CN111293010A - 断路器 - Google Patents

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Abstract

提出一种断路器(1)，其包括火线(2)和零线(5)以及位于所述火线(2)中的半导体切换单元(14)，所述断路器(1)进一步包括旁路线路(10)，所述旁路线路并联连接到所述半导体切换单元(14)，其中第一机械开关(8)和第二机械开关(11)位于旁路线路(10)中，其中所述第一机械开关(8)串联连接到所述第二机械开关(11)，由此所述半导体切换单元(14)、所述第一机械开关(8)和所述第二机械开关(11)由所述断路器(1)的处理单元(9)控制，实施所述处理单元以在短路检测的情况下将第一断开命令发送到所述第一机械开关(8)，且在发送所述第一断开命令后延时将第二断开命令发送到所述第二机械开关(11)。

Description

断路器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的一般部分的断路器。
背景技术
具有至少一个线路中的半导体切换单元和并联连接到半导体切换单元的机械旁路开关的断路器又称为“混合断路器”。申请人在WO2015/028634中描述根据这一概念的断路器。
旁路开关断开以实现切断操作，这使电流换向到半导体路径。随后将通过半导体切换单元切断电流。从机械开关到半导体切换单元的电流换向需要机械开关的机械触点之间的电弧电压。在电流换向后，机械开关的触点必须达到足够大的距离以使得当浪涌电压在半导体切换单元断开时出现时，触点之间的电弧将不重燃。在触点断开和电弧熄灭后，机械开关内部的气体和/或等离子体的温度降低，且触点之间的空气的介电强度将恢复。半导体切换单元必须传导换向电流直到机械开关达到最小介电强度为止。
半导体切换单元的切断使得并联连接到机械开关和半导体切换单元的金属氧化物压敏电阻器(metal-oxide-varistor；MOV)中的电压升高。如果半导体切换单元在机械开关的介电强度足够高之前切断，那么电弧将在机械开关的触点之间重燃。
作为已知概念的缺点，有必要等到机械旁路开关达到所需介电强度，电流才可由半导体切换单元切断。在短路电流的时间值仍升高期间，引起电应力和热应力。因此，有必要提供具有半导体的半导体切换单元，所述半导体能够切换大的电流且适用于大的电流和高功率损耗。通常，此类半导体的内阻和物理尺寸与具有较低切换能力的半导体相比较大。较大内阻额外增加由半导体产生的热量。
此外，具有串联连接的两个或更多个机械开关的混合断路器。操作所有这些开关以同时断开。其证实，这一概念将不减少半导体切换单元的必要电流传导时间。独立串联开关的触点将不在严格相同时间下操作。这引起较长电流换向时间。
发明内容
本发明的目的是通过提供断路器来克服现有技术水平的缺点，所述断路器可在短时间内以低的热应力和电应力来切断短路。
根据本发明，这一目的通过权利要求1的特征解决。
因而，在从第一机械开关的电流换向后，固态半导体切换单元的电流传导时间减少。较短电流传导时间减小断路器的所有电气组件和由断路器保护的电气网络上的电应力和热应力。
由于第二机械开关断开而无电流，因此在第二机械开关的触点之间将不形成电弧和电弧等离子体。特别地，不必等到所述开关，开关内部的相应气体或等离子体冷却下来。因此，在触点断开后将立即达到通过半导体单元切断电流所必须的介电强度。举例来说，可考虑EN 60664-1:2003表A.1中所给出的必要气隙距离。
因而，相较于单个机械开关或同时操作的多个串联机械开关，可较早达到必要介电强度。
因而，有可能仅在第二机械开关的触点达到足够距离后，切断半导体切换单元。相较于所描述的现有技术水平，只要短路电流较小，即可切断短路电流。其证实，相较于根据WO2015/028634的断路器，半导体切换单元的电流传导时间可减少80％。此外因而，有可能使用具有低最大切换能力和低物理尺寸的半导体。
此外因而，第二机械开关可充当第一机械开关的备用。
从属权利要求描述本发明的其它优选实施例。
附图说明
参考附图描述本发明。附图示出优选实施例的示意图。
具体实施方式
附图示出断路器1的优选实施例，其包括在火线电源连接端子3与火线负载连接端子4之间的火线2、在零线电源连接端子6与零线负载连接端子7之间的零线5以及位于火线2中的半导体切换单元14，断路器1进一步包括旁路线路10，旁路线路10并联连接到半导体切换单元14，其中第一机械开关8和第二机械开关11位于旁路线路10中，其中第一机械开关8串联连接到第二机械开关11，由此半导体切换单元14、第一机械开关8和第二机械开关11由断路器1的处理单元9控制，由此实施处理单元9以在短路检测或过流检测的情况下执行以下步骤：
-将第一断开命令发送到第一机械开关8，
-在发送第一断开命令后延时将第二断开命令发送到第二机械开关11。
因而，在从第一机械开关8的电流换向后，固态半导体切换单元14的电流传导时间减少。较短电流传导时间减小断路器1的所有电气组件和由断路器1保护的电气网络上的电应力和热应力。
由于第二机械开关11断开而无电流，因此在第二机械开关11的触点之间将不形成电弧和电弧等离子体。特别地，不必等到第二机械开关11，开关内部的相应气体或等离子体冷却下来。因此，在第二机械开关11的触点断开后将立即达到通过半导体切换单元14切断电流所必须的介电强度。举例来说，可考虑EN 60664-1:2003表A.1中所给出的必要气隙距离。
因而，相较于单个旁路开关或同时操作的多个串联旁路开关，可较早达到必要介电强度。
因而，有可能仅在第二机械开关11的触点达到足够距离后，切断半导体切换单元14。相较于所描述的现有技术水平，只要短路电流较小，即可切断短路电流。其证实，相较于根据WO2015/028634的断路器，半导体切换单元14的电流传导时间可减少80％。此外因而，有可能使用具有低最大切换能力和低物理尺寸的半导体。
