EP1384240A1

EP1384240A1 - Verfahren zum betreiben eines schaltgerätes mit einem zuschaltbaren strombegrenzer und zugehörige anordnung

Info

Publication number: EP1384240A1
Application number: EP02761863A
Authority: EP
Inventors: David Walter Branston; Fritz Pohl; Karl-Hans BÄRNKLAU; Christian Schreckinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2004-01-28
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JP4467887B2; US20040150932A1; JP2004529469A; CN1509484A; DE10118746A1; WO2002084688A1; DE10118746B4; DE50210638D1; EP1384240B1; US7259944B2; CN1248253C

Abstract

Bekannt ist beispielsweise ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsschalters mit wenigstens einer Hauptstrombahn und zugeordnetem Nebenstrompfad mit Lichtbogenlöscheinrichtung. Dabei kann ein Strombegrenzer verwendet werden, welcher bei hoher Strombelastung vom Nichtstrombegrenzungsbetrieb in den Strombegrenzungsbetrieb schaltet. Gemäss der Erfindung sind Massnahmen zur Rückstellung des Strombegrenzers beim Übergang vom Strombegrenzungsbetrieb in den Nichtstrombegrenzungsbetrieb vorgesehen. Speziell bei Leistungsschaltern sind Massnahmen zur Verhinderung einer Rückkommutierung des Lichtbogens vom Nebenstrompfad auf die Hauptstrombahn und/oder Massnahmen zur Rückstellung des Strombegrenzers bei Rückkommutierung des Lichtbogens vorgesehen. Bei einer zugehörigen Anordnung zur Ausführung des Verfahrens sind Mittel (30 bis 50) im Leistungsschalter (20) und/oder Strombegrenzer (1) zur Verhinderung eines Schaltversagens von im Nebenstrompfad des Leistungsschalters (20) angeordneten Strombegrenzer (1) vorhanden. Insbesondere der Strombegrenzer kann ein PTC-Limiter (1) sein.

Description

Beschreibung

Verfahren zum Betreiben eines Schaltgerätes mit einem zuschaltbaren Strombegrenzer und zugehörige Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltgerätes mit einem zuschaltbaren Strombegrenzer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Als Schaltgerät werden dabei insbesondere Leistungsschalter oder Schütze, ggf. auch Halbleiterschalter od. dgl . , verstanden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 8.

Schaltgeräte schützen elektrische Netze und Verbraucher im Kurzschlussfall durch den raschen Aufbau einer ausreichend hohen Schaltspannung, wodurch der Kurzschlussstrom begrenzt und nach kurzer Dauer abgeschaltet wird. Zur Steigerung der Strombegrenzung kann durch eine Reihenschaltung des Schaltge- rätes mit einem separaten Strombegrenzer, einem sog. Limiter, die genutzte Schaltspannung erhöht werden. Nach dem Stand der Technik ist der Limiter hierzu in den Hauptstromkreis geschaltet, so dass er sowohl im Normalbetrieb wie bei einem Kurzschluss ständig vom Laststrom durchflössen ist.

Für Limiter gibt es unterschiedliche technische Lösungen. Neben konventionellen mechanischen Schaltern, welche Schaltlichtbögen erzeugen, werden PTC-Limiter zur Strombegrenzung eingesetzt, bei denen im Schaltfall der Spannungsaufbau durch eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes des Limitermate- rials und/oder durch eine Gasentladung mit hoher Brennspannung erzeugt wird.

PTC-Limiter haben gegenüber mechanischen Schaltern den Vor- teil eines sehr schnellen Aufbaus der Schaltspannung. Nachteilig ist der größere elektrische Kaltwiderstand, wodurch im Nennbetrieb der Nennstrom begrenzt werden uss, um eine unzu- cυ cυ M P" P¹ cπ o CJi o ( l o Cn

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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst und speziell für einen Leistungsschalter mit Lichtbogenlöscheinrichtung durch die Maßnahmen des Patentanspruches 2. Eine zugehörige Anordnung ist im An- spruch 8 angegeben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Anordnung. Insbesondere sind in den Sachansprüchen vorteilhafte Ausbildungen des speziell als PTC-Limiter ausgebildeten Strombegrenzers einerseits und/oder des als Leistungsschalter aus- gebildeten Schaltgerätes andererseits angegeben.

