DE60303773T2

DE60303773T2 - Hybrid-Leistungsschalter

Info

Publication number: DE60303773T2
Application number: DE60303773T
Authority: DE
Inventors: Pierre Sellier; Ronan Besrest; Claudio Zimmermann
Original assignee: Societe Technique pour lEnergie Atomique Technicatome SA; TechnicAtome SA
Current assignee: Societe Technique pour lEnergie Atomique Technicatome SA; TechnicAtome SA
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2023-12-06
Also published as: CN1617281A; CN100339925C; ES2259409T3; EP1538645B1; RU2338287C2; DE60303773D1; ATE319177T1; US20050146814A1; RU2004135408A; US7508636B2; EP1538645A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Leistungsschutzschaltern insbesondere für Wechsel- bzw. Gleichstromnetze und elektrische Einrichtungen bzw. Ausstattungen im allgemeinen. Diese Leistungsschutzschalter, die in einen zu schützenden Stromkreis eingefügt werden, enthalten ein Unterbrecherelement, das den in dem zu schützenden Stromkreis fließenden Strom bei anormalen Betriebsbedingungen unterbricht, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, der in dem zu schützenden Stromkreis auftritt.
Stand der Technik
Gewöhnlich sind Leistungsschutzschalter mechanisch, d. h. das Unterbrechen des Stroms wird nur mit Öffnen eines mechanischen Unterbrecherelements erhalten. Ein solches mechanisches Unterbrecherelement enthält zwei leitende Kontaktteile, die in mechanischem Kontakt stehen, wenn das Unterbrecherelement geschlossen ist (bei Normalbetrieb), und die mechanisch getrennt sind, wenn das Unterbrecherelement geöffnet ist (anormaler Betrieb im Falle einer Überlast). Im allgemeinen besteht ein beweglicher Kontakt und zumindest ein fester Kontakt in diesen leitenden Kontaktteilen. Diese mechanischen Leistungsschutzschalter sind mit mehreren Nachteilen behaftet, insbesondere wenn sie von hohen Strömen durchflossen werden.
Die mechanische Unterbrechung äußert sich in der Erzeugung eines Lichtbogens aufgrund der hohen Kräfte, die im Stromkreis anstehen, in welchem der Leistungsschutzschalter montiert ist und den er schützt.
Dieser Lichtbogen beeinträchtigt einerseits die leitenden Kontaktteile durch Abnutzung und andererseits den das Unterbrecherelement umgebenden Bereich aufgrund von Ionisation. Durch diese Ionisation braucht der Stromkreis zum Abschalten somit eine gewisse Zeit. Dieser die leitenden Kontaktteile beeinträchtigende Lichtbogen macht aufwendige und kostspielige Wartungsvorgänge erforderlich.
Um die Beeinträchtigungen durch den unvermeidbaren Lichtbogen zu vermindern und die Wartung zu erleichtern, werden die leitenden Kontaktteile in eine Unterbrechungskammer eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen Raum, der mit einem spezifischen Medium gefüllt ist, das Luft, ein Vakuum, ein besonderes Gas, beispielsweise Schwefelhexafluorid SF₆ sein kann, was jedoch in der Zukunft aus umwelttechnischen Gründen wahrscheinlich verboten werden wird. Dieses spezifische Medium kann dem Überdruck standhalten, der durch Bildung des Lichtbogens erzeugt wird, und ist dazu bestimmt, dessen Erlischen zu begünstigen.
Derartige Leistungsschutzschalter mit mechanischem Unterbrecherelement haben eine lange Unterbrechungsdauer. Die Zeit zum Öffnen des mechanischen Unterbrecherelements liegt in der Größenordnung einer Millisekunde bzw. mehrerer Millisekunden.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sie voluminös sind, wobei die Abmessungen der Unterbrechungskammer umso größer sind, je höher die Spannung ist.
Kürzlich erzielte Fortschritte in der Leistungselektronik haben es ermöglicht, das Ersetzen der elektromechanischen Unterbrechung durch eine elektronische Unterbrechung über Leistungshalbleiterkomponenten vorzusehen. Es werden sogenannte statische Leistungsschutzschalter untersucht.
Erste Einrichtungen, bei welchen Leistungsthyristoren Anwendung finden, wurden in Niederspannung (<1kV) entwickelt.
Daraufhin wurden Prototypen auf Basis von IGBT (angelsächsische Abkürzung für Insulated Gate Bipolar Transistor, d. h. bipolarer Transistor mit isoliertem Gate) und noch später auf Basis von IGCT (angelsächsische Abkürzung für integrated gate-commutated thyristor, d. h. Thyristor mit integriertem Schalt-Gate) bei Wechselspannungen von mehreren Kilovolt erprobt.
Diese vollständig statischen Leistungsschutzschalter sind zwar aufgrund einer erhöhten Abschaltgeschwindigkeit (unter einer Millisekunde) interessant, jedoch sind sie mit für Halbleiterbauteile spezifische Nachteile behaftet. Der maximale Strom, dem diese standhalten und die maximale Spannung, für die sie geeignet sind, sind begrenzt. Der Leistungsschutzschalter kann nicht verzögert werden, da das leitende Halbleiterbauteil nicht dem maximalen Fehlerstrom standhalten kann, wodurch unabdingbar der Strom abgeschaltet werden muss, bevor dieser zerstörende Wert erreicht wird. Dieses Abschalten erfolgt bei Wechselstrom in weniger als einer Halbperiode.
Die Leistungsschutzschalter sind im durchgängigen Zustand mit Stromwärmeverlusten behaftet und es muss eine Kühlvorrichtung vorgesehen werden. Auch muss eine zum Zeitpunkt des Abschaltens vorhandene Energieableiteinrichtung eingefügt werden.
