DE2149938B2 - Flexibles elektrisches Strombegrenzer-Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles elektrisches Strombegrenzer-Element mit einer leitfähigen, einen positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten aufweisenden Seele und einer diese umhüllenden, flexiblen elektrischen Isolierschicht. Derartige Strombegrenzungselemente können als Zuleitungen zu Verbrauchern eingesetzt werden, und beim Auftreten extrem hoher Ströme steigen sowohl ihre Temperatur als auch ihr elektrischer Widerstand, so daß der sie durchfließende Strom begrenzt und ihnen nachgeordnete Verbraucher vor überhöhten Strömen und den sich daraus ergebenden Überlastungszusländen geschützt werden.

Ein derartiges Strombegrenzer-Element ist aus der US-PS 34 35 401 bekannt. Die Steigerung der installierten Leistungen sowie die Bestrebungen zur Zentralisierung von Schaltanlagen führt dazu, daß die Strombelastbarkeit bzw. die Kapazität von Schaltanlagen, beispielsweise von Steuerungszentralen für Elektromotoren, gegenüber früher üblichen Kapazitäten steigt Damit können aber auch in solchen Steuerungszentralen bzw. deren Starkstromkreisen auftretende Kurzschluß-Fehlerströme extrem hohe Werte, beispielsweise 50 kA bis 10OkA, annehmen. Um im Abschaltfalle derartige Leistungen bewältigen zu können, müssen aber auch die Sicherungseinrichtungen, beispielsweise Schutzschalter, in ihrer Abschaltleistung erheblich höher gewählt werden als früher üblich, so daß Kurzschluß-Fehlerströme dieser Größenordnung bewältigende Schutzschalter einen erheblichen Raumbedarf haben und einen unerwünscht hohen Kostenaufwand bedingen. Der steigende Raumbedarf stört dabei besonders, da auch auf dem Gebiete elektrischer Schaltanlagen die Forderungen nach Verkleinerung der Abmessungen gestellt wird. Es sind daher Wege gesucht worden, die in solchen Schaltanlagen zu beherrschenden Abschaltleistungen zu verringern. So sind zur Strombegrenzung und damit Verringerung der Abschaltleistung Strombegrenzer-Drosseln eingesetzt worden, die mit anderen Schaltvorrichtungen, beispielsweise Trennschaltern, den Überlastschaltern und thermischen Auslöserrelais, in der Steuerzentrale angeordnet werden. Hierfür muß für die Stromhegrenzer-Drosseln Platz geschaffen werden, und diese sind mit den übrigen Schaltvorrichtungen zu verbinden. Der erforderliche zusätzliche Platzbedarf vergrößert sowohl die Abmessungen der Schaltschränke als auch der Schaltwarten, und deren Verkabelung wird zusätzlich sowohl komplizierter als auch umfangreicher und aufwendiger, als es ohne die Verwendung der Strombegrenzer-Drosseln erforderlich wäre.
Aus der DE-PS 5 90 350 ist eine Einrichtung zur Begrenzung von Kurzschlußströmen bekannt, die elektrodynamisch betätigte Schaltkontakte aufweist, die durch einen Eisenstab überbrückt sind. Auch hier wird ein zusätzliches Bauteil in die Schaltanlagen eingeführt, das eine unerwünschte Kostensteigerung bedingt. Bei diesem Bauelement wird davon ausgegangen, daß der während des Betriebes kurzgeschlossene Eisenstab seinen relativ niedrigen Kaltwiderstand aufweist, der beim Öffnen der Schaltkontakte zunächst wirksam ist und diese entlastet, während der Strom im wesentlichen

J5 noch aufrechterhalten wird, mit zunehmender Erwärmung und Widerstandssteigerung des Eisenstabes aber begrenzt wird. Einem verbreiteten Einsatz eines derartigen Strombegrenzers stehen die relativ hohen zusätzlichen Kosten entgegen, so daß er sich in der Praxis nicht hat durchsetzen können. Eine ähnliche Anordnung ist in der US-PS 36 17 807 offenbart: Ein einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisender Widerstand ist während des Betriebes kurzgeschlossen und auf tiefe Temperaturen, gegebenenfalls bis nahe an