此外因而，第二机械开关11可充当第一机械开关8的备用。
实际的断路器1是低压交流(AC)或直流(DC)断路器1。
断路器1包括通过断路器1的至少两个电连接件。第一电连接件或火线2连接断路器1的火线电源连接端子3与断路器1的火线负载连接端子4。第二电连接件或零线5连接零线电源连接端子6与零线负载连接端子7。在直流电的情况下，这两种线路中的一种是用于正极性的线路，且另一种线路是用于负极性的线路。断路器1可进一步包括特别地用于多相应用的线路。
断路器1包括位于第一电连接件或火线2中的半导体切换单元14。半导体切换单元14优选地实施为4Q(4个三极管Q1、Q2、Q3、Q4)切换布置。特别地，半导体切换单元14包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、优选地具有反并联二极管的背靠背绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
金属氧化物压敏电阻器(MOV)相应的压敏电阻器18并联连接到半导体切换单元14。
旁路线路10并联连接到半导体切换单元14。旁路线路10含有第一机械开关8和第二机械开关11，其中第一机械开关8串联连接到第二机械开关11。
根据优选实施例，基本上相同地实施机械开关8、11两者。机械开关8、11通常实施为机电开关相应的具有极短断开时间的继电器，又称为超快继电器。用于第一机械开关8和/或第二机械开关11的优选实施例的典型触点断开速度介于5米/秒到20米/秒(微米/微秒)范围内。用于第一机械开关8和/或第二机械开关11的典型反应时间介于100微秒到300微秒范围内。用于第一机械开关8和/或第二机械开关11的典型触点距离介于1毫米范围内。第一机械开关8和/或第二机械开关11的断开时间通常是
第一机械开关8也可称为旁路开关或电弧开关。
第二机械开关11也可称为介电开关。
第一机械开关8和第二机械开关11由断路器1的处理单元9控制。
断路器1可至少包括串联连接到第一机械开关8和第二机械开关11且由处理单元9控制的第三机械开关。利用两个机械开关8、11进一步描述本发明。
从申请人的WO 2015/028634 A1中已知根据所描述特征但仅具有一个机械开关8(称为旁路开关)的断路器1。
在正常操作中，机械开关8、11两者处于闭合状态，且从供应源(如在附图中分别由电源15和电源15的内阻16和内部电感17构成电网所示出)到负载19的电流经由第一机械开关8和第二机械开关11而通过断路器1。
根据优选实施例，断路器1进一步含有也由处理单元9控制的第一电气隔离继电器21和第二电气隔离继电器22。
实施断路器1以检测短路和/或过流。优选地，通过使用火线2中的分流电阻20来实施过流检测的功能以用于电流测量。根据优选实施例，将短路检测实施为半导体切换单元14的未示出驱动电路的一部分。如WO2015/028634A1中进一步所描述，短路将导致将由驱动电路检测到的半导体的去饱和。
分流电阻20和/或驱动电路连接到处理单元9。
在短路检测或过流检测的情况下，处理单元9将第一断开命令发送到第一机械开关8。通过断开第一机械开关8，电流换向到半导体切换单元14。
在发送第一断开命令后延时，处理单元9将第二断开命令发送到第二机械开关11。如已描述，通过断开第二机械开关11，将在较短时间内达到足够介电强度。然后，处理单元9引发半导体切换单元14的切断。
在断路器1应切断操作性电流或工作电流的情况下，处理单元9仅引发第一机械开关8的断开。
根据第一实施例，延时是预定义恒定延时。恒定延时易于实施，且进一步确保第二机械开关11的失效安全操作。在第一机械开关8并不断开的情况下，由于故障，第二机械开关11将在延时后自动断开。
这一恒定延时的持续时间可通过具有额外容限的特定类型的断路器1的换向时间的典型持续时间来确定。
根据第二实施例，延时是可变延时。根据这一实施例，在足够量的电流换向到半导体切换单元14后，发送第二断开命令。
根据第二优选实施例，断路器1包括换向检测装置12，所述换向检测装置至少检测从旁路线路10到半导体切换单元14的电流换向的开始，其中换向检测装置12连接到处理单元9。换向检测装置12可实施为半导体切换单元14的驱动电路的一部分和/或实施为独立单元。在后一种情况下，换向检测装置12可不是独立单元但其可由驱动电路与处理单元9的组合实施。
根据仅有附图的实施例示出电流测量单元13，所述电流测量单元串联连接到半导体切换单元14且并联连接到旁路线路10作为换向检测装置12的一部分。
根据第二实施例的第一优选变型，将可变延时定义为直到换向检测装置12检测到从旁路线路10到半导体切换单元14的电流的预定义换向水平为止的时段。在这一情况下，处理单元9等到达到这一水平且然后发送第二断开命令。
根据第二实施例的第二优选变型，将可变延时定义为减去第二机械开关11的反应时间段的预期换向时间。这一变型考虑到断路器1内的信号行进时间以及第二旁路开关11的惯性延迟和固有延迟。第二机械开关11的反应时间通常为机械开关11的一个特定类型所熟知。
在这一背景下，考虑到火线2中的电流和/或旁路线路10中的电流的时间变化，将优选地通过处理单元9估计预期换向时间。通过换向检测装置12传递描述时间变化的信号。
根据第三实施例，第一实施例和第二实施例以一种方式组合，其中在可变延时长于恒定延时的情况下，实施处理单元9以在恒定延时后发送第二断开命令。如果可变延时短于恒定延时，那么处理单元9在可变延时后发送第二断开命令。第三实施例将根据第二实施例的短切断时间的可能性的优势与第一实施例的安全性的优势相组合。
如果断路器含有状态检测器或其它用于检测至少第一机械开关8的切换状态的手段，那么可优选地设置如果一旦检测到第一机械开关8没有反应于第一断开命令而断开，那么实施处理单元9以发送第二断开命令，从而确保在短时间内切断所检测到的短路电流。

