EP3479391A1 - 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

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EP3479391A1
EP3479391A1 EP17728201.9A EP17728201A EP3479391A1 EP 3479391 A1 EP3479391 A1 EP 3479391A1 EP 17728201 A EP17728201 A EP 17728201A EP 3479391 A1 EP3479391 A1 EP 3479391A1
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EP
European Patent Office
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contact
short
circuiting device
hollow cylinder
sacrificial element
Prior art date
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EP17728201.9A
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English (en)
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EP3479391B1 (de
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Herr Arnd EHRHARDT
Michael Fromm
Stefan DIETWEGER
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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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Publication of EP3479391B1 publication Critical patent/EP3479391B1/de
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    • 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
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00—Thermally-actuated switches
    • H01H37/74—Switches in which only the opening movement or only the closing movement of a contact is effected by heating or cooling
    • H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
    • H01H37/764—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material in which contacts are held closed by a thermal pellet
    • H01H37/765—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material in which contacts are held closed by a thermal pellet using a sliding contact between a metallic cylindrical housing and a central electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
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    • H01H71/40—Combined electrothermal and electromagnetic mechanisms
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    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H2039/008—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current using the switch for a battery cutoff
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H39/004—Closing switches

Definitions

  • Short-circuiting device for use in low and medium voltage systems for property and personal protection
  • the invention relates to a 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 can be contacted to a circuit with terminals of different potential, further in at least one of the contact electrodes a movable biased by a movement to another contact electrode movable contact part, 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 deformation or Destruction of the sacrificial element purposefully bring about, according to the preamble of claim 1.
  • Victim element a thin-walled hollow cylinder with a ratio between the diameter and wall thickness of the hollow cylinder greater than 10: 1, wherein the sacrificial element consists of a refractory metallic material.
  • the related short circuiter is said to have a minimum commutation time while maintaining high mechanical strength to use a high spring force for the purpose of reducing the travel time and for the purpose of faster response.
  • an insulating body and an auxiliary electrode is located in the fixed contact electrode, wherein the auxiliary electrode is in communication with the sacrificial element.
  • the opposite sides of the contact electrodes or the opposite Overlying surfaces may have a complementary conical shape with resulting centering effect when contacting in case of short circuit.
  • Defined structures or wall thickness fluctuations in the hollow cylinder can form current paths, with the result of uneven heating under current load and deformation with concomitant loss of mechanical strength.
  • the conductive connection between the contact electrodes is maintained, but the mechanical resistance of the hollow cylinder decreases, so that in the action of the spring force of the short-circuiter can be quickly transferred to the desired closed state.
  • a venting channel or a ventilation bore which is effective in the closed state can be effective in order to prevent forces from arising due to an increase in pressure in the event of a short circuit, in particular during the formation of a light base, which counteract the over-travel of the contact electrodes.
  • the means for generating the biasing force can be performed according to the prior art as a compression spring, plate spring or the like spring arrangement.
  • the sacrificial element may be a wire or rod made of a conductive material with a low melting integral, wherein the sacrificial element is in tension under mechanical prestressing.
  • the teaching according to the invention is based on the basic idea of realizing a bounce-reduced contact system, which relates to a plastic deformation of a part of the opposing contacts.
  • the movable contact part is provided with a relatively long, low-angle cone-shaped contact region and, as a hollow-cylindrical contact, is preferably equipped with a spring drive. In the open state, the movement of the movable contact part is blocked.
  • the biasing force in particular the spring force is released and supported by at least one further force component, which accelerates the closing movement.
  • the movable contact part is located in a fixed contact electrode with the same potential and in the triggered state has a very long, preferably coaxial sliding contact without additional spring contacts or the like.
  • the sliding contact has a gap of
  • the kinetic energy of the movable contact part is converted into a plastic deformation, whereby a contact bounce and a disadvantageous arc phase can be avoided.
  • a first contact system initiates a first metallic short circuit in a very short time.
  • the first contact system triggers an irreversible movement of a second contact system even before the metallic short circuit.
  • the first contact system carries the current 100% until the second contact system is closed.
  • the closing of the second contact system is arc-free, since neither when closing an arc is formed and even when bouncing when closing due to the parallel metallic short circuit, an arc is excluded.
  • the first contact system can be optimized due to the reduced current carrying capacity requirements or the speed of the trip function and the contact closure.
  • the second additional contact system is provided with a longer stroke and a higher driving force and a larger contact surface and thus higher current carrying capacity.
  • the first contact system is preferably provided with a per se known sacrificial element, which the contacts by pressure or Buchbeaufschlagung at a distance, i. keeps spaced.
  • the movable contact of the second contact system is held, for example by a ball guide.
  • the holding function is adjustable over an inclined plane so that the spring system of the second movable contact exerts only a small additional force of, for example, ⁇ 10% on the sacrificial element.
  • the movable contact part is designed as a hollow cylinder closed on one side.
  • the hollow cylinder is a spring for bias generation. This spring can be used in a very simple manner in the hollow cylinder space, so that an additional space for the spring deleted.
  • the hollow cylinder is movably guided in a complementary recess in the first contact electrode to form a sliding contact. So it is the hollow cylinder piston-like in this recess movable.
  • first pin-shaped extension which is opposite to the contact electrodes, second pin-shaped extension opposite.
  • the already mentioned sacrificial element is located.
  • the sacrificial element is preferably designed as a bolt or screw with a corresponding thread.
  • the respective ends of the bolt or the screw are fixed via the thread or the screw head on the first and second peg-shaped extension.
  • the second contact electrode a adapted to the outer cone of the movable contact part recess provided with inner cone.
  • the outer and inner cone form a bounce-free short-circuit contact area with positive and positive locking due to plastic deformation.
  • vents connected to the recess are provided in the region of the recess. These vents are located in the second contact electrode to prevent pressure build-up due to movement of the movable contact member.
  • vents can be closed with a pressure-displacing plug.
  • a valve-like closure may be provided so that the ingress of moisture, dirt or other foreign bodies is avoidable, but on the other hand, the aforementioned undesirable pressure build-up can be excluded.
  • the respective cone angle for forming the bounce-free, plastically deformable contact is in the range of ⁇ 3 °.
  • the contact electrodes and thus the basic construction of the short-circuiting device is preferably rotationally symmetrical.
  • the contact electrodes are kept at a distance via an insulating centering ring.
  • the overall arrangement is enclosed by a surrounding shell.
  • the movable contact part can move like a piston in the recess of the first contact electrode, wherein the energy released during the destruction of the sacrificial element and / or the energy of a developing arc acts to accelerate the movement of the bottom of the movable contact and leads to a shortening of the closing time ,
  • the second peg-shaped extension is surrounded by an insulating tube of gas-emitting material.
  • the insulating tube may be provided with a protective, metallic shell, at least partially surrounding the insulating.
  • a Stromengstelle is formed in the current path to the sacrificial element.
  • two movable contact parts are provided in coaxial, concentric arrangement to increase the current carrying capacity, in which case the sacrificial element can also be biased and stressed alternatively to a compressive stress on train.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a short-circuiting device according to the first embodiment in the open state.
  • Fig. 2 is a longitudinal sectional view of the short-circuiting device of the first
  • Fig. 3 is a longitudinal sectional view of the short-circuiting device with
  • Fig. 4 is a representation of the short-circuiting device in longitudinal section with
  • FIG. 5 shows a first variant of the embodiment of the short-circuiting device with two movable contacts in a coaxial, concentric arrangement, wherein the sacrificial element is subjected to pressure
  • Fig. 6 is a view similar to that of FIG. 5, but with a
  • a substantially cylindrical, rotationally symmetrical short-circuiting device 1 is assumed.
  • the short-circuiting device 1 has connection possibilities 2 at its end faces for the contacting on busbars or additional parts; 3 on.
  • the short-circuiting device has at least one further, isolated inserted connection 4, via which the activation of the short-circuiting device 1 can take place.
  • the short-circuiting device 1 has a sacrificial element, which is designed as a screw or bolt 5 in the example shown.
  • the sacrificial element or the screw or the bolt 5 mechanically fixes a movable contact part 6, which is mechanically biased by a spring 7.
  • the sacrificial element 5 is electrically connected to the outer terminal 4 and electrically connected via the movable contact part 6 to the contact electrode 8 and to the outer terminal 3.
  • the second contact electrode 9 is connected to the terminal 2 and electrically isolated from the first contact electrode 8 via an insulated centering part 10.
  • the insulated centering part 10 guides the contact electrodes 8; 9, wherein the joining of the aforementioned parts is preferably realized by a press fit, in particular a conical compression bandage.
  • the movable contact part 6 is centered over the guide in the contact electrode 8 to the contact electrode 9.
  • the triggering of the short-circuiting device 1 is carried out according to the embodiment shown by a flow of current through the sacrificial element 5, after a switching element 11 establishes a connection to the terminal 2.
  • the sacrificial element 5 does not have to melt completely to trigger the closing process. Decisive is that the material of the sacrificial element 5 is softened. This softening can also occur below the melting temperature.
  • FIG. 2 again shows a longitudinal section through a short-circuiting device according to the invention with the already explained with reference to FIG. 1 components and assemblies.
  • a recess in the inner cone 91 adapted to the outer cone 61 of the movable contact part 6 is provided (see FIG. 1), the outer and inner cone having a bounce-free short-circuit contact area with positive and positive locking due to plastic deformation occurring form. This state is shown in FIG. 2. Due to the plastic deformation, a rebounding counter to the direction of movement of the movable part 6 is effectively prevented. An undesirable arcing in this area is avoided.
