DE4040359A1 - Einrichtung zum kurzschlussschutz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Kurzschluß­ schutz von Abzweigen in elektrischen Niederspannungsverteilun­ gen mit einer Reihenschaltung eines Leitungsschutzschalters und eines Verbrauchers im Hauptstromzweig und mit einem Über­ brückungsstromzweig.

Der Kurzschlußschutz von Abzweigen in elektrischen Niederspan­ nungsverteilungen wird üblicherweise mit Leitungsschutzschal­ tern durchgeführt, deren Stromwärmeintegral, d. h. der Durchlaß- I² t-Wert, unter der Belastungsgrenze des zu schützenden Lei­ tungsquerschnittes liegt. Das zulässige Stromwärmeintegral empfindlicher Geräte, wie beispielsweise elektronischer Ein­ richtungen oder Steuereinrichtungen sowie Halbleiterschalter und Stoßstromrelais, liegt jedoch bei vergleichbarer Nennstrom­ auslegung und mehr als eine Größenordnung niedriger als der Durchlaßwert eines strombegrenzenden Leitungsschutzschalters. Für den Einsatz von empfindlichen Geräten in elektrischen Ver­ teilungen sind deshalb besondere Schutzmaßnahmen erforderlich.

Es ist ein Schalterschütz bekannt, das als Leitungsschutzschal­ ter für ferngesteuerte Verbraucher verwendet werden kann. Diese bekannte Einrichtung enthält in Reihe mit einem Leistungsschal­ ter einen Halbleiterschalter, der im Nennbetrieb durch ein Schütz überbrückt wird, welches die relativ hohe Verlustlei­ stung (= I×1 V) des Halbleiters vermeidet. Ferner ist für den Halbleiterschalter ein Überbrückungsstromzweig vorgesehen, der eine Löscheinrichtung enthält. Im Kurzschlußfall wird durch den beweglichen Kontakt des Leistungsschalters ein Lichtbogen gezo­ gen, der den Überbrückungsstromzweig einschaltet. Die Entla­ stung des Halbleiterschalters erfolgt deshalb mit einer ent­ sprechenden Verzögerung; außerdem kann der zeitliche Abbau der induktiv gespeicherten Energie im Laststromkreis zu einem un­ zulässigen Stromwärmeintegral führen (US-Patent 47 25 911).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Freischalten eines Abzweiges in elektrischen Niederspan­ nungsverteilungen anzugeben, die im Falle eines Kurzschlusses am Verbraucher empfindliche Geräte und Schalter im Lastkreis mit geringer Zeitverzögerung entlastet.

Die Erfindung besteht in den Gestaltungsmerkmalen gemäß dem An­ spruch 1. Der Überbrückungsschalter im Überbrückungsstromzweig, vorzugsweise ein Halbleiterschalter, wird im Anstieg des Kurz­ schlußstromes eingeschaltet und schützt dementsprechend mit sehr kurzer Zeitverzögerung das empfindliche Gerät im Last­ kreis. Er braucht diesen Entlastungsstrom jedoch nur kurze Zeit zu führen, weil er anschließend durch den vorzugsweise mechani­ schen Entlastungsschalter entlastet wird, der durch den Magnet­ antrieb geschaltet wird.

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Kurzschlußschutz gemäß der Erfindung schema­ tisch veranschaulicht ist. In Fig. 2 ist die Lichtbogenspan­ nung und in Fig. 3 der Kurzschlußstrom des Leitungsschutz­ schalters in Abhängigkeit von der Zeit in einem Diagramm auf­ getragen. Fig. 4 zeigt in einem Diagramm den Verlauf des Stro­ mes des Halbleiterschalters im Überbrückungsstromzweig. Im Dia­ gramm der Fig. 5 ist der Verlauf des Laststromes aufgetragen. In Fig. 6 ist eine Ausführungsform mit mehreren Laststromkrei­ sen veranschaulicht.

In der Ausführungsform einer Einrichtung zum Kurzschlußschutz eines Abzweiges in einer Niederspannungsverteilung gemäß Fig. 1 ist ein Verbraucher 2, beispielsweise ein Wechselstrommotor, in Reihe mit einem empfindlichen Schalter, beispielsweise einem Halbleiterschalter 4, und einem Leitungsschutzschalter 6, der vorzugsweise mit einem in der Figur nicht dargestellten fern­ gesteuerten Antrieb versehen sein kann, an die Phase L und einem mit N bezeichneten Rückleiter angeschlossen, der bei­ spielsweise ein Nulleiter oder im Falle eines Drehstromnetzes auch ein Mittelpunktleiter sein kann. Im Laststromkreis ist ferner eine Auswerteeinrichtung angeordnet, die beispielsweise ein Stromwandler 8 sein kann. Der Verbraucher 2 und der empfindliche Schalter 4 sind durch einen Überbrückungsstrom­ zweig 10 überbrückt, der in einen Teilstromzweig 12 und einen weiteren Teilstromzweig 13 aufgeteilt ist. Der erste Teil­ stromzweig 12 enthält einen Überbrückungsschalter 14 mit sehr geringer Einschaltverzögerung, der vorzugsweise ebenfalls ein Halbleiterschalter sein kann und dessen in der Figur nicht näher bezeichnete Steuerelektrode mit dem Sekundärkreis des Stromwandlers 8 verbunden ist, was in der Figur lediglich durch eine gestrichelte Wirkungslinie angedeutet ist. Der zweite Teilstromzweig enthält einen Entlastungsschalter 16, der vorzugsweise ein mechanischer Schalter sein kann, dessen Ma­ gnetantrieb 18 im Überbrückungsstromzweig angeordnet sein kann.

Tritt im Laststromkreis am Verbraucher 2 ein Kurzschluß mit einem Kurzschlußstrom von beispielsweise I_K = 3000 A auf, so entsteht am Leitungsschutzschalter 6 gemäß dem Diagramm der Fig. 2, in dem die Spannung U_S an diesem Schalter über der Zeit t in ms aufgetragen ist, zur Zeit t₁ ein geringer Spannungsan­ stieg, der durch den Innenwiderstand des Leitungsschutzschal­ ters 6 bedingt ist. Zugleich steigt der Kurzschlußstrom I_K gemäß dem Diagramm der Fig. 3, in dem der Kurzschlußstrom I_K über der Zeit t aufgetragen ist, mit einer Anstiegsgeschwindig­ keit von beispielsweise 1,3 kA/ms an. Dieser Kurzschlußstrom I_K wird vom Stromwandler 8 erfaßt und löst gemäß dem Diagramm der Fig. 4, in dem der Brückenstrom I_B über der Zeit t aufgetragen ist, bei einem einstellbaren Stromwert von beispielsweise 450 A zur Zeit t₂ ein Steuersignal für den Überbrückungsschalter 14 aus, der den Brückenstrom I_B einschaltet und damit gemäß dem Diagramm der Fig. 5, in dem der Laststrom I_L über der Zeit t aufgetragen ist, den Laststrom I_L auf einen für den empfindli­ chen Halbleiterschalter 4 oder für einen empfindlichen Ver­ braucher 2 unschädlichen Wert begrenzt. Zur Zeit t₃ öffnet ge­ mäß Fig. 2 der Kontakt des Leitungsschutzschalters 6, es wird ein Lichtbogen gezogen, wodurch die Spannung U_S auf etwa 420 V ansteigt. Der Brückenstrom I_B im Überbrückungsstromzweig 10 steigt gemäß Fig. 4 noch auf einen Wert von beispielsweise I_B = 1400 A an, bis der Entlastungsschalter 16 durch den Ma­ gnetantrieb 18 eingeschaltet wird und mit einer Schaltverzöge­ rung von etwa 1 ms zur Zeit t₄ den Brückenstrom I_B übernimmt. Während der Zeit von t₂ bis t₄ wird der Brückenstrom I_B vom Überbrückungsschalter 14 getragen. Der Begrenzungswiderstand 19 mit einem Widerstandswert von beispielsweise etwa 20 mOhm wird nach den Widerstandsverhältnissen der beiden Teilstromzweige 12 und 13 derart bemessen, daß der Teilstromzweig 13 niederohmiger ist als der Teilstromzweig 12. Aufgrund dieser niederohmigen Überbrückung von beispielsweise 1 bis 3 mOhm klingt der Last­ strom I_L innerhalb etwa 3 ms auf Null ab. Das Stromwärmeinte­ gral im Laststromkreis beträgt dabei etwa I² t = 270 A² xs und beispielsweise etwa 790 A² xs am Überbrückungsschalter 14 und ist somit erheblich geringer als das Stromwärmeintegral im Lastkreis bei einer Abschaltung eines Kurzschlußstromes von I_K = 3000 A mit dem strombegrenzenden Leitungsschutzschalter 6 ohne den Überbrückungsstromzweig 10. In diesem Fall würde das Stromwärmeintegral etwa 5700 A² xs betragen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Einrich­ tung gemäß Fig. 6 sind sowohl der Entlastungsschalter 16 als auch der Magnetantrieb 18 im Leitungsschutzschalter 6 inte­ griert. Da in dieser Ausführungsform der Magnetantrieb 18 vom Kurzschlußstrom I_K durchflossen wird, erfolgt die Einschaltung des Entlastungsschalters 16 in entsprechend kürzerer Zeit, so daß der Überbrückungsschalter 14 im Überbrückungsstromzweig 10 in entsprechend kürzerer Zeit entlastet wird. In dieser Ausfüh­ rungsform können beispielsweise an den Phasenleiter L mehrere Verbraucher angeschlossen sein, von denen in der Figur nur zwei angedeutet und mit 2 und 3 bezeichnet sind. Der Verbraucher 3 soll ebenfalls mit einem empfindlichen Halbleiterschalter 5 in Reihe geschaltet sein. In dieser Ausführungsform können die einzelnen Laststromkreise zweckmäßig jeweils mit einer getrenn­ ten Wiedereinschaltsperre versehen sein, die auf den zugeord­ neten Halbleiterschalter 4 oder 5 wirkt.

In einer Einrichtung zum Kurzschlußschutz eines mehrphasigen Verbrauchers erhält vorzugsweise jede Phase eine Schutzein­ richtung gemäß Fig. 1. Die dazu erforderlichen Bauelemente können zweckmäßig in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.

Für die Halbleiterschalter 4 und 5 sowie den Leitungsschutz­ schalter 6 kann zweckmäßig eine in den Figuren nicht darge­ stellte zentrale Netzüberwachungseinheit vorgesehen sein, welche diese Schalter steuert. Als Netzüberwachungseinheit kann auch ein Computer vorgesehen sein, der mit einem Bussystem die Steuersignale für die Halbleiterschalter 4 und 5 sowie den Leitungsschutzschalter 6 und gegebenenfalls auch der Stromer­ fassungseinrichtung 8 sowie den Überbrückungsschalter 14 und den Entlastungsschalter 16 verarbeitet.

Claims (12)

1. Einrichtung zum Kurzschlußschutz von Abzweigen in elektri­ schen Niederspannungsverteilungen mit einer Reihenschaltung eines Leitungsschutzschalters und eines Verbrauchers im Haupt­ stromzweig und mit einem Überbrückungsstromzweig, da­ durch gekennzeichnet, daß der Über­ brückungsstromzweig (10) zwischen einem Phasenleiter (L) und einem Rückleiter (N) angeordnet ist und daß der Überbrückungs­ stromzweig (10) einen ersten und einen zweiten Teilstromzweig (12, 13) enthält, von denen der erste Teilstromzweig (12) einen vom Hauptstrom gesteuerten Überbrückungsschalter (14) enthält und von denen der zweite Teilstromzweig (13) einen Entlastungs­ schalter (16) enthält, der mit einem Magnetantrieb (18) gekop­ pelt ist (Fig. 1).

2. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Teilstromzweig (12) eine Reihenschaltung des Überbrückungsschalters (14) mit einem Be­ grenzungswiderstand (19) enthält.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Magnetantrieb (18) im Über­ brückungsstromzweig (12) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Magnetantrieb (18) im Hauptstromzweig angeordnet ist (Fig. 6).

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Magnetantrieb des Leitungsschutz­ schalters (6) zum Einschalten des Entlastungsschalters (16) und zum Ausschalten des Leitungsschutzschalters (6) vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Entlastungsschalter (16) mit sei­ nem Magnetantrieb (18) im Leitungsschutzschalter (6) integriert ist (Fig. 6).

7. Einrichtung nach Anspruch 1 für mehrere Verbraucher (2), dadurch gekennzeichnet, daß jeder Last­ stromkreis mit einer Wiedereinschaltsperre versehen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 für einen mehrphasigen Verbrau­ cher, dadurch gekennzeichnet, daß für Jede Phase eine Einrichtung gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Leitungsschutzschalter (6) mit einem ferngesteuerten Antrieb versehen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für den Halbleiterschalter (4, 5) und den Leitungsschutzschalter (6) eine zentrale Netzüberwa­ chungseinheit vorgesehen ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Netzüberwachungseinheit ein Computer vorgesehen ist, der mit einem Bussystem Steuersignale für den Halbleiterschalter (4, 5), den Leitungsschalter (6), die Stromerfassungseinrichtung (8) sowie den Überbrückungs­ schalter (14) und den Entlastungsschalter (16) verarbeitet.