监视开关设备状态参数的方法及所属装置

本发明涉及在一种开关设备中监视状态参数的方法，优选通过采集和分 析适宜的信号来监视开关位置、跳闸原因和/或设备故障，为此使用受到外部 电场和/或磁场干扰的传感器。此外，本发明还涉及实施本方法的所属装置。

WO 9 607 192 A1公开了一种具有用于识别状态的器件的开关设备。在 这样的开关设备中，例如断路器中，可以通过一个适宜的传感器采集各种状 态参数，例如开关位置“接通”或“断开”。此外还给出采集开关设备特定 跳闸原因例如“短路”或者“过流”或者通常的设备故障例如“触点熔接” 的可能。这种开关设备的优点是，可以把在适宜的传感器壳体内的传感器安 置在一个适宜的位置，此时传感器壳体可以侧面连接到开关设备壳体上，以 及从开关设备壳体和/或与其连接的电网线到传感器壳体的内部既不需要有 机械的或者光学的有功连接，也不需要有电的功率连接。在此力求做到，在 有通信能力的开关设备的范围内被监视的和采集的开关状态例如可通过一 个总线系统进行处理和集中式通报。

在实践中迄今使用的对开关设备进行监视的装置，例如在线路保护开关 中的辅助开关和故障信号开关或在断路器中的短路信号开关，无例外地以电 气机械原理工作，因此其对电磁干扰影响不灵敏。这里产生的问题均首先来 自从电接触信号向总线和电子兼容的控制信号的转换。然而当使用特定电气 传感器时，相应于所用传感器，因传感器原理不同而产生不同的干扰特性。 这些传感器必须分别抗各种特定干扰。

因此，本发明的目的在于，通过保证开关状态的可靠显示补充已公知监 视状态参数的方法和提供一种所属装置。

在开头所述的方法(采集和分析对开关设备的状态参数起决定性作用的 信号)中，本发明的目的是这样实现的，即，通过分析传感器信号的信号时间 顺序确定是否存在干扰或非干扰信号，以及对信号去干扰，从而产生一个相 应于传感器信号的未受干扰的状态的分析信号。该分析信号优选与由开关设 备和/或周围环境产生的影响不相耦合。优选以电子方式处理分析信号。

在一种实施本发明方法的装置中存在有这样的器件，使用这些器件通过 分析传感器信号的信号时间顺序确定是否存在受干扰的信号或者未受干扰 的信号，此外给传感器既配置用于无源去干扰的器件又配置用于有源去干扰 的器件，用它们产生分析信号，其相应于传感器信号的未受干扰的状态。用 于无源去干扰的器件优选是适宜的屏蔽措施，而用于有源去干扰的器件优选 以电子方式工作。在此比较有利的是，通过无源去干扰和有源去干扰的结 合，在一个预先给定的时间段内结束具有足够强度的干扰事件。

在本发明的范围内，可以暂存由传感器采集的状态参数的改变，并当在 一个可预先给定的时间段内识别到干扰时保留状态参数的原值。由此保证在 继续通信时不处理关于状态参数的任何不正确的结论。

本发明特别的优点是，通过无源和有源去干扰的结合，能够实现有选择 地分析特征过程。这既能在静止传感器信号的去干扰下也能在瞬时传感器信 号去干扰的复杂形式下简单而可靠地给出。因此相对于迄今使用的以反射光 栅栏工作的概念来说有相当大的进步。在将来，传感器开关的去干扰在开关 技术的应用中具有特别的意义。

本发明的其它细节和优点由下面结合权利要求参考附图对实施例的图解 说明给出，附图中：

图1和图2示出监视带传感器的开关设备的状态参数的装置以及为此适 宜的屏蔽措施，

图3示出用于存储一个状态信号的去干扰电路，所述状态信号在两个相 继的置位脉冲下并不改变，这里的置位脉冲理解为存储信号的命令，

图4示出用于存储一个状态信号的去干扰电路，所述状态信号在5个相 继的置位脉冲下并不改变，

图5示出用于存储在接通-断开或者断开-短路跳闸下的短路事件的去 干扰电路，

图6示出用于识别一种已知开关的开关状态的电路。

附图中同样的部分或同样作用的部分具有同样的附图标记。这些附图分 部分共同说明。

在本例中尤其将断路器视作开关设备。对于这样的开关，在WO 9 607 192 A1中已经提出一些能够采集开关设备状态的装置。

图1中，100表示一个未完整示出的开关设备，在现有技术中已公知有 各种差异很大的结构。在该开关设备100的一侧101上附加一个壳体110， 它在该安装侧包括两个圆柱形通孔，从它们凸出连接轴115、116，一个连 接断续器轴105，另一个连接短路跳闸轴106。壳体110是一个可从开关设 备壳体上取下的组件，其仅通过连接轴115和116连接。

