DE19921173A1

DE19921173A1 - Spurious arc extinguishing device for electrical switching apparatus has contacts in vacuum chamber which close and commutate current of spurious arc

Info

Publication number: DE19921173A1
Application number: DE1999121173
Authority: DE
Inventors: Markus Heimbach; Dietmar Gentsch; Wenkai Shang
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-09

Abstract

The device includes two vacuum chambers (14,15) respectively arranged between two phases (R,S; S,T) and with closable contact pieces, closing when a spurious arc occurs and commutating the current of the arc. The vacuum chamber includes an ignition device which produces an arc between the contact pieces of the vacuum chamber when a spurious arc occurs. The current of the spurious arc is commutated into the vacuum chamber, and afterwards the contact pieces are closed. A sensor (18) is provided for controlling the vacuum chambers and/or the ignition device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Löschen eines Störlichtbogens insbeson dere aufgrund eines Phasenkurzschlusses in einer elektrischen Schaltanlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates in particular to a device for extinguishing an arcing fault due to a phase short circuit in an electrical switchgear after Preamble of claim 1.

Störlichtbögen, die in einer elektrischen Schaltanlage entstehen, erzeugen aufgrund ihrer Temperatur einen starken Druckanstieg des Gases innerhalb der Schaltanlage, der sich in einem Zeitraum von wenigen Millisekunden aufbaut, und zu einer Zerstörung der Schaltanlage durch Explosion führen kann. Daher werden Maßnahmen getroffen, damit der Druck möglichst schnell abgebaut wird. Zu diesem Zweck besitzen die ein zelnen Schaltfelder einer Schaltanlage Druckentlastungsöffnungen oder Druckentla stungskanäle, über die das Gas in die Umgebung abströmen kann. Dabei besteht auch die Gefahr, daß Bedienungspersonen, die sich im Bereich einer Schaltanlage innerhalb eines Gebäudes befinden, verletzt werden.Arcing faults that occur in an electrical switchgear generate due to their temperature a strong pressure increase of the gas within the switchgear, that builds up in a few milliseconds, and to destruction the switchgear can lead to an explosion. Therefore, measures are taken so that the pressure is released as quickly as possible. For this purpose they own one individual switchgear panels of a switchgear pressure relief openings or pressure relief channels through which the gas can flow into the environment. There is also the risk that operators who are in the area of a switchgear within of a building are injured.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine derartige Gefährdung vermieden wird. The object of the invention is to provide a device of the type mentioned in the introduction, with which such a risk is avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Erfindungsgemäß befinden sich zwischen je zwei Phasen eine Vakuumkammer mit schließbaren Kontaktstücken, die bei Auftreten eines Störlichtbogens schließen und in die der Strom des Störlichtbogens kommutiert. Dabei besteht auch die Möglichkeit, daß bei drei Vakuumkammern diese sternförmig zusammengeschaltet sind. Dabei kann der Sternpunkt geerdet sein oder auch nicht.According to the invention, there is a vacuum chamber between each two phases closable contact pieces that close when an arcing fault occurs and in which the current of the arcing commutates. There is also the possibility that with three vacuum chambers they are interconnected in a star shape. The Star point may or may not be grounded.

