机电开关器以及具有多个这种开关器的装置

本发明涉及一种机电开关器，该开关器具有至少一个移动触头和在机壳 内配属的驱动装置，并具有用于无接触识别开关状况的器件。此外，本发明 还涉及一种具有多个这种开关器的装置。

在工业领域的配电中通常都对运行状况进行监视并且专门对诸如通/断 或故障等开关器的开关状况进行检测和报告。作为现代化系统工程的目标则 要求，开关器与监视和控制装置通过数据总线进行通联，为此必须以相宜的 方式对运行数据进行采集。就建筑物系统工程而言，例如线路保护开关必须 配备有无接触开关状况识别装置，该装置具体地将检测接通状况，过流断 路、短路脱扣和/或其它开关状况并且通过一数据总线进行通报。

就已有技术而言，开关状况识别通常是通过诸如辅助开关和/或故障信号 开关等例如安装在线路保护开关上的机械耦合开关器件实现的，从而对通/ 断状况和诸如过流或短路等可能的故障进行检测；开关器件在被监视的开关 器机械结构上的这种机械耦合一方面是通过开关器机壳上的开口实现的，短 路时通过这些开口会溢流出导电的气体，该气体会形成漏电路径，并且另一 方面增大了接通开关器必要的操作力。此外，在附加的开关器件上当依赖触 接连接那些在电子信号处理时通常出现的小电流和低电压时，由于锈蚀作用 会接触不良，该接触不良妨碍了对开关状况明确的识别。

在在先的、非在先公开的欧洲专利申请94106336.4中记载了一种用于识 别开关状况的方法，采用此方法通过一外部加在开关器机壳上的电容器实现 了开关器中进行电流或电压控制的部件上的电容耦合。通过一电容分压器测 出的信号对开关器的通或断状况的识别具有重大的改进并且也可以根据过 流进行分析判断。

为此本发明的目的在于以简单的方式改进机电开关器，从而实现无接触 开关状况识别。

本发明目的是这样实现的：备有用于识别开关状况的传感器，这些传感 器设置在开关器机壳内部和/或外部的相宜位置并检测与特定开关状况相关 的磁场值。为识别通/断状况、过流断路和触头熔结，传感器最好测量永久磁 铁的取决于位置的磁场。传感器专门为短路脱扣测量在开关器内流动的电流 的磁场。

经证明，静态微分霍尔效应传感器适用于对开关器的通/断位置、过流断 路和触头熔结进行传感检测。与此相反，舌簧触头更适合于检测短路脱扣。

根据进一步的发明，另外备有一个用于检测开关噪音的声音探测器，其 信号将与用于短路检测的过流断路信号一起被分析判断。与通过对磁场的探 测实现的短路检测相比，附加的声音探测的优点在于，声源的位置和距声音 传感器的距离对声音信号仅有很小的影响并且不会产生屏蔽效应，而此点在 磁场中由于铁磁构件是可能的。为了可靠地并且不受干扰影响地检测短路事 件，由声音传感器检测到的声音事件的信号和尤其是由微分霍尔效应探头产 生的过流断路信号宜通过时间级和“与”门继续处理并且只有在两个信号时 间重叠或时间间隔很小时才显示短路事件。声音传感器优选是一个电容传声 器或一个压电传声器，该传声器设置在开关器的机壳外面。传声器可以安装 在开关状况识别器件的固有机壳内。

通过后者的补充，在多相开关器中可以有益地实现单相或多相可靠的短 路探测，这是因为声音传感器距开关极声音事件的距离在3至10cm之间。 此点的基础是，由于短路产生的声音事件与线路保护开关的相位切断大致同 时发生，从而可以通过用于两个过程的与-逻辑连接的时间窗尤其对干扰声 源进行抑制。

