EP1458072A1 - Kurzschliesseinrichtung für den Einsatz- in Nieder- und Mittelspannungsanlagen - Google Patents

Kurzschliesseinrichtung für den Einsatz- in Nieder- und Mittelspannungsanlagen Download PDF

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EP1458072A1
EP1458072A1 EP04001251A EP04001251A EP1458072A1 EP 1458072 A1 EP1458072 A1 EP 1458072A1 EP 04001251 A EP04001251 A EP 04001251A EP 04001251 A EP04001251 A EP 04001251A EP 1458072 A1 EP1458072 A1 EP 1458072A1
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EP
European Patent Office
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short
overvoltage protection
electrodes
electrode
circuiting
Prior art date
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EP04001251A
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English (en)
French (fr)
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EP1458072B1 (de
Inventor
Peter Dr-Ing. Zahlmann
Ralph Dr-Ing. Brocke
Arnd Dr-Ing. Ehrhardt
Josef Dipl-Ing.(Fh) Birkl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H79/00—Protective switches in which excess current causes the closing of contacts, e.g. for short-circuiting the apparatus to be protected
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T15/00—Circuits specially adapted for spark gaps, e.g. ignition circuits

Definitions

  • the invention relates to a short-circuiting device for use in Niederund Medium-voltage installations for property and personal protection, including Switching element, which of a trigger signal of an error detection device is actuated, two receiving the switching element between them Electrodes with means for supplying power, these being connected to a circuit can be contacted with terminals of different potential and the Switching element is in electrical connection with the electrodes, according to Preamble of claim 1.
  • the commonly used protection devices in the low voltage area such as z. B .. circuit breakers or fuses, only break high Short-circuit currents within a few milliseconds. In the medium voltage range In addition, this ability is limited almost exclusively to backups. However, such high currents occur only in a part of the possible Plant error. For another part of the error provides, if any, a known per se detection system is a signal and it is an upstream Circuit breaker opened. In usual switches is for error detection a shutdown time of 20 ms to 100 ms is required. Such systems are therefore hardly usable for damage limitation.
  • the Damage caused to electrical equipment is caused by the dynamic Force action of high currents, through the rapid construction of high Pressing or pressure waves and by the thermal effect of the arc with temperatures of up to 20,000 K.
  • the short-circuiting device results in very extreme requirements. So Beyond a high insulation value and a high dielectric strength in idle state after the signal delivery extremely short reaction times, an extremely low resistance and a high current carrying capacity of up to 100 kA or at impact load up to 220 kA for a period of substantially 100 ms expected. A very low resistance and a possible low-inductance design are for rapid commutation of the current in the short-circuiter and the quick and safe extinguishing of the fault arc essential.
  • the generic short-circuiting device is particularly suitable for extinguishing arcs in low-voltage switchgear for the distribution of electrical energy.
  • the short-circuiting device consists of at least one switching element which is actuated with a trigger signal of an error detection device, and comprises at least one short-circuiting device.
  • the short-circuiter consists of at least two electrodes receiving the switching element between them and has current-carrying parts or regions.
  • the current-carrying parts are substantially cylinder jacket or tubular and arranged one inside the other. Even with this known short-circuit device, the response times are inadequate and it is the overall design arrangement from a manufacturing point of view very expensive.
  • the switching element Starting from a short-circuiting device comprising a switching element, which is actuated by a trigger signal of an error detection device and wherein two of the switching element between them receiving electrodes are provided with means for power supply, the switching element According to the invention designed as a triggerable overvoltage protection device, which by a current or voltage pulse to respond can be brought and destroyed in the event of a fault.
  • At least one of the overvoltage arrester receiving Electrodes are under mechanical preload and are in the direction of the movable opposite electrode, wherein the overvoltage protection device forms an electrode spacer, which in the case of the desired Destruction an in-contact coming of the electrodes to the low-resistance Short circuit allows.
  • the overvoltage protection device is within the overall arrangement adjacent a space for receiving parts thereof in the event of a short circuit, i.e. intended for targeted destruction. Through this space Blocking during electrode movement is reliably avoided.
  • the switching element is a series circuit from a triggerable overvoltage protection device with a Device having an adjustable or defined melting integral. In the embodiment of the series connection, only the Device with the defined melt integral destroyed.
  • the device with a defined melt integral can be a glass tube fuse, a linear or non-linear resistor, a varistor, a low-melting one Metal or a metal alloy, a semiconducting or conductive Be ceramic or glass or a similar agent or material.
  • the electrically relevant distance between the electrodes in the normal state defines a voltage according to the invention over the response voltage of the switching element, for. As an inserted gas arrester, is located.
  • the overvoltage protection device can therefore be a gas arrester, a spark gap, a thyristor, a triggerable vacuum switch, a thyratron, be a triggerable semiconductor element or a similar assembly.
  • Overvoltage protection devices can vary the electrical parameters and to the respective case or to the respective system configuration be adjusted.
  • At least one tension or compression spring for generating the mechanical preload and the electrode movement is provided according to the invention at least one tension or compression spring, the In addition, a sufficient resistance in the event of failure Destruction of the overvoltage protection device or the switching element forms. To reduce this destructive pressure can channels or Openings are formed in or between the electrodes.
  • the short-circuiting have the Electrodes one with the open lateral surfaces opposite, respectively Semicylindrical shape, wherein at least one electrode over the cylinder base area is held from the outside under spring preload.
  • the surge protector In the half-cylinder interior is then the surge protector, between this and the cylinder inner wall of the free space for receiving parts of the surge protective device in the event of destruction remains.