Die Verwendung von "rein statischen" Leistungsschutzschaltern allein auf Basis von Halbleiterbauteilen für Spannungen von mehreren Kilovolt und für Ströme über einem Kiloampere bleibt somit weiterhin problematisch.
Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, sind derzeit Hybrid-Leistungsschutzschalter (mechanisch und elektronisch) in Entwicklung, die zugleich Halbleiter und ein mechanisches Unterbrecherelement verwenden. Ein derartiger Leistungsschutzschalter ist beispielsweise in der Patentschrift WO00/54292 beschrieben.
Ein ähnlicher Leistungsschutzschalter 10 wie in dieser Patentanmeldung beschrieben, jedoch vereinfacht, ist in 1 dargestellt. Dieser Leistungsschutzschalter 10 ist dazu bestimmt, einen mit einer Stromleitung L angedeuteten Stromkreis zu schützen. Der Leistungsschutzschalter 10 ist in Reihe mit dem zu schützenden Kreis L geschaltet. Der Leistungsschutzschalter 10 enthält einen Hauptzweig 1, in welchem sich ein mechanisches Unterbrecherelement 2 befindet, und einen Nebenzweig 3, der mit dem Hauptzweig 1 parallel geschaltet ist. Der Nebenzweig 3 enthält eine Halbleiterschaltzelle 4. Diese Schaltzelle 4 enthält eine Graetz-Brücke 40 mit vier Dioden D und, mit den Anschlussklemmen einer Diagonalen der Graetz-Brücke 40 verbunden, zumindest ein Halbleiterschaltelement 41, das mit einem Varistor 42 parallel geschaltet ist. Dieses Schaltelement kann ein Thyristor sein. Dieses Element kann aufsteuerbar sein, beispielsweise ein Thyristor vom Typ IGCT.
Der Ausdruck "aufsteuerbar" bedeutet, dass das Halbleiterschaltelement öffnet, sobald diesem ein geeigneter Steuerbefehl erteilt wird.
Ein einfacher Thyristor ist nicht "aufsteuerbar". Nach einem Steuerbefehl öffnet er nur bei einem Nulldurchgang.
Das Halbleiterschaltelement 41 befindet sich somit entweder in einem durchgängigen Zustand (geschlossen) oder in einem nicht durchgängigen Zustand (geöffnet), wodurch die Halbleiterschaltzelle durchgängig (geöffnet) oder nicht durchgängig (geschlossen) wird.
Die Verbindung der Halbleiterschaltzelle 4 mit dem Hauptzweig 1 erfolgt im Bereich der Enden der anderen Diagonalen der Graetz-Brücke 40.
Im Normalbetrieb ist das mechanische Unterbrecherelement 2 geschlossen. Seine beiden leitenden Kontaktteile stehen in mechanischem Kontakt. Das Halbleiterschaltelement 41 befindet sich in einem nicht durchgängigen Zustand. Der zu schützende Kreis L kann über den Hauptzweig 1 des Leistungsschutzschalters, d. h. über das mechanische Unterbrecherelement 2 von einem elektrischen Strom durchflossen werden, und zwar praktisch ohne Stromwärmeverluste. Bei Auftreten einer Überlast in dem zu schützenden Kreis L und somit in dem Hauptzweig 1 des Leistungsschutzschalters steuern Mittel (nicht dargestellt) das Öffnen des mechanischen Unterbrecherelements 2 und zugleich das Überführen des Halbleiterschaltelements 41 in den durchgängigen Zustand. Ein geringer Lichtbogen erscheint im Bereich der leitenden Kontaktteile des mechanischen Unterbrecherelements 2 bei deren Trennung. Die diesem Lichtbogen entsprechende Spannung ermöglicht es dem in dem zu schützenden Kreis L fließenden Strom, schnell in den Nebenzweig 3 umzuschalten, in welchem die Halbleiterschaltzelle 4 durchgängig ist.
Sobald der Abstand zwischen den leitenden Kontaktteilen des mechanischen Unterbrecherelements 2 ausreicht, damit der Lichtbogen erlischt, wird das Halbleiterschaltelement 41 der Schaltzelle 4 in den nicht durchgängigen Zustand gebracht, wodurch die Endabschaltung des Stroms in dem zu schützenden Kreis L möglich ist.
Es ist vorgesehen, dass die Öffnungsgeschwindigkeit des mechanischen Unterbrecherelements 2 möglichst hoch ist, so dass der zwischen den leitenden Kontaktteilen des mechanischen Unterbrecherelements 2 erzeugte Lichtbogen eine möglichst geringe Energie hat und somit in seiner Art nicht mehr die genannten Teile beeinträchtigen kann. Dieser Lichtbogen spielt dennoch eine große Rolle, da die geringe Spannung des Lichtbogens (etwa zehn Volt) das Halbleiterschaltelement 41 über seine Schwellspannung polarisiert, wodurch es somit in den durchgängigen Zustand gebracht wird, und den Strom in den Nebenzweig ableitet. Das Steuersignal ist gewöhnlich ein Impuls, der an das Gate des Thyristors 41 zum Zeitpunkt des Öffnens des mechanischen Unterbrecherelements 2 angelegt wird.
Dieser Hybrid-Leistungsschutzschalter 10 löst damit bestimmte der technischen Schwierigkeiten rein statischer Leistungsschutzschalter, jedoch hängt seine Leistung hauptsächlich von der Öffnungsgeschwindigkeit des mechanischen Unterbrecherelements 2 ab. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Steigerung der Öffnungsgeschwindigkeit des mechanischen Unterbrecherelements eine physische Grenze aufweist, wenn Strom und Spannung an einer hybriden Topologie erhöht werden. Damit nämlich das mechanische Unterbrecherelement hohen Strömen standhalten kann, muss die Oberfläche des Kontaktbereichs zwischen den leitenden Kontaktteilen erhöht werden, wodurch die Masse des beweglichen leitenden Teils erhöht und die Öffnungsgeschwindigkeit vermindert wird. Es besteht die Gefahr, dass letztere nicht mehr ausreicht, um den Strom schnell in den abgeleiteten Zweig zu schalten und einen Lichtbogen geringer Energie zu erzeugen. Eine hohe Stromlast in dem Hauptzweig führt damit zu dem Problem des mechanischen Schalters, der eine Beeinträchtigung des mechanischen Kontakts des mechanischen Unterbrecherelements 2 bewirkt.
