DE102017214805A1

DE102017214805A1 - Strombegrenzung mit einem Vakuumschalter

Info

Publication number: DE102017214805A1
Application number: DE102017214805.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Schacherer; Norbert Wenzel; Werner Hartmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2019038151A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Strombegrenzung mit wenigstens einem Vakuumschalter (3) angegeben. Die Vorrichtung umfasst:
- eine Vakuumkammer (5),
- zwei darin angeordnete Kontaktelemente (13a, 13b) mit einander zugewandten Laufflächen (20) für einen Lichtbogen (31) und
- einen Antrieb (25), mit dem ein Kontakt zwischen den beiden Kontaktelementen (13a, 13b) geöffnet und geschlossen werden kann,
- wobei die Kontaktelemente (13a, 13b) jeweils derart geformt sind, dass bei einem Stromfluss (19) über einen zwischen den geöffneten Kontaktelementen (13a, 13b) ausgebildeten Lichtbogen (31) ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Laufflächen (20) jeweils wenigstens einen Teilbereich aufweisen, welcher als Teilstück einer ringförmigen Laufbahn (18) geformt ist und eine Breite (b) von höchstens 5 mm aufweist.
Weiterhin werden ein Verfahren zur Strombegrenzung mit einer solchen Vorrichtung sowie ein einzelner Vakuumschalter für eine solche Vorrichtung angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit wenigstens einem Vakuumschalter, welcher eine Vakuumkammer, zwei darin angeordnete Kontaktelemente und einen Antrieb umfasst, mit dem ein Kontakt zwischen den beiden Kontaktelementen geöffnet und geschlossen werden kann. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Begrenzung eines Fehlerstroms in einem Stromnetz auf höchstens einen vorgegebenen Maximalwert mittels einer solchen Vorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konzepte zur Begrenzung von Fehlerströmen in elektrischen Stromnetzen bekannt. Solche Konzepte sind notwendig, da beispielsweise in typischen elektrischen Energieverteilungsnetzen der Nieder- und Mittelspannung gelegentlich Überstrombelastungen auftreten, welche meist auf Kurzschlussereignisse zurückzuführen sind. Solche Kurzschlüsse führen am Ort des Kurzschlusses häufig zu freien Lichtbögen und damit zur Entstehung von Folgeschäden an elektrischen Komponenten und Anlagen sowie auch zur Gefährdung von Personen. Außerdem erhöhen derartige Kurzschlussströme die magnetischen Kräfte zwischen stromführenden Leitern oder metallischen Strukturelementen im Netz, was ebenfalls zu Folgeschäden führen kann, die sich sogar im ungünstigen Fall über den gesamten Kurzschlusspfad ausdehnen können. Die höchste mechanische Belastung tritt hierbei in der Regel kurz nach dem Eintritt des Kurzschlusses auf, was eine besonders kurze Reaktionszeit für einen effektiven Schutzmechanismus erforderlich macht.
In heutigen Stromnetzen treten Kurzschluss- und Überstromereignisse häufiger auf als in früheren Netzen, da die heutigen Netze immer stärker gekoppelt beziehungsweise vermascht sind. Weiterhin werden in heutigen Stromnetzen häufig zusätzliche Einspeisepunkte vorgesehen, beispielsweise zur Einspeisung von regenerativ erzeugter Energie, welche bei der ursprünglichen Planung des Stromnetzes nicht vorgesehen waren. Hierdurch erhöhen sich sowohl die Niveaus der Nennströme als auch die der Überströme und Kurzschlussströme, sodass häufig die ursprünglich im Stromnetz eingesetzten Komponenten (wie beispielsweise Leistungsschalter) ausgetauscht und durch leistungsstärkere Komponenten ersetzt werden müssen. Es besteht daher derzeit ein besonders ausgeprägter Bedarf, um im Stromnetz auftretende Kurzschlussströme möglichst schnell und effektiv auf tolerierbare Werte zu begrenzen. Dies soll idealerweise möglichst früh innerhalb der ersten Halbwelle, also deutlich vor dem ersten Strommaximum des zeitlichen Wechselstromverlaufs erfolgen. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz entspricht diese Anforderung beispielsweise einer Ansprechzeit eines Strombegrenzers von 5 ms bis 10 ms oder weniger. Ein wesentliches Ziel für einen solchen Strombegrenzer ist es, einen möglichen Kurzschlussstrom so schnell und effektiv zu begrenzen, dass der tatsächliche Kurzschlussstrom unter der spezifizierten Belastungsgrenze der eingesetzten Betriebsmittel bleibt. Eine solche Belastungsgrenze kann in typischen Mittelspannungsnetzen beispielsweise im Bereich zwischen 10 kA und 64 kA liegen.
Etablierte Methoden zur Netzabsicherung umfassen einerseits die statische Impedanzerhöhung (beispielsweise durch Transformatoren und Drosselspulen mit hoher Kurzschlussspannung), sowie aktive Sicherungen (beispielsweise Is-Limiter oder CLiPs) und passive Sicherungen (insbesondere Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen). Durch derartige Sicherungen wird der betroffene Netzabschnitt abgeschaltet und muss nach Fehlerbehebung und gegebenenfalls nach Austausch von Komponenten wie beispielsweise einer Sicherung anschließend wieder zugeschaltet werden.
Der Aufwand beim Tausch von Sicherungen und/oder Schaltern kann jedoch vermieden werden, wenn zum Schutz der Stromnetze Strombegrenzer eingesetzt werden, welche den Strom im Fehlerfall automatisch auf einen vorgegebenen Höchstwert begrenzen und nach Überwinden des Fehlerfalls anschließend von selbst wieder in einen normalen Betriebsmodus übergehen. In diesem Zusammenhang sind vor allem supraleitende Strombegrenzer interessant, welche bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes für den Strom normalleitend werden und anschließend ohne den Austausch von Komponenten wieder in den supraleitenden Betriebszustand übergehen können. Solche supraleitenden Strombegrenzer sind jedoch teuer und aufwendig in der Herstellung und haben einen hohen Platzbedarf. Normalleitende magnetische Strombegrenzerkonzepte sind ebenfalls im Stand der Technik bekannt, weisen jedoch im Allgemeinen für den Normalbetrieb zu hohe Verlustleistungen bzw. Spannungsfälle auf.
Es besteht daher ein Bedarf an alternativen Konzepten, um einen Fehlerstrom schnell und effektiv zu begrenzen und gleichzeitig niedrige Verlustleistungen und einen geringen apparativen Aufwand zu erreichen. Als weitere Alternative zur Erfüllung dieser Anforderungen existieren für den Bereich der Niederspannung strombegrenzende Schalter, welche den auftretenden Fehlerstrom auf zulässige Maximalwerte begrenzen können. In einem solchen Schalter werden im Fehlerfall zwei Kontaktelemente getrennt, wobei sich zwischen ihnen zunächst ein Schaltlichtbogen ausbildet, dessen Brennspannung den Kurzschlussstrom begrenzt. Ohne besondere Maßnahmen ist dieses Konzept jedoch nicht in den Bereich der Mittelspannungsnetze übertragbar, da hier verschiedene Schwierigkeiten auftreten. Zum einen ist es problematisch, dass bei der Anordnung der Schaltkontakte in einem Gasraum bei den höheren Spannungen sehr hohe Ausblasleistungen heißer Gase auftreten. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Lichtbogenspannung eines einzelnen Schalters nicht hoch genug ist, um den Kurzschlussstrom in einem Mittelspannungsnetz ausreichend stark zu begrenzen. Es sind vielmehr mehrere in Serie geschaltete strombegrenzende Schalter nötig, um in Summe einen hohen Spannungsfall über die einzelnen Schaltlichtbögen zu erreichen und den Strom insgesamt ausreichend zu begrenzen. Ein wesentliches Entwicklungsziel ist es daher, einen strombegrenzenden Schalter mit einer möglichst hohen Spannung in dem sich aufbauenden Schaltlichtbogen zur Verfügung zu stellen.
Das Problem des Gasaustritts kann weitgehend behoben werden, indem im Mittelspannungsbereich ein vakuumisolierter Schalter für die Strombegrenzung eingesetzt wird. Durch die Anordnung der Schaltelemente innerhalb einer Vakuumkammer wird gleichzeitig ein vergleichsweiser kompakter Aufbau erreicht, sodass auch bei mehreren in Serie geschalteten Vakuumschaltern insgesamt ein vergleichsweise geringer Platzbedarf entsteht.
Ein verbleibender limitierender Faktor ist jedoch darin zu sehen, dass die Lichtbogenspannungen in bekannten Vakuumschaltern bei Werten von typischerweise 50 V bis maximal etwa 200 V begrenzt sind. Mit derart niedrigen Lichtbogenspannungen werden sehr viele solche Vakuumschalter benötigt, um eine ausreichend starke Strombegrenzung in einem Mittelspannungsnetz zu erreichen.
