本發(fā)明涉及一種可操作地連接在干線電源線和下游斷路器(或分支裝置)之間的選擇性斷路器，該選擇性斷路器包括在電源線中的旁路開關(guān)、與該旁路開關(guān)并聯(lián)連接的受控半導(dǎo)體開關(guān)、旁路開關(guān)斷開檢測(cè)電路和短路檢測(cè)電路，用于根據(jù)開關(guān)特性控制該旁路開關(guān)和半導(dǎo)體開關(guān)。

背景技術(shù)：

歐洲專利EP-A-2320535公開了一種包括短路功能的限流斷路器，其在第一次短路檢測(cè)之后的設(shè)定時(shí)間段后重新閉合。如果然后該短路故障再次被檢測(cè)到，則使用控制單元來(lái)使用隔離器斷開電路。還公開了一種用于限制在上游斷路器的輸入線路和配備有下游斷路器和/或分開式接觸器的輸出線路之間的電路中的電流循環(huán)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明尋求提供一種具有短路和過(guò)電流保護(hù)功能的自動(dòng)斷路器的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)方案。

根據(jù)本發(fā)明，提供了根據(jù)上述前序部分的選擇性斷路器，其中，選擇性斷路器的開關(guān)特性是可編程的(例如取決于下游斷路器的可能/實(shí)際行為)，并且其中選擇性斷路器的短路電流額定值基本上等于所述下游斷路器的短路電流額定值。這允許使用成本效益更好的斷路器設(shè)計(jì)作為選擇性斷路器，其具有類似于下游斷路器的功率、電流和關(guān)斷特性。在選擇性斷路器和下游斷路器之間的線路的優(yōu)化保護(hù)(非常低的允許通過(guò)能量/I²t)成為可能，且選擇性斷路器和下游斷路器之間的I²t的差異很小。進(jìn)一步的實(shí)施例和相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)在從屬權(quán)利要求中描述，并且在本發(fā)明的實(shí)施例的以下詳細(xì)描述中進(jìn)一步詳細(xì)地示出。

附圖說(shuō)明

下面將參考附圖使用多個(gè)示例性實(shí)施例更詳細(xì)地討論本發(fā)明，其中：

圖1示出了在本發(fā)明實(shí)施例中應(yīng)用的斷路器的示意圖；

圖2示出了與多個(gè)下游斷路器組合的選擇性斷路器的應(yīng)用的示意圖；

圖3示出了短路電流相對(duì)于時(shí)間的關(guān)系圖，其中針對(duì)圖2的電路具有兩種可能的情況；

圖4示出了用于測(cè)量圖1的斷路器中的參數(shù)的局部示意框圖。

具體實(shí)施方式

在電氣設(shè)備中，小型斷路器(MCB)被用作安全裝置。模制外殼式斷路器(MCCB)具有類似的功能，并應(yīng)用于更高功率的應(yīng)用。在其它應(yīng)用中，也使用剩余電流裝置(RCD)。本發(fā)明實(shí)施例的選擇性斷路器涉及全部這些類別的可商購(gòu)的裝置，特別是其操作模式。

圖1示出了用于本發(fā)明實(shí)施例中的斷路器的實(shí)施例的框圖。(交流)斷路器包括在帶電電源連接端子Lin和帶電負(fù)載連接端子Lout之間的火線，以及在中性電源連接端子Nin和中性負(fù)載連接端子Nout之間的中性線，用于將(AC和/或DC)負(fù)載連接到干線電源(AC)。斷路器包括火線中的第一電流分離開關(guān)SW2和旁路開關(guān)SW1、中性線中的第二電流分離開關(guān)SW3、與旁路開關(guān)SW1并聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)元件IGBT，以及被布置為控制第一電流分離開關(guān)SW2、第二電流分離開關(guān)SW3、旁路開關(guān)SW1和半導(dǎo)體開關(guān)元件IGBT的處理單元。該交流斷路器還包括電源單元(圖1中的電源和電壓測(cè)量模塊的一部分)，其連接到帶電電源連接端子(Lin)和中性電源連接端子(Nin)，并且連接到處理單元和交流斷路器的其它部件，用于向其提供電操作功率。

(交流)斷路器還可以包括連接到處理單元的短路和過(guò)電流檢測(cè)單元，用于確定短路情況或過(guò)電流情況(例如，使用圖1中標(biāo)記為電流測(cè)量模塊中的火線中的分流電阻R1，其連接到故障電流檢測(cè)和注入模塊)。該處理單元還布置成通過(guò)在確定短路或過(guò)電流情況之后斷開旁路開關(guān)SW1和半導(dǎo)體開關(guān)元件IGBT來(lái)使交流斷路器跳閘，并且在斷路器跳閘之后的預(yù)定時(shí)間段之后執(zhí)行重新閉合的嘗試，其中所述預(yù)定時(shí)間段取決于(例如，可編程的)導(dǎo)致斷路器跳閘的情況的類型。

在另一組實(shí)施例中，所述交流斷路器還包括連接到所述處理單元的故障電流檢測(cè)和注入單元，用于確定故障電流情況，該故障電流檢測(cè)和注入單元與所述火線和中性線電流分離(例如使用如圖1中故障電流檢測(cè)模塊中所示的線圈L1和變壓器)。該處理單元還布置成在確定故障電流情況之后使交流斷路器跳閘。

