EP0025918A1

EP0025918A1 - Strombegrenzer

Info

Publication number: EP0025918A1
Application number: EP80105295A
Authority: EP
Inventors: Wilfried Dipl.-Phys. Haas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-09-17
Filing date: 1980-09-04
Publication date: 1981-04-01
Also published as: US4367508A; DK393280A; DE2937490A1; JPS5652825A; EP0025918B1

Abstract

Strombegrenzer, der in Reihe mit einem Leistungsschalter in einem Stromkreis angeordnet ist und in axialer Richtung relativ zueinander bewegliche Kontakte (2,4) enthält, von den einer mit einer Druckfeder(8) versehen ist. Es ist eine Druckfeder (8) mit nichtlinearer Federcharakteristik vorgesehen. Der Strombegrenzer hat einen einfachen Aufbau und wird im Kurzschlußfall wegen der zunächst geringen Federkraft durch die Stromengekräfte geöffnet. Mit zunehmendem Kontaktweg nimmt auch die Federkraft entsprechend zu, so daß die mechanische Beanspruchung des Schalters gering ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strombegrenzer mit in axialer Richtung relativ zueinander beweglichen Kontakten, von denen einer mit einer Druckfeder versehen ist, deren Federkraft gegen die axiale Öffnungskraft des Kontaktes wirkt, und mit einer Lichtbogenkammer, deren Wände aus gasabgebendem Material bestehen. Solche Strombegrenzer können in Reihe mit einem Leistungsschalter im Stromkreis angeordnet werden.
Eine bekannte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Strombegrenzung enthält axial zueinander angeordnete und relativ zueinander bewegliche Schaltkontakte. Die Kontaktenden sind von einem hohlzylindrischen Isolierstoffkörper umgeben, dessen Wände aus bei erhöhter Temperatur gasabgebendem Material bestehen. Eine koaxial zu einem der Kontakte angeordnete Druckfeder liefert die Andruckkraft bei geschlossenen Kontakten und ist zugleich als elektrodynamischer Antrieb für die Kontaktöffnung vorgesehen. Überschreitet die Stromstärke einen vorgegebenen Wert, so zieht sich die vom Strom durchflossene Druckfeder unter der Wirkung ihrer magnetischen Kräfte zusammen und die Kontakte öffnen. Durch den entstehenden Lichtbogen werden aus den Kammerwänden Gase ausgelöst, die den Druck in der Kammer erhöhen. Nach einem vorbestimmten Öffnungsweg der Kontakte kann das Gas in ein erweitertes Kammervolumen abströmen, das mit Austrittsöffnungen für das Gas versehen ist. Der Druckanstieg und der zunehmende Kontaktabstand bewirkt die zur Strombegrenzung erforderliche Erhöhung der Lichtbogenspannung. Die Herstellung und Dimensionierung der Druckfeder, die den Nennstrom führen muß, ist jedoch aufwendig (Schweizerische Patentschrift 566 640).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Vorrichtung zur Strombegrenzung zu verbessern, insbesondere soll der Aufwand für die Vorrichtung und die mechanische Beanspruchung bei der Kontaktöffnung vermindert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Druckfeder mit nichtlinearer Federcharakteristik vorgesehen ist, deren Federkontakte mit zunehmendem Öffnungsweg der Kontakte ansteigt. Die Druckfeder kann vorzugsweise aus ringförmigen Tellerfedern bestehen, es sind jedoch beispielsweise auch konische Spiralfedern geeignet. Bei geschlossenen Kontakten ist die Andruckkraft der Feder gering, so daß bei einer Stromerhöhung auf einen mehrfachen Betrag des Nennstromes, beispielsweise im Kurzschlußfall bei etwa 30-fachem Nennstrom, die Kontakte schon durch die auftretenden Stromengekräfte geöffnet werden. Der entstehende Lichtbogen brennt in einem Kanal, dessen Durchmesser nicht wesentlich größer ist als der Durchmesser des beweglichen Kontaktes und über den Öffnungsweg dieses Kontaktes wenigstens annähernd gleich bleibt. Die Innenwand des Lichtbogenkanals besteht aus elektrisch isolierendem Material, das bei erhöhter Temperatur Gas abgibt, beispielsweise aus einem gasabgebenden Kunststoff, insbesondere einem aus Polytetrafluoräthylen abgeleiteten Fluorkunststoff (Teflon). Infolge der Verdampfung von Kanalwandmaterial treten hohe Druckkräfte auf, die eine weitere schnelle Kontaktöffnung bewirken. Durch den Druckaufbau und die Kühlung infolge Wandmaterialverdampfung erhält man Lichtbogenfeldstärke von wenigstens einigen 100 V/cm, insbesondere wesentlich mehr als 500 V/cm. Mit zunehmendem Öffnungsweg der Kontakte wird auch die Federkraft entsprechend erhöht, die als Bremskraft gegen die Öffnungskraft der Kontakte wirkt. Die Stoßbeanspruchung des Gehäuses der Vorrich-. tung beim Öffnen der Kontakte ist somit entsprechend gering.
Um den Strombegrenzer vor unzulässiger Druckbeanspruchung zu schützen, kann der Lichtbogenkanal mit Ausblasöffnungen für das aus der Kanalwand ausgelöste Gas versehen werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Strombegrenzers nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
