CN117616653A

CN117616653A - 用于直流电压开关装置的故障电流监测

Info

Publication number: CN117616653A
Application number: CN202280048222.3A
Authority: CN
Inventors: T·格罗特; L·豪雅
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2022-07-03
Publication date: 2024-02-27
Also published as: BE1029560B1; BE1029560A1; WO2023280730A1; EP4367765A1

Abstract

本发明涉及一种用于在经由正导体(8)和负导体(10)将直流电压负载(200)电耦合到直流电压源(4)期间进行故障电流监测的方法，并且特别地涉及一种用于经由正导体(8)和负导体(10)将直流电压负载(200)耦合到直流电压源(4)的直流电压开关装置(100)，其中所述正导体(8)和所述负导体(10)被布线穿过所述直流电压开关装置(100、100a)，并且所述直流电压开关装置包括：开关元件(101、106)，所述开关元件用于使所述直流电压负载(200)耦合和解耦；以及传感器(116)、特别是霍尔效应传感器，所述传感器被设置为检测在所述正导体(8)和所述负导体(10)周围整体形成的磁场；以及评估装置(118)，所述评估装置连接到所述传感器(116)和所述开关元件(101、106)，所述评估装置被设置为将所检测到的磁场与阈值进行比较并且在超过所述阈值时激活所述开关元件(101、106)以将所述直流电压负载断开连接。

Description

用于直流电压开关装置的故障电流监测

技术领域

本发明涉及用于直流电压开关装置的故障电流监测，具体地，涉及一种用于在直流电压负载经由正导体和负导体电耦合到直流电压源期间进行故障电流监测的方法、一种用于经由正导体和负导体将直流电压负载耦合到直流电压源的直流电压开关装置以及一种具有至少一个这种直流电压开关装置的开关系统。

背景技术

根据现有技术，众所周知使用直流电压开关装置来将直流电压负载电耦合到直流电压源。在这种情况下，将直流电压负载耦合到直流电压源的正导体和负导体两者都可以布线穿过直流电压开关装置。在本发明的范围内，直流电压负载不必须是单个负载，而也可以由一组直流电压负载组成或被设计为直流电网络，该直流电网络具有经由其操作的大量直流电压负载。用于将直流电压负载电耦合到直流电压源的此类直流电压开关装置变得越来越重要，特别是在工厂层面和/或在智能网络的实施中，因为对电耦合的直流电网络进行经济和能量优化的较高级能量管理系统可以容易地集成，并且作为结果所包含的直流电压装置中的预定义电流-电压特性可以确保电力需求和电力供应的即时平衡。另外，直流电可以省略交流电所需的很多部件。因此，工业系统的直流电源(DC电源)的优点是显而易见的。在本发明的范围内，因此，可以电耦合到直流电压源的直流电压负载还可以特别地形成逻辑单元和/或具有彼此间较强的功能依赖的多个部件和/或包含中间电路电容，以便在远离直流电压源或DC电源的各个装置之间保持开关频率均衡过程，和/或经由直流电压开关装置电耦合到直流电压源或DC电源。

如果故障电流在直流电路中流动，即，特别是因绝缘故障而流经给定故障位置的电流，则出于安全原因，当达到特定阈值时，通常必须断开直流电路。此外，特别是在接地电位不与有源导体绝缘的网络形式(例如，TN网络)的情况下，在发生接地故障时，故障位置必须与网络的其余部分绝缘。在阻抗足够低的情况下，接地故障可能导致接地故障电流，例如，这致使上游熔断器做出响应。另一方面，对于高电阻接地故障，接地故障电流通常太低而使熔断器无法操作。作为一种故障电流，此类接地电流特别危险，因为它们可能导致电气事故或系统火灾。

从现有技术中已知用于在将直流电压负载电耦合到直流电压源时进行故障电流监测的各种方法和装置，其中参考DE 10 2019 203 983 A1、DE 10 2019 203977B4、EP 3723 220 A1、EP 3 723 224 A1、WO 2008/022404 A1和WO 2018/172134A1作为示例。

