CN107210585A - 多级的、协同的过压放电器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多级的、协同的过压放电器电路，所述过压放电器电路具有至少一个在横向支路中的第一粗保护‑放电器路径和至少一个在纵向支路和横向支路中的第二细保护‑放电器路径，其中，在第一放电器路径中设置有电流隔离的浪涌电流测量装置和用于处于第一放电器路径中的过压放电器的物理状态的监控装置。按照本发明，在第二放电器路径中的各过压放电器分别同样配设有用于物理状态的监控装置，其中，作为状态监控对相应的过压放电器进行温度确定，其中，由所测量的温度和温度上升时间确定在相应的过压放电器中所转化的能量并且由此对相应的过压放电器的可能的损坏进行确定。
Description
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的、多级的、协同的过压放电器电路，所述过压放电器电路具有至少一个在横向支路中的第一粗保护-放电器路径和至少一个在纵向支路和横向支路中的第二细保护-放电器路径，其中，在第一放电器路径中设置有电流隔离的浪涌电流测量装置和用于处于第一放电器路径中的过压放电器的物理状态的监控装置。
背景技术
由DE 10 2004 006 987 B3已知一种用于对在低压电网或者信息技术中的过压保护仪器进行基于无线电的状态控制的装置，该装置基于一个或多个温度的阈值实现故障识别。
由WO 2011/058318 A1已知的一种用于过压保护仪器的诊断电路属于现有技术，该诊断电路能够借助于传感器记录在过压保护仪器中的快速的瞬态电流负载。此外，按照那里的解决方案将电流脉冲的数量存储在评价装置中。接着，通过所记录的脉冲数量可以进行对过压保护仪器的状态的评价。
DE 10 2008 016 585 A1公开了一种测量装置，该测量装置检测在过压保护仪器上的电压曲线并且借助于诊断装置评价该电压曲线。通过电压曲线的特征、比如幅值、斜率、电压值范围和时间特征进行对过压保护仪器的功能状态的确定。
EP 2 574 940 A1示出一种用于感应式监控放电电流的装置。该装置与过压保护仪器串联并且具有感应线圈、积分器、评价单元以及指示装置连同通信接口。
在按照DE 10 2011 110 252 A1的状态控制系统或者诊断系统以及所属的方法中，应进行对过压保护仪器的状态的评价。每个仪器包括一功能组件，该功能组件安置在壳体中。所述功能组件例如可以是被监控的过压保护组件。此外，设置有监控-传输装置，该监控-传输装置监控在仪器中的功能组件并且可以传输关于功能组件的暂时状态的信息。信息的查询通过读取仪器进行。每个仪器的监控和传输装置包括由无源电子结构元件组成的谐振电路。在此方面，使用电阻、电容或者电感。监控和传输装置不包括有源结构元件、特别是不包括RFID发射应答器或者RFID芯片。
由EP 2 675 032 A1已知一种用于多级的过压保护仪器的诊断方法。所涉及的过压保护仪器包括至少一个作为第一级的气体放电区段以及至少一个作为第二级的在输出端和参考电位之间的二极管区段和至少一个连接在输入端和输出端之间的解耦电感。该已知的诊断方法的特征在于，测量施加于次级电感上的次级电压并且关于过压事件进行评价，所述次级电感与解耦电感感应式地作用连接。
在按照DE 11 2010 004 351 T5的具有过压保护-监控装置的电路中，监控装置用于检查在过压保护装置中的电流过程并且用于检测由于快速瞬态电干扰量而对阈值电压的违反。监控装置具体使用电磁场或者静电场，所述电磁场或者静电场基于流过过压保护装置的电流引起，亦即要么通过作为检测机构的电感式监控装置、要么通过作为检测机构的电容式监控装置引起。在此方面，该已知的监控装置可以是线圈布线或者是电路板导体引线，所述电路板导体引线绕过压保护装置轴向卷绕和/或所述线圈布线作为导体电路或者电路板引线设置在过压保护装置中。此外，关于检测可以使用其它不同的方法。例如监控装置可以具有传感器，该传感器设计用于检测在过压保护装置中的物理状态的变化。
