带有对非周期性电流变化的探测的保护开关

摘要

一种保护开关(11)，所述保护开关具有用于可预定地断开电网的分离触点，其中，该分离触点可以由至少一个触发单元(10)驱控，为了降低电网中通过故障引起的火灾危险而作如下建议：该保护开关具有用于探测该电网内至少一个电参数的振幅的非周期性的、基本上跳跃式的变化的探测器(1)，并且该触发单元(10)与该探测器(1)有效连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的保护开关。

背景技术

公知一种保护开关，该保护开关在电网或电导线中出现增高的电 流时通过自动打开分离触点来切断电网、子电网或者电导线。还公知 另一种保护开关，该保护开关在出现故障电流时通过自动打开分离触 点来切断电网、子电网或者电导线。

在这种公知的保护开关中不利的是，除了已介绍的故障源之外， 在电网或电导线中还可能出现其它故障源，这些故障源尤其通过火灾 的引起可能是对装置或生物而言的潜在危险，并且这些故障源不由上 述常用的保护开关可靠地探测到，因为既不一定造成过高的电流，也 不一定造成故障电流。

发明内容

因此，本发明的任务是，说明一种开头所述类型的保护开关，利 用该保护开关可以避免提及的缺陷，并且利用该保护开关可以降低由 电网中的故障引起的火灾危险。

根据本发明，这通过权利要求1的特征来实现。

由此，可以降低由电网中的故障而引起的火灾危险。由此，可以 在电网中识别可能导致电弧的所谓的串行的和/或并行的故障，并切断 涉及到的网络。由此，可以可靠地阻止可能通过电弧形成的火灾。由 此，可以进一步保护生物和设备免于电流的或通过该电流起火的危险。

此外，本发明还涉及一种根据权利要求2前序部分的探测器。

开头所述的公知的保护开关不能识别不会导致在导线中的升高的 电流或故障电流的故障，但是该故障能引起在电网内部或在电网范围 内的火灾。

因此，本发明的任务是，说明一种前面提及类型的探测器，利用 该探测器可以避免上述缺陷，并且利用该探测器可以降低由于电网中 的故障而引起的火灾危险。

根据本发明，这通过权利要求2的特征来实现。

由此，可以降低由于电网中的故障而引起的火灾危险。由此，可 以在电网中识别可能导致电弧的所谓的串行的和/或并行的故障，并切 断涉及到的网络。由此，可以可靠地阻止可能通过电弧形成的火灾。 由此，可以进一步保护生物和设备免于电流的或通过该电流起火的危 险。

如权利要求1和2一样同时构成说明的一部分的从属权利要求涉 及用于根据本发明的保护开关的探测器的优选实施方式。

此外，本发明还涉及根据权利要求7前序部分所述的、用于探测 电网内至少一个电参数的振幅的非周期性的、基本上跳跃式的变化的 方法。

开头所述的公知的保护开关不能识别不会导致电导线中的升高的 电流或故障电流的故障，但是该故障能引起在电网内部或在该电网范 围内的火灾。

因此，本发明的任务是，说明一种前述类型的方法，利用该方法 可以避免所提及的缺陷，并且利用该方法可以降低由于电网中的故障 引起的火灾危险。

根据本发明，这通过权利要求1的特征来实现。

由此，可以降低由于电网中的故障而起火的危险。由此，可以在 电网中识别可能导致电弧的所谓的串行的和/或并行的故障，并切断涉 及到的网络。由此，可以可靠地阻止可能通过电弧形成的火灾。由此， 还可以进一步保护生物和设备免于电流的或通过该电流起火的危险。

