УСТОЙЧИВАЯ К КОРОТКИМ ЗАМЫКАНИЯМ СИСТЕМА ТОКОВЕДУЩИХ ШИН
SHORT-CIRCUITS RESISTANT SYSTEM OF BUSBARS

Изобретение касается системы токоведущих шин, имеющей по меньшей мере одну первую и одну вторую токоведущую шину, причем эти токоведущие шины по меньшей мере на отдельных участках расположены параллельно друг другу. Далее, изобретение касается преобразователя тока, имеющего такую систему токоведущих шин.
Токоведущие шины применяются для низкоиндуктивного и не вызывающего больших потерь протекания электрического тока. В частности, в преобразователях тока применяются токоведущие шины, например, для электрического контактирования полупроводников. Для бесперебойной эксплуатации выполняется ошиновка промежуточного контура токоведущими шинами, которые расположены в пакете токоведущих шин. При этом может реализовываться низкоиндуктивная конструкция.
Именно в случае короткого замыкания токоведущие шины и их крепления подвергаются действию высокой нагрузки возникающих при этом сил. При этом не допускается возникновение повреждений системы токоведущих шин.
До сих пор пакет токоведущих шин для промежуточного контура выполнялся в виде ламинированной низкоиндуктивной ошиновки. При этом токоведущие шины для максимально возможного снижения индуктивности лежат очень близко друг рядом с другом и выполнены с большой площадью для снижения механических сил. При этом токоведущие шины, такие как, например, плюсовые шины, шины среднего потенциала, минусовые шины трехточечного преобразователя тока снабжены каждая пленкой из изолирующего материала (ламинированием), так как не соблюдаются воздушные зазоры между неизолированными медными шинами соответственно нормативным данным. Эти три шины с помощью опор большой площади посредством упрочненных стекловолокном полимерных (GFK) пластин собираются в пакеты шин, которые являются настолько жесткими, что они могут воспринимать высокие силы короткого замыкания. В местах соединения пакетов шин замкнутое в остальных местах ламинирование прерывается. В этих местах шины отгибаются по краям так, чтобы между ними были достаточные расстояния. При этом могут соблюдаться необходимые воздушные и разрядные зазоры. С помощью множества винтовых соединений осуществляется электрическое и механическое соединение с соседним пакетом шин.
В основе изобретения лежит задача, предложить систему токоведущих шин, имеющую улучшенное поведение при коротком замыкании.
Задача решается с помощью системы токоведущих шин, имеющей по меньшей мере одну первую, одну вторую и одну третью токоведущую шину, причем эти токоведущие шины по меньшей мере на отдельных участках расположены параллельно друг другу, при этом первая токоведущая шина и вторая токоведущая шина расположены со сдвигом друг относительно друга таким образом, что перпендикулярно более длинной протяженности первой токоведущей шины может быть проведена по меньшей мере одна первая прямая, которая не пронизывает вторую токоведущую шину, при этом первая токоведущая шина и третья токоведущая шина расположены со сдвигом друг относительно друга таким образом, что перпендикулярно более длинной протяженности первой токоведущей шины может быть проведена по меньшей мере одна вторая прямая, которая не пронизывает третью токоведущую шину, при этом вторая токоведущая шина и третья токоведущая шина расположены без сдвига друг относительно друга таким образом, что все третьи прямые, которые могут быть проведены перпендикулярно более длинной протяженности второй токоведущей шины, пронизывают третью токоведущую шину, при этом система токоведущих шин по меньшей мере на отдельных участках зеркально–симметрична применительно к токоведущим шинам относительно плоскости, которая проходит через внутреннюю область первой токоведущей шины и параллельно более длинной протяженности первой токоведущей шины. Далее, задача решается с помощью преобразователя тока, имеющего такую систему токоведущих шин.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основе изобретения лежит тот обнаруженный факт, что на механические и электрические свойства можно влиять положительным образом с помощью конструкции. С механической точки зрения токоведущие шины, например, три токоведущие шины у трехточечного преобразователя тока (плюсовая шина, шина среднего потенциала, минусовая шина) должны лежать в пространстве как можно дальше друг от друга, чтобы силы короткого замыкания были как можно меньше. Но с электротехнической точки зрения, напротив, токоведущие шины, например, здесь также плюсовая шина, шина среднего потенциала, минусовая шина, должны лежать как можно ближе друг к другу, чтобы индуктивность ошиновки была как можно меньше. При сдвинутом расположении первой токоведущей шины относительно второй токоведущей шины и при необх. относительно третьей токоведущей шины вышеизложенное противоречие между механической и электрической оптимизацией может просто и неожиданно решаться.
