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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Verwendung von Lichtbogenlöschkammern
in kompakten elektrischen Trennschaltern für den Zweck der Lichtbogenlöschung ist
auf dem Gebiet der Trennschaltertechnik allgemein bekannt. Die Funktion
der Lichtbogenlöschkammer
besteht darin, einen elektrischen Lichtbogen anzuziehen, der zwischen
den bewegbaren und stationären
Kontakten gezogen wird, wenn die Kontakte als Reaktion auf einen Überstromzustand öffnen. Die
magnetische Influenz der Lichtbogenlöschkammer zieht den Lichtbogen
an, welcher dann zwischen den mehreren Platten in der Lichtbogenlöschkammer
in kleinere Lichtbogenstücke
aufgeteilt wird. Jedem Lichtbogenstück ist ein Anoden/Kathoden-Abfall zugeordnet, der
hier als die die über
jedem Plattenpaar innerhalb der Lichtbogenlöschkammer auftretende Spannung definiert
ist, welche zusammengenommen ein ausreichendes elektrisches Potential
bildet, um die Systemspannung zu überschreiten, und den Strom
auf Null zu treiben und dadurch wirksam den Überstrom zu löschen. Eine
derartige Lichtbogenlöschkammer ist
in dem U.S. Patent Nr. 4,963,849 mit dem Titel "Compact Current Limiting Circuit Breaker" beschrieben. Während dieses
Unterbrechungsprozesses verdampft die intensive Hitze des ionisierten
Plasmabogens Kanten und Oberflächen
der Bogenplatten, erzeugt hohe interne Gasdrücke und bewirkt, dass ionisierte
Partikel aus dem Trennschalter in das Trennschaltergehäuse ausgestoßen werden.
Um während eines
Unterbrechungsvorganges einen elektrischen Überschlag auf geerdetes Metall
zu verhindern, muss das Verhalten des Trennschalters auf die physikalischen
Beschränkungen
des Trennschaltergehäuses
abgestimmt sein.
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Die
U.S. Patentanmeldung Serial No. 08/797151 mit dem Titel "Current Supressing
Circuit Breaker Unit for Inductive Motor Protection", eingereicht am
10. Februar 1997 beschreibt eine mit einem Trennschalterkontaktepaar
in Reihe geschaltete Stromdämpfungseinheit.
Während
eines Kurzschlussüberstromzustandes
dämpft
die Stromdämpfungseinheit
rasch den Kurzschluss-Durchlassstrom, welcher dann durch das Öffnen der
Trennschalterkontakte gelöscht
wird. Die Stromdämpfungseinheit verwendet
ein Strombegrenzungselement, das in einer in dem U.S. Patent Nr.
5,614,881 mit dem Titel "Current
Limiting Device" beschriebenen
Art arbeitet, welches zur effektiven Begrenzung des Spitzendurchlassstroms
rasch einen hohen Widerstand aufbaut. Das hochohmige Strombegrenzungselement dämpft in
seinem geschalteten Zustand den Durchlassstrom rasch auf einen niedrigen
Restwert, welcher dann durch das Öffnen der in Reihe geschalteten
Trennschalterkontakte gelöscht
wird. Der sich ergebende Lichtbogen des Reststroms wird in eine Lichtbogenlöschkammer
getrieben, wo er gemäß dem vorstehend
erwähnten
U.S. Patent 4,963,849 gelöscht
wird.
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Die
italienische Patentanmeldung Nr. MI97A 001564, eingereicht am 2.
Juli 1997 und die U.S. Patentanmeldung Serial No. 09/108,684, eingereicht am
1. Juli 1998, beide mit dem Titel "Rotary Contact Assembly for High Ampere-Rated
Circuit Breakers" beschreiben
eine Rotationskontaktanordnung, die einen Kontaktarm mit zwei bewegbaren
Kontakt, jeweils einem an jedem Ende und einen mittigen Drehpunkt
umfasst. Die bewegbaren Kontakte sind elektrisch in Reihe geschaltet,
wenn sich die Kontaktarmanordnung in der geschlossenen Position
befindet. Jeder bewegbare Kontakt liegt an einem feststehenden Kontaktarm
an. Die Gelenkverbindung der Kontaktarmanordnung bewirkt, dass sich
beide bewegbaren Kontakte gleichzeitig öffnen und dadurch zwei elektrische
Lichtbögen
in Reihe aufbauen. Der Vorteil von zwei elektrischen Lichtbögen in Reihe
im Gegensatz zu nur Einem ist in eine zweifache Zunahme der Anstiegsgeschwindigkeit
der Lichtbogenspannung, welche rasch einen Kurzschlussüberstrom
dämpft.