In der EP1551048A1 ist bereits eine Möglichkeit beschrieben, um die Lichtbogenspannung in einem Vakuumschalter zu erhöhen. Hier wird vorgeschlagen, den beim Öffnen des Schalters entstehenden Lichtbogen durch magnetische Kräfte in einen seitlich von den Schaltelementen angeordneten Stapel aus metallischen Löschblechen hinein zu treiben. Durch diese Löschbleche kann zum einen eine Kühlung des Lichtbogens erreicht werden und somit eine Abfuhr von Energie, die entsprechend zu einer höheren Verlustleistung und somit auch einem erhöhten Spannungsabfall über den Schaltlichtbogen führt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Aufteilung des Schaltlichtbogens in mehrere Teillichtbögen erfolgen, welche quasi als Serienschaltung von einzelnen Lichtbögen zwischen den Löschblechen des Stapels vorliegen, wobei aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten die Spannungen der Einzellichtbögen in der Summe die Spannung des nicht aufgeteilten Lichtbogens übersteigen. Sowohl durch die Kühlung als auch durch eine solche Aufteilung kann jeweils eine Erhöhung der Gesamtspannung und somit eine verbesserte Strombegrenzung erreicht werden. Die Einführung von derartigen Löschblechen kann jedoch zusätzliche Schwierigkeiten mit sich bringen, wie beispielsweise ein starker Verschleiß der Löschbleche durch Abbrand während der Dauer des Lichtbogens. Zudem sind entsprechend hohe magnetisch erzeugte Kräfte zum Antrieb des Lichtbogens notwendig, so dass diese Methode insbesondere nur bei sehr hohen Fehlerströmen im Bereich über 50 kA erfolgversprechend ist. Außerdem reicht die Höhe der Lichtbogenspannung auch mit diesen Maßnahmen unter Umständen nicht aus.
Unabhängig davon, ob solche Löschbleche bereits verwendet werden oder nicht, besteht nach wie vor ein Bedarf an einer weiteren Erhöhung der Lichtbogenspannung in einem solchen Schalter, um den Kurzschluss- oder Fehlerstrom in einem Stromnetz mit möglichst geringem apparativen Aufwand schnell und sicher auf einen zulässigen Wert begrenzen zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einem Vakuumschalter anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine solche Vorrichtung (sowie auch ein entsprechender einzelner Vakuumschalter) zur Verfügung gestellt werden, welche eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Lichtbogenspannung aufweist. Dies soll insbesondere für den Mittelspannungsbereich und für maximal tolerierbare Fehlerströme im Bereich zwischen 10 kA und 64 kA erreicht werden. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Begrenzen eines Fehlerstroms mit einer derartigen Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung und das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren und den in Anspruch 15 beschriebenen Vakuumschalter gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Strombegrenzung weist wenigstens einen Vakuumschalter auf. Dieser Vakuumschalter umfasst eine Vakuumkammer, zwei darin angeordnete Kontaktelemente mit einander zugewandten Laufflächen für einen Lichtbogen und einen Antrieb, mit dem ein Kontakt zwischen den beiden Kontaktelementen geöffnet und geschlossen werden kann.
Dabei sind die Kontaktelemente jeweils derart geformt, dass bei einem Stromfluss über einen zwischen den geöffneten Kontaktelementen ausgebildeten Lichtbogen ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet wird. Die Laufflächen weisen jeweils wenigstens einen Teilbereich auf, welcher als Teilstück einer ringförmigen Laufbahn geformt ist und eine effektive Breite von höchstens 5 mm aufweist.
Unter der genannten „effektiven Breite“ soll hier eine für den Umlauf des Lichtbogens nutzbare Breite verstanden werden. Im vorliegenden Zusammenhang soll unter einem „geschlossenen“ Kontakt ein Zustand verstanden werden, in dem die beiden Kontaktelemente miteinander in Berührung und somit in elektrischem Kontakt sind. Dementsprechend soll unter einem „geöffneten“ Kontakt ein Zustand verstanden werden, in dem die beiden Kontaktelemente voneinander getrennt sind und somit keinen direkten elektrischen Kontakt aufweisen. Ein Stromfluss zwischen den beiden Kontaktelementen ist dann nur noch über einen beim Öffnen des Kontakts ausgebildeten Lichtbogen möglich. Das beschriebene Öffnen und Schließen des Kontakts wird durch einen mechanischen, magnetischen oder auf einem anderen physikalischen Prinzip basierenden Antrieb des Schalters erreicht. Hierzu sind die beiden Kontaktelemente relativ zueinander beweglich angeordnet. Im Allgemeinen ist dazu eines der beiden Kontaktelemente als feststehendes Kontaktelement und das andere als bewegliches Kontaktelement realisiert. Es ist jedoch grundsätzlich nicht ausgeschlossen, dass beide Kontaktelemente beweglich sind. Die genannte Öffnungsgeschwindigkeit bezeichnet dabei ganz allgemein die Geschwindigkeit für die Relativbewegung zwischen den beiden Kontaktelementen. Bei dieser Relativbewegung handelt es sich typischerweise um eine lineare Bewegung, und die Richtung dieser Relativbewegung bildet eine axiale Richtung des Schalters aus. Entsprechend ist eine zentrale Achse des Schalters durch eine Gerade definiert, die sich mittig im Schalter entlang dieser Richtung erstreckt.
Der bei der Öffnung des Kontakts zunächst ausgebildete Lichtbogen bewirkt, dass zumindest in der Anfangsphase nach dem Öffnen weiterhin ein Strom zwischen den beiden Kontaktelementen fließen kann. Die spezielle (und im Folgenden beispielhaft noch näher beschriebene) Formgebung der Kontaktelemente bewirkt, dass durch diesen Stromfluss ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet wird. Ein solches Magnetfeld wird in der Fachwelt als Transversalmagnetfeld (oder auch Radialmagnetfeld) bezeichnet. Der wesentliche Effekt eines solchen Transversalmagnetfeldes ist, dass der ausgebildete Lichtbogen nicht stationär bleibt, sondern auf der Oberfläche der Kontaktelemente bewegt wird. Zweckmäßig ist die Formgebung der Kontaktelemente so, dass das Magnetfeld (bezüglich der zentralen Achse) eine radiale Komponente aufweist. Durch eine solche radiale Komponente kann der Lichtbogen auf einer umlaufenden ringförmigen Bahn um die zentrale Achse bewegt werden - nämlich einer Laufbahn auf der beschriebenen Lauffläche der jeweiligen Kontaktelemente. Eine derartige Ausgestaltung wird in der Fachwelt auch allgemein als Radialmagnetfeldkontakt bezeichnet. Die Funktionalität der Ausbildung eines Magnetfeldes mit radialem Anteil kann durch verschiedenartige Kontaktformen erreicht werden, beispielsweise durch einen Topfkontakt oder einen Spiralkontakt.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zum Stand der Technik liegt darin, dass durch die verengte Laufbahn die Lichtbogenspannung erhöht wird und somit ein Kurzschlussstrom stärker begrenzt wird. Die Laufflächen der beiden Kontaktelemente sind jeweils so ausgebildet, dass sich - unabhängig von der genauen Ausgestaltung und Formgebung - eine umlaufende Laufbahn für den Lichtbogen ergibt. Dabei kann die Lauffläche beispielsweise als durchgehender Ring ausgebildet sein oder aber sie kann aus verschiedenen Teilsegmenten (beispielsweise Spiralarmen) zusammengesetzt sein, wobei sich die ringförmige Laufbahn dann aus Anteilen der einzelnen Teilsegmente ergibt. Die Laufbahn kann also auch Lücken in der Lauffläche aufweisen, welche von dem Lichtbogen auf seiner umlaufenden Bahn überwunden werden. Unabhängig von der genauen Ausführungsform ist es wesentlich für die Erfindung, dass die effektive Breite der Laufbahn (oder der einzelnen Teilstücke der Laufbahn) kathoden- und anodenseitig höchstens 5 mm beträgt. Diese Breite ist geringer als die typischen Breiten der Lichtbogenansätze (in der Fachwelt Fußpunkte genannt) auf der (momentanen) Kathode und auf der (momentanen) Anode, die sich auf natürliche Weise - also ohne zusätzliche geometrische Begrenzung der Bahn - bei einem konzentrierten Lichtbogen in einem derartigen Schalter ausbilden. Wie in W. Haas, W. Hartmann, „Investigation of arc roots of constricted high current vacuum arcs", Proceedings Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Eindhoven 1998, und in W. Haas, W. Hartmann, „Investigation of arc roots of constricted high current vacuum arcs", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 27, No. 4, pp. 954-960, 1999, untersucht wurde, liegen die natürlichen Fußpunktbreiten im dort betrachteten Strombereich von einigen kA typischerweise im Bereich zwischen 6 mm und 14 mm auf der Kathode und im Bereich zwischen 5 mm und 10 mm auf der Anode. Die beschriebene Eingrenzung der Fußpunkte durch geometrische Beschränkung der zur Verfügung stehenden Laufflächen hat zur Folge, dass die Zufuhr von Kontaktmaterial in den Lichtbogen erschwert wird, da aufgrund der geringeren Breite weniger Material aus den Kathoden- und Anodenfußpunkten durch Abdampfen in den Lichtbogen eingebracht werden kann. Hierdurch wird anschaulich gesehen der Impulsgewinn infolge eines geringeren Masseneintrags erschwert und folglich der Widerstand des Lichtbogens erhöht, was zu der erwünschten Erhöhung der Lichtbogenspannung führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Begrenzung eines Fehlerstroms in einem Stromnetz auf höchstens einen vorgegebenen Maximalwert mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dem Verfahren wird zunächst das Vorliegen eines Fehlerfalls im Stromnetz detektiert. Beim Vorliegen eines Fehlerfalls wird mittels des Antriebs des Vakuumschalters eine Öffnung des Kontakts zwischen den beiden Kontaktelementen herbeigeführt. Zwischen den geöffneten Kontaktelementen wird dabei ein Lichtbogen ausgebildet, und durch den Stromfluss durch die geöffneten Kontaktelemente über den Lichtbogen wird gleichzeitig ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet. Durch dieses Magnetfeld wird eine Bewegung des Lichtbogens auf einer ringförmig geschlossenen Bahn über beiden Kontaktelementen bewirkt. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in diesem Verfahren zur Strombegrenzung werden dieselben Vorteile erzielt wie sie bereits oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurden.
