DE112017001062T5

DE112017001062T5 - Flammsperrfilter für elektroausrüstung

Info

Publication number: DE112017001062T5
Application number: DE112017001062.4T
Authority: DE
Inventors: Nicholas Chernansky
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-12-06
Also published as: US20190022568A1; BR112018016962A2; CN109075542A; WO2017151479A1; CN109075542B

Abstract

Ein Gehäuse (100) einer Elektrovorrichtung weist eine Gehäusewand (105) und einen in die Gehäusewand (105) integriertes Flammsperrfilter (130) auf, wobei der Flammsperrfilter (130) ausgelegt ist zum Filtern eines Stroms (160) heißer Gase und Teilchen, die während eines Lichtbogenfehlerereignisses im Inneren des Gehäuses (100) auftreten, so dass die heißen Gase und Partikel durch den Filter (130) absorbiert werden und ein gefilterter Strom (170) aus gekühlten Gasen den Filter (130) zum Außenraum des Gehäuses (100) hin verlässt.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein Elektroausrüstung, wie etwa beispielsweise Antriebe mit variabler Frequenz, Stromversorgungen, Transformatoren und Leistungsschalter oder dergleichen, umfassend einen oder mehrere Flammsperrfilter zum Kühlen von Gasen, die während eines Lichtbogenfehlerereignisses abgegeben werden.
Beschreibung des Stands der Technik
Eine Elektrovorrichtung oder eine Elektroausrüstung, wie etwa beispielsweise ein Antrieb mit variabler Frequenz (VFD - variable frequency drive), eine Stromversorgung, ein Transformator oder ein Leistungsschalter wird typischerweise in einem Gehäuse oder einem Schaltschrank beherbergt. Lichtbogenfehler können innerhalb von Gehäusen oder Schaltschränken aufgrund von beispielsweise fehlerhaften Verbindungen oder eines Bedienerfehlers auftreten. Ein interner Kurzschluss kann zu einem Lichtbogenfehler führen. Luft wird zwischen zwei oder mehr Potentialen in der Elektrovorrichtung durch den Lichtbogenfehler ionisiert, was einen Bogenüberschlag verursacht, der eine Plasmawolke von schnell expandierendem verdampftem Metallmaterial verursacht. Das Plasma verursacht innerhalb des Gehäuses innerhalb von Sekundenbruchteilen schnell ansteigende hohe Drücke und Temperaturen.
Lichtbogenfehlerbedingungen müssen entweder innerhalb des Gehäuses eingedämmt werden oder in den Außenraum des Elektrovorrichtungsgehäuses abgeleitet werden. Lichtbogenfehlerauswirkungen sind für die Ausrüstung, bei welcher diese auftreten verheerend und Sekundärauswirkungen, wie etwa explosionsartiger Auswurf von Schrapnell und giftigen Gasen, verursachen ernsthafte Gefährdung für Personal. Während der elektrische Lichtbogen brennt, tritt, teilweise aufgrund der unkontrollierten Weise, auf welche der Lichtbogen brennt, innerhalb des Schaltschranks signifikante Beschädigung von Komponenten auf. Zusätzlich tendiert der elektrische Lichtbogen dazu, sich innerhalb des Schaltschranks von der Energiequelle weg zu bewegen. Auf diese Weise ist die Beschädigung im Innern erheblich und verursacht in der Regel dauerhaften Schaden an dem gesamten Schaltschrank und dessen Inhalt.
Ferner kann die Elektrovorrichtung oder die Elektroausrüstung Lufteinlässe, einschließlich Luftfilter(n), für Kühlzwecke aufweisen, wobei aber während eines Lichtbogenfehlerereignisses heiße Gase, Plasma und Trümmerteile aus den Lufteinlässen austreten können, was ernsthafte Verletzung oder Tod von Personal und Eigentum verursachen kann. Normale Luftfilter kollabieren oder filtern diese Gase bei einem Lichtbogenereignis nicht aus. Somit kann es Bedarf nach einem verbesserten Gehäuse oder Schaltschrank für Elektroausrüstung, insbesondere nach verbesserter, gegen Lichtbogenfehler resistenter Elektroausrüstung geben.
