WO2019038151A1 - Strombegrenzung mit einem vakuumschalter - Google Patents

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WO2019038151A1
WO2019038151A1 PCT/EP2018/072083 EP2018072083W WO2019038151A1 WO 2019038151 A1 WO2019038151 A1 WO 2019038151A1 EP 2018072083 W EP2018072083 W EP 2018072083W WO 2019038151 A1 WO2019038151 A1 WO 2019038151A1
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WO
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arc
current
contact
pot
contact elements
Prior art date
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PCT/EP2018/072083
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Inventor
Christian Schacherer
Norbert Wenzel
Werner Hartmann
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H33/6642—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having cup-shaped contacts, the cylindrical wall of which being provided with inclined slits to form a coil
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H33/6643—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having disc-shaped contacts subdivided in petal-like segments, e.g. by helical grooves
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H33/6646—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having non flat disc-like contact surface

Definitions

  • the present invention relates to a device for the
  • the invention relates to a method for limiting a fault current in a power grid to at most a predetermined maximum value by means of such a device.
  • this should take place as early as possible within the first half-wave, that is to say clearly before the first maximum current of the alternating current time.
  • this requirement corresponds to a response time of a current limiter of 5 ms to 10 ms or less.
  • An essential goal for such a current limiter is to limit a possible short-circuit current so quickly and effectively that the actual short-circuit current remains below the specified load limit of the equipment used.
  • Such a load limit may be in typical medium-voltage networks, for example in the range between 10 kA and 64 kA.
  • Established methods for grid protection include, on the one hand, the static impedance increase (for example due to transformers and high-voltage-short-circuit reactors), as well as active fuses (for example, Is-Limiters or CLiPs) and passive fuses (especially high-voltage high-performance fuses). Such backups shut off the affected network section and must be replaced
  • Another difficulty is that the arc voltage of a single switch is not high enough to limit the short- circuit current in a medium-voltage network sufficiently strong. Rather, several series-connected current-limiting switches are necessary in order to achieve a high voltage drop across the individual switching arcs and to sufficiently limit the total current. An important development goal is therefore to bordering switch with the highest possible voltage in the building up switching arc available.
  • the problem of gas leakage can be largely eliminated by using a vacuum isolated switch for current limiting in the medium voltage range.
  • the arrangement of the switching learning duck within a vacuum chamber a comparatively compact construction is achieved ⁇ same time, so that even with several series-connected vacuum switches total of a comparatively small space is required.
  • a cooling of the arc can be achieved and thus a dissipation of energy, which correspondingly leads to a higher power loss and thus also an increased voltage drop across the switching arc.
  • a division of the switching arc can be carried out in several partial arcs, which are quasi series connection of individual arcs between the quenching plates of the stack, due to physical laws, the voltages of the individual arcs in the sum exceed the voltage of the undivided arc. Both by the cooling and by such a division, in each case an increase in the total voltage and thus an improved current limitation can be achieved.
  • the object of the invention is therefore to provide a device for limiting the current with a vacuum switch, which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a device (as well as a corresponding individual vacuum switch) should be made available, which has an increased compared to the prior art arc voltage. This should be achieved in particular for the medium-voltage range and for maximum tolerable fault currents in the range between 10 kA and 64 kA.
  • Another Aufga be ⁇ is to provide a method of limiting a fault current, with such a device.
  • the current limiting device has at least one vacuum switch.
  • This vacuum switch comprises a vacuum chamber, two Maisele ⁇ arranged therein elements with facing running surfaces for an arc and a drive with which a contact between the ⁇ at the Kunststoffelernenten can be opened and closed.
  • the contact elements are each shaped such that, in the case of a current flow, a magnetic field is formed transversely to the arc via an arc formed between the open contact elements.
  • the running surfaces have at least one partial region, which is formed as a part of an annular raceway and has an effective width of at most 5 mm.
  • the term "effective width” is to be understood here to mean a width which can be used for the circulation of the arc.
  • a "closed” contact is to be understood as a state in which the two contact elements are in contact with each other and thus in electrical contact.
  • an "opened” contact should be understood to mean a state in which the two contact elements are separated from one another and thus have no direct electrical contact, so that a current flow between the two contact elements is only formed over one when the contact is opened arc lent possible.
  • the opening and closing of the contact described is achieved by a mechanical, magnetic, or based on a different physical principle drive of the switch. for this purpose, the two contacts learning duck are arranged relative zuei ⁇ Nander movable.
  • ⁇ kannsge ⁇ speed designates generally the rate-speed for the Relativbewegun g between the two contact elements.
  • This relative movement is typically a linear movement, and the direction of this relative movement forms an axial direction of the switch. Accordingly, a central axis of the switch is defined by a straight line extending centrally in the switch along this direction.
  • the initially formed at the opening of the contact light ⁇ arc causes at least in the initial phase after the opening further includes a current between the twomaschineelemen- th can flow.
  • the special (and in the example described in more detail below) shaping of the contact elements causes a magnetic field to be formed across the arc as a result of this current flow.
  • a magnetic field is referred to in the art as Trans ersalmagnetfeld (or Radialmag ⁇ netfeld).
  • the essential effect of such a transverse magnetic field is that the formed arc does not remain stationary, but is moved on the surface of the contact elements.
  • the shaping of the contacts duck learning is such that the magnetic field (the central axis with respect ⁇ eral) has a radial component. By means of such a radial component, the arc can be moved about the central axis on a circumferential annular path, namely a raceway on the described running surface of the contact elements.
  • Such a configuration is also commonly referred to in the art as a radial magnetic field contact.
  • the functionality of the formation of a Mag ⁇ netfeldes with a radial component can be achieved by various forms of contact, for example by a pot contact or a spiral contact.
  • a significant advantage of the device according to the invention in comparison to the prior art is that the arc voltage is increased by the narrowed track and thus more limited ⁇ with a short circuit current.
  • the Laufflä ⁇ surfaces of the two Griffinelernente are each formed so that - regardless of the exact design and shape - results in a circumferential career for the arc.
  • the tread may be formed for example as Runaway ⁇ budding ring or it may be made of various ⁇ which sub-segments (for example, spiral arms) fauxge- puts his, wherein the annular track is then obtained from at ⁇ share of the individual sub-segments.
  • the raceway can thus also have gaps in the running surface, which are overcome by the arc on its revolving path.
  • U.N- Depending on the precise embodiment, it is essential for the invention that the effective width of the raceway (or of the individual sections of the raceway) on the cathode and anode sides is at most 5 mm.
  • This width is less than the typical widths of the arc approaches (referred to in the art as "foot points") on the (current) cathode and on the (current) anode, which is naturally - ie without additional geometrical confinement of the web - in a concentrated arc in form such a switch.
  • foot points the typical widths of the arc approaches (referred to in the art as "foot points") on the (current) cathode and on the (current) anode, which is naturally - ie without additional geometrical confinement of the web - in a concentrated arc in form such a switch.
  • the inventive method is used to limit a fault current in a power supply system to at most a specified differently surrounded maximum value by means of a device according to the invention.
  • the method first the presence of a fault in the power grid is detected. In the presence of a fault
  • the inventive vacuum interrupter comprises a vacuum chamber, two contact elements arranged therein with mutually facing running surfaces for an arc and a drive with which a contact between the two contact elements can be opened and closed.
  • the contact elements are each ⁇ wells shaped such that when a current flows through a space formed between the open contacts learning ducks arc, a magnetic field is formed transverse to the arc.
  • the running surfaces each have at least one partial region which is shaped as a part of an annular raceway and has a width of at most 5 mm.
  • the drive for a Kunststofföff ⁇ drying rate of at least 4 m / s is configured.
  • the rapid limitation of the short-circuit current is therefore also facilitated by an increase in the opening speed being carried out simultaneously with the constriction of the circulating path compared with the prior art. Due to the particularly high opening speed in said region, the limiting effect of the device is caused to occur very early within the first half-wave of the current.
  • the rapid increase in the length of the arc thus advantageously further increases the maximum value of the arc voltage .
  • ⁇ interplay of these two measures quickly arc voltages can be achieved, which are needed to limit the current in a medium voltage network for the relevant areas there is still tolerable short circuit currents.
  • the device for current limiting can generally either have only one inventively designed vacuum switch or it can particularly advantageously comprise several such Va ⁇ cuum switch, which are electrically connected in series, so that the individual arc voltages add up ren.
  • Such a series connection is expedient in order to achieve an effective current limitation in a medium-voltage network with the described operating principle, even if the arc voltage of a single vacuum switch is not is sufficient. Due to the simultaneous triggering of several series-connected vacuum switches, an effective current limitation in the described current and voltage range can nevertheless be achieved.
  • the device for limiting the current may expediently include a detection device in order to detect the presence of a fault (for example a short circuit) and to open the vacuum switch as described in such a detection.
  • the detection of such an error case can take place, for example, by measuring the current amplitude (in particular reaching a threshold value) and / or measuring the change in the current amplitude.
  • the simultaneous measurement of the current amplitude and its change be ⁇ Sonders advantageous to detect the presence of a fault to be able to detect be ⁇ already clearly before reaching the undesirable current maximum and to be able to limit the current at an early stage within the first half wave to tolerable values ,
  • the running surfaces of the Needleselernente each have at least a portion which is formed as a portion of a ring and has a width of at most 3 mm.
  • the drive is designed for an opening speed of at least 5 m / s, particularly advantageously even at least 6 m / s. By this even higher speed in the extension of the arc, an even greater increase in the arc voltage is advantageously achieved.
  • the vacuum switch (especially for time ⁇ point of the maximum of the first current half-cycle), a contact stroke of at least 4 mm.
  • the contact stroke is to be understood here as the distance covered during the relative movement of the two contact elements during the opening.
  • the contact travel is even Wenig ⁇ are (in particular at the time point of the maximum of the first current half-cycle) least 8 mm, in particular at least 12 mm and can ⁇ example, in a range between 12 mm and 20 mm.
  • Such high Kunststoffhübe are particularly advantageous in order to achieve in combination ⁇ nation with the described high opening speed of a high resistance in the electric arc (due to its length achieved) and, accordingly, a high value of the arc voltage.
  • contact strokes in the lower part of the specified ranges for example, between 4 mm and 8 mm, are sufficient.
  • the current limiting device can advantageously be designed for limiting the current in a medium-voltage network.
  • the medium-voltage networks are particularly affected by the problems of strong meshing and a frequency of short-circuiting cases described at the outset.
  • the limitation of fault currents with conventional devices in the medium voltage range is particularly difficult or very expensive, at least in terms of apparatus.
  • the current limiting device can advantageously be designed for a power grid with a rated voltage between 3 kV and 52 kV.
  • the device is particularly preferably designed to limit the current to an actual maximum short-circuit current of at most 64 kA.
  • the maximum Moegli ⁇ che short-circuit current can be applied to values of between 20 kA and 64 kA, more preferably at most 40 kA, to be limited particularly advantageously at most 31.5 kA or even only at most 20 kA or 16 kA.