В противоположность уже известным решениям, которые рассматриваются, например, в стандарте DIN EN 60865–1 (VDE 0103), отдельные токоведущие шины в качестве отдельных проводников не расположены слоями друг за другом или друг над другом, а затрагиваемые коротким замыканием шины расположены со сдвигом друг относительно друга и предпочтительно удерживаются опорами, допускающими высокую нагрузку. Короткое замыкание возникает, например, между плюсовой шиной и шиной среднего потенциала, или, соответственно, между минусовой шиной и шиной среднего потенциала системы токоведущих шин, имеющей три токоведущие шины, вследствие какого–либо простого дефекта в только одном конструктивном элементе.
Вообще, можно исходить из того, что поперечное сечение токоведущей шины выполнено продолговатым. Это имеет место, например, при прямоугольной форме или эллиптической форме. Тогда это поперечное сечение имеет более длинную протяженность, т.е. более длинную кромку или сторону прямоугольника, или, соответственно, более длинную ось эллипса в качестве соединения двух главных вершин, и более короткую протяженность, т.е. более короткую кромку, т.е. сторону, прямоугольника, или, соответственно, более короткую ось эллипса в качестве соединения двух побочных вершин. Вследствие параллельного по меньшей мере на отдельных участках прохождения не имеет значения, в каком месте рассматривается поперечное сечение системы токоведущих шин. При конструкции без сдвига прямая, перпендикулярная более длинной протяженности, пронизывает расположенные без сдвига токоведущие шины. Если эта прямая пронизывает только одну из токоведущих шин при одинаковой длине более длинной протяженности, то токоведущие шины расположены со сдвигом друг относительно друга. Когда может быть проведена только такая прямая, речь идет о сдвинутом расположении. Если первая токоведущая шина, например, средняя из трех токоведущих шин, расположена со сдвигом, то она смещена в направлении более длинной протяженности, т.е. вдоль более длинной протяженности, токоведущей шины. Для достижения значительного улучшения электрических и механических свойств оказалось особенно целесообразным, например, смещение на 10 мм, когда токоведущие шины имеют прямоугольное поперечное сечение 10 мм х 100 мм. При этом различные токоведущие шины могут иметь одинаковое или различное направление более длинной протяженности. Таким образом может значительно улучшаться поведение токоведущей шины в случае короткого замыкания, при котором, вследствие высоты тока, на токоведущие шины и их крепления действуют большие силы. При этом расположении можно при относительно низких индуктивностях сокращать возникающие силы короткого замыкания. При этом индуктивность еще находится внутри допустимых предельных значений, и как занимаемая площадь, так и досягаемость присоединительных поверхностей (монтаж/техническое обслуживание) являются сравнимо хорошими.
Это расположение имеет множество преимуществ. Так, например, можно обойтись без предохранителей, которые быстро выключают возникающий ток короткого замыкания, и при этом возможно предотвращение недопустимых сил или, соответственно, по меньшей мере допущение их только кратковременного действия. Преобразователь тока при этой системе токоведущих шин может быть выполнен, например, без предохранителей. Таким образом, с помощью этой системы токоведущих шин реализуема концепция преобразователя тока без предохранителей. Эта концепция по сравнению с техническим решением, имеющим предохранители, значительно компактнее или экономичнее в реализации. Помимо этого, по сравнению со стандартным решением по DIN EN 60865–1 (VDE 0103), благодаря значительно более низким силам между токоведущими шинами можно обойтись без большей части опор между токоведущими шинами. Также предлагаемая изобретением система токоведущих шин значительно компактнее, в частности в точках присоединения. Помимо этого, соблюдение требований в отношении воздушных и разрядных зазоров значительно проще.