  • the trigger connection is preferably over the cylinder jacket surface and there in turn preferably over that lateral surface of the fixed electrode executed.
  • one of the electrodes has a cone-shaped Interior and the counter electrode aelleskonus- or cone shape on, wherein in the bottom region of the electrode with konusförmigem interior the Overvoltage protection device arranged and in the initial state of Distance between cone and countercone surface smaller than the distance of the Electrodes in the floor area and overvoltage protection device located there is.
  • a third embodiment is based on an electrode in pot form, wherein Here, the counter electrode has a plunging into the pot punch shape.
  • a receiving space for the triggerable overvoltage protection device is provided below the grading of the electrode in the form of a pot a receiving space for the triggerable overvoltage protection device is provided.
  • the device of defined melting potential is in electrical contact between a receptacle in the stamp-shaped electrode on the one hand and with a surface of the overvoltage protection device on the other.
  • the preferred movable electrode in the form of a punch is one of the pot-shaped electrode covered insulating disk guided and kept movable.
  • the inventive method for operating the proposed Short-circuiting device commutates in the event of a fault immediately over the ignited Overvoltage protection device the fault current from the fault source in the switchgear to the switching element of the short-circuiting device, whereby the Total delay time reduced and the exposure time of arcing faults is reduced.
  • the electrodes of the short circuiter come in contact and it will generates an irreversible, low-impedance, metallic short circuit.
  • the movement of the electrodes in a short circuit to each other can by a corresponding power supply and a consequent electrodynamic Force be increased or accelerated.
  • the integrated overvoltage protection device takes over by itself or in conjunction with other, external overvoltage protection devices a plant overvoltage protection function and becomes multivalent.
  • the error detection system 1 is based on a known error detection system 1, which is used to detect different abnormal conditions, such. Brand, Voltage, fault current, pressure, arcs and so on is suitable.
  • the error detection system 1 thus serves to detect an abnormal Status and signal output.
  • the error detection system 1 supplies a signal to a trigger pulse generator 2 and further provides a signal, which is to a reporting device 4 arrived.
  • This reporting device 4 the known systems control existing protective devices.
  • the trigger pulse generating device 2 On the output side is the trigger pulse generating device 2 with a Short-circuiter 3 in conjunction and provides a tailored to the short-circuiter Current or voltage pulse to trigger it.
  • the trigger pulse generator 2 can also pulses for Actuation of suitable protective devices in the plants themselves.
  • z. B the external operation of the short-circuit release, in particular one Low-voltage switch, with a matched to the device current pulse possible.
  • z. B superconducting switches, vacuum switches with magnetic drive, but also triggerable vacuum switch.
  • a triggerable Switching element 7, z. B. in the form of a gas arrester, a spark gap, a Thyristors and so on, which are between two massive, electrically conductive electrodes 5 and 6 is located.
  • the movable electrode 5 is held by a compression spring 9 under bias and with a live busbar in contact.
  • the fixed electrode 6 carries ground potential.
  • the two electrodes 5 and 6 are separated by an insulation gap 11 separated. Between or below the switching element 7, the simplest If a gas arrester can be, there is a cavity or free space 10th
  • An ignition electrode 8 or a potential control for the gas discharge is isolated with the unit for generating a trigger pulse 2 (see FIG. 1) connected.
  • the gas collector as a triggerable switching element. 7 or a spark gap provided there if necessary overvoltages in Limiting the scope of their own resilience and thus a first Take over protective function.
  • Overvoltage protection device eg B. a Gasableiters
  • the vote between overvoltage protection function and the fault case, in which the Arrester is destroyed be made very accurate. This allows one extremely flexible adaptation of the combination of surge arresters and irreversible short-circuiter for the respective voltage level or accordingly other special equipment characteristics.
  • the response value of the gas discharge line should be higher than all voltages occurring in the system during operation. This means that the dielectric strength of the insulation gap 11 is to be selected clearly above the response voltage of the switching element 7.
  • the guide of the electrode 5 can be realized via a circumferential insulating ring 12.
  • the contacting of the switching element 7 is isolated by the bottom in the electrode 6 via a terminal. 8
  • the further embodiment of the invention shown in FIG. 4 is particularly for large insulation distances and high voltages of advantage.
  • FIGS. 2 and 3 In addition to the embodiments of FIGS. 2 and 3 is here a Series connection between a surge arrester 7, z. B. a gas arrester, and a fuse 13, z. B. a glass tube fuse realized.
  • the fuse 13 which is also a varistor, a linear or nonlinear Can be resistance.
  • the fuse 13 itself has a very well adjustable melt integral, via which the interaction with the surge arrester 7 tunable is.
  • the Topfformelektrode 6 of FIG. 4 has a gradation to 14, with the Stamp surface 15 of the opposite electrode 5 in case of failure the Short circuit area forms.
