專利名稱：接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及屬于最高AC電壓為1000V或最高DC電壓為1500V的低壓系統(tǒng)的設(shè)備中的電子電路的接地，其中該設(shè)備位于主電壓電位或通過(guò)高阻抗耦合被連接到主電壓上，以及涉及電子電路和SELV(安全特低電壓)電路之間的接口的過(guò)電壓保護(hù)。
如此的電子設(shè)備的典型示例包括用于測(cè)量諸如電壓、電流或頻率的電量的儀器。本發(fā)明利用具有比否則根據(jù)結(jié)構(gòu)要求可能的絕緣水平更低的絕緣水平的元件能夠?qū)㈦娮釉O(shè)備與SELV電路隔離。
一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)解決方案是采用電壓變壓器將要測(cè)量的電壓降低到SELV電平，并且也將電路相互隔離。相應(yīng)地，為了測(cè)量電流，通過(guò)采用電流變壓器轉(zhuǎn)換信號(hào)電平并且執(zhí)行隔離。不利之處在于變壓器具有大的尺寸和昂貴的價(jià)格。在易受振動(dòng)影響的應(yīng)用中，重的變壓器和它的電連接可能會(huì)從印刷電路板脫離。
當(dāng)電子電路處于懸浮電位或采用高阻抗耦合與主電路隔離時(shí)，信號(hào)傳輸和至SELV電路的連接可采用具有所要求的介電強(qiáng)度的元件實(shí)施。在實(shí)際中，采用阻性分壓的解決方案通常用在電壓不超過(guò)400V的三相網(wǎng)絡(luò)中，原因在于在分壓電阻器中的功率損耗和隔離變壓器的所要求的介電強(qiáng)度已導(dǎo)致了大型的解決方案。
在針對(duì)“過(guò)電壓類別III”或更高的、以及具有“污染程度III”的環(huán)境的配電系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)方面，對(duì)漏電和凈距離的要求意味著適用于傳統(tǒng)的懸浮解決方案的SELV接口的信號(hào)和電源元件很昂貴或根本不能得到。
懸浮電子測(cè)量電路還可以通過(guò)高阻抗耦合接地，但必須注意保證并聯(lián)連接的設(shè)備數(shù)不可以過(guò)高以至于不能使電系統(tǒng)的地阻抗低于規(guī)章中所規(guī)定的界限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是產(chǎn)生一個(gè)解決上述問(wèn)題的解決方案。這將如獨(dú)立權(quán)利要求1中所定義的那樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求定義了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例。
在單相或兩相連接中，懸浮中性點(diǎn)通過(guò)將高電阻連接到中性或帶電導(dǎo)線而產(chǎn)生，或者在與三相網(wǎng)絡(luò)連接的情況下，人工中性點(diǎn)例如通過(guò)將電阻連接到每個(gè)主電壓并且將所有三個(gè)電阻的另外的末端配置為星型耦合來(lái)產(chǎn)生。該懸浮或人工中性點(diǎn)通過(guò)連接在中性點(diǎn)和保護(hù)地(PE)之間的基于擊穿的過(guò)電壓保護(hù)裝置接地。優(yōu)選地，過(guò)電壓保護(hù)裝置包括一系列二極管，其中具有以正向和反向連接的至少一個(gè)半導(dǎo)體二極管。選擇元件以使得該裝置開始導(dǎo)電時(shí)的懸浮中性點(diǎn)電壓將低于懸浮或人工中性點(diǎn)與SELV電路之間的介電強(qiáng)度。
這意味著在正常運(yùn)行條件下，由于流過(guò)二極管泄漏電流典型地在5μA的數(shù)量級(jí)，測(cè)量電子設(shè)備的中性點(diǎn)電位自由懸浮。如果浪涌電壓或其他類型的偽電壓提高了懸浮中性點(diǎn)(COM)相對(duì)于保護(hù)地(PE)的電位，則二極管的反向擊穿電壓被超過(guò)并且導(dǎo)致的雪崩擊穿引起電流流通。電壓將不能增加至?xí)^(guò)測(cè)量電子設(shè)備和SELV電路之間的元件的介電強(qiáng)度的電平。
代替串聯(lián)連接的反向的二極管，也可以使用具有適當(dāng)?shù)膿舸╇妷旱钠渌愋偷脑?；這些包括在專利公開FR2566582中所描述的雪崩觸發(fā)雙向保護(hù)設(shè)備、基于火花隙的過(guò)電壓保護(hù)器(如氣體放電管)或金屬氧化物變阻器。但是，這些替換的元件的價(jià)格和尺寸與二極管裝置相比通常是不利的。


