DE102011089204A1

DE102011089204A1 - Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen

Info

Publication number: DE102011089204A1
Application number: DE201110089204
Authority: DE
Inventors: Markus Gross
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-05-23
Also published as: RU2012155325A; CN103258694A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schalter (1), insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, mit einem elektrischen Leiter (L) und Schaltkontakten (2), die durch einen Schaltmechanismus (M) voneinander trennbar sind, mit einem Wandler (W), der einen nichtmagnetischen Kern (K) mit einer Durchgangsöffnung (D), durch den der Leiter (L) geführt ist, und eine Drahtwicklung aufweist, die lagenweise um den Kern (K) gewickelt ist, wobei für zwei unmittelbar übereinanderliegende Lagen der Wicklungssinn jeweils wechselt und wobei ein Integrator (IG) eine stromproportionale Spannung (UE) erzeugt, mit der eine elektronische Auslöseeinheit (ETU) beaufschlagt wird, welche die Spannung (UE) mit einer Strombedingung vergleicht und bei Erfüllung der Strombedingung, insbesondere bei Überschreitung eines Stromschwellwerts, den Schaltmechanismus (M) zur Trennung der Schaltkontakte (2) betätigt. Um bei unterschiedlichen Baugrößen relativ klein bauende Wandler zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die Abmessungen des Kerns (K) jeweils gleich sind und dass die Zahl der Lagen und/oder der Windungen je Lage mit Zunahme der Schalterbaugröße zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere einen Leistungsschalter für Niederspannungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Leistungsschalter für Niederspannungen sind allgemein bekannt und dienen zum Schutz von Verbrauchern und Schaltanlagen. Die Schalter sind meist mehrpolig ausgebildet, wobei für jeden Pol (jede Phase) ein elektrischer Leiter durch den Schalter verläuft. Im Schalter sind Schaltkontakte angeordnet, die von einem Schaltmechanismus voneinander getrennt werden, wenn die Leiter unterbrochen werden sollen. Zur Erfassung des durch einen Leiter fließenden Stroms dient ein Stromwandler, der einen nichtmagnetischen Kern mit einer Durchgangsöffnung aufweist, durch den der zugehörige Leiter hindurchgeführt ist. Der Kern trägt eine Drahtwicklung in Form von mehreren Wicklungslagen, deren Windungen durch die Durchgangsöffnung verlaufend um den Kern gewickelt sind. Dabei wechselt jeweils der Wicklungssinn zweier unmittelbar übereinander liegender Wicklungslagen. Die Drahtwicklung gibt eine Spannung ab, die proportional zur zeitlichen Ableitung des durch den Leiter fließenden Stroms ist. Ein nachgeschalteter Integrator wandelt die Spannung der Drahtwicklung durch Integration in eine stromproportionale Spannung um. Eine elektronische Auslöseeinheit prüft anhand dieser Spannung, ob eine vorgegebene Strombedingung erfüllt ist, beispielsweise durch Überschreitung einer vorgegebenen (Strom-)Schwelle. Bei erfüllter Strombedingung löst die Auslöseeinheit den Schaltmechanismus aus.
Stromwandler mit einem nichtmagnetischen Kern zur verzerrungsfreien (d.h. sättigungsfreien) Messung des Stroms (Primärstroms) sind als Rogowski-Stromwandler bekannt. Rogowski-Stromwandler mit einem Ringkern sind bezüglich der Drahtwicklung schwerer herzustellen als lineare Spulen. Außerdem nehmen die mechanischen Abmessungen direkten Einfluss auf die Ausgangs-Spannung der Rogowski-Stromwandler. Wenn verschiedene Schalter-Baugrößen (Frames) zum Einsatz kommen, ist es von Vorteil, wenn bestimmte Parameter für alle Frames gleich sind, um die serienmäßige Herstellung zu erleichtern.
Der Spulenkörper des Rogowski-Stromwandlers ist meist ein Ring von rechteckförmigem bis rundem (bzw. ovalem) Querschnitt. Bei einem sehr langsamen und exakten Wickelvorgang besitzt die Drahtwicklung einen relativ homogenen Aufbau. Um eine Anpassung an die unterschiedlichen Frames zu realisieren, werden unterschiedlich große Kerne hergestellt, auf die dann jeweils eine Lage einer Drahtwicklung mit unterschiedlicher Windungszahl aufgebracht wird.
Nachteilig ist dabei, dass für unterschiedliche Frames, beispielsweise für Schalternennströme von 250A und 630A, verschiedene Wandler verwendet werden, die auch bezüglich ihrer Kernabmessungen variieren, manchmal auch abhängig vom jeweiligen Schalternennstrom, da ein Frame in der Regel für mehrere Schalternennströme eingesetzt wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, trotz unterschiedlicher Frames relativ klein bauende kostengünstige Wandler zu erzielen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; der Unteranspruch stellt eine vorteilhafte Ausgestaltung dar.
Die Lösung sieht vor, dass die Abmessungen des Kerns jeweils gleich sind und dass die Zahl der Lagen und/oder die Windungszahl an den Frame/die Schalter-Baugröße angepasst sind, d.h. mit größer werdendem Frame/werdender Schalter-Baugröße zunimmt. Auf diese Weise ist es möglich, den für den Kern erforderlichen relativ großen Herstellungsaufwand (dieser bezieht sich auf die gleichbleibenden, mechanischen Abmaße) zu verringern, wobei die Anpassung an die Frames über die Zahl der Lagen erfolgt (z.B. 2, 4 oder 6 Lagen, oder 1, 3 oder 5 Lagen mit je einer Kompensationswicklung).
Vorteilhafterweise erfolgt über die Zahl der Lagen auch eine Anpassung an den Integrator, d.h. an dessen Arbeits-Spannungsbereich, abhängig vom typischen Primärstrom.
Die Besonderheit der Lösung besteht darin, dass z.B. bei einem 2-, 4- oder allgemein geradzahligen Lagenaufbau der Drahtwicklung die Lagenzahl variiert und die Windungszahl gleich bleibt. Dies ist möglich, da der Kunststoffkern des Rogowski-Wandlers der gleiche für mehrere Frames ist. Die Kernkontur ergibt sich im Wesentlichen aus der Schnittmenge des zur Verfügung stehenden Bauraums der Wandlergehäuse der Frames.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Schalter in einer schematischen Darstellung und
2 den Kern des Wandlers gemäß 1 in einer dreidimensionalen Ansicht.
1 zeigt einen Schalter 1, der hier als Leistungsschalter für Niederspannungen ausgebildet ist. Durch den Schalter 1 verläuft ein Leiter L über Schaltkontakte 2, welche den Leiter L und damit den Strom I durch den Leiter L unterbrechen, wenn sie geöffnet werden, wie in 1 gezeigt. Am Leiter L ist ein Wandler W angeordnet, der eine zur ersten zeitlichen Ableitung des Leiterstroms I proportionale Wandlerspannung U erzeugt, die von einem nachgeschalteten Integrator IG in eine stromproportionale Spannung UE umgewandelt wird. Eine Auslöseeinheit ETU wird mit der Spannung UE beaufschlagt und vergleicht diese mit einem vorgegebenen Schwellwert. Überschreitet die Spannung UE (und damit der Strom I) den Schwellwert, so löst die Auslöseeinheit ETU über einen Aktuator A einen Schaltmechanismus M aus, der die Schaltkontakte öffnet. Dies ist durch die gestrichelte Linie in 1 dargestellt. Beim Öffnen der Schaltkontakte 2 werden deren Kontaktstücke voneinander getrennt.
Der Wandler W weist einen nichtmagnetischen Kern K aus Kunststoff in Form eines Kreisrings auf (s. 2), durch dessen Durchgangsöffnung D der Leiter L geführt ist. Der Kern K trägt eine mehrlagige Drahtwicklung Di, deren Windungen jeweils durch die Durchgangsöffnung D verlaufen. Der Lagenaufbau der Drahtwicklung Di ist geradzahlig; es sind also mindestens zwei Lagen vorhanden. Dabei wechselt von einer Lage zur unmittelbar nächsten Lage jeweils der Wicklungssinn. Alternativ kann der Lagenaufbau der Drahtwicklung Di auch ungeradzahlig sein, d.h. es sind auch 1 oder 3 oder 5 usw. Lagen möglich, dann jedoch jeweils mit einer entgegengerichteten Kompensationswicklung.
Der Schalter 1 kann unterschiedliche Frames (Baugrößen) aufweisen, wobei zu jedem Frame Schalter 1 mit mehreren Nennströmen gehören.
Die Kerne K der Wandler W sind in ihren Abmessungen jeweils gleich, d.h. sie weisen alle dieselbe (mechanische) Größe auf. Die Kernkontur ergibt sich im Wesentlichen aus dem zur Verfügung stehenden Bauraum für die Wandlergehäuse. Die Wandler W sind an die unterschiedlichen Frame (und Nennströme) angepasst, indem sich die Zahl der Lagen und/oder der Windungen je Lage mit Zunahme der Frame (und/oder des Nennstroms) entsprechend vergrößert. Weiter ist diese Zahl und damit die Wandlerspannung U auch an den Integrator IG angepasst, damit dieser nicht übersteuert wird, da für alle Frames derselbe Integrator IG verwendet wird. Liegt der Arbeits-Spannungsbereich des Integrators IG beispielsweise bei 0 bis 1 Volt, so muss die Ausgangsspannung der Drahtwicklung Di, die Sekundärspannung des Wandlers W also, ebenfalls bei 0 bis 1 Volt liegen.

