EP1384240B1 - Verfahren zum betreiben eines schaltgerätes mit einem zuschaltbaren strombegrenzer und zugehörige anordnung - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines schaltgerätes mit einem zuschaltbaren strombegrenzer und zugehörige anordnung Download PDF

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EP1384240B1
EP1384240B1 EP02761863A EP02761863A EP1384240B1 EP 1384240 B1 EP1384240 B1 EP 1384240B1 EP 02761863 A EP02761863 A EP 02761863A EP 02761863 A EP02761863 A EP 02761863A EP 1384240 B1 EP1384240 B1 EP 1384240B1
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EP
European Patent Office
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switching
current
limiter
arrangement according
arc
Prior art date
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EP02761863A
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English (en)
French (fr)
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EP1384240A1 (de
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David Walter Branston
Fritz Pohl
Karl-Hans BÄRNKLAU
Christian Schreckinger
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/46—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using arcing horns
    • H01H9/465—Shunt circuit closed by transferring the arc onto an auxiliary electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/42—Impedances connected with contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a switching device with a switchable current limiter according to the preamble of claim 1.
  • a switching device are in particular circuit breakers or contactors, possibly also semiconductor switches od. Like. Understood.
  • the invention also relates to an arrangement for carrying out the method according to the preamble of claim 6.
  • Switching devices protect electrical networks and consumers in the event of a short circuit by rapidly setting up a sufficiently high switching voltage, whereby the short-circuit current is limited and switched off after a short period of time.
  • To increase the current limit can be increased by a series circuit of the switching device with a separate current limiter, a so-called. Limiter, the switching voltage used.
  • the limiter is connected for this purpose in the main circuit, so that it is constantly traversed by the load current both in normal operation as in a short circuit.
  • PTC limiters In addition to conventional mechanical switches, which generate switching arcs, PTC limiters are used for current limiting, in which case the voltage buildup is generated by an increase in the electrical resistance of the limiter material and / or by a gas discharge with high operating voltage.
  • PTC limiters have the advantage over mechanical switches of a very fast build-up of the switching voltage.
  • a disadvantage is the greater cold electrical resistance, which must be limited in rated operation, the rated current to an impermissible Avoid heating of the PTC material, eg by motor starting currents, and to prevent unintentional activation of the limiter.
  • ABB PROLIM a circuit breaker as a switching device and a PTC limiter in the main circuit are electrically connected in series.
  • a possible solution of the nominal current problem is in the EP 0 657 062 B1 described, in which a limiter a circuit breaker in a secondary flow path, which is only temporarily flows through current in case of switching, is switched on.
  • the secondary flow path is formed from the arc guide rails and the quenching chamber and is turned on by the arc commutation of the switching contacts on the guide rails.
  • an electrical switching device with Lichtbogenlöscheinuhgg and current limiting device in the secondary circuit known.
  • the current limiting device is an electromechanical limiter whose contacts open dynamically by the current forces.
  • the PTC resistor and the surge arrester are connected in parallel to the arc quenching device.
  • the short-circuit current is split between the arc quenching device, the PTC resistor and the surge arrester.
  • PTC limiters for current limitation are still out of the EP 0717 876 B1 known. This limiter is intended exclusively as a central limit in electrical distribution.
  • circuit breaker designed as a circuit breaker are specified in the claims, which remindkommuttechniken the switching arc from the secondary flow path to the main flow path can be avoided or limited in their frequency.
  • advantageous embodiments of the specially designed as a PTC limiter current limiter are given, which give a quick recovery of the limiter resistor.
  • the invention is also applicable to other switching devices and current limiters.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the arrangement of a limiter in the secondary current path of a circuit breaker, as they are exemplified in the EP 0 657 062 B1 is shown.
  • a current-limiting circuit breaker 20 includes at least two contacts 22 and 23, of which at least one is movable and can be opened and closed by a switching mechanism 24 which is triggered by a thermal and / or magnetic release 25 and 26 respectively.
  • Each contact 22 and 23 is associated with an arc runner 27 and 27 ', which surround a prechamber region 28 and open into an extinguishing chamber 21 with a plurality of quenching plates 29 for the solution of an arc, not shown in Figure 1.
