CN1509484A - 用于运行带有一可接通的限流器的开关装置的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行带有至少一个主电路和属于该主电路的分支电路的开关装置的方法，其中，可以采用一个在施加强电流负载的情况下从非限流工作状态切换到限流工作状态的限流器。按照本发明，在从所述限流运行状态转换到所述非限流运行状态时采取了使限流器复位的措施。尤其对于断路器采取了防止所述电弧从所述分支电路反向换向到所述主电路上和/或采取了在所述电弧反向换向时使所述限流器复位的措施。在用于实施上述方法的一种装置中，在所述开关装置(20)和/或限流器(1)中具有一些用于防止安装在该开关装置(20)的分支电路中的限流器(1)发生开关故障的构件(30至50)。尤其所述限流器(1)可以是一个PTC－限制器。

Description

用于运行带有一可接通的限流器的 开关装置的方法及装置

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于运行一种带有一个可接通的限流器的开关装置的方法。在此，所述开关装置尤其是指断路器或接触器、也可能是半导体开关或类似器件。此外，本发明还涉及一种如权利要求8的前序部分所述的用于实施上述方法的装置。

开关装置在发生短路时通过迅速建立一个足够高的开关操作电压来保护供电网和用电器，由此来限制短路电流并在短时间内切断电流。为了提高限流值，通过将一个开关装置与一个单独的限流器串联来提高有效的开关操作电压。为此，按照现有技术将所述限制器连接在所述主电路中，但是因此在正常运行时也如发生短路时一样有负荷电流持续地流过所述限制器。

对于限制器存在不同的技术解决方案。除了一些传统的产生开关电弧的机械开关外，也采用PTC-限制器用于限流，其中，在开关操作(Schaltfall)时通过提高所述限制器材料的电阻和/或通过具有高点火电压的气体放电来建立电压。

PTC-限制器与传统的机械开关相比具有快速建立开关操作电压的优点。缺点是具有更高的冷态电阻，因此，为了避免例如由于电机启动电流对PTC-材料进行不允许的加热以及为了防止无意中起动所述限制器，在额定运行状态中要限定额定电流。在一种已知的可购买到的产品(ABBPROLIM)中一个作为开关装置的断路器和一个PTC-限制器是导电地串联在一个主电路中。

在EP 0 657 062 B1中记载了解决所述额定电流难题的另一个可行方案，其中，将一个限制器接入到一个断路器的一个分支电路中，该分支电路只有在开关操作时才瞬时有电流通过。所述分支电路由电弧导轨和灭弧室构成并且通过电弧换向从所述开关触头切换到所述导轨上。

但是与传统的一个断路器与一个限制器的串联电路相比，在将所述限制器连接到所述分支电路中的情况下，在开关电弧可能发生反向换向时仍然存在开关失灵的危险。在发生这种反向换向时所述电弧或起始端(Lichtbogenansatz)从所述分支电路移动到所述主电路(Hauptstrombahn)、例如移动到所述开关触头上，由此，所述限制器虽然无电流通过，但通常仍保持其瞬间电阻值。当要再次将电弧换向到所述灭弧室中时必须另外克服所述限制器的开关操作电压，因此，该换向过程可能难以进行而导致换向失败。

基于上述原因，本发明所要解决的技术问题是，提出一种用于运行带有一个连接在所述分支电路中的限流器的开关装置的方法，其中，可以避免因反向换向导致的开关失灵。此外，还提出一些所属的实施该方法的装置。

上述技术问题按照本发明通过采取如权利要求1所述的措施以及特别对于一个带有灭弧装置的断路器来说通过采取如权利要求2所述的措施得以解决。在权利要求8中给出了一种所属装置。各从属权利要求给出了所述方法和所属装置的一些有利的扩展设计。特别是在装置权利要求中给出了将限流器特别设计为PTC-限制器和/或将开关装置设计为断路器的有利设计。

