CN109075559A - 用于保护连接在多相网络上的用电器的具有低压和过压切断功能的电路布置系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电路布置系统，所述电路布置系统用于保护连接在多相网络(L1；L2；L3)上的用电器(7)，所述电路布置系统具有低压和过压切断功能、瞬时的过压保护装置和网络重新连接装置，其中，相应的用电器(7)能借助于多极的开关(5)与网络连接以及在所述开关和所述网络之间设置有瞬时的过压保护装置(1)，此外，所述电路布置系统具有网络电压分析单元(3)和施加在所述网络上的电压供应组件(2)，所述网络电压分析单元为了触发所述开关而与所述开关在控制侧连接并且与重新接通单元(4)连接。按照本发明，所述开关构造为快速触发的、机械式的、低电感的开关并且构造用于引导脉冲电流，其中，用于触发开关所需的能量与网络状态和相应的相位无关地由蓄能器单元提供并且根据开关状态给出不同的过压保护功能。

Description

用于保护连接在多相网络上的用电器的具有低压和过压切断 功能的电路布置系统

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的电路布置系统，所述电路布置系统用于保护连接在多相网络上的用电器，所述电路布置系统具有低压和过压切断功能、瞬时的过压保护装置和网络重新连接装置，其中，相应的用电器能借助于多极的开关与网络连接以及在所述开关和网络之间设置有瞬时的过压保护装置，此外，所述电路布置系统具有网络电压分析单元和施加在所述网络上的电压供应组件，所述网络电压分析单元为了触发所述开关而与所述开关在控制侧连接并且与重新接通单元连接。

背景技术

在分散式能量供应的领域中并且特别是在能量发生器(例如风力设备)的自身供应中，网络电压的质量通常且强烈地偏离传统的能量供应装置的质量。这特别是也涉及设备的结构和在能量发生器实际连接到能量网络上和整合到能量网络中之前的试运行。

在此，相应的电压在大小方面可能明显地偏离网络电压，更确切地说也在较长的时间段上偏离网络电压。在这样的能量供应装置上通常存在复杂的电子部件和控制装置，所述电子部件和控制装置不仅在低压时而且在过压时可能快速并且显著地损坏，所述低压和过压轻微偏离标称电压。这些损坏不仅涉及有源的构件，而且也涉及大量无源的部件，例如蓄能器、电容器等等。

通常在这样的仪器中使用的过压放电器特别是设计用于瞬时的负载，然而不设计用于暂时的或者持久的过压。由于部分强烈偏离的条件，在实际开动之前，通常在相应设备的试运转中已经发生部件或者零件的故障，这导致耗费的维护和修理工作以及导致实际开动延迟。

在稍后的运行中，为了确保在网络上的稳定运行，也通常有意地在一定时间内在常见的网络的公差范围之外运行这样的设备。所使用的构件的负载在相同的标称电压时在电压没有进一步提高的情况下就已经处于极限范围内。

因此，在允许的持续运行电压和必须切断的短暂的过压之间的公差范围窄于在传统的网络中的公差范围。由于构件本来就极限负载地运行，也提高对电压测量的精确度的要求并且特别是也提高对切断时间的要求。

要保护的控制装置和设备部件必须设计成能远程控制的，并且具有230V的标称电压或者以230V/400V三相地供电。常见的标称电流处于10A至100A的范围内。除了用于保护以防过压的前提条件之外，还应该考虑在低压情况下的类似的条件。

用于上面提到的电压和电流范围的、作为过压和低压触发器的开关仪器例如由DE600 07 361 T2已知。电压测量和评估在若干毫秒的时间段上进行。网络供应的中断可以在几百毫秒之后，或者在使用延迟元件的情况下处于几秒的范围内。

由同类型的EP 1 701 424 B1事先已知一种防止瞬时的和持续较长时间的过压的组合式电气低电压保护装置，该低电压保护装置具有自动的重新连接装置。

在那里的电路布置系统中，在网络侧连接电压供应装置并且设置有瞬时的过压保护装置。基于网络电压分析单元进行开关的触发，所述开关构造为热磁式开关或者构造为这样的开关，所述开关响应于差分电压，从而可以通过切断来保护以防过压。

通过使用热断开装置结合金属氧化物压敏电阻对后续的用电器拦截瞬时的过压。

然而，已经证实的是，在EP 1 701 424 B1中描述的技术解决方案具有相当迟钝的性能，其中，在必需断开网络时，反应时间经常不够。已知的装置不能填补在瞬时的保护和暂时的保护之间的时间空隙，对此用于当前的电压检测的进一步改进的改善的分析方法也不能显著改变什么。此外，在现有技术的解决方案中，在切断之后不存在充分的过压保护、特别是对在网络侧始终存在的组件的过压保护。

