DE19947105C2

DE19947105C2 - Verfahren und zugehörige Anordnungen zum Schalten elektrischer Lastkreise

Info

Publication number: DE19947105C2
Application number: DE19947105A
Authority: DE
Inventors: Fritz Pohl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2002-01-24
Anticipated expiration: 2019-10-01
Also published as: EP1089308A3; EP1089308A2; DE50009578D1; EP1089308B1; DE19947105A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Einschalten elektrischer Lastkreise, enthaltend ein Schütz mit einem Magnetantrieb, der aus einem Magnetjoch mit einer Magnetspule und einem Magnetanker, an dem Brückenkontakte als bewegliche Kontakte des Schützes über eine Kontakthalterung angekoppelt sind, besteht, und der im Einschaltzustand eine magnetische Haltekraft zwischen Anker und Joch erzeugt, die größer ist als die Ankeröffnungskraft. Daneben bezieht sich die Erfin dung auf zugehörige Anordnungen zur Ausführung der Verfahren.

Schütze eignen sich durch ihren elektrisch aktivierten Magnetantrieb zum ferngesteuerten, häufigen Ein- und Aus schalten elektrischer Lastkreise. Der Magnetantrieb besteht üblicherweise aus einem Magnetjoch mit einer Magnetspule und einem Magnetanker, an den die beweglichen Kontakte, bei spielsweise Brückenkontakte, über ihre Kontakthalterung angekoppelt sind.

Schützmagnetantriebe werden mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben. Die Schaltzeiten, d. h. die Zeitdauer des Ein- oder Ausschaltvorgangs, derartiger Magnetantriebe liegen bei etwa 20 ms. Damit ist aber eine rechtzeitige Reaktion zur Abschal tung von Kurzschlüssen nicht möglich. Ein Kurzschlußschutz wird daher üblicherweise durch schnell reagierende Schalt geräte, wie Sicherungen oder Leistungsschalter, welche zum Schütz elektrisch in Reihe geschaltet sind, realisiert, um durch die Begrenzung des Durchlaßstromes Schäden am Schütz zu vermeiden.

Die vorstehend angegebene Reihenschaltung eines Schaltgerätes mit einem Schütz wird je nach Funktionssicherheit in soge nannte Koordinationstypen eingeteilt. Beispielsweise kann nach einem Kurzschluß bei Koordination Typ 1 ein Austausch des Schützes notwendig sein, während bei Koordination Typ 2 die Funktion durch Aufbrechen leichtverschweißter Kontakte wiederherstellbar sein muß und bei Koordination Typ 3 keine Funktionsbeeinträchtigung auftreten darf. Aufgrund der tech nischen Anforderungen muß zum Erreichen der Koordination Typ 2 oder Typ 3 bei einem vorgegebenen Betriebsstrom eine Über dimensionierung der Schütz-Baugröße bei der Geräteauswahl erfolgen.

Bei Schützen mit kleineren Nennbetriebsströmen, z. B. I_e = 32 A, sind verschiedene Kombinationsschaltgeräte auf dem Markt, bei denen die Schaltkontakte des Schützes über Magnet auslöser im Kurzschlußfall unverzögert geöffnet werden. Die ses Schaltprinzip ist für Schütze mit größerem Nennbetriebs strom, z. B. I_e < ≈ 100 A, nicht praktikabel.

Eine andere technische Möglichkeit zur Realisierung eines Verschweißschutzes wird in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 198 34 474.0 vorgeschlagen. Hierbei wird durch einen Leistungsschalter mit besonderen konstruk tiven Merkmalen eine elektrische Überbrückung der Schaltpole des Schützes vorgenommen, wodurch der Kurzschlußstrom an den Hauptkontakten des Schützes, insbesondere an den Brücken kontakten, vorbeigeleitet wird.

Aus der DE 40 22 612 A1 ist ein Überstromschutz mit einem monostabilen elektromagnetischen System, wie insbesondere Relais, aber auch Schütz od. dgl., bekannt, bei dem zwei Spulenwicklungen vorhanden sind, von denen die erste als Erregerwicklung im Erregerstromkreis des Systems liegt und die zweite Stromwicklung in Serienschaltung im Stromkreis des zu überwachenden Verbrauchers angeordnet ist. Dabei sind die beiden Spulenwicklungen auf demselben Spulenkörper angeord net, jedoch mit gegensinniger Wicklungsrichtung und in einer derartigen Dimensionierung, dass bei Erreichen eines vorbe stimmten Überstroms im Verbraucherstromkreis die Stromwicklung ein Magnetfeld induziert, dessen Betrag dem von der Erregerwicklung induzierten Magnetfeld entspricht. Aus der DE 42 44 121 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit einem elektromagnetischen Relais bekannt, bei dem die den Laststrom leitenden Relaiskomponenten zumindest teilweise entlang des Umfangs der Relaisspule angeordnet sind, wobei die Richtung des Laststromes in den entlang des Umfanges der Relaisspule angeordneten Leiterelementen entgegengesetzt zur Stromrich tung des Spulenstroms durch die Relaisspule ist. Beide Lö sungen sind speziell nur für Relais, aber nicht für Schütz antriebe geeignet.

Die elektrische Überbrückung bietet einen hohen Schutz gegen Kontaktverschweißungen. Sie erfordert jedoch eine spezifische Konstruktion des hierfür vorgesehenen Leistungsschalters, der in jedem Fall strombegrenzend sein muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen technischen Mitteln elektromechanische Schütze üblicher Bauart gegen Kontaktverschweißungen zu schützen. Dazu soll ein geeignetes Verfahren angegeben werden und eine Anordnung geschaffen werden.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen alternativ des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 2 gelöst. Zugehörige Anordnungen sind in den Ansprüchen 9, 10 oder 14 angegeben. Weiterbildun gen des Verfahrens und der zugehörigen Anordnungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Erfindung erfolgt eine Schnellausschaltung des Schutzantriebes, wobei die Schnellausschaltung entweder durch eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes im Eisenkreis des Magnetantriebes herbeigeführt wird oder durch eine elektri sche Gegenspannung im Spulenstromkreis und/oder durch Schal ten eines Elementes mit hohem Spannungsbedarf in den Spulenkreis erfolgt, womit die Brückenkontakte als Schützhaupt kontakte im Kurzschlußfall bleibend geöffnet werden.

Vorzugsweise sind Mittel zur Kurzschlußvorprüfung des Last kreises mit Einschaltverhinderung vorgesehen. Es können auch Mittel zur Kurzschlußerfassung des Lastkreises vorgesehen sein, durch die eine Schnellausschaltung des Schütz-Magnet antriebes eingeleitet wird. Somit wird bei einem Schütz das Verschweißen der Brückenkontakte als Schützhauptkontakte wirksam verhindert. Dies kann beim Stand der Technik nicht erreicht werden.

Durch die Erfindung ist ein Schütz beim sogenannten Prüfstrom "r" gegen Kontaktverschweißungen geschützt. Der Prüfstrom "r" stellt einen für die Praxis maßgeblichen Kurzschlußstrom dar und hat bei einem 110 A-Schütz (AC3-Nennbetriebsstrom) den prospektiven Kurzschlußstromwert von 5 kA. Kurzschlußströme bewirken im allgemeinen als Folge großer Magnetkräfte ein dynamisches Abheben beweglicher Kontakte, wobei an den Kon takten vom Lichtbogen Kontaktmaterial aufgeschmolzen wird.

Bei der Erfindung wird durch die Schnellausschaltung des Schützantriebes erreicht, daß die Schützhauptkontakte blei bend geöffnet sind, bevor das geschmolzene Kontaktmaterial wieder erstarrt und hohe Schweißkräfte erzeugt. Dabei ist zu erwarten, daß es einen unteren Strombereich gibt mit weit gehender Schweißfreiheit, einen mittleren Strombereich, bei dem bei kurzer Bogendauer, z. B. 2 bis 5 ms, genügend Schmelze vorhanden ist und wiederschließende Kontakte verschweißen, und einen oberen Strombereich, bei dem die Kontakte über den 1. Stromnulldurchgang hinweg geöffnet bleiben und daher das mechanische Kontaktöffnen immer rechtzeitig erfolgt.

Für die Realisierbarkeit einer Schnellausschaltung muß der Schützantrieb bestimmte Voraussetzungen erfüllen:

- Wechselstrombetriebene Schütz-Magnetantriebe besitzen an den Jochpolflächen sogenannte Wirbelstromringe, deren Magnetfeld sich dem Spulenmagnetfeld überlagert und ver hindert, daß die Magnetkraft periodisch auf Null abnimmt. Sowohl große Werte des magnetischen Flusses bei Wechsel stromerregung, wie auch die Gegeninduktion der Wirbel stromringe führen zu einem späten Abklingen der magneti schen Haltekraft und dadurch zu einer erheblichen Ver zögerung des Ankerbewegungsbeginns. Für eine Schütz- Schnellausschaltung sind daher eine Wechselstromerregung und eine Anwendung von Wirbelstromringen ungeeignet.
- Gleichstrombetriebene Schütz-Magnetantriebe können Eisenkreise, z. B. Magnetanker, besitzen, die partiell nicht oder nur mäßig lamelliert sind. Zudem werden meist Beschaltungen (RC-Glied, Freilaufdiode, od. dgl.) der Magnetspule vorgenommen, um Überspannungen wirksam zu begrenzen. Beide genannten Merkmale, d. h. ungenügende Lamellierung, Spulenbeschaltung, führen beim Ausschalt vorgang zu einer erheblichen zeitlichen Verzögerung und sind daher für eine Schütz-Schnellausschaltung unge eignet.
- Als geeignet erweist sich ein Schütz-Magnetantrieb mit lamelliertem Eisenkreis, d. h. Anker und Joch ohne Wirbel stromringe, und einer gleichstrombetriebenen Magnetspule.

Im Rahmen der Erfindung wird die angestrebte Vermeidung von Kontaktverschweißungen bereits durch die Schnellausschaltung des Schützantriebes realisiert, wobei die Kurzschlußvorprü fung des Lastkreises mit Einschaltverhinderung besonders vor teilhaft ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schützes,

Fig. 2 in schematischer Darstellung die Stromführung zur Erzeugung eines Sperrmagnetfeldes im Magnetjoch des Schützes gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild der Schnellausschaltung mittels Sperr magnetfeld an einem Schütz gemäß Fig. 1,

Fig. 4 Zeitdiagramme von Meßsignalen einer Anordnung gemäß Fig. 2/Fig. 3,

Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Schnellausschaltung mittels Gegenspannungspuls an einem Schütz gemäß Fig. 1,

Fig. 6 Zeitdiagramme von Messungen bei einer Anordnung gemäß Fig. 5,

Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Schnellausschaltung durch Unterbrechung des Steuerstromkreises an einem Schütz gemäß Fig. 1 und die

Fig. 8 und 9 Zeitdiagramme von Meßsignalen einer Anordnung gemäß Fig. 7.

In Fig. 1 sind die Funktionskomponenten eines bekannten Schützes schematisch dargestellt: Das Schütz besteht im wesentlichen aus einer Schaltkammer 1 mit den darin vorhandenen Schaltkomponenten und einem Magnetantrieb 10, mit dem elektromagnetisch aktiviert eine mechanische Bewegung der Schaltkontakte erfolgt.

In Fig. 1 sind in der Schaltkammer Festkontakte 3a und 3b auf Festkontaktträgern 2a und 2b angeordnet und sind diesen zugeordnete Bewegkontakte 5a und 5b auf einer beweglichen Schaltbrücke 4 vorhanden. Der Kontaktanordnung mit den ein ander gegenüberstehenden Kontakten 3a, 5a und 3b, 5b sind in bekannter Weise Löschblechanordnungen 9a und 9b zugeordnet. Die bewegliche Schaltbrücke 4 ist über ein Verbindungselement 6 mit Kontaktkraftfeder 7 an einem Brückenträger 8 befestigt, der mit dem Anker 13 vom Magnetantrieb 10 in die Einschalt- oder Ausschaltposition bewegt wird.

Der Magnetantrieb 10 besteht im einzelnen aus einem Magnet joch 11 mit Magnetspule 12 und einem dem Joch zugeordneten Magnetanker 13, der mit dem Brückenträger 8 verbunden ist. Auf das Magnetjoch 11 wirkt eine Öffnungsfeder 14, die im Ausschaltzustand des Magnetantriebs 10 die Offenstellung der Schaltbrücken gewährleistet.

Nachfolgend werden drei Beispiele beschrieben, um eine Schnellausschaltung für den Schütz-Magnetantrieb 10 gemäß Fig. 1 nach Erkennung des Kurzschlusses zu realisieren. Im einzelnen bedeutet dies, jeweils Mittel bereitzustellen, um schnellstmöglich die Ankeröffnungsbewegung einzuleiten und die Hauptkontakte zu öffnen.

1. Schnellausschaltung mittels eines Sperrmagnetfeldes:
Die physikalische Wirkung des Sperrmagnetfeldes kann so ver standen werden, daß in einem räumlich begrenzten Bereich des Eisenkreises durch eine genügend hohe magnetische Induktion eine annähernde magnetische Sättigung hervorgerufen wird. Demzufolge erfolgt eine starken Erniedrigung der relativen Permeabilität (µ_r → 1), wodurch dieser räumliche Bereich für das betriebsmäßige Magnetfeld ähnlich wirkt, wie ein zusätz licher Luftspalt.

Die Stromführung zur Erregung des Sperrmagnetfeldes erfolgt daher senkrecht zur Lamellierungsebene, um den minimalen magnetischen Widerstand auszunutzen, und bildet Strompfade, die keine magnetische Spannung (U_mag = ?(H . ds) = i) in Richtung des betriebsmäßigen Magnetfeldes liefern.

Die Fig. 2 verdeutlicht das Prinzip eines Magnetkreises mit der Führung des Strompfades zur Erzeugung eines Sperrmagnet feldes: Die Lamellierungsebene im Magnetkreis 11, 13 ist mit 15 bezeichnet, wobei der Stromfluß I durch die Strombahn 18 verdeutlicht wird. Die entgegengesetzten Pfeile im Bereich 19 zeigen den schematischen Verlauf des Sperrmagnetfeldes. Durch das Sperrmagnetfeld wird der magnetische Widerstand im Anker- Joch-Magnetkreis 11, 13 bei sich berührenden Polflächen so stark erhöht, daß der magnetische Fluß 17 auf einen Wert abnimmt, bei dem die Magnetkraft unter den Wert der Halte kraft sinkt. Da hierbei in der Magnetspule 12 gemäß Fig. 1 eine hohe Spannung induziert wird, die der Flußabnahme mit einer Erhöhung des Spulenstromes entgegenzuwirken sucht, muß der Spulenstrom mit geeigneten Maßnahmen während der Schnell abschaltung begrenzt werden.

Eine einfache, passive Maßnahme hierzu ist entsprechend Fig. 3 eine elektrische Reihenschaltung der Schütz-Magnetspule 12 aus Fig. 1 mit einer genügend großen Vorinduktivität 22. Der Vorinduktivität ist eine Freilaufdiode 23 parallelgeschaltet.

Die Fig. 4 zeigt das Meßoszillogramm einer Schnellausschal tung mittels Sperrmagnetfeld an einem Schütz mit Bemessungs betriebsstrom I_e = 75 A. Zur Begrenzung des Spulenstromes während der Schnellausschaltung ist der Magnetspule eine Induktivität von 17 H elektrisch in Reihe geschaltet. Der Spulengleichstrom beträgt vor der Schnellausschaltung etwa 80 mA und liefert damit etwa das 4,5fache der. Mindesterregung des Magnetantriebs. Während der Schnellausschaltung steigt der Spulenstrom auf etwa 125 mA an. Die Mindesterregung ist dadurch bestimmt, daß die bei geschlossenem Eisenkreis er zeugte Magnetkraft gleich der gesamten Federöffnungskraft ist.

Von den oszillographierten Meßkurven der Fig. 4 zeigen:
Kurve 41 den Strompuls (i^ = 1000 A) zur Erregung des Sperr magnetfeldes,
Kurve 42 die Spulenspannung (Usp^= -920 V),
Kurve 43 den Beginn des Ankerabhebens vom Magnetjoch (t-Anker = 1,8 ms),
Kurve 44 den Spulenstrom und
Kurve 45 den Beginn des Kontaktöffnens (t-Kontakt = 6,2 ms) Strombeginn (Kurve 41) bei t = 0.

Die Methode des Sperrmagnetfeldes kann vorteilhaft bei einem Schütz in einem Gleichstromnetz angewandt werden, um den Schützantrieb durch den Kurzschlußstrom selbst schnell auszuschalten, ohne weitere Steuerungsmittel einsetzen zu müssen.

1. Schnellausschaltung mittels Gegenspannungspuls:
Ein Gegenspannungspuls wird von einem aufgeladenen Kondensator über ein geeignetes Schaltelement direkt an die Magnetspule angelegt. Um den Steuerstromkreis vom Gegenspannungspuls an der Magnetspule 12 weitgehend zu entkoppeln, kann wie unter Punkt 1 eine Reiheninduktivität eingesetzt werden.

Die Spannungs-Zeit-Fläche des Pulses wird so gewählt, daß der Spulenstrom von einem vorgegebenen Gleichstromwert auf einen geringen, entgegengesetzten Wert abnimmt. Eine "Überent regung" durch eine zu große Spannungszeitfläche des Pulses kann damit vermieden werden.

Die Fig. 5 zeigt das Prinzipbild des Steuerstromkreises mit Gegenspannungseinrichtung. Zur Entkopplung des Steuerstrom kreises während der Schnellausschaltung ist entsprechend Fig. 3 zur Magnetspule 12 die Vorinduktivität 22 von 2,5 H elektrisch in Reihe geschaltet. Der Spulengleichstrom beträgt vor der Schnellausschaltung beim 75 A-Schütz etwa 80 mA, sowie beim 110 A-Schütz etwa 120 mA und liefert damit etwa die 4,5fache der Mindesterregung der Magnetantriebe. Die vorgegebene Gegenspannung beträgt beim 75 A-Schütz 700 V und beim 110 A-Schütz 800 V, die Kapazität des Pulskondensators 52 2 µF. Als Schaltelement zum Einschalten der Gegenspannung wird beispielsweise ein Reedschalter 51 verwendet. Dieser durch das Magnetfeld betätigte Schalter dient gleichzeitig als Kurzschlußsensor, indem sein Ansprechwert auf einen Stromwert von beispielsweise 1 kA eingestellt und der zu überwachenden Strombahn zugeordnet ist.

Die Fig. 6 zeigt das Meßoszillogramm einer Schnellausschal tung mittels Gegenspannungspuls an einem Schütz mit einem Bemessungsbetriebsstrom von 75 A.

Von den oszillographierten Meßkurven in Fig. 6 zeigen:
Kurve 61 die Spulenspannung mit Gegenspannungspuls,
Kurve 62 den Beginn des Ankerabhebens vom Magnetjoch (t-Anker = 1,7 ms (75 A-Schütz)),
Kurve 63 den Spulenstrom und
Kurve 64 den Beginn des Kontaktöffnens (t-Kontakt = 6,2 ms (75 A-Schütz).

Der Spannungspulsbeginn entsprechend Kurve 61 ist t = 0.

1. Schnellausschaltung durch Unterbrechung des Steuerstrom kreises: Bei dieser Maßnahme übernimmt das unterbrechende Schaltelement die Trennung der Magnetspule vom Steuerstrom kreis, weshalb keine Reiheninduktivität benötigt wird, und die Magnetspule erzeugt bei der Flußabnahme einen Spannungs puls, welcher durch eine Spannungsbegrenzung mittels einer Supressordiode auf beispielsweise 800 V begrenzt ist. Zu sätzlich kann ein zur Magnetspule parallelgeschalteter Kondensator zur Pulsformung verwendet werden.

Als Schaltelement kann beispielsweise ein Feldeffekttransi stor mit ausreichend hoher Sperrspannung (z. B. 1000 V) und niedrigem Einschaltwiderstand (z. B. 3 Ω) verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel wird ein N-Kanal IG-FET vom Anreiche rungstyp eingesetzt, welcher im Normalbetrieb des Schützes im Einschaltzustand ist und nur im Kurzschlußfall z. B. durch einen Reedschalter, welcher Gate und Source kurzschließt, ausgeschaltet wird.

Kurzschlußschaltversuche am 110 A-Schütz beim Strom "r" (= I_prospektiv = 5 kA) mit der Schaltprüfung "O" (= open, d. h. Schütz im Einschaltzustand) und "C-O" (closed-open, d. h. Schütz schaltet Kurzschluß ein) ergeben den Koordinationstyp 3 oder 2. Die Schaltversuche wurden an einer Kondensator batterie mit einer eingestellten Dauer der Stromhalbwelle von ≈ 8 ms durchgeführt.

Die Fig. 7 zeigt das Prinzipbild des Steuerstromkreises mit unterbrechendem Schaltelement. Diesem Schaltelement 71 ist ein Element 72 mit hohem elektrischen Spannungsbedarf paral lel geschaltet und wird beim Auftreten eines Kurzschlußstro mes vom stromleitenden in den stromsperrenden Zustand ge steuert, wodurch das Element mit hohem elektrischen Span nungsbedarf in den Steuerstromkreis geschaltet wird. Dadurch wird in sehr kurzer Zeit, die im allgemeinen kleiner als eine Millisekunde sein kann, eine hohe Gegenspannung an der Mag netspule aufgebaut, die ein rasches Abklingen des Spulen stromes und der magnetischen Erregung des Magnetantriebes herbeiführt. Dem Schaltelement 71 kann zum betriebsmäßigen Ein- Ausschalten des Schütz-Magnetantriebes im Steuerstrom kreis ein weiteres Schaltelement vorgeschaltet sein. Alter nativ kann jedoch das Schaltelement 71 außer zur Schnellaus schaltung auch zum betriebsmäßigen Schalten des Steuerstrom kreises vorgesehen sein.

In Fig. 7 wird hierzu ein Feldeffekttransistor 71 mit der Ansteuerung durch den Reedschalter 75 sowie Widerständen 74,76 und einer Kapazität 73 verwendet. Der durch das Mag netfeld des Hauptstrompfades betätigte Reedschalter 55 dient gleichzeitig als Kurzschlußsensor mit einem eingestellten Ansprechwert von beispielsweise 1 kA. Die Supressordiode 72 dient zur Spannungsbegrenzung und der Kondensator 77 zur Pulsformung der Spulenspannung.

Die Fig. 8 zeigt das Meßoszillogramm einer Schnellausschal tung durch Unterbrechung des Steuerstromkreises bei der Kurz schluß-Schaltprüfung "O".

Von den oszillographierten Meßkurven in Fig. 8 zeigen:
Kurve 81 den Kurzschlußstrom (I^ = 6,5 kA),
Kurve 82 die Spulenspannung (Usp^ = -820 V),
Kurve 83 den Beginn des Ankerabhebens vom Magnetjoch (t-Anker = 3,5 ms),
Kurve 84 den Spulenstrom (vor Schnellausschaltung 120 mA),
Kurve 85 die Bogenspannung am oberen Brückenkontakt,
Kurve 86 die Bogenspannung am unteren Brückenkontakt,
Kurve 87 den Beginn des Kontaktöffnens (t-Kontakt = 7,7 ms) und
Kurve 88 den Beginn der Spulenstrom-Unterbrechung (t-Feld effekttransistor = 0,95 ms).

Der Strombeginn entsprechend Kurve 81 liegt bei t = 0. Als Ergebnis wird erreicht, daß die Brückenkontakte nach dem Kurzschluß geöffnet sind.

Die Fig. 9 zeigt das Meßoszillogramm einer Schnellausschal tung durch Unterbrechung des Steuerstromkreises bei der Kurzschluß-Schaltprüfung "C-O".

Von den oszillographierten Meßkurven in Fig. 9 zeigen:
Kurve 91 den Kurzschlußstrom (I^= 6,35 kA),
Kurve 92 die Spulenspannung (Usp^= -840 V), wobei die Spule mit 10 nF beschaltet ist,
Kurve 93 den Beginn des Ankerabhebens vom Magnetjoch (t-Anker = 5,4 ms),
Kurve 94 den Spulenstrom (vor der Schnellausschaltung abklin gend auf ≈ 300 mA),
Kurve 95 die Bogenspannung am oberen Brückenkontakt,
Kurve 96 die Bogenspannung am unteren Brückenkontakt,
Kurve 97 den Beginn des Kontaktöffnens (t-Kontakt = 8,8 ms),
Kurve 98 den Beginn der Spulenstrom-Unterbrechung (t-Feld effekttransistor = 1,02 ms).

Der Strombeginn entsprechend Kurve 91 liegt bei t = 0. Als Ergebnis wird erreicht, daß die Brückenkontakte nach dem Kurzschluß geöffnet sind.

Das Ergebnis beider Abschaltungen entsprechend Fig. 8 und 9 entspricht der Koordination Typ 3. Wie oben erwähnt, erhält man bei manchen Kurzschlußschaltungen aufbrechbare Kontakt verschweißungen, entsprechend Koordination Typ 2. Die Eigen schaften der Schnellausschaltung lassen sich durch Reduzieren der magnetischen Remanenz weiter verbessern, d. h. durch eine feinere Lamellierung, durch einen vergrößerten Zwangsluft spalt, durch ein anderes Material, und/oder durch Erhöhung der Federkräfte, wodurch die Ankerbeschleunigung zunimmt und damit sich die Kontaktöffnungszeit verkürzt und die Aufbrech energie vergrößert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine elektronische trägheitslose Kurzschlußerfassung mit der Ver meidung der Kurzschlußdraufschaltung durch eine Impedanz prüfung des Lastkreises vor dem Einschalten und der Ein schaltverhinderung im Störfall. Die elektronische Kurz schlußerfassung kann z. B. mit Magnetosensorik an der zu über wachenden Strombahn erfolgen und mit geeigneten Auswerte algorithmen kann eine Kurzschlußfrüherkennung realisiert sein.

Die Kurzschlußimpedanz eines Lastkreises kann auf einfache Weise mit einem L-C-R-Schwingkreis grob bestimmt werden. Mit der bekannten Schwingkreiskapazität C₀, z. B. C₀ = 100 nF, Ladespannung 10 V, werden aus den Daten der elektrischen Schwingung die unbekannten Werte der Induktivität L und des ohmschen Widerstandes R des Lastkreises bestimmt.

Durch ein geeignetes Schaltelement, z. B. ein Relais, wird der aufgeladene Kondensator an den Lastkreis (einpolig L-N, drei polig: aufeinanderfolgend L1-L2, L2-L3, L3-L1) angeschlossen. Man erhält in bekannter Weise eine gedämpfte Schwingung mit den Meßgrößen

1. Schwingungsdauer ω = (1/LC - R²/4L²)^1/2

und

- Amplitudendämpfungsfaktor = exp -Rt/2L.

Nimmt man hierzu die Abklingzeit, z. B. auf 10% der Anfangs amplitude, als Meßwert, so folgt

z. B. R/2L = -ln0.1/t_meß.

Mit der bekannten Schwingkreiskapazität C₀ erhält man aus den Meßgrößen ω und t_meß die Lastkreisgrößen

L = {C₀[ω² + (ln0.1/t_meß)²]}^1/2 und

R/L = -2ln0.1/t_meß.

Mit der Netzfrequenz ω_N erhält man hieraus die Lastkreis impedanz

Z = (R² + ω_N ²L²)^1/2.

Der prospektive Kurzschlußstrom ist dann durch I_K = U_Netz/Z gegeben.

Mit der Schwingkreis-Methode ist eine Beurteilung hinsicht lich eines Lastkreis-Kurschlusses innerhalb einer Meß- und Auswertezeit von etwa 100 µs möglich. Die Prüfdauer hängt im wesentlichen von der Ein-/Ausschaltgeschwindigkeit der ver wendeten Schaltelemente zum elektrischen Anschließen des Schwingkreiskondensators ab. Für die Prüfung eines 3-phasigen Netzes werden 10 ms Prüfdauer als hinreichend angesehen.

Die vorstehend im einzelnen beschriebenen Methoden der Schnellausschaltung eröffnen für Schütze heutiger Bauart die Möglichkeit eines verschweißfreien Betriebes, ohne die Not wendigkeit einer Überdimensionierung bei der Geräteauswahl und einem sehr hohen Kurzschlußschutz durch das schützende Schaltgerät. Besonders vorteilhaft ist dabei wegen seiner Einfachheit und dem geringen Aufwand das Beispiel 3 mit der "Unterbrechung des Steuerstromkreises".

Bei der "Schnellausschaltung" aus dem Einschaltzustand des Schützes (Schaltung "0") heraus erhält man eine sehr geringe Streuung der Kontaktöffnungszeitpunkte, so daß sich unmittel bar aus der Änderung der Öffnungszeiten ein Kontaktabbrand bestimmen läßt. Dies kann vorteilhaft für die Restlebensdauererkennung ausgenutzt werden, indem der Ankerbewegungs beginn nicht durch eigene Messung bestimmt wird, sondern durch einen konstanten Zeitverzug bezüglich des Beginns der "Schnellausschaltung" definiert wird. Dies wird in der EP 0 694 937 A1 und in der WO 97 28 549 A1 im einzelnen be schrieben.

Von letzterem abgesehen können bei den vorstehend beschrie benen Anordnungen die Daten der Schnellausschaltung - wie Kurzschluß, Kurzschlußstromhöhe und Restlebensdauer - an einer Betriebsanzeige des Schützes angezeigt werden. Die Daten können aber auch über einen Datenbus an eine zentrale Auswerte- und Überwachungseinrichtung übermittelt werden.

Durch die beschriebene Schütz-Schnellausschaltung erhöht sich insbesondere der sog. "backup"-Schutz für einen in Reihe geschalteten Leistungsschalter, da die Schaltstrecke bzw. Schaltstrecken über den Stromnulldurchgang hinweg geöffnet bleiben und durch die Addition der Bogenspannungen von Schütz und Leistungsschalter das Schaltvermögen erhöht wird.

Claims

1. Verfahren zum Schalten elektrischer Lastkreise, enthaltend ein Schütz mit einem Magnetantrieb, der aus einem Magnetjoch mit einer Magnetspule und einem Magnetanker, an dem Brücken kontakte als bewegliche Schütz-Kontakte über eine Kontakthal terung angekoppelt sind, besteht und der im Einschaltzustand eine magnetische Haltekraft zwischen Anker und Joch erzeugt, die größer ist als die Ankeröffnungskraft, mit folgenden Maßnahmen:

- Zum Verschweißschutz der Brückenkontakte erfolgt beim Schütz-Magnetantrieb eine Schnellausschaltung, durch die der Wert der magnetischen Haltekraft in einer Zeit, die kurz gegenüber der typischen Ausschaltzeit von Schützen ist, unterhalb des Wertes der Ankeröffnungskraft gesenkt wird, wozu
- durch ein Sperrmagnetfeld eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes im Eisenkreis des Magnetantriebes und eine daraus resultierende Absenkung des Spulenmagnetfeldes herbeigeführt wird,
- wodurch die Brückenkontakte als Schützhauptkontakte blei bend geöffnet werden.