Auch ein einzelner Vakuumschalter selbst reicht bereits aus, um die Vorteile der Erfindung zu realisieren. So umfasst dieser erfindungsgemäße Vakuumschalter eine Vakuumkammer, zwei darin angeordnete Kontaktelemente mit einander zugewandten Laufflächen für einen Lichtbogen und einen Antrieb, mit dem ein Kontakt zwischen den beiden Kontaktelementen geöffnet und geschlossen werden kann. Dabei sind die Kontaktelemente jeweils derart geformt, dass bei einem Stromfluss über einen zwischen den geöffneten Kontaktelementen ausgebildeten Lichtbogen ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet wird. Die Laufflächen weisen jeweils wenigstens einen Teilbereich auf, welcher als Teilstück einer ringförmigen Laufbahn geformt ist und eine Breite von höchstens 5 mm aufweist. Auch die Vorteile des erfindungsgemäßen Vakuumschalters ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strombegrenzung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Vorrichtung, des Vakuumschalters und des Verfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Allgemein vorteilhaft weisen die Laufflächen jeweils wenigstens einen Teilbereich auf, welcher als Teilstück einer ringförmigen Laufbahn geformt ist und eine effektive Breite von sogar nur höchstens 4 mm aufweist. Diese noch engere Begrenzung der effektiven Breite der Laufbahn bewirkt, dass der Fußpunkt des Lichtbogens sowohl auf der momentanen Anodenseite als auch auf der momentanen Kathodenseite deutlich stärker eingeengt ist als die natürliche Fußpunktbreite auf der jeweiligen Seite. Die angegebene Begrenzung kann vorteilhaft sogar für die effektive Breite der gesamten Laufbahn des Lichtbogens auf beiden Seiten gelten.
Besonders vorteilhaft ist der Antrieb für eine Kontaktöffnungsgeschwindigkeit von wenigstens 4 m/s ausgelegt. Bei dieser Ausführungsvariante wird also die schnelle Begrenzung des Kurzschlussstroms auch dadurch erleichtert, dass gleichzeitig mit der Einengung der Umlaufbahn gegenüber dem Stand der Technik eine Erhöhung der Öffnungsgeschwindigkeit vorgenommen wird. Durch die besonders hohe Öffnungsgeschwindigkeit in dem genannten Bereich wird bewirkt, dass die Begrenzungswirkung der Vorrichtung bereits sehr früh innerhalb der ersten Stromhalbwelle eintritt. Durch die schnelle Zunahme der Länge des Lichtbogens wird somit der maximale Wert der Lichtbogenspannung vorteilhaft weiter erhöht. Insbesondere durch das Zusammenspiel dieser beiden Maßnahmen können schnell Lichtbogenspannungen erreicht werden, welche zur Strombegrenzung in einem Mittelspannungsnetz für die dort relevanten Bereiche der noch tolerierbaren Kurzschlussströme benötigt werden. Eine derart hohe Kontaktöffnungsgeschwindigkeit kann beispielsweise durch einen Seilpendelantrieb erreicht werden, wie er insbesondere in der WO2016/110430A1 näher beschrieben ist.
Die Vorrichtung zur Strombegrenzung kann allgemein entweder nur einen erfindungsgemäß ausgestalteten Vakuumschalter aufweisen oder sie kann besonders vorteilhaft mehrere solche Vakuumschalter umfassen, welche elektrisch in Serie geschaltet sind, sodass die einzelnen Lichtbogenspannungen sich addieren. Eine solche Serienschaltung ist zweckmäßig, um mit dem beschriebenen Wirkprinzip eine effektive Strombegrenzung in einem Mittelspannungsnetz zu erreichen, auch wenn die Lichtbogenspannung eines einzelnen Vakuumschalters hierfür nicht ausreichend ist. Durch die gleichzeitige Auslösung mehrerer in Serie geschalteter Vakuumschalter kann dann trotzdem eine wirksame Strombegrenzung im beschriebenen Strom- und Spannungsbereich erzielt werden.
Die Vorrichtung zur Strombegrenzung kann zusätzlich zu dem beschriebenen wenigstens einen Vakuumschalter zweckmäßig eine Detektionseinrichtung umfassen, um das Vorliegen eines Fehlerfalls (beispielsweise eines Kurzschlusses) zu detektieren und bei einer solchen Detektion den Vakuumschalter wie beschrieben zu öffnen. Die Detektion eines solchen Fehlerfalls kann beispielsweise durch die Messung der Stromamplitude (insbesondere das Erreichen eines Schwellwertes) und/oder die Messung der Änderung der Stromamplitude erfolgen. Die gleichzeitige Messung der Stromamplitude und ihrer Änderung ist besonders vorteilhaft, um das Vorliegen eines Fehlerfalls bereits deutlich vor dem Erreichen des unerwünschten Strommaximums detektieren zu können und den Strom frühzeitig innerhalb der ersten Halbwelle auf tolerierbare Werte begrenzen zu können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Laufflächen der Kontaktelemente jeweils wenigstens einen Teilbereich auf, welcher als Teilstück eines Rings geformt ist und eine Breite von höchstens 3 mm aufweist. Durch diese noch engere Begrenzung der jeweiligen Fußpunkte des Lichtbogens wird vorteilhaft eine noch stärkere Erhöhung der Lichtbogenspannung erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Antrieb für eine Öffnungsgeschwindigkeit von wenigstens 5 m/s, besonders vorteilhaft sogar wenigstens 6 m/s ausgelegt. Durch diese noch höhere Geschwindigkeit in der Verlängerung des Lichtbogens wird vorteilhaft eine noch stärkere Erhöhung der Lichtbogenspannung erreicht.
Vorteilhaft weist der Vakuumschalter (insbesondere zum Zeitpunkt des Maximums der ersten Stromhalbwelle) einen Kontakthub von wenigstens 4 mm auf. Unter dem Kontakthub soll hier die zurückgelegte Strecke bei der Relativbewegung der beiden Kontaktelemente während der Öffnung verstanden werden. Besonders bevorzugt beträgt der Kontakthub (insbesondere zum Zeitpunkt des Maximums der ersten Stromhalbwelle) sogar wenigstens 8 mm, insbesondere wenigstens 12 mm und kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 12 mm und 20 mm liegen. Derart hohe Kontakthübe sind besonders vorteilhaft, um in Kombination mit der beschriebenen hohen Öffnungsgeschwindigkeit einen hohen Widerstand im Lichtbogen (durch dessen erreichte Länge) und entsprechend einen hohen Wert der Lichtbogenspannung zu erreichen. Bei niedrigeren Betriebsspannungen (beispielsweise zwischen 3 kV und 7,2 kV) sind allerdings auch Kontakthübe im niedrigeren Teil der angegebenen Bereiche, also beispielsweise zwischen 4 mm und 8 mm, ausreichend.
