DE102008049432B4

DE102008049432B4 - Leistungsschalter und Stromwandler für einen Leistungsschalter

Info

Publication number: DE102008049432B4
Application number: DE102008049432.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Gross; Thomas Kiendl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: CN101685725B; ITMI20091587A1; FR2936352A1; CN101685725A; DE102008049432A1; IT1395516B1

Abstract

Leistungsschalter zur Unterbrechung eines durch einen Leiter fließenden Primärstroms, durch den ein zu schützender Stromkreis mit Strom versorgt wird, mit einer Auslösevorrichtung zur Auslösung der Unterbrechung, zu deren Stromversorgung mindestens ein Stromwandler (1) vorgesehen ist, der einen um den Leiter (2) geführten Hauptmagnetkreis (5) und mindestens eine Sekundärwicklung (6) umfasst, deren Kern von einem Teil des Hauptmagnetkreises (5) gebildet wird, wobei parallel zum Kern der Sekundärwicklung (6) ein magnetischer Nebenschlusszweig (7) geschaltet ist, der einen zusätzlichen magnetischen Widerstand aufweist, wobei der zusätzliche magnetische Widerstand einen Luftspalt (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (10) bei einem über einem Nennstrom liegenden Primärstrom eine elastische Verkleinerung erfährt, sodass der zusätzliche magnetische Widerstand so ausgebildet ist, dass er sich bei einem über dem Nennstrom des Leistungsschalters liegenden Primärstrom mittels der im magnetischen Nebenschlusszweig (7) auftretenden magnetischen Kräfte selbsttätig verkleinert, so dass es zu einer effektiven Verringerung des zusätzlichen magnetischen Widerstands im magnetischen Nebenschlusszweig (7) kommt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zur Unterbrechung eines durch einen Leiter fließenden Stroms und einen Stromwandler für einen entsprechenden Leistungsschalter gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10.
Leistungsschalter zur Stromunterbrechung sind allgemein bekannt. Dabei fließt der zu unterbrechende Strom durch den Leistungsschalter selbst; ein zu schützender Stromkreis wird über einen abgangsseitigen Leiter mit Strom versorgt. Zur Auslösung der Unterbrechung dient eine Auslösevorrichtung, die über einen Stromwandler (Eisenkernwandler) mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei die elektrische Energie dem durch den Leiter fließenden Strom (Primärstrom) entnommen wird. Eine solche Auslösevorrichtung ist aus der EP 0 704 867 B1 bekannt. Deren Stromwandler weist weiter einen aus einem Eisenkern gebildeten Hauptmagnetkreis auf, durch den der Leiter geführt ist, der dabei quasi die „Primärwicklung” bildet. Über einen Nebenschlusszweig ist der Hauptmagnetkreis in zwei parallele Teilmagnetkreise aufgeteilt. Der zum Nebenschlusszweig parallele Zweig (Teilmagnetkreis) ist gleichzeitig Kern einer Sekundärwicklung, über welche die elektrische Energie für die Auslösevorrichtung ausgekoppelt wird. Zur Erhöhung des magnetischen Widerstands des Nebenschlusszweigs ist in diesem ein Luftspalt mit konstanter Breite vorgesehen, um den magnetischen Fluss durch den Nebenschlusszweig entsprechend zu verringern. Der Nebenschlusszweig übernimmt bei sehr großen Strömen (Primärströmen) einen (großen) Teil des magnetischen Flusses und leitet diesen an der Sekundärwicklung vorbei, um einen weiteren Anstieg des von der Sekundärwicklung abgegebenen Sekundärstroms zu begrenzen.
Soll der Stromwandler (Eisenkernwandler) nur zur Energieversorgung und nicht für Messzwecke eingesetzt werden, so möchte man über einen großen Primärstrombereich einen möglichst konstanten (niedrigen) Sekundärstrom aus dem Stromwandler erhalten. Deshalb wird der Sekundärstrom bei hohen Primärströmen meist begrenzt, wodurch wiederum im Leistungsteil der elektronischen Auslöseeinheit platzsparende elektronische Bauteile mit einer kleinen maximalen Verlustleistung eingesetzt werden können. Zur Messung des Primärstromes ist dann allerdings ein weiterer Stromwandler (z. B. Rogowski-Wandler) erforderlich. Eine derartige entsprechende Auslösevorrichtung mit mindestens einem Stromwandler offenbart beispielsweise die DE 695 13 612 T2 .