在圖1所示的實(shí)施例中，半導(dǎo)體開關(guān)元件包括整流橋D1-D4和絕緣柵雙極型晶體管IGBT的組合。整流橋D1-D4的交流端子與旁路開關(guān)SW1并聯(lián)連接，整流橋D1-D4的直流端子與絕緣柵雙極型晶體管IGBT的發(fā)射極端子和集電極端子連接。處理單元連接到布置在火線中的電流測(cè)量單元，并且布置成在檢測(cè)到短路和/或過(guò)載的情況下，控制旁路開關(guān)SW1、第一和第二電流分離開關(guān)SW2、SW3以及絕緣柵雙極型晶體管IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)。通過(guò)處理單元對(duì)旁路開關(guān)SW1和第一和第二電流分離開關(guān)SW2、SW3的斷開和閉合的控制是使用如圖1的框圖中所示的連接到處理單元的各個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。定時(shí)可以由處理單元通過(guò)使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)來(lái)執(zhí)行，實(shí)時(shí)時(shí)鐘被示為圖1的框圖中的處理單元的內(nèi)部組件。

整流橋D1-D4是需要的，因?yàn)镮GBT僅在一個(gè)方向(晶體管)導(dǎo)通。它必須承載與IGBT相同的電流，所以也是短路。另一種解決方案是使用具有串聯(lián)二極管的“反并聯(lián)”IGBT(以承載IGBT的截止?fàn)顟B(tài)中的反向電壓)，但是這將使得整個(gè)電路更復(fù)雜和昂貴。

基于本技術(shù)的現(xiàn)狀，其它半導(dǎo)體的解決方案是不可能的。存在具有非常低的溝道電阻的FET，但是這些FET不能用作兼顧高電壓/高電流的類型。三端雙向可控硅和晶閘管也不能使用，因?yàn)樗鼈冎荒茉谶^(guò)零點(diǎn)關(guān)閉并且這花費(fèi)太多時(shí)間。在短路的情況下，它們不能被輕易地強(qiáng)制關(guān)閉，并且最終將爆炸。GTO(門極關(guān)斷晶閘管)和IGCT(集成門極換流晶閘管)需要大量的能量來(lái)保持它們處于ON狀態(tài)和轉(zhuǎn)換成OFF。驅(qū)動(dòng)電路也將更加復(fù)雜。

處理單元被布置為接納測(cè)量輸入、計(jì)算軟件和輸出信號(hào)邏輯和驅(qū)動(dòng)。大多數(shù)時(shí)間關(guān)鍵的過(guò)程可以通過(guò)EPLD或邏輯端口實(shí)現(xiàn)，但大多數(shù)該功能可以集成在μP(微處理器)中。包括在處理單元中且在必要時(shí)在下面更詳細(xì)地解釋的主要功能是：

-干線電壓測(cè)量(通過(guò)電源和電壓測(cè)量模塊)。

-干線電流測(cè)量和計(jì)算過(guò)電流特性(用于替換雙金屬過(guò)電流保護(hù))。

-干線電壓和電流同步。

-用于MCB中不同組件(例如IGBT和分流電阻R1)的溫度測(cè)量。

-用于繼電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)邏輯(包括存儲(chǔ)電容器的能量監(jiān)視器)。

-與IGBT驅(qū)動(dòng)器單元、用戶接口和通信接口通信。

-編程/預(yù)置接口，用于(過(guò))電流特性和校準(zhǔn)過(guò)程的編程。

-在電源中斷的情況下的數(shù)據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)(例如接觸狀態(tài)，用于過(guò)電流保護(hù)的干線電流歷史)，使用例如非易失性存儲(chǔ)器(NVM)。

電流測(cè)量由分流器完成。在一個(gè)實(shí)施例中，電流測(cè)量單元包括在火線中的分流電阻R1和被布置為測(cè)量分流電阻R1兩端電壓的短路和過(guò)電流檢測(cè)單元。分流器是這個(gè)應(yīng)用的最合邏輯的選擇，因?yàn)槠渚群途€性度優(yōu)于其它組件。此外，其尺寸小，價(jià)格/可用性合理。一種替代方案是羅柯夫斯基(Rogowski)線圈，其在大范圍和大電流應(yīng)用中也是精確的。缺點(diǎn)是羅柯夫斯基線圈大得多以及輸出信號(hào)低得多，這使得用于短路保護(hù)和(小)電流/能量測(cè)量的集成/組合設(shè)計(jì)更加困難。分流電阻R1的值必須選擇為使得在額定負(fù)載電流下耗散低，例如分流電阻R1必須能夠在短時(shí)間內(nèi)承受短路電流，例如

短路和過(guò)電流檢測(cè)可以使用必須足夠快地檢測(cè)短路的模擬或數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。它還必須足夠精確以感測(cè)出小的負(fù)載電流以用于能量測(cè)量目的。一種合理的解決方案是運(yùn)算放大器電路或集成(模擬ASIC)電路，但是具有高采樣率的數(shù)字電路也是可能的。

另一實(shí)施例的交流斷路器還包括連接到處理單元和該絕緣柵雙極型晶體管的控制輸入的IGBT驅(qū)動(dòng)單元，其中IGBT驅(qū)動(dòng)單元被布置成以兩階段式過(guò)程關(guān)斷該絕緣柵雙極型晶體管。該IGBT驅(qū)動(dòng)單元還可以被布置為監(jiān)測(cè)IGBT兩端的電壓。

第二電流分離電路(在圖1所示的實(shí)施例中的電流分離2)包括用于在處理單元和IGBT驅(qū)動(dòng)單元之間的通信的一個(gè)或多個(gè)光耦合器。此外，可以在IGBT驅(qū)動(dòng)器單元內(nèi)提供小的電流分離的SMPS，以向IGBT驅(qū)動(dòng)電路供電，因?yàn)檫@個(gè)驅(qū)動(dòng)電路比起斷路器的其它電路部分來(lái)說(shuō)處于另一個(gè)電勢(shì)。

