WO2014090316A1 - Switch arrangement of a d.c. voltage network - Google Patents

Switch arrangement of a d.c. voltage network Download PDF

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WO2014090316A1
WO2014090316A1 PCT/EP2012/075441 EP2012075441W WO2014090316A1 WO 2014090316 A1 WO2014090316 A1 WO 2014090316A1 EP 2012075441 W EP2012075441 W EP 2012075441W WO 2014090316 A1 WO2014090316 A1 WO 2014090316A1
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WO
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switch
voltage
switches
load
arrangement
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/075441
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dominik ERGIN
Hans-Joachim Knaak
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems

Definitions

  • the invention relates to a switch arrangement of a DC voltage network with a plurality of DC switches, which are each arranged in different branches of the DC voltage network and set up in the event of an error to disconnect the faulty branch of the DC voltage network, wherein one of the DC voltage switch is a DC voltage circuit breaker, the fast Switching off high fault currents is set up.
  • Such a switch arrangement is already known from WO 2012/001123 AI.
  • the switch arrangement described there is provided for switching currents in a DC voltage network having different branches.
  • fast and slow switches are used in combination.
  • slow switches have the disadvantage that relatively much time passes until the energy flow is restored.
  • the object of the invention is therefore to provide a switch assembly of the type mentioned, in which the energy flow can be restored quickly and at the same time remains inexpensive.
  • the invention solves this problem in that at least a second DC voltage switch is a DC load switch, which is set up for rapid shutdown of rated currents that are smaller than the fault currents.
  • the invention solves this problem in that at least a second DC voltage switch is a DC load switch, which is set up for rapid shutdown of rated currents.
  • a second DC voltage switch is a DC load switch, which is set up for rapid shutdown of rated currents.
  • the entire switch arrangement has at least one switch which both switches quickly and is set up to switch high fault currents.
  • Such fault currents are at least twice as large as the nominal currents occurring during normal operation of the network, which are also referred to here synonymously as load currents.
  • At least one other DC voltage switch is designed as a DC load switch and only set up to switch off the rated currents.
  • the switching off of rated currents also takes place in the context of the invention by a fast switch whose Abschalt- or blocking capability is limited to rated currents and voltages and is thus designed much cheaper than a DC circuit breaker.
  • the fast switch whose Abschalt- or blocking capability is limited to rated currents and voltages and is thus designed much cheaper than a DC circuit breaker.
  • DC load switch a pure disconnect switch, which can be switched almost de-energized.
  • the DC load circuit breaker is also set up, if required, for switching off DC currents, although it has to build up only a small countervoltage in comparison to the DC voltage circuit breaker. This is in the order of magnitude smaller than the rated voltage of the DC voltage network. However, the DC load switch is able to isolate the full rated voltage of the DC network after the shutdown.
  • the switch arrangement according to the invention is arranged in different branches of a DC voltage network.
  • the DC circuit breaker or the DC circuit breakers take over the switching off of high fault currents, for example in the event of a short circuit.
  • the or the DC voltage switch can be transferred quickly and preferably without current to its disconnected position. After switching off the faulty branch, the power transmission can be quickly resumed by switching on the appropriate fast switch (s) again.
  • the DC load switch is a fast mechanical switch.
  • Fast mechanical switches are able to bring about a sufficiently large separation distance between the contacts of the contact arrangement quickly, for example, faster than 15 ms, in particular faster than 5 ms, so that a sufficiently high dielectric strength is provided within the stated period of time.
  • the first fast mechanical switches with such a switching speed are already available on the market.
  • the fast mechanical switch is expediently arranged in series with power semiconductor switches whose blocking capability is sufficient for switching off currents which are smaller than the rated current.
  • the DC load circuit breaker is designed as a series circuit of fast mechanical switches and fast power semiconductor switch.
  • DC circuit breaker on both a fast mechanical switch and a power semiconductor switch unit with a blocking capability that allows switching off high fault currents at rated voltage.
  • a DC circuit breaker has been described which includes a main current path with a mechanical switch and power switch a power electronic auxiliary switch in series thereto.
  • the main current path is bridged by a Abschaltstrom path, in which a power semiconductor switching unit is arranged, which is set up for switching off even high short-circuit currents.
  • the shutdown current path has a larger ohmic resistance during normal operation than the main current path. Therefore, in normal operation, the operating current flows through the main current path without large losses.
  • the mechanical switch in the main current path is naturally closed during normal operation.
  • the auxiliary current switch is first transferred to its blocking position and at the same time the mechanical switch is opened, so that the current is commutated into the switch-off current path and switched off there by the power semiconductor circuit unit as soon as the mechanical switch has reached a sufficiently high dielectric strength.
  • the DC voltage circuit breaker is designed as a unidirectional switch.
  • a further cost advantage is achieved, since the power semiconductor complexity is less complicated compared to a bidirectional switch.
  • the DC voltage power switch is integrated in a converter which is connected via a branch of the DC voltage network with the DC load switch or switches.
  • the converter itself is able to block high fault currents.
  • a converter is, for example, a so-called modular multilevel or multistage converter with a series circuit breaker. two-pole submodules, which form a full bridge circuit.
  • Such a modular multi-stage converter is capable of suppressing fault currents in both directions, so that subsequently the DC load switches arranged downstream in the direction of current flow can be opened almost without current.
  • At least one busbar is provided, wherein the DC voltage power switch is connected to the busbar via one of the branches and the DC load switch is arranged between the second branch and the busbar.
  • Such switch arrangements with a busbar are preferably used in the field of energy transmission.
  • the switch assembly according to the invention also allows for such requirements a considerable cost savings due to a reduced power semiconductor expenses.
  • At least one of the branches of the DC voltage network connects a converter station with one of the busbars.