  • After ignition of arc bases of the arc travels on the rails 27 and 27 'in a quenching chamber 17 with quenching plates 29, where a sufficient current limiting and arc extinction arc voltage is built up.
  • a limiter 1 is connected upstream of the circuit breaker 20 in the secondary current path in FIG.
  • the limiter 1 is a current-limiting element, which corresponds to the EP 0 657 062 B1 is not connected in the main current path, but with the supply line to an arc runner 27 forms a secondary current path in the switching device 20.
  • the secondary current path for a commutation current I com is defined in FIG. 1 as a parallel current branch to a main current path for a switching current i. He then flows through current when the arc attaches by igniting a foot on this track.
  • the limiter 1 according to FIG. 1 is advantageously designed as a PTC limiter.
  • a PTC limiter 1 is shown schematically in FIG. It consists of two planar electrodes 10, between which a resistance body 5 of suitable material is clamped under the action of a force K.
  • the resistance body 5 has surfaces 2 and 3 and the electrodes 10 have surfaces 11.
  • the operation of such a PTC limiter for current limiting is in the EP 0 657 062 B1 explained in detail.
  • the surface electrode 10 instead of a smooth surface 11 has a profiling 15, for example, has a rectangular structure with a web width b and a web height h.
  • the web width b can be between 0.1 and 1 mm and the web height h also between 0.1 and 1 mm.
  • web width b and web height h have the same order of magnitude, preferably between 0.3 and 0.6 mm.
  • the resistance body 5 has on both surfaces 2 and 3 a complementary profiling 7. About the profiles 7 and 15, the resistance body 5 and the surface electrodes 10 are permanently connected to each other.
  • the profilings 7 and 15 can also have an angle of inclination against the surface of the surface electrode.
  • the formation of the profiling has an influence on the functioning of the PTC limiter 1.
  • FIG. 4 shows a switching oscillogram of the PTC limiter 1 with profilings 15 on the electrodes 10 and complementary surface profile 7 of the PTC resistor body 5, as in detail in the EP 0 717 876 B1 is described.
  • the time profile of the limiter resistor R for a short-circuit shutdown of the PTC limiter 1 is shown in the curve 17.
  • the limiter resistance begins with the onset of the short-circuit current from its initial value R0 ⁇ 4 m ⁇ and increases slightly. After about 300 ⁇ s it reaches a first plateau value P of about 8 m ⁇ .
  • the resistance curve goes into a steep rise at this time and remains at a resistance value substantially greater than 100 m ⁇ for approximately 300 ⁇ s.
  • the limiter resistance drops back to a low-ohmic value of about 15 m ⁇ and then drops to its initial value.
  • the reset resistance is about 2 to 4 times the cold resistance.
  • the additional commutation voltage of eg 50 V with a resetting resistor of approx. 10 m ⁇ the forward current of the short circuit must therefore not exceed 5 kA. This means that the reset resistance of the PTC limiter 1 must therefore be designed with respect to the magnitude of the forward current and the maximum commutation voltage.
  • FIG. 5 shows a circuit breaker 20 with a PTC limiter 1 in the secondary current path, as shown in a comparable manner in FIG.
  • the essential difference is the symmetrical design of the switching part 30 of the circuit breaker 20, with a switching bridge 32 and a Doppelsch21, 28 or 21 ', 28' with respective guide rails 36,36 'and quenching plates 29, 29', and the connection of the limiter in this symmetrical switching chamber arrangement.
  • the designations of the functional parts essentially correspond to FIG. 1.
  • the limiter 1 is also current-charged only in the event of a switch due to the arrangement of the current limiter 1 in the secondary current path of the circuit breaker 20.
  • As Maustrompfad is the switching chamber current path, which is turned on after opening the switching bridge 32 by arc commutation of the switching bridge 32 to the adjacent guide rails 29 and 29 '.
  • the current limiter has its own housing 50 which is placed on the housing 30 of the circuit breaker 20 and includes an extension 52 for mechanical actuation of the switching mechanism 24.