KURZDARSTELLUNG
Kurz beschrieben betreffen Aspekte der vorliegenden Erfindung eine Elektrovorrichtung oder eine Elektroausrüstung, einschließlich Nieder- und Mittel-/Hochspannungsausrüstung, insbesondere Elektroausrüstung, die ein Gehäuse, einen Schaltschrank oder eine Einhausung umfasst, wie etwa beispielsweise Stromversorgungen, Transformatoren, Leistungsschalter, Antriebe mit variabler Frequenz, umfassend einen oder mehrere Flammsperrfilter zum Kühlen von Gasen, die während eines Lichtbogenfehlerereignisses abgelassen werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gehäuse einer Elektrovorrichtung eine Gehäusewand, und einen Flammsperrfilter, integriert in die Gehäusewand, wobei der Flammsperrfilter ausgelegt ist zum Filtern eines Stroms heißer Gase und Teilchen, die während eines Lichtbogenfehlerereignisses im Inneren des Gehäuses auftreten, so dass die heißen Gase und Partikel durch den Filter absorbiert werden und ein gefilterter Strom aus gekühlten Gasen den Filter zum Außenraum des Gehäuses hin verlässt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, umfasst ein Antrieb mit variabler Frequenz (VFD), der dafür ausgelegt ist, mit einer Netzstromquelle gekoppelt zu werden und Ausgangsströme bereitzustellen, mehrere Gehäuse, die mehrere Gehäusewände umfassen, und mindestens einen Flammsperrfilter, der in mindestens eine der mehreren Gehäusewände integriert ist, wobei der Flammsperrfilter ausgelegt ist zum Filtern eines Stroms heißer Gase und Teilchen, die während eines Lichtbogenfehlerereignisses im Inneren des Gehäuses auftreten, so dass die heißen Gase und Partikel durch den Filter absorbiert werden und ein sauberer Strom aus gekühlten Gasen den Filter zum Außenraum des Gehäuses hin verlässt.
Figurenliste

1 veranschaulicht eine erste Darstellung einer schematischen Querschnittsansicht eines Schaltschranks oder eines Gehäuses einer Elektrovorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 veranschaulicht eine zweite Darstellung einer schematischen Querschnittsansicht eines Schaltschranks oder eines Gehäuses einer Elektrovorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 veranschaulicht eine Darstellung einer schematischen Perspektivansicht eines Schnitts eines Schaltschranks oder eines Gehäuses eines Antriebs mit variabler Frequenz gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Um ein Verständnis von Ausführungsformen, Prinzipien und Merkmalen der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, werden diese hier nachfolgend unter Bezugnahme auf Implementation in veranschaulichenden Ausführungsformen erläutert. Insbesondere werden diese in dem Kontext beschrieben, eine Elektrovorrichtung und ein Gehäuse für eine Elektrovorrichtung zu sein, wie etwa beispielsweise eine Stromversorgung, ein Transformator, ein Leistungsschalter ein Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) oder dergleichen, umfassend einen oder mehrere Flammsperrfilter zum Kühlen von Gasen, die während eines Lichtbogenfehlerereignisses abgegeben werden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind allerdings nicht auf eine Verwendung in den beschriebenen Verfahren oder dem beschriebenen System beschränkt.
Die hier nachfolgend beschriebenen Komponenten und Materialien, wie sie die verschiedenen Ausführungsformen bilden, sind als veranschaulichend und nicht als einschränkend beabsichtigt. Viele geeignete Komponenten und Materialien, die dieselbe oder eine ähnliche Funktion wie die hier beschriebenen Materialien durchführen würden, sind dafür beabsichtigt, innerhalb des Schutzumfangs von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen zu sein.
