DE2439066A1 - Einrichtung zur begrenzung von stroemen - Google Patents

Description

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Mp.-Nr. 625/7^ 6800 Mannheim, 12. August 1974 ZFE/P/Kk/M-B

Einrichtung zur Begi^enzung von Strömen

Die Erfindung "betrifft eine· Einrichtung zur Begrenzung von Strömen, insbesondere- von Kurzschlußströmen,, die in Reihe
mit wenigstens einer Trennstelle liegt und ein Strombegrenzungselernent aiAfweist, welches einen veränderlichen Widerstand enthält.

' Die Erfindung betrifft weiter eir;e Einrichtung zur Begrenzung

von Strömen, insbesondere Kurzschluss tr öraen_s. mit wenigstens einer Trennstelle und einem zu dieser parallel geschalteten veränderlichen Strombegrenzungswiderstand.

Derartige Einrichtungen dienen u. a, den Zweck, ein«r,yeit5 bei geringem Aufwand, hohe Ström« ohne Zuhilfenahme eine» o.sn Strom begrenzenden Lichtbogens innerhalb einer halben Periode des Wechnelstromca, selektiv für eine vor ge;.: cha.lt st ο NiecUri'
Hochleistungfa-Sicherung pro Pha;jc eines dreiphasigen I-Ta
fortan Fil-Sicherung genannt, zu begrenzen. Diese Forderung der selektivo.M Stroinbegronzung ergibt eich zwangsläufig aua der ; höherer, LeiGtung^durbietung der iJncr^ioviirsorgunffS' Unternehmen, ■ kurz: EYU genannt, die ihrerseits au siner Erhohun.g der ¥δχγζ~ Schluß le is tun β führt,« Zur ?>& gvenzur^ hoher Ströme iat es erforderlich, die Schaltzeiton zu verkürzen. Bekanntlich sind das Schaltvermögen \md die Zeit, in der LoitungssO.utssohaltör hoho Ströme begrorT.end abs cha It ^n, gering bzw. lang, so daß deren StVoiti^i^eWmg nicht ausrtidrc- \::.n ü<..r, unerv/ilnschte Abschalten dar vorgeschalteten Kh-Sieherung zn verhindern.

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Deshalb kommt es gleichzeitig zum Ansprechen der NH-Sicherung und zum Auslösen des Leitungsschutzschalters. Dies hat den
Nachteil, daß der Benutzer

; erstens nicht auf unwirksam gewordene NH~Sicherung der entsprechenden Phase aufmerksam gemacht wird und

zweitens aufgrund einschlägiger Bestimmungen der EVU'S die beschädigte NH-Sicherung nicht selbst gegen eine wirksame austauschen darf.

Aufgrund dieser Tatsachen muß die Schalteinrichtung so beschaffen sein, daß eine wirksame, selektive Strombegrenzung für die jeweilige NH-3icherung unter Beibehaltung der vorhandenen ' Installations-Anlagen möglich ist. Die Installations-Anlage
' (beispielsweise Hausinstallations-Anlage) sollte keine wesentlichen Änderungen in den Abmessungen erfahren, so daß jederzeit eine Nachrüstung auf den neuesten Stand mit einer entsprechenden Schalteinrichtung ohne großen Aufwand durchführbar ist. Bei Neuanlagen soll es sogar möglich sein, die.se kleiner auszuführen.

Es ist allgemein bekannt, in Reihenschaltung mit Leitungsschutz· schaltern Mittel vorzusehen, durch die beim Auftreten "großer Ströme eine Begrenzung erzielbar ist. Da diese Mittel beim Auftreten von hohen, über dem Abn ehalt strom des Leitung?.! schutzschalter.^ liegenden Stromer jedoch keine aus*eichende Begrenzung gewährleisten, ist zum Leitunsßschutzschalter eine selDsttätig öffnende zusätzliche Sohaltstello mit Widerstand in den Stromkrölß geschaltet., Aufgrund den Widerstandes ist es somit möglich, daß die Lcjitungsschutz.schalter nur noch einen Teilstrom de a auftretenden hoben Stromes su schalten haben.

Zur Erfüllung der Erfordernis^r.c ist es weiterhin bekannt, daß der parallel zu einem Kurzschließer geschaltete Widerstand ein Strombegrenzungswiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten ist (DT-DS 23 33 631), dessen Widerstcndöwert so bemessen

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ist, daß seine maximale Erwärmung unter der Schmelztemperatur des Widerstands-"Materials" liegt. Durch die Anordnung des zusätzlichen Kurzschließers zu dem in Serie geschalteten Leitungsschutzschalter soll eine Aiifteilung der Strombegrenzung erzielt werden, mit dem Ergebnis, daß durch die Aufteilung der Gesamteriergie auf zwei Begrenzereinheiten mit jeweils einer Trennstelle der Verschleiß auf ein erträgliches Maß reduziert wird. Um eine ausreichende Begrenzung des Stromes zu erreichen, ist es allerdings nach wie vor erforderlich, daß erstens komplette Leitungsschutzschalter mit unveränderten Dimensionen zum.Einsatz gelangen, d, h. es wird zusätzlicher Platz benötigt,

zweitens das Schaltraumvolumen der Leitungsschützschalter unverändert beibehalten wird,
drittens die Löscheinrichtung nach wie vor erforderlich ist und keine Vereinfachung erfahren hat, beispielsweise durch den Wegfall von Löschblechen und Löschkammer.

Aus dar DT-OS 22 51 138 ist ein Schaltsystem bekannt, bei dem parallel zu einer Trennstelle eine v/eitere mit einem in Reihe liegenden Schaltelement elektrisch verbunden ist. Das Schaltsystcm, das mit der weiteren Trennstelle in Reihe geschaltet ist, besitzt die Eigenschaft eines kontaktlosen Scnalters. Dabei ist eine Leitfähigkeits^nderung des Sehalteiementes von zwei Größen abhängig, nämlich von der Spannung und der Zeit. Erst nach der Leitfähigkeitijänderung des kontaktlosen Schalters erfolgt zeitlich etwas später in Abhängigkeit vom Schaltelement das Öffnen der zu dem Element in Reihe liegenden Trennstelle. Es ist weder der Beschreibung noch der Figurendaroteilung ein Hinweis zu entnehmen- wie das Schaltelement auf die in Reihe liegende Trennstelle einwirkt, um ein Öffnen derselben zu erreichen. Mit einem derartig komplizierten Schaltsystem dürfte eü nicht ohne großen Aufwand (Abstimmung der Schaltglieder aufeinander) möglich sein, dieses in bestehende Installations-

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Anlagen zum Zweck der speziellen Strombegrenzung zu integrieren, wobei das finanzielle Mehr durch die zusätzliche Trennstelle dabei unberücksichtigt geblieben ist.

• Ein weiterer gravierender Nachteil dieses Sehaltsystems dürfte die elektrische Anpassung an die jeweilige Installations-Anlage sein, d. h. zu dem ohnehin schon in seiner Herstellung

' teuren Schaltelement kommt noch eine enge Tolerierung. Auch dieses Schaltsystem benötigt in den ohnehin schon knapp bemessenen Installations-Anlagen zusätzlichen Platz.

; Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrich-■ tung zur Begrenzung hoher Ströme zu schaffen, die durch vorgeschaltete NH-Sieherungen fließen, wobei beim Schalten eine erhebliche Verringerung der Lichtbogenenergie erreicht werden soll, so daß das Schaltraumvolumen und damit die Geräteabmessung auf ein Minimum reduzierbar sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der veränderliche Widerstand ein von mindestens einem physikalischen Parameter abhängiger Widerstand ist, der während des öffnens der Trennstelle seinen sehr geringen Widerstandswert sprung-? artig in einen sehr großen ändert.

¹ Der überraschende Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Strombegrenzung einzig und allein durch den veränderlichen Widerstand während des Öffnens der Trennsäule erfolgt, v/o bei die Trennstelle selbst keine strombegronzenden Elemente, z.B. Löp.ohbleche, enthält. Es kann sichergestellt werden, daß die Strombegrenzung selektiv für die jeweils einer Phase vorgeschaltete NH-Sicherung erfolgt.

In einer anderen Ausgestaltung der Einrichtung ist der veränderliche Widerstand ein PTC-Widerstand, der parallel zu einer

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Trennstelle liegt, so daß im Zeitpunkt des Öffnens der Trennstelle der Spannungsabfall am zunächst niederohmigen Strombe-'grenzungswiderstand unterhalb der Lichtbogenzündspannung liegt, ' und daß der Widerstand danach hochohmig wird. :

Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist der veränderliche Widerstand ein druckempfindlicher Festkörperwiderstand und als Kontaktstück in die Trennstelle integriert.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist das den Strom begrenzende Element ein Festkörperwiderstand mit positivein Temperaturkoeffizienten und einem sehr kleinen Anfangswider- ; standcwert. Der PTC-Widerstand erfährt zu Beginn der Schalthandlung nur eine sehr geringe temperaturabhängige Widerstandsänderung. Nach Überschreiten einer bsstimmten Erwärmung (Schwellkitcmperatur) des Widerstands als Folge des durchfließenden Stromes erfährt der PTC-Widerstand einen sehr schnellen und steilen Widerütaridsanstit'g. Aufgrund des WidorstandEanstiegs ist es nun möglich, die Elektrizitätfimenge, nämlich den sogenannten Durchlaßv/ert,

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selektiv für eine der Schalteinrichtung vorgeschaltete NII-Sicherung zu begrenzen. Der PTC-Widerstand ist in besug auf soinfj Schwellontenporatur so 7,v. wählen, daß eins Überhitzung und Zerstörung der zur Schalteinrichtung gehörenden Teile vermieden wird. Durch die Anwendung eines PTC-Widerstandes mit einer parallel dazu angeordneten einfachen, nicht stro:<Vbegrenzenden Tre.mstexle wird die Begrenzung des Stromes durch den PTC-Widerstand allein erfüllt, so daß die Trennstelle unter Ausschaltung des Verschleißte als eine nicht strombogronzende fungiert. Dabei ist es selbstverständlich, daß sich die Verlustleistung durch den PTC-Widerstand bei Nennstrom in niedrigen Grenzen hält.

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Zur Erzielung des schon erwähnten Durchlaßwertes, auch unter

. -r, j · ·, ! . i ^ Istidprstcipdarnaterial extremen Bedingungen, kann man das richtige/und dan wert des PTC-Widerstands ermitteln.

Weitere Ausführungen und vorteilhafte Verbesserungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der nachfolgend benutzte Ausdruck "q" bezeichnet den relativen Durchlaßwert innerhalb einer halben Periode des Wechselstromes.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht nunmehr, daß für

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d. h., daß für die ;jev.^reils in oinc-r Phase vorgeschaltete Wl-Sicherung bei oinera hohen -beispielsweise GkA- ar.«".tehendün Strom keine Gefahr der Zerstörung besteht.

Es bedeuten:

Qs - Schmelzv7ert der NH--3icherung

Jp = Prüfstrom

T/2 = halbe Periode des Wechselsb/Oines i = Augenblicksv/ert des Stromes

Ausführungsbeispiele der Erfindung r.ind in der Zeichnung dc-trgestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine aus einer Trennstelle ohne oi.Tombegrerrendp Elemente mit in Rtiiho zu dieüor liegendem veranderlichan Widerstand gebildete Einrichtung,

Fig. 2 eine Einrichtung mit einem in der Trrrmstelle als veränderlicher ₉ druckempfindlicher Fetstkörperwiderstand ausgebildeten Kontakt,

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Fig. 2α das Ersatzschaltbild der Einrichtung gemäß Fig. 2,

Fig. 3 die gleiche Einrichtung wie in Fig. 2, wobei der veränderliche druckempfindliche Kontakt aus Tellerfedern besteht, _:

Fig. 4 eine aus einer Trennstelle ohne strombegrenzende EIe- ^: raente mit parallel zu dieser liegendem PTC-Widerstand gebildete Einrichtung,

Fig. 5 ein Diagramm des zulässigen PTC-Widerstandswertes während des Öffnens der parallelen Trennstelle in Abhängigkeit von dem Strommomentanwert bei einer Lichtbogenzün&pannung von 30 Volt.

Die Einrichtung zur Begrenzung von Strömen, insbesondere Kurz- _: schlußströmen, die zusammen mit der Anordnung von NH-Sicherungen in einer Phase eines dreiphasigen Wechselstrom-Netzes in einer bevorzugten Ausführung angev.'endet wird, ist eine Trennstelle 20 ohne strombegrenzende Elemente mit einem veränderlichen Widerstand. NH-Sieherungeη zeichnen sich bekanntlich gegenüber einem Leit-ungsschutzschalter durch ein höheres Kurzschlußschaltvermögen aus; dennoch kann es im Fall z. B. eines Stoßkurzschlusses zu einem Ansprechen der NH-Sicherung kommen, und eben dies soll durch die erfindungagemäße Anordnung vermieden v/erden.

Die im ganzen mit 21 bezeichnete Einrichtung der Fig. 1 zur selektiven Begrenzung des Kurzschlußstromea, der durch vorgeschaltete NH-Sicherungen eines 3-phasigen Netzes von 127/220V, 220/380 V und 380/660 V (iu der Fig. nur 1-phe.sig dargestellt) hindurchfließt, besteht aus einem mit der Trennstelle 20 in Reihe geschalteten veränderlichen Widerstand 22. Die als Öffner ausgebildete Trennstelle 20 weist einen beweglichen Kontakt 20a und einen festen Kontakt 23 auf und ist mit dem veränderlichen Widerstand 22 einer NI-I-Si cherun°- 24 nachgoschaltet. Die Strom-

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zufuhr gelangt demnach über den Widerstand 22 und eine Wurzel 20b des Kontaktes 20a, der seinerseits mit dem Kontakt 23 eine galvanische Verbindung herstellt, direkt zum Verbraucher 26.

Die Einrichtung 21 besteht aus einem anreihbaren Gehäuse 28, das in herkömmlicher Weise in den Installations.-Verteilungen (Haus-Installations-Verteilung) auf Normprofiltragschienen aufschnappbar ist. Das Gehäuse 28 ist aufgrund dos Wegfalls der Strombegrenzungseinrichtung des Leitungsschutzschalters, z.B. Löschbleche etc., wesentlich kleiner und benötigt deshalb ^: weniger Platz. Ein Nachrüsten in eine bereits vorhandene In- ' stallations-Verteilung bereitet deshalb keine Schwierigkeiten und ist gemessen an dem Vorteil ohne großen Aufwand und Kosten möglich.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 besteht die Einrichtung 21 ebenfalls aus einer geschlossenen Einheit, jedoch mit dem Unterschied, daß ein Strombegrenzungselement als veränderlicher Widerstand 22 in einer speziellen Form in der Ableitung 27 liegt. Die spezielle Form besteht darin, daß der Widerstand 22 beispielsweise aus einem druckempfindlichen, zylindrischen Festkörper besteht, dessen eine Querschnittsfläche 22a den Kontakt 23 der Trennstello 20 bildet. Der zylindrische Teil des Widerstandes 22 befindet sich in einer Öffnung 25 eines Isolierstoffteils 25a» wobei eine direkte Verbindung zwischen dem Widerstand 22 und dein Isolierstoffteil nur über eine Querschnitt ßf lache 22b erfolgt. An der Querschnittsfläche 22b befindet sich die Ableitung ,17, die ihrerseits unmittelbar zum Verbraucher 26 führt. Der Wider,; tandswert des durch den Kontaktdruck des Kontaktes 20a beeinflußten druckompfinalichen, veränderlichen WiderStaudes 22 ist so bemessen, daß er während des

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Abhebens bzw. Öffnens des Kontaktes 20a von der Querschnittsfläche 22a des Kontaktes 23 seinen niedrigen Wert sehr schnell in einen den Strom begrenzenden großen Viert ändert. Aufgrund des so dimensionierten Widerstandes 22 wird beim Öffnen der Trennstelle kein Lichtbogen gezogen. Vielmehr begrenzt der Widerstand 22 anstelle des Lichtbogens und "bewirkt durch den sprungartigen Anstieg seines Wertes die erwünschte Strombegrenzung.

Gemäß der in Fig. 3 gezeigten Ausfuhrungsform der Erfindimg kann der in einer Öffnung 25 gehalterte zylindrische Festkörperv/iderstand -22 aus einzelnen zu einem Stapel 22c geschichteten Tellerledern 22d bestehen. Bei dieser Ausführungsform kann durch Hinzufügen oder Wegnehmen einzelner Tellerfedern 22d eine Erhöhung oder Verringerung des Kontaktdruckes erzielt werden.

Das Widerstandsmaterial, aus dem die einzelnen Tellerfedern 22d hergestellt sind, kann zudem noch so ausgewählt und kombiniert werden, daß eine Strombegrenzung auf jeden nur denkbaren Durchlaßwert möglich ist und somit relativ schnell einstellbar ist. Mit dieser umfassenden Abotimmmöglichkeit ist eine unkomplizierte und somit ökonomische Fertigung möglich.

Obwohl die Einrichtung 21 gemäß den Figuren 1 und 2 durch die Anordnung verschiedenarxiger, veränderlicher Widerstände 22 hervorragende Ergebnisse zeigt, kann der Widerstand 22 auch andere Eigenschaften aufweisen und somit für andere Arten von Schaltungen mit einer Trennstelle 20 verwendet werden. So ist es auch r.öglich, anstelle des veränderlichen, druckempfindlichen Widerstandes 22 einen temperaturempfindlichen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) zu setzen, wobei dieser PTC-Widerstand 22 parallel zu der Trennstelle angeordnet wird.

