CN107851987B

CN107851987B - 用于建立多相电气连接的装置以及具有相应装置的装备

Info

Publication number: CN107851987B
Application number: CN201680046223.9A
Authority: CN
Inventors: A·福尔克; 塞巴斯蒂安·乌姆劳夫
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2036-07-13
Also published as: EP3332464B1; US20180175572A1; WO2017025265A1; DE102015113123B4; EP3332464A1; CN107851987A; DE102015113123A1; US10193284B2

Abstract

一种用于建立多相电气连接的装置(1)，每相包括至少一个连接元件(2)。在此，每个连接元件(2)包括两个汇流排(3)和在平面中平行布置的、导电连接两个汇流排(3)的多个(N)相同的柔性导体(4)。相邻导体(4)的截面的几何中心彼此的距离(a)至少是其中一个导体(4)的等效直径(d，d_等效)的两倍。每个汇流排(3)各自具有用于使连接元件(2)与电气设备电气连接和机械连接的连接区域(5)，并且连接元件(2)彼此平行布置。被分配到不同相的相邻的连接元件(2)的相邻导体(4)的截面的几何中心彼此间具有距离(b)，该距离在每种情况下至多为电气导体(4)的数量(N)减去1与相的导体(4)彼此间的距离a相乘的乘积的一半。

Description

用于建立多相电气连接的装置以及具有相应装置的装备

描述

本发明涉及用于建立多相电气连接的、每相包括至少一个连接元件的装置以及具有相应的装置的装备。

在电气系统中，诸如包括燃料电池应用、电动车辆和混合动力车辆或光伏电站的电气系统，通常需要在这些系统的不同部件之间传输电力。为此，使用电气连接元件。在选择合适的连接元件时，不同的要求起作用。因此，除了待传输的电功率之外，也必须考虑例如机械要求和可能的电动力学效应。

为了传输大功率，广泛使用大量的汇流排(Stromschiene)，例如铜制或铝制的汇流排。因此，通常情况下，使用例如也用于将逆变器的多相(通常是三相)交流电压输出端连接到电气系统的其它电气部件上的汇流排。

对这样的电气连接元件的普遍要求是，它们应该能够补偿在彼此间相对定位待连接的部件时出现的不准确性，即应该能够实现所谓的公差补偿。使用上面提到的大量的汇流排不可能实现这一点或者仅以非常有限的程度实现这一点。出于该原因，优选使用机械上柔性的连接元件，例如可以由铝丝网或铜丝网组成的连接元件(例如，参阅DE29703525U1)。在此，通常涉及特殊产品，这些特殊产品因而可能会导致比使用市售材料时更高的成本。

在所有上述连接元件中，物理效应，诸如所谓的趋肤效应和邻近效应，可能会导致当这些连接元件在交流电系统中使用时连接元件内的电流密度不同于直流电系统是不均匀的。例如，如果在大的圆柱形导体中，导体直径远远大于由于趋肤效应所引起的所谓的穿透深度，则根据频率可能只有在导体表面下方的一层穿透深度的厚度承载全部电流。当使用多个导体时，由于通过相邻导体中的可变磁场感应的电压引起的涡流而引起的邻近效应导致进一步的位移效应

在平行布置的、被同方向的电流流过的导体中，这两种效应的叠加会致使电流流动限于导体更小的横截面上。与直流电阻相比所产生的交流电阻相应较高。这些效果及其对电力电缆的交流电阻的影响例如在由R.Suchantke、H.Just于2014年3月13日在柏林工业大学的Fachgebiet TheoretischeElektrotechnik,PROJEKT ELEKTROMAGNETISCHE SIMULATION:WECHSELSTROMWIDERSTANDENERGIEKABE中发表的“Numerische Untersuchung des Wechselstromwiderstandes vonEnergiekabeln”中进行了描述。

因此，这些位移效应由于所产生的电阻而导致损耗，并从而也导致连接元件内的局部热负荷。在这种情况下，负荷的大小尤其取决于流过连接元件的电流的频率和几何因素，例如，连接元件的直径或彼此间的距。