Nachteilig ist dabei, dass diese Begrenzung oft nicht ausreicht.
Ferner offenbart die DE 697 32 210 T2 einen einstellbaren elektromagnetischen Auslöser und Lastschalter mit einem solchen Auslöser. Weiterhin offenbart die US 2,412,247 A einen Lastschalter, der einen Magnet und eine Armatur trägt.
Schließlich offenbaren die DE 697 05 692 T2 einen Stromwandler, einen Auslöser und einen Schutzschalter mit einem solchen Stromwandler, die GB 6 54 290 eine Verbesserung bezüglich Transformatoren mit variablem Übersetzungsverhältnis, die DE 2 139 010 A geteilte Kernblechschnitte für Transformatoren, die EP 2 260 494 B1 einen Transformatorkern und die GB 2 453 673 A ein Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Kerns sowie einen Fehlerstromschutzschalter.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leistungsschalter und einen Stromwandler vorzuschlagen, dessen Sekundärstrom ausreichend begrenzt ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Die Lösung sieht bezogen auf den Leistungsschalter als auch auf den Stromwandler vor, dass der zusätzliche magnetische Widerstand so ausgebildet ist, dass er sich bei einem über dem Nennstrom liegenden Primärstrom, also insbesondere im Kurzschlussfall, mittels der im Nebenschlusszweig auftretenden magnetischen Kräfte selbsttätig verkleinert, so dass es zu einer effektiven Verringerung des zusätzlichen magnetischen Widerstands im Nebenschlusszweig kommt. Um also eine ausreichende Begrenzung des von der Sekundärwicklung abgegebenen Sekundärstroms zu erzielen, wird der zusätzliche magnetische Widerstand mit Vergrößerung des durch den Primärstrom bedingten magnetischen Flusses selbsttätig verringert.
Der zusätzliche magnetische Widerstand weist einen Luftspalt auf.
Bei einem über dem Nennstrom liegenden Primärstrom erfährt der Luftspalt eine elastische Verkleinerung.
Eine besonders wirksame Begrenzung des Sekundärstroms wird erzielt, wenn der Zweig (Teilmagnetkreis) mit der Sekundärwicklung bei einem über dem Nennstrom liegenden vorgegebenen Primärstrom eine magnetische Sättigung erfährt.
Im einfachsten Fall wird der Luftspalt von mindestens zwei beabstandeten und in Richtung des Magnetflusses einander überlappenden Elementen des Nebenschlusszweigs gebildet.
Um ein Aneinanderhaften der Elemente zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass die einander überlappenden Elemente beschichtet sind.
Technisch einfach ist es, wenn der Hauptmagnetkreis geschlossen ausgebildet ist und die Elemente parallel zum Nebenschlusszweig und damit quer zum Hauptmagnetkreis verlaufen.
Eine technische Ausführung sieht vor, dass die Elemente als flache zungenförmige Stege ausgebildet sind, die sich in entgegen gesetzte Richtungen erstrecken und deren freie Enden einander überlappen.
Ein einfacher Hauptmagnetkreis wird aus übereinander geschichteten weich-/ferromagnetischen Blechen gebildet.
Mit Vorteil ist der Hauptmagnetkreis als Ringbandkern aus kornorientiertem oder nicht-kornorientiertem Silizium-Eisen oder anderen kristallinen amorphen oder nanokristallinen metallischen Legierungen gebildet.
Ein einfacher Aufbau des Hauptmagnetkreises ergibt sich, wenn zwischen zwei Blechen mit zungenförmigem Steg jeweils ein oder mehrere Bleche ohne Steg angeordnet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Stromwandler einer Auslösevorrichtung eines Leistungsschalters,
2 eine vereinfachte Ausführung des Hauptmagnetkreises des Stromwandlers gemäß 1,
3 den Hauptmagnetkreis des Stromwandlers gemäß 2 als Explosionsdarstellung,
4–5 eine alternative Ausführung des Hauptmagnetkreises des Stromwandlers gemäß 1 und
6–7 eine weitere alternative Ausführung des Hauptmagnetkreises des Stromwandlers gemäß 1.
1 zeigt einen Stromwandler 1 für eine Auslösevorrichtung eines Leistungsschalters (nicht gezeigt), der den durch einen Leiter 2 und damit durch den Leistungsschalter fließenden Strom (Primärstrom) im Gefahrenfall unterbricht, um den Stromkreis (nicht gezeigt) zu schützen, der mit Hilfe des Primärstroms mit Strom versorgt wird.
