CN103348552B - 用于三相系统中三相负载短路保护的电气设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的主题是一种用于三相系统中三相负载（1）短路保护的设备，所述设备包括用于将设备（2、3、4）连接到三相网络（5）的输入、用于将三相负载（1）连接到设备（2、3、4）的输出、用于通过点燃装置（4）在三相网络（5）中产生辅助短路的装置（4）、用于确定三相负载（1）上短路的装置（2）和用于在确定短路时生成点火脉冲的装置（3），其中，用于产生辅助短路的装置（4）和用于确定短路的装置（2）提供在输入和输出的电流通路中，用于产生辅助短路的装置（4）可被点火脉冲点燃。

Description

用于三相系统中三相负载短路保护的电气设备
本发明涉及用于三相系统中三相负载短路保护的设备，涉及包括前述设备的半导体开关设备保护设备，还涉及一种用于改进三相系统中三相负载短路保护的方法。
在也被称为三相交流电系统或干线应用的三相系统中，用于在三相系统中运行的三相负载例如马达、加热元件或灯的短路保护因电气安全的原因是必要的，所述三相负载在许多情况下通过的开关设备，例如变频器、接触器或半导体马达开关设备连接到三相网络。例如，限流开关元件，例如保险丝或断路器可用于短路保护。
该类型开关元件量度的关键参数是截止电流，即在三相负载断开之前所流过电流的峰值，还有开关元件所需的跳闸能，例如保险丝的熔断积分，即通过开关元件导致断开所需的能量。上述两个特性的特定负载量度取决于三相网络的连接负载、开关元件、尽管短路但由于存在网络和/或线阻抗而有效的连接阻抗，还取决于必须传导短路电流的另外的元件。
在限流开关元件的情况下，通常具有可能会超过连接在下游的开关设备例如接触器或马达开关设备的允许参数并由此不得不选择较小保险丝的问题。然而，在由于所涉及原理而具有高峰值电流的应用中，例如在马达的起动电流的情况下，这导致设计冲突。此外，现有技术中已知的许多限流开关元件确实可以快速地断开高短路电流，但是在相对小的短路电流的情况下动作过慢，因此过大电流可能流过下游负载并且可能会导致连接马达或加热元件的损坏。
现有技术中已知的用于前述问题的解决方法基于在限流开关元件、三相网络和负载之间实现可能的最佳匹配的构思。在这点上，在短路保护的范围内根据标准IEC60947-4-1区分两种分类类型，所述标准描述了短路之后设备或负载可允许的损坏水平。在分类类型1中，下游设备，例如接触器或半导体开关设备如果不造成诸如起火的任何风险，或者开启的带电部件不造成风险，则可以被毁坏。然而在分类类型2中，下游设备必须保持为可使用的，其中用户的干预可能是必要的，例如利用简单的工具断开开关触头。这种情况下，下游设备或负载使用寿命的缩减是允许的，这意味着短路的情况可能不会随意发生。机械开关设备，例如接触器通常分配到分类类型2，而分类类型1通常适用于半导体开关设备，例如马达。
现有技术中已知的用于前述问题的解决方法还基于以下构思：尽快断开短路电流以使得下游设备或负载无持续损坏，或者例如通过串联电阻器来限制有害的短路电流以使得不超过下游设备或负载的临界参数，或者可替代地设计开关设备使得其具有相应超大尺寸。然而，所有这些方法具有它们必须根据下游设备或负载非常特定地实施并且由此不能被普遍使用的缺点。
因此，本发明的目的是提供一种设备，利用其可以将分类类型1的设备或负载分类到分类类型2中而不导致设备或负载短路保护的任何技术性限制。具体地，本发明的目的是提供一种设备，其与待保护的设备或负载的类型无关，为所述设备或负载提供短路保护而在发生短路时不损坏设备或负载。
通过独立权利要求中的特征实现根据本发明的目的。本发明有利的实施方案在从属权利要求中说明。
因此，所述目的通过用于三相系统中三相负载短路保护的设备来实现，所述设备包括用于将设备连接到三相网络的输入、用于将三相负载连接到设备的输出、用于通过其点燃在三相网络中产生辅助短路的装置、用于确定三相负载处短路的装置和用于在确定短路的情况下生成点火脉冲的装置，其中用于产生辅助短路的装置和用于确定短路的装置提供在输入和输出之间的电流通路中，用于产生辅助短路的装置可被点火脉冲点燃。