1 veranschaulicht eine erste Darstellung einer schematischen Querschnittsansicht eines Schaltschranks oder eines Gehäuses 100 einer Elektrovorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Gehäuse 100 beherbergt eine oder mehrere Elektrovorrichtungen, wie etwa beispielsweise Stromversorgungen, Transformatoren, Leistungsschalter, Antriebe mit variabler Frequenz usw. Das Gehäuse 100 kann beispielsweise aus Metall hergestellt sein und kann beispielsweise als ein Stahlgehäuse ausgestaltet sein. Ein Kühlsystem der Elektrovorrichtung kann Lufteinlässe an einer Vorderseite, Rückseite und/oder Seiten des Gehäuses 100 aufweisen. Gemäß 1 umfasst das Gehäuse 100 mehrere Lufteinlässe 110 für Kühlzwecke der Elektroausrüstung, wobei durch die Pfeile 120 veranschaulichte Umgebungsluft zu Kühlzwecken der im Inneren des Gehäuses 100 positionierten Elektroausrüstung zugeführt wird. Die Lufteinlässe 110 können mehrere stationäre Rippen oder Lüftungsgitter 115 umfassen, beispielsweise zum Abdecken und Schützen der Lufteinlässe 110.
Bevor die Umgebungsluft 120 in das Gehäuse 100 und somit in die Elektrovorrichtung eintritt, wird die Umgebungsluft 120 gefiltert. Das Gehäuse 100 umfasst einen oder mehrere Filter 130. Unter normalen Betriebsbedingungen der Elektrovorrichtung fungiert der Filter 130 als ein Standardluftfilter, wobei Partikel und Staub aus dem Umgebungsluftstrom 120 ausgefiltert werden, um die Elektroausrüstung im Innern des Gehäuses 100 zu schützen. Der gefilterte Luftstrom wird durch die Pfeile 150 repräsentiert.
Der Filter 130 ist ein integraler Bestandteil des Gehäuses 100, d. h. der Filter 130 ist integriert und bildet einen Teil, beispielsweise einen Teil der Front oder Seite, des Gehäuses 100. Das Gehäuse 100 umfasst eine oder mehrere Öffnungen 140 zum Aufnehmen des Filters 130. Der Filter 130 ist in die Öffnung 140 derart eingelassen, dass der Filter 130 die Öffnung 140 vollständig abdeckt und gesichert und fest in der Öffnung 140 montiert ist. Wie 1 zeigt, ist der Filter 130 etwa mittig von dessen Dicke T in die Öffnung 140 des Gehäuses 100 eingelassen. Das Gehäuse 100 kann, insbesondere an Rändern der Öffnung 140, Halteelemente 125 umfassen, die beispielsweise auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Öffnung 140 als Ebenen mit umgebördelten Kanten oder Abgrenzungen designt sind, welche als ein Anschlag dienen, wenn der Filter 130 in der Öffnung 140 angebracht wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Filter 130 ein rechteckiges Design (siehe auch 3), kann aber je nach Wunsch viele andere Gestalten oder Formen umfassen, wobei das Gehäuse 100 die Öffnung 140 mit einer entsprechenden Gestalt oder Form zum Aufnehmen des Filters 130 umfasst. Der Filter 130 kann eine beispielhafte Dicke T von etwa 3 (drei) Zoll aufweisen, kann aber eine Dicke von mehr oder weniger als 3 Zoll aufweisen.
2 veranschaulicht eine zweite Darstellung einer schematischen Querschnittsansicht eines Schaltschranks oder eines Gehäuses 100 einer Elektrovorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die schematische Querschnittsansicht von 2 entspricht der Ansicht von 1 und dieselben in 1 und 2 verwendeten Bezugsziffern kennzeichnen dieselben Komponenten.