Wenn beispielsweise zwischen zwei Phasen ein Phasenkurzschluß auftritt und dabei ein Lichtbogen entsteht, dann wird entweder das Licht des Lichtbogens oder der Druckanstieg oder andere Ereignisse detektiert. Aufgrund des in der Regel äußerst schnellen Druckaufbaues ist es entscheidend, daß eine leitfähige Verbindung in der Vakuumkammer innerhalb weniger Millisekunden herbeigeführt wird. Dabei besteht die Möglichkeit, innerhalb der Vakuumkammer mittels einer dritten Elektrode einen Licht bogen zu zünden und/oder oder einen äußerst schnellen Antrieb zum Schließen der Vakuumkammer zu verwenden. Wird eine Vakuumkammer, in der ein Lichtbogen ge zündet werden kann, eingesetzt, so ist es zweckmäßig, diese Vakuumkammer, die auch Triggered Vacuum Gap, TVG, bezeichnet wird, nach dem Zündvorgang zu schließen, um eine thermische Überlastung des TVG mit anschließender Neuzündung eines Störlichtbogens zu vermeiden. In diesem Fall wird die Vakuumkammern entweder durch einen leichten und einfachen Antrieb oder durch den die Vakuumkammern durchfließenden Fehlerstrom geschlossen. Zwar ist aus der Literaturstelle cigre, Ses sion 1998, 13-108 "New types of triggered Vacuum switching devices for fast synchro nized load commutation" bekannt, einen sog. Vakuumtriggerschalter (TVG) zwischen einem Phasenleiter und Erde zu schalten, dem eine Zündeinrichtung zugeordnet ist, die von einem Sensor angesteuert wird. Wenn ein Kurzschluß im Phasenleiter auftritt, wird durch die Zündung der Vakuumkammer eine Strombegrenzung herbeigeführt. Da in dieser Literaturstelle jedoch kein mechanisches Schließen der Vakuumkammer vor gesehen ist, besteht die Gefahr, daß bei länger anstehendem Kurzschluß die Vaku umkammer, wie oben beschrieben, thermisch überlastet wird. Bei der Anordnung, die dort beschrieben ist, muß, im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Einrichtung ein Leistungsschalter den Kurzschluß innerhalb ca. 100 Millisekunden abschalten. Im Hin blick auf die Störlichtbogensicherheit von Anlagen ist jedoch in manchen Fällen gefor dert, daß der Kurzschluß 1 Sekunde ansteht.For example, if a phase short-circuit occurs between two phases and thereby an arc arises, then either the light of the arc or the Pressure rise or other events detected. Because of the usually extremely rapid pressure build-up, it is crucial that a conductive connection in the Vacuum chamber is established within a few milliseconds. There is the Possibility to emit a light inside the vacuum chamber by means of a third electrode arc and / or an extremely fast drive to close the Vacuum chamber to use. Will a vacuum chamber in which an arc ge can be used, it is appropriate to use this vacuum chamber also called Triggered Vacuum Gap, TVG, after the ignition process close to a thermal overload of the TVG with subsequent re-ignition to avoid an arcing fault. In this case, the vacuum chambers either through a light and simple drive or through which the vacuum chambers flowing fault current closed. From the literature cigre, Ses sion 1998, 13-108 "New types of triggered vacuum switching devices for fast synchro nized load commutation ", a so-called vacuum trigger switch (TVG) between a phase conductor and earth to which an ignition device is assigned, the is controlled by a sensor. If a short circuit occurs in the phase conductor, a current limitation is brought about by the ignition of the vacuum chamber. There in no mechanical closing of the vacuum chamber before this reference seen, there is a risk that the vacuum in the event of a longer short circuit surrounding chamber, as described above, is thermally overloaded. With the arrangement that is described there, in contrast to the device according to the invention Circuit breaker turn off the short circuit within about 100 milliseconds. In the way In some cases, however, a look at the arc safety of systems is required that the short circuit is present for 1 second.

