EP2051275B1 - Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz - Google Patents

Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz Download PDF

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EP2051275B1
EP2051275B1 EP08018404A EP08018404A EP2051275B1 EP 2051275 B1 EP2051275 B1 EP 2051275B1 EP 08018404 A EP08018404 A EP 08018404A EP 08018404 A EP08018404 A EP 08018404A EP 2051275 B1 EP2051275 B1 EP 2051275B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
short
contact
switching element
sacrificial element
contact electrodes
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP08018404A
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English (en)
French (fr)
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EP2051275A1 (de
Inventor
Peter Zahlmann
Arnd Ehrhardt
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Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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Publication date
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Priority to PL08018404T priority Critical patent/PL2051275T3/pl
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    • 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
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/14—Means structurally associated with spark gap for protecting it against overload or for disconnecting it in case of failure
    • H—ELECTRICITY
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a further developed short-circuiting device for use in low and medium voltage equipment for property and personal protection, comprising a switching element which is actuated by the trigger signal of a fault detection device, two opposing contact electrodes with means for supplying power, which to a circuit with terminals of different Potential are contactable, continue the contact electrodes under mechanical bias standing in the case of short circuit spring assisted perform a relative movement to each other, a sacrificial element as a spacer between the contact electrodes and with an electrical connection between the sacrificial element and the switching element on the one hand and one of the contact electrodes on the other hand, a current flow induced thermal destruction of the Targeting element to bring about specifically, according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method for initiating a short circuit in low and medium voltage installations with a short-circuiting device.
  • a short-circuiter for use in electrical energy distribution installations according to DE 197 46 815 A1 is provided directly driven by a gas generator short-circuiting element with a short-circuiting piston.
  • the local short-circuiting piston should perform regardless of manufacturing tolerances optimal shock movement and at the same time be transport-secured.
  • the DE 42 35 329 A1 includes a short-circuit device to the prior art, which consists of at least one switching element which is actuated with a trigger signal of an error detection device.
  • the short-circuiter provided there comprises at least two electrodes receiving the switching element between them and has current-carrying parts or regions.
  • the response times are insufficient and it is the overall design arrangement from a manufacturing point of view very expensive.
  • a short-circuiting device for use in low and medium voltage systems which also includes a switching element which is actuated by a trigger signal of an error detection device.
  • the switching element is a triggerable overvoltage protection device, which can be brought to a response by a current or voltage pulse and destructible in the event of an error.
  • At least one of the surge arrester receiving electrodes is under mechanical bias and is movable toward the opposite electrode, the overvoltage protector forming an electrode spacer which, in the event of destruction, allows the electrodes to contact the short circuit.
  • the aforementioned switching element may be a series circuit of a triggerable overvoltage protection device and a device with adjustable or defined melting integral.
  • the aforementioned device is a glass tube fuse, a linear or non-linear resistor, a varistor, a low-melting metal or a metal alloy, a semiconductive or conductive ceramic, such a glass, or the like.
  • a tension or compression spring used to generate the mechanical bias and the relative electrode movement.
  • an embodiment of the electrodes as a pot with a counter electrode is common, which has a plunging into the pot die.
  • the basic aim of the optimization of a short-circuit device is to achieve the fastest possible closing movement of the main contacts and a very low load on the switching element, wherein the sacrificial element substantially influences these two parameters.
  • the object of the invention is achieved with a short-circuiting device according to the combination of features according to claim 1, wherein reference is additionally made to an inventive method for initiating a short circuit in low-voltage systems using the short-circuiting device according to the invention.
  • the sacrificial element is a wire or rod made of a conductive material of low melting integral, the sacrificial element being in tension under mechanical prestressing.
  • the movable contact electrode can form a contact bridge between two electrical terminals.
  • the movable contact electrode can be designed as a displacement punch, which cooperates with a solid pot contact electrode, wherein in the pot contact electrode is a conductive, low-melting substance is located, which forms a complementary electrical bridge between the opposing contact portions when immersing the punch.
  • the low-melting substance is forced out of the pot region of the corresponding electrode and enters the remaining gap of the opposing contact electrodes.
  • the short-circuit current is then interrupted by the switching element after a predetermined time and the system is again loaded with mains voltage.
  • the short-circuiting device reports the error that has occurred and thus indicates a necessary check of the system.
  • the switching element of the short-circuiter is again and permanently activated.
  • the sacrificial element of the short-circuiter is overloaded in this case and there is the generation of a permanent metallic short circuit, which forces a shutdown of the system.
  • the sacrificial element 5 has a special significance with respect to the effective operation of the short-circuiting device.
  • the aim of optimizing the short-circuiting device is to achieve the fastest possible closing movement of the main contacts and a very low load on the switching element.