通过本发明尤其可以实现使特别由断路器和分支电路中的限制器构成的组合具有功能上的安全性。但是本发明也可以用于其他的开关装置和限流器中。

从下面借助于附图对本发明具体实施方式的阐述及权利要求书中可获知本发明的其他细节和优点。附图中：

图1表示一个断路器与一个在该断路器的分支电路中的限流器的组合；

图2表示一个设计为PTC-限制器的限流器；

图3表示图2所示的PTC-限制器中的电极和电阻架的成型轮廓图；

图4是在一个图2和3所示的装置中电阻随时间变化的示意图；

图5表示一个带有活动桥式触点和附加限制器的对称结构的断路器；

图6是对于图5所示双断点式断路器的两个灭弧室的一个截取示图；

图7是对于带有穿孔的灭弧室的外导轨的俯视图。

在附图中相同或作用相同的构件以相同的附图标记标注。下面主要阐述按照本发明的两项措施，通过分别利用这两项措施或者它们的组合，可以避免在断路器的分支电路中的PTC-限制器所可能导致的所述开关失灵的问题。

图1以示意图表示将一个如在EP 0 657 062 B1中所示的那样的限制器装置安装在一个断路器的分支电路中。

在图1中，一个限流断路器至少具有两个触头22和23，其中至少一个触头设计为可移动的并且可通过一个锁扣机构24断开或闭合，该锁扣机构24可通过一个热脱扣器和/或磁脱扣器25或26脱开。为每个触头22和23配设一个电弧滑轨27和27′，这些电弧滑轨围成一个前室区域28并且通入到一个带有多个用于熄灭在图1中未示出的电弧的灭弧栅片29的灭弧室21中。在点燃电弧起点后所述电弧从所述滑轨27及27′上移动到一个带有一些灭弧栅片29的灭弧室21中，在那儿建立起一个足够高的用于限流和灭弧的电弧电压。

在出现一个极高的、例如I_K＝50至100KA的短路电流时，为了将所述开关的允通电流限定在一个允许值，所述电弧电压的增幅已不再够用。这种情况可能会损害或破坏所述开关装置。为了避免产生这种不利的后果，在图1中在所述断路器20的分支电路中串接一个限制器1。

所述限制器1是一个限流元件，该限流元件相应于EP 0 657 062 B1所述不是连接到所述主电路中，而是通过通向一个电弧滑轨27的引入线构成一个在开关装置20中的分支电路。所述对应于一个换向电流I_kom的分支电路在图1中定义为与一个对应于一个接通电流I的主电路并联的分支电路。当通过点燃一个电弧起点在所述滑轨上产生所述电弧时，才有电流流过该分支电路。

按照图1所示的限制器1有利地被设计为PTC-限制器。在图2中简略地示出一个这类限制器1。该限制器1包括两个扁平的电极10，在施加一个作用力K的情况下在这两个电极之间夹紧一个由适合的材料制成的电阻架5。所述电阻架5具有两个表面2和3以及所述电极10具有表面11。这样一种用于限流的PTC-限制器1的工作原理在EP 0 657 062 B1中已有详细阐述。

从图3中可以看到，替代平滑表面11所述平面电极10具有一个成型轮廓15，该成型轮廓例如是具有一个宽b和一个高h的矩形结构。所述宽度b可以界于0.1mm至1mm之间以及所述高度h同样可以界于0.1mm至1mm之间。特别是所述宽度b和所述高度h具有相同的数量级，优选界于0.3mm至0.6mm之间。所述电阻架5在两个表面2和3处具有互补的成型轮廓7。通过成型轮廓7和15所述电阻架5和所述平面电极10可防脱开地相互连接。