Derzeit bringen Leistungsschutzschalter, ob statisch oder hybrid, keine zufrieden stellende Lösung, insbesondere bei Hochspannungsanwendungen mit hoher Leistung.
In der EP-A-1 014 403 ist ein Leistungsschutzschalter beschrieben, der dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht.
Erläuterung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt gerade darauf ab, einen Hybrid-Leistungsschutzschalter vorzuschlagen, der nicht die oben erwähnten Nachteile aufweist.
Insbesondere liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Hybrid-Leistungsschutzschalter vorzuschlagen, der ein mechanisches Unterbrecherelement und ein Halbleiterschaltelement enthält, das dazu geeignet ist, einen Gleich- bzw. Wechselstrom zu führen und in welchem beim Öffnen des mechanisches Unterbrecherelements selbst im Falle eines hohen Stroms kein Lichtbogen auftritt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Hybrid-Leistungschutzschalter vorzuschlagen, der wartungsfreundlicher ist.
Um diese Aufgaben zu lösen, betrifft die Erfindung insbesondere einen Leistungschutzschalter, mit einem Hauptzweig, der ein mechanisches Unterbrecherelement enthält, und einem Nebenzweig, der eine Halbleiterschaltzelle enthält, wobei dieser Nebenzweig mit dem Hauptzweig parallel geschaltet ist. Der Hauptzweig enthält in Reihe mit dem mechanischen Unterbrecherelement ein in Reihe geschaltetes Umschalthilfsmodul, das eine mit einer Impedanz parallel geschaltete aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle aufweist. Der Nebenzweig enthält ein parallel geschaltetes Umschalthilfsmodul mit einer Impedanz, wobei diese Impedanz zumindest ein Kondensatorelement umfasst.
Die Impedanz des in Reihe geschalteten Umschalthilfsmoduls ist vorzugsweise ein Varistor.
Die aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle kann zumindest eine in Reihe geschaltete Einheit mit einer Diode und einem Thyristor vom Typ IGCT enthalten.
Wenn der Leistungsschutzschalter bidirektional ist, kann die aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle zwei in Reihe geschaltete Einheiten enthalten, die antiparallel geschaltet sind.
Die Halbleiterschaltzelle des Nebenzweigs kann zumindest einen Thyristor enthalten.
Wenn der Leistungsschutzschalter bidirektional ist, kann die Halbleiterschaltzelle des Nebenzweigs zwei Thyristoren enthalten, die antiparallel geschaltet sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die Halbleiterschaltzelle des Nebenzweigs einen Thyristor und eine Graetz-Brücke mit zwei Diagonalen, wobei der Thyristor eine Diagonale der Graetz-Brücke bildet und wobei der Hauptzweig die andere Diagonale der Graetz-Brücke bildet.
Bei dieser Ausführungsform kann die Impedanz des parallel geschalteten Umschalthilfsmoduls einen Kondensator in Reihe mit dem Thyristor enthalten.
Eine in Reihe geschaltete Induktivität kann in Reihe mit dem Kondensator geschaltet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Impedanz des parallel geschalteten Umschalthilfsmoduls eine Einheit enthalten, die aus einem Kondensator und einem ersten Widerstand gebildet sein, die parallel geschaltet sind, wobei diese Einheit in Reihe mit einem zweiten Widerstand und mit der Halbleiterschaltzelle des Nebenzweigs geschaltet ist.
Eine in Reihe geschaltete Induktivität kann in Reihe mit der Einheit und dem zweiten Widerstand geschaltet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann das parallel geschaltete Umschalthilfsmodul eine Graetz-Brücke mit zwei Diagonalen enthalten, wobei eine parallel geschaltete Einheit mit dem Kondensator und einem Widerstand an die Anschlussklemmen einer ersten Diagonalen der Graetz-Brücke angeschlossen ist, wobei eine Nebeninduktivität an die Anschlussklemmen der zweiten Diagonale angeschlossen ist und eine der Anschlussklemmen der zweiten Diagonale mit der Halbleiterschaltzelle des Nebenzweigs verbunden ist.
Eine in Reihe geschaltete Induktivität kann zwischen der Graetz-Brücke und der Halbleiterschaltzelle des Nebenzweigs geschaltet sein.
Zwecks Schnelligkeit kann das mechanische Unterbrecherelement einen elektromagnetisch angetriebenen beweglichen Kontakt vom Typ Thomson enthalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Auslösen eines so gekennzeichneten Leistungsschutzschalters. Es besteht darin, bei einer vorhandenen Überlast im Hauptzweig

– die aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle des in Reihe geschalteten Umschalthilfsmoduls von einem durchgängigen Zustand in einen nicht durchgängigen Zustand umzuschalten,
– die Halbleiterschaltzelle des Nebenzweigs von einem nicht durchgängigen Zustand in einen durchgängigen Zustand umzuschalten,
– das ursprünglich geschlossene mechanische Unterbrecherelement dann zu öffnen,
– und schließlich bei Auftreten eines Nulldurchgangs die Halbleiterschaltzelle des Nebenzweigs von dem durchgängigen Zustand in den nicht durchgängigen Zustand umzuschalten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird beim Lesen der Beschreibung gegebener Ausführungsbeispiele besser verständlich, die sich nur beispielhaft und keineswegs einschränkend verstehen, und zwar anhand der beigefügten Zeichnungen, worin zeigt:
1, die bereits beschrieben wurde, ein Schaltbild eines Hybrid-Leistungsschutzschalters aus dem Stand der Technik,
2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Leistungsschutzschalters,
3A, 3B im einzelnen zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Leistungsschutzschalters,
4 im einzelnen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschutzschalters,
5A ein Beispiel eines mechanischen Unterbrecherelements des Leistungsschutzschalters und 5B dessen Ersatzkreis, und
6A und 6B die in dem erfindungsgemäßen Leistungsschutzschalter, im mechanischen Unterbrecherelement und in der Halbleiterschaltzelle des Nebenzweigs fließenden Ströme sowie die Spannung an den Anschlussklemmen des mechanischen Unterbrecherelements bei einer vorhandenen Überlast in dem Hauptzweig.
