DE4446045A1 - Schalter zur Strombegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalter zur Strom­ begrenzung, mit Stromanschlüssen und Kontakten, von denen mindestens einer beweglich ist, und mit einem zugehörigen An­ trieb zum Öffnen des Bewegkontaktes bei Überschreiten einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke, wobei der Antrieb ein thermoelektrischer Antrieb ist, bei dem in einem abgeschlos­ senen Isolierstoffgehäuse zwischen den Kontakten wenigstens ein scheibenförmiger Widerstandskörper vorhanden ist.

Mit der nicht vorveröffentlichten internationalen Patent­ anmeldung (Anm. Nr. PCT/DE 94/00862) wird ein Schalter der vorstehend genannten Art zur Anwendung als Limiter vorge­ schlagen. Dabei wird ein großflächiger Widerstandskörper mit einem gegenüber einem Metall wesentlich höherem elektrischen Widerstand verwendet, mit dem bei einer Kurzschlußabschaltung durch die flächige Verbreiterung des Stromflusses einerseits eine lokalisierte Aufschmelzung der Elektroden verhindert wird, aber andererseits eine gleichmäßige Aufheizung eines im abgeschlossenen Isolierstoffgehäuse vorhandenen Gasvolumens begünstigt wird.

Das Prinzip des vorbeschriebenen Schalters, nämlich ein Schalten mit thermoelektrischem Antrieb, beruht also darauf, geeignete Widerstandselemente, wie beispielsweise rußgefüllte Polyethylenscheiben, im Kurzschlußfall schlagartig an kon­ taktgebenden Grenzflächen aufzuheizen und durch Materialzer­ setzung ein Gaspolster hohen Drucks zu erzeugen, das über einen Kolben mechanische Energie abgibt. Die thermischen und elektrischen Eigenschaften des derzeit günstigsten Wider­ standsmaterials erfordern für AC3-Betrieb eine Nennstrombe­ grenzung entsprechend einer maximalen Stromdichte von unge­ fähr 1 A/cm² bei einem Kontaktdruck von ungefähr 100 N/cm².

Um das angegebene Schaltprinzip auch für beispielsweise 250 A Nennstrom auszulegen, wären Elektroden bzw. Widerstandsschei­ ben von etwa 18 cm Durchmesser und Kontaktkräfte von etwa 25 kN erforderlich.

Letzteres bedingt, daß der mechanische Aufbau eines für höhere Nennströme geeigneten thermoelektrischen Schalters äußerst robust sein muß und die Masse der einzelnen Komponen­ ten relativ groß ist. Bei der Bewegung großer Elektrodenmas­ sen ist es allerdings problematisch, eine ausreichende Ge­ schwindigkeit des thermoelektrischen Antriebes zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Schalter mit ther­ moelektrischem Antrieb zu schaffen, der für Niederspannungs­ netze mit Nennströmen von mehreren hundert Ampere eingesetzt werden kann. Insbesondere sollen größere mechanische Energien und größere Antriebswege erreicht und trotzdem ein kompakter Aufbau beibehalten werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Iso­ lierstoffgehäuse mehrere Widerstandskörper und zugehörige Elektrodenscheiben als Kontakte elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschaltet sind. Insbesondere bildet dabei das Isolierstoffgehäuse im Inneren eine zylindrische Schaltkammer und weist einen Stapel von mehreren, beispiels­ weise sechs, Elektroden als Beweg- und Festkontakte und zwi­ schen diesen Kontakten eine um eins verminderte Anzahl, bei­ spielsweise fünf, Widerstandskörper auf, welche beide in ab­ wechselnder Reihenfolge aufeinandergeschichtet sind.

Durch die angegebene Erfindung läßt sich beispielsweise in einer Ausführung für 250 A Nennstrom die notwendige Kontakt­ kraft auf etwa 5 k/N und der Durchmesser auf 8 cm gegenüber den oben angegebenen Werten reduzieren. Dabei wächst der nutzbare Antriebsweg um etwa den Faktor 5, so daß ohne weite­ res ein Hub von 5 bis 10 mm realisierbar sind.

Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, daß die Elektro­ den nicht auf mechanische Festigkeit, sondern nur hinsicht­ lich des elektrischen Leitwertes und der erforderlichen Wär­ meableitung auszulegen sind. Daher wird erheblich an Masse eingespart. Insbesondere ergibt sich im Vergleich zu dem ein­ gangs genannten Beispiel ein Masseverhältnis der Einzelelek­ troden von 11 : 1.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispieles anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen elektrothermischen Schalter im Querschnitt und die

Fig. 2 und 3 jeweils eine Draufsicht auf den angegebenen Schalter entsprechend den in Fig. 1 angegebenen Schnittlinien II-II und III-III.

