CN209447712U - 交流断路器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种交流断路器(1)。其特征在于双极开关模块(21‑29)的串联电路(11‑13)，所述串联电路可以串联接入交流电压线路(3)的相线(31‑33)，其中每个开关模块具有能量存储器以及可控的、可接通和断开的功率半导体，并且可以被控制为，使得在其极处可以产生对应于正或负的能量存储器电压的或者对应于值为零的电压的开关模块电压(Us1‑Us9)，以及用于控制开关模块的控制装置(4)，其被设计为，开关模块依据相电流的极性变换进行控制，使得开关模块电压变换其极性，其中可以产生与相电压相反的开关模块电压。

Description

交流断路器
技术领域
本实用新型涉及一种交流断路器。
背景技术
交流断路器被应用在高压设备和高压线路中，以用于切换运行电流或者短路电流。这种交流断路器通常包括具有机械驱动的气体绝缘或者真空绝缘的接触装置。在断开这种接触装置时形成电弧，从而已知的交流断路器大多具有灭弧装置。此外，对于已知的交流断路器，切换过程通常始终在电流过零点执行。这可能会导致不利的、例如确定故障和断开电流之间的延迟时间。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，提供一种交流断路器，其能够快速且可靠地切换交流电流。
该技术问题通过交流断路器来解决，其包括双极开关模块的串联电路，该串联电路可以串联接入交流电压线路的相线，其中，每个开关模块具有能量存储器以及可控的、可接通和断开的功率开关，并且可以被控制为，使得在其极处可以产生对应于正或负的能量存储器电压的或者对应于值为零的电压的开关模块电压，以及用于控制开关模块的控制装置，其被设计为，开关模块依据相电流的极性变换进行控制，使得开关模块电压变换其极性，其中可以产生与相电压相反的开关模块电压。
利用根据本实用新型的交流断路器提供一种纯电力电子的交流开关。根据本实用新型的交流断路器可以在任意时候切换相线中的电流，而与电流的瞬时值无关。不需要等待电流过零点。此外，在借助根据本实用新型的交流断路器进行切换时不会形成电弧。串联连接的开关模块能够非常快速地、在几微秒内断开。此外，借助根据本实用新型的交流断路器可以进行无振动地切换。
控制装置可以彼此独立地控制功率半导体。为了控制相电流的切换，控制装置依据相电流的极性变换来控制开关模块或者开关模块的功率半导体。在此，每个开关模块的开关模块电压的极性变换。由于开关模块按照串联电路彼此连接，所以存在串联电路的总电压，其对应所有开关模块的开关模块电压的总和。所有开关模块在相电流的极性变换时可以被控制为，使得开关模块电压与相电压相反。因此可以借助根据本实用新型的交流断路器产生与待切换的相电压相反取向的或相反极性的反向电压，其与开关模块的串联电路的总电压相等。在时间上随后的相电流的极性变换中，控制装置可以再次改变开关模块，使得再次建立反向电压。然而，在本实用新型的范围中并不需要控制装置恰好在相电流的极性变换的时间点来控制开关模块，使得开关模块电压的极性改变。而是，几个或者所有开关模块同样可以相对于电流过零点时间错开地改变其开关模块电压的极性。用于变换开关模块电压的极性的开关模块的控制例如可以遵循交流电压线路中的交流频率。
如果交流电压线路被设计为多相的，则交流断路器合适地包括开关模块的多个串联电路，其数量对应于交流电压线路的相线的数量。每一个串联电路分别与一个相线相关联并且可以接入其中。
除了之前描述的优点，根据本实用新型的交流断路器可以用作交流电压线路中的滤波单元。在此，控制单元被设计为，对开关模块进行控制，使得借助根据本实用新型的交流断路器可以影响电压或电流的基波振荡和谐波振荡。因此，相线中出现的不稳定可以被快速衰减。此外，可以从交流电压网中的特定的谐波振荡或者瞬变过程中提取能量，并且以另外的、非临界的频率又馈送到交流电压网中。合适地，作为滤波单元使用的交流断路器与电感共同作用，该电感例如被设计为扼流圈并且与开关模块的串联电路串联地布置。
