DE102022125675A1 - Combined earthing and protection device for a modular voltage and power converter - Google Patents

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Abstract

Dargestellt und beansprucht ist eine kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung für einen modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandler zur Wandelung einer Primärwechselspannung mit einer oder mehreren Phasen in eine Sekundärspannung. Die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung umfasst Eingangskontakte und Ausgangskontakte, die mit Spannungseingängen und Spannungsausgängen von Einzelmodulen des Wandlers leitend verbunden werden. Die Eingangs- und Ausgangkontakte, die mit dem gleichen Einzelmodul verbunden werden, sind mit einem Varistor verbunden, der leitend wird, wenn die über den Varistor abfallende Spannung einen ersten Schwellwert überschreitet. Eine nichtleitende Schaltleiste mit Brückenkontakten kann von einer Betriebsposition in eine Erdungsposition bewegt werden. In der Erdungsposition verbinden die Brückenkontakt die Eingangs- und Ausgangkontakte der Einzelmodule miteinander und mit einem Masseanschluss. In der Betriebsposition sind dieselben Eingangs- und Ausgangskontakte nicht durch die Brückenkontakte und auch nicht mit dem Masseanschluss verbunden.Shown and claimed is a combined grounding and protection device for a modular voltage and power converter for converting a primary alternating voltage with one or more phases into a secondary voltage. The combined grounding and protection device comprises input contacts and output contacts that are conductively connected to voltage inputs and voltage outputs of individual modules of the converter. The input and output contacts that are connected to the same individual module are connected to a varistor that becomes conductive when the voltage drop across the varistor exceeds a first threshold value. A non-conductive switch strip with bridge contacts can be moved from an operating position to a grounding position. In the grounding position, the bridge contacts connect the input and output contacts of the individual modules to one another and to a ground connection. In the operating position, the same input and output contacts are not connected by the bridge contacts or to the ground connection.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung für einen modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandler zur Wandelung einer Primärwechselspannung mit einer oder mehreren Phasen in eine Sekundärspannung. Der modular aufgebaute Spannungs- und Leistungswandler umfasst für jede Phase der Primärwechselspannung eine Mehrzahl von in Reihe zu schaltenden Einzelmodulen. Jedes Einzelmodul weist zur Aufnahme einer Phase der Primärwechselspannung einen Spannungseingang und einen Spannungsausgang auf.The present invention relates to a combined earthing and protection device for a modular voltage and power converter for converting a primary alternating voltage with one or more phases into a secondary voltage. The modular voltage and power converter comprises a plurality of individual modules that can be connected in series for each phase of the primary alternating voltage. Each individual module has a voltage input and a voltage output for receiving a phase of the primary alternating voltage.

Modular aufgebaute Spannungs- und Leistungswandler in Form von Solid State Transformatoren (SST), die auch als leistungselektronische Transformatoren bezeichnet werden, sollen in speziellen Anwendungen die Funktion von herkömmlichen 50 Hz Öl- oder Gießharztransformatoren ersetzen, um beispielsweise eine dreiphasige Hochspannung in eine Gleichspannung umzuformen. Die leistungselektronischen Transformatoren sind hierzu aus einer Vielzahl von Einzelstromrichtern aufgebaut, wobei für jede Phase der Hochspannung mehrere Einzelstromrichter in Reihe geschaltet werden und die in Reihe geschalteten Einzelstromrichter wiederum insgesamt parallel geschaltet sind.Modular voltage and power converters in the form of solid state transformers (SST), also known as power electronic transformers, are intended to replace the function of conventional 50 Hz oil or cast resin transformers in special applications, for example to convert a three-phase high voltage into a direct voltage. The power electronic transformers are made up of a large number of individual converters, with several individual converters connected in series for each phase of the high voltage and the individual converters connected in series being connected in parallel.

Die Einzelstromrichter, die auch als Zellen bezeichnet werden, befinden sich im Normalbetrieb auf einem Hochspannungspotential und sind daher für Personen nicht zugänglich. Wenn dennoch Wartungen oder andere Arbeiten an dem SST durchgeführt werden müssen, sind verschiedene Sicherheitsregeln zu beachten. Insbesondere muss die Spannungsfreiheit festgestellt und für jede der Zellen eine Erdungsgarnitur umgelegt werden, so dass jede Zelle geerdet ist. Aufgrund der Vielzahl von Einzelzellen, die ein SST umfasst, sind die vorbereitenden Arbeiten vor einer Wartung daher sehr aufwendig und zeitraubend.The individual power converters, also known as cells, are at a high voltage potential during normal operation and are therefore not accessible to people. If maintenance or other work must be carried out on the SST, various safety rules must be observed. In particular, the absence of voltage must be ensured and an earthing set must be put in place for each of the cells so that each cell is earthed. Due to the large number of individual cells that an SST comprises, the preparatory work before maintenance is very complex and time-consuming.

Zudem kann es problematisch sein, wenn eine einzelne Zelle aufgrund eines Fehlers in der Zelle keinen Strom mehr führen kann, da in diesem Fall die Leiter-Leiterspannung der Hochspannung, beispielsweise 20 kV, über die Trennstelle abfällt, was beispielsweise zu einer explosionsartigen Zerstörung der Zelle führen kann. Durch die Überreste der explosionsartig zerstörten Zelle können zudem weitere Zellen zerstört werden, die benachbart angeordnet sind, so dass der Schaden nicht auf eine einzelne Zelle begrenzt ist.It can also be problematic if a single cell can no longer conduct electricity due to a fault in the cell, as in this case the line-to-line voltage of the high voltage, for example 20 kV, drops across the separation point, which can lead to the cell being destroyed explosively, for example. The remains of the explosively destroyed cell can also destroy other cells that are located next to it, so the damage is not limited to a single cell.

Vor diesem Hintergrund stellt sich dem Fachmann die Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der zumindest einige der vorstehend geschilderten Probleme gelöst werden können.Against this background, the skilled person is faced with the task of providing a device with which at least some of the problems described above can be solved.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The present invention solves this problem by a combined earthing and protective device according to claim 1. Preferred embodiments of the combined earthing and protective device are the subject of the dependent claims.

Gemäß einem erstem Aspekt ist eine kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung für einen modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandler zur Wandelung einer Primärwechselspannung mit einer oder mehreren Phasen in eine Sekundärspannung vorgesehen. Der Spannungs- und Leistungswandler weist für jede Phase der Primärwechselspannung eine Mehrzahl von in Reihe zu schaltenden Einzelmodulen auf. Jedes Einzelmodul weist zur Aufnahme einer Phase der Primärspannung einen Spannungseingang und einen Spannungsausgang auf. Die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung umfasst eine Mehrzahl von Eingangskontakten und eine Mehrzahl von Ausgangskontakten, die so konfiguriert sind, dass jeweils ein Eingangskontakt mit einem Spanungseingang eines Einzelmoduls des Spannungs- und Leistungswandlers leitend verbindbar ist und jeweils ein Ausgangskontakt mit einem Spannungsausgang eines Einzelmoduls des Spannungs- und Leistungswandlers leitend verbindbar ist. Zudem sind jeweils der Eingangskontakt und der Ausgangkontakt, die mit dem Spannungseingang und dem Spannungsausgang des gleichen Einzelmoduls verbindbar sind, mittels eines Varistors verbunden. Der Varistor ist dazu konfiguriert, den Eingangskontakt leitend mit dem Ausgangskontakt zu verbinden, wenn die über den Varistor abfallende Spannung einen ersten Schwellwert überschreitet. Die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung umfasst weiterhin eine nichtleitende Schaltleiste mit einer Mehrzahl von Brückenkontakten. Die Schaltleiste ist dazu konfiguriert, von einer Betriebsposition in eine Erdungsposition bewegt zu werden. Wenn die Schaltleiste in der Erdungsposition ist, verbindet jeweils ein Brückenkontakt der Mehrzahl von Brückenkontakten den Eingangskontakt leitend mit dem Ausgangkontakt, die mit dem Spannungseingang und dem Spannungsausgang des gleichen Einzelmoduls verbindbar sind. Zudem sind die durch die Brückenkontakte leitend verbundenen Eingangskontakte und Ausgangskontakte mit einem Masseanschluss verbunden. Wenn die Schaltleiste in der Betriebsposition ist, sind die Eingangskontakte und die Ausgangskontakte, die mit dem Spannungseingang und dem Spannungsausgang des gleichen Einzelmoduls verbindbar sind, nicht durch die Brückenkontakte leitend verbunden und die Eingangskontakte und Ausgangskontakte auch nicht mit dem Masseanschluss verbunden.According to a first aspect, a combined grounding and protection device is provided for a modular voltage and power converter for converting a primary alternating voltage with one or more phases into a secondary voltage. The voltage and power converter has a plurality of individual modules that can be connected in series for each phase of the primary alternating voltage. Each individual module has a voltage input and a voltage output to accommodate a phase of the primary voltage. The combined grounding and protection device comprises a plurality of input contacts and a plurality of output contacts that are configured such that an input contact can be conductively connected to a voltage input of an individual module of the voltage and power converter and an output contact can be conductively connected to a voltage output of an individual module of the voltage and power converter. In addition, the input contact and the output contact that can be connected to the voltage input and the voltage output of the same individual module are connected by means of a varistor. The varistor is configured to conductively connect the input contact to the output contact when the voltage drop across the varistor exceeds a first threshold value. The combined grounding and protection device further comprises a non-conductive switching strip with a plurality of bridge contacts. The switching strip is configured to be moved from an operating position to a grounding position. When the switching strip is in the grounding position, one bridge contact of the plurality of bridge contacts conductively connects the input contact to the output contact, which can be connected to the voltage input and the voltage output of the same individual module. In addition, the input contacts and output contacts conductively connected by the bridge contacts are connected to a ground connection. When the switching strip is in the operating position, the input contacts and the output contacts, which can be connected to the voltage input and the voltage output of the same individual module, are not conductively connected by the bridge contacts and the input contacts and output contacts are also not connected to the ground connection.

Damit ist eine Einrichtung oder Vorrichtung vorgesehen, die aufgrund ihres vorteilhaften Aufbaus drei Funktion auf einmal übernimmt: sie verbindet Ausgangs- und Eingangskontakte von in der Reihenschaltung direkt aufeinanderfolgenden Einzelzellen oder Einzelmodulen des modularen Spannungs- und Leistungswandlers, schaltet die Einzelmodule also in Reihe, schützt durch die Varistoren jedes der Einzelmodule für sich vor Überspannung und ermöglicht durch die leitende Verbindung der Eingangs- und Ausgangskontakte, wenn die Schaltleiste in der Erdungsposition ist, sämtliche in Reihe geschalteten Einzelmodule durch die Bewegung der Schaltleiste mit einem Masseanschluss zu verbinden und somit zu erden.This provides a device or apparatus which, due to its advantageous design, performs three functions at once: it connects output and input contacts of series connection of directly consecutive individual cells or individual modules of the modular voltage and power converter, thus connecting the individual modules in series, protecting each of the individual modules from overvoltage through the varistors and, through the conductive connection of the input and output contacts when the switching strip is in the earthing position, enabling all individual modules connected in series to be connected to a ground connection by the movement of the switching strip and thus to be earthed.