发明内容

本发明的目的是与现有技术相比创建一种新颖、特别地也是改进类型的用于经由正导体和负导体将直流电压负载电耦合到直流电压源的故障电流监测系统，该故障电流监测系统用少量的部件进行管理。

根据本发明的方案由分别具有根据所附权利要求1、3和9所述的特征的方法、直流电压开关装置和开关系统来提供。

因此，提出了一种用于在经由正导体和负导体将直流电压负载电耦合到直流电压源时进行故障电流监测的方法，其中检测在所述正导体和负导体周围总共形成的磁场，并且然后将所述磁场与阈值进行比较，如果超过所述阈值，则将所述直流电压负载断开连接。

特别地，因此还提出了一种用于经由正导体和负导体将直流电压负载耦合到直流电压源的直流电压开关装置，其中所述正导体和负导体被布线穿过所述直流电压开关装置，并且所述直流电压开关装置具有：开关元件，所述开关元件用于使所述直流电压负载耦合和解耦；传感器；以及评估装置，所述评估装置连接到所述传感器和所述开关元件，其中所述传感器、特别是霍尔效应传感器被设置为检测在所述正导体和负导体周围总体形成的磁场，并且评估装置用于将检测到的磁场与阈值进行比较并且在超过所述阈值时激活所述开关元件以使所述直流电压负载解耦。

应注意，在本发明的范围内，超过所述阈值有利地包括在正方向上超过所述阈值并且在负方向上低于所述阈值。

因此，本发明的显著优点是只需要单个传感器就能检测关于正导体和负导体的故障电流，因为如果没有故障电流、特别是流向接地电位的电流，则正导体和负导体中的电流量基本上相同并且在正导体和负导体周围整体形成的磁场基本上为零。此外，还可以通过与阈值比较来考虑在直流电压负载的操作期间出现的可容忍的电流变化、波动和/或损失。

这种直流电压开关装置还可以特别用于实施开关系统，其中正导体和负导体在直流电压开关装置的输入端处连接到经整流的三相AC网络或作为直流电压源的直流电压母线，并且具有直流电压负载的直流电压支路可以在直流电压开关装置的输出端处经由正导体和负导体进行连接和断开连接。

另外可用的实施例是所附从属权利要求的主题。

附图说明

下文参考附图且参考优选实施例更详细地描述本发明，从中示出本发明的更多特征和优点。在附图中示出：

图1为根据本发明的直流电压开关装置的高度简化的第一优选实施例；

图2中将具有正导体和负导体的DC母线高度简化为具有两个DC支路的直流电压源，其可以通过根据本发明的直流电压开关装置耦合到DC母线，

图3a中高度简化了被铁氧体芯封闭的正导体和负导体，其中传感器布置在铁氧体芯的气隙中，以及

图3b中高度简化了布置在印刷电路板上的正导体和负导体，印刷电路板被铁氧体芯封闭并且传感器被布置在铁氧体芯的气隙中。

具体实施方式

下文参考附图基于优选示例性实施例更详细地描述本发明。

图1以高度简化的形式示出了根据本发明的直流电压开关装置的优选实施例，通过该直流电压开关装置，可以以有利的方式实施用于在经由正导体8和负导体10将直流电压负载200电耦合到直流电压源4期间进行故障电流监测的方法，其中检测在正导体和负导体周围整体形成的磁场，然后可以将检测到的磁场与阈值进行比较，并且如果超过阈值，则可以将直流电压源200断开连接。

详细地说，图1示出了直流电压开关装置100，该直流电压开关装置被设置为经由正导体8和负导体10将直流电压负载200耦合到直流电压源4。借助于直流电压开关装置100，可以说在直流电压源4与直流电压负载200之间设置了直流电压支路2。正导体8和负导体10被布线穿过直流电压开关装置100。直流电压开关装置100包括(即，包含)开关元件，即，用于使直流电压负载200耦合和解耦的至少一个开关元件101。该开关元件101特别地是基于半导体的可电子控制的开关元件，电流导体中的一者(即，正导体或负导体)中的操作切换也有利地需要该开关元件。在所示的实施例中，该开关元件101集成到正导体8中以用于使直流电压负载200耦合和解耦。在基于半导体的可电子控制的开关元件的情况下，替代地，这也可以构造为反串联布置，即，特别是构造为双向开关，使得直流电压负载的操作(即，其与直流电压源的对应连接所需的电流流动)基本上可能是双向的，并且半导体元件的反串联开关二极管中的相应一者可以确保限制一个方向或另一方向上的相应电流流动。原则上，另一半导体开关元件当然也可以集成在另一半导体中，即，也在负导体中，如图1所示。

