DE19746809A1 - Kurzschließer, insbesondere für eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung in Anlagen zur Verteilung elektrischer Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der WO 95/22167 ist ein Kurzschließer bekannt geworden, der als Serienprodukt in Niederspannungs-Schaltanlagen Anwendung findet und sich im praktischen Einsatz bewährt hat. Durch den geringen Vakuumspalt begrenzt sich der Einsatz bisher nur auf die Niederspannung.

Aus der DE 94 19 141 U1 ist ein Kurzschließer ohne elektrische Energiespeicher und Leistungsthyristoren bekannt, der als zylindrische Patrone nach dem Vorbild der WO 95/22167 jedoch mit einem integriertem Sprengsatz ausgeführt ist. Im dem Kurzschließer wird ein Gasdruck gemäß Anspruch 8 erzeugt, der ein Bolzen zur Erzeugung eines metallischen Kurzschlusses bewegt.

Zur Potentialtrennung ist ein Isolierring mit einer dünnen Membran vorgesehen. Der Anschluß von mindestens zwei Patronen an einem Sammelschienensystem ist nicht näher gezeigt. Der Bolzen muß die Wegstrecke des Isolierendes überwinden bis ein Kurzschluß erzeugt wird.

Aus der DD 226 441 A1 ist ein Kurzschließer mit einer Membran, einem beweglichem Kolben und konischen Elementen bekannt.

Kurzschließer mit einem Gasgenerator sind aus der DE 196 01 639 A1 und DE 42 36 623 A1 bekannt.

Bei den vorgenannten Lösungen werden keine Maßnahmen beschrieben, wie ein prellungsfreier Schaltvorgang und eine Stromübertragung von sehr hohen Strömen sichergestellt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kurzschließer unter Verwendung eines Gasgenerators nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, der innerhalb einer Millisekunde einen prellungsfreien Schaltvorgang ermöglicht und hohe Ströme, beispielsweise 100 kA, über mehrere 100 ms, vorzugsweise 500 ms, übertragen kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, während in den Unteransprüchen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet sind.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, sollen die Erfindung, weitere Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher beschrieben und erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform des anschlußfertigen Kurzschließers,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Kurzschließereinheit,

Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung der in Fig. 2 gezeigten Kurzschließereinheit,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung der ersten Ausführungsform der Kurzschließereinheit im ausgelösten Zustand,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Kurzschließereinheit,

Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der Kurzschließereinheit,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform der Kurzschließereinheit,

Fig. 8 eine Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform der Kurzschließereinheit und

Fig. 9 eine Darstellung der Montage der Kurzschließereinheit gemäß Fig. 2,

Fig. 10 eine Prinzipdarstellung der Montage des Kurzschließerkolbens und

Fig. 11 eine Prinzipdarstellung des Kurzschließerkolbens in Ausgelöst-Stellung gemäß Fig. 4.

Die Fig. 1 zeigt den anschlußfertigen Kurzschließer 1 mit drei flach nebeneinander angeordneten Anschlußschienen 2, 3, 4 in Form von Flachschienen mit entsprechenden Anschlußbohrungen 5, wie sie in dem Niederspannungs-Anlagenbau üblich sind.

Die mittlere Anschlußschiene 3 ist am Ende, bzw. am gegenüberliegenden Ende der Anschlußbohrungen 5, mit einer Querstromschiene 6 elektrisch verbunden, wobei die Querstromschiene 6 im nichtausgelösten Zustand von den Anschlußschienen 2, 4 isoliert ist. Die Schienenanordnung ist E-förmig.

An den Enden der Anschlußschienen 2 und 4 sind zwei Kurzschließereinheiten 7, 8 mit jeweils einem Gasgeneratorantrieb auf Nitrocellulose-Basis angeordnet, wie er bei Airbags oder Gurtstraffern verwendet wird.

