CN110036455A - 低电压断路器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低电压保护开关设备(1)，其包括从低电压保护开关设备(1)的外导体供电端子(3)到低电压保护开关设备(1)的外导体负载端子(4)的至少一个外导体路径(2)和从低电压保护开关设备(1)的中性导体端子(6)到低电压保护开关设备(1)的中性导体负载端子(7)的中性导体路径(5)，布置在外导体路径(2)中的机械旁路开关(8)，并联连接到旁路开关(8)的低电压保护开关设备(1)的第一半导体电路装置(11)，位于外导体路径(2)中并且与保护开关设备(1)的电子控制单元(13)连接的电流测量装置(12)，电子控制单元(13)被设计成在借助于电流测量装置(12)检测到可预先确定的过电流、特别是短路电流时启动旁路开关(8)和第一半导体电路装置(11)。根据本发明，第一机械断路开关(9)与第一半导体电路装置(11)串联地且与旁路开关(8)并联地被布置。

Description

低电压断路器设备

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的序言的低电压保护开关设备。

背景技术

从来自申请人的WO 2015/028634A1知道类似的保护开关设备。当保护开关设备被关掉时，旁路开关首先被断开，其中电弧产生，且电流换向到半导体电路装置上。随后，以前接通的半导体电路装置被关掉，且用于提供电流阻断的串联连接到旁路开关的断路触点被断开。

这些断路触点是必要的，以便经由在关掉状态中的半导体电路装置来防止电流泄漏。这些断路触点在接通操作中导致所涉及的开关设备的相当大的电阻和相应地导致开关设备的较高功率损耗和内热。除了两个串联开关触点对以外，电阻也借助于所需的敷设电缆和相应的触点而增加。借助于这些电阻，这样的开关设备的标称电流被限制或这在需要高标称电流时导致结构尺寸的增加。因为电流连续地流经所涉及的触点，这些触点也必须具有相应的高质量设计，其中然而电阻此时不能被避免。在永久操作中的内热确保半导体的减小的寿命。

发明内容

因此本发明的任务是提议最初提到的类型的保护开关设备，使用其，所提到的缺点可被避免，其具有低结构尺寸，实现高标称或连续电流，具有高切断能力并在长时间内具有高可靠程度。

根据本发明，这使用权利要求1的特征来实现。

因此，可形成具有低内阻的保护开关设备，作为低内阻的结果，甚至在高连续电流负载的情况下，保护开关设备的内热也保持低。借助于低内热，保护开关设备的结构尺寸也可保持小。由于保护开关设备的低内热，内部温度可保持低，作为其的结果，在保护开关设备中的半导体的寿命和可靠性增加了。

从属权利要求涉及本发明的另外的有利实施方式。

明确地引用权利要求的用词，作为其的结果，权利要求此时通过引用它们而被引入到描述内且是有效的，好像它们被逐字再现一样。

附图说明

参考附图更详细地描述本发明，其中只有优选实施方式以示例性方式示出。在这里：

图1示出根据现有技术的第一保护开关设备；

图2示出根据现有技术的第二保护开关设备；

图3示出当前保护开关设备的开关路径的第一实施方式；

图4示出当前保护开关设备的开关路径的第二实施方式；以及

图5示出当前保护开关设备的开关路径的第三实施方式。

具体实施方式

图3到5分别示出低电压保护开关设备1的外导体路径的不同实施方式，低电压保护开关设备1具有从低电压保护开关设备1的外导体供电端子3到低电压保护开关设备1的外导体负载端子4的至少一个外导体路径2、和从低电压保护开关设备1的中性导体端子6到低电压保护开关设备1的中性电流负载端子7的中性导体路径5，其中在外导体路径2中布置机械旁路开关8，其中低电压保护开关设备1的第一半导体电路装置11并联连接到旁路开关8，其中在外导体路径2中布置与保护开关设备1的电子控制单元13连接的电流测量装置12，其中电子控制单元13被配置成在借助于电流测量装置12检测到可预先确定的过电流、特别是短路电流时控制旁路开关8和第一半导体电路装置11，其中第一机械断路开关9与第一半导体电路装置11串联地且与旁路开关8并联地被布置或切换。