  • Such values for the highest permissible short-circuit current correspond to the specifications of many in
  • a limitation of the short-circuit current to values in the mentioned Areas can generally be achieved in that the switch is opened so fast and so quickly ent ⁇ speaking high voltage arc is achieved that very early within the first half-wave - so far be- fore range of the first current maximum - a strong limiting ⁇ effect.
  • the vacuum switch can advantageously have a plurality of quenching plates arranged within the vacuum chamber. These quenching plates can be arranged in particular laterally from the relatively movable Maiselernenten. Similar in the
  • EP1551048A1 describes the function of such quenching plates on the one hand, the cooling of the arc and thereby the increase of the arc voltage.
  • the quenching plates can also serve to divide the resulting arc into several partial arcs between the individual quenching plates and thereby further increase the overall voltage. It is essential in any case that the quenching plates are arranged so that the arc is driven by the transverse magnetic field formed laterally (ie radially outward) in the splitter stack.
  • the shape of the contacts learning duck may advantageously be oriented ⁇ staltet that the transverters formed during current flow salmagnetfeld the arc not only moved in the peripheral direction on a surrounding track, but also radially outwards, that drives in outer regions of this web. In such a radially outer region of the arc can then enter the sphere of influence of the quenching plates and possibly even enter the quenching plate stack.
  • the cooling effect on the arc can alternatively or additionally also be effected simply by means of a metallic chamber wall positioned externally and sufficiently close.
  • the treads described for the arc can be identical to the contact surfaces or. be the Nennstrompfad of Kunststoffelernente.
  • the running ⁇ surfaces can each be formed by the Aufläge vom, with where the two contact elements in the closed state come into mechanical contact.
  • the treads need not be identical to the contact surfaces or rated current path. So it is for example also possible that the running surfaces are only a certain part of the total contact surfaces formed, for example by a radially au ⁇ SEN lying area.
  • the running surfaces it is also possible for the running surfaces to be formed (in whole or in part) by a region lying radially further outward than the contact surfaces. This may for example be advantageous ⁇ way be the case when the cross section of the Kunststoffele ⁇ elements j outside üngt such ver each case radially or Kon ⁇ clock elements are formed in other ways so that here the distance between the contacts learning ducks is increased.
  • the contacts ⁇ lements may be each formed as a spiral contacts.
  • the contact surfaces of the individual contact elements may in each case be divided into a plurality of curved spiral arms.
  • these spiral arms extend in a bend from a radially inner region of the contact element to a radially outer region which forms part of the annular raceway for the arc.
  • An initially formed in the radially inner region arc can thus by one or more
  • each of the two contact elements can have, for example, 3, 4, 6 or 8 spiral arms. More preferably, the spiral contacts as mentioned above toward each to its running surface, that is radially au ⁇ SEN, ver in their cross-sectional area üngen.
  • the spiral arms can each be bent in such a way that they point radially outward away from the other contact element and form a beak-like opening radially outward.
  • This particular can to be advantageous to extend the Lichtbo ⁇ gen when it enters a further outward run ⁇ ground very quickly even further.
  • the arc can be extended to a length which is insbeson ⁇ larger than the above-described contact stroke. With egg ⁇ ner such beak-like opening of the contacts learning duck radially outwardly even more rapid formation of a high arc voltage is reached.
  • the contacts of the vacuum switch duck learning may each be formed as a pot ⁇ wells contacts with an annularly closed tread.
  • the two contact elements can in each case be pot-shaped, the openings of these pots facing one another.
  • these pots are in each case provided with a race, which is also referred to as a contact disk ring.
  • the surface of such a race facing the other contact element simultaneously forms the running surface and also the contact surface of the respective contact element. Since these bearing surfaces form the egg ⁇ Nander closest parts of the two contacts learning duck, an emerging when opening arc is so - continued directed to this outer web.
  • the side walls of the formed as pots Kunststoffe vomente need not necessarily have a constant cross-section.
  • the pot contacts in each case have a pot wall with wall thickness tapering towards the running surface.
  • Such - in particular ⁇ sondere conical - üngung Ver can help to provide an ER inventively narrowed track for the arc on the Availability checked ⁇ supply, while ensuring a high mechanical stability ⁇ formality of the pot wall.
  • the wall thickness may be of the pot wall dimensioned similarity ⁇ Lich at least in the region of the bearing race such as that described, relatively small width of the raceway.
  • the laterally outer surface of the pot wall can generally be advantageously cylindrical, in particular circular cylindrical.
  • these can each be at least partially provided in its interior with a metallic and / or ceramic filling.
  • a filling - made of a different material than the material of the base body of the pot - may be advantageous to a
  • carbide-containing materials such as tungsten carbide, silver carbide or tungsten-copper carbide.
  • carbide-containing materials such as tungsten carbide, silver carbide or tungsten-copper carbide.
  • ceramic-metallic composite materials for example, so-called ⁇ cermet or mixed metals and metal carbides
  • the method of limiting a fault current can be preferably carried out so, and the device may preferably be configured such that the voltage drop across the light ⁇ arc between the two open contacts learning ducks at least 300 V, in particular even at least 400 volts.
  • Such a high voltage is preferably achieved within the first 10 ms after a short circuit event and in particular even within the first 5 ms after a short circuit event. So the fault current can be limited early in the ⁇ ers th half-wave after a short circuit event.
  • the given times are in each case the maximum value for the time required for the opening of the switch and the movement of the arc to reach the said voltage.
  • To a very quick limit of Feh ⁇ lerstroms to enable the specified time does preferably even including the identifier for electronic Short Circuit and triggering of the mechanical drive of the switch times required.
  • the method for limiting a fault current may preferably be carried out in this way, and the device may preferably be designed so that the opening formed
  • Arc is moved over the tread of the Kunststoffelernente at a speed of at least 100 m / s.
  • a high speed is also advantageous to ei ne high arc voltage to achieve.
  • the speed can be at least 200 m / s.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section of a device according to a first example of the invention
  • Figure 2 is a schematic perspective view of a
  • FIG. 3 shows a schematic representation of two pot contacts corresponding to FIG. 2 with the current path in contacts and arc
  • Figure 4 shows a schematic longitudinal section through a single pot Contact of a exemplary embodiment of the invention ⁇
  • Figure 5 shows a schematic longitudinal section through a single pot contact of another example of the He ⁇ invention
  • Figure 6 is a schematic perspective view of a
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of two spiral contacts according to FIG. 6 with current paths in contacts and arc
  • Figure 8 is a schematic cross-sectional viewing by a ⁇ individual spiral contact of a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 9 shows a detail of a vacuum switch with spiral contacts according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 10 shows measured and calculated arc voltages for a vacuum switch according to the prior art
  • FIG. 11 shows further measured and calculated arc voltages for the vacuum switch according to the prior art
  • FIG Figure 12 shows measured arc voltages and contact distances for a vacuum switch according to an embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a schematic longitudinal section of a device 1 for current limiting according to a first example of the invention.
  • This device comprises a vacuum switch 3 and a detection device 23, by means of which an error case, for example a short circuit, can be detected in an external circuit not shown here.
  • an error case for example a short circuit
  • the vacuum switch 3 has a vacuum chamber 5, within which two Needleselernente 13 a and 13 b are arranged.
  • This vacuum chamber 5 is limited by a vacuum vessel 7.
  • the Va ⁇ kuumgefäß 7 is defined by an outer Isolationszy- relieving 9, a mounted on one end of the cylinder first end plate 10 and a ⁇ be tightened at the other end of the cylinder second end plate 11.
  • the end plates 10,11 are for maintaining a vacuum hermetically sealed against the outer insulation cylinder 9.
  • the outer isolation cylinder 9 can also be subdivided into a plurality of serial segments by one or more ring-shaped vacuum-tight metal members.
  • the two Maisele ⁇ elements 13a and 13b are arranged, which have essentially mirrored geometries to each other.
  • the first contact element 13a is stationary and attached to a conductor 21 associated therewith.
  • the second Griffinelernent 13 b is movably mounted and also attached to a conductor 21.
  • the movable Greelernent 13b is separated 13a when detected an error case by means of the detection unit 23 and the vacuum switch 3 are ⁇ solves clock element of the stationary con-. This is done by means of the drive 25, with the opening speed of at least 4 in this example m / s and a contact stroke 33 of at least 8 mm realized ⁇ who can.
  • a metallic bellows 27 is provided between the movable Druckelernent 13 b and the second end plate 11 and surrounds present on this page conductor 21.
  • This bellows 27 thus causes the mobility of the present on this page conductor 21 against the second end ⁇ plate 11 so that the two contacts learning duck very quickly and with a comparatively large distance of gegeneinan ⁇ can be moved 13a and 13b without the integrity of the vacuum circuit ⁇ umgefäßes 7 and its vacuum tightness affects the ⁇ .
  • Several metallic screens 29a to 29d surround the two
  • the ⁇ ser / these insulation cylinder 9 can / can, for example, in his / her electrically insulating areas (here thicker drawn) a ceramic material and / or glass.
  • the side-mounted from the contacts learning ducks screen 29c and 29d prevented from being caused by the Lichtbo ⁇ gen metallic vapor and metal melting deposit liquid particles on the inner surface of the Isolationszy ⁇ Linders 9 and this / these becomes conductive / are.
  • the two opposite deviselernente 13a and 13b have mutually facing running surfaces 20 for the arc 31, on which this can circulate annularly after its formation.
  • the two contact elements are designed as pot contacts, and the running surfaces 20 are provided by annular races.
  • FIG. 1 is a purely schematic and not true to scale description, the width of these running surfaces 20 of the figure can not be taken from. In principle, this could be a device according to the present invention or a device according to the prior art. By the width of the treads, the embodiments of the present invention differ from the prior art, as will become more apparent from the following detailed views of variousmaschineelernente.
  • Figure 2 shows a schematic perspective illustration of a single lung ⁇ Kunststoffelernents 13 according to the prior art, which is designed as a pot contact. Shown is a cup-shaped main body 14, which is provided on its side facing the other Mixernernent side with a circular race 15. On the opposite side of this base body 14 is in a contact pin 22, which is connected outside the vacuum chamber with the corresponding conductor. The surface of this race 15 shown above forms a raceway 18 for the resulting arc. In this raceway 18 is an annular closed circular path, which runs completely on the surface of the raceway 15 here.
  • the width b of the running ⁇ ring 15 is wider in the prior art than the natural width of a focused arc 31, which forms at typical switching currents and voltages in medium voltage power networks between the opposite contact elements.
  • the arc 31 is sketched on the surface of the race by a slightly elliptical shape.
  • the natural width c of the arc is or as a natural foot point ⁇ wide or as a width of the cathode.
  • Anodenfuß- point indicated (assuming that it is in the shown individual Kunststoffelernent to the enige, wel ⁇ ches just at the moment of formation of the arc, the Ka ⁇ Thode -. Or the anode forms).