Die Figuren werden nachfolgend gemeinsam beschrieben.

In Fig. 1 ist ein nach außen abgeschlossenes Isolierstoff­ gehäuse mit 1 bezeichnet. Das Isolierstoffgehäuse 1 ist als Hohlzylinder ausgebildet und hat im Innern eine in etwa zylindrische Schaltkammer 10. In der Schaltkammer 10 sind von unten geschichtet versilberte Kupferelektroden 11 bis 16 ab­ wechselnd mit scheibenförmigen Widerstandselementen 21 bis 25 und randseitigen Isolierstoffelementen 31 bis 33 eingebracht, worauf weiter unten noch im einzelnen eingegangen wird.

Auf den Stapel von abwechselnden Elektroden 11 bis 16 und scheibenförmigen Widerstandselementen 21 bis 25 ist eine Iso­ lierscheibe 2 für eine Andruckplatte 3 aufgelegt, wobei die Isolierscheibe 2 den Durchmesser der Schaltkammer 10 ausfüllt und randseitig gleitbeweglich geführt ist. In die Isolier­ platte 2 ist die eigentliche Andruckplatte 3 eingepaßt, die über Tellerfedern 4 und einen Führungsdorn 5 mit Druckkräften beaufschlagbar ist. Damit werden die Elektroden 11 bis 16 und die Widerstandselemente 21 bis 25 unter Druck zusammengehal­ ten.

Im Führungsdorn 5 ist im Innern ein Schlagstift 6 einge­ bracht, der unmittelbar mit der Andruckplatte 3 gekoppelt ist und dessen Verschiebebewegung weitergibt. Weiterhin ist noch eine Einstellschraube 7 vorhanden, mit der eine Vorspannung der Tellerfedern 3 eingestellt werden kann, beispielsweise zwischen 1 und 5 kN.

In der Figur ist im rechten Bereich eine große Vorspannung und im linken Bereich eine wesentlich kleinere Vorspannung eingestellt. Die Vorspannungen werden nach Maßgabe des zu schaltenden Stromes vorgewählt. Als zu schaltender Strom kann zu einer gegebenen Netzspannung der Durchlaßstrom des ther­ moelektrischen Schalters vorgegeben sein.

Im einzelnen kann die zylindrische Schaltkammer des in Fig. 1 dargestellten thermoelektrischen Schalters so dimensioniert sein, daß sie einen Innendurchmesser der Schaltkammer 10 von 10,6 cm und eine Höhe von 6,2 cm hat und einen Stapel von ge­ nau sechs Elektroden 11 bis 16 und fünf Widerstandselementen 21 bis 25 aufnimmt, die in abwechselnder Reihenfolge aufein­ andergeschichtet sind. Bei der angegebenen Dimensionierung ist der Außendurchmesser der Scheiben 21 bis 25 aus Wider­ standsmaterial mit 10,5 cm fast genau so groß wie der Innen­ durchmesser der Schaltkammer, während der Durchmesser der scheibenförmigen Elektroden 11 bis 16 etwa 8,6 cm beträgt. Um den Gesamtdurchmesser von ebenfalls 10,5 cm zu erreichen, ist der Zwischenraum zwischen den Metallelektroden 11 bis 16 und der zylindrischen Innenwand der Schaltkammer 1 durch ringför­ mige Isolierstoffelemente 31 bis 33 ausgefüllt. Letzteres wird insbesondere aus der Fig. 2 deutlich, während Fig. 3 das zugehörige Widerstandselement darstellt.

Bei der vorstehend angegebenen Dimensionierung beträgt der Überschlagsweg zwischen zwei benachbarten Elektroden über die Außenkante der Widerstandsscheibe 21 bis 25 jeweils etwa 2 cm. Da die Weite des Isolierstoffspaltes auf etwa 0,2 bis 0,4 mm begrenzt ist, wird einem möglichen Überschlags-Licht­ bogen eine so hohe Brennspannung aufgezwungen, daß ein Über­ schlag praktisch ausgeschlossen ist.

Aus Fig. 2 ergibt sich weiterhin, daß jede einzelne Kupfer­ elektrode 11 bis 16 an gegenüberliegenden Seiten Elektroden­ anschlüsse, beispielsweise in Fig. 2 die Anschlüsse 18 und 19, aufweist. Um Überschläge zwischen Elektrodenanschlüssen übereinander liegender Elektroden zu vermeiden, sind die bei­ den jeweils einer Widerstandsscheibe zugeordneten Elektroden um 90° zueinander verdreht. Die Elektroden gleichen Poten­ tials sind über elastische Verbindungsstücke, die in den Figuren nicht im einzelnen dargestellt sind, an den gemein­ samen elektrischen Anschluß angeschlossen.

Wird ein so beschriebener Schalter in ein Niederspannungsnetz mit hohen Kurzschlußströmen eingeschaltet, werden die bei einer Kurzschlußabschaltung sich an den Elektroden- und Widerstandsscheiben 11 bis 16 bzw. 21 bis 25 aufbauenden, gleichmäßig verteilten Druckkräfte vom Schaltergehäuse 1 und der Andruckplatte 2 bzw. 3 aufgenommen, wodurch die mechani­ sche Stabilität des gesamten Aufbaus gewährleistet bleibt. Die Tellerfedern 4 zum Aufbau der Andruckkraft lassen bei 5 k/N Vorspannung ungefähr 8 mm Federweg zu.

Da der Schlagstift 6 auf der Andruckplatte 3 kraftschlüssig aufliegt, läßt sich die im Kurzschlußfall erzeugte mechani­ sche Energie vollständig nach außen übertragen, um beispiels­ weise zusätzliche in der Fig. 1 nicht dargestellte Schalt­ kontakte unverzögert zu öffnen.

In Versuchen konnte gezeigt werden, daß sich die Andruck­ platte 3 bei einem satten Kurzschluß innerhalb einiger 1/10 ms in ihre Öffnungsposition bewegt und unmittelbar nach dem Abklingen des Kurzschlußstromes wieder in die Schließ­ position zurückbewegt. Eine Arretierung der Andruckplatte 3 in ihrer Öffnungsposition wird im allgemeinen nicht vorgenom­ men, damit eine optimale Widerstandsformierung zwischen den aufgeheizten Widerstandsscheiben 21 bis 25 und den angepreß­ ten Elektroden 11 bis 16 erfolgen kann. Die Arretierung der Öffnungsposition ist jedoch bei Bedarf unmittelbar am Schlag­ stift 6 möglich, ohne daß etwa Nachteile an den Elektroden bzw. Widerstandskörpern auftreten.

Claims (10)

1. Schalter zur Strombegrenzung, mit Stromanschlüssen und Kontakten, von denen mindestens einer beweglich ist, und mit einem zugehörigen Antrieb zum Öffnen des Bewegkontaktes bei Überschreiten einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke, wobei der Antrieb ein thermoelektrischer Antrieb ist, bei dem in einem abgeschlossenen Isolierstoffgehäuse zwischen den Kontakten wenigstens ein scheibenförmiger Widerstandskörper vorhanden ist, dadurch gekennzeich­ net, daß im Isolierstoffgehäuse (1) mehrere Widerstands­ körper (21 bis 25) und zugehörige Elektrodenscheiben (11 bis 16) als Kontakte elektrisch parallel und mechanisch in Reihe geschaltet sind.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Isolierstoffgehäuse (1) im Inne­ ren eine zylindrische Schaltkammer (10) bildet und einen Sta­ pel einer vorgegebenen Anzahl, beispielsweise sechs, Elektro­ den (11 bis 16) als Beweg- und/oder Festkontakte und zwischen diesen Kontakten eine um eins geringere Anzahl, beispielswei­ se fünf, Widerstandskörper (21 bis 25) aufweist, die in ab­ wechselnder Reihenfolge aufeinandergeschichtet sind.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen den Metallelektroden (11 bis 16) und dem zylindrischen Isolierstoffgehäuse (1) der Schalt­ kammer (10) ringförmige Isolierstoffelemente (31 bis 33) vor­ handen sind.

4. Schalter nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Überschlagsweg zwischen zwei benachbarten Elektroden (11 bis 16) über die Außenkante der Widerstandskörper (21 bis 25) etwa das 50- bis 100fache der Weite des Isolierstoffspaltes beträgt, wodurch Spannungs­ überschläge ausgeschlossen sind.

5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktanschlüsse (18, 19) der Elektroden (11 bis 16) eines Widerstandskörper (21 bis 25) um 90° zueinander verdreht sind.

6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden (11, 13, 15; 12, 14, 16) gleichen Potentials über elastische Verbindungsstücke an den gemeinsamen elektrischen Kontaktanschluß angeschlossen sind.

6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf dem Stapel von Elektroden (11 bis 16) und Widerstandskörpern (21 bis 25) im Isolierstoffgehäuse (3) eine Andruckplatte (K) angeordnet ist, die mit einer vor­ gebbaren Andruckkraft (K) beaufschlagt ist.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Andruckkraft (K) mit Tellerfedern (4) erzeugt wird.

8. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Andruckplatte (3) ein Schlag­ stift (6) zur Übertragung der im Kurzschlußfall erzeugten mechanischen Energie aufliegt.

9. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schlagstift (6) in Öffnungsposi­ tion arretierbar ist.