带磁芯材料的差分电流保护开关

本发明涉及一种称为DI开关的差分电流保护开关，它以累加电流互感 器和在该累加电流互感器的次级绕组的一个次级电路中接入的释放机构来 工作。为保护导体的开关接点设置在初级电路中。

DI开关以电子分析或电子放大电路工作，并需要一个电源为其辅助电路 (Bordnetz)供电。但是除去交流故障电流和脉冲直流故障电流之外它也允许通 过特别的调谐或者特别的防护措施采集和触发滤波直流故障电流。在实践 中，人们想设置一些单元，这些单元被调谐用于采集交流故障电流和脉冲直 流故障电流，以及另一些用于采集滤波直流故障电流的单元。在传统的累加 电流互感器中装备的采集交流故障电流和脉冲故障电流的单元由于滤波直 流故障电流使得在其释放时不灵敏，这是很不利的。

本发明的目的在于开发一种对交流电流敏感或者对交流和脉冲电流敏 感的DI开关，其累加电流互感器装备一个磁芯材料，在对直流电流敏感的 差分电流装置的触发极限内的滤波直流故障电流不会对这种磁芯材料相应 于交流故障电流和脉冲故障电流的敏感性产生不允许的影响。本发明的另一 个目的是开发一种差分电流保护开关，其额定故障电流在宽范围内，尤其在 30mA和3A之间可以调整，而不必在调整不同的额定故障电流时丢弃设计 原则。

本发明的目的是这样实现的，即通过采用一种差分电流保护开关-DI 开关，其以累加电流互感器和在该电流互感器的次级绕组的次级电路中接入 的释放机构来工作，其中在初级电路中设置有通过开关触点保护的导体，该 累加电流互感器具有带下述数值的一个磁芯材料：

-在用H＝500mA/cm励磁后的剩磁感应强度Br相对于H＝500mA/cm时 的磁感应强度Bmax有下面的关系： $\frac{\mathrm{Br}}{B_{\max }}\le 0.5;$

-相对磁导率μr在4mA/cm时的小交流调制下为μ4，μ4≥30000；

-在H＝250mA/cm时的匀强磁场调制和重叠小交流磁场调制下的可逆 磁导率，亦即相对磁导率μrev≥3000；

-交流磁场强度的磁感应强度B在频率为50Hz和振幅为50mA/cm时为 B≥0.6T。

第一条件，也叫做第一保证值，在50Hz的交流电压下不需整流设备而 确定，亦即，在交流电流下而不在假定由于单路或者双路整流而得到的脉冲 电流下。其它的条件或者保证值在给定的条件下确定。

对带满足给定条件的累加电流互感器的DI开关，重叠直流故障电流对 其释放动作不会产生不允许的影响。另一方面，一个DI开关在对特别是从 30mA到3A的宽的范围内的不同额定故障电流可以按照一个设计原则调 整。一个另外的优点在于，DI开关可以专门作为交流故障电流和脉冲直流 故障电流的采集单元和作为滤波直流故障电流的采集单元，其中在释放区域 不会出现不允许的反面的影响，使得预定的释放故障电流被相应的各采集单 元所中止。

为使实践中保持在+85℃和-25℃之间的释放故障电流为足够恒定， 在+25℃的磁感应强度B+25和在-25℃的磁感应强度B-25以及在+ 85℃的磁感应强度B+85之间应该存在下面的关系： $0.85\le \frac{B-25}{B+25}\le 1.15$ $0.85\le \frac{B+85}{B+25}\le 1.15$ 这些关系应该在磁场强度 的一个范围： 之内成 立。

现在借助于附图详细说明本发明。

图1至图3所示均为磁感应强度与磁场强度的关系。

图1中，横坐标是单位为0.05A/cm的场强 ，纵坐标是单位为0.2T的 磁感应强度

图2说明在场强为250mA/cm的匀强磁场调制和叠加小交流磁场调制的 可逆磁导率，亦即相对磁导率μrev。横坐标表示匀强磁场H＝，纵坐标表 示磁感应强度B。可逆磁导率作为ΔB～对ΔH～的比产生。

