CN1258084A - 限流开关 - Google Patents

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Abstract

限流开关有承载额定电流的弧阻接触装置S1和与额定电流接触装置S1并联的转换电路K1和K2。电路K1包括串联的电流中断开关装置T和断开开关点ST。电路K2包括以延迟方式响应它传导的转换电流的电流限制器RB。开关装置TP与电流限制器RB串联。电流限制器RB产生延时时,转换电路不形成过压,同时耐过压的断开间隙ST形成在电路K1中。断开间隙ST使延迟后的过压不或只一小部分作用在开关装置T上。即使在中等和高压供电中可省去开关装置T的串联电路。

Description

限流开关
本发明涉及一种限流开关。
本发明参照例如在DE 43 17 965 A1和EP 0 272 349 A1中所描述的限流开关的现有技术。以前公知的开关设计用于切断供电电路并具有快速机械开关，该机械开关具有导电接触器和转换电路，而这些导电接触器在几微秒内可以相互断开，并与开关并联，转换电路具有一个短路电流中断半导体开关，如断路半导体开关元件，如最好是GTO。即使供电电路断开，全部供电电压也存在于半导体开关中。由于半导体开关最多能承载高达几千伏的电压，因此这些限流开关只用在低压供电中。
本发明是以提供一种限流开关为目的，该限流开关尽管设计简单，但是实现了即使是高压和中等电压供电中的供电元件可以安全而又可靠地断开和连接。
除了具有电流中断第一开关装置和一个电或者电子作用断开开关点的第一转换电路外，本发明的限流开关此外还有带有电流限制器的第二转换电路。电流限制器设计成这种方式：在可驱动的开关装置打开时，由它传导并从第一转换电路转接到第二转换电路的电流以延时方式被限制。在这个延时期间，两个转换电路的两端没有形成过压，同时在第一转换电路的两端形成耐过电压的断开间隙。这种断开间隙使得采用限流开关成为可能，而该限流开关即使用于远远超过第一开关装置的最大允许电压的额定电压，尤其是用于高压和中等电压，不需要串联连接若干价格昂贵的第一开关装置。
以下将参照附图详细地解释本发明优选的示范性实施例和可得到的进一步优点，其中：
图1显示具有本发明的限流开关的第一实施例的试验装置的单相基本电路，该装置模拟中等电压供电；
图2图示了即使在断开流在图1的试验装置内的短路电流时，限流开关两端的电流和电压随着时间而变化的分布；
图3显示具有本发明的限流开关的第二实施例的试验装置的单相基本电路，该装置模拟中等电压供电；以及
图4以立体图显示了图示在图1和图3中的本发明的限流开关的实施例的电流限制器，如PTC热敏电阻。
在所有附图中，相同的标号表示具有相同作用的部件。图1和3示出的电路包括模拟中等电压供电的试验装置的单相基本电路，在每种情况下都具有限流开关S。该试验装置包括一个发电机G，该发电机模拟一般是数10KV的供电电压UN，例如20KV，并通过限流开关供给由无抗电阻RL和感应元件LL模拟的负载。布置在发电机G和开关S之间并对开关S起作用的短路识别组件KSE具有测量和评估部分，用于非常快地识别短路电流iN。短路电流一般是数10KA，如20KA。开关S位于从发电机到负载的电流电路中，开关S具有弧阻的额定电流接触装置S1，该接触装置S1打开时非常快，即一般在100到500us内打开，例如在250us内，该开关S还有串联连接的隔离开关SS。弧阻的接触装置S1可以仅包括一个额定电流接触点，但也可包括两个或者多个串联连接的额定电流接触点。
两个转换电路K1和K2与额定电流接触装置S1并联连接。转换电路K1包括一个电驱动开关装置T和一个隔离开关点ST(TS)。开关装置T最好是一个断路半导体开关T1，例如半导体开关元件，尤其是一个闸门电路断开开关(GTO)。为具有高载流能力，开关装置T也可包括若干并联连接的半导体开关，以取代半导体开关T1。在具有正极和负极的交流电的情况下，为了得到开关装置T的快速响应，开关装置具有一个或者多个另外的半导体开关T2，这些半导体开关T2与所述一个或者所述多个半导体开关T1反向并联连接。
转换电路K2与额定电流接触装置S1并联连接，并具有电流限制器RB。电流限制器RB以延迟的方式响应转换电流，并最好设计成PTC热敏电阻。与电流限制器RB串联连接的一个开关装置TP包括至少一个半导体开关、但最好包括至少两个相互反向并联连接的半导体开关，这些半导体开关不必设计成断路开关，但是在电流零交叉处可以消除由它们带有的交流电，例如尤其是半导体开关元件或者三端双向可控硅开关。通过把这种另外的半导体开关串联地布置，可以提高开关装置TP的介质放电容量。取代半导体开关，开关装置TP也可包括接触器，这些接触器相互可机械地断开。
参照附图2，下面更加详细地解释图1和3的限流开关的的工作方法。
在图1实施例的情况下，与开关装置T串联布置在转换电路K1中的断开开关点设计成具有接触器的快速打开断开接触装置ST(打开时间一般是几个100us)，这些接触器相互可机械地断开。一旦出现短路电流iN(在图2中用虚线来表示没受限制的短路电流iNB)，识别组件KSE在大约100us内在限流开关S处开始断开过程。在这种情况下，位于两个转换电路K1和K2上的开关装置T和TP立即接通。额定电流接触装置S1同时打开。由于在这个过程中形成电弧，因此在大约250us内还在升高的短路电流转接到转换电路K1中。所述转换电路保持导电直到达到额定电流接触装置S1的绝缘强度为止，该绝缘强度稍微比T的绝缘强度大。然后，将切断的短路电流转接到转换电路K2中。在这种情况下，由于磁漏电感产生瞬时过压，并且从电流限制器RB的这头到那头也产生了电阻电压降。电流限制器RB产生具有数个100us的延时限制。这个时间延迟对额定电流接触装置S1和断开接触装置ST来说可在没有电的情况下打开。一旦断开接触装置ST已经打开，开关S两端的全部电压US实际上在转换电路K1的断开接触装置两端降低。由于电流限制器RB以延迟的方式来响应，因此直到S1和ST打开之后才开始对现在在转换电路K2中流动的短路电流进行限制。在随后的电流零交叉过程中，如5到6ms之后，通过具有非常小的过压的开关装置TP来断开被限制的短路电流。后来，通过打开断开开关SS来形成电断开间隙。
