DE102012005357A1 - Direct-current switch device for use in electric line of direct-current network to switch-off load currents if necessary, has PTC resistor enabling current flow in cold operating mode and interrupting current flow in heated operating state - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Schalteinrichtung mit einem Schaltstrompfad, der zwischen zwei Verbindungspunkten einer elektrischen Leitung verläuft und in welchem ein erster Schaltkontakt mit zwei Kontaktelementen vorgesehen ist, welche bei gegenseitiger Berührung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Verbindungspunkten bereitstellen und welche zum Abschalten eines durch die elektrische Leitung geführten Gleichstroms unter Ausbildung eines Lichtbogens auseinanderbewegbar sind, und mit einem parallel zu dem Schaltstrompfad zwischen den Verbindungspunkten verlaufenden Löschungsstrompfad.The present invention relates to a DC switching device having a switching current path which extends between two connection points of an electrical line and in which a first switching contact is provided with two contact elements which provide an electrically conductive connection between the connection points in mutual contact and which for switching off a through the electrical line guided direct current can be moved apart to form an arc, and with a running parallel to the switching current path between the connection points deletion current path.
Derartige Schalteinrichtungen sind grundsätzlich bekannt und dienen dazu, in Gleichstromnetzen den Strom sicher an- und abzuschalten. Unter Gleichstrom wird hierbei ein nulldurchgangsfreier Strom verstanden. Aufgrund des Fehlens von Nulldurchgängen muss beim Abschalten derartiger Ströme der Stromfluss nicht nur unterbrochen, sondern auch innerhalb eines bestimmten Zeitraums auf Null verringert werden, wobei Überspannungen im Netz zu vermeiden sind. Weiterhin muss die im Netz gespeicherte Energie abgeführt werden. Zu diesem Zweck wird in dem Löschungsstrompfad eine Gegenspannung erzeugt, welche den Lichtbogen löscht und den Strom letztlich zum Erliegen bringt. Um dies zu erreichen, kann in dem Löschungsstrompfad eine Leistungselektronikeinheit vorgesehen sein. Schalteinrichtungen dieser Art werden auch als ”Gleichstrom-Hybridschalter” bezeichnet.Such switching devices are basically known and serve to switch on and off the power safely in DC networks. By DC is meant a zero-crossing current. Due to the lack of zero crossings, when switching off such currents, the current flow need not only be interrupted, but also reduced to zero within a certain period of time, with overvoltages in the network to be avoided. Furthermore, the stored energy in the network must be dissipated. For this purpose, a reverse voltage is generated in the erase current path, which extinguishes the arc and ultimately brings the current to a standstill. To achieve this, a power electronics unit may be provided in the cancellation current path. Switching devices of this type are also referred to as "DC hybrid switches".
Es kann bei Einrichtungen der vorstehend genannten Art schwierig sein, die Kontaktelemente ausreichend schnell auseinanderzubewegen. Zudem besteht die Gefahr eines Ausfalls der Leistungselektronikeinheit.It may be difficult in devices of the aforementioned type to move the contact elements apart sufficiently quickly. In addition, there is a risk of failure of the power electronics unit.
Insofern besteht die Aufgabe der Erfindung darin, mit einfachen Mitteln eine Möglichkeit zum zuverlässigen Abschalten von Strömen in Gleichstromnetzen zu schaffen.In this respect, the object of the invention is to provide a means for reliable shutdown of currents in DC networks with simple means.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Gleichstrom-Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.To solve this problem, a DC switching device with the features of
Erfindungsgemäß ist in dem Löschungsstrompfad wenigstens ein Kaltleiter angeordnet, welcher dazu ausgebildet ist, in einem ersten kalten Betriebszustand einen Stromfluss durch den Löschungsstrompfad zu ermöglichen, welcher eine zum Löschen des Lichtbogens zwischen den Kontaktelementen ausreichende Gegenspannung erzeugt, und in einem zweiten erwärmten Betriebszustand den Stromfluss durch den Löschungsstrompfad zu unterbrechen.According to the invention, at least one PTC thermistor is arranged in the erase current path, which is designed to allow a current flow through the erase current path in a first cold operating state, which generates a countervoltage sufficient to extinguish the arc between the contact elements, and in a second, heated operating state to interrupt the erase current path.