  • the receiving space A is used also to include parts of the destroyed in case of error device 13, without the movement of the stamp electrode 5 towards the pot-shaped electrode 6 is hindered with the desired contact.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
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  • Signal Processing For Digital Recording And Reproducing (AREA)
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  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)
  • Testing Electric Properties And Detecting Electric Faults (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz, umfassend ein Schaltelement, welches von einem Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigt wird, zwei das Schaltelement zwischen sich aufnehmende Elektroden mit Mitteln zur Stromzuführung, wobei diese an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind, und das Schaltelement mit den Elektroden in elektrischer Verbindung steht. Erfindungsgemäß ist das Schaltelement eine triggerbare Überspannungs-Schutzeinrichtung, welche durch einen Strom- oder Spannungsimpuls zum Ansprechen bringbar und im Fehlerfall zerstörbar ist. Mindestens eine der die Überspannungs-Schutzeinrichtung aufnehmenden Elektroden steht unter mechanischer Vorspannung und ist in Richtung auf die gegenüberliegende Elektrode bewegbar, wobei die Überspannungs-Schutzeinrichtung einen Elektrodenabstandshalter bildet, welcher im Falle der Zerstörung ein In-Kontakt-Kommen der Elektroden zur Kurzschlußbildung ermöglicht. Letztendlich ist der Überspannungs-Schutzeinrichtung benachbart ein Freiraum zur Aufnahme von Teilen im Kurzschluß-Fehlerfall vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Niederund Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz, umfassend ein Schaltelement, welches von einem Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigt wird, zwei das Schaltelement zwischen sich aufnehmende Elektroden mit Mitteln zur Stromzuführung, wobei diese an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind und das Schaltelement mit den Elektroden in elektrischer Verbindung steht, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In elektrischen Schalt- und Verteileranlagen können verschiedene Fehler eintreten, die nicht unmittelbar zum Ansprechen bzw. nur zu einem verzögerten Ansprechen vorhandener Überstrom-Schutzeinrichtungen führen. Beispielhaft seien hier Störlichtbögen erwähnt. Ähnliche Probleme treten insbesondere hinsichtlich des Personenschutzes durch betriebsbedingte oder auf Fehler zurückführende Potentialdifferenzen auf. Solcherart Fehler können zu extremen Sachschäden, aber auch Personenschäden führen. Zur Begrenzung der Schäden ist neben einer sehr schnellen Erfassung des Fehlers auch dessen rasche Abschaltung erforderlich.
Für die rasche Erfassung verschiedener Fehlerfälle gehören verschiedenste Lösungen zum Stand der Technik. Verwiesen sei hier beispielsweise auf die DE 43 31 992 A1, die eine gegen Störlichtbögen gesicherte zellenartige Schaltanlage zur Verteilung elektrischer Energie offenbart. Auch in der DE 43 45 170 A1 ist eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung für Schaltanlagen beschrieben, wobei dort das eigentliche Schalt- oder Schutzgerät von einem Signal aus einer UND-Verknüpfung mindestens eines lichtempfindlichen Sensors und eines lichtunempfindlichen Sensors betätigt wird. Der eigentliche Kurzschließer umfaßt eine Spule, wobei der Kurzschließer infolge der Kräfte, die durch den Induktionsstrom in unter einem Vakuum stehenden becherartigen Metallteilen entstehen, einen metallischen Kurzschluß zwischen den kurzzuschließenden Teilen erzeugt. Die Energiespeicherquelle und die Spule sollen so bemessen werden, daß ein metallischer Kurzschluß in einer Zeit zwischen 0,1 und 2 ms erfolgt.
Bei dem Kurzschließer zur Verwendung in Anlagen zur Verteilung elektrischer Energie gemäß DE 197 46 815 A1 ist ein direkt von einem Gasgenerator angetriebenes kurzschließendes Element mit einem Kurzschließerkolben vorgesehen. Der dortige Kurzschließerkolben soll unabhängig von Fertigungstoleranzen eine optimale Stoßbewegung ausführen und gleichzeitig transportgesichert sein.
Die allgemein üblichen Schutzvorrichtungen im Niederspannungsbereich, wie z. B.. Leistungsschalter oder Sicherungen, unterbrechen nur hohe Kurzschlußströme innerhalb weniger Millisekunden. Im Mittelspannungsbereich beschränkt sich diese Fähigkeit zudem fast ausschließlich auf Sicherungen. Derartig hohe Ströme treten jedoch nur bei einem Teil der möglichen Anlagenfehler auf. Bei einem weiteren Teil der Fehler liefert, falls vorhanden, ein an sich bekanntes Erfassungssystem ein Signal und es wird ein vorgeordneter Leistungsschalter geöffnet. Bei üblichen Schaltern wird für die Fehlererkennung bis zur Abschaltung eine Zeit von 20 ms bis 100 ms benötigt. Solche Systeme sind daher zur Schadensbegrenzung kaum einsetzbar. Die Schäden, die an elektrischen Anlagen entstehen, werden durch die dynamische Krafteinwirkung der hohen Ströme, durch den schnellen Aufbau von hohen Drücken bzw. Druckwellen und durch die thermische Wirkung des Lichtbogens mit Temperaturen von bis zu 20.000 K verursacht.
Für eine effektive Schadensbegrenzung mit reduziertem Instandsetzungsaufwand sind daher sehr kurze Abschaltzeiten, möglichst deutlich unter 5 ms, notwendig. Solche kurzen Abschaltzeiten sind deshalb erforderlich, da nur auf diesem Wege die Höhe der Fehlerströme und die Einwirkdauer der Lichtbögen in Anlagen begrenzbar ist. Wie aus dem Stand der Technik vorbekannt, können erstens die Fehlerströme durch die in den Anlagen vorhandenen Schaltgeräte ausgeschaltet werden. Zweitens besteht die Möglichkeit, den Lichtbogenfehler durch eine niederohmige Verbindung, z. B. einen schnellen Kurzschließer, so lange zu shunten, bis eine Fehlerabschaltung durch die in der Anlage vorhandenen Schaltgeräte erfolgt. Dabei kann der Lichtbogen als Quelle der thermischen Zerstörung in den Anlagen durch den parallelen Nebenschluß des Kurzschließers zum Verlöschen gebracht werden.
Bei der erstgenannten Variante ergibt sich die Notwendigkeit, neben einer schnellen Fehlererfassung extrem schnelle Schaltgeräte innerhalb der Anlagen einzusetzen. Dies scheitert derzeit an den hohen Kosten bzw. der fehlenden Marktreife solcher Schaltgeräte.
Es besteht also demnach nur die Möglichkeit der Erzeugung eines definierten Kurzschlusses, der durch das Verlöschen des Lichtbogens einerseits die Schäden in der Anlage begrenzt und andererseits die Zeitdauer für das Ansprechen konventioneller Schutzgeräte mit Kurzschlußauslösung verkürzt.
An die Kurzschließeinrichtung ergeben sich sehr extreme Anforderungen. So werden neben einem hohen Isolationswert und einer hohen Spannungsfestigkeit im Ruhezustand nach der Signalabgabe extrem geringe Reaktionszeiten, ein extrem geringer Widerstand und eine hohe Stromtragfähigkeit von bis zu 100 kA bzw. bei Stoßbelastung bis zu 220 kA für eine Zeitdauer von im wesentlichen 100 ms erwartet. Ein sehr geringer Widerstand und ein möglichst induktivitätsarmer Aufbau sind für eine schnelle Kommutierung des Stroms in dem Kurzschließer und das rasche und sichere Verlöschen des Störlichtbogens unerläßlich.
Mit Blick auf die DE 94 19 141 U1, die DE 197 46 815 A1 sowie die DE 42 35 329 C2 sind typische Kurzschließer aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei wird zwischen mehrfach verwendbaren und einmalig wirkenden Einrichtungen unterschieden. Wiederverwendbare Kurzschließer sind sehr aufwendig und kostenintensiv. Bei einmalig wirkenden Kurzschließern wird im allgemeinen eine Sprengladung oder ein Gasgenerator zum Aufeinanderzubewegen der Elektroden eingesetzt, was verständlicherweise besondere Schutzmaßnahmen bei der Herstellung, dem Transport und dem Einsatz nach sich zieht.
Die gattungsbildende Kurzschlußeinrichtung nach DE 42 35 329 C2 ist insbesondere zum Löschen von Störlichtbögen in Niederspannungs-Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie geeignet. Die Kurzschlußeinrichtung besteht aus mindestens einem Schaltelement, das mit einem Auslösesignal einer Fehlererkennungseinrichtung betätigt wird, und umfaßt mindestens einen Kurzschließer. Der Kurzschließer besteht aus mindestens zwei das Schaltelement zwischen sich aufnehmenden Elektroden und weist stromführende Teile oder Bereiche auf. Infolge des sowohl in dem Schaltelement als auch in dem Kurzschließer direkt fließenden Stroms in den stromführenden Teilen wird mindestens ein bewegbarer oder deformierbarer stromführender Bereich gegen die Elektroden gedrückt und somit ein metallischer Kurzschluß erzeugt. Die stromführenden Teile sind im wesentlichen zylindermantel- bzw. rohrförmig und ineinander angeordnet.
Auch bei dieser bekannten Kurzschlußeinrichtung sind die Ansprechzeiten unzureichend und es ist die konstruktive Gesamtanordnung unter Fertigungsaspekt sehr kostenintensiv.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz anzugeben, welche einfach und kostengünstig herstellbar ist und die ohne Gasgenerator oder pyrotechnische Zünder funktionsfähig ist. Die zu schaffende Kurzschließeinrichtung soll bereits unmittelbar nach dem Entstehen des Fehlerfalles ein Kommutieren des Fehlerstroms in die Kurzschließeinrichtung hinein ermöglichen, was zu verbesserten Eigenschaften beim angestrebten Sach- und Personenschutz führt.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Kurzschließeinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kurzschließeinrichtung gemäß Definition nach Patentanspruch 18, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Ausgehend von einer Kurzschließeinrichtung, die ein Schaltelement umfaßt, welches von einem Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigt wird, und wobei zwei das Schaltelement zwischen sich aufnehmende Elektroden mit Mitteln zur Stromzuführung vorgesehen sind, wird das Schaltelement erfindungsgemäß als eine triggerbare Überspannungs-Schutzeinrichtung ausgeführt, welche durch einen Strom- oder Spannungsimpuls zum Ansprechen bringbar und im Fehlerfall zerstörbar ist.
Mindestens eine der die Überspannungs-Schutzeinrichtung aufnehmenden Elektroden steht unter mechanischer Vorspannung und ist in Richtung auf die gegenüberliegende Elektrode bewegbar, wobei die Überspannungs-Schutzeinrichtung einen Elektrodenabstandshalter bildet, welcher im Falle der gewollten Zerstörung ein In-Kontakt-Kommen der Elektroden zur niederohmigen Kurzschlußbildung ermöglicht.
Der Überspannungs-Schutzeinrichtung ist innerhalb der Gesamtanordnung benachbart ein Freiraum zur Aufnahme von Teilen selbiger im Kurzschluß-Fehlerfall, d.h. bei der gezielten Zerstörung vorgesehen. Durch diesen Freiraum wird ein Blockieren bei der Elektrodenbewegung zueinander sicher vermieden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Schaltelement eine Reihenschaltung aus einer triggerbaren Überspannungs-Schutzeinrichtung mit einer Einrichtung, die ein einstellbares oder definiertes Schmelzintegral aufweist. Bei der Ausführungsform der Reihenschaltung wird im Fehlerfall lediglich die Einrichtung mit dem definierten Schmelzintegral zerstört.