根据本发明，在设备之后的短路和/或接地故障的情况下，也就是说例如在三相负载中短路的情况下，由此通过设备建立所谓的“旁路”形式的辅助短路，因此对三相负载有害的短路电流不再流过三相负载或不再流过连接于三相负载上游的开关设备，而是由于可在三相网络和设备之间提供的现有技术中已知的短路保护设备，例如保险丝或者断路器所建立的旁路而中断。这种情况下，旁路或者辅助短路可实施为例如三相网络中两相之间的短路，然后因此短路保护设备中断三相负载和三相网络之间的连接。
因此，根据本发明的设备还以特别简单的方式使得先前分类类型1所适用的基于半导体的马达开关设备由于通过设备到三相网络的连接也能够实现分类类型2，也就是说与现有技术中已知的解决方案相比所述开关设备在发生短路时不再必须被毁坏。由于用于产生辅助短路的装置建立了旁路，因此可连接到输出的三相负载在发生短路时保持完整，这是因为短路电流不再流过三相负载，而是流过旁路。因此设备以特别有利的方式构成保护三相负载免于被短路电流损坏的保护设备，其中用于确定短路的装置在发生短路时检测短路，并且一旦检测到短路，用于生成点火脉冲的装置然后通过点火脉冲点火，可点燃的用于产生辅助短路的装置使得旁路，即短路或辅助短路，在输入侧上从设备馈送到三相网络中，使得上游短路保护设备跳闸，中断设备的供电，从而中断连接到设备的三相负载的供电。
原则上，用于产生辅助短路的装置、用于确定短路的装置和/或用于生成点火脉冲的装置可以任意地实施。然而，根据本发明的一个改进方案，特别优选用于产生辅助短路的装置包括点火输入、耦合元件和可点燃弧隙，其中所述点火输入、耦合元件和可点燃弧隙实施为使得以点火脉冲形式可施加到点火输入的点火电压通过耦合元件作用于弧隙上以点燃电弧，所述弧隙优选地实施为使得可以通过三相网络的至少两个相之间的弧来产生辅助短路。这种情况下，触发点火脉冲的点火电压优选为施加到点火输入以产生辅助短路的电压瞬变，其中所述耦合元件和弧隙优选地制成使得甚至以较小的电压产生电弧并且使得三相网络短路的尺寸。由于所述电弧，主电流通路的短路电流整流到所产生的电弧并且不再在三相负载中运行。由于整流，为了短路电流从而建立旁路，并且因此连接到设备的三相负载不再会被短路电流损坏。由于原则上该类型的电弧可以任意地加载为具有短路电流，虽然短路电流导致弧隙大量的功率损失，布置在设备上游的短路保护设备优选地被提供并且在发生电弧时中断设备和三相网络之间的连接。
在这点上，三相网络的每个相还优选具有两个耦合元件和一个弧隙，每个相的第一耦合元件优选地连接于各自相和点火输入之间，使得所有第一耦合元件在点火输入处以星形的方式连接在一起，每个相的第二耦合元件优选地连接于为了各自弧隙的点燃分配给各自相的输入和点火输入之间，使得所有第二耦合元件在点火输入处以星形的方式连接在一起，各自相和各自的其他相或接地之间的各自弧隙优选地连接为使得施加到点火输入的点火电压在以星形的方式连接在一起的第一耦合元件和以星形的方式连接在一起的第二耦合元件之间下降。
根据本发明的一个优选改进方案，用于确定短路的装置包括电流传感器和用于确定开关阈值的装置，电流传感器布置在三相网络的相的电流通路中，用于确定开关阈值的装置配合电流传感器，用于确定开关阈值的装置实施为使得如果超过预定的开关阈值，将短路的确定发信号给用于生成点火脉冲的装置。电流传感器优选地形成为分流电阻器、PTC、霍尔传感器或者罗氏（Rogowski）线圈。在这点上，三相网络的每个相进一步包括各自的电流传感器和各自用于确定开关阈值的装置，所有用于确定各自开关阈值的装置在输出侧通过OR联接连接在一起，使得如果在仅一个相处超过开关阈值，将短路的确定发信号给用于生成点火脉冲的装置。作为开关阈值，短路电流值优选地被定义并且例如可以为标称电流的十倍到二十倍。如果超过该短路电流，用于产生辅助短路的装置将被点火脉冲点燃的信号被用于确定开关阈值的装置发给用于生成点火脉冲的装置。用于确定开关阈值的装置还优选地包括电隔离设备。