  • the DC load switch has a switching speed of less than 15 ms. It is particularly advantageous if the fast DC load switch and the fast DC voltage circuit breaker have a switching time of less than 5 ms.
  • FIG. 2 shows another embodiment of the inventions
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the invention
  • Figure 1 shows a first embodiment of the switch assembly 1 according to the invention, which shows a total of six switches in a so-called one and a half-switch arrangement in the embodiment shown.
  • the said switch arrangement has a first busbar 2 and a second busbar 3, which are connected to one another via a first connection branch 4 and a second connection branch 5.
  • first connection branch 4 and 5 respectively three switches are arranged.
  • the switches 6, 7 and 8 are provided in the second connection branch 5, the switches 9, 10 and 11 can be seen.
  • the potential point between the switches 6 and 7 is with a first branch 12, the potential point between the switches 7 and 8 with a second branch 13, the potential point between the switches 9 and 10 with a third branch 14 and the potential point between the switches 10 and 11 connected to a fourth branch 15.
  • the branches 12, 13, 14 and 15 are part of a DC voltage network, which is, for example, a meshed DC voltage network.
  • the DC voltage switches 6, 7, 8, 9, 10 and 11 are designed differently.
  • the switches 7 and 8 are so-called DC voltage power switches
  • the switches 6, 9, 10 and 11 are designed as DC load switches.
  • the DC power switches 7, 8 are marked in Figure 1 with an outer square box. They are able to turn on and off not only the rated current, or in other words the load current.
  • DC voltage switch 7 and 8 are DC voltage switch 7 and 8 also able to switch high fault currents at the rated voltage.
  • they have a power switching unit based on power semiconductor switches, which is able to absorb both the voltage occurring during switching and to reduce the energy stored in the network and released during switching.
  • Such DC voltage circuit breakers have already been described in the literature. They have, for example, a series connection of switched on and off power semiconductor switches, each of which a freewheeling diode is connected in parallel. The turn-off or blocking capability of the respective power semiconductor switches 7 and 8 is dependent on the number of power semiconductor switches in their series connection. The more power semiconductor switches that can be switched on and off, such as IGBTs, IGCTs,
  • GTOs or the like connected in series, the greater the blocking capability of the DC power switch.
  • a single power semiconductor switch currently has a blocking capability of 2 to 5 kV. With the usual voltages in the field of energy transmission, hundreds of power semiconductor switches have to be connected in series. To reduce the energy released during switching, for example, surge conductors are expedient, which are connected in parallel to the power semiconductor switches. Of course, so-called capacitors can also be used here.
  • a branch 12, 13, 14 or 15 is illustrated only by a line. It should be noted, however, that each of the branches, as well as each connection branch and each busbar, may be two poles of opposite polarity. For the sake of clarity, however, a double-line representation was omitted.
  • the network configuration is such that a short circuit can occur only in the second branch 13.
  • This branch for example, represents an open-air cable that extends over hundreds of kilometers, so that lightning strikes can provide a high current flow in a short time. For this reason, it is possible with the help of DC power switches 7 and 8, the second branch 13 to be separated quickly from the busbars 2 and 3. Here, the switches 6, 9, 10 and 11 are also transferred to their disconnected position.
  • the DC load switches are also fast switches. However, these are not able to switch off high fault currents of just beschrienen type. However, this is not necessary because of the network configuration, as this is taken over by DC power switches 7 and 8. However, DC load switches 6, 9, 10 and 11 can be quickly turned on again due to their fast response or switching duration, so that branches 12, 14 and 15 are separated from one another for only a few milliseconds. Of course, this also applies to the DC power switches 7, 8 and the pointer 13. Subsequently, however, the power transmission via the branches 12, 14 and 15 and possibly also 13 can be resumed. This rapid reconnection thus allows the rapid restoration of the energy flow, so that there are no significant power failures and no costly restarting of converters or the like.
  • the DC load switches 6, 9, 10 and 11 are fast mechanical switches, with a switching time of less than 15 ms.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention, which differs from the embodiment shown in Figure 1 in that in the branch 14, an inverter 16 is arranged, the ter via a Gleichwoods antiquesmal- 17 with the busbars 2 and 3 and thus with the others DC switches 6, 7, 8, 9, 10 and 11 of
  • Switching arrangement 1 is connected.
  • the entire circuit arrangement 1 thus comprises a total of 7 switches according to the embodiment shown in FIG.
  • the arranged between the busbars 2 and 3 switches of the illustrated one and a half arrangement are all formed as a DC circuit breaker 6, 7, 8, 9, 10, 11.
  • Only the DC voltage switch 17 is a DC power switch. He alone is able to switch off high fault currents.
  • the DC load switches arranged downstream of this in the power flow direction of the converter 16 have either no or very low switch-off capability, since only small currents which are smaller than the rated current must be switched.
  • FIG 3 shows another embodiment of the invention, wherein between the busbars 2 and 3, three connecting branches 4, 5 and 18 are provided.
  • the connection branches 4, 5 and 18 only two switches, namely two DC load circuit breakers 6, 9, 10 and 11, are arranged, whereas the switches 7 and 8 are again DC voltage circuit breakers. They are used to switch off high fault currents, for example in the event of a short circuit.

Abstract

The aim of the invention is to provide a switch arrangement (1) of a d.c. voltage network having a plurality of d.c. voltage switches, which are each disposed in different branches (12, 13, 14, 15) of the d.c. voltage network and in the event of a fault are configured for isolating the faulty branch (12, 13, 14, 15) of the d.c. voltage network, wherein one of the d.c. voltage switches is a d.c. voltage power switch (7, 8, 17) which is configured for quickly switching off fault currents, wherein the energy flow can be quickly restored and at the same time the switch arrangement remains cost-effective. In order to achieve said aim, at least one second d.c. voltage switch is a d.c. voltage load switch (6, 9, 10, 11) which is configured for quickly switching off rated currents which are lower than the fault currents.