Die Anschlußschienen 2, 3, 4, die Querstromschiene 6 und weitere später beschriebene Isolierteile werden mit insgesamt zwölf Schrauben-Mutter-Verbindungen 9 und Federscheiben 10 zu einem E-förmigen Paket gehalten.

Bei Zündung der Kurzschließereinheiten 7 und 8 entsteht ein dreipoliger Kurzschluß, der innerhalb einer Millisekunde einen Störlichtbogen löscht.

Die Kurzschließereinheiten 7 und 8 werden durch eine Auswerteelektronik angesteuert, die mit schnellen Strom- und Lichtsensoren zur Störlichtbogenerkennung versehen ist. Die Ansteuerung kann mit jeder Art von Sensoren erfolgen. Ebenso ist der Kurzschließer zum Schutz von Verbrauchern und Betriebsmittel bei Kurzschluß einsetzbar.

In der Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Kurzschließereinheit gezeigt, wobei Fig. 3 eine Vergrößerung zeigt.

Die Kurzschließereinheit 7 besteht aus einem Gasgenerator 11, einer Kapselung 12 aus Metall für den Gasgenerator 11 mit einem als Überwurfmutter ausgebildeten ersten Kapselteil 13, der über ein zweites Kapselteil 14 verschraubt wird. Das zweite Kapselteil 14 weist oben und unten ein Außengewinde und in der Mitte ein mutterförmiges Teil 15 auf, wobei das untere Außengewinde für die Verschraubung einer ersten oberen Isolierplatte 16 vorgesehen ist.

Der Gasgenerator 11 ist derart in der Kapselung gasdicht eingebettet, daß das erstes Kapselteil 13 den Gasgenerator an Dichtungsflächen 17-20 gegen das zweite 14 Kapselteil drückt und der Gasdruck sich nur nach unten auswirken kann. Das erste Kapselteil 13 ist mit einer Zündöffnung 21 für eine Zündleitung versehen.

Die Kurzschließereinheit 7 weist einen ersten Druckraum 22 und einen zweiten Druckraum 23 auf, wobei in dem ersten Druckraum 22 der Gasgenerator 11 angeordnet und auf der gegenüberliegenden Seite des Gasgenerators 11 eine Druckmembran 24 vorhanden ist, die den ersten und zweiten Druckraum 22, 23 trennt und bei überschreiten eines definierten Druckes bricht. In dem zweiten Druckraum 23 ist das kurzschließende Element 25 kolbenartig angeordnet. Bei Zündung des Antriebes bewegt sich das kurzschließende Element 25 schlagartig in Zeiten innerhalb einer Millisekunde.

In dem ersten Druckraum 22 kann ein hoher Druck von 70-100 bar, vorzugsweise 90 bar, entstehen, weil die Druckmembran 24 vor ihren Wegbrechen das Volumen nahezu konstant hält. Nach dem Wegbrechen gelangt das Gas in dem zweiten Druckraum 23. Der Spitzendruck nach dem Wegbrechen der Druckmembran 24 beträgt 600 bis 900 bar, vorzugsweise 800 bar.

Das kurzschließende Element 25 ist ein Kurzschließerbolzen, der aus einem oberen zylindrischen Abschnitt 26, einem konischen Abschnitt 27 mit Morsekegel 2 und einem unteren zylindrischen Abschnitt 67 besteht, wobei der zylindrische Abschnitt 26 nahezu bündig, d. h. mit Spielpassung, in der Kolbenführung liegt und der untere zylindrische Abschnitt mit einer Spielpassung gegenüber der Bohrung 33 versehen ist.

In der Kapselung 12 ist eine im Querschnitt H-förmige Isolierhülse 28 aus Isolierstoff vorhanden, an der auf der einen Seite der Gasgenerator 11 gasdicht und elektrisch isoliert von den Kurzschließerbolzen angeordnet ist und auf der anderen Seite der Kurzschließerbolzen kolbenartig geführt wird, wobei das Querteil die Druckmembran 24 ist. Die Druckmembran 24 ist ferner mit Sollbruchstellen versehen.