  • the circuit breaker 20 instead includes a rail bridge 39 for connecting the two guide rails 36, 36 '.
  • the switching bridge 32 is shown in the figure 5 in the closed position by a solid line and in the open position with a dashed line. From one of the terminals 47, 47 ', the current path passes into the drive part 40 of the circuit breaker 20, which in turn, according to Figure 1, the switching mechanism 24, the overcurrent release 25 and the short-circuit release 26 includes. As a result, in the event of a short circuit, the short-circuit release 26 can open the switching bridge 32 of the circuit breaker 20 without delay.
  • the connection of the limiter 1 takes place at a connection point of the two guide rails 36 and 36 ', which are assigned to the switching bridge 32 and which serve as arc running rails.
  • the limiter 1 is only then flowed through current when the arc approach is commutated from the bridge contact to the adjacent guide rail in both switching chambers. Due to the required, simultaneous arc commutation, the additional voltage requirement is distributed by the voltage drop across the limiter 1 on both switching paths. This division effect facilitates the commutation of the main flow path to the secondary flow path even after a Bogengurkommuttechnik on the switching bridge.
  • the double interruption causes a return displacement of the switching arc from the secondary flow path to the main flow path is only possible if this return displacement takes place in both switching chambers.
  • an opening 38 or 38 ' is introduced into the guide rails 36, 36' assigned to the open position of the switching bridge 32, which is clear from the top view in FIG. 7 in detail.
  • the switching bridge 32 in the open position of the quenching plates 29, 29' and the prechamber region 28, 28 'so shielded that bow reignitions are avoided at the switching bridge 32. This will ensure that the limiter function does not suspend in pre-chamber bow re-firing 28,28 '.
  • Figure 6 shows the switching bridge in the open position, in which the distance between the bridge contacts 23, 23 'and fixed contacts 22, 22' is significantly greater than the distance of the guide rails 36, 36 'to the fixed contacts.
  • the circuit breaker is designed as a single switching device with connection capability of a limiter.
  • the connection point of the limiter is connected by a rail bridge.
  • a mechanical extension 52 is provided for on-off operation of the circuit breaker if required.
  • a high current version of the circuit breaker may be provided with a limiter integrated in the switch housing.
  • a circuit breaker for the inventive combination of the switching device is suitable with a suitable current limiter.
  • a contactor or a semiconductor switch is used as a switching device.
  • arc-free switching but arc switching elements are required.
  • the switching device and the current limiter can be further integrated advantageously systemic means.
  • the current commutation can be improved by insulating media, such as movable slides, cover at the main flow path / contact point.
  • insulating media such as movable slides
  • the switching contacts can be realized with linear or else with rotary opening movement.
  • a limiter with additional switching chamber / contact point or else a solid-state limiter can be used in addition or as a substitute for the current limiter described in detail.
  • special quick releases for example piezo elements, can be used for low-power switching to the secondary flow path.
  • an electronic triggering is possible.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Silver Salt Photography Or Processing Solution Therefor (AREA)

Description

  • 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 6.
  • 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 Schaltgerätes 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 durchflossen 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 Limitermaterials und/oder durch eine Gasentladung mit hoher Brennspannung erzeugt wird.
  • PTC-Limiter haben gegenüber mechanischen Schaltern den Vorteil eines sehr schnellen Aufbaus der Schaltspannung. Nachteilig ist der größere elektrische Kaltwiderstand, wodurch im Nennbetrieb der Nennstrom begrenzt werden muss, um eine unzulässige Aufheizung des PTC-Materials, z.B. durch Motoranlaufströme, zu vermeiden und ein ungewolltes Ansprechen des Limiters zu verhindern. Bei einem bekannten Handelsprodukt (ABB PROLIM) werden speziell ein Leistungsschalter als Schaltgerät und ein PTC-Limiter im Hauptstromkreis elektrisch in Reihe geschaltet.
