DE4243314A1

DE4243314A1 - Strombegrenzender Schalter

Info

Publication number: DE4243314A1
Application number: DE19924243314
Authority: DE
Inventors: Tudor Dr Baiatu; Dieter Baesel; Felix Dr Greuter; Lutz Dr Niemeyer
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1992-12-21
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2012-12-22
Also published as: DE4243314C2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung geht aus von einem strombegrenzenden Schalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Aus der Patentschrift CH 589 315 ist ein strombegrenzender Schalter bekannt, der mit einem Antrieb und mit einer Leistungskontakte aufweisenden Leistungsstrombahn versehen ist. Während eines Abschaltvorgangs wird mit Hilfe des Lichtbogens vorübergehend parallel zu dieser Leistungs strombahn eine Dämpfungsstrombahn zugeschaltet. Die Dämpfungsstrombahn weist einen temperaturabhängigen PTC- Widerstand auf und einen zu diesem in Reihe geschalteten, als Luftstrecke ausgebildeten Hilfsschalter, der für deren Unterbrechung vorgesehen ist.

Der PTC-Widerstand allein ist hier für den Abbau von bei Schaltvorgängen häufig auftretenden Überspannungen nicht oder nur bedingt geeignet.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen strombegrenzenden Schalter zu schaffen, bei welchem die bei Schaltvorgängen auftretenden Über spannungen zuverlässig unschädlich gemacht werden.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesent lichen darin zu sehen, daß die Vorteile, die der Einsatz eines PTC-Widerstandes im Dämpfungskreis mit sich bringt, erhalten bleiben und mit den Vorteilen, die ein Überspan nungsableiter in diesem Bereich mit sich bringt, kombiniert werden. Der PTC-Widerstand reduziert die freigesetzte Licht bogenenergie und damit auch die durch den Lichtbogen erzeugte Menge ionisierter heißer Gase. Dank des PTC-Wider standes kann das Leistungsabschaltvermögen des strombegren zenden Schalters erhöht, beziehungsweise die Anzahl der mög lichen Leistungsabschaltungen bei gleicher Abschaltleistung wesentlich gesteigert werden. Die Baugröße des strombegren zenden Schalters kann vorteilhaft reduziert werden, da die eigentliche Schaltkammer und auch der zugehörige Auspuff raum, wegen des Vermeidens von Überspannungen in diesem Bereich, für eine kleinere Spannungsfestigkeit ausgelegt werden kann. Zudem wirkt es sich vorteilhaft aus, daß infolge der reduzierten Menge ionisierter Gase auch der Lärmpegel bei Ausschaltungen deutlich abgesenkt wird.

Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen strombegrenzenden Schalters, und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen strombegrenzenden Schalters.