以相同的方式来实现运行切断，而差别仅在于电流的波形大约保持正弦波，因为电流限制不灵敏。
一旦连接了运行设备和负载，借助于开关装置TP的半导体开关以合适的相来(同步)转换，可避免瞬时恢复过程和伴随着的过压的发生。如果该系统转换到短路，那么限制就发生作用了，因为电流限制器RB实际上已经处于短路状态。此后，在供电电压的电压零交叉处触发了S1和ST的接通驱动。触发之后所产生的短路电流仅仅非常慢地上升并在S1和ST完全关闭之前不会达到不允许的较高值。然后该系统又一次处于关闭起动状态并可工作地准备用于可能的短路中断。
图3的实施例基本上具有相同的工作方法，但是断开开关点不是设计成断开接触装置ST，而是设计成开关装置TS，该开关装置TS由反向并联连接的半导体开关(T3，T4)形成。根据开关装置TP的半导体开关来设计开关装置TS的半导体开关。此外还布置了缓冲网络(snubber network)BNW，所述缓冲网络BNW由RC元件形成并与额定电流接触装置S1并联连接，所述缓冲网络BNW与由开关装置T和断开接触装置TS形成的串联电路并联。该缓冲网络用于控制半导体开关T1至T4的两端电压。因此可以省去运动的机械部件。
在限流开关的这种实施例中，T断开之后，半导体开关TS变成断开状态，并且这些半导体开关的串联电路两端的电压根据缓冲网络BNW来划分。电流限制器RB又一次以延迟的方式起作用，因此，可观察到开关装置TS的半导体开关的恢复次数，并可达到额定电流接触装置S1的绝缘强度。
在这种情况下，通过开关装置T和TS来实现这种连接，这样通过电流限制器RB对供电电流具有较小影响的效果。如果短路被KSE所识别，那么S1未能关闭且立即开始从T1到RB的转换过程。
图4图示了PTC热敏电阻的示例性实施例，该PTC热敏电阻用作中等电压范围内的电流限制器RB。这种热敏电阻具有轴向对称设计的支撑体H和电阻丝PTC，而电阻丝PTC以弯曲的方式导向并由具有PTC性能的材料、如纯镍或铁—钴合金制成。支撑体H由耐热和介电的高质量材料形成并呈哑铃形，例如这些材料可以是如以玻璃纤维和环氧化合物或者陶瓷为基础的纤维加强塑料。它具有布置在杆HS的端部上的支撑盘HT1、HT2。孔如HB1和HB2形成在支撑盘上，每个孔用于给电阻丝PTC的轴向校直部分导向。这些孔布置在一个圆上，该圆绕着杆HS而共心地导向。在每种情况下，通过两个邻近的孔如HB1和HB2引导弯曲部分的回转。电线的弯曲布置(电线以平行方式被来回引导)使电流限制器RB的固有电感保持较小。
限流开关的两个实施例的连接如上所述，将断开的短路电流通过断开半导体开关T1或T2(GTO)在几us内转接到电流限制器RB，该电流限制器RB设计成PTC热敏电阻。因此，在要转接的电流上升到数个10KA和数KV的过压只在这个时间这个点上允许的情况下，元件的固有电感(LE)必须仅仅是数个uH(＜10uH)，这可通过使所描述的结构具有长90cm和直径20cm的范围内的尺寸得以确保。此外，严格的轴向对称结构可防止由各个导体之间的电流所形成的不允许的较大力的出现。
【示范性实施例】
PTC热敏电阻具有下面参数：
在室温下的电阻RK                         0.5Ω
电阻摆动(在约1ms内固有加热产生的)RW/RK  ca.10
能量吸收能力(在大约5ms内)E          0.1MJ
载流能力i                           10KA
绝缘强度(如开关冲击)u               30KV
固有电感LE                         10uH
具有下面的尺寸大小：
线圈长度L                           0.9m
线圈直径D                           0.2m
电线横截面(圆形)                    1.9mm2
电线长度                            12.1m
在本发明的电流限制器的情况下，借助于开关装置T(该开关装置T起作转换元件的作用，该转换元件与断开接触装置ST或者与开关装置TS串联连接)和该串联电路与以延迟方式起作用的电流限制器之间的相互作用所得到的效果是：在电流限制过程中产生的过压不会作用在开关装置T上，或者只是所述过压(根据通过缓冲网络BNW进行的电压控制)的一小部分作用在所述开关装置T上。其结果是，即使在额定电压远远超过半导体开关T1和T2两端的最大允许电压的开关系统的情况下，不需要这些相对较贵的元件的串联电路。因此，本发明的限流开关尤其是在中等电压和高压范围内构成了特别具有成本效果的解决方案。
本发明的限流开关可有利地尤其用于三相电力传输系统，从而取代现有设计的电断路器，无论任何地方，短路情况下的限流和以合适相位进行转接运行的功能在供电作业中是必需的和/或有利的。
此外，本发明的限流开关也可用作限流DC开关。
标号表
A，B              电流端子
BNW               缓冲网络
H                 支撑体HB1，HB2         孔HS                 杆HT1，HT2         支撑盘K1，K2           转换电路KES                短路识别组件LL                感应元件PTC                电阻丝RL                无抗电阻RB                电流限制器S                  限流开关S1                额定电流接触装置SS                断开开关ST                断开接触装置T1，T2           半导体开关T，TP，TS        开关装置iN                短路电流iNB               未限制的短路电流uN                供电电压uS                开关S两端的电压

