DE4425330A1 - Schalter zur Strombegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalter zur Strombe­ grenzung, mit Stromanschlüssen und Kontakten, von denen der eine ein Festkontakt und der andere ein Bewegkontakt ist, und mit einem zugehörigen Antrieb zum Öffnen des Bewegkontaktes bei Überschreiten einer vorgegebenen elektrischen Strom­ stärke, wobei der Antrieb ein thermoelektrischer Antrieb ist. Ein derartiger Schalter ist Gegenstand der Hauptpatentanmel­ dung P 43 25 030.0.

Beim Hauptpatent sind die Kontakte in einem abgeschlossenen Isolierstoffgehäuse angeordnet und ist zwischen den Kontakten ein scheibenförmiger Widerstandskörper angeordnet. Dabei ist vorzugsweise zwischen Widerstandskörper und Bewegkontakt im Isolierstoffgehäuse ein Expansionsvolumen vorhanden. Der Widerstandskörper besteht dabei insbesondere aus graphithal­ tigem Kunststoff, beispielsweise auf der Basis von Poly­ ethylen.

Durch letztere Ausbildung eines Schalters wird die zur Kon­ takttrennung erforderliche mechanische Schaltenergie elek­ trothermisch erzeugt. Hierzu heizt die im Kurzschlußfall auf­ tretende stromstarke Entladung zunächst ein eingeschlossenes Gasvolumen auf. Die entstehende Druckwelle beaufschlagt einen beweglichen Kolben und verrichtet an ihm die mechanische Kontaktöffnungsarbeit.

Der Schalter gemäß dem Hauptpatent soll in Energievertei­ lungsnetzen im Niederspannungsbereich eingesetzt werden. Da­ bei müssen im Störfall, insbesondere bei Kurzschlüssen, Teile des Netzes an übergeordneten Abzweigen weggeschaltet werden. Um Schäden am Ort der Störung als auch im Bereich des Netzes zu begrenzen bzw. zu vermeiden, soll die Abschaltung so schnell wie möglich, insbesondere noch innerhalb der ersten betroffenen Halbwelle, erfolgen. Häufig wird auch eine Be­ grenzung des Kurzschlußstromes gefordert, wenn die Abschal­ tung nicht schnell genug erkannt bzw. durch geeignete Maßnah­ men vorgenommen werden kann. Die Begrenzung des Kurzschluß­ stromes wird weiterhin zu einer Begrenzung der Amplituden der bei der Abschaltung erzeugten Spannungsspitzen aufgrund des induktiven Lastanteiles im Netz und beim Verbraucher und ver­ ringert somit die Gefahr weiterer Schäden aufgrund von Isola­ tionsfehlern, die durch solche Überspannungen hervorgerufen werden können. Insbesondere bei Gebäudeinstallationen, aber auch in anderen Fällen, steigen dabei die Anforderungen an die erforderlichen Komponenten, die daher eine hohe Selekti­ vität aufweisen müssen.

Mit dem Strombegrenzer gemäß dem Hauptpatent wird bereits der Stand der Technik wesentlich verbessert. Diesem Stand der Technik entsprechen insbesondere solche Methoden, im Kurz­ schlußfall in Niederspannungsnetzen eine Strombegrenzung oder Stromunterbrechung herbeizuführen. Das für diesen Zweck verbreitetste Mittel ist der Leistungsschalter, der als Null­ punktschalter jedoch immer mindestens eine Halbwelle lang den Strom führt und daher allein nicht zur Strombegrenzung und Schnellabschaltung geeignet ist. Aufgrund der in Leistungs­ schaltern bewegten, relativ hohen Massen ist ein schnelles Abschalten nicht mit vertretbarem Aufwand zu erreichen. Schnellschalter für hohe Ströme erfordern sehr hohe Beschleu­ nigungskräfte, um die bewegten Massen der Elektrodensysteme in kurzen Zeiten im Millisekundenbereich auf Abstände von mehreren Millimetern zu bringen. Dies ist mit herkömmlichen Federkraftspeichern im allgemeinen nicht möglich, so daß ent­ sprechend leistungsfähige Antriebsmechanismen notwendig wer­ den.

Technische Lösungen für letzteren Zweck sind beispielsweise der pyrotechnische Antrieb mit chemischen Antriebsmitteln, die elektrisch gezündet werden, sowie der sogenannte Thomson- Antrieb. Aufgrund systemimmanenter Nachteile haben jedoch beide Methoden keine weite Verbreitung gefunden.