  • the speed of the closing movement of the main contacts is in addition to the contact distance, the mass of the moving contact, the effective counter forces also determined substantially by the force-displacement characteristic of the spring 4 used. The higher the initial force in the tensioned state and the higher the residual force in the closed state of the short-circuiter, the shorter the closing time of the main contacts.
  • the mass of the moving contact and the spring force in the stressed state permanently act on the sacrificial element and require a certain mechanical strength.
  • the sacrificial element is to be overloaded as possible due to a low power supply and the desired movement of the corresponding main contact, i. cause the respective contact electrode.
  • the switching element is loaded with the fault current.
  • the lower this load the lower the cost of the switching element can be kept.
  • the impedance of the switching element and possibly the existing impedance of the arc and the substantially ohmic resistance of the sacrificial element is eliminated from the fault circuit.
  • the sacrificial elements according to the invention have the following properties. There is a low melting integral (I 2 t value) of the material to minimize stress on the switching element.
  • the sacrificial elements have a high electrical conductivity to minimize the commutation time and have a high mechanical strength to use a high spring force in view of a desired reduction in the movement time of the contact electrodes. Furthermore, there is only a low arc voltage in the destruction of the sacrificial element for the realization of a short commutation time. Forces, which counteract the mechanical movement, such as a resulting increase in pressure, are avoided or reduced.
  • Fig. 1 is the sacrificial element 5 is not loaded on compressive strength by the spring preload, but there is a stress on train instead.
  • This embodiment makes it possible to use inexpensive wires or rods as the sacrificial element 5.
  • the sacrificial element of the second embodiment in addition to the high tensile strength necessary for this design on a low melting integral.
  • the spring 4 has according to Fig. 1 a guide 12, which is used with a member 13 for transmitting power to the movable contact electrode 14.
  • the elements 12 and 13 form a labyrinth seal, with the result that with a pressure increase in the seal interior, a movement support of the piston-like movable contact electrode 14 is ensured.
  • the pressure wave generated by the arc acts according to the variants Fig. 1 to 4 not contrary to the closing movement of the contact electrodes, but can be used to accelerate the movement, as has been set out above with reference to the piston-shaped design of the contact electrodes.
  • the design of the parts 12 and 13 with a suitable choice of material to achieve a sliding contact-like arrangement, which leads the current to close the main contacts.
  • a matching of the current distribution between the sacrificial element and the parts 12 and 13 is required.
  • the parts 12 and 13 are electrically contacted only after a minimal movement or that the contact is made by a voltage flashover in the form of breakdown or slip over a small distance due to the ignition of the arc on the sacrificial element 5.
  • constructions can be used in which the current forces support the movement of the moving element.
  • Fig. 2 shows a variant with wire-shaped sacrificial element 5, with the aim of reducing the moving mass, which is in principle also in tubular sacrificial elements, which are under spring pressure is conceivable.
  • the contact electrodes 6 and 14 according to Fig. 2 are fixed and only a movable contact plate 15 is used, which forms a bridge with respect to the contact electrodes 6 and 14.
  • the advantage of this embodiment consists in the small moving mass of the contact plate 15 and the low requirements in terms of current carrying capacity and the dynamic load of the connection between the contact plate 15 and one of the fixed main electrodes 6 and 14, respectively, in the case of the embodiment Fig. 3 was realized centrally.
  • the power supply to the contact plate or to the sacrificial element can also be effected via a sliding contact of one of the fixed electrodes.
  • the part 15 via a sliding contact with the first fixed main electrode 6.
  • the second fixed contact or main electrode 14 is insulated from the housing 1 by a part 7.
  • solder substance 10 can be forced between the fixed contacts 6 and 14 when heated, which increases the size of the conductive contact surface significantly.
  • the fixed main electrode 14 is formed as a pot electrode, wherein the movable contact plate 15 when immersed in the melting solder 10 displaces this as mentioned above.
  • the described short-circuiting allow the use of a self-extinguishing switching element such as spark gaps or thyristors, the application of a useful especially in the low voltage operating method for initiating a metallic short circuit.
  • the short circuit In the case of fast-acting short-circuiters, the short circuit is initiated within the first residual current half-wave, permanently until it is disconnected by the upstream protective devices. The entire system is thus disconnected from the grid. As a result, even with possibly self-extinguishing wipers as a result of the shutdown is a high loss of use. On the other hand, if the duration of the response of the short-circuiter is delayed, the damage to the equipment in the case of a real damage event, on the other hand, increases considerably. In addition, a drastically higher maintenance costs. A delay of the short-circuiter also makes any desired personal protection unthinkable.
  • the inventive principle of the method for initiating a short circuit is based on a staggered connection of the short-circuiter with the following timing.
  • the switching element of the short-circuiter After the detection of a fault, eg an arc fault in the system, the switching element of the short-circuiter is briefly actuated.
  • the possible short-circuit current through the switching element is limited by the sacrificial element and the impedance of the terminal and of the switching element.