Mit anderen Worten umfasst die vorliegende Vorrichtung eine Mehrzahl von Eingangs- und Ausgangskontakten, die jeweils zur Kontaktierung von entsprechenden Spannungseingängen und Spannungsausgängen von Einzelmodulen des kombinierten Spannungs- und Leistungswandlers vorgesehen sind. Die Anzahl der Eingangskontakte und die Anzahl der Ausgangskontakte der Erdungs- und Schutzeinrichtung entspricht somit jeweils der Anzahl der Einzelzellen. Jeweils ein Paar bestehend aus einem Eingangskontakt und einem Ausgangskontakt ist einem Einzelmodul zugeordnet und dazu vorgesehen, mit dem Spannungseingang bzw. dem Spannungsausgang des jeweiligen Einzelmoduls verbunden zu werden.In other words, the present device comprises a plurality of input and output contacts, each of which is intended for contacting corresponding voltage inputs and voltage outputs of individual modules of the combined voltage and power converter. The number of input contacts and the number of output contacts of the grounding and protection device thus correspond to the number of individual cells. A pair consisting of an input contact and an output contact is assigned to an individual module and is intended to be connected to the voltage input or the voltage output of the respective individual module.

In einer beispielhaften Ausführungsform ist jede kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung dazu vorgesehen, sämtliche Einzelmodule eines modularen Spannungs- und Leistungswandlers zu erden und zu schützen, die für die Wandlung einer Phase der Primärwechselspannung vorgesehen sind. Daher ist für jede der Phasen der Primärwechselspannung eine getrennte kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung vorzusehen. Beispielsweise sind bei einem modularen Spannungs- und Leistungswandler, mit dem eine dreiphasige Hochspannung in eine Gleichspannung umgeformt werden soll, drei Gruppen von Einzelmodulen vorgesehen, jeweils eine Gruppe von Einzelmodulen für jede Phase, und es sind entsprechend auch drei kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtungen vorgesehen.In an exemplary embodiment, each combined grounding and protection device is intended to ground and protect all individual modules of a modular voltage and power converter that are intended to convert one phase of the primary alternating voltage. Therefore, a separate combined grounding and protection device is provided for each of the phases of the primary alternating voltage. For example, in a modular voltage and power converter with which a three-phase high voltage is to be converted into a direct voltage, three groups of individual modules are provided, one group of individual modules for each phase, and accordingly three combined grounding and protection devices are also provided.

Um die Einzelmodule vor Überspannung zu schützen, sind jeweils die paarweise einem Einzelmodul zugewiesenen Eingangs- und Ausgangskontakte mit einem Varistor verbunden. Die Varistoren sind dazu vorgesehen, die Eingangs- und Ausgangskontakte leitend miteinander zu verbinden, also die Einzelmodule zu überbrücken, wenn die über den Varistor abfallende Spannung einen ersten Schwellwert überschreitet. Die Varistoren wirken daher bei einem Defekt eines Einzelmoduls und dem damit einhergehenden Spannungsanstieg zwischen dem Spannungseingang und Spannungsausgang der Zelle bzw. den zugeordneten Eingangs- und Ausgangskontakten als spannungsbegrenzend.In order to protect the individual modules from overvoltage, the input and output contacts assigned to an individual module in pairs are connected to a varistor. The varistors are designed to connect the input and output contacts to one another in a conductive manner, i.e. to bridge the individual modules when the voltage drop across the varistor exceeds a first threshold value. The varistors therefore act as voltage limiters in the event of a defect in an individual module and the associated voltage increase between the voltage input and voltage output of the cell or the assigned input and output contacts.

Zudem umfasst die kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung eine Mehrzahl von leitenden Brückenkontakten, die Teil einer nichtleitenden Schaltleiste sind. Die Schaltleiste kann zwischen zwei Positionen bewegt werden, von denen eine als Betriebsposition bezeichnet wird und die andere als Erdungsposition. Beispielsweise kann die Bewegung der Schaltleiste zwischen der Betriebsposition und der Erdungsposition eine Translationsbewegung in einer Richtung sein, die Schaltleiste wird also von der Betriebsposition in die Erdungsposition oder umgekehrt verschoben.In addition, the combined earthing and protective device comprises a plurality of conductive bridge contacts which are part of a non-conductive switch strip. The switch strip can be moved between two positions, one of which is referred to as the operating position and the other as the earthing position. For example, the movement of the switch strip between the operating position and the earthing position can be a translational movement in one direction, i.e. the switch strip is moved from the operating position to the earthing position or vice versa.

Wenn die Schaltleiste in der Erdungsposition ist, verbindet jeweils einer der Brückenkontakte einen Eingangskontakt mit einem Ausgangskontakt, wobei die miteinander verbundenen Kontakte dem gleichen Einzelmodul zugeordnet sind. Die Brückenkontakte stellen damit in der Erdungsposition eine leitende Verbindung zwischen den Eingangs- und Ausgangskontakten her und schließen diese kurz. Die Anzahl der Brückenkontakte entspricht damit der Anzahl der Einzelmodule, für die die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtungen vorgesehen ist.When the switch strip is in the earthing position, one of the bridge contacts connects an input contact with an output contact, whereby the interconnected contacts are assigned to the same individual module. In the earthing position, the bridge contacts thus establish a conductive connection between the input and output contacts and short-circuit them. The number of bridge contacts therefore corresponds to the number of individual modules for which the combined earthing and protective device is intended.

Um die kurzgeschlossenen Einzelmodule zu erden, also mit Masse zu verbinden, ist zudem ein Masseanschluss vorgesehen. Der Masseanschluss kann mit Masse verbunden werden. Die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung ist so ausgestaltet, dass in der Erdungsposition die durch die Brückenkontakte kurz geschlossenen Eingangs- und Ausgangskontakte auch mit dem Masseanschluss verbunden sind und damit alle Einzelmodule der kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung auf Masse liegen.In order to ground the short-circuited individual modules, i.e. to connect them to ground, a ground connection is also provided. The ground connection can be connected to ground. The combined grounding and protection device is designed in such a way that in the grounding position the input and output contacts short-circuited by the bridge contacts are also connected to the ground connection and thus all individual modules of the combined grounding and protection device are connected to ground.

Wird die Schaltleiste hingegen in die Betriebsposition bewegt, beziehungsweise wenn sich die Schaltleiste in der Betriebsposition befindet, werden die Brückenkontakte in eine Position verschoben, in der sie die Eingangs- und Ausgangskontakte nicht leitend miteinander verbinden, diese also nicht kurzgeschlossen sind. Auch besteht keine Verbindung mehr zwischen dem Masseanschluss und den Eingangs- und Ausgangskontakten, sodass diese auch nicht mehr auf Masse liegen, also nicht mehr geerdet sind. Damit stellt die vorliegende kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung auf vorteilhafte Weise eine Möglichkeit bereit, mit der die Einzelmodule sowohl vor einer Überspannung geschützt werden können als auch, beispielsweise zur Wartung, geerdet werden können.However, if the switch strip is moved to the operating position, or if the switch strip is in the operating position, the bridge contacts are moved to a position in which they do not connect the input and output contacts to one another in a conductive manner, i.e. they are not short-circuited. There is also no longer any connection between the ground connection and the input and output contacts, so that they are no longer connected to ground, i.e. no longer earthed. This combined earthing and protection device therefore advantageously provides a way of protecting the individual modules from overvoltage and also earthing them, for example for maintenance purposes.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erdungs- und Schutzeinrichtung ist zur Reihenschaltung der Einzelmodule des Spannungs- und Leistungswandlers der Ausgangskontakt, der mit dem Spannungsausgang eines in Reihe vorausgehend zu schaltenden Einzelmoduls verbindbar ist, mittels eines Strombands leitend mit dem Eingangskontakt verbunden, der mit dem Spannungseingang des in Reihe nachfolgend zu schaltenden Einzelmoduls verbindbar ist. In der bevorzugten Ausführungsform übernimmt die Erdungs- und Schutzeinrichtung damit auf vorteilhafte Weise auch die Reihenschaltung all derer Einzelmodule, die zur Aufnahme der gleichen Phase in dem modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandler vorgesehen sind.In a preferred embodiment of the earthing and protection device, for the series connection of the individual modules of the voltage and power converter, the output contact, which can be connected to the voltage output of an individual module to be connected in series beforehand, is a current band is conductively connected to the input contact, which can be connected to the voltage input of the individual module to be connected in series. In the preferred embodiment, the earthing and protection device thus advantageously also takes over the series connection of all of the individual modules that are intended to accommodate the same phase in the modular voltage and power converter.

Mit anderen Worten umfasst die Erdungs- und Schutzeinrichtung in der bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Strombändern, die beispielsweise durch leitende Metallschienen gebildet werden können. Die Anzahl der Strombänder oder Stromschienen ist dabei um eins kleiner als die Anzahl der Einzelmodule, die mit der Erdungs- und Schutzeinrichtung geschützt und geerdet werden sollen. Jedes der Strombänder verbindet einen Ausgangskontakt der Erdungs- und Schutzeinrichtung mit einem Eingangskontakt der Erdungs- und Schutzeinrichtung. Dabei wird der Ausgangskontakt mit dem Eingangskontakt leitend verbunden, die dazu vorgesehen sind, mit jeweils dem Spannungsausgang und dem Spannungseingang von direkt hintereinander in Reihe zu schaltenden Einzelmodulen verbunden zu werden.In other words, the grounding and protection device in the preferred embodiment comprises a plurality of current bands, which can be formed, for example, by conductive metal rails. The number of current bands or current rails is one less than the number of individual modules that are to be protected and grounded with the grounding and protection device. Each of the current bands connects an output contact of the grounding and protection device to an input contact of the grounding and protection device. The output contact is conductively connected to the input contact, which are intended to be connected to the voltage output and the voltage input of individual modules that are to be connected in series directly one after the other.

Die zur Erdung der Einzelmodule verwendeten Brückenkontakte können beispielsweise in der Erdungsposition der Schaltleiste die beiden Strombänder leitend miteinander verbinden, die mit dem Eingangskontakt und dem Ausgangskontakt verbunden sind, die jeweils zur Verbindung mit dem gleichen Einzelmodule vorgesehen sind. Somit werden durch die leitende Verbindung der Strombänder die Eingangs- und Ausgangskontakte kurzgeschlossen, wenn der modular aufgebaute Spannung- und Leistungswandler geerdet werden soll. In diesem Fall würden zudem die Strombänder leitend mit dem Masseanschluss verbunden und damit geerdet. Dazu kann beispielsweise ein zusätzliches Stromband vorgesehen sein, das angepasst ist, um mit dem Spannungsausgang des in der Reihenschaltung letzten Einzelmoduls verbunden zu sein, und das in der Erdungsposition der Schaltleiste mit dem Masseanschluss elektrisch verbunden ist und in der Betriebsposition elektrisch von diesem getrennt ist.The bridge contacts used to ground the individual modules can, for example, in the grounding position of the switching strip, conductively connect the two current bands that are connected to the input contact and the output contact, each of which is intended for connection to the same individual module. Thus, the conductive connection of the current bands short-circuits the input and output contacts when the modular voltage and power converter is to be grounded. In this case, the current bands would also be conductively connected to the ground connection and thus grounded. For this purpose, for example, an additional current band can be provided that is adapted to be connected to the voltage output of the last individual module in the series connection and that is electrically connected to the ground connection in the grounding position of the switching strip and is electrically separated from it in the operating position.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist jeweils zwischen dem Eingangskontakt und dem Ausgangkontakt, die mit dem Spannungseingang bzw. dem Spannungsausgang des gleichen Einzelmoduls verbindbar sind, eine Funkenstrecke ausgebildet, die so konfiguriert ist, dass es zu einem Spannungsüberschlag kommt, wenn der Spannungsabfall über die Funkenstrecke einen zweiten Schwellwert überschreitet, wobei der zweite Schwellwert vorzugsweise größer als der erste Schwellwert ist. Sollte in einem extremen Fehlerfall, beispielsweise bei Durchschlag der Hochspannungsisolation eines Einzelmoduls, die Netzspannung über nur wenigen verbleibenden Einzelmodule abfallen und sollten die zum Schutz der Einzelmodule vorgesehenen Varistoren versagen, werden die Einzelmodule ergänzend über die Funkenstrecken geschützt, über die die Spannung in diesem Fall abfällt.In a preferred embodiment, a spark gap is formed between the input contact and the output contact, which can be connected to the voltage input or the voltage output of the same individual module, which is configured in such a way that a voltage flashover occurs when the voltage drop across the spark gap exceeds a second threshold value, wherein the second threshold value is preferably greater than the first threshold value. If, in the event of an extreme fault, for example if the high-voltage insulation of an individual module breaks down, the mains voltage drops across only a few remaining individual modules and the varistors provided to protect the individual modules fail, the individual modules are additionally protected via the spark gaps across which the voltage drops in this case.