Description

Beschreibung description
Schalteranordnung eines Gleichspannungsnetzes Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung eines Gleichspannungsnetzes mit mehreren Gleichspannungsschaltern, die jeweils in unterschiedlichen Zweigen des Gleichspannungsnetzes angeordnet und im Fehlerfall zum Abtrennen des fehlerhaften Zweiges des Gleichspannungsnetzes eingerichtet sind, wo- bei einer der Gleichspannungsschalter einen Gleichspannungs- leistungsschalter ist, der zum schnellen Abschalten von hohen Fehlerströmen eingerichtet ist. The invention relates to a switch arrangement of a DC voltage network with a plurality of DC switches, which are each arranged in different branches of the DC voltage network and set up in the event of an error to disconnect the faulty branch of the DC voltage network, wherein one of the DC voltage switch is a DC voltage circuit breaker, the fast Switching off high fault currents is set up.
Eine solche Schalteranordnung ist aus der WO 2012/001123 AI bereits bekannt. Die dort beschriebene Schalteranordnung ist zum Schalten von Strömen in einem Gleichspannungsnetz vorgesehen, das unterschiedliche Zweige aufweist. Um eine möglichst kostengünstige Schalteranordnung bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass schnelle und langsame Schalter in Kombi- nation eingesetzt werden. Langsame Schalter haben jedoch den Nachteil, dass bis zur Wiederherstellung des Energieflusses relativ viel Zeit vergeht. Such a switch arrangement is already known from WO 2012/001123 AI. The switch arrangement described there is provided for switching currents in a DC voltage network having different branches. In order to provide a cost-effective switch arrangement, it is proposed that fast and slow switches are used in combination. However, slow switches have the disadvantage that relatively much time passes until the energy flow is restored.
Zur Verbesserung der Transportkapazität eines elektrischen Energieübertragungsnetzes werden Gleichspannungsnetze intensiv diskutiert. In Gleichspannungsnetzen ist das Schalten von Strömen jedoch deutlich schwieriger als in Wechselspannungsnetzen. Derzeit angedachte Gleichspannungsschalter sind groß und daher kostenintensiv. Aus diesem Grunde besteht ein Er- fordernis an ein preisgünstig herstellbares Schaltkonzept für Gleichspannungsnetze. Vor diesem Hintergrund wurde, wie oben ausgeführt ist, vorgeschlagen, langsame und schnelle Schalter einzusetzen . Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schalteranordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher der Energiefluss schnell wiederherstellt werden kann und die gleichzeitig kostengünstig bleibt. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass wenigstens ein zweiter Gleichspannungsschalter ein Gleichspannungslastschalter ist, der zum schnellen Abschalten von Nennströmen einge- richtet ist, die kleiner als die Fehlerströme sind. To improve the transport capacity of an electrical energy transmission network DC voltage networks are discussed intensively. However, in DC networks, the switching of currents is much more difficult than in AC networks. Currently considered DC switches are large and therefore expensive. For this reason, there is a requirement for an inexpensively producible switching concept for DC voltage grids. Against this background, as stated above, it has been proposed to use slow and fast switches. The object of the invention is therefore to provide a switch assembly of the type mentioned, in which the energy flow can be restored quickly and at the same time remains inexpensive. The invention solves this problem in that at least a second DC voltage switch is a DC load switch, which is set up for rapid shutdown of rated currents that are smaller than the fault currents.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass wenigstens ein zweiter Gleichspannungsschalter ein Gleichspannungslastschalter ist, der zum schnellen Abschalten von Nennströmen einge- richtet ist. Erfindungsgemäß werden ausschließlich schnelle Schalter eingesetzt, wobei jedoch die gesamte Schalteranordnung wenigstens einen Schalter aufweist, der sowohl schnell schaltet, als auch zum Schalten von hohen Fehlerströmen eingerichtet ist. Solche Fehlerströme sind wenigstens doppelt so groß wie die bei Normalbetrieb des Netzes auftretenden Nennströme, die hier synonym auch als Lastströme bezeichnet werden. Wenigstens ein anderer Gleichspannungsschalter ist als Gleichspannungslastschalter ausgestaltet und lediglich zum Abschalten der Nennströme eingerichtet. Das Abschalten von Nennströmen erfolgt jedoch im Rahmen der Erfindung ebenfalls durch einen schnellen Schalter, dessen Abschalt- oder Sperrfähigkeit jedoch auf Nennströme und -Spannungen begrenzt ist und der somit wesentlich kostengünstiger ausgestaltet ist als ein Gleichspannungsleistungsschalter . Bevorzugt ist der The invention solves this problem in that at least a second DC voltage switch is a DC load switch, which is set up for rapid shutdown of rated currents. According to the invention, only fast switches are used, but the entire switch arrangement has at least one switch which both switches quickly and is set up to switch high fault currents. Such fault currents are at least twice as large as the nominal currents occurring during normal operation of the network, which are also referred to here synonymously as load currents. At least one other DC voltage switch is designed as a DC load switch and only set up to switch off the rated currents. The switching off of rated currents, however, also takes place in the context of the invention by a fast switch whose Abschalt- or blocking capability is limited to rated currents and voltages and is thus designed much cheaper than a DC circuit breaker. Preferably, the
Gleichspannungslastschalter ein reiner Trennschalter, der nahezu stromlos geschaltet werden kann. DC load switch a pure disconnect switch, which can be switched almost de-energized.
