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Die
Erfindung betrifft eine weiterentwickelte Kurzschließeinrichtung
für den
Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz,
umfassend ein Schaltelement, welches vom Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung
betätigbar
ist, zwei sich gegenüberliegende
Kontaktelektroden mit Mitteln zur Stromzuführung, wobei diese an einen
Stromkreis mit Anschlüssen
von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind, weiterhin die
Kontaktelektroden unter mechanischer Vorspannung stehend im Kurzschlussfall
federkraftunterstützt eine
Relativbewegung zueinander ausführen,
ein Opferelement als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden
sowie mit einer elektrischen Verbindung zwischen dem Opferelement
und dem Schaltelement einerseits und einer der Kontaktelektroden andererseits,
um eine stromflussbedingte thermische Zerstörung des Opferelements gezielt
herbeizuführen,
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einleiten eines Kurzschlusses
in Nieder- und Mittelspannungsanlagen mit einer Kurzschließeinrichtung.
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In
elektrischen Schalt- und Verteileranlagen können verschiedene Fehler eintreten,
die nicht unmittelbar zum Ansprechen bzw. nur zu einem verzögerten Ansprechen
vorhandener Überstrom-Schutzeinrichtungen
führen.
Beispielhaft seien hier Störlichtbögen erwähnt. Ähnliche
Probleme treten insbesondere hinsichtlich des Personenschutzes durch betriebsbedingte
oder auf Fehler zurückzuführende Potentialdifferenzen
auf. Solcherart Fehler können zu
extremen Sachschäden,
aber auch Personenschäden
führen.
Zur Begrenzung der Schäden
ist neben einer sehr schnellen Erfassung des Fehlers auch dessen
rasche Abschaltung erforderlich.
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Für die schnelle
Erfassung verschiedener Fehlerfälle
gehören
verschiedenste Lösungen
zum Stand der Technik.
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Verwiesen
sei hier beispielsweise auf die
DE 43 31 992 A1 , die eine gegen Störlichtbögen gesicherte
zellenartige Schaltanlage zur Verteilung elektrischer Energie offenbart.
Auch in der
DE 43 45
170 A1 ist eine Störlichtbogen-Schutzeinrichtung
für Schaltanlagen
beschrieben, wobei dort das eigentliche Schalt- oder Schutzgerät von einem
Signal aus einer UND-Verknüpfung
mindestens eines lichtempfindlichen Sensors und eines lichtunempfindlichen Sensors
betätigt
wird. Der eigentliche Kurzschließer umfasst eine Spule, wobei
der Kurzschließer
infolge der Kräfte,
die durch den Induktionsstrom in unter einem Vakuum stehenden becherartigen
Metallteilen entstehen, einen metallischen Kurzschluss zwischen den
kurzzuschließenden
Teilen erzeugt. Die Energiespeicherquelle und die Spule sollen so
bemessen werden, dass der erwähnte
metallische Kurzschluss in einer Zeit zwischen 0,1 ms und 2 ms erfolgt.
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Bei
einem Kurzschließer
zur Verwendung in Anlagen zur Verteilung elektrischer Energie gemäß
DE 197 46 815 A1 ist
ein direkt von einem Gasgenerator angetriebenes kurzschließendes Element
mit einem Kurzschließerkolben
vorgesehen. Der dortige Kurzschließerkolben soll unabhängig von
Fertigungstoleranzen eine optimale Stossbewegung ausführen und
gleichzeitig transportgesichert sein.
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Weitere
typische Kurzschließer
des Standes der Technik sind beispielsweise in der
DE 94 19 141 U1 ,
DE 197 46 815 A1 sowie
DE 42 35 329 C2 beschrieben.
Hierbei wird zwischen mehrfach verwendbaren und einmalig wirkenden
Einrichtungen unterschieden. Wieder verwendbare Kurzschließer sind sehr
aufwendig und kostenintensiv. Bei einmalig wirkenden Kurzschließern wird
im Allgemeinen eine Sprengladung oder ein Gasgenerator zum Aufeinanderzubewegen
der Elektroden eingesetzt, was verständlicherweise besondere Schutzmaßnahmen
bei der Herstellung, dem Transport und dem Einsatz nach sich zieht.
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Gemäß der
DE 42 35 329 A1 gehört eine Kurzschlusseinrichtung
zum Stand der Technik, welche aus mindestens einem Schaltelement
besteht, das mit einem Auslösesignal
einer Fehlererkennungseinrichtung betätigt wird. Der dort vorgesehene Kurzschließer umfasst
mindestens zwei das Schaltelement zwischen sich aufnehmende Elektroden
und weist stromführende
Teile oder Bereiche auf. Infolge des sowohl in dem Schaltelement
als auch in dem Kurzschließer
direkt fließenden
Stroms in den stromführenden
Teilen wird mindestens ein bewegbarer oder deformierbarer stromführender
Bereich gegen die Elektroden gedrückt und somit ein metallischer Kurzschluss
erzeugt. Bei dieser bekannten Kurzschlusseinrichtung sind die Ansprechzeiten
unzureichend und es ist die konstruktive Gesamtanordnung unter Fertigungsaspekt
sehr kostenintensiv.