  • Eine mögliche Lösung der Nennstromproblematik ist in der EP 0 657 062 B1 beschrieben, bei welcher ein Limiter einem Leistungsschalter in einem Nebenstrompfad, welcher erst im Schaltfall kurzzeitig stromdurchflossen wird, zugeschaltet ist. Der Nebenstrompfad wird aus den Lichtbogenleitschienen und der Löschkammer gebildet und wird durch die Lichtbogenkommutierung von den Schaltkontakten auf die Leitschienen eingeschaltet. Daneben ist aus der EP 0 350 825 A2 ein elektrisches Schaltgerät mit Lichtbogenlöscheinrichtuhg und Strombegrenzungseinrichtung im Nebenstromkreis bekannt. Die Strombegrenzungseinrichtung ist dabei ein elektromechanischer Limiter, dessen Kontakte durch die Stromkräfte dynamisch öffnen.
  • Gegenüber der herkömmlichen Reihenschaltung eines Leistungsschalters und eines Limiters besteht allerdings beim Anschluss des Limiters im Nebenstrompfad die Gefahr des Schaltversagens bei einer eventuellen Rückkommutierung des Schaltlichtbogens. Bei einer derartigen Rückkommutierung verlagert sich der Schaltlichtbogen bzw. der Lichtbogenansatz vom Nebenstrompfad auf die Hauptstrombahn, z.B. auf die Schaltkontakte, wodurch der Limiter zwar stromlos wird aber im allgemeinen seinen momentanen Widerstandswert beibehält. Beim erneuten Versuch des Bogenkommutierens in die Löscheinrichtung muss dann zusätzlich die Limiter-Schaltspannung überwunden werden, wodurch der Kommutierungsvorgang unter Umständen so erschwert ist, dass er misslingen kann.
  • Weiterhin ist aus der DE 42 43 314 A ein strombegrenzender Leistungsschalter mit Lichtbogenlöscheinrichtung und einer Nebenstrombahn mit mindestens einem PTC-Widerstand und einem diesem zugeordneten Überspannungsableiter bekannt. Der PTC-Widerstand und der Überspannungsableiter sind zu der Lichtbogenlöscheinrichtung parallel geschaltet. Bei eingeschaltetem Nebenstrompfad teilt sich der Kurzschlussstrom zwischen der Lichtbogenlöscheinrichtung, dem PTC-Widerstand und dem Überspannungsleiter auf.
  • Weiterhin ist aus der US 5 777 286 A eine elektrische Schalteinrichtung mit separaten, mechanisch trennbaren Kontakten und einem diesen zugeordneten Lichtbogenschaltkontakt zugeordnet, wobei in den Nebenstromkreis ein PTC-Widerstand oder dergleichen eingeschaltet werden kann.
  • Bei obigen Einrichtungen ergibt sich die Umschaltung von dem Strombegrenzungsbetrieb in den Nichtstrombegremzungsbetrieb entsprechend dem Abklingen des Überstromes. Spezielle Maßnahmen zur Rückstellung sind nicht beschrieben.
  • PTC-Limiter zur Strombegrenzung sind weiterhin aus der EP 0717 876 B1 bekannt. Dieser Limiter ist ausschließlich als Zentrallimiter in elektrischen Verteilungen vorgesehen.
  • Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltgerätes mit einem Strombegrenzer im Nebenstrompfad anzugeben, bei dem ein Schaltversagen durch Rückkommutierung ausgeschlossen werden kann. Weiterhin sollen zugehörige Anordnungen geschaffen werden.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Anordnung ist im Anspruch 6 angegeben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Anordnung.
  • Weiterhin sind in den Sachansprüchen vorteilhafte Ausbildungen des als Leistungsschalter ausgebildeten Schaltgerätes angegeben, womit Rückkommutierungen des Schaltlichtbogens von der Nebenstrombahn auf die Hauptstrombahn vermieden oder in ihrer Häufigkeit begrenzt werden. In weiteren Sachansprüchen sind vorteilhafte Ausbildungen des speziell als PTC-Limiter ausgebildeten Strombegrenzers angegeben, die eine schnelle Rückstellung des Limiterwiderstandes ergeben.