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Die
U.S. Patentanmeldung Serial No. 08/797,152 mit dem Titel "Circuit Breaker Current
Limiting Arc Runner",
eingereicht am 10. Februar 1997, beschreibt eine strombegrenzende
Lichtbogenführung,
die einen Polymer-Strombegrenzer aufweist, der den Kurzschlussüberstrom
rasch dämpft.
Die Nähe
der strombegrenzenden Lichtbogenführung zu dem bewegbaren Kontaktarm
begünstigt
die Kommutierung des Lichtbogenstroms an der Lichtbogenführung während der
Kontakttrennung.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,424,504 mit dem Titel "Puffer Type Circuit Interrupter With
Improved Blast Valve And Permanent Contact" beschreibt einen Puffer-Trennschalter,
welcher unter Druck stehendes Isolationsgas verwendet, um eine Lichtbogenunterbrechung
zu bewirken. Das U.S. Patent Nr. 3,632,925 mit dem Titel "Current Limiting
Circuit Breaker Having Arc Extinguishing Means Which Includes Improved
Arc Initiation And Extinguishing Chamber Construction" beschreibt die Verwendung
eines ablativen Materials in der Nähe der stationären Kontakte,
um eine Lichtbogenunterbrechung zu bewirken. Beide Systeme erfordern
die Einbeziehung eines speziellen Materials der speziell für die Einführung von
Isolationsgas in die Lichtbogenunterbrechungskammer ausgelegt ist.
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Das
U.S. Patent Nr. 4,677,266 mit dem Titel "Switch Device Having An Insulating Screen
Inserted Between The Contacts During Breaking" beschreibt eine Kontaktspalt-Blenden anordnung,
welche praktisch dazu dient, den Kontaktspaltes durch den erhöhten Gasdruck
in zwei Bereiche zu teilen, der durch den zwischen den Kontakten
gezogenen Lichtbogen erzeugt wird. Der Betrieb dieses Systemtyps ist
von dem Vorhandensein eines zwischen den Kontakten gezogenen Lichtbogens
abhängig.
Das U.S. Patent Nr. 4,752,660 mit dem Titel "Current Limiting Circuit Breaker With
An Arc Shearing Plate" beschreibt
eine Kontaktspaltblendenanordnung, welche praktisch dazu dient,
um den Kontaktspalt durch dasselbe auf Überstrom reagierende Betätigungselement
in zwei Bereiche zu teilen, welches die Kontakttrennung auslöst. Der
Betrieb dieses Systemtyps ist davon abhängig, dass das auf den Überstrom
reagierende Betätigungselement
in Übereinstimmung mit
der Öffnungsvorgang
der trennbaren Kontakte arbeitet.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines effizienten
Kurzschlussunterbrechungssystems, das einen Polymer-Strombegrenzer, wie
er in dem vorstehend erwähnten
U.S. Patent 5,614,881 beschrieben wurde, parallel zu einem zweiten
Paar von Kontakten einer Zwei-Kontakt-Rotationskontaktanordnung,
wie sie in der vorstehend erwähnten
italienischen Patentanmeldung Nr. MI97A 001564 und der U.S. Patentanmeldung
Serial No. 09/108,684 beschrieben wurde, und gemeinsam mit einer
Einrichtung zur Verbesserung der Durchschlagfestigkeit über dem
Paar der offenen Kontakte parallel zu dem Polymer-Strombegrenzer,
verwendet, um zu verhindern, dass ein Lichtbogenüberschlag den Polymer-Strombegrenzer überbrückt. Das
Dokument
EP 0 212 661 offenbart
eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
kompakter strombegrenzender Trennschalter bzw. Strombegrenzungsschalter
verwendet einen Polymer-Strombegrenzer und eine Rotationskontaktanordnung
für einen
effektiven Überstromschutz.