Die Strombegrenzungsvorrichtung kann vorteilhaft zur Strombegrenzung in einem Mittelspannungsnetz ausgelegt sein. Gerade die Mittelspannungsnetze sind besonders von den eingangs beschriebenen Problemen der starken Vermaschung und einer Häufigkeit von Kurzschlussfällen betroffen. Andererseits ist aber die Begrenzung von Fehlerströmen mit herkömmlichen Vorrichtungen im Mittelspannungsbereich besonders schwierig oder zumindest apparativ sehr aufwendig. Insbesondere kann die Strombegrenzungsvorrichtung vorteilhaft für ein Stromnetz mit einer Nennspannung zwischen 3 kV und 52 kV ausgelegt sein.
Die Vorrichtung ist besonders bevorzugt zur Strombegrenzung auf einen tatsächlichen maximalen Kurzschlussstrom von höchstens 64 kA ausgelegt. Beispielsweise kann der maximal mögliche Kurzschlussstrom auf Werte zwischen 20 kA und 64 kA, insbesondere höchstens 40 kA, besonders vorteilhaft höchstens 31,5 kA oder sogar nur höchstens 20 kA oder 16 kA begrenzt sein. Derartige Werte für den höchsten zulässigen Kurzschlussstrom entsprechen den Spezifikationen von vielen in Mittelspannungsnetzen eingesetzten elektrischen Betriebsmitteln. Diese können somit zuverlässig geschützt werden. Eine Begrenzung des Kurzschlussstroms auf Werte in den genannten Bereichen kann allgemein dadurch erreicht werden, dass der Schalter so schnell geöffnet wird und so schnell eine entsprechend hohe Spannung im Lichtbogen erreicht wird, dass sehr früh innerhalb der ersten Halbwelle - also weit vor Erreichen des ersten Strommaximums - eine starke Begrenzungswirkung erfolgt.
Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Elementen kann der Vakuumschalter vorteilhaft mehrere innerhalb der Vakuumkammer angeordnete Löschbleche aufweisen. Diese Löschbleche können insbesondere seitlich von den relativ zueinander beweglichen Kontaktelementen angeordnet sein. Ähnlich wie in der EP1551048A1 beschrieben, ist die Funktion solcher Löschbleche einerseits die Kühlung des Lichtbogens und dadurch die Erhöhung der Lichtbogenspannung. Alternativ oder zusätzlich können die Löschbleche aber auch dazu dienen, den entstehenden Lichtbogen in mehrere Teillichtbögen zwischen den einzelnen Löschblechen aufzuteilen und hierdurch die Gesamtspannung weiter zu erhöhen. Wesentlich ist in jedem Fall, dass die Löschbleche so angeordnet sind, dass der Lichtbogen durch das ausgebildete Transversalmagnetfeld seitlich (also nach radial außen) in den Löschblechstapel hineingetrieben wird. Hierzu kann die Formgebung der Kontaktelemente vorteilhaft so ausgestaltet sein, dass das beim Stromfluss gebildete Transversalmagnetfeld den Lichtbogen nicht nur in Umfangsrichtung auf einer umlaufenden Bahn bewegt, sondern auch nach radial außen, also in außenliegende Bereiche dieser Bahn treibt. In einem solchen radial außen liegenden Bereich kann dann der Lichtbogen in den Einflussbereich der Löschbleche treten und gegebenenfalls sogar in den Löschblechstapel eintreten. Die kühlende Wirkung auf den Lichtbogen kann alternativ oder zusätzlich auch einfach durch eine außen und hinreichend nah positionierte metallische Kammerwand erfolgen.
Allgemein können die beschriebenen Laufflächen für den Lichtbogen identisch mit den Kontaktflächen bzw. dem Nennstrompfad der Kontaktelemente sein. Mit anderen Worten können die Laufflächen jeweils durch die Auflageflächen gebildet sein, mit denen die beiden Kontaktelemente im geschlossenen Zustand in mechanische Berührung treten. Die Laufflächen müssen jedoch nicht mit den Auflageflächen oder dem Nennstrompfad identisch sein. So ist es beispielsweise auch möglich, dass die Laufflächen nur durch einen bestimmten Teil der gesamten Auflageflächen gebildet sind, beispielsweise durch einen radial außen liegenden Bereich. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, dass die Laufflächen (ganz oder teilweise) durch einen radial noch weiter außen liegenden Bereich als die Kontaktflächen gebildet sind. Dies kann zum Beispiel dann vorteilhaft der Fall sein, wenn sich der Querschnitt der Kontaktelemente jeweils nach radial außen derart verjüngt oder die Kontaktelemente auf andere Weise so geformt sind, dass hier der Abstand zwischen den Kontaktelementen erhöht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante können die Kontaktelemente jeweils als Spiralkontakte ausgebildet sein. Mit anderen Worten können die Kontaktflächen der einzelnen Kontaktelemente jeweils in mehrere gebogene Spiralarme unterteilt sein. Diese Spiralarme erstrecken sich also jeweils in einer Biegung von einem radial innen liegenden Bereich des Kontaktelements hin zu einem radial außen liegenden Bereich, welcher einen Teil der ringförmigen Laufbahn für den Lichtbogen ausbildet. Ein zunächst im radial innen liegenden Bereich ausgebildeter Lichtbogen kann so durch einen oder mehrere Spiralarme nach außen geführt werden und dann auf den radial außen liegenden Teilen der einzelnen Spiralarme weiter ringförmig umlaufen. Hierbei werden die Lücken zwischen den einzelnen Spiralarmen durch den Lichtbogen sprungartig überwunden. Das Transversalmagnetfeld wird hierbei durch die Form der Spiralarme in den beiden gegenüberliegenden Kontaktelementen erzeugt. Besonders bevorzugt sind hierzu die beiden gegenüberliegenden Kontaktelemente spiegelbildlich zueinander ausgeführt und aneinander ausgerichtet, insbesondere im Wesentlichen deckungsgleich übereinander angeordnet. Bevorzugt kann jedes der beiden Kontaktelemente beispielsweise 3, 4, 6 oder 8 Spiralarme aufweisen.
Besonders bevorzugt können sich die Spiralkontakte wie oben erwähnt jeweils zu ihrer Lauffläche hin, also nach radial außen, in ihrer Querschnittsfläche verjüngen. Alternativ können die Spiralarme jeweils so gebogen sein, dass sie nach radial außen hin von dem jeweils anderen Kontaktelement weg weisen und nach radial außen eine schnabelartige Öffnung bilden. Dies kann insbesondere dazu vorteilhaft sein, um den Lichtbogen bei seinem Eintritt in eine weiter außen liegende Laufbahn besonders schnell noch weiter zu verlängern. So kann der Lichtbogen auf eine Länge verlängert werden, welche insbesondere größer als der oben beschriebene Kontakthub ist. Mit einer derartigen schnabelartigen Öffnung der Kontaktelemente nach radial außen hin wird so eine noch schnellere Ausbildung einer hohen Lichtbogenspannung erreicht.
Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit Spiralkontakten können die Kontaktelemente des Vakuumschalters jeweils als Topfkontakte mit einer ringförmig geschlossenen Lauffläche ausgebildet sein. Mit anderen Worten können die beiden Kontaktelemente jeweils topfförmig ausgebildet sein, wobei die Öffnungen dieser Töpfe einander zugewandt sind. Im Bereich ihrer Öffnungen sind diese Töpfe jeweils mit einem Laufring versehen, welcher auch als Kontaktscheibenring bezeichnet wird. Die dem jeweils anderen Kontaktelement zugewandte Oberfläche eines solchen Laufrings bildet dabei gleichzeitig die Lauffläche und auch die Kontaktfläche des jeweiligen Kontaktelements aus. Da diese Laufflächen die einander am nächsten liegenden Teile der beiden Kontaktelemente ausbilden, wird ein beim Öffnen entstehender Lichtbogen sofort auf diese außenliegende Bahn gelenkt. Die Laufringe können beispielsweise jeweils annähernd kreisförmig ausgebildet sein, es sind grundsätzlich jedoch auch andere ringförmige Formen denkbar.
Bei der Verwendung derartiger Topfkontakte wird die Ausbildung des Transversalmagnetfeldes durch eine Anordnung von Schlitzen in den Topfkontakten erreicht. Dies ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Um den entstehenden Lichtbogen auf einer geeigneten ringförmigen Bahn zu bewegen, wird hier die Schrägung der Schlitze in den beiden gegenüberliegenden Kontaktelementen bevorzugt zumindest annähernd spiegelbildlich zueinander ausgeführt.
