CN101983464A - 低压设备中的短路限制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于交流低压设备中的短路的限制装置，所述限制装置包括一个或多个被构造为电缆或母线的供电线路(10，100)，所述供电线路(10，100)具有带有馈电点的负载和/或电机驱动装置，在所述馈电点处设置有借助馈电断路器(26，26″)保护的馈电机组(6，60)。所述供电线路(10，100)在短路故障情况中可在分离点(30)处被分开，从而产生两个部分线路(10′，10″，100′，100″)，在所述两个部分线路的每一个中存在至少一个馈电机组(6，60)。本发明的核心在于：在所述分离点(30)处引入多相的快速短路器(40)，所述快速短路器(40)在朝着每个部分线路(10，100)的方向上各与一个电力断路器(32′，32″)串联，其中，连接在馈电机组(6，60)前面的馈电断路器(26，26″)在其断开时间(选择性)方面比电力断路器(32′，32″)地位低。每个部分线路(10′，10″，100′，100″)被分配有一个电流检测装置(42)，在出现短路(80)时，所述电流检测装置(42)向快速短路器(40)传输触发信号(46)，快速短路器(40)此后在所述分离点(30)处进行短接。

Description

低压设备中的短路限制装置

技术领域

本发明涉及一种交流低压设备中用于短路的限制装置，该限制装置具有一个或多个被构造为电缆或母线的供电线路，所述供电线路具有带有馈电点的负载和/或电机驱动装置，在这些馈电点处设置了借助馈电断路器保护的馈电机组。

背景技术

低压设备的此类保护系统可以适用于独立设备，尤其是船载电网中或离岸平台系统中的独立设备，或者适用于通过中压馈电的、用于工业大负载的能量供应。

对能量馈给的保护以及对能量分配的保护均属于安全的能量供应。既对母线分配系统也对电缆系统提出了这些要求。

因此，如此调节电力断路器和对应的触发系统，使得在需要时仅仅触发对于故障电流切断而言位于故障位置紧前面的电力断路器。所述选择性将在故障情况中必须被切断的区域(有故障的电路)限制到最小。所有其他设备部分保持运行。在此，必须谨慎地使串联的保护装置的触发时间彼此协调，并且开关设备以及分配系统(母线或电缆)必须能够在开关设备的、增加了选择性所需的延迟时间的整个断路时间期间引导短路电流。在此指的是保护装置的选择性分级配合(Staffelung)。

在认证企业、例如德国劳埃德船级社的分级规定和设计规定中定义了尤其是独立电网设备中的保护要求和选择性要求。

因此，例如对于船载电网规定如下：在主电源对于维持轮船推进所必需的设备中，主母线必须可被划分成至少两个区段，所述至少两个区段通常通过断路器或其他公知的可行方案连接。只要可能，则发电机的连接端子和所耦合的负载的连接端子被均匀地分配到这些母线区段上。

图1示意性地示出例如船载电网中具有分离点的低压设备的情况。

由发电机、负载和电机驱动装置组成的组与供电线路(例如母线)连接。为了电地分离至少两个此类组以在故障情况中使它们彼此去耦合，提供具有耦合断路器(Koppelschalter)的分离点。在(故障情况中)打开耦合断路器之后，供电线路的两个部分区段在电方面彼此独立。

船载电网中供电线路上的额定电流可以达到高于8000A的值，这例如是由于高的能量需求在电压水平直至690VAC时的情况。高的能量密度使低压开关设备达到它们的性能极限，尤其是短路断开能力在此成为关键的参量。特别是耦合断路器必须能够安全地切断大于100kA的短路电流。常规的电力断路器不能胜任这样的要求，因此需要用于短路电流限制的替换可行方案。

已提到短路时极高的电流强度。这意味着，必须为此设计载流元件(电缆和/或母线)。因此，这些元件必须具有相应大的导线横截面。因此，在大的导线横截面方面的投资是昂贵的，尤其是在铜的市场价格日渐增长的情况下。

出于这些考虑还提出：在独立电网中从低压转变到中压。然而出于安全原因，对于中压而言这意味着必须通过至少一个电气技术人员来增强独立电网的工作人员。

已经提出了用于低压设备的短路保护系统，其中，甚至设想了具有超导断路开关的昂贵系统(DE 10349552 A1)。

所述考虑同样适用于例如汽车生产线中的工业大负载的能量供应。那里，能量分配具有环状(全环或部分环)的拓扑；馈电由中压水平通过变压器进入供电线路。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种用于低压水平上能量供应的保护系统，所述保护系统可以满足提高的能量需求。

