DE102010061766A1 - Switch i.e. low voltage circuit breaker, has power source including current transformer with iron core having winding formed from diamagnetic materials so that large short-circuit current flows through electrical resistor of winding - Google Patents

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Abstract

The switch has a current sensor to detect current through a conductor. An electronic trip unit triggers an opening of the switch when the detected current exceeds a threshold value. The trip unit is supplied with operating current from a power source comprising a current transformer with an iron core having a winding, where the power source is connected with the trip unit over lead lines. The winding and/or lead lines are formed from diamagnetic materials so that magnetic field of the conductor is arranged to flow a large short-circuit current through an electrical resistor of the winding.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere einen Leistungsschalter für Niederspannungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a switch, in particular a circuit breaker for low voltages, according to the preamble of claim 1.

Leistungsschalter für Niederspannungen sind bekannt und dienen zum Unterbrechen eines elektrischen Stroms, der durch einen Leiter fließt, wobei aneinander liegende Kontaktstücke voneinander getrennt werden, von denen ein Kontaktstück beweglich und das andere Kontaktstück fest angeordnet ist. Für eine selbsttätige Auslösung wird der Strom mit Hilfe eines Stromsensors erfasst und von einer elektronischen Auslöseeinheit bewertet. Die Auslöseeinheit vergleicht den erfassten Strom mit einem vorgegebenen Grenzwert und löst das Öffnen des Schalters bei Überschreitung dieses Grenzwerts aus.Low-voltage circuit breakers are known and are used to interrupt an electric current flowing through a conductor, wherein juxtaposed contact pieces are separated from each other, of which one contact piece is movable and the other contact piece is fixedly arranged. For automatic tripping, the current is detected by means of a current sensor and evaluated by an electronic tripping unit. The trip unit compares the detected current with a predetermined limit and triggers the opening of the switch when this limit is exceeded.

Die Auslöseeinheit ist mit einer Stromversorgung verbunden, welche den Betriebsstrom für die Auslöseeinheit aus dem Leiter auskoppelt. Dazu dient ein Stromwandler, dessen „Primärwicklung” von dem Leiter gebildet wird und dessen Sekundärwicklung eine im Magnetfeld des Leiters angeordnete Wicklung mit einem Eisenkern ist. Über entsprechende Anschlussleitungen ist die Wicklung mit der Auslöseeinheit verbunden. Ein solcher Eisenkern-Wandler liefert vor dem Eintritt der magnetischen Sättigung des Eisenkerns einen zum Strom (Primärstrom), der durch den Leiter fließt, proportionalen Sekundärstrom, der wiederum den Betriebsstrom für die Auslöseeinheit liefert, d. h. die Auslöseeinheit mit elektrischer Energie versorgt. Dabei sollte der Sekundärstrom möglichst konstant sein; zumindest aber muss er bei großen Primärströmen, wie sie im Kurzschlussfall auftreten, begrenzt werden.The trip unit is connected to a power supply which decouples the operating current for the trip unit from the conductor. Serves a current transformer whose "primary winding" is formed by the conductor and the secondary winding is arranged in the magnetic field of the conductor winding with an iron core. The winding is connected to the tripping unit via corresponding connecting cables. Such an iron core transducer provides, prior to the onset of magnetic saturation of the iron core, a secondary current proportional to the current (primary current) flowing through the conductor, which in turn provides the operating current for the trip unit, i. H. the trip unit is supplied with electrical energy. The secondary current should be as constant as possible; but at least it must be limited for large primary currents, as they occur in the event of a short circuit.

Aus der US 5726846 ist es bekannt, zum Begrenzen des Sekundärstroms einen Bypass vorzusehen, der parallel zum magnetischen Hauptkreis geschaltet ist und einen Luftspalt mit konstanter Breite aufweist, wobei der Luftspalt auch mit einem nichtmagnetischen Material ausgefüllt sein kann. Der Bypass leitet bei großen Primärströmen einen Teil des magnetischen Flusses über den Bypass an der sekundären Wicklung vorbei. Auf diese Weise wird der Anstieg des Sekundärstroms bei großen Primärströmen begrenzt.From the US 5726846 It is known to provide a bypass for limiting the secondary current, which is connected in parallel to the main magnetic circuit and having an air gap with a constant width, wherein the air gap may also be filled with a non-magnetic material. The bypass will pass some of the magnetic flux past the bypass on the secondary winding for large primary currents. In this way, the increase of the secondary current is limited at large primary currents.

Von Nachteil ist dabei, dass bei Verwendung eines Bypasses und sehr großen Primärströmen immer noch ein relativ großer Anstieg des Sekundärstroms auftritt.The disadvantage here is that when using a bypass and very large primary currents still a relatively large increase of the secondary current occurs.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromwandler zur Verfügung zu stellen, dessen Sekundärstrom auch bei sehr großen Primärströmen begrenzt ist.The object of the invention is to provide a current transformer whose secondary current is limited even with very large primary currents.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object is solved by the features of claim 1.

