DE102007051613A1

DE102007051613A1 - Schalt- und Schutzeinrichtung, Schmelzsicherung, Schaltanlage/Verteilersystem, Stromschienenverteiler und Anschlusseinrichtung

Info

Publication number: DE102007051613A1
Application number: DE200710051613
Authority: DE
Inventors: Axel Gerlt; Jörg HASSEL; Vincent Holch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2009-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft elektrische Einrichtungen 1, 12, 16, 22, insbesondere eine Schalt- und Schutzeinrichtung 1, eine Schmelzsicherung 12, eine Schaltanlage/Verteilersystem, ein Stromschienenverteiler 16 und eine Anschlusseinrichtung 22, mit zumindest einer aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildeten Strombahn 6, 6a zum Leiten eines elektrischen Stroms. Um den Platzbedarf der Strombahn 6, 6a zu verringern, ohne die Erwärmung zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass das elektrisch leitfähige Material der Strombahnen 6 zumindest teilweise CNT umfasst und die CNT derart ausgerichtet sind, dass die Leitfähigkeit in Stromflussrichtung größer als quer zur Stromflussrichtung ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalt- und Schutzeinrichtung, eine Schmelzsicherung, eine Schaltanlage/Verteilersystem, ein Stromschienenverteiler und eine Anschlusseinrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5 bis 8.
Schalt- und Schutzeinrichtungen sind insbesondere als Niederspannungs-Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schütze, Überlastrelais und/oder Lasttrennschalter bekannt. Sie dienen zum Schalten eines elektrischen Stroms, um insbesondere elektrische Verbraucher und dergleichen zu schalten und/oder zu schützen. Der Strom fließt dabei innerhalb der Schalt- und Schutzeinrichtung durch eine Strombahn, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Bekannt sind auch Schmelzsicherungen in Form von Niederspannungs-Hochleistungssicherungen, die einen Keramikkörper aufweisen, auf dem z. B. Messerkontakte aufgesetzt sind. Von den Anschlusskontakten der Schmelzsicherung gehen mindestens zwei Strombahnen aus elektrisch leitfähigem Material ab, welche über das elektrisch leitende Schmelzmaterial miteinander verbunden sind.
Schaltanlagen oder Verteilersysteme dienen zum Leiten und Verteilen des Stroms auf mehrere nachgeordnete Einrichtungen, wozu Geräte, Verbraucher, Schütze, Schalt- und Schutzgeräte zählen. Allen Schaltanlagen oder Verteilersystemen ist gemeinsam, dass sie über eine Stromsammelschiene verfügen, wel che deren Strombahn bildet, die wiederum aus elektrisch leitfähigem Material besteht.
Ebenfalls bekannt sind Stromschienenverteiler, welche zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Schaltanlagen, Verteilern und/oder nachgeordneten elektrischen Einrichtungen dienen. Auch bei diesen werden Stromschienen aus elektrisch leitfähigem Material als Strombahnen verwendet.
Außerdem sind Anschlusseinrichtungen für Schalt- und Schutzeinrichtungen bekannt. Jede Anschlusseinrichtung weist zumindest zwei Anschlussstellen auf, welche mittels einer Strombahn miteinander verbunden sind. Eine der beiden Anschlussstellen dient dabei zum Anschluss einer externen Strombahn an die Schalt- und Schutzeinrichtung, während die andere Anschlussstelle zum Anschluss eines Schalt- und Schutzelementes dient. Beide Anschlussstellen sind über eine Strombahn aus elektrisch leitfähigem Material miteinander verbunden.
Allgemein werden in heutigen Produkten der elektrischen Schalt- und Verteiltechnik wie z. B. Sicherungsautomaten, Leistungsschalter, Schütze, Stromschienen und Hauptverteilungen stromführende Komponenten aus den zur Zeit bekannten Metallen wie Kupfer, Aluminium, Silber, Gold etc. hergestellt. Dies bedeutet bedingt durch die physikalischen Eigenschaften der Metalle ein relativ großes Volumen als auch einen hohen Materialeinsatz und damit hohe Kosten, um die bei hohen Strömen erforderlichen Querschnitte und Isolierabstände zu realisieren, wobei diese stromführenden Komponenten oft auch noch ein unerwünscht großes Gewicht aufweisen. Letzteres ist insbesondere bei beweglichen Kontakten der Fall, da deren Gewicht die Bewegung dieser Kontakte verlangsamt.