Unter normalen Betriebsbedingungen der in dem Gehäuse 100 beherbergten Elektrovorrichtung, d. h. nicht während eines Lichtbogenfehlerereignisses, wie mit Bezug auf 1 beschrieben, wird der Umgebungsluftstrom 120 der Elektroausrüstung im Inneren des Gehäuses 100 für Kühlzwecke zugeführt, wobei der Filter 130 als ein Standardluftfilter fungiert und Partikel und Staub aus dem Umgebungsluftstrom 120 ausfiltert, um die Elektroausrüstung zu schützen. Während eines Lichtbogenfehlerereignisses in dem Gehäuse 100 können allerdings heiße Gase, ein Plasma und Trümmerteile aus den Lufteinlässen 110 austreten, was ernsthafte Verletzung oder Tod für Personal und Eigentum verursachen kann. Normale Luftfilter kollabieren oder filtern diese Gase bei einem Lichtbogenereignis nicht aus.
Um die Sicherheit einer Elektrovorrichtung während eines Lichtbogenfehlerereignisses zu verbessern, ist der Filter 130 als ein Flammsperrfilter ausgestaltet, der ausgelegt ist zum Filtern und/oder Absorbieren von heißen Gasen, Plasma und Trümmerteilen eines Lichtbogenfehlerereignisses. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Filter 130 als ein mit porösem Material 135 gefüllter Metallfilter ausgestaltet sein, insbesondere einem Material mit einer hohen Porosität, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe spezifische Wärme (auch als spezifische Wärmekapazität bekannt) aufweist. Der Flammsperrfilter 130, ermöglicht, wenn in einem Luftstrom platziert, einen kontinuierlichen Luftfluss, beschränkt aber den Durchgang von Partikeln, einschließlich Funken, heißen Gasen, Plasma und Trümmerteilen eines Lichtbogenfehlerereignisses, aus dem Gehäuse 100 in den Außenraum. Wie 2 veranschaulicht, treten bei einem Lichtbogenfehlerereignis heiße Gase und Partikel, durch einen Gasstrom 160 repräsentiert, in den Flammsperrfilter 130 ein. Der Strom 160 von heißen Gasen und Partikeln wird gefiltert, wobei ein gekühlter und gefilterter Strom 170 den Filter 130 verlässt. Der Flammsperrfilter 130 absorbiert die Wärme und die Partikel während des Lichtbogenfehlerereignisses und ermöglicht auch, dass Luft das Gehäuse 100 verlässt, wodurch ein Druck im Inneren des Ausrüstungsgehäuses 100 verringert wird.
3 veranschaulicht eine Darstellung einer schematischen Perspektivansicht eines Schnitts eines Schaltschranks oder eines Gehäuses 100 eines Antriebs mit variabler Frequenz (VFD) 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der VFD 200 kann mehrere jeweils aneinander angrenzende Gehäuse 100 umfassen, wobei jedes Gehäuse 100 mehrere Gehäusewände 105 umfasst. Mindestens eine der Wände 105 von einem oder mehreren Gehäusen 100 umfasst eine Öffnung 140 zum Aufnehmen des Flammsperrfilters 130. Der/die Flammsperrfilter 130 sind in die Gehäusewände 105 integriert. In unserem Beispiel befinden sich die die Filter 130 aufnehmenden Gehäusewände 105 an einer Vorderseite der Gehäuse 100.
Wie zuvor beschrieben, ist jeder Flammsperrfilter 130 ausgelegt zum Filtern eines Stroms 160 heißer Gase und Teilchen, die während eines Lichtbogenfehlerereignisses im Inneren des Gehäuses 100 auftreten, so dass die heißen Gase und Partikel durch den Filter 130 absorbiert werden und ein gefilterter Strom 170 aus gekühlten Gasen den Filter 130 zu einem Außenraum des Gehäuses 100 hin verlässt (siehe 2). Während des Lichtbogenfehlerereignisses ermöglicht der Flammsperrfilter 130, dass Luft das Gehäuse 100 verlassen kann, was einen Druck im Inneren des Gehäuses 100 absenkt. Gleichzeitig ist der Flammsperrfilter 130 dafür ausgestaltet, als ein regulärer Luftfilter zu fungieren, der einen Umgebungsluftstrom 120 filtert, bevor dieser unter Normalbedingungen in das Gehäuse 100 eintritt, d. h. nicht bei einem Lichtbogenfehlerereignis (siehe 1).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Flammsperrfilter 130 als eine Filterplatte 180 ausgestaltet sein, die einen Rahmen 185 zur einfachen Installation des Filters 130 innerhalb der Öffnung 140 umfasst. Es sei angemerkt, dass der Flammsperrfilter 130 möglicherweise nicht als Platte 180 mit Rahmen 185 ausgestaltet ist. Das Design des Flammsperrfilters 130 als Filterplatte 180 mit Rahmen 185 ist optional und nicht kritisch für die Funktion des Flammsperrfilters 130.
