CN113795994A

CN113795994A - 直流网络

Info

Publication number: CN113795994A
Application number: CN202080034391.2A
Authority: CN
Inventors: K.汉特; S.汉塞尔; B.库希尔; J.维斯
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2021-12-14
Also published as: EP3736932A1; EP3935706B1; EP3935706A1; DK3935706T3; ES2944557T3; WO2020224832A1; FI3935706T3; US20230253170A1; US11978601B2

Abstract

本发明涉及一种直流网络，该直流网络具有电导体和布置在导体的一端的开关单元，开关单元用于分离经由导体进行的电连接，其中，开关单元包括串联连接在导体的电流路径中的至少一个可控的功率半导体，其中，‑从开关单元出发，导体被分为第一和第二区段，‑第一过电压保护设备连接在第一和第二区段的连接点与直流网络的第二极之间，‑第二过电压保护设备连接在第二区段的远离开关单元的一端与第二极之间，‑过电压保护设备分别具有电容器。

Description

直流网络

技术领域

本发明涉及一种具有第一极和第二极以及用于分离第一极的导体的至少一个开关单元的直流网络。

背景技术

在未来的工业设施中，DC网络应当减小损耗，保证转换器、存储器和电机之间的直接的能量交换，并且实现提高的鲁棒性。这种类型的网络在不同的负载出口和电源(Einspeisungen)之间可能具有非常不同的线缆长度。在此，现有的短的线缆长度导致馈电线中的纵向电感非常小，使得故障电流可能具有非常陡的电流上升。由此，需要非常快速的故障识别和故障断开。因为机械分离开关不能满足对开关速度的要求，因此使用功率半导体。在识别出故障之后，功率半导体在几百纳秒内断开故障。因为通过负载电感的电流现在没有续流路径，因此随后可能在功率半导体上产生电压，该电压在某些情况下可能使功率半导体会损坏。为了应对这个问题，开关可以具有过电压限制。不利的是，必须针对用于实际存在的线路长度或者馈电线电感的每一个开关，设计过电压限制，也就是说，必须使开关适配于存在的馈电线，或者仅允许在特定的线路长度之前使用开关，因为否则会存在过电压限制不足的风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，给出一种直流网络，这种直流网络减轻或者解决开头提到的问题。上述技术问题通过具有权利要求1的特征的直流网络来解决。

根据本发明的直流网络具有电导体和布置在导体的一端的开关单元，开关单元用于分离经由导体进行的电连接。开关单元包括串联连接在导体的电流路径中的至少一个可控的功率半导体。

从开关单元出发，导体被划分成第一和第二区段。换言之，第一区段从开关单元开始延伸到第一区段和第二区段的连接点。第二区段从连接点开始延伸。

在第一和第二区段的连接点与直流网络的第二极之间连接有第一过电压保护设备。也就是说，导体形成直流网络的第一极。在第二区段的远离开关单元的一端与第二极之间连接有第二过电压保护设备。也就是说，第一和第二过电压保护设备并联连接；然而，在它们与导体、即与直流网络的第一极的连接点之间存在具有第二区段的长度的导体件。在第一过电压保护设备的连接点与开关单元之间存在具有第一区段的长度的导体件。

过电压保护设备分别具有电容器。

在此，第一和第二区段的长度适宜至少大于1m、特别是大于10m，在一个特别的设计方案中大于50m。

本发明有利地实现，通过以间隔开的方式布置在导体上的过电压保护设备来保护开关单元，以免建立在通过开关单元断开的过程中出现的、对功率半导体具有损坏性或者破坏性影响的过电压。在此，仅必须针对通过最接近的区段、即第一区段的电感引起的过电压来设计开关单元本身。相反，第二区段的电感对此不再起作用。

对于本发明认识到，代替开关单元的适配，可以使用过电压保护设备形式的导体的适配。因此，优选可以在直流网络中使用相似的保护设备以及相似的开关单元。也就是说，与使用适配的开关单元的网络相比，虽然使用更多的部件，但是为此仅使用相似的部件，这使开销减小并且使可靠性提高。由此，可以更好地规划并且控制直流网络。

