阅读说明：本技术 低压保护开关设备 (Low-voltage protection switch device ) 是由 K·阿斯坎 于 2018-09-25 设计创作，主要内容包括：在一种具有至少一个外导体路径(2)和中性导体路径(5)的低压保护开关设备(1)中,其中在所述外导体路径(2)中布置有机械旁路开关(8),其中所述低压保护开关设备(1)的第一半导体电路装置(11)与所述旁路开关(8)并联,其中在所述外导体路径(2)中布置有电流测量装置(12),所述电流测量装置与所述保护开关设备(1)的电子控制单元(13)连接,本发明提出：在所述外导体路径(2)中,第二半导体电路装置(14)在电路技术上与所述旁路开关(8)串联且与所述第一半导体电路装置(11)并联,且所述电子控制单元(13)适于,在所述外导体路径(2)上出现大于额定电流但小于脱扣过电流的电流时,首先接通所述第一半导体电路装置(11),随后切断所述第二半导体电路装置(14),紧接着以可预设的方式交替地连通所述第一半导体电路装置(11)和所述第二半导体电路装置(14)。(In a low-voltage protective switching device (1) having at least one outer conductor path (2) and a neutral conductor path (5), wherein a mechanical bypass switch (8) is arranged in the outer conductor path (2), wherein a first semiconductor circuit arrangement (11) of the low-voltage protective switching device (1) is connected in parallel with the bypass switch (8), wherein a current measuring device (12) is arranged in the outer conductor path (2), which current measuring device is connected to an electronic control unit (13) of the protective switching device (1), the invention proposes: in the outer conductor path (2), a second semiconductor circuit arrangement (14) is connected in circuit series with the bypass switch (8) and in parallel with the first semiconductor circuit arrangement (11), and the electronic control unit (13) is adapted to, in the event of a current occurring on the outer conductor path (2) which is greater than the rated current but less than a tripping overcurrent, first switch on the first semiconductor circuit arrangement (11) and subsequently switch off the second semiconductor circuit arrangement (14), and subsequently alternately switch on the first semiconductor circuit arrangement (11) and the second semiconductor circuit arrangement (14) in a predefinable manner.)

低压保护开关设备

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的低压保护开关设备。

背景技术

发明人的WO 2015/028634 A1揭示过一种相应的保护开关设备。这种保护开关设备的半导体开关仅用于有规律地接通或断开相关的保护开关设备，以及用于在短路或过电流的情形下的紧急断路。保护开关设备的有规律运行以及紧急断路均极少出现。虽然偶尔会有大于额定电流的电流流过保护开关设备，但在过电流足够小或仅持续较短时间的情况下，这类过电流不会导致相关保护开关的断路。

但这类过电流会流过相应的混合式保护开关的旁路继电器。这种旁路继电器必须以与传统继电器相比快得多的速度打开，因此，需要采用特殊的触点和特殊的结构。这一点导致形成一定的不可忽略的旁路继电器电阻。这个电阻在具有多个串联的接触点的旁路继电器中还会大幅增大。尽管这个电阻在正常运行中没有任何问题，但在保护开关未脱扣的过载情形下，这个电阻导致旁路继电器以及相邻地布置在保护开关内的组件的热负荷出现问题。这一点可能会缩短保护开关的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供本文开篇所述类型的一种保护开关设备，其可以用来防止产生上述缺点，所述保护开关设备具有较小的结构尺寸、能够实现较大的额定电流或持续电流、具有良好的断路性能且在较长的时间内具有良好的可靠性。

本发明用以达成上述目的的解决方案为权利要求1的特征。

这样即使在不导致断路的持续电流或过电流中，也可以将保护开关设备的自热保持在较低水平。这样也能因较少的自热而将保护开关设备的结构尺寸保持在较小的水平。基于保护开关设备的较少自热，可以将内部温度保持在较低水平，借此延长保护开关设备中的半导体的使用寿命并且增强可靠性。

从属权利要求涉及的是本发明的更多有利技术方案。

权利要求书中的字句通过明确引用而成为说明书的内容并视为字面重复。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细说明，附图中仅示例性呈现优选实施方式。

其中：

图1为本发明的保护开关设备的触点间隙的第一实施方式；以及

图2为具有触点间隙的第二实施方式的保护开关设备的实施方式。

具体实施方式

图2示出低压保护开关设备1的优选实施例的框图，所述低压保护开关设备具有至少一个从低压保护开关设备1的外导体电源接头3至低压保护开关设备1的外导体负载接头4的外导体路径2，和从低压保护开关设备1的中性导体接头6至低压保护开关设备1的中性导体负载接头7的中性导体路径5，其中在外导体路径2中布置有机械旁路开关8，其中低压保护开关设备1的第一半导体电路装置11与旁路开关8并联，其中在外导体路径2中布置有电流测量装置12，该电流测量装置与保护开关设备1的电子控制单元13连接，其中该电子控制单元13适于控制旁路开关8和第一半导体电路装置11，其中在外导体路径2中，第二半导体电路装置14在电路技术上与旁路开关8串联且与第一半导体电路装置11并联，且其中该电子控制单元13适于：