现有技术所介绍的各解决方案的共同之处是，所述解决方案不能连续地监控多级的、协同的过压放电器电路的状态。虽然对损坏情况的暂时读取或者指示在个别情况下给出了关于保护电路的进一步可用性的提示，然而不允许持续的状态评价。
如果仅监控过压放电器的温度，则不可能识别出保护元件的短时间的高过载。而如果检查通过放电路径的通过电流，则不能以所需的精确度记录持续的热过载。上面提到的探测问题可能是环境温度很高的结果，所述环境温度例如由于错误地使用保护仪器或者在持续过压时产生。
发明内容
本发明的任务的解决方案通过一种多级的、协同的过压放电器电路实现，该过压放电器电路具有按照根据权利要求1的特征组合的监控特性，其中，从属权利要求至少构成符合目的的构造方案和改进方案。
因此以一种多级的、协同的过压放电器电路为出发点，该过压放电器电路具有至少一个在横向支路中的第一粗保护-放电器路径和至少一个在纵向支路和横向支路中的第二细保护-放电器路径。术语“协同”以下指的是对在粗保护和细保护之间的特性的协调。
在第一放电器路径中设置有电流隔离的电流测量装置和用于处于第一放电器路径中的过压放电器的物理状态的监控装置。
按照本发明，在第二放电器路径中的各过压放电器分别同样配设有用于物理状态的监控装置。
作为状态监控，不仅在粗保护-放电器路径方面而且在细保护-放电器路径方面确定相应的过压放电器的温度，其中，由所获得的温度并且特别是温度上升时间确定在相应的过压放电器中所转化的能量并且由此对相应的过压放电器的可能的损坏进行确定。处于第一放电器路径中的电流隔离的电流测量装置能够对在过压情况下的浪涌电流进行分析，其中，所使用的温度传感器确定在第一放电器路径中的放电元件的温度，以便可以对所述过压放电器、例如气体放电器的持续负载进行分析。
因此，按照本发明的基本构思，关于过压放电器设置多个传感器，其中，由所述传感器提供的数据被输送给评价单元，以便诊断出实际的保护电路或者所监控的保护元件、亦即过压放电器的老化或者故障。在共同考虑所有测量值的基础上，能够与模型函数相关联地导出对负载的参数、比如电压、电流和时间的结论，于是由此最终可以评价关于老化或者故障的状态。关于所使用的测量原理的基本方案在于，一方面能通过感应式的方法确定快速改变的与负载有关的电流。就此而言，在本发明的一种构造方案中，可以将测量线圈设置在第一粗保护-放电器路径中的电流路径上。
所使用的温度传感器提供各个使用的过压放电器的温度测量值。
在评价方面在第一步骤中确定温度和电流值的变化。接着，由变化值计算出过压放电器的内部温度，其中，在此方面使用所用构件的已知的特征曲线参数或者其它参数。
此外，评价单元能够合计所确定的过压放电器的损坏并且将所述损坏通过显示单元示出或者传输给上一级的评价单元，这不仅可以有线地进行而且可以无线地进行。
按照本发明的基本构思，在所有所使用的过压放电器上导热地、但电流隔离地特别是设置热电偶作为温度传感器，其中，作为电流测量装置在第一放电器路径上构造有已经提到的测量线圈。
在第一放电器路径中检测在过压情况下产生的峰值电流和在那里使用的过压放电器的温度变化并且由这些值确定用于损坏评价的等效矩形脉冲。
在超过预先给定的电流阈值时将所使用的放电器视为故障的。
为了确定在第二放电器路径中的过压放电器的损坏或者老化特性，分析所使用的过压放电器的与脉冲电压有关的加热特性。
在本发明的一种优选的构造方案中，在第二放电器路径中的横向支路中设置有半导体结构元件并且在纵向支路中设置有线性的欧姆电阻。所述第二放电器路径实现整个装置的细保护，其中，在一种优选的实施方式中，所述半导体结构元件构造为一个或多个二极管结构组、特别是构造为抑制二极管。
由在第二放电器路径中的电流积分和二极管结构组的特征曲线数据确定相应的阻挡层温度并且由此确定结构组的损坏。
由在线性的电阻上所转化的、能通过温度测量确定的能量能够以间接的方式确定在第二放电器路径中的电流积分。
在本发明的一种优选的改进方案中，监控装置和电流测量装置构造为处于单独的布线载体上的结构组。于是，处于单独的布线载体上的结构组可以用作改装工具箱或者出于监控过压放电器装置的目的而用于改善现有的过压放电器装置。
不言而喻地，在本发明的所述改进方案中也存在如下可能性，即，所需的形成评价单元的电子结构组同样设置在单独的布线载体上，特别是在这里可以使用本身已知的微控制器连同所属的计算软件。