Im Rahmen der Erfindung ist der Gleichspannungslastschalter im Bedarfsfall auch zum Abschalten von Gleichströmen einge- richtet, wobei er jedoch im Vergleich zum Gleichspannungs- leistungsschalter eine nur geringe Gegenspannung aufbauen muss . Diese liegt in der Größenordnung kleiner der Nennspannung des Gleichspannungsnetzes. Der Gleichspannungslastschalter ist jedoch in der Lage nach dem Abschaltvorgang die volle Nennspannung des Gleichspannungsnetzes zu isolieren. In the context of the invention, the DC load circuit breaker is also set up, if required, for switching off DC currents, although it has to build up only a small countervoltage in comparison to the DC voltage circuit breaker. This is in the order of magnitude smaller than the rated voltage of the DC voltage network. However, the DC load switch is able to isolate the full rated voltage of the DC network after the shutdown.
Dabei ist die erfindungsgemäße Schalteranordnung in unterschiedlichen Zweigen eines Gleichspannungsnetzes angeordnet. Im Fehlerfall übernimmt der Gleichspannungsleistungsschalter oder übernehmen die Gleichspannungsleistungsschalter das Abschalten hoher Fehlerströme, beispielsweise im Kurzschlussfall. Anschließend kann der oder können die Gleichspannungs- lastschalter schnell und bevorzugt stromlos in ihre Trennstellung überführt werden. Nach dem Abschalten des fehlerhaften Zweiges kann die Leistungsübertragung durch erneutes Einschalten des/der entsprechenden schnellen Schalter/s schnell wieder fortgesetzt werden. In this case, the switch arrangement according to the invention is arranged in different branches of a DC voltage network. In the event of a fault, the DC circuit breaker or the DC circuit breakers take over the switching off of high fault currents, for example in the event of a short circuit. Subsequently, the or the DC voltage switch can be transferred quickly and preferably without current to its disconnected position. After switching off the faulty branch, the power transmission can be quickly resumed by switching on the appropriate fast switch (s) again.
Zweckmäßigerweise ist der Gleichspannungslastschalter ein schneller mechanischer Schalter. Schnelle mechanische Schalter sind in der Lage schnell, also beispielsweise schneller als 15 ms, insbesondere schneller als 5 ms, eine ausreichend große Trennstrecke zwischen den Kontakten der Kontaktanordnung herbeizuführen, so dass eine ausreichend große Spannungsfestigkeit innerhalb der genannten Zeitdauer bereitgestellt ist. Erste schnelle mechanische Schalter mit einer solchen Schaltgeschwindigkeit sind bereits am Markt erhält- lieh. Conveniently, the DC load switch is a fast mechanical switch. Fast mechanical switches are able to bring about a sufficiently large separation distance between the contacts of the contact arrangement quickly, for example, faster than 15 ms, in particular faster than 5 ms, so that a sufficiently high dielectric strength is provided within the stated period of time. The first fast mechanical switches with such a switching speed are already available on the market.
Zweckmäßigerweise ist der schnelle mechanische Schalter in Reihe Leistungshalbleiterschalter angeordnet, dessen Sperrfä- higkeit zum Abschalten von Strömen ausreichend ist, die klei- ner als der Nennstrom sind. Gemäß dieser zweckmäßigen Weiterentwicklung ist der Gleichspannungslastschalter als Reihenschaltung von schnellen mechanischen Schaltern und schnellem Leistungshalbleiterschalter ausgeführt . Gemäß einer bevorzugten Ausführungsgestaltung weist der The fast mechanical switch is expediently arranged in series with power semiconductor switches whose blocking capability is sufficient for switching off currents which are smaller than the rated current. According to this expedient development of the DC load circuit breaker is designed as a series circuit of fast mechanical switches and fast power semiconductor switch. According to a preferred embodiment, the
Gleichspannungsleistungsschalter sowohl einen schnellen mechanischen Schalter als auch eine Leistungshalbleiterschal- tereinheit mit einer Sperrfähigkeit auf, die das Abschalten hoher Fehlerströme bei Nennspannung ermöglicht. Konzepte sol- eher „hybrider" Gleichspannungsleistungsschalter sind bereits veröffentlicht und vorgeschlagen worden. So ist beispielsweise ein Gleichspannungsleistungsschalter beschrieben worden, der einen Hauptstrompfad mit einem mechanischen Schalter und einem leistungselektronischen Hilfsschalter in Reihe dazu aufweist. Der Hauptstrompfad wird von einem Abschaltstrompfad überbrückt, in dem eine Leistungshalbleiterschalteinheit angeordnet ist, die zum Abschalten auch hoher Kurzschlussströme eingerichtet ist. Der Abschaltstrompfad weist bei Normalbetrieb einen größeren ohmschen Widerstand auf als der Hauptstrompfad. Daher fließt bei Normalbetrieb der Betriebsstrom ohne große Verluste über den Hauptstrompfad. Der mechanische Schalter im Hauptstrompfad ist bei Normalbetrieb selbstver- ständlich geschlossen. Im Fehlerfall wird zunächst der Hilfs- stromschalter in seine Sperrstellung überführt und gleichzeitig der mechanische Schalter geöffnet, so dass der Strom in den Abschaltstrompfad kommutiert und dort von der Leistungs- halbleiterschaltungseinheit abgeschaltet wird, sobald der me- chanische Schalter eine ausreichend große Spannungsfestigkeit erreicht hat. DC circuit breaker on both a fast mechanical switch and a power semiconductor switch unit with a blocking capability that allows switching off high fault currents at rated voltage. Concepts of such "hybrid" DC circuit breakers have already been published and suggested, for example, a DC circuit breaker has been described which includes a main current path with a mechanical switch and power switch a power electronic auxiliary switch in series thereto. The main current path is bridged by a Abschaltstrom path, in which a power semiconductor switching unit is arranged, which is set up for switching off even high short-circuit currents. The shutdown current path has a larger ohmic resistance during normal operation than the main current path. Therefore, in normal operation, the operating current flows through the main current path without large losses. The mechanical switch in the main current path is naturally closed during normal operation. In the event of a fault, the auxiliary current switch is first transferred to its blocking position and at the same time the mechanical switch is opened, so that the current is commutated into the switch-off current path and switched off there by the power semiconductor circuit unit as soon as the mechanical switch has reached a sufficiently high dielectric strength.