Claims (11)

1.一种断路器(1)，其包括在火线电源连接端子(3)与火线负载连接端子(4)之间的火线(2)、在零线电源连接端子(6)与零线负载连接端子(7)之间的零线(5)以及位于所述火线(2)中的半导体切换单元(14)，所述断路器(1)进一步包括旁路线路(10)，所述旁路线路(10)并联连接到所述半导体切换单元(14)，其中第一机械开关(8)和第二机械开关(11)位于旁路线路(10)中，其中所述第一机械开关(8)串联连接到所述第二机械开关(11)，由此所述半导体切换单元(14)、所述第一机械开关(8)和所述第二机械开关(11)由所述断路器(1)的处理单元(9)控制，其特征在于实施所述处理单元(9)以在短路检测或过流检测的情况下执行以下步骤：
将第一断开命令发送到所述第一机械开关(8)，
在发送所述第一断开命令后延时将第二断开命令发送到所述第二机械开关(11)。
2.根据权利要求1所述的断路器(1)，其特征在于所述延时是预定义恒定延时。
3.根据权利要求1或2所述的断路器(1)，其特征在于，所述断路器(1)包括换向检测装置(12)，所述换向检测装置至少检测从所述旁路线路(10)到所述半导体切换单元(14)的电流换向的开始，其中所述换向检测装置(12)连接到所述处理单元(9)。
4.根据权利要求3所述的断路器(1)，其特征在于，所述换向检测装置(12)包括电流测量单元(13)，所述电流测量单元串联连接到所述半导体切换单元(14)且并联连接到所述旁路线路(10)。
5.根据权利要求1到4中一项所述的断路器(1)，其特征在于，所述延时是可变延时。
6.根据权利要求5所述的断路器(1)，其特征在于，将所述可变延时定义为直到所述换向检测装置(12)检测到从所述旁路线路(10)到所述半导体切换单元(14)的电流的预定义换向水平为止的时段。
7.根据权利要求5所述的断路器(1)，其特征在于，将所述可变延时定义为减去所述第二机械开关(11)的反应时间段的预期换向时间。
8.根据权利要求7所述的断路器(1)，其特征在于，实施所述处理单元(9)以在考虑到所述火线(2)中的电流和/或所述旁路线路(10)中的电流的时间变化的情况下估计所述预期换向时间。
9.根据权利要求2和权利要求5到8中一项所述的断路器(1)，其特征在于，实施所述处理单元(9)以在所述可变延时长于所述恒定延时的情况下，在所述恒定延时后发送所述第二断开命令。
10.根据权利要求1到10中一项所述的断路器(1)，其特征在于，实施所述处理单元(9)以在检测到所述第一机械开关(8)没有反应于所述第一断开命令而断开的情况下发送所述第二断开命令。
11.根据权利要求1到10中一项所述的断路器(1)，其特征在于，基本上相同地实施所述第一机械开关(8)和所述第二机械开关(11)。
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