該IGBT驅(qū)動(dòng)單元包含以下功能(可能作為單獨(dú)的電路)：

-IGBT的兩級(jí)輸出驅(qū)動(dòng)器

-IGBT的集電極-發(fā)射極電壓的電壓(去飽和)監(jiān)視器

-旁路開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視器

-IGBT驅(qū)動(dòng)監(jiān)視器

-IGBT ON/OFF輸入

為了在短路斷開的情況下關(guān)閉IGBT，IGBT驅(qū)動(dòng)單元將以兩個(gè)步驟降低IGBT的柵極電壓。這個(gè)動(dòng)作既避免了IGBT兩端的危險(xiǎn)過(guò)電壓也避免了SOA問(wèn)題，特別是在短路關(guān)斷時(shí)。關(guān)斷延遲約為1μs；在這個(gè)時(shí)候，柵極的電壓電平將是正常導(dǎo)通電壓的大約一半。

旁路開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視功能檢測(cè)旁路開關(guān)SW1是否閉合；這是通過(guò)檢測(cè)IGBT兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SW1的狀態(tài)信息被轉(zhuǎn)發(fā)到處理單元，然后可以在短路的情況下用于IGBT的延遲關(guān)斷命令。

IGBT驅(qū)動(dòng)監(jiān)視器檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓，這個(gè)被轉(zhuǎn)發(fā)到處理單元。如果這個(gè)電壓太低，則IGBT將處于關(guān)斷狀態(tài)，并且這是在正常運(yùn)行中的故障情況。

IGBT ON/OFF輸入從處理單元接收ON/OFF命令。

在另一實(shí)施例中，交流斷路器還包括連接到處理單元的用戶接口。用戶接口例如包括測(cè)試開關(guān)SW4和狀態(tài)指示器。用戶接口例如是只有一個(gè)按鈕或帶有一些LED的撥動(dòng)開關(guān)，以指示MCB的狀態(tài)(加電/ON/OFF/故障等)。

此外，交流斷路器可以包括連接到處理單元的通信接口，允許遠(yuǎn)程操作和監(jiān)視。該通信接口用于將所有可能的數(shù)據(jù)發(fā)送到任何介質(zhì)(例如總線系統(tǒng)、因特網(wǎng)或RS485)，有線或無(wú)線(RF/IR)。

注意，在圖1中示出并且在此描述的配置是單極+N配置(在該階段中僅過(guò)流和短路保護(hù))。如果需要雙極裝置，則在另一實(shí)施例中包括第二旁路開關(guān)、過(guò)電壓保護(hù)、整流橋、IGBT和IGBT驅(qū)動(dòng)器。具有多個(gè)電極(例如3相、3相+中性或甚至4相)的干線電源的更復(fù)雜的配置還可以通過(guò)具有相關(guān)附加組件的其它實(shí)施例來(lái)適配。

此外，還可以設(shè)想使用所描述的斷路器的直流應(yīng)用，其中火線和中性線將是正極和負(fù)極，或者正極和地線。在這種情況下，可能需要進(jìn)一步的修改，以使斷路器適合于直流電流使用，例如通過(guò)修改圖1所示的實(shí)施例的電源和電壓測(cè)量模塊。并且，該選擇性斷路器的開關(guān)特性的編程將針對(duì)直流應(yīng)用被特別調(diào)整。

圖2示出了選擇性分層結(jié)構(gòu)的模塊安排，其中選擇性斷路器10連接在干線電源線和一個(gè)或多個(gè)(在這個(gè)例子中為四個(gè))下游斷路器11之間。每個(gè)下游斷路器11(或分支裝置)保護(hù)在下游側(cè)連接到其上的一個(gè)或多個(gè)負(fù)載。選擇性斷路器10包括供電線路中的旁路開關(guān)SW1和與旁路開關(guān)SW1并聯(lián)連接的受控半導(dǎo)體開關(guān)IGBT，如上面參考圖1所述。此外，提供旁路開關(guān)關(guān)斷檢測(cè)電路和短路檢測(cè)電路，用于根據(jù)開關(guān)特性控制旁路開關(guān)SW1和半導(dǎo)體開關(guān)IGBT。該選擇性斷路器10的開關(guān)特性是可編程的，并且例如取決于下游斷路器11的可能/實(shí)際行為。該選擇性斷路器10的短路電流額定值基本上等于下游斷路器11的短路電流額定值。

注意，在圖2所示的實(shí)施例中，選擇性斷路器10和下游斷路器11在結(jié)構(gòu)和功能上類似。換句話說(shuō)，選擇性斷路器包括與下游斷路器相同的組件，即它們具有相同的設(shè)計(jì)，具有相同的部分和相同的功能特性。然而，使用處理單元，斷路器10、11各自的開關(guān)特性都可以被適配。

除了在參考圖1所描述的示例中存在的元件之外，還提供了圖2中的另外的實(shí)施例，其具有旁路開關(guān)、并聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)和在中性線中的相關(guān)聯(lián)的電路(混合開關(guān))，以及在中性線中的用于直接測(cè)量中性線中的電流的分流電阻。

一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明實(shí)施例涉及具有下游(分支)MCB 11的選擇性過(guò)電流保護(hù)特性的選擇性斷路器10(小型斷路器MCB，模制外殼式斷路器MCCB或剩余電流裝置RCD)。MCB/RCD 10具有長(zhǎng)壽命和許多短路/過(guò)流斷開能力。該特性是完全可編程的。所提出的選擇性MCB/RCD 10也可以與常規(guī)MCB/RCD或保險(xiǎn)絲組合使用。