  • the arrangement of the spring 7 in the cavity of the substantially cylindrical, movable contact part 6 results in no additional space required for the required spring space.
  • the short-circuiting device is compact executable.
  • the wall thickness of the movable contact part 6 can be designed due to the hollow cylindrical shape and the associated large cross-sectional area on the mechanical requirements, such as the force of currents after closing.
  • the wall thickness of the hollow cylinder and the bottom of the movable contact part 6 can be, for example, in the range of 1 mm to 3 mm, depending on the material and the current load.
  • a very large sliding contact surface of the movable contact part 6 with respect to the contact electrode 8 can be achieved with a low mass of the movable contact part 6. the. This allows a sufficient contact surface for large current loads with minimal weight and thus a high speed in the movement of the contact part 6 and comparatively low spring forces.
  • vent openings 12 and 92 may be provided in the region of the contact electrode, which prevent pressure build-up due to the compression of the gas in a rapid movement of the contact member 6.
  • vents 12; 92 can be closed with a membrane, a valve or easily opening closure elements or a plug.
  • the pressure compensation can also take place within a substantially closed short-circuiting device with suitable channels in the contact electrode 8 and / or in the movable contact part 6.
  • the contact area between the movable contact part 6 and the contact electrode 8 is many times, i. at least three times larger than between the contact electrode 9 and the movable contact part 6, since in this area preferably no plastic deformation takes place.
  • the electrical contact is realized via a substantially coaxial sliding contact with a gap dimension of preferably ⁇ 0.1 mm, not more than 0.2 mm.
  • the respective surfaces may have a suitable coating to improve the sliding properties and the electrical properties.
  • the sliding contact is able to carry high currents without arcing for a short time without additional contact blades and without plastic deformation, and allows a design for high continuous currents.
  • the main current path after closing the short-circuiting device is thus replaced by a non-positive press connection with plastic deformation tion of the conical short-circuit contact region between the contact part 6 and the contact electrode 9 and the sliding contact between the contact part 6 and the contact electrode 8 realized with only little force.
  • an outer diameter of about 30 mm results in a spring force of about 800 N and a relatively short travel of the contact part 6, a kinetic energy of a few joules, which is transferred to a large extent in plastic deformation in the contact area.
  • the energy available for the plastic deformation is at least 10 joules exclusively due to the spring force. Due to the support of the spring force by additional forces according to the embodiment of the teaching of the invention extensions of the travel distance of> 0.5 mm to 2 mm are achieved when the current is interrupted after melting of the sacrificial element. Without interruption of the current, the kinetic energy increases to several 10 joules, which extends the travel compared to the pure form-fitting by several millimeters. In such a design, the travel can be limited by suitable means, since only a small penetration depth of the contact part 6 relative to the contact electrode 8 is sufficient for a sufficient current carrying capacity according to the illustrations shown.
  • the lengths of the sliding contact and the gap between the movable contact part 6 and the contact electrode 8 are designed in such a way that further requirements relevant to functional safety can be positively influenced.
  • hot gas, plasma or conductive particles, soot or the like can reach the region of the separation path between the contact part 6 and the contact electrodes 8 and 9 via the gap of the sliding contact before the contact part 6 and the contact electrode 8 are closed metallically.
  • the aforementioned vote is optionally by other measures, such as foreclosure of the pressure chamber to the sacrificial element at least until reaching the metallic contact by appropriate gas deflections between the emergence area and the gap area or by a vent in the contact electrode 9, which is optionally also released only after the beginning of the movement of the contact part 6, and the main amount of gas dissipates without passage of the gap region to complete.
  • the proposed embodiment of sliding contact and gap used to use in the event of failure of an arc in the sliding region of the contact part 6, the formation of the molten metal to produce a metallically highly conductive connection.
  • Such an error case for example, by high dynamic forces, which act on the contact part 6 by an unfavorable installation, be conditional.
  • the melt which occurs in this case due to the arc which occurs intermittently in the contact region is forced into and held in the narrow gap between contact part 6 and contact electrode 9. This leads to a further reduction of the gap, the reduction of the clearance between the contact part 6 and the contact electrode 9 even at high force and by the rapid cooling of the melt in the well-cooled region to a metallic short circuit.
  • a further mechanical acceleration of the contact part 6 can be achieved by supporting measures.
  • the heat generation, but also the arcing in the overload of this part can be used to provide an additional force based on the force of the spring 7.
  • the space around the sacrificial element 5 is replaced by e.g. tubular members 13 and 14 limited at least before the movement of the part 6.
  • the temperature abruptly builds up a high pressure within this limited space, which acts on the movement of the contact part 6 via the surfaces 15 and 16 as a supporting force.
  • the closing time of the short-circuiter can thereby be shortened.
  • the heat energy of the sacrificial element 5 at its flow-side load or that of the arc can be used to additional gases, for example via the known hard gas effect, or even the Triggering of gas generators to produce, which further increase the pressure and thus the force on the movable switching part 6.
  • the second peg-shaped extension 100 can be surrounded by an insulating tube 13 of gas-emitting material.
  • the tube of gas-emitting material e.g. POM
  • POM gas-emitting material
  • the time to close the short-circuiting device can be reduced by about 30%.
  • the switching element 11 can be designed as a fast mechanical switch, as a spark gap, but also as a semiconductor switch.
  • the switching element 11 must be able to carry the current until it closes the main path via the contacts of the components 6, 9 and 8 after its actuation.
  • Switching element 11 is a power interruption of the auxiliary path by the use of a fuse 17 (Fig. 1) possible.
  • the switching voltage loads u.a. the separation distance between the modules 6, 8 and 9 during the closing process.
  • the switching voltage of the fuse 17 can be suitably limited by an overvoltage protection element.
  • an overvoltage protection element for example, a parallel connection of a varistor is suitable.
  • the interruption of the current can also lead to an unpowered break. If such an unpowered pause is undesirable, there is the possibility of realizing an auxiliary short circuit.
  • the auxiliary short circuit can be performed in the simplest form, for example in semiconductor switches as a substantially pressure-resistant metallic housing 18 with spark gap function. If the semiconductor is overloaded as a switching element 11, the spark gap is ignited passively or actively and conducts the current until the contacts are closed.
  • an auxiliary short-circuiter can also be activated directly with or after triggering the movement of the movable contact part 6 and relieve the Anticianpfad with switching element 11.
  • Such a device can be directly connected to the function of an additional fuse element with limited switching capacity, but also directly to a fuse-like function of the sacrificial element 5.
  • Fig. 3 shows an example of this embodiment.
  • the melting in the region of the constriction 19 leads to an arc, which bridges an insulation gap or destroys an insulation. This allows a current flow from the fixed terminal 3 to the fixed terminal 2 already before the metallic short circuit of the corresponding contact electrodes using the movable contact part 6.
  • the current flow is made possible via a feedthrough with an insulator 20 and a conductor 21 with sufficient cross section.
  • the Anberichtpfad with switch 11 can thereby be carried out space-saving and inexpensive.
  • the currentless break which may possibly result in a shutdown of the control path, is thereby reliably prevented even at high currents.
  • the described arrangement also allows a parallel connection of two short-circuiters to increase the current carrying capacity with only one switching element 11.
  • both short-circuiters with opposite orientation and electrical series connection of the drive paths with the sacrificial element with only one switching element 11 can be actuated simultaneously.
  • Fig. 4 shows a similar arrangement as already explained with reference to FIG. 3.
  • the melt integral value of the bottleneck e.g. designed as a wire 22, which is in Aktv réellesnik the switching element 11, very low.
  • the arc bridges the spark gap in the region 23 and allows a flow of current through the auxiliary conductor 21.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 4 permits a low-cost, low-power design of the activation branch, including the switching element 11.
  • This circuit is relieved immediately after the ignition of the arc in the area 23 and can optionally be additionally protected with a small fuse 17. Activation of the main short-circuiter in this case takes place in two stages, but a current flow through the short-circuiter is always ensured without interruption.
  • a supplementary possibility of increasing the current carrying capacity is according to the second aspect of the invention in a division and functional division of the short-circuiting device by an arrangement with at least two contact areas.
  • Fig. 5 shows a related exemplary embodiment.
  • the local contact 30 is a common fixed contact for both first and second stage movable contacts.
  • the movable contact 31 of the first stage is held by a sacrificial element 32, which is under pressure by springs 33, at a distance from the fixed contact 30.
  • the sacrificial element 32 is insulated from the contact 30 and has an executed terminal contact 40 for a drive.
  • the first movable contact 31 is guided in a fixed contact 34 and connected thereto via a cylindrical sliding surface.
  • the contact 34 has circumferentially distributed a plurality of openings 35 in which balls 36 or rollers are guided with a diameter slightly larger than the wall thickness of the fixed contact 34.
  • the second, movable contact 37 is also guided via a sliding contact.
  • the contact 37 is hollow cylindrical and provided with a flank, which is supported on the balls or rollers 36.
  • the contact 37 is biased by springs 38.
  • the flank can pass directly into the conical region of the second movable contact 37, resulting in a relatively steep cone for the contact area due to the desired force distribution.
  • the contact region thus has large, substantially lateral, ie radial contact surfaces.
  • the contact part 31 has circumferentially a groove 39, which is arranged in the tensioned state above the balls 36.
  • the balls 36 are displaced into the groove 39 due to the force of the springs 38 and the cone-shaped portion 41 of the second movable contact 37 is released and moved into the cone-shaped groove 42 of the fixed contact 30, whereby both stages are closed.
  • the first movable contact 31 may have a conical shape on the outer peripheral side.
  • the balls 36 act as a blocking device against lifting the first stage. This blocking function can be assisted by partially elastic storage of areas of the contact 30.