Die Seitenwände der als Töpfe ausgeformten Kontaktelemente müssen nicht notwendigerweise einen konstanten Querschnitt aufweisen. So kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Topfkontakte jeweils eine Topfwand mit sich zur Lauffläche hin verjüngender Wandstärke aufweisen. Eine solche - insbesondere konische - Verjüngung kann dazu beitragen, eine erfindungsgemäß verengte Laufbahn für den Lichtbogen zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität der Topfwand zu gewährleisten. Allgemein kann die Wandstärke der Topfwand zumindest im Bereich des Laufrings ähnlich dimensioniert sein wie die beschriebene, relativ geringe Breite der Laufbahn. Die seitlich außenliegende Oberfläche der Topfwand kann allgemein vorteilhaft zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet sein.
Bei der Ausführungsform als Topfkontakte können diese jeweils zumindest teilweise in ihrem Innenraum mit einer metallischen und/oder keramischen Füllung versehen sein. Eine solche Füllung - aus einem unterschiedlichen Material als dem Material des Grundkörpers des Topfes - kann vorteilhaft sein, um ein Aufschmelzen der Innenwand des Topfes und/oder des Bodens des Topfes infolge eines auftretenden Wanderns des Lichtbogens in das Innere des Topfes zu verhindern. Denn Aufschmelzungen können zu einer deutlichen Reduktion der Lichtbogenspannung führen.
Alternativ oder zusätzlich kann als weitere geeignete Maßnahme, um ein Kommutieren des Lichtbogens in das Topfinnere zu verhindern, der jeweilige Topfkontakt so ausgestaltet sein, dass das Verhältnis V zwischen einem Topfinnendurchmesser Di und einer Topftiefe Hi bei wenigstens 2,5 liegt. Besonders bevorzugt kann dieses Verhältnis V = Di/Hi sogar bei wenigstens 3 liegen.
Allgemein und unabhängig von der genauen Ausformung der Kontaktelemente können die Grundkörper und/oder die Laufflächen der Kontaktelemente bevorzugt Kupfer, Chrom, Wolfram und/oder Molybdän sowie Legierungen mit einem oder mehreren dieser Metalle (beispielsweise CuCr oder WCu) aufweisen oder aus solchen Materialien bestehen. Bevorzugt sind auch carbidhaltige Werkstoffe wie beispielsweise Wolframcarbid, Silbercarbid oder Wolfram-Kupfer-Carbid. Alternativ kommen aber auch andere keramisch metallische Verbundwerkstoffe (beispielsweise sogenannte Cermets oder gemischte Metalle und Metallcarbide) in Frage.
Das Verfahren zur Begrenzung eines Fehlerstroms kann bevorzugt so ausgeführt werden und die Vorrichtung kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass der Spannungsfall über den Lichtbogen zwischen den beiden geöffneten Kontaktelementen bei wenigstens 300 V, insbesondere sogar bei wenigstens 400 V liegt. Eine derart hohe Spannung wird bevorzugt innerhalb der ersten 10 ms nach einem Kurzschlussereignis und insbesondere sogar innerhalb der ersten 5 ms nach einem Kurzschlussereignis erreicht. So kann der Fehlerstrom früh innerhalb der ersten Halbwelle nach einem Kurzschlussereignis begrenzt werden. Dabei gelten die angegebenen Zeiten jeweils als Höchstwert für die aufgrund der Öffnung des Schalters und der Bewegung des Lichtbogens zum Erreichen der genannten Spannung erforderliche Zeit. Um ein besonders schnelles begrenzen des Fehlerstroms zu ermöglichen, gilt die angegebene Zeit bevorzugt sogar einschließlich der für die elektronische Kurzschlusserkennung und Auslösung des mechanischen Antriebs des Schalters erforderlichen Zeiten.
Das Verfahren zur Begrenzung eines Fehlerstroms kann bevorzugt so ausgeführt werden und die Vorrichtung kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass der beim Öffnen ausgebildete Lichtbogen mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 100 m/s über die Lauffläche der Kontaktelemente bewegt wird. Eine derart hohe Geschwindigkeit ist ebenfalls vorteilhaft, um eine hohe Lichtbogenspannung zu erreichen. Besonders bevorzugt kann die Geschwindigkeit wenigstens bei 200 m/s liegen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 einen schematischen Längsschnitt einer Vorrichtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Topfkontaktes nach dem Stand der Technik zeigt,
3 eine schematische Darstellung von zwei Topfkontakten entsprechend 2 mit dem Strompfad in Kontakten und Lichtbogen zeigt,
4 einen schematischen Längsschnitt durch einen einzelnen Topfkontakt aus einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
5 einen schematischen Längsschnitt durch einen einzelnen Topfkontakt aus einem weiteren Beispiel der Erfindung zeigt,
6 eine schematische perspektivische Darstellung eines Spiralkontaktes nach dem Stand der Technik zeigt,
7 eine schematische Darstellung von zwei Spiralkontakten entsprechend 6 mit Strompfad in Kontakten und Lichtbogen zeigt,
8 eine schematische Querschnittansicht durch einen einzelnen Spiralkontakt aus einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
9 einen Ausschnitt aus einem Vakuumschalter mit Spiralkontakten nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
10 gemessene und berechnete Lichtbogenspannungen für einen Vakuumschalter nach dem Stand der Technik zeigt,
11 weitere gemessene und berechnete Lichtbogenspannungen für den Vakuumschalter nach dem Stand der Technik zeigt und
12 gemessene Lichtbogenspannungen sowie Kontaktabstände für einen Vakuumschalter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

1 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Vorrichtung 1 zur Strombegrenzung nach einem ersten Beispiel der Erfindung. Diese Vorrichtung umfasst einen Vakuumschalter 3 und eine Detektionseinrichtung 23, mittels derer ein Fehlerfall - beispielsweise ein Kurzschluss - in einem hier nicht gezeigten äußeren Stromkreis detektiert werden kann. Alternativ zu der hier gezeigten Variante mit nur einem Vakuumschalter können gegebenenfalls auch weitere solche Vakuumschalter in Serie geschaltet sein und im Fehlerfall gleichzeitig ausgelöst werden.
Der Vakuumschalter 3 weist eine Vakuumkammer 5 auf, innerhalb derer zwei Kontaktelemente 13a und 13b angeordnet sind. Diese Vakuumkammer 5 wird durch ein Vakuumgefäß 7 begrenzt. Das Vakuumgefäß 7 ist definiert durch einen äußeren Isolationszylinder 9, eine auf einem Ende des Zylinders befestigte erste Endplatte 10 und eine an dem anderen Ende des Zylinders befestigte zweite Endplatte 11. Die Endplatten 10,11 sind zur Aufrechterhaltung eines Vakuums hermetisch gegen den äußeren Isolationszylinder 9 abgedichtet. Der äußere Isolationszylinder 9 kann auch durch einen oder mehrere ringförmige vakuumdicht angebundene Metallelemente in mehrere serielle Segmente unterteilt sein. Zentriert in der Vakuumkammer 5 sind die beiden Kontaktelemente 13a und 13b angeordnet, welche im Wesentlichen zueinander spiegelbildliche Geometrien aufweisen. Das erste Kontaktelement 13a ist stationär und an einem ihm zugeordneten Leiter 21 befestigt. Das zweite Kontaktelement 13b ist beweglich angeordnet und ebenfalls an einem Leiter 21 befestigt. Das bewegliche Kontaktelement 13b wird von dem feststehenden Kontaktelement 13a getrennt, wenn mittels der Detektionseinheit 23 ein Fehlerfall detektiert und der Vakuumschalter 3 ausgelöst wird. Dies geschieht mittels des Antriebs 25, mit dem in diesem Beispiel eine Öffnungsgeschwindigkeit von wenigstens 4 m/s und ein Kontakthub 33 von wenigstens 8 mm realisiert werden kann. Für alternative Ausgestaltungen (beispielsweise für Spannungsbereiche unterhalb von 20 kV) wären jedoch grundsätzlich auch niedrigere Kontakthübe als 8 mm ausreichend. Bei der so ausgelösten Trennung der beiden Kontaktelemente entsteht ein Lichtbogen 31, dessen Eigenschaften im Folgenden näher erläutert werden.
Ein metallischer Faltenbalg 27 ist bereitgestellt zwischen dem beweglichen Kontaktelement 13b und der zweiten Endplatte 11 und umgibt den auf dieser Seite vorliegenden Leiter 21. Dieser Faltenbalg 27 bewirkt also die Beweglichkeit des auf dieser Seite vorliegenden Leiters 21 gegen die zweite Endplatte 11, sodass die beiden Kontaktelemente 13a und 13b sehr schnell und mit vergleichsweise großer Wegstrecke gegeneinander bewegt werden können, ohne dass die Integrität des Vakuumgefäßes 7 und seine Vakuumdichtigkeit beeinträchtigt werden.