所述任务的解决方案位于独立权利要求的特征中，其中，在从属权利要求中描述了其他的有利构型。

本发明的核心在于，在分离点处引入一个多相(在三相交流电情况下三相的)快速短路器，所述快速短路器对于供电线路上可预料出现的短路电流强度具有足够的载流能力。所述快速短路器在朝着每个部分线路的方向上各与一个电力断路器串联，其中，这些电力断路器在它们的断路时间方面优先于馈电断路器。每个部分线路分配有一个电流检测装置，并且检测短路的电流检测装置在这些部分线路之一中出现短路时向快速短路器传输一个触发信号，所述快速短路器此后在分离点处进行短接。

随着检测和触发短路器短接，分离点处的两个电力断路器中的至少一个电力断路器打开。在有故障的部分线路中，存在的保护开关装置、尤其是对应于馈电机组的馈电断路器中的每一个“体验”短路电流并且断开馈电机组的电流路径。通过打开位于分离点处的电力断路器，两个部分线路在电方面彼此独立。在没有故障的部分线路中能量供应得以维持，因为部分区段在那里与短路隔离。

通过借助短路器产生的并行短路减小了短路电流的有效值，因为短路电流被分到两个存在的“故障位置”上。短路效果在其强度上被减弱并且关于分配系统中所涉及的区域被限制。

本发明的仍需提及的优点在于，馈电断路器与分离点处的电力断路器之间所设置的优先级(选择性)导致：馈电断路器的短路断开能力可被降低。换言之，可以使用具有较小功率范围的馈电断路器。

在从属权利要求中说明了其他的有利构型，可以单独地或者彼此组合地实现这些有利构型。

快速短路器可被插入在跨接分离点的耦合母线中。这意味着，分离点在机械上具有比快速短路器的连接母线的距离更大的长度。因此，可以借助耦合母线来跨接部分线路的端部。

对于可预期的短路电流强度，快速短路器应具有足够的载流能力。否则，其他快速短路器必须被用作具有较小载流能力的分立设备，这些分立设备被分别并行地连接和操作。随后，两个或更多个短路器作为具有较小载流能力的分立设备可安全和快速地实施短路过程。

具有所要求的特性的快速短路器是已知的。在此应提及：通过晶闸管转换短路器的短路开关(DE 4438593 A1)或真空开关管类型的开关(DE4404074 A1)。一些类型的快速短路器是多次短路器，而其他的仅仅可被操纵一次(一次性短路器)。

优选地，建议烟火技术地运行的快速短路器类型的快速短路器(EP1052 665 B1或者WO 2000 62320 A1)。所述快速短路器可以在短于3ms的操纵时间内导致短路。烟火技术的驱动装置通过连接母线组驱动金属销钉，使得相位在操纵时间内彼此电地和机械地接触，并且产生短路。烟火技术运行的快速短路器是在开关过程之后必须被更换的一次性短路器。在低压设备中，可以由在电子技术方面未经培训的人员进行已被操纵的一次性短路器的拆除以及新的快速短路器的安装。

电流检测装置的检测阈值应是可调节的，其中，检测阈值可被调节到额定电流的2倍或4倍。建议使用电流互感器作为电流检测装置。

低压设备的供电线路可被构造为电缆和/或母线。

馈电机组可以是发电机和/或变压器。

低压供电系统可以是独立系统，尤其是船载电网或离岸平台系统。

供电系统的供电线路可以具有线性的或者环状的拓扑。

在短路情况中在分离点处被转换的电力断路器应可被电子地控制和闭锁，使得只要已被操纵的并且可能不可被再次操纵的快速短路器仍然被安装着，则电力断路器的重新接通是不可能的。因此，提供了防止存在短路时再次(无意的)重新接通的保护。

低压设备——在所述低压设备中使用根据本发明的装置——的电压水平可以例如为400或690V。

附图说明

在附图中进一步描述本发明，这些附图详细示出：

图1：在分离点处具有耦合断路器的低压开关设备的图示(现有技术)，

图2：具有用于限制和切断短路电流的装置的开关设备，以及

图3：用于工业大负载的能量供应的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出在分离点处具有耦合断路器的低压开关设备，例如船载电网中的低压设备。