■t5 den absoluten Nullpunkt, gekühlt und wird im Kurzschlußfalle durch den hierbei auftretenden Strom beaufschlagt. Zum nach der DE-PS 5 90 350 erforderlichen Aufwand tritt der durch die Kühlvorrichtung bedingte, der sowohl hohe Gestehungskosten als auch

so einen erheblichen Wartungsaufwand beinhaltet. Die dort vorgeschlagene Vorrichtung zur Strombegrenzung hat sich daher in der Praxis nicht durchsetzen können, und in mittleren Schaltanlagen ist ein sinnvoller Einsatz nicht möglich.

Aus der DE-PS 6 01 432 sowie Pohl: Einführung in die Elektrizitätslehre, Berlin 1944, Seiten 190, 191 ist es grundsätzlich bekannt, Widerstandsdraht eines hohen und mit der Belastung stark veränderlichen Temperaturkoeffizienten zur Regelung von Strömen innerhalb enger Toleranzen bei schwankenden Speisespannungen bzw. zur Strombegrenzung einzusetzen. Eisendraht ist hierbei durch eine Wasserstoffatmosphäre oder eine besondere, eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisende Isolierschicht geschützt, die eine hinreichende

h5 Erwärmung des Widerstandsdrahtes sicherstellen sollen. Der üblicherweise zwischen 50 und 300 mA liegende Arbeitsbereich bedingt aber bereits einen Spannungsabfall, der schon infolge der hohen auftretenden

Wärmeverluste eine Verwendung in Kraftverteileranlagen ausschließt. Die starre Ausführung in Glaskolben eingeschlossener oder durch Emaille geschützte Widerstände erfordert zudem besondere Halterungen und Zuleitungen, welche sich zur Verwendung in Kraftverteileranlagen ebenfalls wenig eignen.

Die bereits eingangs genannte US-PS 34 35 401 offenbart einen flexiblen, isolierten elektrischen Leiter, dessen Seele aus einem Elastomer besteht, der durch Zusätze derart leitend gemacht ist, daß sich ein nichtlinearer positiver Temperaturkoeffizient des Widerstandes ergibt. Die die Leitung umschließende Isolierschicht ermöglicht eine problemlose Verlegung und die Benutzung der Leitung, beispielsweise als Anschlußkabei eines Verbrauchers, wobei im Kurzschlußfalle durch Widerstandserhöhung sowohl die Leitung selbst als auch der Verbraucher geschützt werden sollen. Die Verwendung eines Materials mit positivem Widerstands-Temperaturkoeffizienten ermöglicht den Einsatz der Leitung als Strombegrenzer-Element. Durch die Verwendung eines durch Zusätze leitfähig gemachten Elastomers ergibt sich jedoch ein in den meisten Fällen unerwünscht hoher Kaltwiderstand. Die Verwendung einer im wesentlichen elektrisch isolierenden Ummantelung gestattet zwar im vorgesehenen Spannungsbereich eine einfache Verlegung, die Anpassung sowohl an unterschiedliche Spannungsstufen als auch Ströme, auf die wirkungsvoll zu begrenzen ist, stößt aber auf erhebliche konstruktive Schwierigkeiten.