直流网络的极之间的具有电容器的过电压保护设备有利地提供电压稳定性和调节储备。因为该电容器与线路电感形成可振荡***，因此存在串联电阻作为阻尼。

从权利要求1的从属权利要求中得到根据本发明的直流网络的有利的设计方案。在此，可以将根据权利要求1的实施方式与从属权利要求中的一个的特征组合，或者优选也可以与来自多个从属权利要求的特征组合。相应地，还可以附加地设置以下特征：

-直流网络可以包括一个或多个负载、多个另外的开关单元和多个另外的电导体，其中，这些另外的导体连接开关单元和负载。这些另外的导体同样被划分为区段，其中，对于这些另外的导体的相应的两个连接的区段的连接部位，在相应的连接部位与第二极之间连接有过电压保护设备。也就是说，在广大的直流网络中，也通过将过电压保护设备嵌入导体中，来针对过高的过电压对这些另外的开关单元进行保护。

-优选在直流网络中，开关单元和另外的开关单元相同地构建。换言之，仅使用针对要阻断的最大电压设计的一种类型的开关单元。在此，适宜地选择区段的长度或者电感，使得在通过开关单元中的一个断开时形成的过电压保持低于可控的功率半导体的击穿电压。总的来说，也就是说，为了在直流网络中进行断开，有利地仅使用两种不同类型的部件，即，一种为开关单元，一种为过电压保护设备。

-开关单元可以包括开关单元电容器，开关单元电容器连接在直流网络的第一极与第二极之间，并且具有至少10μF、特别是至少50μF、特别是至少100μF的电容。由此，开关本身也具有在不损坏的情况下吸收特定导体电感的过电压的固有的能力。

-过电压保护设备的电容器分别可以具有至少10μF、特别是至少50μF、特别是至少100μF的电容。足够大的电容才足够稳定地作用于电压，以有效地减轻开关单元的负荷。

-过电压保护设备可以分别具有与电容器串联连接的电阻，用于进行振荡衰减，特别是可以具有小于10欧姆的电阻。由此，在由电容器和线路电感构成的可振荡***中避免振荡，其中，同时由于电阻小，保证了电容器快速充电的可能性。

-过电压保护设备可以包括与电容器串联连接的二极管，其中，连接二极管，使得阻断从电容器到直流网络的第一极的电流流动。这种连接使得在短路情况下断开的情况下能够通过电容器快速地吸收能量。此外，适宜地允许放电，但是通过电阻使放电减速。

-过电压保护设备可以包括与电容器串联连接的火花隙。其在电阻上形成不允许的高电压时，产生低欧姆的电流路径，该电流路径使得能够通过电容器快速地吸收能量。

-过电压保护设备可以具有与电阻并联的可控的功率半导体、特别是晶闸管。由此能够接通低欧姆的电流路径。

-过电压保护设备可以以与电容器并联的方式包括过电压元件、特别是变阻器。此外，可以与电容器并联的方式存在放电电阻，其中，放电电阻特别是大于1kOhm、特别是大于10kOhm或者大于100kOhm。由此，通过在电容器上的电压过高的情况下，导出能量，并且使过电压保护设备在反复触发时又快速地准备好使用，来支持电容器的放电。

-开关装置可以包括第二功率半导体，其中，两个功率半导体反向串联或者反向并联连接。功率半导体例如可以是IGBT。

附图说明

其它优点和特征从下面借助附图对实施例的描述中得到。在附图中，相同的附图标记表示相同的构件和功能。

图1示出了具有用于分离电导体的开关单元和过电压保护设备的直流网络，

图2至6示出了过电压保护设备的变形方案。

具体实施方式

图1示意性地示出了直流网络10。直流网络10包括直流电压源11和负载16，它们通过电导体121...123相互连接。在此，两个第一导体121、122一起形成直流网络10的第一极，而第三导体123形成第二极。两个第一导体121、122彼此串联连接，其中，在其连接部位处布置有开关单元19。