下面，將通過(guò)示例性實(shí)施例和參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中圖1示出用于單相電流測(cè)量的懸浮中性點(diǎn)接地裝置；圖2示出用于單相或兩相電壓測(cè)量的接地裝置；圖3示出在三相電壓測(cè)量設(shè)備的模擬部分的電路圖中的接地裝置。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了與單相電流測(cè)量有關(guān)的根據(jù)本發(fā)明的接地裝置。在測(cè)量中的電路包括低(典型地為1...100mΩ)串聯(lián)電阻(R4)，并且電路中的電流(I1)基于歐姆定律通過(guò)測(cè)量在電阻兩端的電壓降而確定。測(cè)量電子電路的輸入端包括高電阻(R1，R2)，典型地為10MΩ。通過(guò)圖中的虛線分隔開的測(cè)量電子設(shè)備部分的人工中性點(diǎn)(COM)通過(guò)電阻中的一個(gè)(R1)與帶電導(dǎo)線的電位連接。測(cè)量電子設(shè)備的電源優(yōu)選地是利用具有足夠介電強(qiáng)度(例如3kV)的DC/DC轉(zhuǎn)換器(N1)從SELV電子電路(X1)中被布置的。測(cè)量結(jié)果通過(guò)光隔離器(K1)以模擬形式被傳輸?shù)絊ELV電子電路，或者可替換地，模擬信號(hào)優(yōu)選地以串行形式被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這以允許采用便宜和穩(wěn)定型的光隔離器。測(cè)量電子設(shè)備的人工中性點(diǎn)(COM)利用具有基于擊穿的過(guò)電壓保護(hù)裝置的接地裝置與保護(hù)地(PE)連接。過(guò)電壓保護(hù)裝置優(yōu)選地通過(guò)至少一個(gè)反向的二極管(V1)和至少一個(gè)正向的二極管(V2)的串聯(lián)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該如此選擇二極管的類型，使得它的反向擊穿電壓Ub比測(cè)量中的電路中的正弦相電壓Uv的峰值高，換句話說(shuō)Ub＞1.42*Uv。另一方面，擊穿電壓必須比在人工中性點(diǎn)(COM)和SELV電路(X1)之間的元件的介電強(qiáng)度低。在實(shí)際中，元件被選擇以使得擊穿電壓接近于元件(K1，N1)的介電強(qiáng)度的上限，這減小了在高電阻(R1，R2)中的功率損耗。兩個(gè)或更多的二極管可以以相同方向被串聯(lián)連接以調(diào)整裝置的擊穿電壓。當(dāng)測(cè)量電子設(shè)備的中性點(diǎn)相對(duì)于保護(hù)地(PE)的瞬時(shí)電壓增加，使得超過(guò)了二極管的反向擊穿電壓時(shí)，這導(dǎo)致所謂的雪崩擊穿，該雪崩擊穿增加電流并且防止電壓增加以及防止損壞SELV接口元件(K1，N1)。保持在正向二極管兩端的典型地小于1V的電壓對(duì)實(shí)際量度沒(méi)有任何重要性。串聯(lián)電阻(R3)可以與二極管串聯(lián)，但必須注意的是，在測(cè)試或故障情況下，保持在電阻兩端的電壓不能使裝置的總電壓增加至超過(guò)SELV接口元件(K1，N1)的最高電壓。如果電阻器(R1，R2)在10MΩ的數(shù)量級(jí)，則100KΩ的串聯(lián)電阻(R3)在脈沖測(cè)試時(shí)會(huì)使裝置的電壓增加大約100V。當(dāng)采用保護(hù)鏈(F1)時(shí)，裝置可以直接與保護(hù)地(PE)連接，而是與串聯(lián)電阻(R3)連接。
SELV電子設(shè)備的中性電位(GND)典型地與保護(hù)地(PE)直接連接。
圖2示出了與單相或兩相電壓測(cè)量有關(guān)的相似的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置。測(cè)量電子設(shè)備通過(guò)高電阻(R11)與第一相導(dǎo)線(L1)相連，通過(guò)電阻(R12)與第二相導(dǎo)線(L2)、或可替換地與中性導(dǎo)線(N)相連接。分壓電阻(R14)被串聯(lián)在上述的電阻(R11，R12)之間。測(cè)量電子設(shè)備的中性點(diǎn)(COM)通過(guò)高電阻(R11)與第二相或中性導(dǎo)線的電位連接，并且另一方面，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置(V1，V2，R3)與保護(hù)地(PE)連接。