在与图3不同的结构中，所述成型轮廓7和15也可以相对于所述平面电极的表面具有一个倾斜角。所述成型轮廓的结构对所述PTC-限制器1的工作方式会产生影响。

如在EP 0 717 876 B1中所详细阐述的那样，图4表示所述PTC-限制器1的一个波形图。该PTC-限制器1带有在所述平面电极10上的成型轮廓15和在所述PTC-电阻架5上的互补成型轮廓7，从曲线17中得出在所述PTC-限制器1断开短路时限制器电阻R随时间变化的情况。限制器电阻R通过接入所述短路电流从其起始值R0≈4mΩ开始稍微地增高。大约300μs后该电阻达到一个大约8mΩ的第一平顶段值P。在短路电流继续增大并且在短路开始后500μs达到5kA时，电阻曲线在这一时刻过渡到一个剧增的上升段并且保持大约300μs时段的基本上大于100mΩ的电阻值。在短路开始后900μs限制器电阻又回落到一个大约15mΩ的低阻值并且接着减小到其初始值。

通过由按照图1所示的断路器和限流器构成的装置的特性和按照图2至4所示将PTC-限制器1作为限流器这一设计的组合，实现了，在电弧从所述分支电路反向地换向到所述主电路时在十分之几毫秒内通过电流去载将所述限制器1从所述高阻值的、也就是说接通的状态调回到所述低阻值状态。在开关电弧重新从所述主电路换向到所述分支电路时所需附加电压值是瞬时电流和所述限制器1的复位电阻的乘积。

在图4所示的示例中，所述复位电阻大约是所述冷态电阻的2至4倍。为了使复位电阻大约为10mΩ时所述附加的换向电压不超过例如50V，为此不允许所述短路的允通电流超过5kA。这意味着，所述PTC-限制器1的复位电阻要根据所述允通电流的强度和最大换向电压来设计。

图5以与图1所示内容相类似的方式表示一个带有一个PTC-限制器1的断路器20。主要区别是，所述断路器20的开关部件30是对称结构并且具有一个活动桥32和一个带有各自的导轨36、36′和一些灭弧栅片29、29′的双室21、28以及21′、28′，以及所述限制器连接该对称布置的灭弧室。所述功能构件的名称基本与图1一致。

与图1相同，在图5中也是通过将所述限流器1连接在所述断路器20的分支电路中达到只有在开关操作时才有电流流过该限流器1。所述灭弧室电路作为该分支电路在所述活动桥式触头32断开后通过电弧从所述活动桥32换向到所述相邻的导轨29记29′上被接通。

在图5中，所述限流器本身具有一个壳体50，该壳体50被安装到所述断路器20的壳体30上并且包含一个用于机械地操纵所述锁扣机构24的加长部分52。

当未连接有所述限制器1时，所述断路器20就包含一个用于连接所述两个导轨36、36′的导轨桥39。在图5中所述活动桥32处于接通位置中时以实线表示，而处于断开位置中时以点划线表示。所述电路从其中一个接线端子47、47′转入到所述断路器20的驱动部件40，该驱动部件40对应于图1包括所述锁扣机构24、过流脱扣器25以及短路脱扣器26。因此在发生短路时，所述短路脱扣器26可以立即断开所述断路器20的活动桥32。

将所述限制器1连接在所述为活动桥32配设的作为电弧滑轨的两个导轨36、36′的一个连接部位上。当在两个灭弧室中所述电弧起始端从所述桥式触头换向到所述相邻的导轨上时，才有电流流过所述限制器1。由于必要的同时的电弧换向，所需的附加电压通过在所述限制器1上的电压降分配到两个断路间隔上。这种分配效果也使得即便在经过一次电弧反向换向到所述活动桥上之后，所述电弧重新从所述主电路换向到所述分支电路的过程变得更容易进行。

所述双断路还起到另外的作用：只有当两个灭弧室中的开关电弧都反向回移时，所述开关电弧才能从所述分支电路向回移动到所述主电路上。

作为防止电弧反向换向的特殊措施，可通过设计所述导轨36及36′的形状，创建出一个与各自的灭弧栅片室21及21′和所属的前室区域28及28′尽可能屏蔽开来的区域34、34′，该被屏蔽的区域在所述开关装置处于断开状态中时容纳所述桥式触头23、23′。