Für Zwecke des Schutzes gegen die Auswirkungen eines Störlichtbogens ist diese An ordnung kaum verwendbar. In diesem Falle kann auf eine Zündung eines Lichtbogens zur Kommutierung des Störlichtbogens in die Vakuumkammer verzichtet werden.For purposes of protection against the effects of an arcing fault, this is On order hardly usable. In this case, an arc can ignite to commutate the arcing fault into the vacuum chamber.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, wie bereits oben erwähnt, einen Antrieb zu ver wenden, der in der Lage ist, die Vakuumkammer innerhalb weniger Millisekunden zu schließen. Dazu kann erfindungsgemäß ein elektrodynamischer Antrieb verwendet werden, der aufgrund seines induktionsarmen Aufbaus eine hohe Stromsteilheit zuläßt und damit eine hohe Beschleunigung des beweglichen Kontaktstückes der Vakuum kammer bewirkt.Another possibility, as already mentioned above, is to drive a drive that is able to close the vacuum chamber within a few milliseconds conclude. According to the invention, an electrodynamic drive can be used for this be, which allows a high current steepness due to its low induction structure and thus a high acceleration of the moving contact piece of the vacuum chamber causes.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den Un teransprüchen zu entnehmen.Further advantageous refinements and improvements of the invention are the Un claims.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesse rungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.Using the drawing, in which some embodiments of the invention are shown are, the invention and other advantageous refinements and improvements rung and other advantages are explained and described in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, und Fig. 1 shows a circuit arrangement according to the invention, and

Fig. 2 und 3 unterschiedliche Ausgestaltungen der Vakuumkammer. Fig. 2 and 3 different embodiments of the vacuum chamber.

In einem Netz mit den Netzleitern R, S, T, die in einem Sternpunkt 10 verbunden und an Erde angeschaltet sind, befinden sich Spannungserzeuger U_RM U_SM und U_TM wobei der Index R, S, T andeuten soll, daß sich die Spannungserzeuger in den Leitern R, S, T befinden. Zwischen den Leitern R und S ist eine triggerbare Vakuumkammer 14 und zwischen den Leitern S und T eine triggerbare Vakuumkammer 15 angeordnet, die im Normalfall beide in geöffneter Stellung sind.In a network with the network conductors R, S, T, which are connected in a star point 10 and connected to earth, there are voltage generators U _RM U _SM and U _TM , the index R, S, T being intended to indicate that the voltage generators are in the conductors R, S, T. A triggerable vacuum chamber 14 is arranged between the conductors R and S and a triggerable vacuum chamber 15 is arranged between the conductors S and T, both of which are normally in the open position.

Es sei nun angenommen, daß sich zwischen den Leitern R und S und den Leitern S und T jeweils ein Phasenkurzschluß bildet, der mit den Bezugsziffern 16 und 17 ange deutet ist. Die durch die Kurzschlüsse 16 und 17 veränderten Zustände innerhalb der Schaltanlage werden von einem Sensor 18 detektiert, der entweder ein optischer, ein akustischer oder ein Drucksensor sein kann. Über Übertragungsleitungen 19, 20, die lediglich als Pfeil dargestellt sind, werden die von dem Sensor 18 erzeugten und abge gebenen Signale jeweils einer Zündeinrichtung 21 und 22 zugeführt, von denen die Zündeinrichtung 21 die Vakuumkammer 14 und die Zündeinrichtung 22 die Vakuum kammer 15 triggert. Dadurch entstehen innerhalb der Vakuumkammern 14 und 15 Lichtbögen, in die der Kurzschlußstrom kommutiert, wodurch die Lichtbögen innerhalb der Vakuumkammern beherrschbar sind. Wie eine solche Triggerung aussieht, ist bei spielsweise der oben genannten Literaturstelle zu entnehmen. Die Lichtbögen 16 und 17 erlöschen und die in den Kammern 14 und 15 brennenden Lichtbögen werden da durch weggeschaltet, daß die Kammern 14 und 15 geschlossen werden.It is now assumed that a phase short circuit is formed between the conductors R and S and the conductors S and T, which is indicated by the reference numbers 16 and 17 . The states within the switchgear assembly changed by the short circuits 16 and 17 are detected by a sensor 18 , which can be either an optical, an acoustic or a pressure sensor. Via transmission lines 19 , 20 , which are only shown as an arrow, the signals generated and emitted by the sensor 18 are each fed to an ignition device 21 and 22 , of which the ignition device 21 triggers the vacuum chamber 14 and the ignition device 22 the vacuum chamber 15 . This creates arcs within the vacuum chambers 14 and 15 into which the short-circuit current commutates, as a result of which the arcs can be controlled within the vacuum chambers. What such a triggering looks like can be found in the above-mentioned literature example. The arcs 16 and 17 go out and the arcs burning in the chambers 14 and 15 are switched off by the fact that the chambers 14 and 15 are closed.

