專利名稱：對脈沖電流靈敏的差分保護(hù)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電氣裝置的差分保護(hù)設(shè)備，該設(shè)備屬于具有以下組成的類型差分變壓器、電流切斷裝置的斷路(trip)繼電器、及輔助連接電路；其中所述差分變壓器包括由磁芯形成的環(huán)形鐵芯、由電氣裝置的電源導(dǎo)線形成的多個(gè)初級繞組，和當(dāng)在初級繞組中發(fā)生差分漏電(fault)時(shí)在各端建立起差分漏電信號的次級繞組；所述輔助連接電路將所述斷路繼電器連接到上述次級繞組的各端，并且調(diào)整到當(dāng)所述差分漏電信號超過預(yù)定的門限值時(shí)使斷路發(fā)生。
利用漏電電流的斷路設(shè)備應(yīng)用于保護(hù)機(jī)器和人員已有許多年。為保護(hù)人員，斷路電流可以是30mA，而為保護(hù)機(jī)器它在大約300至500mA的范圍內(nèi)。
然而，在最近幾年里，越來越多的具有整流效應(yīng)的電子設(shè)備裝入了許多電氣裝置中。這些整流效應(yīng)可產(chǎn)生容易影響差分設(shè)備工作的DC分量。電子斷路設(shè)備的擴(kuò)大使用，尤其在家用電器中的使用，也要求這些設(shè)備不但對交流電流還對脈沖DC漏電電流完全安全地作出響應(yīng)。為這類斷路設(shè)備限定的極限值已經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)VDE 0664作了規(guī)定。已知有滿足該特定要求的上述類型的斷路設(shè)備，在這些設(shè)備中，變壓器環(huán)形鐵芯的磁芯由為該用途設(shè)計(jì)的晶體材料制成。這些材料的主要定量特性是正弦勵(lì)磁電流的感應(yīng)幅度^B，經(jīng)過半波整流的正弦勵(lì)磁電流的靜態(tài)感應(yīng)提升ΔB stat，和經(jīng)過全波整流的正弦勵(lì)磁電流的動(dòng)態(tài)感應(yīng)提升ΔB dyn。
在這些斷路設(shè)備中，已知在變壓器次級繞組和繼電器斷路用繞組之間接有電容器，以便在繼電器這一級通過增加功率來增加斷路設(shè)備的靈敏度。于是次級繞組和電容器形成了振蕩電路。而且振蕩電路的諧振頻率必須和漏電電流在次級繞組中產(chǎn)生的電壓頻率一致。實(shí)現(xiàn)諧振電路調(diào)諧的方法是根據(jù)為電容器規(guī)定的電容值來規(guī)定決級繞組的圈數(shù)，然后確定斷路設(shè)備的斷路條件。然而，最后設(shè)定的圈數(shù)只代表兼顧不同形狀漏電電流的圈數(shù)。
歐洲專利申請EP-0,563,606描述一種用于斷路設(shè)備的變流器，該變流器允許經(jīng)受脈沖電流的用戶電路獲得安全的斷路，其中斷路的實(shí)現(xiàn)方式實(shí)際上與漏電電流的形狀無關(guān)。獲得如此結(jié)果是由于使用了呈現(xiàn)下列磁特性的毫微晶體(nanocrystalline)材料制造的磁芯Br/Bs＜0.3，ΔBdyn＞0.6T，對于幅度為100mA/cm的場強(qiáng)，ΔBdyn max＞0.7T，并且ΔBdyn/^B＞0.7，這些磁芯分兩階段做成。
在該專利中出現(xiàn)的磁定量特性對于使用電容器的斷路設(shè)備方案是令人關(guān)注的。有該電容的存在及獲得ΔBdyn/^B＞0.7的事實(shí)使得可能在次級繞組上得到更為對稱的電流形狀。在此情況下，極化的電磁斷路設(shè)備相對于兩個(gè)較為對稱的門限值工作，從而更便于在制造時(shí)進(jìn)行設(shè)定調(diào)整。然而，雖然這些特點(diǎn)是有利的，它們卻有約束性，因?yàn)樗鼈円髮Υ判静牧献魈厥馓幚怼?br> 此外，在該專利中，斷路設(shè)備不能為一些常見的應(yīng)用(如分度器(graduators))獲得有效的差分保護(hù)，分度器可以有極短暫的斷開角(openingangles)，范圍為從135°至180°。
本發(fā)明克服了這些難點(diǎn)，它提出的差分保護(hù)設(shè)備對脈沖電流的靈敏度有所提高，而對變壓器環(huán)形鐵芯的磁芯的磁特性沒有特殊要求。在一個(gè)特定實(shí)施例中，本發(fā)明還能在脈沖電流方面實(shí)現(xiàn)更寬范圍的保護(hù)，特別是與某些分度器有關(guān)的角α＞135°的脈沖電流。