Claims (11)

1.中等电压或者高电压的限流开关，该限流开关具有用于承载额定电流的弧阻接触装置(S1)和第一转换电路(K1)，该第一转换电路(K1)与额定电流接触装置(S1)并联连接并具有电流中断第一开关装置(T)，其特征在于，一个具有一电流限制器(RB)的第二转换电路(K2)与额定电流接触装置(S1)并联连接，该电流限制器(RB)以延迟方式响应它传送的转换电流，并且第一转换电路(K1)具有串联连接的第一开关装置(T)和断开接触装置(ST)。
2.如权利要求1所述的开关，其特征在于，第一开关装置(T)包括一个第一断开半导体开关(T1)。
3.如权利要求2所述的开关，其特征在于，第一开关装置(T)具有一个第二断开半导体开关(T2)，该第二断开半导体开关(T2)与第一半导体开关(T1)反向并联。
4.中等电压或者高电压的限流开关，该限流开关具有用于承载额定电流的弧阻接触装置(S1)和第一转换电路(K1)，该第一转换电路(K1)与额定电流接触装置(S1)并联连接并具有电流中断第一开关装置(T)，其特征在于，一个具有一电流限制器(RB)的第二转换电路(K2)与额定电流接触装置(S1)并联连接，该电流限制器(RB)以延迟方式响应它传送的转换电流；第一开关装置(T)包括若干串联连接的第一半导体开关(T1，T3)，其中至少一个半导体开关(T1)设计成一个断开开关，并且第一开关装置还包括一个与第一半导体开关并联连接的缓冲网络(BNW)。
5.如权利要求4所述的开关，其特征在于，第一开关装置(T)具有两个半导体开关(T2，T4)，这些半导体开关(T2，T4)与第一半导体开关(T1，T3)和缓冲网络(BNW)反向并联连接。
6.如权利要求1到5任一权利要求所述的开关，其特征在于，一个第二开关装置(TP)与电流限制器(RB)串联连接。
7.如权利要求1到6任一权利要求所述的开关，其特征在于，电流限制器(RB)包括一个PTC热敏电阻。
8.如权利要求7所述的开关，其特征在于，PTC热敏电阻具有一个设计成基本上是轴向对称的支撑体(HK)和一电阻丝(PTC)，电阻丝(PTC)以弯曲方式导入并由具有PTC性能的材料制成。
9.如权利要求8所述的开关，其特征在于，支撑体(HK)设计成哑铃形并具有支撑盘(HT1，HT2)，支撑盘(HT1，HT2)布置在轴向导向杆(HS)的端部。
10.如权利要求9所述的开关，其特征在于，孔(HB1，HB2)形成在支撑盘中，并且每个孔(HB1，HB2)用于引导电阻(PTC)的轴向校直部分。
11.如权利要求10所述的开关，其特征在于，孔(HB1，HB2)布置在一个圆上，该圆绕着杆(HS)同心地导向，并且在每种情况下，通过两个邻近的孔(HB1，HB2)引导弯曲部分的回转。
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