  • the typical natural foot point width is in the range between 6 mm and 14 mm on the cathode and in the range between 5 mm and 10 mm on the
  • FIG. 3 shows two ent ⁇ shaped shaped cup-shaped Kunststoffelernente 13a and 13b, which face each other and moved along a central axis A against each other and thus can be opened.
  • FIG. 3 shows an opened state in which an electric arc 31 has been built up.
  • the two argueelernente are formed so that they are shaped substantially mirror images of each other.
  • the skew of the respective associated slots 16 is different.
  • a curved current path 19 is formed via the two contact elements 13a and 13b as well as the intermediate arc 31. Due to the curvature of this current path, the individual generated local magnetic fields (indicated by rings) no longer rest on one axis and a Lorentz force is formed, which moves the arc on a circulating path with the running direction 17.
  • FIG. 4 shows a schematic longitudinal section through a single cup contact from a current-limiting device or a vacuum switch according to an embodiment of the invention.
  • This Griffinelernent 13 is configured of whether ⁇ ner basic shape and functionally analogous to the contact member shown in Figures 2 and 3. FIG. It differs from this, however, by the lower
  • the width b is at most 5 mm. This width is thus lower than the typical gartician ⁇ width of an arc, which is formed at the typical currents and voltages of a medium-voltage network.
  • FIG. 5 shows a schematic longitudinal section through a single pot contact from a current-limiting device or a vacuum switch according to a further example of the invention.
  • This Kunststoffe transcendent 13 is formed very similarity ⁇ Lich as the Mixelernent FIG. 4 Es un ⁇ differs therefrom j edoch by the design of lateral cup wall 34. Again, this pot wall at its radially outer side of the cylindrical
  • FIG. 6 shows a schematic perspective view of a single spiral contact according to the prior art.
  • Spiral contacts represent a fundamentally different embodiment of a radial magnetic field contact.
  • a movement of the arc along the magnetic field with a radial component is also here here.
  • the contact element 13 shown in FIG. 6 has a tread 20 for an arc, which in this example is subdivided into four spiral arms 38.
  • This annular track 18 forms in contrast to the previous example, no closed ring, but has four individual gaps 39, which can be bridged by the circulating on the tread 20 arc jump.
  • FIG. 7 shows two contact elements 13a and 13b, which are each designed as spiral contacts and thus project against ⁇ so that they in turn can be moved against each other along a central axis A and thus opened and closed.
  • Each of the two Kunststoffelernente has four Spi ⁇ ralarme on (analogous to Figure 6), wherein the two individual contact elements are mirror images of each other and are aligned with each other, so that the mutually facing running surfaces 20 have a corresponding base crack. Even with such an arrangement, nem current flow through the two contact elements and the ⁇ formed between arc 31, a curved current path 19 is formed.
  • a magnetic field with a radial component is also generated here, which in turn causes a circular movement of the arc 31 with a running direction 17.
  • the curvature of the current path 19 is not caused by slanting slits but by the curvature and orientation of the spiral arms 38.
  • the overall effect on the movement of the arc is similar to the very differently shaped pot contact.
  • FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view through a single contact element 13 from a current-limiting device or a vacuum switch according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • This Kunststoffele ⁇ ment 13 is configured as a spiral contact and is designed analogous to its basic shape and function as the contact element shown in Figures 6 and 7. It differs from this, however, by the width b of the annular track 18 of the arc. Similar to the wider spiral contacts of FIGS. 6 and 7, the track 18 is formed by an annular track which is composed of the radially outer regions 38a of the individual spiral arms 38 and the gaps 39 which are to be jumped over by the arc.
  • the width b in the region of the radially outer sections 38a does not exceed the predetermined limit value.
  • the regions of the individual spiral arms which are located further in the interior and adjoin the center piece 37 they should preferably be designed to be similarly narrow in principle.
  • FIG. 9 shows a detail of a vacuum switch 3 according to a further exemplary embodiment of the invention in a schematic longitudinal section along the axis A.
  • the two contact elements 13a and 13b which are movable relative to each other, are designed as spiral elements. clocks trained.
  • the part of the vacuum switch shown in Figure 9 is shown in the closed configuration.
  • the contact pin 22 of the Kunststoffele- shown below is here ment 13b moved so far upwards that the two Kon ⁇ clock elements 13a and 13b contact one another and form a direct electrical contact.
  • the contact elements can, however, be separated from one another similar to the preceding examples, whereby in turn an arc is formed between the two contact elements.
  • this vacuum switch 3 has a stack of quenching plates 41, wherein here individual quenching plates 41a to 411 can be seen.
  • This arc reaches here in the sphere of influence of the quenching plates, which are arranged axially one above the other and laterally (ie radially) next to the Kunststoffelernenten.
  • These quenching plates can be cooled by switching light bogens and / or by its splitting into individual partial arcs beneficial effect on the current limiting own properties by increasing the arc voltage.
  • this may particularly advantageously contribute to a particular ⁇ DERS high arc voltage is reached.
  • the width of the individual spiral arms can not be read from the figure. In a real embodiment, the spiral arms can still be considerably thinner than shown here, so that in a given cross-section only a thin section of the respective spiral arms is contained.
  • FIG. 10 shows a comparative view of measured values 55 and calculated values 57 of the arc voltage in Volts 51 for a vacuum interrupter according to the prior art shown as a function of time in seconds 53.
  • zeitli ⁇ che profile of the voltage values over a period of 12.5 ms which corresponds to a little more than the first half-wave (ie only just over 10 ms) of a voltage waveform at 50 Hz alternating current.
  • the curve designated 55 ent ⁇ speaks in this case after opening the switch (at the time of about 1, 5 ms) actually measured course.
  • This switch is a prior art spiral contact switch with wide spiral arms, similar to Figures 6 and 7.
  • Ci and C 2 are material coefficients for the material of the raceways
  • x arc denotes the local interaction time of the arc with the raceway surface, that is, the time required for the arc to travel at the instantaneous velocity v arc according to its extent in the running direction. Its dependence on v arc results as:
  • FIG. 11 shows an analogous representation with measured 55 and calculated 57 values of the arc voltage for the same vacuum switch as in FIG. 10, but at a different current load.
  • the current amplitude in the current peak here is 28 kA, corresponding to an effective value of 28 kA / root (2).
  • the maximum current amplitude here is 28 kA.
  • substantially narrower spiral arms 38 are present in the radially outer area - in the concrete example with a width b of 3 mm .
  • the drive was replaced by a much faster drive, which can achieve an opening speed in excess of 4 m / s.
  • This high speed is again ⁇ réellesge ⁇ gege ⁇ ben in Figure 12 by the curve 59, which represents corresponding to the values on the right axis 54 the contact distance in mm.
  • Opening speed is achieved in the examined in Figure 12 switch, the measured arc voltage 55 at about 450 V is significantly higher than the curve shown in Figure 11.
  • the measurements of FIG. 12 were also generated at a maximum current amplitude of 28 kA and are thus comparable to the values of FIG.
  • the influence of the two improved features can be illustrated by means of the general formula for the arc voltage.
  • the increased opening speed causes a rapid increase in the second summand, since the arc length h increases rapidly.
  • the reduced width of the track causes an increase in the current density j, which also causes a rapid and sharp increase in the arc voltage over the second summands contributing more and more to the voltage.

Landscapes

  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Strombegrenzung mit wenigstens einem Vakuumschalter (3) angegeben. Die Vorrichtung umfasst: - eine Vakuumkammer (5), - zwei darin angeordnete Kontaktelemente (13a,13b) mit einander zugewandten Laufflächen (20) für einen Lichtbogen (31) und - einen Antrieb (25), mit dem ein Kontakt zwischen den beiden Kontaktelementen (13a,13b) geöffnet und geschlossen werden kann, - wobei die Kontaktelemente (13a,13b) jeweils derart geformt sind, dass bei einem Stromfluss (19) über einen zwischen den geöffneten Kontaktelementen (13a,13b) ausgebildeten Lichtbogen (31) ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Laufflächen (20) jeweils wenigstens einen Teilbereich aufweisen, welcher als Teilstück einer ringförmigen Laufbahn (18) geformt ist und eine Breite (b) von höchstens 5 mm aufweist. Weiterhin werden ein Verfahren zur Strombegrenzung mit einer solchen Vorrichtung sowie ein einzelner Vakuumschalter für eine solche Vorrichtung angegeben.

Description

Beschreibung
Strombegrenzung mit einem Vakuumschalter Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Strombegrenzung mit wenigstens einem Vakuumschalter, welcher eine Vakuumkammer, zwei darin angeordnete Kontaktelernente und einen Antrieb umfasst , mit dem ein Kontakt zwischen den bei¬ den Kontaktelernenten geöffnet und geschlossen werden kann . Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Begrenzung eines Fehlerstroms in einem Stromnetz auf höchstens einen vorgegebenen Maximalwert mittels einer solchen Vorrichtung .
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konzepte zur Be- grenzung von Fehlerströmen in elektrischen Stromnetzen bekannt . Solche Konzepte sind notwendig, da beispielsweise in typischen elektrischen Energieverteilungsnetzen der Nieder- und MittelSpannung gelegentlich ÜberStrombelastungen auftreten, welche meist auf Kurzschlussereignisse zurückzuführen sind . Solche Kurzschlüsse führen am Ort des Kurzschlusses häufig zu freien Lichtbögen und damit zur Entstehung von Folgeschäden an elektrischen Komponenten und Anlagen sowie auch zur Gefährdung von Personen . Außerdem erhöhen derartige Kurzschlussströme die magnetischen Kräfte zwischen stromführenden Leitern oder metallischen Strukturelernenten im Netz , was ebenfalls zu Folgeschäden führen kann, die sich sogar im ungünstigen Fall über den gesamten Kurzschlusspfad ausdehnen können . Die höchste mechanische Belastung tritt hierbei in der Regel kurz nach dem Eintritt des Kurzschlusses auf, was eine besonders kurze Reaktionszeit für einen effektiven
Schutzmechanismus erforderlich macht .
In heutigen Stromnetzen treten Kurzschluss- und Überstromer- eignisse häufiger auf als in früheren Netzen, da die heutigen Netze immer stärker gekoppelt beziehungsweise vermascht sind . Weiterhin werden in heutigen Stromnetzen häufig zusätzliche Einspeisepunkte vorgesehen, beispielsweise zur Einspeisung von regenerativ erzeugter Energie, welche bei der ursprüngli- chen Planung des Stromnetzes nicht vorgesehen waren. Hierdurch erhöhen sich sowohl die Niveaus der Nennströme als auch die der Überströme und Kurzschlussströme, sodass häufig die ursprünglich im Stromnetz eingesetzten Komponenten (wie bei- spielsweise LeistungsSchalter) ausgetauscht und durch leis¬ tungsstärkere Komponenten ersetzt werden müssen . Es besteht daher derzeit ein besonders ausgeprägter Bedarf, um im Stromnetz auftretende Kurzschlussströme möglichst schnell und ef¬ fektiv auf tolerierbare Werte zu begrenzen . Dies soll ideal- erweise möglichst früh innerhalb der ersten Halbwelle, also deutlich vor dem ersten Strommaximum des zeitlichen Wechselstromverlaufs erfolgen . Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz entspricht diese Anforderung beispielsweise einer Ansprechzeit eines Strombegrenzers von 5 ms bis 10 ms oder weniger . Ein wesentliches Ziel für einen solchen Strombegrenzer ist es , einen möglichen Kurzschlussstrom so schnell und effektiv zu begrenzen, dass der tatsächliche Kurzschlussström unter der spezifizierten Belastungsgrenze der eingesetzten Betriebsmittel bleibt . Eine solche Belastungsgrenze kann in typischen Mittelspannungsnetzen beispielsweise im Bereich zwischen 10 kA und 64 kA liegen .