原则上，代替多级的、协同的过压放电器装置，按照本发明的解决方案也可以用于单个的通常限制电压或者转换电压的构件。在这种情况下存在如下可能性，即，通过两个传感器的组合完全监控限制电压的或者转换电压的构件。通过具有连接在下游的峰值探测器的感应式的电流传感器的装置可以确定最大脉冲电流。通过由配设给过压保护构件的温度传感器所检测到的构件温度相对于环境温度的变化得出在构件中转化的能量。第一种分析由输送给评价单元的参量提供脉冲负载的参数。于是，基于所述参数存在如下可能性，即，对于所述单个的限制电压的或者转换电压的构件进行所述构件的损坏程度评估。
附图说明
以下应借助于实施例以及参照附图详尽地阐述本发明。
在此：
图1示出具有监控装置的多级的、协同的过压放电器电路的原理电路图；
图2示出用于导出等效矩形脉冲的示意性图示；
图3示出关于示例性的T80-A90X类型的气体放电器的负载能力的示例性插值厂家说明数据；
图4示出用于确定抑制二极管的热阻的特征曲线(用黑色示出)和数学近似(用红色示出)，以及
图5示出用于根据抑制二极管的阻挡层温度来确定该抑制二极管的使用寿命的曲线图。
具体实施方式
按照根据图1的图示，基于一种多级的、协同的过压放电器电路，该过压放电器电路具有至少一个在横向支路中的第一粗保护-放电器路径和至少一个在纵向支路和横向支路中的第二细保护-放电器路径。
在第一放电器路径中存在气体放电器A1，其中，在第二放电器路径的纵向支路中设置有电阻R1和R2。
此外，在第二细保护-放电器路径的横向支路中还存在抑制二极管V1。
为了可以识别在第一粗保护-放电器路径中、特别是在气体放电器A1上的高浪涌电流，电流隔离地确定在那里的通过电流，这由I和箭头图标来表示。
为了同时确定对持续的通过电流的结论，按照T1监控在气体放电器A1上的温度。该温度通过连接在下游的评价电路在考虑数学模型的情况下提供关于所转化的、可能与损坏有关的能量的线索。
在包括电阻R1、R2和二极管V1的第二细保护-放电器路径中接收到的脉冲波形可以基于抑制二极管装置V1的非线性而通过关联各构件温度以计算方式确定。
由在电阻R1上的温度传感器T2、在二极管组V1上的温度传感器T3和在电阻R2上的温度传感器T4可以取得关于在各结构元件中所转化的功率的结论。由此存在计算出脉冲电压和脉冲电流的可能性。这样获得的脉冲参数能够代入函数中，由该函数能够确定所涉及的结构元件的内部温度。结构元件的可能的损坏由在图中未示出的评价单元合计并且可视化地显示在同样未示出的显示器上。
为了测量温度可以使用与温度有关的电阻，但也可以使用热电偶。为了即使在长达多年的长时间间隔内依然确保可靠的测量，使用热电偶是特别有利的。
由热电偶产生的电压与存在于热电偶的接合点和连接点之间的温度差近似成正比。相应的热电偶导热地、但电流隔离地耦合到相应的结构元件的壳体或者表面上。
所产生的热电压对于直接测量和处理来说通常过小，从而进行放大和信号过滤。然后将已这样预处理的数据传送至评价单元。
为了测量快速改变的电流，感应式的方法是特别合适的。此外，可以以有利的方式实现测量回路与放电器回路的电流隔离。在一种实施方式中，测量线圈设置在第一放电器路径中的电流路径上。测量线圈的输出电压(所述输出电压与dI/dT成正比)通过RC低通滤波器求积分，以便获得与电流成正比的信号。为了也可以探测到边沿陡峭的电流，在本发明的一种实施方式中设置有峰值探测器。
评价单元在第一步骤中首先确定温度和通过电流的变化。由这些值根据利用不同数学函数的结果来确定结构元件的内部温度。由此，已经可以得出对各个组件所产生的损坏的结论。
损坏的第一次评估在确定脉冲持续时间的基础上进行。该脉冲持续时间借助于所测量的温度上升时间确定。如果脉冲负载低于一秒的持续时间，则所使用的结构元件的热特性在该时间间隔内被视为绝热的。于是，所测量的温度能够利用常数换算成在构件中所转化的能量。
在第一放电器路径中检测气体放电器A1的峰值电流和温度变化。所涉及的值按照公式1和图2换算成等效矩形脉冲。根据脉冲波形和按照图3的厂家规格说明，通过按照公式2和公式3的关系式确定所涉及的构件的损坏值。