如图2所示，在壳体110内存在有转动操纵杆125和126，其与轴105 和106固定连接，并在其自由端各带有一个永磁体121。给这些永磁体121 在壳体中的适宜位置处安置磁场传感器131，它们分别根据转动操纵杆125 或126的位置产生电信号，其表征开关设备100的一个确定的开关状态。由 此可以识别和显示功能“电路接通一断开”、“短路”或者“熔接”。

尤其可从图1的看出，壳体110具有一个内置屏蔽罩111，用于承接至 少一组传感器121、131。同样地，在下面根据图3到图6单个说明的分析 电子电路同样安置在屏蔽罩111的内部。

按照传感器原理，用于后一目的的传感器具有不同的干扰特性，并必须 抗特定干扰。例如磁场传感器可以受永磁体或者通电流的导线的磁场干扰， 而光电传感器特别对电磁干扰场例如开关电压响应。

因此，一个第一去干扰措施通常是对使用的传感器和所属分析电路的屏 蔽以及使用屏蔽的导线连接。使用这样的屏蔽措施虽然可以衰减干扰作用， 然而通常不能抑制非常强的干扰。特别在识别断路器的开关状态时，当然需 要使在那里有利地使用的磁传感器组免受邻近的、短路接通的断路器的磁场 的影响。在短路情况下，例如20kA的短路电流在传感器距短路路径大约2 到5Cm时产生约0.1T的磁场。因为这样的传感器的响应门限通常约为1 mT，因此无源屏蔽措施不够。此外需要为传感器组采取电子有源去干扰措 施。

因此设定，除在按照图1和2的无源去干扰外，另外使用适宜的去干扰 逻辑，以便通过对传感器组的电子有源去干扰确保提高抗干扰性。此处重要 的一点是，在传感器组未受干扰的操作下产生确定的并遵循开关设备的功能 的信号模式，其时间曲线受干扰影响而明显改变。这里重要的是，通过由于 适宜的屏蔽所产生的抗干扰性，所需要的干扰强度仅出自短期的结果。所以 在邻近电流路径内的短路电流例如必须＞2kA，以便使传感器响应，这导 致短路持续时间肯定＜100ms。这一时间标准用于在根据图3到图5说明的 去干扰方法中的电子有源去干扰。对这些图而言，由输入触发器1、1′和 输入门2、2′以及输出触发器3、3′组成的电路是共同的，它们用相应 的电阻R和电容连接。置位脉冲在输出端产生期望的报告。

图6专门表示如何能够并行分析单个开关位置“断开”、“接通”、“短 路”或者“过流”以及功能断续器轴在位置“熔接”等的报告。此时，电子 电路的区域I示出具有RC阻尼峰值电压的脉冲成形，区域II为用短路和过 流用D触发器来电子存储瞬态信号，区域III为用于时限控制和信号连接的 计时器，区域IV表示用于信号连接的“与-与非”开关元件，区域V表示 光学状态显示器。最后一张附图根据WO-A-9607192中的图3绘制，下 面还将对其进行讨论。

在识别断路器的开关状态的例子中逐一说明前述电子去干扰的措施。对 于传感式采集，选择下面的状态变量：

“接通”

“断开”

“熔接”

“过流跳闸”

“短路跳闸”

通过对下列位置的监视实现对状态变量的监视。

-关于机械“接通”、“断开”和“熔接”的状态的断续器轴，

-关于过流跳闸的欠压跳闸器的把手，

-关于短路跳闸的短路跳闸轴。

为了监视，使用各向异性的磁阻传感器采集机械连接的被拖动的施主磁 体的位置。被监视的位置通过传感器信号表示，此时-在未受干扰的场合- 传感器在足够接近施主磁体时信号输出从0变换到1，而在无施主磁体时又 显示为0。

