DE4243314C2

DE4243314C2 - Strombegrenzender Schalter

Info

Publication number: DE4243314C2
Application number: DE19924243314
Authority: DE
Inventors: Tudor Dr Baiatu; Dieter Baesel; Felix Dr Greuter; Lutz Dr Niemeyer
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1992-12-21
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2012-12-22
Also published as: DE4243314A1

Description

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

STAND DER TECHNIK

Aus der Patentschrift CH 589 351 A5 ist ein strombegrenzen der Schalter bekannt mit einem Antrieb, einer Leistungs kontakte aufweisenden Leistungsstrombahn und einer während eines Abschaltvorgangs mit Hilfe des Schaltlichtbogens vorübergehend parallel zur Leistungsstrombahn schaltbaren Dämpfungsstrombahn. Die Dämpfungsstrombahn enthält zwei Lichtbogenlaufschienen, zwischen den Laufschienen angeordnete Kühlbleche, einen zwischen eine der Lichtbogenlaufschienen und eines der Kühlbleche geschalteten PTC-Widerstand und dazu in Reihe geschaltet mehrere jeweils als Luftstrecke ausgebildete und von der anderen der Laufschienen und dem dazu benachbarten Kühlblech sowie von je zwei Kühlblechen gebildete Hilfsschalter. Alternativ kann die Dämpfungsstrombahn neben den Laufschienen, den Kühlblechen und dem PTC-Widerstand auch weitere zwischen je zwei Kühlbleche geschaltete PTC-Widerstände aufweisen. Es ist dann lediglich ein Hilfsschalter vorgesehen.

Bei diesem Schalter begrenzt der PTC-Widerstand oder begrenzen die PTC-Widerstände den Lichtbogenstrom. Die bei einem Schaltvorgang freigesetzte Lichtbogenenergie wird so gegenüber einem Schalter ohne PTC-Widerstand reduziert.

In US 47 00 256 und DE 35 44 647 A1 sind elektrische Schaltgeräte beschrieben, bei denen parallel zu einer Schaltstelle ein PTC-Widerstand geschaltet ist. Bei einem Abschaltvorgang wirkt dieser PTC-Widerstand strombegrenzend. Parallel zu diesem PTC-Widerstand ist zusätzlich ein spannungsabhängiger Widerstand gelegt, welcher die Spannung über den PTC-Widerstand begrenzt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, den strombegrenzenden Schalter der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass bei vergleichbarer Abschaltleistung weniger Lichtbogenenergie umgesetzt wird.

Beim Schalter nach der Erfindung ist der PTC-Widerstand parallel zu den Kühlblechen geschaltet. Wegen des verhältnismässig grossen Übergangswiderstandes zwischen den Kontaktierungen und dem Widerstandskörper eines PTC- Elementes ist in einem Strompfad mit lediglich einem PTC- Widerstand der Widerstand wesentlich geringer als in einem Strompfad mit mehreren in Reihe geschalteten PTC- Widerständen. Ein bei einem Ausschaltvorgang durch den Schaltlichtbogen fliessender Strom kommutiert daher äusserst rasch in den PTC-Widerstand und verkürzt dadurch die Lichtbogenbrenndauer ganz wesentlich. Zugleich verlöschen alle zwischen den Kühlblechen kurzzeitig geführten Teillichtbögen des Schaltlichtbogens sobald der abzuschaltende Strom in den PTC-Widerstand kommutiert. Der PTC-Widerstand reduziert daher die freigesetzte Lichtbogenenergie und damit auch die durch den Lichtbogen erzeugten ionisierten heissen Gase in besonders grossem Umfang. Dank der geeigneten Anordnung des PTC-Widerstandes parallel zu allen Kühlblechen kann das Leistungsabschalt vermögen des strombegrenzenden Schalters erhöht, beziehungs weise die Anzahl der möglichen Leistungsabschaltungen bei gleicher Abschaltleistung wesentlich gesteigert werden. Aus diesem Grund, und da durch den zum PTC-Widerstand parallel geschalteten Überspannungsableiter bei Schaltvorgängen auftretende Überspannungungen begrenzt werden, können die Abmessungen der eigentlichen Schaltkammer und des Auspuff raums verkleinert und kann damit die Baugrösse des erfindungsgemässen Schalters reduziert werden. Zudem wirkt es sich vorteilhaft auf das Betriebsverhalten und die Betriebssicherheit aus, dass infolge der reduzierten Menge ionisierter Gase auch der Lärmpegel bei Ausschaltungen deutlich abgesenkt wird, und dass zugleich durch seine Anordnung in einem von den Leistungskontakten abgewandten Teil des Auspuffraums der PTC-Widerstand gegen die beim Ausschalten auftretenden heissen Auspuffgase und Schaltrückstände geschützt ist.

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 ist zusammen mit der Hilfsschiene 42 gegen die Stromschiene 36 isoliert. Mit der Laufschiene 38 ist 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 immmer 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, sodass 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, sodass 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 massge bende 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.

Bezugszeichenliste

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, einer Leistungskontakte (33, 34) aufweisenden Leistungsstrombahn, einem Kühlbleche (40, 41) aus elektrisch leitendem Material aufnehmenden Auspuffraum (39) und einer während eines Abschaltvorgangs vorübergehend parallel zur Leistungsstrombahn zuschaltbaren Dämpfungsstrombahn, welche eine erste (36) und eine zweite Laufschiene (38) zur Führung eines beim Abschalten gebildeten Lichtbogens umfasst sowie die zwischen den Laufschienen (36, 38 angeordneten Kühlbleche (40, 41), einen mit seinem ersten Ende mit der zweiten Laufschiene verbundenen PTC-Widerstand (43) und einen die Unterbrechung der Dämpfungsstrombahn bewirkenden Hilfsschalter (46), dadurch gekennzeichnet,

1. - dass der PTC-Widerstand (43) mit seinem zweiten Ende mit einer Hilfsschiene (42) verbunden ist, welche entweder die erste Laufschiene oder ein mit der ersten Laufschiene (36) über den Hilfsschalter verbindbares Kühlblech (41) in einen von den Leistungskontakten (33, 34) abgewandten Teil des Auspuffraums verlängert, und
2. - dass zum PTC-Widerstand (43) ein Überspannungsableiter (45) parallel geschaltet ist.

2. Strombegrenzender Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

1. - dass der Überspannungsableiter (45) aus Varistormaterial besteht.

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

1. - dass zum PTC-Widerstand (43) ein ohmscher Widerstand (44) parallel geschaltet ist.

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

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

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

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

6. Strombegrenzender Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

1. - dass der PTC-Widerstand (43) und der aus Varistor material bestehende Überspannungsableiter (45) zu einem monolithischen Block zusammengefasst sind.

7. Strombegrenzender Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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