  • the current commutes from the fault location to the short circuiter.
  • the switching element After an adjustable time, the switching element interrupts the short-circuit current and the system and the fault location are again loaded with mains voltage. In the case of a wiper and a sufficient reconsolidation of the fault remains the supply of the plant exist.
  • the short-circuiter reports the error that has occurred and thus indicates a necessary system check.
  • the switching element of the short-circuiter is controlled again and permanently.
  • the sacrificial element of the short-circuiter is overloaded in this case and generates a permanent metallic short circuit, which forces a shutdown of the system.
  • the sacrificial element is designed so that a metallic short circuit can already be achieved after the lowest current loads (low I 2 t values).
  • the switching elements used in this case must thus have only a very low current carrying capacity or a low switching capacity.
  • Fig. 5 shows a schematic diagram relating to the parallel connection of another path.
  • the additional parallel path consists essentially of a controllable switching element 17 with medium to high current carrying capacity and breaking capacity.
  • an impedance 16 may be provided. With the help of the impedance, it is possible to influence the magnitude of the short-circuit current or the value of the square-wave current pulse, for example with non-linear impedances. On the one hand, this may be useful in order to avoid a response of possible overcurrent or undervoltage protection devices of the network during the first time-limited switching of the switching element and, on the other hand, not to exceed the maximum load with regard to current carrying capacity and extinguishing capability for less powerful switching elements.
  • the height of the impedance 16 should not exceed a few 100 m ⁇ , since otherwise a commutation of the fault current to the overall device (short circuit path 1 and 2) is severely hindered.
  • the impedance should be less than a few m ⁇ .
  • semiconductor switches e.g. Thyristors or IGBTs, but also triggerable vacuum switch and spark gaps suitable.

Landscapes

  • Fuses (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine weiterentwickelte Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz, umfassend ein Schaltelement, welches vom Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbar ist, zwei sich gegenüberliegende Kontaktelektroden mit Mitteln zur Stromzuführung, wobei diese an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind, weiterhin die Kontaktelektroden unter mechanischer Vorspannung stehend im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Relativbewegung zueinander ausführen, ein Opferelement als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden sowie mit einer elektrischen Verbindung zwischen dem Opferelement und dem Schaltelement einerseits und einer der Kontaktelektroden andererseits, um eine stromflussbedingte thermische Zerstörung des Opferelements gezielt herbeizuführen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einleiten eines Kurzschlusses in Nieder- und Mittelspannungsanlagen mit einer Kurzschließeinrichtung.
  • 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 zurückzuführende 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 schnelle 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-Schutzeinrichtung 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 der erwähnte metallische Kurzschluss in einer Zeit zwischen 0,1 ms und 2 ms erfolgt.
  • Bei einem 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.
  • Weitere typische Kurzschließer des Standes der Technik sind beispielsweise in der DE 94 19 141 U1 , DE 197 46 815 A1 sowie DE 42 35 329 C2 beschrieben. Hierbei wird zwischen mehrfach verwendbaren und einmalig wirkenden Einrichtungen unterschieden. Wieder verwendbare 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.
  • Gemäß der DE 42 35 329 A1 gehört eine Kurzschlusseinrichtung zum Stand der Technik, welche aus mindestens einem Schaltelement besteht, das mit einem Auslösesignal einer Fehlererkennungseinrichtung betätigt wird. Der dort vorgesehene Kurzschließer umfasst mindestens zwei das Schaltelement zwischen sich aufnehmende 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. Bei dieser bekannten Kurzschlusseinrichtung sind die Ansprechzeiten unzureichend und es ist die konstruktive Gesamtanordnung unter Fertigungsaspekt sehr kostenintensiv.
  • Bei der Lehre gemäß Patentschrift DE 103 13 045 B3 wird eine Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen vorgestellt, welche ebenfalls ein Schaltelement umfasst, welches von einem Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigt wird. Nach der dortigen Erfindung ist das Schaltelement eine triggerbare Überspannungs-Schutzeinrichtung, welche durcheinen 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 Fall der Zerstörung ein In-Kontakt-Kommen der Elektroden zur Kurzschlussbildung ermöglicht.
    Das vorerwähnte Schaltelement kann eine Reihenschaltung aus einer triggerbaren Überspannungs-Schutzeinrichtung und einer Einrichtung mit einstellbarem oder definiertem Schmelzintegral sein. Bei dieser Reihenschaltung kann im Fehlerfall lediglich die Einrichtung mit dem definierten Schmelzintegral zerstört werden. In einer Ausführungsform ist die vorerwähnte 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. Zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung und der Elektrodenrelativbewegung wird gemäß DE 103 13 045 B3 eine Zug- oder Druckfeder verwendet. Auch ist gemäß der diesbezüglichen Lehre des Standes der Technik eine Ausführungsform der Elektroden als Topf mit einer Gegenelektrode geläufig, die eine in den Topf eintauchende Stempelform besitzt.