发明内容

因此，从先前提到的内容出发，本发明的任务在于，给出一种用于保护连接在多相网络上的用电器的进一步改进的电路布置系统，所述电路布置系统具有低压和过压切断功能、瞬时的过压保护装置和网络重新连接装置，其中，在第一次连接网络供应之前，用电器和电路本身就已经防止瞬时的、暂时的亦或持续的直至高于网络的线间电压的过压，而不限制必要的功能性。

此外，在电压更高时应实现对于电路布置系统和用电器来说更可靠的状态。

本发明的任务通过按照权利要求1的特征组合的、用于保护连接在多相网络上的用电器的电路布置系统解决，其中，从属权利要求至少包括适宜的构造方案和进一步改进方案。

按照本发明的电路布置系统能够区分瞬时的和暂时的过压和低压并且在窄的公差窗口内在暂时的过程中自主地将用电器与网络断开或者与网络连接。

用于与网络断开的时间能限制为＜10ms。

在发生瞬时的干扰的情况下，电路布置系统应该不导致现有的或者附加的过压保护装置的损坏。

按照本发明，所述电路布置系统基于一种具有负载切换能力的开关，该开关具有快速的触发可能性并且设计成能经由控制单元闭合的。

因此，按照本发明的开关构造为快速触发的、机械式的、低电感的开关，该开关适用于引导脉冲电流，并且用于触发开关所需的能量与网络状态和相应的相位无关地由蓄能器单元提供。

已有的施加在网络上的且在开关触发时不与网络断开的瞬时的过压保护装置保护了电路布置系统的保留在网络上的部件以防过压并且在高且持续久的过压的情况下过渡到短路状态中、亦即过渡到故障保险状态中。

在本发明的一种构造方案中，所述瞬时的过压保护装置具有可调节的保护电平，其中，根据网络电压分析单元的输出信号进行保护电平的适配或转换。

在本发明的进一步改进方案中，在按照本发明的开关的输出侧设置有在用电器侧的另外的过压保护装置。所述另外的过压保护装置具有脉冲波形8/20μs的基本20kA的放电能力连同大约1.5kV保护电平，其中，在瞬时的过压的情况下通过打开开关断开所述另外的过压保护装置而允许用于相应连接的用电器的低的保护电平。

与所述开关连接的重新接通单元能够在＜1s、优选＜200ms的持续时间内闭合或打开所述开关。

用于所述重新接通单元的电能要么从与网络连接的电压供应组件获得要么由缓冲存储器提供。

此外，设置有用于网络电压分析单元的无中断的电压供应装置。以此，能可靠地确定：检测重新施加的网络电压或者再次达到确定的公差范围，从而可以可靠地重新接通先前断开的用电器。

能经由接口实现外部地监视所述开关的状态或者所述电路布置系统的总体状态以及外部地操纵所述开关。

多相地构造的按照本发明的开关这样设计，使得消除在相应的各相之间的切换延迟。

与网络连接的瞬时的过压保护装置优选可以设计为可触发的火花间隙。

附图说明

以下应借助实施例以及借助附图更详细地阐明本发明。

在此，示出：

图1示出按照本发明的电路布置系统的第一实施变型方案的框图，该电路布置系统具有两个瞬时的过压保护装置；

图2示出示例性的功能过程，包括网络的在按照本发明的开关上游的电压变化曲线U1以及在所述开关下游的用电器上的电压变化曲线U2，其中，用T1表明用于切断用电器的最大的延迟时间，用T2表明用于自主重新接通的时间，用T3表明重新接通时间并且用T4表明用于外部的重新接通的时间，以及

图3示出按照本发明的电路布置系统的另一实施方式，该电路布置系统具有仅一个过压保护装置单元并且具有基于网络电压分析单元的信号触发该过压保护装置单元的可能性。

具体实施方式

按照图1和图3的电路布置系统从多相的网络L1、L2和L3以及零线N和PE出发。

在网络上关于每个相连接有一个瞬时的过压保护装置1。

同样，在网络上存在电压供应组件2。

所述电压供应组件2为网络电压分析单元3提供DC供应电压，所述网络电压分析单元与此有关地与相L1、L2和L3接触。

组件3不仅用于分析网络电压，而且还为按照本发明的多相的、构造为快速触发器的开关5提供控制信号并且提供关于重新接通组件4的控制信号以用于网络重新连接。经由信号线9提供控制信号以用于断开开关5、亦即以用于触发所述开关，其中，经由信号线11提供接通信号。