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Bei
der Lehre gemäß Patentschrift
DE 103 13 045 B3 wird
eine Kurzschließeinrichtung
für den Einsatz
in Nieder- und Mittelspannungsanlagen vorgestellt, welche ebenfalls
ein Schaltelement umfasst, welches von einem Auslösesignal
einer Fehlererfassungseinrichtung betätigt wird. Nach der dortigen
Erfindung ist das Schaltelement eine triggerbare Überspannungs-Schutzeinrichtung,
welche durcheinen Strom- oder Spannungsimpuls zum Ansprechen bringbar
und im Fehlerfall zerstörbar
ist. Mindestens eine der die Überspannungs-Schutzeinrichtung
aufnehmenden Elektroden steht unter mechanischer Vorspannung und
ist in Richtung auf die gegenüberliegende
Elektrode bewegbar, wobei die Überspannungs-Schutzeinrichtung
einen Elektrodenabstandshalter bildet, welcher im Fall der Zerstörung ein In-Kontakt-Kommen
der Elektroden zur Kurzschlussbildung ermöglicht.
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Das
vorerwähnte
Schaltelement kann eine Reihenschaltung aus einer triggerbaren Überspannungs-Schutzeinrichtung
und einer Einrichtung mit einstellbarem oder definiertem Schmelzintegral
sein. Bei dieser Reihenschaltung kann im Fehlerfall lediglich die
Einrichtung mit dem definierten Schmelzintegral zerstört werden.
In einer Ausführungsform
ist die vorerwähnte
Einrichtung eine Glasrohr-Sicherung, ein linearer oder nichtlinearer
Widerstand, ein Varistor, ein niedrigschmelzendes Metall oder eine
Metall-Legierung, eine halbleitende oder leitende Keramik, ein derartiges
Glas oder Ähnliches.
Zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung und der Elektrodenrelativbewegung
wird gemäß
DE 103 13 045 B3 eine
Zug- oder Druckfeder verwendet. Auch ist gemäß der diesbezüglichen
Lehre des Standes der Technik eine Ausführungs form der Elektroden als Topf
mit einer Gegenelektrode geläufig,
die eine in den Topf eintauchende Stempelform besitzt.
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Es
hat sich jedoch im Ergebnis weiterer Untersuchungen gezeigt, dass
der Ausführung
und Optimierung des Opferelements für die funktionalen Eigenschaften
des Kurzschließers
eine große
und außerordentliche
Bedeutung zukommt. Grundsätzliches
Ziel der Optimierung einer Kurzschlusseinrichtung ist es, eine möglichst
schnelle Schließbewegung
der Hauptkontakte und eine sehr geringe Belastung des Schaltelements
zu erreichen, wobei das Opferelement diese beiden Parameter wesentlich
beeinflusst.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Kurzschließeinrichtung
für den
Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz
anzugeben, wobei diese Kurzschließeinrichtung über ein kostengünstig zu
fertigendes Opferelement verfügen soll,
welches zu einer minimierten Belastung des Schaltelements führt und
das eine möglichst
hohe elektrische Leitfähigkeit
zur Minimierung der Kommutierungszeit bei gleichzeitiger hoher mechanischer Festigkeit
zum Einsatz einer hohen Federkraft mit dem Ziel einer Reduzierung
der Bewegungszeit besitzt.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Kurzschließeinrichtung
gemäß der Merkmalskombination
nach Patentanspruch 1 oder 12, wobei ergänzend auf ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Einleitung eines Kurzschlusses in Niederspannungsanlagen unter
Verwendung der erfindungsgemäßen Kurzschließeinrichtung
verwiesen wird.
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Bei
der erfindungsgemäßen Kurzschließeinrichtung
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung für
den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und
Personenschutz umfasst diese ein Schaltelement, welches vom Auslösesignal
einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbar ist. Weiterhin sind
zwei sich gegenüberliegende
Kontaktelektroden mit Mitteln zur Stromzuführung vorgesehen, wobei die
Kontaktelektroden an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem
Potential kontaktierbar sind.
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Weiterhin
führen
die Kontaktelektroden, unter mechanischer Vorspannung stehend, im
Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Relativbewegung zueinander
aus.
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Das
Opferelement, welches als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden
vorgesehen ist, steht in elektrischer Verbindung mit dem Schaltelement
einerseits und einer der Kontaktelektroden andererseits, um eine
stromflussbedingte thermische Zerstörung gezielt herbeizuführen.
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Erfindungsgemäß ist das
Opferelement als dünnwandiger
Hohlzylinder aus einem hochschmelzenden metallischen Material ausgeführt.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung besteht die Möglichkeit,
im Hohlzylinder eine elektrisch leitfähige Substanz aufzunehmen.