  • the sacrificial element 32 holds against the spring tension 33, the movable contact piece 31 at a distance from the fixed electrode or the fixed contact 30.
  • the sacrificial element 32 is characterized by a relatively small I 2 t value ( ⁇ 40 kA 2 s), a high tensile strength and a high yield strength, ie a low elongation.
  • I 2 t value ⁇ 40 kA 2 s
  • a high tensile strength ie a low elongation
  • vents may also be present in the region of the second contact surfaces.
  • the second movable contact piece 37 is in turn fixed via balls 36 via a flank of the cone.
  • the balls Upon movement of the contact 31, the balls can be moved into the groove 39 of the part 31, whereby the springs 38 move the movable member 37 to the mating contact 48.
  • the force acting on the moving part 31 can be increased in relation to the pure spring force 33.
  • the pressure effect of the arc resulting from the melting of sacrificial element 32 may be affected by hard gas, e.g. Part 49. If only a slow venting is realized from this area, this force effect can be maintained even after the closing of the contacts, whereby the contact force is increased over this time range.
  • a further auxiliary electrode can additionally be used, which leads to the potential of the contact 30.
  • the arc can change to such auxiliary contact 50 immediately after ignition.
  • the switch 45 is relieved even before closing the contacts 30 and 31 of a current flow.
  • this relief of the switch 45 can also by a power interruption by the switch 45 and a fuse 51 after Achieving the I 2 t value of the sacrificial element 32 can be realized.
  • the solution without auxiliary contact 50 is sufficient, in particular, if a short currentless break is acceptable due to a short closing time of the contacts in the application.
  • the short-circuiters according to the presented examples can be combined if necessary with mechanical, electrical, optical, but also other displays or telecommunication devices, which on the control, the current load of the activation path, the overload of the sacrificial element, the beginning of the movement of the moving contact or the achievement of a certain position of the moving contact are aligned or tuned.
  • Such sensors can simultaneously detect and indicate aging effects.
  • the minimum cross-section of the movable contact part 6 according to the illustrations of FIGS. 1 to 4 lies in the region of the insulation gap 10 after closing with copper or aluminum at approximately 150 mm 2 , preferably at 240 mm 2 .
  • the penetration depth of the contact part 6 in the cone of the part 2 is at least 3 mm and is preferably designed> 6mm.
  • the weight of the contact part may be at most 150 g, preferably at 100 g.
  • the initial spring force of the spring 7 is> 800 N and is preferably about 1100 N.
  • the air gap between the contact electrodes 8; 9 is at least 3 mm, preferably> 5mm.
  • the contact materials used are preferably metals or graphite-based materials.
  • the material of the sacrificial element 5 or 32 has a high mechanical tensile strength with a small specific melting integral.
  • the sacrificial element is designed as a stainless steel screw or stainless steel bolt.
  • the tensile load materials are advantageous in which at flow of current due to heating before reaching the Melting temperature a strong softening occurs. This allows to shorten the reaction time and the closing time after activation, especially at lower current gradients significantly. Such a positive effect is known by some steels. In principle, materials with active geometry changes can also be used.
  • the cone in the region of the short-circuit contact has an angle of ⁇ 10 °, preferably ⁇ 3 °, whereby the deformation in the closing area and the reduction of kinetic energy sufficiently prevents the disadvantageous bounce even in spring drives with high elasticity and low spring forces.
  • the impedance of the An einpfads the short-circuiting device including the switching element 11 is in the range ⁇ 10 mOhm, in particular ⁇ 5 mOhm.
  • the peak current carrying capacity of the individual short-circuiters is well above 200 kA and the short-term current carrying capacity is> 100 kA e ff.
  • the continuous current carrying capacity is above 1000 A.
  • the closing time of the main path falls below 2 milliseconds, due solely to the spring force at a Trennumblenabsatz of 6 mm. Due to the support of additional forces according to the theory of the invention, the real closing times decrease to about 1 ms.
  • the closing time in addition to the increase in the spring force and the additional forces by reducing the mass of the movable contact member 6, a suitable reduction of the effective spring mass, the centering and the optimization of the force and a clean management of the contact part 6 in the idle and moving state on be lowered.
  • a reduction of the closing time is also possible by increasing the effective pressure areas and reducing the effective pressure volume, ie the space around the sacrificial element.
  • a first of the contacts can be optimized for speed and relatively low ampacity and low bounce.
  • the second stage, ie the second contact pair is arc-free and can be connected to a high current carrying capacity. be adjusted, with the closing time itself is subordinate.
  • the contact and Hubwegget is possible independently.
  • At least one of the two-stage embodiment is lockable, wherein the locking is supported by an elastic mounting of a partial contact.
  • the elastic mounting can be realized by way of example using a spring or a spring-elastic element 53 in the cone region 48.
  • a solution is assumed which combines the idea of the deformation of the first stage as an inner stage with an inverted sacrificial element with the two-stage function in the sense of an outer stage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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 in mindestens einer der Kontaktelektroden ein unter mechanischer Vorspannung stehendes, im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Bewegung zur weiteren Kontaktelektrode ausführendes bewegliches Kontaktteil, 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 Verformung oder ZerStörung des Opferelements gezielt herbeizuführen. Erfindungsgemäß ist das bewegliche Kontaktteil als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet und es ist im Hohlzylinder eine Feder zur Vorspannungserzeugung eingesetzt. Der Hohlzylinder ist in einer komplementären Aussparung in der ersten Kontaktelektrode unter Bildung eines Gleitkontakts beweglich geführt. Im Bereich des Bodens des geschlossenen Hohlzylinders ist dessen Zylinderwandung außenumfangsseitig in einen Konus übergehend ausgestaltet. Weiterhin erstreckt sich im Inneren des Hohlzylinders, ausgehend vom Boden ein erster zapfenförmiger Fortsatz, welchem ein zu den Kontaktelektroden isolierter, zweiter zapfenförmiger Fortsatz gegenüberliegt, wobei zwischen erstem und zweitem zapfenförmigen Fortsatz das Opferelement, ausgebildet als Bolzen oder Schraube, angeordnet ist. In der zweiten Kontaktelektrode ist eine, an den Außenkonus des beweglichen Kontakts angepasste Aussparung mit Innenkonus vorgesehen, wobei Außen- und Innenkonus einen prellfreien Kurzschluss-Kontaktbereich mit Kraft- und Formschluss aufgrund auftretender plastischer Verformung bilden.

Description

Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine 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 in mindestens einer der Kontaktelektroden ein unter mechanischer Vorspannung stehendes, im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Bewegung zur weiteren Kontaktelektrode ausführendes bewegliches Kontaktteil, 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 Verformung oder Zerstörung des Opferelements gezielt herbeizuführen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 102005048003 B4 ist eine Kurzschließeinrichtung der gattungsgemäßen Art vorbekannt. Gemäß der dortigen Lehre ist das
Opferelement ein dünnwandiger Hohlzylinder mit einem Verhältnis zwischen Durchmesser und Wandstärke des Hohlzylinders größer 10:1, wobei das Opferelement aus einem hochschmelzenden metallischen Material besteht. Der diesbezügliche Kurzschließer soll eine minimale Kommutierungszeit bei gleichzeitiger hoher mechanischer Festigkeit zum Einsatz einer hohen Federkraft mit dem Ziel einer Reduzierung der Bewegungszeit und zum Zweck des schnelleren Ansprechens besitzen.
Bei einer Variante der Lehre des Standes der Technik ist in der feststehenden Kontaktelektrode ein Isolierkörper und eine Hilfselektrode befindlich, wobei die Hilfselektrode mit dem Opferelement in Verbindung steht. Die sich gegenüberstehenden Seiten der Kontaktelektroden bzw. die gegen- überliegenden Flächen können eine komplementär konische Form mit sich ergebender zentrierender Wirkung beim Inkontaktkommen im Kurzschlussfall aufweisen.
Durch definierte Strukturen oder Wandstärkeschwankungen im Hohlzylinder können sich Strompfade ausbilden, mit der Folge einer ungleichmäßigen Erwärmung bei Strombelastung und eine Deformation mit einhergehendem Verlust der mechanischen Festigkeit. In diesem Fall bleibt die leitfähige Verbindung zwischen den Kontaktelektroden erhalten, jedoch sinkt die mechanische Widerstandskraft des Hohlzylinders, so dass in der Wirkung der Federkraft der Kurzschließer schnell in den gewünschten Schließzustand überführt werden kann.
Zwischen den Kontaktelektroden kann ein im geschlossenen Zustand wirksamer Entlüftungskanal oder eine Lüftungsbohrung wirksam sein, um zu verhindern, dass durch einen Druckanstieg im Kurzschlussfall, insbesondere bei der Entstehung eines Lichtbodens, Kräfte entstehen, die dem Auf- einanderzubewegen der Kontaktelektroden schließzeitzögernd entgegenwirken. Die Einrichtung zur Erzeugung der Vorspannkraft kann gemäß dem Stand der Technik als Druckfeder, Tellerfeder oder dergleichen Federanordnung ausgeführt werden.
Bei einer zweiten Ausführungsform gemäß DE 10 2005 048 003 B4 kann das Opferelement ein Draht oder Stab aus einem leitfähigen Material mit niedrigem Schmelzintegral sein, wobei das Opferelement auf Zug unter mechanischer Vorspannung steht.