此外，直流电压开关装置100包括传感器116，该传感器被设置为检测在正导体8和负导体10周围整体形成的磁场。最后，直流电压开关装置100的连接到传感器116和开关元件(即，有利地至少连接到开关元件101)的评估装置118被设置为将检测到的磁场(即，在实际实施中是根据值检测的磁场)与阈值进行比较并且相应地当超过阈值时激活开关元件，即，特别是根据图1所示的开关元件101，以用于将直流电压负载断开连接。由于根据所示的设计，这是基于半导体的开关元件，因此直流电压负载200随后至少电解耦并且不再能经由直流电压源4进行操作。

因此，通过检测两个导体上的差电流或和电流来实施根据本发明的故障电流监测，由此检测在正导体8和负导体10周围总共形成得磁场以用于此目的。如在本说明书和权利要求的范围内使用，术语“差”应被理解为量的差。

因此，霍尔效应传感器尤其可以用作传感器116来检测磁场。

根据特别优选的实施例、尤其是对在这些导体周围形成的整体磁场进行容易实施的监测，引导正导体8和负导体10穿过铁氧体芯112的公共贯穿开口111，如图1所描画。因此被直流电压开关装置适当地包围以用于此目的的铁氧体芯也优选地在一个位置处分离并且因此在那里形成气隙114，其中传感器116被布置在该分离点处，即，特别是在气隙114中。在这种铁氧体芯的帮助下，因此可以适当地捆绑和引导磁场线。

图3a和图3b以高度简化的形式示出了两个可能的实际实施例，其中正导体8和负导体10被铁氧体芯112封闭，并且传感器116被布置在铁氧体芯的气隙114中。在图3b中，正导体8和负导体10被布置在印刷电路板115上，即，特别是导体迹线的形式，并且印刷电路板115被引导穿过铁氧体芯112的贯穿开口111或被铁氧体芯112封闭。当使用印刷电路板115时，传感器116也可以以相同方式放置在该印刷电路板上，并且有利地使得该传感器继而布置在气隙中。根据图3b，气隙还可以由传感器完全填充，或如图所示，还由印刷电路板115和放置在其上的传感器填充。

如果没有故障电流，即，特别是在直流电压支路中没有流向接地电位的电流，则在最佳情况下，正导体和负导体中的电流的量相等，即，电流的和为零或量的差为零。因此，传感器116优选地被布置为检测无磁场，或者在正导体8和负导体10中的电流的量相等的情况下，检测值为零的磁场。如果直流电压支路中有故障电流，则正导体8和负导体10中的电流的量不再相等，并且因此可以检测到不等于零的磁场。因此，检测到的磁场也可以根据正导体8和负导体10中的电流的大小并且根据相应的电流方向而假设大于或小于零的值。然而，作为根据本发明通过检测在正导体和负导体周围形成的整体磁场来检测整体电流的结果，因此，仅需要使用单个传感器来检测直流电压支路2中的故障电流，该直流电压支路包括与其电连接的直流电压负载200。

评估装置118可以具有模拟电路、分立电路或优选地还有μC(微控制器)以用于评估检测到的磁场，即，特别是用于将检测到的磁场与阈值进行比较并且激活至少一个开关元件101。如果根据设计和/或应用领域，差电流或总电流超过阈值或低于阈值、特别是预定阈值，则相应地激活(即，特别是断开)开关装置(即，特别是图1所示的开关元件101)以用于将负载200从源4解耦。然而，用于使直流电压负载200耦合和解耦的开关元件还可以另外或替代地包括第二开关元件和第三开关元件106、特别是第二机电开关元件和第三机电开关元件，第二开关元件和第三开关元件106中的一者被集成在正导体8中并且另一者被集成在负导体10中。以此方式，还可以实现负载200与源4的电流解耦，特别是同样借助于评估装置118来实现。为此目的，第二开关元件和第三开关元件106可以具有继电器触点。然而，根据优选实施例，特别是设置为基于半导体的可电子控制的开关元件的至少一个第一开关元件101被集成在正导体8中或在负导体10中。

因此，如果在作为整体的两个导体周围检测到的磁场的值且因此特别是两个导体的差电流或和电流例如超过预定临界值，则第一开关元件101和/或第二开关元件和第三开关元件106可以由评估装置118根据超过的值和特殊设计而断开，因此将直流电压支路与直流电压源4电解耦或电流解耦。此外，通过断开第二开关元件和第三开关元件106来阻止两个方向上的电流流动，而当图1所示的第一开关元件101被断开时，最初仅阻止导体中的一者中的电流流动，除非另一半导体开关元件也被集成在相应的另一导体中，即，也在根据图1的负导体中。因此，第二开关元件和第三开关元件106将DC输出端与DC输入端安全地隔离。

此外，在有利的进一步发展中，评估装置118包括消息输出端或通信接口，即，用于在超过阈值的情况下和/或在未超过阈值但检测到的磁场具有量大于第二阈值的值的情况下输出119消息信号，该第二阈值的量小于该阈值。以此方式，还可以经由与阈值比较而以多样且灵活的方式考虑在直流电压负载的操作期间出现的可容忍电流变化、波动和/或损失。

此外，评估装置118不仅被设计和设置为借助于对一个或多个开关元件(即，将它或它们断开)的对应激活命令将直流电压负载200或整个直流电压支路2与直流电压源4电解耦和/或电流解耦，而且借助于对一个或多个开关元件(即，使它或它们接通)的对应激活命令将直流电压负载200或整个直流电压支路2电耦合和/或电流耦合到直流电压源4。特别地，根据适当的实施例，对评估装置118的用于基于此实现接通的命令也可以由评估装置118例如经由如上所述的通信接口或经由另一输入接口、特别是数字输入端来接收。

因此，如上文在各种实施例中所述的直流电压开关装置还可以用来实施开关系统，其中正导体8和负导体10在直流电压开关装置100的输入端IN+、IN-处连接到直流电压源4，例如，也连接到作为直流电压源4的直流电压母线，并且直流电压支路可以在直流电压开关装置100的输出端OUT+、OUT-处经由正导体8和负导体10连接到直流电压负载200和与其断开连接(参见图1)。

基于此，图2示出了优选开关系统的高度简化草图，该开关系统具有带输入端和输出端的第一这种直流电压开关装置100a，由此正导体和负导体10输入端连接到作为直流电压源的直流电压母线4a，并且带有直流电压负载200a的直流电压支路2a可以在输出端处经由正导体和负导体进行连接和断开连接。

在根据图2的有利的进一步发展中，还包括带有输入端和输出端的至少一个另一这种直流电压开关装置100b，由此在该另一直流电压开关装置100b中，正导体8和负导体10也在输入端处连接到直流电压母线4a，并且带有直流电压负载200b的另一直流电压支路2b可以在输出端处经由正导体8和负导体10进行连接和断开连接。

鉴于以上描述，直流电压负载不一定是单个负载，而也可以由一组直流电压负载组成或被设计为直流电网络，该直流电网络具有经由其操作的大量直流电压负载。

在实际实施中，例如，对于基于半导体的可电子控制的开关元件101，MOSFET(“金属氧化物半导体场效应晶体管”)或IGBT(“绝缘栅双极晶体管”)适合于将直流电压负载或直流电压支路与直流电压源、特别是直流电压母线快速解耦。