示出了被构造为母线的供电线路10，馈电机组(例如柴油驱动的发电机)6、负载7和电机驱动装置8与所述供电线路10连接。发电机提供电能，所述电能被馈入到负载和电机驱动装置中。为了在电方面分离至少两个这样的组以便或者独立地运行它们或者在故障情况中使它们彼此去耦合，耦合断路器25被置于供电线路10中，由此实现了分离点30。分离点30可被如此放置，使得馈电机组和电机驱动装置在其数目方面关于分离点对称：在图1和图2中通过分离点两侧各两个发电机和各一个电机驱动装置来表示。在打开耦合断路器25之后，两个供电部分线路10′、10″在电方面彼此独立。耦合断路器25必须具有特别高的短路断开能力，以便在故障情况中是有效的。

供电系统10中对电功率越来越高的要求可导致对耦合断路器25的性能的“过分要求”。在此应用在其他附图中示出的本发明。在供电线路10中插入分离点30，所述分离点30大致对应于图1中耦合断路器25的位置。然而，在根据本发明的装置中不使用特殊的耦合断路器，因为通过本发明应提出保护系统的改进方案并且替代特殊的耦合断路器使用两个常规的电力断路器32′、32″。

如图1中所示，多个电的机组(发电机6、电机驱动装置8、负载7)通过相应的电流路径16、17、18与供电线路10′、10″连接并且通过电力断路器26、27、28来保护。母线区段10″的机组的附图标记设有秒号。

在两侧通过常规的电力断路器32′、32″来保护位于电流路径34中的快速短路器40以使其不受两个母线区段10′、10″的影响。由电流传感器(例如磁互感器或霍尔传感器)42监视供电线路(母线10或母线10的部分区段10′、10″)上的电流。电流传感器的检测阈值是可调节的并且应当被调节到额定电流的数倍。快速短路器连同串联的电力断路器的布置以及与电流检测装置(42、44、46)的连接应被简称为“短路器/断路器组合”300。

电力断路器32′、32″的断路时间应在150到200ms的范围内；保护馈电机组(发电机6)的馈电断路器26的断路时间应在300到500ms的范围内，而设置在电机驱动装置8前面的输出断路器28的断路时间应在短于100ms的范围内。本发明的重点在于，如此定义所涉及的断路器的选择性，使得存在关于断路时间的三个时间范围，这三个时间范围彼此不重叠或者它们的边界尽可能不相互接近。

为了说明本发明，在图2中断路器26、27、28、32′、32″应是闭合的并且低压设备应通电。在此情况下，(在部分区段10′中)出现短路80。这可以是故障电弧或者其他的短路。由发电机以及在短路情况中作为发电机工作的电机驱动装置将电流馈入供电线路10。电流箭头处的电流强度的说明30或者40kA是典型的短路电流值。在具有多个发电机和多个电机驱动装置的典型低压设备中，供电线路中的短路电流的有效值可以合计超过100kA，在临界情况中直至200kA。

因为故障电流在可预调节的阈值、例如2倍额定电流以上，所以由电流传感器42检测出全部的短路情况。电流传感器42通过数据线路向电子中央单元44传输检测信号46′，所述电子中央单元44随后向快速短路器40输出触发信号46″。通过短路器的强迫的、金属的(电流的)短路，在电流路径34中，尤其是电力断路器32″比所有馈电断路器26更快地打开。

通过由于打开电力断路器32″而快速地中断源自发电机6″和电动机8″的电流脉冲，部分线路10″中的短路电流负荷的持续时间的长度不足以使馈电断路器26″响应。

以上已经说明了断路器(32′、32″、26、26″)的选择性。分离点处的电力断路器(32′、32″)的断路时间短于位于其后的馈电断路器26′、26″的断路时间。馈电断路器26以较低的优先级打开并且现在仅仅使短路的部分线路10′与馈电机组(6)分离。

右侧的部分线路10″不再受(左侧的部分线路中的)短路80的影响并且没有故障的部分线路10″不发生变化地继续工作。短路不导致供电线路10上整体运行的崩溃。部分运行可被维持，重要的是供给能量的系统未遭受损害。例如，这对于船载电网而言意味着：驱动和控制系统或者用于集装箱的冷却机组不会受到总体故障的影响，并且此系统的(至少)一部分保持运行直至故障消除。

在快速断路之后必须进行故障查找，其中找到在哪里以及因何原因出现了故障。在消除故障并且以作用良好的快速短路器更换已被操纵的快速短路器之后，在供电系统中可以使电压再次上升。

图3示出例如汽车生产线中用于工业大负载的、环状(全环或部分环)的能量供应。负载207的电压水平为低压；馈电由中压水平500通过变压器600进入供电线路(100′、100″)。通过此示例说明根据本发明的限制装置，其中，具有多于一个分离点30的供电系统是必需的。