在图6中，在与所述活动桥32的断开位置对应配设的导轨36、36′中设置一个穿孔38及38′，这一情况可以从图7所示的俯视图中清楚地看到。通过在所述导轨36、36′中的穿孔38及38′，所述处于断开位置中的活动桥32相对于灭弧栅片29及29′和所属的前室区域28及28′被屏蔽开来，从而避免了将电弧往回点燃在所述活动桥32上。由此保证，在所述前室区域28及28′中产生逆弧时不会中断所述限制器的功能。

如上述已提到的，图6表示处于断开位置中的活动桥，其中，桥式触头23、23′与固定触头22、22′之间的距离明显大于所述导轨36、36′与该固定触头之间的距离。产生了一个支持电弧正向换向的电弧燃烧电压差，该电弧燃烧电压使电弧反向换向变得困难。

通过所述导轨36、36′的起屏蔽作用的几何形状，防止了电弧等离子区可能从灭弧栅片室21、21′或前室区域28、28′直接移动到所述活动桥32上，以及防止了从活动桥32到所述导轨36、36′或到固定触头22、22′的飞弧熄灭。

从图7可清楚地看到，所述活动桥32在断开运动过程中被导引通过所述穿孔38、38′。通过所选择的几何形状以公知的方式建立一个磁场，通过该磁场促使所述电弧达到穿孔的两侧棱边并在该两侧棱边上被划分。用于移动所述活动桥32的桥形支架45同时在所述双断路点的断路器20的两个灭弧室之间起到电绝缘的作用。

在借助于图5至7所阐述的实施例中，所述断路器尤其可设计为一个可以连接一个限制器的单独开关装置。为此，所述限制器的连接端通过一个导轨桥连接。而在所述断路器和限制器构成的组合中在需要时可设置一个用于对所述断路器进行通断操纵的机械的加长段52。

作为将所述限制器附加地安装到断路器上的替代方案，也可以为一个强电流型式的断路器配设一个集成到其开关壳体中的限制器。

借助于上述实施例业已表示出，一个断路器尤其适合用于按照本发明的开关装置与一个适合的限流器的组合中。但相应地也可以采用一个接触器或一个半导体开关作为开关装置。但尤其在无电弧地开关操作时还是需要电弧开关元件。

另外，为了实际中实施本发明，所述开关装置和限流器可以有利地借助一些系统技术元件捆绑起来。例如所述电流换向可以通过绝缘介质、如在主电路/接触部位上的可移动的滑板、盖板来改善。本发明在单一断路点和/或双断路点的接触装置上的应用也是很清楚的。其中，可以使开关触点以直线运动方式断开，但也可以使之以转动方式实施断开运动。作为上面借助于附图所详细阐述的上述限流器的补充或替代，也可以采用一个带有附加灭弧室/触点的限制器或一个固体限制器。为了尽早识别短路可以使用一些专门的快速脱扣器、例如压电元件，以便小功率地转接到分支电路上。最后还可以采用一种电子脱扣器。

在上述装置中，也可以借助于用于监测开关状态和/或触头寿命的监测器或残余寿命显示器以及通过累加短路次数来显示限制器使用寿命的显示器来实现一种通讯交流。

Claims (25)

1.一种用于运行带有至少一个主电路和与该主电路相配置的分支电路的开关装置的方法，所述开关装置例如是断路器、接触器、半导体开关或类似器件，其中，利用一个可接通的限流器(限制器)在施加强电流负载的情况下从非限流运行状态切换到限流运行状态并且建立一个开关操作电压，其特征在于，在从所述限流运行状态转换到所述非限流运行状态时采取了使限流器复位的措施。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，采用了一个带有一个灭弧装置的断路器作为所述开关装置，以及在这个带有一些导轨和一个灭弧室的断路器的分支电路中安装了所述限流器，其特征在于，采取了防止所述电弧从所述分支电路反向换向到所述主电路上的措施和/或在所述电弧反向换向时使所述限流器复位的措施。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电弧通过从所述主电路换向到所述分支电路上同样地切断所述主电路并接通所述分支电路。