Für Kurzschließer zum Anlagenschutz besteht im Allgemeinen die Aufgabe, sehr schnell einen metallischen Kurzschluss zu realisieren, so dass sehr hohe Ströme kurzzeitig geführt werden können. Beim schnellen Schließen metallischer Kontakte lässt sich ein Kontaktprellen schwer vermeiden. Infolge des Prellens, aber auch mit Blick auf die Höhe des fließenden Stromes, können Lichtbögen zwischen den Kontakten entstehen, die die Oberfläche der Kontakte stark schädigen, wodurch eine sichere Führung des Stromes über einen längeren Zeitraum gefährdet ist. Um die vorgenannten negativen Erscheinungen zu kompensieren, ist ein erhöhter Aufwand in konstruktiver und herstellungsseitiger Hinsicht notwendig. Dieser höhere Aufwand betrifft zum einen das System zum Bewegen eines entsprechenden Kontaktteils, aber auch die Kontakte selbst.
Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz anzugeben, die über einen kompakten Aufbau und eine gleichzeitig hohe Stromtragfähigkeit verfügt und darüber hinaus das Einhalten außerordentlich kurzer Schließzeiten ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Die erfindungsgemäße Lehre greift auf den Grundgedanken zurück, ein prellreduziertes Kontaktsystem zu realisieren, das sich durch eine plastische Verformung eines Teiles der gegenüberstehenden Kontakte bezieht. Ergänzend, aber auch alternativ besteht die Möglichkeit, eine Stromaufteilung und damit eine höhere Stromtragfähigkeit dadurch zu erhalten, dass im Kurzschließer mehrere, insbesondere zwei getrennte Kontaktsysteme realisiert werden.
Beim prellreduzierten Kontaktsystem wird das bewegliche Kontaktteil mit einem relativ langen, flachwinkligen konusförmigen Kontaktbereich versehen und quasi als hohlzylindrischer Kontakt bevorzugt mit einem Federantrieb ausgestattet. Im offenen Zustand ist die Bewegung des beweglichen Kontaktteils blockiert.
Bei entsprechender Aktivierung des Kurzschließers wird die Vorspannkraft, insbesondere die Federkraft freigesetzt und durch mindestens eine weitere Kraftkomponente unterstützt, welche die Schließbewegung beschleunigt.
Das bewegliche Kontaktteil befindet sich in einer feststehenden Kontaktelektrode mit gleichem Potential und besitzt im ausgelösten Zustand einen sehr langen, bevorzugt koaxialen Gleitkontakt ohne zusätzliche Federkontakte oder dergleichen. Der Gleitkontakt weist ein Spaltmaß von
< 1/10 mm auf. Bezogen auf die feststehende Kontaktelektrode wird die Bewegungsenergie des beweglichen Kontaktteils in eine plastische Verformung umgewandelt, wodurch sich ein Kontaktprellen und eine nachteilige Lichtbogenphase vermeiden lassen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Ergänzungsgedanken oder einer auch Alternative initiiert ein erstes Kontaktsystem einen ersten metallischen Kurzschluss in sehr kurzer Zeit. Das erste Kontaktsystem löst jedoch bereits vor dem metallischen Kurzschluss eine irreversible Bewegung eines zweiten Kontaktsystems aus.
Das erste Kontaktsystem führt den Strom zu 100% bis zum Schließen des zweiten Kontaktsystems. Das Schließen des zweiten Kontaktsystems erfolgt lichtbogenfrei, da weder beim Schließen ein Lichtbogen entsteht und auch beim Prellen beim Schließen aufgrund des parallelen metallischen Kurzschlusses ein Lichtbogen ausgeschlossen ist.
Hierdurch bleiben die Kontakte des zweiten Kontaktsystems unbeschädigt und es wird die Stromtragfähigkeit nicht beeinträchtigt.
Das erste Kontaktsystem kann aufgrund der reduzierten Anforderungen bezüglich der Stromtragfähigkeit oder hinsichtlich der Geschwindigkeit der Auslösefunktion und des Kontaktschließens optimiert werden.
Das zweite zusätzliche Kontaktsystem ist mit einem längeren Hubweg und einer höheren Antriebskraft und einer größeren Kontaktfläche und damit höherer Stromtragfähigkeit versehen.
Das erste Kontaktsystem wird bevorzugt mit einem an sich bekannten Opferelement versehen, welches die Kontakte durch Druck- oder Zugbeaufschlagung auf Distanz, d.h. beabstandet hält.
Bevorzugt am bewegten Kontakt wird beispielsweise durch eine Kugelführung der bewegliche Kontakt des zweiten Kontaktsystems gehalten. Die Haltefunktion ist über eine schiefe Ebene so einstellbar, dass das Federsystem des zweiten beweglichen Kontakts nur eine geringe zusätzliche Kraftwirkung von beispielsweise < 10% auf das Opferelement ausübt.
Bei der maßgeblichen Ausführungsform der Erfindung ist das bewegliche Kontaktteil als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet. Im Hohlzylinder befindet sich eine Feder zur Vorspannungserzeugung. Diese Feder kann in sehr einfacher Weise in den Hohlzylinderraum eingesetzt werden, so dass ein zusätzlicher Bauraum für die Feder entfällt.
Der Hohlzylinder ist in einer komplementären Aussparung in der ersten Kontaktelektrode unter Bildung eines Gleitkontakts beweglich geführt. Es ist also der Hohlzylinder kolbenartig in dieser Aussparung beweglich.
Im Bereich des Bodens des geschlossenen Hohlzylinders ist dessen Zylinderwandung außenumfangsseitig in einen Außenkonus übergehend ausgestaltet.
Weiterhin erstreckt sich im Inneren des Hohlzylinders, ausgehend vom Hohlzylinderboden, ein erster zapfenförmiger Fortsatz, welchem ein zu den Kontaktelektroden isolierter, zweiter zapfenförmiger Fortsatz gegenüberliegt.
Zwischen dem ersten und dem zweiten zapfenförmigen Fortsatz ist das bereits erwähnte Opferelement befindlich.
Das Opferelement ist bevorzugt als Bolzen oder Schraube mit entsprechendem Gewinde ausgeführt. Die betreffenden Enden des Bolzens oder der Schraube sind über das Gewinde oder den Schraubenkopf am ersten und zweiten zapfenförmigen Fortsatz fixiert.
Weiterhin ist in der zweiten Kontaktelektrode eine, an den Außenkonus des beweglichen Kontaktteils angepasste Aussparung mit Innenkonus vorgesehen. Außen- und Innenkonus bilden einen prellfreien Kurzschluss-Kontaktbe- reich mit Kraft- und Formschluss aufgrund auftretender plastischer Verformung.
Ausgestaltend sind im Bereich der Aussparung mit Innenkonus verbundene Entlüftungsöffnungen vorgesehen. Diese Entlüftungsöffnungen befinden sich in der zweiten Kontaktelektrode, um einen Druckaufbau infolge der Bewegung des beweglichen Kontaktteils zu unterbinden.
Diese Entlüftungsöffnungen können mit einem sich unter Druckeinwirkung verlagernden Stopfen verschlossen werden. In ähnlicher Weise kann ein ventilartiger Verschluss vorgesehen sein, so dass das Eindringen von Feuchte, Schmutz oder sonstigen Fremdkörpern vermeidbar ist, jedoch andererseits der erwähnte unerwünschte Druckaufbau ausgeschlossen werden kann.
Der jeweilige Konuswinkel zur Ausbildung des prellfreien, plastisch verformbaren Kontakts liegt im Bereich von < 3°.
Die Kontaktelektroden und damit die Grundkonstruktion der Kurzschließeinrichtung ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Kontaktelektroden werden dabei über einen isolierenden Zentrierring auf Abstand gehalten. Die Gesamtanordnung ist von einer umhausenden Hülle umschlossen.
Wie bereits erwähnt, kann das bewegliche Kontaktteil sich kolbenartig in der Aussparung der ersten Kontaktelektrode bewegen, wobei die bei der Zerstörung des Opferelements frei werdende Energie und/oder die Energie eines entstehenden Lichtbogens bewegungsbeschleunigend auf den Boden des beweglichen Kontaktes einwirkt und zur Verkürzung der Schließzeit führt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweite zapfenförmige Fortsatz von einem Isolierrohr aus gasabgebendem Material umgeben.
Das Isolierrohr kann mit einer schützenden, metallischen Hülle, mindestens teilweise das Isolierrohr umgebend, versehen sein. In einer Weiterbildung der Erfindung ist im Strompfad zum Opferelement eine Stromengstelle ausgebildet.
Gemäß dem zweiten Grundgedanken der Erfindung sind zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit zwei bewegliche Kontaktteile in koaxialer, konzentrischer Anordnung vorgesehen, wobei in diesem Fall das Opferelement auch alternativ anstelle einer Druckbeanspruchung auf Zug vorgespannt und beansprucht kann.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung durch eine Kurzschließeinrichtung gemäß erster Ausführungsform im offenen Zustand;
Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung der Kurzschließeinrichtung der ersten
Ausführungsform im geschlossenen Zustand;
Fig. 3 eine Längsschnittdarstellung der Kurzschließeinrichtung mit
Stromengstelle im Strompfad zum Opferelement in einer ersten Variante;
Fig. 4 eine Darstellung der Kurzschließeinrichtung im Längsschnitt mit
Stromengstelle im Strompfad zum Opferelement in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 5 eine erste Variante der Ausbildung der Kurzschließeinrichtung mit zwei beweglichen Kontakten in koaxialer, konzentrischer Anordnung, wobei das Opferelement auf Druck beansprucht ist, und
Fig. 6 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 5, jedoch mit einer
Zugbeanspruchung des dortigen Opferelements.
Gemäß der Darstellung nach Fig. 1 wird von einer im Wesentlichen zylindrischen, rotationssymmetrischen Kurzschließeinrichtung 1 ausgegangen. Die Kurzschließeinrichtung 1 weist an ihren Stirnseiten für die Kontaktie- rung an Sammelschienen oder zusätzlichen Teilen Anschlussmöglichkeiten 2; 3 auf.