Nachteilig ist bei allen diesen oben genannten elektrischen Einrichtungen, also der Schalt- und Schutzeinrichtung, der Schmelzsicherung, der Schaltanlage oder dem Verteilersystem, dem Stromschienenverteiler und der Anschlusseinrichtung für eine Schalt- und Schutzeinrichtung, dass die Strombahnen relativ viel Platz beanspruchen, sich relativ stark erwärmen und oft auch eine relativ hohe Masse besitzen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Platzbedarf für die Strombahnen dieser elektrischen Einrichtungen zu verringern, ohne die Erwärmung zu erhöhen. (Mit anderen Worten: die Querschnitte und Bauvolumen und ggf. die Masse von deren elektrischen Leitern und Schaltelementen zu reduzieren.)
Die Lösung sieht bezogen auf die Schalt- und Schutzeinrichtung, die Schmelzsicherung, die Schaltanlage oder das Verteilersystem, den Stromschienenverteiler und die Anschlusseinrichtung vor, dass das elektrisch leitfähige Material der Strombahn zumindest teilweise CNT (Kohlenstoffnanoröhren oder englisch Carbon Nanotubes) umfasst und die CNT derart ausgerichtet sind, dass die Leitfähigkeit in Stromflussrichtung größer als quer zur Stromflussrichtung ist. Vorteilhafterweise ist die Längsausrichtung der CNT in Bezug auf die Richtung des Stromflusses im statistischen Mittel kleiner als ein vorgegebener spitzer Winkel. CNT sind Makromoleküle, die sich aus Kohlenstoffatomen zusammensetzen und in einem Gerüst von Sechsecken zu winzigen langgestreckten Hohlzylindern angeordnet sind. Sie können auch als Röhren ineinander stecken. Die CNTs können neben der Röhrenform aber auch als verschlungene Fäden vorliegen. Dann ist unter deren Längsausrichtung die gedachte Gerade gemeint, welche durch deren Eintritts- und Austrittsöffnung verläuft. In Richtung ihrer Längsausrichtung bzw. Längserstreckung ist die elektrische Leitfähigkeit wesentlich größer als quer zur Längserstreckung. Zur Ausnutzung dieses Effekts werden die im Material der Strombahn angeordneten CNT's entsprechend ausgerichtet, was bereits während der Herstellung erfolgen muss. Man unterscheidet prinzipiell zwischen Single-Walled-CNT, d. h. einwandige Nanoröhrchen, und Multi-Walled-CNT, d. h. mehrwandige Nanoröhrchen. CNT können sowohl metallisch als auch halbleitend sein, was wiederum von ihrer Geometrie abhängig ist. Neben ihren metallischen Eigenschaften weisen sie eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit auf. Weiter sind hohe Stromdichten möglich. Die Verwendung von CNT führt also dazu, dass der Querschnitt der Strombahnen verringert werden kann, was mit einer Verringerung des Platzbedarfs einhergeht, ohne dass eine größere Erwärmung auftritt (bezogen auf die gleiche Stromdichte).
Vorteilhafterweise sollte der spitze Winkel kleiner als 45 Grad sein. Weiter ist es von Vorteil, wenn die CNT eine mittlere Mindestlänge von 1 μm oder länger aufweisen.
Bei Schalt- und Schutzelementen von Schalt- und Schutzeinrichtungen lässt sich das bewegliche Element, welches die Strombahn bildet und beim betriebsmäßigen Gebrauch mindestens zwei elektrische Kontakte des Schalt- und Schutzgerätes verbindet und unterbricht durch CNT-umfassendes elektrisch leitfähiges Material ersetzen. Dadurch ist es möglich, die mechanische Trägheit des beweglichen Elementes zu verringern um so die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schalt- und Schutzeinrichtung,
2 Funktionsschema der Schalt- und Schutzeinrichtung gemäß 1,
3 eine Schmelzsicherung,
4 ein Stromschienenverteiler und
5 eine Stromsammelschiene eines Stromschienenverteilers und
6–8 jeweils eine CNT's aufweisende Strombahn in einer schematischen Darstellung.