Nach dem Auftreten einer Kontakttrennung wird der Überstrom
von einem zweiten Kontaktpaar auf einen Polymer-Strombegrenzer übergeleitet (kommutiert)
und ein Lichtbogen wird zwischen einem ersten Kontaktpaar gezogen
und in eine Lichtbogenlöschkammer
getrieben. Die Überleitung
des Überstroms
in den Polymer-Strombegrenzer bewirkt eine rasche Dämpfung des Überstroms.
Der Polymer-Strombegrenzer besteht aus einem leitenden Polymer mit
anliegenden Elektroden und hochohmigeren Elektrodengrenzflächen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht eines herkömmlichen
kompakten strombegrenzenden Rotationstrennschalters mit entfernter
Abdeckung, um die Trennschalterbetriebskomponenten in dem EIN-Zustand
darzustellen; und
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2 ist
eine Seitenansicht eines kompakten strombegrenzenden Rotationstrennschalters,
der mit einem Polymer-Strombegrenzer
gemäß der Erfindung
ausgestattet ist.
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3 ist
eine Seitenansicht eines kompakten strombegrenzenden Rotationstrennschalters,
der mit einem Polymer-Strombegrenzer
und einem Lichtbogen-Gaspuffer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet
ist.
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4 ist
eine Teilseitenansicht des Trennschaltergehäuses von 3 mit
zur Verdeutlichung entfernten Details.
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5 ist
eine Teilschnittansicht des an dem Schnitt A-A von 4 aufgeschnittenen
Trennschaltergehäuses
außer
dass beide Hälften
des Trennschaltergehäuses
dargestellt sind.
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6 ist
eine Teilseitenansicht eines mit einem Polymer-Strombegrenzer und
einer Kontaktspaltblende ausgestatteten kompakten strombegrenzenden
Rotationstrennschalters gemäß der Erfindung,
in der Details zur Verdeutlichung entfernten entfernt sind.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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1 stellt
einen Trennschalter 10 mit Spritzgussgehäuse dar,
der gemäß den in
der vorstehend erwähnten
italienischen Patentanmeldung Nr. MI97A 001564 und der U.S. Patentanmeldung
Serial No. 09/108,684 enthaltenen Lehren arbeitet. Ein Gehäuse 11 trägt einen
(nicht dargestellten) Betätigungsmechanismus,
der in einer in dem vorstehend erwähnten italienischen Patentanmeldung
Nr. MI97A 001564 und der U.S. Patentanmeldung Serial No. 09/108,684
beschriebenen Weise arbeitet, um den Kontaktarm 12 zwischen
einer offenen und einer geschlossenen Position zur Abtrennung eines
geschützten
Stromkreises zu drehen. Bewegbare Kontakte 13, 14 auf
dem Kontaktarm 12 liegen an stationären Kontakten 15, 16 auf
einer Netzklemme 18 und einer Lastklemme 18 an.
Unter Ruhebetriebsbedingungen fließt der elektrische Strom durch
die Netzklemme 17, den stationären Kontakt 15, den
bewegbaren Kontakt 13, den Kontaktarm 12, den
bewegbaren Kontakt 14, den stationären Kontakt 16 und
die Lastklemme 18. Die Netzklemme 17 stellt eine
elektrische Verbindung zwischen der externen Stromquelle und den
Trennschalter-Innenkomponenten her. Ein (nicht dargestellter) Lastanschluss
stellt eine Einrichtung zum elektrischen Verbinden des geschützten Stromkreises
mit der Lastklemme 18 bereit. Das Schwenken des Kontaktarms 12 während eines
Kurzschlussüberstromzustandes
wird in der vorstehend erwähnten
italienischen Patentanmeldung Nr. MI97A 001564 und der U.S. Patentanmeldung
Serial No. 09/108,684 beschrieben. Diese Aktion erzeugt einen (nicht
dargestellten) elektrischen Lichtbogen, der zu Lichtbogenlöschkammern 19, 20 hin
mit einer endgültigen
Löschung
durch Auslassöffnungen 21, 22 hindurch
gerichtet ist. Die Öffnungsgeschwindigkeit
des Kontaktarms 12 wird mittels Schlitzmotoren 23, 24 verbessert.