Die Einrichtung mit definiertem Schmelzintegral kann eine Glasrohr-Sicherung, ein linearer oder nichtlinearer Widerstand, ein Varistor, ein niedrigschmelzendes Metall oder eine Metall-Legierung, eine halbleitende oder leitende Keramik oder Glas oder ein ähnliches Mittel bzw. Material sein.
Der elektrisch relevante Abstand zwischen den Elektroden im Normalzustand definiert eine Spannung, die erfindungsgemäß über der Ansprechspannung des Schaltelements, z. B. eines eingesetzten Gasableiters, liegt.
Die Überspannungs-Schutzeinrichtung kann also ein Gasableiter, eine Funkenstrecke, ein Thyristor, ein triggerbarer Vakuumschalter, ein Thyratron, ein triggerbares Halbleiterelement oder eine ähnliche Baugruppe sein.
Über die Möglichkeit der Serien- und/oder Parallelschaltung mehrerer Überspannungs-Schutzeinrichtungen können die elektrischen Parameter variiert und an den jeweiligen Fall bzw. an die jeweilige Anlagenkonfiguration angepaßt werden.
Zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung und der Elektrodenbewegung ist erfindungsgemäß mindestens eine Zug- oder Druckfeder vorgesehen, die darüber hinaus einen ausreichenden Widerstand bei der im Fehlerfall erfolgenden Zerstörung der Überspannungs-Schutzeinrichtung bzw. des Schaltelements bildet. Zum Abbau dieses Zerstörungsdrucks können Kanäle oder Öffnungen in oder zwischen den Elektroden ausgebildet werden.
Bei einer konkreten Ausgestaltung der Kurzschließeinrichtung weisen die Elektroden eine sich mit den offenen Mantelflächen gegenüberliegende, jeweilige Halbzylinderform auf, wobei mindestens eine Elektrode über die Zylindergrundfläche von außen unter Federvorspannung gehalten ist.
Im Halbzylinder-Innenraum befindet sich dann die Überspannungs-Schutzeinrichtung, wobei zwischen dieser und der Zylinder-Innenwandung der Freiraum zur Aufnahme von Teilen der Überspannungs-Schutzeinrichtung im Zerstörungsfall verbleibt.
Der Triggeranschluß ist bevorzugt über die Zylindermantelfläche und dort wiederum bevorzugt über diejenige Mantelfläche der feststehenden Elektrode ausgeführt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist eine der Elektroden einen konusförmigen Innenraum und die Gegenelektrode eine Gegenkonus- oder Kegelform auf, wobei im Bodenbereich der Elektrode mit konusförmigem Innenraum die Überspannungs-Schutzeinrichtung angeordnet und im Ausgangszustand der Abstand zwischen Konus- und Gegenkonusfläche kleiner als der Abstand der Elektroden im Bodenbereich und dort befindlicher Überspannungs-Schutzeinrichtung ist.
Eine dritte Ausführungsform geht von einer Elektrode in Topfform aus, wobei hier die Gegenelektrode eine in den Topf eintauchende Stempelform aufweist.
Im Topfinneren der entsprechenden Elektrode ist eine umlaufende Stufung vorgesehen, welche mit der Stempeloberfläche im Fehlerfall den Kurzschlußbereich bildet.
Unterhalb der Stufung der Elektrode in Topfform ist ein Aufnahmeraum für die triggerbare Überspannungs-Schutzeinrichtung vorgesehen.
Die Einrichtung mit definiertem Schmelzpotential befindet sich in elektrischem Kontakt zwischen einer Aufnahme in der stempelförmigen Elektrode einerseits und mit einer Oberfläche der Überspannungs-Schutzeinrichtung andererseits.
Die bevorzugt bewegliche Elektrode in Stempelform ist von einer die Topfformelektrode bedeckenden Isolationsscheibe geführt und beweglich gehalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der vorgeschlagenen Kurzschließeinrichtung kommutiert im Fehlerfall sofort über die gezündete Überspannungs-Schutzeinrichtung der Fehlerstrom von der Fehlerquelle in der Schaltanlage zum Schaltelement der Kurzschließeinrichtung, wodurch die Gesamtverzögerungszeit vermindert und die Einwirkdauer von Störlichtbögen verkleinert ist. Mit der vollzogenen Zerstörung der Überspannungs-Schutzeinrichtung kommen die Elektroden des Kurzschließers in Kontakt und es wird ein irreversibler, niederohmiger, metallischer Kurzschluß erzeugt.
Die Bewegung der Elektroden im Kurzschlußfall zueinander kann durch eine entsprechende Stromzuführung und eine hierdurch bedingte elektrodynamische Krafteinwirkung erhöht bzw. beschleunigt werden.
Im Sinne der Erfindung übernimmt die integrierte Überspannungs-Schutzeinrichtung für sich oder im Zusammenwirken mit weiteren, externen Überspannungs-Schutzeinrichtungen eine Anlagen-Überspannungs-Schutzfunktion und wird damit multivalent.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1
einen prinzipiellen Aufbau eines Fehlererfassungssystems in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz;
Fig. 2
eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einer Kurzschließeinrichtung, welche halbzylinderförmige, gegenüberstehende Elektro- den aufweist;
Fig. 3
eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einer Konus- sowie einer Gegenkonuselektrode und
Fig. 4
eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einer Elektrodenkon- figuration, umfassend eine feststehende Topfelektrode und eine bewegliche Stempelelektrode.