Bei sich berührenden Kontaktelementen weist der Schaltstrompfad einen vergleichsweise geringen elektrischen Widerstand auf, sodass durch den parallelgeschalteten Kaltleiter nur ein sehr geringer Strom fließt und der Kaltleiter somit den ersten, kalten Betriebszustand einnimmt. Sobald der Schaltkontakt geöffnet wird, steigt der Strom in dem Löschungsstrompfad stark an und erzeugt eine Gegenspannung, welche den Lichtbogen innerhalb kurzer Zeit löscht. Dieser Strom in dem Löschungsstrompfad kommt jedoch zum Erliegen, da sich der Kaltleiter aufgrund des Stromanstiegs erwärmt und den zweiten Betriebszustand einnimmt. Sofern zu diesem Zeitpunkt die Kontaktelemente ausreichend weit auseinanderbewegt sind, dass eine dielektrische Festigkeit oder Durchschlagsfestigkeit hergestellt ist, kann sich kein neuer Lichtbogen bilden. Der Gleichstrom ist somit sicher abgeschaltet.In the case of contacting contact elements, the switching current path has a comparatively low electrical resistance, so that only a very small current flows through the parallel-connected PTC thermistor and thus the PTC thermistor assumes the first, cold operating state. As soon as the switching contact is opened, the current in the erasing current path increases sharply and generates a countervoltage which extinguishes the arc within a short time. However, this current in the cancellation current path comes to a standstill because the PTC thermistor heats up due to the increase in current and assumes the second operating state. If, at this time, the contact elements are sufficiently spaced apart that a dielectric strength or dielectric strength is produced, no new arc can be formed. The direct current is thus switched off safely.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein geeignet ausgebildeter Kaltleiter im Löschungsstrompfad ausreicht, um sowohl die Lichtbogenlöschung als auch die Strombegrenzung zu bewerkstelligen. Somit kann auf eine aufwändige und ausfallanfällige Leistungselektronikeinheit verzichtet werden.According to the invention, it has been recognized that a suitably designed PTC thermistor in the quenching current path is sufficient to accomplish both arc quenching and current limiting. Thus, a complex and failure-prone power electronics unit can be dispensed with.
Der Kaltleiter weist vorzugsweise eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur auf, die durch eine nichtlineare Kennlinie gegeben ist. Die Kennlinie kann beispielsweise S-förmig verlaufen, also einen dem ersten Betriebszustand entsprechenden Durchlassbereich, einen dem zweiten Betriebszustand entsprechender Sperrbereich und einen dazwischen befindlichen Übergangsbereich aufweisen, wobei der Übergangsbereich eine größere Steigung aufweist als der Durchlassbereich und der Sperrbereich. Beim Öffnen des Schaltkontakts schaltet der Kaltleiter in dem Löschungsstrompfad dann innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums von ”Durchlass” auf ”Sperren” um. Vorzugsweise ist der Durchlassbereich im Vergleich zu dem Sperrbereich schmal, um eine schnelle Ansprechzeit zu gewährleisten.The PTC thermistor preferably has a dependence of the electrical resistance on the temperature, which is given by a non-linear characteristic. The characteristic curve may, for example, run in an S-shape, that is to say have a passband corresponding to the first operating state, a stopper region corresponding to the second operating state, and a transitional region therebetween, the transition region having a greater slope than the passband and the stopband. When the switch contact is opened, the PTC thermistor in the erase current path then switches from "pass" to "lock" within a relatively short period of time. Preferably, the pass band is narrow compared to the stop band to ensure a fast response time.
Der Kaltleiter ist bevorzugt rückstellbar und/oder mehrfach verwendbar, um vielfache Schaltvorgänge zu ermöglichen.The PTC thermistor is preferably resettable and / or reusable to allow multiple switching operations.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kaltleiter ein amorphes Metall, insbesondere einen amorphen Stahl. Alternativ oder zusätzlich kann der Kaltleiter einen leitenden Keramikwerkstoff umfassen. Um die Eigenschaften des Kaltleiters weiter anzupassen, kann dieser auch eine oder mehrere Beschichtungen auf Basis eines MAX-Phasen-Werkstoffs umfassen.According to one embodiment of the invention, the PTC thermistor comprises an amorphous metal, in particular an amorphous steel. Alternatively or additionally, the PTC thermistor may comprise a conductive ceramic material. To further tailor the properties of the PTC thermistor, it may also include one or more coatings based on a MAX phase material.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Kaltleiter supraleitende Eigenschaften auf. Dies ermöglicht eine besonders effektive Lichtbogenlöschung.According to a further embodiment, the PTC thermistor has superconducting properties. This allows a particularly effective arc extinguishing.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Schaltstrompfad einen Hauptstrompfad und einen parallel zu diesem verlaufenden Nebenstrompfad umfasst, wobei der erste Schaltkontakt in dem Nebenstrompfad vorgesehen ist und ein zweiter Schaltkontakt mit zwei zugehörigen Kontaktelementen in dem Hauptstrompfad angeordnet ist, wobei die Kontaktelemente des zweiten Schaltkontakts zum Unterbrechen eines Stromflusses durch den Hauptstrompfad unter Vermeidung eines Lichtbogens auseinanderbewegbar sind. Der Hauptstrompfad dient zum kontinuierlichen Leiten des Laststroms bei im Betrieb befindlichem Netz und ist zu diesem Zweck besonders ausgestaltet. Z. B. sind das Material der Kontaktelemente sowie deren Form und Größe derart gewählt, dass ein möglichst geringer Übergangswiderstand erzielt wird. Der zweite Schaltkontakt muss insbesondere keine speziellen Merkmale für eine Lichtbogenerzeugung aufweisen. Insbesondere kann bei geschlossenen Schaltkontakten der elektrische Widerstand des Hauptpfads geringer sein als der elektrische Widerstand des Nebenpfads.An embodiment of the invention provides that the switching current path comprises a main current path and a secondary current path extending parallel thereto, wherein the first switching contact is provided in the secondary current path and a second switching contact with two associated contact elements is arranged in the main current path, wherein the contact elements of the second switching contact for interrupting a current flow through the main current path while avoiding an arc are moved apart. The main current path is used to continuously direct the load current when the network is in operation and is specially designed for this purpose. For example, the material of the contact elements and their shape and size are chosen such that the lowest possible contact resistance is achieved. In particular, the second switching contact does not have to have any special features for arc generation. In particular, with closed switch contacts, the electrical resistance of the main path may be lower than the electrical resistance of the secondary path.