  • Es hat sich jedoch im Ergebnis weiterer Untersuchungen gezeigt, dass der Ausführung und Optimierung des Opferelements für die funktionalen Eigenschaften des Kurzschließers eine große und außerordentliche Bedeutung zukommt. Grundsätzliches Ziel der Optimierung einer Kurzschlusseinrichtung ist es, eine möglichst schnelle Schließbewegung der Hauptkontakte und eine sehr geringe Belastung des Schaltelements zu erreichen, wobei das Opferelement diese beiden Parameter wesentlich beeinflusst.
  • Weiterhin ist aus der US-A-3,425,017 ein Opferelement in Form eines Drahtes oder eines Stabes aus einem leitfähigen Material mit niedrigem Schmelzintegral vorbekannt, wobei das dortige Opferelement auf Zug unter mechanischer Vorspannung steht.
  • Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz anzugeben, wobei diese Kurzschließeinrichtung eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit zur Minimierung der Kommutierungszeit bei gleichzeitiger hoher mechanischer Festigkeit zum Einsatz einer hohen Federkraft mit dem Ziel einer Reduzierung der Bewegungszeit besitzt.
  • Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Kurzschließeinrichtung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei ergänzend auf ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einleitung eines Kurzschlusses in Niederspannungsanlagen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kurzschließeinrichtung verwiesen wird.
  • Gemäß der Erfindung ist das Opferelement ein Draht oder Stab aus einem leitfähigen Material mit niedrigem Schmelzintegral, wobei das Opferelement auf Zug unter mechanischer Vorspannung steht.
  • Gemäß der Erfindung ist es von Vorteil, zwischen den Kontaktelektroden labyrinthartige, ineinander greifende Dichtelemente vorzusehen, um bei einer Lichtbogenbildung und Druckentwicklung eine Bewegungsunterstützung der kolbenartigen, beweglichen Kontaktelemente zu erreichen.
  • Die bewegliche Kontaktelektrode kann bei einer Ausgestaltung der Erfindung eine Kontaktbrücke zwischen zwei elektrischen Anschlüssen bilden.
  • Wiederum ausgestaltend kann die bewegliche Kontaktelektrode als Verdrängungsstempel ausgeführt werden, welcher mit einer festen Topf-Kontaktelektrode zusammenwirkt, wobei in der Topf-Kontaktelektrode eine leitfähige, niedrigschmelzende Substanz befindlich ist, welche beim Eintauchen des Stempels eine ergänzende elektrische Brücke zwischen den sich gegenüberliegenden Kontaktabschnitten bildet. In diesem Fall wird also die niedrigschmelzende Substanz aus dem Topfbereich der entsprechenden Elektrode herausgedrängt und gelangt in den verbleibenden Spalt der sich gegenüberliegenden Kontaktelektroden.
  • Bei dem Verfahren zur Einleitung eines Kurzschlusses in Niederspannungsanlagen unter Verwendung der Kurzschließeinrichtung gemäß der Erfindung wird von einer gestaffelten Zuschaltung der Kurzschließeinrichtung ausgegangen.
  • Zunächst erfolgt hier ein kurzzeitiges Ansteuern des Schaltelements nach Erfassung eines Störungsfalls. Es wird dann eine Begrenzung des Kurzschlussstroms durch das Schaltelement mittels Opferelement und die Impedanz der Anschlüsse erreicht mit einem anschließenden Kommutieren des Stroms vom Fehlerort zum Kurzschließer.
  • Der Kurzschlussstrom wird dann nach einer vorgegebenen Zeit durch das Schaltelement unterbrochen und es wird die Anlage erneut mit Netzspannung belastet.
  • Im Fall einer ausreichenden Wiederverfestigung der Fehlstelle bleibt die Versorgung der Anlage erhalten. Die Kurzschließeinrichtung meldet den aufgetretenen Fehler und weist damit auf eine notwendige Überprüfung der Anlage hin.
  • Bleibt allerdings der Fehlerfall bestehen, wird das Schaltelement des Kurzschließers erneut und dauerhaft angesteuert. Das Opferelement des Kurzschließers wird in diesem Fall überlastet und es erfolgt das Erzeugen eines dauerhaften metallischen Kurzschlusses, welcher eine Abschaltung der Anlage erzwingt.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
  • Hierbei zeigen:
    • Fig. 1
    eine erste Variante der Erfindung mit zugbelastetem Stab oder Draht als Federelement;
    Fig. 2
    eine zweite Variante der Erfindung mit zugbelastetem Opferelement;
    Fig. 3
    eine dritte Variante der Erfindung mit zugbelastetem Opferelement;
    Fig. 4
    eine vierte Variante der Erfindung mit zugbelastetem Opferelement und einer Topf-Elektrode, welche eine zu verdrängende leitfähige Substanz aufweist, und
    Fig. 5
    ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Verfahrens zum Einleiten eines Kurzschlusses in Niederspannungsanlagen mit gestaffelter Zuschaltung.