為此，本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)一種上述類型的差分保護(hù)設(shè)備，該差分保護(hù)設(shè)備的特征在于上述輔助電路包括整流器，還在于環(huán)形鐵芯的磁芯由毫微晶體材料形成。
按照本發(fā)明的特定實(shí)施例，磁芯由以軟磁鐵為基礎(chǔ)的合金制成，該合金由至少50％的、尺寸小于100nm的精細(xì)晶粒組成，并且用原子百分?jǐn)?shù)表示除了鐵含量大于60％外，還含有0.5至2％的銅，2至5％的至少下列金屬之一鈮、鎢、鉭、鋯、鉿、鈦和/或鉬，5至14％的硼及14至17％的硅。
按照一個(gè)特定實(shí)施例，上述整流器包括兩個(gè)二極管，該兩個(gè)二極管分別把次級繞組的兩端連接到繼電器線圈兩端之一，而線圈的另一端則連接到次級繞組的中點(diǎn)。
這兩個(gè)二極管最好是齊納二極管。
按照另一實(shí)施例，上述整流器包括將次級繞組兩端連接到繼電器線圈兩端的二極管電橋。
按照一個(gè)特點(diǎn)，輔助電路還包括與環(huán)形鐵芯的次級繞組并聯(lián)的電容器。
按照另一特點(diǎn)，輔助電路的電壓浪涌(surge)因子為大約3.5。
按照再一特點(diǎn)，由環(huán)形鐵芯的次級繞組和電容器組成的電路的諧振頻率為大約120Hz。
按照又一特點(diǎn)，輔助電路還包括存儲電容器和連接到該存儲電容器作比較用的設(shè)備，所述設(shè)備有一連接到繼電器的控制設(shè)備的監(jiān)視輸出，以便當(dāng)電容器的電壓值大于預(yù)定的門限值時(shí)向繼電器供應(yīng)斷路信號。
該作比較用的設(shè)備最好包括比較器或電壓門限二極管。
繼電器的控制設(shè)備最好包括可控硅。
從結(jié)合只作為實(shí)例給出的附圖進(jìn)行的以下說明，本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將變得更為明顯，在這些附圖中

圖1是表示晶體材料和毫微晶體材料斷路門限值的變化曲線。
圖2、3和6分別表示本發(fā)明斷路設(shè)備的三個(gè)實(shí)施例。
圖4是兩條分別表示晶體材料和毫微晶體材料的電壓浪涌因子(在y軸上)和比值C/C(50Hz)(在x軸上)的關(guān)系曲線。
圖5表示工作在A類時(shí)毫微晶體與晶體相比所達(dá)到的門限值的相對減少量和斷開角的關(guān)系。
在圖2、3和6中，可以分別見到本發(fā)明差分?jǐn)嗦吩O(shè)備D的三個(gè)實(shí)施例，這種差分?jǐn)嗦吩O(shè)備D設(shè)計(jì)成例如包含在電路斷路器(未示出)中或者與之配合，以斷開向電氣裝置供電的電源導(dǎo)線。在這三個(gè)實(shí)施例中，設(shè)備D都包括由環(huán)形磁鐵芯2形成的差分變壓器1，差分變壓器1有用通過環(huán)形鐵芯2的電氣裝置電源導(dǎo)線形成的初級繞組(未示出)及用輔助連接電路5連接到極化型斷路繼電路4線圈的次級繞組3。環(huán)形鐵芯2的磁芯用毫微晶體材料制成。
在圖2中表示的斷路設(shè)備D的輔助電路5由兩個(gè)二極管6、7形成，在輸入處，二極管6、7分別連接到次級繞組3的兩端，在輸出處則連接到斷路繼電器4的正極，而繼電器4的負(fù)極則連接到環(huán)形鐵芯2的次級繞組3的中點(diǎn)3a。在圖3所示的實(shí)施例中，輔助電路5還包括并聯(lián)在環(huán)形鐵芯2的次級繞組3上的電容器8。應(yīng)當(dāng)注意，最好能使用齊納二極管或其他等效的器件以防止亂真的斷路。
在圖6所示的實(shí)施例中，輔助電路5包括調(diào)諧電容器13，電容器13與環(huán)形鐵芯2的次級繞組3及整流器電橋P并聯(lián)，整流器電橋P的輸出與存儲電容器14并聯(lián)，存儲電容器14又和串聯(lián)安裝的繼電器4及可控硅15并聯(lián)，還和具有連接到可控硅15的控制輸出的門限電路16并聯(lián)。
對于前兩個(gè)實(shí)施例來說，當(dāng)在初級繞組中出現(xiàn)漏電電流并且加到繼電器4線圈上的漏電信號超過預(yù)定的斷路門限值時(shí)，斷路繼電器4就命令斷路器跳閘。當(dāng)在次級3上得到的電壓表現(xiàn)為兩個(gè)不對稱的半波時(shí)，整流器6、7在次級上進(jìn)行電流的對稱化，以符合極化繼電器4相對于兩個(gè)對稱門限工作的需要。