選擇性MCB/RCD 10具有與正常下游(或分支)MCB/RCD 11完全相同的分層結(jié)構(gòu)，但是其行為不同，因?yàn)樗哂胁煌念A(yù)編程設(shè)置(即開關(guān)特性)。由于選擇性MCB/RCD是通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品進(jìn)行編程而制成的，客戶可以靈活地更改參數(shù)以獲得優(yōu)化的安裝。顯著的優(yōu)點(diǎn)是在短路情況下選擇性MCB/RCD 10的允許通過(guò)能量比在常規(guī)解決方案(具有配電網(wǎng)絡(luò)壓力較小優(yōu)點(diǎn)的常規(guī)解決方案)中低得多。

常規(guī)的選擇性MCB需要承載(不中斷)下游MCB的短路電流。在正常的短路情況下，這個(gè)上游/選擇性MCB不被促動(dòng)，因?yàn)橄掠蜯CB將中斷該短路。如果由于某種原因該下游MCB沒有打開或者在上游和下游MCB之間的線路中存在短路的情況下，上游/選擇性MCB將斷開該短路。該選擇性MCB于是用作下游MCB的備用保護(hù)。

常規(guī)上游選擇性MCB的問(wèn)題在于，它必須能夠斷開比下游MCB更高(得多)的短路。這意味著必須選擇高于下游MCB的短路額定值。因此，常規(guī)的選擇性MCB具有特殊的結(jié)構(gòu)，包括重觸頭、更大的電弧室和(機(jī)械)觸頭的延遲觸發(fā)機(jī)構(gòu)。這使得常規(guī)的選擇性MCB昂貴，因而基礎(chǔ)保險(xiǎn)絲常常被使用。

通過(guò)本發(fā)明的選擇性MCB 10的性質(zhì)和系統(tǒng)分層，不需要特殊的結(jié)構(gòu)，因此克服了這些缺點(diǎn)。由于相同的原因，也可以容易地并入選擇性RCD功能。

圖3示出了對(duì)于使用本發(fā)明實(shí)施例的兩種不同情況(即最差情況系統(tǒng)限制選擇性操作模式和正常選擇性操作模式)下，作為時(shí)間函數(shù)的短路電流的曲線圖。一般來(lái)說(shuō)，選擇性斷路器10可在正常操作模式或系統(tǒng)限制選擇性模式中操作，其中在正常操作模式中，選擇性斷路器10被布置(例如通過(guò)編程)成晚于下游斷路器11斷開，并且其中在系統(tǒng)限制選擇性模式中，選擇性斷路器10被布置(例如通過(guò)編程)以實(shí)施重新連接嘗試。

在最壞情況系統(tǒng)限制選擇性操作模式中，選擇性斷路器10和支路斷路器11都具有相等的預(yù)期短路能力，例如10kA，這是MCB設(shè)計(jì)的最大允許短路能力。測(cè)試環(huán)境是最壞情況，所以是最大的。10kA rms且短路起始角為90°。MCB 10、11都處于ON位置，并且在正常的穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)生短路。在正常操作模式中，旁路開關(guān)SW1閉合。這種情況反映在圖3的上部的線條中：

在t＝0時(shí)，短路發(fā)生在90°；那么可以描述以下時(shí)刻：

1、此時(shí)，MCB 10、11都獨(dú)立地檢測(cè)到顯著的過(guò)電流并決定打開它們的旁路開關(guān)SW1。IGBT并聯(lián)電路總是正常地導(dǎo)通(ON)。

2、此時(shí)，兩個(gè)MCB 10、11的旁路開關(guān)SW1打開觸點(diǎn)；短路電流將被IGBT接管或換向至IGBT。在該時(shí)間點(diǎn)附近或之前的某刻，兩個(gè)MCB 10、11也都決定了短路嚴(yán)重以至于必須斷開(基于I²t的決定，即能量的測(cè)量)。然而，在這一時(shí)刻，旁路開關(guān)SW1還沒有足夠的接觸距離，因此兩個(gè)MCB10、11的IGBT都將等待接觸斷開延遲時(shí)間。

3、此時(shí)，旁路開關(guān)SW1具有足夠的接觸間隙，并且一個(gè)MCB 10將通過(guò)斷開IGBT(正常的短路斷開序列)來(lái)斷開短路。因?yàn)镸CB 10、11(在本實(shí)施例中)都沒有相互通信，所以定時(shí)從未精確地協(xié)調(diào)；總有一個(gè)是最快的。在第一個(gè)MCB 10斷開短路之后，另一個(gè)MCB 11也將很快跟隨并且也斷開負(fù)載。在時(shí)刻3之后，負(fù)載中剩余的短路能量將被也并聯(lián)連接到旁路開關(guān)SW1的變阻器吸收，并且電流將減小到0A。

在這種情況之后，MCB 10、11都已經(jīng)斷開了其負(fù)載側(cè)，分支MCB 11還將斷開電流分離開關(guān)SW2、SW3(見圖1)。選擇性MCB 10斷開而分支MCB 11不斷開的情況是不可能的，因?yàn)榇蜷_MCB 10、11的決定時(shí)刻出現(xiàn)在最快的MCB 10斷開短路之前。

下一步是選擇性MCB 10被編程，使得其嘗試在干線電壓的下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)重新閉合。該重新閉合將通過(guò)再次閉合IGBT和測(cè)量負(fù)載電流來(lái)開始。如果這仍然太高，它將再次斷開IGBT。由于旁路開關(guān)SW1尚未閉合，第二次重新斷開將快得多，并且具有低得多的通過(guò)能量I²t。如果短路由分支MCB11斷開，則選擇性MCB 10可以在其它分支MCB 11和負(fù)載不會(huì)注意到該電壓中斷的時(shí)段內(nèi)再次重新閉合。或者在更一般的措辭中，在系統(tǒng)限制選擇性模式中，選擇性斷路器10被編程為在選擇性斷路器10切斷之后在干線電源的下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)執(zhí)行重新閉合嘗試。