  • In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen werden für gleiche oder gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Gemäß den Ausführungsbeispielen kommt dem Opferelement 5 eine besondere Bedeutung bezüglich der effektiven Wirkungsweise der Kurzschließeinrichtung zu. Ziel der Optimierung der Kurzschließeinrichtung ist es, eine möglichst schnelle Schließbewegung der Hauptkontakte und eine sehr geringe Belastung des Schaltelements zu erreichen. Die Geschwindigkeit der Schließbewegung der Hauptkontakte wird neben dem Kontaktabstand, der Masse des bewegten Kontakts, der wirksamen Gegenkräfte auch wesentlich durch die Kraft-Weg-Kennlinie der eingesetzten Feder 4 bestimmt. Je höher die Anfangskraft im gespannten Zustand und je höher die Restkraft im geschlossenen Zustand des Kurzschließers ist, desto kürzer wird die Schließzeit der Hauptkontakte.
  • Die Masse des bewegten Kontakts und die Federkraft wirken im gespannten Zustand permament auf das Opferelement und erfordern eine gewisse mechanische Festigkeit.
  • Andererseits soll das Opferelement möglichst bereits infolge einer geringen Energiezufuhr überlastet werden und die gewünschte Bewegung des entsprechenden Hauptkontakts, d.h. der jeweiligen Kontaktelektrode bewirken. Bis zur Stromkommutierung des Fehlerstroms auf die Hauptkontakte wird das Schaltelement mit dem Fehlerstrom belastet. Je geringer diese Belastung ist, desto geringer können die Kosten für das Schaltelement gehalten werden. Neben den Kosten und dem Schutz des Schaltelements soll eine schnelle Überlastung des Opferelements auch einer raschen Verringerung der Impedanz des Kurzschlusspfads dienen, da nach dem Schließen der Hauptkontakte ein rein metallischer Kurzschluss realisiert ist. Damit wird die Impedanz des Schaltelements sowie eventuell die vorhandene Impedanz des Lichtbogens und der im Wesentlichen ohmsche Widerstand des Opferelements aus dem Fehlerstromkreis eliminiert.
  • Die erfindungsgemäßen Opferelemente besitzen folgende Eigenschaften. Es liegt ein geringes Schmelzintegral (I2t-Wert) des Materials zur Minimierung der Belastung des Schaltelements vor. Die Opferelemente weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit zur Minimierung der Kommutierungszeit auf und besitzen eine hohe mechanische Festigkeit zum Einsatz einer hohen Federkraft mit Blick auf eine gewünschte Reduzierung der Bewegungszeit der Kontaktelektroden. Weiterhin liegt nur eine geringe Lichtbogenspannung bei der Zerstörung des Opferelements für die Realisierung einer kurzen Kommutierungszeit vor. Kräfte, welche der mechanischen Bewegung entgegenwirken, wie z.B. ein entstehender Druckanstieg, werden vermieden oder reduziert.
  • Wie in den Fig. 1 bis 4 erkennbar, kann die Grundkonstruktion des Kurzschließers vom Wirkprinzip her invertiert werden.
  • Gemäß Fig. 1 ist das Opferelement 5 nicht auf Druckfestigkeit durch die Federvorspannung belastet, sondern es findet eine Beanspruchung auf Zug statt.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht es, als Opferelement 5 preiswerte Drähte oder Stäbe einzusetzen. Das Opferelement der zweiten Ausführungsform weist neben der für diese Gestaltung notwendigen hohen Zugfestigkeit ein niedriges Schmelzintegral auf. An einer Führung 11, die auch einen Übergangsbereich zum Opferelement 5 bildet, ist eine Hilfselektrode 8 für das Schaltelement 9 und ein entsprechender Anschluß vorgesehen. Die Feder 4 besitzt gemäß Fig. 1 eine Führung 12, die mit einem Element 13 zur Kraftübertragung für die bewegliche Kontaktelektrode 14 genutzt wird.
  • Die Elemente 12 und 13 bilden eine Labyrinthdichtung mit der Folge, dass bei einer Druckerhöhung im Dichtungsinnenraum eine Bewegungsunterstützung der kolbenartigen beweglichen Kontaktelektrode 14 gewährleistet ist.
  • Durch den Einsatz von zugfesten Drähten, z.B. aus Stahl, lassen sich sehr geringe Schmelzintegrale des Opferelements 5 bei sehr hohen Federkräften erzielen. Dies erlaubt den Einsatz preiswerter Schaltelemente 9 und es können sehr geringe Schaltzeiten der Kontaktelektroden erzielt werden.
