此通过引用的方式参考。

分离触点***的特征有利地在于，依据额定冲击耐压强度和污染程度，断开的分离触点在关断位置(断开的位置，断开的触点)中的最小空气距离。最小空气距离尤其在(最小)0.01mm与14mm之间。尤其有利地，最小空气距离在0.33kV时的0.01mm与12kV时的14mm之间，尤其对于污染程度1以及尤其对于不均匀场。

有利地，最小空气距离可以具有以下值：

E DIN EN 60947-1(VDE 0660-100)：2018-06

表13-最小空气距离

污染程度和场类型符合在标准中定义的。由此可以有利地实现根据额定冲击耐压强度确定尺寸的符合标准的保护开关装置。

对机械分离触点***的触点的手动致动、特别是断开的电子识别，即对由于开关触点的电弧电压引起的电压下降的识别可以与开关触点的数量、即极数相关地例如如下进行。

在一个变型方案中，保护开关装置SG可以被设计为，使得根据所确定的电压值和电压的期望值来确定电压差，从而存在节拍形式的电压差值。将每个电压差值特别是在绝对值方面与第一阈值进行比较。在超过至少两个连续的电压差值的情况下，识别出机械分离触点***的断开过程。

为了避免具有开关电弧的进一步电流流动，控制电子中断单元EU，该电子中断单元为此变换到高阻抗状态。

电压的期望值例如可以通过所谓的锁相环或Phase Locked Loop，简称PLL来确定。PLL是一种电子电路装置，其通过闭环的控制回路影响可变振荡器的相位和与之相关的频率，使得外部周期性的参考信号与振荡器或从中导出的信号之间的相位偏差尽可能恒定。

因此，除其他外，确定所馈送的电网电压、即所确定的电压值的基频和其幅值，即(电网)电压的(未受干扰的或者滤波的)期望值。

然后可以将由PLL输出的电压的期望值与所确定的电压值进行比较，特别是时间同步或相位同步地，从而存在值的差。通常，PLL本身可以执行这样的功能，即输出差，即电压差值。

然后将电压差特别是在绝对值方面与阈值进行比较。

替换地，电压的期望值也可以存储在表格中，其中，然后相位同步地比较相应的电压值或者形成相位同步的差，从而存在电压差值。

电压差值的确定例如可以在电压传感器SU本身中或在控制单元SE中进行。从而节拍形式地存在电压差值。

图2示出了关断逻辑ASL的图示，如其例如可以在根据图1的控制单元SE中实现的，例如在功能上或在电路技术上。电压差值(节拍形式地)被馈送给第一比较器COMP1，用于将每个电压差值DU与第一阈值进行比较。第一比较器COMP1的输出端进一步地：

-第一，直接地与第一与门AND1连接，

-第二，通过第一中间存储器Z1(该第一中间存储器Z1(节拍形式地)临时存储恰好一个比较器输出值)与第一与门AND1连接，

-在根据图2的设计方案中，第三，经由第一中间存储器Z1和第二中间存储器Z2(该第二中间存储器(节拍形式地)临时存储恰好一个比较器输出值)与第一与门AND1连接，从而超过在示例中三个连续的电压差值的情况下，例如通过中断信号TRIP启动低压电路的中断，该中断信号TRIP由控制单元SE传输至电子中断单元EU。可以类似地设置另外的中间存储器(超过四个，五个，……电压差值DU)。

通过这种布置，在机械分离触点***的单极中断的情况下，可以确定10至50伏特的电压下降，或者在机械分离触点***的双极中断的情况下，可以确定20至100伏特的电压下降。