因此，可形成具有低内阻的低电压保护开关设备1，作为低内阻的结果，甚至在受到高连续电流时，低电压保护开关设备1的内热也保持低。作为低电压保护开关设备1的低内热的结果，内部温度可保持低，作为其的结果，在低电压保护开关设备1中的半导体的寿命和相应地低电压保护开关设备1的可靠性增加了。

在当前低电压保护开关设备1的情况下，如在根据WO 2015/028634A1的低电压保护开关设备的情况中，它涉及低电压保护开关设备。就像平常一样，低电压被描述为高达1000V AC电压或1500V DC电压的范围。

图1示出根据现有技术的保护开关设备，大致如它在WO 2015/028634A1中所述的。如也根据图2的保护开关设备1显示的，这显示外导电路径2和中性导体路径5。外导体路径2通过保护开关设备1从外导体供电端子3延伸到外导体负载端子4。中性导体路径5通过保护开关设备1从中性导体端子6延伸到中性导体负载端子7。所涉及的端子3、4、6、7分别是螺钉连接端子或插头连接端子的形式，并布置在保护开关设备1中，以便从外部可接近。

保护开关设备1优选地具有绝缘材料壳体。

在外导体路径2中布置具有简单的接触断点的常规机械旁路开关8。在根据现有技术的开关的情况下，如所示，此外在外导体路径2中布置与旁路开关8串联的第一机械断路开关9。在中性导体路径5中布置第二机械断路开关10。半导体电路装置11并联连接到旁路开关8。

此外，过电压抑制器19并联连接到旁路开关8。

保护开关设备1此外具有布置在外导体路径2中并优选地被配置成包括分流电阻器的电流测量装置12。

电流测量装置12与保护开关设备1的电子控制单元13连接，电子控制单元13优选地被配置成包括微控制器或微处理器。电子控制单元13被配置成控制旁路开关8和第一半导体电路装置11以及第一机械断路开关9和第二机械断路开关10，因而以可预先确定的方式启动或切换这些部件。为此目的，电子控制单元13优选地通过电路与第一半导体电路装置11以及此外与特别地机械开关、因而旁路开关8、第一机械断路开关9和第二机械断路开关10的电磁致动元件连接。在图1和2中没有示出从电子控制单元13开始的适当连接。

第一半导体电路装置11优选地具有优选地被配置为全桥的整流器电路20以及在本实施方式的情况下具有当前被形成为IGBT、实际开关或调节元件的两个功率半导体21。在这个方面中，也可提供较大的功率半导体21。

在图1和2中除了实际保护开关设备1以外还广泛地暗指电气环境。在这里，供电网络由AC/DC市电电压源16、网络内阻17和网络电感18表示。此外，以短路的形式示出电气负载23和电气故障22。

在根据现有技术的开关设备中，如图1所示，假定切断过程由旁路开关8和第一半导体电路装置11执行，且第一断路开关9和第二断路开关10只用来确保在成功的切断之后的负载电路的电流切断。

根据图2的低电压保护开关设备1实质上对应于根据图1的低电压保护开关设备1，其中这被设计为双极的。这具有第二旁路开关51、第三半导体电路装置52和第二电流测量装置53。

当前的低电压保护开关设备1除了所解释的差异以外还优选地对应于根据图1或2的低电压保护开关设备。在当前低电压保护开关设备1的双极实施方式的情况下，被描述为中性导体路径5的开关路径或电路连接根据所述外导体路径2由低电压保护开关设备1形成或可形成。