Mehrere metallische Schirme 29a bis 29d umgeben die beiden Kontaktelemente. Diese Schirme schützen die das Kontaktsystem umgebenden Komponenten der Schaltröhre vor dem entstehenden Lichtbogen 31 zwischen den einzelnen Kontaktelementen 13a bzw. 13b. So schützen die Schirme 29a und 29b die den einzelnen Kontaktelementen 13a bzw. 13b zugeordneten Leiter 21, den Faltenbalg 27 und die Endplatten 10 und 11. Insbesondere verhindern die Schirme 29a und 29b, dass durch den Lichtbogen verursachter metallischer Dampf und metallische schmelzflüssige Partikel den Leiter 21, den Faltenbalg 27 und die Endplatten 10 und 11 beschädigen. Der durchgehende zylindrische Schirm 29c und 29d schützt den/die Isolationszylinder 9. Dieser/diese Isolationszylinder 9 kann/können beispielsweise in seinen/ihren elektrisch isolierenden Bereichen (hier dicker gezeichnet) ein keramisches Material und/oder Glas umfassen. Insbesondere verhindert der seitlich von den Kontaktelementen angebrachte Schirm 29c und 29d, dass sich durch den Lichtbogen verursachter metallischer Dampf und metallische schmelzflüssige Partikel auf der Innenfläche des/der Isolationszylinders 9 abscheiden und dieser/diese leitfähig wird/werden.
Die beiden gegenüberliegenden Kontaktelemente 13a und 13b weisen einander zugewandte Laufflächen 20 für den Lichtbogen 31 auf, auf dem dieser nach seiner Entstehung ringförmig umlaufen kann. Im hier schematisch gezeigten Beispiel sind die beiden Kontaktelemente als Topfkontakte ausgebildet, und die Laufflächen 20 sind durch ringförmige Laufringe gegeben. Da es sich bei der 1 um eine rein schematische und nicht maßstabsgetreu Bezeichnung handelt, kann die Breite dieser Laufflächen 20 der Figur nicht entnommen werden. Es könnte sich hier also prinzipiell um eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung oder um eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik handeln. Durch die Breite der Laufflächen unterscheiden sich die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vom Stand der Technik, wie aus den folgenden Detailansichten verschiedener Kontaktelemente noch deutlicher werden wird.
So zeigt 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines einzelnen Kontaktelements 13 nach dem Stand der Technik, welcher als Topfkontakt ausgebildet ist. Gezeigt ist ein topfförmiger Grundkörper 14, welche auf seiner dem anderen Kontaktelement zugewandten Seite mit einem kreisförmigen Laufring 15 versehen ist. Auf der abgewandten Seite geht dieser Grundkörper 14 in einen Kontaktbolzen 22 über, welcher außerhalb der Vakuumkammer mit dem entsprechenden Leiter verbunden ist. Die oben dargestellte Oberfläche dieses Laufrings 15 bildet eine Laufbahn 18 für den entstehenden Lichtbogen aus. Bei dieser Laufbahn 18 handelt es sich um eine ringförmig geschlossene Kreisbahn, welche hier vollständig auf der Oberfläche des Laufrings 15 verläuft. Die Breite b des Laufrings 15 ist nach dem Stand der Technik breiter als die natürliche Breite eines fokussierten Lichtbogens 31, welcher sich bei typischen Schaltströmen und Spannungen in Mittelspannungsstromnetzen zwischen den gegenüberliegenden Kontaktelementen ausbildet. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhalts ist der Lichtbogen 31 auf der Oberfläche des Laufrings durch eine leicht elliptische Form skizziert. Die natürliche Breite c des Lichtbogens wird auch als natürliche Fußpunktbreite oder auch als Breite des Kathoden- bzw. Anodenfußpunkts bezeichnet (unter der Annahme, dass es sich bei dem gezeigten einzelnen Kontaktelement um dasjenige handelt, welches im Moment der Entstehung des Lichtbogens gerade die Kathode - bzw. die Anode ausbildet). Die typische natürliche Fußpunktbreite liegt im Bereich zwischen 6 mm und 14 mm auf der Kathode und im Bereich zwischen 5 mm und 10 mm auf der Anode, wie in den oben genannten Veröffentlichungen von Haas et al. beschrieben.
Wie ebenfalls in 2 dargestellt, weist der Topfkontakt eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen auf, welche die Ausbildung eines transversalen Magnetfeldes und somit die Bewegung des entstehenden Lichtbogens auf der ringförmigen Bahn bewirken. Die Wirkung dieser Form wird für das Zusammenspiel zweier derartiger Kontaktelemente in 3 näher erläutert. So zeigt 3 zwei entsprechend geformte topfförmige Kontaktelemente 13a und 13b, welche sich gegenüberstehen und entlang einer zentralen Achse A gegeneinander bewegt und somit geöffnet werden können. In 3 ist ein geöffneter Zustand dargestellt, bei welchem ein Lichtbogen 31 aufgebaut wurde. Die beiden Kontaktelemente sind so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander geformt sind. Somit ist die Schrägung der jeweils zugeordneten Schlitze 16 unterschiedlich. Über die beiden Kontaktelemente 13a und 13b sowie den dazwischenliegenden Lichtbogen 31 hinweg bildet sich somit ein gekrümmter Strompfad 19 aus. Durch die Krümmung dieses Strompfades liegen die einzelnen generierten lokalen Magnetfelder (durch Ringe angedeutet) nicht mehr auf einer Achse und es wird eine Lorentzkraft ausgebildet, welche den Lichtbogen auf einer umlaufenden Bahn mit der Laufrichtung 17 bewegt.
4 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen einzelnen Topfkontakt aus einer Strombegrenzungsvorrichtung beziehungsweise einem Vakuumschalter nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Kontaktelement 13 ist von seiner grundlegenden Form und Funktion her analog ausgestaltet wie das in den 2 und 3 gezeigte Kontaktelement. Es unterscheidet sich von diesem jedoch durch die geringere Breite b seines Laufrings 15. Bei dem erfindungsgemäß ausgestalteten Vakuumkontakt beträgt die Breite b höchstens 5 mm. Diese Breite ist somit niedriger als die typische Fußpunktbreite eines Lichtbogens, welcher sich bei den typischen Strömen und Spannungen eines Mittelspannungsnetzes ausbildet.
Im Längsschnitt der 4 sind der Topfinnendurchmesser mit Di und die Topftiefe mit Hi bezeichnet. Um eine Kommutierung des Lichtbogens in das Innere des Topfkontaktes zu verhindern, liegt dieses Verhältnis V = Di/Hi bevorzugt bei wenigstens 2,5.
5 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen einzelnen Topfkontakt aus einer Strombegrenzungsvorrichtung beziehungsweise einem Vakuumschalter nach einem weiteren Beispiel der Erfindung. Dieses Kontaktelement 13 ist sehr ähnlich wie das Kontaktelement der 4 ausgebildet. Es unterscheidet sich von diesem jedoch durch die Ausgestaltung der seitlichen Topfwand 34. Auch hier weist diese Topfwand auf ihrer radial außen liegenden Seite eine zylinderförmige Begrenzungsfläche auf. Auf ihrer radial innen liegenden Seite weist ihre Begrenzungsfläche jedoch von der Zylinderform ab, da die Topfwand konisch geformt ist, sodass sie sich nach oben hin - also zum anderen Kontaktelement hin - verjüngt. Diese verjüngende Form trägt vorteilhaft dazu bei, dass für den Lichtbogen eine Lauffläche 20 mit nur geringer Breite b zur Verfügung steht und dass trotzdem die Topfwand 34 eine ausreichende mechanische Stabilität hat. Ein weiterer Unterschied zwischen dem Beispiel der 5 und dem Beispiel der 4 besteht darin, dass hier das Innere des topfförmigen Grundkörpers 14 mit einer Füllung 35 versehen ist, welche beispielsweise ein keramisches Material aufweisen kann. Eine solche Füllung kann vorteilhaft sein, um eine Kommutierung des Lichtbogens in das Innere des Topfes zu verhindern.
6 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines einzelnen Spiralkontaktes nach dem Stand der Technik. Spiralkontakte stellen eine grundlegend andere Ausführungsart eines Radialmagnetfeldkontaktes dar. Genauso wie beim Topfkontakt wird also auch hier durch ein Magnetfeld mit radialer Komponente eine Bewegung des Lichtbogens entlang einer kreisförmigen Bahn erreicht. Die konstruktive Ausgestaltung, mit der dies in einem Spiralkontakt erreicht wird, ist jedoch grundlegend verschieden.