Claims

Schalter (1), insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, mit einem elektrischen Leiter (L), der durch den Schalter (1) verläuft, mit Schaltkontakten (2), die zur Unterbrechung des Leiters (L1) durch einen Schaltmechanismus (M) voneinander getrennt werden, mit einem Wandler (W), der einen nichtmagnetischen Kern (K) mit einer Durchgangsöffnung (D), durch den der Leiter (L) geführt ist, und eine Drahtwicklung aufweist, die lagenweise um den Kern (K) gewickelt ist, wobei deren Windungen (der Drahtwicklung) jeweils durch die Durchgangsöffnung (D) verlaufen, wobei für zwei unmittelbar übereinanderliegende Lagen der Wicklungssinn jeweils wechselt und wobei ein nach geschalteter Integrator (IG) eine stromproportionale Spannung (UE) erzeugt, mit einer elektronischen Auslöseeinheit (ETU), die mit der Spannung (UE) beaufschlagt ist, jeweils einen von der Spannung (UE) abgeleiteten Strom (I) mit einer Strombedingung vergleicht und bei Erfüllung der Strombedingung, insbesondere bei Überschreitung eines Stromschwellwerts, den Schaltmechanismus (M) zur Trennung der Schaltkontakte (2) betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Kerns (K) jeweils gleich sind und dass die Zahl der Lagen und/oder der Windungen je Lage mit Zunahme der Schalterbaugröße zunimmt.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Lagen und/oder die Windungszahl an den Integrator (IG) angepasst ist.