Die Fig. 1 geht von einem an sich bekannten Fehlererfassungssystem 1 aus, welches zur Erfassung unterschiedlicher anormaler Zustände, wie z. B. Brand, Spannung, Fehlerstrom, Druck, Störlichtbögen und so weiter geeignet ist. Das Fehlererfassungssystem 1 dient also zur Erkennung eines abnormalen Zustands und zur Signalabgabe.
Das Fehlererfassungssystem 1 führt ein Signal an eine Auslöseimpuls-Erzeugungseinrichtung 2 und stellt weiterhin ein Signal bereit, was an eine Meldeeinrichtung 4 gelangt. Diese Meldeeinrichtung 4 kann die in bekannten Anlagen vorhandenen Schutzeinrichtungen steuern.
Ausgangsseitig steht die Auslöseimpuls-Erzeugungseinrichtung 2 mit einem Kurzschließer 3 in Verbindung und liefert einen auf den Kurzschließer abgestimmten Strom- bzw. Spannungsimpuls zu dessen Auslösung.
Die Auslöseimpuls-Erzeugungseinrichtung 2 kann jedoch auch Impulse zur Betätigung von geeigneten Schutzgeräten in den Anlagen selbst liefern. So ist z. B. die externe Betätigung des Kurzschlußauslösers, insbesondere eines Niederspannungsschalters, mit einem an das Gerät angepaßten Stromimpuls möglich. Ähnliches gilt für weitere, insbesondere mit einem Magnetfeld steuerbare Schalter, z. B. supraleitende Schalter, Vakuumschalter mit Magnetantrieb, aber auch triggerbare Vakuumschalter.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 ist ein triggerbares Schaltelement 7, z. B. in Form eines Gasableiters, einer Funkenstrecke, eines Thyristors und so weiter vorgesehen, welche sich zwischen zwei massiven, elektrisch leitfähigen Elektroden 5 und 6 befindet. Die bewegliche Elektrode 5 ist über eine Druckfeder 9 unter Vorspannung gehalten und mit einer stromführenden Sammelschiene in Kontakt stehend.
Die feste Elektrode 6 führt Erdpotential.
Die beiden Elektroden 5 und 6 sind durch einen Isolationsspalt 11 voneinander getrennt. Zwischen bzw. unterhalb des Schaltelements 7, das im einfachsten Fall ein Gasableiter sein kann, befindet sich ein Hohl- oder Freiraum 10.
Eine Zündelektrode 8 oder eine Potentialsteuerung für den Gasableiter wird isoliert mit der Einheit zur Erzeugung eines Auslöseimpulses 2 (siehe Fig. 1) verbunden.
Im Normalzustand kann der Gasableiter als triggerbares Schaltelement 7 bzw. eine dort vorgesehene Funkenstrecke bei Bedarf Überspannungen im Rahmen der jeweiligen Eigenbelastbarkeit begrenzen und somit eine erste Schutzfunktion übernehmen.
Durch die Auswahl des Schaltelements 7 kann bei sehr hohen Isolationswerten z. B. eine nahezu beliebige Ansprechspannung des Überspannungsschutzes realisiert werden.
Durch die Leistungsfähigkeit und den mechanischen Aufbau des eingesetzten Überspannungs-Schutzgeräts, z. B. eines Gasableiters, kann die Abstimmung zwischen Überspannungs-Schutzfunktion und dem Fehlerfall, bei dem der Ableiter zerstört wird, sehr genau vorgenommen werden. Dies erlaubt eine äußerst flexible Anpassung der Kombination aus Überspannungsableiter und irreversiblem Kurzschließer für die jeweilige Spannungsebene bzw. entsprechend anderer weiterer spezieller Anlagencharakteristiken.
Grundsätzlich soll jedoch der Ansprechwert des Gasableiters höher liegen als alle im Betriebsfall auftretenden Spannungen innerhalb der Anlage.
Dies bedeutet, daß die Spannungsfestigkeit des Isolationsspalts 11 deutlich über der Ansprechspannung des Schaltelements 7 zu wählen ist.
Beim Einsatz von weiteren Überspannungs-Schutzgeräten innerhalb der Anlage bzw. direkt parallel zu dem vorgesehenen Kurzschließer oder aber auch zusätzlich in den Kurzschließer integriert (in der Figur nicht gezeigt), ist dafür Sorge zu tragen, daß die unbeeinflußte Ansprechspannung des durch den Auslöseimpuls zündbaren Ableiters höher ist, als die Ansprechspannung des für den reinen Überspannungsschutz vorgesehenen (weiteren) Ableiters.
Bei der Erfassung eines Fehlerfalls, z. B. bei Störlichtbögen, muß die Funktion des Kurzschließers sehr schnell realisiert werden. Hierfür wird im Fehlerfall das Schaltelement durch einen Zündimpuls, geliefert aus der Auslöseimpuls-Erzeugungseinheit 2, gezündet. Bei einer Stromzündung kann dieser Impuls direkt zur Zerstörung des Schaltelements 7 genutzt werden bzw. es führt hier der anschließende Stromfluß durch die niederohmige Verbindung des Schaltelements zu dessen (gewünschter) Zerstörung.
Es kann damit unmittelbar nach der Zündung des Schaltelements 7 bereits die Kommutierung des Fehlerstroms von der Fehlerquelle zum Schaltelement 7 beginnen, was im Gegensatz zu bekannten Lösungen steht, wo dies erst nach der trägheitsbehafteten mechanischen Bewegung der Kontaktstücke möglich ist.