如权利要求7一样同时构成说明的一部分的从属权利要求涉及本 发明的其它有利的设计方案。

附图说明

参考其中仅举例地示出优选实施方式的附图来详细介绍本发明。 在此：

图1示出用于示出在电网中的串行的和并行的故障的两个示意性 电路图；

图2示出用于示出在三路配电器中的组合串行的和并行的故障的 示意性电路图；

图3示出具有根据在时域中的串行故障的电参数的振幅的周期性 跳跃式变化的第一参数信号(电流信号)的第一个例子；

图4示出在时域中根据本发明的方法的第一步骤之后的根据图3 的参数信号；

图5示出在时域中根据本发明的方法的第二步骤之后的根据图4 的参数信号；

图6示出在频域中根据图5的信号；

图7示出带有根据时域中的串行故障的电参数的振幅的非周期性 跳跃式变化的第一参数信号(电流信号)的第二个例子；

图8示出在时域中根据本发明的方法的第一步骤之后的根据图7 的参数信号；

图9示出在时域中根据本发明的方法的第二步骤之后的根据图8 的参数信号；

图10示出在频域中根据图9的信号；

图11示出带有根据在时域中的并行故障的电参数的振幅的非周期 性跳跃式变化的第一参数信号(电流信号)的第三个例子；

图12示出在时域中根据本发明的方法的第一步骤的特别优选的设 计方案之后的根据图11的参数信号；

图13示出时域中根据本发明的方法的第二步骤之后的根据图12 的参数信号；

图14示出带有根据时域中的并行故障的电参数的振幅的周期性跳 跃式变化的第一参数信号(电流信号)的第四个例子；

图15示出在时域中根据本发明的方法的第一步骤的特别优选的设 计方案之后的根据图14的参数信号；

图16示出在时域中根据本发明的方法的第二步骤之后的根据图 15的参数信号；

图17示出带有根据本发明的探测器的第一优选构造的保护开关的 优选设计方案的方块图；

图18示出根据本发明的探测器的第二优选构造的方块图；

图19示出根据本发明的探测器的第三优选构造的方块图；

图20示出根据本发明的探测器的第四优选构造的方块图。

具体实施方式

图17示出保护开关11的方块图，该保护开关具有用于可预定切 断电网的分离触点，其中，分离触点可以由至少一个触发单元10驱控， 其中，保护开关具有用于探测电网内至少一个电参数的振幅的非周期 性的、基本上跳跃式的变化的探测器1，并且触发单元10与探测器1 有效连接。

由此，可以降低由电网中的故障而引起的火灾危险。由此，可以 在电网中识别可能导致电弧的所谓的串行的和/或并行的故障18、19， 并切断涉及到的电网。由此，可以可靠地阻止可能通过电弧形成的火 灾。由此，还可以保护生物和设备免于电流的或通过该电流起火的危 险。

根据本发明的保护开关11设置为用于保护以免受任何形式的故障 的影响，故障在其出现时会导致电网内至少一个电参数的振幅的非周 期性的、基本上跳跃式的变化。在此优选设置的是，所述至少一个电 参数为电压或电流。但是也可以设置的是，在这种情况下涉及到电功 率。在此，电网优选为特别在家庭的或地区的能量分配范围内用于分 配电能量的任何形式的电开关电路。

有两个经常出现的故障是公知的，所述故障导致电流或电压的振 幅的如下形式的非周期性的、基本上跳跃式的变化，这两个故障通常 公知为串行故障18或并行故障19，并且该故障在图1和图2中通过示 意性地示出。串行故障18可以例如由于接触问题产生，例如通过冷钎 焊部位或通过材料疲劳产生。在此，以非周期性的间隔造成电传导的 中断。由此中断电流，并且在每次中断时以及在每次重新接收电流时 造成是潜在火源的电弧。在并行故障19中，例如由于两条导线之间的 绝缘疲劳而造成在两条并行电导线之间的电流，其中，根据转移电阻 可能出现除了已流动电流之外的更高或更低的电流。在此，图3示出 了在设备内、在这种情况下在三路配电器内的组合的并行的和串行的 故障18、19的出现。