  • Mit der Erfindung wird insbesondere die funktionelle Sicherheit einer Kombination speziell aus Leistungsschalter und Limiter im Nebenstromkreis, in elektrischer Reihenschaltung zur Lichtbogenlöscheinrichtung, 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 Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. 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 Figur 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 Kombination 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 B1 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' 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' in eine Löschkammer 17 mit Löschblechen 29, wo eine zur Strombegrenzung und Bogenlöschung ausreichend hohe Bogenspannung aufgebaut wird.
  • Bei sehr hohen Kurzschlussströmen, z.B. IK = 50 bis 100 KA, reicht der Bogenspannungsanstieg nicht mehr aus, um den Durchlassstrom des Schalters auf unkritische Werte zu begrenzen. 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 B1 nicht in den Hauptstrompfad geschaltet ist, sondern mit der Zuleitung zu einer Lichtbogenlaufschiene 27 einen Nebenstrompfad im Schaltgerät 20 bildet. Der Nebenstrompfad für einen Kommutierungsstrom Ikom ist in der Figur 1 als paralleler Stromzweig zu einer Hauptstrombahn für einen zuschaltenden Strom i definiert. Er ist dann stromdurchflossen, 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 Figur 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 Funktionsweise eines solchen PTC-Limiters zur Strombegrenzung ist in der EP 0 657 062 B1 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, wie es im Einzelnen in der EP 0 717 876 B1 beschrieben ist. Der zeitliche Verlauf des Limiterwiderstandes R bei einer Kurzschlussabschaltung des PTC-Limiters 1 ergibt sich aus der Kurve 17. Der Limiterwiderstand beginnt mit dem Einsetzen des Kurzschlussstromes von seinem Anfangswert R0 ≈ 4 mΩ und steigt leicht an. Nach etwa 300 µs erreicht er einen ersten Plateauwert P von ca. 8 mΩ. Während der Kurzschlussstrom weiter ansteigt und 500 µs nach Kurzschlussbeginn den Wert von 5 kA erreicht, geht die Widerstandskurve zu diesem Zeitpunkt in einen steilen Anstieg über und bleibt etwa 300 µs lang auf Widerstandswerten, die wesentlich größer als 100 mΩ sind. Etwa 900 µs nach Kurzschlussbeginn sinkt der Limiterwiderstand wieder auf einen niederohmigen Wert von etwa 15 mΩ zurück und sinkt anschließend auf seinen Ausgangswert ab.
  • Durch die Kombination der Eigenschaften der Anordnung aus Leistungsschalter und Strombegrenzer gemäß Figur 1 und der Ausbildung des PTC-Limiters 1 als Strombegrenzer gemäß den Figuren 2 bis 4 gelingt es, bei einer Lichtbogenrückkommutierung vom Nebenstrompfad auf die Hauptstrombahn den Limiter 1 im Zeitbereich von wenigen Zehntel Millisekunden durch Stromentlastung vom hochohmigen, d.h. geschalteten, Zustand in den niederohmigen Zustand zurückzustellen. Der zusätzliche Spannungsbedarf beim erneuten Kommutieren des Schaltlichtbogens von der Hauptstrombahn auf den Nebenstrompfad ist quantitativ durch das Produkt aus Momentanstrom und dem Rückstellwiderstand des Limiters gegeben.
  • Im Beispiel der Figur 4 liegt der Rückstellwiderstand bei etwa dem 2- bis 4-fachen des Kaltwiderstandes. Um bei ca. 10 mΩ Rückstellwiderstand die zusätzliche Kommutierungsspannung von z.B. 50 V nicht zu überschreiten, darf der Durchlassstrom des Kurzschlusses daher 5 kA nicht überschreiten. Dies bedeutet, dass der Rückstellwiderstand des PTC-Limiters 1 muss also bezüglich der Höhe des Durchlassstromes und der maximalen Kommutierungsspannung ausgelegt sein.
  • In Figur 5 ist ein Leistungsschalter 20 mit einem PTC-Limiter 1 im Nebenstrompfad dargestellt, wie es in vergleichbarer Weise in Figur 1 gezeigt ist. Wesentlicher Unterschied ist die symmetrische Ausbildung des Schaltteils 30 des Leistungsschalters 20, mit einer Schaltbrücke 32 und einer Doppelkammer21, 28 bzw. 21',28' mit jeweiligen Leitschienen 36,36' und Löschblechen 29, 29', und der Anschluss des Limiters in dieser symmetrischen Schaltkammeranordnung. Die Bezeichnungen der Funktionsteile entsprechen im Wesentlichen Figur 1.