Vorzugsweise ist die Funkenstrecke jeweils zwischen einem zweiten Ende des Strombands, das mit dem Eingangskontakt verbunden ist, und einem ersten Ende des Strombands ausgebildet, das mit dem Ausgangskontakt verbunden ist. Für die Funkenstrecken müssen daher keine zusätzlichen Komponenten vorgesehen werden. Vielmehr werden diese auf vorteilhafte Weise durch geeignete Ausbildung und Anordnung der bereits vorgesehenen Strombänder geformt.Preferably, the spark gap is formed between a second end of the current band, which is connected to the input contact, and a first end of the current band, which is connected to the output contact. Therefore, no additional components need to be provided for the spark gaps. Rather, these are advantageously formed by suitable design and arrangement of the current bands already provided.

Zur Verbindung der Strombänder mit den Brückenkontakten sind vorzugsweise gefederte Kontaktbolzen vorgesehen. Diese sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Träger aus einem nichtleitenden Material gehaltert. Die gefederten Kontaktbolzen können beispielsweise auf die Brückenkontakte hin vorgespannt sein, um eine verlässliche Kontaktierung der Brückenkontakte zu ermöglichen, wenn diese verschoben werden.Spring-loaded contact bolts are preferably provided to connect the current strips to the bridge contacts. These are preferably held in a common carrier made of a non-conductive material. The spring-loaded contact bolts can, for example, be pre-tensioned towards the bridge contacts in order to enable reliable contacting of the bridge contacts when they are moved.

Es ist weiter bevorzugt, wenn jedes Stromband zwei Kontaktbolzen umfasst, die in der Betriebsposition der Schaltleiste jeweils mit dem gleichen Brückenkontakt in Kontakt sind und die in der Erdungsposition der Schaltleiste jeweils mit unterschiedlichen Brückenkontakten in Kontakt sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist somit vorgesehen, dass im Normalbetrieb die Brückenkontakte, die von dem gleichen Stromband ausgehen, mit ihren Kontaktflächen an dem gleichen Brückenkontakt anliegen bzw. diesen berühren. Die Kontaktbolzen, die dem gleichen Stromband zugeordnet sind, sind somit in der Betriebsposition der Schaltleiste sowohl durch das Stromband als auch durch einen Brückenkontakt leitend verbunden. In der Erdungsposition der Schaltleiste sind die Kontaktbolzen, die dem gleichen Stromband zugeordnet sind, nur noch durch das Stromband leitend verbunden. Über die Brückenkontakte werden sie hingegen mit anderen Strombändern verbunden, um die Einzelmodule kurzzuschließen und damit zu erden.It is further preferred if each current strip comprises two contact pins which are each in contact with the same bridge contact in the operating position of the switch strip and which are each in contact with different bridge contacts in the earthing position of the switch strip. In the preferred embodiment, it is therefore provided that in normal operation the bridge contacts which originate from the same current strip rest with their contact surfaces on the same bridge contact or touch it. The contact pins which are assigned to the same current strip are thus conductively connected both by the current strip and by a bridge contact in the operating position of the switch strip. In the earthing position of the switch strip, the contact pins which are assigned to the same current strip are only conductively connected by the current strip. However, they are connected to other current strips via the bridge contacts in order to short-circuit the individual modules and thus earth them.

Vorzugsweise umfasst die Erdungs- und Schutzeinrichtung einen elektrischen Antrieb, der die Schaltleiste von der Betriebsposition in die Erdungsposition bewegt. Der elektrische Antrieb bewegt die Schaltleiste weiter vorzugsweise über eine Gewindespindel.The earthing and protection device preferably comprises an electric drive that moves the switching strip from the operating position to the earthing position. The electric drive preferably moves the switching strip further via a threaded spindle.

Der Masseanschluss wird in einer bevorzugten Ausführungsform von einer Masseschiene gebildet, und die Schaltleiste ist so konfiguriert, dass ein mit den Brückenkontakten leitend verbundenes Kontaktmesser in die Masseschiene eingreift, wenn die Schaltleiste von der Betriebsposition in die Erdungsposition bewegt wird. Mit anderen Worten wird durch einen mechanischen Eingriff zwischen einem Kontaktmesser, das mit der Schaltleiste leitend verbunden ist bzw. Teil der Schaltleiste ist, und einer Masseschiene eine elektrische Verbindung zur Masse hergestellt. Hierdurch kann durch eine einfache visuelle Überprüfung, ob das Kontaktmesser mit der Masseschiene in Kontakt ist, festgestellt werden, ob die Einzelmodule des modular aufgebauten Spannung- und Leistungswandlers geerdet sind.In a preferred embodiment, the ground connection is formed by a ground rail and the switch strip is configured in such a way that a contact blade conductively connected to the bridge contacts engages the ground rail when the switch strip is moved from the operating position to the grounding position. In other words, an electrical connection to ground is established by a mechanical engagement between a contact blade that is conductively connected to the switch strip or is part of the switch strip and a ground rail. This makes it possible to determine whether the individual modules of the modular voltage and power converter are grounded by simply visually checking whether the contact blade is in contact with the ground rail.

Vorzugsweise rastet das Kontaktmesser mit der Masseschiene ein, wenn die Schaltleiste von der Betriebsposition in die Erdungsposition bewegt wird. So wird verhindert, dass sich die Verbindung zwischen Kontaktmesser und Masseschiene ohne äußere Einwirkung bzw. Betätigung lösen kann.Preferably, the contact blade engages with the ground bar when the switch strip is moved from the operating position to the grounding position. This prevents the connection between the contact blade and the ground bar from coming loose without external influence or actuation.

Die Erdungs- und Schutzeinrichtung umfasst vorzugsweise einen Hebel, mit dem die Schaltleiste manuell von der Betriebsposition in die Erdungsposition bewegt werden kann, wobei ein Bediener der Erdungs- und Schutzeinrichtung vorzugsweise aus einer Stellung des Hebels erkennen kann, ob die Schaltleiste in der Betriebsposition oder Erdungsposition ist. So kann ein Bediener des modularen Spannung- und Leistungswandlers unmittelbar aus der Position des Hebels erkennen, ob die Vorrichtung in Betrieb ist oder geerdet ist.The earthing and protection device preferably comprises a lever with which the switching strip can be moved manually from the operating position to the earthing position, wherein an operator of the earthing and protection device can preferably recognize from a position of the lever whether the switching strip is in the operating position or the earthing position. An operator of the modular voltage and power converter can thus immediately recognize from the position of the lever whether the device is in operation or is earthed.

Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein modular aufgebauter Spannungs- und Leistungswandler zur Wandelung einer Primärwechselspannung mit einer oder mehreren Phasen in eine Sekundärspannung mit einer oder mehreren kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen vorgesehen. Der Spannungs- und Leistungswandler umfasst für jede Phase der Primärwechselspannung eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Einzelmodulen, wobei jedes Einzelmodul zur Aufnahme einer Phase der Primärspannung einen Spannungseingang und einen Spannungsausgang aufweist, wobei jeweils ein Spannungseingang mit einem Eingangskontakt der Erdungs- und Schutzeinrichtung leitend verbunden ist und jeder Spannungsausgang mit einem Ausgangskontakt der Erdungs- und Schutzeinrichtung leitend verbunden ist.According to a second aspect, a modular voltage and power converter is provided for converting a primary alternating voltage with one or more phases into a secondary voltage with one or more combined grounding and protection devices according to one of the preceding embodiments. The voltage and power converter comprises a plurality of individual modules connected in series for each phase of the primary alternating voltage, each individual module having a voltage input and a voltage output for receiving a phase of the primary voltage, each voltage input being conductively connected to an input contact of the grounding and protection device and each voltage output being conductively connected to an output contact of the grounding and protection device.

Die Vorteile des Spannungs- und Leistungswandlers entsprechen den Vorteilen der kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung, die darin Verwendung findet.The advantages of the voltage and power converter correspond to the advantages of the combined earthing and protection device used in it.

Vorzugsweise umfasst jedes Einzelmodul einen Transformator zur Spannungs- und Leistungswandlung zwischen einer Eingangsseite des Einzelmoduls und einer Ausgangsseite des Einzelmoduls sowie eine Funkenstrecke, wobei der Spannungseingang und der Spannungsausgang des Einzelmoduls an der Eingangsseite des Einzelmoduls angeordnet sind und wobei die Funkenstrecke parallel zu dem Transformator angeordnet und derart konfiguriert ist, dass es zu einem Spannungsüberschlag kommt, wenn der Spannungsabfall über die Funkenstrecke einen dritten Schwellwert überschreitet. Die Funkenstrecke innerhalb der Einzelmodule kann zu einer kontrollierten Zerstörung der Einzelmodule im Fehlerfall führen, insbesondere wenn die Varistoren und/oder die Funkenstrecken der kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung nicht ausreichen sollten.Preferably, each individual module comprises a transformer for voltage and power conversion between an input side of the individual module and an output side of the individual module and a spark gap, wherein the voltage input and the voltage output of the individual module are arranged on the input side of the individual module and wherein the spark gap is arranged parallel to the transformer and configured such that a voltage flashover occurs when the voltage drop across the spark gap exceeds a third threshold value. The spark gap within the individual modules can lead to a controlled destruction of the individual modules in the event of a fault, in particular if the varistors and/or the spark gaps of the combined earthing and protection device are insufficient.

Jedes Einzelmodul umfasst vorzugsweise ein Gehäuse, das so ausgebildet ist, dass bei einer Zerstörung eines Einzelmoduls aufgrund einer Überspannung benachbart zu dem zerstörten Einzelmodul angeordnete Einzelmodule nicht beschädigt werden. So wird auf vorteilhafte Weise der Schaden durch die Zerstörung einzelner Einzelmodule begrenzt, und der Spannungs- und Leistungswandler bleibt grundsätzlich betriebsbereit.Each individual module preferably comprises a housing which is designed in such a way that if an individual module is destroyed due to an overvoltage, individual modules arranged adjacent to the destroyed individual module are not damaged. In this way, the damage caused by the destruction of individual modules is advantageously limited and the voltage and power converter remains fundamentally operational.