在實(shí)踐中，通常不會(huì)達(dá)到這種最壞情況系統(tǒng)限制選擇性操作模式。在選擇性斷路器10和分支斷路器11之間有些許米的布線的情況下，由于環(huán)路阻抗，分支MCB之后的短路電流將較低。然而，選擇性斷路器10仍然必須能夠直接在配電面板負(fù)載線處斷開短路，這可以是上述最壞情況的短路電流。

在正常選擇性操作模式中，只有分支斷路器11將打開并斷開短路。選擇性斷路器10將保持閉合。因此，可以將這種情況與已存在的選擇性過(guò)電流保護(hù)解決方案進(jìn)行比較。在該模式中，斷路器10、11都具有相同或不同的預(yù)期短路能力(分支斷路器11總是具有相同或更低的短路額定值)。測(cè)試環(huán)境不是最壞的情況，因此例如10kA rms且短路起始角為30°的短路。在不是最差的情況下，dI/dt參數(shù)低于最差情況選擇性模式，所以定時(shí)不太關(guān)鍵，并且旁路開關(guān)SW1不再是時(shí)間關(guān)鍵的因素。

選擇性和下游斷路器10、11都處于ON的位置，并且短路在正常穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)生。在正常操作模式中，旁路開關(guān)SW1閉合。這種情況2反映在圖3的下部線條中。

在t＝0時(shí)，短路發(fā)生在例如30°；那么可以描述以下時(shí)刻：

1、此時(shí)，MCB 10、11都獨(dú)立地檢測(cè)到顯著的過(guò)電流并決定打開它們的旁路開關(guān)SW3。IGBT并聯(lián)電路總是正常導(dǎo)通(ON)。在具有較低短路額定值的分支MCB 11的情況下，它將在較早階段中的檢測(cè)顯著的過(guò)電流并且已經(jīng)打開其旁路開關(guān)SW3也是可能的。

2、此時(shí)，兩個(gè)MCB 10、11的旁路開關(guān)SW3打開觸點(diǎn)；短路電流將被IGBT接管或者換向至IGBT。在具有較低短路額定值的分支MCB 11的情況下，這些觸點(diǎn)也可能在較早階段已經(jīng)斷開。

3、在這一時(shí)刻，兩個(gè)MCB 10、11的旁路開關(guān)SW1具有足夠的接觸距離，并且MCB 10、11都準(zhǔn)備好通過(guò)打開IGBT來(lái)切斷短路電流。然而這還沒有完成，因?yàn)橛糜谶x擇性和分支MCB 10、11的預(yù)定的I²t值還沒有達(dá)到。在具有較低短路額定值的分支MCB 11的情況下，這個(gè)時(shí)刻6在一個(gè)更早的階段到達(dá)也是可能的。

4、基于分支MCB 11的I²t設(shè)置，這將通過(guò)打開IGBT來(lái)斷開短路。該I²t設(shè)置低于選擇性MCB 10的I²t設(shè)置(其被設(shè)置為例如電路設(shè)計(jì)的最大允許值)。

5、在這一時(shí)刻，選擇性MCB 10本來(lái)會(huì)達(dá)到其I²t設(shè)置，但是該短路已經(jīng)被分支MCB 10斷開。在一段時(shí)間之后，選擇性MCB 10將再次閉合旁路開關(guān)SW1。

注意，選擇和分支MCB 10、11可以具有相同預(yù)期短路額定值但不同的I²t斷開設(shè)置。具有較低預(yù)期短路額定值的分支MCB 11通常具有較低的I²t設(shè)置。通常可以通過(guò)電子檢測(cè)使I²t檢測(cè)非常準(zhǔn)確。

圖3所示的時(shí)段9和10對(duì)于選擇性和分支MCB 10、11來(lái)說(shuō)都是相等的。這是用于打開旁路開關(guān)SW1的時(shí)間延遲，包括為恒定值的充足的接觸距離。旁路開關(guān)SW1的這個(gè)總打開時(shí)間(電氣+機(jī)械+接觸打開距離延遲)是用于預(yù)期短路斷開額定值的主要因素。

注意，從“最壞情況系統(tǒng)限制選擇性模式”到“正常選擇性操作模式”的變化是自動(dòng)完成的并且由選擇性斷路器和下游斷路器10、11的操作算法獨(dú)立地控制。如果短路的dI/dt斜率越來(lái)越小，就會(huì)存在不需要斷開選擇性MCB10的短路的情況，因?yàn)榉种CB 11已經(jīng)斷開而選擇性MCB 10仍然低于最大的最壞情況系統(tǒng)限制。因此換句話說(shuō)，選擇性斷路器10被布置成基于干線電源線中的dI/dt測(cè)量來(lái)選擇正常選擇性或系統(tǒng)限制選擇性操作模式。

為了具有由短路斷開所涉及的能量的可靠值，I²t值通常被用作參數(shù)。能量通常為E＝U*I*t；所以E＝I*R*I*t；所以E＝I²*R*t。由于在保險(xiǎn)絲或斷路器的情況下，R低且恒定，這個(gè)被忽略且因此可以假設(shè)能量相對(duì)于I²t值呈線性。

可以通過(guò)包含乘法器(I*I＝I²)和積分器網(wǎng)絡(luò)的電子電路進(jìn)行I²t檢測(cè)，該積分器網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間上對(duì)I²值進(jìn)行積分。