  • Wie in Figur 1 ist auch in Figur 5 durch die Anordnung des Strombegrenzers 1 im Nebenstrompfad des Leistungsschalters 20 der Limiter 1 nur im Schaltfall strombelastet. Als Nebenstrompfad dient der Schaltkammerstrompfad, der nach dem Öffnen der Schaltbrücke 32 durch Lichtbogenkommutierung von der Schaltbrücke 32 auf die benachbarten Leitschienen 29 bzw. 29' eingeschaltet wird.
  • In Figur 5 hat der Strombegrenzer ein eigenes Gehäuse 50, das auf das Gehäuse 30 des Leistungsschalters 20 aufgesetzt ist und eine Verlängerung 52 zur mechanischen Betätigung des Schaltschlosses 24 enthält.
  • Wenn der Limiter 1 nicht angeschlossen ist, so enthält der Leistungsschalter 20 stattdessen eine Leitschienenbrücke 39 zur Verbindung der beiden Leitschienen 36, 36'. Die Schaltbrücke 32 ist in der Figur 5 in Schließstellung mit durchgezogener Linie und in Öffnungsstellung mit gestrichelter Linie dargestellt. Von einem der Anschlüsse 47, 47'geht die Strombahn in den Antriebsteil 40 des Leistungsschalters 20 über, der wiederum entsprechend Figur 1 das Schaltschloss 24, den Überstromauslöser 25 und den Kurzschlussauslöser 26 beinhaltet. Dadurch kann im Kurzschlussfall der Kurzschlussauslöser 26 die Schaltbrücke 32 des Leistungsschalters 20 unverzögert öffnen.
  • Der Anschluss des Limiters 1 erfolgt an einer Verbindungsstelle der beiden Leitschienen 36 und 36', die der Schaltbrücke 32 zugeordnet sind und die als Lichtbogenlaufschienen dienen. Der Limiter 1 ist erst dann stromdurchflossen, wenn in beiden Schaltkammern der Lichtbogenansatz vom Brückenkontakt auf die benachbarte Leitschiene kommutiert ist. Durch die erforderliche, gleichzeitige Bogenkommutierung verteilt sich der zusätzliche Spannungsbedarf durch den Spannungsabfall am Limiter 1 auf beide Schaltstrecken. Dieser Aufteilungseffekt erleichtert auch nach einer Bogenrückkommutierung auf die Schaltbrücke das erneute Kommutieren von der Hauptstrombahn auf den Nebenstrompfad.
  • Als weiteren Effekt bewirkt die Doppelunterbrechung, dass eine Rückverlagerung des Schaltlichtbogens vom Nebenstrompfad auf die Hauptstrombahn nur dann möglich ist, wenn diese Rückverlagerung in beiden Schaltkammern erfolgt.
  • Als besondere Maßnahme gegen eine Bogenrückkommutierung wird durch die Gestaltung der Leitschienen 36, 36' ein von der jeweiligen Löschblechkammer 21 bzw. 21' und dem zugehörigen Vorkammerbereich 28 bzw. 28' weitgehend abgeschirmter Bereich 34, 34' geschaffen, welcher die Brückenkontakte 23, 23' in der Öffnungsstellung des Schaltgerätes 20 aufnimmt.
  • In Figur 6 ist in den der Öffnungsstellung der Schaltbrücke 32 zugeordneten Leitschienen 36, 36' ein Durchbruch 38 bzw. 38' eingebracht, was im Einzelnen aus der Draufsicht in Figur 7 deutlich wird. Durch den Durchbruch 38 bzw. 38' in den Leitschienen ist die Schaltbrücke 32 in der Öffnungsstellung von den Löschblechen 29, 29' und dem Vorkammerbereich 28, 28' so abgeschirmt, dass Bogenrückzündungen an der Schaltbrücke 32 vermieden werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Limiterfunktion bei Bogenrückzündungen im Vorkammerbereich 28,28' nicht aussetzt.