Vorzugsweise sind die Varistoren so angeordnet, dass bei einer Zerstörung eines Einzelmoduls aufgrund einer Überspannung der Varistor, der den Eingangskontakt mit dem Ausgangskontakt verbindet, die jeweils mit dem Spannungseingang und dem Spannungsausgang des zerstörten Einzelmoduls verbunden sind, nicht beschädigt wird. Dies kann insbesondere dadurch gewährleistet werden, dass der Varistor den Strangstrom bis zu dessen Abklingen übernehmen kann und gleichzeitig mit seiner Varistor-Spannung anstelle der Zelle zur Gegenspannung des Strangs beiträgt. So kann der Spannungs- und Leistungswandler weiterbetrieben werden, da der Varistor das zerstörte Einzelmodul überbrückt und selber nicht beschädigt wird.The varistors are preferably arranged in such a way that if an individual module is destroyed due to an overvoltage, the varistor that connects the input contact to the output contact, which are each connected to the voltage input and the voltage output of the destroyed individual module, is not damaged. This can be ensured in particular by the varistor being able to take over the string current until it decays and at the same time contributing to the counter voltage of the string with its varistor voltage instead of the cell. The voltage and power converter can thus continue to operate because the varistor bridges the destroyed individual module and is not damaged itself.

Nachfolgend werden wir die vorliegende Erfindung bezugnehmend auf die Zeichnung näher erläutern. Darin zeigt

  • 1 einen schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandlers,
  • 2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Spannungs- und Leistungswandlers mit einer Erdungs- und Schutzeinrichtung in einer Betriebsposition,
  • 3 eine schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels aus 2 in einer Erdungsposition,
  • 4 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Spannungs- und Leistungswandlers mit einem Ausführungsbeispiel einer Erdungs- und Schutzeinrichtung in einer Erdungsposition,
  • 5 eine zweite perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels aus 4, bei dem die Erdungs- und Schutzeinrichtung in einer Betriebsposition ist,
  • 6 eine Schnittansicht durch einen Teil des Ausführungsbeispiels einer Erdungs- und Schutzeinrichtung aus den 4 und 5 in der Betriebsposition,
  • 7 eine weitere Schnitteinsicht eines Teils des Ausführungsbeispiels einer Erdungs- und Schutzeinrichtung aus den 4-6 in der Erdungsposition,
  • 8 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Ausführungsbeispiels einer Erdungs- und Schutzeinrichtung aus den 4-7 in der Betriebsposition,
  • 9 eine weitere perspektivische Ansicht eines Teils des Ausführungsbeispiels einer Erdungs- und Schutzeinrichtung aus den 4-8 in der Erdungsposition,
  • 10 eine perspektivische Detailansicht eines weiteren Teils des Ausführungsbeispiels aus den 4-10,
  • 11 eine Schnittansicht eines weiteren Teils des Ausführungsbeispiels aus den 4-10 und
  • 12 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Einzelmoduls eines modular aufgebauten Spannung- und Leistungswandlers.
In the following we will explain the present invention in more detail with reference to the drawing.
  • 1 a schematic structure of an embodiment of a modular voltage and power converter,
  • 2 a schematic view of an embodiment of a voltage and power converter with a grounding and protection device in an operating position,
  • 3 a schematic view of the embodiment of 2 in a grounding position,
  • 4 a perspective view of an embodiment of a voltage and power transformer with an embodiment of a grounding and protection device in a grounding position,
  • 5 a second perspective view of the embodiment of 4 , in which the earthing and protective device is in an operating position,
  • 6 a sectional view through a part of the embodiment of an earthing and protective device from the 4 and 5 in the operating position,
  • 7 a further sectional view of a part of the embodiment of an earthing and protective device from the 4-6 in the grounding position,
  • 8th a perspective view of a part of the embodiment of a grounding and protective device from the 4-7 in the operating position,
  • 9 a further perspective view of a part of the embodiment of an earthing and protective device from the 4-8 in the grounding position,
  • 10 a perspective detailed view of another part of the embodiment from the 4-10 ,
  • 11 a sectional view of another part of the embodiment from the 4-10 and
  • 12 a schematic representation of the structure of a single module of a modular voltage and power converter.

1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandlers 1, mit dem eine dreiphasige Hochspannung in eine Gleichspannung umgeformt wird. In 1 ist als Beispiel für einen modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandler 1 ein Solid State Transformator 2 gezeigt, der auch als leistungselektronischer Transformator bezeichnet wird. Die Hochspannung kann beispielsweise eine Dreiphasen-Wechselspannung mit einer Spannung von 20 kV sein, während die Gleichspannung bei +/-750 V liegt. 1 shows an exemplary embodiment of a modular voltage and power converter 1, with which a three-phase high voltage is converted into a direct voltage. In 1 As an example of a modular voltage and power converter 1, a solid state transformer 2 is shown, which is also referred to as a power electronic transformer. The high voltage can be, for example, a three-phase alternating voltage with a voltage of 20 kV, while the direct voltage is +/-750 V.

Der Spannungs- und Leistungswandler 1 verfügt für jede Phase der dreiphasigen Hochspannung über einen Phasenleiter R, S, T und über zwei Ausgangsleiter 3, 4 für die Gleichspannung. Der erste Ausgangsleiter 3 liegt beispielsweise auf einer Spannung von -750 V, während der zweite Ausgangsleiter 4 entsprechend auf einer Spannung von +750 V liegt.The voltage and power converter 1 has a phase conductor R, S, T for each phase of the three-phase high voltage and two output conductors 3, 4 for the direct voltage. The first output conductor 3 is, for example, at a voltage of -750 V, while the second output conductor 4 is correspondingly at a voltage of +750 V.

Der Spannungs- und Leistungswandler 1 verfügt für jede Phase der Primärwechselspannung jeweils über sechs in Reihe geschaltete Einzelmodule 5. Insgesamt verfügt der in 1 gezeigte Spannungs- und Leistungswandler somit über 18 Einzelmodule. Da die Einzelmodule 5, die auch als Zellen oder Einzelzellen bezeichnet werden können, in Reihe geschaltet sind, fällt über jedes Einzelmodule nur ein Teil der Hochspannung ab. In 1 sind nur wenige der Einzelmodule 5 mit Bezugszeichen versehen, damit die Figur insgesamt lesbar bleibt. Jedes Einzelmodul 5 umfasst Leistungselektronik, mit der ein Teil einer Phase der Hochspannung in eine Gleichspannung gewandelt wird. Der Aufbau der (identischen) Einzelmodule 5 wird an anderer Stelle bezugnehmend auf 12 näher erläutert.The voltage and power converter 1 has six individual modules 5 connected in series for each phase of the primary alternating voltage. In total, the 1 The voltage and power converter shown has 18 individual modules. Since the individual modules 5, which can also be referred to as cells or single cells, are connected in series, only a part of the high voltage drops across each individual module. In 1 only a few of the individual modules 5 are provided with reference symbols so that the figure as a whole remains legible. Each individual module 5 comprises power electronics with which part of a phase of the high voltage is converted into a direct voltage. The structure of the (identical) individual modules 5 is described elsewhere with reference to 12 explained in more detail.

In den 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 für einen modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandler 1, wie beispielsweise in 1 gezeigt, offenbart. 2 zeigt die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 in einer Betriebsposition oder Betriebsstellung, und 3 zeigt die Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 in einer Erdungsposition.In the 2 and 3 is an embodiment of a combined earthing and protection device 6 for a modular voltage and power converter 1, as for example in 1 shown, revealed. 2 shows the combined earthing and protective device 6 in an operating position or operating position, and 3 shows the earthing and protective device 6 in an earthing position.

Von dem modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandler 1 sind in den 2 und 3 beispielhaft vier Einzelmodule 5 gezeigt, die für die Wandelung einer Phase der Primärspannung verwendet werden. Jedes Einzelmodule 5 verfügt über einen Spannungseingang 7 und einen Spannungsausgang 8. Um die Einzelmodule 5 in Reihe zu schalten, wird jeweils ein Spannungsausgang 8 eines in Reihe zu schaltenden Einzelmoduls 5 mit einem Spannungseingang 7 des nachfolgenden, in Reihe zu schaltenden Einzelmoduls 5 leitend verbunden. Hierzu umfasst die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 eine Mehrzahl von Strombändern 9. Jedes Stromband 9 verbindet den Spannungsausgang 8 eines Einzelmoduls 5 mit dem Spannungseingang 7 des nachfolgenden Einzelmoduls 5.The modular voltage and power converter 1 is shown in the 2 and 3 Four individual modules 5 are shown as an example, which are used for converting a phase of the primary voltage. Each individual module 5 has a voltage input 7 and a voltage output 8. In order to connect the individual modules 5 in series, a voltage output 8 of an individual module 5 to be connected in series is conductively connected to a voltage input 7 of the subsequent individual module 5 to be connected in series. For this purpose, the combined earthing and protection device 6 comprises a plurality of current bands 9. Each current band 9 connects the voltage output 8 of an individual module 5 to the voltage input 7 of the subsequent individual module 5.

Die Strombändern 9 stellen somit einerseits Eingangskontakte 11 dar, mit denen die Strombänder 9 jeweils mit den Spannungseingängen 7 der Einzelmodule 5 unmittelbar leitend verbunden sind. Andererseits bilden die Strombänder 9 auch Ausgangskontakte 12, an denen die Strombänder 9 unmittelbar leitend mit den Spannungsausgängen 8 der Einzelmodule 5 verbunden sind. Die Eingangs- und Ausgangskontakte 11, 12 können beispielsweise in direktem physischen Kontakt mit den Spannungseingängen 7 bzw. Spannungsausgängen 8 stehen. Um die Darstellung in den 2 und 3 nicht zu überfrachten, ist nur jeweils ein Eingangskontakt 11 und ein Ausgangskontakt 12 mit einem Bezugszeichen versehen.The current bands 9 thus represent, on the one hand, input contacts 11, with which the current bands 9 are directly conductively connected to the voltage inputs 7 of the individual modules 5. On the other hand, the current bands 9 also form output contacts 12, at which the current bands 9 are directly conductively connected to the voltage outputs 8 of the individual modules 5. The input and output contacts 11, 12 can, for example, be in direct physical contact with the voltage inputs 7 and voltage outputs 8, respectively. In order to simplify the representation in the 2 and 3 In order not to overload the display, only one input contact 11 and one output contact 12 are provided with a reference symbol.

Das Stromband 9, das mit dem Spannungseingang 7 eines Einzelmoduls 5 unmittelbar leitend verbunden ist, und das Stromband 9, das mit dem Spannungsausgang 8 des gleichen Einzelmoduls 5 unmittelbar leitend verbunden ist, sind jeweils über einen Varistor 10 verbunden. Die Varistoren 10 sind so konfiguriert, dass sie die direkt aufeinander folgenden Strombänder 9 leitend miteinander verbinden, wenn der Spannungsabfall zwischen dem Eingangskontakt 11 und dem Ausgangskontakt 12, die dem gleichen Einzelmodul 5 zugeordnet sind bzw. die mit dem Spannungseingang 7 und dem Spannungsausgang 8 des gleichen Einzelmoduls 5 unmittelbar verbunden sind, einen ersten Grenzwert oder Schwellwert überschreitet.The current band 9, which is directly conductively connected to the voltage input 7 of an individual module 5, and the current band 9, which is directly conductively connected to the voltage output 8 of the same individual module 5, are each connected via a varistor 10. The varistors 10 are configured such that they conductively connect the directly consecutive current bands 9 to one another when the voltage drop between the input contact 11 and the output contact 12, which are assigned to the same individual module 5 or which are directly connected to the voltage input 7 and the voltage output 8 of the same individual module 5, exceeds a first limit value or threshold value.