圖3的電路圖示出了三相電壓測(cè)量電路的模擬部分。對(duì)要測(cè)量的每一相具有一個(gè)放大和電平轉(zhuǎn)換裝置；電路圖僅針對(duì)一相(L2)示出該裝置。
高電阻分壓電阻器(R101，R102，R103)的第一末端通過(guò)連接器(X41，X42，X43)與相應(yīng)的主電壓(L1，L2，L3)耦合，另外的末端被連接成星型裝置，以構(gòu)成作為測(cè)量電子設(shè)備的中性電位的人工中性點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明，人工中性點(diǎn)接地。由于在單相接地故障時(shí)接地阻值并不能降低，所以選擇過(guò)電壓保護(hù)器的類型，使得裝置的擊穿電壓Ub比測(cè)量中的電路中的正弦相電壓的峰值高，也即Ub＞√2/√3*U，四舍五入后為Ub＞0.82*U。另一方面，擊穿電壓必須比在人工中性點(diǎn)和SELV電路之間的元件的介電強(qiáng)度低。二極管鏈在每個(gè)方向都具有兩個(gè)串聯(lián)連接的二極管(V102，V108，V109，V111)。二極管例如可以是Fairchild RS1M型；對(duì)于反向的最高持續(xù)額定電壓強(qiáng)度的制造商規(guī)格為1000V，但是在25℃的溫度下，擊穿電壓大約為該額定值的120％，這意味著當(dāng)在同一方向串聯(lián)的兩個(gè)二極管兩端的電壓超過(guò)2400V時(shí)發(fā)生雪崩擊穿。300KΩ的電阻(R150)與二極管鏈串聯(lián)地被連接至保護(hù)地(PE)，因?yàn)闉榱颂岣呖煽啃?，基本上相似的?V114，V113，V112，V110，R149)以冗余模式與以上所述的二極管電阻鏈并聯(lián)。由于二極管的擊穿電壓并不精確相同，并且如果二極管鏈并聯(lián)連接，則只有具有較低擊穿電壓的鏈導(dǎo)通，因此給鏈增加電阻(R150，R149)；通過(guò)給每個(gè)鏈增加電阻，擊穿電流可以被分流到兩個(gè)鏈中。如果二極管擊穿電壓值的容差假設(shè)為10％，鏈的量度擊穿電壓為Ub＝0.9*Uc，其中Uc是SELV接口元件(K1，N1)的最低介電強(qiáng)度。如果過(guò)電壓浪涌的峰值被表示為Usmax，與相導(dǎo)線連接的電阻器的電阻被表示為Re，則串聯(lián)電阻器(R150，R149)的值Rd可以基于歐姆定律和基爾霍夫電壓定律計(jì)算得出Rd＝0.1*Uc*Re/(Usmax-Uc)。對(duì)于三相測(cè)量連接，需要注意的是過(guò)電壓測(cè)試?yán)孟嗷ヱ詈系南噙B接來(lái)處理，因此在該實(shí)例情況下，電阻器Re的電阻為Re＝50MΩ/3＝16.7MΩ。
分壓電阻器(R101，R102，R103)具有一個(gè)很高的電阻值；引線1至3之間的總電阻優(yōu)選地為50MΩ，而引線2和3之間的分電阻與總電阻值的關(guān)系為1∶1000。
由于從分壓電阻器的中間引線輸出的AC電壓是雙極的，也即相對(duì)于人工中性點(diǎn)是對(duì)稱的，所以信號(hào)電平被轉(zhuǎn)換為0...+5V的正電壓范圍，這允許采用便宜的單極性的A/D轉(zhuǎn)換器。
來(lái)自分壓電阻器(R102)的引線2的輸出電壓是小于1V的數(shù)量級(jí)上的AC電壓，所述輸出電壓通過(guò)連接信號(hào)線至雙二極管(V103)的中間電極首先被限制為對(duì)可能的過(guò)電壓浪涌的預(yù)防。諸如飛利浦BAV99W類型的雙二極管包括兩個(gè)被集成在單個(gè)外殼里并且以相同方向串聯(lián)的非?？焖俣O管。也可以連接分離的正向二極管至電子設(shè)備電源電壓的正極側(cè)，和相應(yīng)地連接反向二極管至負(fù)極側(cè)。電阻器(R107)和電容(C142)組成用于在測(cè)量信號(hào)中可能存在的高頻干擾(例如，超過(guò)15kHz)的低通濾波器。
運(yùn)算放大器(A102-A)與電阻器(R109，R110)一起構(gòu)成包括附加電容(C105)以減弱信號(hào)中的任何干擾的非反相放大級(jí)。電阻(R110)根據(jù)要測(cè)量的電壓來(lái)確定大小，在實(shí)際中與電路圖中所指明的其他元件值相對(duì)應(yīng)，R110＝10kΩ...100kΩ。運(yùn)算放大器(A102-B)與電阻器(R117，R120，R119，R118)和電容(C107，C106)一起構(gòu)成了差分放大器。通過(guò)連接在第一級(jí)中所放大的測(cè)量信號(hào)至差分放大器的正輸入端，在懸浮中性點(diǎn)電位兩側(cè)對(duì)稱的AC信號(hào)被完全轉(zhuǎn)換至正側(cè)，并且負(fù)輸入端被連接至在電源部分(未示出)中所產(chǎn)生的參考電壓，所述參考電壓的優(yōu)選的大小為放大器電路的負(fù)電源電壓的一半。