Identische, ähnliche oder gleichwertige Teile sind in den verschiedenen nachfolgend beschriebenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um das Verständnis von einer Figur zur nächsten zu erleichtern.
Die verschiedenen in den Figuren dargestellten Teile haben nicht unbedingt den gleichen Maßstab, um die Figuren übersichtlicher zu gestalten.
Detaillierte Erläuterung besonderer Ausführungsformen
Nachfolgend sei auf 2 Bezug genommen, die schematisch einen erfindungsgemäßen Leistungsschutzschalter zeigt. Gemäß dem Stand der Technik enthält dieser Schalter einen Hauptzweig 1 mit einem mechanischen Unterbrecherelement 2 und einen Nebenzweig 3, der parallel zum Hauptzweig 1 geschaltet ist und eine Halbleiterschaltzelle 4 enthält. Diese Halbleiterschaltzelle befindet sich entweder in einem durchgängigen Zustand oder in einem nicht durchgängigen Zustand. In Bezug auf das Schaltbild aus 1 enthält der erfindungsgemäße Leistungsschutzschalter in dem Hauptzweig 1 ein in Reihe geschaltetes Umschalthilfsmodul M2, das aus einer weiteren mit einer Impedanz Z1 parallel geschalteten aufsteuerbaren Halbleiterschaltzelle 5 gebildet ist. Der Ausdruck "in Reihe geschaltetes Modul" wird verwendet, um anzugeben, dass dieses Modul sich in dem Hauptzweig 1 befindet. Diese aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle 5 befindet sich entweder in einem durchgängigen Zustand oder in einem nicht durchgängigen Zustand. Das in Reihe geschaltete Umschalthilfsmodul M2 ist in Reihe mit dem mechanischen Unterbrecherelement 2 geschaltet. Ferner enthält der Nebenzweig 3 neben der Halbleiterschaltzelle 4 ein parallel geschaltetes Umschalthilfsmodul M4, das aus einer Impedanz Z2 mit zumindest einem Kondensatorelement C gebildet ist. Der Ausdruck "parallel geschaltetes Modul" wird verwendet, um anzugeben, dass das Modul sich im parallel geschalteten Nebenzweig 3 befindet.
Der in diesem Zusammenhang verwendete Ausdruck "Impedanz" bezeichnet ein Schaltungsteil, das ein Hindernis für den Durchfluss eines beliebigen Stroms (Gleich- oder Wechselstrom) darstellt, wobei ein solches Schaltungsteil ausgehend von Komponenten vom Typ Induktanzrolle und/oder Kondensator und/oder Widerstand ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist ein solcher Leistungsschutzschalter bidirektional, um mit Wechselstrom arbeiten zu können, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, er kann auch monodirektional sein.
Es sei auf 3A Bezug genommen, die näher eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschutzschalters zeigt. Dieser Leistungsschutzschalter ist bidirektional und eignet sich für eine Phase eines Wechselstromnetzes, aber auch für ein Gleichstromnetz. Die punktiert eingezeichneten Teile sind bei einem monodirektionalen Leistungsschutzschalter überflüssig.
Bei dem in Reihe geschalteten Umschalthilfsmodul M2 enthält die aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle 5 zumindest eine in Reihe geschaltete Einheit, die aus einer Diode D1 und einem aufsteuerbaren Halbleiterbauteil IG2 gebildet ist. Ein solches Bauteil kann ein Thyristor vom Typ IGCT sein, wobei ein gewöhnlicher Thyristor sich nicht eignen würde, da er nur bei einem Nulldurchgang öffnet. Es werden zwei in Reihe geschaltete Einheiten verwendet, wenn der Leistungsschutzschalter bidirektional sein soll, wobei in diesem Fall die beiden Einheiten antiparallel geschaltet sind. In 3 ist die Verbindung der zweiten Einheit IG'2, D'1 punktiert dargestellt, um aufzuzeigen, dass die zweite Einheit optional vorgesehen ist. Diese aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle 5 ist mit einer Impedanz Z1 parallel geschaltet, die vom Typ Varistor V1 ist. Dieser Varistor, der vom Typ MOV (metal oxide varistor, d. h. Metalloxid-Varistor) sein kann, ist so bemessen, dass die Energie, die bisher beim Auftreten des Lichtbogens abgegeben wurde, abgegeben wird. Die Einheit aus aufsteuerbarer Halbleiterschaltzelle 5 und Impedanz Z1 ist in Reihe mit dem mechanischen Unterbrecherelement 2 geschaltet. Der Varistor V1 kann einer Spannung standhalten, die nur einen Teil der Netzspannung darstellt, beispielsweise die Hälfte.
Das mechanische Unterbrecherelement 2 kann auf der Verwendung von elektromagnetischen Kräften zum Bewegen eines beweglichen Kontakts 2.1 beruhen, wobei damit das Auftreten eines Kraftsprungs erreicht werden soll. Ein Beispiel eines mechanischen Unterbrecherelements 2 ist in 5A dargestellt. Dieses mechanische Unterbrecherelement ist vom Typ Thomson ohne ferromagnetisches Material. Das bekannte Prinzip beruht auf dem Lenzschen Gesetz.