Etablierte Methoden zur NetzabSicherung umfassen einerseits die statische Impedanzerhöhung (beispielsweise durch Trans- formatoren und Drosselspulen mit hoher KurzschlussSpannung) , sowie aktive Sicherungen (beispielsweise Is-Limiter oder CLiPs ) und passive Sicherungen (insbesondere Hochspannungs- Hochleistungs-Sicherungen) . Durch derartige Sicherungen wird der betroffene Netzabschnitt abgeschaltet und muss nach
Fehlerbehebung und gegebenenfalls nach Austausch von Komponenten wie beispielsweise einer Sicherung anschließend wieder zugeschaltet werden .
Der Aufwand beim Tausch von Sicherungen und/oder Schaltern kann j edoch vermieden werden, wenn zum Schutz der Stromnetze Strombegrenzer eingesetzt werden, welche den Strom im Fehlerfall automatisch auf einen vorgegebenen Höchstwert begrenzen und nach Überwinden des Fehlerfalls anschließend von selbst wieder in einen normalen Betriebsmodus übergehen. In diesem Zusammenhang sind vor allem supraleitende Strombegrenzer interessant, welche bei Überschreiten eines bestimmten Schwell¬ wertes für den Strom normalleitend werden und anschließend ohne den Austausch von Komponenten wieder in den supraleitenden Betriebs zustand übergehen können . Solche supraleitenden Strombegrenzer sind j edoch teuer und aufwendig in der Herstellung und haben einen hohen Platzbedarf . Normalleitende magnetische Strombegrenzerkonzepte sind ebenfalls im Stand der Technik bekannt, weisen jedoch im Allgemeinen für den
Normalbetrieb zu hohe Verlustleistungen bzw . Spannungsfälle auf .
Es besteht daher ein Bedarf an alternativen Konzepten, um ei - nen Fehlerstrom schnell und effektiv zu begrenzen und gleichzeitig niedrige Verlustleistungen und einen geringen apparativen Aufwand zu erreichen . Als weitere Alternative zur Er¬ füllung dieser Anforderungen existieren für den Bereich der Niederspannung strombegrenzende Schalter, welche den auftre- tenden Fehlerstrom auf zulässige Maximalwerte begrenzen können . In einem solchen Schalter werden im Fehlerfall zwei Kontaktelemente getrennt, wobei sich zwischen ihnen zunächst ein Schaltlichtbogen ausbildet, dessen BrennSpannung den Kurzschlussstrom begrenzt . Ohne besondere Maßnahmen ist dieses Konzept j edoch nicht in den Bereich der Mittelspannungsnetze übertragbar, da hier verschiedene Schwierigkeiten auftreten . Zum einen ist es problematisch, dass bei der Anordnung der Schaltkontakte in einem Gasraum bei den höheren Spannungen sehr hohe Ausblasleistungen heißer Gase auftreten . Eine wei- tere Schwierigkeit besteht darin, dass die LichtbogenSpannung eines einzelnen Schalters nicht hoch genug ist, um den Kurz¬ schlussstrom in einem Mittelspannungsnetz ausreichend stark zu begrenzen . Es sind vielmehr mehrere in Serie geschaltete strombegrenzende Schalter nötig, um in Summe einen hohen Spannungsfall über die einzelnen Schaltlichtbogen zu errei - chen und den Strom insgesamt ausreichend zu begrenzen . Ein wesentliches Entwicklungsziel ist es daher, einen strombe- grenzenden Schalter mit einer möglichst hohen Spannung in dem sich aufbauenden Schaltlichtbogen zur Verfügung zu stellen .
Das Problem des Gasaustritts kann weitgehend behoben werden, indem im Mittelspannungsbereich ein vakuumisolierter Schalter für die Strombegrenzung eingesetzt wird . Durch die Anordnung der Schaltelernente innerhalb einer Vakuumkammer wird gleich¬ zeitig ein Vergleichsweiser kompakter Aufbau erreicht, sodass auch bei mehreren in Serie geschalteten Vakuumschaltern ins- gesamt ein vergleichsweise geringer Platzbedarf entsteht .
Ein verbleibender limitierender Faktor ist j edoch darin zu sehen, dass die LichtbogenSpannungen in bekannten Vakuumschaltern bei Werten von typischerweise 50 V bis maximal etwa 200 V begrenzt sind . Mit derart niedrigen LichtbogenSpannungen werden sehr viele solche Vakuumschalter benötigt, um eine ausreichend starke Strombegrenzung in einem Mittelspannungs- netz zu erreichen . In der EP1551048A1 ist bereits eine Möglichkeit beschrieben, um die LichtbogenSpannung in einem Vakuumschalter zu erhöhen . Hier wird vorgeschlagen, den beim Öffnen des Schalters entstehenden Lichtbogen durch magnetische Kräfte in einen seitlich von den Schaltelernenten angeordneten Stapel aus metalli- sehen Löschblechen hinein zu treiben . Durch diese Löschbleche kann zum einen eine Kühlung des Lichtbogens erreicht werden und somit eine Abfuhr von Energie , die entsprechend zu einer höheren Verlustleistung und somit auch einem erhöhten Spannungsabfall über den Schaltlichtbogen führt . Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Aufteilung des Schaltlichtbogens in mehrere Teillichtbögen erfolgen, welche quasi als Serienschaltung von einzelnen Lichtbögen zwischen den Löschblechen des Stapels vorliegen, wobei aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten die Spannungen der Einzellichtbögen in der Summe die Spannung des nicht aufgeteilten Lichtbogens übersteigen . Sowohl durch die Kühlung als auch durch eine solche Aufteilung kann j eweils eine Erhöhung der GesamtSpannung und somit eine verbesserte Strombegrenzung erreicht werden . Die Einfüh- rung von derartigen Löschblechen kann jedoch zusätzliche Schwierigkeiten mit sich bringen, wie beispielsweise ein starker Verschleiß der Löschbleche durch Abbrand während der Dauer des Lichtbogens . Zudem sind entsprechend hohe magne- tisch erzeugte Kräfte zum Antrieb des Lichtbogens notwendig, so dass diese Methode insbesondere nur bei sehr hohen Fehler¬ strömen im Bereich über 50 kA erfolgversprechend ist . Außerdem reicht die Höhe der LichtbogenSpannung auch mit diesen Maßnahmen unter Umständen nicht aus .
Unabhängig davon, ob solche Löschbleche bereits verwendet werden oder nicht, besteht nach wie vor ein Bedarf an einer weiteren Erhöhung der LichtbogenSpannung in einem solchen Schalter, um den Kurzschluss- oder Fehlerstrom in einem
Stromnetz mit möglichst geringem apparativen Aufwand schnell und sicher auf einen zulässigen Wert begrenzen zu können .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einem Vakuumschalter anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet . Insbesondere soll eine solche Vorrichtung (sowie auch ein entsprechender einzelner Vakuumschalter) zur Verfügung gestellt werden, welche eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte LichtbogenSpannung aufweist . Dies soll insbesondere für den Mittelspannungsbe- reich und für maximal tolerierbare Fehlerströme im Bereich zwischen 10 kA und 64 kA erreicht werden . Eine weitere Aufga¬ be ist es , ein Verfahren zum Begrenzen eines Fehlerstroms mit einer derartigen Vorrichtung anzugeben . Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene
Vorrichtung und das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren und den in Anspruch 15 beschriebenen Vakuumschalter gelöst . Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Strombegrenzung weist wenigstens einen Vakuumschalter auf . Dieser Vakuumschalter um- fasst eine Vakuumkammer, zwei darin angeordnete Kontaktele¬ mente mit einander zugewandten Laufflächen für einen Lichtbogen und einen Antrieb, mit dem ein Kontakt zwischen den bei¬ den Kontaktelernenten geöffnet und geschlossen werden kann . Dabei sind die Kontaktelemente jeweils derart geformt, dass bei einem Stromfluss über einen zwischen den geöffneten Kontaktelementen ausgebildeten Lichtbogen ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet wird . Die Laufflächen weisen j e- weils wenigstens einen Teilbereich auf, welcher als Teilstück einer ringförmigen Laufbahn geformt ist und eine effektive Breite von höchstens 5 mm aufweist .