根据本发明的一个优选改进方案，用于生成点火脉冲的装置进一步包括线圈，其中所述线圈以可切换的方式连接到电源，使得可通过中断对线圈施加能量来生成点火脉冲。因此在线圈中感应出的电压优选地用作点燃用于产生辅助短路的装置的点火能。这种情况下，所述电源优选地形成为驱动电流通过线圈的辅助电压源，其中为此可以在线圈的电流通路中提供电阻器。该电流可以例如通过晶体管中断。这种情况下，储存在线圈中的能量还优选地作为点火脉冲被引导到点火输入中。根据一个可替换实施方案，用于生成开关脉冲的装置优选地实施为使得开关脉冲可以通过用于确定短路的装置所引起的短路电流生成。因此，用于生成点火脉冲的点火能优选地从短路电流中产生，也就是说短路电流也可以由此取代辅助电压源。在另一个实施方案中，可提供通过其可生成点火脉冲的变压器电路。同样地，也可提供预充电到高电压值的电容器以使得电容性存储能可以用作点火能。
本发明的目的还通过半导体开关设备保护设备实现，其包括如之前描述的设备，还有半导体开关设备，其中所述半导体开关设备提供在设备的输出处并且设计用于到三相负载的连接。由于该类型的实施方案，在发生短路时，短路电流可能不损坏半导体开关设备，而是流过设备所建立的辅助短路，从而使得跳闸优选地布置在设备上游的短路保护设备，使得设备不再连接到三相电源。由于该类型的解决方案，本发明相比于现有技术取得了实质性改进，这是由于半导体开关设备不再在发生短路时被短路电流毁坏。
通过类比于设备的上述实施方案，根据本发明的半导体开关设备保护设备的其他实施方案和优点对本领域技术人员会变得清楚。
本发明的目的还通过用于改善三相系统中三相负载短路保护的方法来实现，所述方法包括以下步骤：a）确定三相负载处的短路，b）在确定短路的情况下生成点火脉冲，和c）通过可被点火脉冲点燃的装置在三相系统中生成辅助短路。
通过类比于设备的上述实施方案，根据本发明方法的其他实施方案和优点对本领域技术人员会变得清楚。
以下将基于优选实施方案参照附图更加详细地描述本发明。
附图中：
图1示出了根据本发明的设备的示意图，
图2示出了根据本发明用于产生辅助短路的装置的示意图，
图3示出了根据本发明用于生成点火脉冲的装置的示意图，和
图4示出了根据本发明用于确定短路的装置的示意图。
图1示出了根据本发明用于三相负载1短路保护的设备的一个示例性应用的示意图。
所述设备包括用于确定三相负载1处短路的装置2、用于在确定短路的情况下生成点火脉冲的装置3以及用于产生辅助短路的装置4。设备2、3、4连接到三相网络5。如果用于确定短路的装置2检测到三相负载1处短路，那么装置2将所检测到的短路发信号给用于生成点火脉冲的装置3。用于生成点火脉冲的装置3生成点火脉冲，其结果是用于产生辅助短路的装置4点燃并且在三相网络5中产生辅助短路。
在三相负载1之前，开关设备7，例如变频器、接触器或半导体马达开关设备被提供并且由此被布置在用于确定短路的装置2和三相负载1例如马达之间。短路电流设备8提供在三相网络5和设备2、3、4之间，并且在三相网络5的每个相6中包括保险丝9或断路器。
根据本发明，在设备2、3、4之后，也就是说例如开关设备7中或三相负载1中，发生短路和/或接地故障时，设备2、3、4立刻建立“旁路”形式的辅助短路，使得所述短路电流不再流过开关设备7和/或三相负载1，而是由于所述辅助短路流过至少两个相6之间，从而短路保护设备8中断三相网络5，即电源供给，和设备2、3、5之间的连接，并且由此断开开关设备7和三相负载1。
图2示出了用于产生辅助短路的装置4的一个示例性实施方案。装置4包括点火输入10，其中通过将点火电压施加到点火输入10点燃装置4，以使得装置4在三相网络5中产生辅助短路。为此，装置4进一步包括耦合元件11，所述耦合元件11在当前的情况下形成为压敏变阻器和电容器。弧隙12也被提供并且可以形成为浪涌保护器或空气火花隙。