Die Isolierhülse 28 ist auf der Kolbenseite mit einem Kragen 29 versehen, der zwischen der ersten Isolierplatte 16 und der Anschlußschiene 2 eingeklemmt ist und zusätzlich elektrisch isolierend wirkt.

Der Kurzschließerkolben bzw. Element 25 ist mit einem O-Ring 30 versehen. Er kann auch mit zwei oder mehreren im Abstand angeordneten O-Ringen versehen sein. Der O-Ring ist in dem Kurzschließerkolben in einer nutartigen Aufnahme angeordnet und als gummiartige Dichtung ausgeführt.

Der Kurzschließer 1 besteht aus einem sandwichartigen Paket aus Strom- Quer- bzw. Anschlußschienen 2, 4, 6 Isolierplatten 16, 34 und mindesten einer dünnen Isolierfolie 31, die als Membrane wirkt.

In den Quer- und Anschlußschienen 2, 6 sind übereinander fluchtende Bohrungen 32, 33 vorhanden, wobei die obere Bohrung 32 leicht konisch entsprechend der Form des Kurzschließerkolbens ist. Sie wird mit MK2, d. h. Morsekegel 2 bzw. 2,60° gefertigt, wodurch ein Prellen vermieden wird.

Die untere Bohrung ist nicht konisch, sondern zylindrisch ausgeführt und gegenüber dem Kurzschließerkolben mit einer Spielpassung versehen, wie Fig. 11 zeigt. Das Spiel 64 beträgt wenige Hundertstel Millimeter, vorzugsweise 0,01 bis 0,02 mm.

Obwohl ein kleiner Luftspalt während der Stromübertragung vorhanden ist, können überraschender Weise 100 kA eine halbe Sekunde lang fließen. Trotz Luft entstehen keine Lichtbögen beim Schalten. Die Spielpassung ist überraschender Weise vorteilhafter als die Presspassung, bei der eine Deformation eintritt.

Der obere Bereich 65 der unteren Bohrung 33 ist trichterförmig, was den Auslösevorgang verbessert. Das Fügen des Kurzschließerkolbens, was durch den Bereich 65 realisiert wird, ist wichtiger als ein sauberes Stanzen der Membrane, z. B. mit einer rechtwinkeligen Kante.

Die Stromschienen werden bei einer Zündung durch das kurzschließende Element 25 nach einem Durchständen oder Durchstoßen der Isolierfolie kurzgeschlossen.

Das Paket aus Stromschienen, der Isolierfolie 31 und Isolierplatten wird mit isolierten Schrauben verspannt.

Rund um die Schrauben 37 im Bereich der Kurzschließereinheiten 7, 8, die auch die Schrauben-Mutter-Verbindungen 9 herstellen, sind Schraubenisolierhülsen 35 mit entsprechenden Isolierkragen 36 und der erforderlichen Hülsenlänge vorhanden.

Durch den Isolierkragen 36, die Hülsenlänge, die Isolierfolie 31 die größer als die Querschiene 6 ist, bzw. überlappt angeordnet ist und den Kragen 29 werden Luft- und Kriechstrecken entsprechend der Normen eingehalten.

Der Gasgenerator 11, der in einer Kapselung 12 oder Druckgehäuse gehalten ist, wird mit einem Innengewinde 38 in der Isolierplatte 16 verschraubt.

Bei einer Zündung bewegt sich der Kurzschließerkolben unter hohem Druck zwischen den Stromschienen und schließt diese kurz wobei er die Isolierfolie 31 durchbricht. Das ausgestanzte Teil 39 kann an einer Öffnung an einer unteren, zweiten Isolierplatte 34 herausfallen und als Auslöseanzeige. Dieses Teil 39 ist mit einem Loch 40 versehen.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt. Hierbei handelt es sich aus einem dreipoligen Kurzschließer wie im vorangegangenen Beispiel jedoch mit einem einzigen Gasgenerator und drei paketweise übereinander angeordneten Stromschienen 41, 42, 43, die mit übereinander angeordneten Bohrungen versehen sind, wobei zwei Isolierfolien 44, 45 vorhanden sind.