Der bewegliche Kontakt 2.1 ist fest mit einem beweglichen Teil 2.2 aus nichtmagnetischem leitenden Material verbunden. Dieses bewegliche Teil 2.2 wirkt mit einem eine vorzugsweise flache Spule 2.3 enthaltenden Treiberkreis und einem Speisekreis 2.4 zusammen. Mit der Wahl der Flachspule 2.3 kann ein senkrechtes Magnetfeld in der Nähe des beweglichen Teils 2.2 entstehen. Wenn die Spule 2.3 von einem starken Impulsstrom erregt wird, der über den Speisekreis 2.4 abgegeben wird, entsteht in dem beweglichen Teil 2.2 ein Gegenstrom in umgekehrter Richtung und aufgrund der Wechselwirkung zwischen diesen beiden Strömen tritt eine Abstoßkraft F zwischen der Flachspule 2.3 und dem beweglichen Teil 2.2 auf. Diese Abstoßkraft F bewirkt eine Verlagerung des beweglichen Teils 2.2, das sich ursprünglich in Ruhestellung befand. In dieser ursprünglichen Ruhestellung steht der bewegliche Kontakt 2.1 mit zumindest einem festen Kontakt 2.0 in elektrischem Kontakt (mit dem zu schützenden Kreis L verbunden) und das mechanische Unterbrecherelement 2 ist geschlossen. Die Abstoßkraft F, die auf das bewegliche Teil 2.2 ausgeübt wird, zielt darauf ab, den beweglichen Kontakt 2.1 vom festen Kontakt 2.0 zu trennen und somit das mechanische Unterbrecherelement 2 zu öffnen. Aufgrund seiner ringförmig ausgenommenen Form wird das bewegliche Teil 2.2 senkrecht verschoben. Auf diese Weise wird die bewegte Masse bezüglich eines Massivteils sowie die zum Antreiben erforderliche Energie vermindert und/oder die Verlagerungsgeschwindigkeit erhöht. Weitere Geometrien des beweglichen Teils sind möglich, beispielsweise eine Scheibe aus Vollmaterial. Wenn die Spule 2.3 nicht mehr erregt wird, nimmt das bewegliche Teil 2.2 wieder seine Ruhestellung ein und das Unterbrecherelement 2 wird erneut geschlossen.
Es ist möglich, das bewegliche Teil 2.2 und den beweglichen Kontakt 2.1 zu vertauschen. Bei dieser Gestalt wäre das bewegliche Teil beispielsweise aus versilbertem Aluminium, um auch die Funktion des elektrischen Kontakts zu gewährleisten.
Es sei auf 5B Bezug genommen, die einen Ersatzkreis der Treiberschaltung, die mit dem beweglichen Teil 2.2 zusammenwirkt, sowie des Speisekreises 2.4 zeigt. L1 stellt die Induktivität der Flachspule 2.3 dar, R10 ist ihr Widerstand. L2 stellt die Induktivität des beweglichen Teils 2.2 dar und R11 ist dessen Widerstand. M stellt die gegenseitige Induktivität zwischen Flachspule 2.3 und beweglichem Teil 2.2 dar.
Dieser Ersatzkreis ist mit dem Speisekreis 2.4 verbunden, der aus zumindest einem Kondensator C10 besteht, der dazu bestimmt ist, auf eine Spannung Uo vor einer Entladung geladen zu werden, sowie aus einer Diode D10, die mit dem Kondensator C10 parallel geschaltet ist, und aus einem Thyristor TH10, der zwischen der parallel geschalteten Einheit C10, D10 und dem Ersatzkreis eingefügt ist.
Es sei erneut auf 3A Bezug genommen. Die Halbleiterschaltzelle 4, die sich in dem Nebenzweig 3 befindet, ist aus zwei Thyristoren TH1, TH'1 gebildet, die antiparallel geschaltet sind. Der eine Thyristor TH'1 kann bei einer monodirektionalen Anordnung weggelassen werden.
Das parallel geschaltete Umschalthilfsmodul M1 ist mit der Halbleiterschaltzelle 4 des Nebenzweigs 3 in Reihe geschaltet. Es enthält einen Widerstand R2, der mit einer parallel geschalteten Einheit in Reihe geschaltet ist, die aus einem Widerstand R1 gebildet ist, der parallel mit einem Kondensator C1 geschaltet ist. Das parallel geschaltete Umschalthilfsmodul M4 kann auch in Reihe mit dem Widerstand R2 und der parallel geschalteten Einheit R1, C1 eine in Reihe geschaltete Induktivität LS1 enthalten. Diese Reihen-Induktivität LS1 dient dazu, die Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Zuschalten der Halbleiterschaltzelle 4 zu begrenzen, um selbst bei Gleichstrom ein korrektes Einschalten zu erreichen. Die Impedanz Z2 enthält den Kondensator C1, die Widerstände R1 und R2 und die in Reihe geschaltete Induktivität LS1.
3B zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschutzschalters, der von dem aus 3A abgeleitet ist.
In diesem Schaltbild ist die gleiche Ausbildung in dem Hauptzweig 1 und die gleiche Gestalt bei der Halbleiterschaltzelle 4 des Nebenzweigs 3 erkennbar. Der Unterschied liegt im Bereich des parallel geschalteten Umschalthilfsmoduls M4. Dieses parallel geschaltete Modul M4 enthält eine Graetz-Brücke Pb mit vier Dioden D21 bis D24. In einer ersten Diagonale der Graetz-Brücke ist eine parallel geschaltete Einheit mit einem Kondensator C11 und einem Widerstand R11 geschaltet. Eine Nebeninduktivität LA1 ist parallel zu den Anschlussklemmen der anderen Diagonalen der Graetz-Brücke Pb geschaltet.