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist der Gleichspannungsleistungsschalter als unidirektionaler Schalter ausgestaltet. Gemäß dieser zweckmäßigen Weiterentwicklung wird man dem Umstand gerecht, dass bei einigen Netzkonfigurationen Fehlerströme, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, nur in einer Richtung über den Gleichspan- nungsleistungsschalter fließen. Daher ist es auch ausrei- chend, den Gleichspannungsleistungsschalter nur zum unidirek- tionalen Schalten von Fehlerströmen auszulegen. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ein weiterer Kostenvorteil erzielt, da der Leistungshalbleiteraufwand im Vergleich zu einem bidirektionalen Schalter weniger aufwändig ist. According to an expedient further development of the DC voltage circuit breaker is designed as a unidirectional switch. In accordance with this expedient further development, it is fair to assume that in some network configurations fault currents, for example in the case of a short circuit, flow in only one direction via the DC voltage circuit breaker. Therefore, it is also sufficient to design the DC voltage circuit breaker only for unidirectional switching of fault currents. According to this advantageous further development, a further cost advantage is achieved, since the power semiconductor complexity is less complicated compared to a bidirectional switch.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Gleichspannungsleistungsschalter in einem Umrichter integriert, der über einen Zweig des Gleichspannungsnetzes mit dem oder den Gleichspannungslastschaltern verbunden ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist der Umrichter selbst in der Lage, hohe Fehlerströme zu blockieren. Ein solcher Umrichter ist beispielsweise ein so genannter modularer Multilevel- oder Mehrstufenumrichter mit einer Reihenschal- tung von zweipoligen Submodulen, die eine Vollbrückenschal- tung ausbilden. Ein solcher modularer Mehrstufenumrichter ist in der Lage, Fehlerströme in beiden Richtungen zu unterdrücken, so dass anschließend die in Stromflussrichtung nachge- ordneten Gleichspannungslastschalter nahezu stromlos geöffnet werden können . According to a further embodiment of the invention, the DC voltage power switch is integrated in a converter which is connected via a branch of the DC voltage network with the DC load switch or switches. According to this advantageous development, the converter itself is able to block high fault currents. Such a converter is, for example, a so-called modular multilevel or multistage converter with a series circuit breaker. two-pole submodules, which form a full bridge circuit. Such a modular multi-stage converter is capable of suppressing fault currents in both directions, so that subsequently the DC load switches arranged downstream in the direction of current flow can be opened almost without current.
Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Sammelschiene vorgesehen, wobei der Gleichspannungsleistungsschalter über einen der Zweige mit der Sammelschiene verbunden und der Gleichspannungslastschalter zwischen dem zweiten Zweig und der Sammelschiene angeordnet ist. Solche Schalteranordnungen mit einer Sammelschiene werden im Bereich der Energieübertragung bevorzugt eingesetzt. Die erfindungsgemäße Schalteranordnung ermöglicht auch bei solchen Anforderungen eine beträchtliche Kostenersparnis aufgrund eines reduzierten Leistungshalbleiteraufwandes . Advantageously, at least one busbar is provided, wherein the DC voltage power switch is connected to the busbar via one of the branches and the DC load switch is arranged between the second branch and the busbar. Such switch arrangements with a busbar are preferably used in the field of energy transmission. The switch assembly according to the invention also allows for such requirements a considerable cost savings due to a reduced power semiconductor expenses.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung sind zwei Sammelschienen vorgesehen. According to an appropriate further development, two busbars are provided.
Hierbei ist es besonders zweckmäßig, wenn wenigstens einer der Zweige des Gleichspannungsnetzes eine Umrichterstation mit einer der Sammelschienen verbindet. It is particularly expedient if at least one of the branches of the DC voltage network connects a converter station with one of the busbars.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Gleichspannungslastschalter eine Schaltgeschwindigkeit von weniger als 15 ms auf. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der schnelle Gleichspannungslastschalter sowie der schnelle Gleichspan- nungsleistungsschalter eine Schaltzeit von weniger als 5 ms aufweisen . According to a preferred embodiment, the DC load switch has a switching speed of less than 15 ms. It is particularly advantageous if the fast DC load switch and the fast DC voltage circuit breaker have a switching time of less than 5 ms.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen Schalteranordnung, Further expedient embodiments and advantages of the invention are the subject matter of the following description of embodiments of the invention with reference to the figures of the drawing, wherein like reference numerals refer to like-acting components and wherein 1 shows a first embodiment of the inventive switch assembly,
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin Figure 2 shows another embodiment of the inventions
dungsgemäßen Schalteranordnung und  Switching device according to the invention and