还可以从图2中看出，对于三相网络5的每个相6提供两个耦合元件11和一个弧隙12，其中第一耦合元件11、13和第二耦合元件11、14以星形的方式连接在一起，其中可以将点火电压施加到以这种星形的方式连接在一起的第一耦合元件11、13和以这种星形的方式连接在一起的第二耦合元件11、14之间的点火输入10。如可从图2中看出的，第二耦合元件11、14还在每个相6中都连接到弧隙12，使得通过将所述点火电压施加到点火输入10来点燃弧隙12以生成电弧。
由于所述弧隙，在附图标记所示的第一实施方案15中相6之间产生辅助短路。在附图标记16所示的第二实施方案16中，辅助短路可以移动到星点17，或者在附图标记18所示的第三实施方案18中，辅助短路可以移动到接地星点19。在如附图标记20所示的第四实施方案20中，辅助短路可能移动到马达21。这里，分配到各个实施方案15、16、18、20的虚框15、16、18、20各自通过相L1、L2、L3连接到装置4。在每个实施方案15、16、18、20中，点火电压在点火输入10上的施加，例如电压瞬变的施加，导致点火电压通过耦合元件11、13、14耦合到可点燃弧隙12上，然后其由于电弧的点燃在相6或至少两个相6之间生成辅助短路。在发生该类型短路时，因此实际上通往三相负载1的主电流通路的短路电流整流到所产生的弧隙12的电弧，使得由于因此建立的“旁路”，短路电流不再加载随后的开关设备7和三相负载1，因此开关设备7和三相负载1不会受到任何损坏。
图3示出了用于生成点火脉冲的装置3的一个示例性实施方案。提供在其中通过辅助电压源23感应出电压的线圈22。因此由于电阻器24电流被驱动通过线圈22。由于电流的中断，在当前情况下通过可控制半导体开关25例如晶体管，在线圈22中感应出的电压可以作为点火能通过点火输入10施加到用于产生辅助短路的装置4上，以点燃用于产生辅助短路的装置4。
图4示出了用于确定三相负载1处短路的装置2的一个示例性实施方案。装置2包括例如形成为分流电阻器、PTC、霍尔传感器或者罗氏线圈的电流传感器26，并且提供在相6的电流通路中。装置2进一步包括用于确定开关阈值的装置27，当超过预定的开关阈值，例如三相负载1标称电流的十倍到二十倍时，确定短路并且将确定的短路发信号给用于产生点火脉冲的装置3，如附图标记28所示。还可以从图4中看出，每个相6包括电流传感器26和相关联的用于确定开关阈值的装置27，其中即使短路电流仅在一个相6处已经被确定，三个装置27，通过在当前情况下由二极管形成的OR联接29，将已经超过开关阈值的事实发信号给用于产生点火脉冲的装置3。
附图标记列表
三相负载1
用于确定短路的装置2
用于生成点火脉冲的装置3
用于产生辅助短路的装置4
三相网络5
相6
开关设备7
短路保护设备8
保险丝9
点火输入10
耦合元件11
弧隙12
第一耦合元件13
第二耦合元件14
第一实施方案15
第二实施方案16
星点17
第三实施方案18
接地星点19
第四实施方案20
马达21
线圈22
辅助电压源23
电阻器24
半导体开关25
电流传感器26
用于确定开关阈值的装置27
发信号28
OR联接29

Claims (8)

1.一种用于三相系统中三相负载(1)短路保护的设备，所述设备包括：
输入，用于将所述设备(2、3、4)连接到三相网络(5)，
输出，用于将所述三相负载(1)连接到所述设备(2、3、4)，
用于产生辅助短路的装置(4)，通过所述装置(4)的点燃在所述三相网络(5)中产生辅助短路，
用于确定短路的装置(2)，确定所述三相负载(1)处的短路，和
用于生成点火脉冲的装置(3)，在确定所述短路的情况下生成点火脉冲，其中，
所述用于产生辅助短路的装置(4)和所述用于确定短路的装置(2)提供在所述输入和所述输出之间的电流通路中，
所述用于产生辅助短路的装置(4)是可被所述点火脉冲点燃的，
所述用于确定短路的装置(2)包括电流传感器(26)和用于确定开关阈值的装置(27)，
