DE4404074A1 - Störlichtbogen-Schutzvorrichtung, insbesondere für Niederspannungs-Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

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

Um die Kondensatorbatterie unter anderem möglichst klein dimensionieren zu können, befinden sich beide Zylindermäntel in einem Vakuumbehälter, wodurch der Abstand zwischen beiden Zylindermänteln wesentlich verringert werden kann.

Der Vakuumbehälter muß hierbei relativ dick sein, so daß eine dennoch große Dimensionierung der Spule und insbesondere der Kondensatorbatterie erforderlich ist, was nicht nur teuer ist, sondern auch einen erheblichen Platzbedarf in der Schaltanlage fordert.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Störlichtbogen- Schutzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, derart zu verbessern, daß eine geringere Dimensionierung der Bauteile und insbesondere der Kondensatorbatterie erforderlich ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, während in den Unteransprüchen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet sind.

Durch die Erfindung kann die Spule dicht an der Auslösepatrone angeordnet werden, so daß zum einen die Abmessungen der Spule verringert werden und zum anderen die Kondensatorbatterie kleiner dimensioniert werden kann.

Weiterhin ist sehr vorteilhaft, daß nur innerhalb des Rohrabschnittes ein Vakuum vorhanden ist, wodurch die gesamte Schutzvorrichtung kompakter ist.

Ebenso erweist sich die erfinderische Ausführung sehr vorteilhaft in bezug auf die Vakuumerzeugung und Vakuumerhaltung. So ist es neben einer relativ kostengünstigen Herstellung besonders wichtig, daß das in der Auslösepatrone vorhandene Vakuum auch nach 10 oder mehr Jahren erhalten bleibt, damit keine unerwünschten Stromüberschläge erfolgen bzw. damit die Schutzvorrichtung wartungsfrei ist.

Durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2 bis 5 ergeben sich Montage- und Herstellungsvorteile, insbesondere in bezug auf die Vakuumerzeugung.

Damit das zweite Patronenteil stets mittig angeordnet ist und beide Patronenteile sicher gehalten sind, ist an der Stirnseite des zweiten Patronenteiles im ersten Abschnitt ein hutartiges Zentrierelement vorhanden, das mit seinem Zylinderteil an einer zentrischen Aussparung greift, die an dem zweiten Patronenteil vorhanden ist, wobei das Zentrierelement aus Isolierstoff besteht und in dem Rohrabschnitt des ersten Patronenteiles bündig eingebettet ist.

Für die Vakuumerzeugung und Zuverlässigkeit der Auslösepatrone, ist es besonders günstig, wenn die Stirnseiten des Isolierrohres von der äußeren Kante bis etwa zur Mitte bzw. Stufe mit einer Metallbeschichtung versehen sind, die Metallbeschichtung aus MoMn+Ni besteht und eine Dicke von 0,02 bis 0,03 mm, vorzugsweise 0,025 mm, aufweist und das Isolierrohr einen etwas größeren Durchmesser als der Kragen oder der Randsteg aufweist, weil hierdurch Keramikteile und Metallteile miteinander sicher verlötet werden können.

Niedrige Auslösezeiten bei sicherer Funktion ergibt sich in Niederspannungs-Schaltanlagen, wenn der Spalt zwischen beiden Patronenteile etwa 1 mm beträgt.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Spule in einem Isoliering aus Kunststoff, integriert bzw. eingebettet ist und dort eingegossen ist, wodurch die Spulenwindungen trotz hoher Kräfte, die beim Entladen des Energiespeichers auftreten, sicher gehalten werden und gleichzeitig isoliert sind.

Besonders günstig ist es, wenn in der Nähe des stromdurchflossenen Bereichs des Rohrabschnitts massive Teile aus gut wärmeleitenden Werkstoff vorhanden sind, weil die Wärme in diesem Bereich dann gut abgeführt werden kann.

Ein optimaler Kompromiß aus hoher Auslösegeschwindigkeit und hoher Stromtragfähigkeit beim Einsatz in Hauptverteilern, ergibt sich, wenn die Wandstärke des Rohrabschnittes 0,5 mm bis 2,5 mm, vorzugsweise 1 mm, und sein Durchmesser 50 mm bis 60 mm beträgt.

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

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Auslösepatrone mit Spule im zusammengesetzten Zustand,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des ersten Patronenteiles,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des zweiten Patronenteiles,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Isolierrohres,

Fig. 5 eine Einzelheitdarstellung des Isolierrohres,

Fig. 6 und eine Darstellung von der Anschlußseite.

Die in der Fig. 1 dargestellte Auslösepatrone 1 besteht aus einem rotationssymmetrischen ersten Patronenteil 1a in becherartiger Form. Dieses Patronenteil besteht aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, wie Kupfer oder Aluminium, und ist in einem geschlossenen Bodenbereich 3, einem zylindermantelförmigen Bereich bzw. Rohrabschnitt 4 und einem am anderen Ende nach außen geformten Kragen 5 aufgeteilt.