根据本发明建议措施的有益组合，创造一种具有多个开关器的装置，这 些开关器是以发明方式实现的，其中开关器通过数据总线与监视装置连接并 通过数据总线毫不迟延地通报脱扣状况的出现。在这种装置中，作为配电开 关的开关器安装在一个共同的配电柜内并通过一个或多个固定安装在配电 柜上的相宜测量位置处的声音传感器实现对配电开关的短路检测。其中在专 门的设计中根据声平和时间特性选择检测作为首先可能的短路事件的声音 事件并且作为电信号经数据总线毫不迟延地向监视装置通报。如果在预定的 时间窗内脱扣信号没有到达，监视装置则消除声音信号并且如果声信号和脱 扣信号在预定的时间窗内到达，则确定为短路脱扣。由首先到达的信号激活 用于脱扣信号和声音信号重合检查的时间窗。通过相应分布的声音传感器， 可以可靠地采集声音事件并且监视装置可以把短路脱扣分配给某发出脱扣 信号的配电开关。

下面将对照附图对实施例加以说明，从而了解本发明的其它细节和优 点，附图中：

图1为用于无接触识别开关器的开关状态的装置的方框图；

图2为传感器电路原理图；

图3为替代图2的与总线无关的传感器电路原理图；

图4为用于在机壳侧壁上设置特殊传感器和用于传感器操作的必要匹配 措施的机电式线路保护开关；

图5为用于对图4中的铁磁件进行位置监视的传感器结构的原理示意 图；

图6为断开时声音信号的时间特性图示；

图7为进行声音短路检测的电路原理图；

图8为根据图1并补充以短路断路声音识别的电子电路；

图9为带有安装在侧面上的用于无接触开关状况识别的三相线路保护开 关的结构；

图10为带有多个被监视的配电器的配电柜；

图11为图10所示装置中的信号顺序。

在图1第一行中示出所需要的识别功能。具体地说，这些功能是开关位 置、可能的短路和/或过流，以及可能的触点熔结。在其下面列出所属的传感 器。它们分别是定位传感器1、B-场传感器2以及另外的定位传感器3和 4。传感器2和3通过电子存储器5和6耦合在输出端，其中备有电子存储 器复位以及复位阻塞的反馈。

在图2中作为图1的定位传感器1、3和4专门设有静态微分霍尔效应 探头10、30和40。与此相反专门用舌簧式触头20作B-场传感器。

开关器的开关位置(通/断)的传感器检测是通过静态微分霍尔效应传感 器10实现的，其输出电压通过铁磁传动弓形件的位置“高”或“低”被接 通。由于铁磁传动弓形件根据相应的预给定不离开传感器10的空间测量范 围，故该输出电压例如也可以根据电子装置的电源电压明确地进行适应调 整。这同样也适用于熔结传感器40，该传感器对在被固定于轴上的小型铁 柱上的触头轴位置进行监视。为检测过流断路，同样也采用的是静态微分霍 尔效应传感器30。传感器30在这里测量铁棒的位置变换，该铁棒安装在棘 爪式杠杆的啮合端部。这种铁棒，其长度例如可以是4mm，其直径例如可 以是4mm。脱扣时铁棒的位移大于传感器的空间测量范围，从而在微分霍 尔效应传感器的输出端可以测量作为明确的脱扣信号的信号前缘(例如“高” →“低”)。用信号前缘进行电子存储，该存储在存储复位前一直显示过流断 路。

依照图2宜采用舌簧式触头20进行短路脱扣检测。在磁场充分高时， 该触头不受磁场极性影响进行连接。在结构坚固的舌簧式触头上的测量证明 了在磁感应为3～4毫泰斯勒时的接通。例如在线路保护开关中将产生作为 安匝数例如为1200安匝的脱扣线圈的漏泄磁场的该强度的磁场。在高的短 路电流情况下，被观察的舌簧式触头可实现约0.2毫秒的接通滞后时间。在 短路电流衰减后，舌簧式触头20又被断开。用舌簧式触头20的接通信号进 行电子存储，该存储直至复位前一直存储着短路脱扣。