在德累斯顿工业大学的电力供应和高压技术学院(Institut für ElektrischeEnergieversorgung und Hochspannungstechnik)的2011年度报告中，由R.Adam发表的题为“Untersuchungen zur

in Sammelschienensystemen vonNiederspannungs-

(NS-SK)”的文章包括在内。其中给出了在考虑到趋肤效应和邻近效应的情况下用于对三相系统的彼此平行布置的汇流排中电流密度分布进行数值模拟的结果。该结果示出了具有被三相电流流过的六个汇流排的结构内的非均匀的电流分布。在这里尤其可以识别出不同相的相对的汇流排的边缘区域中增加的电流密度。

此外，在US3178668A中还指出了通过各个相的汇流排的紧凑的空间布置来减小多相电力传输系统中的阻抗的可能性。

在US20100051342A1中提出了在汇流排之间布置磁性屏蔽，以减少由于流过平行布置的汇流排的电流而引起的邻近效应。

在现有技术中有各种方法，通过导体或连接元件的巧妙的内部结构来减少上述位移效应的影响，或者例如通过使用波导来降低对这些元件的材料要求(例如，参阅DE102012107751A1)。

因此，在一些应用中使用所谓的分割导体(Milliken-Leiter)。它们由绞合的、电绝缘的段构成，这些段自身又由绞合的单线组成。由此应实现的是，相同强度的电流流过每根单线，因此通过各个单线中的电流流动感应的电压可以相互补偿。通常，导体另外被绝缘层和铜屏蔽或铝屏蔽包裹(例如，参阅DE102013100955A1)。

另外，金属丝网也可以用作连接元件，该金属丝网在机械上看由于其柔韧性而相对于汇流排更确切地说是相对于提到的分割导体具有优点(例如，参阅DE29703525U1)。通过使用这样的金属丝网最多可以减少由上述位移效应引起的连接元件内的电流分布的不均匀性。常用的铝丝网或铜丝网通常涉及特殊产品，这些特殊产品因而可能会导致比使用市售材料时更高的成本。

因此，本发明的任务在于，提供一种用于建立多相电气连接的装置以及具有相应的装置的装备，其中该装置由商用导体构成并且在该装置内实现了尽量均匀的电流密度分布，以防止装置内的区域由于局部增加的功率损耗而热过载。

该任务通过根据权利要求1的用于建立多相电气连接的装置以及由根据权利要求10的、通过相应的装置连接的电气设备的电气汇流排组成的装备得以实现。优选的实施方式在从属权利要求中进行了描述。

在根据本发明的用于建立多相电气连接的、每相具有至少一个连接元件的装置中，每个连接元件包括两个汇流排和在平面中平行布置的、导电连接这两个汇流排的、数量为N的相同的柔性导体。在这种情况下，相邻导体的截面的几何中心的距离a至少是其中一个导体的直径d的两倍。其适用于以下条件1：

a≥2d

如果使用非圆形截面的电缆，则可以应用上述关系式，方式是对于截面积为A的这样的导体使用等效直径d_等效代替直径d：

每个汇流排各自具有连接区域，该连接区域用于使连接元件与电气设备的电气汇流排电气连接和机械连接。在此，传输不同相的电流的连接元件被彼此平行布置，并且相邻的连接元件的相邻导体截面的几何中心彼此间的距离在每种情况下至多为电气导体的数量减去1与相的导体彼此间距离相乘的乘积的一半。第二条件可以用以下公式表示(条件2)：

利用这样的装置，例如可以在逆变器的三相交流输出端的汇流排和变压器的低电压输入端的汇流排之间建立导电连接。在根据本发明的装置的导体中会发生各个位移效应的复杂叠加。一方面，各个导体内的趋肤效应导致电流移向各个导体的外部区域中。在相的连接元件的导体之间由于邻近效应在相对的区域中会发生电流位移。通过根据条件2定义的有间隔地布置装置的连接元件，该连接元件传输其它相对相位的电流，会致使特别是在不同相的相对导体中的电流密度增加。当相差接近180°时，该效应尤其明显。结果，单个效应的这种叠加导致各个导体内的电流密度分布更均匀。通过这种方式，几乎整个导体截面均可用于电流传输，因此与传统的解决方案相比，可以实现成本低廉的连接元件。