Другие преимущества заключаются в том, что действующие силы раскладываются в направлении более длинной протяженности и в направлении более короткой протяженности токоведущей шины. При этом эти силы лучше поддаются контролю. Одновременно при этом может лучше использоваться более высокий момент сопротивления токоведущей шины, такой как, например, медная шина, в направлении более длинной протяженности, который приводит к сокращению токов короткого замыкания. С точки зрения механики разложение на два направления протяженности поперечного сечения токоведущей шины не обязательно является предпочтительным. Однако преимущество получается благодаря тому, что возникает компонента силы в направлении более высокого момента сопротивления за счет сокращения компоненты силы в направлении меньшего момента сопротивления. Но лучше всего была бы только одна сила в направлении большего момента сопротивления. Однако это противоречит компромиссу с электротехникой.
Также может применяться экономичный медный прутковый материал, который имеет более низкие требования к прочности. Благодаря расстояниям большей величины можно обойтись без дорогостоящего ламинирования изолирующей пленкой. Опора может уменьшаться вследствие расстояний большей величины и сдвинутого расположения. Это выражается, в частности, в меньшем количестве опор между токоведущими шинами. При сдвинутом расположении первой токоведущей шины, например, шины среднего потенциала системы токоведущих шин, имеющей три токоведущие шины, повышается удобство монтажа/технического обслуживания. Токоведущие шины могут благодаря более низким силам соединяться друг с другом меньшим количеством винтовых соединений. Как уже упомянуто, эта конструкция нуждается только в относительно небольшой занимаемой площади, а техническое решение является особенно надежным в отношении предрасположенности к дефектам.
Принятая до сих пор в преобразователях тока и иногда достаточно чувствительная, предрасположенная к дефектам гибкая привязка к конденсаторам (впаянные тонкие мембраны на ламинированной шине) при новом расположении могут заменяться простыми, устойчивыми гибкими медными шинами.
Этот вариант осуществления, помимо этого, является простым и недорогим в реализации. С помощью этой конструкции могут простым образом соблюдаться действующие нормированные предельные значения и расстояния. Помимо этого, эта конструкция также значительно меньше предрасположена к дефектам, связанным с пробоями вследствие загрязнения, неблагоприятными условиями окружающей среды (напр., также вредными насекомыми). Благодаря простой конструкции менее вероятны выходы из строя из–за невнимательного монтажа, как иногда у шихтованных пакетов токоведущих шин, известных из уровня техники, так как нет множества винтов в иногда труднодоступных положениях, при монтаже которых может повреждаться изолирующая пленка.
Система токоведущей шины имеет третью токоведущую шину, при этом первая токоведущая шина и третья токоведущая шина расположены со сдвигом друг относительно друга. При этом варианте осуществления имеются по меньшей мере три токоведущие шины. Этот вариант осуществления находит применение, в частности, у системы токоведущих шин, имеющей три токоведущие шины. Характерным примером этого является ошиновка постоянного тока 3–уровневого преобразователя тока. При этом первая и вторая токоведущая шина сдвинута друг относительно друга, а также первая и третья токоведущая шина сдвинута друг относительно друга. Так как короткое замыкание возникает при обычно простом дефекте только между плюсовой шиной и шиной среднего потенциала, или минусовой шиной и шиной среднего потенциала, оказалось особенно предпочтительным выполнить первую шину в виде шины среднего потенциала, так как она сдвинута относительно других двух шин.
Средние точки поперечных сечений отдельных токоведущих шин при сдвинутом расположении образуют треугольник. Особенно удобным оказалось, когда поперечные сечения образуют равнобедренный треугольник, так как тогда поведение при коротком замыкании не зависимо от того, возникает ли оно на плюсовой или минусовой шине. Помимо этого, эта конструкция является симметричной в отношении потенциалов, и вместе с тем также поведение при эксплуатации.