Der Hohlzylinder ist ein Gebilde aus einem druckfesten Material,
wobei die vorerwähnte
Füllung
als beispielsweise niedrigschmelzendes Metall ausgeführt wird.
Zur Vermeidung eines zu hohen Schmelzintegralwerts kann anstelle
einer partiellen Befüllung
auch eine isolierende Schicht mit geringer mechanischer bzw. auch
geringer Temperaturbeständigkeit
zwischen dem Hohlzylinder und der eigentlichen leitfähigen Substanz
angeordnet werden.
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Bei
der gewünschten
Zerstörung
des Opferelements, d.h. des Hohlzylinders, wird die im Inneren befindliche
Substanz freigesetzt und kann bereits vor Schließung bzw. vollständigem Berühren auch
ohne mechanische Bewegung der Hauptkontakte einen elektrisch leitfähigen Kurzschluss
realisieren oder einen solchen Kurzschluss unterstützen.
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Der
Hohlzylinder kann in Ausnehmungen der Kontaktelektroden eingesetzt
und geführt
werden, so dass ein geringer Übergangswiderstand
gegeben ist.
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Bei
einer Variante der ersten Ausführungsform
der Erfindung ist in der feststehenden Kontaktelektrode ein Isolierkörper und
eine Hilfselektrode befindlich, wobei die Hilfselektrode mit dem
Opferelement in Verbindung steht.
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Die
sich gegenüberstehenden
Seiten der Kontaktelektroden bzw. die gegenüberliegenden Flächen können eine
komplementär
konische Form mit sich ergebender zentrierender Wirkung bei dem
Inkontaktkommen im Kurzschlussfall aufweisen.
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Bevorzugt
ist das Verhältnis
zwischen dem Durchmesser und der Wandstärke des Hohlzylinders größer 10 :
1 gewählt.
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Durch
definierte Strukturen oder Wandstärkeschwankungen im Hohlzylinder
können
sich Strompfade ausbilden, mit der Folge einer ungleichmäßigen Erwärmung bei
Strombelastung und einer Deformation mit einhergehendem Verlust
der mechanischen Festigkeit. Es bleibt in diesem Fall in vorteilhafter
Weise die leitfähige
Verbindung zwischen den Kontaktelektroden erhalten, jedoch sinkt
die mechanische Widerstandskraft des Hohlzylinders, so dass unter
Wirkung der Federkraft der Kurzschließer schnell in einen Schließzustand überführt werden kann.
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Zwischen
den Kontaktelektroden ist ein Hohlraum ausbildbar, um Teile des
zerstörten
Opferelements aufzunehmen, und zwar ohne dass die gewünschte niederohmige
Kontaktverbindung im Kurzschlussfall beeinträchtigt wird.
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Zwischen
den Kontaktelektroden kann ein im geschlossenen Zustand wirksamer
Entlüftungskanal oder
eine Entlüftungsbohrung
wirksam sein, um zu verhindern, dass durch einen Druckanstieg im
Kurzschlussfall, insbesondere bei der Entstehung eines Lichtbogens
Kräfte
entstehen, die dem Aufeinanderzubewegen der Kontaktelektroden schließverzögernd entgegenwirken.
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Die
Einrichtung zur Erzeugung der Vorspannkraft kann als Druckfeder,
Tellerfeder oder dergleichen Federanordnung ausgeführt werden.
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Gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung ist das Opferelement ein Draht oder Stab aus einem
leitfähigen
Material mit niedrigem Schmelzintegral, wobei das Opferelement auf
Zug unter mechanischer Vorspannung steht.
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Bei
dieser Ausführungsform
der Erfindung ist es von Vorteil, zwischen den Kontaktelektroden
labyrinthartige, ineinander greifende Dichtelemente vorzusehen,
um bei einer Lichtbogenbildung und Druckentwicklung eine Bewegungsunterstützung der
kolbenartigen, beweglichen Kontaktelemente zu erreichen.
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Die
bewegliche Kontaktelektrode kann bei einer Ausgestaltung der zweiten
Ausführungsform der
Erfindung eine Kontaktbrücke
zwischen zwei elektrischen Anschlüssen bilden.
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Wiederum
ausgestaltend kann die bewegliche Kontaktelektrode als Verdrängungsstempel
ausgeführt
werden, welcher mit einer festen Topf-Kontaktelektrode zusammenwirkt,
wobei in der Topf-Kontaktelektrode eine leitfähige, niedrigschmelzende Substanz
befindlich ist, welche beim Eintauchen des Stempels eine ergänzende elektrische
Brücke
zwischen den sich gegenüberliegenden
Kontaktabschnitten bildet. In diesem Fall wird also die niedrigschmelzende
Substanz aus dem Topfbereich der entsprechenden Elektrode herausgedrängt und
gelangt in den verbleibenden Spalt der sich gegenüberliegenden
Kontaktelektroden.
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Bei
dem Verfahren zur Einleitung eines Kurzschlusses in Niederspannungsanlagen
unter Verwendung der Kurzschließeinrichtung
gemäß der Erfindung
wird von einer gestaffelten Zuschaltung der Kurzschließeinrichtung
ausgegangen.
