DE4235329A1 - Kurzschlußeinrichtung, insbesondere zum Löschen von Störlichtbögen in Niederspannungs-Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie, Anordnung und Verwendung hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurzschlußeinrichtung, Anordnung und Verwendung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 29, 30, 40 und 45.

Insbesondere in Niederspannungs-Schaltanlagen kann es durch immer höhere Leistungsdichten, Fehlschaltungen, Fehlhandlungen des Bedienpersonals, Überspannungen oder Geräteversagen zur Ausbildung von Störlichtbögen oder Kurzschlüssen kommen.

Um Verletzungen von Personen und Materialschäden durch Störlichtbögen zu reduzieren, ist es bekannt, in der Verteilung von Elektrizität Lichtbogenerkennungseinrichtungen einzusetzen, die vorgeordnete Leistungsschalter zur schnellen Abschaltung veranlassen oder Störlichtbogen-Schutzvorrichtungen ansteuern, die einen definierten Kurzschluß verursachen, der jedoch für Personen und Anlage unschädlich ist. Die Dauer des Lichtbogens ist auf diese Weise um bis zu einem Zehntel, teilweise auch mehr reduziert, so daß große Schäden vermieden und das Ausmaß der Nutzung der Schaltanlage erhöht werden können.

Aus der HU 169992 ist es bekannt, zwei koaxial ineinander gesetzte metallische Zylindermäntel einzusetzen, wobei einer Betriebsspannung und der andere Nullpotential aufweist, die weiterhin unter der Wirkung einer Spule verformt und zusammengedrückt werden können, d. h. der innere nach außen und der äußere nach innen, bis diese einen satten Kurzschluß verursachen. Die Spule wird im Fehlerfall von einer Kondensatorbatterie gespeist, die durch ein Schaltelement zuschaltbar ist. Das Schaltelement wird durch eine Störlichtbogenerkennungseinrichtung bei einem Störlichtbogen angesteuert.

Weiterhin ist diese Problematik in der Zeitschrift "Elektrotechnik", 29. März 82, Seiten 23-27, näher erläutert.

Bekannte Kurzschlußeinrichtungen weisen durch die Kondensatorbatterie und die Spule einen erheblichen Platzbedarf auf, da diese schnell wirken müssen und für hohe Ströme bzw. für die Speicherung einer hohen Energie dimensioniert werden müssen.

Durch eine Erhöhung der Windungszahl der Spule können zwar höhere Ströme induziert werden, die aber auf Kosten der Zeitkonstante des LC-Kreises eingehen.

Darüber hinaus ist in diesen vorgenannten Schriften nicht genannt, welche Maßnahmen zu treffen sind, um eine weitere Verbesserung des Anlagenschutzes und Reduzierung der Beanspruchung der Mittel, wie vorgeordnete Schutzgeräte und Kurzschlußeinrichtungen, sowohl im Hinblick auf Störlichtbögen als auch im Hinblick auf hohe Fehlerströme, wie Kurzschlüsse, zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Kurzschlußeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, die bei geringen Platzbedarf schnell wirkt und Maßnahmen zu treffen, die Anlagen bzw. Verteiler und Schutzgeräte und an den Anlagen oder Verteilern und an den Schutzgeräten angeschlossenen Betriebsmittel, wie Leitungen, Motoren, ebenso wie Personen vor Schäden schützen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, weiterhin wird die Aufgabe durch die Nebenansprüche 29, 30, 40 und 45 gelöst, während in den Unteransprüchen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet sind.

Durch die Merkmale des Hauptanspruchs 1, ist es möglich, einen Kurzschluß in der Kurzschlußeinrichtung zu bewirken ohne das Erfordernis von LC-Gliedern, wodurch die Kurzschlußeinrichtung sowohl schnell wirkt, als auch wenig Platz braucht.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ist nach dem Aktivieren des Schaltelementes ein Kurzschluß wirksam, noch bevor der Kurzschließer metallisch kurzgeschlossen ist.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 wird in einfacher Weise eine symmetrische Kraftverteilung erreicht, wodurch die hohen Kräfte einfacher beherrschbar sind.

Durch die Merkmale des Anspruches 4 wird automatisch eine Vergrößerung der Kraft in dem bewegbaren bzw. deformierbaren Teil erreicht, wenn sich dieses Teil in Richtung der Elektroden bewegt.

Durch die Merkmale des Anspruches 5 wird die Kurzschlußeinrichtung besonders kompakt und montagefreundlich.

Durch die Merkmale des Anspruches 6 fließt bereits in den Elektroden ein Strom, wenn diese metallisch kurzgeschlossen werden, so daß der Strom schnell umgelenkt werden kann.

Durch die Merkmale des Anspruches 7 tritt in einfacher Weise eine Vergrößerung des wirksamen leitfähigen Querschnittes ein.

Durch die Merkmale des Anspruches 8 fließt bereits ein Strom in den Elektroden vor dem metallischen Kurzschluß durch das bewegbare Teil.

Durch die Merkmale des Anspruches 9 wird eine einfache Anordnung für den externen Anschluß des Schaltelementes erreicht.

Durch die Merkmale der Ansprüche 10 bis 14 ist der Kurzschließer einfach herzustellen.

Durch die Merkmale der Ansprüche 15 bis 18 wird eine Erhöhung der Stromführungsdauer erreicht.

Durch die Merkmale des Anspruches 19 wirkt die Kurzschlußeinrichtung bereits nach der Zündverzugszeit und der Stromanstiegszeit des Thyristors.

Durch die Merkmale des Anspruches 20 wird eine Fehlzündung des Thyristors in der Nähe des Strom- bzw. Spannungsnulldurchganges vermieden.

Durch die Merkmale des Anspruches 21 wird eine Erhöhung der Stromführungsdauer erreicht.

Durch die Merkmale des Anspruches 22 wird eine Erhöhung der auf das bewegbare bzw. deformierbare Teil wirkenden Kraft bewirkt.

Durch die Merkmale des Anspruches 23 ist das Schaltelement unabhängig von der Betriebsspannung.

Durch die Merkmale des Anspruches 24 ist eine Erhöhung der Stromführungsdauer in einfacher Weise unter Verwendung kleiner Schaltelemente möglich.

Durch die Merkmale des Anspruches 25 ist auch die Verwendung der Kurzschlußeinrichtung bei höheren Spannungen möglich.

Durch die Merkmale des Anspruches 26 können kurze Schaltwege und eine schnelle Entlastung des Schaltelementes eingehalten werden.

Durch die Merkmale des Anspruches 27 kann die Kurzschlußeinrichtung auch für höhere Spannungen eingesetzt werden.

Durch die Merkmale des Anspruches 28 tritt eine Kontakterhöhung in einfacher Weise ein.

Durch die Merkmale der Nebenanspruches 29 können nachgeschaltete Leitungen, Schaltgeräte, Motoren und dergleichen vor hohen Strömen in einfacher Weise geschützt werden.

Durch die Merkmale der Nebenanspruches 30 wird die Beanspruchung eines vorgeschalteten Schaltgerätes verringert, wobei eine galvanische Trennung erhalten bleibt. Eine Auslösung eines übergeordneten Schaltgerätes kann hierdurch verhindert werden, so daß die Selektivität erhalten bleibt.

Durch die Merkmale des Anspruches 31 ist eine mehrmalige Verwendung ohne Austausch von Elementen möglich. Weiterhin können auch bei schneller Schaltung hohe Ströme in der ersten Kurzschlußeinrichtung fließen, wodurch nachgeschaltete Betriebsmittel geschützt werden.

Durch die Merkmale des Anspruches 32 wird die Belastung der ersten Kurzschlußeinrichtung und des Schaltgerätes reduziert.

Durch die Merkmale des Anspruches 33 wird durch das Einschalten der GTO′s der Lichtbogen in der Schaltkammer ohne Zerstörung von Sicherungen oder dergleichen gelöscht. Durch das Abschalten der GTO′s wird die umgeleitete Lichtbogenenergie in einer Schutzbeschaltung der GTO′s in Wärme umgesetzt, ohne die Gefahr einer Wiederzündung des Lichtbogens.

Durch die Merkmale des Anspruches 34 ergibt sich eine sichere Löschung des Lichtbogens.

Durch die Merkmale des Anspruches 35 ist ein Schutz bei sehr hohen Strömen möglich.

Durch die Merkmale des Anspruches 36 können die Gerätegruppen der Einschübe und angeschlossene Geräte unabhängig voneinander geschützt werden. Durch Austausch der Einschübe ist eine schnelle Betriebsbereitschaft möglich.

Durch die Merkmale des Anspruches 37 werden Elemente in einfacher Weise eingespart.

Durch die Merkmale des Anspruches 38 ist ein schnelles Auswechseln der zweiten Kurzschlußeinrichtung möglich.

Durch die Merkmale des Anspruches 39 können hohe Schäden für -Anlage und Gefahren für Personen abgewendet werden.

Durch die Merkmale der Nebenanspruches 40 ergibt sich eine einfache Montage der Kurzschlußeinrichtungen. Zugleich wird die Induktivität der Zuleitung zwischen dem Schaltgerät und der Kurzschlußeinrichtung gering gehalten.

Durch die Merkmale des Anspruches 41 kann in einfacher Weise ein selektiver Störlichtbogenschutz erzielt werden.

Durch die Merkmale des Anspruches 42 ergibt sich eine sichere und schnelle Erkennung eines Störlichtbogens.

Durch die Merkmale des Anspruches 43 ergibt sich eine sichere Erkennung eines unzulässigen Stromes.

Durch die Merkmale des Anspruches 44 ist der Einsatz eines Schaltgerätes über die Grenzen des zulässigen Schaltvermögens hinaus möglich. Bei Überschreiten dieser Grenze wird das Schaltgerät geschützt.

Durch die Merkmale der Nebenanspruches 45 können Schienenverteiler, insbesondere Abgangskästen durch das Merkmal des Anspruches 46, vor Störlichtbögen und daran angeschlossene Maschinen oder dergleichen vor hohen Strömen sicher geschützt werden.

Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt ist, sollen die Erfindung, weitere Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher beschrieben und erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung eines ersten Beispieles der erfindungsgemäßen Kurzschlußeinrichtung,

Fig. 2 eine weitere Darstellung von der in Fig. 1 dargestellten Kurzschlußeinrichtung mit Stromverlauf direkt nach dem Auslösen,

Fig. 3 eine weitere Darstellung von der in Fig. 1 dargestellten Kurzschlußeinrichtung mit Stromverlauf nach dem metallischen Kurzschluß,

Fig. 4 eine Darstellung eines zweiten Beispieles der erfindungsgemäßen Kurzschlußeinrichtung mit Stromverlauf direkt nach dem Auslösen,

Fig. 5 eine weitere Darstellung von der in Fig. 4 dargestellten Kurzschlußeinrichtung mit Stromverlauf nach dem metallischen Kurzschluß,

Fig. 6 eine Darstellung eines dritten Beispieles der erfindungsgemäßen Kurzschlußeinrichtung,

Fig. 7 eine weitere Darstellung von der in Fig. 6 dargestellten Kurzschlußeinrichtung in teilweise auseinandergezogener Darstellung,

Fig. 8 eine weitere Darstellung von der in Fig. 6 dargestellten Kurzschlußeinrichtung mit Stromverlauf direkt nach dem Auslösen und mit Stromverlauf nach dem metallischen Kurzschluß,

Fig. 9 eine Darstellung einer beispielhaften Ausführung der Vorsprünge des bewegbaren bzw. deformierbaren Teiles,

Fig. 10 eine Schnittdarstellung der Fig. 9,

Fig. 11 eine weitere Darstellung einer beispielhaften Ausführung der Vorsprünge des bewegbaren bzw. deformierbaren Teiles,

Fig. 11b eine weitere Darstellung einer beispielhaften Ausführung der Vorsprünge des bewegbaren bzw. deformierbaren Teiles,

Fig. 12 eine weitere Darstellung einer beispielhaften Ausführung der Vorsprünge des bewegbaren bzw. deformierbaren Teiles,

Fig. 13 eine Darstellung einer Kaskade,

Fig. 14 ein Prinzip-Zeitdiagramm der Kaskade in Fig. 13,

Fig. 15 eine weitere Darstellung eines Beispieles der erfindungsgemäßen Kurzschlußeinrichtung,

Fig. 16 eine weitere Darstellung eines Beispieles der erfindungsgemäßen Kurzschlußeinrichtung,

Fig. 17 die Verwendung der Kurzschlußeinrichtung in einem Abgangskasten eines Schienenverteilers,

Fig. 18 eine Aufsicht der Fig. 17,

Fig. 19 die Verwendung in einem Zusatzmodul eines Leistungsschalters,

Fig. 20 ein Prinzipschaltbild mit der Kurzschlußeinrichtung zum Schutz vor hohen Strömen vor dem Auslösen der Kurzschlußeinrichtung, ohne Netzimpedanzen,

Fig. 21 ein Prinzipschaltbild mit der Kurzschlußeinrichtung zum Schutz vor hohen Strömen nach dem Auslösen der Kurzschlußeinrichtung, ohne Netzimpedanzen,

Fig. 22 ein Prinzipschaltbild mit der Kurzschlußeinrichtung zum Schutz vor hohen Strömen nach dem Öffnen der Schaltkontakte des Schaltgerätes, ohne Netzimpedanzen,

Fig. 23 ein Prinzipschaltbild mit zwei Kurzschlußeinrichtungen zum Schutz vor hohen Strömen vor dem Auslösen der ersten Kurzschlußeinrichtung,

Fig. 24 ein Prinzipschaltbild mit zwei Kurzschlußeinrichtungen zum Schutz vor hohen Strömen nach dem Auslösen der ersten Kurzschlußeinrichtung,

Fig. 25 ein Prinzipschaltbild mit zwei Kurzschlußeinrichtungen zum Schutz vor hohen Strömen nach dem Öffnen der Schaltkontakte des Schaltgerätes und nach dem Auslösen der zweiten Kurzschlußeinrichtung,

Fig. 26 ein Prinzipschaltbild mit zwei Kurzschlußeinrichtungen zum Schutz vor hohen Strömen nach dem Öffnen der zweiten Kurzschlußeinrichtung,

Fig. 27 ein Prinzip-Zeitdiagramm analog zu den Fig. 23-26,

Fig. 28 ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Kurzschlußeinrichtung,

Fig. 29 ein Prinzip-Zeitdiagramm analog zu den Fig. 23-26,

Fig. 30 eine Prinzipdarstellung einer Kurzschlußeinrichtung mit Anschlußschiene oder Anschlußkontakt,

Fig. 31 eine Prinzipdarstellung eines Schaltfeldes einer Niederspannungs-Schaltanlage bzw. Einschubverteilers,

Fig. 32 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweiten Kurzschlußeinrichtung mit Halbleiterschaltelementen und

Fig. 33 ein Strom-Zeit-Diagramm einer Kurzschlußeinrichtung mit Halbleiterschaltelementen.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem in der Kurzschlußeinrichtung 1 ein Thyristor 2 in dem Kurzschließer 3 bereits integriert ist.

Der Kurzschließer 3 besteht aus zwei zylinderartigen Elektroden 4 und 5, die jeweils mit Stromschienen 6 und 7 elektrisch verbunden sind, wobei die zweite Elektrode 5 durch die später erläuterten Bereiche mit der zweiten Stromschiene verbunden ist. An der Stirnseite der zweiten Elektrode 5 ist ein becherartiges, leitfähiges erstes Teil 8 elektrisch mit dieser verbunden, das über beide Elektroden übergestülpt ist. Zwischen den Elektroden 4, 5 und dem ersten Teil 8 ist ein dünnes rohrförmiges und leitfähiges zweites Teil 9 vorhanden, das oberhalb elektrisch mit dem ersten Teil 8 verbunden ist und unterhalb mittels leitfähigen Stiften ebenfalls elektrisch verbunden ist. Die Stifte 10 ragen durch das erste Teil 8 durch Öffnungen 11 ohne dieses jedoch zu berühren und durch eine Isolierumhüllung 12 bis zu einer Kontaktscheibe 13, die mit der Stromschiene 7 verbunden ist.

Das zweite Teil 9 ist dicht an den Elektroden 4 und 5 angeordnet ohne diese zu berühren und ohne daß im Ruhezustand ein Stromüberschlag erfolgen kann, also in ausreichenden Abstand.

Zwischen den Elektroden 4 und 5 ist ein Thyristor 2 angeordnet, der mit seiner Kathode oder Anode mit einer dieser Elektroden 4 und 5 elektrisch verbunden ist. Zwischen den Elektroden 4 und 5 ist weiterhin eine ringförmige Strombrücke 14 isoliert angeordnet, die zusätzlich zur mechanischen Abstützung dient.

Der Auslöse- bzw. Zündimpuls wird über eine Auslöseleitung 15 oder über einen Lichtwellenleiter zugeführt, wobei bei letzterem eine entsprechende Elektronik in dem Kurzschließer integriert ist.

Bei Zündung des Thyristors fließt zunächst ein Kurzschlußstrom Ik, gemäß der Fig. 2, von der ersten Stromschiene 6 durch einen ersten Bereich 16 in der ersten Elektrode 4 nach unten, durch den Thyristor 2, durch einen zweiten Bereich 17 in der zweiten Elektrode 5, dann durch einen dritten Bereich 18 in dem becherartigen ersten Teil 8 nach oben und dann durch einen vierten Bereich 19 in dem zweiten Teil 9 wieder nach unten, wobei der Kurzschlußstrom Ik über die Kontaktstifte 10 und die Kontaktscheibe in die zweite Stromschiene 7 fließen kann.

Durch den in den Bereichen 16, 17 und 19 gleichsinnig fließenden Strom entsteht in dem vierten Bereich 19 bzw. in dem zweiten Teil 9 eine Kraft F in Richtung der Elektroden 4 und 5.

Diese Kraft F wird durch den in den Bereichen 18 und 19 gegensinnigen Kurzschlußstrom Ik erhöht.

Durch den sehr hohen Kurzschußstrom Ik und der dabei sich ergebenden hohen elektrodynamischen Kraft F wird das zweite Teil 9 bzw. der vierte Bereich 19 gegen die Elektroden 4 und 5 gedrückt und bildet eine Strombrücke zwischen diesen Elektroden.

Aufgrund des geringen Abstandes des zweiten Teiles 9 und der Elektroden 4 und 5, der sehr hohen Kraft F und der relativ geringen zu bewegenden Masse tritt ein metallischer Kurzschluß in kürzester Zeit ein, wobei dann der Strom Ik nicht mehr durch den Thyristor 2 fließt, sondern nur in der Strombrücke 14, dem zweiten Teil 9, bzw. vierten Bereich 19 und in den Bereichen 16, 17, wie in der Fig. 3 zu sehen ist.

Das gegen die Elektroden 4, 5 gedrückte zweite Teil 9 ist in der Fig. 3 mit einer unterbrochenen Linie angedeutet.

Zwar entstehen auch in den übrigen Bereichen hohe Kräfte, aber aufgrund der höheren Masse und der damit verbundenen Massenträgheit und der relativ kurzen Zeit bis zum metallischen Kurzschluß ist das Gefüge stabil.

Um ein Kurzschließen in beiden Stromhalbwellen zu ermöglichen ist es bei dieser Ausführungsform wegen dem Thyristor erforderlich zwei Kurzschlußeinrichtungen antiparallel anzuordnen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 4. Hier besteht das Schaltelement aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren 2a und 2b, die außerhalb der Kurzschließers 3 angeordnet sind.

Die Elektroden 4′ und 5′ sind ebenfalls rotationssymmetrisch mit einem T-förmigen Querschnitt und spiegelsymmetrisch mit einer dazwischenliegenden Isolierscheibe 20 aneinandergesetzt, derart, daß der Schaft 21, 22 jeweils nach außen herausgeführt ist und als Anschluß für die Thyristoren 2a, 2b dient.

Der Kurzschlußstrom Ik fließt nach Zünden eines der Thyristoren 2a, 2b durch einen Anschlußring 23, durch einen zum Schafft 21 parallelen Bereich 16′ nach unten, durch den Schaft 21 der ersten Elektrode 4′ nach oben, durch eines der Thyristoren 2a, 2b, wieder von unten durch den Schaft 22 der zweiten Elektrode 5′, durch einen zum Schaft 22 parallelen Bereich 17′ nach unten, durch einen Bereich 18′ analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel wieder nach oben, durch den Bereich 19′ und einem Kontaktstift 10 ähnlich wie in den Fig. 1-3 zu einem Anschlußring 24 für das zweite Potential.

Analog zu den Fig. 1-3 wird der Bereich 19′ gegen die Elektroden 4′ und 5′ gedrückt und schließt diese in kürzester Zeit metallisch kurz, so daß im wesentlichen ein Stromverlauf gemäß der Fig. 5 entsteht.

Damit der Kurzschlußstrom über einen möglichst langen Zeitraum aufrecht erhalten werden kann, ist zusätzlich im Bereich der Strombrücke der Bereich 19′ mit einer Querschnittserhöhung versehen in Form von leitfähigen Segmenten 25, die nicht durchgängig über den vollen Umfang ausgebildet sind, um das Schrumpfen des leitfähigen Rohres mit dem Bereich 19′ möglichst nicht zu beeinträchtigen. Diese kann auch ringförmig sein.

Eine Erhöhung der Kraft F im Bereich der Segmente 25 wird durch gegenüberliegend angeordnete Segmente oder einem Ring 26 erzielt, der mit dem Teil 8 elektrisch verbunden ist, indem der Kurzschlußstrom Ik dort in geringerem Abstand zu dem Bereich 19′ fließt, wie in der Fig. 5 zu sehen ist.

Eine Isolierumhüllung 12′ ist, ähnlich wie oben, vorhanden.

Eine Deformation der Stifte 10′ in Richtung der Elektrode 5′ ist vorteilhaft, weil dann ein größerer leitfähiger Querschnitt zur Verfügung steht, wie in der Fig. 5 zu erkennen ist.

Auch hier wirken hohe Kräfte bis zum Verlöschen des Stromes in dem Thyristor 2a oder 2b in den anderen Bereichen. Es gilt auch hier ähnliches wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kurzschlußeinrichtung 1 mit ebenfalls zwei außerhalb des Kurzschließers 3′′ antiparallel angeordneten Thyristoren 2a, 2b zeigt die Fig. 6.

An der oberen Elektrode 4′′ ist ein leitfähiges, rohrförmiges Teil 9′′, beispielsweise aus Kupfer, über ein Preßsitz mechanisch und elektrisch verbunden, welches den stromführenden Bereich 19′′ aufweist. Das Teil 9′′ erstreckt sich bis in die Nähe der Anschlußfläche 26 einer Anschluß- oder Stromschiene 27 der zweiten Elektrode 5′′ nach unten ohne mit dieser elektrisch verbunden zu sein.

Unterhalb des Spaltes 28 zwischen den Elektroden 4′′ und 5′′ ist das rohrförmige Teil 9′′ an seiner Außenmantelfläche mit einem weiteren leitfähigen Außenrohr 29 ebenfalls über ein Preßsitz verbunden.

Im unteren Bereich des Außenrohres 29 ist eine Einformung vorhanden, derart, daß zwischen dem Teil 9′′ und dem Außenrohr 29 ein Luftspalt entsteht.

Das Außenrohr 29 ist mit einer nach außen herausgeformten Querschnittsvergrößerung 30 versehen, dessen Außenfläche mit der Außenwand des zylinderartigen Kurzschließers 3′′ übereinstimmt. An dieser Querschnittsvergrößerung 30 ist noch eine ringförmige Anschlußfahne 31 angeformt, die als Thyristoranschluß vorgesehen ist.

Die Thyristoren 2a, 2b sind auf der einen Seite über einen ringförmigen Schraubanschluß 39 mit der Anschlußfahne 31 und auf der anderen Seite direkt mit der unteren Stromschiene elektrisch verbunden.

Die Fig. 7 zeigt den Kurzschließer 3′′ in teilweise auseinandergezogener Darstellung. Die zweite unten liegende Elektrode 5′′ und das Außenrohr 29 werden zunächst mit einem dazwischenliegenden Isolierrohr 32 aus Glas oder Keramik vormontiert. Die Verbindungsstellen 34 werden mit Dichtungsmitteln versehen und anschließend mit einer ringförmigen Schweiß- oder Lötstelle 35 (Fig. 6) Vakuumtauglich gemacht.

Zuvor wird jedoch ein zweites Isolierrohr 33 auf dem Außenrohr 29 angeordnet.

Das Teil 9′′ kann anschließend unten mit dem Außenrohr 32 und oben mit der ersten Elektrode 4′′ über ein Preßsitz befestigt werden. Wie in der Fig. 7 zu erkennen ist, kann dies in einfacher Weise durch Pressen der Elektroden 4′′ und 5′′ erreicht werden. Hierbei ist ein isolierendes Abstands- und Zentrierelement 36 mit Zentrierzapfen 37 und einer Abstandsscheibe 38 zwischen den Elektroden 4′′ und 5′′ angeordnet werden.

Durch Pumpen wird im Innern des Kurzschließers 3′′, wie in den beiden vorherigen Ausführungsbeispielen auch, ein Vakuum erzeugt, damit kurze Wege entstehen und eine kompakte Bauweise möglich wird.

Anhand der Fig. 8 wird im folgenden die Wirkungsweise des Kurzschließers erläutert.

Nach Zünden der Thyristoren 2a, 2b fließt ein Kurzschlußstrom Ik von oben durch die obere Elektrode in das Teil 9′′ bzw. Bereich 19′′, dann wieder nach oben durch das Außenrohr 29, über die Anschlußfahne 31 und einen Thyristor 2a oder 2b in die Stromschiene 27.

Infolge des gegensinnig fließenden Stromes in dem Außenrohr 29 und dem Bereich 19′′ werden der Bereich 19′′ bzw. das Teil 9′′ und prismenförmige Vorsprünge 39 gegen die Elektroden 4′′ und 5′′ gedrückt.

Die Elektroden 4′′ und 5′′ sind in den Randbereichen derart abgeschrägt, daß die Vorsprünge 3a dort einlaufen können.

Ist die Strombrücke zwischen den Elektroden 4′′ und 5′′ hergestellt und der Strom durch der Thyristor weitgehend abgeklungen, dann fließt der Kurzschlußstrom Ik (gestrichelte Linie) direkt durch die Elektroden 4′′ und 5′′.

Die Fig. 9 zeigt das Teil 9′′ mit seiner Außenoberfläche mit den prismenförmigen Vorsprüngen 39, die in Abständen entlang des Kreisumfangs angeordnet sind. Zwischen dieses Vorsprüngen 39 können Einstanzungen 40 als mechanische Schwächungszonen angebracht sein.

Die Vorsprünge 39 sind aus dem Material hereingedrückt und werden anschließend mit leitfähigen Material 41 (schraffiert) aufgefüllt, wie aus der Schnittdarstellung in Fig. 10 zu sehen ist. An der Außenfläche ist zusätzlich hochleitfähiges Material 42 angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine höhere Stromdichte an den Außenwänden, wodurch zum einen eine Erhöhung der Kraft F und zum anderen eine Verstärkung der Strombrücke erreicht wird.

Die Vorsprünge 39b können auch abgerundete Eindrückungen sein die zwischen den abgeschrägten Elektroden 4′′ und 5′′ einlaufen oder Vorsprünge 39b′ als Einzelelemente sein, die von außen durch Löcher gesteckt werden, wie die Fig. 11b zeigt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Aufprallenergie in Deformationsarbeit umgewandelt wird, um ein Prellen zu vermeiden.

Um die Wirkung des Prellens herabzusetzen, kann auch eine Induktivität angeordnet werden, die bewirkt, daß der Strom durch den Thyristor nicht abreißt bevor der Prellvorgang abgeschlossen ist.

Das Teil 9′′ kann auch käfig-, weIl- oder segmentförmig sein, wie in Fig. 12. Die einzelnen Segmente 9.1 sind dort mit keilförmigen Vorsprüngen 39.1 und dazwischenliegenden Lücken 43 versehen.

Es sei bemerkt, daß der Strom zunächst direkt, d. h. ohne Induktion bzw. Spule, wie beim Stand der Technik fließt.

Wie aus der Fig. 13 zu erkennen ist, kann das Schaltelement wiederum aus einer Kurzschlußeinrichtung bestehen. Es kann somit eine Kaskade in einfacher Weise aufgebaut werden.

Die dort gezeigte Kaskade besteht aus den Thyristoren 2a, 2b, einen schnell schaltenden Kurzschließer 3a und einen Kurzschließer 3b mit hoher Stromführungsdauer.

Der Kurzschließer 3a zeichnet sich durch eine geringe Masse des Teiles 9′′ und einer damit verbundenen geringeren Stromführungszeit, während sich der Kurzschließer durch eine zwar träge aber starke Strombrücke (Teil 9′′) auszeichnet.

Die Thyristoren 2a, 2b können hierdurch kleiner dimensioniert werden, als wenn diese direkt mit dem Kurzschließer 3b verbunden wären.

Die Fig. 14 veranschaulicht in Form eines Prinzipdiagramms den Verlauf des Kurschlußstromes zwischen den Elektroden 4′′ und 5′′.

Das erste Trapez 44 stellt die Stromführung in einem der Thyristoren 2a oder 2b dar. Die Stromführungszeit in dem Thyristor ist relativ klein. Das zweite Trapez 45 stellt die Stromführung im schnellen Kurzschließer 3a dar und das dritte Trapez 46 die Stromführung in dem zweiten Kurzschließer 3b dar. Eine Fortsetzung der Kaskade ist denkbar.

Zwischen den Thyristoren 2a, 2b kann in diesem und anderen Beispielen eine Sicherung 47 vorhanden sein, die bei zu hoher Stromführungszeit einen Sekundärlichtbogen verhindert.

Eine anderes Beispiel, das auch für Mittelspannung Anwendung finden kann, ist in der Fig. 15 dargestellt. Zwischen den Thyristoranschluß und der ersten Elektrode 4′′ ist eine Kondensatorbatterie 48 in Reihe mit einem Thyristor 2c geschaltet. Da diese Elemente nur mit einem Potential verbunden sind, ist ihre Spannungsfestigkeit unkritisch.

Nach Zünden des Thyristors 2c fließt ein hoher Entladungsstrom durch das Außenrohr 29 und dem Teil 9′′, welches ein Kurzschließen des Kurzschließers 3′′ bewirkt.

Der Kurzschluß beginnt hier nicht nach dem Zünden des Thyristors 2c, sondern erst nach Herstellung der Strombrücke zwischen den Elektroden 4′′ und 5′′.

Um die Spannungsfestigkeit des Kurzschließers 3′′ zu erhöhen, kann dieser mit einem Isoliergas, wie Schwefelhexafluorid oder Stickstoff, gefüllt sein.

Ein anderes Beispiel auch für die Mittelspannungstechnik ist in der Fig. 16 dargestellt. Als Schaltelement 2d wird hier eines analog zum Stand der Technik vorgeschlagen, bestehend aus zwei koaxial angeordneten becherartigen Elektroden 49, 50, die unter der Wirkung einer Spule gegeneinander gedrückt werden. Der unterschied zum Stand der Technik ist der, daß die Bauteile erheblich kleiner dimensioniert werden können, da die Elektroden 49, 50 relativ dünn ausgeführt werden können. Auch hier tritt ein Kurzschluß nach dem Zünden des Thyristors zeitlich verzögert auf.

Die Fig. 17 und 18 zeigen die Kurzschlußeinrichtung 1 in einem Abgangskasten 51 eines Niederspannungs-Schienenverteilers.

Die Kurzschlußeinrichtungen 1 sind dort jeweils zwischen Stromschienen 52 angeordnet, unmittelbar in der Nähe der Anschlußkontakte 53, die mit den Stromschienen 54 im Schienengehäuse 55. Zwischen der Abgangsleitung 56 und den Kurzschlußeinrichtungen 1 sind weitere Schalt- und/oder Schutzgeräte 57 vorhanden. Ein Störlichtbogen in dem Abgangskasten 51 wird von einer Störlichtbogen- Erkennungseinrichtung 58 mit einem Lichtwellenleiter 59 detektiert, wobei der Lichtwellenleiter 59 ist in der Nähe der spannungsführenden Teile angeordnet ist.

Bei einem Störlichtbogen wird das Störlichtbogenlicht durch die Ummantelung des Lichtwellenleiters 59 eingekoppelt, wodurch ein Auslösesignal für die Zündung der Thyristoren 2 erfolgt. Durch den bereits oben ausführlich erläuterten Kurzschluß bricht die Spannung völlig zusammen, so daß der Störlichtbogen verlischt. Der satte Kurzschluß ist bei Schienenverteilern sicher beherrschbar, so daß eine Gefährdung von Personen und Anlage weiterhin reduziert wird. Nach einer bestimmten Zeit wird dieser Kurzschluß von einem übergeordneten Schutzgerät abgeschaltet.

Die Kurzschlußeinrichtung 1 kann auch in dem Schienenkanal integriert sein oder in Verbindungselementen davon. Bei einem Vier-Schienen-System ist die Anordnung von drei Kurzschlußeinrichtungen 1 ausreichend, beispielsweise L1-L2, L2-L3, L3-N. Gegebenenfalls ist der Einsatz von zwei Kurzschlußeinrichtungen 1 ausreichend, wie L1-L2 und L2-L3. Dieses gilt auch für alle anderen vorherigen und nachfolgenden Anwendungsfälle.

Durch periodisches oder aperiodisches Wiederzünden der Thyristoren 2, 2a, 2b wird bei allen Beispielen verhindert, daß bei einem Zünden in der Nähe des Stromnulldurchganges alle Thyristoren gelöscht bleiben.

Die Kurzschließer 3 bis 3′′ in den erläuterten Ausführungsbeispielen sind für die einmalige Verwendung vorgesehen. Es sind aber auch Kurzschließer denkbar, mit Teilen, die eine elastische anstatt einer bleibenden Verformung aufweisen oder mit Gelenken und Rückstellfedern versehen sind, wodurch eine mehrmalige Verwendung möglich wird.

Die Kurzschließer müssen nicht rotationssymmetrisch sein.

Es ist jedoch zu beachten, daß, solange der Thyristor 2a oder 2b durchgeschaltet ist, der Kurzschluß vorhanden ist. Da die Zeit in der der Thyristor 2a oder 2b Strom führt jedoch wegen der hohen Aufprallgeschwindigkeit des Bereiches 19′′ relativ kurz ist, ist die Energie auf ein Maß beschränkt, welche keine aufwendigen Maßnahmen erfordert.

Der zwischen den Elektroden 4′′ und 5′′ eingeleitete Kurzschluß wird dann von einem vorgeordneten Leistungsschalter abgeschaltet.

Die Zeit bis die Kurzschlußeinrichtung wirkt ist sehr kurz, weil diese lediglich von der Zündverzugszeit und der Stromanstiegszeit der Thyristoren 2a, 2b abhängt.

Durch den Spannungseinbruch verlischt ein Lichtbogen in sehr kurzer Zeit.

Die Stromführungszeit der Thyristoren 2a, 2b ist abhängig vom Zeitpunkt in dem der Störlichtbogen auftritt. Bei einem Fehler in der Nähe des Spannungsnulldurchganges ist die Stromführungszeit größer als bei Spannungsmaximum, weil dann das Teil 9′′ schneller bewegt wird. Da im wesentlichen die Fläche unter der Stromkurve in beiden Fällen ähnlich ist, wird sowohl die Erwärmung des Thyristors 2a oder 2b als auch die für die Deformation des Teiles 9′′ erforderlichen Energie in beiden Fällen nicht stark voneinander abweichen.

Die Fig. 19 zeigt die Verwendung der Kurzschlußeinrichtung 1 als Zusatzmodul 62 eines Leistungsschalters 60. Dieses kann mit einem Lichtbogendetektor mit einem Sensor in Form eines Lichtwellenleiters 86 ausgerüstet sein, welches bei einem Störlichtbogen eine Auslösung der Kurzschlußeinrichtung 1 bewirkt.

Außer Störlichtbögen können hohe Fehlerströme, wie Kurzschlußströme, auftreten. Man ist bestrebt diese in möglichst kurzer Zeit abzuschalten.

Bekannte Leistungsschalter mit sogenannten strombegrenzenden Eigenschaften weisen Kontakte auf, die bei hohen Strömen durch elektrodynamische Kräfte schnell geöffnet werden. Aufgrund der Netz-, Leitungs-, Motor- oder sonstigen Verbraucherinduktivitäten und dem hohen Strom entsteht zwischen den Schaltkontakten ein Lichtbogen, durch den ein Teil des Stromes weiterfließt. Die Energie die dennoch auf die Betriebsmittel, wie Leitungen, Motoren, empfindliche Verbraucher, Halbleiterelemente, bei einem hohen Fehler- oder Kurzschlußstrom einwirkt, kann sowohl durch die dynamische Wirkung Schäden anrichten, so z. B. Auseinanderbersten von Kabeln, Kabelverbindungen oder durch thermische Wirkung, z. B. Materialverdampfung, Lichtbögen, Brände, Schäden anrichten.

Das dem Leistungsschalter 60 nachgeschaltete Zusatzmodul 62 besteht aus zwischen den Phasen angeordneten Kurzschlußeinrichtungen 1, die von einem Stromüberwachungsmodul oder -Teil 86 ausgelöst werden können. Dieses Stromüberwachungsmodul oder -Teil 86 kann entweder im Leistungsschalter 60 oder im Zusatzmodul vorhanden sein, wie in der Fig. 19 gezeigt ist.

Wie in der Fig. 20 dargestellt ist, fließt ein Fehlerstrom IF durch eine Impedanz, die die Impedanz eines Kabels, Impedanz oder Teilimpedanz eines Motors oder einer beliebigen ohmschen­ induktiven Impedanz sein kann, die aber hinter den Schaltkontakten vorhanden ist. Die hinter den Kontakten 61 vorhandene Impedanz (hier nicht eingezeichnet) soll zunächst außer Betracht bleiben.

Bei einem hohen Fehlerstrom IF (Fig. 20), wie Kurzschlußstrom, wird bei Erreichen einer Schaltschwelle das Stromüberwachungsmodul oder -Teil 86 ein Auslösesignal der Kurzschlußeinrichtung 1 zuführen, wobei diese einen schnellen Kurzschluß in der Nähe des Leistungsschalters 60 erzeugt (Fig. 21).

Es fließt zwar noch ein Strom Ik durch die Schaltkontakte 61, der aber im wesentlichen durch die Kurzschlußeinrichtung fließt und nicht mehr über die zu schützenden Betriebsmittel, die hier durch die Resistanz 63 und Reaktanz 64 dargestellt sind.

Die für die Zerstörung von Betriebsmitteln ausschlaggebende Energie ist auf diese Weise auf ein Bruchteil reduziert, so daß das Ausmaß der Schäden auf diese Weise begrenzt wird.

In der Fig. 22 ist der Schaltkontakt 61 bereits geöffnet. Wie dort zu erkennen ist, kann ein Ausgleichsstrom IA durch die Kurzschlußeinrichtung 1, ähnlich wie bei einer Freilaufdiode, fließen, der sonst über die Schaltkontakte 61 fließen würde und dort einen starken Lichtbogen erzeugen würde.

Der nun entstehende Lichtbogen hängt nunmehr weitgehend von der Impedanz des Netzes (z. B. Trafo) bzw. der Impedanz, die vor den Schaltkontakten vorhanden ist.

Durch diese Verminderung der Lichtbogens wird die Lebensdauer des Leistungsschalters erhöht. Der Wartungsaufwand des Leistungsschalters wird ebenfalls auf diese Weise herabgesetzt.

Die Fig. 29 verdeutlicht anhand eines Prinzipdiagramms die Wirkungsweise der Kurzschlußeinrichtung in diesem Zusammenhang. Entsteht ein Kurzschluß oder hoher Fehlerstrom, dann wird dieser durch Messung, beispielsweise mittels Spannungswandler oder Shunts, schnell erkannt. Bis eine Auslösung erfolgt, fließt noch der Strom durch das zu schützende Betriebsmittel, das durch das erste Trapez 65 dargestellt ist (Fig. 20).

Nach dem Zünden des Thyristors wird der Strom weitgehend in die Kurzschlußeinrichtung 1 kommutiert, wobei zunächst der Thyristor den Strom führt, wie durch das zweite Trapez 66 angedeutet ist. Anschließend führt der Kurzschließer durch metallischen Kurzschluß den Strom bis das Schaltgerät abschaltet, wie durch das dritte Trapez 67 angedeutet ist.

Ein Ausgleichstrom Ia 68 (Fig. 22) kann nach dem Öffnen der Schaltkontakte 61 durch den Kurzschließer weiterfließen.

Im folgenden wird anhand der Fig. 23 bis 28 gezeigt, wie die Lichtbogenenergie in der Schaltkammer des Leistungsschalter und die Beanspruchung des Leistungsschalters 60 weiterhin reduziert werden kann.

Vor dem Leistungsschalter 60, bzw. Schaltkontakte 61 ist eine zweite Kurzschlußeinrichtung 69 angeordnet, die jedoch einen zeitlich sehr limitierten Kurzschluß erzeugt, wie noch näher erläutert wird.

Hinter der zweiten Kurzschlußeinrichtung 69 werden noch Netzreaktanzen 70 und -resistanzen 71 vorhanden sein, wie durch Trafo, Stromzuleitung.

Bei einem hohen Fehler- oder Kurzschlußstrom (Fig. 23) wird die Kurzschlußeinrichtung, wie schon erläutert, aktiviert (Fig. 24). Durch den hohen Strom und die Netzreaktanz 70 entsteht beim Öffnen der Schaltkontakte 61 ein Lichtbogen (Fig. 25), der durch einen schnellen Lichtbogendetektor erkannt wird und das Kurzschließen der zweiten Kurzschlußeinrichtung 69 veranlaßt. Dieses Auslösesignal ist mit L bezeichnet.

Dabei verlischt der Lichtbogen in der Schaltkammer, weil der Strom IA2 nun über die zweiten Kurzschlußeinrichtung 69 fließen kann. Diese wird nach einer gewissen Zeit wieder hochohmig (Fig. 26), wobei diese Zeit so groß sein muß, daß ein Wiederzünden des Lichtbogens in der Schaltkammer nicht mehr möglich ist.

Die Zeit zwischen dem Ein- und Ausschalten der zweiten Kurzschlußeinrichtung soll klein sein gegenüber der Zeitkonstante der Netzimpedanz.

Die sonst entstehende Lichtbogenenergie wird in der zweiten Kurzschlußeinrichtung 69 und sonstigen Resistanzen in Erwärmungsenergie umgewandelt.

Das Diagramm in Fig. 27 verdeutlicht den Zeitverlauf. Zum Zeitpunkt t1 wird die Kurzschlußeinrichtung 1 aktiv. Die Schaltkontakte 61 beginnen zum Zeitpunkt t2 zu öffnen. Ein Lichtbogen in der Schaltkammer beginnt im Zeitpunkt t2 zu entstehen (schraffierte Fläche). Nach dem Schließen der Kurzschlußeinrichtung 69 zum Zeitpunkt t3 verlischt der Lichtbogen, wobei diese zum Zeitpunkt t4 wieder hochohmig wird.

Der Lichtbogendetektor kann entfallen, wenn eine zeitlich verzögerte Zündung der zweiten Kurzschlußeinrichtung 69 erfolgt.

Da die Schaltkontakte geöffnet sind, entsteht eine galvanische Trennung.

Um Fehlauslösungen der Kurzschlußeinrichtung 69 zu vermeiden, beispielsweise durch reguläres Abschalten, entsteht das Auslösesignal aus einer logischen Verknüpfung des Auslösesignals A der Kurzschlußeinrichtung 1 und des Signals des Lichtbogendetektors (Fig. 25).

In der Fig. 28 ist ein Beispiel angegeben, wie die Schaltung gemäß den Fig. 23 bis 25 aufgebaut werden kann.

Die erste Kurzschlußeinrichtung 1 besteht aus einem Kurzschließer und zwei antiparallel geschalteten Thyristoren analog zu den Fig. 6 bis 8. Die Sicherung dort schützt lediglich die Thyristoren und bleibt nach einer Auslösung unzerstört. Die Wirkungsweise wurde bereits ausführlich beschrieben.

Die zweite Kurzschlußeinrichtung 69 besteht aus einem Kurzschließer, einer Kondensatorbatterie, einem Thyristor oder einem anderen Schaltelement, analog zur Fig. 15 und einer Sicherung, hier als NH-Sicherung 75, die in Reihe mit dem Kurzschließer geschaltet ist.

Die NH-Sicherung 75 ist dabei derart bemessen, daß diese einerseits in einer Zeit durchbrennt bei der ein Wiederzünden des Lichtbogens in der Schaltkammer des Leistungsschalters 60 nicht mehr möglich ist und andererseits diese ein Ansprechen einer übergeordneten Schutzeinrichtung nicht verursacht.

Die Fig. 31 zeigt den Aufbau in einem Schaltfeld 74. Dieses kann sowohl in Einschubtechnik ausgeführt sein als auch in einer Technik, in der die Abgangsstellen der Leistungsschalter bzw. sonstige Schaltgeräte, feste Verdrahtungen aufweisen. Die Einschübe 76 greifen an gemeinsamen Feldsammelschienen 72 mittels Steckkontakten in bekannter Weise. Die Abgangsleitungen der Leistungsschalter 60 werden direkt oder indirekt mittels Steckbuchsen in den Kabelraum 77 geführt. In den Einschüben 76 sind zusätzlich den Leistungsschaltern Kurzschlußeinrichtungen 1 nachgeschaltet, wie bereits beschrieben.

Oberhalb der Einschübe 76 ist ein gemeinsamer Einschub 78 mit Kurzschlußeinrichtungen 69 angeordnet der mittels Steckkontakten ebenfalls an die Feldsammelschienen greift, wodurch eine Einsparung von Kurzschlußeinrichtungen 69 eintritt.

Die einzelnen Einschübe 76 können mit Lichtbogendetektoren für Störlichtbögen in den jeweiligen Einschubkammern ausgerüstet sein, wodurch ein selektiver Lichtbogenschutz möglich wird und/oder mit Stromüberwachungsmodulen oder -Teilen 86 in der beschriebenen Weise versehen sein.

Bei einem Fehler sprechen zuerst die Kurzschlußeinrichtungen 1 eines Einschubes 76 an. Dieser wird dann von den zugeordneten Leistungsschaltern abgeschaltet, wobei die Lichtbögen in den Schaltkammern des Leistungsschalter durch einen zeitlich begrenzten Kurzschluß zwischen den Feldsammelschienen mittels der gemeinsamen Kurzschlußeinrichtungen 69 gelöscht werden.

Da der Einschub 78 im Normalbetrieb stets stromlos ist, kann dieser unter Spannung herausgezogen werden. Durch einen Sicherheitsschalter, der schon bei einem geringfügigen Herausziehen dieses Einschubes 78 die Auslösesignalleitung L unterbricht, wird die Sicherheit in einfacher Weise erhöht.

Das Schaltfeld 74 kann mit weiteren Schaltfeldern zusammen durch einen selektiv arbeitenden, übergeordneten Schutz, beispielsweise Lichtbogen- oder Kurzschlußschutz wie bereits beschrieben, versehen sein. Als Kurzschlußeinrichtung 1 wird eine Kaskade gemäß der Fig. 13 vorgeschlagen.

Die bereits bekannte Kurzschlußeinrichtung, also gemäß dem Schaltelement 2b in Fig. 16, kann auch für den Kurzschlußschutz eingesetzt werden. Diese kann ebenso zur Löschung eines Lichtbogens in der Schaltkammer eines Schaltgerätes, wie Leistungsschalter, eingesetzt werden.

Die Schalteinenschaften des Schaltgerätes, wie Lebensdauer oder Schaltvermögen werden, bei einem Kurzschluß oder sonstigen abzuschaltenden hohen Strömen, ohne aufwendige Maßnahmen im Schaltgerät selber, verbessert.

Die Kurzschlußeinrichtung 69 kann auch nur aus Halbleiterschaltelementen in Verbindung mit einer Sicherung analog zur NH-Sicherung bestehen oder nur aus mindestens einem sicher abzuschaltendes Halbleiterschaltelement, wie GTO, bestehen. Gleiches gilt für die Kurzschlußeinrichtung 1 auch für den Lichtbogenschutz und den beschriebenen Schutz vor hohen Fehlerströmen. Halbleiterschaltelemente mit Ventilwirkung sind antiparallel geschaltet.

Wenn die Kurzschlußeinrichtungen 69 und 1 nur aus Halbleiterschaltelementen bestehen, können diese jeweils mit einem Überspannungsschutz in bekannter Weise versehen sein. Diese Anordnung eignet sich für kleinere Schaltgeräte.

Zur Erhöhung der Kontaktkraft in den Anschlußbereichen wird mindestens eine U-förmige Strom- oder Kontaktschiene 79 vorgeschlagen. Die im Fehlerfall hohen gegensinnig fließenden Ströme verursachen eine elektrodynamische Kraft senkrecht zur Kontaktebene, wie in der Fig. 30 zu sehen ist.

Die Schaltschwelle der Kurzschlußeinrichtung 1 kann identisch oder in der Nähe des höchst zulässigen Stromes bzw. Schaltvermögens des Schaltgerätes bzw. Leistungsschalters sein, wodurch das Schaltgerät bis zur Schaltschwelle in bekannter Weise arbeitet, d. h. dieser kann bei einem Kurzschluß noch mehrmals verwendet werden, ohne daß Teile ausgetauscht werden müssen. Erst bei Überschreiten dieser Schaltschwelle, was sonst nicht zulässig wäre, werden die Kurzschlußeinrichtungen 1 und 69 betätigt, um die Beanspruchung der Schaltkammer und des Schaltgerätes zu mindern. Die Kurzschließer müssen, sofern sie für die einmalige Verwendung vorgesehen sind, ausgetauscht werden.

Im einfachsten Fall besteht die Kurzschlußeinrichtung 1b nur aus Thyristoren, wie in der Fig. 32 dargestellt ist, oder anderen Halbleiterschaltelementen, so daß ein Auswechseln des Kurzschließers entfällt.

Die Kurzschlußeinrichtung 69 vor dem Schaltgerät bzw. Leistungsschalter mit den Schaltkontakten 61 besteht aus zwei antiparallel geschalteten GTO-Thyristoren 80, die zeitlich verzögert eingeschaltet und nach einer Zeit analog zum Beispiel in Fig. 28 abgeschaltet werden. Die Schutzbeschaltungen 88, bestehend in bekannter Weise aus einer Diode, einem Widerstand und einem Kondensator, schützen die GTO-Thyristoren.

Die Kurzschlußeinrichtungen 1b, 69b und auch einmal verwendbare Kurzschlußeinrichtungen können mit entsprechenden Sicherungen 75, 81, wie NH-Sicherungen, ausgerüstet sein, die nur bei einem unzulässig hohen Strom oder unzulässig hoher Stromführungsdauer wirkt.

Das Auslösesignal A in Fig. 32, das beispielsweise einem elektromagnetischen Schnellauslöser 82 und der Zündelektronik für die Kurzschlußeinrichtung 1b zugeführt wird, steht durch ein Zeitverzögerungsglied 85 an der Zündelektronik 84 der Kurzschlußeinrichtung 69b an.

Das Problem der galvanischen Trennung besteht hier nicht.

Um ein vorzeitiges Aufladen des Kondensators, also direkt nach dem Öffnen der Schaltkontakte, zu verhindern, kann die Freilaufdiode durch einen Thyristor ersetzt werden, der gleichzeitig mit dem Abschalten des GTO-Thyristors 80 gezündet wird.

Anstelle der Kurzschlußeinrichtung 69b oder der Schutzbeschaltung 88 kann ein Thyristor in Reihe mit einem Kondensator vorhanden sein, der entweder den Lichtbogen in der Schaltkammer direkt löscht oder die Kurzschlußeinrichtung 69b schützt. Zum Kondensator kann ein paralleler Widerstand geschaltet sein, der diesen wieder entlädt.

Unter einer Kurzschlußeinrichtung ist hier jede Einrichtung zu verstehen, die geeignet ist einem Kurzschluß mindestens bis zur Abschaltung eines vorgeordneten Schutzgerätes sowohl elektrodynamisch als auch thermisch standzuhalten.

Jede der vorgenannten Kurzschlußeinrichtungen kann mit einer in Reihe geschalteten Sicherung ausgerüstet sein.

Vor der zweiten Kurzschlußeinrichtung 69 oder 69 b kann ein weiterer strombegrenzender Schaltkontakt angeordnet sein. Hierdurch wird die zweite Kurzschlußeinrichtung 69 entlastet, so daß keine Sicherung mehr erforderlich ist. Es ist auch keine Schutzbeschaltung 88 mehr erforderlich bei Verwendung der Kurzschlußeinrichtung 69b mit GTO-Thyristoren, wenn die GTO- Thyristoren durch gewöhnliche Thyristoren ersetzt werden, die durch die vorgeordneten strombegrenzenden Schaltkontakte abgeschaltet werden.

Es ist bei Zündung der GTO-Thyristoren oder der soeben genannten Thyristoren erforderlich, daß, wenn diese gezündet werden, gleichzeitig die Zündung des antiparallel geschalteten Thyristor der Kurzschlußeinrichtung 1b erfolgt, der bisher keinen Strom führte, wodurch ein Ausgleichsstrom des Verbrauchers durch diesen weiterfließen kann und der Lichtbogen in dem Schaltkontakt 61 gelöscht wird.

Je früher die erste Kurzschlußeinrichtung wirkt, desto geringer ist der Strom durch den Verbraucher.

Das Diagramm in Fig. 33 soll die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Kurzschlußschutzes mit einer ersten Kurzschlußeinrichtung 1b, einem Schaltkontakt 61 hinter der Kurzschlußeinrichtung 1b, einer zweiten Kurzschlußeinrichtung bestehend aus Thyristoren und einem weiteren strombegrenzenden Schaltkontakt hinter der zweiten Kurzschlußeinrichtung 69b.

Die Kurve 89 entspricht den Verlauf des Kurzschlußstromes ohne Strombegrenzung, die Kurve 90 entspricht dem Verlauf des Kurzschlußstromes mit zwei in bekannter Weise in Reihe geschalteten strombegrenzenden Kontakten, wobei dieser Kurzschlußstrom auch durch den Verbraucher fließt.

Die Kurve 91 entspricht dem Verlauf des Stromes durch den zu schützenden Verbraucher. Der Verlauf des Stromes durch den zunächst gezündeten Thyristor der ersten Kurzschlußeinrichtung 1b ist durch die Kurve 92 dargestellt. Der Kurzschluß muß schnell erkannt werden und dieser Thyristor schnell gezündet werden (t1), bevor sich ein hoher Strom durch den Verbraucher aufbauen kann, wie aus der Fig. 33 erkennbar ist. Zum Zeitpunkt tv ist der Strom in dem Verbraucher wieder abgeklungen.

Zum Zeitpunkt t2 werden die Kontakte geöffnet, bis dahin fließt der Strom vorwiegend durch den Thyristor. Zum Zeitpunkt t3 wird der Thyristor der zweiten Kurzschlußeinrichtung und der antiparallel geschaltete Thyristor der ersten Kurzschlußeinrichtung 1b gezündet, wodurch der Lichtbogen in dem Schaltkontakt 61 gelöscht wird und der nachgeschaltete Thyristor entlastet wird.

Der Strom fließt nun durch die zweite Kurzschlußeinrichtung, die zwischen beiden Kontakten angeordnet ist. Da bereits eine Strombegrenzung durch die geöffneten Schaltkontakte erfolgt ist, ist die Beanspruchung der zweiten Kurzschlußeinrichtung hier gering.

Werden in der zweiten Kurzschlußeinrichtung GTO′s mit vorgeordneten strombegrenzenden Schaltkontakten eingesetzt, ist die Dimensionierung der Schutzbeschaltung geringer bzw. überflüssig, weil der geöffnete Kontakt Schutzfunktion, wie eine Funkenstrecke, übernimmt. Der GTO kann also praktisch direkt nach den Einschalten wieder ausgeschaltet werden, wie durch die strichpunktierte Linie in der Fig. 33 angedeutet ist. Hierdurch wird der Lichtbogen auch in dem vorgeschalteten Kontakt schnell gelöscht.

Aus einer Messung der Lichtbogenspannung in dem Schaltkontakt 61 erhält man ein sicheres Auslösekriterium für die Zündung der zweiten Kurzschlußeinrichtung.

Zwischen der ersten Kurzschlußeinrichtung 1b und dem Verbraucher kann ein weiterer strombegrenzender Schaltkontakt angeordnet sein, wodurch ein schnelles Abklingen des Ausgleichsstromes im Verbraucher erfolgt.

Die in den Halbleiterschaltelementen auftretenden Ströme bzw. Strom-Quadrat-Zeitwerte sind mit Leistungshalbleitern sicher beherrschbar, so daß auch Schutz für sehr hohe Kurzschlußströme möglich ist.

Claims (46)

1. Kurzschlußeinrichtung, insbesondere zum Löschen von Störlichtbögen in Niederspannungs-Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie, die mit einem Auslösesignal einer Fehlererkennungseinrichtung betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußeinrichtung (1) aus mindestens einem Schaltelement (2, 2a, 2b, 2c, 2d) und mindestens einem Kurzschließer (3, 3′, 3′′) besteht, daß der Kurzschließer (3, 3′, 3′′) aus mindestens zwei Elektroden (4, 4′, 4′′, 5, 5′, 5′′) und aus stromführenden Teilen oder Bereichen (9, 8, 16, 17, 18, 19, 16, 18′, 19′, 9′′, 19′′, 29) besteht, und daß durch elektrodynamische Krafteinwirkung infolge des sowohl in dem Schaltelement (2, 2a, 2b, 2c, 2d) als auch in dem Kurzschließer (3, 3′, 3′′) direkt fließenden Stromes in den stromführenden Teilen oder Bereichen (9, 8, 16, 17, 18, 19, 16, 18′, 19′, 9′′, 19′′, 29) mindestens ein bewegbarer oder deformierbarer stromführender Bereich bzw. Teil (9, 19, 19′, 9′′, 19′′) gegen die Elektroden (4, 4′, 4′′, 5, 5′, 5′′) gedrückt und somit ein metallischer Kurzschluß erzeugt wird.

2. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (2, 2a, 2b, 2d) zwischen beiden kurzzuschließenden elektrischen Potentialen oder Stromschienen (6, 7, 27) über den Kurzschließer (3, 3′, 3′′) angeschlossen ist, wobei der in dem Schaltelement (2, 2a, 2b, 2d) fließende Strom zunächst auch in den stromführenden Teilen oder Bereichen (9, 8, 16, 17, 18, 19, 16, 18′, 19′, 9′′, 19′′, 29) fließt (Fig. 1-8).

3. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stromführenden Teile oder Bereiche (9, 8, 16, 17, 18, 19, 16, 18′, 19′, 9′′, 19′′, 29) im wesentlichen zylindermantel- bzw. rohrförmig sind und ineinander angeordnet sind (Fig. 1-8).

4. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei stromführende Teile oder Bereiche (16, 17, 9, 19, 16′, 17′, 19′) vorhanden sind, bei denen der Kurzschlußstrom zunächst gleichsinnig fließt und daß mindestens ein außen liegendes stromführendes Teil oder Bereich (18, 18′) vorhanden ist, bei dem der Strom gegensinnig fließt (Fig. 1-5).

5. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (2) in dem Kurzschließer (1) integriert ist (Fig. 1-3).

6. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (2) zwischen den Elektroden (1) angeordnet ist (Fig. 1-3).

7. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strombrücke (14) zwischen den Elektroden (4, 5) isoliert angeordnet ist.

8. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromführenden Teile oder Bereiche (16, 17, 16′, 17′) zumindest Teilbereiche der Elektroden (4, 5, 4′, 5′) sind (Fig. 1-5).

9. Kurzschlußeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden einen etwa T- förmigen Querschnitt aufweisen und spiegelsymmetrisch mit einer dazwischenliegenden Isolierscheibe (20) angeordnet sind, derart, daß der Schaft (21, 22) nach außen herausgeführt ist und als Anschluß für die Thyristoren (2a, 2b) dient (Fig. 4 u. 5).

10. Kurzschlußeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschließer (3′′) aus zwei Elektroden (4′′, 5′′) mit T-förmigen Querschnitt besteht, wobei die Querbalken an den Stirnseiten liegen, daß dieser ein um die Elektroden (4′′, 5′′) angeordnetes und mit der oberen Elektrode (4′′) elektrisch verbundenes rohrförmiges deformierbares Teil (9′′) aufweist, das auf Höhe der zweiten Elektrode (5′′) mit einem Außenrohr (29) elektrisch verbunden ist, welches auf Höhe der ersten Elektrode (4′′) einen Anschluß für das Schaltelement (2a, 2b) aufweist (Fig. 5-8).

11. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (9′) über ein Preßsitz mit der oberen Elektrode (4′) und dem Außenrohr (29) mechanisch und elektrisch verbunden ist.

12. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr mit einer nach außen herausgeformten Querschnittsvergrößerung (39) versehen ist.

13. Kurzschlußeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen oberer Elektrode (4′′), der Querschnittsvergrößerung (30) und der unteren Elektrode (5′′) Isolierrohre (32, 33) vorhanden sind, wobei die Verbindungsstellen durch Schweiß- oder Lötstellen luftdicht bzw. vakuumtauglich sind.

14. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden (4′′, 5′′) ein Abstands- und Zentrierelement (36) angeordnet ist.

15. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4′′, 5′′) abgeschrägt sind und daß das Teil (9′′) Vorsprünge (39) aufweist die dort einlaufen können.

16. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (39, 39b, 39b′, 9.1) prismen-, segmentförmig oder abgerundet sind.

17. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Vorsprüngen (39) mechanische Schwächungszonen vorhanden sind.

18. Kurzschlußeinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Vorsprünge (39) an der Außenfläche hochleitfähiges Material (42) vorhanden ist.

19. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (2, 2a, 2b) mindestens ein oder zwei antiparallel geschaltete Thyristoren sind.

20. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren (2, 2a, 2b) durch wiederholte Zündimpulse gezündet werden.

21. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare oder deformierbare Bereich (19, 19′, 19′′) in der Nähe der Strombrücke mit einer Querschnittserhöhung versehen ist.

22. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Segmente oder ein Ring (26) mit dem Teil (8, 29) bzw. Bereich (18, 18′) elektrisch verbunden ist, derart, daß der Kurzschlußstrom in geringerem Abstand zu dem Bereich (19, 19′, 19′′) fließt.

23. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kurzschluß durch den Entladungsstrom einer Kondensatorbatterie erfolgt (Fig. 15).

24. Kurzschlußeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußeinrichtung aus einer Kaskade von Kurzschlußeinrichtungen (3a, 3b) besteht (Fig. 13).

25. Kurzschlußeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (2d) aus zwei koaxial angeordneten becherartigen Elektroden (49, 50) besteht, die unter der Wirkung einer Spule gegeneinander gedrückt werden (Fig. 16).

26. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kurzschließer (3,3′,3′) ein Vakuum vorhanden ist.

27. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kurzschließer (3, 3′, 3′) ein Isoliergas, wie Schwefelhexafluorid oder Stickstoff, vorhanden ist.

28. Kurzschlußeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Kontaktkraft in den Anschlußbereichen des Kurzschließers (3, 3′, 3′′) mindestens eine U-förmige Strom- oder Kontaktschiene (79) vorhanden ist (Fig. 30).

29. Verwendung einer Kurzschlußeinrichtung (1, 1b, 69, 69b, 2d), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, für den Schutz vor hohen Fehlerströmen (Fig. 23 - Fig. 26).

30. Anordnung einer Kurzschlußeinrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kurzschlußeinrichtung (1, 1b, 2d) einem Schaltgerät nachgeschaltet ist und daß eine zweite Kurzschlußeinrichtung (69, 69b, 2d) dem Schaltgerät vorgeschaltet ist, die erst nach dem Öffnen der Schaltkontakte (61) kurzzeitig wirkt (Fig. 28, Fig. 32).

31. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußeinrichtung (1b) aus Halbleiterschaltelementen besteht, die beim Zünden einen Spannungszusammenbruch bewirken (Fig. 32), daß die Kurzschlußeinrichtung (1b) im wesentliches aus zwei antiparallelen Thyristoren besteht (Fig. 32).

32. Anordnung einer Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgerät ein Leistungsschalter mit strombegrenzenden Eigenschaften ist.

33. Kurzschlußeinrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kurzschlußeinrichtung (69b) aus GTO-Thyristoren besteht (Fig. 32).

34. Kurzschlußeinrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußeinrichtung (69, 69b) durch einen den Lichtbogen in der Schaltkammer überwachenden Detektor ausgelöst wird (Fig. 25).

35. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußeinrichtung (69) aus einer NH-Sicherung (75) und einer in Reihe geschalteten Kurzschlußeinrichtung (1) besteht (Fig. 28).

36. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 35 in einem Niederspannungs-Einschubverteiler.

37. Anordnung einer Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß eine für mehrere Einschübe (72) gemeinsame zweite Kurzschlußeinrichtung (69b) vorhanden ist (Fig. 31).

38. Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußeinrichtung (69b) in einem separaten Einschub (78) angeordnet ist.

39. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Sammelschienenraum einer Niederspannungs-Schaltanlage.

40. Verwendung einer Kurzschlußeinrichtung (1, 1b, 69, 69b, 2d), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in einem Schaltgerät oder einem Zusatzmodul (62) eines Schaltgerätes (60).

41. Anordnung einer Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgerät oder das Zusatzmodul (62) eine Störlichtbogenerkennungseinrichtung aufweist.

42. Anordnung einer Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Störlichtbogenerkennungseinrichtung einen Lichtwellenleiter (86) aufweist, bei dem das Licht eines Störlichtbogens durch die Ummantelung eingekoppelt wird.

43. Anordnung einer Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgerät oder Zusatzmodul (62) ein Stromüberwachungsmodul oder -Teil (86) aufweist, welches bei Erreichen einer Schaltschwelle eine Kurzschlußeinrichtung (1, 1b, 69, 69b, 2d) betätigt.

44. Anordnung einer Kurzschlußeinrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltschwelle in der Nähe des höchst zulässigen Stromes des Schaltgerätes liegt.

45. Verwendung einer Kurzschlußeinrichtung (1, 1b, 69, 69b, 2d), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in Schienenverteilern.

46. Verwendung nach Anspruch 45 in einem Abgangskasten.