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the invention
dungsgemäßen Schalteranordnung zeigen. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schalteranordnung 1, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt sechs Schalter in einer so genannten Eineinhalb-Schalter-Anordnung zeigt. Die besagte Schalteranordnung verfügt über eine erste Sammelschiene 2 sowie eine zweite Sammelschiene 3, die über einen ersten Verbindungszweig 4 und einen zweiten Verbindungszweig 5 miteinander verbunden sind. In jedem Verbindungszweig 4 bzw. 5 sind jeweils drei Schalter angeordnet. In dem ersten Verbindungszweig 4 sind die Schalter 6, 7 und 8 vorgesehen. In dem zweiten Ver- bindungszweig 5 sind die Schalter 9, 10 und 11 erkennbar. Der Potenzialpunkt zwischen den Schaltern 6 und 7 ist mit einem ersten Zweig 12, der Potenzialpunkt zwischen den Schaltern 7 und 8 mit einem zweiten Zweig 13, der Potenzialpunkt zwischen den Schaltern 9 und 10 mit einem dritten Zweig 14 und der Po- tenzialpunkt zwischen den Schaltern 10 und 11 mit einem vierten Zweig 15 verbunden. Die Zweige 12, 13, 14 und 15 sind Teil eines Gleichspannungsnetzes, bei dem es sich beispielsweise um ein vermaschtes Gleichspannungsnetz handelt. Im Rahmen der Erfindung sind die Gleichspannungsschalter 6, 7, 8, 9, 10 und 11 unterschiedlich ausgestaltet. So handelt es sich bei den Schaltern 7 und 8 um so genannte Gleichspan- nungsleistungsschalter, wohingegen die Schalter 6, 9, 10 und 11 als Gleichspannungslastschalter ausgestaltet sind. Die Gleichspannungsleistungsschalter 7, 8 sind in Figur 1 mit einem äußeren quadratischen Kästchen gekennzeichnet. Sie sind in der Lage, nicht nur den Nennstrom oder mit anderen Worten den Laststrom, ein- und abzuschalten. Vielmehr sind die Gleichspannungsleistungsschalter 7 und 8 auch in der Lage, hohe Fehlerströme bei der Nennspannung zu schalten. Hierzu weisen sie eine auf Leistungshalbleiterschaltern basierende Leistungsschalteinheit auf, die in der Lage ist, sowohl die beim Schalten auftretende Spannung aufzunehmen als auch die im Netz gespeicherte und beim Schalten freiwerdende Energie abzubauen. Solche Gleichspannungsleistungsschalter sind in der Literatur bereits beschrieben worden. Sie weisen beispielsweise eine Reihenschaltung aus ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern auf, denen jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist. Die Abschalt- oder Sperrfähigkeit der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter 7 bzw. 8 ist durch die Anzahl der Leistungshalbleiterschalter in deren Reihenschaltung abhängig. Je mehr ein- und abschaltbare Leis- tungshalbleiterschalter, wie beispielsweise IGBTs, IGCTs,Show to the invention switch arrangement. Figure 1 shows a first embodiment of the switch assembly 1 according to the invention, which shows a total of six switches in a so-called one and a half-switch arrangement in the embodiment shown. The said switch arrangement has a first busbar 2 and a second busbar 3, which are connected to one another via a first connection branch 4 and a second connection branch 5. In each connection branch 4 and 5 respectively three switches are arranged. In the first connection branch 4, the switches 6, 7 and 8 are provided. In the second connection branch 5, the switches 9, 10 and 11 can be seen. The potential point between the switches 6 and 7 is with a first branch 12, the potential point between the switches 7 and 8 with a second branch 13, the potential point between the switches 9 and 10 with a third branch 14 and the potential point between the switches 10 and 11 connected to a fourth branch 15. The branches 12, 13, 14 and 15 are part of a DC voltage network, which is, for example, a meshed DC voltage network. In the context of the invention, the DC voltage switches 6, 7, 8, 9, 10 and 11 are designed differently. Thus, the switches 7 and 8 are so-called DC voltage power switches, whereas the switches 6, 9, 10 and 11 are designed as DC load switches. The DC power switches 7, 8 are marked in Figure 1 with an outer square box. They are able to turn on and off not only the rated current, or in other words the load current. Rather, they are DC voltage switch 7 and 8 also able to switch high fault currents at the rated voltage. For this purpose, they have a power switching unit based on power semiconductor switches, which is able to absorb both the voltage occurring during switching and to reduce the energy stored in the network and released during switching. Such DC voltage circuit breakers have already been described in the literature. They have, for example, a series connection of switched on and off power semiconductor switches, each of which a freewheeling diode is connected in parallel. The turn-off or blocking capability of the respective power semiconductor switches 7 and 8 is dependent on the number of power semiconductor switches in their series connection. The more power semiconductor switches that can be switched on and off, such as IGBTs, IGCTs,
GTOs oder dergleichen, in Reihe geschaltet sind, desto größer ist die Sperrfähigkeit des Gleichspannungsleistungsschalter . Ein einzelner Leistungshalbleiterschalter weist derzeit eine Sperrfähigkeit von 2 bis 5 kV auf. Bei den üblichen Spannun- gen im Bereich der Energieübertragung sind somit hunderte von Leistungshalbleiterschaltern in Reihe zu schalten. Zum Abbau der beim Schalten freiwerdenden Energie sind beispielsweise Überspannungsleiter zweckmäßig, die den Leistungshalbleiterschaltern parallel geschaltet sind. Selbstverständlich können hierbei auch so genannte Kondensatoren zum Einsatz gelangen. GTOs or the like, connected in series, the greater the blocking capability of the DC power switch. A single power semiconductor switch currently has a blocking capability of 2 to 5 kV. With the usual voltages in the field of energy transmission, hundreds of power semiconductor switches have to be connected in series. To reduce the energy released during switching, for example, surge conductors are expedient, which are connected in parallel to the power semiconductor switches. Of course, so-called capacitors can also be used here.