开关单元19用作从直流电压源11到负载16的电连接的中断器。例如如果在负载16的区域中出现故障、即短路，并且非常大的电流将从直流电压源11流向短路部位，那么可能需要进行中断。开关单元19包括至少一个功率半导体，功率半导体串联连接在两个第一导体121、122之间，并且可以中断通过这些导体的电流路径。在替换的设计方案中，开关单元19也可以包括反向串联连接的两个功率半导体。

因为在电流路径被开关单元19中断时不存在电流的续流路径，因此在中断之后不久，在开关单元19上、即在功率半导体上形成过高的电压。该过高的电压的大小尤其是与存储电能的电感的大小有关。电感的大小又决定性地由与开关单元相邻的两个第一导体121、122的电感来确定。这些导体121、122越长，它们的电感就越大。为了不需要使开关单元19适配于导体长度，将两个第一导体121、122划分成了区段141...146。在此，在该示例中，选择区段141...146，使得每个区段141...146的导体长度不超过100m。因此，区段141...146中的每一个的最大电感是确定的。在一个替换的设计方案中，按照例如50μH的确定的最大电感来选择区段141...146。在该变形方案中，有利地不需要注意导体121、122是否是类似的，或者是否使用不同的电导体，以保持每个区段141...146的最大电感。

在每两个相邻的区段141...146之间的连接部位处布置有过电压保护设备181...184。在此，过电压保护设备181…184连接在如下的连接部位与第三导体123形式的第二极之间，该连接部位位于两个第一导体121、122中，因此是直流网络10的第一极的一部分。也就是说，除了位于中间的第二区段142的电感152之外，第一导体121中的过电压保护设备181、182并联连接。同样，除了位于中间的第五区段145的电感155之外，第二导体122中的过电压保护设备183、184并联连接。

过电压保护设备181...184确保在通过开关单元19中断电流流动时，分段地防止或者延迟导体121、122中的过电压的形成。由此，实现在开关单元19处产生的过电压被限制为对直接位于开关单元19处的区段141、144的电感起作用。开关单元19适宜地被设计为用于这种过电压。也就是说，由此实现当毗邻的电导体121、122明显长于对于针对开关单元19最大的电感值所允许的长度时，也可以在不适配的情况下使用开关单元19。也就是说，代替改变开关单元19，对导体121、122的设计进行调整，为导体121、122设置过电压保护设备181...184。开关单元本身具有未示出的过电压保护，其对于毗邻开关单元的线路长度或者电感来说就足够了，例如针对100μH的电感的过电压保护就足够了。

工业环境中的真实的直流网络10一般更复杂，并且包括多个负载16、部分具有不同的长度的多个电导体121...123和多个开关单元19。此外，其也可以具有分支。因此，可以将图1的直流网络10视为真实的直流网络的简化的片段。然而，通过本发明，使得也可以在广大的直流网络10中仅使用单一结构的开关单元19。过电压保护设备181...184也优选仅具有一种结构。

在图2至6中示出了过电压保护设备181...184的结构的可能的变形方案。根据原理并且作为最简单的实施变形方案，电容器30足以作为过电压保护设备181...184。电容器30提供电压稳定性和调节储备。但是因为该电容器30与线路电感151...156形成可振荡***，因此作为阻尼的串联电阻31是有利的。在图2中示出了这种过电压保护设备20。

图3示出了根据图2的实施方案的扩展的过电压保护设备21，其中，以与串联电阻31并联的方式存在二极管32。二极管32使得电容器30可以非常快速地吸收能量，这在根据图2的实施方案中由于串联电阻31而受到限制。尤其是在断开短路时，非常快速地吸收能量是重要的。然而，继续通过串联电阻31来使放电衰减。

图4示出了二极管32的使用的替换方案。在根据图4的过电压保护设备22中，以与串联电阻31并联的方式布置有火花隙(Funkenstrecke)33，用于在串联电阻31上产生不允许的高电压时，提供低欧姆的电流路径。如果火花隙33上的电压变得足够小，那么火花隙33中的电弧再次熄灭。电容器30的放电又通过串联电阻31来进行。