4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述电弧换向到所述灭弧室中时不必消除限流器的开关操作电压。

5.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，选择一个每个开关极具有两个灭弧室的双断点的断路器。

6.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，采用一个PTC-限制器作为限流器，其在复位到非限流运行状态时的复位电阻是根据所述允通电流和最大换向电压来选择设计的。

7.按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，将包含所述限流器的开关装置连接到一个带有一些用于所述开关装置的开关状态和/或开关触头特性的通讯手段的开关设备中。

8.一种用于实施如权利要求1至7之一所述方法的装置，该装置具有一个开关装置和一个位于该开关装置的分支电路中的限流器，所述开关装置包含所述开关触头和与这些触头对应配设的电弧导轨以及一个灭弧室，其特征在于，在所述开关装置(20)和/或限流器(1)中具有一些用于防止安装在该开关装置(20)的分支电路中的限流器(1)发生开关故障的器件。

9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，所述限流器(1)是一个PTC-限制器，其中，在施加压力的情况下在两个金属的电极(10)之间安设了一个由可导电的聚合物制成的电阻支架(5)。

10.按照权利要求9所述的装置，其特征在于，所述限流器(1)具有带有成型轮廓的电极(10，15)并在所述电阻支架(5)中具有与该成型轮廓互补的表面轮廓(7)。

11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电极(10)的成型轮廓高度界于0.1mm至0.5mm之间。

12.按照权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述成型轮廓的侧面相对于所述电极表面(11)是倾斜的。

13.按照权利要求12所述的装置，其特征在于，所述电极的相互对置的成型轮廓侧面相对于所述电极表面(11)是锥形的。

14.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，所述限流器(1)连接在所述断路器(20)的两个外导轨(36、36′)的一个连接部位上。

15.按照权利要求14所述的装置，其特征在于，当在所述断路器(20)的两个灭弧室中所述电弧起始端从所述桥式触头(23、23′)换向到所述相邻的导轨(36、36′)上时，才有电流流过所述限制器(1)。

16.按照权利要求14或15所述的装置，其特征在于，作为防止电弧反向换向的措施，所述导轨(36、36′)相对于所述灭弧栅片室(21、21′)和所述前室区域(28、28′)将所述桥式触头(23、23′)屏蔽。

17.按照权利要求16所述的装置，其特征在于，这样设计所述断路器(20)的活动桥(32)，使得当该活动桥处于断开位置时，所述桥式触头(23、23′)与固定触头(22、22′)之间的距离大于所述导轨(36、36′)与该固定触头(22、22′)之间的距离。

18.按照权利要求16或17所述的装置，其特征在于，通过所述导轨(36、36′)的起屏蔽作用的几何形状防止电弧等离子区从所述灭弧栅片室(21、21′)或前室区域(28、28′)移动到所述活动桥(32)上。

19.按照权利要求14至18之一所述的装置，其特征在于，用于移动所述活动桥(32)的所述桥形支架(45)在所述断路器(20)的两个灭弧室(21、21′)之间起到电绝缘的作用。

20.按照权利要求14至18之一所述的装置，其特征在于，所述开关装置设计为一个可以连接一个限流器(1)的单独开关装置(20)。

21.按照权利要求20所述的装置，其特征在于，所述限流器(1)的连接端通过一个导轨桥(39)连接在所述开关装置(20)上。

22.按照权利要求21所述的装置，其特征在于，在将所述限流器(1)连接在所述分支电路中时，所述导轨桥(39)被该限流器(1)替代。

23.按照权利要求22所述的装置，其特征在于，所述限流器(1)设置在一个自身的壳体(50)中。

24.按照权利要求23所述的装置，其特征在于，所述限流器壳体(50)可以附加地安置在所述开关装置壳体(20)上。

25.按照权利要求24所述的装置，其特征在于，在所述限流器(1)的壳体(50)中设置一个用于对所述开关装置(20)进行通断操作的机械加长段(52)。

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