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Zunächst erfolgt
hier ein kurzzeitiges Ansteuern des Schaltelements nach Erfassung
eines Störungsfalls.
Es wird dann eine Begrenzung des Kurzschlussstroms durch das Schaltelement
mittels Opferelement und die Impedanz der Anschlüsse erreicht mit einem anschließenden Kommutieren
des Stroms vom Fehlerort zum Kurzschließer.
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Der
Kurzschlussstrom wird dann nach einer vorgegebenen Zeit durch das
Schaltelement unterbrochen und es wird die Anlage erneut mit Netzspannung
belastet.
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Im
Fall einer ausreichenden Wiederverfestigung der Fehlstelle bleibt
die Versorgung der Anlage erhalten. Die Kurzschließeinrichtung
meldet den aufgetretenen Fehler und weist damit auf eine notwendige Überprüfung der
Anlage hin.
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Bleibt
allerdings der Fehlerfall bestehen, wird das Schaltelement des Kurzschließers erneut
und dauerhaft angesteuert. Das Opferelement des Kurzschließers wird
in diesem Fall überlastet
und es erfolgt das Erzeugen eines dauerhaften metallischen Kurzschlusses,
welcher eine Abschaltung der Anlage erzwingt.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
der Kurzschließeinrichtung
mit druckbelasteter beweglicher Kontaktelektrode und hohlzylindrischem
Opferelement;
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2 eine
Ausführungsform
analog 1, jedoch mit einem hohlzylindrischen Opferelement, welches
mindestens teilweise mit einer leitfähigen Substanz gefüllt ist:
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3 eine
erste Variante der zweiten Ausführungsform
der Erfindung mit zugbelastetem Stab oder Draht als Federelement;
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4 eine
zweite Variante der zweiten Ausführungsform
der Erfindung mit zugbelastetem Opferelement;
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5 eine
dritte Variante der zweiten Ausführungsform
der Erfindung mit zugbelastetem Opferelement;
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6 eine
vierte Variante der zweiten Ausführungsform
der Erfindung mit zugbelastetem Opferelement und einer Topf-Elektrode,
welche eine zu verdrängende
leitfähige
Substanz aufweist, und
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7 ein
Blockschaltbild zur Erläuterung des
Verfahrens zum Einleiten eines Kurzschlusses in Niederspannungsanlagen
mit gestaffelter Zuschaltung.
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In
den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
werden für
gleiche oder gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Gemäß den Ausführungsbeispielen
kommt dem Opferelement 5 eine besondere Bedeutung bezüglich der
effektiven Wirkungsweise der Kurzschließeinrichtung zu. Ziel der Optimierung
der Kurzschließeinrichtung
ist es, eine möglichst
schnelle Schließbewegung
der Hauptkontakte und eine sehr geringe Belastung des Schaltelements
zu erreichen. Die Geschwindigkeit der Schließbewegung der Hauptkontakte
wird neben dem Kontaktabstand, der Masse des bewegten Kontakts,
der wirksamen Gegenkräfte
auch wesentlich durch die Kraft-Weg-Kennlinie der eingesetzten Feder 4 bestimmt.
Je höher
die Anfangskraft im gespannten Zustand und je höher die Restkraft im geschlossenen Zustand
des Kurzschließers
ist, desto kürzer
wird die Schließzeit
der Hauptkontakte.
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Die
Masse des bewegten Kontakts und die Federkraft wirken im gespannten
Zustand permament auf das Opferelement und erfordern eine gewisse
mechanische Festigkeit.
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Andererseits
soll das Opferelement möglichst
bereits infolge einer geringen Energiezufuhr überlastet werden und die gewünschte Bewegung des
entsprechenden Hauptkontakts, d.h. der jeweiligen Kontaktelektrode
bewirken. Bis zur Stromkommutierung des Fehlerstroms auf die Hauptkontakte wird
das Schaltelement mit dem Fehlerstrom belastet. Je geringer diese
Belastung ist, desto geringer können
die Kosten für
das Schaltelement gehalten werden. Neben den Kosten und dem Schutz
des Schaltelements soll eine schnelle Überlastung des Opferelements
auch einer raschen Verringerung der Impedanz des Kurzschlusspfads
dienen, da nach dem Schließen
der Hauptkontakte ein rein metallischer Kurzschluss realisiert ist.
Damit wird die Impedanz des Schaltelements sowie eventuell die vorhandene
Impedanz des Lichtbogens und der im Wesentlichen ohmsche Widerstand
des Opferelements aus dem Fehlerstromkreis eliminiert.