Unter der genannten „effektiven Breite" soll hier eine für den Umlauf des Lichtbogens nutzbare Breite verstanden werden . Im vorliegenden Zusammenhang soll unter einem „geschlossenen" Kontakt ein Zustand verstanden werden, in dem die beiden Kontaktelemente miteinander in Berührung und somit in elektrischem Kontakt sind . Dementsprechend soll unter einem „geöff- neten" Kontakt ein Zustand verstanden werden, in dem die beiden Kontaktelernente voneinander getrennt sind und somit kei - nen direkten elektrischen Kontakt aufweisen . Ein Stromfluss zwischen den beiden Kontaktelernenten ist dann nur noch über einen beim Öffnen des Kontakts ausgebildeten Lichtbogen mög- lieh . Das beschriebene Öffnen und Schließen des Kontakts wird durch einen mechanischen, magnetischen oder auf einem anderen physikalischen Prinzip basierenden Antrieb des Schalters erreicht. Hierzu sind die beiden Kontaktelernente relativ zuei¬ nander beweglich angeordnet . Im Allgemeinen ist dazu eines der beiden Kontaktelernente als feststehendes Kontaktelernent und das andere als bewegliches Kontaktelernent realisiert . Es ist jedoch grundsätzlich nicht ausgeschlossen, dass beide Kontaktelernente beweglich sind . Die genannte Öffnungsge¬ schwindigkeit bezeichnet dabei ganz allgemein die Geschwin- digkeit für die Relativbewegung zwischen den beiden Kontaktelementen . Bei dieser Relativbewegung handelt es sich typischerweise um eine lineare Bewegung, und die Richtung dieser Relativbewegung bildet eine axiale Richtung des Schalters aus . Entsprechend ist eine zentrale Achse des Schalters durch eine Gerade definiert, die sich mittig im Schalter entlang dieser Richtung erstreckt . Der bei der Öffnung des Kontakts zunächst ausgebildete Licht¬ bogen bewirkt, dass zumindest in der Anfangsphase nach dem Öffnen weiterhin ein Strom zwischen den beiden Kontaktelemen- ten fließen kann . Die spezielle (und im Folgenden beispiel- haft noch näher beschriebene) Formgebung der Kontaktelernente bewirkt, dass durch diesen Stromfluss ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet wird . Ein solches Magnetfeld wird in der Fachwelt als Trans ersalmagnetfeld (oder auch Radialmag¬ netfeld) bezeichnet . Der wesentliche Effekt eines solchen Transversalmagnetfeldes ist, dass der ausgebildete Lichtbogen nicht stationär bleibt, sondern auf der Oberfläche der Kontaktelemente bewegt wird . Zweckmäßig ist die Formgebung der Kontaktelernente so, dass das Magnetfeld (bezüglich der zent¬ ralen Achse) eine radiale Komponente aufweist . Durch eine solche radiale Komponente kann der Lichtbogen auf einer um¬ laufenden ringförmigen Bahn um die zentrale Achse bewegt werden - nämlich einer Laufbahn auf der beschriebenen Lauffläche der eweiligen Kontaktelemente . Eine derartige Ausgestaltung wird in der Fachwelt auch allgemein als Radialmagnetfeldkon- takt bezeichnet . Die Funktionalität der Ausbildung eines Mag¬ netfeldes mit radialem Anteil kann durch verschiedenartige Kontaktformen erreicht werden, beispielsweise durch einen Topfkontakt oder einen Spiralkontakt . Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zum Stand der Technik liegt darin, dass durch die verengte Laufbahn die LichtbogenSpannung erhöht wird und so¬ mit ein Kurzschlussstrom stärker begrenzt wird. Die Laufflä¬ chen der beiden Kontaktelernente sind jeweils so ausgebildet, dass sich - unabhängig von der genauen Ausgestaltung und Formgebung - eine umlaufende Laufbahn für den Lichtbogen ergibt . Dabei kann die Lauffläche beispielsweise als durchge¬ hender Ring ausgebildet sein oder aber sie kann aus verschie¬ denen TeilSegmenten (beispielsweise Spiralarmen) zusammenge- setzt sein, wobei sich die ringförmige Laufbahn dann aus An¬ teilen der einzelnen Teilsegmente ergibt . Die Laufbahn kann also auch Lücken in der Lauffläche aufweisen, welche von dem Lichtbogen auf seiner umlaufenden Bahn überwunden werden . Un- abhängig von der genauen Ausführungsform ist es wesentlich für die Erfindung, dass die effektive Breite der Laufbahn (o- der der einzelnen Teilstücke der Laufbahn) kathoden- und ano- denseitig höchstens 5 mm beträgt . Diese Breite ist geringer als die typischen Breiten der Lichtbogenansätze (in der Fachwelt Fußpunkte genannt) auf der (momentanen) Kathode und auf der (momentanen) Anode, die sich auf natürliche Weise - also ohne zusätzliche geometrische Begrenzung der Bahn - bei einem konzentrierten Lichtbogen in einem derartigen Schalter aus- bilden . Wie in W . Haas , W . Hartmann, „Investigation of arc roots of constricted high current vacuum arcs", Proceedings Int . Symp . on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Eindhoven 1998, und in W . Haas , W . Hartmann, „Investigation of arc roots of constricted high current vacuum arcs", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 27 , No . 4 , pp . 954-960, 1999, untersucht wurde, liegen die natürlichen Fußpunktbrei¬ ten im dort betrachteten Strombereich von einigen kA typischerweise im Bereich zwischen 6 mm und 14 mm auf der Kathode und im Bereich zwischen 5 mm und 10 mm auf der Anode . Die be- schriebene Eingrenzung der Fußpunkte durch geometrische Be ¬ schränkung der zur Verfügung stehenden Laufflächen hat zur Folge, dass die Zufuhr von Kontaktmaterial in den Lichtbogen erschwert wird, da aufgrund der geringeren Breite weniger Ma¬ terial aus den Kathoden- und Anodenfußpunkten durch Abdampfen in den Lichtbogen eingebracht werden kann . Hierdurch wird anschaulich gesehen der Impulsgewinn infolge eines geringeren Masseneintrags erschwert und folglich der Widerstand des Lichtbogens erhöht, was zu der erwünschten Erhöhung der
LichtbogenSpannung führt .
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Begrenzung eines Fehlerstroms in einem Stromnetz auf höchstens einen vorgege¬ benen Maximalwert mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung . Bei dem Verfahren wird zunächst das Vorliegen eines Fehlerfalls im Stromnetz detektiert . Beim Vorliegen eines
Fehlerfalls wird mittels des Antriebs des Vakuumschalters e i ¬ ne Öffnung des Kontakts zwischen den beiden Kontaktelernenten herbeigeführt . Zwischen den geöffneten Kontaktelernenten wird dabei ein Lichtbogen ausgebildet, und durch den Stromfluss durch die geöffneten Kontaktelernente über den Lichtbogen wird gleichzeitig ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet . Durch dieses Magnetfeld wird eine Bewegung des Lichtbogens auf einer ringförmig geschlossenen Bahn über beiden Kontaktelementen bewirkt . Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in diesem Verfahren zur Strombegrenzung werden dieselben Vorteile erzielt wie sie bereits oben im Zusammen¬ hang mit der Vorrichtung beschrieben wurden .
Auch ein einzelner Vakuumschalter selbst reicht bereits aus , um die Vorteile der Erfindung zu realisieren . So umfasst die¬ ser erfindungsgemäße Vakuumschalter eine Vakuumkammer, zwei darin angeordnete Kontaktelernente mit einander zugewandten Laufflächen für einen Lichtbogen und einen Antrieb, mit dem ein Kontakt zwischen den beiden Kontaktelernenten geöffnet und geschlossen werden kann . Dabei sind die Kontaktelemente je¬ weils derart geformt, dass bei einem Stromfluss über einen zwischen den geöffneten Kontaktelernenten ausgebildeten Licht- bogen ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet wird . Die Laufflächen weisen jeweils wenigstens einen Teilbereich auf, welcher als Teilstück einer ringförmigen Laufbahn geformt ist und eine Breite von höchstens 5 mm aufweist . Auch die Vorteile des erfindungsgemäßen Vakuumschalters ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strombegrenzung .
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen An- Sprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor . Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Vorrichtung, des Vakuumschalters und des Verfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden . Allgemein vorteilhaft weisen die Laufflächen j eweils wenigs¬ tens einen Teilbereich auf, welcher als Teilstück einer ringförmigen Laufbahn geformt ist und eine effektive Breite von sogar nur höchstens 4 mm aufweist . Diese noch engere Begren- zung der effektiven Breite der Laufbahn bewirkt, dass der Fußpunkt des Lichtbogens sowohl auf der momentanen Anodensei¬ te als auch auf der momentanen Kathodenseite deutlich stärker eingeengt ist als die natürliche Fußpunktbreite auf der je- weiligen Seite . Die angegebene Begrenzung kann vorteilhaft sogar für die effektive Breite der gesamten Laufbahn des Lichtbogens auf beiden Seiten gelten .
Besonders vorteilhaft ist der Antrieb für eine Kontaktöff¬ nungsgeschwindigkeit von wenigstens 4 m/s ausgelegt . Bei die¬ ser AusführungsVariante wird also die schnelle Begrenzung des Kurzschlussstroms auch dadurch erleichtert, dass gleichzeitig mit der Einengung der Umlaufbahn gegenüber dem Stand der Technik eine Erhöhung der Öffnungsgeschwindigkeit vorgenommen wird . Durch die besonders hohe Öffnungsgeschwindigkeit in dem genannten Bereich wird bewirkt , dass die BegrenzungsWirkung der Vorrichtung bereits sehr früh innerhalb der ersten Stromhalbwelle eintritt . Durch die schnelle Zunahme der Länge des Lichtbogens wird somit der maximale Wert der LichtbogenSpan¬ nung vorteilhaft weiter erhöht . Insbesondere durch das Zusam¬ menspiel dieser beiden Maßnahmen können schnell Lichtbogenspannungen erreicht werden, welche zur Strombegrenzung in einem Mittelspannungsnetz für die dort relevanten Bereiche der noch tolerierbaren Kurzschlussströme benötigt werden . Eine derart hohe Kontaktöffnungsgeschwindigkeit kann beispielswei¬ se durch einen Seilpendelantrieb erreicht werden, wie er ins¬ besondere in der WO2016/110430A1 näher beschrieben ist . Die Vorrichtung zur Strombegrenzung kann allgemein entweder nur einen erfindungsgemäß ausgestalteten Vakuumschalter aufweisen oder sie kann besonders vorteilhaft mehrere solche Va¬ kuumschalter umfassen, welche elektrisch in Serie geschaltet sind, sodass die einzelnen LichtbogenSpannungen sich addie- ren . Eine solche Serienschaltung ist zweckmäßig, um mit dem beschriebenen Wirkprinzip eine effektive Strombegrenzung in einem Mittelspannungsnetz zu erreichen, auch wenn die Lichtbogenspannung eines einzelnen Vakuumschalters hierfür nicht ausreichend ist . Durch die gleichzeitige Auslösung mehrerer in Serie geschalteter Vakuumschalter kann dann trotzdem eine wirksame Strombegrenzung im beschriebenen Strom- und Spannungsbereich erzielt werden .
Die Vorrichtung zur Strombegrenzung kann zusätzlich zu dem beschriebenen wenigstens einen Vakuumschalter zweckmäßig eine Detektionseinrichtung umfassen, um das Vorliegen eines Fehlerfalls (beispielsweise eines Kurzschlusses) zu detektieren und bei einer solchen Detektion den Vakuumschalter wie beschrieben zu öffnen . Die Detektion eines solchen Fehlerfalls kann beispielsweise durch die Messung der Stromamplitude (insbesondere das Erreichen eines Schwellwertes ) und/oder die Messung der Änderung der Stromamplitude erfolgen . Die gleich- zeitige Messung der Stromamplitude und ihrer Änderung ist be¬ sonders vorteilhaft, um das Vorliegen eines Fehlerfalls be¬ reits deutlich vor dem Erreichen des unerwünschten Strommaximums detektieren zu können und den Strom frühzeitig innerhalb der ersten Halbwelle auf tolerierbare Werte begrenzen zu kön- nen .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Laufflächen der Kontaktelernente jeweils wenigstens einen Teilbereich auf, welcher als Teilstück eines Rings geformt ist und eine Breite von höchstens 3 mm aufweist . Durch diese noch engere
Begrenzung der j eweiligen Fußpunkte des Lichtbogens wird vor¬ teilhaft eine noch stärkere Erhöhung der LichtbogenSpannung erreicht . Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Antrieb für eine Öffnungsgeschwindigkeit von wenigstens 5 m/s, besonders vorteilhaft sogar wenigstens 6 m/s ausgelegt . Durch diese noch höhere Geschwindigkeit in der Verlängerung des Lichtbogens wird vorteilhaft eine noch stärkere Erhöhung der LichtbogenSpannung erreicht .