Das eine Ende der zweiten Diagonale ist mit dem Hauptzweig 1 verbunden. Das andere Ende der zweiten Diagonale ist mit der Halbleiterschaltzelle 4 über die Reihen-Induktivität LS1 (falls vorhanden) verbunden.
Die Impedanz Z2 enthält den Kondensator C11, den Widerstand R11, die Nebeninduktivität LA1 und die Reihen-Induktivität LS1.
4 stellt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschutzschalters dar. Bezüglich 3A, 3B ist die gleiche Ausbildung im Hauptzweig 1 erkennbar, d. h. das mechanische Unterbrecherelement 2 in Reihe mit dem in Reihe geschalteten Umschalthilfsmodul M2.
In dem Nebenzweig 3 enthält die Halbleiterschaltzelle 4 eine Graetz-Brücke Pa mit vier Dioden D11 bis D14 sowie einen Thyristor THa, der in der Diagonalen der Graetz-Brücke Pa angeordnet ist. Diese Graetz-Brücke Pa ist an die Anschlussklemmen der in Reihe geschalteten Einheit angeschlossen, die aus dem in Reihe geschalteten Umschalthilfsmodul M2 und dem mechanischen Unterbrecherelement 2 gebildet ist. Dieser Anschluss erfolgt im Bereich der Enden der anderen Diagonale der Graetz-Brücke Pa. Das parallel geschaltete Umschalthilfsmodul M4 enthält einen Kondensator Ca, der in der Diagonalen in Reihe mit dem Thyristor THa geschaltet ist. Wie vorangehend erwähnt, kann eine Reihen-Induktivität LS1 zwischen Thyristor THa und Kondensator Ca eingefügt sein. Die Impedanz Z2 enthält den Kondensator Ca und die Reihen-Induktivität LS1.
Bei den soeben beschriebenen Ausführungsformen können die aufsteuerbaren Halbleiterbauteile des Hauptzweigs 1 Thyristoren vom Typ IGCT sein. Einfache Thyristoren eignen sich nicht, da das Öffnen gesteuert werden muss, ohne dabei einen Nulldurchgang abzuwarten.
Nachfolgend wird die Funktionsweise eines solchen Leistungsschutzschalters anhand von 2 erläutert. Im Normalzustand, d. h. wenn die Stromstärke des in dem zu schützenden Kreis L normal ist, ist das mechanische Unterbrecherelement 2 geschlossen und das in Reihe geschaltete Umschalthilfsmodul M2 ist durchgängig, d. h. die aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle 5 befindet sich in einem durchgängigen Zustand. Die Halbleiterschaltzelle 4 des Nebenzweigs 3 ist in einem nicht durchgängigen Zustand. Der gesamte Strom des zu schützenden Kreises L fließt durch den Hauptzweig 1 des Leistungsschutzschalters.
Bei vorhandener Überlast in dem zu schützenden Kreis L und damit in dem Hauptzweig 1 des erfindungsgemäßen Leistungsschutzschalters geht die aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle 5 des in Reihe geschalteten Umschalthilfsmoduls M2 in einen nicht durchgängigen Zustand über. Die Spannung an den Anschlussklemmen der Impedanz Z1 (Varistor V1) steigt bis auf ihren Schwellwert an. Die Spannung an den Anschlussklemmen des in Reihe geschalteten Umschalthilfsmoduls M2 steigt an, wobei die Impedanz Z1 sich dem Durchfluss von Strom im Hauptzweig 1 entgegensetzt.
Die Halbleiterschaltzelle 4 des Nebenzweigs 3 wird durchgängig. Der in dem zu schützenden Kreis L fließende Strom wird in den Nebenzweig 3 abgeleitet, wodurch Energie umgeleitet wird, die ansonsten in die aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle 5 des Hauptzweigs 1 abgeleitet werden würde, mit der Gefahr, diese zu zerstören.
Der Strom in dem mechanischen Unterbrecherelement 2 geht gegen null und die Spannung an seinen Anschlussklemmen beträgt null. Das mechanische Unterbrecherelement 2 wird somit geöffnet, ohne das Auftreten eines Lichtbogens hervorzurufen.
Nach dem Öffnen des mechanischen Unterbrecherelements 2 wird die Spannung an seinen Anschlussklemmen umgehend gleich der Spannung, die an den Anschlussklemmen der Impedanz Z2 vorhanden war, da mit Aufheben des Stroms in der Impedanz Z1 die Spannung an dessen Anschlussklemmen null wird. Die gesamte Spannung des Nebenzweigs 3 liegt am mechanischen Unterbrecherelement 2 an, das geöffnet ist.
Der in dem Nebenzweig 3 fließende Strom wird von der vorhandenen Impedanz Z2 begrenzt, die sich seinem Durchfluss entgegensetzt, und der Höchstwert dieses Stroms wird entscheidend vermindert. Das Kondensatorelement C wird geladen. Wenn eine ausreichende Spannung an den Anschlussklemmen der Impedanz Z2 ansteht, ist die Halbleiterschaltzelle 4 des Nebenzweigs 3 nicht mehr durchgängig. Der Übergang zum nicht durchgängigen Zustand erfolgt durch den Nulldurchgang des Stroms in der Halbleiterschaltzelle 4 des Nebenzweigs 3. Im bidirektionalen Modus sind mehrere Schwingungswechsel des Kreises LC zu erwarten, der aus dem parallel geschalteten Umschalthilfsmodul M4 und der Induktivität des zu schützenden Kreises L gebildet ist, bevor das Öffnen des Thyristors TH1 oder TH'1 gesteuert wird, was zu einer Verzögerung führt. Es besteht eine Strombegrenzerfunktion vor dem Abschalten.