通过上述故障会在电网内导致特别是电流或电压的基本上跳跃式 的变化。特别是由此会导致电流或电压的基本上跳跃式的变化、扰动 或升高。在此，电网内至少一个电参数的振幅的基本上跳跃式的变化 可理解为短时间内振幅的强烈或快速的升高，或者强烈及快速的下降。 每个时间单元内的电参数的升高或下降通常通过转换速率来说明。优 选的是，在本发明的意义上，电网内至少一个电参数的振幅的基本上 跳跃式的变化可理解为带有大于1500V/μs的转换速率的电压的变化或 带有大于100A/ns的转换速率的电流的变化。

根据本发明的保护开关11可具有用于探测电网内至少一个电参数 的振幅的非周期性的、基本上跳跃式的变化的任何形式的探测器1，其 中，探测器1与触发单元10有效连接。这种探测器1不但可以是保护 开关11的组成部分，也可以在保护开关11中可移除地使用或与该保护 开关法兰连接。

优选设置的是，保护开关11具有用于探测电网内至少一个电参数 的振幅的非周期性的、基本上跳跃式的变化的探测器的按照下述根据 本发明的设计方案的探测器1，或与这样的探测器连接。但是这样的根 据本发明的探测器1也可以构造为结构独立的单元。并布置在电网内 或电网范围内。

图17至图20分别示出特别是用于保护开关11的探测器1的优选 实施方式的功能性方块图，所述探测器具有用于基本上信号保真地接 收至少一个电参数的时间变化过程的传感器2，其中，探测器1构造为 优选根据下面描述的方法用于探测电网内至少一个电参数、特别是电 流和/或电压的振幅的非周期性的、基本上跳跃式的变化。

这种探测器1具有前面在描述根据本发明的保护开关11时阐述的 优点和效果。

在此，根据本发明的探测器1具有用于基本信号保真地接收至少 一个电参数的时间变化过程的传感器2。这样的传感器2优选例如构造 为或包括总电流互感器、电流互感器、福斯特探头、霍尔发生器、分 路电阻、伏特计或类似物，其中，特别也可以设置两个或更多传感器2 的组合。优选在此设置的是，为每条导线分配一个单独的传感器2，该 传感器接收或探测电参数的变化。

如在图17至图20中所示那样，按照根据本发明的探测器1的特 别优选的实施方式作如下设置，即，至少一个传感器2的输出供给用 于形成正负号函数的第一单元3的输入，第一单元3的输出供给边沿 探测器4的输入，边沿探测器4的输出供给用于探明方波函数的占空 比的第二单元5的输入，并且第二单元5的输出供给输出单元6的输 入。

用于形成正负号函数的第一单元3例如优选构造为过调制的运算 放大器。边沿探测器4例如由例如用于曼彻斯特码解码的无线电技术 所公知，并且可以设置在用于实施根据本发明的探测器1的每种构造 中。用于探明方波函数的占空比的第二单元5优选构造为滤波器机构7， 特别是构造为带通滤波器和/或梳状滤波器和/或转换单元8。这样构造 成的第二单元5的使用或工作方式和其个体化的优点在描述根据本发 明的方法时进行了详细描述。输出单元6优选构造为用驱控开关器件、 特别是保护开关11的触发单元10，并因此具有相应的电的和/或机械 的输出，以便驱控开关器件的触发单元10。多个开关器件例如具有在 开关器件壳体内的开口，通过该开口可以借助销钉影响开关器件的触 发单元10。因此，输出单元6可以具有这种销钉。但是输出单元6也 可以构造为用于对传统故障电流保护开关的能量存储电路充电。额外 地，可以如在图17至图20中所示设置得是，根据本发明的探测器1 具有数据处理单元9，利用该数据处理单元可以处理由传感器2生成的 用于随后加工的第一参数信号15。在此优选设置的是，放大第一参数 信号15或将电流信号变换为电压信号。

可以设置的是，根据本发明的探测器1的单个或所有组件在分立 的硬件中构造或实施。也可以设置的是，根据本发明的探测器1的单 个或所有组件以硬件或软件的形式实施在集成开关电路中，例如实施 在数字信号处理器(DSP)、微控制器(μC)、微处理器(μP)、可编程 逻辑器件(PLD)和/或现场可编程门阵列(FPGA)中。