  • Die durch den Lichtbogen erzeugte Druckwelle wirkt bei den Varianten gemäß Fig. 1 bis 4 nicht der Schließbewegung der Kontaktelektroden entgegen, sondern kann zur Beschleunigung der Bewegung genutzt werden, wie vorstehend unter Hinweis auf die kolbenförmige Gestaltung eine der Kontaktelektroden dargelegt wurde. Es besteht aber alternativ auch die Möglichkeit, durch die Gestaltung der Teile 12 und 13 bei geeigneter Materialwahl eine gleitkontaktähnliche Anordnung zu erreichen, welche den Strom bis zum Schließen der Hauptkontakte führt. Hierzu ist bei einem dauerhaft leitfähigen Kontakt eine Abstimmung der Stromverteilung zwischen Opferelement und den Teilen 12 und 13 erforderlich. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Teile 12 und 13 erst nach einer minimalen Bewegung elektrisch kontaktiert werden bzw. dass die Kontaktierung durch einen Spannungsüberschlag in Form Durchschlag oder Gleitüberschlag geringer Distanz infolge der Zündung des Lichtbogens am Opferelement 5 erfolgt.
  • Bei der Ausführungsvariante gemäß Darstellung nach Fig. 1 und der notwendigen hohen Stromtragfähigkeit der Kontaktelektroden ist es unter Umständen problematisch, dass jeweils eine Kontaktelektrode inklusive der Kontaktstelle beweglich auszuführen ist. Dies führt neben den hohen Ansprüchen an die Kontaktstelle auch zu großen bewegten Massen und damit zu hohen Kontaktkräften. Die Masse und die notwendigen Kontaktkräfte können jedoch durch die Wahl von geeigneten Materialien und konstruktiven Varianten reduziert werden.
  • Zusätzlich können auch Konstruktionen Anwendung finden, bei denen die Stromkräfte die Bewegung des bewegten Elements unterstützen.
  • Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante mit drahtförmigem Opferelement 5, und zwar mit dem Ziel der Reduzierung der bewegten Masse, was prinzipiell auch bei rohrförmigen Opferelementen, welche unter Federdruck stehen, denkbar ist.
  • Die Kontaktelektroden 6 und 14 gemäß Fig. 2 sind fest ausgeführt und es wird lediglich eine bewegliche Kontaktplatte 15 verwendet, welche eine Brücke bezüglich der Kontaktelektroden 6 und 14 bildet.
  • Die in Fig. 2 prinzipiell dargestellte Anordnung kann auch koaxialsymmetrisch analog der Darstellung nach Fig. 3 realisiert werden.
  • Der Vorteil bei dieser Ausführungsvariante besteht in der kleinen zu bewegenden Masse der Kontaktplatte 15 und den geringen Anforderungen hinsichtlich der Stromtragfähigkeit sowie der dynamischen Belastung der Verbindung zwischen der Kontaktplatte 15 und einer der festen Hauptelektroden 6 bzw. 14, die im Fall der Ausführungsform nach Fig. 3 zentrisch realisiert wurde.
  • Prinzipiell kann die Stromzuführung zur Kontaktplatte bzw. zum Opferelement auch über einen Gleitkontakt von einer der festen Elektroden aus erfolgen.
  • Hierzu besteht die Möglichkeit, das Teil 15 elektrisch leitfähig über einen Gleitkontakt mit der ersten festen Hauptelektrode 6 zu verbinden. Gemäß den Darstellungen nach Fig. 3 und 4, die beispielhafte koaxiale Aufbauten zeigen, ist die zweite feste Kontakt- bzw. Hauptelektrode 14 durch ein Teil 7 gegenüber dem Gehäuse 1 isoliert.
  • Bei der Anordnung nach Fig. 4 kann sich im Boden der zweiten festen Hauptelektrode 14 noch ein niedrigschmelzendes Lot 10 oder ähnliches Material befinden. Diese Lotsubstanz 10 kann bei Erwärmung zwischen die feststehenden Kontakte 6 und 14 gedrängt werden, wodurch sich die Größe der leitenden Kontaktfläche deutlich erhöht.
  • Im Falle der Darstellung nach Fig. 4 ist die feste Hauptelektrode 14 als Topf-elektrode ausgebildet, wobei die bewegliche Kontaktplatte 15 beim Eintauchen in das schmelzende Lot 10 dieses wie vorerwähnt verdrängt.
  • Die erläuterten Kurzschließeinrichtungen erlauben bei dem Einsatz eines selbstlöschenden Schaltelements wie Funkenstrecken oder Thyristoren auch die Anwendung eines insbesondere im Niederspannungsbereich sinnvollen Betriebsverfahrens zur Einleitung eines metallischen Kurzschlusses.
  • Im Hoch- und Mittelspannungsbereich entstehen Kurzschlüsse in Anlagen häufig durch eine Alterung oder Verschmutzung der Isolationsstrecken als Überschlag bzw. als Durchschlag. Diese Isolationsstrecken sind dauerhaft geschädigt und würden bei einer erneuten Zuschaltung der Netzspannung zu einem wiederholten Fehlerfall führen.