Bei allen Figuren sind gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Alle für das unmittelbare Verständ nis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind nicht dargestellt.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Fig. 1 zeigt einen schematisch dargestellten strombegren zenden Schalter 30 mit einer ersten 31 und einer zweiten Anschlußklemme 32, von denen die erste 31 mit einem fest stehenden Leistungskontakt 33 und die zweite 32 mit einem beweglichen Leistungskontakt 34 elektrisch leitend verbunden ist. Der bewegliche Leistungskontakt 34 wird durch einen nicht dargestellten Antrieb um einen Drehpunkt 35 bewegt. Von der Anschlußklemme 32 führt eine metallisch blank aus geführte Stromschiene 36 auf den beweglichen Leistungskon takt 34 zu, und ist mit diesem über eine flexible Leitung 37 verbunden. Die flexible Leitung 37 ist so ausgelegt, daß der beweglichen Leistungskontakt 34 bei seiner Bewegung nicht behindert wird. Der feststehende Leistungskontakt 33 ist elektrisch leitend mit einer metallisch blank ausgeführ ten Laufschiene 38 verbunden. Zwischen der Laufschiene 38 und der Stromschiene 36 erstreckt sich der Auspuffraum 39 des strombegrenzenden Schalters 30, der in bekannter Weise mit sogenannten Kühlblechen 40 versehen ist. Das der Strom schiene 36 unmittelbar gegenüberliegende Kühlblech 41 ist durch eine metallisch blank ausgeführte Hilfsschiene 42 ver längert in die Richtung weg von den Leistungskontakten 33, 34. Die Kühlbleche 40 sind aus elektrisch leitendem Mate rial hergestellt und sie sind potentialfrei eingebaut, sie sind zudem gegeneinander isoliert. Das Kühlblech 41 ist ebenfalls aus elektrisch leitendem Material hergestellt, und es ist zusammen mit der Hilfsschiene 42 gegen die Strom schiene 36 isoliert, mit der Laufschiene 38 das Kühlblech 41 über die Hilfsschiene 42 und über die Parallelschaltung eines temperaturabhängigen PTC-Widerstands 43 mit einem ohm schen Widerstand 44 und mit einem Überspannungsableiter 45 verbunden. Der PTC-Widerstand 43, der ohmsche Widerstand 44 und der Überspannungsableiter 45 sind so in den Auspuffraum 39 eingebaut, daß sie gegen die bei Ausschaltungen auftre tenden heißen Auspuffgase und die Schaltrückstände geschützt sind. Anstelle der oben beschriebenen Parallel schaltung ist es auch möglich, zum PTC-Widerstand 43 nur den ohmschen Widerstand 44 oder auch nur den Überspannungs ableiter 45 parallel zu schalten. Der Überspannungsableiter 45 ist vorzugsweise aus Varistormaterial aufgebaut.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird die Zeichnung, insbe sondere die Fig. 1 näher betrachtet. Wenn die Leistungskon takte 33 und 34 geschlossen sind, führt die Leistungs strombahn von der Anschlußklemme 31 über den feststehenden Leistungskontakt 33, den beweglichen Leistungskontakt 34, die flexible Leitung 37 und die Stromschiene 36 zur Anschlußklemme 32. Bei einem Ausschaltvorgang öffnen sich die Leistungskontakte 33 und 34 und ein Lichtbogen bildet sich aus, der durch elektromagnetische Kräfte in den Aus puffraum 39 getrieben und durch die Kühlbleche 40, 41 aufge teilt wird. Ein erster Teillichtbogen brennt zwischen der Stromschiene 36 und dem Kühlblech 41 beziehungsweise der Hilfsschiene 42, weitere Teillichtbögen brennen in bekannter Weise zwischen den übrigen Kühlblechen 40 bis hin zur Lauf schiene 38. Diese Lichtbögen laufen immer weiter in den Auspuffraum 39 hinein, bis schließlich der Strom des zwi schen der Hilfsschiene 42 und der Laufschiene 38 brennenden Lichtbogens auf die Parallelschaltung des PTC-Widerstands 43 mit dem ohmschen Widerstand 44 und dem Überspannungsableiter 45 kommutiert, wobei dieser Lichtbogen erlischt. Der Teil lichtbogen zwischen der Stromschiene 36 und der Hilfsschiene 42 brennt jedoch weiter. Nach dem Kommutieren des Licht bogenstromes ist die Dämpfungsstrombahn voll wirksam einge schaltet.

Der Überspannungsableiter 45 kann, unmittelbar nach dem Ein schalten der Dämpfungsstrombahn, als ein sehr hochohmiger Widerstand angesehen werden und braucht deshalb zunächst bei der Betrachtung nicht berücksichtigt zu werden. Der aus der Parallelschaltung des zunächst kalten PTC-Widerstands 43 mit dem ohmschen Widerstand 44 resultierende Widerstand wird so gewählt, daß einerseits bei allen möglichen Betriebsfällen ein sicheres Kommutieren des Lichtbogenstroms gewährleistet ist, und andererseits der PTC-Widerstand 43 von Anfang an den überwiegenden Anteil des Lichtbogenstroms führt. Der Widerstandswert des PTC-Widerstands 43 steigt infolge der Erwärmung durch den durch ihn fließenden Strom an. Diese Widerstandserhöhung hat eine wesentliche Verkleinerung die ses Stromes und gleichzeitig auch der treibenden Spannung für den ersten Teillichtbogen zur Folge. Sobald die trei bende Spannung einen anordnungsbedingten Mindestwert unter schreitet, erlischt der zwischen der Stromschiene 36 und der Hilfsschiene 42 immer noch brennende, nun aber vergleichs weise stromschwache erste Teillichtbogen, so daß die Dämpfungsstrombahn nun wieder abgeschaltet ist.