在圖4中，所示的可能的框圖是決定旁路開關(guān)斷開(OFF)檢測(cè)(來(lái)自于圖3的點(diǎn)1和4)和短路斷開檢測(cè)(在最壞情況系統(tǒng)限制選擇性操作模式的點(diǎn)2以及正常選擇性操作模式的點(diǎn)7和8下描述)的檢測(cè)時(shí)刻。負(fù)載電流使用分流阻抗21(也見圖1)測(cè)量，放大器22連接在該阻抗兩端。放大器22的輸出通過(guò)整流器23整流(在火線上的交流的情況下)。然后這個(gè)信號(hào)被引導(dǎo)到旁路開關(guān)關(guān)斷檢測(cè)模塊24和短路電流檢測(cè)模塊25的輸入。在這些(功能)模塊中，該信號(hào)與用于幅度、隨時(shí)間的改變(dI/dt)和/或能量(I²t)的閾值等級(jí)進(jìn)行比較，并且取決于斷路器10、11的具體實(shí)現(xiàn)/編程被合計(jì)來(lái)提供輸出信號(hào)。通過(guò)該原理，可以自由選擇用于檢測(cè)短路的幅度、dI/dt和I²t值的最佳組合。“旁路開關(guān)關(guān)斷檢測(cè)”模塊24和“短路檢測(cè)”模塊25是圖1的“短路和過(guò)電流檢測(cè)”模塊的一部分。輸出連接到圖1的處理模塊。一般來(lái)說(shuō)，選擇性斷路器10(以及可能還有下游斷路器11)的開關(guān)特性基于能量參數(shù)(I²t驅(qū)動(dòng)的)的測(cè)量、電流幅度的測(cè)量和/或電流隨時(shí)間的變化(dI/dt)。

上述過(guò)程適用于短路情況。選擇性斷路器10和下游或分支斷路器11之間的協(xié)作比正常過(guò)載情況下更加具有時(shí)間關(guān)鍵性。在過(guò)載情況下，還必須保證分支斷路器11總是較早地?cái)嚅_。特別是當(dāng)將類似設(shè)計(jì)的兩個(gè)斷路器(見圖1和圖2)用作選擇性斷路器10和分支斷路器11時(shí)，可以將選擇性斷路器10和分支斷路器11之間的過(guò)載設(shè)定保持低差別。原則上(精確的電流測(cè)量和過(guò)載的軟件rms計(jì)算)，公差比使用現(xiàn)有技術(shù)的雙金屬解決方案時(shí)小得多。

通過(guò)選擇兩個(gè)斷路器10、11的額定電流值之間的至少小但適當(dāng)?shù)木嚯x，來(lái)保證在選擇性斷路器10和分支斷路器11之間的過(guò)電流的選擇性。這可以容易地通過(guò)額定電流值以及兩個(gè)斷路器10、11的過(guò)載特性編程。

注意，在具有多于一個(gè)分支斷路器11的網(wǎng)絡(luò)中，在選擇性斷路器10和分支斷路器11的額定電流值之間總是存在差異。然而，由于“同時(shí)因素”，通常不通過(guò)相加分支斷路器11的額定電流來(lái)獲得選擇性電流。并非所有分支都完全被加載，因此常常將分支斷路器11的總功率相加并乘以例如0.6以獲得選擇性斷路器10的功率額定值。

斷開過(guò)載的時(shí)間段很長(zhǎng)，所以旁路開關(guān)SW1斷開的時(shí)間延遲不是問(wèn)題。注意，在電源中斷或臨時(shí)關(guān)斷(OFF)情況下，本發(fā)明的斷路器10、11可以將過(guò)載歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在NVM(非易失性存儲(chǔ)器)中，并且通過(guò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)它將在電源接通(ON)后再次考慮過(guò)載歷史數(shù)據(jù)。

因?yàn)橛糜?智能)斷路器10、11的電源接通程序不同于常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)的斷路器，在接通電源時(shí)或在干線電源中斷之后斷開短路或過(guò)載的行為也是不同的。

在未供電的情況下，選擇性和下游斷路器10、11都是完全斷開的(電隔離的)。內(nèi)部電源連接在斷路器的線路側(cè)(見圖1)，并且因此能夠在接通負(fù)載之前給處理模塊供能。實(shí)際上，智能斷路器的上電時(shí)間為例如500ms。在上電(對(duì)于第一次或在電源中斷之后)時(shí)，首先選擇性斷路器10將被供電并接通。如果在另一個(gè)500ms后沒有短路，分支斷路器11也將接通其負(fù)載。

如果一接通選擇性斷路器10后就檢測(cè)到選擇性斷路器10和分支斷路器11之間的短路，則根據(jù)正常的短路斷開過(guò)程，選擇性斷路器10將立即再次斷開。如果一接通分支電路斷路器11后就檢測(cè)到分支斷路器11之后的短路，則根據(jù)上述情況1和2進(jìn)行斷開協(xié)作。

手動(dòng)或通過(guò)遠(yuǎn)程控制接通的支路斷路器11在其被供電和完全可操作之前不會(huì)閉合其觸點(diǎn)，所以如果選擇性斷路器10處于OFF狀態(tài)，則不可能強(qiáng)制支路斷路器11接通。

該智能斷路器分層結(jié)構(gòu)還能夠與其它類型的斷路器或保險(xiǎn)絲正確地協(xié)作，即下游斷路器可以是常規(guī)類型的斷路器，例如保險(xiǎn)絲、自動(dòng)斷路器等。如果選擇性斷路器10是在本發(fā)明的實(shí)施例中討論的類型，下游常規(guī)分支斷路器或保險(xiǎn)絲的I²t參數(shù)必須較低以保證正確的協(xié)作。然而，一般來(lái)說(shuō)，常規(guī)MCB和熔絲的I²t高得多，因?yàn)樗鼈冎袛喽搪冯娏鬏^慢。這種緩慢的斷開行為會(huì)對(duì)電纜和供電網(wǎng)絡(luò)造成壓力。還有，為了檢測(cè)過(guò)載情況，常規(guī)斷路器和保險(xiǎn)絲相對(duì)不精確，所以必須選擇一個(gè)在選擇性斷路器10和常規(guī)斷路器或保險(xiǎn)絲的過(guò)載設(shè)置之間的較大的距離。