变压器600可通过馈电电力断路器26与环状系统分离。两个馈电点之间的每个供电线路被分成两个区段100′、100″。分离点30由短路器/断路器组合300(包括电流传感器42)占据：在图2中已经说明。如在线性系统(图2)中那样，每个供电部分线路100′、100″分配有一个电流检测装置42。电流检测装置42的信号线路汇集在中央单元中(线路46)，组合300的短路器40可被所述中央单元控制。

在根据图3的环状系统中，短路的检测以及短路器/断路器组合300的功能对应于如图2中所示的线性系统中的过程。通过检测的速度以及部分线路的所希望的快速分离省去短路位置的检测。所有的断路器组合300同时起作用，使得所有分离点30一起打开。使用用于例如通过确定短路电流的电流方向来确定短路位置的系统是昂贵的——然而可能也过于缓慢。使用本发明的优点比与快速短路器的激活的更新(例如，更换一次性短路器)相联系的耗费更重要。

附图标记列表

6，600      馈电机组(发电机、变压器)

7，207      负载

8           电机驱动装置

10，100，   供电线路(电缆、母线)

10′，10″

100′，100″线路区段

16，17，18  电流路径

26，26″    馈电断路器

25          耦合断路器

27          保护断路器

29          电动机保护断路器

30          分离点

31          耦合母线

32′，32″  电力断路器

34          电流路径或耦合母线

40          快速短路器

42          电流传感器

44          中央单元

46          数据线路上的检测信号

46′        触发信号

80          短路

300         短路器/断路器组合

500         中压

Claims (12)

1.用于限制一交流低压设备中的一短路电流的装置，所述装置包括一个或多个带有馈电点的供电线路(10，100)，在所述馈电点处设置有借助馈电断路器(26，26″)保护的馈电机组(6，60)，

其中，所述供电线路(10，100)在短路故障情况中可在一分离点(30)处被分开，从而产生两个部分线路(10′，10″，100′，100″)，在所述两个部分线路(10′，10″，100′，100″)的每一个中存在至少一个馈电机组(6，60)，其特征在于，

在所述分离点(30)处引入一多相的快速短路器(40)，所述快速短路器(40)具有对于在所述供电线路(10，100)上预期出现的短路电流强度而言足够的载流能力，

所述快速短路器(40)在朝着每个部分线路(10′，10″，100′，100″)的方向上各与一个电力断路器(32′，32″)串联，其中，所述电力断路器(32′，32″)具有短于所述馈电断路器(26，26″)的断路时间的断路时间，

每个部分线路(10′，10″，100′，100″)被分配有一个电流检测装置(42)，以及

在所述部分线路(10′，10″，100′，100″)之一中出现一短路(80)时，检测所述短路(80)的所述电流检测装置(42)向这个或这些快速短路器(40)传输一触发信号(46)，这个或这些快速短路器(40)此后在所述分离点(30)处进行短接。

2.根据权利要求1所述的限制装置，其特征在于，并行地具有多个快速短路器(40)，由此可实现对于一短路(80)的可预期的电流强度而言足够的载流能力。

3.根据以上权利要求中任一项所述的限制装置，其特征在于，所述供电线路(10，100)被构造为电缆和/或母线。

4.根据以上权利要求中任一项所述的限制装置，其特征在于，所述馈电机组是发电机(6)和/或变压器(60)。

5.根据以上权利要求中任一项所述的限制装置，其特征在于，所述供电线路(10)位于一独立系统中，尤其是位于一船载电网或一离岸平台系统中。

6.根据权利要求1到4中任一项所述的限制装置，其特征在于，所述供电线路(100)构成一环状系统。

7.根据以上权利要求中任一项所述的限制装置，其特征在于，这个或这些快速短路器(40)是一次性短路器。

8.根据权利要求7所述的限制装置，其特征在于，一烟火技术地运行的快速短路器(40)被用作快速短路器。

9.根据以上权利要求中任一项所述的限制装置，其特征在于，所述电流检测装置(42)的检测阈值是可调节的。

10.根据权利要求9所述的限制装置，其特征在于，所述电流检测装置(42)被调节到额定电流的2倍或4倍。

11.根据权利要求12所述的限制装置，其特征在于，一电流互感器(42)被用作电流检测装置。

12.根据以上权利要求中任一项所述的限制装置，其特征在于，在短路情况中在所述分离点(30)处被转换的电力断路器(32′，32″)可被电子地控制和闭锁，使得只要已被操纵的快速短路器(40)仍被安装着，则所述电力断路器(32′，32″)的重新接通是不可能的。

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