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Die
erfindungsgemäßen Opferelemente
besitzen folgende Eigenschaften. Es liegt ein geringes Schmelzintegral
(I2t-Wert) des Materials zur Minimierung
der Belastung des Schaltelements vor. Die Opferelemente weisen eine
hohe elektrische Leitfähigkeit
zur Minimierung der Kommutierungszeit auf und besitzen eine hohe
mechanische Festigkeit zum Einsatz einer hohen Federkraft mit Blick
auf eine gewünschte
Reduzierung der Bewegungszeit der Kontaktelektroden. Weiterhin liegt
nur eine geringe Lichtbogenspannung bei der Zerstörung des
Opferelements für
die Realisierung einer kurzen Kommutierungszeit vor. Kräfte, welche
der mechanischen Bewegung entgegenwirken, wie z.B. ein entstehender Druckanstieg,
werden vermieden oder reduziert. Das Zerstörungsverhalten des insbesondere
hohlzylindrischen Materials ist so ausgelegt, dass keine Beeinträchtigung
der mechanischen Bewegung der Kontaktelektroden erfolgt.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt, ist das Opferelement 5 als
dünnwandiger
Hohlzylinder ausgeführt.
Als Material für
den Hohlzylinder eignen sich insbesondere aufgrund der hohen mechanischen
Festigkeit Stähle
oder Eisenlegierungen. Materialien mit hohen spezifischen Schmelzintegralwerten,
wie z.B. Kupfer oder Silber, führen
bei ausreichender mechanischer Festigkeit zu einer vergleichsweise
höheren
Belastung des Schaltelements.
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Die
dünnwandige
Hohlzylinder-Geometrie ist so gewählt, dass das Verhältnis von
Durchmesser zur Wandstärke
im Wesentlichen größer 10 :
1 ist. Diese Geometrie besitzt gegenüber einem Vollzylinder desselben
Materials bei gleichem Schmelzintegral eine deutlich höhere mechanische
Festigkeit. Dies erlaubt es, höhere
Federkräfte
vorzugeben und sichert schnellere Schließzeiten der Kontaktelektroden.
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Gegenüber Vollmaterial
besitzt der erfindungsgemäße Hohlzylinder
insbesondere bei Durchmessern von mehreren Millimetern einen weiteren, nachstehend
erläuterten
Vorteil.
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Infolge
von geringen Unsymmetrien bei der Stromaufteilung auf bzw. im Hohlzylinder
erwärmt und
schmilzt der Hohlzylinder selbst bei hohen Strombelastungen und
kurzen Schmelzzeiten ungleichmäßig. Dieser
Effekt kann bewusst durch den Stromübergang an den Kontaktstellen
bzw. durch eine Strukturierung des Zylinders gefördert werden. Prinzipiell sind
auch strukturelle Materialbeeinflussungen oder aber auch der Einsatz
von Verbundmaterial denkbar.
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Diese
ungleichmäßige Erwärmung führt bei kleinen
bis mittleren Strombelastungen (Schmelzzeiten Minuten bis einige
wenige Millisekunden) zur Deformation des Hohlzylinders. Der Hohlzylinder
verliert also bei diesem Prozess nahezu schlagartig seine mechanische
Festigkeit, wodurch es zum Zusammendrücken des Zylinders und zum
Schließen
der Hauptkontakte des Kurzschließers kommt. Diese Art des Schließvorgangs
ist sehr vorteilhaft, da der Vorgang selbst im Kurzschließer ohne
nennenswerten Lichtbogen abläuft.
Es entsteht daher keine zusätzliche
Impedanz und keine Druckwelle, welche womöglich bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung der Kontaktschließung
entgegenwirkt.
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Bei
höheren
Strömen
schmilzt bzw. verdampft der Hohlzylinder ebenfalls nicht gleichmäßig, wodurch
einzelne metallische Brücken
bestehen bleiben und somit das lichtbogenfreie Verhalten des Kurzschließers bis
weit in den kA-Bereich
erhalten bleibt.
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Ein
Lichtbogen entsteht hier quasi erst dann, wenn der Hohlzylinder
komplett verdampft ist und die Hauptkontakte womöglich noch nicht vollständig geschlossen
wurden.
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Für den Fall
einer Lichtbogenzündung
bei hohen Stromstärken
kann ein größerer Hohlraum bzw.
auch zusätzlich
eine Entlüftung
vorgesehen sein, welche den Druckaufbau und damit die entstehenden
Gegenkräfte
begrenzt.
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Die
Anordnung des Opferelements, der Hauptkontakte und der Gasströmung ist
so gewählt oder
gestaltet, dass bei einer Lichtbogenzündung der Lichtbogen sofort
von dem Hilfspfad mit dem Schaltelement 9 auf die beiden
Kontaktelektroden 2 und 6 kommutiert. Hierdurch
kann in diesem Fall das Schaltelement 9 bereits vor dem
Schließen
der Kontaktelektroden vom Stromfluss entlastet werden.
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Um
die Lichtbogenfreiheit auch bei höchsten Strömen zu gewährleisten, kann zusätzlich noch
eine weitere Stufe der Stromübernahme
vor dem Schließen
der Hauptkontakte realisiert werden. Hier ist die Verwendung eines
Schleifkontakts oder eines niedrigschmelzenden Materials möglich.