Mit der Erfindung wird insbesondere die funktioneile Sicherheit einer Kombination speziell aus Leistungsschalter und Limiter im Nebenstromkreis realisiert. Die Erfindung ist aber auch auf andere Schaltgeräte und Strombegrenzer anwendbar.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan- Sprüchen. Es zeigen

Figur 1 die Kombination eines Leistungsschalters mit einem

Strombegrenzer im Nebenstrompfad des Leistungsschalters, Figur 2 einen als PTC-Limiter ausgebildeten Strombegrenzer,

Figur 3 das Profil der Elektroden und des Widerstandskörpers im PTC-Limiter gemäß Figur 2,

Figur 4 eine graphische Darstellung des Widerstandes in Abhängigkeit von der Zeit bei einer Anordnung gemäß Fi- gur 2 und 3,

Figur 5 einen symmetrisch aufgebauten Leistungsschalter mit Schaltbrücke und Limiterzusatz,

Figur 6 einen Ausschnitt aus Figur 5 mit Schaltkammern des doppelunterbrechend ausgebildeten Leistungsschalters und

Figur 7 die Draufsicht auf die äußeren Leitschienen der Schaltkammern mit Durchbrüchen. In den Figuren haben gleiche bzw. gleich wirkende Teile gleiche Bezugszeichen. Es werden im Wesentlichen zwei erfindungsgemäße Maßnahmen beschrieben, durch die einzeln oder in Kom- bination das Problem des Schaltversagens von PTC-Limitern im Nebenstrompfad von Leistungsschaltern vermieden werden kann.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung eines Limiters im Nebenstrompfad eines Leistungsschalters, wie sie beispielhaft in der EP 0 657 062 Bl gezeigt ist.

In Figur 1 enthält ein strombegrenzender Leistungsschalter 20 wenigstens zwei Kontakte 22 und 23, von denen mindestens einer beweglich ausgebildet ist und über ein Schaltschloss 24 geöffnet und geschlossen werden kann, das von einem thermischen und/oder magnetischen Auslöser 25 bzw. 26 auslösbar ist. Jedem Kontakt 22 und 23 ist eine Lichtbogenlaufschiene 27 und 27 ^λ zugeordnet, die einen Vorkammerbereich 28 umschließen und in eine Löschkammer 21 mit einer Vielzahl von Löschblechen 29 zur Lösung eines in Figur 1 nicht dargestellten Lichtbogens einmünden. Nach Zündung von Lichtbogenfußpunkten wandert der Lichtbogen auf den Laufschienen 27 bzw. 27 ^λ in eine Löschkammer 17 mit Löschblechen 29, wo eine zur Strombegrenzung und Bogenlöschung ausreichend hohe Bogenspan- nung aufgebaut wird.

Bei sehr hohen Kurzschlussströmen, z.B. I_κ = 50 bis 100 KA, reicht der Bogenspannungsanstieg nicht mehr aus, um den Durchlassstrom des Schalters auf unkritische Werte zu begren- zen. Es kann dann zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Schaltgerätes kommen. Zur Vermeidung dieser unerwünschten Folgen ist in Figur 1 dem Leistungsschalter 20 im Nebenstrompfad ein Limiter 1 vorgeschaltet.

Der Limiter 1 ist ein strombegrenzendes Element, das entsprechend der EP 0 657 062 Bl nicht in den Hauptstrompfad geschaltet ist, sondern mit der Zuleitung zu einer Lichtbogen- laufschiene 27 einen Nebenstrompfad im Schaltgerät 20 bildet. Der Nebenstrompfad für einen Kommutierungsstrom I_k0m ist in der Figur 1 als paralleler Stromzweig zu einer Hauptstrombahn für einen zuschaltenden Strom i definiert. Er ist dann strom- durchflössen, wenn der Lichtbogen durch Zünden eines Fußpunktes auf dieser Laufschiene ansetzt.

Der Limiter 1 gemäß Figur 1 ist vorteilhafterweise als PTC- Limiter ausgebildet. Ein derartiger PTC-Limiter 1 ist in Fi- gur 2 schematisch dargestellt. Er besteht aus zwei planaren Elektroden 10, zwischen denen ein Widerstandskörper 5 aus geeignetem Material unter Beaufschlagung durch eine Kraft K eingeklemmt ist. Der Widerstandskörper 5 hat Oberflächen 2 und 3 und die Elektroden 10 haben Oberflächen 11. Die Funkti- onsweise eines solchen PTC-Limiters zur Strombegrenzung ist in der EP 0 657 062 Bl im Einzelnen erläutert.

Aus Figur 3 ist ersichtlich, dass die Flächenelektrode 10 anstatt einer glatten Oberfläche 11 eine Profilierung 15 hat, die beispielsweise eine Rechteckstruktur mit einer Stegbreite b und einer Steghöhe h aufweist. Die Stegbreite b kann zwischen 0,1 und 1 mm und die Steghöhe h ebenfalls zwischen 0,1 und 1 mm liegen. Insbesondere haben Stegbreite b und Steghöhe h die gleiche Größenordnung, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,6 mm. Der Widerstandskörper 5 hat an beiden Oberflächen 2 und 3 eine komplementäre Profilierung 7. Über die Profilierungen 7 und 15 sind der Widerstandskörper 5 und die Flächenelektroden 10 unlösbar miteinander verbunden.