与根据图1和2的低电压保护开关设备1相反，在当前低电压保护开关设备1中假定第一机械断路开关9与在第一半导体电路装置11的并联分支中的第一半导体电路装置11串联地因而同时与旁路开关8并联地布置在电路中。在图3、4和5中表示这样的低电压保护开关设备1的重要部分的优选实施方式形式。在这个装置中，第一机械断路开关9可以比在根据图1或2的低电压保护开关设备1的情况中的明显更简单地机械地形成，因为电流只在开关操作的过程中流经此。同时，旁路开关8被配置成保证电流切断，特别是具有在断开条件中的相应地增加的接触距离。

优选地假定电子控制单元13此外被配置成启动第一机械断路开关9。

以相同的方式，优选地假定在中性导体路径5中布置第二机械断路开关10，以及电子控制单元13优选地被配置成启动第二机械断路开关10。此外，优选地，过电压抑制器19、特别是变阻器、优选地MOV与旁路开关8和第一半导体电路装置11并联地且也与第一断路开关9串联地布置在电路中。在这里，MOV代表金属氧化物变阻器。

根据图3和4的实施方式仅关于第一半导体电路装置11的配置而不同。第一断路开关9的根据本发明的当前布置因此对不同地配置的第一半导体电路装置11是可能的。

在当前低电压保护开关设备1中，优选地假定旁路开关8是具有多个断点的开关27的形式。参考符号27在这里指具有多个断点的开关，其实现旁路开关8的功能。此外，优选地假定在外导体路径2中与旁路开关8串联地和与第一半导体电路装置11并联地在电路中布置第二半导体电路装置14。在这个方面中，过电压抑制器19也与旁路开关8和第二半导体电路装置14并联地用电线连接。第二半导体电路装置14以相同的方式由电子控制单元13控制。

借助于在旁路开关8的情况下的多个断点，可以更快地实现短路的切断所需的接触距离。借助于多个断点，可减小旁路开关8的体积和质量。因此，可减小移动部分的质量惯性和接触断开时间。借助于接触断开时间的减小，可以更快地实现所需的安全接触距离，以便实现穿过第一半导体电路装置11的功率半导体21的短路电流的切断。因此，可减小第一半导体电路装置11的负载，在该时间期间，旁路开关8需要达到安全接触距离，以便防止在暴露于非常高的负载的旁路开关8的触点处的电弧的重新开始的点火。借助于旁路开关8的触点的这个安全距离的较快达到，此外，在第一半导体电路装置11中，可使用具有较低的最大承载能力的功率半导体20、21。这种类型的功率半导体20、21比具有较高承载能力的功率半导体20、21具有更小的内阻和更小的物理总尺寸。借助于较小的总尺寸，特别是在功率半导体21内的较短路径，可减小低电压保护开关设备1的相关回路电感，作为其的直接结果，此外可减小短路电流到第一半导体电路装置11上的换向时间。借助于较低的内阻，换向时间进一步减小。

诚然，已表明，在具有多个断点的旁路开关8的真实版本中，触点从未绝对精确地同时断开。在具有非常细的时间分辨率的观察时间中，它能够确定作为规则，来自可移动和优选地固定在壳体上的触点的触点对之一在至少一个另一触点对之前执行断开或切断过程。作为结果，在这个持续时间期间，整个建筑物或增加的短路电流必须由仅仅一个触点对承受，然而该触点对并没有被配置成完成此。这不仅导致对该触点对的高负载，而且此外导致换向时间的下降或增加，且作为结果也导致在第一半导体电路装置11的功率半导体20、21上的负载的增加。

借助于第二半导体电路装置14，在旁路开关8上和也在第一半导体电路装置11上的负载都可减小。因此可实现电流在明显更低的电流强度下换向到第一半导体电路装置上，然后在根据图1的常规保护开关设备的情况下，作为其的结果，在第一半导体开关设备11上的负载减小且它的寿命可增加。作为结果，关于旁路开关8的触点的暂时断开的差异没有构成问题。因此，在旁路开关8处的电弧的出现可实质上完全被避免，作为其的结果，在相应开关触点上的负载减小且它们的寿命可增加。因此，可利用在旁路开关8处的多个断点的优点而没有由它的特性引起的消极影响。