Вторая токоведущая шина и третья токоведущая шина расположены без сдвига друг относительно друга. Расположение без сдвига означает, что они не сдвинуты друг относительно друга в направлении более длинной протяженности. Так как между первой и второй токоведущей шиной можно ожидать коротких замыканий с относительно низкой вероятностью, когда при этом речь идет о плюсовой и минусовой шине, эти шины могут также располагаться без сдвига друг относительно друга. Помимо этого, силы в случае короткого замыкания скорее являются низкими вследствие отдаленности шин друг от друга. Так как эти шины не лежат в одном коммутирующем контуре, требования в отношении низкоиндуктивного поведения ниже. При расположении без сдвига может гарантироваться достаточно низкоиндуктивная конструкция для второй и третьей токоведущей шины при одновременно хорошем поведении при коротком замыкании.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения токоведущие шины имеют одинаковое поперечное сечение. При этом могут передаваться токи одинакового порядка величины. Силы короткого замыкания могут восприниматься всеми токоведущими шинами одинаковым образом. Помимо этого, индуктивное поведение токоведущих шин друг относительно друга одинаково, что гарантирует поведение, не зависимое от состояния переключения преобразователя тока.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения токоведущие шины имеют по существу прямоугольное поперечное сечение, при этом попарно сдвинутые друг относительно друга токоведущие шины сдвинуты в направлении более длинной кромки, т.е. более длинной стороны, этого прямоугольного поперечного сечения. Поперечное сечение токоведущих шин на своих углах часто отклоняется от прямоугольной формы. При этом кромки токоведущей шины, например, закруглены, чтобы предотвращать в этой области высокие силы поля. Это свойство учитывается формулировкой «по существу прямоугольное».
2
При этом ошиновка промежуточного контура осуществляется, например, в виде многослойного пакета, имеющего лежащую у задней стенки преобразователя положительную шину промежуточного контура, лежащую на расстоянии, например, 90 мм позади нее отрицательную шину промежуточного контура и расположенную в середине над ними шину среднего потенциала. Поперечные сечения отдельных шин составляют, например, 10 мм х 100 мм=1000 мм. При расположенной со сдвигом шине среднего потенциала повышается не только эффективное расстояние между различными токоведущими шинами, что имеет следствием сокращение силы короткого замыкания. Также сила раскладывается на компоненту в направлении более длинной протяженности (длинная боковая кромка прямоугольного поперечного сечения) и более короткую протяженность (короткая боковая кромка прямоугольного поперечного сечения), при этом вследствие прямоугольного поперечного сечения медных шин, например, 10 мм х 100 мм, используется намного более высокий момент сопротивления медного пруткового материала в направлении более длинной протяженности. При этом можно повышать наибольшее имеющееся межцентровое расстояние между соседними точками опоры.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления первая токоведущая шина расположена между первой и второй плоскостью. Первая и вторая плоскость распространяется перпендикулярно поверхности поперечного сечения и параллельно более длинной кромке поперечного сечения второй или, соответственно, третьей токоведущей шины. Более длинная кромка получается как более длинная боковая линия прямоугольного поперечного сечения токоведущей шины. При этом достижима особенно компактная конструкция. Возникающие при этом расположении силы в случае короткого замыкания особенно низки, так что токоведущие шины, как и имеющиеся опоры, могут изготавливаться особенно экономично. Для токоведущих шин может применяться медный материал, имеющий более низкую прочность, что значительно дешевле.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения токоведущие шины ориентированы друг относительно друга таким образом, что более длинные кромки прямоугольного поперечного сечения данных токоведущих шин параллельны друг другу. И это расположение приводит к дальнейшему снижению возникающих сил в случае короткого замыкания и по вышеназванным причинам к дальнейшему уменьшению стоимости материала. Одновременно трехточечный преобразователь тока, имеющий эту конструкцию, построен электрически симметрично, так что получается симметричное поведение при эксплуатации.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере две из токоведущих шин механически соединены друг с другом посредством по меньшей мере одной опоры, причем эта опора выполнена электрически изолирующей. Можно обойтись без полного и большой площади соединения между токоведущими шинами, так как возникающие силы в случае короткого замыкания больше не требуют этого. Для расположения токоведущих шин применяется только некоторое количество опор. Эти опоры в случае короткого замыкания воспринимают возникающие силы и поэтому должны выполняться устойчивыми. Вследствие низких токов короткого замыкания можно обойтись без расположения на большой площади опирающих средств между токоведущими шинами, так как имеющейся прочности меди, даже при низкой прочности медной шины, в сочетании с небольшим количеством опор достаточно, чтобы препятствовать деформациям у опор и токоведущих шин.