Derartige Nachteile werden beim Strombegrenzer gemäß dem Hauptpatent bereits beseitigt. Allerdings ist hier als rein passives Bauelement der Arbeitsbereich eingeschränkt, so daß zur Anpassung an den jeweiligen Einsatzbereich eine entspre­ chend große Typenvielfalt gefordert ist. Eine aktive, mit einer Kurzschlußfrüherkennung gekoppelte Schnellabschaltung ist aufgrund des passiven Charakters der Funktionsweise nicht möglich.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, den Gegenstand des Hauptpatentes weiterzubilden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine bistabile Aus­ legung des Schalters gemäß dem Hauptpatent gelöst.

Mit der Zusatzerfindung wird ein bistabiler Limiter geschaf­ fen, der nunmehr im geschlossenen Zustand verriegelt und durch einen geeigneten Kraftspeicher auf eine Ansprechschwel­ le eingestellt wird, welche oberhalb dem im Hochlastbereich maximal zu erwartenden Strom liegt. Im verriegelten Zustand ist der Durchgangswiderstand so gering, daß die Nennstromver­ luste vernachlässigbar sind. Dadurch liegt die Eigenansprech­ schwelle des Limiters in der Größenordnung des prospektiven Kurzschlußstromes. Im entriegelten Zustand steigen die Über­ gangswiderstände und damit der Energieumsatz im Bereich der Schaltkontakte. Gleichermaßen sinkt dabei die Eigenansprech­ schwelle auf einen Wert im Nennstrombereich.

Vorteilhafterweise kann die Entriegelung durch eine elektro­ nische Kurzschlußfrüherkennung ausgelöst werden. Dieses Ver­ halten wird vorteilhaft dadurch unterstützt, daß ein zweiter Kraftspeicher verwendet wird, der im verriegelten Zustand ge­ spannt ist und so konstruiert sein kann, daß er im entriegel­ ten Zustand zur mechanischen Öffnung der Bewegelektrode des Begrenzers führt. Beim mechanischen Schließen und Verriegeln des Begrenzers wird dieser zweite Kraftspeicher automatisch gespannt.

Bei entsprechender Auslegung der Betriebsparameter ist der erfindungsgemäße Strombegrenzer sogar in der Lage, den Strom nicht nur zu begrenzen, sondern vollständig zu unterbrechen, d. h. also als öffnender Schalter zu arbeiten. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn eine zweite Verriegelungs­ einheit vorgesehen wird, die den als Schnellschalter arbei­ tenden Limiter im geöffneten Zustand verriegelt. Der Limiter wird dadurch daran gehindert, nach erfolgreicher Stromunter­ brechung selbsttätig wieder in den geschlossenen Zustand überzugehen. Somit ist ein echtes bistabiles Verhalten er­ reicht.

Beim erfindungsgemäßen Schalter kann durch eine passive Schaltung mit RLC-Gliedern erreicht werden, daß im Falle der Abscheidung des Stromes während der Stromhalbwelle keine schädlichen Überspannungsspitzen erzeugt werden. Dazu können auch spannungsbegrenzende Elemente, wie Zenerdiode, Varistor, Überspannungsableiter od. dgl., vorhanden sein.

In Abweichung zum Gegenstand des Hauptpatentes wird bei vor­ liegender Weiterbildung für den elektrothermischen Antrieb der Bewegelektrode insbesondere ein gut leitender, nichtorga­ nischer Werkstoff anstelle des bisher verwendeten leitfähig gemachten organischen Werkstoffes, wie Ruß gefülltes Polyethylen, verwendet. Als Widerstandskörper kommen aber auch hochdotierte Halbleitermaterialien, wie insbesondere polykristallines Siliciumcarbid, in Frage.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Schalter zur Strombegrenzung gemäß dem Haupt­ patent, die

Fig. 2 bis 4 drei alternative Weiterbildungen eines sol­ chen Schalters zur Auslegung bistabiler Limiter und

Fig. 5 ein Strom-Zeitdiagramm zur Verdeutlichung des vor­ teilhaften Schaltverhaltens.

In den Figuren sind gleiche bzw. gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 besteht ein Schalter aus einem Isolierstoffgehäuse 1 mit feststehender Elektrode 2 und Stromzuführung 2a sowie mit einer Bewegelektrode 3 mit Stromzuführung 3a. Zwischen Festelektrode 2 und Bewegelektrode 3 ist ein Widerstandskör­ per 4 als Scheibe angeordnet. Es ist eine Kontaktandruckfeder 5 und ein Verriegelungsmechanismus 3a, 7a und 7b zur Verrie­ gelung im geöffneten Zustand vorhanden. Das Isolierstoffge­ häuse 1 wird durch eine Platte 6 abgeschlossen.