Die elektronische Auslösevorrichtung löst die Unterbrechung des Primärstroms aus, wobei deren Stromversorgung über den Stromwandler 1 erfolgt, welcher die erforderliche elektrische Energie für die Auslösevorrichtung aus dem Leiter 2 (Primärleiter) auskoppelt.
Wie 1 zeigt, ist der Leiter 2 durch eine Öffnung 3 (durch einen Ring mit der Öffnung 3) geführt, die aus übereinander geschichteten, weichmagnetischen Blechen 4 besteht, welche den Hauptmagnetkreis 5 bilden. (Der Hauptmagnetkreis 5 kann auch als Ringbandkern aus kornorientiertem oder nicht-kornorientiertem Silizium-Eisen oder anderen kristallinen amorphen oder nanokristallinen metallischen Legierungen und dergleichen bestehen.) Der aus den Blechen 4 gebildete Ring trägt auf der dem Leiter 2 gegenüberliegenden Seite eine Sekundärwicklung 6, deren Kern allerdings nur von einem Teil des magnetischen Flusses (des magnetischen Hauptflusses) des Hauptmagnetkreises durchlaufen wird. Der andere Teil des magnetischen Flusses ist über einen magnetischen Nebenschlusszweig 7 (also einen Bypass) geführt, der im Wesentlichen parallel zum Kern der Sekundärwicklung 6 verläuft.
Der magnetische Nebenschlusszweig 7 wird von Elementen 8 gebildet, die sich in Richtung bzw. entgegengesetzt zur Richtung des Magnetflusses im Nebenschlusszweig 7 erstrecken, d. h. abwechselnd erstreckt sich ein Element 8 in Richtung des Magnetflusses und das unmittelbar benachbarte Element 8 entsprechend entgegengesetzt zu dessen Richtung. Die Elemente 8 sind hier flache zungenförmige Stege, die sich in die Öffnung des Hauptmagnetkreises 1 hinein erstrecken, abwechselnd jeweils in entgegen gesetzte Richtungen. Im Überlappungsbereich der freien Enden 9 der Stege 8 befindet sich zwischen den Stegen 8 jeweils ein Luftspalt, der im Nebenschlusszweig mit einem zusätzlichen magnetischen Widerstand verbunden ist. Eine Erhöhung des magnetischen Widerstands verkleinert den magnetischen Fluss im Nebenschlusszweig 7 entsprechend. Der magnetische Fluss durch den Nebenschlusszweig 7 bewirkt im Überlappungsbereich, dass sich die Stege 8 gegenseitig anziehen. Da die flachen zungenförmigen Stege elastisch (federnd) biegbar sind, kommt es insbesondere bei einem großen Primärstrom zu einer Verkleinerung des Luftspalts 10. Die Stege 8 sind so dimensioniert, dass der Zweig (Teilmagnetkreis) mit der Sekundärwicklung 6 im Kurzschlussfall eine magnetische Sättigung erfährt. Dabei können die Enden 9 der Stege 8 auch aneinander zur Anlage kommen, wobei der zusätzliche magnetische Widerstand im Nebenschlusszweig 7 vollständig verschwindet. Die Enden 9 der Stege 8 sind deshalb mit einer Beschichtung versehen, die dafür sorgt, dass sie in Folge des magnetischen Remanenzflusses nicht aneinander haften bleiben.
Im Ausführungsbeispiel ist der Zweig mit der Sekundärwicklung 6 so ausgelegt, dass die magnetische Sättigung bereits bei einem Primärstrom eintritt, der geringfügig über dem Nennstrom des Leistungsschalters liegt.
Wird der Stromkreis im Kurzschlussfall vom Leistungsschalter 1 unterbrochen, so bewegen sich die elastischen Enden 9 der Stege 8 wieder in ihre Ausgangslage zurück, wodurch der Luftspalt 10 als zusätzlicher magnetischer Widerstand im Nebenschlusszweig 7 automatisch wieder hergestellt ist.
Der Stromwandler 1 ist also so ausgebildet, dass sich der magnetische Widerstand des Nebenschlusszweigs 7 in Abhängigkeit von der Größe des Primärstroms durch den Leiter 2 selbsttätig verkleinert, wodurch der Nebenschlusszweig 7 einen Großteil des magnetischen Hauptflusses übernimmt.