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Erste Ausführungsform
mit Polymer-Strombegrenzer
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Ein
kompakter strombegrenzender Trennschalter 40 ist in 2 dargestellt,
wobei gleiche Bezugszeichen bezüglich 1 entsprechende
Teile bezeichnen. Die Lastklemme 18 ist mit einer ersten Elektrode 41 verbunden,
welche an einer Seite des Polymerleiters 42 anliegt und
von einer in das Gehäuse 11 integrierten
Halterung 45 gehalten wird. Die andere Seite des Polymerleiters 42 wird
gegen eine zweite Elektrode 43 mittels einer Feder 44 gedrückt, welche
innerhalb des Gehäuses 11 gehaltert
ist. Die zweite Elektrode 43 ist elektrisch mit dem Kontaktarm 12 mittels
einer Litze 46 verbunden. Das Öffnen des Kontaktarmes 12 erzeugt
einen elektrischen Lichtbogen zwischen dem bewegbaren Kontakt 13 und
dem stationären
Kontakt 15 der magnetisch zur Lichtbogenlöschkammer 19 hin
getrieben wird, und leitet auch den Überstrom von dem beweg baren
Kontakt 14 und dem stationären Kontakt 16 in
den die erste Elektrode 41, den Polymerleiter 42,
die zweite Elektrode 43 und die Litze 46 umfassenden
Strompfad über.
Der übergeleitete
Strom wird rasch durch die Wirkung des Polymer-Strombegrenzers, welcher in der in dem
vorstehenden U.S. Patentanmeldung Serial No. 08/797,152 beschriebenen
Weise arbeitet, gedämpft.
Der restliche gedämpfte
Strom wird schließlich
durch die Lichtbogenlöschkammer 19 gelöscht, wobei
ein reduzierter Ausstoß durch
die Auslassöffnung 21 ausgegeben
wird. Die Öffnungsgeschwindigkeit
des Kontaktarms 12 wird mittels Schlitzmotoren 23, 24 verbessert.
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Abmessungen d1 und d2 in 2 können gemäß Anwendungsanforderungen
festgelegt werden. Für
einen gegebenen Rotationswinkel des Kontaktarmes 12 in
der OFFEN-Position erzeugt ein Zustand, in welchem d1 > d2 ist, einen größeren Spannungsabfall
in dem Polymer-Strombegrenzer 47, der typischerweise für einen
hohen Kurzschlussüberstrom
erforderlich ist, und ein Zustand, in welchem d1 ≤ d2 ist, erzeugt einen größeren Spannungsabfall
in der Lichtbogenlöschkammer 19,
welcher typisch für einen
niedrigen Kurzschlussüberstrom
erforderlich ist.
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Zweite Ausführungsform
mit einem Polymer-Strombegrenzer und einem Lichtbogen-Gaspuffer
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Der
kompakte strombegrenzende Trennschalter 40 von 2 ist
in 3 mit dem Zusatz eines Lichtbogen-Gaspuffers 48 wiedergegeben,
wobei ähnliche
Teile gleichen Teilen mit Ausnahmen von zur Verdeutlichung weggelassenen
Bezugszeichen entsprechen. Details des Lichtbogen-Gaspuffers 48 sind
am Besten zu sehen, wenn die 3, 4 und 5 zusammen
betrachtet. Ein durch die äußere Struktur
des Gehäuses 11 und
die Barriere 59 gebildeter Gaskanal 49 verbindet
eine erste Öffnung 50, welche
in 4 auch mit 50a–50h bezeichnet ist,
mit einer zweiten Öffnung 51 unter
Ermöglichung
des Transport von unter Druck stehendem Gase aus dem Bereich 60,
der den aus der ersten Elektrode 41, dem Polymerleiter 42,
der zweiten Elektrode 43 und einer Druckeinrichtung, wie
zum Beispiel eine Feder 44 und einen Halter 45 bestehenden
Polymer-Strombegrenzer 47 enthält, zu einem Bereich hinter
dem bewegbaren Kontakt 14 und dem stationären Kontakt 16,
wenn der Polymer-Strombegrenzer 47 einen Schaltvorgang
gemäß Beschreibung
in der vorstehend erwähnten
U.S. Patentanmeldung Serial No. 08/797,152 durchmacht. Im wesentlichen
tritt der Schaltvorgang des Polymer-Strombegrenzers 47 während eines
Kurzschluss-Überstromzustandes auf,
wodurch das Öffnen
des Kontaktarmes 12 den Überstrom auf den Polymer-Strombegrenzer 47 überleitet,
was zu einer Widerstandserwärmung
an der Grenzfläche
des Polymerleiters 47 und entweder der ersten Elektrode 41 oder
der zweiten Elektrode 42 oder beiden führt, was eine rasche thermische Ausdehnung
und Verdampfung des Polymerleiters 42 bewirkt. Dieses Oberflächenabtragsphänomen baut
eine stufenartige Veränderung
im Stromkreiswiderstand aufgrund der Widerstandsnatur des nun gasförmigen Polymerbinders
auf und wird als Umschalten bezeichnet, das heißt, als Umschalten aus dem
niedrigen Widerstand in den hohen Widerstand, und unterscheidet
sich eindeutig von den von (PTCR) Widerständen mit positiven Temperaturkoeffizienten des
Widerstandswertes, welche eine Volumenwiderstandserhitzung nutzen,
um eine Volumenmaterialänderung
zum Erzeugen einer Volumenwiderstandsänderung zu bewirken. Die Verdampfung
des Polymerleiters 42 bewirkt, dass der Bereich 60 unter Druck
gesetzt wird. Die Gasströmung
verläuft
dann aus einem Bereich mit relativ hohem Druck im Bereich 60 in
der Nähe
der ersten Öffnung 50 zu
einem Bereich mit relativ niedrigem Druck in der Nähe der zweiten Öffnung 51.
Die Geschwindigkeit der aus der zweiten Öffnung 51 austretenden
Gasströmung
wird durch die Verringerung der Gasströmungs-Querschnittsfläche von
der ersten Öffnung 50 zu
der zweiten Öffnung 51 verbessert.
Während
dieses Ereignisses hat sich der Kontaktarm 12 wenigstens
teilweise gedreht, um einen Kontaktspalt zwischen dem bewegbaren
Kontakt 14 und dem stationären Kontakt 16 zu
erzeugen. Das unter Druck stehende Gas, welches aus der zweiten Öffnung 51 ausgestoßen wird, expandiert
in den Bereich zwischen dem bewegbaren Kontakt 14 und dem
stationären
Kontakt 16, um effektiv die Durchschlagsfestigkeit des
Kontaktspalts und außerdem
die rasche Dämpfung
des Überstroms durch
die Wirkung des Polymerstrombegrenzers gemäß vorstehender Beschreibung
zu verbessern. Die Zunahme im lokalen Druck zwischen dem Kontaktspalt,
oder die Entfernung von Verschmutzungen aus dem Innenbereich des
Kontaktspaltes oder der Kühleffekt
des Hochgeschwindigkeitsgases innerhalb des Kontaktspaltes oder
jede Kombination davon, dienen alle dazu die Durchschlagfestigkeit
des Kontaktspaltes zu erhöhen.
Die verbesserte Durchschlagfestigkeit über dem Kontaktspalt ermöglicht es
dem Polymer-Strombegrenzer
größeren Spannungen
zu widerstehen, ohne eine Lichtbogenüberschlag über dem Kontaktspalt zu entwickeln,
und dadurch einen erheblichen Überstromstoß zu verhindern,
der nachgeschaltete Geräte
in dem geschützten
Stromkreis beschädigen
könnte.
Der gedämpfte
Reststrom wird durch die Wirkung des offenen Kontaktspaltes zwischen
dem stationären
Kontakt 15 und dem bewegbaren Kontakt 13 und die
Lichtbogenlöschkammer 19 in
gleicher Weise, wie in der vorstehend Beschriebenen gelöscht.