In der in den Figuren gewählten Darstellung ist ein Abzweig 12, 13, 14 oder 15 lediglich durch eine Linie verdeutlicht. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass es sich bei jedem der Zweige sowie bei jedem Verbindungszweig und bei jeder Sammelschiene um zwei Pole mit entgegengesetzter Polarisierung handeln kann. Aus Gründen der Übersicht wurde auf eine Doppelliniendarstellung jedoch verzichtet. In Figur 1 ist die Netzkonfiguration so, dass ein Kurzschluss lediglich im zweiten Zweig 13 auftreten kann. Dieser Zweig stellt beispielsweise eine sich über hunderte von Kilometern hinweg erstreckende Freiluftleitung dar, so dass Blitzeinschläge kurzeitig für einen hohen Stromfluss sorgen können. Aus diesem Grunde ist es mit Hilfe der Gleichspannungsleis- tungsschalter 7 und 8 möglich, den zweiten Zweig 13 schnell von den Sammelschienen 2 und 3 abzutrennen. Hierbei werden ebenfalls die Schalter 6, 9, 10 und 11 in ihre Trennstellung überführt. Bei den Gleichspannungslastschaltern handelt es sich zwar ebenfalls um schnelle Schalter. Diese sind jedoch nicht in der Lage, hohe Fehlerströme der eben beschrienen Art abzuschalten. Dies ist jedoch aufgrund der Netzkonfiguration auch nicht erforderlich, da dies von Gleichspannungsleis- tungsschalter 7 und 8 übernommen wird. Aufgrund ihrer schnellen Ansprech- oder Schaltdauer können Gleichspannungslastschalter 6, 9, 10 und 11 jedoch schnell wieder eingeschaltet werden, so dass die Zweige 12, 14 und 15 lediglich für wenige Millisekunden voneinander getrennt sind. Das gilt natürlich auch für die Gleichspannungsleistungsschalter 7, 8 und den Zeig 13. Anschließend kann jedoch die Leistungsübertragung über die Zweige 12, 14 und 15 und ggf. auch 13 wieder aufgenommen werden. Dieses schnelle Wiederzuschalten ermöglicht somit die schnelle Wiederherstellung des Energieflusses, so dass es zu keinen nennenswerten Netzausfällen und keinem aufwändigen Wiederanfahren von Umrichtern oder dergleichen kommt. Bei den Gleichspannungslastschaltern 6, 9, 10 und 11 handelt es sich um schnelle mechanische Schalter, mit einer Schaltzeit von weniger als 15 ms. In the illustration chosen in the figures, a branch 12, 13, 14 or 15 is illustrated only by a line. It should be noted, however, that each of the branches, as well as each connection branch and each busbar, may be two poles of opposite polarity. For the sake of clarity, however, a double-line representation was omitted. In Figure 1, the network configuration is such that a short circuit can occur only in the second branch 13. This branch, for example, represents an open-air cable that extends over hundreds of kilometers, so that lightning strikes can provide a high current flow in a short time. For this reason, it is possible with the help of DC power switches 7 and 8, the second branch 13 to be separated quickly from the busbars 2 and 3. Here, the switches 6, 9, 10 and 11 are also transferred to their disconnected position. The DC load switches are also fast switches. However, these are not able to switch off high fault currents of just beschrienen type. However, this is not necessary because of the network configuration, as this is taken over by DC power switches 7 and 8. However, DC load switches 6, 9, 10 and 11 can be quickly turned on again due to their fast response or switching duration, so that branches 12, 14 and 15 are separated from one another for only a few milliseconds. Of course, this also applies to the DC power switches 7, 8 and the pointer 13. Subsequently, however, the power transmission via the branches 12, 14 and 15 and possibly also 13 can be resumed. This rapid reconnection thus allows the rapid restoration of the energy flow, so that there are no significant power failures and no costly restarting of converters or the like. The DC load switches 6, 9, 10 and 11 are fast mechanical switches, with a switching time of less than 15 ms.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass in dem Zweig 14 ein Umrichter 16 angeordnet ist, der über einen Gleichspannungsleistungsschal- ter 17 mit den Sammelschienen 2 und 3 und somit mit den übrigen Gleichspannungsschaltern 6, 7, 8, 9, 10 und 11 der Figure 2 shows a further embodiment of the invention, which differs from the embodiment shown in Figure 1 in that in the branch 14, an inverter 16 is arranged, the ter via a Gleichspannungsleistungsmal- 17 with the busbars 2 and 3 and thus with the others DC switches 6, 7, 8, 9, 10 and 11 of
Schaltanordnung 1 verbunden ist. Die gesamte Schaltungsanordnung 1 umfasst somit gemäß dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt 7 Schalter. Die zwischen den Sammel- schienen 2 und 3 angeordneten Schalter der dargestellten Ein- einhalb-Anordnung sind alle als Gleichspannungslastschalter 6, 7, 8, 9, 10, 11 ausgebildet. Lediglich der Gleichspannungsschalter 17 ist ein Gleichspannungsleistungsschalter . Er allein ist in der Lage, hohe Fehlerströme abzuschalten. Die diesem in der Leistungsflussrichtung des Umrichters 16 nachgeordneten Gleichspannungslastschalter weisen hingegen entweder gar keine oder eine sehr geringer Abschaltfähigkeit auf, da nur geringe Ströme, welche kleiner als der Nennstrom sind, geschaltet werden müssen. Switching arrangement 1 is connected. The entire circuit arrangement 1 thus comprises a total of 7 switches according to the embodiment shown in FIG. The arranged between the busbars 2 and 3 switches of the illustrated one and a half arrangement are all formed as a DC circuit breaker 6, 7, 8, 9, 10, 11. Only the DC voltage switch 17 is a DC power switch. He alone is able to switch off high fault currents. On the other hand, the DC load switches arranged downstream of this in the power flow direction of the converter 16 have either no or very low switch-off capability, since only small currents which are smaller than the rated current must be switched.