借助于当前的措施，可实现另外的优点。因为在切断时没有电弧出现，也没有电弧需要被熄灭。没有导致热电离气体，其首先需要被冷却，以便防止电弧的重新开始的点火。以这种方式，可减小第一半导体电路装置11的耐久性，且也可进一步加速整个切断过程，因为不再担心在当前情况下的电弧的重新开始的点火。可替换地，第一半导体电路装置11的耐久性也可保持不变，且旁路开关8的断开速度可减小，作为其的结果，这可更简单地被配置。

借助于短路或过载电流的快速切断，与否则以泄漏电感或网络电感的形式相比，更少的能量被存储，作为其的结果，过电压抑制器19和缓冲器24被维持。这也可由于另外的效应而被制造成更小的尺寸。

因为没有开关电弧出现，在第一半导体电路装置11处的电压降不被电弧电压限制。

具有多个断点的开关27具有至少一个双重断点，其中优选地假定具有多个断点的开关27被配置成具有至少一个可移动开关桥，其具有至少一个第一可移动触点和至少一个第二可移动触点。在图5中示意性示出开关27。在该方面中，也可此外假定具有多个断点的开关27也具有三重断点、四重断点或五重断点。具有多个断点和可移动开关桥的开关27本身是已知的，由于此原因，将不关于当前问题更详细地讨论它们。

电子控制单元13被设置或被配置成当可预先确定的过电流、特别是短路电流由电流测量装置12检测到时控制旁路开关8、第一机械断路开关9、第二机械断路开关10、第一半导体电路装置11和第二半导体电路装置14，以便引起保护开关设备1的切断。在该方面中，优选地假定电子控制单元13被配置为在短路电流由电流测量装置12检测到时首先接通第一半导体电路装置11，实质上紧接着随后禁用第二半导体电路装置14，实质上紧接着然后断开旁路开关8，随后特别是旁路开关8一充分断开就将第一半导体电路装置11引导到非导电状态内，且随后特别是一旦电流实际上为零就断开第一机械断路开关9。随后优选地，第二机械断路开关10被断开。通过以这个顺序构成操作，可实现当电流仍然非常小时所述电流换向到第一半导体电路装置11上，其中没有与在旁路开关8处的电弧连接的相应电压降是必要的。旁路开关8的多个触点已经在当前列出的状态中断开，由于此原因，没有电弧出现，且不同的接触断开没有引起问题。

在IGBT 21的切断之后，由于存储在网络中的能量，电压将增加。从限制电流的过电压抑制器19馈送增加的电压。当电流足够小时，第一机械断路开关9和第二机械断路开关10被断开。

优选地假定第二半导体电路装置14双向地形成。特别优选地，第二半导体开关装置14对于两个电流方向和两个电压极性被形成为四象限开关。

此外，优选地假定第二半导体电路装置14被配置成包括低电压MOSFET 15。第二半导体电路装置14连续地在电流流动中，作为其的结果，其内阻是相关的，以便在此时避免太高的功率损耗。在第二半导体电路装置14断开之后，电流换向到第一半导体电路装置11上。在第二半导体电路装置14两端的电压降在该方面中仅几伏。在第一半导体电路装置11断开时，必须小心旁路开关8、27的开关触点已经达到足够的接触距离，使得不再有施加到第二半导体电路装置14的任何电压。

优选地，低电压MOSFET 15由于它们的非常低的内阻的原因以及为了在常规操作中使损耗线保持低而被选择为20-30V MOSFET。在低电压MOSFET 15处的电压降仅用来使电流换向到第一半导体电路装置11上。