在另一實(shí)施例中，還提供故障電流檢測(cè)功能。在常規(guī)的選擇性MCB中，通常沒有提供接地故障檢測(cè)功能，這本應(yīng)是附加的裝置。然而對(duì)于本發(fā)明的選擇性和下游斷路器10、11，非常容易通過(guò)分層結(jié)構(gòu)(具有或不具有選擇性)來(lái)包含接地故障功能。該產(chǎn)品將是“智能MCB/RCD(組合MCB和RCD或帶有過(guò)電流保護(hù)的剩余電流斷路器，RCBO)”。

如果在現(xiàn)有技術(shù)方案中必須保證選擇性和分支RCD之間的接地故障選擇性，則額定接地故障敏感度IΔn總是存在差異。如果分支RCD具有30mA的IΔn，則選擇性RCD將為100mA或300mA。除此之外，選擇性RCD還需要比標(biāo)準(zhǔn)RCD的致動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)的非致動(dòng)時(shí)間。因?yàn)槌Ｒ?guī)的選擇型RCD具有另一種操作特性并且不能在所有情況下使用，所以它們具有不同的類型標(biāo)記“S型”。

當(dāng)然，通過(guò)本發(fā)明智能MCB/RCD 10、11的層級(jí)結(jié)構(gòu)，這種標(biāo)準(zhǔn)化的“S型”可以完全集成在選擇性版本中，但是還有其它更多的可能性。

類似于短路斷路原理，選擇性和下游RCD 10、11可以具有相同的一般類型額定值，例如，IΔn＝30mA。然而，選擇性RCD 10在比分支RCD 11更高的故障電流下跳閘；例如分支RCD 11在20mA下跳閘而選擇性RCD 10在25mA下跳閘。另外，可以使選擇性RCD 10的時(shí)間延遲稍微長(zhǎng)于分支RCD11的時(shí)間延遲(但是在標(biāo)準(zhǔn)的界限內(nèi))。在這種情況下，選擇性RCD 10斷開而分支RCD 11不斷開的情況保證是不可能的。通常，通過(guò)在如上所述的“智能MCB/RCD”中使用的電子檢測(cè)可以使得故障電流檢測(cè)非常準(zhǔn)確。通常，選擇性斷路器10具有基本上類似于下游斷路器11的接地故障額定值的接地故障靈敏度，以及高于下游斷路器11的電流閾值的電流閾值。此外，選擇性斷路器10可具有比下游斷路器11的接地故障時(shí)間延遲更長(zhǎng)的接地故障時(shí)間延遲。

在極少的選擇性RCD 10還是關(guān)斷的情況下，對(duì)其進(jìn)行編程以使得它在一段時(shí)間后嘗試以預(yù)編程的試驗(yàn)次數(shù)重連接也是可能的。如果接地故障仍然存在，它將在標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間限制內(nèi)再次直接關(guān)斷。這不應(yīng)該被任何標(biāo)準(zhǔn)禁止，因?yàn)樗部梢允謩?dòng)重新連接(通過(guò)操作肘桿)。注意，在另一分支RCD 11中存在穩(wěn)定故障電流的情況下，選擇性差異方法不再起作用。然而，在這種情況下，可以采取多種措施。例如，將這種存在的穩(wěn)定故障電流報(bào)警給維護(hù)工程師或(臨時(shí))自動(dòng)增加該選擇性差異。在存在穩(wěn)定電容性接地故障的情況下，也可以通過(guò)識(shí)別相位差來(lái)忽略該情況。

因?yàn)楸景l(fā)明的智能MCB/RCD 10、11具有通信裝置(通信接口，見圖1)，所以它們具有關(guān)于接地漏電狀態(tài)的持續(xù)接觸是可能的。如果分支RCD 11注意到穩(wěn)定故障電流(和相位角)，則可以將其傳送到選擇性RCD 10。選擇性RCD 10收集所有數(shù)據(jù)并將其與自己測(cè)量的故障電流進(jìn)行比較。通過(guò)這個(gè)比較，智能RCD 10可以計(jì)算所測(cè)量的故障電流是來(lái)自一個(gè)或多個(gè)分支RCD11，還是歸因于分支RCD 11和選擇性RCD 10之間的線路的某處。實(shí)際上，分支RCD應(yīng)當(dāng)僅斷開這個(gè)后者的故障電流。

通常，選擇性斷路器可以被布置為檢測(cè)在選擇性斷路器10和下游斷路器11之間的線路中是否存在接地故障和/或短路故障。

選擇性斷路器11可以被編程為根本不打開，而是僅通過(guò)通信端口向維護(hù)工程師報(bào)告故障電流。在某些情況下，電源斷開可能比接受(暫時(shí)的)故障電流更加危險(xiǎn)或昂貴。當(dāng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不是必須使用選擇性或備份RCD時(shí)，這種可能性是特別有利的，但是維護(hù)工程師接收關(guān)于配電網(wǎng)絡(luò)“健康性”的持續(xù)的質(zhì)量信息。