Die Fig. 1 zeigt die Anordnung mit einem besonderen Sensor. Es besteht auch die Möglichkeit, anstatt einer Vakuumkammer mit Zündeinrichtung eine Anordnung vorzu sehen, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Fig. 1 shows the arrangement with a special sensor. It is also possible to provide an arrangement instead of a vacuum chamber with an ignition device, as shown in FIGS . 2 and 3.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 zeigt eine Vakuumkammer 23 mit einem Keramikzylinder 24, die auf ihrer in der Zeichnung oben befindlichen Seite einen Abschlußdeckel 25 besitzt, an dessen Außenfläche ein Kupferstab 26 befestigt ist, der mit beispielsweise der Leitung R verbunden ist. Dieser Kupferstab 26 ist von einem Permanentmagneten 27 in Kreisform umgeben.The arrangement according to FIG. 2 shows a vacuum chamber 23 with a ceramic cylinder 24 , which on its side shown in the drawing above has an end cover 25 , on the outer surface of which a copper rod 26 is attached, which is connected to the line R, for example. This copper rod 26 is surrounded by a permanent magnet 27 in a circular shape.

Die andere Stirnkante des Keramikzylinders 24 ist mit einem weiteren Deckel 28 ver schlossen, der zentral und mittig einen Durchbruch 29 aufweist, durch den ein Kontakt stengel 30 hindurchgreift, an dessen im Inneren des Zylinders 24 befindlichen Ende ein Kontaktstück 31 aus ferromagnetischem Material befestigt ist. Damit der Innenraum der Vakuumkammer 23 vakuumdicht ist, befindet sich zwischen dem weitere Deckel 28 und dem Kontaktstück 31 ein Faltenbalg 32, der vakuumdicht am Kontaktstück 31 und am Deckel 28 befestigt ist.The other end edge of the ceramic cylinder 24 is closed with a further cover 28 which has a central and central opening 29 through which a contact stem 30 extends, at the inside of the cylinder 24 end a contact piece 31 made of ferromagnetic material is attached. Thus, the interior of the vacuum chamber is vacuum-sealed 23, is located between the other lid 28 and the contact piece 31, a bellows 32, the vacuum-tight manner on the contact piece 31 and is attached to the lid 28th

Das freie Ende des Kontaktstengels 30 trägt eine Scheibe 33 aus Kupfer oder Alumi nium, jedenfalls aus einem Material, in dem Wirbelströme erzeugt werden können. Be zogen auf das bewegliche Kontaktstück 31 außerhalb der Scheibe 33 ist eine ringför mige Spule 34 vorgesehen, mit Zuleitungen 35 und 36. Die Zuleitungen 35 und 36 sind mit einer Kondensatoren enthaltenden Batterieanordnung verbunden (nicht gezeigt), die von einem dem Sensor 18 gleichenden bzw. entsprechenden Sensor so angesteu ert werden, daß sie ihre Energie auf die Zuleitungen übertragen, so daß damit die Spule 34 von Strom durchflossen wird, wenn ein entsprechender Druckanstieg oder Licht oder dgl. detektiert wird. Die Spule 34 wird durchgriffen von einem Koppelstab 37, der in einer Linie mit dem Kontaktstengel 30 verläuft und an seinem Ende einen Kopf 38 aus ferromagnetischem Material trägt; im ausgeschalteten Zustand liegt der Kopf 38 gegen einen Permanentmagneten 39 an, von dem die Vakuumkammer in geöff netem Zustand gehalten ist.The free end of the contact stem 30 carries a disk 33 made of copper or aluminum, at least from a material in which eddy currents can be generated. Be drawn to the movable contact piece 31 outside the disc 33 , a ring-shaped coil 34 is provided, with leads 35 and 36th The leads 35 and 36 are connected to a capacitor-containing battery arrangement (not shown), which are controlled by a sensor 18 which is the same or corresponding sensor, so that they transmit their energy to the leads, so that the coil 34 of current is flowed through when a corresponding pressure increase or light or the like is detected. The coil 34 is penetrated by a coupling rod 37 which runs in a line with the contact stem 30 and carries a head 38 made of ferromagnetic material at its end; in the switched-off state, the head 38 bears against a permanent magnet 39 , by which the vacuum chamber is held in the opened state.