1 zeigt schematisch eine Schalt- und Schutzeinrichtung 1, insbesondere einen Niederspannungsleistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schütz, Überlastrelais und/oder Lasttrennschalter. Diese weist eine Anschlusseinrichtung (einen Anschlussbaustein) 2 auf, die mit einer Anschlussstelle 3 für eine externe Strombahn versehen ist, um diese an die Schalt- und Schutzeinrichtung 1 anzuschließen. Eine weitere Anschlussstelle 4 verbindet die externe Strombahn mit einem horizontal und/oder vertikal beweglichen Schalthebel (oder auch Taster) als bewegliches Element 5 (spezielles Schalt-/Schutzelement) über eine Strombahn 6. Das bewegliche Element 5 verbindet und unterbricht beim betriebsmäßigen Gebrauch zwei elektrische Kontakte des Schalt- und Schutzgerätes 1. Weiter ist das bewegliche Element 5 über eine Strombahn 6a mit einem weiteren Anschlussbaustein 9 verbunden, welches entsprechend der Anschlusseinrichtung 2 Anschlussstellen 7, 8 aufweist. Bei den Verbindungslinien 9 handelt es sich jeweils um elektrische Verbindungen.
2 zeigt das Funktionsschema der Schalt- und Schutzeinrichtung 1. Die Anschlusseinrichtungen 2, 9 sind über die Strombahnen 6, 6a und das zwischengeschaltete bewegliche Element 5, d. h. über den um die Schwenkachse 11 horizontal oder vertikal schwenkbaren Schalthebel bzw. Taster, miteinander verbindbar. In der 2 unterbricht das Element 5 die Verbindung, d. h. der vom Element 5 gebildete Schalter ist geöffnet.
Um Platz zu sparen, sind die Strombahnen, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material, bzw. Kupfer, hergestellt sind, mit CNT angereichert, d. h. das Kupfer der Strombahnen umfasst CNT, was mit einer deutlichen Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und der möglichen Stromdichte verbunden ist.
Auch das Element 5 stellt in allgemeinem Sinne eine Strombahn dar und ist ebenfalls aus einem Material gebildet, welches CNT umfasst.
3 zeigt eine Schmelzsicherung 12 mit Strombahnen 6 in Form von elektrischen Kupferleitern, welche CNT umfassen. Die beiden Strombahnen 6 sind über ein elektrisch leitfähiges Schmelzmaterial 13 miteinander verbunden. Das Schmelzmaterial sowie die Strombahnen 6 befinden sich in einem Isolierkörper 14 aus Keramik. An den freien Enden der Strombahnen 6 befinden sich Anschlusskontakte 15.
4 zeigt einen Stromschienenverteiler 16 mit elektrischen Strombahnen 6 in Form von Stromschienen 17 (oder allgemein Stromleiteinrichtungen 17a), die in einem Gehäuse 18 angeordnet sind. Die Stromschienen 17 verbinden hier zwei Schaltschränke 19, 20 über eine Distanz 21. So können sich der Schaltschrank 19 im Keller eines Hauses und der Schaltschrank 20 in der 10. Etage dieses Hauses befinden. Die Strombahnen 6 in Form von Stromschienen 17 sind auch hier mit CNT angereichert, d. h. das elektrisch leitfähige Material dieser Stromschienen 17 besteht hier aus Kupfer, welches CNT umfasst.
In der 5 sind elektrische Strombahnen 6 in Form von Stromsammelschienen 22 gezeigt. Diese befinden sich in einem nicht weiter gezeigten Schaltschrank, beispielsweise dem Schaltschrank 19 in 4. Die Stromsammelschienen 22 sind als den Strom leitende Strombahnen 6 mit CNT versehen, d. h. sie umfassen CNT. Wie 5 zeigt sind die Stromsammelschienen 22, welche eine Schaltanlage oder ein Verteilersystem repräsentieren, mit unterschiedlichsten elektrischen Einrichtungen 23 verbunden. Bei diesen Einrichtungen 23 handelt es sich hier um ein Schütz, wobei selbstverständlich auch andere elektrische Einrichtungen möglich sind.
Allgemein gesagt sind oben elektrische Einrichtungen 1, 12, 16, 22 beschrieben, mit zumindest einer aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildeten Strombahn 6, 6a zum Leiten eines elektrischen Stroms, wobei das elektrisch leitfähige Material zumindest teilweise CNT umfasst.