Zum Unterdrücken eines Lichtbogens können die Kontaktelemente des zweiten Schaltkontakts in einer Vakuum-Kammer angeordnet sein. Prinzipiell können die Kontaktelemente des zweiten Schaltkontakts auch in einer mit einem dielektrischen Gas oder einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllten Kammer angeordnet sein.To suppress an arc, the contact elements of the second switching contact can be arranged in a vacuum chamber. In principle, the contact elements of the second switching contact can also be arranged in a chamber filled with a dielectric gas or a dielectric liquid.
Weiterhin kann parallel zu dem Schaltstrompfad und zu dem Löschungsstrompfad ein Sicherungsstrompfad zwischen den Verbindungspunkten der elektrischen Leitung verlaufen, in welchem wenigstens ein weiterer Kaltleiter angeordnet ist. Ein derartiger zusätzlicher Kaltleiter bietet eine Absicherung der Schalteinrichtung gegen Ausfall einer der übrigen Komponenten.Furthermore, parallel to the switching current path and to the cancellation current path, a fuse current path can run between the connection points of the electrical line in which at least one further PTC thermistor is arranged. Such an additional PTC thermistor provides protection of the switching device against failure of one of the other components.
Die Kontaktelemente können derart geformt sein, dass bei ihrem Auseinanderbewegen ein in mehrere Teillichtbögen unterteilter Lichtbogen gebildet wird. Dadurch kann die Lichtbogenspannung erhöht werden. Zum Erzeugen mehrerer Teillichtbögen können z. B. entsprechende Rippen, Kammern oder Zähne an den Kontaktelementen vorgesehen sein. Die Schalteinrichtung kann weiterhin einen Aktuator zum gesteuerten Bewegen der Kontaktelemente sowie eine zugehörige Steuereinrichtung umfassen.The contact elements can be shaped in such a way that, when they move apart, an arc which is subdivided into a plurality of partial arcs is formed. As a result, the arc voltage can be increased. For generating a plurality of partial arcs z. B. corresponding ribs, chambers or teeth may be provided on the contact elements. The switching device may further comprise an actuator for controlled movement of the contact elements and an associated control device.
Bevorzugt ist außer dem Kaltleiter kein weiteres strombegrenzendes Element in dem Löschungsstrompfad vorgesehen. Mit anderen Worten wird ausschließlich der Kaltleiter dazu herangezogen, erst eine ausreichende Gegenspannung zu erzeugen und nach Löschung des Lichtbogens sowie Erreichen der dielektrischen Festigkeit am ersten Schaltkontakt den Strom in dem Löschungsstrompfad zu begrenzen.Preferably, no further current-limiting element is provided in the deletion current path except the PTC thermistor. In other words, only the PTC thermistor is used to first generate a sufficient reverse voltage and to limit the current in the erase current path after erasing the arc and reaching the dielectric strength at the first switching contact.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abschalten eines durch eine elektrische Leitung geführten Gleichstroms, insbesondere mittels einer Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten:
Auseinanderbewegen zweier Kontaktelemente eines in einem zwischen zwei Verbindungspunkten der elektrischen Leitung verlaufenden Schaltstrompfad vorgesehenen ersten Schaltkontakts unter Ausbildung eines Lichtbogens,
Kommutieren des Stromflusses auf einen parallel zu dem Schaltstrompfad zwischen den Verbindungspunkten verlaufenden Löschungsstrompfad,
Ermöglichen eines zum Löschen des Lichtbogens ausreichenden Stromflusses in dem Löschungsstrompfad, und
Unterbrechen des Stromflusses in dem Löschungsstrompfad, sobald der Lichtbogen gelöscht ist und die Kontaktelemente bis zum Erreichen der Durchschlagsfestigkeit auseinanderbewegt sind.The invention also relates to a method for switching off a direct current conducted through an electrical line, in particular by means of a switching device according to one of the preceding claims, comprising the steps:
Moving apart two contact elements of a first switching contact provided in a switching current path extending between two connection points of the electrical line, forming an arc,
Commutating the current flow to an erase current path extending parallel to the switching current path between the connection points,
Allowing sufficient current flow in the cancellation current path to extinguish the arc, and
Interrupting the flow of current in the erase current path as soon as the arc is extinguished and the contact elements are moved apart until the dielectric strength is reached.