Kommt es zu einem Defekt in einem Einzelmodul 5, im Rahmen dessen der Stromfluss innerhalb des Einzelmoduls 5 oder zwischen den Strombändern 9 und dem Einzelmodul 5 unterbrochen ist, würde die Leiter-Leiterspannung des Hochspannungsnetzes, beispielsweise also 20 kV, direkt über die Trennstelle abfallen, was entsprechende Zerstörungen nach sich zieht. Insbesondere kann es zu einer vollständigen Zerstörung des Einzelmoduls 5 kommen, die wiederum die Zerstörung weiterer Einzelmodule 5 und damit im Ergebnis des gesamten modularen Spannungs- und Leistungswandlers 1 nach sich zieht. Als Schutzmaßnahme sind für diesen Fall die Varistoren 10 vorgesehen, die den maximalen Spannungsabfall über die Einzelmodule 5 auf den ersten Schwellwert begrenzen.If a defect occurs in an individual module 5, as a result of which the current flow within the individual module 5 or between the current bands 9 and the individual module 5 is interrupted, the line-line voltage of the high-voltage network, for example 20 kV, would drop directly across the separation point, resulting in corresponding destruction. In particular, the individual module 5 may be completely destroyed, which in turn results in the destruction of other individual modules 5 and thus ultimately of the entire modular voltage and power converter 1. Varistors 10 are provided as a protective measure in this case, which limit the maximum voltage drop across the individual modules 5 to the first threshold value.

Ein Abstand d zwischen einem zweiten Ende 13 eines Strombands 9, das mit dem Spannungseingang 7 eines Einzelmoduls 5 unmittelbar leitend verbunden ist, und einem ersten Ende 14 des Strombands 9, das mit dem Spannungsausgang 8 des gleichen Einzelmoduls 5 unmittelbar leitend verbunden ist, wurde so gewählt, dass zwischen dem ersten Ende 14 und dem zweiten Ende 13 der Strombänder eine Funkenstrecke 15 ausgebildet ist. Aufgrund der Wahl des Abstands d schlägt die Spannung über die Funkenstrecke 15 über, wenn der Spannungsabfall über die Funkstrecke 15 einen zweiten Schwellwert überschreitet. Der zweite Schwellwert ist größer als der erste Schwellwert, bei dessen Überschreiten die Varistoren 10 die Eingangs- und Ausgangskontakte 11, 12 zweier direkt aufeinanderfolgender Strombänder 9 miteinander verbinden.A distance d between a second end 13 of a current band 9, which is directly conductively connected to the voltage input 7 of an individual module 5, and a first end 14 of the current band 9, which is directly conductively connected to the voltage output 8 of the same individual module 5, was selected such that a spark gap 15 is formed between the first end 14 and the second end 13 of the current bands. Due to the selection of the distance d, the voltage across the spark gap 15 flashes over when the voltage drop across the spark gap 15 exceeds a second threshold value. The second threshold value is greater than the first threshold value, when exceeded, the varistors 10 connect the input and output contacts 11, 12 of two directly consecutive current bands 9 to one another.

Die Funkenstrecke 15 dient damit als zusätzliche Sicherheit, wenn bei einem extremen Fehlerfall, beispielsweise einem Durchschlag der Hochspannungsisolation eines Einzelmoduls 5, die Hochspannung von beispielsweise 20 KV über nur wenige verbleibende Einzelmodule 5 abfällt und zusätzlich einer der Varistoren 10 ausfällt. Der Kurzschlussstrom wird in diesem Fall von der Funkenstrecke 15 übernommen, die zwischen zwei Strombänder 9 ausgebildet ist. Hierdurch werden weitere Schäden verhindert bzw. die Entstehung von Schäden wird begrenzt. In den 2 und 3 ist nur eine der Funkenstrecken 15 mit einem Bezugszeichen versehen, um die Zeichnung nicht mit Bezugszeichen zu überfrachten.The spark gap 15 thus serves as additional safety if, in the event of an extreme fault, for example a breakdown of the high-voltage insulation of an individual module 5, the high voltage of, for example, 20 KV drops across only a few remaining individual modules 5 and one of the varistors 10 also fails. In this case, the short-circuit current is taken over by the spark gap 15, which is formed between two current bands 9. This prevents further damage or limits the occurrence of damage. In the 2 and 3 only one of the spark gaps 15 is provided with a reference symbol in order not to overload the drawing with reference symbols.

Schließlich umfasst die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung noch eine nicht leitende Schaltleiste mit einer Mehrzahl von Brückenkontakten 16. Die Schaltleiste ist in den 2 und 3 nicht dargestellt, wird aber im weiteren Verlauf bezugnehmend auf weitere Ausführungsbeispiele näher beschrieben.Finally, the combined earthing and protective device also includes a non-conductive switch strip with a plurality of bridge contacts 16. The switch strip is in the 2 and 3 not shown, but will be described in more detail below with reference to further embodiments.

Die Anzahl der Brückenkontakte 16 entspricht der Anzahl der Einzelmodule 5, für die die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 in den 2 und 3 vorgesehen ist, d. h. für jedes Einzelmodul 5 ist ein Brückenkontakte 16 vorgesehen und diesem auch zugeordnet. Die in den 2 und 3 nicht dargestellte Schaltleiste kann zwischen einer Betriebsposition und einer Erdungsposition hin und her bewegt werden. Die Brückenkontakte 16 sind so an der Schaltleiste angeordnet, dass sie sich mit dieser zwischen der Betriebsposition und der Erdungsposition hin und her bewegen.The number of bridge contacts 16 corresponds to the number of individual modules 5 for which the combined earthing and protective device 6 is installed in the 2 and 3 is provided, ie for each individual module 5 a bridge contact 16 is provided and assigned to it. The 2 and 3 A switch strip (not shown) can be moved back and forth between an operating position and an earthing position. The bridge contacts 16 are arranged on the switch strip in such a way that they move back and forth with it between the operating position and the earthing position.

Dabei sind die Brückenkontakte 16 insbesondere so an der Schaltleiste angeordnet, dass jeder Brückenkontakte 16 den Eingangskontakt 11 mit dem Ausgangskontakt 12 leitend verbindet, die dem gleichen Einzelmodul 5 zugeordnet sind, wenn die Schaltleiste in der Erdungsposition ist. Mit anderen Worten schließen die Brückenkontakte 16 in der Erdungsposition der Schaltleiste jeweils die Eingangskontakte 11 und die Ausgangskontakte 12 kurz, die zum Anschluss an das gleiche Einzelmodule 5 vorgesehen sind. Befindet sich die Schaltleiste in der Betriebsposition, werden die Eingangskontakte 11 und die Ausgangskontakte 12, die dem gleichen Einzelmodul 5 zugeordnet sind, nicht durch die Brückenkontakte 16 verbunden. Die Eingangs- und Ausgangskontakte 11, 12 sind daher nicht kurzgeschlossen.The bridge contacts 16 are arranged on the switch strip in particular such that each bridge contact 16 conductively connects the input contact 11 to the output contact 12, which are assigned to the same individual module 5, when the switch strip is in the grounding position. In other words, in the grounding position of the switch strip, the bridge contacts 16 short-circuit the input contacts 11 and the output contacts 12, which are intended for connection to the same individual module 5. If the switch strip is in the operating position, the input contacts 11 and the output contacts 12, which are assigned to the same individual module 5, are not connected by the bridge contacts 16. The input and output contacts 11, 12 are therefore not short-circuited.

Schließlich verfügt die in 2 und 3 gezeigte kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung noch über ein Erdungselement 17, über das die kurz geschlossenen Eingangs- und Ausgangskontakte 11, 12 mit einem Masseanschluss 18 verbunden werden können. In dem Ausführungsbeispiel in den 2 und 3 ist das Erdungselement 17 wie auch die Brückenkontakte 16 an der nicht dargestellten Schaltleiste befestigt und wird zusammen mit der Schaltleiste zwischen einer Betriebsposition und einer Erdungsposition hin und her bewegt.Finally, the 2 and 3 The combined earthing and protection device shown in the drawing also has an earthing element 17, via which the short-circuited input and output contacts 11, 12 can be connected to a ground connection 18. In the embodiment in the 2 and 3 The earthing element 17 as well as the bridge contacts 16 are attached to the switch bar (not shown) and are moved back and forth together with the switch bar between an operating position and an earthing position.

In 3 ist die Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 in einem Erdungszustand dargestellt, in dem sich die nicht dargestellte Schaltleiste in der Erdungsposition befindet. In dieser Position verbindet das Erdungselement 17 das Stromband 9, dessen erstes Ende 14 mit dem Spannungsausgang 8 des letzten in Reihe geschalteten Einzelmoduls 5 verbunden ist, mit dem Masseanschluss 18. Sämtliche Strombänder 9 sind über die Brückenkontakte 16 leitend miteinander verbunden bzw. kurzgeschlossen. Daher werden auch sämtliche Strombänder 9 und damit auch die Einzelmodule 5 mit dem Masseanschluss 18 und damit mit Masse 19 verbunden. Die mit der kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 verbundenen Einzelmodule 5 sind daher im Erdungszustand derselben stromlos.In 3 the earthing and protective device 6 is shown in an earthing state in which the switch strip (not shown) is in the Earthing position. In this position, the earthing element 17 connects the current band 9, the first end 14 of which is connected to the voltage output 8 of the last individual module 5 connected in series, to the ground connection 18. All current bands 9 are conductively connected to one another or short-circuited via the bridge contacts 16. Therefore, all current bands 9 and thus also the individual modules 5 are connected to the ground connection 18 and thus to ground 19. The individual modules 5 connected to the combined earthing and protective device 6 are therefore de-energized when the latter is earthed.

Der Betriebszustand der Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 ist in 2 dargestellt. In diesem befindet sich die nicht dargestellte Schaltleiste in der Betriebsposition, sodass die einzelnen Strombänder 9 nicht mehr durch die Brückenkontakte 16 verbunden sind und auch keine Verbindung zwischen dem letzten Stromband 9 und dem Masseanschluss 18 durch das Erdungselement 17 hergestellt ist. Die Einzelmodule 5, die durch die Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 geschützt werden sollen, sind daher betriebsbereit und können die anliegende Phase einer Hochspannung in eine Gleichspannung wandeln.The operating state of the earthing and protective device 6 is in 2 shown. In this, the switching strip (not shown) is in the operating position, so that the individual current strips 9 are no longer connected by the bridge contacts 16 and no connection is established between the last current strip 9 and the ground connection 18 by the earthing element 17. The individual modules 5, which are to be protected by the earthing and protective device 6, are therefore ready for operation and can convert the applied phase of a high voltage into a direct voltage.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf die 4 bis 11 ein Ausführungsbeispiel eines modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandlers 1 mit sechs Ausführungsbeispielen von kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtungen 6 beschrieben. Die 4 und 5 zeigen dabei perspektivische Außenansichten des modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandlers 1, während die 6-11 verschiedene Details des Spannungs- und Leistungswandlers 1 bzw. der kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtungen 6 zeigen.The following refers to the 4 to 11 an embodiment of a modular voltage and power converter 1 with six embodiments of combined earthing and protective devices 6 is described. 4 and 5 show perspective external views of the modular voltage and power converter 1, while the 6-11 show various details of the voltage and power converter 1 and the combined earthing and protection devices 6.

Bei dem in den 4 und 5 gezeigten Spannungs- und Leistungswandler 1 handelt es sich wieder um einen Solid State Transformator (SST) 2, der zur Wandlung einer dreiphasigen 20 kV Eingangswechselspannung in eine +/-750 V Gleichspannung vorgesehen ist. In 4 ist der Spannungs- und Leistungswandler 1 mittels der kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtungen 6 geerdet, während der Wandler 1 in 5 betriebsbereit ist.In the 4 and 5 The voltage and power converter 1 shown is again a solid state transformer (SST) 2, which is designed to convert a three-phase 20 kV input AC voltage into a +/-750 V DC voltage. In 4 the voltage and power converter 1 is earthed by means of the combined earthing and protection devices 6, while the converter 1 in 5 is ready for operation.

Der Wandler 1 verfügt zur Wandlung jeder Phase der Eingangswechselspannung bzw. Hochspannung über 28 in Reihe geschaltete Einzelmodule 5. Von den Einzelmodulen 5 sind in den 4 und 5 jeweils nur einzelne durch Bezugszeichen gekennzeichnet, um die Lesbarkeit nicht zu beeinträchtigen. Die Einzelmodule 5 sind in dem modularen Wandler 1 jeweils in Stapeln bzw. Spalten 20 angeordnet, wobei jeweils die Einzelmodule 5 von zwei Spalten 20 in Reihe geschaltet sind, um eine der drei Phasen der Eingangswechselspannung in einen Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung zu wandeln.The converter 1 has 28 individual modules 5 connected in series to convert each phase of the input alternating voltage or high voltage. Of the individual modules 5, 4 and 5 in each case only individual ones are identified by reference numerals in order not to impair readability. The individual modules 5 are each arranged in stacks or columns 20 in the modular converter 1, wherein the individual modules 5 of two columns 20 are connected in series in order to convert one of the three phases of the input alternating voltage into a direct current or a direct voltage.

In 5 ist zudem zu erkennen, dass jedes Einzelmodule 5 in einem eigenen Gehäuse 21 angeordnet ist. Die Gehäuse 21 sind beispielsweise aus Metall gebildet und so ausgestaltet, dass bei einer explosionsartigen Zerstörung der Komponenten eines Einzelmoduls 5 aufgrund einer Überspannung die benachbarten Einzelmodule 5 nicht oder zumindest nur wenig beschädigt werden.In 5 It can also be seen that each individual module 5 is arranged in its own housing 21. The housings 21 are made of metal, for example, and are designed in such a way that if the components of an individual module 5 are destroyed explosively due to an overvoltage, the neighboring individual modules 5 are not damaged or at least only slightly damaged.

Für jede Spalte bzw. jeden Stapel 20 von Einzelmodule 5 verfügt der modulare Spannung- und Leistungswandler 1 über eine gesonderte kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung 6. Es ist also für jede Phase der Hochspannung nicht nur genau eine kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 vorgesehen, sondern zwei kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung 6. Die Details der Erdungs- und Schutzeinrichtungen 6 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 6-11 näher erläutert. Es sei jedoch bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass jede der Erdungs- und Schutzeinrichtungen 6 über einen Hebel 22 verfügt, dessen Stellung anzeigt, ob die jeweilige Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 bzw. die mit dieser verbundenen Einzelmodule 5 in Betrieb sind (wie in 5) oder geerdet sind (wie in 4).For each column or each stack 20 of individual modules 5, the modular voltage and power converter 1 has a separate combined earthing and protective device 6. Thus, for each phase of the high voltage, not only exactly one combined earthing and protective device 6 is provided, but two combined earthing and protective devices 6. The details of the earthing and protective devices 6 are described below with reference to the 6-11 explained in more detail. However, it should already be pointed out at this point that each of the earthing and protective devices 6 has a lever 22, the position of which indicates whether the respective earthing and protective device 6 or the individual modules 5 connected to it are in operation (as in 5 ) or earthed (as in 4 ).

Um zwischen der Betriebsposition und der Erdungsposition bzw. dem entsprechenden Zustand zu wechseln, kann ein Nutzer manuell den Hebel 22 der jeweiligen Erdungs- und Schutzeinrichtungen 6 hin und her bewegen, der mit einer Schaltleiste verbunden ist. Alternativ kann eine Umschaltung auch automatisch über elektrische Stellantriebe 23 in Form von Spindelantrieben 23 erfolgen, die ebenfalls die Schaltleiste und damit auch die Hebel 22 bewegen. Von den Spindelantrieben 23 sind nur einige mit Bezugszeichen versehen, um die Zeichnung nichts überfrachtet. An der Stellung der Hebel 22 kann ein Nutzer bzw. Bediener der Vorrichtung auf vorteilhafte Weise unmittelbar sehen, ob der Wandler 1 stromlos, d.h., geerdet ist, oder nicht.In order to switch between the operating position and the earthing position or the corresponding state, a user can manually move the lever 22 of the respective earthing and protective devices 6 back and forth, which is connected to a switch bar. Alternatively, switching can also take place automatically via electrical actuators 23 in the form of spindle drives 23, which also move the switch bar and thus also the levers 22. Only some of the spindle drives 23 are provided with reference symbols so as not to overload the drawing. From the position of the levers 22, a user or operator of the device can advantageously see immediately whether the converter 1 is de-energized, i.e., earthed, or not.

Die 6 bis 9 zeigen einen Abschnitt des Ausführungsbeispiels einer kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 aus den 4 und 5. Dabei zeigen die 6 und 7 Schnitte durch einen Abschnitt der Erdungs- und Schutzeinrichtung 6, und die 8 und 9 zeigen perspektivische Ansichten, bei denen einige Elemente der Einrichtung 6 transparent dargestellt sind. In den 6 und 8 ist die Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 in der Betriebsposition dargestellt, und in den 7 und 9 ist die Erdungs- und Schutzeinrichtungen 6 in der Erdungsposition dargestellt. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die 6-9 leicht unterschiedliche Abschnitte der kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 zeigen.The 6 to 9 show a section of the embodiment of a combined earthing and protective device 6 from the 4 and 5 . The 6 and 7 Sections through a section of the earthing and protective device 6, and the 8th and 9 show perspective views in which some elements of the device 6 are shown transparently. In the 6 and 8th the earthing and protective device 6 is shown in the operating position, and in the 7 and 9 the earthing and protective devices 6 are shown in the earthing position. For the sake of completeness, it should be noted that the 6-9 slightly below different sections of the combined earthing and protective device 6.

Das Ausführungsbeispiel einer kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 umfasst zunächst eine Trägerschiene 37, auf der mehrere Varistoren 10 angeordnet sind. In den 6-9 ist jeweils nur ein Varistor 10 dargestellt. Insgesamt umfasst die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 14 Varistoren, einen für jedes Einzelmodul 5, das durch die Einrichtung 6 geschützt werden soll. In den dargestellten Abschnitten ist noch ein weiterer Varistor angeordnet, wie an den jeweils dargestellten Befestigungsmitteln 24 zu erkennen ist. Von der Darstellung dieser Varistoren wurde jedoch abgesehen, um die dahinterliegende Ausgestaltung der Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 nicht zu verdecken.The embodiment of a combined earthing and protection device 6 comprises a carrier rail 37 on which several varistors 10 are arranged. In the 6-9 only one varistor 10 is shown in each case. In total, the combined earthing and protective device 6 comprises 14 varistors, one for each individual module 5 that is to be protected by the device 6. A further varistor is arranged in the sections shown, as can be seen from the fastening means 24 shown in each case. However, these varistors have not been shown in order not to obscure the underlying design of the earthing and protective device 6.

Wie bereits bezugnehmend auf die 2 und 3 erläutert, sind die Varistoren 10 dazu vorgesehen, leitend mit dem Spannungseingang 7 und dem Spannungsausgang 8 eines Einzelmoduls 5 verbunden zu werden. Die Varistoren 10 sind konfiguriert, um den Spannungseingang 7 leitend mit dem Spannungsausgang 8 des jeweiligen Einzelmoduls 5 zu verbinden, wenn der Spannungsabfall über den Varistor 10 einen ersten Schwellwert überschreitet. Damit verhindern die Varistoren 10 eine Zerstörung der Einzelmodule 5 bei einer Überspannung, die höher liegt als der erste Schwellwert.As already mentioned with reference to the 2 and 3 As explained, the varistors 10 are intended to be conductively connected to the voltage input 7 and the voltage output 8 of an individual module 5. The varistors 10 are configured to conductively connect the voltage input 7 to the voltage output 8 of the respective individual module 5 when the voltage drop across the varistor 10 exceeds a first threshold value. The varistors 10 thus prevent the individual modules 5 from being destroyed in the event of an overvoltage that is higher than the first threshold value.

Die Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 umfasst weiterhin eine Mehrzahl von Strombändern 9, die jeweils dazu vorgesehen sind, den Spannungsausgang 8 eines in der Reihenschaltung der Einzelmodule 5 vorausgehenden Einzelmoduls 5 mit dem Spannungseingang 7 des in der Reihenschaltung der Einzelmodule 5 nachfolgenden Einzelmoduls 5 leitend zu verbinden. Die den Kontakt zwischen den Strombändern 9 und den Spannungsein- und -ausgängen 7, 8 herstellenden Eingangs- und Ausgangskontakte 11, 12 der Einrichtung 6 sind in den 6-9 nicht dargestellt.The earthing and protection device 6 further comprises a plurality of current bands 9, each of which is provided for conductively connecting the voltage output 8 of a preceding individual module 5 in the series connection of the individual modules 5 with the voltage input 7 of the subsequent individual module 5 in the series connection of the individual modules 5. The input and output contacts 11, 12 of the device 6, which establish the contact between the current bands 9 and the voltage inputs and outputs 7, 8, are in the 6-9 not shown.

Zudem umfasst die Erdungs- und Schutzeinrichtung 6 eine Mehrzahl von Brückenkontakten 16, die auf einer nichtleitenden Schaltleiste 25 angeordnet sind. Die Brückenkontakte 16 sind so auf der Schaltleiste 25 angeordnet, dass sie sich mit der Schaltleiste 25 entlang einer Verstellrichtung 26 bewegen, in der die Schaltleiste 25 zwischen einer Erdungsposition (dargestellt in den 7 und 9) und einer Betriebsposition (dargestellt in den 6 und 8) verschoben wird.In addition, the grounding and protection device 6 comprises a plurality of bridge contacts 16, which are arranged on a non-conductive switch strip 25. The bridge contacts 16 are arranged on the switch strip 25 in such a way that they move with the switch strip 25 along an adjustment direction 26, in which the switch strip 25 can be adjusted between a grounding position (shown in the 7 and 9 ) and an operating position (shown in the 6 and 8th ) is postponed.

Befindet sich die Schaltleiste 25 in der Betriebsposition, ist jeder Brückenkontakt 16 jeweils über zwei federvorgespannte Kontaktbolzen 27, 28 mit nur genau einem der Strombänder 9 verbunden. Damit bilden die Brückenkontakte 16 in der Betriebsposition einen parallelen Strompfad zu den Strombändern 9 und tragen damit zur Reihenschaltung der Einzelmodule 5 bei.If the switching strip 25 is in the operating position, each bridge contact 16 is connected to exactly one of the current strips 9 via two spring-loaded contact bolts 27, 28. In the operating position, the bridge contacts 16 thus form a parallel current path to the current strips 9 and thus contribute to the series connection of the individual modules 5.

Ist die Schaltleiste 25 hingegen in der Erdungsposition angeordnet, wie sie in den 7 und 9 dargestellt ist, so verbindet jeder der Brückenkontakte 16 einen federvorgespannten Kontaktbolzen 27 eines in der Reihenschaltung der Einzelmodule 5 vorausgehenden Strombands 9 mit einem federvorgespannten Kontaktbolzen 28 eines in der Reihenschaltung der Einzelmodule 9 nachfolgenden Strombands 9. Dadurch werden die Strombänder 9 und damit die Einzelmodule kurzgeschlossen, deren Spannungsein- bzw. -ausgänge jeweils mit zwei durch einen Brückenkontakt 16 leitend verbundenen Strombändern 9 verbunden sind, und die Einzelmodule 5 werden bei gleichzeitiger Verbindung der Brückenkontakte 16 mit Masse stromlos gestellt.However, if the safety strip 25 is arranged in the earthing position, as shown in the 7 and 9 As shown, each of the bridge contacts 16 connects a spring-loaded contact bolt 27 of a current band 9 preceding the series connection of the individual modules 5 with a spring-loaded contact bolt 28 of a current band 9 following the series connection of the individual modules 9. This short-circuits the current bands 9 and thus the individual modules whose voltage inputs and outputs are each connected to two current bands 9 conductively connected by a bridge contact 16, and the individual modules 5 are de-energized while the bridge contacts 16 are simultaneously connected to ground.

Schließlich ist zwischen den ersten und zweiten Enden 13, 14 der Strombänder 9 eine Funkenstrecke 15 ausgebildet, die so konfiguriert ist, dass die Spannung vom zweiten Ende 14 eines in der Reihenschaltung vorausgehenden Strombands 9 zum ersten Ende 13 eines in der Reihenschaltung nachfolgenden Strombands 9 überschlägt, wenn die Spannung zwischen den Enden 13, 14 eine zweiten Schwellwert überschreitet, der größer als der erste Schwellwert ist. Der zweite Schwellwert kann über den Abstand d zwischen dem ersten Ende 13 und dem zweiten Ende 14 eingestellt werden. Die Funkenstrecken 15 sind somit parallel zu den Varistoren 10 angeordnet und schützen die Einzelmodule 5 vor Beschädigungen durch Überspannungen, falls die Varistoren 10 ausfallen sollten.Finally, a spark gap 15 is formed between the first and second ends 13, 14 of the current bands 9, which is configured such that the voltage from the second end 14 of a current band 9 preceding in the series connection flashes over to the first end 13 of a current band 9 following in the series connection when the voltage between the ends 13, 14 exceeds a second threshold value that is greater than the first threshold value. The second threshold value can be set via the distance d between the first end 13 and the second end 14. The spark gaps 15 are thus arranged parallel to the varistors 10 and protect the individual modules 5 from damage caused by overvoltages if the varistors 10 fail.

In 10 ist der Aufbau der Hebelanordnung 29 näher gezeigt, über die die Schaltleisten 25 zwischen der Betriebsposition und der Erdungsposition hin und her bewegt werden können. Die Schaltleisten 25 werden im Regelfall durch die Stellmotoren 23 bewegt, die über eine externe Stromquelle (nicht dargestellt) versorgt werden. Die Stellmotoren 23 haben eine nicht selbsthemmende Gewindespindel und verfügen über eine Bremse. Fallen die Motoren aus, können die Schaltleisten 25 von Hand mittels der Hebel 22 bewegt werden.In 10 the structure of the lever arrangement 29 is shown in more detail, by means of which the switch strips 25 can be moved back and forth between the operating position and the earthing position. The switch strips 25 are usually moved by the servomotors 23, which are supplied via an external power source (not shown). The servomotors 23 have a non-self-locking threaded spindle and are equipped with a brake. If the motors fail, the switch strips 25 can be moved manually using the levers 22.

Durch die Bewegung der Schaltleisten 25 wird zudem ein Kontaktmesser 30 bewegt, das die Strombändern 9 mit einem Masseanschluss 18 verbindet. Das Kontaktmesser 30 rastet mit dem Masseanschluss 18 ein, so dass es einer zusätzlichen Kraft bedarf, um das Kontaktmesser 30 wieder aus dem Eingriff mit dem Masseanschluss 18 zu bringen.The movement of the switching strips 25 also moves a contact blade 30 which connects the current strips 9 to a ground connection 18. The contact blade 30 engages with the ground connection 18, so that additional force is required to bring the contact blade 30 out of engagement with the ground connection 18.

11 zeigt ein weiteres Detail des Aufbaus der Hebelanordnung 29. Insbesondere ist ein Bolzen 31 gezeigt, der Kontaktmesser 30, (verlängertes) Stromband 9, Schaltleiste 25 sowie ein Stellelement 32 verbindet. Über das Stellelement 32 kann der Stellmotor 23 die Position der Schaltleiste 25 verändern. Das Kontaktmesser 30 und das verlängerte Stromband 9 sind leitend miteinander verbunden, während eine Tellerfeder 33 einen leitenden Kontakt zwischen dem Kontaktmesser 30 und dem Stellelement 32 verhindert. Der Bolzen 31 ist ebenfalls nichtleitend ausgebildet. 11 shows a further detail of the construction of the lever arrangement 29. In particular, a bolt 31 is shown, the contact blade 30, (extended) Current band 9, switching strip 25 and an adjusting element 32 are connected. The adjusting motor 23 can change the position of the switching strip 25 via the adjusting element 32. The contact blade 30 and the extended current band 9 are conductively connected to one another, while a plate spring 33 prevents conductive contact between the contact blade 30 and the adjusting element 32. The bolt 31 is also non-conductive.

In 12 ist schließlich ein Ersatzschaltbild für ein Einzelmodul 5 gezeigt. Das Einzelmodul 5 umfasst einen Spannungseingang 7 und einen Spannungsausgang 8, über die die zu wandelnde Hochspannung aufgenommen wird. Zudem verfügt das Einzelmodul 5 über zwei Gleichspannungsausgänge 34. Zentrales Element des Einzelmoduls ist ein kleinformatiger Transformator 35, der in vorteilhafter Weise ein Mittelfrequenztransformator mit einer Frequenz von 10 kHz bis 100 kHz sein kann, da dies in einfacher Weise eine kleinformatige Ausgestaltung ermöglicht. Sollte dieser Transformator 35 aufgrund einer Überspannung versagen, ist zusätzliche eine weitere Funkenstrecke 36 vorgesehen. Die Funkenstrecke 36 im Innern der Einzelmodule 5 ist so ausgelegt, dass es bei Überschreiten eines dritten Schwellwerts zu einem Spannungsüberschlag kommt, wobei der dritte Schwellwert größer als der zweite Schwellwert ist. Die Funkenstrecke 36 verhindert bzw. beschränkt die Zerstörung der Einzelmodule 5 in extremen Fehlerfällen, bei denen es im Wesentlichen zum Abfall der gesamten Hochspannung über das Einzelmodul 5 kommt.In 12 Finally, an equivalent circuit diagram for an individual module 5 is shown. The individual module 5 comprises a voltage input 7 and a voltage output 8, via which the high voltage to be converted is received. The individual module 5 also has two direct voltage outputs 34. The central element of the individual module is a small-format transformer 35, which can advantageously be a medium-frequency transformer with a frequency of 10 kHz to 100 kHz, as this enables a small-format design in a simple manner. Should this transformer 35 fail due to an overvoltage, an additional spark gap 36 is provided. The spark gap 36 inside the individual modules 5 is designed in such a way that a voltage flashover occurs when a third threshold value is exceeded, the third threshold value being greater than the second threshold value. The spark gap 36 prevents or limits the destruction of the individual modules 5 in extreme fault cases, which essentially result in the entire high voltage across the individual module 5 dropping.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
modularer Spannungs- und Leistungswandlermodular voltage and power converter
22
Solid State Transformator, leistungselektronischer TransformatorSolid state transformer, power electronic transformer
R, S, TR, S, T
PhasenleiterPhase conductor
3, 43, 4
Ausgangsleiter GleichstromOutput conductor DC
55
Einzelmodule, Einzelzelle, ZelleSingle modules, single cell, cell
66
kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtungcombined earthing and protective device
77
SpannungseingangVoltage input
88th
SpannungsausgangVoltage output
99
StrombandCurrent band
1010
VaristorVaristor
1111
EingangskontaktInput contact
1212
AusgangskontaktOutput contact
1313
zweites Ende eines Strombands 9second end of a current band 9
1414
erstes Ende eines Strombands 9first end of a current band 9
1515
FunkenstreckeSpark gap
dd
Abstand zwischen dem zweiten Ende eines Strombands 9 und dem ersten Ende eines nachfolgenden Strombands 9Distance between the second end of a current band 9 and the first end of a subsequent current band 9
1616
BrückenkontaktBridge contact
1717
ErdungselementEarthing element
1818
MasseanschlussGround connection
1919
MasseDimensions
2020
Spalte bzw. Stapel von EinzelmodulenColumn or stack of individual modules
2121
Gehäuse eines EinzelmodulsHousing of a single module
2222
Hebellever
2323
Stellantrieb, SpindelmotorActuator, spindle motor
2424
BefestigungsmittelFasteners
2525
SchaltleisteSwitch strip
2626
VerstellrichtungAdjustment direction
2727
KontaktbolzenContact bolt
2828
KontaktbolzenContact bolt
2929
HebelanordnungLever arrangement
3030
KontaktmesserContact knife
3131
Bolzenbolt
3232
StellelementActuator
3333
TellerfederDisc spring
3434
GleichstromausgängeDC outputs
3535
Transformatortransformer
3636
FunkenstreckeSpark gap
3737
TrägerschieneSupport rail

Claims (14)

Kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) für einen modular aufgebauten Spannungs- und Leistungswandler (1) zur Wandelung einer Primärwechselspannung mit einer oder mehreren Phasen in eine Sekundärspannung, wobei der Spannungs- und Leistungswandler (1) für jede Phase der Primärwechselspannung eine Mehrzahl von in Reihe zu schaltenden Einzelmodulen (5) umfasst, wobei jedes Einzelmodul (5) zur Aufnahme einer Phase der Primärspannung einen Spannungseingang (7) und einen Spannungsausgang (8) aufweist, wobei die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) eine Mehrzahl von Eingangskontakten (11) und eine Mehrzahl von Ausgangskontakten (12) umfasst, die so konfiguriert sind, dass jeweils ein Eingangskontakt (11) mit einem Spanungseingang (7) eines Einzelmoduls (5) des Spannungs- und Leistungswandlers (1) leitend verbindbar ist und jeweils ein Ausgangskontakt (12) mit einem Spannungsausgang (8) eines Einzelmoduls (5) des Spannungs- und Leistungswandlers (1) leitend verbindbar ist, und jeweils der Eingangskontakt (11) und der Ausgangkontakt (12), die mit dem Spannungseingang (7) und dem Spannungsausgang (8) des gleichen Einzelmoduls (5) verbindbar sind, mittels eines Varistors (10) verbunden sind, wobei der Varistor (10) dazu konfiguriert ist, den Eingangskontakt (11) leitend mit dem Ausgangskontakt (12) zu verbinden, wenn die über den Varistor (10) abfallende Spannung einen ersten Schwellwert überschreitet, und wobei die kombinierte Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) weiterhin eine nichtleitende Schaltleiste (25) mit einer Mehrzahl von Brückenkontakten (16) umfasst, wobei die Schaltleiste (25) dazu konfiguriert ist, von einer Betriebsposition in eine Erdungsposition bewegt zu werden, wobei wenn die Schaltleiste (25) in der Erdungsposition ist, jeweils ein Brückenkontakt (16) der Mehrzahl von Brückenkontakten (16) den Eingangskontakt (11) mit dem Ausgangkontakt (12) leitend verbindet, die mit dem Spannungseingang (7) und dem Spannungsausgang (8) des gleichen Einzelmoduls (5) verbindbar sind, und die durch die Brückenkontakte (16) leitend verbundenen Eingangskontakte (11) und Ausgangskontakte (12) mit einem Masseanschluss (18) verbunden sind, und wobei wenn die Schaltleiste (25) in der Betriebsposition ist, die Eingangskontakte (11) und die Ausgangskontakte (12), die mit dem Spannungseingang (7) und dem Spannungsausgang (8) des gleichen Einzelmoduls (5) verbindbar sind, nicht durch die Brückenkontakte (16) leitend verbunden sind und die Eingangskontakte (11) und Ausgangskontakte (12) auch nicht mit dem Masseanschluss (18) verbunden sind.Combined earthing and protection device (6) for a modularly constructed voltage and power converter (1) for converting a primary alternating voltage with one or more phases into a secondary voltage, wherein the voltage and power converter (1) comprises a plurality of individual modules (5) to be connected in series for each phase of the primary alternating voltage, wherein each individual module (5) has a voltage input (7) and a voltage output (8) for receiving a phase of the primary voltage, wherein the combined earthing and protection device (6) comprises a plurality of input contacts (11) and a plurality of output contacts (12) which are configured such that in each case one Input contact (11) can be conductively connected to a voltage input (7) of an individual module (5) of the voltage and power converter (1) and an output contact (12) can be conductively connected to a voltage output (8) of an individual module (5) of the voltage and power converter (1), and the input contact (11) and the output contact (12) which can be connected to the voltage input (7) and the voltage output (8) of the same individual module (5) are connected by means of a varistor (10), wherein the varistor (10) is configured to conductively connect the input contact (11) to the output contact (12) when the voltage drop across the varistor (10) exceeds a first threshold value, and wherein the combined grounding and protection device (6) further comprises a non-conductive switching strip (25) with a plurality of bridge contacts (16), wherein the switching strip (25) is configured to an operating position to be moved into a grounding position, wherein when the switching strip (25) is in the grounding position, a bridge contact (16) of the plurality of bridge contacts (16) conductively connects the input contact (11) to the output contact (12), which can be connected to the voltage input (7) and the voltage output (8) of the same individual module (5), and the input contacts (11) and output contacts (12) conductively connected by the bridge contacts (16) are connected to a ground connection (18), and wherein when the switching strip (25) is in the operating position, the input contacts (11) and the output contacts (12), which can be connected to the voltage input (7) and the voltage output (8) of the same individual module (5), are not conductively connected by the bridge contacts (16) and the input contacts (11) and output contacts (12) are also not connected to the ground connection (18). Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) nach Anspruch 1, wobei zur Reihenschaltung der Einzelmodule (5) des Spannungs- und Leistungswandlers (1) der Ausgangskontakt (12), der mit dem Spannungsausgang (8) eines in Reihe vorausgehend zu schaltenden Einzelmoduls (5) verbindbar ist, mit dem Eingangskontakt (11) mittels eines Strombands (9) leitend verbunden ist, der mit dem Spannungseingang (7) des in Reihe nachfolgend zu schaltenden Einzelmoduls (5) verbindbar ist.Earthing and protective device (6) according to Claim 1 , wherein for the series connection of the individual modules (5) of the voltage and power converter (1), the output contact (12), which can be connected to the voltage output (8) of an individual module (5) to be connected in series beforehand, is conductively connected to the input contact (11) by means of a current band (9), which can be connected to the voltage input (7) of the individual module (5) to be connected in series afterwards. Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeweils zwischen dem Eingangskontakt (11) und dem Ausgangkontakt (12), die mit dem Spannungseingang (7) und dem Spannungsausgang (8) des gleichen Einzelmoduls (5) verbindbar sind, eine Funkenstrecke (15) ausgebildet ist, die so konfiguriert ist, dass es zu einem Spannungsüberschlag kommt, wenn der Spannungsabfall über die Funkenstrecke (15) einen zweiten Schwellwert überschreitet, wobei der zweite Schwellwert vorzugsweise größer als der erste Schwellwert ist.Earthing and protective device (6) according to Claim 1 or 2 , wherein between each of the input contact (11) and the output contact (12), which can be connected to the voltage input (7) and the voltage output (8) of the same individual module (5), a spark gap (15) is formed, which is configured such that a voltage flashover occurs when the voltage drop across the spark gap (15) exceeds a second threshold value, wherein the second threshold value is preferably greater than the first threshold value. Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) nach Anspruch 2 und 3, wobei die Funkenstrecke (15) jeweils zwischen einem zweiten Ende (13) des Strombands (9) ausgebildet ist, das mit dem Eingangskontakt (11) verbunden ist, und einem ersten Ende (14) des Strombands (9) ausgebildet ist, das mit dem Ausgangskontakt (12) verbunden ist.Earthing and protective device (6) according to Claim 2 and 3 , wherein the spark gap (15) is formed between a second end (13) of the current band (9) which is connected to the input contact (11) and a first end (14) of the current band (9) which is connected to the output contact (12). Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Verbindung der Strombänder (9) mit den Brückenkontakten (16) gefederte Kontaktbolzen (27, 28) vorgesehen sind, die vorzugsweise in einem gemeinsamen Träger aus einem nichtleitenden Material gehaltert sind.Earthing and protection device (6) according to one of the preceding claims, wherein spring-loaded contact bolts (27, 28) are provided for connecting the current strips (9) to the bridge contacts (16), which are preferably held in a common carrier made of a non-conductive material. Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) nach Anspruch 5, wobei jedes Stromband (9) zwei Kontaktbolzen (27, 28) umfasst, die in der Betriebsposition der Schaltleiste (25) jeweils mit dem gleichen Brückenkontakt (16) in Kontakt sind und die in der Erdungsposition der Schaltleiste (25) jeweils mit unterschiedlichen Brückenkontakten (16) in Kontakt sind.Earthing and protective device (6) according to Claim 5 wherein each current strip (9) comprises two contact bolts (27, 28) which are each in contact with the same bridge contact (16) in the operating position of the switching strip (25) and which are each in contact with different bridge contacts (16) in the earthing position of the switching strip (25). Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) einen elektrischen Antrieb (23) umfasst, der die Schaltleiste (25) von der Betriebsposition in die Erdungsposition bewegt, wobei der elektrische Antrieb (23) die Schaltleiste (25) vorzugsweise über eine Gewindespindel bewegt.Earthing and protection device (6) according to one of the preceding claims, wherein the earthing and protection device (6) comprises an electric drive (23) which moves the switching strip (25) from the operating position into the earthing position, wherein the electric drive (23) preferably moves the switching strip (25) via a threaded spindle. Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Masseanschluss (18) von einer Masseschiene gebildet wird und wobei die Schaltleiste (25) so konfiguriert ist, dass ein mit den Brückenkontakten (16) leitend verbundenes Kontaktmesser (30) in die Masseschiene (18) eingreift, wenn die Schaltleiste (25) von der Betriebsposition in die Erdungsposition bewegt wird.Grounding and protection device (6) according to one of the preceding claims, wherein the ground connection (18) is formed by a ground rail and wherein the switching strip (25) is configured such that a contact blade (30) conductively connected to the bridge contacts (16) engages in the ground rail (18) when the switching strip (25) is moved from the operating position to the grounding position. Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) nach Anspruch 8, wobei das Kontaktmesser (30) mit der Masseschiene (18) einrastet, wenn die Schaltleiste (25) von der Betriebsposition in die Erdungsposition bewegt wird.Earthing and protective device (6) according to Claim 8 , wherein the contact blade (30) engages with the earth bar (18) when the switching strip (25) is moved from the operating position to the earthing position. Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) nach Anspruch 9, wobei die Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) einen Hebel (22) umfasst, mit dem die Schaltleiste (25) manuell von der Betriebsposition in die Erdungsposition bewegt werden kann, wobei ein Bediener der Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) vorzugsweise aus einer Stellung des Hebels (22) erkennen kann, ob die Schaltleiste (25) in der Betriebsposition oder Erdungsposition ist.Earthing and protective device (6) according to Claim 9 , wherein the earthing and protection device (6) comprises a lever (22) with which the switching strip (25) can be manually moved from the operating position to the earthing position, wherein an operator of the earthing and protective device (6) can preferably recognize from a position of the lever (22) whether the switching strip (25) is in the operating position or earthing position. Modular aufgebauter Spannungs- und Leistungswandler (1) zur Wandelung einer Primärwechselspannung mit einer oder mehreren Phasen in eine Sekundärspannung mit einer oder mehreren kombinierten Erdungs- und Schutzeinrichtungen (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Spannungs- und Leistungswandler (1) für jede Phase der Primärwechselspannung eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Einzelmodulen (5) umfasst, wobei jedes Einzelmodul (5) zur Aufnahme einer Phase der Primärspannung einen Spannungseingang (7) und einen Spannungsausgang (8) aufweist, wobei jeweils ein Spannungseingang (7) mit einem Eingangskontakt (11) der Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) leitend verbunden ist und jeder Spannungsausgang (8) mit einem Ausgangskontakt (12) der Erdungs- und Schutzeinrichtung (6) leitend verbunden ist. Modular voltage and power converter (1) for converting a primary alternating voltage with one or more phases into a secondary voltage with one or more combined earthing and protective devices (6) according to one of the Claims 1 until 10 , wherein the voltage and power converter (1) comprises a plurality of individual modules (5) connected in series for each phase of the primary alternating voltage, wherein each individual module (5) has a voltage input (7) and a voltage output (8) for receiving a phase of the primary voltage, wherein in each case a voltage input (7) is conductively connected to an input contact (11) of the earthing and protection device (6) and each voltage output (8) is conductively connected to an output contact (12) of the earthing and protection device (6). Spannungs- und Leistungswandler (1) nach Anspruch 11, wobei jedes Einzelmodul (5) einen Transformator (35) zur Spannungs- und Leistungswandlung zwischen einer Eingangsseite des Einzelmoduls (5) und einer Ausgangsseite des Einzelmoduls (5) sowie eine Funkenstrecke (36) umfasst, wobei der Spannungseingang (7) und der Spannungsausgang (8) des Einzelmoduls (5) an der Eingangsseite des Einzelmoduls (5) angeordnet sind und wobei die Funkenstrecke (36) parallel zu dem Transformator (35) angeordnet und derart konfiguriert ist, dass es zu einem Spannungsüberschlag kommt, wenn der Spannungsabfall über die Funkenstrecke (36) einen dritten Schwellwert überschreitet.Voltage and power converters (1) according to Claim 11 , wherein each individual module (5) comprises a transformer (35) for voltage and power conversion between an input side of the individual module (5) and an output side of the individual module (5) and a spark gap (36), wherein the voltage input (7) and the voltage output (8) of the individual module (5) are arranged on the input side of the individual module (5) and wherein the spark gap (36) is arranged parallel to the transformer (35) and configured such that a voltage flashover occurs when the voltage drop across the spark gap (36) exceeds a third threshold value. Spannungs- und Leistungswandler (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei jedes Einzelmodul (5) ein Gehäuse (21) umfasst, das so ausgebildet ist, dass bei einer Zerstörung eines Einzelmoduls (5) aufgrund einer Überspannung benachbart zu dem zerstörten Einzelmodul (5) angeordnete Einzelmodule (5) nicht beschädigt werden.Voltage and power converters (1) according to Claim 11 or 12 , wherein each individual module (5) comprises a housing (21) which is designed such that if an individual module (5) is destroyed due to an overvoltage, individual modules (5) arranged adjacent to the destroyed individual module (5) are not damaged. Spannungs- und Leistungswandler (1) nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei die Varistoren (10) so angeordnet sind, dass bei einer Zerstörung eines Einzelmoduls (5) aufgrund einer Überspannung der Varistor (10), der den Eingangskontakt (11) mit dem Ausgangskontakt (12) verbindet, die jeweils mit dem Spannungseingang (7) und dem Spannungsausgang (8) des zerstörten Einzelmoduls (5) verbunden sind, nicht beschädigt wird.Voltage and power converters (1) according to Claim 11 , 12 or 13 , wherein the varistors (10) are arranged such that if an individual module (5) is destroyed due to an overvoltage, the varistor (10) connecting the input contact (11) to the output contact (12), which are each connected to the voltage input (7) and the voltage output (8) of the destroyed individual module (5), is not damaged.
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