2 zeigt den Hauptmagnetkreis 5 in einer vereinfachten Ausführung mit nur zwei Stegen 8.
In 3 ist eine Explosionsdarstellung des Hauptmagnetkreises gemäß 2 zu sehen. Man sieht in 3, dass (jeweils) zwischen zwei Blechen mit zungenförmigem Steg 8 (je) ein Blech 4 ohne Steg angeordnet ist.
Mit anderen Worten: Bei geringen bis mittleren Primärströmen fließt nur ein geringer magnetischer Fluss über den durch die zungenförmigen Stege 8 gebildeten Luftspalt 10. Verbunden mit diesem magnetischen Fluss ist eine Kraftwirkung auf die Stege 8 (insbesondere die Enden 9 der Stege 8), welche quadratisch proportional zum magnetischen Fluss ist. Unabhängig von der Richtung des magnetischen Flusses versucht diese Kraft die beiden Enden 9 zusammenzuziehen, d. h. den Luftspalt 10 zu reduzieren. Bei einem geringen magnetischen Fluss reicht diese Kraft noch nicht für eine signifikante Reduzierung aus – die Enden 9 verweilen annähernd in ihrer Ausgangsposition. Der magnetische Widerstand des Luftspalts 10 ist relativ hoch. Mit zunehmendem Primärstrom nimmt der magnetische Fluss über die Enden 9 zu, wodurch auch die magnetische Kraft größer wird. Dabei werden die Enden 9 mit zunehmendem Primärstrom immer mehr zusammengezogen, bis sie bei hohem magnetischen Fluss aneinander anliegen. Eine Reduktion des Luftspalts 10 führt zu einer Reduktion des magnetischen Widerstands des Nebenschlusszweigs 7. Je kleiner der magnetische Widerstand, umso größer ist der Anteil des magnetischen Flusses, der über den parallelen Nebenschlusszweigs 7 und nicht durch den magnetischen Zweig fließt, der von der Sekundärwicklung 6 umschlossen wird. Der Sekundärstrom bleibt dadurch auch bei steigendem Primärstrom über einen großen Bereich konstant. Durch die flexible Ausführung des Nebenschlusszweigs 7 (de magnetischen Bypasses mittels zungenförmigen Stegen 8) reduziert sich der magnetische Widerstand des Luftspaltes 10 bei hohen Primärströmen deutlich besser als bei einem konstantem Luftspalt 10. Der Sekundärstrom nimmt bei zunehmendem Primärstrom nur noch sehr wenig zu: Er ist also sehr wirksam begrenzt.
Eine alternative Ausführung mit (nicht elastisch verbiegbaren) Stegen 8 zeigen die 4 und 5, bei der ein Stab 11, der zwischen zwei sich in die gleiche Richtung erstreckenden Stegen 8 längsbeweglich angeordnet ist, zusammen mit den Stegen 8 den Nebenschlusszweig 7 bildet. Der Stab 11 ist über eine Feder 12 auf der gegenüberliegenden Seite am Blechpaket des Hauptmagnetkreises 1 befestigt. In 5 ist der Stab 11 auf Grund der magnetischen Kräfte zwischen den Stegen 8 gegen die elastische Druckkraft der Feder 12 nach rechts gezogen. Somit verringert sich der Luftspalt zwischen den Stegen 8.
Eine weitere Ausführungsalternative zeigen die 6 und 7, in denen ein Klappanker 13 den Nebenschlusszweig 7 bildet. Auch hier wird ein Luftspalt 10 gegen die Kraftwirkung einer Feder 14 verkleinert, d. h. der Klappanker 13 wird durch den magnetischen Fluss gegen die elastische Federkraft der Feder 14 nach unten gezogen, wobei sich der magnetische Widerstand des Nebenschlusszweigs 7 entsprechend verringert. In 7 überbrückt der Klappanker 13 die Öffnung 3 des Hauptmagnetkreises 5 vollständig, d. h. der Luftspalt 10 zwischen dem Klappanker 13 und dem Hauptmagnetkreis 5 ist vollständig verschwunden; ein Luftspalt 10 ist nicht mehr vorhanden.
Die Länge des Luftspalts 10 im parallelen Nebenschlusszweig 7 ist also nicht konstant, sondern verkleinert sich jeweils abhängig vom magnetischen Fluss und somit abhängig vom Wert des Primärstroms. Bei sehr großen Primärströmen kann sich der Luftspalt 10 nahezu vollständig schließen. Je größer der Primärstrom, umso größer wird der magnetische Fluss, der den magnetischen Nebenschlusszweig 7 durchfließt.