Bei einer Zündung des Gasgenerators schließt der Kurzschließerbolzen alle drei Stromschienen kurz. Beide Isolierfolien werden dabei durchbrochen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden dünne Stromschienen 46, 47, 48, jedoch ohne Bohrungen, mit zwischenliegenden Isolierfolien 49, 50 paket- bzw. sandwichartig angeordnet, wie Fig. 6 zeigt.

Der Kurzschließerbolzen stanzt das gesamte Paket aus Stromschienen und Isolierfolien. Der Vorteil dieser Anordnung (Fig. 6 und 7) liegt in der toleranzerhabenen Konstruktion.

Die Fig. 7 zeigt eine andere Anordnung, die prinzipiell wie die Anordnung in Fig. 6 ausgeführt ist, jedoch mit litzeartigen Stromschienen 51, 52, 53 und einem Kurzschließerbolzen, der pfeilförmige Kontaktspitzen 54 aufweist, die das litzenmaterial durchdringen und kurzschließen. Die Litze wird mit einer stromleitenden Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt bzw. einer flüssig metallischen Legierung getränkt.

Der Begriff Stromschiene umfaßt hier auch den Begriff Litze.

In einer letzten Ausführungsform, die in Fig. 8 gezeigt ist, sind drei Stromschienen auf einer Ebene sternförmig angeordnet, wovon nur zwei Stromschienen 55, 56 gezeigt sind.

Der Kurzschließerbolzen ist im Sternpunkt der Stromschienen angeordnet ohne diese zu berühren. Unterhalb der Stromschienen ist eine zu durchstoßende Isolierfolie 57 angeordnet, die auf ein Reservoir 58 einer elektrisch bzw. metallisch leitenden Flüssigkeit liegt.

Nach einer Zündung wird, wie vorher, die Membrane 61 zerstört wobei der Kurzschließerkolben die Flüssigkeit in den Luftspalt 60 verdrängt, so daß ein Kurzschluß entsteht.

Das Reservoir 58 wird durch eine Einsenkung einer unteren Isolierplatte 59 realisiert.

Bei der Montage der ersten Beispiele werden die Bohrungen 32, 33 durch zwei Paßzylinder 61, 62 und einem beide Paßzylinder 61, 62 verbindenden Paßstift 63 zentriert. Die Membrane bzw. Isolierfolie 31 weist hierfür ein Loch 40 zur Durchführung des Paßstiftes auf.

Nach dem Zentrieren wird die Membrane mit den Stromschienen mit einen doppelseitig klebenden Klebefolie oder Klebepad fixiert.

Wie Fig. 10 zeigt kann auch der Kurzschließerbolzen, der hierfür eine Paßsacklochbohrung 66 aufweist, mit Hilfe des Paßstiftes 63 und des Paßzylinders 62 genau zentriert werden.

Die Erfindung spezifiziert sich vorrangig auf den Einsatz als zentrales Schutzorgan in ortsveränderlichen und stationären Energieverteilungsanlagen, sowohl in Punktverteiler z. B. Hauptverteiler, als auch in Linienverteilern z. B. Schienenverteiler in der Nieder-, Mittel-, und Hochspannungstechnik. Die Erfindung kann auch als dezentrales Schutzorgan z. B. in Batterie-, Notstrom-, Kompensations-, und Bahnanlagen eingesetzt werden.