通过控制单元SE或者关断逻辑ASL可以实现其他功能，如下所示。

此外，图2示出了一种设计方案，其中设置了与控制单元连接的电流确定，从而周期性地测定电流随着低压电路的时间的变化，从而存在节拍形式的电流变化值。电流随时间的变化的确定例如可以在电流传感器SI本身中或在控制单元SE中进行。电流变化值被馈送给第二比较器COMP2，该第二比较器COMP2将每个电流变化值与第二阈值进行比较。此外，第二比较器COMP2的输出端一方面直接地，并且另一方面通过第三中间存储器Z3与第三与门AND3连接，该第三中间存储器Z3(节拍形式地)临时存储恰好一个比较器输出值，从而在超过两个连续的电流变化值的情况下，例如通过中断信号TRIP启动低压电路的中断，该中断信号TRIP从控制单元SE传输至电子中断单元EU。

通常可以设置另外的中间存储器(超过三个，四个，五个，……电流变化值)。

图2还示出了一种设计方案，其中比较器COMP1、COMP2的输出端通过第二与门ANT2逻辑地关联，使得在超过第一阈值和第二阈值时，理想地超过相同节拍的或者之前/之后也即相邻节拍的第一阈值和第二阈值时，例如通过中断信号TRIP启动低压电路的中断，该中断信号TRIP从控制单元SE传输到电子中断单元EU。

图2还示出了一种设计方案，其中第一、第二和第三与门AND1、AND2、AND3的输出通过或门OR组合，使得

-在超过至少两个连续的电压差值的情况下，或

-在超过至少两个连续的电流变化值的情况下，或

-在第一时间窗内超过第一阈值和第二阈值的情况下，例如通过中断信号TRIP启动低压电路的中断，该中断信号在这种情况下由或门OR输出。

电压差值或可能的电流变化值或电压值和可能的电流值的(周期性的)确定例如在电压传感器SU或电流传感器SI或在控制单元SE中以大于/等于10kHz且小于/等于10MHz、更特别地大于/等于10kHz且小于/等于1MHz的节拍频率进行。因此，存在节拍形式的电压差值或可能的电流变化值或者电压值和可能的节拍形式的电流值，时间间隔为100μm至0.1μm、更具体地为100μm至1μm。因此，相同节拍的(如果相同的节拍的值存在的话)电压差值或可能的电流变化值与阈值进行比较。替换地，如果在电压值与电流值之间存在时间间隔，即节拍差，则电压差值或者可能的电流变化值形成时间上对应的节拍。时间间隔不应大于采样的一个节拍。也就是说，依据采样率，第一时间窗恰好是采样率的一个节拍长。也就是说，例如，在100kHz的采样率下，节拍为10μs，即两个采样值之间的距离为10μs，即第一时间窗最大为10μs。

根据本发明，在保护开关装置SG中，仅一个电压测量可以集成在装置中。例如以电压传感器SU的形式。电压传感器SU应优选具有大于节拍频率的带宽。类似地，这同样适用于可选的电流传感器。电流传感器SI例如可以具有测量电阻或分流器。电压传感器SU(单独)用于识别机械分离触点***的手动开关过程。

测量值处理和关断逻辑可以例如：在控制单元SE中，不仅在模拟技术中，在计算机中、如微控制器(μC)或现场可编程门阵列(FPGA)中实现，或者可以部分地在模拟技术中并且部分地在计算机中实现。

在用于确定电压下降的另外的变型方案中，该电压下降在下文中描述，通过电压传感器SU确定瞬时电压值DU(与相位相关的电压值)，以确定低压电路的电压的大小。

保护开关装置SG、特别是控制单元SE被设计为，使得存在瞬时(相位角相关)阈值。例如，在简单的情况下，电压的正弦曲线(例如具有230伏特有效值，其振幅为325伏特)可以针对每个相位角以其预期的瞬时电压值减去例如10％的折扣或10至30％之间的值或至少10伏特的固定折扣作为瞬时阈值来存储，其中，使用至少10伏特的值作为最小瞬时阈值(以避免错误触发)。在折扣例如为10％的情况下：在0°处为10伏特(最小瞬时阈值)，...，在30°处为146.25伏特(162.5伏特-10％)，...，在45°处为206.8伏特(229.8伏特-10％)，...，在60°处为253.3伏特(281.4伏特-10％)，在90°处为292.5伏特(325伏特-10％)等。