合适的故障识别装置可以识别交流电压线路中的故障或者瞬变过程，并且向控制装置传输相应的信号。基于这种信号，控制装置可以控制开关模块，以断开相线中的电流。
串联电路的开关模块的数量原则上是任意的。其合适地匹配于相应的应用。特别地，开关模块的数量与相线中的额定电压和额定电流相关。
借助根据本实用新型的交流断路器，可以在相线中产生预定频率和相位的纵向电压。在此，来自于交流电压网的能量可以中间存储在开关模块的能量存储器中。因此，该装置可以向交流电压网馈送无功功率，其中，合适地借助与相电感的共同作用，短时的有功功率馈送同样是可能的。
可以与开关模块的串联电路串联地布置隔离开关。隔离开关被设计为，用于在借助开关模块的串联电路将电流断开之后中断相线。
根据本实用新型的一种实施方式，至少一些开关模块被实现为全桥电路。全桥电路例如在WO2013/087110A1中描述。全桥电路具有两个并行布置的功率半导体开关的串联电路。能量存储器与串联电路并联连接。设计为全桥电路的开关模块的第一接头或者第一连接端子或者第一极被布置在第一串联电路的两个功率半导体开关之间。开关模块的第二接头被布置在第二串联电路的两个功率半导体开关之间。第一和第二串联电路的两个功率半导体开关具有相同的导通方向。续流二极管与每个功率半导体开关反并联连接。通过以本领域技术人员已知的方式合适地接通和断开功率半导体开关，对于充电的能量存储器(在该能量存储器上降落能量存储器电压)，在开关模块的连接端子处产生对应于正或负的能量存储器电压的或者对应于零电压的开关模块电压。全桥电路的应用特别是具有如下优点，即，用于控制开关模块的方法在这种情况下是为人熟知且可掌握的。
但是，在开关模块中应用其它电路也是可以的。例如，将开关模块设计为两个相反取向的半桥电路也是可以的。半桥电路例如从DE 10103031B4已知。
优选地，能量存储器电压的总和大于相线的额定电压Un与2的平方根的乘积。因此可以有利地实现，相线中的峰值电压可以被可靠地断开。最大可产生的反向电压在此高于最大可产生的反向电压大于最大运行电压被视为是特别有利的。这允许考虑运行电压的容差范围，其通常由各个电网运营商预先给定。相应地，最大可产生的反向电压高于其中p是容差系数，具有例如在1至1.3之间的值。
根据本实用新型的一种实施方式，设置用于监视能量存储器电压的监视装置，其可以使能量存储器电压对称。能量存储器电压的对称用于避免能量存储器上的过电压。其导致所有能量存储器相同程度地充电和放电。
根据本实用新型的一种实施方式，在相电流的极性变换时同时控制开关模块，使得开关模块电压变换其极性。借此，特别大的电流可以被特别快速地断开。
根据本实用新型的另外的实施方式，在相电流的极性变换时时间错开地控制开关模块，使得开关模块电压时间错开地变换其极性。借此可以逐级地增大反向电压。以这种方式可以限制或者较慢地断开待断开的电流。由此可以限制相线中的过电压并且可以避免不利的切换瞬变。
附图说明
随后参考图1和图2中所示的实施例进一步解释本实用新型。
图1以示意图示出了根据本实用新型的交流断路器的实施例；
图2示出了针对根据图1的实施例的交流断路器的开关模块。
具体实施方式
在图1中详细地示出了交流断路器1的实施例。交流断路器1包括双极开关模块21、22和23的第一串联电路11。第一串联电路11串联接入三相交流电压线路3的第一相线31中。
此外，交流断路器1包括开关模块24至26的第二串联电路12，其被布置在交流电压线路3的第二相线32中，以及开关模块27至29的第三串联电路13，其被布置在第三相线33中。
在图1中示出的实施例中，所有三个串联电路11、12和13被相同地构建。所有开关模块21-29具有相同的结构。其被实现为全桥电路。