Im Endzustand ist das mechanische Unterbrecherelement 2 geöffnet, die Halbleiterschaltzelle 4 des Nebenzweigs 3 ist im nicht durchgängigen Zustand, ebenso wie die aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle 5 des in Reihe geschalteten Umschalthilfsmoduls M2. Dann fließt kein Strom mehr in dem zu schützenden Kreis L und der Leistungsschutzschalter hat seine Schutzfunktion erfüllt.
Das Interesse der Variante aus 3B liegt darin, die Strombegrenzerfunktion teilweise über die Impedanz der Nebeninduktivität LA1 auszuführen. Nach dem Auslösen im Hauptzweig 1 und dem Ableiten des Stroms in den parallelen Zweig 3 tritt ein Teil des Stroms in die Nebeninduktivität LA1 über, und zwar vor dem Endabschalten über die Thyristoren TH1, TH'1 der Halbleiterschaltzelle 4. Dies ermöglicht es, die erforderlichen Abmessungen des im vorliegenden Fall verwendeten Kondensators C11 im wesentlichen auf seine Rolle als Ableitung des Stroms des Hauptzweigs 1 zum parallelen Zweig 3 zu vermindern.
Mit diesem Aufbau ist es ferner möglich, den Zündwinkel der Thyristoren TH1, TH'1 zu variieren. Während der Leitphase in der Nebeninduktivität LA1 ermöglicht nämlich eine verzögerte Steuerung des Zündwinkels der Thyristoren, den Fehlerstrom auf den gewünschten Wert zu begrenzen. Dadurch wird die Strombegrenzerfunktion des Leistungsschutzschalters vor dem Öffnen verbessert.
Nachfolgend werden anhand von 6A, 6B Kennlinien diskutiert, welche den Gesamtstrom A, der durch den Leistungsschutzschalter fließt, den durch das mechanische Unterbrecherelement 2 fließenden Strom B und den durch die Halbleiterschaltzelle 4 des Nebenzweigs 3 fließenden Strom D zum Zeitpunkt des Auslösens des Leistungsschutzschalters bei einer vorhandenen Überlast im Kreis L darstellen, den er schützt. Aufgrund dieser Überlast steigt der Strom B in dem mechanischen Unterbrecherelement 2 bis zum Zeitpunkt t0 an, der dem Zeitpunkt entspricht, an dem die aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle 5 des in Reihe geschalteten Umschalthilfsmoduls M2 in den nicht durchgängigen Zustand übergeht. Er nimmt dann einen Wert von etwa 2500 A an. Der Zeitraum zwischen t0 und dem Beginn des Anstiegs des Stroms B dauert etwa 100 Mikrosekunden.
Der Strom B in dem mechanischen Unterbrecherelement 2 geht auf null über. Dieser Übergang auf null nimmt eine gewisse Zeit in Anspruch, wenn in dem parallel geschalteten Umschalthilfsmodul M4 eine Reihen-Induktivität LS1 vorliegt. Zum Zeitpunkt t0 ist der durch die Halbleiterschaltzelle 4 des Nebenzweigs 3 fließende Strom D der von dem Kreis L kommende Strom, der von dem Hauptzweig 1 umgeleitet wurde. Dieser Strom D erreicht einen Höchstwert (etwa 5000 A) und fällt anschließend aufgrund des in der Impedanz Z2 vorhandenen Kondensatorelements C ab, der sich auflädt. Der Strom D wird schließlich zu einem Zeitpunkt t1 aufgehoben und die Halbleiterschaltzelle 4 des Nebenzweigs 3 geht gezwungenermaßen in den nicht durchgängigen Zustand über. Der Zeitraum zwischen t0 und t1 dauert etwa 450 Mikrosekunden.
6B, die eine nähere Ansicht der 6A um den Zeitpunkt t0 ist, zeigt ferner den Verlauf der Spannung E an den Anschlussklemmen des mechanischen Unterbrecherelements 2. Diese Spannung E ist zugleich mit dem Strom B nach t0 gleich null, wodurch es möglich ist, das mechanische Unterbrecherelement 2 zu öffnen, ohne dabei einen Lichtbogen zu erzeugen. Dieses Öffnen erfolgt zu einem Zeitpunkt t2. Der Zeitraum zwischen t0 und t2 dauert etwa 20 Mikrosekunden. Dann beginnt die Spannung E an den Anschlussklemmen des mechanischen Unterbrecherelements 2 anzusteigen und erreicht die Spannung, die an den Anschlussklemmen der Impedanz Z2 vorhanden war.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Leistungsschutzschalters sind beachtlich.
Ein derartiger Leistungsschutzschalter ist geeignet, sowohl mit Niederspannung A bzw. B als auch mit Hochspannung A bzw. B zu arbeiten. Diese Spannungen können Gleich- bzw. Wechselspannungen sein.
Ein derartiger Leistungsschutzschalter besitzt ein mechanisches Unterbrecherelement, das bei normaler Umgebung arbeiten kann. Dies bedeutet, dass er funktionsfähig ist, ohne in einer Unterbrechungskammer in geeigneter gasförmiger Umgebung oder unter Vakuum verschlossen zu sein.
Da kein Lichtbogen zum Zeitpunkt des Öffnens des mechanischen Unterbrecherelements entsteht, erfolgt keine Beeinträchtigung des mechanischen Kontakts und somit keine merkliche Abnutzung der leitenden Kontaktteile. Die Wartung ist vermindert, die Kosten sind gesenkt. Die Reproduzierbarkeit der Vorgänge zum Öffnen des mechanischen Unterbrecherelements ist gewährleistet.
Aufgrund der vorhandenen Halbleiterschaltzellen besitzt er eine hohe Abschaltgeschwindigkeit, ohne dabei ein schnelles mechanisches Unterbrecherelement zu erfordern. Somit muss keine neue Technologie für das mechanische Unterbrecherelement entwickelt werden.