Neben diesen hochstromtragfähigen Anschlüssen 2; 3 weist die Kurzschließeinrichtung mindestens einen weiteren, isoliert eingeführten Anschluss 4 auf, über welchen die Aktivierung der Kurzschließeinrichtung 1 erfolgen kann.
Die Kurzschließeinrichtung 1 besitzt ein Opferelement, das im gezeigten Beispiel als Schraube oder Bolzen 5 ausgeführt ist.
Das Opferelement bzw. die Schraube oder der Bolzen 5 fixiert mechanisch ein bewegliches Kontaktteil 6, welches über eine Feder 7 mechanisch vorgespannt ist.
Das Opferelement 5 ist elektrisch mit dem äußeren Anschluss 4 und über das bewegliche Kontaktteil 6 mit der Kontaktelektrode 8 sowie mit dem äußeren Anschluss 3 elektrisch verbunden.
Die zweite Kontaktelektrode 9 ist mit dem Anschluss 2 verbunden und über ein isoliertes Zentrierteil 10 von der ersten Kontaktelektrode 8 elektrisch getrennt.
Das isolierte Zentrierteil 10 führt die Kontaktelektroden 8; 9, wobei die Fügung der vorgenannten Teile bevorzugt durch eine Presspassung, insbesondere einen Kegelpressverband realisiert ist.
Das bewegliche Kontaktteil 6 wird über die Führung in der Kontaktelektrode 8 zur Kontaktelektrode 9 zentriert.
Zusätzlich wird die Anordnung der Teile 8; 9 und 10 nach dem Fügen durch eine isolierende kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise durch eine Verschraubung oder durch eine formschlüssige Verbindung, z.B. durch Vergießen, verbunden und fixiert, was in den Figuren nicht dargestellt ist. Das Auslösen der Kurzschließeinrichtung 1 erfolgt gemäß der gezeigten Ausführungsvariante durch einen Stromfluss über das Opferelement 5, nachdem ein Schaltelement 11 eine Verbindung zum Anschluss 2 herstellt.
Infolge des dann resultierenden Stromflusses über das Opferelement 5 wird dieses erwärmt und die mechanische Fixierung des beweglichen Kontaktteils 6 aufgehoben.
Unter dem Einfluss der Kraft der Feder 7 wird das bewegliche Kontaktteil 6 bis zur Kontaktelektrode 9 bewegt, wodurch der Hauptstrompfad zwischen den Teilen 8 und 9 über das bewegliche Kontaktteil 6 geschlossen ist.
Zusätzlich zur Kraft der Feder wirken auch Stromkräfte, welche die
Schließbewegung unterstützen. Dies wird durch die zentrale Führung des Stromes über das Opferelement 5 und die über den Boden des beweglichen Kontaktteils 6 im Wesentlichen erzwungene radiale Stromführung erreicht. Hierdurch ergibt sich eine Stromschleife, deren resultierende Kraftwirkung die Federkraft bis zum Schließen der Kontakte zwischen den beweglichen Kontaktteilen 6 und der Kontaktelektrode 9 unterstützt.
Das Opferelement 5 muss zum Auslösen des Schließvorgangs nicht vollständig schmelzen. Maßgeblich ist, dass das Material des Opferelements 5 entfestigt wird. Diese Entfestigung kann auch unterhalb der Schmelztemperatur auftreten.
Die Darstellung nach Fig. 2 zeigt wiederum einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kurzschließeinrichtung mit den bereits anhand der Fig. 1 erläuterten Bauteilen und Baugruppen.
In der zweiten Kontaktelektrode 9 ist eine, an den Außenkonus 61 des beweglichen Kontaktteils 6 angepasste Aussparung im Innenkonus 91 vorgesehen (siehe Fig. 1), wobei Außen- und Innenkonus einen prellfreien Kurz- schluss-Kontaktbereich mit Kraft- und Formschluss aufgrund auftretender plastischer Verformung bilden. Dieser Zustand ist in der Fig. 2 gezeigt. Durch die plastische Verformung ist ein Rückprellen entgegen der Bewegungsrichtung des beweglichen Teils 6 effektiv unterbunden. Eine unerwünschte Lichtbogenbildung in diesem Bereich wird vermieden.
Aufgrund der im Wesentlichen seitlichen Kurzschluss-Kontaktbereiche bildet sich ein Strompfad mit einer vernachlässigbaren Kraftwirkung gegen die Bewegungsrichtung des beweglichen Teiles 6 und somit gegen die Restfederkraft. Dies erlaubt eine Reduzierung der Restfederkraft gegenüber beispielsweise planen Kontakten.
Hierdurch wird eine einfachere Dimensionierung der Feder und des beweglichen Kontaktteils 6 möglich.
Durch die Anordnung der Feder 7 im Hohlraum des im Wesentlichen zylinderförmigen, beweglichen Kontaktteils 6 ergibt sich für den benötigten Federraum kein zusätzlicher Platzbedarf. Hierdurch ist die Kurzschließeinrichtung kompakt ausführbar.
Die vorstehend erläuterte Anordnung ermöglicht durch die äußere Führung der Feder 7 im Federraum des beweglichen Kontaktteils 6 die Nutzung des Hohlraums der Feder für den zweiten zapfenförmigen Fortsatz 100, der dem ersten zapfenförmigen Fortsatz 62 (siehe Fig. 1) gegenüberliegt.
Die Wandstärke des beweglichen Kontaktteils 6 kann aufgrund der Hohlzylinderform und der damit verbundenen großen Querschnittsfläche auf die mechanischen Anforderungen, beispielsweise die Kraftwirkung von Strömen nach dem Schließen ausgelegt werden. Die Wandstärke des Hohlzylinders und des Bodens des beweglichen Kontaktteils 6 kann je nach Material und Strombelastung beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 3mm liegen.
Durch die vorstehenden Maßnahmen ergibt sich nicht nur eine sehr einfache und kompakte Bauform. Vielmehr wird gleichzeitig die erwähnte vorteilhafte Stromführung zur Unterstützung der Kraft der Feder 7 erzielt.
Aufgrund der beschriebenen Ausführungsform kann auch eine sehr große Gleitkontaktfläche des beweglichen Kontaktteils 6 gegenüber der Kontaktelektrode 8 bei geringer Masse des beweglichen Kontaktteils 6 erzielt wer- den. Dies ermöglicht eine hinreichende Kontaktfläche für große Strombelastungen bei minimalem Gewicht und somit eine hohe Geschwindigkeit bei der Bewegung des Kontaktteils 6 sowie vergleichsweise geringen Federkräften.
Gemäß den Darstellungen der Fig. 1 und 2 können im Bereich der Kontaktelektrode 9 Entlüftungsöffnungen 12 bzw.92 vorgesehen sein, welche einen Druckaufbau infolge der Kompression des Gases bei einer schnellen Bewegung des Kontaktteils 6 unterbinden.
Diese Entlüftungsöffnungen 12; 92 können mit einer Membran, einem Ventil oder sich leicht öffnenden Verschlusselementen bzw. einem Stopfen verschlossen werden. Der Druckausgleich kann jedoch auch innerhalb eines im Wesentlichen geschlossenen Kurzschließers mit geeigneten Kanälen in der Kontaktelektrode 8 und/oder im beweglichen Kontaktteil 6 erfolgen.
Nach Schließbewegung der Kurzschließeinrichtung ist der Kontaktbereich zwischen dem beweglichen Kontaktteil 6 und der Kontaktelektrode 8 um ein Vielfaches, d.h. mindestens dreifach größer als zwischen der Kontaktelektrode 9 und dem beweglichen Kontaktteil 6, da in diesem Bereich bevorzugt keine plastische Deformation stattfindet.
Der elektrische Kontakt wird über einen im Wesentlichen koaxial ausgebildeten Gleitkontakt mit einem Spaltmaß bevorzugt < 0,1 mm, maximal 0,2 mm realisiert.
Die diesbezüglichen Oberflächen können zur Verbesserung der Gleiteigenschaften und der elektrischen Eigenschaften eine geeignete Beschichtung aufweisen.
Der Gleitkontakt ist bei entsprechender Dimensionierung in der Lage, ohne zusätzliche Kontaktlamellen und ohne plastische Verformung hohe Ströme ohne Lichtbogenbildung kurzzeitig zu tragen, und erlaubt eine Auslegung für hohe Dauerströme.
Der Hauptstrompfad nach dem Schließen der Kurzschließeinrichtung wird somit durch eine kraftschlüssige Pressverbindung mit plastischer Deforma- tion des konischen Kurzschluss-Kontaktbereichs zwischen dem Kontaktteil 6 und der Kontaktelektrode 9 sowie dem Gleitkontakt zwischen dem Kontaktteil 6 und der Kontaktelektrode 8 mit nur geringer Kraft realisiert.
Hierdurch ergibt sich eine sehr einfache Realisierung einer hochleistungsfähigen Stromverbindung, welche ohne aufwendige elastische Kontaktelemente, wie z.B. Kontaktlamellen, realisierbar ist. Ebenso wenig sind
Dämpfungselemente oder speziell gelagerte und geführte Kontaktelemente zur Aufnahme der kinetischen Energie und zur Vermeidung des Prellverhaltens des beweglichen Kontaktteils notwendig.
Durch die Vermeidung von permanenten Lamellenkontakten können nicht nur die Kosten reduziert werden. Es werden auch die benötigten Kräfte zur raschen Bewegung reduziert und es steigt die umsetzbare kinetische Energie zur plastischen Verformung.