由于“本征体二极管”和在第三象限中的MOSFET的操作，对于双向开关只需要两个这样的低电压MOSFET 15。借助于高导电性，可在低栅极电压下实现高电流。

第一半导体电路装置11被设计为相应地鲁棒的，以便在短路的情况下切换高电流和电压峰。一旦旁路开关8、27的触点具有足够的接触距离，第一半导体电路装置就可被关掉。

MOSFET 15分别优选地具有也被描述为单片体二极管的反平行二极管。

当接通关掉的低电压保护开关设备1时，这可能之前由于短路切断的原因而被关掉，使得旁路开关8的触点断开。在这个方面中，所涉及的电气故障可能仍然存在。当使旁路开关8的开关触点闭合时，作为规则导致触点的所谓弹回。在这里，在每种情况下，在短时间期间，导电连接产生并接着断开，直到机械上稳定的状态被实现为止。特别是在现有的短路的情况下，这导致在触点上的高负载。此外，特别是当接通低电压保护开关设备1时，在现有的短路的情况下，存在损坏第二半导体电路装置14的风险。

因此，优选地，假定电子控制单元13被配置成当使用断开的旁路开关8和禁用的第一半导体电路装置11和第二半导体电路装置14来接通关掉的低电压保护开关设备1时优选地首先闭合第二机械断路开关10，随后闭合第一机械断路开关9，在AC电流的情况下、特别是在网络电压的零交叉的情况下，随后在至少一个可预先确定的第一持续时间之后接通第一半导体电路装置11，基本上紧接着随后闭合旁路开关8，在可预先确定的第二持续时间之后在AC电流的情况下、特别是在网络电压的下一零交叉的情况下接通第二半导体电路装置14并基本上直接随后关掉第一半导体电路装置11并保持第一机械断路开关9闭合。

此外，优选地假定电子控制设备13被配置成当关掉具有闭合的第一机械断路开关9的接通的低电压保护开关设备1时首先接通第一半导体电路装置11，随后关掉第二半导体电路装置14，随后断开旁路开关8并切断第一半导体电路装置11，且随后特别是一旦检测到电流经由第一断路开关9降低到实质上零就断开第一机械断路开关9。

第一持续时间在这个方面中具有长度，使得第一机械断路开关9的开关触点以及优选地第二机械断路开关10的开关触点达到机械上静止的状态。当接通DC电流时，等待这个时间就足够了。

为了接通AC电流，优选地假定电子控制单元13被配置成在第一持续时间到期之后在外加电压的下一零交叉处接通第二半导体电路装置14。为了外加电压的零交叉的检测，低电压保护开关设备1具有与控制单元13连接的电压测量装置29。

第二持续时间具有一长度，使得旁路开关8的开关触点达到机械上静止的状态。

借助于前面提到的措施，低电压保护开关设备1可被接通而不使单独的部件暴露于过多的负载。

借助于当前的措施，作为另一优点导致在开关操作的情况下，当在第一半导体电路装置11中存在故障时，在低电压保护开关设备1中没有火产生。在根据图1的低电压保护开关设备1的情况下，在这种情况下，旁路开关8将断开，作为其的结果，因而得到的电弧将在旁路开关8中导致火，且作为结果在整个低电压保护开关设备1中导致火。在根据图2的当前低电压保护开关设备1中，情况不是这样。由于在MOSFET 15中的雪崩或lavine(拉文)击穿的原因，旁路开关8、27进一步断开而没有电弧，使得火可被避免。因为它可能在这种情况下导致第二半导体电路装置14的破坏，第二半导体电路装置14优选地布置成被封装在低电压保护开关设备1内的保护壳体、特别是金属壳体中。

Claims (15)