Durch das vorhandene aufsteuerbare Halbleiterbauteil des Hauptzweigs sind die Stromwärmeverluste bei Leitung vermindert. Es kann eine passive Kühlvorrichtung Anwendung finden.
Ein derartiger Leistungsschutzschalter ist kompakt. Er hat einen wesentlich geringeren Platzbedarf als die Ausbildungen mit Unterbrechungskammer.
Eine Verzögerung ist im bidirektionalen Modus möglich, da der Hybrid-Leistungsschutzschalter bei Leitung für eine gewisse Zeit mit seinem Nebenzweig 3 funktioniert, indem er den Kreis LC (gebildet aus dem Kondensator C, der Reihen-Induktivität LS1 des parallel geschalteten Umschalthilfsmoduls M4 und der Induktivität des zu schützenden Kreises L) schwingen lässt, bevor er über die Halbleiterschaltzelle 4 abgeschaltet wird. Während dieser Zeit wird der Strom von den Impedanzen des Nebenzweigs 3 begrenzt.
Wenn das Abschalten zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs erfolgt, ist die im zu schützenden Kreis gespeicherte Energie gleich null und die Ableitung von Energie ist minimiert.

Claims

Leistungsschutzschalter mit einem Hauptzweig (1), der ein mechanisches Unterbrecherelement (2) enthält, und einem Nebenzweig (3), der eine Halbleiterschaltzelle (4) enthält, wobei dieser Nebenzweig (3) mit dem Hauptzweig (1) parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptzweig (1) in Reihe mit dem mechanischen Unterbrecherelement (2) ein in Reihe geschaltetes Umschalthilfsmodul (M2) enthält, das eine mit einer Impedanz (Z1) parallel geschaltete aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle (5) aufweist, und dass der Nebenzweig (3) ein parallel geschaltetes Umschalthilfsmodul (M4) mit einer Impedanz (Z2) enthält, wobei diese Impedanz (Z2) zumindest ein Kondensatorelement (C) umfasst.
Leistungsschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz (Z1) des in Reihe geschalteten Umschalthilfsmodul (M2) ein Varistor (V1) ist.
Leistungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aufsteuerbare (M2) Halbleiterschaltzelle (5) zumindest eine in Reihe geschaltete Einheit (D1, IG2) mit einer Diode und einem Thyristor vom Typ IGCT enthält.
Leistungsschutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei in Reihe geschaltete Einheiten (D1, IG2, D'1, IG'2) enthält, die antiparallel geschaltet sind.
Leistungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltzelle (4) des Nebenzweigs (3) zumindest einen Thyristor (THa) enthält.
Leistungsschutzschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltzelle (4) zwei Thyristoren (TH1, TH'1) enthält, die antiparallel geschaltet sind.
Leistungsschutzschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltzelle (4) des Nebenzweigs (3) einen Thyristor (THa) und eine Graetz-Brücke (D11, D12, D13, D14) mit zwei Diagonalen enthält, wobei der Thyristor (THa) eine Diagonale der Graetz-Brücke bildet und wobei der Hauptzweig (1) die andere Diagonale der Graetz-Brücke ist.
Leistungsschutzschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz (Z2) des parallel geschalteten Umschalthilfsmoduls (M4) einen Kondensator (Ca) in Reihe mit dem Thyristor (THa) enthält.
Leistungsschutzschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Reihe geschaltete Induktivität zwischen Kondensator (Ca) und Thyristor (THa) geschaltet ist.
Leistungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz (Z2) des parallel geschalteten Umschalthilfsmoduls (M4) eine Einheit enthält, die aus einem Kondensator (C12) und einem ersten Widerstand (R1) gebildet ist, die parallel geschaltet sind, wobei diese Einheit in Reihe mit einem zweiten Widerstand (R2) und mit der Halbleiterschaltzelle (4) des Nebenzweigs (3) geschaltet ist.
Leistungsschutzschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Reihe geschaltete Induktivität (LS1) in Reihe mit der Einheit und dem zweiten Widerstand (R2) geschaltet ist.
Leistungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das parallel geschaltete Umschalthilfsmodul (M4) eine Graetz-Brücke (Pb) mit zwei Diagonalen enthält, wobei eine parallel geschaltete Einheit mit dem Kondensator (C11) und einem Widerstand (R11) an die Anschlussklemmen einer ersten Diagonalen der Graetz-Brücke angeschlossen ist, wobei eine Nebeninduktivität (La1) an die Anschlussklemmen der zweiten Diagonale angeschlossen ist, wobei eine der Anschlussklemmen der zweiten Diagonale mit der Halbleiterschaltzelle (4) des Nebenzweigs (3) verbunden ist.
Leistungsschutzschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Reihe geschaltete Induktivität (LS1) zwischen der Graetz-Brücke (Pb) und der Halbleiterschaltzelle (4) des Nebenzweigs geschaltet ist.
Leistungsschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Unterbrecherelement (2) einen elektromagnetisch angetriebenen beweglichen Kontakt (2.1) vom Typ Thomson enthält.
Verfahren zum Auslösen eines Leistungsschutzschalters nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, bei einer vorhandenen Überlast im Hauptzweig (1) – die aufsteuerbare Halbleiterschaltzelle (5) von einem durchgängigen Zustand in einen nicht durchgängigen Zustand umzuschalten, – die Halbleiterschaltzelle (4) des Nebenzweigs (3) von einem nicht durchgängigen Zustand in einen durchgängigen Zustand umzuschalten, – das ursprünglich geschlossene mechanische Unterbrecherelement dann zu öffnen, – und schließlich bei Auftreten eines Nulldurchgangs die Halbleiterschaltzelle (4) des Nebenzweigs (3) von dem durchgängigen Zustand in den nicht durchgängigen Zustand umzuschalten.