外部的接口6一方面与外部的监视和操控线13连接，以及与控制线10连接。

控制线10一方面到达网络电压分析单元3上，以及另一方面到达瞬时的过压保护装置1上。

在本发明的一种构造方案中，瞬时的过压保护装置1具有可调节的保护电平。根据网络电压分析单元3的输出信号，经由导线8引起过压保护装置1的保护电平的适配或者转换。

在开关5和用电器7之间的输出侧存在用于各个相的另外的第二过压保护装置12。这个另外的瞬时的过压保护装置是用电器侧的过压保护装置。

因此，按照图1的视图，经由五线系统进行供电，其中，用电器7经由开关装置5与供电装置连接。

开关装置5优选仅将相L1至L3与用电器7连接。

所提到的过压保护装置12布置在开关装置5的下游，因此处于用电器7附近。

将这另外的过压保护装置12设计为具有在脉冲波形8/20μs下20kA的标称放电能力的类型2的过压保护装置，并且具有在例如230V至275V的标称电压时或者在230/400V的供电时基本上1.5kV的保护电平。

基于压敏电阻的类型2的过压放电器由于其快速且连续的响应性能以及可适配的低的保护电平而非常好地适合于保护用电器。然而，这个过压保护装置放电器12在暂时的过压的情况下通常具有仅低的过载能力，由此，在电压提高时通过开关5断开是有意义的。在过压保护装置1设计为可触发的火花间隙的情况下，尽管相对于暂时的过压的稳定性明显更高，必要时仍可以实现1.5kV的相同的保护电平。

所述断开或者切断借助于开关5实现，所述开关构造为具有快速触发装置的机械式开关。所述开关没有热触发装置，并且如例如在漏电开关(Fi-Schalter)或者功率开关中那样也不参与差分电流分析。因此，所述开关的打开与经过相导线的电流无关地通过快速的触发机构实现。这样的实施方式允许引导高的脉冲电流，所述高的脉冲电流对于过压保护装置12的优化的功能来说并且因此对于在常规的运行状态下或者在瞬时负载下保护用电器7来说是必需的。

可以通过开关将过压保护装置12与网络断开允许实现用于用电器7的非常低且优化的保护电平，因为不必对所述过压保护装置12提出在暂时的负载方面的其他通常的需求。

为了在故障情况下在暂时的过压时在几毫秒内与网络的相位无关地迅速且同时地打开开关5的所有接触，优选地并且按照本发明地利用来自蓄能器的电流引起对开关触发机构的操纵。因此，开关5的触发与网络中的相位和电流流动无关。

开关5可以设计为具有标称电流强度＞63A的负载开关能力的改良的漏电开关(Fi-Schalter)，在该漏电开关中三个相不参与其他通常的差分电流触发并且所述触发必要时直接经由非连接在网络上的、而是与辅助电流回路连接的零线进行。

这样的改良的开关能够在＜3ms的时间内打开相应的主触点。这样的开关装置比其他用于保护以防暂时的过压的传统的保护装置或者负载断开开关快几倍。

所述开关这样设计，使得可以中断在四倍至十倍的标称电流的范围内的电流。在打开的状态下，开关的触点和断开路径具有若干kV的最小脉冲电压稳定性和高于网络的线间电压的持续电压稳定性。

开关5与用于重新接通的装置4连接，该装置能够在操控时在＜1s、优选＜200ms的持续时间内闭合所述开关并且还能够与对所述开关的自身的触发机构的操纵无关地打开所述开关。

用于激活重新接通开关4的能量例如从电压供应组件2中或者从未示出的缓冲存储器中获得。

对开关5的或者重新接通开关4的操纵经由已经阐明的网络电压分析单元3进行，该网络电压分析单元具有控制功能。与此有关地，获取在所述三个相L1、L2和L3之间的电压并且将所述电压与可预定的或者可调节的极限值进行比较。通常，将具有≤3％的小的公差的最小的运行电压和最大的运行电压存储为极限值。除了所述电压之外还存储有阈值，在所述阈值时在超过或者低于相应的极限值时进行报告。

除了阈值之外，也可以经由可调节的持续时间来调节用电器7的网络供应的自动的连接或切断。如果例如识别出持续较久地偏离确定的电压范围，则重新起动可以与附加的外部的控制信号相关联。