在每个开关模块21-29的连接端子上降落开关模块电压Us1-Us9。开关模块电压Us1-Us9通常在给定的时间点具有带有不同极性的不同的值。
开关模块电压Us1-Us3的总和为第一串联电路11的总电压Ug1： Ug1＝Us1+Us2+Us3。
相应地，适用于第二串联电路的总电压Ug2和第三串联电路的总电压Ug3，即，Ug2＝Us4+Us5+Us6并且Ug3＝Us7+Us8+Us9。
因此，借助开关模块电压可以产生相对于位于各个相线11-13中的相电压的反向电压，以便断开相线中的电流。根据图1中示出的实施例，在每个串联电路中设置三个开关模块。开关模块的数量通常是任意的并且匹配于相应的应用。利用合适数量的开关模块(其使用市场上常见的功率开关)例如可以断开直至5kV的电压。
交流断路器1此外还包括控制装置4。控制装置4在输出侧与每个开关模块 21-29的每个功率半导体开关连接。控制装置4可以彼此独立地接通和断开每个功率半导体开关。借此，控制装置4可以控制开关模块21-29，使得在任意时间点，在每个相线31-33中产生预定的开关模块电压Us1-Us9并且因此产生预定的总电压Ug1-Ug3。
图2示出了图1的交流断路器1的开关模块21。其余的开关模块22-29与开关模块21相同地构建。开关模块21包括四个功率半导体开关单元41-44以及以功率电容器40形式的能量存储器。每个功率半导体开关单元41-44分别具有以IGBT 51-54形式的功率半导体以及与其反并联的二极管61-64。
开关模块21被设计为全桥电路。通过相应地控制单个功率半导体51-54可以向功率电容器40输送能量或者从其获取能量。在开关模块21的接头或者极 71和72处，可以通过以本领域技术人员已知的方式合适地接通和/或断开功率半导体51-54，将在能量存储器上降落的电压(也称为能量存储器电压Ue)设置为相反取向的电压-Ue或者电压零。此外，关于转换器3和全桥电路的结构和工作方式的另外的细节参见文献WO 2015/003737 A1。
在接头71、72处降落的电压的极性变换可以通过以变换的方式接通和断开功率半导体对51、54或52、53来实现。此外，通过合适地接通和断开功率半导体51-54，功率电容器40可以以本领域技术人员已知的方式在电压降落之前或者在电压降落时再充电。
在交流断路器1的正常运行中，功率电容器40通常被桥接。这例如根据运行电流的电流方向，通过接通功率半导体51或者功率半导体52来实现。

Claims (4)

1.一种交流断路器(1)，其包括
-双极开关模块(21-29)的串联电路(11-13)，所述串联电路能够串联接入交流电压线路(3)的相线(31-33)，其中，每个开关模块(21-29)具有能量存储器(40)以及可控的、可接通和断开的功率半导体(51-54)，并且能够被控制为，使得在其极(71，72)处能够产生对应于正或负的能量存储器电压(Ue)的或者对应于值为零的电压的开关模块电压(Us1-Us9)，
-控制装置(4)，用于控制开关模块(21-29)，所述控制装置被设计为，开关模块(21-29)依据相电流的极性变换进行控制，使得开关模块电压(Us1-Us9)变换其极性，其中能够产生与相电压相反的开关模块电压(Us1-Us9)。
2.根据权利要求1所述的交流断路器(1)，其特征在于，至少一些开关模块(21-29)被实现为全桥电路。
3.根据权利要求1所述的交流断路器(1)，其特征在于，能量存储器电压(Ue)的总和大于相线的额定电压与2的平方根的乘积。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的交流断路器(1)，其特征在于，设置用于监视能量存储器电压的监视装置，从而能够实现能量存储器电压的对称。
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