Bei einer beispielhaften Auslegung des beweglichen Kontaktteils 6 mit einem Gewicht von im Wesentlichen 100 g, einem Außendurchmesser von ca. 30 mm ergibt sich mit einer Federkraft von ca.800 N und einem vergleichsweise kurzen Verfahrweg des Kontaktteils 6 eine kinetische Energie von einigen Joule, welche zu einem großen Teil in plastische Verformungen im Kontaktbereich überführt wird.
Bei einem Konus mit einem Konuswinkel < 3° und einer Konuslänge von beispielsweise 6 mm mit der Kontaktelektrode 8 führt diese Energie bereits zu einer Verlängerung des theoretischen Verfahrwegs bei der Annahme eines einfachen Formschlusses von einigen 100 μιτι.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Kurzschließeinrichtung für Kurzschlussströme von mehreren 10 bis 100 kA beträgt die für die plastische Verformung zur Verfügung stehende Energie ausschließlich durch die Fe- derraft bedingt mindestens 10 Joule. Infolge der Unterstützung der Federkraft durch zusätzliche Kräfte entsprechend der Ausführung der erfindungsgemäßen Lehre werden bei Unterbrechung des Stromes nach dem Schmelzen des Opferelements Verlängerungen des Verfahrwegs von > 0,5 mm bis 2 mm erreicht. Ohne Unterbrechung des Stromes erhöht sich die kinetische Energie auf mehrere 10 Joule, wodurch sich der Verfahrweg gegenüber dem bei reinem Formschluss um mehrere Millimeter verlängert. Bei einer solchen Auslegung kann der Verfahrweg mit geeigneten Mitteln limitiert werden, da für eine hinreichende Stromtragfähigkeit entsprechend der gezeigten Darstellungen nur eine geringe Eindringtiefe des Kontaktteils 6 bezogen auf die Kontaktelektrode 8 ausreichend ist.
Die Längen des Gleitkontakts und das Spaltmaß zwischen dem beweglichen Kontaktteil 6 und der Kontaktelektrode 8 werden so ausgeführt, dass weitere, für die funktionale Sicherheit relevante Anforderungen positiv beein- flusst werden können.
Bei der Entstehung eines Lichtbogens oder von heißen Gasen im Bereich des Opferelements 5 kann heißes Gas, Plasma bzw. leitfähige Partikel, Ruß oder dergleichen über den Spalt des Gleitkontakts in den Bereich der Trennstrecke zwischen dem Kontaktteil 6 und den Kontaktelektroden 8 und 9 gelangen, bevor das Kontaktteil 6 und die Kontaktelektrode 8 metallisch geschlossen sind.
Diese Gase bzw. Rückstände können den Kontaktbereich vorschädigen oder aber auch zu einer Vorentladung im Bereich der Trennstrecke führen, welche neben einer Kontaktschädigung auch zu einer Gegenkraft bezogen auf die Antriebskraft der Feder führt. Diese Gefährdungen können durch eine Abstimmung der Spaltmaße und eine entsprechende Länge des Gleitkontakts deutlich reduziert werden.
Bei einer hohen Gefährdung, welche hinsichtlich der Verunreinigungen bzw. Vorzündungen beurteilt werden kann, ist die vorgenannte Abstimmung gegebenenfalls durch weitere Maßnahmen, wie z.B. Abschottung des Druckraums um das Opferelement zumindest zeitlich bis zum Erreichen des metallischen Kontakts durch entsprechende Gasumlenkungen zwischen dem Entstehungsbereich und dem Spaltbereich bzw. durch eine Entlüftung in der Kontaktelektrode 9, welche gegebenenfalls auch erst zeitlich nach Beginn der Bewegung des Kontaktteils 6 freigegeben wird, und die Hauptgasmenge ohne Passage des Spaltbereichs abführt, zu ergänzen. Wegen der Vermeidung der Durchströmung des Spaltes des Gleitkontakts mit Gas wird die vorgeschlagene Ausführungsform von Gleitkontakt und Spaltmaß genutzt, um im Fehlerfall einer Lichtbogenentstehung im Gleitbereich des Kontaktteils 6 die Entstehung der Metallschmelze zur Erzeugung einer metallisch hochleitenden Verbindung zu nutzen.
Ein solcher Fehlerfall kann beispielsweise durch hohe dynamische Kräfte, welche auf das Kontaktteil 6 durch eine ungünstige Installation einwirken, bedingt sein. Die in diesem Fall durch den zeitweise auftretenden Lichtbogen im Kontaktbereich auftretende Schmelze wird in den engen Spalt zwischen Kontaktteil 6 und Kontaktelektrode 9 gedrängt und gehalten. Dies führt zu einer weiteren Reduzierung des Spaltmaßes, der Verringerung des Spiels zwischen dem Kontaktteil 6 und der Kontaktelektrode 9 selbst bei hoher Krafteinwirkung und durch die rasche Erkaltung der Schmelze im gutgekühlten Bereich zu einem metallischen Kurzschluss.
Eine weitere mechanische Beschleunigung des Kontaktteils 6 kann durch unterstützende Maßnahmen erreicht werden.
Bei der Ausführungsform mit einem Opferelement 5 kann die Wärmeerzeugung, aber auch die Lichtbogenbildung bei der Überlastung dieses Teiles genutzt werden, um eine zusätzliche Kraft bezogen auf die Kraft der Feder 7 bereitzustellen.
Gemäß Fig. 2 wird der Raum um das Opferelement 5 durch z.B. rohrför- mige Teile 13 und 14 zumindest vor der Bewegung des Teiles 6 begrenzt. Bei der Entstehung eines Lichtbogens wird durch die Temperatur schlagartig ein hoher Druck innerhalb dieses begrenzten Raumes aufgebaut, welcher über die Flächen 15 und 16 als unterstützende Kraft auf die Bewegung des Kontaktteils 6 einwirkt.
Die Schließzeit des Kurzschließers kann hierdurch verkürzt werden.
Die Wärmeenergie des Opferelements 5 bei dessen strömungsseitiger Belastung bzw. jener des Lichtbogens ist nutzbar, um zusätzliche Gase, beispielsweise über den an sich bekannten Hartgaseffekt, oder aber auch die Auslösung von Gasgeneratoren zu erzeugen, welche den Druck und damit die Kraft auf das bewegliche Schaltteil 6 weiter erhöhen.
Unterstützend können auch weitere exotherme Reaktionen genutzt werden, welche auch ohne eine dauerhafte Wärme- bzw. Lichtbogeneinwirkung durch das Opferelement zu einer wirksamen Druckerhöhung beitragen.
Gemäß Fig. 2 kann der zweite zapfenförmige Fortsatz 100 von einem Isolierrohr 13 aus gasabgebendem Material umgeben sein. Das Rohr aus gasabgebendem Material, z.B. POM, kann mechanisch durch ein weiteres Rohr bzw. eine Hülle 14 verstärkt werden. Mit einer derartig einfachen Möglichkeit der Erzeugung von Gas kann die Zeit bis zum Schließen der Kurzschließeinrichtung um ca. 30 % reduziert werden.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, auf den Federkraftspeicher bzw. den Federantrieb zu verzichten und diesbezüglich konventionelle pyrotechnische Antriebe einzusetzen.
Das Schaltelement 11 kann als schneller mechanischer Schalter, als Funkenstrecke, aber auch als Halbleiterschalter ausgeführt werden.
Das Schaltelement 11 muss in der Lage sein, nach seiner Betätigung den Strom bis zum Schließen des Hauptpfads über die Kontakte der Bauteile 6, 9 und 8 zu führen.
Neben einer kurzschlussfesten Auslegung des Aktivierungspfads mit
Schaltelement 11 ist eine Stromunterbrechung des Hilfspfads durch den Einsatz einer Sicherung 17 (Fig. 1) möglich.
Für eine sichere Aktivierung des Kurzschließers gilt es, das Schmelzintegral der Sicherung 17 größer zu halten als das Schmelzintegral des Opferelements 5.
Es sind bereits solche Sicherungen geeignet, die nur zu einer Impedanzerhöhung führen. Wird eine reale Stromabschaltung des Strompfads insbesondere auch gegen hohe Spannungen benötigt, ist bei der Auswahl beispielsweise von NS- Sicherungen die Höhe der Abschaltspannung zu berücksichtigen.
Die Schaltspannung belastet u.a. die Trennstrecke zwischen den Baugruppen 6, 8 und 9 auch während des Schließvorgangs. Um Vorentladungen in diesem Bereich sicher zu vermeiden, kann bei Bedarf die Schaltspannung der Sicherung 17 durch ein Überspannungsschutzelement geeignet begrenzt werden. Hier ist beispielsweise eine Parallelschaltung eines Varistors geeignet.
Die Unterbrechung des Stromes kann auch zu einer stromlosen Pause führen. Falls eine solche stromlose Pause unerwünscht ist, ist die Möglichkeit des Realisierens eines Hilfskurzschlusses gegeben. Der Hilfskurzschluss kann in einfachster Form beispielsweise bei Halbleiterschaltern als im Wesentlichen druckfeste metallische Umhausung 18 mit Funkenstreckenfunktion ausgeführt werden. Bei Überlast des Halbleiters als Schaltelement 11 wird die Funkenstrecke passiv bzw. aktiv gezündet und führt den Strom bis zum Schließen der Kontakte. Ein Hilfskurzschließer kann jedoch auch unmittelbar mit oder nach Auslösen der Bewegung des beweglichen Kontaktteils 6 aktiviert werden und den Ansteuerpfad mit Schaltelement 11 entlasten. Eine solche Einrichtung kann unmittelbar mit der Funktion eines zusätzlichen Sicherungselements mit begrenztem Schaltvermögen, aber auch direkt mit einer sicherungsartigen Funktion des Opferelements 5 verbunden sein.