在此，可以针对每个单独的相位角、相位角范围(多个相位角)，例如每2°，或者针对相位角区段(相位角的一部分)，例如每0.5°存在瞬时阈值。

瞬时阈值相应地针对手动致动过程预期的电压下降进行适配。

瞬时电压值DU优选地在绝对值方面与瞬时阈值相位角相关地进行比较。在低于或超过瞬时阈值时识别出致动。如果放弃形成绝对值，则为了识别，在正半波中检查是否低于瞬时阈值，在负半波中检查是否超过瞬时阈值。替换地，也可以确定瞬时电压值DU的绝对值。然后针对(绝对值)低于瞬时阈值来检查这些绝对值，由此有利地取消符号考虑。比较与相位角相关地进行，即相对于电压的30°相位角的瞬时阈值检查电压的例如30°相位角的瞬时电压值。

替换地，可以(连续地)由瞬时阈值(必要时其绝对值)和瞬时电压值DU(必要时其绝对值)形成(瞬时的)电压差值。将(瞬时的)电压差值与(绝对的或瞬时的)电压差阈值进行比较，并且在超过该电压差阈值时(或在有符号的比较时低于该电压差阈值时)识别出致动。

替换地，也可以进行走廊检查，即如果瞬时电压值从预期的阈值或预期的电压值开始大于特定的百分比、特别是5％至15％，或者特定的+/-电压绝对值、尤其是10至40伏特，则进行对致动的识别并且有利地(立即)启动低压电路的(电子)中断。

对致动的识别例如通过(第一)信号TRIP来实现，该信号TRIP由控制单元SE发送给电子中断单元EU，如在图1中示出的那样。

低于或超过可以有利地针对第一时间段或针对相位角范围或相位角区段存在，以便验证对致动的识别。

图3示出根据图1的示图，其具有另外详细的设计方案。在此，控制单元SE具有两个子单元，优选模拟的第一子单元SEA和优选数字的第二子单元SED。第一子单元SEA在此具有电压比较器CU。一方面，电压传感器SU的优选在绝对值方面的瞬时电压值DU被馈送给该电压比较器CU。另一方面，由第二子单元SED将瞬时阈值SWU馈送给电压比较器CU。

电压比较器CU将瞬时电压值DU与瞬时阈值SWU进行比较，并且如所描述的那样在超过或低于时输出电压中断信号TU，用于识别低压电路的致动和可能的中断的启动。

电压中断信号TU可以被馈送给逻辑单元LG，该逻辑单元LG将其与其他中断信号组合并且将(第一)信号TRIP输出给电子中断单元EU，以用于基于半导体的中断或高阻抗的中断。

在一种设计方案中，电压比较器CU临时存储瞬时阈值SWU，以便持续地提供这些值。

此外，瞬时电压值DU被馈送给第二子单元SED。在优选的设计方案中，瞬时电压值DU在那里通过模数转换器ADC数字化，并且被馈送给微处理器CPU。微处理器执行对瞬时阈值SWU的确定或计算。通过第二子单元SED或者尤其是微处理器CPU确定的瞬时阈值SWU又被馈送给第一子单元SEA、尤其馈送给电压比较器CU，以便执行上面描述的比较。

在此，瞬时阈值SWU的确定可以有利地在第二子单元SED中数字地进行，或者具有比第一子单元SEA中的电压值和阈值的连续比较更慢的处理速度。

在有利的设计方案中，其中设置电流传感器SI，该电流传感器输出电流的大小、即瞬时电流值DI，第一子单元SEA可以具有电流比较器CI。一方面，电流传感器SI的瞬时电流值DI被馈送给该电流比较器CI。另一方面，由第二子单元SED向电流比较器CI馈送瞬时电流阈值SWI。电流比较器CI将瞬时电流值DI与瞬时电流阈值SWI进行比较，并且以类似的方式在绝对值方面超过电流时输出电流中断信号TI，以用于启动低压电路的中断。