Claims

Leistungsschalter zur Unterbrechung eines durch einen Leiter fließenden Primärstroms, durch den ein zu schützender Stromkreis mit Strom versorgt wird, mit einer Auslösevorrichtung zur Auslösung der Unterbrechung, zu deren Stromversorgung mindestens ein Stromwandler (1) vorgesehen ist, der einen um den Leiter (2) geführten Hauptmagnetkreis (5) und mindestens eine Sekundärwicklung (6) umfasst, deren Kern von einem Teil des Hauptmagnetkreises (5) gebildet wird, wobei parallel zum Kern der Sekundärwicklung (6) ein magnetischer Nebenschlusszweig (7) geschaltet ist, der einen zusätzlichen magnetischen Widerstand aufweist, wobei der zusätzliche magnetische Widerstand einen Luftspalt (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (10) bei einem über einem Nennstrom liegenden Primärstrom eine elastische Verkleinerung erfährt, sodass der zusätzliche magnetische Widerstand so ausgebildet ist, dass er sich bei einem über dem Nennstrom des Leistungsschalters liegenden Primärstrom mittels der im magnetischen Nebenschlusszweig (7) auftretenden magnetischen Kräfte selbsttätig verkleinert, so dass es zu einer effektiven Verringerung des zusätzlichen magnetischen Widerstands im magnetischen Nebenschlusszweig (7) kommt.
Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern mit der Sekundärwicklung (6) bei einem über dem Nennstrom liegenden vorgegebenen Primärstrom eine magnetische Sättigung erfährt.
Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (10) von mindestens zwei beabstandeten und in Richtung des Magnetflusses einander überlappenden Elementen (8) des magnetischen Nebenschlusszweigs (7) gebildet wird.
Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einander überlappenden Elemente (8) beschichtet sind.
Leistungsschalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptmagnetkreis (5) geschlossen ausgebildet ist und dass die einander überlappenden Elemente (8) parallel zum magnetischen Nebenschlusszweig (7) und damit quer zum Hauptmagnetkreis (5) verlaufen.
Leistungsschalter nach Anspruch 35 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einander überlappenden Elemente (8) als flache zungenförmige Stege ausgebildet sind, die sich in entgegen gesetzte Richtungen derart parallel zum magnetischen Nebenschlusszweig (7) erstrecken, dass deren freie Enden einander überlappen.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptmagnetkreis (5) aus übereinander geschichteten weich-/ferromagnetischen Blechen (4) gebildet ist.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptmagnetkreis (5) als Ringbandkern aus Silizium-Eisen, kristallinen, amorphen oder nanokristallinen metallischen Legierungen gebildet ist.
Leistungsschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen zwei Blechen (4) mit zungenförmigem Steg ein oder mehrere Bleche ohne Steg angeordnet sind.
Stromwandler (1) für einen Leistungsschalter zur Unterbrechung eines durch einen Leiter fließenden Primärstroms, durch den ein zu schützender Stromkreis mit Strom versorgt wird, wobei eine Auslösevorrichtung zur Auslösung der Unterbrechung vorgesehen ist und wobei der Stromwandler (1) die Auslösevorrichtung mit Strom versorgt, mit einem um den Leiter (2) geführten Hauptmagnetkreis (5) und mindestens einer Sekundärwicklung (6), deren Kern von einem Teil des Hauptmagnetkreises (5) gebildet wird, wobei parallel zum Kern der Sekundärwicklung (6) ein magnetischer Nebenschlusszweig (7) geschaltet ist, der einen zusätzlichen magnetischen Widerstand aufweist, wobei der zusätzliche magnetische Widerstand einen Luftspalt (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (10) bei einem über einem Nennstrom liegenden Primärstrom eine elastische Verkleinerung erfährt, wodurch der zusätzliche magnetische Widerstand so ausgebildet ist, dass er sich bei einem über dem Nennstrom des Leistungsschalters liegenden Primärstrom mittels der im magnetischen Nebenschlusszweig (7) auftretenden magnetischen Kräfte selbsttätig verkleinert, so dass es zu einer effektiven Verringerung des zusätzlichen magnetischen Widerstands im magnetischen Nebenschlusszweig (7) kommt.