Fig. 3 zeigt eine diesbezüglich beispielhafte Ausführungsform.
In den Bereich des Ansteuerpfads wird eine weitere Engstelle 19 integriert, welche in etwa denselben Schmelzintegralwert wie das Opferelement 5 besitzt.
Das Aufschmelzen im Bereich der Engstelle 19 führt zu einem Lichtbogen, welcher eine Isolationsstrecke brückt oder eine Isolation zerstört. Dies ermöglicht einen Stromfluss vom festen Anschluss 3 zum festen Anschluss 2 bereits vor dem metallischen Kurzschluss der entsprechenden Kontaktelektroden unter Nutzung des beweglichen Kontaktteils 6. Der Stromfluss wird über eine Durchführung mit einem Isolator 20 und einem Leiter 21 mit hinreichendem Querschnitt ermöglicht. Der Ansteuerpfad mit Schalter 11 kann hierdurch platzsparend und preiswert ausgeführt werden.
Die stromlose Pause, welche sich bei einer Abschaltung des Steuerpfads gegebenenfalls ergeben kann, ist hierdurch auch bei hohen Strömen sicher unterbunden.
Die erläuterte Anordnung erlaubt auch eine Parallelschaltung von zwei Kurzschließern zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit mit nur einem Schaltelement 11. Hierzu können beide Kurzschließer mit entgegengesetzter Ausrichtung und elektrischer Reihenschaltung der Ansteuerpfade mit dem Opferelement mit nur einem Schaltelement 11 gleichzeitig betätigt werden.
Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie bereits anhand der Fig. 3 erläutert. Jedoch ist gemäß Fig. 4 der Schmelzintegralwert der Engstelle, z.B. ausgeführt als Draht 22, welcher im Aktvierungskreis des Schaltelements 11 liegt, sehr gering.
Nach Ansteuerung des Schaltelements 11 bildet sich an der Engstelle 22 ein Lichtbogen aus, obwohl der Schmelzintegralwert des Opferelements 5 noch nicht erreicht ist.
Der Lichtbogen brückt jedoch die Funkenstrecke im Bereich 23 und erlaubt einen Stromfluss über den Hilfsleiter 21.
Die in Fig.4 gezeigte beispielhafte Ausführung erlaubt eine preiswerte, da leistungsarme Auslegung des Aktivierungszweigs inklusive des Schaltelements 11.
Dieser Kreis wird nach der Zündung des Lichtbogens im Bereich 23 sofort entlastet und kann gegebenenfalls zusätzlich mit einer kleinen Sicherung 17 geschützt werden. Die Aktivierung des Hauptkurzschließers erfolgt in diesem Fall in zwei Stufen, jedoch wird stets ein Stromfluss durch den Kurzschließer unterbrechungsfrei gewährleistet.
Eine ergänzende Möglichkeit der Erhöhung der Stromtragfähigkeit besteht gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung in einer Aufteilung und Funktionsteilung der Kurzschließeinrichtung durch eine Anordnung mit mindestens zwei Kontaktbereichen.
Fig. 5 zeigt eine diesbezügliche beispielhafte Ausführungsform.
Der dortige Kontakt 30 ist ein gemeinsamer feststehender Kontakt für beide bewegliche Kontakte der ersten und zweiten Stufe.
Der bewegliche Kontakt 31 der ersten Stufe wird durch ein Opferelement 32, welches durch Federn 33 unter Druck steht, auf Distanz zum festen Kontakt 30 gehalten.
Das Opferelement 32 ist gegenüber dem Kontakt 30 isoliert und besitzt einen ausgeführten Anschlusskontakt 40 für eine Ansteuerung.
Der erste bewegliche Kontakt 31 ist in einem feststehenden Kontakt 34 geführt und mit diesem über eine zylindrische Gleitfläche verbunden. Der Kontakt 34 besitzt umlaufend verteilt mehrere Öffnungen 35, in denen Kugeln 36 oder Walzen mit etwas größerem Durchmesser als die Wandstärke des feststehenden Kontakts 34 geführt werden.
An der äußeren Seite des feststehenden Kontakts 34 wird ebenfalls über einen Gleitkontakt der zweite, bewegliche Kontakt 37 geführt. Der Kontakt 37 ist hohlzylinderförmig und mit einer Flanke versehen, welche sich an den Kugeln oder Walzen 36 abstützt.
Der Kontakt 37 wird über Federn 38 vorgespannt.
Die Flanke kann unmittelbar in den konusförmigen Bereich des zweiten beweglichen Kontakts 37 übergehen, woraus sich aufgrund der gewünschten Kraftaufteilung ein relativ steiler Konus für den Kontaktbereich ergibt. Der Kontaktbereich besitzt somit große, im Wesentlichen seitliche, d.h. radiale Berührungsflächen.
Das Kontaktteil 31 besitzt umlaufend eine Nut 39, welche im gespannten Zustand oberhalb der Kugeln 36 angeordnet ist.
Wird das Opferelement 32 überlastet und der bewegliche Kontakt 31 bewegt sich in Richtung des festen Kontakts 30, werden die Kugeln 36 infolge der Kraft der Federn 38 in die Nut 39 verschoben und der konusför- mige Bereich 41 des zweiten beweglichen Kontakts 37 wird freigegeben und bewegt sich in die konusförmige Nut 42 des festen Kontakts 30, wodurch beide Stufen geschlossen sind. Selbstverständlich kann auch der erste bewegliche Kontakt 31 eine konusförmige Gestalt außenumfangssei- tig besitzen.
Vorteilhaft bei der erläuterten Anordnung ist der im Wesentlichen einfache koaxiale Aufbau, die gleiche Bewegungsrichtung der beweglichen Kontakte und die gemeinsame Lagerung der bewegten Kontakte 31, 37 an einem gemeinsamen Gleitkontakt 34. Dies bedingt eine rasche Stromkommutierung und geringe Stromkräfte auch beim Schließen des zweiten Kontakts.
Bei entsprechender Ausgestaltung wirken die Kugeln 36 als Blockadevorrichtung gegen ein Abheben der ersten Stufe. Unterstützt werden kann diese Blockadefunktion durch eine teilweise elastische Lagerung von Bereichen des Kontakts 30.
Um zu vermeiden, dass bei einer Zerstörung des Opferelements Partikel, aber auch Lichtbogenkräfte der Federkraft 33 trotz Entlüftungsöffnungen 43 im Bereich der Druckentstehung entgegenwirken, ist es möglich, das Opferelement 32 anstelle von Druck auf Zug zu beanspruchen. Eine derartige Ausbildung wird in der Fig. 6 dargestellt.
Das Opferelement 32 hält gegen die Federspannung 33 das bewegliche Kontaktstück 31 auf Distanz zur festen Elektrode oder dem festen Kontakt 30. Das Opferelement 32 ist gezeichnet durch einen relativ kleinen I2t- Wert (< 40 kA2s), eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Streckfestigkeit, d.h. eine geringe Dehnung. Bei Stromfluss am Anschluss 44 über den Schalter 45 und die isolierte Durchführung zum Opferelement 32, wird dieses geschmolzen oder destrukturiert. Der bewegliche Kontakt 31 wird unter Kraft der Feder 33 auf den festen Kontakt 30 gedrückt. Die in diesem Fall ebenfalls konusförmi- gen Kontaktflächen werden von dem Lichtbogen, welcher beim Schmelzen des Opferelements 32 entsteht, nicht vorgeschädigt. Im Bodenbereich des Konus, welcher nicht zur Vergrößerung der Kontaktfläche genutzt wird, da ein Flankenkontakt vorliegt, kann eine Entlüftung 47 vorgesehen sein.
Derartige Entlüftungen können auch im Bereich der zweiten Kontaktflächen vorhanden sein.
An der beweglichen Elektrode oder dem beweglichen Kontakt 31 ist wiederum über Kugeln 36 das zweite bewegliche Kontaktstück 37 über eine Flanke des Konus fixiert.
Bei Bewegung des Kontakts 31 können die Kugeln in die Nut 39 des Teiles 31 verschoben werden, wodurch die Federn 38 das bewegliche Teil 37 zum Gegenkontakt 48 verschieben.
Bei der Variante gemäß Fig. 6 kann die auf das bewegte Teil 31 einwirkende Kraft gegenüber der reinen Federkraft 33 erhöht werden. Die Druckwirkung des durch das Schmelzen des Opferelements 32 entstehenden Lichtbogens kann durch Hartgas, z.B. dem Teil 49, verstärkt werden. Wird nur eine langsame Entlüftung aus diesem Bereich realisiert, kann diese Kraftwirkung auch nach dem Schließen der Kontakte aufrechterhalten werden, wodurch die Kontaktkraft über diesen Zeitbereich erhöht ist.
In dem Bereich der Lichtbogenentstehung des Opferelements 32 kann zusätzlich eine weitere Hilfselektrode eingesetzt werden, welche das Potential des Kontakts 30 führt.
Der Lichtbogen kann unmittelbar nach der Zündung auf einen solchen Hilfskontakt 50 wechseln. Durch diese Maßnahme wird der Schalter 45 bereits vor dem Schließen der Kontakte 30 und 31 von einem Stromfluss entlastet. Diese Entlastung des Schalters 45 kann jedoch auch durch eine Stromunterbrechung durch den Schalter 45 bzw. eine Sicherung 51 nach Erreichen des I2t-Wertes des Opferelements 32 realisiert werden. Die Lösung ohne Hilfskontakt 50 ist insbesondere dann hinreichend, wenn eine kurze stromlose Pause aufgrund einer geringen Schließzeit der Kontakte in der Anwendung akzeptabel ist.