1.一种低电压保护开关设备(1)，具有从所述低电压保护开关设备(1)的外导体供电端子(3)到所述低电压保护开关设备(1)的外导体负载端子(4)的至少一个外导体路径(2)、以及从所述低电压保护开关设备(1)的中性导体端子(6)到所述低电压保护开关设备(1)的中性导体负载端子(7)的中性导体路径(5)，其中在所述外导体路径(2)中布置机械旁路开关(8)，其中所述低电压保护开关设备(1)的第一半导体电路装置(11)并联连接到所述旁路开关(8)，其中在所述外导体路径(2)中布置与所述保护开关设备(1)的电子控制单元(13)连接的电流测量装置(12)，其中所述电子控制单元(13)被配置成在借助于所述电流测量装置(12)检测到可预先确定的过电流、特别是短路电流时控制所述旁路开关(8)和所述第一半导体电路装置(11)，其特征在于第一机械断路开关(9)与所述第一半导体电路装置(11)串联地且与所述旁路开关(8)并联地被布置。

2.根据权利要求1所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于所述电子控制单元(13)被配置成启动所述第一机械断路开关(9)。

3.根据权利要求1或2所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于在所述中性导体路径(5)中布置第二机械断路开关(10)，以及所述电子控制单元(12)优选地被配置成启动所述第二机械断路开关(10)。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于过电压抑制器(19)、特别是MOS变阻器与所述旁路开关(8)和所述第一半导体电路装置(11)并联地以及与所述第一断路开关(9)串联地布置在电路中。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于所述旁路开关(8)是具有多个断点的开关(27)的形式。

6.根据权利要求5所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于具有多个断点的所述开关(27)被设计成包括具有至少一个第一可移动触点和至少一个第二可移动触点的至少一个可移动开关桥。

7.根据权利要求1到6中的任一项所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于在所述外导体路径(2)中通过电路技术与所述旁路开关(8)串联地以及与所述第一半导体电路装置(11)并联地布置第二半导体电路装置(14)。

8.根据权利要求7所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于所述第二半导体电路装置(14)双向地、特别是作为双向4象限开关被配置。

9.根据权利要求7或8所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于所述第二半导体电路装置(14)被配置成包括低电压MOSFET(15)。

10.根据权利要求7到9中的任一项所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于所述电子控制单元(13)被配置成在所述电流测量装置(12)的部分上检测到短路电流和/或过载电流时首先接通所述第一半导体电路装置(11)，随后禁用所述第二半导体电路装置(14)，然后断开所述旁路开关(8)，随后将所述第一半导体电路装置(11)调节到非导电状态中，并随后断开所述第一机械断路开关(9)。

11.根据权利要求7到10中的任一项所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于所述电子控制单元(13)被配置成当所述关掉的低电压保护开关设备(1)被接通时、当所述旁路开关(8)被断开时以及当所述第一半导体电路装置和第二半导体电路装置(11，14)被禁用时首先闭合所述第一机械断路开关(9)，随后在至少可预先确定的第一持续时间之后接通所述第一半导体电路装置(11)，基本上直接在其后闭合所述旁路开关(8)，在可预先确定的第二持续时间之后接通所述第二半导体电路装置(14)并基本上直接在其后关掉所述第一半导体电路装置(11)并保持所述第一机械断路开关(9)闭合。

12.根据权利要求7到11中的任一项所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于所述电子控制单元(13)被配置成当所述接通的低电压保护开关设备(1)用闭合的第一机械断路开关(9)关掉时首先接通所述第一半导体电路装置(11)，随后关掉所述第二半导体电路装置(14)，随后断开所述旁路开关(8)并切断所述第一半导体电路装置(11)，并随后断开所述第一机械断路开关(9)。

13.根据权利要求11或12所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于所述第一持续时间具有一长度，使得所述第一机械断路开关(9)的开关触点以及还有优选地所述第二机械断路开关(10)的开关触点达到机械上静止的状态。

14.根据权利要求11到13中的任一项所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于所述电子控制单元(13)被配置成在AC电流接通时在所述第一持续时间到期时在外加电压的下一零交叉处接通所述第二半导体电路装置(14)。

15.根据权利要求11到4中的任一项所述的低电压保护开关设备(1)，其特征在于所述第二持续时间具有一长度，使得所述旁路开关(8)的开关触点达到机械上静止的状态。