-
Die Erfindung betriff ein Schaltgerät mit einem Kommutierungsstrompfad nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
In elektrischen Stromkreisen, besonders zur Energieversorgung in der Mittelspannung und Hochspannung, kommt es beim Versagen der Isolation oder sonstigen Gründen zu Kurzschlüssen. Durch den Kurzschluss fließen große Ströme, die ggf. Betriebsmittel im Energieversorgungsnetz beschädigen oder zerstören können. Durch den Ausbau von dezentralen Einspeiseanlagen kann der Kurzschlussstrom soweit ansteigen, dass die Bemessungswerte der bestehenden Betriebsmittel überschritten werden.
-
Eine Möglichkeit, einen unzulässig hohen Kurzschlussstrom zu verhindern, ist z.B. der Einsatz eines strombegrenzenden Geräts mit einer sehr schnellen Sicherung als kurzschlussstrombegrenzendem Element.
-
Das Prinzip dieser Geräte ist das schnelle Abschalten des Kurzschlussstromes im Kurzschlussfall. Dies wird durch die Trennung der Funktionen erreicht. Für den Normalbetrieb existiert ein Nennstrompfad, der im Kurzschlussfall geöffnet werden kann. Parallel zum Nennstrompfad befindet sich ein weiterer Strompfad mit einer Schmelzsicherung, die den Kurzschlussstrom abschalten kann.
-
Bei einem Kurzschluss wird der Nennstrompfad geöffnet, wodurch ein Lichtbogen entsteht. Die Lichtbogenspannung bewirkt eine vollständige Kommutierung des Stromes in den Parallelpfad mit der Sicherung, wodurch der Lichtbogen erlischt. Die Impedanzen des Parallelstrompfads und des Nennstrompfads müssen aufeinander abgestimmt sein, um die Kommutierung des Kurzschlussstromes zu ermöglichen. Zudem darf im Nennbetrieb der Strom durch die Sicherung nicht zu groß werden, damit die Sicherung nicht vorzeitig auslöst.
-
Somit besteht ein Zielkonflikt zwischen einer genügend hohen Impedanz des Parallelstrompfades im Nennbetrieb, um die Sicherung nicht zu überlasten und einer möglichst geringen Impedanz im Kurzschlussfall, um den Strom in den Parallelstrompfad kommutieren zu können. Unterstützend für die Kommutierung des Stromes vom Nennstrompfad in den Parallelstrompfad ist eine hohe Lichtbogenbrennspannung vorteilhaft, die vor allem entsteht, wenn der Nennstrompfad aufgesprengt wird, was im Stand der Technik Anwendung findet.
-
Bei konventionellen, reversiblen (nicht aufgesprengten) Kontakten, wie sie z.B. in Leistungs- oder Lastschaltern verwendet werden, entsteht im Moment der Kontakttrennung nach dem Aufschmelzen der letzten Metallbrücke ein Lichtbogen, dessen Brennspannung praktisch nur von den Materialeigenschaften der Kontakte bestimmt wird und sich aus dem Spannungsfall an der Kathode und Anode zusammensetzt. Die Erhöhung der Lichtbogenbrennspannung durch Verlängerung des Lichtbogens (US) wird hier nicht wirksam, da der Kommutierungsvorgang bereits bei sehr kleinen Kontaktabständen abgeschlossen ist. Bei typischen Kontaktmaterialien liegt die Brennspannung nur bei ca. 15 - 20 V. Diese Spannung ist zu gering, um in der praktischen Anwendung höhere Stromstärken in den Parallelpfad zu kommutieren, weshalb an sich vorteilhafte, da im Gegensatz zu Schmelzsicherungen regenerative, konventionelle Trennstrecken für Fehlerstrombegrenzer nicht geeignet scheinen.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Fehlerstrombegrenzer bereitzustellen, der im Hauptstrompfad eine reversibel ausgestaltete Schaltvorrichtung aufweist und bei dem bei einer vorgegebenen Stromstärke der elektrische Strom vollständig in den parallelen Kommutierungsstrompfad kommutiert.