此外，本发明还涉及一种用于探测电网内至少一个电参数特别是 电流和/或电压的振幅的非周期性的、基本上跳跃式的变化的方法，其 中，基本上信号保真地接收该至少一个电参数的时间变化过程，并以 此形成第一参数信号15，其中

-在第一步骤中，分别就其持续时间为第一参数信号15的每个正 的部分分派可预定的恒定的正的第一数值和/或为第一参数信号15的 每个负的部分分派可预定的恒定的负的第二数值，并以此构成第一方 波信号16，其中优选设置的是，第一数值和第二数值具有相同的绝对 值，

-在随后的第二步骤中，探测第一方波信号16的上升或下降的边 沿，为在两个相继的上升或下降的边沿之间的区域分派不等于零的可 预定的恒定的第三数值，并为位于这些区域之间的区域分派数值零， 并且以此形成第二方波信号17，

-在随后的第三步骤中，确定第二方波信号17的第一占空比，

-在随后的第四步骤中，将第一占空比与占空比1∶1作比较，并在 第一占空比偏离占空比1∶1的情况下，输出该至少一个电参数的振幅的 非周期性的、基本上跳跃式的变化的探测。

这种方法具有前面在描述根据本发明的保护开关时所阐述的优点 和效果。

图3至图6示出了根据本发明的方法在第一参数信号15上的应用， 该参数信号根据至少一个电参数的振幅的周期性的基本上跳跃式的变 化形成，如其例如通过相角控制产生。在此，图3示出接收的第一参 数信号15。图4不仅示出第一参数信号15，而且示出了根据该方法的 第一步骤形成的第一方波信号16。在第一步骤中，所谓的正负号函数 或者说符号函数用于第一参数信号15。在此，第一方法步骤可用于第 一参数信号15的正的部分，负的部分或这两个部分。在第二方法步骤 中如图5中所示探测第一方波信号16的边沿，并由上升的边沿形成带 有可预定的振幅的第二方波信号17。在第一方波信号16的上升边沿时 在第二方波信号17中交替引起上升和下降的边沿。在此，对第一参数 信号16的正的或负的部分执行第二方法步骤。

随后，在第三方法步骤中探明第二方波信号17的占空比。该占空 比也称为占空度，并以不同的方式方法表示或者说表达。此处说明的 占空比1∶1在专业文献中有时也表达为0.5或50％，并如在图5中所示 表示出所谓的对称方波信号，在该对称方波中断开持续时间等于接通 持续时间。

为了探明占空比，在根据本发明的方法中提出三种不同的方法， 这些方法根据设置的方法实施方式的类型而自身带有优点。

根据第三方法步骤的第一和第二优选方案作如下设置，即，为探 明第二方波信号17的占空比而检查其基本振荡的能预定的偶数谐波振 荡成分。如果第二方波信号17是对称的方波信号，那么该方波信号仅 具有带有为基本振荡的非偶数倍频率的谐波振荡。因此，这种第二方 波信号是振幅周期性的、基本上跳跃式的变化的结果，其原因在于电 参数的已知的且没有故障的变化。图6示出频域中这样的第二方波信 号17的例子。与此相反，振幅的非周期性的、基本上跳跃式的变化作 为不规则出现的故障的结果而形成，并通过其频率是基本振荡的偶数 倍的谐波振荡成分表现出来。

根据第三方法步骤的第一优选方案设置的是，第二方波信号17由 时域转换到拉普拉斯转换空间(Bildbereich)中，优选转换到频域中， 并随后探明基本振荡的偶数谐波振荡。由此，尤其可以在实施FFT时 快速并非常准确地探明基本振荡和基本振荡的谐波振荡，并且也探明 偶数谐波振荡成分。这在使用探测器1内的处理器时特别有利。这种 设计方案例如设置在根据图19或图20的探测器1中。