在厂家数据册中给出的关于气体放电器的负载能力的数据能够被插值并且通过合适的函数进行模拟。由此，可以根据在放电器中的脉冲峰值电流和温度变化来确定关于气体放电器的以百分比为单位的损坏S的公式。
公式1脉冲持续时间的确定：
表格1脉冲持续时间的确定
| 符号 | 名称 | 单位 |
| trect | 矩形脉冲的持续时间 | s |
| Δθ | 温度变化 | K |
| A | (与构件有关的)热常数 | K/Ws |
| Imax | 所测量的最大电流 | A |
| B | (与构件有关的)电压常数 | V |
公式2损坏的计算：
公式3损坏的计算(简化形式)：
S=e*Imax 2.16*△θ-3.53
表格2GDT T80-A90X的损坏的计算
| 符号 | 名称 | 单位 |
| Imax | 所测量的最大电流 | A |
| Δθ | 温度变化 | K |
| a | (与构件有关的)热常数 | K/Ws |
| b | (与构件有关的)电压常数 | V |
| c | 时间常数 | s |
| d | 电流常数 | A |
| e | (与构件有关的)损坏常数 | A-2.16*K3.53 |
| S | 损坏 | ％ |
除了损坏计算还考虑电流阈值。在超过确定的电流阈值时存在如下危险，即，气体放电器A1由于高的气体压力而被损坏。由于所述原因，在超过预先给定的阈值时将所述放电器诊断为有故障的。
长时间的电流探测通过借助于温度传感器T1对气体放电器A1的温度测量实现。如果超过确定的温度阈值，则同样将气体放电器评价为有故障的。所述温度与使用的焊料的熔点和给出的气体放电器最大温度相关联。
用于在第二细保护-放电器路径中进行老化确定的模型基于处于那里的构件的与脉冲电压有关的加热特性。
基于所使用的二极管V1的限制电压的特性，在二极管V1中所转化的能量与在次级路径中的电流积分成正比，这是因为二极管电压可以认为是近似恒定的。
在线性电阻R1和R2中转化的能量与电流的平方在次级路径上的积分成正比。
所述能量在短时间的脉冲的情况下具有与外部加热的直接关联性。通过借助于传感器T2、T3和T4的温度测量并且通过热常数能够由所述脉冲计算出等效的、矩形波形的比较脉冲。对此前提条件是在脉冲期间假定的绝热特性。这在小于结构元件的温度时间常数的短脉冲时间的情况下应假定为已给定。
如果脉冲持续时间比上面提到的时间常数长，则可以由温度上升特性来确定脉冲持续时间。
脉冲参数的计算诉诸于以下公式4、公式5和公式6以及以下表格3。
公式4脉冲持续时间的计算：
公式5在电阻上的电压降的计算：
公式6脉冲电流的计算：
表格3脉冲参数的计算
| 符号 | 名称 | 单位 |
| tImp | 脉冲持续时间 | s |
| ΔθD | 二极管的温度变化 | K |
| ΔθR | 电阻的温度变化 | K |
| α | 电阻的温度常数 | K |
| β | 二极管的温度常数 | K |
| γ | 电阻的能量常数 | Ws |
| R | 电阻值 | Ω |
| UD | 二极管的抑制电压 | V |
| UR | 在电阻上的电压降 | V |
| IImp | 脉冲电流 | A |
借助于来自所用结构元件的可供使用的数据册的特征曲线的数学表示，能够计算出特别是二极管V1和电阻R1和R2的内部温度。
以下基于抑制二极管BXT ML4BE5的使用情况阐述一种具体示例。
该电路装置提供关于所使用的绕线电阻的信息，该绕线电阻具有1.7K的α和1Ω的电阻。
二极管V1是一种在所使用的范围内具有8.5V的平均导通电压和具有1.26K的1β的抑制二极管。能量常数χ＝1Ws用于单位修正，因为该数值已包含到常数α和β中。通过针对不超过3s的时间范围的特征曲线的数学近似可以以如下公式确定在二极管中的内部温度：
公式7阻挡层温度的计算
表格4阻挡层温度的计算
| 符号 | 名称 | 单位 | 数值 |
| tImp | 脉冲持续时间 | s | - |
| ΔθD | 二极管的温度变化 | K | - |
| ΔθR | 电阻的温度变化 | K | - |
| α | 电阻的温度常数 | K | 1.7K |
| β | 二极管的温度常数 | K | 1.26K |
| γ | 电阻的能量常数 | Ws | 1Ws |