在第三實(shí)施例中，當(dāng)存儲電容器14的端電壓超過一定門限值時(shí)，門限電路16經(jīng)由可控硅15向繼電器14供應(yīng)斷路信號。
在圖2的實(shí)施例中，例如通過使用呈現(xiàn)如下磁特性ΔBdyn(100mA t/cm)＜0.6T，ΔBdyn max＜0.7T及ΔBdyn/^B＜0.7的毫微晶體，可以使斷路設(shè)備D以對脈沖電流良好的靈敏度來工作。
在圖1中，曲線(a)表示按照標(biāo)準(zhǔn)VDE 0664建立斷路門限的標(biāo)準(zhǔn)界限和斷開角的關(guān)系。曲線(b)表示在輔助電路含有整流器的斷路設(shè)備(D)中當(dāng)環(huán)形鐵芯2的磁芯使用(78％NI含量的)晶體材料時(shí)門限值隨斷開角(α)的變化，而曲線(c)表示在同一種斷路設(shè)備中使用毫微晶體材料時(shí)的同一變化。
參照圖1，可看出，在具有整流器的輔助電路5中，環(huán)形鐵芯2的磁芯使用毫微晶體材料可使獲得的隨斷開角(α)變化的差分?jǐn)嗦烽T限值(S)(曲線c)在直到135°的斷開角上明顯地低于由標(biāo)準(zhǔn)界限(曲線a)建立的差分?jǐn)嗦烽T限值。
通過測量ΔBdyn與頻率的關(guān)系，使人們能明顯注意到毫微晶體特有的降低的損耗，這就允許以加寬的斷開角(α)獲得差分保護(hù)，如圖5所示。該圖的曲線在y軸上表示通過使用毫微晶體，與含有55％NI的晶體相比，在脈沖電流下門限值(R)降低的百分?jǐn)?shù)。
在圖3和6所示的實(shí)施例中，電容器8使加到繼電器4的功率得以增加。毫微晶體材料的使用使得能拾取和向次級3傳送足夠的能量以使繼電器4斷開。次級繞組3和電容器8形成諧振電路，其諧振頻率的選擇使得由電容器8產(chǎn)生的電壓浪涌大致上是無電容器時(shí)出現(xiàn)的電壓的3.5倍。可以指出，電壓浪涌因子(f)的定義是已知頻率的電容器8的電壓與無電容器時(shí)在同一頻率的次級繞組3兩端電壓的比值。諧振頻率的選擇也使得含有電容器的濾波器的通帶不致將脈沖電流信號中存在的高于50Hz的頻率的各次諧波砍掉太多，尤其當(dāng)α＝135°時(shí)。如果使用晶體材料，該頻率通常約為75Hz。
當(dāng)組成磁芯的材料是毫微晶體材料時(shí)，由于它的低損耗，它產(chǎn)生的電壓浪涌是傳統(tǒng)晶體材料所產(chǎn)生的兩倍，這可以在圖4中看出。該圖4的曲線d和e分別表示在使用毫微晶體材料(d)和傳統(tǒng)晶體材料(e)時(shí)的電壓浪涌因子f(在y軸上)與電容器的電容值和在50Hz上諧振的電容值(C，50Hz)的比值(在x軸上)的關(guān)系。因此可以在這些曲線上看出，毫微晶體的與3.5的電壓浪涌系數(shù)值相對應(yīng)的C/C(50Hz)量B比晶體的C/C(50Hz)量A要低，這就允許選擇諧振頻率為約120Hz。其結(jié)果是加寬了差分通帶，這就允許在A類(脈沖電流)、即在135°＜α＜180°的角度(這些角度在某些分度器中存在)的情況下加寬保護(hù)范圍。
可以指出，磁芯最好可由以軟磁鐵為基礎(chǔ)的合金形成，該合金由至少50％的、尺寸小于100nm的晶粒制成并且用原子百分?jǐn)?shù)表示除了大于60％的鐵含量之外，還含有0.5至2％的銅，2至5％的至少下列金屬之一鈮、鎢、鉭、鋯、鉿、鈦和/或鉬，5至14％的硼及14至17％的硅。
因此，一方面由于毫微晶體特有的低損耗，另一方面由于環(huán)形鐵芯和調(diào)諧電容器組合的通帶的加寬，實(shí)現(xiàn)了尤其能在斷開角α＞135°情況下降低脈沖電流斷路門限值的差分保護(hù)設(shè)備。
當(dāng)然，本發(fā)明不限于僅作為實(shí)例給出的已說明和圖示的這些實(shí)施例。