So weist das in 6 gezeigte Kontaktelement 13 eine Lauffläche 20 für einen Lichtbogen auf, welche in diesem Beispiel in vier Spiralarme 38 unterteilt ist. Diese Spiralarme erstrecken sich jeweils von einem Zentralstück 37 aus nach radial außen, wobei die radial außenliegenden Abschnitte 38a der Spiralarme zusammen wiederum eine ringförmige Laufbahn 18 ausbilden. Diese ringförmige Laufbahn 18 bildet im Unterschied zum vorhergehenden Beispiel keinen geschlossenen Ring, sondern weist vier einzelne Lücken 39 auf, welche von dem auf der Lauffläche 20 umlaufenden Lichtbogen sprungartig überbrückt werden können.
Die Ausbildung des seitlichen, d.h transversalen, Magnetfeldes und die Bewegung des Lichtbogens auf der ringförmigen Bahn sind für den Spiralkontakt in 7 verdeutlicht. So zeigt 7 zwei Kontaktelemente 13a und 13b, welche jeweils als Spiralkontakte ausgebildet sind und sich so gegenüberstehen, dass sie wiederum entlang einer zentralen Achse A gegeneinander bewegt und somit geöffnet und geschlossen werden können. Jedes der beiden Kontaktelemente weist vier Spiralarme auf (analog zur 6), wobei die beiden einzelnen Kontaktelemente spiegelbildlich zueinander ausgeführt sind und so aneinander ausgerichtet sind, sodass die zueinander weisenden Laufflächen 20 einen einander entsprechenden Grundriss aufweisen. Auch bei einer solchen Anordnung wird bei einem Stromfluss durch die beiden Kontaktelemente und den dazwischen ausgebildeten Lichtbogen 31 ein gekrümmter Strompfad 19 ausgebildet. Durch dessen Krümmung wird auch hier ein Magnetfeld mit radialer Komponente erzeugt, welches wiederum eine Kreisbewegung des Lichtbogens 31 mit einer Laufrichtung 17 verursacht. Im Fall des Spiralkontaktes ist die Krümmung des Strompfades 19 nicht durch schrägliegende Schlitze, sondern durch die Krümmung und Ausrichtung der Spiralarme 38 verursacht. Der übergeordnete Effekt auf die Bewegung des Lichtbogens ist jedoch ähnlich wie bei dem ganz unterschiedlich geformten Topfkontakt.
8 zeigt eine schematische Querschnittansicht durch ein einzelnes Kontaktelement 13 aus einer Strombegrenzungsvorrichtung beziehungsweise einem Vakuumschalter nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Kontaktelement 13 ist als Spiralkontakt ausgestaltet und ist von seiner grundlegenden Form und Funktion her analog ausgestaltet wie das in den 6 und 7 gezeigte Kontaktelement. Es unterscheidet sich von diesem jedoch durch die Breite b der ringförmigen Laufbahn 18 des Lichtbogens. Ähnlich wie bei den breiteren Spiralkontakten der 6 und 7 ist hier die Laufbahn 18 durch eine ringförmige Bahn gebildet, welche sich aus den radial außen liegenden Bereichen 38a der einzelnen Spiralarme 38 und den dazwischen vorliegenden, vom Lichtbogen zu überspringenden Lücken 39 zusammensetzt. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass die Breite b im Bereich der radial außenliegenden Abschnitte 38a den vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet. In den weiter innen liegenden Bereichen der einzelnen Spiralarme, die an das Zentralstück 37 angrenzen, sollten diese bevorzugt prinzipiell ähnlich schmal ausgestaltet sein.
9 zeigt einen Ausschnitt aus einem Vakuumschalter 3 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt entlang der Achse A. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden gegeneinander beweglich angeordneten Kontaktelemente 13a und 13b als Spiralkontakte ausgebildet. Im Unterschied zu den vorhergehenden Figuren ist der in 9 dargestellte Teil des Vakuumschalters in geschlossener Konfiguration dargestellt. Mit anderen Worten ist der Kontaktbolzen 22 des unten gezeigten Kontaktelements 13b hier so weit nach oben bewegt, dass die beiden Kontaktelemente 13a und 13b einander berühren und einen direkten elektrischen Kontakt ausbilden. Durch Bewegen des unten dargestellten Kontaktbolzens 22 entlang der Pfeile können die Kontaktelemente jedoch ähnlich wie in den vorhergehenden Beispielen voneinander getrennt werden, wodurch sich wiederum ein Lichtbogen zwischen den beiden Kontaktelementen ausbildet.
Ein wesentlicher Unterschied des Beispiels der 9 zu den vorhergehenden Beispielen liegt darin, dass die beiden Kontaktelemente jeweils so geformt sind, dass sie sich auch im geschlossenen Zustand nach radial außen hin schnabelartig öffnen. In der Querschnittansicht ist gut zu erkennen, dass zwischen den einzelnen Spiralarmen im radial außen liegenden Bereich ein deutlicher Abstand vorliegt, auch wenn die eigentlichen radial innenliegenden Kontaktflächen der beiden Kontaktelemente einander berühren. Wenn nun bei Öffnung des Kontakts ein Lichtbogen entsteht und dieser durch das gebildete Transversalmagnetfeld nach radial außen wandert und dann dort auf einer ringförmigen außen liegenden Bahn bewegt wird, dann wird durch diese Formgebung die Länge des Lichtbogens zusätzlich schnell vergrößert.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied des Beispiels der 9 zu den vorhergehenden Beispielen liegt darin, dass dieser Vakuumschalter 3 einen Stapel von Löschblechen 41 aufweist, wobei hier einzelne Löschbleche 41a bis 411 zu erkennen sind. Dadurch, dass ein Lichtbogen beim Öffnen des Schalters in die radial außenliegenden Bereiche 38a der Spiralarme bewegt wird, gelangt dieser Lichtbogen hier auch in den Einflussbereich der Löschbleche, welche axial übereinander und seitlich (also radial) neben den Kontaktelementen angeordnet sind. Diese Löschbleche können sich durch Kühlung des Schaltlichtbogens und/oder durch dessen Aufspaltung in einzelne Teillichtbögen günstig auf die Strombegrenzungseigenschaften auswirken, indem sie die Lichtbogenspannung erhöhen. In Kombination mit der beschriebenen hohen Öffnungsgeschwindigkeit des Schalters und der eng begrenzten Breite der Umlaufbahn kann dies besonders vorteilhaft dazu beitragen, dass eine besonders hohe Lichtbogenspannung erreicht wird. Die Breite der einzelnen Spiralarme ist aus der Figur nicht ablesbar. In einem realen Ausführungsbeispiel können die Spiralarme noch wesentlich dünner sein als hier dargestellt, so dass in einem gegebenen Querschnitt nur ein dünner Abschnitt der jeweiligen Spiralarme enthalten ist.
10 zeigt eine vergleichende Ansicht von gemessenen Werten 55 und berechneten Werten 57 der Lichtbogenspannung in Volt 51 für einen Vakuumschalter nach dem Stand der Technik als Funktion der Zeit in Sekunden 53. Gezeigt ist der zeitliche Verlauf der Spannungswerte über einen Zeitraum von 12,5 ms, was insgesamt nur etwas mehr als der ersten Halbwelle (also nur knapp über 10 ms) eines Spannungsverlaufs bei 50 Hz Wechselstrom entspricht. Die mit 55 bezeichnete Kurve entspricht dabei dem nach Öffnen des Schalters (beim Zeitpunkt von etwa 1,5 ms) tatsächlich gemessenen Verlauf. Bei diesem Schalter handelt es sich um einen Spiralkontaktschalter nach dem Stand der Technik mit breiten Spiralarmen, ähnlich wie in den 6 und 7. Die tatsächliche Stromamplitude im Stromscheitel bei dieser Messung beträgt 7,9 kA entsprechend einem Effektivwert von 7,9 kA/wurzel(2). Als höchste gemessene Lichtbogenspannung ergibt sich hier ein Wert von etwa 50 V.
Zum Vergleich mit den Messwerten der Kurve 55 dient die Kurve 57, welche berechnete Werte für die Lichtbogenspannung U_arc gemäß der folgenden Formel zeigt: $U_{a r c} = C_{1} \frac{1}{j} \frac{1}{\sqrt{τ_{a r c}}} + C_{2} j τ_{a r c} h + U_{c f} .$
Darin sind C₁ und C₂ Materialkoeffizienten für das Material der Laufbahnen und τ_arc bezeichnet die lokale Wechselwirkungszeit des Lichtbogens mit der Laufbahnoberfläche, das heißt die Zeit, die der Lichtbogen benötigt, um bei der Momentangeschwindigkeit v_arc einen Weg entsprechend seiner Ausdehnung in Laufrichtung zurückzulegen. Seine Abhängigkeit von v_arc ergibt sich als: $τ_{a r c} = C_{3} \frac{r}{v_{a r c}},$
wobei r für den Lichtbogenradius steht und C₃ ein Koeffizient ist. Ferner bezeichnet in der oben stehenden Gleichung j die Stromdichte im Lichtbogen, h die Lichtbogenlänge und U_cf die Kathodenfallspannung, die typischerweise etwa 15V beträgt. 10 zeigt, dass die mit dieser Formel berechneten Werte mit den experimentell gemessenen Werten für diesen Fall mit einem vergleichsweise geringen Strom relativ gut übereinstimmen.