本发明利用已提及的趋肤效应和邻近效应对用于建立多相电气连接的装置内的电流密度分布产生的实际上不期望的效果，以通过由于装置的结构所引起的这两个效应的有利叠加来实现装置内的电流位移方面的部分补偿。以这种方式在装置内产生本质上更加均匀的电流密度分布。这使得可以实现用于建立多相电气连接的装置，该装置具有非常简单的结构和极低的材料要求，因此相对于根据现有技术已知的解决方案可以成本低廉地实现。

在根据本发明的用于建立多相电气连接的装置的优选实施方式中，导体的直径小于或等于由于趋肤效应产生的穿透深度。在此，穿透深度既取决于频率，又取决于材料的电导率和渗透性。

可以以不同的方式将各个导体固定在汇流排上。因此，例如在根据本发明的装置中，借助于电缆终端将导体固定在汇流排上。在可替代的实施方式中，导体被单独地与汇流排冲压或冷焊接以用于电气接触。

为了机械地固定导体的位置，在根据本发明的装置的实施方式中，将电绝缘的间隔件布置在连接元件的导体之间。另外或可替代地，在装置的另一实施方式中，将电绝缘的间隔件布置在相邻的连接元件之间，以便例如在出现短路时和/或在升温时拦截在连接元件之间出现的力。

在根据本发明的装置的另一实施方式中，连接元件的导体和/或整个装置被灌封。在这种情况下，可以使用不同的电绝缘的灌封材料，例如根据应用范围具有不同的机械性能的灌封材料，以便例如获得连接元件或装置的机械柔韧性，对于在连接两个电气设备时进行公差补偿需要该机械柔韧性。可替代地，也可以首先在建立两个电气设备的连接之后再进行装置的灌封。在这种情况下，灌封后装置也可能被构造成刚性的。

此外，根据本发明的用于建立多相电气连接的装置的优选实施方式提出，导体各自设置有例如由橡胶、PVC或TPE制成的电绝缘的覆盖物。

在由上述装置之一连接的电气设备的电气汇流排组成的根据本发明的装备中，连接元件与电气设备的汇流排这样连接，使得相邻的连接元件不被分配给相同的相。

在根据本发明的另一装备中，连接元件被布置成使得通过两个相邻的连接元件的电流的相差与180°之间的偏差最小。

以下将借助于附图来对本发明进行描述，其中：

图1示出了用于建立多相电气连接的装置的根据本发明的三相实施方式，

图2示出了根据本发明的连接元件，

图3示出了用于建立多相电气连接的根据本发明的装置的三相实施方式中的电气导体的空间布置的示意图；以及

图4示出了各种传导电流的系统(stromführende Systeme)的相位以及被分配给该相位的连接元件彼此的空间布置的示意图。

图1示出了用于传输三相电流的装置1的根据本发明的三相实施方式。在所示的实施例中，装置1每相分别具有一个连接元件2，其中连接元件2的两个汇流排3分别通过十个导体4彼此导电连接。连接元件的导体4彼此平行布置，并且在其材料和几何形状方面相同。在这种情况下，在所示的实施方式中，借助于电缆终端7将各个导体4固定到相应的汇流排3上。但是例如通过冲压或焊接可替代地使导体接触到汇流排上也是可行的。当连接元件2彼此平行布置时，可以根据条件2来选择距离b。各个连接元件2与电气设备的电气汇流排6的电气连接和机械连接在图1所示的透视图中不能详细地识别出来。为了清楚起见，没有示出电气设备。

在示出了图1的连接元件2的透视图的图2中，除了汇流排3、电缆终端7和导体4之外，也分别示出了连接区域5，该连接区域用于使连接元件2与该图中未包含的电气设备的电气汇流排6电气连接和机械连接。汇流排3在连接区域5的范围内与电气设备的汇流排6的这些连接例如可以通过拧接、铆接或焊接来建立。在这种情况下，图2中正方形显示的连接区域5的形状和大小可以根据外部要求来改变。