  • Wie erwähnt, zeigt Figur 6 die Schaltbrücke in Öffnungsstellung, bei welcher der Abstand zwischen Brückenkontakten 23, 23' und Festkontakten 22, 22' deutlich größer ist, als der Abstand der Leitschienen 36, 36' zu den Festkontakten. Dadurch wird eine die Bogenkommutierung unterstützende Spannungsdifferenz der Bogenbrennspannung erzeugt, die eine Rückkommutierung des Lichtbogens erschwert.
  • Durch die abschirmende Geometrie der Leitschienen 36, 36' wird verhindert, dass Bogenplasma aus den Löschblechkammern 21, 21' oder den Vorkammerbereichen 28, 28' direkt auf die Schaltbrücke 32 strömen kann und Überschläge von der Schaltbrücke 32 zu den Leitschienen 36, 36' oder zu den Festkontakten 23, 23' auslöst.
  • Aus der Figur 7 wird deutlich, dass die Schaltbrücke 32 bei der Öffnungsbewegung durch den Durchbruch 38, 38' der Leitschienen 36, 36' 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 Leitschienenbrücke 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.
  • Anhand der Beispiele wurde gezeigt, dass insbesondere ein Leistungsschalter für die erfindungsgemäße Kombination des Schaltgerätes mit einem geeigneten Strombegrenzer geeignet ist. In entsprechender Weise ist aber auch ein Schütz oder ein Halbleiterschalter als Schaltgerät verwendbar. Insbesondere beim lichtbogenfreien Schalten sind aber Lichtbogenschaltelemente erforderlich.
  • Für die praktische Realisierung der Erfindung können das Schaltgerät und der Strombegrenzer weiterhin in vorteilhafter Weise systemtechnische Mittel eingebunden werden. Beispielsweise kann die Stromkommutierung durch isolierende Medien, wie bewegliche Schieber, Abdeckung an der Hauptstrombahn/Kontaktstelle, verbessert werden. Die Anwendung bei einfach- und/oder doppelunterbrechenden Kontaktanordnungen wurde verdeutlicht. Dabei können die Schaltkontakte mit Linear- oder aber auch mit Drehöffnungsbewegung realisiert sein. In Ergänzung oder als Ersatz anhand der Figuren im Einzelnen beschriebenen Strombegrenzer kann auch ein Limiter mit Zusatzschaltkammer/Kontaktstelle oder aber ein Festkörperlimiter verwendet werden. Für die Kurzschlussfrüherkennung können spezielle Schnellauslöser, beispielsweise Piezoelement zur leistungsschwachen Umschaltung auf die Nebenstrombahn verwendet werden. Schließlich ist auch eine elektronische Auslösung möglich.
  • Bei den beschriebenen Anordnungen ist auch eine Kommunikation mit Überwachung von Schaltzuständen Und/oder der Lebensdauer der Kontakte bzw. Restlebensdaueranzeige sowie Anzeige der Limiter-Lebensdauer durch Aufsummierung der Kurzschlüsse möglich.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Schaltgerätes, beispielsweise Leistungsschalters oder Schütz, mit wenigstens einer Hauptstrombahn und zugeordnetem Nebenstrompfad, wobei das Schaltgerät eine Löscheinrichtung (21) für einen Lichtbogen aufweist und wobei mit einem zuschaltbaren Strombegrenzer (1) im Nebenstrompfad bei hoher Strombelastung vom Nichtstrombegrenzungsbetrieb in den Strombegrenzungsbetrieb geschaltet und eine Schaltspannung aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet dass
    - der zuschaltbare Strombegrenzer (1) elektrisch in Reihe mit der Löscheinrichtung (21) geschaltet, wird und
    - die Rückstellung des Strombegrenzers (1) bei einer Rückkommutierung des Lichtbogens vom Nebenstrompfad auf die Hauptstrombahn erfolgt, wobei der Übergang vom Strombegrenzungsbetrieb in den Nichtstrombegrenzungsbetrieb in einem Zeitraum derart erfolgt, dass beim Bogenkommutieren des Lichtbogens in die Löscheinrichtung (21) keine strombegrenzende Schaltspannung des Strombegrenzers (1) uberwünden werden muss.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen durch Kommutierung von der Hauptstrombahn auf den Nebenstrompfad gleichermaßen die Hauptstrombahn ausschaltet und der Nebenstrompfad einschaltet.