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Solch eine Anordnung von PTC-Widerstand 22 und Trennstelle 20 zeigt die Fig. 4. Hier erhalten die gleichen Teile die gleichen Ziffern. Einer Trennstelle 120 ist parallel der PTC-Widerstand 22 zugeordnet, während die so gebildete Einrichtung 21 in Reihe zu einer vorgeschalteten NH-Sicherung 24 und der Trennstelle liegt. Bei einem anstehenden Kursnchlußstrom hebt die Trennstello 120 die Überbrückung des Pl'C-Widerstandes 22 auf. Im Zeitpunkt des Öffnens der Trennstelle 120 ist der Spannungsabfall an dem der Trennstölle 120 parallel geschalteten PTC-Widerstand »ehr gering« Der Widerntaiidsanstieg erfolgt erst, nachdem die Trennstolle 120 geöffnet ist. Auf diese Weise erfolgt dor Öifmmgsyorgang des Kontaktes 120a der Trennstelle 120 leistungslos, so daß ein Verschleiß derselben nicht feststellbar ist. Der Widerst«; ndswert des PTC-Widerstandes 22 ist vorzugsweijβ so bemessen, daß bei dem höchsten in dor Anlage auftretenden Kurzschlußfitrom der Spannungsabfall beim Öffnen des Kontaktes 120a kleiner als die Lichtbogenzündspannun^ if.it, d. h. otv;a 30 Volt werden nicht überschritten. Der PTC-Widerstand kann selbstverständlich auch die Form einer Forler aufweisen, wie in Fig. 3 bereite schon gezeigt wurde.

In der Fig. 5 ist der Verlauf der Spannung im Zeitpunkt des Offnenö dos Kontaktes 20a gomäß clon Ausführungen nach der Fig.4 über dem Strorav/ort für den PTC-Wiclerstand 22 dargestellt« Der Wert U - 30 Volt gilrb bei horkoruilicben ,Schaltern die obere zulässige Grenze der Spannung an, bei dor uit, Sicherheit ein Lichtbogen vermieden v/ird.

Der Vorteil der Anviondur.'«· eines PTC-V/id erstände ü besteht darin, daß große Leifrtnngon mit einem niederohinigcn PTC-Widerstand geschaltet werden können, Niederohiuigo PTC-V/iderstände können außerdöiii wesentlich einfacher mit engen Toleranzen in Großserie auf einfache Weise hergestellt veruon, was wiederum be~

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deutet, daß der Sübkpreis sehr niedrig ist.

Bei den Schalteinrichtungen gemäß der zuvor beschriebenen Figuren wird durch die Begrenzung des Kurzschlußstromes sowohl
die thermische und dynamische Belastung der Schalteinrichtung als auch die der Anlage auf ein beträchtliches Maß verringert,

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Claims (1)

1. 2Λ39066

   Patentansprüche

   1. Einrichtung zur Begrenzung von Strömen, insbesondere von Kurzschlußströmen_f die in Reihe mit wenigstens einer Trennstelle liegt und ein Strombegrenzungselement aufweist, welche£3 einen veränderlichen Widerstand enthält, dadurch,...flo» i^®SBS.SJriil2ü§i.f ^aß ^^er veränderliche Widerstand ein von mindestens einem physikalischen Parameter abhängige!' Widerstand ist, der während des Öffnens der Trennstelle seinen sehr geringen Widerstandswert sprungartig in einen sehr großen ändert.

   2. Einrichtung zur Begrenzung von Strömen, insbesondere Kurzschlußstromon mit wenigstens einer Trennstelle und einem zu dieser parallel geschau, beten veränderlichen Strombegrenzungswieder-Et&ndj, dadurch gekennzeichnet, daß im Zeitpunkt des Öffnens der Tromistelle der Spannungsabfall am zunächst niederohmigen Strombegrenzungswiderstand unterhalb der Lichtbogenzündspannung liegt, und daß der Widerstand danach hochohrnig wird*

   2Sr Einrichtung nach Anspruch 1oder 2, dadurch gokennzeicxinet, daß der veränderliche Widerstand ein druckempfindlicher Fest» körpen^iderstand .i st.

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   4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand in die Trennstelle als Kontaktstück integriert ist.

   5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand als Metallfeder ausgebildet ist.

   6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gpkennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand aus mehreren Federn besteht»

   7. Einrichtung nach einem dor vorherigen Ansprüche, dad\.irch gekennzeichnet, daß die Ft.der eine Schraubendruckfeder ist.

   8-, Einrichtung nach Ansprüchen 5oder 6, dadurch, gekennzeichnet, daß es sich um Tellerfedern handelt*

   9. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle frei von stroinbegrensendon Elementen ist.

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