Das Grundprinzip beruht darauf, daß ein Gasgenerator, der durch einen definierten Zündstrom aktiviert wird, in sehr kurzer Zeit ein definiertes Gasvolumen liefert. Der Raum, in dem sich das Gasvolumen entwickelt ist ausreichend dicht und fest, so daß sich ein Druck bis 900 bar aufbaut. Der Druck wird als Antrieb für einen Schließvorgang genutzt. Die Leiter sind für einen Kurzschlußstrom von über 100 kA über einen Zeitraum von mindestens 500 ms ausgelegt.

Bezugszeichenliste

1

Kurzschließer

2

,

3

,

4

Anschlußschienen

5

Anschlußbohrungen

6

Querstromschiene

7

,

8

Kurzschließereinheiten

9

Schrauben-Mutter-Verbindungen

10

Federscheiben

11

Gasgenerator

12

Kapselung

13

erstes Kapselteil

14

zweites Kapselteil

15

mutterförmiges Teil

16

erste obere Isolierplatte

17-20

Dichtungsflächen

21

Zündöffnung

22

Druckraum

23

Druckraum

24

Druckmembran

25

kurzschließende Element

26

zylindrischer Abschnitt

27

konischer Abschnitt

28

Isolierhülse

29

Kragen

30

O-Ring

31

Isolierfolie

32

,

33

Bohrungen

34

zweite Isolierplatte

35

Schraubenisolierhülsen

36

Isolierkragen

37

Schrauben

38

Innengewinde

39

Teil

40

Loch

41

,

42

,

43

Stromschienen

44

,

45

Isolierfolien

46

,

47

,

48

Stromschienen

49

,

50

Isolierfolien

51

,

52

,

53

Stromschienen

54

Kontaktspitzen

55

,

56

Stromschienen

57

Isolierfolie

58

Reservoir

59

Isolierplatte

60

Luftspalt

61

,

62

Paßzylinder

63

Paßstift

64

Spiel

65

Bereich

66

Paßsacklochbohrung

67

Zylindrischer Abschnitt, unten

68

Einführungsschrägen

Claims (10)

1. Kurzschließer für eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung zur Verwendung in Anlagen zur Verteilung elektrischer Energie mit einem Gasgenerator und ein direkt vom dem Gasgenerator angetriebenes kurzschließendes Element, wobei das kurzschließende Element ein Kurzschließerkolben mit mindestens einem zylindrischen und einem konischen Abschnitt besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschließerkolben aus einem vorderen zylindrischen Abschnitt (67) besteht, der in eine ebenfalls zylindrische Bohrung (33) eines kurzzuschließenden Teils stoßartig bewegt wird und daß der vordere zylindrische Abschnitt (67) gegenüber der Bohrung (33) mit einer Spielpassung versehen ist.

2. Kurzschließer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschließerkolben aus einem kolbenartig geführten ersten zylindrischen Abschnitt (26), einem mittleren, kegelförmigen Abschnitt (27) und den vorderen Abschnitt zylindrischen Abschnitt (67) besteht.

3. Kurzschließer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Abschnitt (27) im ausgelöstem Zustand des Kurzschließers eine Stromschiene (2) oder einem anderen Strom leitenden Teil mit einer zylindrischen Bohrung (32) kontaktiert.

4. Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Abschnitt (27) und die entsprechende Bohrung (32) die Paßform Morsekegel 2 aufweisen.

5. Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Paßspiel zwischen dem vorderen zylindrischen Abschnitt (67) und der zylindrische Bohrung (33) 0,01 bis 0,03 mm beträgt.

6. Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Paßspiel zwischen dem vorderen zylindrischen Abschnitt (67) und der zylindrische Bohrung (33) 0,02 mm beträgt.

7. Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des vorderen zylindrischen Abschnitt (67) etwa 16 mm beträgt.

8. Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (32, 33) an Stromschienen mit einer Höhe von 10 mm angeordnet sind.

9. Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (32, 33) an Stromschienen mit einer Höhe von 10 mm angeordnet sind.

10. Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Abschnitt (67) vorne Einführungsschrägen (68) aufweist.