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Dritte Ausführungsform
mit Polymer-Strombegrenzer und Kontaktspaltblende
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Der
kompakte strombegrenzende Trennschalter 40 von 2 ist
teilweise in 6 mit dem Zusatz einer Kontaktspaltblende 53 und
Führung 54 wiedergegeben,
wobei Details zur Verdeutlichung weggelassen sind. Ähnliche
Teile zwischen 2 und 6 entsprechen ähnlichen
Teilen mit Ausnahmen von zur Verdeutlichung weggelassenen Bezugszeichen.
Die Blende 53 besitzt ein erstes Ende, oder eine Isolationsbarriere, 53a,
welche mit einer in dem Gehäuse 11 ausgebildeten
Führung 54 zusammenarbeitet,
ein zweites Ende 53b, welches einen Schenkel 53d angrenzend
an den Kontaktarm 12 aufweist und einen Anker 53c,
welcher drehbar mit dem Kontaktarm 12 verbunden ist. Die
Führung 54 besitzt
eine erste Oberfläche 55,
welche eine Tasche 57 ausbildet, die sich in die und aus
der Ebene des Papiers und auf jeder Seite des stationären Kontaktes 16 erstreckt,
in welcher der stationäre
Kontakt 16 positioniert ist, und eine zweite Oberfläche 56,
welche eine Öffnung 58 ausbildet,
die sich in die und aus der Ebene des Papiers und auf der anderen
Seite des stationären
Kontaktes 16 erstreckt, durch welche der bewegbare Kontakt 14 während des Öffnens oder
Schließen
des Kontaktarmes 12 hindurchtritt. Der Anker 53c der
Blende 53 ist auf dem Kontaktarm 12 positioniert,
um effektiv die Verschiebung der Blende 53 innerhalb der
Führung 54 während des Öffnens oder
Schließens
des Kontaktarmes 12 zu fördern. Während eines Überstromzustandes,
in welchem der Kontaktarm 12 in einer vorstehend beschriebenen
Weise öffnet,
erzeugt eine Drehung des Kontaktarmes 12 im Uhrzeigersinn
um den Mittelpunkt des Gelenkes 12 eine Winkelverschiebung
des Ankers 53c mit einer erheblichen horizontalen Komponente.
Somit verschiebt sich, wenn sich der Kontaktarm 12 öffnet, um
einen Kontaktspalt zu erzeugen, die Blende 53 innerhalb
der Führung 54,
um den sich entwickelnden Kontaktspalt in zwei Bereiche zu teilen.
Erste und zweite Oberflächen 55, 56 der
Führung 54 arbeiten
mit dem ersten Ende 53a der Blende 53 zusammen
und die Verschiebungsbewegung der Blende 53 innerhalb der
Führung 54 zu
begrenzen. Ein effektive Zweiteilung des Kontaktspaltes zwischen
dem bewegbaren Kontakt 14 und dem stationären Kontakt 16 findet
statt, wenn das erste Ende 53a der Blende 53 sich
ausreichend verschoben hat, um vollständig sowohl die Tasche 57 in
der ersten Oberfläche 55 als
auch die Öffnung 58 in
der zweiten Oberfläche 56 abzudecken.
Die Breiten- und Längenabmessungen
des ersten Endes 53a der Blende 53 sind geeignet
bemessen, um eine vollständige
Abdeckung sowohl der Tasche 57 als auch der Öffnung 58 sicherzustellen,
wenn der Kontaktarm 12 vollständig offen ist, um dadurch
die Durchschlagsfestigkeit des Kontaktspaltes zu verbessern und
die rasche Dämpfung
des Überstroms
durch die Wirkung des Polymer-Strombegrenzers, wie vorstehend beschrieben,
voranzubringen. Die Platzierung der Isolationsbarriere zwischen
dem bewegbaren Kontakt 14 und dem stationären Kontakt 16 dient
zur Vergrößerung der
Pfadlänge,
den ein Lichtbogen durchlaufen muss, um den Polymer-Strombegrenzer
zu umgehen, und dadurch effektiv zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit
des Kontaktspaltes. Der gedämpfte Reststrom
wird durch die Wirkung des offenen Kontaktspaltes zwischen dem stationären Kontakt 15 und dem
bewegbaren Kontakt 13 und die Lichtbogenlöschkammer 19 (2)
in gleicher Weise, wie in der vorstehend Beschriebenen gelöscht.