Vorteilhaft weist der Vakuumschalter (insbesondere zum Zeit¬ punkt des Maximums der ersten Stromhalbwelle) einen Kontakt- hub von wenigstens 4 mm auf. Unter dem Kontakthub soll hier die zurückgelegte Strecke bei der Relativbewegung der beiden Kontaktelemente während der Öffnung verstanden werden. Besonders bevorzugt beträgt der Kontakthub (insbesondere zum Zeit- punkt des Maximums der ersten Stromhalbwelle) sogar wenigs¬ tens 8 mm, insbesondere wenigstens 12 mm und kann beispiels¬ weise in einem Bereich zwischen 12 mm und 20 mm liegen . Derart hohe Kontakthübe sind besonders vorteilhaft, um in Kombi¬ nation mit der beschriebenen hohen Öffnungsgeschwindigkeit einen hohen Widerstand im Lichtbogen (durch dessen erreichte Länge) und entsprechend einen hohen Wert der LichtbogenSpannung zu erreichen . Bei niedrigeren Betriebsspannungen (beispielsweise zwischen 3 kV und 7 , 2 kV ) sind allerdings auch Kontakthübe im niedrigeren Teil der angegebenen Bereiche, al- so beispielsweise zwischen 4 mm und 8 mm, ausreichend .
Die StrombegrenzungsVorrichtung kann vorteilhaft zur Strombegrenzung in einem Mittelspannungsnetz ausgelegt sein . Gerade die Mittelspannungsnetze sind besonders von den eingangs be- schriebenen Problemen der starken Vermaschung und einer Häufigkeit von Kurzschlussfällen betroffen . Andererseits ist aber die Begrenzung von Fehlerströmen mit herkömmlichen Vorrichtungen im Mittelspannungsbereich besonders schwierig oder zumindest apparativ sehr aufwendig . Insbesondere kann die StrombegrenzungsVorrichtung vorteilhaft für ein Stromnetz mit einer Nennspannung zwischen 3 kV und 52 kV ausgelegt sein .
Die Vorrichtung ist besonders bevorzugt zur Strombegrenzung auf einen tatsächlichen maximalen Kurzschlussstrom von höchs- tens 64 kA ausgelegt . Beispielsweise kann der maximal mögli¬ che Kurzschlussstrom auf Werte zwischen 20 kA und 64 kA, insbesondere höchstens 40 kA, besonders vorteilhaft höchstens 31,5 kA oder sogar nur höchstens 20 kA oder 16 kA begrenzt sein . Derartige Werte für den höchsten zulässigen Kurz- schlussstrom entsprechen den Spezifikationen von vielen in
Mittelspannungsnetzen eingesetzten elektrischen Betriebsmitteln . Diese können somit zuverlässig geschützt werden . Eine Begrenzung des Kurzschlussstroms auf Werte in den genannten Bereichen kann allgemein dadurch erreicht werden, dass der Schalter so schnell geöffnet wird und so schnell eine ent¬ sprechend hohe Spannung im Lichtbogen erreicht wird, dass sehr früh innerhalb der ersten Halbwelle - also weit vor Er- reichen des ersten Strommaximums - eine starke Begrenzungs¬ wirkung erfolgt .
Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Elementen kann der Vakuumschalter vorteilhaft mehrere innerhalb der Vakuumkammer angeordnete Löschbleche aufweisen . Diese Löschbleche können insbesondere seitlich von den relativ zueinander beweglichen Kontaktelernenten angeordnet sein . Ähnlich wie in der
EP1551048A1 beschrieben, ist die Funktion solcher Löschbleche einerseits die Kühlung des Lichtbogens und dadurch die Erhö- hung der Lichtbogenspannung . Alternativ oder zusätzlich können die Löschbleche aber auch dazu dienen, den entstehenden Lichtbogen in mehrere Teillichtbögen zwischen den einzelnen Löschblechen aufzuteilen und hierdurch die GesamtSpannung weiter zu erhöhen . Wesentlich ist in jedem Fall , dass die Löschbleche so angeordnet sind, dass der Lichtbogen durch das ausgebildete Transversalmagnetfeld seitlich (also nach radial außen) in den Löschblechstapel hineingetrieben wird . Hierzu kann die Formgebung der Kontaktelernente vorteilhaft so ausge¬ staltet sein, dass das beim Stromfluss gebildete Transver- salmagnetfeld den Lichtbogen nicht nur in Umfangsriehtung auf einer umlaufenden Bahn bewegt, sondern auch nach radial außen, also in außenliegende Bereiche dieser Bahn treibt . In einem solchen radial außen liegenden Bereich kann dann der Lichtbogen in den Einflussbereich der Löschbleche treten und gegebenenfalls sogar in den Löschblechstapel eintreten . Die kühlende Wirkung auf den Lichtbogen kann alternativ oder zusätzlich auch einfach durch eine außen und hinreichend nah positionierte metallische Kammerwand erfolgen . Allgemein können die beschriebenen Laufflächen für den Lichtbogen identisch mit den Kontaktflächen bzw . dem Nennstrompfad der Kontaktelernente sein . Mit anderen Worten können die Lauf¬ flächen jeweils durch die Auflägeflächen gebildet sein, mit denen die beiden Kontaktelemente im geschlossenen Zustand in mechanische Berührung treten . Die Laufflächen müssen jedoch nicht mit den Auflägeflächen oder dem Nennstrompfad identisch sein . So ist es beispielsweise auch möglich, dass die Lauf- flächen nur durch einen bestimmten Teil der gesamten Auflageflächen gebildet sind, beispielsweise durch einen radial au¬ ßen liegenden Bereich . Es ist aber grundsätzlich auch möglich, dass die Laufflächen (ganz oder teilweise) durch einen radial noch weiter außen liegenden Bereich als die Kontakt- flächen gebildet sind . Dies kann zum Beispiel dann vorteil¬ haft der Fall sein, wenn sich der Querschnitt der Kontaktele¬ mente j eweils nach radial außen derart ver üngt oder die Kon¬ taktelemente auf andere Weise so geformt sind, dass hier der Abstand zwischen den Kontaktelernenten erhöht wird .
In einer bevorzugten AusführungsVariante können die Kontakte¬ lemente jeweils als Spiralkontakte ausgebildet sein . Mit an¬ deren Worten können die Kontaktflächen der einzelnen Kontaktelemente j eweils in mehrere gebogene Spiralarme unterteilt sein . Diese Spiralarme erstrecken sich also j eweils in einer Biegung von einem radial innen liegenden Bereich des Kontaktelements hin zu einem radial außen liegenden Bereich, welcher einen Teil der ringförmigen Laufbahn für den Lichtbogen ausbildet . Ein zunächst im radial innen liegenden Bereich ausgebildeter Lichtbogen kann so durch einen oder mehrere
Spiralarme nach außen geführt werden und dann auf den radial außen liegenden Teilen der einzelnen Spiralarme weiter ringförmig umlaufen . Hierbei werden die Lücken zwischen den einzelnen Spiralarmen durch den Lichtbogen sprungartig überwun- den . Das Transversalmagnetfeld wird hierbei durch die Form der Spiralarme in den beiden gegenüberliegenden Kontaktelementen erzeugt . Besonders bevorzugt sind hierzu die beiden gegenüberliegenden Kontaktelernente spiegelbildlich zueinander ausgeführt und aneinander ausgerichtet, insbesondere im We- sentlichen deckungsgleich übereinander angeordnet . Bevorzugt kann j edes der beiden Kontaktelernente beispielsweise 3 , 4 , 6 oder 8 Spiralarme aufweisen . Besonders bevorzugt können sich die Spiralkontakte wie oben erwähnt jeweils zu ihrer Lauffläche hin, also nach radial au¬ ßen, in ihrer Querschnittsfläche ver üngen . Alternativ können die Spiralarme jeweils so gebogen sein, dass sie nach radial außen hin von dem j eweils anderen Kontaktelernent weg weisen und nach radial außen eine Schnabelartige Öffnung bilden . Dies kann insbesondere dazu vorteilhaft sein, um den Lichtbo¬ gen bei seinem Eintritt in eine weiter außen liegende Lauf¬ bahn besonders schnell noch weiter zu verlängern . So kann der Lichtbogen auf eine Länge verlängert werden, welche insbeson¬ dere größer als der oben beschriebene Kontakthub ist . Mit ei¬ ner derartigen schnabelartigen Öffnung der Kontaktelernente nach radial außen hin wird so eine noch schnellere Ausbildung einer hohen LichtbogenSpannung erreicht .
Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit Spiralkontakten können die Kontaktelernente des Vakuumschalters je¬ weils als Topfkontakte mit einer ringförmig geschlossenen Lauffläche ausgebildet sein . Mit anderen Worten können die beiden Kontaktelernente j eweils topfförmig ausgebildet sein, wobei die Öffnungen dieser Töpfe einander zugewandt sind . Im Bereich ihrer Öffnungen sind diese Töpfe j eweils mit einem Laufring versehen, welcher auch als Kontaktseheibenring bezeichnet wird . Die dem j eweils anderen Kontaktelernent zuge- wandte Oberfläche eines solchen Laufrings bildet dabei gleichzeitig die Lauffläche und auch die Kontaktfläche des j eweiligen Kontaktelernents aus . Da diese Laufflächen die ei¬ nander am nächsten liegenden Teile der beiden Kontaktelernente ausbilden, wird ein beim Öffnen entstehender Lichtbogen s o - fort auf diese außenliegende Bahn gelenkt . Die Laufringe kön¬ nen beispielsweise j eweils annähernd kreisförmig ausgebildet sein, es sind grundsätzlich j edoch auch andere ringförmige Formen denkbar . Bei der Verwendung derartiger Topfkontakte wird die Ausbil¬ dung des Transversalmagnetfeldes durch eine Anordnung von Schlitzen in den Topfkontakten erreicht . Dies ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt . Um den entstehenden Lichtbogen auf einer geeigneten ringförmigen Bahn zu bewegen, wird hier die Schrägung der Schlitze in den beiden gegenüberliegenden Kontaktelernenten bevorzugt zumindest annähernd spiegelbildlich zueinander ausgeführt .
Die Seitenwände der als Töpfe ausgeformten Kontaktelernente müssen nicht notwendigerweise einen konstanten Querschnitt aufweisen . So kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Topfkontakte jeweils eine Topfwand mit sich zur Lauffläche hin ver üngender Wandstärke aufweisen . Eine solche - insbe¬ sondere konische - Ver üngung kann dazu beitragen, eine er- findungsgemäß verengte Laufbahn für den Lichtbogen zur Verfü¬ gung zu stellen und gleichzeitig eine hohe mechanische Stabi¬ lität der Topfwand zu gewährleisten . Allgemein kann die Wand- stärke der Topfwand zumindest im Bereich des Laufrings ähn¬ lich dimensioniert sein wie die beschriebene , relativ geringe Breite der Laufbahn . Die seitlich außenliegende Oberfläche der Topfwand kann allgemein vorteilhaft zylindrisch, insbesondere kreis zylindrisch ausgebildet sein .
Bei der Ausführungsform als Topfkontakte können diese jeweils zumindest teilweise in ihrem Innenraum mit einer metallischen und/oder keramischen Füllung versehen sein . Eine solche Füllung - aus einem unterschiedlichen Material als dem Material des Grundkörpers des Topfes - kann vorteilhaft sein, um ein
Aufschmelzen der Innenwand des Topfes und/oder des Bodens des Topfes infolge eines auftretenden Wanderns des Lichtbogens in das Innere des Topfes zu verhindern . Denn AufSchmelzungen können zu einer deutlichen Reduktion der LichtbogenSpannung führen .
Alternativ oder zusätzlich kann als weitere geeignete Maßnahme , um ein Kommutieren des Lichtbogens in das Topfinnere zu verhindern, der j eweilige Topfkontakt so ausgestaltet sein, dass das Verhältnis V zwischen einem Topfinnendurchmesser Di und einer Topftiefe Hi bei wenigstens 2 , 5 liegt . Besonders bevorzugt kann dieses Verhältnis V = Di/Hi sogar bei wenigs¬ tens 3 liegen . Allgemein und unabhängig von der genauen Ausformung der Kontaktelemente können die Grundkörper und/oder die Laufflächen der Kontaktelernente bevorzugt Kupfer, Chrom, Wolfram und/oder Molybdän sowie Legierungen mit einem oder mehreren dieser Metalle (beispielsweise CuCr oder WCu) aufweisen oder aus sol¬ chen Materialien bestehen . Bevorzugt sind auch carbidhaltige Werkstoffe wie beispielsweise Wolframcarbid, Silbercarbid o- der Wolfram-Kupfer-Carbid . Alternativ kommen aber auch andere keramisch metallische Verbundwerkstoffe (beispielsweise soge¬ nannte Cermets oder gemischte Metalle und Metallcarbide) in Frage .
Das Verfahren zur Begrenzung eines Fehlerstroms kann bevor- zugt so ausgeführt werden und die Vorrichtung kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass der Spannungsfall über den Licht¬ bogen zwischen den beiden geöffneten Kontaktelernenten bei wenigstens 300 V, insbesondere sogar bei wenigstens 400 V liegt . Eine derart hohe Spannung wird bevorzugt innerhalb der ersten 10 ms nach einem Kurzschlussereignis und insbesondere sogar innerhalb der ersten 5 ms nach einem Kurzschlussereig- nis erreicht . So kann der Fehlerstrom früh innerhalb der ers¬ ten Halbwelle nach einem KurzSchlussereignis begrenzt werden . Dabei gelten die angegebenen Zeiten j eweils als Höchstwert für die aufgrund der Öffnung des Schalters und der Bewegung des Lichtbogens zum Erreichen der genannten Spannung erforderliche Zeit . Um ein besonders schnelles begrenzen des Feh¬ lerstroms zu ermöglichen, gilt die angegebene Zeit bevorzugt sogar einschließlich der für die elektronische Kurzschlusser- kennung und Auslösung des mechanischen Antriebs des Schalters erforderlichen Zeiten .
Das Verfahren zur Begrenzung eines Fehlerstroms kann bevorzugt so ausgeführt werden und die Vorrichtung kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass der beim Öffnen ausgebildete
Lichtbogen mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 100 m/s über die Lauffläche der Kontaktelernente bewegt wird . Eine derart hohe Geschwindigkeit ist ebenfalls vorteilhaft, um ei ne hohe Lichtbogenspannung zu erreichen. Besonders bevorzugt kann die Geschwindigkeit wenigstens bei 200 m/s liegen .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen :
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt einer Vorrichtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt ,
Figur 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Topfkontaktes nach dem Stand der Technik zeigt,
Figur 3 eine schematische Darstellung von zwei Topfkontakten entsprechend Figur 2 mit dem Strompfad in Kontakten und Lichtbogen zeigt,
Figur 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen einzelnen Topfkontakt aus einem Ausführungsbeispiel der Er¬ findung zeigt ,
Figur 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen einzelnen Topfkontakt aus einem weiteren Beispiel der Er¬ findung zeigt,
Figur 6 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Spiralkontaktes nach dem Stand der Technik zeigt,
Figur 7 eine schematische Darstellung von zwei Spiralkontakten entsprechend Figur 6 mit Strompfad in Kontakten und Lichtbogen zeigt,
Figur 8 eine schematische Querschnittansieht durch einen ein¬ zelnen Spiralkontakt aus einem weiteren Ausführungs- beispiel der Erfindung zeigt ,
Figur 9 einen Ausschnitt aus einem Vakuumschalter mit Spiralkontakten nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt ,
Figur 10 gemessene und berechnete LichtbogenSpannungen für einen Vakuumschalter nach dem Stand der Technik zeigt,
Figur 11 weitere gemessene und berechnete LichtbogenSpannun¬ gen für den Vakuumschalter nach dem Stand der Technik zeigt und Figur 12 gemessene Lichtbogenspannungen sowie Kontaktabstände für einen Vakuumschalter gemäß einem Ausführungsbei- spiel der Erfindung zeigt . Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Vorrichtung 1 zur Strombegrenzung nach einem ersten Beispiel der Erfindung . Diese Vorrichtung umfasst einen Vakuumschalter 3 und eine Detektionseinrichtung 23, mittels derer ein Fehlerfall beispielsweise ein Kurzschluss - in einem hier nicht gezeig- ten äußeren Stromkreis detektiert werden kann . Alternativ zu der hier gezeigten Variante mit nur einem Vakuumschalter können gegebenenfalls auch weitere solche Vakuumschalter in Se¬ rie geschaltet sein und im Fehlerfall gleichzeitig ausgelöst werden .
Der Vakuumschalter 3 weist eine Vakuumkammer 5 auf, innerhalb derer zwei Kontaktelernente 13a und 13b angeordnet sind . Diese Vakuumkammer 5 wird durch ein Vakuumgefäß 7 begrenzt . Das Va¬ kuumgefäß 7 ist definiert durch einen äußeren Isolationszy- linder 9, eine auf einem Ende des Zylinders befestigte erste Endplatte 10 und eine an dem anderen Ende des Zylinders be¬ festigte zweite Endplatte 11. Die Endplatten 10,11 sind zur Aufrechterhaltung eines Vakuums hermetisch gegen den äußeren Isolations zylinder 9 abgedichtet . Der äußere Isolationszylin- der 9 kann auch durch einen oder mehrere ringförmige vakuumdicht angebundene Metallelernente in mehrere serielle Segmente unterteilt sein .
Zentriert in der Vakuumkammer 5 sind die beiden Kontaktele¬ mente 13a und 13b angeordnet, welche im Wesentlichen zueinan- der spiegelbildliche Geometrien aufweisen . Das erste Kontaktelement 13a ist stationär und an einem ihm zugeordneten Leiter 21 befestigt . Das zweite Kontaktelernent 13b ist beweglich angeordnet und ebenfalls an einem Leiter 21 befestigt . Das bewegliche Kontaktelernent 13b wird von dem feststehenden Kon- taktelement 13a getrennt, wenn mittels der Detektionseinheit 23 ein Fehlerfall detektiert und der Vakuumschalter 3 ausge¬ löst wird . Dies geschieht mittels des Antriebs 25, mit dem in diesem Beispiel eine Öffnungsgeschwindigkeit von wenigstens 4 m/s und ein Kontakthub 33 von wenigstens 8 mm realisiert wer¬ den kann . Für alternative Ausgestaltungen (beispielsweise für Spannungsbereiche unterhalb von 20 kV) wären j edoch grund¬ sätzlich auch niedrigere Kontakthübe als 8 mm ausreichend . Bei der so ausgelösten Trennung der beiden Kontaktelernente entsteht ein Lichtbogen 31 , dessen Eigenschaften im Folgenden näher erläutert werden .
Ein metallischer Faltenbalg 27 ist bereitgestellt zwischen dem beweglichen Kontaktelernent 13b und der zweiten Endplatte 11 und umgibt den auf dieser Seite vorliegenden Leiter 21. Dieser Faltenbalg 27 bewirkt also die Beweglichkeit des auf dieser Seite vorliegenden Leiters 21 gegen die zweite End¬ platte 11, sodass die beiden Kontaktelernente 13a und 13b sehr schnell und mit vergleichsweise großer Wegstrecke gegeneinan¬ der bewegt werden können, ohne dass die Integrität des Vaku¬ umgefäßes 7 und seine Vakuumdichtigkeit beeinträchtigt wer¬ den . Mehrere metallische Schirme 29a bis 29d umgeben die beiden
Kontaktelemente . Diese Schirme schützen die das KontaktSystem umgebenden Komponenten der Schaltröhre vor dem entstehenden Lichtbogen 31 zwischen den einzelnen Kontaktelernenten 13a bzw . 13b . So schützen die Schirme 29a und 29b die den einzel- nen Kontaktelernenten 13a bzw . 13b zugeordneten Leiter 21, den Faltenbalg 27 und die Endplatten 10 und 11. Insbesondere ver¬ hindern die Schirme 29a und 29b, dass durch den Lichtbogen verursachter metallischer Dampf und metallische schmelzflüssige Partikel den Leiter 21 , den Faltenbalg 27 und die End- platten 10 und 11 beschädigen . Der durchgehende zylindrische Schirm 29c und 29d schützt den/die Isolationszylinder 9. Die¬ ser/diese Isolations zylinder 9 kann/können beispielsweise in seinen/ihren elektrisch isolierenden Bereichen (hier dicker gezeichnet) ein keramisches Material und/oder Glas umfassen . Insbesondere verhindert der seitlich von den Kontaktelernenten angebrachte Schirm 29c und 29d, dass sich durch den Lichtbo¬ gen verursachter metallischer Dampf und metallische schmelz- flüssige Partikel auf der Innenfläche des/der Isolationszy¬ linders 9 abscheiden und dieser/diese leitfähig wird/werden.
Die beiden gegenüberliegenden Kontaktelernente 13a und 13b weisen einander zugewandte Laufflächen 20 für den Lichtbogen 31 auf, auf dem dieser nach seiner Entstehung ringförmig umlaufen kann . Im hier schematisch gezeigten Beispiel sind die beiden Kontaktelernente als Topfkontakte ausgebildet, und die Laufflächen 20 sind durch ringförmige Laufringe gegeben . Da es sich bei der Figur 1 um eine rein schematische und nicht maßStabsgetreu Bezeichnung handelt, kann die Breite dieser Laufflächen 20 der Figur nicht entnommen werden . Es könnte sich hier also prinzipiell um eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung oder um eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik handeln . Durch die Breite der Laufflächen unterscheiden sich die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vom Stand der Technik, wie aus den folgenden Detailansichten verschiedener Kontaktelernente noch deutlicher werden wird .