相反，已描述設(shè)備的所有技術(shù)等同物及其組合，只要是按照本發(fā)明思路制作的，都在本發(fā)明覆蓋的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于電氣裝置的差分保護(hù)設(shè)備，所述設(shè)備屬于具有以下組成的類型差分變壓器、電流切斷裝置的斷路繼電器、及輔助連接電路；其中所述差分變壓器包括由磁芯形成的環(huán)形鐵芯、由電氣裝置的電源導(dǎo)線形成的多個(gè)初級繞組、和當(dāng)在所述初級繞組中發(fā)生差分漏電時(shí)在各端建立起差分漏電信號的次級繞組；所述輔助連接電路將所述斷路繼電器連接到所述次級繞組的各端，并且調(diào)整到當(dāng)所述差分漏電信號超過預(yù)定的門限值時(shí)使斷路發(fā)生；所述差分保護(hù)設(shè)備的特征在于所述輔助連接電路(5)包括整流器(6、7)，還在于所述環(huán)形鐵芯(2)的所述磁芯由毫微晶體材料制成。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述磁芯由以軟磁鐵為基礎(chǔ)的合金形成，該合金由至少50％的、尺寸小于100nm的精細(xì)晶粒組成，并且用原子百分?jǐn)?shù)表示除了鐵含量大于60％外還含有0.5至2％的銅，2至5％的至少下列金屬之一鈮、鎢、鉭、鋯、鉿、鈦和/或鉬，5至14％的硼，及14至17％的硅。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于所述整流器包括兩個(gè)二極管(6、7)，該兩個(gè)二極管分別把所述次級繞組(3)的兩端連接到所述繼電器(4)線圈兩端之一，而所述線圈(4)的另一端則連接到所述次級繞組(3)的中點(diǎn)(3a)。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于所述的兩個(gè)二極管(6、7)是兩個(gè)齊納二極管。
5.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于所述整流器包括把所述次級繞組(3)的各端連接到所述繼電器(4)的所述線圈各端的二極管電橋。
6.如以上權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的斷路設(shè)備，其特征在于所述輔助電路(5)還包括與所述環(huán)形鐵芯(2)的所述次級繞組(3)并聯(lián)的電容器(8)。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于所述輔助電路(5)的電壓浪涌因子(f)是大約3.5。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于由所述環(huán)形鐵芯(2)的次級繞組(3)和所述電容器(8)組成的電路的諧振頻率是大約120Hz。
9.如以上權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于所述輔助電路(5)還包括存儲電容器(14)和用于比較的設(shè)備(16)，其中所述比較設(shè)備連接到所述存儲電容器(14)并且包括連接到所述繼電器(4)的控制設(shè)備(15)的監(jiān)視輸出，以便當(dāng)所述電容器(14)的電壓值大于預(yù)定的門限值時(shí)向所述繼電器(4)供應(yīng)斷路信號。
10.如權(quán)利要求9所述的斷路設(shè)備，其特征在于用于比較的所述設(shè)備(16)包括比較器。
11.如權(quán)利要求9所述的斷路設(shè)備，其特征在于用于比較的所述設(shè)備(16)包括電壓門限二極管。
12.如權(quán)利要求9至11中任一權(quán)利要求所述的斷路設(shè)備，其特征在于所述繼電器(4)的所述控制設(shè)備包括可控硅(15)。
全文摘要
一種用于電氣裝置的差分保護(hù)設(shè)備,含有:差分變壓器(1),包括環(huán)形鐵芯(2)、多個(gè)初級繞組、和當(dāng)初級繞組發(fā)生差分漏電時(shí)兩端建立起差分漏電信號的次級繞組(3);斷路繼電器(4);以及把繼電器(4)連接到次級繞組(3)各端的輔助連接電路(5)。所述輔助連接電路(5)調(diào)整到當(dāng)所述差分漏電信號超過預(yù)定的門限值時(shí)使斷路發(fā)生。上述輔助連接電路(5)包括全波整流器(6,7)和與環(huán)形鐵芯(2)的次級繞組(3)并聯(lián)的電容器(8),并且磁芯由毫微晶體材料制成。
文檔編號H02H3/33GK1184566SQ9619389
公開日1998年6月10日 申請日期1996年4月18日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月18日
發(fā)明者米歇爾·班尼奧, 馬克·波珀特 申請人:施耐德電器公司