  3. Verfahren nach nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungsschalter ein doppelunterbrechender Leistungsschalter (20) mit zwei Schaltkammern (34,34') pro Schaltpol verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Strombegrenzer ein PTC-Limiter (1) verwendet wird, dessen Rückstellwiderstand bei Rückstellung in den Nichtstrombegrenzungsbetrieb in Abhängigkeit vom Durchlassstrom und der maximalen Kommutierungsspannung gewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Einbindung des Schaltgerätes (20) einschließlich des Strombegrenzers in eine Schaltanlage mit Mitteln zur Kommunikation von Schaltzuständen des Schaltgerätes und/oder Eigenschaften der Schaltkontakte.
  6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, mit einem Schaltgerät (20), das Schaltkontakte (22, 23) und diesen zugeordnete Lichtbogenleitschienen (36, 36') sowie als Löscheinrichtung eine Löschkammer (21) umfasst, und mit einem Strombegrenzer (1) im Nebenstrompfad des Schaltgerätes (20), dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung eines Schaltversagens vom im Nebenstrompfad des Leistungsschalters (20) angeordneten Strombegrenzer (1) der Strombegrenzer ein PTC-Limiter (1) ist, der aus einem Widerstandskörper (5) aus elektrisch leitfähig gemachten Polymer zwischen zwei metallischen Elektroden (10) unter Druck besteht und profilierte Elektroden (10, 15) und komplementäre Oberflächenprofile (7) im Widerstandskörper (5) aufweist, und dass der Strombegrenzer (1) an einer Verbindungsstelle der beiden äußeren Leitschienen (36, 36') des Leistungsschalter (20) angeschlossen ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profiltiefe der Elektroden (10) zwischen 1/10 mm und 5/10 mm beträgt.
  8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflanken zur Elektrodenoberfläche (11) geneigt sind.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich gegenüberstehenden Profilflanken der Elektrode zur Elektrodenoberfläche konisch geneigt sind.
  10. Anordnung nach Anspruch 6, wobei eine Schaltbrücke (32) mit Brückenkontakten (23 ,23') vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (1) dann stromdurchflossen ist, wenn in beiden Schaltkammern des Leistungsschalters (20) der Lichtbogenansatz vom Brückenkontakt (23, 23') auf die benachbarte Leitschiene (36, 36') kommutiert ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, 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') größer ist als der Abstand der Leitschiene (36, 36`) zum Festkontakt (22, 22').
  12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, 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.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung der Bogenrückkommutierung die Leitschienen (36, 36') die Brückenkontakte (23, 23') gegen die Löschblechkammern (21, 21') und die Vorkammerbereiche (28, 28') weitgehend abschirmen.
  14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Brückenträger (45) zur Bewegung der Schaltbrücke (32) auch zur elektrischen Isolation zwischen den beiden Schaltkammern (21, 21') des Leistungsschalters (20) dient.
  15. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät als ein Einzelschaltgerät (20) mit Anschlussmöglichkeit für den Strombegrenzer (1) ausgebildet ist.
  16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussstelle des Strombegrenzers (1) am Schaltgerät (20) durch eine Leitschienenbrücke (39) verbunden ist.
  17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anschluss des Strombegrenzers (1) im Nebenstrompfad die Leitschienenbrücke (39) durch den Strombegrenzer (1) ersetzt wird.
  18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (1) in einem eigenen Gehäuse (50) angeordnet ist.
  19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Strombegrenzergehäuse (50) an das Schaltgerätegehäuse (20) anbaubar ist.
  20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (50) des Strombegrenzers (1) eine mechanische Verlängerung (52) zur Ein/Ausschaltbetätigung des Schaltgerätes (20) vorgesehen ist.
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