Niedrigkosten-Lösung für einen feldfreien Gleichstrom-Sicherungsautomaten mit geringen Verlusten für den Schienenverkehr
I. Lösungsoberblick
Diese Lösung adressiert die Schutzbedürfnisse von Gleichstromsystemen (insbesondere der Traktionsenergieversorgung im Schienenverkehr) bei Kurzschlussfehlern, indem sie eine DC-Schalterlösung auf Basis einer optimierten mechanischen Schaltersstruktur vorschlägt. Es wird eine fadenlose Unterbrechung durch Kondensatorspannungskontrolle erreicht, wobei geringe Verluste im Leitungsfall und hohe Zuverlässigkeit kombiniert werden, was es für Szenarien mit häufiger Betätigung geeignet macht.
II. Kernprinzip
Verwendet eine schnelle mechanische Schaltertopologie in Kombination mit vorgespannten Kondensatoren und Entladern:
- Stabiler Betrieb: Der Strom fließt durch den mechanischen Schalter (Hauptkreis), wobei der Widerstand im Leitungsfall auf Mikro-Ohm-Niveau liegt, was zu extrem geringen Verlusten führt.
- Fehlerunterbrechung:
• Bei Erkennung eines Kurzschlussfehlers wird der mechanische Schalter schnell geöffnet.
• Das Kondensatormodul wird aktiviert, um die Spannung über dem mechanischen Schalter unterhalb des Bogenentzündungsschwellwertes zu halten, was eine fadenlose Unterbrechung ermöglicht.
• Der Kurzschlussstrom wird in den parallelen Kondensator- und Entladerkreis umgelenkt, wo der Entlader Energie absorbiert und Überspannungen unterdrückt.
III. Technische Parameter
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Parameter |
Wert/Eigenschaft |
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Unterbrechungszeit |
<10 ms |
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Nennstrom |
800A - 5000A (anpassbar) |
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Verlust im Leitungsfall |
Mikro-Ohm-Widerstand, typischer Wert ≤50 μΩ |
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Betriebsfrequenz |
≥200 Schaltvorgänge täglich |
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Anwendbare Spannungsebene |
DC 1.5kV/3kV (Schienenverkehr) |
IV. Anwendungsbereiche
• Traktionsenergieversorgungssysteme im Schienenverkehr: Erfüllt die Anforderungen an häufiges Schalten und geringe Verluste.
• Städtische Gleichstromverteilsysteme: Fehlerschutz in Mittel- und Niederspannungsgleichstromsystemen.
• Industrielle Gleichstromversorgungssysteme: Anwendungen, die hohe Zuverlässigkeit erfordern.
V. Vorteile und Einschränkungen
Vorteile:
- Geringe Verluste im Leitungsfall: Der mechanische Schalter bleibt während des normalen Betriebs leitfähig, was Heizprobleme bei Halbleitern vermeidet.
- Kostenkontrolle: Es ist kein vollständiger Festkörper-Schaltelement nötig, was es kostengünstiger als hybride Schalter macht.
- Fadenlose Unterbrechung: Aktive Bogendämpfung durch Kondensatorspannungskontrolle verlängert die Lebensdauer des Schalters.
Einschränkungen:
- Kapazitätsanforderungen: Hochspannungskondensatormodule sind groß, daher ist eine optimierte Auslegung basierend auf der Systemspannung erforderlich.
- Stromumleitungsdauer: Die Abhängigkeit von der Energieaufnahme durch den Entlader führt zu einer leicht langsameren Kurzschlussstromumleitung im Vergleich zu vollständigen Festkörperlösungen.
- Wartungsbedarf: Mechanische Komponenten erfordern regelmäßige Wartung, wenn auch seltener als herkömmliche Schalter.
VI. Implementierungsempfehlungen
- Auswahl des Kondensators: Verwenden Sie mehrmodulare parallele Kondensatorengruppen, um die Genauigkeit der Spannungskontrolle und Größenbeschränkungen auszugleichen.
- Optimierung der Ansteuerung: Ausrüsten mit hochgeschwindigen Aktuationsmechanismen (z. B. elektromagnetischen Abstoßmechanismen), um eine Unterbrechungsantwort <2 ms sicherzustellen.
- Konfiguration des Entladers: Wählen Sie nichtlineare Widerstände (MOVs) mit einer Energieabsorptionskapazität, die auf der Kurzschlusskapazität des Systems basiert.
VII. Zusammenfassung
Diese Lösung kombiniert innovative mechanische Strukturen mit Kondensatorspannungskontrolle, um niedrige Kosten, geringe Verluste und fadenlose Unterbrechung in DC-Schaltern zu erreichen. Sie ist besonders für Szenarien mit häufigem Betrieb wie im Schienenverkehr geeignet und bietet einen zuverlässigen Weg zur Fehlerschutz in Mittel- und Niederspannungsgleichstromsystemen.