为采集开关状态，与WO-A-9607192中的图3相比，图6进行了必要的 电路改变，详细说来涉及使用电子去干扰和传感器信号的信号逆变的电路区 域500，对“断开”开关位置的附加采集和当开关位置“接通”期间阻止过 流显示。

在开关过程中，传感器信号以一个规定的时间顺序运行。一个或者多个 传感器的受干扰的并因此为不正确的显示通过不能维持预先给定的信号时 间顺序这一现象来识别。

在5个执行的开关状态中，头3个状态作为静止信号采集，而过流和短 路跳闸作为瞬时信号状态出现，必须存储后才能采集。静止和瞬时传感器信 号的电子有源去干扰以不同方式实现。共同的是无源去干扰，此时传感器空 间区域通过金属屏蔽(Fe/Cu)保护不受电磁场影响。无源去干扰的目的在于在 足够强的干扰信号下才使传感器信号失真。在对使用的磁阻传感器屏蔽时， 流过短路电流的邻近电流导线的磁场产生对传感器信号的干扰。但是这样的 干扰事件仅在短时出现，并可以通过在下面作为两种应用而说明的开关逻辑 来限制。

1.静止传感器信号“接通”、“断开”和“熔接”的去干扰

这些信号的静态特征通过下述措施考虑，即在光学显示或者总线系统上 输出时在后面的时间段内不允许信号变换。为此使用预先给定的脉冲频率扫 描传感器信号，并当它在规定数目的脉冲以上不产生变化时使输出信号等于 传感器信号。

根据图3，一个简单的数字式去干扰电路包含有一个双D触发器，它通 过一个“异或”门连接，并且每隔100ms通过一个置位脉冲控制。该触发电 路仅当在前面和当前存储时刻之间无信号变换时才存储施加在数据输入端 的信号。

该电路由在Q输出端具有R-C延迟网络的“输入”触发器1、一个 异或开关门和“输出”触发器3组成。所述异或开关门用于比较“输入”触 发器1当前和倒数第二存储的数据信号。如果这两个信号不同，则“输出” 触发器3的时钟输入被封锁，其存储器内容保持不变。如果为进行开关状态 识别而假定干扰持续时间小于100ms，则可以为施加在时钟输入上的置位脉 冲例如规定50μs的脉冲长度和10Hz的重复频率以及R-C延迟时间为1 ms。显示的状态信号于是与未受干扰的状态信号等同。在状态信号规律地变 换时它在100-200ms后显示。

在图4中，把按照图3的触发器电路通过一个级联的“输入”触发器1′ 、1″...扩展。在有n-1个“输入”触发器和一个“输出”触发器3的 情况下，当施加在数据输入处的信号在n个彼此顺序存储时刻并不改变时， 就由“输出”触发器存储。

在第一“输入”触发器1上的数据信号的变换由通过其它“输入”触发 器1′、1″、...组成的整体级联的后继置位脉冲来移位。在一个受干扰 的数据信号...1-1-1-0-1-1...(代替1-1-1-1-1-1)情况下，第一“输入”触发器1 在信号变换为1-0和0-1时通过所属异或开关门2封锁“输出”触发器3的 时钟输入。在后继的置位脉冲时每下一“输入”触发器1′通过它的异或开 关门2′封锁“输出”触发器3的时钟输入。异或开关门2、2′、2″ 、...通过二极管5、5′、5″、...接在时钟输入上，使得控制“深度信 号”。在遍历所有“输入”触发器后释放用于后继脉冲的时钟输入，并在“输 出”触发器3中存储该数据信号。

一个等效的、处理器控制的去干扰逻辑由n个包含当前和(n-1)个倒计 的信号状态的输入存储器单元和一个输出存储器单元组成。在每一测量脉冲 出现时，第一到第(n-1)个存储器单元的存储器内容继续向存储器单元2到 n移位，当前数据信号在前面的存储器内存储。所有n个存储器单元内的存 储器内容一致，这样当前的数据信号也就存储在输出存储器中。