Wenn nun vom Sensor ein Störlichtbogen detektiert wird, dann fließt der Ansteuerstrom durch die Spule 34; und erzeugt in der Scheibe 33 Wirbelströme, wodurch sich zwi schen der Spule 34 und der Scheibe 33 ein starkes abstoßendes Feld bildet; dadurch wird das bewegliche Kontaktstück 31 gegen die Innenfläche des Deckels 25 gedrückt, die somit als Kontaktfläche des feststehenden Kontaktstückes dient. In dieser ge schlossenen Stellung wird das Kontaktstück aus ferromagnetischem Material von dem Permanentmagneten 27 festgehalten. Die Abstoßungskräfte zwischen der Spule 34 und der Scheibe 33 sind dabei so groß, daß der Kopf 38 vom Permanentmagneten 39 abgerissen wird. Da dieser Antrieb ein extrem schneller Antrieb ist, ist eine Zündvor richtung nicht mehr erforderlich, da im Inneren der Vakuumkammer praktisch kein Lichtbogen entsteht.If an arcing fault is now detected by the sensor, the drive current flows through the coil 34 ; and generates eddy currents in the disk 33 , thereby forming a strong repulsive field between the coil 34 and the disk 33 ; as a result, the movable contact piece 31 is pressed against the inner surface of the cover 25 , which thus serves as the contact surface of the fixed contact piece. In this closed position, the contact piece made of ferromagnetic material is held by the permanent magnet 27 . The repulsive forces between the coil 34 and the disk 33 are so great that the head 38 is torn off from the permanent magnet 39 . Since this drive is an extremely fast drive, a Zündvor direction is no longer necessary, since practically no arc arises inside the vacuum chamber.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 zeigt eine ähnliche Struktur einer Vakuumkammer, die die Bezugsziffer 40 besitzt. The arrangement according to FIG. 3 shows a similar structure of a vacuum chamber, which has the reference number 40 .