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Gemäß den Darstellungen
nach 1 und 2 ist demnach ein elektrisch
leitendes Gehäuse 1 mit
einem beweglichen Kontaktelektrodenelement 2 vorhanden,
das unter der Wirkung einer Feder 4 vorgespannt ist. Die
bewegliche Kontaktelektrode 2 ist gegenüber dem elektrisch leitenden
Gehäuse 1 mittels
einer Isolation 3 isoliert. Im Zentrum der festen Kontaktelektrode 6 befindet
sich ein Hilfskontakt 8 für das Schaltelement 9 sowie
ein Anschluß für das Schaltelement 9.
Weiterhin ist hier eine Isolation 7, hin zum elektrisch
leitenden Gehäuse 1 sowie
zur Kontaktelektrode 6 vorhanden.
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Mit
dem Bezugszeichen 10 ist eine leitfähige Substanz symbolisiert,
die als vollständige
oder partielle Füllung
des Hohlzylinder-Opferelements 5 verwendet werden kann.
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Bei
dieser Ausführungsform
nach 2 kann die leitende Substanz 10 z.B.
als niedrigschmelzendes Metall oder leitende Flüssigkeit ausgeführt werden.
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Wie
in den 3 bis 6 erkennbar, kann die Grundkonstruktion
des Kurzschließers,
wie in den 1 und 2 gezeigt,
vom Wirkprinzip her invertiert werden.
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Gemäß 3 ist
das Opferelement 5 nicht auf Druckfestigkeit durch die
Federvorspannung belastet, sondern es findet eine Beanspruchung
auf Zug statt.
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Diese
Ausführungsform
ermöglicht
es, als Opferelement 5 preiswerte Drähte oder Stäbe einzusetzen. Das Opferelement
der zweiten Ausführungsform
weist neben der für
diese Gestaltung notwendigen hohen Zugfestigkeit ein niedriges Schmelzintegral
auf. An einer Führung 11,
die auch einen Übergangsbereich
zum Opferelement 5 bildet, ist eine Hilfselektrode 8 für das Schaltelement 9 und
ein entsprechender Anschluß vorgesehen.
Die Feder 4 besitzt gemäß 3 eine
Führung 12,
die mit einem Element 13 zur Kraftübertragung für die bewegliche Kontaktelektrode 14 genutzt
wird.
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Die
Elemente 12 und 13 bilden eine Labyrinthdichtung
mit der Folge, dass bei einer Druckerhöhung im Dichtungsinnenraum
eine Bewegungsunterstützung
der kolbenartigen beweglichen Kontaktelektrode 14 gewährleistet
ist.
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Durch
den Einsatz von zugfesten Drähten, z.B.
aus Stahl, lassen sich sehr geringe Schmelzintegrale des Opferelements 5 bei
sehr hohen Federkräften
erzielen. Dies erlaubt den Einsatz preiswerter Schaltelemente 9 und
es können
sehr geringe Schaltzeiten der Kontaktelektroden erzielt werden.
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Im
Gegensatz zu den Ausführungsvarianten gemäß den 1 und 2 wirkt
die durch den Lichtbogen erzeugte Druckwelle bei den Varianten gemäß 3 bis 6 nicht
der Schließbewegung der
Kontaktelektroden entgegen, sondern kann zur Beschleunigung der
Bewegung genutzt werden, wie vorstehend unter Hinweis auf die kolbenförmige Gestaltung
eine der Kontaktelektroden dargelegt wurde. Es besteht aber alternativ
auch die Möglichkeit,
durch die Gestaltung der Teile 12 und 13 bei geeigneter
Materialwahl eine gleitkontaktähnliche
Anordnung zu erreichen, welche den Strom bis zum Schließen der Hauptkontakte
führt.
Hierzu ist bei einem dauerhaft leitfähigen Kontakt eine Abstimmung
der Stromverteilung zwischen Opferelement und den Teilen 12 und 13 erforderlich.
Es ist jedoch auch denkbar, dass die Teile 12 und 13 erst
nach einer minimalen Bewegung elektrisch kontaktiert werden bzw.
dass die Kontaktierung durch einen Spannungsüberschlag in Form Durchschlag
oder Gleitüberschlag
geringer Distanz infolge der Zündung
des Lichtbogens am Opferelement 5 erfolgt.
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Bei
den Ausführungsvarianten
gemäß Darstellung
nach 1 bis 3 und der notwendigen hohen
Stromtragfähigkeit
der Kontaktelektroden ist es unter Umständen problematisch, dass jeweils
eine Kontaktelektrode inklusive der Kontaktstelle beweglich auszuführen ist.
Dies führt
neben den hohen Ansprüchen
an die Kontaktstelle auch zu großen bewegten Massen und damit
zu hohen Kontaktkräften. Die
Masse und die notwendigen Kontaktkräfte können jedoch durch die Wahl
von geeigneten Materialien und konstruktiven Varianten reduziert
werden.
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Zusätzlich können auch
Konstruktionen Anwendung finden, bei denen die Stromkräfte die
Bewegung des bewegten Elements unterstützen.