Ferner veranschaulicht 3 die Lufteinlässe 110 und stationäre Rippen oder Lüftungsgitter 115. Bei einem Beispiel können die Lufteinlässe 110 und stationären Rippen 115 als eine Kühlluftplatte 190 ausgebildet oder zusammengebaut sein. Die Luftplatte 190 umfasst einen Rahmen 195, wobei Abmessungen, wie etwa Länge und Breite, des Rahmens 195 etwas größer als die des Rahmens 185 sind, so dass die Luftplatte 190 über die Filterplatte 180 montiert werden kann. Insbesondere ist die Filterplatte 180 teilweise in die Luftplatte 190 eingelassen und die Luftplatte 190 mit Rahmen 195 sind ausgelegt zum Aufnehmen und Halten der Filterplatte 180. Wenn zusammengebaut, ist die Filterplatte 180 nicht sichtbar, weil die Filterplatte 180 durch die Luftplatte 190 abgedeckt ist. Wie zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, ist der Filter 130 etwa mittig von dessen Dicke T in die Öffnung 140 des Gehäuses 100 eingelassen. Der verbleibende Dickenabschnitt der Platte 180 (Filter 130), der über die Gehäusewand 105 nach außen vorsteht, ist durch die Luftplatte 190 abgedeckt. Die Luftplatte 190 mit den Lufteinlässen 110 und den Lüftungsgittern 115 ist gesichert an der Gehäusewand 105 montiert, beispielsweise durch Bolzen oder Schrauben. Es sei angemerkt, dass die Luftplatte 190 mit Rahmen 195 und Lufteinlässe 110 und stationäre Lüftungsgitter 115 optional und für die Funktion des Flammsperrfilters 130 nicht kritisch sind. Mit anderen Worten kann der VFD 200 den Flammsperrfilter 130, aber nicht die Luftplatte 190 und/oder die Lufteinlässe 110 und Lüftungsgitter 115 umfassen.
Die bereitgestellte Lösung für ein gegenüber einem Lichtbogenfehler resistentes Gehäuse verwendet eine Weise, den Flammsperrfilter, zum Abkühlen von heißen Gasen und Partikeln, die von einem Lichtbogenfehlerereignis erzeugt werden. Eine derartige Ausgestaltung eines Gehäuses ist ein passives Design, welches keine aktiven Komponenten benötigt, um richtig zu funktionieren, um die erforderlichen Charakteristika zu liefern, wie etwa beispielsweise persönlichen Schutz während des Lichtbogenfehlerereignisses. Da ein VFD typischerweise Lufteinlässe und stationäre Rippen für Kühlzwecke umfasst, kann der VFD leicht unter Verwendung einer bereits vorhandenen Öffnung für die Lufteinlässe ohne Modifizieren des Gehäuses (Nachrüstlösung) mit dem Flammsperrfilter ausgerüstet werden.

Claims

Gehäuse (100) einer Elektrovorrichtung, umfassend: eine Gehäusewand (105), und einen Flammsperrfilter (130), integriert in die Gehäusewand (105), wobei der Flammsperrfilter (130) ausgelegt ist zum Filtern eines Stroms (160) heißer Gase und Teilchen, die während eines Lichtbogenfehlerereignisses im Inneren des Gehäuses (100) auftreten, so dass die heißen Gase und Partikel durch den Filter (130) absorbiert werden und ein gefilterter Strom (170) aus gekühlten Gasen den Filter (130) zum Außenraum des Gehäuses (100) hin verlässt.