图3示意性地示出了导体4的区域中的三相结构的装置1的截面。这里仅示出了导体4的截面。在这里，每相还是再次使用了十个直径为d的导体4。连接元件21、22、23的导体4彼此间各自具有距离a，并且这三个示出的连接元件21、22、23彼此间各自具有距离b。在此，上述两个条件a≥2d和

也满足。

图4a)至图4c)分别在上部区域中示出了电流矢量表示，其中各种系统中电流彼此间的相位分别通过所使用的箭头以图形表示。在根据图4a)的第一种情况中涉及两相系统，其中相差是180°。接下来，图4b)中为相差分别为120°的三相系统。直接在该相位的图示下方示意性地示出了子元件2彼此间的布置。对于情况4a)和4b)，没有示出子元件2彼此间的布置。在示例性地示出了具有五个或九个不同相的引导电流的系统的另外两个示例4c)和4d)中，在连接元件2的布置中在邻近效应对导体4内的电流密度分布的影响方面考虑到，通过两个相邻的连接元件2的电流的相差与180°之间的偏差最小。因此，在图4c)中所示示例中得出了这样的布置，当具有相位3'的连接元件2被布置在具有相位1'的连接元件2旁时，在该布置中通过两个相邻的连接元件2的电流的相差分别为144°。旁边接着是具有相位5'、2'的连接元件2，然后是具有相位4'的连接元件2。在子图4d)中所示的情况完全类似，其中相邻的电流矢量之间存在40°的相差。在这种情况下，在九个连接元件2的布置中，选择如下顺序的相位：1'，5'，9'，4'，8'，3'，7'，2'，6'。因此，通过相邻的连接元件2的电流的相差是160°。

参考标记列表

1 装置

2 连接元件

3 汇流排

4 导体

5 连接区域

6 汇流排

7 电缆终端

21 连接元件

22 连接元件

23 连接元件

Claims

1.一种用于建立多相电气连接的装置(1)，每相包括至少一个连接元件(2)，其中，每个连接元件(2)包括两个汇流排(3)和在平面中平行布置的、导电连接所述汇流排(3)的数量为N的多个相同的柔性导体(4)，

其中，相邻的导体(4)的截面的几何中心彼此间的第一距离(a)至少是所述导体(4)之一的等效直径d_等效的两倍，

其中，每个汇流排(3)各自具有用于使所述连接元件(2)与电气设备电气连接和机械连接的连接区域(5)，以及

其中，所述连接元件(2)被彼此平行布置，并且被分配给不同相的相邻的连接元件(2)的相邻的导体(4)的截面的几何中心彼此间具有第二距离(b)，所述第二距离(b)在每种情况下至多为所述导体(4)的数量N减去1与所述第一距离(a)相乘的乘积的一半。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述导体(4)的直径(d)小于或等于由于趋肤效应而产生的穿透深度。

3.根据前述权利要求中的任意一项所述的装置(1)，其中，所述导体(4)借助于电缆终端(7)被固定在所述汇流排(3)上。

4.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述导体(4)被单独地与所述汇流排(3)冲压或冷焊接以用于电气接触。

5.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，电绝缘的间隔件被布置在连接元件(2)的所述导体(4)之间。

6.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，电绝缘的间隔件被布置在相邻的连接元件(2)之间。

7.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述连接元件的所述导体(4)和/或整个装置被灌封。

8.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述导体(4)被各自设置有电绝缘的覆盖物。

9.根据权利要求8所述的装置(1)，其中，所述电绝缘的覆盖物由橡胶、PVC或TPE制成。

10.一种由电气设备的电气汇流排(6)组成的装备，所述电气设备的电气汇流排(6)由根据权利要求1至9中的任一项所述的装置连接，其中，所述连接元件(2，21，22，23)与所述电气设备的电气汇流排(6)连接，使得相邻的连接元件(2)不被分配给相同的相。

11.根据权利要求10所述的装备，其中，所述连接元件(2)被布置成使得通过两个相邻的连接元件(2)的电流的相差与180°之间的偏差最小。