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4 zeigt
eine Ausführungsvariante
mit drahtförmigem
Opferelement 5, und zwar mit dem Ziel der Reduzierung der
bewegten Masse, was prinzipiell auch bei den rohrförmigen Opferelementen, welche
unter Federdruck gemäß 1 stehen,
denkbar ist.
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Die
Kontaktelektroden 6 und 14 gemäß 4 sind fest
ausgeführt
und es wird lediglich eine bewegliche Kontaktplatte 15 verwendet,
welche eine Brücke
bezüglich
der Kontaktelektroden 6 und 14 bildet.
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Die
in 4 prinzipiell dargestellte Anordnung kann auch
koaxialsymmetrisch analog der Darstellung nach 5 realisiert
werden.
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Der
Vorteil bei dieser Ausführungsvariante besteht
in der kleinen zu bewegenden Masse der Kontaktplatte 15 und
den geringen Anforderungen hinsichtlich der Stromtragfähigkeit
sowie der dynamischen Belastung der Verbindung zwischen der Kontaktplatte 15 und
einer der festen Hauptelektroden 6 bzw. 14, die
im Fall der Ausführungsform
nach 5 zentrisch realisiert wurde.
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Prinzipiell
kann die Stromzuführung
zur Kontaktplatte bzw. zum Opferelement auch über einen Gleitkontakt von
einer der festen Elektroden aus erfolgen.
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Hierzu
besteht die Möglichkeit,
das Teil 15 elektrisch leitfähig über einen Gleitkontakt mit
der ersten festen Hauptelektrode 6 zu verbinden. Gemäß den Darstellungen
nach 5 und 6, die beispielhafte koaxiale
Aufbauten zeigen, ist die zweite feste Kontakt- bzw. Hauptelektrode 14 durch
ein Teil 7 gegenüber
dem Gehäuse 1 isoliert.
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Bei
der Anordnung nach 6 kann sich im Boden der zweiten
festen Hauptelektrode 14 noch ein niedrigschmelzendes Lot 10 oder ähnliches
Material befinden. Diese Lotsubstanz 10 kann bei Erwärmung zwischen
die feststehenden Kontakte 6 und 14 gedrängt werden,
wodurch sich die Größe der leitenden
Kontaktfläche
deutlich erhöht.
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Im
Falle der Darstellung nach 6 ist die feste
Hauptelektrode 14 als Topfelektrode ausgebildet, wobei
die bewegliche Kontaktplatte 15 beim Eintauchen in das
schmelzende Lot 10 dieses wie vorerwähnt verdrängt.
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Die
erläuterten
Kurzschließeinrichtungen
erlauben bei dem Einsatz eines selbstlöschenden Schaltelements wie
Funkenstrecken oder Thyristoren auch die Anwendung eines insbesondere
im Niederspannungsbereich sinnvollen Betriebsverfahrens zur Einleitung
eines metallischen Kurzschlusses.
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Im
Hoch- und Mittelspannungsbereich entstehen Kurzschlüsse in Anlagen
häufig
durch eine Alterung oder Verschmutzung der Isolationsstrecken als Überschlag
bzw. als Durchschlag. Diese Isolationsstrecken sind dauerhaft geschädigt und
würden bei
einer erneuten Zuschaltung der Netzspannung zu einem wiederholten
Fehlerfall führen.
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Bei
Niederspannung hingegen entstehen Kurzschlüsse häufig nur infolge von so genannten Wischern,
d.h. im Niederspannungsbereich resultieren Kurzschlüsse durch
kurzzeitig leitfähige
Verbindungen von verschiedenen Potentialen bzw. durch Verbindungen
mit einer nur sehr geringen Stromtragfähigkeit. Diese Verbindungen
können
durch herabfallende Teile, Tiere oder gesplissene Adern und Ähnliches
entstehen. Zum Teil verlöschen
entstehende Funken bzw. Lichtbögen
von selbst.
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Eine
dauerhafte Schädigung
der Isolation durch Alterung oder Verschmutzung als Ursache für Kurzschlüsse im Anlagenbereich
ist eher gering. Der Wartungsaufwand innerhalb der Anlagen entsteht häufig erst
infolge der Wirkung eines lang andauernden Störlichtbogens. Kann der Einfluss
des Störlichtbogens
hingegen stark begrenzt werden, ist es möglich, auf eine unmittelbare
Wartung häufig
zu verzichten. Aufgrund der Besonderheiten der Fehlerentstehung
und der Fehlerdauer in Niederspannungsanlagen ergibt sich für den Einsatz
eines Kurzschließers zur
Reduzierung der Wirkung von Störlichtbögen eine
besondere Situation.