2. Verfahren zum Schalten elektrischer Lastkreise, enthaltend ein Schütz mit einem Magnetantrieb, der aus einem Magnetjoch mit einer Magnetspule und einem Magnetanker, an dem Brücken kontakte als bewegliche Schütz-Kontakte über eine Kontakthal terung angekoppelt sind, besteht und der im Einschaltzustand eine magnetische Haltekraft zwischen Anker und Joch erzeugt, die größer ist als die Ankeröffnungskraft, mit folgenden Maßnahmen:

- Zum Verschweißschutz der Brückenkontakte erfolgt beim Schütz-Magnetantrieb eine Schnellausschaltung, durch die der Wert der magnetischen Haltekraft in einer Zeit, die kurz gegenüber der typischen Ausschaltzeit von Schützen ist, unterhalb des Wertes der Ankeröffnungskraft gesenkt wird, wozu
- eine elektrische Gegenspannung am Spulenstromkreis angelegt wird und/oder ein Element mit hohem elek trischen Spannungsbedarf in den Spulenstromkreis ge schaltet wird,
- wodurch die Brückenkontakte als Schützhauptkontakte bleibend geöffnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit der Absenkung der Magnetkraft unter den Wert der Ankeröffnungskraft 2 Millisekunden nicht wesentlich überschreitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass eine Kurzschlußerfassung des Lastkreises vorgesehen ist, durch welche die Schnellausschaltung des Schütz-Magnetantriebes (10) eingeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Schnellausschaltung die Zeitdauer von Beginn der Ausschaltung bis zum Kontaktöffnungszeitpunkt (t0) bestimmt wird und diese als Basis zur Bestimmung der Restlebensdauererkennung der Schaltkontakte (3a, 5a, 3b, 5b) ausgenutzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Daten der Schnellausschaltung, wie Kurzschluß, Kurzschlußstromhöhe und Restlebensdauer, an einer Betriebsanzeige angezeigt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Daten der Schnellausschaltung über einen Datenbus an eine zentrale Auswerte- und Überwachungseinrichtung übermittelt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schnellausschaltung ein Sperrmagnetfeld erzeugt wird, das in einem Teil (19) des Eisenkreises (15) senkrecht zum betriebsmäßigen Magnetfeld () des magnetischen Antriebes (10) gerichtet ist und das den betriebsmäßigen magnetischen Fluß (17) des Magnetantriebes (10) schwächt.

9. Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 7 geeignete Anordnung, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Stromführung (18) zur Erregung des Sperrmagnetfeldes (19) senkrecht zur Lamellierungsebene (15) von Anker (13) und Joch (11) vorgesehen ist.

10. Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 7 geeignete Anordnung, da durch gekennzeichnet, daß zur Schnell ausschaltung ein aufgeladener Kondensator (52), der einen Gegenspannungspuls erzeugt, vorhanden ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß eine Schütz- Magnetspule (12) mit einer Induktivität (22) mit hinreichend großem Induktivitätswert in Reihe geschaltet ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß der Gegenspannungspuls über ein Schaltelement (51) an die Magnetspule (12) angelegt wird.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß das Schaltelement (51) ein Reed-Schalter ist, der gleichermaßen als Kurzschlußsensor dient.

14. Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 7 geeignete Anordnung, da durch gekennzeichnet, daß zur Schnell ausschaltung ein Schaltelement (71) vorhanden ist, das ein Element (72) mit hohem elektrischen Spannungsbedarf, bei spielsweise eine Supressordiode, überbrückt.

15. Anordnung nach Anspruch 9 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetspule (12) der Kondensator (77) zur Formung des vom Steuerstromkreis erzeugten Spannungspulses parallelgeschaltet ist.

16. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Schaltelement ein Feldeffekttransistor (71) ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß der Schütz- Magnetantrieb (10) einen lamellierten Eisenkreis (15) für Anker (13) und Joch (11) und eine gleichstrombetriebene Magnetspule (12) hat.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halteerregung des Schütz- Magnetantriebs (10) das 10fache der Mindesterregung zur Aufrechterhaltung des Einschaltzustandes nicht wesentlich übersteigt.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halteerregung des Magnetantriebs (10) des Schützes (1) bevorzugt zwischen dem 2- bis 5fachen der Mindesterregung liegt.