电流中断信号TI可以被馈送给逻辑单元LG，该逻辑单元LG将其与其他中断信号组合并且将(第一)信号TRIP输出给电子中断单元EU，以用于基于半导体的中断或高阻抗的中断。

在一种设计方案中，电流比较器CI临时存储瞬时电流阈值SWI，以便持续地提供这些值。

此外，瞬时电流值DI可以被馈送给第二子单元SED。在优选的设计方案中，瞬时电流值DI在那里通过模数转换器ADC数字化并且被馈送给微处理器CPU。微处理器执行对瞬时电流阈值SWI的确定或计算。通过第二子单元SED或者尤其是微处理器CPU确定的瞬时电流阈值SWI又被馈送给第一子单元SEA、尤其馈送给电流比较器CU，以便执行上面描述的比较。

在此，可以有利地在第二子单元SED中数字地进行瞬时电流阈值SWI的确定，或者具有比第一子单元SEA中的电流值和阈值的连续比较更慢的处理速度。

图4示出了根据图1和图3的另外的设计方案或变型方案。图4示出了第一子单元SEAE的简单变型方案的部分和第二子单元SEDE的替换变型方案的部分。

第一子单元SEAE的简单变型方案的部分具有电压比较器CU，瞬时电压值DU、尤其是其绝对值，以及瞬时阈值SWU、尤其是同样与绝对值相关地被馈送给该电压比较器CU。电压比较器CU在该示例中直接输出用于中断低压电路的第一信号TRIP，类似于图3。绝对值的形成可以通过一个或其他未示出的单元进行。

第二子单元SEDE的替换变型方案的部分具有电网同步单元NSE。(模拟的)瞬时电压值DU被馈送给该电网同步单元NSE。电网同步单元NSE根据所馈送的(模拟的)瞬时电压值DU(该瞬时电压值是低压电路的正弦形的交流电压)确定幅值U、相位角

和电压的预期时间值UE或电压的期望值UE。电压的期望值UE是一种滤波后的或者再生的或者产生的等效瞬时电压值DU。

电压的期望值UE以及幅值U和相位角

可以例如通过所谓的锁相环或PhaseLocked Loop，简称PLL来确定。PLL是一种电子电路装置，其通过闭环的控制回路影响可变振荡器的相位和与之相关的频率，使得外部周期性的参考信号(瞬时电压值)与振荡器或从中导出的信号之间的相位偏差尽可能恒定。

因此，除其他外，确定所馈送的电网电压、即所确定的电压值的基频和其幅值，即(电网)电压的(未受干扰的或者滤波的)期望值。

由电网同步单元NSE确定的幅值U、相位角

和电压的预期时间值UE被馈送给阈值单元SWE。阈值单元SWE将电压的期望值UE修改为瞬时阈值SWU，其中，例如：

-可以从电压的期望值UE中减去固定电压值，例如待检查的电压下降，或者

-可以从电压的期望值UE中减去与相位角相关的电压绝对值，例如与待检查的电压下降成比例地减去，或者

-可以从电压的期望值UE中减去电压的固定百分比，例如与待测试的电压下降成比例地减去，或者

-可以从电压的期望值UE中减去电压的与相位角相关的百分比，例如与待检查的电压下降成比例地减去，以便获得瞬时阈值SWU。

此外，瞬时阈值SWU可以通过瞬时电压的幅值U来适配，即，在电压的高幅值的情况下存在高的瞬时阈值，并且在电压的低幅值的情况下存在低的瞬时阈值，以便可靠地探测电压下降。