Bei dieser Ausschaltung ist es möglich, insbesondere wenn der unterbrochene Stromkreis stark induktiv ist, daß sich eine vergleichsweise hohe Überspannung ausbildet, die im strombegrenzenden Schalter 30 zu Rückzündungen führen kann.

Durch bauliche Maßnahmen kann erreicht werden, daß diese Rückzündungen nicht im Bereich zwischen den Leistungskontak ten 33 und 34 erfolgen, sondern zwischen der Stromschiene 36 und der Hilfsschiene 42, wodurch die Dämpfungsstrombahn wie der eingeschaltet wird. Über dem wiedergezündeten ersten Teillichtbogen fällt jedoch nur ein kleiner Anteil der Über spannung ab, der überwiegende Anteil fällt über der Paral lelschaltung des PTC-Widerstands 43 mit dem ohmschen Wider stand 44 und dem Überspannungsableiter 45 ab und bringt den Überspannungsableiter 45 zum Ansprechen, wodurch die Paral lelschaltung des PTC-Widerstands 43 mit dem ohmschen Wider stand 44 praktisch kurzgeschlossen wird. Der PTC-Widerstand 43 wird demnach nicht mehr nennenswert zusätzlich thermisch belastet. Durch das Ansprechen des Überspannungsableiters 45 wird die Überspannung auf ungefährliche Werte abgebaut und ein sicheres erneutes Löschen des ersten Teillichtbogens ermöglicht.

Je nach Auslegung des PTC-Widerstands 43 ist es möglich, daß dieser Widerstand vor thermischer Überlastung geschützt werden muß. Für diesen Fall wird der ohmsche Widerstand 44 so dimensioniert, daß er ab einem vorgewählten Stromwert einen Teil des Lichtbogenstroms am PTC-Widerstands 43 vorbei leitet, so daß dieser thermisch etwas entlastet wird. Beson ders bei strombegrenzenden Schaltern 30, die für eine hohe Schalthäufigkeit ausgelegt sind, ist eine derartige thermi sche Entlastung sehr vorteilhaft. Der ohmsche Widerstand 44 kann bei vergleichsweise niedrig beanspruchten strombegren zenden Schaltern auch weggelassen werden.

Die Luftstrecke zwischen der Stromschiene 36 und der Hilfs schiene 42 dient bei dieser in Fig. 1 gezeigten Ausführung des strombegrenzenden Schalters 30 als Hilfsschalter 46. Es ist jedoch möglich, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, an dieser Stelle des strombegrenzenden Schalters 30 einen defi nierten Hilfsschalter 46 einzubauen. In diesem Fall ist der Raum zwischen der Stromschiene 36 und der Hilfsschiene 42 gegen das Eindringen eines Lichtbogens abgeschirmt. Als Hilfsschalter 46 sind die verschiedensten Schaltertypen vor stellbar. Als besonders vorteilhaft hat sich an dieser Stelle ein SME-Schalter (Shape-Memory-Schalter) bewährt, der ein bewegliches Schaltstück mit einem während des Ausschalt vorgangs kurzzeitig stromdurchflossenen, aus einer Formge dächtnislegierung gefertigten Arm aufweist. Dieser Hilfs schalter 46 ist in der Regel geschlossen und erst beim Aus schaltvorgang, wenn nach dem Zuschalten der Dämpfungs strombahn Strom durch den SME-Schalter fließt, erwärmt sich sein aus einer Formgedächtnislegierung gefertigter Arm und ändert von selbst seine Form, diese Formänderung bewirkt ein Öffnen der Kontakte und damit eine Unterbrechung des Stroms durch den SME-Schalter. Die für dieses Kontaktöffnen maßgebende Formgedächtnislegierung muß in ihrer Zusammensetzung auf die jeweilige Ansprechcharakteristik des PTC-Widerstands 43 abgestimmt sein, da sonst eventuell die Kontakte des SME- Schalters zu früh, das heißt bei einem zu hohen Strom, der durch den SME-Schalter nicht beherrscht wird, öffnen. Da sich beim Erkalten der Formgedächtnislegierung wieder die alte Form des Arms einstellt, muß der Arm unmittelbar nach dem Abschalten noch mittels eines Antriebs in eine Trenn stellung bewegt werden, die der sich zurückverformende Arm nicht überbrücken kann. Als Hilfsschalter 46 kann auch ein Bimetall-Schalter vorgesehen werden, bei welchem der Arm aus einem den jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßten Bimetall besteht.

In der Fig. 2 sind in der Dämpfungsstrombahn der PTC-Wider stand 43, der ohmsche Widerstand 44 und der Überspannungs ableiter 45 eingezeichnet, es versteht sich jedoch von selbst, daß auch hier jede der oben beschriebenen Beschal tungsvarianten vorgesehen werden kann.

Soll die Dämpfungsstrombahn in einem besonders kleinen Volu men untergebracht werden, so erweist es sich als vorteil haft, den PTC-Widerstand 43 und den Überspannungsableiter 45 gemeinsam in einem monolithischen Block zusammenzufassen. Der ohmsche Widerstand 44 könnte ebenfalls in diesen monoli thischen Block integriert werden. Es wäre auch möglich, den PTC-Widerstand 43 und den ohmschen Widerstand 44 in einem Block zusammenzufassen.

Der hier beschriebene strombegrenzende Schalter eignet sich besonders vorteilhaft für den Einsatz im Niederspannungs bereich. Es scheint jedoch prinzipiell möglich zu sein, die ses Konstruktionsprinzip auch in höheren Spannungsbereichen einzusetzen. Ferner kann dieses Konstruktionsprinzip auch bei anderen Ausführungsformen von Niederspannungsschaltern, wie beispielsweise derjenigen mit beweglicher Lauf- und Hilfsschiene, sehr vorteilhaft eingesetzt werden.

Bezeichnungsliste

30 strombegrenzender Schalter
31, 32 Anschlußklemme
33, 34 Leistungskontakt
35 Drehpunkt
36 Stromschiene
37 Leitung
38 Laufschiene
39 Auspuffraum
40, 41 Kühlblech
42 Hilfsschiene
43 PTC-Widerstand
44 ohmscher Widerstand
45 Überspannungsableiter
46 Hilfsschalter

Claims

1. Strombegrenzender Schalter mit einem Antrieb, mit einer Leistungskontakte (33, 34) aufweisenden Leistungsstrombahn, mit mindestens einer, während eines Abschaltvorgangs vor übergehend parallel zu dieser zuschaltbaren, mindestens einen PTC-Widerstand (43) aufweisenden Dämpfungsstrombahn, mit mindestens einem in der Dämpfungsstrombahn angeordneten und für deren Unterbrechung vorgesehenen Hilfsschalter, dadurch gekennzeichnet,

- daß in der Dämpfungsstrombahn zu dem mindestens einen PTC-Widerstand (43) mindestens ein Überspannungsableiter (45) parallel geschaltet ist.

2. Strombegrenzender Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der mindestens eine Überspannungsableiter (45) aus Varistormaterial besteht.

3. Strombegrenzender Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß in der Dämpfungsstrombahn zu dem mindestens einen PTC-Widerstand (43) mindestens ein ohmscher Widerstand (44) parallel geschaltet ist.

4. Strombegrenzender Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß als Hilfsschalter (46) ein auf die jeweilige Ansprechcharakteristik des mindestens einen PTC-Widerstandes (43) abgestimmter SME-Schalter vorgesehen ist.

5. Strombegrenzender Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß als Hilfsschalter (46) ein auf die jeweilige Ansprechcharakteristik des mindestens einen PTC-Widerstandes (43) abgestimmter Bimetall-Schalter vorgesehen ist.

6. Strombegrenzender Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß als Hilfsschalter (46) eine Luftstrecke vorgesehen ist.

7. Strombegrenzender Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der PTC-Widerstand (43) und der aus Varistor material bestehende Überspannungsableiter (45) gemeinsam zu einem monolithischen Block zusammengefaßt sind.

8. Strombegrenzender Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der PTC-Widerstand (43), der aus Varistormaterial bestehende Überspannungsableiter (45) und der ohmsche Wider stand (44) gemeinsam zu einem monolithischen Block zusammengefaßt sind.