Zu diesen elektrischen Einrichtungen 1, 12, 16, 22 gehören als beispielhafte Aufzählung also speziell Niederspannungs-Leistungsschalter, Niederspannungs-Leitungsschutzschalter, Schütze, Überlastrelais, Lasttrennschalter, Lasttrennschalter mit Sicherungen, Sicherungs-Lasttrennschalter, Sicherungs-Lasttrennschalter in Leistenbauform, Fehlerstrom-Schutzschalter, Sicherungssysteme speziell mit NH-Sicherungen, wobei deren Klemmen, Anschlusstücke, Verbinder, Kabelanschlüsse, Schienenverschraubungen, Schaltelemente (z. B. feste und bewegliche Kontakte) sowie Schutzelemente im allgemeinen Sinne gleichzeitig Strombahnen 6, 6a oder auch Strompfade oder elektrische Leiter sind oder solche aufweisen. Bei den Leitern kann es sich z. B. um Leiter für die interne elektrische Verschaltung in Schaltschränken handeln.
Weiter gehören zu dieser beispielhaften Aufzählung Sammelschienen in Schaltanlagen und Verteilersystemen und Sammelschienensysteme, insbesondere Hutschienen-Sammelschienen, sowie Schienenverteiler bzw. Linienverteiler.
Diese elektrischen Einrichtungen 1, 12, 16, 22 weisen durch den Einsatz von CNT einen verringerten Platzbedarf für die Strombahnen 6, 6a auf, ohne die Erwärmung zu erhöhen, oder alternativ eine höhere Leistungsfähigkeit bei gleichem Platzbedarf. Bei gleicher Leistungsfähigkeit lässt sich die Masse der Strombahnen 6, 6a reduzieren.
Weiter zeigen die 6, 7 und 8 jeweils eine CNT's 24 aufweisende Strombahn 6 in einer schematischen Darstellung, in der die CNT's 24 als längliche Rechtecke dargestellt sind, was zeigen soll, dass die Länge der CNT's 24 deutlich größer als deren Dicke (Durchmesser) ist. Die CNT's 24 sind in den 6 und 7 im statistischen Mittel alle gleich ausgerichtet, während die Ausrichtung der CNT's 24 in 8 zwei unterschiedliche (gegensätzliche) Stellungen umfasst. Dabei ist der Winkel w zwischen der Längsausrichtung der CNT's 24 (entspricht im Wesentlichen dem Schenkel 26 des Winkels w) und der Richtung 25 des Stromflusses hier betragsmäßig jeweils gleich und kleiner als 45°. Die Längsausrichtung der CNT's 24 und die Richtung 25 schließen also einen spitzen Winkel ein (und sind damit kleiner als ein vorgegebener Winkel von 45°). Die in den 6, 7 und 8 beispielhaft dargestellte Längsausrichtung der CNT's 24 ist selbstverständlich die im statistischen Mittel vorliegende Längsausrichtung, d. h. die Längsausrichtungen der einzelnen CNT's 24 schwanken entsprechend der zugrunde liegenden statistischen Verteilung um den in den 6, 7 und 8 dargestellten Mittelwert. Die CNT's weisen eine mittlere Länge von 1 μm bis 5 μm oder länger auf.
Die CNT sind also im statistischen Mittel derart ausgerichtet, dass die von ihnen bewirkte Leitfähigkeit in Stromflussrichtung größer als quer zu dieser Richtung ist. Die Winkel abweichung der ausgerichteten CNTs von der Stromflussrichtung soll im statistischen Mittel kleiner als ein vorgegebener spitzer Winkel sein. Die CNTs können neben der Röhrenform aber auch in verschlungener Fadenform vorliegen. Dann ist unter deren Längsausrichtung die gedachte Gerade gemeint, welche durch deren Eintritts- und Austrittsöffnung verläuft.
Anzumerken ist, dass die Strombahn zum Teil aus nicht elektrisch leitfähigem Material, insbesondere aus einem Plastikkern, gebildet sein kann.