Die US-PS 13 64 080 zeigt einen stromregelnden Widerstand, der beispielsweise einer einen negativen Widerstand darstellenden Vorrichtung zur Stabilisierung des Stromes vorgeschaltet werden kann. Als Material zur Erstellung des Widerstandes werden gegebenenfalls legierte Eisendrähte vorgeschlagen, die zum Schutz gegen mechanische und chemische Einflüsse beispielsweise in Glas eingebettet sind, das von einem thermisch isolierenden Material umfangen sein kann. Auch hier ist der Arbeitsstrom relativ gering und der Spannungsabfall sowie die thermischen Verluste sind so hoch, daß eine Verwendung in Kraftverteileranlagen ausgeschlossen erscheint. Wenn auch ausgesprochene Halterungen und Anschlußsockel nicht erforderlich sind, ist doch für eine ausreichende mechanische Halterung sowie für Übergangsklemmen Sorge zu tragen, und sowohl die Größe sowie das Gewicht derartiger, einen positiven Widerstandskoeffizienten aufweisender Widerstände begrenzen deren mittlere und deren maximale Leistungsaufnahme, während die starre Ausführung deren Unterbringung erschwert.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein flexibles Strombegrenzer-Element der oben bezeichneten Gattung zu schaffen, das durch seinen Aufbau ermöglicht, es für unterschiedliche Stromcharakteristiken mit niedrigem Kaltwiderstand und variierbaren Begrenzungseigenschaften entsprechend auszulegen und das mit die Montage praktisch nicht belastendem Aufwand in Nieder- und Hochspannungsanlagen anwendbar ist.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der folgenden Merkmale, daß die Seele des gattungsgemäßen flexiblen elektrischen Strombegrenzer-Elementes einen oder mehrere Drähte einer Eisen und Kobalt aufweisenden Metallegierung mit hohem Widerstands-Temperaturkoeffizienten aufweist, daß die Seele von einer hitzebeständigen, flexiblen, thermisch isolierenden Schicht umfangen ist und daß die thermisch isolierende Schicht ihrerseits von der elektrischen Isolierschicht umgeben ist.

Bewährt hat es sich, eine hitzebeständige thermische Isolierschicht zu verwenden, die Glasfasern oder Asbestfasern aufweist. Als vorteilhaft wurde erkannt, die äußere, elektrisch isolierende Schicht aus synthetischem Gummi, insbesondere aber aus Polytetrafluoräthylen, zu bilden. Als empfehlenswert wurde erkannt, das Strombegrenzer-Element zwischen die Stromversorgung bewirkenden Stromschienen elektrischer

ίο Schaltanlagen einerseits und nachgeordneten Schaltelementen sowie dem Verbraucher andererseits anzuordnen. Weisen die elektrischen Schaltanlagen einen Steuerschrank oder eine Schaltwarte auf, der bzw. die zur Aufnahme von beispielsweise als Schübe ausgebildeten Schalteinheiten mit einer Anzahl von Fächern versehen und an dessen bzw. deren Rückseite die Stromversorgung bewirkende Stromschienen angeordnet sind, so empfiehlt es sich, das Strombegrenzer-Element als Zuleitung zu einem Trenn- oder Überlastschalter, ein elektromagnetisches Schütz sowie gegebenenfalls ein thermisches Auslöserelais aufweisende Schalteinheiten vorzusehen und zwischen Klemmen zum Anschluß der Schalteinheit an diese speisende Stromschienen und den Schaltelementen der Schalteinheit anzuordnen.

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen hierbei:
F i g. 1 in perspektivischer Darstellung ein Strombe-

jo grenzer-Element, dessen Isolierschichten bereichsweise geschnitten sind,

F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes dreier Metalle,

F i g. 3 perspektivisch und teilweise geschnitten einen Abschnitt des Strombegrenzer-Elementes, dessen Seele litzenartig aus Einzeldrähten besteht,

F i g. 4 abgebrochen die Frontansicht eines Schaltschrankes einer Schaltwarte für Elektromotoren,

Fig.5a die Seitenansicht einer Schalteinheit des Schaltschrankes der F i g. a,

F i g. 5b die Aufsicht auf eine Schalteinheit der F i g. 4 und
F i g. 6 schematisch das Schaltbild einer Schalteinheit der Fig.4 mit vorgeordneten Stromschienen und nachgeordnetem Verbraucher.

In F i g. 1 ist ein Strombegrenzer-Element 1 dargestellt, dessen Seele durch einen Metalldraht 2 gebildet ist. Der Metalldraht 2 besteht aus einer Eisen-Kobalt-Legierung. Material und Abmessungen des Metalldrahtes sind so gewählt, daß das Strombegrenzer-Element die gewünschte mechanische Festigkeit aufweist, daß es über den vorgegebenen Temperaturbereich beständig ist und den als passend erkannten elektrischen Widerstand aufweist.

Der Metalldraht 2 ist von einer hitzebeständigen thermischen Isolierschicht 3 umschlossen, die beispielsweise Glasfasern oder Asbestfasern aufweisen kann. Die hitzebeständige thermisch isolierende Schicht 3 ihrerseits ist von einer elektrischen Isolierschicht 4 ummantelt, die aus synthetischem Gummi oder aus Polytetrafluoräthylen gebildet ist. Beidendig ist das Strombegrenzer-Element 1 mit Anschlußstücken 5 ausgestattet, die im Ausführungsbeispiel als ösen

hi ausgebildet sind.

Wird das Strombegrenzer-Element mit Strom beaufschlagt, so wird in ihm eine elektrische Leistung in Wärme umgesetzt, die dem Produkt des Quadrates des

beaufschlagenden Stromes und seinem Widerstand entspricht. Die thermische Isolierschicht 3 hindert den Abfluß der Wärme, so daß die Seele des Strombegrenzer-Elementes unter Einwirkung der Beaufschlagung auf höhere Temperaturen gebracht wird als sie sich bei freiliegenden Metalldrähten oder nur durch elektrische Isolierschichten abgedeckten Metalldrähten einstellen. Im Kurzschlußfalle steigt die Beaufschlagung des Metalldrahtes sprunghaft an, und nur geringfügig verzögert steigt auch die Temperatur spontan an. Die Auswirkung einer solchen Temperatursteigerung ist an Hand des Diagramms der F i g. 2 veranschaulicht, das für drei Materialien die Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von der Temperatur zeigt. Als Parameter sind neben der Eisen-Kobalt-Legierung (FeCo) noch die Werkstoffe Wolfram (W) und Eisen (Fe) gewählt. Die Kennlinien zeigen, daß in jedem Falle bei starken Temperaturerhöhungen auch der spezifische Widerstand des Materials und damit der Widerstand des aus diesem erstellten Strombegrenzer-Elementes stark ansteigen und sich gegenüber den Ausgangswerten verzehn- bis verzwanzigfachen. Als besonders günstig erweist sich die Eisen-Kobalt-Legierung, die einen relativ geringen Ausgangswert des spezifischen Widerstandes aufweist und diesen innerhalb der im Normalbetriebe vorkommenden Temperaturerhöhungen nur geringfügig ändert, während die Kurve FeCo im Bereiche höherer Temperaturen steil auf hohe Werte ansteigt. Damit ist klar erkennbar, daß der Widerstand des aus einem solchen Material erstellten Strombegrenzer-Elementes im Kurzschlußfalle durch die starke Beaufschlagung drastisch ansteigt und damit durch Widerstandserhöhung den durch ihn fließenden Strom derart begrenzt, daß die das Strombegrenzer-Element aufweisende Anlage vor starken Überströmen geschützt wird.

In Fig.3 ist ein Strombegrenzer-Element 6 dargestellt, dessen Seele litzenartig durch Verdrillen von Einzeldrähten 7 gebildet ist, so daß auch bei größeren Leitungsquerschnitten ein flexibles Strombegrenzer-Element erreicht wird. Die Einzeldrähte 7 werden aus dem gleichen Metall positiven Widerstandskoeffizienten gebildet, wie der Metalldraht 2 der Fig. 1. Die Einzeldrähte 7 sind von einer thermischen Isolierschicht 8 umschlossen, die ihrerseits durch eine elektrische Isolierschicht 9 geschützt ist. Während die thermischen Isolierschichten 3 bzw. 8 entsprechend der gewünschten Aufheizung bzw. Wärmestauung gewählt werden, ist die elektrische Isolierschicht entsprechend den Spannungen, bei denen das Strombegrenzer-Element verwendet werden soll, zu bemessen. Die thermische isolierschicht 3 bzw. 8 kann durch Auftragen von Siliconlack weiter verstärkt werden. Zur Anwendung in elektrischen Einrichtungen wird das Strombegrenzer-Element auf die durch den gewünschten Widerstand bestimmte Lunge, insbesondere aber durch den Abstand der zu verbindenden Klemmen definierte Länge, geschnitten und dann, wie F i g. 1 zeigt, beidendig mit Anschlußstükken 5 ausgestattet. Unterschiedliche Belastungscharakteristiken lassen sich weiterhin durch die Bemessung des Querschnitts erzielen; so lassen sich beispielsweise Querschnitte von 5,5, 8, 14 und 22 mm² im Falle des Strombegrenzer-Elementes 6 durch jeweils sieben Einzeldrähte 7 erzielen, deren Durchmesser 1,0,1,2, 1,6 bzw. 2,0 mm betragen.

Im folgenden wird der praktische Einsatz von Strombegrenzer-Elementen in Schalteinheiten von Steuerzentralen für Elektromotoren veranschaulicht. In Fig.4 ist abgebrochen die Frontansicht eines Schaltschrankes 10 einer Steuerzentrale gezeigt, der mit einer Anzahl von Schalteinheiten 11a bis lic ausgestattet ist die jeweils in als Einschübe ausgebildeten Gehäusen 12 der Fig. 5 untergebracht sind.

Eine der Schalteinheiten 11 ist in Fig. 5a in dei Seitenansicht und, ausgebaut in der Aufsicht, in F i g. 5b in größerem Maßstabe dargestellt.
Die Fig.5a und 5b zeigen im Gehäuse 12 einen

ίο Trenn- bzw. Überlastschalter 13, ein Schaltschütz 14 sowie ein thermisches Auslöserelais 15. Wie das Schaltbild der Fig.6 zeigt, erfolgt die Einspeisung der Schalteinheit 11a von Stromschienen 18 einer Stromversorgung aus über Kabel 17a, den Trenn-, bzw. Überlastungsschalter 13, das Schaltschütz 14 sowie das thermische Auslöserelais 15 und Leitungen 17 zu einem als Verbraucher 19 dargestellten Elektromotor, der somit unter Vermeidung jeglicher gegebenenfalls zu ersetzender Schmelzsicherungen angeschlossen ist. Zur Begrenzung des Kurzschlußstromes sind die vorgeschriebenen Strombegrenzer-Elemente eingesetzt: Die die Stromschienen 18 mit dem Eingange der Schalteinheit Ha bzw. dem Trenn- und Überlastungsschalter 13 verbindenden Kabel 17a sind als gemäß der Erfindung aufgebaute Strombegrenzer-Elemente ausgebildet Dementsprechend ist jeweils eines der Anschlußstücke eines der Strombegrenzer-Elemente mit der Netzseite des Trenn- oder Uberlastschalters 13 verbunden; sie sind dann durch eine Bohrung 16a der Halterung 16 au!

die Rückseite des Gehäuses 12 geführt, wo sie mit der Kontakten 21 verbunden sind. Diese Kontakte 21, die mit den Stromschienen 18 verbindbar sind, sind durch eine Isolierabdeckung 20 aus Kunststoff überfangen, die sich längs der Rückseite des Gehäuses 12 erstreckt Entsprechend den Erläuterungen der Erfindung sind die als Strombegrenzer-Elemente ausgebildeten Kabel 17i derart ausgelegt, daß sie unter Beaufschlagung durch den normalen Verbraucherstrom nur einen geringer Widerstand aufweisen und damit auch nur niedrige Verluste bedingen, bei überstarker Beaufschlagung jedoch, beispielsweise beim Aufkommen eines Kurzschlusses, auf hohe Temperaturwerte aufgeheizt werden, so daß ihr Widerstand vervielfacht wird und der starken Strom wirksam begrenzt. Als vorteilhaft erweisi es sich hierbei, daß die Wahl des Querschnitts und der Länge der Seele der Strombegrenzer-Elemente ebensc frei den Bedürfnissen entsprechend erfolgen kann wie die Auslegung der thermischen und der elektrischer Isolierschicht, so daß eine voneinander unabhängige

w Anpassung an die gewünschte Wärmestauung und das geforderte elektrische Isoiationsvermögen erzielt sind. Bewährt hat es sich, als Strombegrenzer-Elemente ausgebildete Leitungen möglichst direkt den Stromschienen 18 nachzuordnen bzw. möglichst vieler

v> Schaltelementen der jeweiligen Schalteinheit vorzuord nen. um auch im Falle von in der Srhaltpjnhei! auftretenden Kurzschlüssen den von dieser aufgenommenen Strom zu begrenzen. Als vorteilhaft kann sich das Vorordnen der Strombegrenzer-Elemente auch

hi> dadurch auswirken, daß sie damit relativ weit vom thermischen Auslöserelais 15 entfernt angeordnet sind, so daß gegenseitige Beeinflussungen praktisch nicht auftreten können.

Grundsätzlich erweist sich die Strombegrenzung als

.ι- vorteilhaft, da ohne mechanische Abhängigkeit und Störmöglichkeiten übergroße Ströme vermieden und damit insbesondere Folgeschäden ausgeschaltet werden können. Weiterhin ist es möglich, die im strombegrenz-

ten Schaltkreis vorgesehenen Schalteinrichtungen bezüglich ihrer Abschaltleistung wesentlich niedriger zu halten als ohne Anwendung der Strombegrenzung, da im Kurzschlußfalle nicht mehr der eigentliche Kurzschlußstrom, sondern vielmehr nur der unter Einwirkung der Begrenzung sich einstellende Strom abzuschalten ist. So kann beispielsweise ein bei einer ungeschützten Schalteinheit erforderlicher Trenn- bzw. Überlastschalter 13, der für eine Abschaltleistung für 50 kA zu bemessen wäre, bei Anwendung der Strombegrenzung beispeilsweise durch einen solchen mit einer Abschaltleistung von 5 kA ersetzt werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäß ausgebildete Strombegrenzer-Element, da es nicht nur eine Auslegung für die jeweils vorliegenden Beanspru-

chungen zuläßt, sondern auch ohne jeden zusätzlichen Aufwand einsetzbar ist: Statt eines üblichen, zum Anschluß benutzten Kupferkabels wird ein durch die gleichen Elemente anschaltbares Strombegrenzer-Element eingesetzt.

Damit werden Kosten für herkömmliche Strombegrenzer-Drosseln, deren Anschlußmittel, Befestigungsmittel und Aufstellungsplatz eingespart, und gegenüber weiteren Strombegrenzer-Elementen ergibt sich der Vorteil des Entfallens sowohl zusätzlicher Anschlußklemmen als auch gegenüber Normalausführungen von Schakeinrichtungen zusätzlicher Montagearbeiten, so daß eine individuell angepaßte Strombegrenzung mit minimalem Aufwand möglich ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

11 Patentansprüche:

1. Flexibles elektrisches Strombegrenzer-Element mit einer leitfähigen, einen positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten aufweisenden Seele und einer diese umhüllenden flexiblen elektrischen Isolierschicht, gekennzeichnet durch die Gesamtheit der folgenden Merkmale, daß die Seele einen oder mehrere Drähte (2, 7) einer Eisen und Kobalt aufweisenden Metallegierung mit hohem Widerstands-Temperatur koeffizienten aufweist, daß die Seele von einer hitzebeständigen flexiblen, thermisch isolierenden Schicht (3, 8) umfangen ist und daß die thermisch isolierende Schicht ihrerseits von der elektrischen Isolierschicht (4,9) umgeben ist

2. Strombegrenzer-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch isolierende Schicht (3,8) Glasfasern aufweist

3. Strombegrenzer-Element nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch isolierende Schicht (3,8) Asbestfasern aufweist.

4. Strombegrenzer-Element nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolierschicht (4, 9) aus Polytetrafluoräthylen besteht.

5. Strombegrenzer-Element nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch seine Anordnung zwischen die Stromversorgung bewirkenden Stromschienen (18) elektrischer Schaltanlagen einerseits und nachgeordneten Schaltelementen (13, 14, 15) sowie dem Verbraucher (119) andererseits.

6. Strombegrenzer-Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es als Zuleitung zu Schalteinheiten vorgesehen und zwischen Klemmen (21) zum Anschluß der Schalteinheit an diese speisende Stromschienen (18) und den Schaltelementen (13,14,15) der Schalteinheit (11) angeordnet ist.