Благодаря этому с помощью количества опор, остающегося в рамках планируемых затрат, возможно выдерживание высоких сил короткого замыкания без возникновения деформаций медных шин.
Помимо этого, опоры имеют изолирующий материал для электрического изолирования друг от друга механически соединенных с ними токоведущих шин.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения опора имеет форму прямоугольного параллелепипеда. С помощью этого варианта осуществления может простым образом реализовываться параллельная и зеркально–симметричная конструкция системы токоведущих шин. К тому же форма прямоугольного параллелепипеда, в частности, когда опора выполнена массивной, имеет возможность воспринимать достаточно высокие силы, которые в случае короткого замыкания действуют на токоведущие шины.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения опора включает в себя допускающий высокие нагрузки слоистый прессованный материал по DIN EN 60893–3–2, в частности стеклотекстолитовый материал EP–GC 202. Этот материал, благодаря своей высокой прочности и изолирующим свойствам, идеально подходит для применения в опоре. Помимо этого, он доступен на рынке по относительно низкой цене.
Опоры в случае короткого замыкания должны воспринимать очень высокие нагрузки. Это возможно при выборе выдерживающего высокие нагрузки стеклотекстолитового материала EP–GC 202 (DIN EN 60893–3–2) в сочетании с формой, обладающей высокой несущей способностью. При этом должны соблюдаться воздушные зазоры между опорами отдельных фаз и разрядные зазоры при расположении винтов между винтовым соединением и медной шиной.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения опора рассчитана таким образом, чтобы без разрушений воспринимать силы, возникающие при текущем в токоведущих шинах токе короткого замыкания, между соединенными с опорой токоведущими шинами. Ток короткого замыкания представляет собой ток, который выходит за пределы долговременной допустимой токовой нагрузки токоведущей шины. Так, ток короткого замыкания недопустимо нагревал бы токоведущую шину при его долговременном протекании в токоведущей шине. Токи короткого замыкания определяются, например, имеющимися в системе напряжениями. Также на высоту тока короткого замыкания могут иметь влияние электрические компоненты. Ток короткого замыкания для данного случая применения, например, в преобразователе тока, определяется путем расчета. Тогда опоры должны иметь соответственно высокую прочность применительно к их допустимой механической нагрузке.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения опора рассчитана на значение тока короткого замыкания больше 100 кА. Силы при токах короткого замыкания такого порядка величины настолько высоки, что указанная система токоведущих шин особенно положительно сказывается на возникающих силах. В этом случае система токоведущих шин приносит высокое экономическое преимущество по сравнению с шихтованной конструкцией.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения преобразователь тока имеет полупроводниковые IGCT–модули (англ. integrated gate–commutated thyristor, тиристор с интегрированным управлением). IGCT–модули могут в случае дефекта проплавляться и при этом создавать в системе короткое замыкание. Поэтому защита в случае короткого замыкания для преобразователя тока, имеющего полупроводниковые IGCT–модули, значительно важнее, чем для преобразователя тока, имеющего альтернативные полупроводниковые элементы. По этой причине применение указанной системы токоведущих шин для этого вида полупроводниковых модулей особенно предпочтительно, так как здесь можно избежать затратных повреждений в случае короткого замыкания.