In der Figur sind zwei stromführende Kontakte mit 2 und 4 bezeichnet, die axial zueinander angeordnet und an ihren einander gegenüberstehenden Enden jeweils mit einer Kontaktauflage 3 bzw. 5 versehen sind. Der Kontakt 4 ist mit einem in der Figur nicht näher bezeichneten Flansch versehen, auf den ein hohlzylindrisches Gehäuse 6 aufgesetzt ist, das aus einem druckfesten Material, beispielsweise Stahl, besteht und gegen mindestens einen der Kontakte 2 und 4 elektrisch isoliert ist. Durch den nicht näher bezeichneten Deckel des Gehäuses 6 ist der Kontakt 2 hindurchgeführt. Der Kontakt 2 ist ebenfalls mit einem Flansch versehen, der als Anschlag für eine Druckfeder 8 dient, die vorzugsweise aus mehreren,beispielsweise etwa 20 bis 30 Tellerfedern mit in Öffnungsrichtung steigender Federkonstante bestehen kann und im geschlossenen Zustand der Kontakte 2 und 4.nur eine geringe Andruckkraft für die beiden Kontakte liefert. Die Kontakte 2 und 4 sind innerhalb des Gehäuses von einer hohlzylindrischen Auskleidung 10 umgeben, die einen Lichtbogenkanal bildet, der aus einem bei höherer Temperatur gasabgebendem Material besteht und dessen innerer Durchmesser sich über den gesamten Hub des beweglichen Kontaktes 2 sich wenigstens nicht wesentlich ändert.
Bei einem Strombegrenzer für einen Nennstrom von beispielsweise 0,2 kA kann die Andruckkraft der Druckfeder 8 beispielsweise 15 N gewählt werden. 'Bei einer Stromerhöhung auf beispielsweise den 30-fachen Nennstrom öffnen die Kontakte 2 und 4 schon durch die auftretenden Stromengekräfte. Mit zunehmendem Öffnungsweg der Kontakte nimmt auch die Federkraft entsprechend zu, so daß bei einem Öffnungsweg von beispielsweise 10 mm die Federkraft 200 N beträgt. Der Innendurchmesser der Auskleidung 10 kann einige Zehntelmillimeter, beispielsweise etwa-0,2 bis 0,4 mm größer als der Durchmesser der Enden der Kontakte 2 und 4 gewählt werden. Da der Lichtbogen in einem Kanal brennt, aus dessen Wand der Lichtbogen Gas auslöst, treten infolge der Verdampfung Überdrücke auf, die beispielsweise etwa 100 bis 500 bar betragen können. Die entsprechenden Kräfte öffnen den beweglichen Kontakt 2 weiter auf beispielsweise etwa 2 bis 3 cm, wobei die Federkraft weiter ansteigt, beispielsweise bei einem Öffnungsweg von 2 cm auf eine Kraft von 800 N. Diese hohe Federkraft wirkt als Bremskraft gegen die Öffnungskraft der Kontakte, so daß nur eine verhältnismäßig geringe Stoßwirkung des Kontaktes 2 auf den Deckel des Gehäuses 6 auftritt.
In einer besonderen Ausführungsform des Strombegrenzers kann die Lichtbogenkammer mit Öffnungen 12 versehen sein, die als Ausblasöffnungen für die durch den Lichtbogen ausgelöste Gase wirken und den Druck in der Kammer entsprechend begrenzen.
Dem Strombegrenzer kann zweckmäßig noch ein Strombegrenzungswiderstand parallelgeschaltet sein, dessen Widerstandswert beispielsweise 30 mOhm betragen kann. Sobald der Spannungsbedarf am Lichtbogen höher wird als der Spannungsabfall am Strombegrenzungswiderstand, kommutiert der Lichtbogen auf diesen Widerstand. Der Lichtbogen zwischen den Kontakten 2 und 4 in der Kammer des Strombegrenzers erlischt und der im Strombegrenzungswiderstand 14 auf beispielsweise 14 kA begrenzte Kurzschlußstrom wird von einem in der Figur nicht dargestellten in Reihe mit dem Strombegrenzer angeordneten Hauptschalter gelöscht.
Einige Millisekunden, beispielsweise 15 Millisekunden, nach dem Erlöschen des Lichtbogens werden die Kontakte 2 und 4 unter der Wirkung der Druckfeder 8 wieder geschlossen und der Strombegrenzer ist erneut verwendungsfähig.
Im Ausführungsbeispiel ist nur der Kontakt 2 beweglich ausgeführt und mit der Druckfeder 8 versehen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, beide Kontakte 2 und 4 in beweglicher Ausführungsform zu wählen, bei der auch der Kontakt 4 in Achsrichtung beweglich und mit einer weiteren Feder versehen ist. In dieser Ausführungsform erhält man den doppelten Kontakt- öffnungsweg und damit eine entsprechende Erhöhung des Lichtbogenansteigs und der erreichten Lichtbogenspannung.

Claims

1. Strombegrenzer mit in Achsrichtung relativ zueinander beweglichen Kontakten, von denen einer mit einer Druckfeder versehen ist, deren Federkraft gegen die axiale Öffnungskraft der Kontakte wirkt und mit einer Lichtbogenkammer, deren Wände aus gasabgebendem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet , daß eine Druckfeder (8) mit nichtlinearer Federcharakteristik vorgesehen ist.

2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ringförmige Tellerfedern vorgesehen sind.

3. Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Lichtbogenkammer ein Lichtbogenkanal mit über dem Öffnungsweg der Kontakte (2, 4) wenigstens annähernd gleichbleibenden Durchmesser vorgesehen ist.

4. Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Parallelwiderstand (14) vorgesehen ist.