相應(yīng)于被測(cè)量的相電壓的信號(hào)通過(guò)電阻(R121)被連接至例如TexasInstruments(德州儀器)ADS 7841類型的多通道單極性A/D轉(zhuǎn)換器(未示出)。在SELV電路側(cè)，來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器的串行輸出信號(hào)通過(guò)光隔離器(未示出)(如Fairchild HCPL-0601)例如被連接至例如SPI總線，以進(jìn)一步被傳輸?shù)綑z測(cè)儀表和控制系統(tǒng)。
上述連接的基本主旨在于允許要獲得的足夠的介電強(qiáng)度的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置。根據(jù)IEC 60947標(biāo)準(zhǔn)，在額定為1000V的AC網(wǎng)絡(luò)和SELV電路之間的增強(qiáng)性絕緣的驗(yàn)證在脈沖測(cè)試中要求浪涌電平為14.8kV(1.2/50μs)。另一方面，未接地的IT網(wǎng)絡(luò)在測(cè)量電路的懸浮中性點(diǎn)和保護(hù)地之間需要一個(gè)足夠高的阻抗，也即很小的泄漏電流。如果接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置只有在具有1000V主電壓的三相網(wǎng)絡(luò)中電壓超過(guò)820V、但保持低于所選擇的DC/DC開關(guān)模式電源和光隔離器的介電強(qiáng)度(例如3kV)時(shí)才允許泄漏電流流通，則這些要求可以被滿足。由于分壓電阻(R101，R102，R103)具有一個(gè)很高的電阻等級(jí)，所以接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置的泄漏電流電平在脈沖測(cè)試中保持低于1mA，這意味著可以采用具有額定反向擊穿電壓為800至1000V的便宜、但仍然可靠和快速的整流二極管實(shí)現(xiàn)該裝置。
相比于隔離變壓器，根據(jù)本發(fā)明的裝置的優(yōu)點(diǎn)包括更小的尺寸、元件的更低質(zhì)量、便宜的價(jià)格以及很好的介電強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。高電阻分壓電阻器在網(wǎng)絡(luò)中可以承受嚴(yán)重過(guò)壓的情況而不會(huì)被損壞；另一方面，電壓變壓器需要保險(xiǎn)絲和變阻器保護(hù)。相比于傳統(tǒng)的高電阻中性點(diǎn)接地，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于并不需要限制并聯(lián)的設(shè)備的數(shù)量。對(duì)網(wǎng)絡(luò)量的測(cè)量裝置提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，在所述測(cè)量裝置中模擬的測(cè)量結(jié)果被轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量的對(duì)象盡可能接近的數(shù)字格式。當(dāng)將本發(fā)明應(yīng)用于不同的電子電路時(shí)，在設(shè)計(jì)階段中必須注意電子電路必須在不具有接地的電流連接的情況下運(yùn)行。本發(fā)明可以廣泛地應(yīng)用于例如單相電流測(cè)量。串聯(lián)連接的二極管數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)可改變。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)重點(diǎn)在于增加的電壓電平、過(guò)電壓類別和污染程度。在情況數(shù)量增加時(shí)，工業(yè)中所用的配送電壓為690V而非傳統(tǒng)的400V。在設(shè)備設(shè)計(jì)中采用IEC 60947-1標(biāo)準(zhǔn)而非IEC 61131-2標(biāo)準(zhǔn)例如也強(qiáng)調(diào)了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
雖然本發(fā)明通過(guò)特定的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，必須理解的是，例如在直流電路方面，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以應(yīng)用在權(quán)利要求所說(shuō)明的范圍內(nèi)的本發(fā)明的不同形式。