Dies ist jedoch bei der in Figur 2 skizzierten Netztopologie ausreichend . However, this is sufficient in the case of the network topology outlined in FIG.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zwischen den Sammelschienen 2 und 3 drei Verbindungszweige 4, 5 und 18 vorgesehen sind. In jedem der Verbindungszweige 4, 5 und 18 sind lediglich zwei Schalter, nämlich zwei Gleichspannungslastschalter 6, 9, 10 und 11, angeordnet, wohingegen es sich bei den Schaltern 7 und 8 wieder um Gleich- spannungsleistungsschalter handelt. Sie dienen zum Abschalten hoher Fehlerströme beispielsweise im Kurzschlussfall. Figure 3 shows another embodiment of the invention, wherein between the busbars 2 and 3, three connecting branches 4, 5 and 18 are provided. In each of the connection branches 4, 5 and 18, only two switches, namely two DC load circuit breakers 6, 9, 10 and 11, are arranged, whereas the switches 7 and 8 are again DC voltage circuit breakers. They are used to switch off high fault currents, for example in the event of a short circuit.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schalteranordnung (1) eines Gleichspannungsnetzes mit mehreren Gleichspannungsschaltern, die jeweils in unterschiedli- chen Zweigen (12,13,14,15) des Gleichspannungsnetzes angeordnet und im Fehlerfall zum Abtrennen des fehlerhaften Zweiges (12,13,14,15) des Gleichspannungsnetzes eingerichtet sind, wobei einer der Gleichspannungsschalter ein Gleichspannungs- leistungsschalter (7,8,17) ist, der zum schnellen Abschalten von Fehlerströmen eingerichtet ist, 1. Switch arrangement (1) of a DC voltage network with a plurality of DC voltage switches, each arranged in different branches (12, 13, 14, 15) of the DC voltage network and, in the event of an error, for disconnecting the faulty branch (12, 13, 14, 15) of the DC voltage network in which one of the DC voltage switches is a DC voltage circuit breaker (7, 8, 17), which is set up for quickly switching off fault currents,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
wenigstens ein zweiter Gleichspannungsschalter ein Gleichspannungslastschalter (6,9,10,11) ist, der zum schnellen Abschalten von Nennströmen eingerichtet ist, die kleiner als die Fehlerströme sind. at least a second DC voltage switch is a DC load switch (6, 9, 10, 11) adapted to quickly shut down rated currents smaller than the fault currents.
2. Schalteranordnung (1) nach Anspruch 1, 2. Switch arrangement (1) according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Gleichspannungslastschalter zum Isolieren der Nennspan- nung des Gleichspannungsnetzes und zum Erzeugen einer Gegenspannung eingerichtet ist, die kleiner als die besagte Nennspannung ist. the DC load circuit breaker is set up to isolate the nominal voltage of the DC voltage network and to generate a countervoltage which is smaller than the said rated voltage.
3. Schalteranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, 3. Switch arrangement (1) according to claim 1 or 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Gleichspannungslastschalter ein schneller mechanischer Schalter (6,9,10,11) ist. the DC load switch is a fast mechanical switch (6, 9, 10, 11).
4. Schalteranordnung (1) nach Anspruch 3, 4. Switch arrangement (1) according to claim 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der schnelle mechanische Schalter (6,9,10,11) in Reihe zu einem Leistungshalbleiterschalter angeordnet ist, dessen Sperrfähigkeit auf das Abschalten von Strömen begrenzt ist, die kleiner oder gleich dem Nennstrom sind. the fast mechanical switch (6, 9, 10, 11) is arranged in series with a power semiconductor switch whose blocking capability is limited to shutting off currents that are less than or equal to the rated current.
5. Schalteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , 5. Switch arrangement (1) according to one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Gleichspannungsleistungsschalter (7,8,17) sowohl einen schnellen mechanischen Schalter als auch einen Leistungshalbleiterschalter mit einer Sperrfähigkeit aufweist, die das Abschalten hoher Fehlerströme bei Nennspannung ermöglicht. characterized in that the DC voltage power switch (7, 8, 17) has both a fast mechanical switch and a power semiconductor switch with a blocking capability that makes it possible to switch off high fault currents at nominal voltage.
6. Schalteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , 6. switch arrangement (1) according to one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Gleichspannungsleistungsschalter (7,8,17) ein unidirekti- onaler Schalter ist. the DC voltage power switch (7, 8, 17) is a unidirectional switch.
7. Schalteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , 7. Switch arrangement (1) according to one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Gleichspannungsleistungsschalter (7,8,17) in einem Umrichter integriert ist, der über einen Zweig (14) des Gleichspannungsnetzes mit dem oder den Gleichspannungslastschaltern (6,7,8,9,10,11) verbunden ist. the DC voltage power switch (7, 8, 17) is integrated in a converter which is connected to the one or more DC load switches (6, 7, 8, 10, 10, 11) via a branch (14) of the DC voltage network.
8. Schalteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , 8. Switch arrangement (1) according to one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
wenigstens eine Sammelschiene (2,3) vorgesehen ist, wobei der Gleichspannungsleistungsschalter über einen der Zweige mit der Sammelschiene (2,3) verbunden ist und der Gleichspannungslastschalter zwischen einem zweiten Zweig und der Sammelschiene (2,3) angeordnet ist. at least one busbar (2, 3) is provided, wherein the DC voltage power switch is connected via one of the branches to the busbar (2, 3) and the DC load switch is arranged between a second branch and the busbar (2, 3).
9. Schalteranordnung (1) nach Anspruch 8, 9. switch arrangement (1) according to claim 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
zwei Sammelschienen (2,3) vorgesehen sind. two busbars (2,3) are provided.
10. Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 10. Switch arrangement (1) according to one of claims 8 or 9, characterized in that a
wenigstens einer der Zweige (14) des Gleichspannungsnetzes eine Umrichterstation (16) mit einer der Sammelschienen (2,3) verbindet . at least one of the branches (14) of the direct voltage network connects an inverter station (16) to one of the busbars (2, 3).
11. Schalteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , 11. Switch arrangement (1) according to one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der schnelle Gleichspannungslastschalter (6,9,10,11) eine Schaltzeit von weniger als 15 ms aufweist. That is, the fast DC load switch (6, 9, 10, 11) has a switching time of less than 15 milliseconds.
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