-
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Schaltgerät mit Kommutierungsstrompfad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
-
Das erfindungsgemäße Schaltgerät nach Patentanspruch 1 weist einen Kommutierungsstrompfad und mindestens zwei in Reihe geschaltete Trennstrecken auf, die parallel zum Kommutierungsstrompfad angeordnet sind und einen Nennstrompfad umfassen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste Trennstrecke als Vakuumschaltröhre ausgestaltet ist und eine zweite Trennstrecke vorgesehen ist, die einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt sowie einen dritten Kontakt aufweist. Dabei ist der erste Kontakt als Bewegkontakt ausgestaltet und wobei dieser von einer galvanischen ersten Kontaktierungsposition mit dem zweiten Kontakt auf eine zweite galvanische Kontierungsposition mit dem dritten Kontakt bewegbar gelagert ist und wobei der zweite Kontakt und der dritte Kontakt auf dem gleichen elektrischen Potential liegen, was bedeutet, dass beide Kontakte mit einem Kontaktknoten elektrisch in Verbindung stehen.
-
Der Vorteil der Erfindung gegenüber einem herkömmlichen Schaltgerät mit Kommutierungsstrompfad besteht darin, dass zwei reversibel gestaltete Trennstrecken anstatt einer während des Schaltvorgangs sich (beispielsweise pyrotechnisch) zerstörende Vorrichtung zum Einsatz kommen. Ist die Ursache für den Kurzschlussstrom beseitigt, was häufig in kurzer Zeit der Fall ist, da das Kurzschluss verursachende Ereignis (beispielsweise ein herabfallender Ast) durch thermische Zersetzung beseitigt wird, kann der Stromkreis wieder geschlossen werden. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass die Schaltfähigkeit des Schaltgerätes jederzeit getestet werden kann, was bei pyrotechnischen Anlagen nicht der Fall ist.
-
Um möglichst schnell eine Isolierung herzustellen, ist die Verwendung einer Vakuumschaltröhre als erste Trennstrecke besonders vorteilhaft, da durch einen geringen Abstand der Kontakte und somit durch einen geringen Schalthub und damit auch in einer sehr kurzen Zeit eine ausreichende Isolierung hergestellt werden kann. Die zweite, in Reihe geschaltete Trennstrecke ist vor allem dafür vorgesehen, während des Öffnungsvorganges der Kontakte einen zweiten Schaltlichtbogen zu erzeugen, der wiederum für eine erhöhte Lichtbogenspannung sorgt, die wiederum dazu dient, den Strom vom Hauptstrompfad in den Kommutierungsstrompfad zu drücken, also diesen kommutieren zu lassen.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist die erste Trennstrecke in Form einer Vakuumschaltröhre ausgestaltet und die zweite Trennstrecke in Form einer Gastrennstrecke. Die Vakuumtrennstrecke hat im Gegensatz zur Gastrennstrecke den Vorteil, wie bereits beschrieben, nach dem Erlöschen des Lichtbogens bei einem sehr kurzen Hub und somit einer sehr kurzen Zeit eine ausreichende Isolierung aufzubauen, die Gastrennstrecke hingegen erzeugt gegenüber der Vakuumtrennstrecke eine deutlich höhere Lichtbogenspannung, was wiederum dazu führt, dass die Kommutierung des Stromes in den Kommutierungsstrompfad schneller gelingt. Somit ist es zweckmäßig, als erste Trennstrecke eine Vakuumschaltröhre einzusetzen und als zweite Trennstrecke eine Gastrennstrecke zu verwenden.
-
In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, dass der zweite Kontakt und der dritte Kontakt der zweiten Trennstrecke in Richtung einer Schaltachse federnd gelagert sind. Das führt dazu, dass in den Endlagen der Kontaktierung ein definierter und erhöhter Anpressdruck anliegt, der zu einer niederohmigen galvanischen Kontaktierung beiträgt.
-
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung sind beide Trennstrecken derart ausgestaltet, dass während eines Schaltvorgangs ein Zwischenzustand vorliegt, in dem sowohl die Kontakte der ersten Trennstrecke als auch der zweiten Trennstrecke galvanisch berührungsfrei zueinander angeordnet sind. Hierbei entsteht während des Schaltvorgangs jeweils ein Schaltlichtbogen zwischen beiden Kontakten der beiden Trennstrecken, weshalb eine höhere Lichtbogenspannung im Strompfad, der auch als Nennstrompfad bezeichnet wird, vorliegt.
-
Die hohe Lichtbogenspannung führt zur Kommutierung des fließenden elektrischen Stroms vom Nennstrompfad in den Kommutierungsstrompfad.
-
Die zweite Trennstrecke, die insgesamt drei Kontakte aufweist, ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass der Schaltlichtbogen zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt während des Schaltvorgangs vorliegt.
-
Der Kommutierungsstrompfad, in den der Stromfluss vom Nennstrompfad kommutiert, weist bevorzugt eine Schmelzsicherung und/oder ein Halbleiterelement auf. Insbesondere eine Schmelzsicherung wird durch den hohen Strom, der in den Kommutierungsstrompfad kommutiert, innerhalb von wenigen Millisekunden aufschmelzen und somit den Stromfluss insgesamt unterbrechen.
-
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um exemplarische Ausgestaltungsformen in schematischer Darstellung, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen.
-
Dabei zeigen:
- 1 ein Schaltgerät mit Kommutierungsstrompfad im geschlossenen Zustand,
- 2 ein Schaltgerät mit Kommutierungsstrompfad in einem teilgeöffneten Zwischenzustand mit Schaltlichtbögen,
- 3 ein Schaltgerät gemäß 1 und 2 in einem geöffneten Zustand,
- 4 ein Schaltgerät gemäß 1 mit zueinander unabhängig beweglichen Kontakten einer zweiten Trennstrecke im geschlossenen Zustand,
- 5 das Schaltgerät gemäß 4 in geöffneten Zustand.
-
In 2 ist ein Schaltgerät 2 dargestellt, dass einen Nennstrompfad 3 und einen Kommutierungsstrompfad 4 aufweist. Der Nennstrompfad 3 durchläuft dabei mindestens zwei Trennstrecken, eine erste Trennstrecke 6, die als Vakuumschaltröhre 10 ausgestaltet ist und eine zweite Trennstrecke 8, die im vorliegenden Fall in Form einer Gastrennstrecke ausgestaltet ist. Im Kommutierungsstrompfad 4 ist im vorliegenden Beispiel eine Schmelzsicherung 36 angeordnet. Grundsätzlich können auch sehr schnell schaltende Halbleiterschaltelemente zur Unterbrechung des Stromflusses im Kommutierungsstrompfad 4 angeordnet sein.
-
Die erste Trennstrecke 6, die in diesem Fall als Vakuumschaltröhre 10 ausgestaltet ist, hat die Eigenschaft, dass gegenüber herkömmlichen Gastrennstrecken die Vakuumschaltröhre 10 bei einem sehr kurzen Schalthub, der im Vergleich zu einem längerem Schalthub auch in einer kürzeren Zeit mit einem herkömmlichen Antrieb 38 erreicht wird, eine sehr hohe Isolierung herstellen kann. Für dieselbe Isoliereigenschaft müsste eine vergleichbare Gastrennstrecke einen deutlich längeren Hub aufweisen, weshalb sich die Abschaltungszeit des Schaltgerätes 2 gegenüber der Anwendung der Vakuumschaltröhre 10 verlängern würde.
-
Die zweite Trennstrecke 8, die in diesem Beispiel als Gastrennstrecke 22 ausgestaltet ist, weist dabei die Besonderheit auf, dass sie drei Kontakte umfasst. Ein erster Kontakt 12 ist dabei als beweglicher Kontakt ausgestaltet. Der erste Kontakt 12 ist hierbei durch einen Antrieb 38, der auch für die Bewegung der ersten Trennstrecke sorgt, entlang einer Schaltachse 24 translatorisch bewegbar gelagert. Der Antrieb 38 ist in den Figuren so dargestellt, dass er in vorteilhafter Weise beide Trennstrecken 6, 8 gemeinsam antreibt. Grundsätzlich könnten allerdings auch bei anderen Bauarten zwei Antriebe zweckmäßig sein.
-
Der zweite Kontakt 14 und der dritte Kontakt 16 der zweiten Trennstrecke 8 sind in festem Abstand miteinander verbunden und als Ganzes federnd (40 und 42) gelagert. Der erste Kontakt 12 der zweiten Trennstrecke 8, also der Gastrennstrecke 22, ist demnach zwischen dem zweiten Kontakt 14 und dem dritten Kontakt 16 hin und her bewegbar. Im geschlossenen Zustand gemäß 1 liegt der erste Kontakt 12 am zweiten Kontakt 14 an. Im geschlossenen Zustand heißt dabei, dass die Kontakte 32 und 34 der ersten Trennstrecke 6, also der Vakuumschaltröhre 10, galvanisch kontaktiert sind, sodass der Nennstrompfad 3 niederohmig geschlossen ist. Auch die galvanische Kontaktpaarung zwischen dem ersten Kontakt 12 und dem zweiten Kontakt 14 der zweiten Trennstrecke 8 weist eine galvanische Kontaktierung auf, durch die der Nennstrompfad 3 verläuft.
-
Bei einer Öffnungsbewegung des Schaltgerätes 2, die durch den Antrieb 38 entlang der Schaltachse 24 translatorisch erfolgt, entsteht, wie in 2 dargestellt, ein Zwischenzustand 26, wobei sich der erste Kontakt 12 der zweiten Trennstrecke 8 zwischen dem zweiten Kontakt 14 und dem dritten Kontakt 16 befindet. Hierbei handelt es sich um einen dynamischen Zustand, der in dem Zustand gemäß 3 endet.
-
Die 3 stellt den geöffneten Zustand des Schaltgerätes 2 dar. Der erste Kontakt 12 liegt dort am dritten Kontakt 16 an, wobei der zweite Kontakt 14 und der dritte Kontakt 16 auf einem elektrischen Potential liegen und mit einem Knoten im Strompfad verbunden sind. Das bedeutet, dass der bewegte erste Kontakt 12 der zweiten Trennstrecke 8 sowohl im geöffneten als auch im geschlossenen Zustand auf demselben elektrischen Potential liegt. Der dritte Kontakt (16) sorgt für ein definiertes Potential des ersten Kontakts (12) und damit des Bewegkontakts (34) der Vakuumschaltröhre (10).
-
Der Zwischenzustand 26 ist jedoch insofern interessant, dass sich sowohl in der ersten Trennstrecke 6, also in der Vakuumschaltröhre 10, als auch in der zweiten Trennstrecke, hier als Gastrennstrecke 22 ausgestaltet, jeweils zwischen den Kontakten ein Schaltlichtbogen 28, 30 bildet. Dabei bildet sich zwischen dem ersten Kontakt 32 und zweiten Kontakt 34 der Vakuumschaltröhre 10 ein Lichtbogen 28. Zwischen dem ersten Kontakt 12 und dem zweiten Kontakt 14 der Gastrennstrecke 22 bildet sich entsprechend ein Schaltlichtbogen 30. Die beiden Schaltlichtbögen 28 und 30 unterscheiden sich insbesondere in der Höhe der darüber abfallenden Spannung, also der Lichtbogenspannung. Die Lichtbogenspannung im Schaltlichtbogen 30 in der Gastrennstrecke 22 ist dabei deutlich höher als die Lichtbogenspannung in der Vakuumschaltröhre 10. Dies liegt daran, dass in der Gastrennstrecke 22 Gasmoleküle ionisiert werden, was zu einer höheren anliegenden Spannung führt. In der Vakuumschaltröhre 10 herrscht Vakuum vor, was auch zu einer niedrigeren Lichtbogenspannung führt.