Die Kurzschließer gemäß den vorgestellten Beispielen können bei Bedarf mit mechanischen, elektrischen, optischen, aber auch anderen Anzeigen oder Fernmeldeeinrichtungen kombiniert werden, welche auf die Ansteue- rung, die Strombelastung des Aktivierungspfads, die Überlastung des Opferelements, den Beginn der Bewegung des bewegten Kontakts oder das Erreichen einer bestimmten Position des bewegten Kontakts ausgerichtet oder abgestimmt sind.
Derartige Sensorik kann gleichzeitig Alterungseffekte ermitteln und anzeigen.
Der minimale Querschnitt des beweglichen Kontaktteils 6 gemäß den Darstellungen der Fig. 1 bis 4 liegt im Bereich der Isolationsstrecke 10 nach dem Schließen bei Kupfer bzw. Aluminium bei ca. 150 mm2, bevorzugt bei 240 mm2. Die Eindringtiefe des Kontaktteils 6 in den Konus des Teiles 2 beträgt mindestens 3 mm und ist bevorzugt > 6mm ausgelegt.
Das Gewicht des Kontaktteils kann bei einer Ausführungsform maximal 150 g, bevorzugt bei 100 g betragen bzw. liegen.
Die Anfangsfederkraft der Feder 7 ist > 800 N und liegt bevorzugt bei ca.1100 N. Die Luftstrecke zwischen den Kontaktelektroden 8; 9 beträgt mindestens 3 mm, bevorzugt > 5mm.
Als Kontaktmaterialien sind bevorzugt Metalle oder graphitbasierte Materialien einsetzbar.
Das Material des Opferelements 5 oder 32 besitzt eine hohe mechanische Zugfestigkeit bei kleinem spezifischen Schmelzintegral. Im einfachsten Fall ist das Opferelement als Edelstahlschraube oder Edelstahlbolzen ausgeführt. Insbesondere für die Zugbelastung sind Materialien von Vorteil, bei denen bei Stromfluss infolge der Erwärmung bereits vor dem Erreichen der Schmelztemperatur eine starke Entfestigung auftritt. Dies erlaubt, die Reaktionszeit und die Schließzeit nach Ansteuerung, insbesondere bei geringeren Stromsteilheiten deutlich zu verkürzen. Ein solcher positiver Effekt ist von einigen Stählen bekannt. Grundsätzlich können aber auch Materialien mit aktiver Geometrieänderung genutzt werden.
Der Konus im Bereich des Kurzschluss-Kontakts besitzt einen Winkel von < 10°, bevorzugt < 3°, wodurch die Deformation im Schließbereich und der Abbau der kinetischen Energie auch bei Federantrieben mit hoher Elastizität und geringen Federkräften hinreichend die nachteilige Prellneigung unterbindet.
Die Impedanz des Ansteuerpfads der Kurzschließeinrichtung inklusive des Schaltelements 11 liegt im Bereich < 10 mOhm, insbesondere < 5 mOhm.
Die Peakstromtragfähigkeit der einzelnen Kurzschließer liegt deutlich oberhalb von 200 kA und die kurzzeitige Stromtragfähigkeit bei > 100 kAeff. Die Dauerstromtragfähigkeit liegt bei oberhalb 1000 A.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterschreitet die Schließzeit des Hauptpfads ausschließlich infolge der Federkraft bei einem Trennstreckenabsatz von 6 mm deutlich 2 ms. Infolge der Unterstützung durch zusätzliche Kräfte gemäß der Erfindungslehre sinken die realen Schließzeiten auf ca. 1 ms.
Die Schließzeit kann neben der Erhöhung der Federkraft sowie der zusätzlichen Kräfte durch die Reduzierung der Masse des beweglichen Kontaktteils 6, einer geeigneten Reduzierung der wirksamen Federmasse, die Zentrierung und die Optimierung der Kraftwirkung und eine saubere Führung des Kontaktteils 6 im Ruhe- und bewegtem Zustand weiter gesenkt werden. Eine Reduzierung der Schließzeit ist auch durch eine Vergrößerung der wirksamen Druckflächen und die Reduzierung des wirksamen Druckvolumens, d.h. des Raums um das Opferelement möglich. Bei der zweistufigen Ausführungsform der Kurzschließeinrichtung kann ein erster der Kontakte auf Geschwindigkeit und relativ geringe Stromtragfähigkeit und geringe Prellneigung optimiert werden. Die zweite Stufe, d.h. das zweite Kontaktpaar, schließt lichtbogenfrei und kann auf eine hohe Stromtragfä- higkeit eingestellt werden, wobei die Schließzeit selbst nachgeordnet ist. Die Kontakt- und Hubweggestaltung ist unabhängig voneinander möglich.
Mindestens eine der zweistufigen Ausführungsform ist verriegelbar, wobei das Verriegeln durch eine elastische Lagerung eines Teilkontaktes unterstützbar ist.
Die elastische Lagerung ist unter Hinweis auf Fig. 6 unter Nutzung einer Feder bzw. eines federelastischen Elementes 53 im Konusbereich 48 beispielhaft realisierbar. Bei der Schnittdarstellung gemäß Fig. 6 wird von einer Lösung ausgegangen, welche kombiniert den Gedanken der Deformation der ersten Stufe als innere Stufe mit invertiertem Opferelement mit der Zweistufigkeit im Sinne einer äußeren Stufe umfasst. Die spezielle Form des Opferelementes nebst zusätzlichem Hilfskontakt 50 sowie dessen isolierte Einführung 52/54 und die radial umlaufende Feder nebst dem Hartgasabgabeelement 49, welches noch pulverförmig sein kann, stellen optionale Mittel dar.

Claims

Ansprüche
Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und
Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz, umfassend ein Schaltelement (11), welches vom Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbar ist, zwei sich gegenüberliegende Kontaktelektroden (8; 9) mit Mitteln (2; 3) zur Stromzuführung, wobei diese an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind, weiterhin in mindestens einer der Kontaktelektroden (8) ein unter mechanischer Vorspannung stehendes, im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Bewegung zur weiteren Kontaktelektrode (9) ausführendes bewegliches Kontaktteil (6), ein Opferelement (5; 32) als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden (8; 9) sowie mit einer elektrischen Verbindung zwischen dem Opferelement (5; 32) und dem Schaltelement (11) einerseits und einer der Kontaktelektroden andererseits, um eine strom- flussbedingte, thermische Verformung oder Zerstörung des
Opferelements (5; 32) gezielt herbeizuführen,
dadurch gekennzeichnet, dass
das bewegliche Kontaktteil (6) als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet und im Hohlzylinder eine Feder (7) zur Vorspannungserzeugung eingesetzt ist, der Hohlzylinder in einer komplementären Aussparung in der ersten Kontaktelektrode (8) unter Bildung eines Gleitkontakts beweglich geführt wird sowie im Bereich des Bodens (16) des geschlossenen Hohlzylinders dessen Zylinderwandung außenumfangsseitig in einen Konus (61) übergeht, weiterhin im Inneren des Hohlzylinders sich ausgehend vom Boden ein erster zapfenförmiger Fortsatz (62) erstreckt, welchem ein zu den Kontaktelektroden (8; 9) isolierter, zweiter zapfenförmiger Fortsatz (100) gegenüberliegt, wobei zwischen erstem und zweitem zapfen- förmigen Fortsatz (62; 100) das Opferelement, ausgebildet als Bolzen oder Schraube (5; 32) angeordnet ist und in der zweiten Kontaktelektrode (9) eine, an den Außenkonus (61) des beweglichen Kontakts (6) angepasste Aussparung mit Innenkonus (91) vorgesehen ist, wobei Außen- und Innenkonus einen prellfreien Kurzschluss- Kontaktbereich mit Kraft- und Formschluss aufgrund auftretender plastischer Verformung bilden.
2. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit dem Bereich der Aussparung mit Innenkonus verbundene Entlüftungsöffnungen (12; 92) in der zweiten Kontaktelektrode (9) vorgesehen sind, um einen Druckaufbau infolge der Bewegung des Kontaktteils (6) zu unterbinden.
3. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entlüftungsöffnungen (12; 92) mit einem sich unter Druckeinwirkung verlagernden Stopfen oder einem Ventil verschlossen sind.
4. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Spaltmaß des Gleitkontakts < 0,2 mm beträgt.
5. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der jeweilige Konuswinkel im Bereich < 3° liegt.
6. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelektroden (8; 9) rotationssymmetrisch ausgebildet und über einen isolierenden Zentrierring (10) beabstandet gehalten sind.
7. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das bewegliche Kontaktteil (6) sich kolbenartig in der Aussparung der ersten Kontaktelektrode (8) bewegt, wobei die bei der Zerstörung des Opferelements (5; 32) frei werdende Energie und/oder die Energie eines entstehenden Lichtbogens bewegungsbeschleunigend auf den Boden (16) des beweglichen Kontaktteils (6) einwirkt.
8. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite zapfenförmige Fortsatz (100) von einem Isolierrohr (13) aus gasabgebendem Material umgeben ist.
9. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Isolierrohr (13) mit einer stützenden, metallischen Hülle (14) versehen, insbesondere umgeben ist.
10. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
im Strompfad zum Opferelement (32) eine Stromengstelle (19; 22) ausgebildet ist.
11. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit zwei bewegliche Kontakte (31; 37) in koaxialer, konzentrischer Anordnung ausgebildet sind.
12. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Opferelement (32) auf Zug vorgespannt und beansprucht ist.
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