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Bei
schnellwirkenden Kurzschließern
wird der Kurzschluss innerhalb der ersten Fehlerstrom-Halbwelle,
dauerhaft bis zur Abschaltung durch die vorgeordneten Schutzeinrichtungen,
eingeleitet. Die gesamte Anlage wird somit vom Netz getrennt. Hierdurch
entsteht mitunter bereits bei eventuell selbstverlöschenden
Wischern infolge der Abschaltung ein hoher Nutzungsausfall. Wird
die Zeitdauer des Ansprechen des Kurzschließers hingegen verzögert, erhöht sich
der Schaden an den Anlagen bei einem realen Schadensfall hingegen
beträchtlich. Zudem
entsteht ein drastisch höherer
Wartungsaufwand. Durch eine Verzögerung
des Kurzschließers ist
zudem ein eventuell angestrebter Personenschutz undenkbar.
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Durch
den Einsatz des erfindungsgemäßen Kurzschließers mit
Reihenschaltung aus Opfer- und Schaltelement kann den scheinbar
widersprüchlichen
Forderungen nach hoher Anlagenverfügbarkeit einerseits und einer
starken Schadensbegrenzung andererseits entsprochen werden.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip
des Verfahrens zur Einleitung eines Kurzschlusses beruht auf einer
gestaffelten Zuschaltung des Kurzschließers mit folgendem Zeitablauf.
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Nach
der Erfassung eines Störungsfalls,
z.B. einem Störlichtbogen
in der Anlage, wird das Schaltelement des Kurzschließers kurzzeitig
angesteuert. Der mögliche
Kurzschlussstrom durch das Schaltelement wird durch das Opferelement
und die Impedanz des Anschlusses sowie des Schaltelements begrenzt.
Der Strom kommutiert vom Fehlerort zum Kurzschließer. Nach
einer einstellbaren Zeit unterbricht das Schaltelement den Kurzschlussstrom
und die Anlage und der Fehlerort werden wieder mit Netzspannung
belastet. Im Falle eines Wischers und einer ausreichenden Wiederverfestigung
der Fehlerstelle bleibt die Versorgung der Anlage bestehen. Der Kurzschließer meldet
den aufgetretenen Fehler und weist somit auf eine notwendige Anlagenüberprüfung hin.
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Bleibt
der Fehlerfall bestehen, wird das Schaltelement des Kurzschließers erneut
und dauerhaft angesteuert. Das Opferelement des Kurzschließers wird
in diesem Fall überlastet
und ein dauerhafter metallischer Kurzschluss erzeugt, welcher eine Abschaltung
der Anlage erzwingt.
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Bei
der vorgestellten Lösung
wird das Opferelement so ausgelegt, dass bereits nach geringsten Strombelastungen
(niedrige I2t-Werte) ein metallischer Kurzschluss
erzielt werden kann. Die in diesem Fall eingesetzten Schaltelemente
müssen
damit nur eine sehr geringe Stromtragfähigkeit bzw. ein geringes Schaltvermögen aufweisen.
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Für eine Anwendung
des beschriebenen Verfahrens ist bei Beibehalten der Konstruktion
eine differenzierte Auslegung des Opferelements und des Schaltelements
empfehlenswert. Alternativ zu einer nahezu entgegengesetzten Optimierung
des vorgestellten Kurzschließers
kann dieser jedoch recht einfach durch einen parallel geschalteten
Pfad für
das erläuterte
Verfahren ertüchtigt
werden. Somit ist eine preisgünstige
und bedarfsgerechte Erweiterung des einfachen Kurzschließers jederzeit
zum Einsatz des erläuterten
Verfahrens möglich.
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7 zeigt
eine prinzipielle Darstellung bezüglich der Parallelschaltung
eines weiteren Pfades. Der zusätzliche
Parallelpfad besteht im Wesentlichen aus einem ansteuerbaren Schaltelement 17 mit
mittlerer bis hoher Stromtragfähigkeit
und Ausschaltvermögen.
Zusätzlich
kann eine Impedanz 16 vorgesehen sein. Mit Hilfe der Impedanz
ergibt sich die Möglichkeit,
die Höhe
des Kurzschlussstroms bzw. den Wert des Stromquadratimpulses, z.B.
mit nichtlinearen Impedanzen zu beeinflussen. Dies kann einerseits
sinnvoll sein, um bei dem ersten zeitlich begrenzten Durchschalten
des Schaltelements ein Ansprechen von möglichen Überstrom- bzw. Unterspannungsschutz-Einrichtungen
des Netzes zu vermeiden und andererseits um bei weniger leistungsstarken
Schaltelementen die maximale Belastung hinsichtlich Stromtragfähigkeit
und Löschfähigkeit nicht
zu überschreiten.
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Die
Höhe der
Impedanz 16 sollte jedoch einige 100 mΩ nicht überschreiten, da ansonsten
eine Kommutierung des Fehlerstroms zum Gesamtgerät (Kurzschließerpfad 1 und 2)
stark behindert wird. Vorzugsweise sollte die Impedanz kleiner als
wenige mΩ sein.
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Als
Schaltelement 17 sind insbesondere Halbleiterschalter,
z.B. Thyristoren bzw. IGBTs, aber auch triggerbare Vakuumschalter
und Funkenstrecken geeignet.