所述外部的控制信号可以经由外部的接头13、接口6和导线10传递，从而返回到电路布置系统的自动的调节状态中。为了在例如风力设备的运行中使所述风力设备即使较强烈地偏离标称电压仍保持功能，在允许的运行电压和导致切断的电压之间的界限保持为窄的。例如，在不进行报告的情况下仍持续地容忍以115％的电压运行，而在超过130％的电压情况下必须特别快速地、亦即在＜10ms内进行切断。即使直接同时出现瞬时的干扰参量也不允许超过预先给定的值。在低压的情况下期望类似的性能。

在瞬时的电压和暂时的负载之间的区分经由高精度地测量相应的电压的实际值并且将其与一个或多个阈值进行比较来实现。优选在100μs至3ms之间，不经由相应的可调节的时间元件评估瞬时的负载。如果超过阈值长达更久的持续时间，则借助于蓄能器进行开关5的触发。

在打开开关5之后，用电器7与网络断开。然而，电压供应装置2和借助于分析单元的电压分析装置3还与网络连接。保留的部件的电压稳定性虽然高于用电器7的电压稳定性，但是在暂时的以及瞬时的过压方面同样受限制。

由于开关5打开，所述另外的瞬时的过压保护装置12与网络断开并且因此不能再保护电路布置系统的保留在网络上的部件。

在这里，特别是过压保护装置1采取行动，该过压保护装置承担在保护电路布置系统方面的多个要求。

在开关5闭合时，过压保护装置1直至过压保护装置12的功率极限表现为被动。

在开关5打开时，过压保护装置1作为保护装置起作用，所述保护装置用于保留在网络上的组件2和组件3并且当然也用于开关5。直至高于线间的网络电压，要保护的装置即使在暂时的电压时也是自身稳定的。在瞬时的负载的情况下，过压保护装置1实现＜1.5kV或者＜4kV的保护电平、优选2.5kV的保护电平。在暂时的过压的情况下，过压保护装置1直至其能量功率能力将电压限制在低于组件2和组件3的负载极限的值。因此，足够保护所述组件以防过压，由此，在电压情况正常化时可以在没有维护和修理措施的情况下自动地或者按照单独的控制指令重新进行正常运行。

在暂时的过压非常高且持续非常久时，不通过保护装置将过压保护装置1与网络断开。更确切地说，使过压保护装置1短路，由此能在过载之前排除组件2和组件3的危险。在此，过压保护装置1的短路能够引导网络的短路电流直至切断过流保护装置。

当出现这样的情况时，在重新起动之前在检查过流保护装置之后仅需要替换所述过流保护装置。通过在过压保护装置1和接口6之间的连接，可以向外发出与此有关的报告。

过压保护装置1在没有直接的雷击危险的设备中能通过基于压敏电阻的保护装置实施。在具有直接的雷击危险的设备中进行压敏电阻与火花间隙的配合。

图2示出用于表明开关性能以及电压情况的示例性的功能过程。出于清楚性原因，视图主要涉及在暂时的过压时的情况。

电压U1表示网络的在开关5的上游的原则上的电压变化曲线。电压U2示出在开关5下游的用电器7上的电压变化曲线。

所述变化曲线在左边开始示出在100％的运行电压时的网络，该运行电压在开关5闭合时也施加在用电器7上。

之后，电压例如提高到115％的网络电压。在该时刻，可以将这种过高经由组件3和组件6在超过极限值的持续时间上报告给外部的监视装置(S1)。

在降低到标称电压之后，电压又升高到＞115％的值。之后，经由S1进行重新报告。之后，电压达到130％的值。除了经由S2报告之外，在几毫秒(T1)内进行开关5的打开。与此有关地，能量从蓄能器被释放到开关5的触发机构上。

在持续时间T2、例如＜3s的持续时间之后，电压再次下降到用电器7的允许的运行范围内。在几百毫秒的时间T3内，经由重新接通组件4闭合开关5，而不需要经由线路13的外部的控制信号。

在另一相中重复所述过程；然而电压过高(＞130％)的持续时间T4超过对于自动的连接来说所允许的持续时间。为了开动所述装置、亦即为了闭合目前仍打开的开关5，现在与在初次开动时一样需要外部的控制信号。如果存在所述信号并且电压U1处于允许的范围内、例如处于偏离标称电压＜30％的范围内，则再次经由组件4闭合开关5。

在连接标称电压U1并且存在“开”的信号时，除了开关操作时间之外将开动时间延长大约200ms，该开动时间对于建立功能准备来说、更确切地说也对于蓄能器单元的充电来说是需要的，所述蓄能器单元是标称电压分析单元3的组成部分。时间T2和T4以及作为阈值的按百分比的电压，应该仅示例性地且为了说明而选择地并且对此不限制性地理解。