Die Vakuumkammer weist einen keramischen Zylinder 41 auf, der an einem Stirnende mit einem Deckel 42 verschlossen ist. Auf der Innenseite des Deckels befindet sich eine Scheibe 43 aus ferromagnetischem Material, die als feststehendes Kontaktstück für die Vakuumkammer dient. Außerhalb des Deckels und mit der Scheibe 43 fluchtend ist ein Permanentmagnet 44 befestigt und über ein topfförmiges Kontaktelement 45, das mit seinem zylindrischen Abschnitt 46 den Permanentmagneten 44 umgibt und an der Außenseite des Deckels 42 befestigt ist, wird der Strom aus der Vakuumkammer ab- oder zugeführt. Das andere Ende ist in ähnlicher Weise wie bei der Anordnung ge mäß Fig. 2 mit einem weiteren Deckel 47 verschlossen, der ebenfalls einen Druchbruch 48 zeigt, durch den ein Kontaktstengel 49 aus Kupfermaterial hindurchgeführt ist. Das Innere Ende des Kontaktstengels 49 trägt ein bewegliches Kontaktstück 50 aus ferro magnetischem Material. In bestimmten Abstand zu dem Kontaktstück 50 ist zum Schutz der Innenfläche des keramischen Zylinders ein Schirm 51 befestigt; und zwi schen dem Schirm 51 und dem Deckel 47 ist ein Faltenbalg 52 angebracht, der die Va kuumkammer vakuumdicht verschließt.The vacuum chamber has a ceramic cylinder 41 , which is closed at one end with a cover 42 . On the inside of the cover there is a disk 43 made of ferromagnetic material, which serves as a fixed contact piece for the vacuum chamber. A permanent magnet 44 is fastened outside the cover and in alignment with the disk 43 , and the current is drawn off or off via a cup-shaped contact element 45 which surrounds the permanent magnet 44 with its cylindrical section 46 and is fastened to the outside of the cover 42 fed. The other end is closed in a similar manner as in the arrangement according to FIG. 2 with a further cover 47 , which also shows a breakthrough 48 through which a contact stem 49 made of copper material is passed. The inner end of the contact stem 49 carries a movable contact piece 50 made of ferro-magnetic material. A screen 51 is attached at a certain distance from the contact piece 50 to protect the inner surface of the ceramic cylinder; and between the screen 51 and the lid 47 , a bellows 52 is attached, which closes the vacuum chamber vacuum-tight.

Das freie Ende des Kontaktstengels 49 trägt in gleicher Weise wie die Anordnung nach Fig. 2 eine Scheibe 43 aus Kupfer oder Aluminium und dieser Scheibe 53 ist eine Spule 54 zugeordnet, mit der Zuführung 55 und der Abführung 56.The free end of the contact stem 49 carries, in the same way as the arrangement according to FIG. 2, a disk 43 made of copper or aluminum and this disk 53 is assigned a coil 54 with the feed 55 and the discharge 56 .

An der Außenfläche der Scheibe 53, mit dem Kontaktstengel 59 fluchtend, ist ein Kop pelelement 57 befestigt, dessen freies Ende einen Kopf 58 aus ferromagnetischem Material trägt, der mit einem dem Permanentmagneten 39 gemäß Ausführung nach Fig. 2 entsprechenden Permanentmagneten 59 zusammenwirkt. Die Wirkungsweise bei der Anordnung nach der Fig. 3 ist die gleiche wie bei der gemäß Fig. 2.On the outer surface of the disc 53 , in alignment with the contact stem 59 , a Kop pelelement 57 is attached, the free end of which carries a head 58 made of ferromagnetic material, which cooperates with a permanent magnet 39 corresponding to the embodiment according to FIG. 2, permanent magnet 59 . The mode of operation in the arrangement according to FIG. 3 is the same as in that according to FIG. 2.

Claims

1. Device for extinguishing an arcing fault, in particular due to a phase short circuit in an electrical switchgear, characterized in that between two phases (R, S; S, T) a vacuum chamber ( 14 , 15 ) is provided with closable contact pieces, which occur when they occur of an arcing fault and into which the current of the arcing fault commutates.

2. Device according to claim 1, characterized in that the vacuum Chamber contains an ignition device with which when the arcing occurs Arc is generated between the contact pieces of the vacuum chamber, whereby the current of the arcing commutates into the vacuum chamber, and after that the Contact pieces are closed.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a sensor ( 18 ) is provided which controls the vacuum chambers and / or the ignition device.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that a drive is provided for each vacuum chamber.

5. Device according to claim 4, characterized in that the drive carries a disc connected to the contact stem for the movable contact piece ( 53 ), which is made of a material that eddy currents can be generated therein, and that the disc ( 53 ) one Coil with low inductance is zugeord net that a current flow through the coil is generated when an arcing occurs, so that eddy currents form in the disc and repulsive forces are generated between the coil and the disc, which close the contact point in the vacuum chamber.

6. Device according to claim 5, characterized in that in itself against Overlying ends of the device permanent magnets are provided, which Hold the contact point closed or open.