Далее изобретение описывается подробнее и поясняется с помощью примеров осуществления, изображенных на фигурах. Показано:
фиг.1: система токоведущих шин;
фиг.2, фиг.3: поперечные сечения системы токоведущих шин;
фиг.4: система токоведущих шин для преобразователя тока.
На фиг.1 показано изображение в перспективе системы 1 токоведущих шин. Эта система 1 токоведущих шин имеет три токоведущие шины 11, 12, 13. Первая токоведущая шина 11 расположена со сдвигом относительно второй и третьей токоведущей шины 12, 13, причем эта токоведущая шина 11 лежит несколько выше, чем другие токоведущие шины 12, 13. Как уже упомянуто, осуществление первой токоведущей шины 11 в виде шины среднего потенциала особенно предпочтительно, так как между этой шиной и плюсовой шиной или минусовой шиной короткое замыкание может возникать уже при каком–либо простом дефекте конструктивного элемента. Механически токоведущие шины 11, 12, 13 соединены через опоры 2. Опоры 2 механически соединяют друг с другом каждые две из токоведущих шин 11, 12, 13. Причем это осуществляется предпочтительным образом посредством винтовых соединений 21. Эти опоры установлены на токоведущих шинах 11, 12, 13, будучи распределены по длине токоведущих шин 11, 12, 13.
На фиг.2 показано поперечное сечение системы 1 преобразователя тока, имеющей три токоведущие шины 11, 12, 13. Отчетливо различима первая токоведущая шина 11, сдвинутая относительно второй и третьей токоведущей шины 12, 13, при этом первая токоведущая шина 11 расположена со сдвигом в направлении, то есть вдоль, длинной кромки 20 прямоугольного поперечного сечения. В этом примере осуществления первая токоведущая шина 11 несет средний потенциал, обозначенный «0», вторая токоведущая шина 12 плюсовой потенциал, обозначенный «+», а третья токоведущая шина 13 минусовой потенциал, обозначенный «–». В этом расположении средние точки поверхностей поперечного сечения образуют равнобедренный треугольник. Это улучшает поведение при эксплуатации преобразователя тока, имеющего такую систему токоведущих шин, так как эта система токоведущих шин построена симметрично между положительным потенциалом и средним потенциалом, а также отрицательным потенциалом и средним потенциалом.
На фиг.3 показано сечение через две токоведущие шины 11, 12 в месте опоры 2. Во избежание повторов ссылаемся на описание к фиг.1 и 2, а также на введенные там ссылочные обозначения. Первая токоведущая шина 11 и вторая токоведущая шина 12 расположены со сдвигом друг относительно друга. Опора 2 служит для того, чтобы фиксировать положение этих двух токоведущих шин 11, 12 друг относительно друга. Чтобы иметь возможность воспринимать силы также в случае короткого замыкания, опора 2 должна иметь форму, обладающую высокой несущей способностью. Токоведущие шины 11, 12 крепятся на опоре 2 посредством винтовых соединений 21.
На фиг.4 показана система 1 токоведущих шин для трехфазного преобразователя тока. При этом речь идет о трехточечном преобразователе тока, так как эта система 1 токоведущих шин имеет три токоведущие шины 11, 12, 13 и вместе с тем три потенциала постоянного напряжения. Отчетливо различимы расположенные друг над другом фазы преобразователя 3 тока. Каждая их этих фаз соединена с одним или несколькими не изображенными здесь полупроводниковыми модулями, которые делают возможным соединение каждого расположенного со стороны переменного напряжения выхода с одним из потенциалов постоянного напряжения. Во избежание повторов ссылаемся на описание к фиг.1–3, а также на введенные там ссылочные обозначения.
Итак, изобретение касается системы токоведущих шин, имеющей по меньшей мере одну первую и одну вторую токоведущую шину, причем эти токоведущие шины по меньшей мере на отдельных участках расположены параллельно друг другу. Для улучшения поведения при коротком замыкании предлагается, чтобы первая токоведущая шина и вторая токоведущая шина были расположены со сдвигом друг относительно друга. Также изобретение касается преобразователя тока, имеющего такую систему токоведущих шин.