Bei dem Schalter gemäß Fig. 1 wird bei Überschreiten der An­ sprechschwelle, die über die Federkraft von 5 einstellbar ist, im Kontaktspalt 8 zwischen dem Widerstandskörper 4 und der Bewegelektrode ein hoher Druck entwickelt aufgrund der Gase, die durch Erhitzung der Kontaktstellen zwischen 3 und 4 freigesetzt werden. Dieser Druck, vermindert durch den An­ preßdruck der Anpreßfeder 5, beschleunigt die Bewegelektrode 3 vom Widerstandskörper 4 weg. Wegen des zeitlich zunehmenden Abstandes zwischen Bewegelektrode 3 und Widerstandskörper 4 und des dazwischen ansteigenden Gasdruckes wird der durch dieses komprimierte, von der Bewegelektrode 3 und dem Wider­ standskörper 4 gekühlte Gas fließende Strom begrenzt und unter günstigen Umständen vollständig unterbrochen. Bei Er­ reichen eines durch die Geometrie festgelegten Abstandes zwi­ schen Bewegelektrode 3 und Widerstandskörper 4 verriegelt der Widerstandsmechanismus 3a, 7a und 7b die Bewegelektrode 3 in der geöffneten Position.

Die Ansprechschwelle des in Fig. 1 dargestellten monostabi­ len Schalters wird also durch die Andruckkraft der Feder 5 festgelegt. Damit ist der Schalter selbstauslösend, aber nicht steuerbar.

In Fig. 2 ist dagegen die Kontaktandruckfeder befestigt an einem axial beweglichen Teil 6b des Gehäusedeckels 6 mit den Teilen 6a und 6b. Dieses Widerlager 6b wird in der Stellung a über einen Verriegelungsmechanismus 11a und 11b verriegelt, so daß die Feder 5 vorgespannt ist und die für den geschlos­ senen Zustand notwendige Andruckkraft der Bewegelektrode 3 auf den Widerstandskörper erzeugt. Gleichzeitig ist eine zur Beschleunigung des Öffnungsvorganges vorgesehene Feder 12 vorgespannt. Bei Entriegelung der Verklinkung 11 durch einen Aktor 13 wird das Federwiderlager 6b von den Federn 5 und 12 in axialer Richtung vom Gehäuse 1 weg beschleunigt, so daß innerhalb sehr kurzer Zeit die Andruckkraft zwischen Beweg­ elektrode 3 und Widerstandskörper 4 auf sehr niedrige Werte abfällt. Dadurch erhöht sich der Übergangswiderstand sehr stark und die Ansprechschwelle des elektrothermischen Antrie­ bes fällt auf einen Wert innerhalb des Nennstrombereiches des Schalters.

Bei Ausbildung gemäß Fig. 2 löst der elektrothermische An­ trieb aus und der Schalter begrenzt und unterbricht bzw. öff­ net den Strom innerhalb sehr kurzer Zeit, d. h. weit unterhalb des prospektiven Kurzschlußstromes. In vollständig geöffnetem Zustand verriegelt der Mechanismus 3a sowie 7a und 7b die Bewegelektrode 3 und verhindert dadurch ein ungewolltes neues Schließen des Schalters. Der Aktor 13 wird dabei beispiels­ weise durch eine elektronische Kurzschlußerkennung ange­ steuert und ausgelöst.

In einer anderen Ausführungsform gemäß Fig. 3 greift die Öffnungsfeder 12 direkt an der Bewegelektrode 3 an und unter­ stützt somit die Öffnung durch direkte mechanische Beschleu­ nigung. Dadurch wird eine weitere Beschleunigung des Öff­ nungsvorganges und eine stärkere Begrenzung des Stromes er­ reicht. Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn die Öff­ nungsfeder 12 nicht an der Elektrode 3, sondern am Führungs­ element 3b oder an der mechanisch mit der Bewegelektrode 3 gekoppelten Stromzuführung 3a ansetzt. Speziell in Fig. 3 ist der Kraftspeicher 5 durch einen piezoelektrischen Aktor 14 ersetzt, welcher gleichzeitig mit dem Entriegelungsaktor 13 angesteuert wird. Der Aktor 14 verringert bei Ansteuerung seine Länge, so daß die Kontaktandruckkraft bereits verrin­ gert wird, bevor die Bewegelektrode 3 vom Öffnungskraftspei­ cher bewegt wird.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist der piezoelektrische Aktor 14 parallel zur Öffnungsfeder 12 angeordnet und verlän­ gert sich bei Ansteuerung. Dadurch wird die Kontaktandruck­ kraft der Andruckfeder 5 kurzzeitig überkompensiert und die Federwirkung in der Anfangsphase des Öffnungsvorganges unter­ stützt.