在图3中，横坐标表示以mA/cm为单位的场强H，而纵坐标表示以T 为单位的磁感应强度B。图中曲线在4mA/cm处的下值表示第二个条件，而 在250mA/cm处的上值表示第三个条件，在50mA/cm处的中值表示第四个条 件。该曲线允许为中间值插值。

在带有用规定条件的磁芯材料制成的电流互感器的DI开关的场合，第 一条件 ；与关于μ4的第二条件结合保证在小额定故障电流 时可靠释放，而第三条件和第四条件结合保证在大额定故障电流时可靠释 放。第二条件是为通常为0.7V的二极管电压例如作为过电压保护的反并联二 极管保证冲击电流强度。

在图1中标出磁感应强度 与磁场强度 的关系。该曲线是在50Hz的 交流调制下记录的，它说明第一条件 。在小初级绕组，特别是 在贯穿导体亦即N1＝1的小初级绕组中和在实践中需要大环形磁芯的高额 定故障电流例如JN＝400A的场合场强非常小，也就是说只得到很小的磁感 应强度B。为使释放故障电流不依赖于滤波直流电流的预磁化，必须选择 的所谓F型磁芯材料。图1的例子是具有下述数值的磁芯材料， 其中矫顽磁场强度(与横坐标的交点)用Hc、剩磁感应强度用Br、峰值磁场 强度用H和峰值磁感应强度用B给出。环形磁芯的横截面用AFe、磁芯磁路 长度用lFe、频率用f、初级绕组匝数用N1和次级绕组匝数用N2表示。环 形磁芯的外径用da、内径用di、高度用h和测量时的温度用t表示。不存在 由直流电流引起的重叠。形成图1的曲线的环形磁芯具有例如下面的数据： Hc＝0.0254A/cm Br＝0.3793T ${\hat{H}}_{\max }=0.4998A/\mathrm{cm}$ ${\hat{B}}_{\max }=0.9947T$ AFe＝0.945cm2 lFe＝24.19cm f＝50Hz N1＝10 N2＝10 da＝8.40cm di＝7.00cm h＝1.50cm t＝23℃ 此时有

图2表示用于可逆磁导率μrev的第三保证条件。可逆磁导率由Δ B～对ΔH～的比产生。在大直流故障电流亦即高匀强磁场强度和小重叠交 流故障电流的情况下，磁芯材料工作在饱和区。可逆磁导率亦即ΔB～对Δ H～的比值对于增加的匀强磁场强度H＝减小。为了在交流故障电流的场合 提供在大匀强磁场强度的工作点下工作的一个足够大的信号，需要可逆磁导 率在该工作点下足够大。对于数量级在3000mA亦即3A的大额定故障电流 和交流电流在1.5和3.0之间的释放门限，当互感器的次级绕组的欧姆值很低 且初级磁势的安培绕组匝数不是很大而是一个小的交流调制时，特别 需要遵 守对于可逆磁导率的第三条件。

图3再次给出在磁场强度H为250mA/cm时对可逆磁导率的第三条件和 在磁场强度为4mA/cm时对μ4的第二条件。第四条件由对B≥0.6T的中间 的曲线值表示。曲线的梯度按照关系 与μrev.μ0成正比。这里μ0 是磁场常数或磁感应常数。

图3记录的是50Hz下的交流调制的B-H特征曲线。当使用以极薄的 带卷成的钠晶粒磁芯材料时可以通过测量技术容易地实现同类特征曲线并特 别好地给出统计比例，这是很有利的。50Hz时的涡流损失可以忽略。图3 的特性曲线于是与一个缓慢升高的B-H特性曲线一致。带有由极薄的带卷 成的钠晶粒材料的累加电流互感器市场有售。此间说明的条件与该种材料结 合特别有利并最容易实现。