Claims

Schalt- und Schutzeinrichtung (1), insbesondere Niederspannungsleistungsschalter, Leitungsschutzschalter, Schütze, Überlastrelais und/oder Lasttrennschalter, welche zum Schalten eines elektrischen Stroms dient, insbesondere um eine zweite nachgeordnete Schalt- und Schutzeinrichtung, insbesondere einen elektrischen Verbraucher oder ein elektrisches Gerät, zu schalten und/oder zu schützen, wobei der Strom durch zumindest eine aus elektrisch leitfähigem Material gebildete Strombahn (6, 6a) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material der Strombahn (6, 6a) zumindest teilweise CNT umfasst und die CNT derart ausgerichtet sind, dass die Leitfähigkeit in Stromflussrichtung größer als quer zur Stromflussrichtung ist.
Schalt- und Schutzeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die CNT im statistischen Mittel in Stromflussrichtung ausgerichtet sind.
Schalt- und Schutzeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelabweichung der ausgerichteten CNT von der Stromflussrichtung im statistischen Mittel kleiner als ein vorgegebener spitzer Winkel ist.
Schalt- und Schutzeinrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein bewegliches Element (5) vorgesehen ist, welches die Strombahn (6, 6a) bildet und beim betriebsmäßigen Gebrauch mindestens zwei elektrische Kontakte der Schalt- und Schutzeinrichtung (1) verbindet und unterbricht.
Schmelzsicherung (12), insbesondere eine Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherung mit Keramikkörper mit aufgesetzten Kontakten, mit von Anschlusskontakten (15) abgehenden Strombahnen (6) aus elektrisch leitfähigem Material, welche über ein elektrisch leitendes Schmelzmaterial (13) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material der Strombahnen (6) zumindest teilweise CNT umfasst und die CNT derart ausgerichtet sind, dass die Leitfähigkeit in Stromflussrichtung größer als quer zur Stromflussrichtung ist.
Schaltanlage oder Verteilersystem zum Leiten und Verteilen des Stroms auf mehrere nachgeordnete elektrische Einrichtungen, insbesondere Geräte, Verbraucher, Schütze, Schalt- und Schutzgeräte, mit einer Stromsammeleinrichtung, insbesondere als Schiene oder Kabel ausgebildet, als Strombahn, die aus elektrisch leitfähigem Material gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material der Strombahn zumindest teilweise CNT umfasst und die CNT derart ausgerichtet sind, dass die Leitfähigkeit in Stromflussrichtung größer als quer zur Stromflussrichtung ist.
Stromschienenverteiler (16) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Schaltanlagen, Verteilern und/oder nachgeordneten elektrischen Einrichtungen, wobei die Stromleiteinrichtung (17a), insbesondere als Schiene (17) oder Kabel ausgebildet, als Strombahnen (6) aus elektrisch leitfähigem Material gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material der Strombahnen (6) zumindest teilweise CNT umfasst und die CNT derart ausgerichtet sind, dass die Leitfähigkeit in Stromflussrichtung größer als quer zur Stromflussrichtung ist.
Anschlusseinrichtung (2) für eine Schalt- und Schutzeinrichtung (1), mit zwei Anschlussstellen (3), die mittels einer Strombahn (6, 6a) miteinander verbunden sind, wobei die eine Anschlussstelle (3) für den Anschluss einer externen Strombahn an die Schalt- und Schutzeinrichtung (1) und die andere Anschlussstelle (8) für den Anschluss eines Schalt- und Schutzelements dient, und mit einer elektrischen Strombahn (6, 6a) zwischen den beiden Anschlussstellen, die aus elektrisch leitfähigem Material gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material der Strombahn (6, 6a) zumindest teilweise CNT umfasst und die CNT derart ausgerichtet sind, dass die Leitfähigkeit in Stromflussrichtung größer als quer zur Stromflussrichtung ist.
Einrichtung (1, 12, 16, 22) nach einem der Ansprüche 3–8, dadurch gekennzeichnet, dass die CNT eine mittlere Mindestlänge von 1 μm oder größer aufweisen und die Winkelabweichung der ausgerichteten CNT von der Stromflussrichtung im statistischen Mittel kleiner als 45 Grad ist.
Einrichtung (1, 12, 16, 22) nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombahn (6) zum Teil aus nicht elektrisch leitfähigem Material, insbesondere aus einem Plastikkern, gebildet ist.