在按照图3的电路布置系统中，仅存在唯一一个瞬时的过压保护单元1。这个唯一的过压保护单元1为连接的用电器7承担瞬时的保护。开关5在按照图3的实施方式中可以更简单地构造，亦即在这里必需的开关不必适用于通常引导脉冲电流。

然而，关于使用的过压保护装置1，所述过压保护装置必须具有低的保护电平并且也必须给出相对于直接构建在用电器侧的终端仪器中的过压保护构件的配合能力。就此而言，为了解决问题，存在如下可能性:在开关5打开或者闭合时借助于组件3和经由线路8的信号释放来改变过压保护装置1的保护电平。例如可以通过桥接在火花间隙的触发回路中的进行电压切换的元件来降低过压保护装置1的保护电平。

在过压保护装置1内有利地使用的火花间隙可以具有附加的触发可能性。借助于所述触发可能性，可以经由组件3但是也间接地经由与接口6连接的要保护的用电器7的特性进行激活。导致火花间隙响应并且因此导致迅速降低电压的激活可能性，不仅必要时可以在开关5的太长的打开时间或中断时间之后使用，而且也可以在由于因开关5闭合而仍存在的网络连接的其他过载危险的情况下使用。

除了直接通过用电器7激活在过压保护装置1中使用的火花间隙之外，也可以经由组件3直接地或者并行地激活开关5。

在开关5打开之后，可以将过压保护装置1的保护电平调节成如下的值，该值处于对于组件2和组件3的保护来说优化的范围内。

按照图1和图3的两个开关布置系统分别在开关5打开和闭合时实现不同的瞬时的保护电平，并且在开关5打开时具有相对于暂时的过压的非常高的过载稳定性，而不损失功能性并且没有关于要保护的用电器的维护耗费。

Claims (9)

1.电路布置系统，所述电路布置系统用于保护连接在多相网络(L1；L2；L3)上的用电器(7)，所述电路布置系统具有低压和过压切断功能、瞬时的过压保护装置和网络重新连接装置，其中，相应的用电器(7)能借助于多极的开关(5)与网络(L1；L2；L3)连接以及在所述开关(5)和所述网络(L1；L2；L3)之间设置有瞬时的过压保护装置(1)，此外，所述电路布置系统具有网络电压分析单元(3)和施加在所述网络(L1；L2；L3)上的电压供应组件(2)，所述网络电压分析单元为了触发所述开关(5)而与所述开关在控制侧连接并且与重新接通单元(4)连接，

其特征在于，

所述开关(5)构造为快速触发的、机械式的、低电感的开关并且构造用于引导脉冲电流，其中，用于触发开关(5)所需的能量与网络状态和相应的相位无关地由蓄能器单元提供。

2.根据权利要求1所述的电路布置系统，

其特征在于，

所述瞬时的过压保护装置(1)在开关(5)触发时保护保留在网络上的组件(2；3)以防过压，并且在高且持续久的过压的情况下过渡到短路状态中。

3.根据权利要求1或2所述的电路布置系统，

其特征在于，

所述瞬时的过压保护装置(1)具有可调节的保护电平，其中，根据网络电压分析单元(3)的输出信号进行保护电平的适配或转换。

4.根据上述权利要求之一所述的电路布置系统，

其特征在于，

在所述开关(5)的输出侧设置有在用电器侧的另外的过压保护装置(12)，所述另外的过压保护装置具有脉冲波形8/20μs的20kA的放电能力并且具有大约1.5kV的保护电平，其中，在瞬时的过压的情况下通过打开开关(5)断开所述另外的过压保护装置(12)允许用于相应连接的用电器(7)的低的保护电平。

5.根据上述权利要求之一所述的电路布置系统，其特征在于，

与所述开关(5)连接的重新接通单元(4)能够在＜1s、优选＜200ms的持续时间内闭合或打开所述开关。

6.根据权利要求5所述的电路布置系统，

其特征在于，

用于所述重新接通单元(4)的能量由电压供应组件(2)或者缓冲存储器提供。

7.根据上述权利要求之一所述的电路布置系统，

其特征在于，

能经由接口(6；13)实现外部地监视所述开关(5)的状态以及外部地操纵所述开关(5)。

8.根据上述权利要求之一所述的电路布置系统，其特征在于，

所述多极的开关(1)构造为没有在相应的相之间的切换延迟。

9.根据上述权利要求之一所述的电路布置系统，其特征在于，

所述瞬时的过压保护装置(1)设计为可触发的火花间隙装置。