替代舌簧式触头20对可能的短路也可以采用诸如霍尔效应集成电路， 例如“霍尔效应开关”等其它对磁场敏感的探头进行监视并用计算逻辑继续 进行处理。

在突然短路时必须以特殊的方式对电子存储的建立或复位过程进行控 制。所以在手动接通线路保护开关时可以实现短路的断开，尽管旋钮被置于 接通位置；此点被称做自由脱扣。通过接通信号与信号“无过流断路”和“无 短路脱扣”的逻辑结合，在过流断路或短路脱扣时电子存储复位立即被阻 塞。

为了后者的目的，备有在图2中所示的用于调整脉冲宽度的单稳态触发 电路12、50和51，单稳转换级的非倒相的输出端Q及其倒相的输出端Q 接在“与”门开关元件52的输入端，“与”门开关元件的输出端用于激励双 稳态多谐振荡器22和32的复位输入。这样就形成了复位和复位阻塞。

图2中开关状况识别原理图具体地由用于检测不同状况的传感器10、 20、30和40，由脉冲形成器11、31和41，该脉冲形成器由一用于修正 位移电压的齐纳二极管和一阻容耦合低通滤波器的串联电路构成，由一用于 舌簧式触头20的负载电阻21，以及由一用于短路传感器20和过流传感器 30的瞬时信号的存储器电路构成，其中存储器电路包含有两个双稳态多谐振 荡器22和32，其存储的信号状态由复位电路实时控制复位，该复位电路由 单稳态触发电路12、50和51、“与”门开关元件52和排除干扰电路55构 成。激励级12、23、33和43用于开关状况信号的电平适配，以便进行光 学显示、总线连接等其它信号处理。

图3的原理图示出识别开关状况的与总线无关的传感器电路的一种实施 形式。与图2电路的区别是，在图3的电路中进行开关状况本身的判定和显 示。所以图3的原理电路图含有用于判断和显示诸如开关位置通/断、短路、 过流和触点熔结等开关状况的附加逻辑结合。这样双稳态多谐振荡器22和 32的输出信号通过“与”门开关元件54相互结合在一起，以便在短路时阻 塞过流显示并且仅激活短路显示。复位电路由两个单稳态触发电路12和 50、“与”门开关元件52、“与-非”开关元件53以及排除干扰元件55构 成。如果在开关器的开关位置“断”时触点轴停留在通位置，则被认定为触 点熔结。为此两个传感器信号“开关位置”和“触点轴”通过单稳态触发电 路12和60、“与-非”开关元件61和“与”门开关元件62和63实现实时 控制结合。最后通过例如发光二极管等显示器件12、24、34和44实现光 显示。

图4中的100是一个常规的开关器，例如是一个线路保护开关。在这种 开关器100中主要件是固定触点102和设置在移动的触头支承件103上的动 触点104。移动的触头支承件与开关锁的机械耦合是通过铁磁传动弓形件105 实现的。

在此对这种公知的开关器的机理及传动不再赘述。仅笼统地用110表示 机械传动件，用120表示磁驱动。

对本应用重要的一点是，传动弓形件由铁磁材料构成。对传动弓形件的 厚度局部可以加厚到例如2.5mm，以便增大其对磁场特性的影响。另外在 棘爪式杠杆和触头轴上设置有用于位置监视的铁磁棒115和116。由铁磁材 料构成的件105、115、116的位置是由霍尔效应探头10、30和40检测 的。另外在磁驱动120的旁边设置有用于检测由电流决定的磁场的舌簧式触 头20。

在图4的实施例中，传感器10、20、30和40设置在开关器机壳的外 面。用十字或用象征舌簧式触头的线条表示探头位置在图平面上的投影。必 要时，探头也可以局部设置在机壳内或机壳壁上。