| R | 电阻值 | Ω | 1Ω |
| UD | 二极管的抑制电压 | V | - |
| UR | 在电阻上的电压降 | V | - |
| IImp | 脉冲电流 | A | - |
| ε | 温度功率因数 | K/W | 7.36K/W |
| TJunc | 阻挡层温度 | K | |
| TAmbi | 环境温度 | K |
借助于这样计算出的阻挡层温度能够利用按照图5的模型确定构件通过相应的脉冲引起的损坏。
电阻R1或R2的温度也能够通过给出的参数来确定脉冲电流和脉冲持续时间。在使用绕线电阻的情况下，从绕线的500℃的最大温度或者250℃的外部温度起引起故障。不必在这样的线性的欧姆电阻的情况下进行老化确定。
因此，在先前描述的、借助于实施例详尽阐述的解决方案中将峰值电流和所使用的放电器的温度确定为用于状态评价的测量参量。于是，由输入数据以及所使用的结构元件的已知特征曲线值能够确定脉冲持续时间和能量转化量以及内部的构件温度，由此可以导出用于使用寿命计算的模型并且最终可以指示损坏或者预期的剩余使用寿命。按照本发明的解决方案能够在单独的电路板上针对每个放电器设计为可改装的，所述电路板能实现所使用的半导体结构元件或者电阻的温度测量以及电流测量，并且所述电路板包含相应的具有所需的计算算法的微控制器。
Claims (11)
1.多级的、协同的过压放电器电路，所述过压放电器电路具有至少一个在横向支路中的第一粗保护-放电器路径和至少一个在纵向支路和横向支路中的第二细保护-放电器路径，其中，在第一放电器路径中设置有电流隔离的浪涌电流测量装置和用于处于第一放电器路径中的过压放电器的物理状态的监控装置，
其特征在于，
在第二放电器路径中的各过压放电器分别同样配设有用于物理状态的监控装置，其中，作为状态监控，对相应的过压放电器进行温度确定，其中，由所测量的温度和温度上升时间确定在相应的过压放电器中所转化的能量并且由此对相应的过压放电器的可能的损坏进行确定。
2.根据权利要求1所述的过压放电器电路，
其特征在于，
设有评价单元，所述评价单元合计所确定的、过压放电器的损坏并且将所述损坏通过显示单元示出或者传输给上一级的评价单元。
3.根据权利要求1或2所述的过压放电器电路，
其特征在于，
在所有所使用的过压放电器(A1；R1；R2；V1)上导热地、但电流隔离地设置热电偶(T1；T2；T3；T4)，并且在第一放电器路径上构造有测量线圈(I)作为电流测量装置。
4.根据上述权利要求中任一项所述的过压放电器电路，
其特征在于，
在第一放电器路径中检测在过压情况下产生的峰值电流和在那里使用的过压放电器(A1)的温度变化并且由这些值确定用于损坏评价的等效矩形脉冲。
5.根据权利要求4所述的过压放电器电路，
其特征在于，
在超过预先给定的电流阈值时将所使用的放电器(A1)评价为有故障。
6.根据上述权利要求中任一项所述的过压放电器电路，
其特征在于，
为了确定在第二放电器路径中的过压放电器(R1；R2；V1)的损坏或者老化特性，评价所使用的过压放电器的与脉冲电压有关的加热特性。
7.根据权利要求6所述的过压放电器电路，
其特征在于，
在第二放电器路径的横向支路中设置有半导体结构元件(V1)并且在第二放电器路径的纵向支路中设置有线性的欧姆电阻(R1；R2)。
8.根据权利要求7所述的过压放电器电路，
其特征在于，
所述第二放电器路径实现所述细保护，其中，所述半导体结构元件构造为一个或多个二极管结构组(V1)、特别是构造为抑制二极管。
9.根据权利要求8所述的过压放电器电路，
其特征在于，
由在第二放电器路径中的电流积分和二极管结构组(V1)的特征曲线数据确定相应的阻挡层温度并且由此确定损坏。
10.根据权利要求9所述的过压放电器电路，
其特征在于，
由在线性的电阻(R1；R2)上转化的、能通过温度测量确定的能量间接地导出在第二放电器路径中的电流积分。
11.根据上述权利要求中任一项所述的过压放电器电路，
其特征在于，
监控装置(T1；T2；T3；T4)和电流测量装置(I)构造为处于单独的布线载体上的结构组。
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