根据第三方法步骤的第一优选方案设置的是，第二方波信号17借 助于滤波器机构7，特别是借助于带通滤波器或梳状滤波器进行滤波， 并随后探明基本振荡的谐波振荡。由此，这种探测器1的分立的结构 是可行的，但是也适用于实施在集成电路中。带有这种构造的探测器1 例如在图17中示出。因为用于探明谐波振荡的滤波器机构7必须协调 于基本振荡，所以在这种实施方式的改进方案中作如下设置，即，滤 波器机构7的滤波常数匹配于基本振荡的探明的频率。为此可以设置 第三单元12，用于匹配滤波系数，如在根据图18的方案中那样。基本 振荡的频率可以例如在边沿探测器4的区域内例如通过第一方波信号 16的边沿的计数探明。

此外，第三方法步骤的第三优选方案作如下设置，即，在该第三 方法步骤中，为第二方波信号17加上或减去带有第三数值的一半绝对 值的信号，并以此形成第三方波信号，其中，此外随后检查该第三方 波信号的偏移自由度(Offsetfreiheit)。在这种情况下，我们试图使第二 方波信号17关于其正的和负的信号部分对称化，这只能在带有对称的 占空比或者说占空度的第二方波信号中实现。带有由此偏离的占空比 的第二方波信号17必然具有偏移，因此具有直流电压部分。如果探测 到了这样的偏移或直流电压部分，就可强制结束对至少一个电参数的 振幅的非周期性的、基本上跳跃式的变化的探测。

在第四方法步骤中，除了已描述的将第一占空比与占空比1∶1作 比较，在第一占空比偏离占空比1∶1的情况下输出至少一个电参数的振 幅的非周期性的、基本上跳跃式的变化的探测。也就是说，或者发送 信息到控制系统或用户处，或者驱控开关器件的触发单元10。

在图7至图10中示出了在第一参数信号15的情况下的单个前述 方法步骤，该方法步骤具有由于串行故障18而造成的电参数的非周期 性的基本上跳跃式的变化。在此，在图10中易于识别的是不同的表现 为弱的谐波振荡，这些谐波振荡分别具有例如相同的绝对值。因此， 除了非偶数谐波振荡外，还出现了偶数谐波振荡。

在所谓的并行故障19中存在如下特殊情况，即，额外的信号例如 电流重叠了未被干扰的参数信号。图11至图13示出了第一参数信号， 以及非周期性干扰的第一参数信号15的第一和第二方波信号，其中可 以清楚地识别出第一参数信号15的基本上跳跃式的变化。图14至图 16示出了第一参数信号15以及周期性干扰的第一参数信号15的第一 和第二方波信号16，17，其中，可以清楚地识别出第一参数信号15的 基本上跳跃式的变化。

在此，在第一方法步骤中除了应用纯的正负号函数之外还可以设 置边沿的探测。因此，正负号函数并不用于第一参数信号15的所有部 分，而是仅用于具有增高的振幅的区域。因此作如下设置，即，在第 一步骤中，在两个时间上相继的、基本上跳跃式的、相对于基本上跳 跃式的变化之前的第一参数信号15具有更大的振幅的变化之间，将第 一数值分派给第一参数信号15的正的部分，并且将第二数值分派给第 一参数信号15的负的部分。然后，将以这种形式形成的第一方波信号 16如上所述进一步处理并求值。

在此优选设置的是，并行地实施第一方法步骤的两种前述方案。

为了识别接通过程而优选设置的是，在一段能预定的持续时间上 暂存第一参数信号15，特别是时间上非周期性的第一参数信号15。

此外还可以设置的是，在机构中并行地运行所述方法的不同方案 或所述探测器1的不同设计方案，例如以便对更复杂的第一参数信号 15求值，该参数信号由带有不同振幅的多个单个信号组合而成。图20 示出了这种机构的方块图，其中，设置有用于电平分离的第四单元和 用于将边沿分配给不同振幅的第五单元。所示出的实施方式具有用于 探明占空比的不同构造的第二单元，但是也可以设置的是，这些单元 构造相同。

其它根据本发明的实施方式只具有所述特征的一部分，其中可以 设置的是每一种特征组合，特别是所介绍的不同实施方式的特征组合。