DE4325030A1 - Schalter zur Strombegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalter zur Strom­ begrenzung, mit Stromanschlüssen und Kontakten, von denen der eine ein Festkontakt und der andere ein Bewegkontakt ist, und mit einem zugehörigen Antrieb zum Öffnen des Bewegkontaktes bei Überschreiten einer vorgegebenen elek­ trischen Stromstärke.

In Energieverteilungsnetzen soll im Kurzschlußfall der fließende Strom möglichst gut begrenzt werden, um Schäden an Leitungen und Verbrauchern zu verhindern, die sonst nur durch massive Überdimensionierung auszuschließen sind. Konventionelle mechanische Niederspannungsschalter bezie­ hen die für das Ausschalten erforderliche mechanische Energie aus einem Federspeicher. Gegebenenfalls kann eine zusätzliche Unterstützung durch das Eigenmagnetfeld des Kurzschlußstromes erfolgen. Die Öffnungsgeschwindigkeit bei solchen Schaltern wird begrenzt durch den komplexen mechanischen Aufbau einerseits und der begrenzten Feder­ energie andererseits. Dadurch ist die strombegrenzende Wirkung derartiger Schalter limitiert.

Aus der WO-A-91/12643 und der EP-A 0 487 920 sind strombe­ grenzende Anordnungen als Vorschaltgeräte für Schalter be­ kannt, die speziell den sog. Kaltleiter- oder PTC-Effekt (positive temperature coefficient) ausnutzen. Dabei werden Hochstromwiderstände verwendet, die im wesentlichen aus einer mit Ruß gefüllten Polyethylenschicht bestehen, welche den PTC-Effekt aufweist. Zur Gewährleistung des PTC-Effektes soll bei einem solchen als Schutzelement ver­ wendbaren Hochstromwiderstand der Polymer-Widerstandskör­ per mit seinen Grundflächen mit einer Elektrode verbunden sein, wobei eine Druckeinrichtung vorhanden ist, die einen Druck senkrecht auf die Elektroden und die Grundflächen des Widerstandskörpers der leitfähigen Polymerschicht ausübt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Schalter zur Strombegrenzung anzugeben, der nach anderem physikali­ schen Prinzip arbeitet.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Schalter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Antrieb zum Öffnen des Bewegkontaktes ein thermodynamischer Antrieb ist. Mit einem solchen Antrieb ist es möglich, auf thermi­ schem Wege ausreichende Schaltenergien aufzubringen.

Bei der Erfindung sind die Kontakte in einem abgeschlos­ senen Isolierstoffgehäuse angeordnet und zwischen den Kontakten ein scheibenförmiger Widerstandskörper ange­ ordnet. Vorzugsweise ist zwischen Widerstandskörper und Bewegkontakt im Isolierstoffgehäuse ein Expansionsvolumen vorhanden. Der Widerstandskörper kann dabei aus graphit­ haltigem Kunststoff, beispielsweise auf der Basis von Polyethylen, bestehen, oder durch eine Vielzahl von Koh­ lenstoffasern gebildet sein, die in eine folien- oder filzartige Konsistenz gebracht sind.

In Abweichung zum Stand der Technik wird also bei der Erfindung die zur Kontakttrennung erforderliche mechani­ sche Schaltenergie elektrothermisch aufgebracht. Hierzu heizt die im Kurzschlußfall auftretende stromstarke Ent­ ladung zunächst ein eingeschlossenes Gasvolumen auf. Die entstehende Druckwelle beaufschlagt einen beweglichen Kolben und verrichtet an ihm die mechanische Kontakt­ öffnungsarbeit.

Vorteilhafterweise wird bei der Erfindung durch die Ver­ wendung eines großflächigen Widerstandskörpers mit gegen­ über einem Metall wesentlich höherem elektrischen Wider­ stand durch die flächige Verbreitung des Stromflusses einerseits eine lokalisierte Aufschmelzung der Elektroden verhindert. Andererseits wird damit eine gleichmäßige Aufheizung des Gasraumes begünstigt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Aus­ führungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung einen elektrothermischen Schalter für Niederspannungsanwendun­ gen.

Der Figur ist ein Isolierstoffgehäuse mit 1 bezeichnet, das beispielsweise einen rotationssymmetrischen Hohlzylin­ der um eine Achse I bildet. Das hohlzylindrische Isolier­ stoffgehäuse 1 ist durch einen Flansch 6 abgeschlossen.

In das Isolierstoffgehäuse 1 ist rotationssymmetrisch zur Achse I ein Festkontakt 2 eingepaßt, der einen Stroman­ schluß 2a in Achsrichtung aufweist. Im Abstand dazu ist ein Bewegkontakt 3, dessen Stromanschluß 3a ebenfalls in Achsrichtung I verläuft, längsbeweglich in das Isolier­ stoffgehäuse 1 eingepaßt. Zwischen dem Festkontakt 2 und dem Bewegkontakt 3 ist ein scheibenförmiger Widerstands­ körper 4 derart angeordnet, daß er ohne Zwischenraum auf der Oberfläche des Festkontaktes 2 anliegt. Die Außenkon­ tur des Widerstandskörpers 4 ist dazu exakt in das Isolierstoffgehäuse 1 eingepaßt.

Zwischen der dem Festkontakt 2 abgewandten Oberfläche des Widerstandskörpers 4 und dem Bewegkontakt 3 befindet sich eine Trennfläche 8, welche einen variablen Zwischenraum kennzeichnet. Zusätzlich ist in die Wand des Isolierstoff­ gehäuses 1 umlaufend ein Expansionsvolumen 9 vorhanden.

Der Bewegkontakt 3 wird mit seinem Stromanschluß 3a durch einen Federbalg 5 auf die Trennfläche 8 des Widerstands­ körpers 4 aufgedrückt. Der Federkörper 5 definiert dabei eine mechanische Vorspannung, bei deren Überwinden der Bewegkontakt 3 in horizontaler Richtung verschoben wird. Die Verschiebung kann dabei durch einen im Isolier­ stoffgehäuse 1 umlaufenden Ring 10 begrenzt werden, wobei sich durch entsprechende Dimensionierung eines ringförmi­ gen Ansatzteils 3b am Bewegkontakt 3 einerseits und des umlaufenden Ringes 10 andererseits eine geeignete Hub­ strecke d vorgeben läßt.

Der Stromanschluß 3a weist in der Figur an seinem äußeren Ende eine Kerbe 7a auf, die in eine zugehörige Klinke 7b eingreifen kann. Damit sind Mittel zur Arretierung des Bewegkontaktes im geöffneten Zustand realisiert.

Der beschriebene Schalter kann in übliche Energievertei­ lungsnetze eingeschaltet werden. Dabei fließt der Strom über den Stromanschluß 2a, den Festkontakt 2, den Wider­ standskörper 4 auf den Bewegkontakt 3 und von dort über den Stromanschluß 3a weiter ins Netz. Im Kurzschlußfall heizt die stromstarke Entladung über den Festkontakt 2 und den daran anliegenden scheibenförmigen Widerstandskörper zunächst flächenhaft das eingeschlossene Gasvolumen auf. Die somit entstehende Druckwelle verschiebt den Beweg­ kontakt 3 bis zum Anschlag, wobei über die Klinke 7a und Kerbe 7b eine Verriegelung im geöffneten Zustand erfolgt.

Der Widerstandskörper 4 kann aus leitfähigem Kunststoff bestehen, beispielsweise das bekannte elektrisch leitfähig gemachte Polyethylen. Dazu kommen im vorliegenden Fall zur Füllung insbesondere Graphit in Frage. Der Widerstands­ körper 4 kann aber auch durch Graphitfasern gebildet sein, die durch eine entsprechende Bearbeitung in eine folien- oder filzartige Konsistenz gebracht wurden.

In weiteren Ausführungsformen kann die Raumform von der Rotationssymmetrie abweichen und beispielsweise rechteckig mit flächenhaften Widerstandskörpern vorhanden sein. Es können auch mehrere Widerstandskörper hintereinander­ geschaltet sein. Weiterhin können auch entsprechende Mit­ tel zur Belüftung des Gehäuseinneren vom Isolierstoffge­ häuse 1 vorgesehen sein.

Claims (10)

1. Schalter zur Strombegrenzung, mit Stromanschlüssen und Kontakten, von denen der eine ein Festkontakt und der andere ein Bewegkontakt ist, und mit einem zugehörigen Antrieb zum Öffnen des Bewegkontaktes bei Überschreiten einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke, da­ durch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein thermoelektrischer Antrieb ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kontakte (2, 3) in einem abgeschlossenen Isolierstoffgehäuse (1) angeordnet sind und daß zwischen den Kontakten (2, 3) ein scheiben­ förmiger Widerstandskörper (4) vorhanden ist.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen Widerstandskörper (4) und Bewegkontakt (3) im Isolierstoffgehäuse (1) ein Expansionsvolumen (9) vorhanden ist.

4. Schalter nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Widerstandskörper (4) aus graphithaltigem Kunststoff, beispielsweise auf der Basis von Polyethylen, besteht.

5. Schalter nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Widerstandskörper (4) durch eine Vielzahl von Kohlenstoffasern gebildet ist, die in eine folien- oder filzartige Konsistenz gebracht sind.

6. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Isolierstoffgehäuse (1), Kontakte (2, 3) und Widerstands­ körper (4) jeweils einen rotationssymmetrischem Quer­ schnitt haben.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Isolierstoffgehäuse (1), Kontakte (2, 3) und Widerstandskörper rotationssymmetrisch und kolinear zu den Stromanschlüssen (2a, 3a) angeordnet sind.

8. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (5) zur Ein­ stellung der Federkraft des Bewegkontaktes (3).

9. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (5) zur Hub­ begrenzung und Arretierung des Bewegkontaktes.

10. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Belüftung des Gehäuseinneren.