Aus der Diagrammdarstellung gemäß Fig. 5 ergibt sich das Öffnungsverhalten des neuen Schalters. Die Kurve a beschreibt den zeitlichen Verlauf des prospektiven Kurzschlußstromes. Die Kurve b beschreibt den Strom durch das ungesteuerte Be­ grenzungselement herkömmlicher Bauweise, wobei der Wert a den fest eingestellten Ansprechschwellwert angibt. Die Kurve c beschreibt den Strom durch den neuen bistabilen Limiter bzw. Schnellschalter, wobei die Ansprechschwelle B des verriegel­ ten Limiters bei oder sogar über dem prospektiven Kurzschluß­ strommaximum liegt. Die Ansprechschwelle C des entriegelten Limiters liegt innerhalb des Nennstrombereiches I_nenn, so daß ein sehr frühes Auslösen bei ungefährlichen stromwerten er­ folgen kann. Die Auslösung erfolgt durch aktive Entriegelung über die Kurzschlußfrüherkennungselektronik und den Entriege­ lungsaktor 13.

Die Kurzschlußfrüherkennungselektronik erkennt Kurzschlüsse bereits innerhalb weniger µs nach Strom-Null. Durch die ge­ ringen bewegten Massen im Aktor 13 und im Verriegelungsmecha­ nismus 11a und 11b wird eine sehr frühzeitige Strombegrenzung und Öffnung im Schalter erreicht, so daß die tatsächlich auf­ tretenden Ströme auf unschädliche Werte innerhalb des Nenn­ strombereiches begrenzt werden. Die Selektivität wird dabei durch die Schwellwerteinstellung der Kurzschlußfrüherkennung erreicht und ist deshalb für ein einzelnes elektromechani­ sches Schaltelement des Types "BISTABILER LIMITER" in weiten Grenzen einstellbar.

Bei den Fig. 2 bis 4 kann der zur Entriegelung verwendete Aktor 13 als elektromechanischer oder elektromagnetischer Aktor ausgeführt sein. Er kann aber auch zur Beschleunigung des Entriegelungsvorganges aufgrund verringert er beschleunig­ ter Massen als piezoelektrisches oder piezostriktives Element ausgeführt sein. Weiterhin kann ein Aktor mit einem magneto­ striktiven Element als aktiver Komponente verwendet werden.

Es hat sich gezeigt, daß die beschriebenen, als Strombe­ grenzer arbeitenden, bistabilen Limiter mit einer elektroni­ schen Kurzschlußfrüherkennung kombiniert werden können. Glei­ chermaßen kann in dieser Kombination der Limiter als strombe­ grenzender Schnellschalter arbeiten. Die geeigneten Schaltun­ gen für die Kurzschlußfrüherkennung sind vom Stand der Tech­ nik bekannt.

Claims (11)

1. Schalter zur Strombegrenzung, mit Stromanschlüssen und Kontakten, von denen der eine ein Festkontakt und der andere ein Bewegkontakt ist, und mit einem zugehörigen Antrieb zum Öffnen des Bewegkontaktes bei Überschreiten einer vorge­ gebenen elektrischen Stromstärke, wobei der Antrieb ein thermoelektrischer Antrieb ist gemäß Hauptpatentanmeldung P 43 25 030.0, gekennzeichnet durch eine bistabile Auslegung des Schalters.

2. Schalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (6b, 11a, 11b) zur Verriegelung des Schalters im geschlossenen Zustand.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß den Mitteln (6b, 11a, 11b) zur Ver­ riegelung ein Kraftspeicher (5) zugeordnet ist, der auf eine Stromansprechschwelle einstellbar ist, welche über den im Hochlastbereich zu erwartenden Strömen liegt.

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kraftspeicher eine Andruckfeder (5) ist.

5. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß die Entriegelung durch eine elektronische Kurzschlußfrüherkennung auslösbar ist.

6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß den Mitteln zur Entriegelung ein zweiter Kraftspeicher (12) zugeordnet ist.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Entriegelung Aktoren (13, 14) vorhanden sind.

8. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Aktoren Piezoaktoren (14) vorhanden sind.

9. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontakte in einem abgeschlossenen Isolierstoffgehäuse angeordnet sind und zwischen den Kontakten ein scheiben­ förmiger Widerstandskörper vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (4) aus einem gut leitenden, nicht organischen Werkstoff, bei­ spielsweise aus polykristallinem Siliciumcarbid, besteht.

10. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine passive Beschaltung mit RLC-Gliedern.

11. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine Beschaltung mit span­ nungsbegrenzenden Elementen, beispielsweise Zenerdiode, Varistor, Überspannungsableiter od. dgl.