如此选择输入存储器的测量脉冲和数目，使其覆盖假定的例如100ms 的最大干扰持续时间。因此输出存储器显示未受干扰的开关状态信号。

2.瞬时传感器信号“过流跳闸”和“短路跳闸”的去干扰

2.1.过流跳闸

如果过流传感器直接或者间接监视-时间缓慢的-双金属偏转，因为传 感器信号通过图3或图4的电路去干扰，得到一个抗干扰显示。这种情况存 在于实现识别断路器的开关状态的场合。只要未同时采集短路事件，则去干 扰的传感器信号在按照图6的分析电路中由一个所属触发器持续存储并显示

过流采集通常也在作为一个双金属片的开关锁的极快响应部件上实现。 一个例子是线路保护开关的手柄移动，其要在小于10ms的时间段内实现。 这里不再可能有简单的象通过分析时间信号特性对静止信号那样的去干扰 。然而却可实现对可能的过流跳闸的暂时存储，其在未被证实时重新删除

为此，使过流传感器信号与图3或者图4所示的去干扰的“输入”信号 进行“与”耦合，以便在开关设备处于断开状态时消除过流显示的错误触发 。在过流传感器的触发状态，图6所示的分析电路在未去干扰的“输入”信 号有信号变换(是→否)时使所属触发器置位。由此在一个时间段内中断信号 输出的同时实现暂时存储可能的过流跳闸。这一时间段如此设定(例如300 ms)，使得在实际过流跳闸时去干扰的“输入”信号肯定出现一次信号变换(是 →否)。如果没有这样的信号变换，则在该时间段的末尾使“过流”触发器复 位，并使过流采集装置准备就绪。

2.2.短路跳闸

短路跳闸可以在接通状态(电路O)下或者在接通过程(电路C-O)中发生 。此时短路传感器被短时控制，这意味着在断路器上通过对短路跳闸轴的位 置采集，在线路保护开关上例如通过在磁跳闸器上的磁场采集来控制。因此 在这里在一个预先给定的时间段内按照图3或者图4通过多次询问传感器 信号去干扰是不可能的。

在短路电路O的场合(相应于断开)，传感器信号在一个所属触发器中暂 时存储，然而信号输出在一个预先给定的时间段内被阻塞。在该时间段的末 尾通过询问去干扰的“输入”信号来检验开关设备是否还处在接通状态。在 得到证实时使“短路”触发器复位，并使短路采集装置准备就绪。

在短路电路C-O的场合(相应于接通-断开)，在断路器上断续器轴从 断开位置向中间位置“熔接”移动，此时开关触点闭合主电流路径并引入短 路。该例如通过手动操作实现的过程需要30到40ms的时间。这一特征可以 用于去干扰，通过在“断开”传感器发生信号变换“是→否”时导出一个延 迟20ms的变换信号用于其它的信号连接。如果在20ms的时间段以后出现 传感器的短路信号，则短路传感器存在故障。在这种情况下，在一预定时间 段例如200ms内阻塞至“短路”触发器的信号路径。

为更清楚起见，图5中提供带500′以上的附图标号的各个单元。这里510 、520和550各个表示为电气“接通”、“短路”和电气“断开”的传感器， 其相应于图6的单元10、20和50。两个分别带有后接反转缓冲器561的 相同的去干扰电路560按照图3或者图4构建，提供输出信号供后继处理。 图5中这些信号还与短路信号逻辑连接。

给3个信号路径分配4个多谐振荡器501到504，它们分别以适宜的方 式与“与”门521、522和526连接。存在“与”门521、523(“与”门I) 、524(“与”门II)、“异或”门525和触发器505，该触发器505通过“与 ”门526与第四多谐振荡器504连接。从“与”门527输出去干扰的输出信 号。

在图5所示用于短路显示的去干扰的电路中，在公开的方框图中通过“与 ”开关门523和524连接或者有“C-O”电路(I)或者有“O”电路(II)的 短路传感器的信号。

I.“C-O”电路

“断开”传感器的信号变换(是→否)由下面具有100ms的时间级限制到 每100ms一次。由此避免在实际短路变换时阻塞至触发器存储器505的信号 路径。

通过另一有20ms的时间级和一个RC网络，例如RC＝1ms，实现20 ms无空隙的信号移位。在这一时间段内阻塞通过“与”门523的信号路径。 通过时间级502的Q输出释放通过后接“与”门521的短路信号路径，并在 短路信号出现时由第三时间级503产生一个200ms的阻塞脉冲，因为在该种 场合短路信号应视为干扰。在开关设备的接通状态期间，“与”开关门523 通过一条信号线由受干扰的“接通”传感器持续阻塞。