图5中示出用于在图4的一根铁磁棒上进行无接触位置确定的测量配 置。为此，微分霍尔效应探头202与铁磁件204有预定的间隔，该间隔作为 空隙间隔用203表示。在探头202与空隙的相背侧上有一永久磁铁200，其 磁场大致垂直地穿透探头并进入空隙。在铁磁件沿位移方向205移动时进入 件内的磁力线也随之移动。在两个霍尔范围的位置处产生的场畸变将导致产 生微分霍尔效应探头202的微分输出信号。

替代对铁磁件的位置确定方案微分霍尔效应探头也可以直接确定小型 硬磁件的位置。在此情况时不采用图5中有的位于探头202背侧的永久磁铁 200。

用图4和5中表述的探头配置对四个开关状况通/断、过流断路、短路脱 扣和触点熔结的传感器监视是可靠的并且抗干扰影响。为此可以用以下几点 加以证明：

-持续显示通/断信号和熔结信号。

-在电流强度适中的情况下检测和存储过流断路信号，例如：i≤ 5·IN。

-在电流衰减到小电流值前舌簧式触头20的短路脱扣信号一直存在， 因而可实现可靠的识别和存储。例如当开关器内具有脱扣特征B16的电流超 过130A时，在励磁线圈漏泄磁场中的舌簧式触头20闭合，当电流低于40A 时，舌簧式触头断开。

为了避免舌簧式触头20受到干扰磁场的影响，例如来自相邻开关器的 影响，舌簧式触头可以在与被监视的开关器的相背侧备有一个磁屏蔽。

上面对在专门的线路保护开关上的无接触开关状况识别的装置具体地 做了说明。对开关状况“通/断”、“过流断路”和“触点熔结”的检测在此处 是采用在铁磁传感件上的微分霍尔效应探头实现的，而短路检测是通过带有 舌簧式触头的磁脱扣器的漏泄磁场实现的。这种装置是紧凑的识别模件，该 模件设置在带有例如1个分配单元的自己的机壳内并安装在进行监视的线路 保护开关侧面。

由于磁场强度随距磁场源距离的增大而降低，尤其是其系数为1/r，所 以当然直接可以用同一识别模件检测多个单相和多相线路保护开关的开关 状况。由于多相线路保护开关的开关极的机械耦合是通过开关手柄和释放轴 实现的，故这种多相线路保护开关当然不适用于开关状况“通/断”和“过流 断路”的检测，而仅适用于两个其它的开关状况“短路脱扣”和“触点熔结”。 尤其在识别短路时，在多相开关中不受哪个相位短路的影响，应可以可靠地 确定出有关的开关器。

在通用的线路保护开关中，短路脱扣所需的低限电流取决于开关器的专 门的脱扣特性及其额定电流。例如具有标准脱扣特性B的16A的线路保护开 关的低限电流为5倍的脱扣流，经～100A。在这种电流时由断路电弧产 生的换向噪声是很大的并且因此可以用微音器检测到。随着短路电流强度的 增高，这种换向噪声大到可以可靠地检测到这种短路事件。为此在开关状况 识别机壳上安装有一个微音器，其中距开关极的开关事件的距离分别根据连 接在侧面上的多相线路开关上的极的距离，约为3至10cm。对此微音器在 图6中做了说明。

在图6a中示出微音器电压u与时间t的关系曲线。在断路过程中由一通 常的噪音产生一明显的声音事件，该事件用图示121加以说明。例如这种声 音事件的时间宽度为5至10毫秒。

在图6b中示出，在时间点t1出现声音事件时短路开始，该短路在时间 点t3时结束。在此例中开关锁在时间点t2由非滞后脱扣器置于断位置。

在图7中微音器用130，配属的阀值开关用131和微分霍尔效应探头用 B2标示。时间级141和142接在上述两者后面，其中t1时间点的时间级141 和t2时间点的时间级142由配属的传感器信号控制。这样在输出线路上就产 生了两个相互位移的时间脉冲t1和t2，在图3中对这两个脉冲已做了说明。 两个输出信号然后到达带有后置双稳态多谐振荡器160的“与”门级150。 该电路的作用是，当两个传感器信号时间重叠时指示出短路事件。