所述电流传感器(26)布置在所述三相网络(5)的相(6)的电流通路中，
所述用于确定开关阈值的装置(27)与所述电流传感器(26)配合，
所述用于确定开关阈值的装置(27)形成为使得如果超过预定开关阈值，则将短路的确定发信号给所述用于生成点火脉冲的装置(3)，并且
所述用于确定开关阈值的装置(27)包括电隔离设备，
其中所述三相网络(5)的每个相(6)包括各自的电流传感器(26)和各自的用于确定开关阈值的装置(27)，所有用于确定各自开关阈值的装置(27)在输出侧通过OR联接(29)连接在一起，使得如果在仅仅一个相(6)处超过所述开关阈值，则将短路的确定发信号给所述用于生成点火脉冲的装置(3)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述用于产生辅助短路的装置(4)包括点火输入(10)、耦合元件(11、13、14)和可点燃的弧隙(12)，其中所述点火输入(10)、所述耦合元件(11、13、14)和所述弧隙(12)形成为使得可施加到所述点火输入(10)的点火脉冲形式的点火电压通过所述耦合元件(11、13、14)作用于所述弧隙(12)上以点燃弧隙，所述弧隙(12)形成为使得所述辅助短路可以通过所述三相网络(5)的至少两相(6)之间的弧隙来产生。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述耦合元件(11、13、14)形成为压敏变阻器和/或电容器，所述弧隙(12)形成为浪涌保护器和/或火花隙。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述三相网络(5)的每个相(6)提供有两个耦合元件(11、13、14)和一个弧隙(12)，每个相(6)的第一耦合元件(11、13、14)在各自的相(6)和所述点火输入(10)之间连接，使得所有第一耦合元件(11、13)在所述点火输入(10)处以星形的方式连接在一起，每个相(6)的第二耦合元件(11、14)在为了各自的弧隙(12)的点燃而分配给各自的相(6)的输入和所述点火输入(10)之间连接，使得所有第二耦合元件(11、14)在所述点火输入(10)处以星形的方式连接在一起，各自的相(6)和各自的其他相(6)或接地之间的各自的弧隙(12)连接为使得施加到所述点火输入(10)的点火电压在以星形的方式连接在一起的所述第一耦合元件(11、13)和以星形的方式连接在一起的所述第二耦合元件(11、14)之间下降。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的设备，其中所述用于生成点火脉冲的装置(3)包括线圈(22)，其中所述线圈(22)以可切换的方式连接到电源，使得可通过中断对所述线圈(22)的能量施加来生成所述点火脉冲。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的设备，其中所述用于生成点火脉冲的装置(3)形成为使得可通过由所述用于确定短路的装置(2)所建立的短路电流来生成所述点火脉冲。
7.一种半导体开关设备保护设备，包括根据权利要求1-6中任一项的设备(2、3、4)和半导体开关设备，其中所述半导体开关设备提供在所述设备(2、3、4)的输出处，并且设计用于连接到三相负载(1)。
8.一种用于改进三相系统中三相负载(1)短路保护的方法，所述方法包括以下步骤：
a)通过用于确定短路的装置(2)确定所述三相负载(1)处的短路，其中所述用于确定短路的装置(2)包括电流传感器(26)和用于确定开关阈值的装置(27)，所述用于确定开关阈值的装置(27)包括电隔离设备，
b)在确定所述短路的情况下生成点火脉冲，和
c)通过可被所述点火脉冲点燃的装置(4)在所述三相系统中生成辅助短路。
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