瞬时阈值SWU可以通过在阈值单元SWE中存在相位角

而由该阈值单元与瞬时电压DU同步地传输给电压比较器CU，从而可以在电压比较器CU中进行瞬时阈值与瞬时电压值之间的相位相关的(相位角相关的)比较。

图5示出了根据图3或图4的替换的设计方案，区别在于，电压的期望值UE不被馈送给阈值单元SWE，而是被馈送给差分单元DE。此外，瞬时电压值DU不被馈送给电压比较器CU，而是被馈送给差分单元DE。差分单元DE形成电压的期望值UE与瞬时电压值DU的差，其中，与相位角相关地或者相位角精确地进行。因此，产生(相位角相关的)电压差值DW，该电压差值被馈送给电压比较器CU。另一方面，将瞬时阈值SWU馈送给电压比较器CU，该瞬时阈值在该示例中与相位相关地并且受幅值影响地作为(与相位相关的)电压差阈值由阈值单元SWE提供。

在该示例中，由电网同步单元、尤其是以PLL的形式输出的电压的期望值UE与瞬时电压值DU进行比较，尤其是时间同步或相位同步地进行，从而存在值的差DW。通常，PLL本身可以执行这样的功能，即输出差，即电压差值DW。

然后，电压差值DW尤其在绝对值方面与瞬时阈值SWU(在这种情况下是对应于待检查的电压下降的电压差阈值)进行比较。

也可以想到替换的设计方案。

在电压下降方面检查电压的时间曲线。通过与预期电压的相位精确的比较，可以实现非常快速的识别。

相位角分辨率确定阈值的计算速度。在相位角分辨率为1°的情况下，即针对电压的每个全相位角存在阈值，即大约每55.5μm就存在瞬时阈值。关断优选地通过模拟比较器进行，即连续地进行，因此比相位角分辨率快得多。

替换地，在全数字处理的情况下适用以下时间曲线。相位角分辨率确定了识别的速度。在相位角分辨率为1°的情况下，即针对电压的每个全相位角存在阈值，即大约每55.5μm就存在瞬时阈值，这意味着在最小大约60μm之后进行关断。在较高的相位角分辨率下，可以实现较短的关断时间。

在该示例中，然后以至少18kHz来处理值。

替换地，电压的期望值可以存储在表格中，其中，然后相位同步地比较相应的电压值或形成相位同步的差，从而存在电压差值。

图6示出了在左垂直轴上以伏特为单位的电压[V]和在水平轴上以毫秒为单位的时间t[ms]的曲线图。针对周期持续时间，在该情况下为20ms(f＝50Hz)，示出了正弦交流电压(电网电压)的周期，在示例中是低压交流电路的电压DU的大小的周期。此外示出了关于时间t[ms]的正弦交流电压的绝对值abs(DU)。

此外，针对电压的周期持续时间示出了第一(电压)阈值SWU、具体地下阈值SWU_low随时间的曲线。

此外，针对电压的周期持续时间示出了第二(电压)阈值SWU、具体地上阈值SWU_high随时间的曲线。

下阈值SWU_low和上阈值SWU_high可以形成阈值走廊(走廊)，如图6所示。

在有利的设计方案中，电压的期望值的绝对值用于计算下(电压)阈值曲线SWU_low。随时间的阈值曲线SWU_low、即瞬时的下阈值在这种情况下由电压的绝对值的(瞬时的)期望值(在最简单的情况下是瞬时的电网电压值)乘以比例因数、尤其来自0.85至0.99或1的范围中的值来计算；以及减去固定电压值、尤其是来自10至40或50伏特的范围中的值。

在有利的设计方案中，类似地计算上(电压)阈值SWU_high的绝对值。在这种情况下，(瞬时的)上阈值SWU_high由电压的期望值的(瞬时的)绝对值(电网电压曲线)除以比例因数、尤其是来自0.85至0.99或1的范围中的值来计算；以及加上固定电压值、特别是来自10至100伏特的值，特别是与机械分离触点***MK的极数(极或者触点/中断导体的数量)无关。

下(电压)阈值曲线和上(电压)阈值曲线共同形成走廊。如果(瞬时)测量/确定的电压的大小离开该走廊，则识别出机械分离触点***的断开(致动)。

图7示出了根据图6的图示，不同之处在于，详细地针对电压过零点(在这种情况下在t＝10ms处)示出了(电压)阈值SWU_low、SWU_high的时间曲线。除了示出电压DU的时间曲线之外，还示出了其绝对值abs(DU)，如在图6中那样。