在图5中示出了另一个替换方案。在该过电压保护设备23中，可以通过触发的半导体结构元件，例如在该示例中通过晶闸管34，接通低欧姆的电流路径。如果这里通过晶闸管34的电流小于其保持电流，那么晶闸管34又变为高欧姆的。电容器30的放电又通过串联电阻31来进行。

在根据图6的过电压保护设备24中，通过放电电阻35和例如这里示出的变阻器36的过电压元件，来支持电容器30的放电，以便在电容器30上的电压过高时导出能量，并且使保护电路在反复触发时又快速地准备好使用。在此，放电电阻35和变阻器36以与电容器30并联的方式布置。在该示例中，以与电容器30串联的方式布置有二极管32。但是在此，该示例也可以与图3至图5的实施方案组合，即，这里，也可以以与电容器30串联的方式使用串联电阻31或者火花隙33。

附图标记列表

10 直流网络

121…123 电气线路

141…146 区段

151…156 区段的电感

11 直流电压源

19 开关单元

16 负载

181…186 过电压保护设备

20…24 过电压保护设备的变形方案

30 电容器

31 串联电阻

32 二极管

33 火花隙

34 晶闸管

35 放电电阻

36 变阻器

Claims

1.一种直流网络(10)，所述直流网络具有电导体(121、122)和布置在所述导体(121、122)的一端的开关单元(19)，所述开关单元用于分离经由所述导体(121、122)进行的电连接，其中，所述开关单元(19)包括串联连接在所述导体(121、122)的电流路径中的至少一个可控的功率半导体，其中，

-从所述开关单元(19)出发，所述导体(121、122)被划分为第一和第二区段(141、142、144、145)，

-在第一和第二区段(141、142、144、145)的连接点与所述直流网络(10)的第二极之间连接有第一过电压保护设备(181、183)，

-在第二区段(142、145)的远离所述开关单元(19)的一端与所述第二极之间连接有第二过电压保护设备(182、184)，

-所述过电压保护设备(181…184)分别具有电容器(30)。

2.根据权利要求1所述的直流网络(10)，所述直流网络具有至少一个负载(16)、多个另外的开关单元和多个另外的电导体，所述另外的电导体连接开关单元和负载(16)，并且被划分为区段，其中，对于所述另外的导体的相应的两个连接的区段的连接部位，在连接部位与所述第二极之间连接有过电压保护设备。

3.根据权利要求2所述的直流网络(10)，其中，所述开关单元(19)和所述另外的开关单元相同地构建。

4.根据前述权利要求中任一项所述的直流网络(10)，其中，选择区段(141…146)的长度或者电感，使得在通过所述开关单元(19)断开时形成的过电压保持低于所述可控的功率半导体的击穿电压。

5.根据前述权利要求中任一项所述的直流网络(10)，其中，所述开关单元(19)包括开关单元电容器，所述开关单元电容器连接在所述直流网络的第一极与第二极之间，并且具有至少10μF、特别是至少50μF、特别是至少100μF的电容。

6.根据前述权利要求中任一项所述的直流网络(10)，其中，过电压保护设备(181…184)的电容器(30)分别具有至少10μF、特别是至少50μF、特别是至少100μF的电容。

7.根据前述权利要求中任一项所述的直流网络(10)，其中，过电压保护设备(181…184)分别具有与电容器(30)串联连接的用于进行振荡衰减的电阻(31)，特别是具有小于10欧姆的电阻。

8.根据前述权利要求中任一项所述的直流网络(10)，其中，过电压保护设备(181…184)分别包括与电容器(30)串联连接的二极管(32)，其中，连接所述二极管(32)，用于阻断从电容器(30)到第一极的电流流动。

9.根据前述权利要求中任一项所述的直流网络(10)，其中，过电压保护设备(181…184)包括与电容器(30)串联连接的火花隙(33)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的直流网络(10)，其中，过电压保护设备(181…184)具有与电容器(30)串联连接的可控的功率半导体、特别是晶闸管(34)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的直流网络(10)，其中，过电压保护设备(181…184)以与电容器(30)并联的方式包括过电压元件、特别是变阻器(36)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的直流网络(10)，其中，过电压保护设备(181…184)以与电容器(30)并联的方式包括放电电阻(35)。