Auf diesem Wege wird die Gesamtverzugszeit des Kurzschließers vermindert und die Einwirkdauer des Lichtbogens reduziert. Ein weiterer positiver Effekt dieser Ausführungsform ist es, daß der mechanische Bewegungsablauf nicht mehr extrem beschleunigt bzw. die bewegte Masse minimiert werden muß, da die Zeitdauer bis zur Einleitung des Kurzschlusses unabhängig von der Bewegung der Kontakte selbst ist.
Aufgrund der niedrigen Spannung des Schaltelements 7 kommutiert der Fehlerstrom sehr zügig in den Kurzschließer, und zwar noch vor dem Beginn der Bewegung des Kontaktes bzw. Elektrode 5 hin zur Elektrode 6 und der mechanischen Zerstörung des Schaltelements 7.
Beim Einsatz eines z. B. Gasableiters zerfällt dieser in mehrere Einzelteile, welche im Hohlraum 10 aufgenommen werden. Unter der Vorspannung der Druckfeder 9 bewegt sich, nachdem die Kommutierung des Fehlerstroms bereits begonnen hat, die Elektrode 5 auf die Elektrode 6 zu, wodurch ein quasi widerstandsloser, hochstromtragfähiger Kontakt hergestellt wird. Diese nochmalige Reduzierung des elektrischen Widerstands fördert die vollständige Kommutierung des Fehlerstroms und führt letztendlich zum Verlöschen unerwünschter Störlichtbögen in der zu schützenden Anlage.
Es liegt im Sinne der Erfindung, daß die Druckfeder 9 selbstverständlich so auszuführen ist, daß diese dem Druck, der bei der Zerstörung des Schaltelements 7 entsteht, entgegenwirken kann.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 kann sehr schnell ein großflächiger, niederohmiger Kontakt zwischen den beiden Elektroden 5 und 6 über die Konus- bzw. Kegelfläche hergestellt werden. Selbst bei einer reduzierten Federkraft und relativ hohen Drücken durch Zerstörung des Schaltelements 7 ist ein sicherer Kurzschluß erreichbar. Die Stromzuführung bei der Ausführungsform nach Fig. 3 führt darüber hinaus kaum zu Kraftkomponenten, die einem schnellen niederohmigen Kurzschluß entgegenwirken können.
Zur Dämpfung des Druckaufbaus bei der Zerstörung des Schaltelements 7 können im Bodenbereich der Elektrode 6 Öffnungen oder größere Hohlräume vorgesehen sein.
Die Führung der Elektrode 5 kann über einen umlaufenden Isolationsring 12 realisiert werden.
Die Kontaktierung des Schaltelements 7 erfolgt isoliert durch den Boden in der Elektrode 6 über einen Anschluß 8.
Die in der Fig. 4 gezeigte weitere Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere bei großen Isolationsstrecken und hohen Spannungen von Vorteil.
Ergänzend zu den Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 wird hier eine Reihenschaltung zwischen einem Überspannungsableiter 7, z. B. einem Gasableiter, und einer Sicherung 13, z. B. einer Glasrohr-Sicherung, realisiert.
Nach dem Ansprechen des Überspannungsableiters 7 erfolgt ein Stromfluß durch die Sicherung 13, die auch ein Varistor, ein linearer oder nichtlinearer Widerstand sein kann.
Die Sicherung 13 selbst besitzt ein sehr gut einstellbares Schmelzintegral, über welches das Zusammenwirken mit dem Überspannungsableiter 7 abstimmbar ist.
Nach dem Überschreiten des Schmelzintegrals der Sicherung 13, d.h. im Fehlerfall, wird in der Sicherung 13 ein Lichtbogen gezündet, welcher zwar kurzzeitig eine gewisse Lichtbogenspannung erzeugt, aber grundsätzlich zur Zerstörung des Sicherungsgehäuses führt.
Hiernach wird die niederohmige Verbindung zwischen den Elektroden 5 und 6 hergestellt. Bei dieser Ausführungsform kann auf die Zerstörung des eigentlichen Schaltelements, d.h. eines z. B. eingesetzten Überspannungsableiters 7, verzichtet werden, wodurch sich ein größerer Spielraum für dessen Auslegung und Aufbau ergibt.
Anstelle der Sicherung mit Gehäuse können auch andere Materialien mit relativ hoher mechanischer Festigkeit, aber einem geringen, vergleichsweise kleinem Schmelzintegral eingesetzt werden, wie beispielsweise spezielle niedrigschmelzende Metalle oder Legierungen.
Die Topfformelektrode 6 nach Fig. 4 weist eine Stufung auf 14, die mit der Stempeloberfläche 15 der gegenüberliegenden Elektrode 5 im Fehlerfall den Kurzschlußbereich bildet.
Unterhalb der Stufung 14 ist ein Aufnahmeraum A für die triggerbare Überspannungs-Schutzeinrichtung 7 vorhanden. Der Aufnahmeraum A dient auch dazu, Teile der im Fehlerfall zerstörten Einrichtung 13 aufzunehmen, ohne daß die Bewegung der Stempelelektrode 5 hin zur topfförmigen Elektrode 6 mit dem gewünschten In-Kontakt-Kommen behindert wird.
Bezugszeichenliste
1
Fehlererfassungssystem
2
Auslöseimpuls-Erzeugungseinrichtung
3
Kurzschließer
4
Meldeeinrichtung
5
Stempelformelektrode
6
Topfformelektrode
7
Schaltelement
8
Anschluß
9
Druckfeder
10
Hohl- oder Freiraum
11
Isolationsspalt
12
Isolationsring
13
Sicherung
14
Stufung
15
Stempeloberfläche
A
Aufnahmeraum

Claims (20)

  1. Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz, umfassend ein Schaltelement, welches von einem Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigt wird, zwei das Schaltelement zwischen sich aufnehmende Elektroden mit Mitteln zur Stromzuführung, wobei diese an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind und das Schaltelement mit den Elektroden in elektrischer Verbindung steht,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Schaltelement eine triggerbare Überspannungs-Schutzeinrichtung ist, welche durch einen Strom- oder Spannungsimpuls zum Ansprechen bringbar und im Fehlerfall zerstörbar ist,
    mindestens eine der die Überspannungs-Schutzeinrichtung aufnehmenden Elektroden unter mechanischer Vorspannung stehend und in Richtung auf die gegenüberliegende Elektrode bewegbar ist, wobei die Überspannungs-Schutzeinrichtung einen Elektrodenabstandshalter bildet, welcher im Falle der Zerstörung ein In-Kontakt-Kommen der Elektroden zur Kurzschlußbildung ermöglicht, und der Überspannungs-Schutzeinrichtung benachbart ein Freiraum zur Aufnahme von Teilen im Kurzschluß-Fehlerfall vorgesehen ist.
  2. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Schaltelement eine Reihenschaltung aus einer triggerbaren Überspannungs-Schutzeinrichtung und einer Einrichtung mit einstellbarem oder definiertem Schmelzintegral ist.
  3. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    bei der Reihenschaltung im Fehlerfall lediglich die Einrichtung mit dem definierten Schmelzintegral zerstört wird.
  4. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Einrichtung eine Glasrohr-Sicherung, ein linearer oder nichtlinearer Widerstand, ein Varistor, ein niedrigschmelzendes Metall oder eine Metall-Legierung, eine halbleitende oder leitende Keramik, ein derartiges Glas oder ähnliches ist.
  5. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der elektrisch relevante Abstand zwischen den Elektroden eine Spannung definiert, die über der Ansprechspannung des Schaltelements liegt.
  6. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Überspannungs-Schutzeinrichtung ein Gasableiter, eine Funkenstrecke, ein Thyristor, ein triggerbarer Vakuumschalter, ein Thyratron, ein triggerbares Halbleiterbauelement oder dergleichen ist.
  7. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mehrere Überspannungs-Schutzeinrichtungen in Serie und/oder parallel geschaltet vorgesehen sind.
  8. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung und der Elektrodenrelativbewegung mindestens eine Zug- oder Druckfeder vorgesehen ist.
  9. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Elektroden eine sich mit den offenen Metallflächen gegenüberliegende, jeweils Halbzylinderform aufweisen, wobei mindestens eine Elektrode über die Zylindergrundfläche von außen unter Vorspannung gehalten ist.
  10. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Halbzylinder-Innenraum die Überspannungs-Schutzeinrichtung befindlich ist und zwischen dieser und der Zylinder-Innenwandung der Freiraum verbleibt.
  11. Kurzschließeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Triggeranschluß über die Zylindermantelfläche, bevorzugt der feststehenden Elektrode ausgeführt ist.
  12. Kurzschließeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine der Elektroden einen konusförmigen Innenraum und die Gegenelektrode eine Gegenkonus- oder Kegelform aufweist, wobei im Bodenbereich der Elektrode mit konusförmigem Innenraum die Überspannungs-Schutzeinrichtung angeordnet und im Ausgangszustand der Abstand zwischen Konusund Gegenkonusfläche kleiner als der Abstand der Elektroden im Bodenbereich mit dort befindlicher Überspannungs-Schutzeinrichtung ist.
  13. Kurzschließeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine der Elektroden eine Topfform und die Gegenelektrode eine in den Topf eintauchende Stempelform aufweist.
  14. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Topfinneren eine umlaufende Stufung vorgesehen ist, welche mit der Stempeloberfläche im Fehlerfall den Kurzschlußbereich bildet.
  15. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    unterhalb der Stufung ein Aufnahmeraum für die triggerbare Überspannungs-Schutzeinrichtung und von Teilen der im Fehlerfall zerstörten Einrichtung vorgesehen ist.
  16. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Einrichtung mit definiertem Schmelzpotential sich in elektrischem Kontakt zwischen einer Aufnahme in der stempelförmigen Elektrode einerseits und mit einer Oberfläche der Überspannungs-Schutzeinrichtung andererseits befindet.
  17. Kurzschließeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die bevorzugt bewegliche Elektrode in Stempelform von einer die Topfformelektrode bedeckenden Isolationsscheibe geführt ist.
  18. Verfahren zum Betreiben einer Kurzschließeinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Fehlerfall sofort über die gezündete Überspannungs-Schutzeinrichtung der Fehlerstrom von der Fehlerquelle in der Schaltanlage zum Schaltelement kommutiert, wodurch die Gesamtverzugszeit vermindert und die Einwirkdauer von Störlichtbögen verkürzt ist, wobei mit der Zerstörung der Überspannungs-Schutzeinrichtung die Elektroden in Kontakt kommen und einen irreversiblen niederohmigen, metallischen Kurzschluß erzeugen.
  19. Verfahren nach Anspruch 18,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Bewegung der Elektroden im Kurzschlußfall zueinander durch elektrodynamische Krafteinwirkung erhöht ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die integrierte Überspannungs-Schutzeinrichtung für sich oder im Zusammenwirken mit weiteren, externen Überspannungs-Schutzeinrichtungen eine Anlagen-Überspannungs-Schutzfunktion übernimmt.
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