11 zeigt eine analoge Darstellung mit gemessenen 55 und berechneten 57 Werten der Lichtbogenspannung für den gleichen Vakuumschalter wie in 10, allerdings bei einer anderen Strombelastung. Im Unterschied zu den Werten der 10 liegt hier die Stromamplitude im Stromscheitel bei 28 kA, entsprechend einem Effektivwert von 28 kA/wurzel(2). Aufgrund des hohen Beitrags des zweiten Summanden in der allgemeinen Formel für die Lichtbogenspannung steigt die Spannung mit der höheren Stromdichte und die Kurven sind beide gegenüber den entsprechenden Kurven der 10 erhöht. Die gemessene Kurve 55 ist hier sogar noch deutlich stärker erhöht als die theoretisch berechnete Kurve 57, da hier zusätzlich der Einfluss der Löschbleche wirksam wird, die bei dem untersuchten Schalter ähnlich wie in 9 gezeigt vorhanden waren. Diese Löschbleche zeigen erst bei vergleichsweise hohen Strömen ihre Wirkung. Dies liegt vor allem daran, dass relativ hohe magnetisch erzeugte Kräfte nötig sind, um den Lichtbogen in den radial weit außen liegenden Bereich zu treiben, indem die Löschbleche hauptsächlich wirksam sind.
12 zeigt schließlich die gemessene Lichtbogenspannung in Volt (V) 51 als Funktion der Zeit in Millisekunden 53 für einen Vakuumschalter nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die maximale Stromamplitude beträgt hier 28 kA. Im Unterschied zu dem Vakuumschalter nach dem Stand der Technik mit breiten Spiralarmen, dessen Kurven in den 10 und 11 gezeigt sind, liegen hier wesentlich schmalere Spiralarme 38 im radial außen liegenden Bereich vor - im konkreten Beispiel mit einer Breite b von 3 mm. Zusätzlich zu dieser verringerten Breite wurde der Antrieb durch einen wesentlich schnelleren Antrieb ersetzt, der eine Öffnungsgeschwindigkeit oberhalb von 4 m/s bewirken kann. Diese hohe Öffnungsgeschwindigkeit ist in 12 durch die Kurve 59 wiedergegeben, welche entsprechend den Werten auf der rechten Achse 54 den Kontaktabstand in mm darstellt. Wie aus der Steigung der Kurve 59 ablesbar ist, wird der Kontakthub von 12 mm mit einer Geschwindigkeit von 4 m/s oder sogar etwas schneller (also in etwa 3 ms oder weniger) erreicht.
Durch die verringerte Breite der Laufbahn und die erhöhten Öffnungsgeschwindigkeit wird bei dem in 12 untersuchten Schalter erreicht, das die gemessene Lichtbogenspannung 55 mit etwa 450 V deutlich über der in 11 gezeigten Kurve liegt. Auch die Messungen der 12 wurden bei einer maximalen Stromamplitude von 28 kA erzeugt und sind somit den Werten der 11 vergleichbar.
Der Einfluss der beiden verbesserten Merkmale kann anhand der allgemeinen Formel für die Lichtbogenspannung anschaulich gemacht werden: So bewirkt die erhöhte Öffnungsgeschwindigkeit einen schnellen zeitlichen Anstieg des zweiten Summanden, da die Lichtbogenlänge h schnell ansteigt. Zusätzlich bewirkt die verkleinerte Breite der Laufbahn eine Erhöhung der Stromdichte j, welche ebenfalls über den zeitlich immer stärker zur Spannung beitragenden zweiten Summanden einen schnellen und starken Anstieg in der Lichtbogenspannung bewirkt. So können diese beiden Merkmale zusammenwirken, um besonders hohe Lichtbogenspannungen zu erreichen und im Vergleich zum Stand der Technik einen Vakuumschalter mit wesentlich verbesserter Strombegrenzungswirkung zur Verfügung zu stellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1551048 A1 [0009, 0029]
WO 2016/110430 A1 [0021]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. Haas, W. Hartmann, „Investigation of arc roots of constricted high current vacuum arcs“, Proceedings Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Eindhoven 1998 [0016]
W. Haas, W. Hartmann, „Investigation of arc roots of constricted high current vacuum arcs“, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 27, No. 4, pp. 954-960, 1999 [0016]

Claims

Vorrichtung (1) zur Strombegrenzung mit wenigstens einem Vakuumschalter (3), umfassend - eine Vakuumkammer (5), - zwei darin angeordnete Kontaktelemente (13a, 13b) mit einander zugewandten Laufflächen (20) für einen Lichtbogen (31) und - einen Antrieb (25), mit dem ein Kontakt zwischen den beiden Kontaktelementen (13a, 13b) geöffnet und geschlossen werden kann, - wobei die Kontaktelemente (13a, 13b) jeweils derart geformt sind, dass bei einem Stromfluss (19) über einen zwischen den geöffneten Kontaktelementen (13a, 13b) ausgebildeten Lichtbogen (31) ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Laufflächen (20) jeweils wenigstens einen Teilbereich aufweisen, welcher als Teilstück einer ringförmigen Laufbahn (18) geformt ist und eine Breite (b) von höchstens 5 mm aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher der Antrieb (25) für eine Öffnungsgeschwindigkeit von wenigstens 4 m/s ausgelegt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Vakuumschalter (3) einen Kontakthub (33) von wenigstens 4 mm aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zur Strombegrenzung in einem Mittelspannungsnetz, insbesondere einem Stromnetz mit einer Nennspannung zwischen 3 kV und 52 kV ausgelegt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zur Strombegrenzung auf einen tatsächlichen Kurzschlussstrom im Bereich zwischen 10 kA und 64 kA ausgelegt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Vakuumschalter (3) zusätzlich mehrere innerhalb der Vakuumkammer angeordnete Löschbleche aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Kontaktelemente jeweils als Spiralkontakte ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher sich die Spiralkontakte jeweils zu ihrer Lauffläche hin im Querschnitt verjüngen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Kontaktelemente (13a, 13b) jeweils als Topfkontakte mit einer ringförmig geschlossenen Lauffläche (20) ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, bei welcher die Topfkontakte (13) jeweils eine Topfwand (34) mit einer sich zur Lauffläche (20) hin verjüngender Wandstärke aufweisen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei welcher die Topfkontakte (13) jeweils zumindest teilweise in ihrem Innenraum mit einer metallischen und/oder keramischen Füllung (35) versehen sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welcher das Verhältnis V = Di/Hi zwischen einem Topfinnendurchmesser (Di) und einer Topftiefe (Hi) bei wenigstens 2,5 liegt.
Verfahren zur Begrenzung eines Fehlerstroms in einem Stromnetz auf höchstens einen vorgegebenen Maximalwert mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - das Vorliegen eines Fehlerfalls im Stromnetz detektiert wird, - beim Vorliegen eines Fehlerfalls mittels des Antriebs (25) des Vakuumschalters (3) eine Öffnung des Kontakts zwischen den beiden Kontaktelementen (13, 13b) herbeigeführt wird, - zwischen den geöffneten Kontaktelementen (13a, 13b) ein Lichtbogen (31) ausgebildet wird, - durch den Stromfluss (19) zwischen den geöffneten Kontaktelementen (13a, 13b) über den Lichtbogen (31) ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen (31) ausgebildet wird, - durch dieses Magnetfeld eine Bewegung des Lichtbogens (31) auf einer ringförmig geschlossenen Bahn (18) über beiden Kontaktelementen (13a, 13b) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei der der Lichtbogen (31) auf der ringförmig geschlossenen Bahn (18) mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von wenigstens 100 m/s bewegt wird.
Vakuumschalter (3) für eine Strombegrenzungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend - eine Vakuumkammer (5), - zwei darin angeordnete Kontaktelemente (13a, 13b) mit einander zugewandten Laufflächen (20) und - einen Antrieb (25), mit dem ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden Kontaktelementen (13a, 13b) geöffnet und geschlossen werden kann, - wobei die Kontaktelemente (13a, 13b) jeweils derart geformt sind, dass bei einem Stromfluss (19) über einen zwischen den geöffneten Kontaktelementen (13a, 13b) ausgebildeten Lichtbogen (31) ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen (31) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Laufflächen (20) jeweils wenigstens einen Teilbereich aufweisen, welcher als Teilstück eines Rings geformt ist und eine Breite (b) von höchstens 5 mm aufweist.