In anderer Ausbildung als Figur 3 können die Profilierungen 7 bzw. 15 auch einen Neigungswinkel gegen die Oberfläche der Flächenelektrode haben. Die Ausbildung der Profilierung hat Einfluss auf die Funktionsweise des PTC-Limiters 1.

In der Figur 4 ist ein Schaltoszillogramm des PTC-Limiters 1 mit Profilierungen 15 an den Elektroden 10 und komplementärem Oberflächenprofil 7 des PTC-Widerstandskörpers 5 dargestellt, co o r-υ M P¹ P¹

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Wie erwähnt, zeigt Figur 6 die Schaltbrücke in Öffnungsstellung, bei welcher der Abstand zwischen Brückenkontakten 23, 23 ^x und Festkontakten 22, 22 ^λ deutlich größer ist, als der Abstand der Leitschienen 36, 36 zu den Festkontakten. Da- durch wird eine die Bogenkommutierung unterstützende Spannungsdifferenz der Bogenbrennspannung erzeugt, die eine Rückkommutierung des Lichtbogens erschwert.

Durch die abschirmende Geometrie der Leitschienen 36, 36 ^λ wird verhindert, dass Bogenplasma aus den Löschblechkammern 21, 21 ^λ oder den Vorkammerbereichen 28, 28 ^λ direkt auf die Schaltbrücke 32 strömen kann und Überschläge von der Schaltbrücke 32 zu den Leitschienen 36, 36 ^λ oder zu den Festkontakten 23, 23 ^λ auslöst.

Aus der Figur 7 wird deutlich, dass die Schaltbrücke 32 bei der Öffnungsbewegung durch den Durchbruch 38, 38 ^λ der Leitschienen 36, 36 ^Λ hindurchgeführt wird. Durch die gewählte Geometrie wird bekannterweise ein Magnetfeld aufgebaut, durch welches der bzw. die Lichtbogen an die Ausschnittkante getrieben und aufgeteilt wird. Der Brückenträger 45 zur Bewegung der Schaltbrücke 32 dient gleichzeitig zur elektrischen Isolation zwischen beiden Schaltkammern des doppelunterbrechenden Leistungsschalters 20.

Speziell bei dem anhand der Figuren 5 bis 7 beschriebenen Beispiel ist der Leistungsschalter als Einzelschaltgerät mit Anschlussmöglichkeit eines Limiters konzipiert. Die Anschlussstelle des Limiters ist hierzu durch eine Leitschie- nenbrücke verbunden. Bei der Kombination von Leistungsschalter und Limiter ist bei Bedarf eine mechanische Verlängerung 52 zur Ein- Ausschaltbetätigung des Leistungsschalters vorgesehen.

Anstatt des Anbaus des Limiters an den Leistungsschalter, kann eine Hochstromversion des Leistungsschalters mit in das Schaltergehäuse integriertem Limiter vorgesehen sein. co t t P¹ P¹ o Cπ o cπ o cπ d< CL 3 o 3 CL 01 cn CΛ N CD CL d pς ∑: s: -3 CΛ ^ 01 CL φ P- CΛ t→

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Schaltgerätes, beispielsweise Leistungsschalters, Schütz, Halbleiterschalter od. dgl., mit wenigstens einer Hauptstrombahn und zugeordnetem Nebenstrompfad, wobei mit einem zuschaltbaren Strombegrenzer (Limiter) bei hoher Strombelastung vom Nichtstrombegrenzungs- betrieb in den Strombegrenzungsbetrieb geschaltet und eine Schaltspannung aufgebaut wird, g e k e n n z e i c h n e t durch Maßnahmen zur Rückstellung des Strombegrenzers beim

Übergang vom Strombegrenzungsbetrieb in den Nichtstrombegren- zungsbetrieb.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Schaltgerät ein Leistungsschalter mit einer Löscheinrichtung für einen Lichtbogen verwendet wird und wobei der Strombegrenzer im Nebenstrompfad des Leistungsschalters mit Leitschienen und einer Löschkammer für den Lichtbogen angeordnet wird, g e k e n n z e i c h n e t durch Maßnahmen zur Verhinderung einer Rückkommutierung des Lichtbogens vom Nebenstrompfad auf die Hauptstrombahn und/oder Maßnahmen zur Rückstellung des Strombegrenzers bei Rückkommutierung des Lichtbogens.