Der Bodenbereich 3 ist derart dick, daß eine zentrische Gewindebohrung 6 für die Befestigung einer Anschlußschiene oder -kabels angeordnet sein kann.

Das erste Patronenteil 1a kann beispielsweise an Betriebsspannung anliegen, während ein zweites Patronenteil 1b Nullpotential aufweisen kann.

Der Kragen 6 des ersten Patronenteiles 1a, der in Fig. 2 als Einzelteil im Schnitt dargestellt ist, weist einen Befestigungsring 7 mit einer größeren Wandstärke als die Wandung des Rohrabschnittes 4 auf. Im Querschnitt ist der Kragen Z- förmig.

Die Dicke des Rohrabschnittes 4 muß einerseits derart dünn sein, daß sie leicht und schnell deformierbar ist, also daß der Rohrabschnitt 4 eine geringe Masse aufweist, und andererseits derart dick sein, daß eine genügend hohe Stromtragfähigkeit erreicht wird. Besonders günstig ist es hierfür, wenn die Wandstärke des Rohrabschnittes etwa 1 mm und sein Durchmesser 50 bis 60 mm beträgt.

Das zweite Patronenteil 1b, ebenfalls aus Metall, besteht aus einem Zylinderteil 8, das, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, an dem einen Ende einen ersten Durchmesser bzw. Abschnitt 11 aufweist, der jedoch kleiner als der Innendurchmesser des Rohrabschnittes 4 ist, so daß dieses Patronenteil 1b in das Patronenteil 1a mit einem Spalt 9 eingeführt werden kann.

Das Zylinderteil 8 ist in dem Bereich außerhalb des Rohrabschnittes 4 mit einem zweiten kleineren Durchmesser bzw. Abschnitt 12 versehen, so daß in diesem Bereich eine Vakuumkammer 10 entsteht.

An dem anderen Ende ist das Zylinderteil 8 mit einem dritten Durchmesser bzw. Abschnitt 13 versehen, der größer als die ersten beiden Durchmesser der Abschnitte 11 und 12 ist, so daß an diesem Ende ein scheibenartiger Deckel 14 als Verschlußdeckel für die Vakuumkammer 10 entsteht.

Der Deckel 14 ist, wie das erste Patronenteil 1a, mit einer Gewindebohrung 15 für die zweite Anschlußschiene oder -kabel versehen.

Im Bereich der Vakuumkammer 10 ist am Deckel 14 ein Ventil 16 für die Vakuumerzeugung angeordnet. Das Ventil besteht aus einem Saugrohr 17 und einer Verschlußkappe 18, die über das Saugrohr 17 gestülpt wird. Zum Anordnen des Ventils 16 ist der Deckel 14 mit einer Aussparung 19 versehen.

Das zweite Patronenteil 1b ist im Übergangsbereich zwischen dem zweiten 12 und dem dritten Abschnitt 13 an der Unterseite des Deckels 14 mit einem Randsteg 20 versehen, der den gleichen Außendurchmesser wie der Deckel 14 und der Befestigungsring 7 aufweist.

Zwischen dem Befestigungsring 7 und dem Randsteg 20 ist ein Isolierrohr 21 angeordnet, der beide Patronenteile 1a und 1b mechanisch verbindet und gleichzeitig aber elektrisch voneinander isoliert.

Das Isolierrohr 21 ist also zwischen dem Ende bzw. am offenen Ende des Rohrabschnittes 4 des Rohrabschnittes 1a und dem zweiten Patronenteil 1b angeordnet.

Das zweite Patronenteil 1b ist zwar in diesem Ausführungsbeispiel massiv, dieses kann aber auch hohl oder becherartig sein.

An der Stirnseite des zweiten Patronenteiles 1b im ersten Abschnitt 11 greift ein hutartiges Zentrierelement 22 mit seinem Zylinderteil 24 an einer zentrischen Aussparung 23, die an dem zweiten Patronenteil vorhanden ist, wobei das Zentrierelement 22 aus Isolierstoff besteht und in dem Rohrabschnitt 4 des ersten Patronenteiles 1a bündig eingebettet ist, wodurch beide Patronenteile 1a, 1b weiterhin voneinander isoliert und mechanisch gehalten werden.

Das Isolierrohr 21, wie in den Fig. 4 und 5 näher dargestellt ist, ist an den Enden ringsherum mit jeweils einer treppenartige Abstufung 25 versehen, derart, daß der Kragen 5 an der einen Isolierrohrseite und der Randsteg 20 an der anderen Isolierrohrseite in die Abstufungen 20 greifen können.

Die Stirnseiten des Isolierrohres 21 sind von der äußeren Kante bis etwa zur Mitte bzw. Stufe 27 mit einer Metallbeschichtung versehen.

Im zusammengesetzten Zustand der Auslösepatrone 1 liegen die metallbeschichteten Flächen jeweils an den Patronenteile 1a, 1b satt an, um durch eine Lötverbindung eine vakuumdichte Patrone zu erreichen. Genauer liegt die linke metallbeschichtete Fläche an dem Kragen 5 des ersten Patronenteiles 1a und die rechte an dem Randsteg 20 des zweiten Patronenteiles 1b an, wobei die Stufe 27 innen und der Kragen 5 bzw. der Randsteg 20 außen liegt.

Das Isolierrohr 21 weist einen etwas größeren Durchmesser als der Kragen 5 oder der Randsteg 20 auf, wodurch das Lot entlang der Metallbeschichtung 26 durch Kapillarwirkung nach innen fließen kann und außen eine Art Vakuumdichtung bildet.

Im Bereich des ersten Abschnittes 11 des zweiten Patronenteiles 1b und des Rohrabschnittes 4 des ersten Patronenteiles, also des Spaltes 9 ist an dem Rohrabschnitt 4 eine isolierte Spule 29 direkt anliegend angeordnet.

Die Windungen der Spule 29 sind koaxial um die Auslösepatrone angeordnet, wie in der Fig. 1 dargestellt ist.

Die Spule 29 wird in einem Isoliering 30 aus Kunststoff, z. B. Polyurethan-Hartschaum, integriert bzw. eingebettet und dort eingegossen.

Beim Auslösen der Störlichtbogen-Schutzvorrichtung fließt von einem Energiespeicher kurzzeitig in die Spule 29 ein derart hoher Strom, daß in dem Rohrabschnitt 4 und dem ersten Abschnitt 11 des zweiten Patronenteiles 1b ein derart hoher Strom induziert wird, daß - aufgrund der Kraftwirkung infolge der induzierten Ströme - der Rohrabschnitt 4 gegen den ersten Abschnitt 11 bzw. gegen das zweite Patronenteil 1b gedrückt wird und der Spalt 9 in ein Bruchteil einer Millisekunde kurzgeschlossen wird, wobei ein Störlichtbogendetektor ein Thyristor ansteuert, das zwischen der Spule 29 und dem Energiespeicher angeordnet ist.

Der Spalt muß einerseits derart klein sein, daß die zu überwindende Strecke klein ist, um kurze Auslösezeiten zu erreichen und andererseits derart groß sein, daß kein Spannungs­ bzw. Stromüberschlag erfolgen kann. Bei einer Spannung von 220/380 V weist der Spalt eine Breite von etwa 1 mm auf, z. B. 0,7 bis 1,3 mm.

Nach einem Störlichtbogen fließt dann in der Nähe der Stromsammelschienen der Anlage ein Kurzschlußstrom und zwar jeweils von einer Stromschiene durch beide Patronenteile 1a, 1b wieder in die Stromschienen zurück, wodurch die Spannung völlig zusammenbricht und der Störlichtbogen gelöscht wird.

In der Nähe des stromdurchflossenen Bereichs des Rohrabschnitts 4 sind massive Teile aus gut wärmeleitenden Werkstoff vorhanden. Durch die massiven Teile, d. h. Bodenteil 3 und Abschnitt 11, wird die Wärme von dem freiliegenden Rohrabschnitt 4 in der Nähe des Zentrierteiles 22 schnell abgeführt, so daß eine derart hohe Stromtragfähigkeit erreicht wird, daß auch bei einem Versagen eines vorgeschalteten Leistungsschalters keine gefährliche Materialabschmelzung oder sogar ein Sekundärlichtbogen an der Auslösepatrone stattfinden kann.

Wie die Fig. 7 zeigt weisen die Stirnseiten der Auslösepatrone 1 senkrechte Greifflächen 28 für ein Montagewerkzeug, wie Maulschlüssel oder dergleichen.

Das Isolierrohr (21) ist vorzugsweise aus Keramik ausgeführt, es kann aber auch aus anderen geeigneten Isolierstoffen sein. Wie in der Fig. 1 zu sehen ist, ist das Isolierrohr (21) außerhalb der Spule (8) angeordnet.

Das Isolierrohr (21) kann weiterhin eine oder mehrere nicht gezeigte Rippen zur Vergrößerung der Kriechstrecke aufweisen.

Das Schaltelement, das bei einem Störlichtbogen den Strom in der Spule (29) zuschaltet, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Leistungsthyristor.

Die Auslösepatrone ist aufgrund der Vakuumkammer ebenso in der Mittelspannungstechnik zu verwenden, z. B. in einer Mittelspannungsschaltanlage.

Claims (13)

1. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung (1), insbesondere für Niederspannungs-Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie, bestehend jeweils aus einem Energiespeicher, einer Spule (29), mindestens einem Störlichtbogendetektor, das ein zwischen der Spule (29) und dem Energiespeicher angeordnetes Schaltelement ansteuert, einer Auslösepatrone (1) mit einem Vakuum, die unter der Wirkung des von der Spule (29) erzeugten Induktionsstroms einen metallischen Kurzschluß erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösepatrone (1) aus einem ersten becherartigen Patronenteil (1a) mit einem Rohrabschnitt (4) und aus einem zweiten Patronenteil (1b) besteht, daß ein Isolierrohr (21) oder Isolierring derart zwischen dem offenen Ende des Rohrabschnittes (4) des ersten Patronenteiles (1a) und dem zweiten Patronenteil (1b) angeordnet ist, daß beide Patronenteile (1a, 1b) zwar mechanisch verbunden aber voneinander elektrisch isoliert sind und daß die Spule (29) zur Auslösung direkt auf dem Rohrabschnitt (4) des ersten Patronenteiles (1a) angeordnet ist.

2. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ersten Patronenteil (1a) an dem einen Ende des zylindermantelförmigen Bereichs bzw. Rohrabschnitts (4) einen geschlossenen Bodenbereich (3) aufweist und an dem anderen Ende einen nach außen geformten Kragen (5) aufweist.

3. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Patronenteil (1b) aus einem Zylinderteil (8) besteht, welches an dem einen Ende einen ersten Durchmesser bzw. Abschnitt (11) aufweist, der jedoch kleiner als der Innendurchmesser des Rohrabschnittes (4) ist, so daß ein Spalt (9) entsteht, welches weiterhin außerhalb des Rohrabschnittes (4) mit einem zweiten kleineren Durchmesser bzw. Abschnitt (12) versehen ist, derart, daß in diesem Bereich eine Vakuumkammer (10) entsteht und welches an dem anderen Ende mit einem dritten Durchmesser bzw. Abschnitt (13) versehen ist, der größer als die ersten beiden Durchmesser der Abschnitte (11) und (12) ist, derart, daß an diesem Ende ein scheibenartiger Deckel (14) als Verschlußdeckel für die Vakuumkammer (10) entsteht.

4. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel eine Aussparung (19) aufweist, in der ein Ventil (16) für die Vakuumerzeugung angeordnet ist, wobei das Ventil (16) aus einem Saugrohr (17) und einer Verschlußkappe (18) besteht.

5. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein am ersten Patronenteil (1a) angeformter Kragen (5) ein Befestigungsring (7) mit einer größeren Wandstärke als die Wandung des Rohrabschnittes (4) aufweist, daß das zweite Patronenteil (1b) im Übergangsbereich zwischen dem zweiten (12) und dem dritten Abschnitt (13) an der Unterseite des Deckels (14) mit einem Randsteg (20) versehen ist, der den gleichen Außendurchmesser wie der Befestigungsring (7) aufweist und daß das Isolierrohr (21) zwischen dem Befestigungsring (7) und dem Randsteg (20) angeordnet ist, wobei das Isolierrohr (21) an den Enden ringsherum mit jeweils einer treppenartige Abstufung (25) versehen ist, derart, daß der Kragen (5) an der einen Isolierrohrseite und der Randsteg (20) an der anderen Isolierrohrseite in die Abstufungen (20) greifen können.

6. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stirnseite des zweiten Patronenteiles (1b) im ersten Abschnitt (11) ein hutartiges Zentrierelement (22) vorhanden ist, das mit seinem Zylinderteil (24) an einer zentrischen Aussparung (23) greift, die an dem zweiten Patronenteil (2b) vorhanden ist, wobei das Zentrierelement (22) aus Isolierstoff besteht und in dem Rohrabschnitt (4) des ersten Patronenteiles (1a) bündig eingebettet ist.

7. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten des Isolierrohres (21) von der äußeren Kante bis etwa zur Mitte bzw. Stufe (27) mit einer Metallbeschichtung (26) versehen sind und daß das Isolierrohr (21) einen etwas größeren Durchmesser als der Kragen (5) oder der Randsteg (20) aufweist.

8. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen beiden Patronenteilen (1a, 1b) etwa 1 mm beträgt.

9. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (29) in einem Isoliering (30) aus Kunststoff, integriert bzw. eingebettet ist und dort eingegossen ist.

10. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des stromdurchflossenen Bereichs des Rohrabschnitts (4) massive Teile aus gut wärmeleitenden Werkstoff vorhanden sind.

11. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Rohrabschnittes (4) 0,5 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise 1 mm, und sein Durchmesser 50 mm bis 60 mm beträgt.

12. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten der Auslösepatrone (1) senkrechte Greifflächen (28) für ein Montagewerkzeug aufweisen.

13. Störlichtbogen-Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierrohr (21) aus Keramik besteht.