本發(fā)明實(shí)施例還可以用于實(shí)現(xiàn)選擇性斷路器10的自適應(yīng)短路特性，即在操作期間根據(jù)用于經(jīng)由電源線饋電的電源來(lái)編程用于短路的關(guān)斷特性。選擇性斷路器10被布置成根據(jù)連接到選擇性斷路器的干線電源來(lái)改變開關(guān)特性。干線電源可以是變壓器(如通常使用的)、不間斷電源UPS、發(fā)電機(jī)等。這在例如數(shù)據(jù)中心(其中所有機(jī)架和服務(wù)器的不間斷供電都非常重要)中是特別有利的。在這種情況下，通常使用來(lái)自公共干線的正常供電(通過(guò)變壓器供電)，以及UPS(靜態(tài)的或旋轉(zhuǎn)的)和發(fā)電機(jī)。在多個(gè)級(jí)別提供短路保護(hù)，重要的是保證了對(duì)于每個(gè)這樣類型的電源的考慮到下游斷路器11的選擇性。在正常的變壓器饋電公共電源中，可能出現(xiàn)比在UPS(例如基于電池的)或發(fā)電機(jī)的情況下高得多的短路電流，并且當(dāng)開關(guān)時(shí)，可能不能保證選擇性：如果對(duì)于機(jī)架的斷路器的斷開特性針對(duì)公共電源，則在短路情況下切換到UPS或發(fā)電機(jī)時(shí)，該斷路器將響應(yīng)較慢，因?yàn)槎搪冯娏鲗⑤^低。因此，短路將存在更長(zhǎng)的時(shí)間，并且機(jī)架將失去電源更長(zhǎng)時(shí)間，從而對(duì)機(jī)架中的服務(wù)器的連續(xù)性構(gòu)成更大的威脅(有時(shí)服務(wù)器沒有電源的狀態(tài)只能持續(xù)10-20ms)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，從公共電源到UPS的切換可以通過(guò)信號(hào)被發(fā)送到選擇性斷路器10，允許斷路器10的短路特性改變到對(duì)于實(shí)際使用的電源的最佳設(shè)置。同樣對(duì)于其它情況(例如：從例如太陽(yáng)能或風(fēng)力的可再生能源供電)，可以(自動(dòng)地)選擇最佳短路特性。

這種(自動(dòng))適配選擇性斷路器的短路特性在其它情況下也是有利的。例如，可以分析由選擇性斷路器10和分支斷路器11保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載，并相應(yīng)地適配短路特性。通常，在潛在的短路功率中可能出現(xiàn)大差異，源阻抗和來(lái)自中壓變壓器的電纜長(zhǎng)度是其中的因素。通常選擇比絕對(duì)必須的高得多的潛在短路功率，然而這導(dǎo)致在短路情況下釋放的能量不必要地高(火災(zāi)危險(xiǎn))，且公共電源因此中斷太長(zhǎng)時(shí)間?？梢允褂脺y(cè)量裝置來(lái)允許對(duì)(潛在的)短路功率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并且使用這種測(cè)量可以適當(dāng)?shù)貙?duì)選擇性斷路器10進(jìn)行編程。測(cè)量裝置甚至可以直接耦合到通信接口，允許在運(yùn)行期間的自適應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，選擇性斷路器可以被布置成在運(yùn)行期間測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)短路功率，并且相應(yīng)地改變開關(guān)特性，其可能是自動(dòng)的。

在另一實(shí)施例中，選擇性斷路器在安全領(lǐng)域具有其它優(yōu)點(diǎn)，特別是當(dāng)維修人員需要在具有電氣設(shè)備的封閉空間(房間)中工作時(shí)。在檢測(cè)到人在設(shè)備附近時(shí)(例如，當(dāng)進(jìn)入外殼時(shí))，選擇性斷路器的關(guān)斷特性適配到較低的電流水平。于是在實(shí)際短路情況下被釋放的潛在能量降低，從而提高安全水平。一般來(lái)說(shuō)，選擇性斷路器還布置成根據(jù)對(duì)人的存在的檢測(cè)來(lái)改變關(guān)斷特性。

本發(fā)明的實(shí)施例提供了優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)示例的選擇性斷路器的若干優(yōu)點(diǎn)和益處：

選擇性和分支MCB 10、11之間的線路的優(yōu)化保護(hù)(非常低的通過(guò)能量/I²t)，其在選擇和分支MCB 10、11之間具有非常小的I²t差。

選擇性和分支RCD之間的優(yōu)化的接地故障保護(hù)，其在選擇性和分支RCD之間具有小的故障電流靈敏度差異。

選擇性MCB/RCD和分支MCB/RCD間的電源線的非常短的中斷時(shí)間，其他負(fù)載不會(huì)注意到該中斷時(shí)間。通過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)重新閉合選擇性MCB。

選擇性和分支MCB/RCD的標(biāo)準(zhǔn)化(等同)設(shè)計(jì)；定制/現(xiàn)場(chǎng)可編程的選擇性功能。

集成的和可編程的MCB/RCD特性；每個(gè)單獨(dú)的裝置可以被編程為MCB選擇性和/或RCD選擇性。

將選擇性MCB功能與選擇性RCD功能組合。

對(duì)維護(hù)工程師的和智能MCB/RCD之間的通信系統(tǒng)。

選擇性RCD能夠收集分支RCD穩(wěn)態(tài)故障電流信息，并且通過(guò)將其與其自己的測(cè)量進(jìn)行比較，它可以識(shí)別故障位于哪里(分支RCD之后還是分支和選擇性RCD之間)。通過(guò)該信息，選擇性RCD可以決定是否必須斷開或忽略該故障電流。

上面已經(jīng)參照附圖所示的多個(gè)典型示例描述了本發(fā)明的實(shí)施例。一些部件或元件的修改和替代實(shí)施方式是可能的，這些修改和替代實(shí)施方式均包括在如所附權(quán)利要求中限定的保護(hù)范圍內(nèi)。