借助于上述评估装置118，因此根据应用和/或特定设计，特别是可以

-实现对连接的直流电压负载的充电电流限制，即，将连接的负载的DC侧电容器预先充电至输入电压水平，

-监测各种状态变量，诸如输入电压、输出电压、负载电流和PE的漏电流(剩余电流)，

-在发生错误时断开，即，一旦状态变量离开容许范围就断开。

-剩余电流断开，即，如果正导体和负导体中的电流之间的差变得太大，则断开，和/或

-在输出侧上发生短路时快速关机。

附图标记列表

2、2a、2b 直流电压支路

4 直流电压源

4a 直流电压母线

8 正导体

10 负导体

100、100a、100b直流电压开关装置

101 第一开关元件

106 第二开关元件、第三开关元件

111 接近开口

112 磁芯

114 气隙

115 PCB

116 传感器

118 评估装置

119 消息输出的输出端或通信接口

200、200a、200b直流电压负载。

Claims

1.一种用于在经由正导体(8)和负导体(10)将直流电压负载(200)电耦合到直流电压源(4)时进行故障电流监测的方法，其具有以下步骤：

检测在所述正导体和负导体周围整体形成的磁场，

将检测到的磁场与阈值进行比较(118)，以及

如果超过所述阈值，则将所述直流电压负载(200)断开连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其中引导所述正导体和负导体穿过铁氧体芯(112)的公共贯穿开口(111)，所述铁氧体芯在一个位置处分离并且在所述位置处设置有传感器(116)、特别是霍尔效应传感器。

3.一种用于经由正导体(8)和负导体(10)将直流电压负载(200)耦合到直流电压源(4)的直流电压开关装置(100、100a)，所述正导体(8)和所述负导体(10)被布线穿过所述直流电压开关装置(100、100a)，其包括

-开关元件(101、106)，所述开关元件用于使所述直流电压负载(200、200a)耦合和解耦；

-传感器(116)、特别是霍尔效应传感器，所述传感器被设置为检测在所述正导体(8)和负导体(10)周围整体形成的磁场；以及

-评估装置(118)，所述评估装置连接到所述传感器(116)和所述开关元件(101、106)，所述评估装置被设置为将检测到的磁场与阈值进行比较并且在超过所述阈值时激活所述开关元件(101、106)以将所述直流电压负载断开连接。

4.根据权利要求3所述的直流电压开关装置(100、100a)，

其中所述传感器(116)被布置为在所述正导体和负导体中的电流的量相等时不检测磁场，

和/或

其中所述直流电压开关装置(100、100a)还包括铁氧体芯(112)，所述铁氧体芯具有贯穿开口(111)并且在一个位置处分离以形成气隙(14)，所述正导体和负导体被引导穿过所述贯穿开口(111)并且所述传感器被布置在所述气隙(14)中。

5.根据权利要求3至4中任一项所述的直流电压开关装置(100、100a)，其中用于使所述直流电压负载(200、200a)耦合和解耦的所述开关元件包括集成在所述正导体(8)或所述负导体(10)中的第一开关元件(101)、特别是基于半导体的可电子控制的开关元件。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的直流电压开关装置(100、100a)，其中用于使所述直流电压负载(200)耦合和解耦的所述开关元件包括第二开关元件和第三开关元件(106)、特别地包括第二机电开关元件和第三机电开关元件，其中所述第二开关元件和所述第三开关元件(106)中的一者被集成在所述正导体(8)中并且另一者被集成在所述负导体(10)中。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的直流电压开关装置(100、100a)，其中所述正导体(8)和所述负导体(10)被设计为电路板上的导体迹线。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的直流电压开关装置(100、100a)，其中所述评估装置(118)具有消息输出端或通信接口以用于在超过所述阈值的情况下和/或在未超过所述阈值但检测到的磁场具有量大于第二阈值的值的情况下输出(119)消息信号，所述第二阈值的量小于所述阈值。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的直流电压开关装置(100、100a)，其中所述直流电压开关装置(100、100a)具有输入端和输出端，其中所述正导体(8)和所述负导体(10)在所述输入端处连接到作为直流电压源(4)的直流电压母线(4a)，并且直流电压支路(2a)能够在所述输出端处经由所述正导体(8)和所述负导体(10)连接到所述直流电压负载(200、200a)和与其断开连接。