  • Bei Niederspannung hingegen entstehen Kurzschlüsse häufig nur infolge von so genannten Wischern, d.h. im Niederspannungsbereich resultieren Kurzschlüsse durch kurzzeitig leitfähige Verbindungen von verschiedenen Potentialen bzw. durch Verbindungen mit einer nur sehr geringen Stromtragfähigkeit. Diese Verbindungen können durch herabfallende Teile, Tiere oder gesplissene Adern und Ähnliches entstehen. Zum Teil verlöschen entstehende Funken bzw. Lichtbögen von selbst.
  • Eine dauerhafte Schädigung der Isolation durch Alterung oder Verschmutzung als Ursache für Kurzschlüsse im Anlagenbereich ist eher gering. Der Wartungsaufwand innerhalb der Anlagen entsteht häufig erst infolge der Wirkung eines lang andauernden Störlichtbogens. Kann der Einfluss des Störlichtbogens hingegen stark begrenzt werden, ist es möglich, auf eine unmittelbare Wartung häufig zu verzichten. Aufgrund der Besonderheiten der Fehlerentstehung und der Fehlerdauer in Niederspannungsanlagen ergibt sich für den Einsatz eines Kurzschließers zur Reduzierung der Wirkung von Störlichtbögen eine besondere Situation.
  • Bei schnellwirkenden Kurzschließern wird der Kurzschluss innerhalb der ersten Fehlerstrom-Halbwelle, dauerhaft bis zur Abschaltung durch die vorgeordneten Schutzeinrichtungen, eingeleitet. Die gesamte Anlage wird somit vom Netz getrennt. Hierdurch entsteht mitunter bereits bei eventuell selbstverlöschenden Wischern infolge der Abschaltung ein hoher Nutzungsausfall. Wird die Zeitdauer des Ansprechen des Kurzschließers hingegen verzögert, erhöht sich der Schaden an den Anlagen bei einem realen Schadensfall hingegen beträchtlich. Zudem entsteht ein drastisch höherer Wartungsaufwand. Durch eine Verzögerung des Kurzschließers ist zudem ein eventuell angestrebter Personenschutz undenkbar.
  • Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Kurzschließers mit Reihenschaltung aus Opfer- und Schaltelement kann den scheinbar widersprüchlichen Forderungen nach hoher Anlagenverfügbarkeit einerseits und einer starken Schadensbegrenzung andererseits entsprochen werden.
  • Das erfindungsgemäße Prinzip des Verfahrens zur Einleitung eines Kurzschlusses beruht auf einer gestaffelten Zuschaltung des Kurzschließers mit folgendem Zeitablauf.
  • Nach der Erfassung eines Störungsfalls, z.B. einem Störlichtbogen in der Anlage, wird das Schaltelement des Kurzschließers kurzzeitig angesteuert. Der mögliche Kurzschlussstrom durch das Schaltelement wird durch das Opferelement und die Impedanz des Anschlusses sowie des Schaltelements begrenzt. Der Strom kommutiert vom Fehlerort zum Kurzschließer. Nach einer einstellbaren Zeit unterbricht das Schaltelement den Kurzschlussstrom und die Anlage und der Fehlerort werden wieder mit Netzspannung belastet. Im Falle eines Wischers und einer ausreichenden Wiederverfestigung der Fehlerstelle bleibt die Versorgung der Anlage bestehen. Der Kurzschließer meldet den aufgetretenen Fehler und weist somit auf eine notwendige Anlagenüberprüfung hin.
  • Bleibt der Fehlerfall bestehen, wird das Schaltelement des Kurzschließers erneut und dauerhaft angesteuert. Das Opferelement des Kurzschließers wird in diesem Fall überlastet und ein dauerhafter metallischer Kurzschluss erzeugt, welcher eine Abschaltung der Anlage erzwingt.
  • Bei der vorgestellten Lösung wird das Opferelement so ausgelegt, dass bereits nach geringsten Strombelastungen (niedrige I2t-Werte) ein metallischer Kurzschluss erzielt werden kann. Die in diesem Fall eingesetzten Schaltelemente müssen damit nur eine sehr geringe Stromtragfähigkeit bzw. ein geringes Schaltvermögen aufweisen.
  • Für eine Anwendung des beschriebenen Verfahrens ist bei Beibehalten der Konstruktion eine differenzierte Auslegung des Opferelements und des Schaltelements empfehlenswert. Alternativ zu einer nahezu entgegengesetzten Optimierung des vorgestellten Kurzschließers kann dieser jedoch recht einfach durch einen parallel geschalteten Pfad für das erläuterte Verfahren ertüchtigt werden. Somit ist eine preisgünstige und bedarfsgerechte Erweiterung des einfachen Kurzschließers jederzeit zum Einsatz des erläuterten Verfahrens möglich.