II.“O”电路

在开关设备的接通状态，通过“接通”传感器释放“与”开关门524和 “与”开关门526的信号路径以使“短路”触发器505复位，同时阻塞用于 短路显示的“与”门527。如果此时短路传感器提供一个短路信号的话，则 使触发器505置位。触发器505接入开关时间级504，它构造一个滞后300ms 的复位脉冲。如果在该时刻去干扰的和反转的“接通”信号处于状态“否”， 则通过在时间级504后接通的“与”门526阻塞该复位信号，同时触发器505 保持“置位”。在另一情况下，触发器505被“复位”，短路显示继续显示   “否”。为识别开关状态而对信号的无源和有源去干扰的特征根据例子和所 属分析策略得到综合说明。

在将图3到图5所示的去干扰电路应用到图6所示公开的电路上时，产 生对单个监视单元的相应的修改。为此在图5所示例子中，在各传感器和单 个反转缓冲器561之间中间接入去干扰电路560。

通常的情况是，每一所述传感器信号“接通”、“断开”、“熔接”、   “过流”和“短路”通过一个所属的去干扰电路和一个反转缓冲器引导。这 在图6中通过用符号表示的电路区域500表示。已经提到的在图6的I到V 层面中的结构化同时适用于采集开关位置“接通”的单元10、采集“短路 ”的单元20、采集“过流”的单元30、采集断续器轴位置“熔接”的单元 40和采集开关位置“断开”的单元50。分别给用于信号去干扰的电路区域 500后接脉冲形成器11、21、31、41、51。存在有多谐振荡器12、60 、64、70，按照图6，它们与触发器22、32、“与”开关门52、62、 63、74和“与非”开关门53、61错接。有发光二极管的显示单元14、 24、34、44、54接在缓冲器13、23、33、43、53之后。

最后，对用于识别开关状态的信号进行无源和有源去干扰的特征连同所 使用的分析策略总结如下：

I.下面草拟的情况例中的分析重点

例1

-开关设备在断开状态        静止的、去干扰的断开信号

-磁场干扰                  未知的信号随时间失真

-开关设备保持在断开状态    静止的、去干扰的断开信号

例2

-开关设备在断开状态        静止的、去干扰的断开信号

-通过闭合开关触点使        信号随时间改变

短路接通C-O

-开关设备重新处于断开状态  静止的、去干扰的断开信号

例3

-开关设备在断开状态        静止的、去干扰的断开信号

-通过闭合开关触点使        信号干扰作为短路电路-磁场的结 果

短路接通C-O

-开关设备重新处于断开状态  静止的、去干扰的断开信号

II.通过在开关设备中磁传感器抵抗磁场干扰的无源去干扰达到，可以把 由于必需的电流振幅的干扰持续时间降低到200ms以下。

III.分析策略

1.仅出现单一错误的前提

不存在短路接通(持续时间＜100ms)和独立的、外磁场干扰(持续时间＜ 200ms)的同时性。亦即可忽略双重错误的概率。

2.有源去干扰的策略

在机械短路接通开始时，由于仅出现单一错误就允许把动态传感器信号 视为不受干扰。从传感器直接给出的、未受干扰的电压信号理解为动态传感 器信号。因此“断开”传感器的信号变换：是→否提供机械操作的开始。

在所述传感器(“接通”、“断开”、“熔接”、“过流”和“短路”) 之外不存在任何其它用于信号采集(例如用于短路采集的电流互感器)的传感 器的前提下，只存在一种唯一的解决方案，以便能够区分选择的和错误的短 路信号：

-在真实的短路信号时，它在“断开”传感器的动态信号变换：是→否 后大于20ms出现。

-在错误的短路信号时，由于干扰磁场对存在的传感器的同时影响，“断 开”传感器和“短路”传感器的动态信号变换几乎同时(Δt＜＜10ms)出 现。

在人们只限制在传感器给定的功能上和不使用任何其它去干扰器件的前 提下，上面的策略为完成去干扰任务的唯一解决方案。