Die Lösung sieht vor, dass die Wicklung und/oder deren Anschlussleitungen zumindest teilweise aus diamagnetischem Material gebildet ist bzw. sind, wobei das diamagnetische Material so gewählt und so im Magnetfeld des Leiters angeordnet ist, dass bei Fließen eines Kurzschlussstroms der sich vergrößernde elektrische Widerstand des diamagnetischen Materials den Sekundärstrom (und damit den Betriebsstrom) begrenzt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der ohmsche Widerstand der Sekundärwicklung also nicht konstant, sondern abhängig vom magnetischen Fluss im Eisenkern und damit von der Größe des Primärstroms. Dies gilt auch für die Anschlussleitungen, soweit diese sich im Magnetfeld des Leiters befinden.The solution provides that the winding and / or its connecting lines is or are formed at least partially of diamagnetic material, wherein the diamagnetic material is selected and arranged in the magnetic field of the conductor such that when a short-circuit current flows, the increasing electrical resistance of the diamagnetic material limits the secondary current (and thus the operating current). In the solution according to the invention, the ohmic resistance of the secondary winding is therefore not constant, but dependent on the magnetic flux in the iron core and thus on the size of the primary current. This also applies to the connecting cables, as far as they are in the magnetic field of the conductor.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, für die Wicklung der Sekundärspule anstelle eines Kupferdrahtes einen diamagnetischen Werkstoff zumindest mitzuverwenden, der bei Einwirkung des Magnetfelds seinen ohmschen Widerstand entsprechend ändert.The core of the invention is therefore to at least co-use a diamagnetic material for the winding of the secondary coil instead of a copper wire, which changes its ohmic resistance in response to the action of the magnetic field.

Im Kurzschlussfall werden dieser Strom und damit der Betriebsstrom maßgeblich durch den Innenwiderstand der Sekundärwicklung des Stromwandlers bestimmt. Vergrößert die Sekundärwicklung auf Grund der stark ansteigenden magnetischen Flussdichte ihren ohmschen Widerstand, so wird der maximal fließende Sekundärstrom und damit der Betriebsstrom in gleichem Maße begrenzt. Nimmt die magnetische Flussdichte wieder ab, so verringert sich auch der ohmsche Widerstand wieder und der Sekundärstrom nimmt wieder zu.In the event of a short circuit, this current and thus the operating current are largely determined by the internal resistance of the secondary winding of the current transformer. If the secondary winding increases its ohmic resistance due to the strongly increasing magnetic flux density, the maximum secondary current flowing and thus the operating current are limited to the same extent. If the magnetic flux density decreases again, the ohmic resistance decreases again and the secondary current increases again.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels für einen Leistungsschalter für Niederspannungen, kurz einen Schalter, näher beschrieben. Der Schalter dient zum Unterbrechen eines elektrischen Stroms, der durch einen Leiter fließt, welcher durch den Schalter geführt ist. Der Schalter ist durch aneinander anliegende Kontaktstücke geschlossen, die zum Öffnen des Schalters voneinander getrennt werden. Ein Kontaktstück ist beweglich und das andere Kontaktstück fest angeordnet, wobei das bewegliche Kontaktstück am freien Ende eines Kontaktarms angeordnet ist.The invention will be described in more detail below with reference to an exemplary embodiment of a low-voltage circuit breaker, in short a switch. The switch serves to interrupt an electric current flowing through a conductor which is passed through the switch. The switch is closed by abutting contacts, which are separated from each other to open the switch. One contact piece is movable and the other contact piece fixed, wherein the movable contact piece is arranged at the free end of a contact arm.

Der Strom wird mit Hilfe eines Stromsensors erfasst und von einer elektronischen Auslöseeinheit bewertet. Die Auslöseeinheit vergleicht den Strom mit einem vorgegebenen Grenzwert und löst das Öffnen des Schalters bei Überschreitung dieses Grenzwerts aus.The current is detected by means of a current sensor and evaluated by an electronic trip unit. The trip unit compares the current with a predetermined limit and triggers the opening of the switch when this limit is exceeded.

Die Stromversorgung der Auslöseeinheit erfolgt mittels eines Stromwandlers, welcher einen Sekundärstrom aus dem Leiter auskoppelt. Dabei fungiert der Leiter als Primärseite oder „Primärwicklung” des Stromwandlers und eine Wicklung mit einem Eisenkern bildet dessen Sekundärwicklung bzw. dessen Sekundärseite. Die Wicklung ist auf einen Eisenkern gewickelt und im Magnetfeld des Strom durchflossenen Leiters angeordnet, wobei der Eisenkern ringförmig um den Leiter verläuft. Über entsprechende Anschlussleitungen ist die Wicklung mit der Auslöseeinheit verbunden.The power supply of the trip unit by means of a current transformer, which a Disconnects secondary current from the conductor. In this case, the conductor acts as a primary side or "primary winding" of the current transformer and a winding with an iron core forms its secondary winding or its secondary side. The winding is wound on an iron core and arranged in the magnetic field of the current-carrying conductor, wherein the iron core extends annularly around the conductor. The winding is connected to the tripping unit via corresponding connecting cables.