Erfindungsgemäß erfolgt das Ermöglichen des Stromflusses und das nachfolgende Unterbrechen des Stromflusses in dem Löschungsstrompfad durch einen in dem Löschungsstrompfad vorgesehenen Kaltleiter.According to the invention, the current flow is allowed to pass and the subsequent interruption of the current flow in the erase current path is effected by a PTC thermistor provided in the erase current path.
Wie vorstehend erwähnt kann der Schaltstrompfad einen Hauptstrompfad und einen parallel zu diesem verlaufenden Nebenstrompfad umfassen, wobei der erste Schaltkontakt in dem Nebenstrompfad vorgesehen ist und ein zweiter Schaltkontakt mit zwei zugehörigen Kontaktelementen in dem Hauptstrompfad angeordnet ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden vor dem Auseinanderbewegen der Kontaktelemente des ersten Schaltkontakts die Kontaktelemente des zweiten Schaltkontakts unter Vermeidung eines Lichtbogens bis zum Erreichen der Durchschlagsfestigkeit auseinanderbewegt.As mentioned above, the switching current path may comprise a main current path and a secondary current path extending parallel thereto, the first switching contact being provided in the secondary current path and a second switching contact having two associated contact elements being arranged in the main current path. According to one embodiment of the invention, prior to moving the contact elements of the first switch contact apart, the contact elements of the second switch contact are moved apart while avoiding an arc until the dielectric strength is reached.
Weiterbildungen der Erfindung sind auch in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.Further developments of the invention are set forth in the dependent claims, the description and the accompanying drawings.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention will now be described by way of example with reference to the drawings.
Gemäß
Wie aus
Unter zusätzlicher Bezugnahme auf
Während des Normalbetriebs des zugrundeliegenden Gleichstromnetzes sind beide Schaltkontakte
Sobald ein Abschalten des Stroms in der elektrischen Leitung
Der in dem Löschungsstrompfad
Eine Schalteinrichtung der vorstehend beschriebenen Art ist in der Lage, nicht nur Lastströme, sondern auch Kurzschlussströme im Bereich von 100 kA bis 120 kA zuverlässig und sicher zu schalten. Eine Leistungselektronikeinheit ist nicht notwendig.A switching device of the type described above is able to reliably and safely switch not only load currents, but also short-circuit currents in the range of 100 kA to 120 kA. A power electronics unit is not necessary.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Schalteinrichtungswitching device
- 1111
- elektrische Leitungelectrical line
- 1212
- SchaltstrompfadSwitching current path
- 1414
- LöschungsstrompfadExtinction current path
- 1515
- Verbindungspunktjunction
- 1616
- HauptstrompfadMain current path
- 1818
- NebenstrompfadIn addition to current path
- 2020
- erster Schaltkontaktfirst switching contact
- 2222
- zweiter Schaltkontaktsecond switching contact
- 2424
- KaltleiterPTC
- 2626
- Trennschalterdisconnectors
- 28a, 28b28a, 28b
- Kontaktelemente des ersten SchaltkontaktsContact elements of the first switch contact
- 32a, 32b32a, 32b
- Kontaktelemente des zweiten SchaltkontaktsContact elements of the second switching contact
- 3838
- Vakuum-KammerVacuum chamber
- S1, S2S1, S2
- Abstand der KontaktelementeDistance between the contact elements
- t1, t2, t3t1, t2, t3
- Zeitpunkttime
Claims (9)
Priority Applications (1)
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DE201210005357 DE102012005357A1 (en) | 2012-03-16 | 2012-03-16 | Direct-current switch device for use in electric line of direct-current network to switch-off load currents if necessary, has PTC resistor enabling current flow in cold operating mode and interrupting current flow in heated operating state |
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Publication Number | Publication Date |
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ID=49043751
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- 2012-03-16 DE DE201210005357 patent/DE102012005357A1/en not_active Withdrawn
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Representative=s name: MANITZ, FINSTERWALD & PARTNER GBR, DE Representative=s name: MANITZ FINSTERWALD PATENTANWAELTE PARTMBB, DE |
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R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |