DE1513487B2

DE1513487B2 - Strombegrenzer

Info

Publication number: DE1513487B2
Application number: DE19651513487
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr. Küsnacht Kesselring (Schweiz)
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-07-12
Filing date: 1965-07-12
Publication date: 1973-01-11
Also published as: DE1513487A1; US3452172A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strombegrenzer, bestehend aus der Parallelschaltung eines Hauptschalters, eines Kommutierungsschalters und eines Widerstandes mit positivem Temperaturkoeffizienten, bei dem der zu begrenzende Strom zunächst durch Öffnung des Hauptschalters auf den Kommutierungsschalter übergeleitet und dann durch Öffnung des Kommutierungsschalters auf den Widerstand kommutiert wird. Derartige Strombegrenzer zur Abschaltung von Kurzschlußströmen sind z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 1129 589 bekannt. Der Widerstand besteht hierbei vorzugsweise aus reinem Eisen oder Wolfram (vgl. z. B. deutsche Patentschrift 862 470); bei Eisen läßt sich leicht eine Widerstandserhöhung auf den zehnfachen Wert des Kaltwiderstandes erreichen, wobei die Temperatur etwa 850° C annimmt. Die Stromreduzierung ist demnach proportional dem einschaltbaren Kaltwiderstand. Je größer dieser Widerstand ist, desto höher ist der Widerstand im heißen Zustand und damit der Reststrom entsprechend kleiner, wodurch dessen Abschaltung erleichtert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Strombegrenzer der eingangs genannten Art eine abbrandfreie Öffnung des Hauptschalters zu sichern und die Einschaltung eines hohen Kaltwiderstandes in den Stromkreis zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach Überleitung des Stromes auf den zunächst noch geschlossenen Kommutierungsschalter der Spannungsabfall über diesem höchstens 15 V pro Trennstelle des Hauptschalters beträgt und daß der Kommutierungsschalter Kommutierungskammern mit gasabgebenden Wänden und Ausströmöffnungen aufweist, die derart bemessen sind, daß der Druck in den Kommutierungskammern während der Kommutierung auf den Widerstand zur Erzeugung eines Lichtbogengradienten von mehreren 100 V/cm wenigstens 200 at beträgt. Infolge des niedrigen Spannungsabfalles am Kommutierungsschalter kann bei der Öffnung des Hauptschalters an diesem keine Funkenbildung auftreten, wobei zu bemerken ist, daß die 15-V-Grenze zur Vermeidung der Funkenbildung an Schaltkontakten aus der deutschen Auslegeschrift 1 005 606 an sich bekannt ist. Durch die Erzeugung eines hohen Gasdruckes und damit

eines hohen Lichtbogengradienten nach Öffnung des Kommutierungsschalters wird es ferner ermöglicht, mit nur wenigen Unterbrechnungsstellen des Kommutierungsschalters einen relativ hohen Kaltwiderstand (/■(,) in den Stromkreis einzuschalten, auch wenn der Kurzschlußstrom selbst zeitlich steil ansteigt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für einen Strombegrenzer nach der Erfindung und

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf des Kommutierungsvorganges.

In den F i g. 3 bis 5 sind besondere Ausführungsformen von Kommutierungsschaltern zur Erzeugung hoher Lichtbogengradienten wiedergegeben, wie sie bei einem Strombegrenzer gemäß F i g. 1 eingesetzt werden können.

In F i g. 1 bedeuten 1 und la Hauptstromanschlüsse, 2 ein bewegliches trapezförmiges Hauptschaltstück, 3 ein Isolierstück mit doppel-U-förmigem Querschnitt, an dem das Hauptschaltstück 2 sowie eine Strombrücke 4 befestigt sind, die bewegliche Schaltstücke 5 und 6 von Kommutierungskammern 7 und 8 trägt, deren Wände aus gasabgebendem Isolierstoff bestehen und an deren unteren Enden feststehende Schaltstücke 9 und 10 befestigt sind. Durch eine elastische Zwischenlage 4a, z. B. aus Gummi, wird erreicht, daß die Trennung der Schaltstücke in den Kommutierungskammern 7, 8 erst kurz nach dem Abheben des Hauptschaltstückes 2 erfolgt. Die feststehenden Schaltstücke 9 und 10 stehen mit den Hauptstromanschlüssen 1 und la in leitender Verbindung. Der Antrieb erfolgt mit Hilfe eines elektrodynamischen Antriebes 11, bestehend aus einer feststehenden Spule 12 und einem metallischen Teller 13. 14 ist ein Magnetsystem mit einer Wicklung 15 und einem Anker 16. 17 ist ein Stift, der zur Blockierung des Strombegrenzers in der Ausschaltstellung dient. 18 bedeutet eine Feder, die den Anker 16 im ausgeschalteten Zustand unter den Stift 17 bringt. 19 und 20 sind Blattfedern, die das bewegliche System in die gezeichnete Einschaltstellung zurückführen und den erforderlichen Kontaktdruck erzeugen. 21 ist ein Stromwandler, dessen Eisenkreis 22 den Hauptstromanschluß 1 umschließt. An der Sekundärwicklung 23 liegt eine ohmsche Bürde 24, in der ein zum Primärstrom (Wechselstrom) proportionaler Sekundärstrom fließt. Der Spannungsabfall an der ohmschen Bürde 24 ist somit ebenfalls genau propor-

tional zum Primärstrom. Die Anschlüsse der ohmschen Bürde 24 sind mit der Kathode 25 und der Zünd-

■ elektrode 26 einer Dreielektrodenfunkenstrecke 27 verbunden. 28 ist ein geladener Kondensator, der über die Dreielektrodenfunkenstrecke 27 mit der feststehenden Spule 12 des elektrodynamischen Antriebes 11 in Verbindung steht. 29 ist ein Grundgestell, auf dem Isolatoren 30 und 31 befestigt sind, die die Hauptstromanschlüsse 1 und la tragen. 32 ist ein Eisenwiderstand, der parallel zum Hauptschaltstück 2 angeschlossen ist.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Bei Auftreten eines Kurzschlußstromes steigt der Strom Z₁ steil an (F i g. 2). Dies hat zur Folge, daß an der Dreielektrodenfunkenstrecke 27 ein ebenfalls steil ansteigender Spannungsabfall auftritt, der bei Erreichen eines einstellbaren Stromwertes T₁ zur Zündung der Dreielektrodenfunkenstrecke 27 führt. Dies ist im Zeitpunkt I₁ der Fall. Es beginnt dann ein Impulsstrom k durch die feststehende Spule 12 zu fließen, der bewirkt, daß sich das bewegliche System,

_N bestehend aus dem Teller 13, dem Isolierstück 3, dem

ψ Hauptschaltstück 2 und der Strombrücke 4, mit großer Geschwindigkeit nach oben bewegt (Kurve χ in F i g. 2). Sowie sich das Hauptschaltstück 2 von den Hauptstromanschlüssen 1 und 1 α abhebt, entstehen dort winzige Lichtbogen, durch die der Strom auf die Kommutierungskammern 7 und 8 kommutiert wird. Erfahrungsgemäß darf die Spannung pro Unterbrechungsstelle des Hauptschaltstückes bis zu 15 V betragen, ohne daß ein merklicher Abbrand am Hauptschaltstück entsteht. Im vorliegenden Fall bei Doppelunterbrechung dürfen also insgesamt etwa 30 V auftreten. Damit eine Kommutierung zustande kommt, muß der Strom I\ zur Zeit t₂ (F i g. 2) multipliziert mit dem Widerstand R des noch eingeschalteten Kommutierungsschalters kleiner als 30 V sein. Erfahrungsgemäß beträgt die Lichtbogenlänge am Hauptschalter etwa 0,1 bis 0,2 mm je Unterbrechungsstelle und erreicht nur bei verhältnismäßig großer Induktivität des Kommutierungskreises eine Länge von höchstens 1 mm.

Kurz nach dem Zeitpunkt t₂ in F i g. 2 beginnt der Unterbrechungsvorgang in den Kommutierungskammern 7 und 8. Es entstehen in beiden Kammern Lichtbogen. Durch das Zusammenwirken einer scharfen Gasströmung, wobei das Gas durch den Lichtbogen aus dem Isolierstoff erzeugt wird und durch kleine Ausströmöffnungen Ta und 8a ausströmt, mit dem hohen Gasdruck in der Kammer entsteht ein hoher Lichtbogengradient von erfahrungsgemäß 300 bis 1000 V/cm und mehr. Dies bewirkt, daß nun der über den Kommutierungsschalter fließende Strom auf den Eisenwiderstand 32 mit dem Ohmwert r₀ kommutiert wird, und zwar entsprechend der Kurve Z₂ in F i g. 2. Zur Zeit t₃ ist der Kommutierungsvorgang abgeschlossen. Der Strom hat den Wert/*! erreicht und fließt zunächst über den Eisenwiderstand 32. Es tritt nun durch die hohe Erwärmung des Eisenwiderstandes r₀ eine Widerstandserhöhung auf, die bewirkt, daß der Strom J₁ begrenzt wird, worauf dann durch einen nicht dargestellten Reststromschalter die endgültige Unterbrechung im Zeitpunkt J₄ erfolgt. Der Anstieg des Kommutierungsstromes Z₂ ist im wesentlichen gegeben durch

spannung üb und r₀ den Kaltwiderstand des veränderlichen Eisenwiderstandes 32 bedeuten. Aus F i g. 2 erkennt man klar, daß eine Kommutierung nur dann zustande kommt, wenn der Anstieg von Z₂ größer ist als derjenige von Z₁. Es muß also immer die Bedingung erfüllt sein:

dt

wobei Üb die zeitliche Zunahme der Lichtbogen-Durch den Punkt über den Buchstaben ist wie üblich die zeitliche Ableitung angedeutet.

Aus diesen Darlegungen geht die große Bedeutung einer zeitlich steil ansteigenden Lichtbogenspannung im Kommutierungsschalter hervor. Sie ist einmal notwendig, damit überhaupt eine Kommutierung zustande kommt, andererseits wird die Kommutierungszeit tjc = t₃ — fjj um so kürzer, je steiler der Kommutierungsstrom Z₂ ansteigt.

Die Anordnung des Stromwandlers 21 mit der ohmschen Bürde 24 wirkt bei Wechselstrom wie ein Shunt im Hauptstromkreis, dessen Spannungsabfall durch einen geeigneten Verstärker auf den gleichen Wert gebracht wird wie die Spannung an der ohmschen Bürde 24, jeweils bezogen auf den gleichen Momentanwert des Primärstromes Z₁. Für Gleichstrom-Strombegrenzer wird man zweckmäßig von einer solchen Shuntanordnung mit Verstärker Gebrauch machen.

In F i g. 3 ist eine Kommutierungskammer ähnlich den mit 7 und 8 bezeichneten Kommutierungskammern in F i g. 1 dargestellt. Darin bedeutet 41 die Kommutierungskammer, die aus einem unter Einwirkung des Lichtbogens gasabgebenden Isolierstoff besteht. Als Werkstoffe kommen beispielsweise in Frage Fiber, Hartgummi, Melamin, Schwefel- und Borverbindungen. 42 ist ein feststehender Isolierstift aus dem gleichen gasabgebenden Isolierstoff; er ist mit Hilfe einer Schraube 43 an dem in ein feststehendes Schaltstück 44 eingeklebten Isolierstift 42 befestigt. Ferner bedeuten 45 ein rohrförmiges bewegliches Schaltstück, das an seinem oberen Ende mit einer Schaltbrücke 46, die der Schaltbrücke 4 in F i g. 1 entspricht, verbunden ist, 47 einen elastischen Dichtungsring und 48 eine Ausströmöffnung, durch die beim Unterbrechungsvorgang die erzeugten Gase ausströmen. Die Kommutierungskammer 41 ist mit Hilfe einer Blattfeder 49 mit einem Anschluß 50 mechanisch und elektrisch verbunden. Die Blattfeder 49 ist auf der einen Seite mit Hilfe einer Schraube 51 an dem Anschluß 50 befestigt; an ihrem rechten Ende gleitet sie unter Reibung auf dem Anschluß 50.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Im gezeichneten eingeschalteten Zustand wird das rohrförmige bewegliche Schaltstück 45 gegen das konisch nach oben sich erweiternde feststehende Schaltstück 44 gepreßt, wobei der Kontaktdruck durch die Blattfeder 49 erzeugt wird und durch die konische Form des Schaltstückes 44 noch erhöht wird. Wie an Hand von F i g. 1 dargelegt, wird beim Auftreten eines Überstromes die Schaltbrücke 46 mit großer Geschwindigkeit nach oben bewegt. Im Hinblick auf eine schnelle Kommutierung ist es wichtig, daß nur eine sehr geringe Kontaktüberlappung vorhanden ist. Sie wird durch die elastische Zwischenlage 4 a (F i g. 1) gewährleistet. Infolge der großen Masse der Kommutierungskammer 41 und des feststehenden Schaltstückes 44 bleibt dieses System trotz der Wirkung der

Blattfeder 49 zunächst praktisch stehen, da die durch die Blattfeder 49 erzeugte Beschleunigung sehr klein ist relativ zur Beschleunigung des Schaltstückes 45, d. h. also, daß die Unterbrechung sofort zustande kommt. Es entsteht nun ein Lichtbogen, der in dem engen Ringspalt zwischen dem Isolierstift 42 und der Kommutierungskammer 41 brennt. Aus beiden Isolierkörpern wird durch den Lichtbogen Gas erzeugt. Da dieses Gas nur durch die enge Ausströmöffnung 48 entweichen kann, steigt der Druck in dem Ringspalt auf sehr hohe Werte bis 1000 at und mehr an. Zusätzlich tritt noch eine axiale Gasströmung auf, durch die die Lichtbogenspannung weiter erhöht wird.

Mit Anordnungen dieser Art konnten bei Verwendung von Melamin Lichtbogengradienten bis zu 400 V/cm erreicht werden, während mit Fiber in etwas angefeuchtetem Zustand sogar Werte bis zu 1200 v/cm gemessen wurden.

Bei kleineren Spannungen bis zu einigen 1000 V kann es zweckmäßig sein, daß das rohrförmige Schaltstück 45 auch in der ausgeschalteten Stellung innerhalb der Kommutierungskammer 41 bleibt, während es bei höheren Spannungen vorteilhaft ist, eine kriechwegfreie Trennstrecke zwischen der Kommutierungskammer 41 und dem Schaltstück 45 herbeizuführen.

In den F i g. 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Kommutierungskammer dargestellt, bei der zur Erzeugung einer schnell ansteigenden Lichtbogenspannung der hohe Druck nicht mit einer axialen Strömung verbunden ist, sondern mit einer zusätzlichen Verlängerung des Lichtbogens durch transversale Beblasung. Es bedeuten 61 eine wiederum aus gasabgebendem Isolierstoff bestehende Kommutierungskammer, bei der die Ausströmöffnung 62 auf einer Seite mehrere übereinanderliegende Schlitze aufweist, die sich gemäß F i g. 5, die einen Schnitt längs A-A darstellt, nach außen erweitern. 63 ist ein bewegliches Schaltstück, das in einer Dichtung 64 gleitet. Mit 65 ist ein feststehendes Schaltstück bezeichnet, das einen stiftförmigen Ansatz 66 aufweist, der in

ίο einem Anschluß 67 geführt ist. Durch eine Feder 68 und eine Scheibe 69 wird die Kommutierungskammer 61 in der gezeichneten Lage fixiert. 70 ist ein Gleitkontakt, der die Verbindung zwischen dem Anschluß 67 und dem feststehenden Schaltstück 65 gewährleistet.

In der Einschaltstellung wird der Kontaktdruck durch die Feder 68 erzeugt, wobei wiederum eine sofortige Trennung der Schaltstücke zustande kommt. Der entstehende Lichtbogen 71 erzeugt Gas aus dem Isolierstoff der Kommutierungskammer 61, das durch die Schlitze, sobald diese durch das Schaltstück 63 freigegeben werden, ausströmt, wobei der Lichtbogen 71 sich mäanderförmig stark verlängert, so daß die wahre Lichtbogenlänge ein Vielfaches des SchaltstückabStandes beträgt. Die Erfahrung lehrt, daß die Lichtbogen-

spannung um so größer wird, je kleiner der Durchmesser des beweglichen Schaltstückes 63 ist. Bei einem Durchmesser von 5 mm konnten scheinbare Gradienten bis zu 500 V/cm erzielt werden, wobei unter scheinbaren Gradienten die gemessene Lichtbogenspannung üb dividiert durch den Schaltstückabstand zu verstehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strombegrenzer, bestehend aus der Parallelschaltung eines Hauptschalters, eines Kommutierungsschalters und eines Widerstandes mit positivem Temperaturkoeffizienten, bei dem der zu begrenzende Strom zunächst durch Öffnung des Hauptschalters auf den Kommutierungsschalter übergeleitet und dann durch Öffnung des Kommutierungsschalters auf den Widerstand kommutiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Überleitung des Stromes auf den zunächst noch geschlossenen Kommutierungsschalter (4 bis 10) der Spannungsabfall über diesem höchstens 15 V pro Trennstelle des Hauptschalters (Hauptschaltstück 2) beträgt und daß der Kommutierungsschalter (4 bis 10) Kommutierungskammern (7, 8; 41, 61) mit gasabgebenden Wänden und Ausströmöffnungen (la, Sa; 48, 62) aufweist, die derart bemessen sind, daß der Druck in den Kommutierungskammern während der Kommutierung auf den Widerstand zur Erzeugung eines Lichtbogengradienten von mehreren 100 V/cm wenigstens 200 at beträgt.

2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungsschalter ein rohrförmig ausgebildetes bewegliches Schaltstück (45) besitzt, welches in einen der Schaltstückform entsprechenden Ringspalt der Kommutierungskammer (41) eingreift.

3. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnungen (62) durch mehrere sich quer zur Bewegungsrichtung des beweglichen Schaltstückes (63) erstreckende und in dieser Richtung hintereinanderliegende Schlitze gebildet sind, in die der Lichtbogen (71) durch das von ihm erzeugte heiße Gas unter mäanderförmiger Verlängerung hineingetrieben wird.