Zur Stromversorgung lädt der Sekundärstrom einen Kondensator auf eine vorgegebene Spannung auf. Ist der Kondensator aufgeladen, wird der „überschüssige” Sekundärstrom jeweils kurzgeschlossen.For the power supply, the secondary current charges a capacitor to a predetermined voltage. If the capacitor is charged, the "excess" secondary current is short-circuited.

Über den Kondensator wird der Betriebsstrom für die Stromversorgung der Auslöseeinheit bereitgestellt. Sinkt die Kondensatorspannung etwas, wird der Kondensator vom Sekundärstrom wieder nachgeladen (das Kurzschließen unterbrochen).Over the capacitor, the operating current for the power supply of the trip unit is provided. If the capacitor voltage drops slightly, the capacitor is recharged by the secondary current (short-circuiting interrupted).

Die Wicklung und deren Anschlussleitungen bestehen aus Wismut (oder Wolfram), d. h. einem diamagnetischen Material. Ein anderes bekanntes und geeignetes diamagnetisches Material ist beispielsweise Indiumantimonid, das ebenfalls verwendet werden kann.The winding and its connecting lines are made of bismuth (or tungsten), d. H. a diamagnetic material. Another known and suitable diamagnetic material is, for example, indium antimonide, which can also be used.

Bei Fließen eines Kurzschlussstroms begrenzt der sich vergrößernde elektrische Widerstand des diamagnetischen Materials den Betriebsstrom, abhängig vom magnetischen Fluss im Eisenkern und damit von der Stärke des Primärstroms. Dies gilt auch für die Anschlussleitungen, soweit sich diese im Magnetfeld des Leiters befinden.When a short circuit current flows, the increasing electrical resistance of the diamagnetic material limits the operating current, depending on the magnetic flux in the iron core and thus on the strength of the primary current. This also applies to the connection lines, as far as they are in the magnetic field of the conductor.

Der Stromwandler ist als 25 A-Stromwandler ausgelegt, d. h. aufgrund des diamagnetischen Materials wird bei einem Primärstrom von 50 kA nur ein Sekundärstrom von bis zu 25 A durch die Elektronik der Auslöseeinheit getrieben. Im Moment des Kurzschlusses wird der Sekundärstrom im Wesentlichen durch den Innenwiderstand der Wicklung des Wandlers bestimmt.The current transformer is designed as a 25 A current transformer, i. H. Due to the diamagnetic material, a primary current of 50 kA drives only a secondary current of up to 25 A through the electronics of the trip unit. At the moment of the short circuit, the secondary current is essentially determined by the internal resistance of the winding of the converter.

Durch Optimierung, d. h. Auswahl des diamagnetischen Materials, ist die Kennlinie (ohmscher Widerstand gegenüber magnetischer Feldstärke) an den 25 A-Stromwandler angepasst, dessen Elektronik nicht mehr als 25 A verträgt, d. h. die Elektronik der Auslöseeinheit wird durch die selbsttätige Begrenzung im Überstrombereich nicht mehr überlastet.By optimization, d. H. Selection of the diamagnetic material, the characteristic (resistance to magnetic field strength) is adapted to the 25 A current transformer whose electronics can not tolerate more than 25 A, d. H. the electronics of the trip unit is no longer overloaded by the automatic limitation in the overcurrent range.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 5726846 [0004] US 5726846 [0004]

Claims (1)

Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, zum Unterbrechen eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms, mit Kontaktelementen, die zum Öffnen des Schalters mechanisch voneinander getrennt werden, mit einem Stromsensor, der den Strom erfasst, mit einer elektronischen Auslöseeinheit, die den erfassten Strom mit einem Grenzwert vergleicht und ein Öffnen des Schalters bei Überschreitung des Grenzwerts auslöst, und mit einer die Auslöseeinheit mit einem Betriebsstrom versorgenden Stromversorgung, die einen Stromwandler aufweist, der eine Wicklung mit einem Eisenkern umfasst, die über Anschlussleitungen mit der Auslöseeinheit verbunden und im Magnetfeld des Leiters angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung und/oder deren Anschlussleitungen zumindest teilweise aus diamagnetischem Material gebildet ist bzw. sind, wobei das diamagnetische Material so gewählt und so im Magnetfeld des Leiters angeordnet ist, dass bei Fließen eines entsprechend großen Kurzschlussstroms der sich vergrößernde elektrische Widerstand des diamagnetischen Materials jeweils den Betriebsstrom begrenzt.Switch, in particular circuit breaker for low voltages, for interrupting an electrical current flowing through a conductor, with contact elements, which are mechanically separated to open the switch, with a current sensor which detects the current, with an electronic trip unit, which detects the detected current with a Limit value and triggers an opening of the switch when exceeding the limit, and having a power supply to the trip unit having a current transformer comprising a winding with an iron core connected via connecting leads to the trip unit and arranged in the magnetic field of the conductor is, characterized in that the winding and / or their connecting lines is at least partially formed of diamagnetic material or are, wherein the diamagnetic material is selected and arranged in the magnetic field of the conductor, that when flowing of a correspondingly large short-circuit current, the increasing electrical resistance of the diamagnetic material limits the operating current.
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