3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass der Lichtbogen durch Kommutierung von der Hauptstrombahn auf den Nebenstrompfad gleichermaßen die Hauptstrombahn ausschaltet und der Nebenstrompfad einschaltet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Bogenkommutieren des Lichtbogens in die Schaltkammer keine Strombegrenzer-Schaltspannung überwunden werden muss.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Leis- tungsschalter ein doppelunterbrechender Leistungsschalter mit zwei Schaltkammern pro Schaltpol gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Strombegrenzer ein PTC-Limiter verwendet wird, dessen Rückstellwiderstand bei Rückstellung in den Nichtstrombegrenzungs- betrieb in Abhängigkeit vom Durchlassstrom und der maximalen Kommutierungsspannung gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche g e k e n n z e i c h n e t durch die Einbindung des Schaltgerätes einschließlich des Strombegrenzers in eine Schaltanlage mit Mitteln zur Kommunikation von Schaltzuständen des Schaltgerätes und/oder Eigenschaften der Schaltkontakte.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 7, mit einem Schaltgerät, das Schaltkontakte und diesen zugeordnete Lichtbogenleitschienen und eine Löschkammer umfasst und mit einem Strombegrenzer im Nebenstrompfad des Schaltgerätes, g e k e n n z e i c h n e t durch Mittel im Schaltgerät (20) und/oder Strombegrenzer (1) zur Verhinderung eines Schaltversagens vom im Nebenstrompfad des Leistungsschalters (20) angeordneten Strombegrenzer (1) .

9. Anordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Strombegrenzer ein PTC-Limiter (1) ist, bei dem ein Widerstandskörper (5) aus elektrisch leitfähig gemachten Polymer zwischen zwei metallischen Elektroden (10) unter Druck angeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der PTC-Limiter (1) profi- lierte Elektroden (10, 15) und komplementäre Oberflächenprofile (7) im Widerstandskörper (5) aufweist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Profiltiefe der Elektroden (10) zwischen 1/10 mm und 5/10 mm beträgt.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Profilflanken zur Elektrodenoberfläche (11) geneigt sind.

13. Anordnung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass sich gegenüberstehenden Profilflanken der Elektrode zur Elektrodenoberfläche konisch geneigt sind.

14. Anordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Strombegrenzer (1) an einer Verbindungsstelle der beiden äußeren Leitschienen (36, 36^λ) des Leistungsschalter (20) angeschlossen ist.

15. Anordnung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Strombegrenzer (1) dann stromdurchflossen ist, wenn in beiden Schaltkammern des Leistungsschalters (20) der Lichtbogenansatz vom Brückenkontakt (23, 23 ^λ) auf die benachbarte Leitschiene (36, 36 ^Λ) kommu- tiert ist.

16. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Maßnahme zur Verhinderung der Bogenrückkommutierung die Leitschienen (36, 36 ^λ) die Brückenkontakte (23, 23 ^Λ) gegen die Löschblech- kammern (21, 21^λ) und den Vorkammerbereiche (28, 28 ^λ) abschirmen.

17. Anordnung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schaltbrücke (32) des Leistungsschalters (20) derart ausgebildet ist, dass in der Öffnungsstellung der Schaltbrücke (32) der Abstand zwischen Brückenkontakt (23, 23 ) und Festkontakt (22, 22 ^λ) größer ist als der Abstand der Leitschiene (36, 36 ^Λ) zum Festkontakt (22, 22^λ) .

18. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch die abschirmende Geometrie der Leitschienen (36, 36 ) eine Anströmung von Bogenplasma aus der Löschblechkammer (21, 21 ) oder dem Vorkammerbereich (28, 28 ) auf die Schaltbrücke (32) verhindert wird.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Brückenträger (45) zur Bewegung der Schaltbrücke (32) auch zur elektrischen Isolation zwischen den beiden Schaltkammern (21, 21 ^x) des Leistungsschalters (20) dient.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Schaltgerät als ein Einzelschaltgerät (20) mit Anschlussmöglichkeit für den Strombegrenzer (1) ausgebildet ist.

21. Anordnung nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Anschlussstelle des Strombegrenzers (1) am Schaltgerät (20) durch eine Leit- schienenbrücke (39) verbunden ist.

22 Anordnung nach Anspruch 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei Anschluss des Strombegrenzers (l)im Nebenstromkreis die Leitschienenbrücke (39) durch den Strombegrenzer (1) ersetzt wird.

23. Anordnung nach Anspruch 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Strombegrenzer (1) in einem eigenen Gehäuse (50) angeordnet ist.

24. Anordnung nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Strombegrenzergehäuse (50) an das Schaltgerätegehäuse (20) anbaubar ist.

25. Anordnung nach Anspruch 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Gehäuse (50) des Strombegrenzers (1) eine mechanische Verlängerung (52) zur Ein/Ausschaltbetätigung des Schaltgerätes (20) vorgesehen ist .