-在外导体路径2上出现大于额定电流但小于脱扣过电流，特别是短路电流的电流时，首先接通第一半导体电路装置11，随后切断第二半导体电路装置14，紧接着以可预设的方式交替地连通第一半导体电路装置11和第二半导体电路装置14，并且如此地将电流交替地导引至第一半导体电路装置11和第二半导体电路装置14上，

以及/或者

-在外导体路径2上出现脱扣过电流，特别是短路电流时，首先接通第一半导体电路装置11，紧接着切断第二半导体电路装置14，紧接着打开旁路开关8，并且紧接着控制第一半导体电路装置11使其进入非导电状态。

这样即使在不导致断路的持续电流或过电流中，也可以将保护开关设备1的自热保持在较低水平。这样也能因较少的自热而将保护开关设备1的结构尺寸保持在较小的水平。基于保护开关设备1的较少自热，可以将内部温度保持在较低水平，借此延长保护开关设备1中的半导体的使用寿命并且增强可靠性。

本发明的低压保护开关设备1以及WO 2015/028634 A1中的保护开关设备均指低压低护开关设备。通常将最高1000V的交流电压或最高1500V的直流电压称为低压。

图2中的保护开关设备1具有外导体路径2以及中性导体路径5。外导体路径2穿过保护开关设备1，从外导体电源接头3延伸至外导体负载接头4。中性导体路径5穿过保护开关设备1，从中性导体接头6延伸至中性导体负载接头7。相关接头3、4、6、7分别优选构建为螺旋端子或插式连接端子，并且以可从外部接触到的方式布置在保护开关设备1中。

保护开关设备1优选具有绝缘材料壳体。

在外导体路径2中布置有优选具有简单的触点断点的机械旁路开关8。在图2中的开关中，另有一个第一机械隔离开关9在外导体路径2中与旁路开关8串联。在中性导体路径5中布置有第二机械隔离开关10。半导体电路装置11与旁路开关8并联。

另有一个过电压抑制器19与旁路开关8并联。

保护开关设备1还具有电流测量装置12，其至少布置在外导体路径2中，且优选被构建为包括分流电阻。

电流测量装置12与保护开关设备1的电子控制单元13连接，该控制单元优选被构建为包括微控制器或微处理器。电子控制单元13适于，对旁路开关8、第一半导体电路装置11以及第一机械隔离开关9和第二机械隔离开关10进行控制，从而以可预设的方式操纵或通断上述开关。为此，电子控制单元13优选在电路技术上与第一半导体电路装置11连接，并且还与机械开关的、从而与旁路开关8的、第一机械隔离开关9的和第二机械隔离开关10的特别是电磁操纵元件连接。从电子控制单元13出发的相应连接未在图2中示出。此外，电子控制单元13完全未在图1中示出。

第一半导体电路装置11可以构建为双向4Q(四象限)开关的任意类型或实施方式或拓扑结构。

就此而言，图2仅示出第一半导体电路装置11的一种可行实施方式。这个第一半导体电路装置具有整流电路20，其优选构建为全桥，以及在本发明的实施方式中具有两个根据本发明构建为IGBT的功率半导体21作为实际的开关或控制元件。其中，也可以设有更大的功率半导体21。

除原本的保护开关设备1外，图2还示出电气环境。其中，供电电网通过AC/DC电网电压源16、电网内阻17和电网电感18示出。此外，还示出电负载23以及形式为短路的电气故障22。

不同于图2中的低压保护开关设备1，在图1中的低压保护开关设备1中仅设有外导体路径2，使得第一机械隔离开关9在第一半导体电路装置11的并联支路中在电路技术上与第一半导体电路装置11串联，因而同时与旁路开关8并联。在这个布置方案中，第一机械隔离开关9与图2中的低压保护开关设备1相比在机械上采用大幅简化的构建方案，因为这个隔离开关仅在通断过程中通电。与此同时，旁路开关8适于特别是借助在断开的状态下相应地有所增大的触点间距来确保电隔离。

此外，在图1中的实施方式中，第一半导体电路装置11采用不同于图2的构建方案。因此，本发明与第一半导体电路装置11的具体实施方案无关。

此外，电子控制单元13还适于，在断路过程中期望或需要进行电隔离的情况下操纵第一机械隔离开关9。在本发明所描述的工作过程中，隔离开关9闭合。

同样地，在中性导体路径5中优选布置有第二机械隔离开关10，且电子控制单元13优选适于操纵该第二机械隔离开关10。此外，过电压抑制器19，特别是压敏电阻器，优选MOV，优选在电路技术上与旁路开关8和第一半导体电路装置11并联，并且与第一隔离开关9串联。其中，MOV代表Metall Oxide Varistor(金属氧化物压敏电阻器)。