根据声音事件和脱扣过程的时间重合在图7的基本配置中判定被监视的 线路保护开关短路。

在图8中对图1的电路做了如下改动，替代短路的传感器20配备了依 照图3的基本图示，带有一个声音传感器130、131和两个单稳态多谐振荡 器141和142的配置，其输出信号通过“与”门开关元件150根据图1激励 双稳态多谐振荡器22。

对照图8所述的用于开关状况识别的装置同样地适用于对单相和/或多 相线路保护开关的监视。

图9示出一个三相线路保护开关和一个无接触开关状况识别装置间的空 间分配。图中示出一个共同的机壳300，该机壳由用于各相L1、L2、L3 的并列的分机壳301、302、303构成，其中具有一共同的开关手柄310。 与图2和图3所示相符的识别模件作为单独的机壳由侧面法兰连接并且在开 关手柄310的延长位置有三个作为光开关状况显示器的二极管401至403。

三个开关极的某些开关状况，即“通/断”及“过流断路”通过共同的开 关手柄及脱扣轴相互机械耦合并且由磁场传感器进行监视，而单相或多相的 “短路脱扣”由带有后置的低频放大器135的声音传感器130，尽管声音事 件与传感器间的距离不同，进行检测。

采用对照图6至9所述的装置这时就可以对多相线路保护开关进行可靠 的对某有关开关的短路的判别。

在用多个作为配电开关安装在一个配电柜内的线路保护开关配电时的 有益的方案是，用一个或多个声音传感器进行短路检测并因而减少传感器的 花费。对此的前提是，每个被监视的开关器在脱扣过程中向总监视单元发出 一个不迟时的信号。尤其是为开关器通过一条数据总线与一监控装置联通 时，就是这种情况。

图10示出配电柜500的结构，在该结构中安装的各个开关器100、 100′，......将通过带有配属的总线耦合装置1010的数据总线1000将其开关状 况，如通/断和/或脱扣通报给作为监视装置的控制器600，并且该控制器一 旦在配电柜500内产生特征化的声音信号，还附加由例如两个声音传感器130 及130′获得信号。

就声平和声音信号的时间特性通过电子信号处理对声音信号的选择的 意义在于区分换向噪声与底座噪声和干扰噪声。这样就可以实现声音传感器 130及130′以充分的几率仅对换向噪声作出反应，该换向噪声是由短路断路 引起的并且例如具有5至10毫秒的时间。

开关状况信号和声音信号通过数据总线1000都被不迟时地传递给控制 器600，并且控制器600通过时间窗判定，是否两个信号来自同一事件，即 来自短路断路或相互无关地产生的。时间窗为此由控制器600首先接收的信 号激活并且在预定时间T后又重新关闭。如果控制器600在时间窗内也接收 到其它信号，则根据脱扣信号和声音信号的时间重合判定为短路断路。

根据发送信号的开关的地址，例如图10中的开关x，将短路事件分派 给该开关，因而可以实现对配电柜500内的每个单独的配电开关的开关状况 “短路脱扣”的识别。

图11示出一个脱扣事件和一个声音事件的由控制器600通过数据总线 接收到的信号的信号顺序：如果第二个信号落入由第一个信号触发的时间窗 内，则控制器600将此判定为短路脱扣并将此与发送信号的开关器，例如开 关器x的地址结合在一起。如果第二个信号落在由第一个信号，确切地说， 由开关y触发的时间窗以外，则控制器600将此脱扣信号不判定为短路脱 扣，而判定为发送信号的开关y的过流断路。在此种情况时控制器600将声 音信号判定为干扰信号并将其消除。