Gehäuse (100) nach Anspruch 1, wobei der Flammsperrfilter (130) ferner ausgestaltet ist zum Filtern eines Umgebungsluftstroms (120), der in das Gehäuse (100) zu Kühlungszwecken einer im Inneren des Gehäuses (100) platzierten Elektrovorrichtung eintritt.
Gehäuse (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei, während des Lichtbogenfehlerereignisses der Flammsperrfilter (130) ermöglicht, dass Luft das Gehäuse (100) verlassen kann, wodurch ein Druck im Inneren des Gehäuses (100) abgesenkt wird.
Gehäuse (100) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Gehäusewand (105) eine Öffnung (140) zum Aufnehmen des Flammsperrfilters (130) aufweist.
Gehäuse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-4, wobei der Flammsperrfilter (130) poröses Material (135) umfasst.
Gehäuse (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-5, ferner umfassend Lufteinlässe (110) und stationäre Rippen (115), wobei es die Lufteinlässe (110) und die stationären Rippen (115) dem Umgebungsluftstrom (120) ermöglichen, in das Gehäuse (100) einzutreten, und wobei die Lufteinlässe (110) und die stationären Rippen (115) über den Flammsperrfilter (130) montiert sind, um den Flammsperrfilter (130) gegenüber dem Außenraum des Gehäuses (100) abzudecken.
Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) (200), der dafür ausgelegt ist, mit einer Netzstromquelle gekoppelt zu werden und Ausgangsströme bereitzustellen, wobei der VFD (200) Folgendes umfasst: mehrere Gehäuse (100), die mehrere Gehäusewände (105) umfassen, und mindestens einen Flammsperrfilter (130), der in mindestens eine der mehreren Gehäusewände (105) integriert ist, wobei der Flammsperrfilter (130) ausgelegt ist zum Filtern eines Stroms (160) heißer Gase und Teilchen, die während eines Lichtbogenfehlerereignisses im Inneren des Gehäuses (110) auftreten, so dass die heißen Gase und Partikel durch den Filter (130) absorbiert werden und ein sauberer Strom (170) aus gekühlten Gasen den Filter (130) zum Außenraum des Gehäuses (100) hin verlässt.
VFD (200) nach Anspruch 7, wobei der mindestens eine Flammsperrfilter (130) ferner ausgestaltet ist zum Filtern eines Umgebungsluftstroms (120), der in das Gehäuse (100) zu Kühlungszwecken des im Inneren des Gehäuses (100) platzierten VFD (200) eintritt.
VFD (200) nach Anspruch 7 oder 8, wobei, während des Lichtbogenfehlerereignisses der mindestens eine Flammsperrfilter (130) ermöglicht, dass Luft das Gehäuse (100) verlassen kann, wodurch ein Druck im Inneren des Gehäuses (100) abgesenkt wird.
VFD (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7, 8 oder 9, wobei der Flammsperrfilter (130) als eine Filterplatte (180) ausgestaltet ist, die ein poröses Material (135) umfasst.
VFD (200) nach Anspruch 10, wobei die mindestens eine Gehäusewand (105) eine Öffnung (140) mit Halteelementen (125) zum Aufnehmen der Filterplatte (180) umfasst, wobei die Halteelemente (125) das Einlassen der Filterplatte (180) in das Gehäuse (100) beschränken.
VFD (200) nach Ansprüchen 10 oder 11, ferner umfassend eine Kühlluftplatte (190), aufweisend Lufteinlässe (110), stationäre Lüftungsgitter (115) und einen Rahmen (190), wobei die Kühlluftplatte (190) über die Filterplatte (180) montiert ist, um die Filterplatte (180) gegenüber einem Außenraum des Gehäuses (100) abzudecken.