在外导体路径2中，第二半导体电路装置14在电路技术上与旁路开关8串联，并且与第一半导体电路装置11并联。

通过第二半导体电路装置14，可以减小旁路开关8和第一半导体电路装置11的负载。这样就能在与传统的保护开关设备中相比，电流强度已大幅减小的情况下，将电流换向至第一半导体电路装置11上，从而减小第一半导体电路装置11的负载并且延长其使用寿命。这样就能大体完全防止在旁路开关8上产生电弧，从而减小相应的开关触点的负载并且延长其使用寿命。

通过本发明的措施就能实现其他优点。由于在断路时不产生任何电弧，因此，也无需熄灭电弧。不产生任何热的电离气体，否则必须首先将其冷却，以防止再次引燃电弧。这样既能减小第一半导体电路装置11的负载，又能使得整个断路过程进一步加速，因为根据本发明，不必再担心会再次引燃电弧。作为替代方案，也可以使得第一半导体电路装置11的负载保持不变，并且进一步减小旁路开关8的打开速度，这样就能简化旁路开关的构建。

通过快速切断断路电流或过载电流，以漏感的形式或在电网电感中存储比平时更少的能量，从而保护过电压抑制器19以及缓冲器24。这个缓冲器可以基于其他效应而构建为较小的尺寸。

由于不产生任何开关电弧，第一半导体电路装置11上的电压降不会被电弧电压限制。

此外，第二半导体电路装置14可以使得低压保护开关设备1以与根据发明人的WO2015/028634 A1的现有技术完全不同的方式有利地工作。

此外，或作为替代方案，电子控制单元13适于，在外导体路径2上出现大于额定电流但小于脱扣过电流，特别是短路电流的电流时，首先接通第一半导体电路装置11，随后或紧接着切断第二半导体电路装置14，紧接着以可预设的方式交替地连通第一半导体电路装置11和第二半导体电路装置14，并且如此地将电流交替地导引至第一半导体电路装置11和第二半导体电路装置14上。其中，旁路开关8始终闭合。例如在机器或大功率用电设备启动时，在短时间内流过但尚未表现出危险的电流可能会在开关设备1中造成极大的功耗。通过本发明的工作方式就能将两个半导体电路装置11、14的热负荷保持在较低水平，具体方式是，以可预设的方式周期性地在这两个半导体电路装置11、14之间来回通断电流。借此，在半导体电路装置11、14的每个上引起较小的功耗，其中不带电的半导体电路装置11、14还有机会得到冷却。

此外，或作为替代方案，电子控制单元13适于，在外导体路径(2)上出现脱扣过电流，特别是短路电流时，首先接通第一半导体电路装置11，紧接着切断第二半导体电路装置14，紧接着打开旁路开关8，并且紧接着控制第一半导体电路装置11使其进入非导电状态。

其中，电子控制单元13优选适于，在检测到短路电流流过电流测量装置12时，首先接通第一半导体电路装置11，基本上紧接着切断第二半导体电路装置14，基本上紧接着打开旁路开关8，紧接着，特别是在将旁路开关8打开足够的程度的情况下，控制第一半导体电路装置11使其进入非导电状态，并且紧接着，特别是在电流接近零的情况下，打开第一机械隔离开关9。紧接着，优选打开第二机械隔离开关10。通过这个顺序的工作，就能在电流还极小的情况下就已经将这个电流换向至第一半导体电路装置11上，其中不需要进行任何与旁路开关8上的电弧有关的相应释放。

第二半导体电路装置14优选构建为双向的。第二半导体电路装置14特别优选构建为用于两个电流方向和两个电压极性的四象限电路。

第二半导体电路装置14进一步优选地被构建为包括低压半导体15。第二半导体电路装置14持续通电，因此，第二半导体电路装置的内阻与防止在这个位置上产生较大的功耗相关。在切断第二半导体电路装置14后，将电流换向至第一半导体电路装置11上。其中，第二半导体电路装置14上的电压降仅为几伏特。在切断第一半导体电路装置11时，需要注意的是，旁路开关8的开关触点已实现足够的触点间距，使得第二半导体电路装置14上不存在任何电压。

优选地，基于极小的内阻而选择低压半导体15作为20-30V的MOSFET，以便在常规的工作中将功耗保持在较低水平。低压半导体15上的电压降仅用于将电流送至第一半导体电路装置11上以进行换向。

第一半导体电路装置11相应地构建为具有负载能力的，以通断较大的电流和短路时的电压峰值。在旁路开关8的触点具有足够的触点间距的情况下，可以将第一半导体电路装置11断开。

低压半导体15优选分别具有一个反向并联二极管，其也被称为单片体二极管。