为了避免错误触发，需要与所确定的电压大小的最小距离。为此，在本发明的有利的设计方案中，尤其对于接近过零点的小的瞬时电压(<20V，<30V，<40V)，瞬时的下阈值或者下电压阈值曲线SWU_low应在零线下方延伸，如图7中所示。在这种情况下不会识别出电压下降，但这对于解决方案不是缺点。

尽管已经通过实施例详细地说明和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以从中推导出其它变型方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种用于保护低压电路的保护开关装置(SG)，具有：

-壳体(GEH)，所述壳体具有用于低压交流电路的导体的电网侧接头(L1，N1)和负载侧接头(L2，N2)，

-机械分离触点***(MK)，所述机械分离触点***与所述电网侧接头(L1，N1)连接并且用于电流地中断所述低压电路，所述机械分离触点***另一方面与电子中断单元(EU)连接，所述电子中断单元通过基于半导体的开关元件具有用于中断的开关元件的高欧姆状态和用于所述低压电路中的电流流动的开关元件的低欧姆状态，

其中，所述电子中断单元(EU)另一方面与所述负载侧接头(L2，N2)连接，

-电压传感器(SU)，所述电压传感器布置在机械分离触点***(MK)和电子中断单元(EU)之间，用于确定所述低压电路的那里的电压的大小，

-所述机械分离触点***(MK)能够手动地致动，从而所述机械分离触点***(MK)的触点能够手动地接通以用于电流流动并且能够手动地断开以用于所述低压电路中的中断，

-控制单元(SE)，所述控制单元(SE)与所述电压传感器(SU)和所述电子中断单元(EU)连接，

所述保护开关装置(SG)被设计为，使得确定所述电压的大小并且

-在单极中断的机械分离触点***(MK)的情况下，在10至50伏特的电压下降的情况下，或者

-在双极中断的机械分离触点***(MK)的情况下，在20至100伏特的电压下降的情况下，或者

-在小于10伏特的电压下降的情况下，

识别出所述机械分离触点***(MK)的断开。

2.根据权利要求1所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，将所述电压(DU)的大小与瞬时的下阈值(SWU_low)进行比较，其中，所述瞬时的下阈值(SWU_low)由所述电压的瞬时期望值(UE)的绝对值乘以比例因数、特别是0.85至1并减去固定电压值形成，所述固定电压值在单极中断的机械分离触点***(MK)情况下特别是10至50伏特，或者在双极中断的机械分离触点***(MK)的情况下特别是20至100伏特，

使得在低于所述瞬时的下阈值(SWU_low)的情况下，识别出所述机械分离触点***(MK)的断开。

3.根据权利要求1或2所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，将所述电压(DU)的大小与瞬时的上阈值(SWU_high)进行比较，其中，所述瞬时的上阈值(SWU_high)由所述电压的瞬时期望值(UE)的绝对值除以比例因数、特别是0.85至1并且加上固定电压值、特别是10至100伏特形成，所述固定电压值与所述机械分离触点***(MK)的极数无关，

使得在超过所述瞬时的上阈值(SWU_high)的情况下，识别出所述机械分离触点***(MK)的断开。

4.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，在识别出所述机械分离触点***(MK)的断开时，所述电子中断单元(EU)的基于半导体的开关元件，特别是在第一时间段内、特别是小于100μs、更特别地小于50μs或10μs，变换到高阻抗状态，以避免由开关电弧引起的触点烧损或在时间上减少所述机械分离触点***的开关电弧持续时间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，所述保护开关装置(SG)具有通信单元，使得在识别出所述机械分离触点***(MK)的断开时，通过所述通信单元输出至少一个信息。