-
Die höhere Lichtbogenspannung in der Gastrennstrecke führt dazu, dass die Kommutierung des Stromes vom Nennstrompfad 3 in den Kommutierungsstrompfad 4 forciert wird, sodass eine sichere Kommutierung in den Kommutierungsstrompfad 4 gewährleistet ist. Durch die Gastrennstrecke 22 mit dem beschriebenen Aufbau kann die Kommutierung des Stromes in den Kommutierungsstrompfad 4 auch bei einer erhöhten Impedanz im Kommutierungsstrompfad, die die dort vorhandene Schmelzsicherung 38 vor Überlastung im Nennbetrieb schützt, gewährleistet werden.
-
Um eine gewisse Kontaktkraft sowohl in der ersten Trennstrecke 6 als auch in der zweiten Trennstrecke 8 zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, die Kontaktsysteme beider Trennstrecken 6, 8 entsprechend federnd zu lagern. An der ersten Trennstrecke 6 ist dabei eine Federung 44 vorgesehen, die in den 1-3 in verschiedenen Auslenkungen ausgestaltet ist. So ist in 1 die Feder 44 angeordnet, wobei diese am oberen Endbereich eines Anschlages 46 verharrt. In der 2 ist die Feder 44 so ausgelenkt, dass sie sich zwischen dem oberen und unteren Anschlag 46 befindet und in 3 liegt die Feder 44 am unteren Ende des Anschlages 46 an. Die federnde Lagerung des Kontaktes 32 führt dazu, dass durch die Feder 44 der Kontakt 32, der im Wesentlichen als Festkontakt ausgestaltet ist, gegen den bewegbaren Kontakt 34, der mit dem Antrieb 38 in Wirkverbindung steht, im geschlossenen Zustand angedrückt wird.
-
In den 4 und 5 sind analoge Darstellungen zu den 1 und 3 gegeben, der Zwischenzustand gemäß 2 ist hier nicht dargestellt. Der Unterschied der 4 und 5 zu den Ansichten gemäß 1 und 3 besteht darin, dass die beiden Kontakte 14 und 16 der Gastrennstrecke 22 separat federnd gelagert sind. Hier ist zunächst die Feder 48 zum zweiten Kontakt 14 sowie die Feder 50, die mit dem dritten Kontakt 16 korrespondiert, zu nennen. Es existieren zwei Anschläge 52 und 54. Die beiden Kontakte 14 und 16 sind relativ zueinander in Grenzen frei bewegbar. So kann die Bewegung eines Kontaktes 14, 16 beim Öffnen eingeschränkt werden, während sich der andere Kontakt 14, 16 zur Erzeugung der Kontaktkraft in Verbindung mit dem ersten Kontakt 12 nach unten bewegen lässt und somit die Anpresskraft der beiden Kontakte 12 und 16 zunimmt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Schaltgerät
- 3
- Nennstrompfad
- 4
- Kommutierungspfad
- 6
- erste Trennstrecke
- 8
- zweite Trennstrecke
- 10
- Vakuumschaltröhre
- 12
- erster Kontakt
- 14
- zweiter Kontakt
- 16
- dritter Kontakt
- 18
- erste Kontaktierungsposition
- 20
- zweite Kontaktierungsposition
- 22
- Gastrennstrecke
- 24
- Schaltachse
- 26
- Zwischenzustand
- 28
- Schaltlichtbogen erste Trennstrecke
- 30
- Schaltlichtbogen zweite Trennstrecke
- 32
- Festkontakt erste Trennstrecke
- 34
- Bewegkontakt erste Trennstrecke
- 36
- Schmelzsicherung
- 38
- Antrieb
- 40
- Federung zweite Trennstrecke
- 42
- Anschlag Federung zweite Trennstrecke
- 44
- Federung erste Trennstrecke
- 46
- Anschlag Federung erste Trennstrecke
- 48
- Federung Kontakt 12
- 50
- Federung Kontakt 16
- 52
- Anschlag Federung 48
- 54
- Anschlag Federung 50