權(quán)利要求
1.在配電系統(tǒng)中用于電子設(shè)備、諸如測(cè)量電量的測(cè)量設(shè)備的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置，電子設(shè)備的中性點(diǎn)(COM)經(jīng)由至少一個(gè)電阻(R1，R11，R101，R102，R103)通過(guò)高阻抗連接與配電系統(tǒng)(L1，L2，L3，N)的電位耦合，并且電子設(shè)備具有通過(guò)至少一個(gè)電子元件至SELV電路的接口，其特征在于，設(shè)備的中性點(diǎn)(COM)通過(guò)至少一個(gè)基于擊穿的過(guò)電壓保護(hù)器(F1，F(xiàn)101，F(xiàn)102)與保護(hù)地(PE)連接，并且過(guò)電壓保護(hù)器(F1，F(xiàn)101，F(xiàn)102)的額定擊穿電壓(Ub)比在正常工作條件(Uv，U)下存在于它兩端的電位差高，但比組成電子設(shè)備與SELV電路之間接口的元件(N1，K1)的最小介電強(qiáng)度(Uc)低。
2.權(quán)利要求1所述的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置，其特征在于，過(guò)電壓保護(hù)器(F1，F(xiàn)101，F(xiàn)102)是由至少兩個(gè)串聯(lián)的反向耦合的半導(dǎo)體PN接口組成的。
3.權(quán)利要求1或2所述的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置，其特征在于，過(guò)電壓保護(hù)器(F1，F(xiàn)101，F(xiàn)102)是由至少兩個(gè)串聯(lián)的反向耦合的二極管(V1，V2，V102，V108，V109，V111，V110，V112，V113，V114)組成的。
4.權(quán)利要求3所述的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置，其特征在于，二極管(V1，V2，V102，V108，V109，V111，V110，V112，V113，V114)是快速整流二極管。
5.權(quán)利要求1所述的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置，其特征在于，過(guò)電壓保護(hù)器(F1，F(xiàn)101，F(xiàn)102)是變阻器。
6.權(quán)利要求1所述的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置，其特征在于，過(guò)電壓保護(hù)器(F1，F(xiàn)101，F(xiàn)102)是火花隙保護(hù)器。
7.前述的任意一個(gè)權(quán)利要求所述的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置，其特征在于，電阻(R3，R150，R149)與過(guò)電壓保護(hù)器(F1，F(xiàn)101，102)串聯(lián)連接。
8.前述的任意一個(gè)權(quán)利要求所述的接地和過(guò)電壓保護(hù)裝置，其特征在于，在具有至少三相的配電系統(tǒng)用的電壓測(cè)量裝置方面，每個(gè)分壓電阻(R101，R102，R103)的第一末端與相應(yīng)的相(L1，L2，L3)連接，而另一末端被連接成星型，以構(gòu)成作為電子設(shè)備的中性電位的人工中性點(diǎn)(COM)。
全文摘要
本發(fā)明涉及屬于具有最高AC電壓為1000V或最高DC電壓為1500V的低壓系統(tǒng)的設(shè)備中的電子電路的接地，其中該設(shè)備處于主電壓電位或者通過(guò)高阻抗耦合被連接至主電壓，以及涉及在電子電路和SELV(安全特低電壓)電路之間的接口的過(guò)電壓保護(hù)。電子設(shè)備的中性點(diǎn)(COM)通過(guò)至少一個(gè)基于擊穿的過(guò)電壓保護(hù)器與保護(hù)地(PE)耦合。過(guò)電壓保護(hù)器的額定擊穿電壓(U
文檔編號(hào)H02HGK1954471SQ200580015754
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月18日
發(fā)明者K·-M·拉克索, A·伯茨, J·奎瓦萊南 申請(qǐng)人:Abb有限公司