  • Fig. 5 zeigt eine prinzipielle Darstellung bezüglich der Parallelschaltung eines weiteren Pfades. Der zusätzliche Parallelpfad besteht im Wesentlichen aus einem ansteuerbaren Schaltelement 17 mit mittlerer bis hoher Stromtragfähigkeit und Ausschaltvermögen. Zusätzlich kann eine Impedanz 16 vorgesehen sein. Mit Hilfe der Impedanz ergibt sich die Möglichkeit, die Höhe des Kurzschlussstroms bzw. den Wert des Stromquadratimpulses, z.B. mit nichtlinearen Impedanzen zu beeinflussen. Dies kann einerseits sinnvoll sein, um bei dem ersten zeitlich begrenzten Durchschalten des Schaltelements ein Ansprechen von möglichen Überstrom- bzw. Unterspannungsschutz-Einrichtungen des Netzes zu vermeiden und andererseits um bei weniger leistungsstarken Schaltelementen die maximale Belastung hinsichtlich Stromtragfähigkeit und Löschfähigkeit nicht zu überschreiten.
  • Die Höhe der Impedanz 16 sollte jedoch einige 100 mΩ nicht überschreiten, da ansonsten eine Kommutierung des Fehlerstroms zum Gesamtgerät (Kurzschließerpfad 1 und 2) stark behindert wird. Vorzugsweise sollte die Impedanz kleiner als wenige mΩ sein.
  • Als Schaltelement 17 sind insbesondere Halbleiterschalter, z.B. Thyristoren bzw. IGBTs, aber auch triggerbare Vakuumschalter und Funkenstrecken geeignet.

Claims (6)

  1. Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz, umfassend ein Schaltelement, welches vom Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbar ist, zwei sich gegenüberliegende Kontaktelektroden mit Mitteln zur Stromzuführung, wobei diese an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind, weiterhin die Kontaktelektroden, unter mechanischer Vorspannung stehend, im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Relativbewegung zueinander ausführen oder die Kontaktelektroden von einem unter Vorspannung stehenden Kontaktelement überbrückt werden dann, wenn das Kontaktelement eine Relativbewegung zu den Kontaktelektroden ausführt, ein Opferelement als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden sowie mit einer elektrischen Verbindung zwischen dem Opferelement und dem Schaltelement einerseits und einer der Kontaktelektroden andererseits, um eine stromflussbedingte thermische Zerstörung des Opferelements gezielt herbeizuführen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Opferelement ein Draht oder Stab aus einem leitfähigen Material mit niedrigem Schmelzintegral ist, wobei das Opferelement auf Zug unter mechanischer Vorspannung steht und zwischen den Kontaktelektroden labyrinthartige, ineinander greifende Dichtelemente vorgesehen sind, um bei einer Lichtbogenbildung und Druckentwicklung eine Bewegungsunterstützung der kolbenartigen beweglichen Kontaktelektrode oder des brückenartigen Kontaktelements zu bewirken.
  2. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die bewegliche Kontaktelektrode eine Kontaktbrücke zwischen zwei elektrischen Anschlüssen bildet.
  3. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Schaltelement an der beweglichen Kontaktelektrode angeschlossen ist.
  4. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Schaltelement an der festen Kontaktelektrode angeschlossen ist.
  5. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die bewegliche Kontaktelektrode als Verdrängungsstempel ausgeführt wird, welcher mit einer festen Topf-Kontaktelektrode zusammenwirkt, wobei in der Topf-Kontaktelektrode eine leitfähige, niedrigschmelzende Substanz befindlich ist, welche beim Eintauchen des Stempels eine ergänzende elektrische Brücke zwischen den sich gegenüberliegenden Kontaktabschnitten bildet.
  6. Verfahren zum Einleiten eines Kurzschlusses in Niederspannungsanlagen unter Verwendung einer Kurzschließeinrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    eine gestaffelte Zuschaltung des Kurzschließers mit folgender Schritten:
    - kurzzeitiges Ansteuern des Schaltelements nach Erfassung eines Störungsfalls;
    - Begrenzen des Kurzschlussstroms durch das Schaltelement mittels des Opferelements und durch die Impedanz des Anschlusses sowie die Impedanz des Schaltelements selbst und Kommutieren des Stroms vom Fehlerort zum Kurzschließer;
    - Unterbrechen des Kurzschlussstroms nach einer vorgegebenen Zeit durch das Schaltelement und erneutes Belasten der Anlage mit Netzspannung;
    - beim Bestehenbleiben des Fehlerfalls gegebenenfalls erneutes, jetzt dauerhaftes Ansteuern des Schaltelements;
    - Zerstörung des Opferelements und Erzeugen eines dauerhaften Kurzschlusses mit Abschaltung der Anlage.
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