6.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，所述保护开关装置(SG)具有显示单元，使得在识别出所述机械分离触点***(MK)的断开时，通过所述显示单元显示信息。

7.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，所述保护开关装置(SG)具有存储器，使得在识别出所述机械分离触点***(MK)的断开时，将信息存储在所述存储器中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，另外的电压传感器设置在电网侧接头与机械分离触点***(MK)之间。

9.根据权利要求8所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，所述另外的电压传感器仅如下地执行电压确定：电压是否施加在所述电网侧接头上、特别是是否施加有效的电网电压。

10.根据权利要求8所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，所述另外的电压传感器确定那里的电压的大小，使得通过两个电压传感器的电压形成差来确定电压降。

11.根据权利要求8、9或10所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，所述另外的电压传感器与所述保护开关装置(SG)的其它单元电流隔离，

特别是具有至少一个光耦合器或电容元件。

12.根据前述权利要求中任一项所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，所述保护开关装置(SG)具有带有储能器的能量供应，所述能量供应被设计为，使得在所述机械分离触点***(MK)的触点的断开过程之后，有足够的能量被设置用于：

-将基于半导体的开关元件变换到高欧姆状态中，或者

-通过通信单元输出信息，或者

-通过显示单元显示信息，或者

-将所述保护开关装置变换到限定的状态，包括存储信息、特别是关于致动的时间点和/或电压和/或电流的大小和/或频率和/或温度的信息。

13.根据权利要求12所述的保护开关装置(SG)，其特征在于，在所述机械分离触点***(MK)的触点的断开过程之后，通过所述储能器针对时间1ms至1s、特别是20ms至100ms或至500ms提供能量供应。

14.一种用于保护开关装置(SG)的方法，所述保护开关装置具有用于低压交流电路的导体(L，N)的电网侧接头(L1，N1)和负载侧接头(L2，N2)，

与所述电网侧接头(L1，N1)连接的机械分离触点***(MK)，用于对低压电路进行电流中断，所述机械分离触点***另一方面与电子中断单元(EU)连接，所述电子中断单元通过基于半导体的开关元件具有用于中断的开关元件的高欧姆状态和用于所述低压电路中的电流流动的开关元件的低欧姆状态，

其中，所述电子中断单元(EU)另一方面与负载侧接头(L2，N2)连接，

所述机械分离触点***(MK)能够手动地致动，使得所述机械分离触点***(MK)的触点能够手动地接通以用于电流流动并且能够手动地断开以用于低压电路的中断，

测量所述机械分离触点***(MK)与所述电子中断单元(EU)之间的导体(L，N)之间的电压的大小，并且在单极中断的机械分离触点***(MK)的情况下，在电压下降为10至50伏特的情况下，或者在双极中断的机械分离触点***(MK)的情况下，在电压下降为20至100伏特的情况下，识别所述机械分离触点***(MK)的断开。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，将所述电压(DU)的大小与瞬时的下阈值(SWU_low)进行比较，其中，所述瞬时的下阈值(SWU_low)由所述电压的瞬时期望值(UE)的绝对值乘以比例因数、尤其是0.85至1并且减去固定电压值形成，所述固定电压值在单极中断的机械分离触点***(MK)情况下特别是10至50伏特，或者在双极中断的机械分离触点***(MK)的情况下特别是20至100伏特，

使得在低于所述瞬时的下阈值(SWU_low)的情况下，识别出所述机械分离触点***(MK)的断开。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，将所述电压(DU)的大小与瞬时的上阈值(SWU_high)进行比较，其中，所述瞬时的上阈值(SWU_high)由所述电压的瞬时期望值(UE)的绝对值除以比例因数，尤其是0.85至1并且加上固定电压值形成，所述固定电压值在单极中断的机械分离触点***(MK)情况下特别是10至50伏特，或者在双极中断的机械分离触点***(MK)的情况下特别是20至100伏特，

使得在超过所述瞬时的上阈值(SWU_high)的情况下，识别出所述机械分离触点***(MK)的断开。

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