So zeigt Figur 2 eine schematische perspektivische Darstel¬ lung eines einzelnen Kontaktelernents 13 nach dem Stand der Technik, welcher als Topfkontakt ausgebildet ist . Gezeigt ist ein topfförmiger Grundkörper 14 , welche auf seiner dem ande- ren Kontaktelernent zugewandten Seite mit einem kreisförmigen Laufring 15 versehen ist . Auf der abgewandten Seite geht dieser Grundkörper 14 in einen Kontaktbolzen 22 über, welcher außerhalb der Vakuumkammer mit dem entsprechenden Leiter verbunden ist . Die oben dargestellte Oberfläche dieses Laufrings 15 bildet eine Laufbahn 18 für den entstehenden Lichtbogen aus . Bei dieser Laufbahn 18 handelt es sich um eine ringförmig geschlossene Kreisbahn, welche hier vollständig auf der Oberfläche des Laufrings 15 verläuft . Die Breite b des Lauf¬ rings 15 ist nach dem Stand der Technik breiter als die na- türliche Breite eines fokussierten Lichtbogens 31 , welcher sich bei typischen Schaltströmen und Spannungen in Mittelspannungsstromnetzen zwischen den gegenüberliegenden Kontaktelementen ausbildet . Zur Verdeutlichung dieses Sachver- halts ist der Lichtbogen 31 auf der Oberfläche des Laufrings durch eine leicht elliptische Form skizziert . Die natürliche Breite c des Lichtbogens wird auch als natürliche Fußpunkt¬ breite oder auch als Breite des Kathoden- bzw . Anodenfuß- punkts bezeichnet (unter der Annahme, dass es sich bei dem gezeigten einzelnen Kontaktelernent um das enige handelt, wel¬ ches im Moment der Entstehung des Lichtbogens gerade die Ka¬ thode - bzw . die Anode ausbildet) . Die typische natürliche Fußpunktbreite liegt im Bereich zwischen 6 mm und 14 mm auf der Kathode und im Bereich zwischen 5 mm und 10 mm auf der
Anode , wie in den oben genannten Veröffentlichungen von Haas et al . beschrieben .
Wie ebenfalls in Figur 2 dargestellt, weist der Topfkontakt eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen auf, welche die Ausbildung eines transversalen Magnetfeldes und somit die Bewegung des entstehenden Lichtbo¬ gens auf der ringförmigen Bahn bewirken . Die Wirkung dieser Form wird für das Zusammenspiel zweier derartiger Kontaktele- mente in Figur 3 näher erläutert . So zeigt Figur 3 zwei ent¬ sprechend geformte topfförmige Kontaktelernente 13a und 13b, welche sich gegenüberstehen und entlang einer zentralen Achse A gegeneinander bewegt und somit geöffnet werden können . In Figur 3 ist ein geöffneter Zustand dargestellt, bei welchem ein Lichtbogen 31 aufgebaut wurde . Die beiden Kontaktelernente sind so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander geformt sind . Somit ist die Schrägung der jeweils zugeordneten Schlitze 16 unterschiedlich . Über die beiden Kontaktelernente 13a und 13b sowie den dazwischenliegenden Lichtbogen 31 hinweg bildet sich somit ein gekrümmter Strompfad 19 aus . Durch die Krümmung dieses Strompfades liegen die einzelnen generierten lokalen Magnetfelder (durch Ringe angedeutet) nicht mehr auf einer Achse und es wird eine Lorentz- kraft ausgebildet, welche den Lichtbogen auf einer umlaufen- den Bahn mit der Laufrichtung 17 bewegt .
Figur 4 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen einzelnen Topfkontakt aus einer StrombegrenzungsVorrichtung beziehungsweise einem Vakuumschalter nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung . Dieses Kontaktelernent 13 ist von sei¬ ner grundlegenden Form und Funktion her analog ausgestaltet wie das in den Figuren 2 und 3 gezeigte Kontaktelement . Es unterscheidet sich von diesem jedoch durch die geringere
Breite b seines Laufrings 15. Bei dem erfindungsgemäß ausge¬ stalteten Vakuumkontakt beträgt die Breite b höchstens 5 mm. Diese Breite ist somit niedriger als die typische Fußpunkt¬ breite eines Lichtbogens , welcher sich bei den typischen Strömen und Spannungen eines Mittelspannungsnetzes ausbildet .
Im Längsschnitt der Figur 4 sind der Topfinnendurchmesser mit Di und die Topftiefe mit Hi bezeichnet . Um eine Kommutierung des Lichtbogens in das Innere des Topfkontaktes zu verhin- dern, liegt dieses Verhältnis V = Di/Hi bevorzugt bei wenigs¬ tens 2,5.
Figur 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen einzelnen Topfkontakt aus einer StrombegrenzungsVorrichtung beziehungsweise einem Vakuumschalter nach einem weiteren Bei - spiel der Erfindung . Dieses Kontaktelernent 13 ist sehr ähn¬ lich wie das Kontaktelernent der Figur 4 ausgebildet . Es un¬ terscheidet sich von diesem j edoch durch die Ausgestaltung der seitlichen Topfwand 34. Auch hier weist diese Topfwand auf ihrer radial außen liegenden Seite eine zylinderförmige
Begrenzungsfläche auf . Auf ihrer radial innen liegenden Seite weist ihre Begrenzungsfläche jedoch von der Zylinderform ab, da die Topfwand konisch geformt ist, sodass sie sich nach oben hin - also zum anderen Kontaktelernent hin - verj üngt . Diese verj üngende Form trägt vorteilhaft dazu bei , dass für den Lichtbogen eine Lauffläche 20 mit nur geringer Breite b zur Verfügung steht und dass trotzdem die Topfwand 34 eine ausreichende mechanische Stabilität hat . Ein weiterer Unter¬ schied zwischen dem Beispiel der Figur 5 und dem Beispiel der Figur 4 besteht darin, dass hier das Innere des topfförmigen Grundkörpers 14 mit einer Füllung 35 versehen ist, welche beispielsweise ein keramisches Material aufweisen kann . Eine solche Füllung kann vorteilhaft sein, um eine Kommutierung des Lichtbogens in das Innere des Topfes zu verhindern .
Figur 6 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines einzelnen Spiralkontaktes nach dem Stand der Technik . Spiralkontakte stellen eine grundlegend andere Ausführungsart eines Radialmagnetfeldkontaktes dar . Genauso wie beim Topf- kontakt wird also auch hier durch ein Magnetfeld mit radialer Komponente eine Bewegung des Lichtbogens entlang
förmigen Bahn erreicht . Die konstruktive Ausgestaltung, mit der dies in einem Spiralkontakt erreicht wird, ist j edoch grundlegend verschieden .
So weist das in Figur 6 gezeigte Kontaktelement 13 eine Lauf- fläche 20 für einen Lichtbogen auf, welche in diesem Beispiel in vier Spiralarme 38 unterteilt ist . Diese Spiralarme er¬ strecken sich jeweils von einem Zentralstück 37 aus nach radial außen, wobei die radial außenliegenden Abschnitte 38a der Spiralarme zusammen wiederum eine ringförmige Laufbahn 18 ausbilden . Diese ringförmige Laufbahn 18 bildet im Unterschied zum vorhergehenden Beispiel keinen geschlossenen Ring, sondern weist vier einzelne Lücken 39 auf, welche von dem auf der Lauffläche 20 umlaufenden Lichtbogen sprungartig überbrückt werden können .
Die Ausbildung des seitlichen, d.h transversalen, Magnetfeldes und die Bewegung des Lichtbogens auf der ringförmigen Bahn sind für den Spiralkontakt in Figur 7 verdeutlicht . So zeigt Figur 7 zwei Kontaktelernente 13a und 13b, welche je- weils als Spiralkontakte ausgebildet sind und sich so gegen¬ überstehen, dass sie wiederum entlang einer zentralen Achse A gegeneinander bewegt und somit geöffnet und geschlossen werden können . Jedes der beiden Kontaktelernente weist vier Spi¬ ralarme auf (analog zur Figur 6) , wobei die beiden einzelnen Kontaktelernente spiegelbildlich zueinander ausgeführt sind und so aneinander ausgerichtet sind, sodass die zueinander weisenden Laufflächen 20 einen einander entsprechenden Grund- riss aufweisen . Auch bei einer solchen Anordnung wird bei ei- nem Stromfluss durch die beiden Kontaktelemente und den da¬ zwischen ausgebildeten Lichtbogen 31 ein gekrümmter Strompfad 19 ausgebildet . Durch dessen Krümmung wird auch hier ein Magnetfeld mit radialer Komponente erzeugt, welches wiederum ei - ne Kreisbewegung des Lichtbogens 31 mit einer Laufrichtung 17 verursacht . Im Fall des Spiralkontaktes ist die Krümmung des Strompfades 19 nicht durch schrägliegende Schlitze, sondern durch die Krümmung und Ausrichtung der Spiralarme 38 verursacht . Der übergeordnete Effekt auf die Bewegung des Lichtbo- gens ist jedoch ähnlich wie bei dem ganz unterschiedlich geformten Topfkontakt .
Figur 8 zeigt eine schematische Querschnittansieht durch ein einzelnes Kontaktelernent 13 aus einer Strombegrenzungsvor- richtung beziehungsweise einem Vakuumschalter nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung . Dieses Kontaktele¬ ment 13 ist als Spiralkontakt ausgestaltet und ist von seiner grundlegenden Form und Funktion her analog ausgestaltet wie das in den Figuren 6 und 7 gezeigte Kontaktelement . Es unter- scheidet sich von diesem jedoch durch die Breite b der ringförmigen Laufbahn 18 des Lichtbogens . Ähnlich wie bei den breiteren Spiralkontakten der Figuren 6 und 7 ist hier die Laufbahn 18 durch eine ringförmige Bahn gebildet, welche sich aus den radial außen liegenden Bereichen 38a der einzelnen Spiralarme 38 und den dazwischen vorliegenden, vom Lichtbogen zu überspringenden Lücken 39 zusammensetzt . Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass die Breite b im Bereich der radial außenliegenden Abschnitte 38a den vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet . In den weiter in- nen liegenden Bereichen der einzelnen Spiralarme, die an das Zentralstück 37 angrenzen, sollten diese bevorzugt prinzipiell ähnlich schmal ausgestaltet sein .
Figur 9 zeigt einen Ausschnitt aus einem Vakuumschalter 3 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt entlang der Achse A. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden gegeneinander beweg¬ lich angeordneten Kontaktelernente 13a und 13b als Spiralkon- takte ausgebildet. Im Unterschied zu den vorhergehenden Figu¬ ren ist der in Figur 9 dargestellte Teil des Vakuumschalters in geschlossener Konfiguration dargestellt. Mit anderen Worten ist der Kontaktbolzen 22 des unten gezeigten Kontaktele- ments 13b hier so weit nach oben bewegt, dass die beiden Kon¬ taktelemente 13a und 13b einander berühren und einen direkten elektrischen Kontakt ausbilden . Durch Bewegen des unten dargestellten Kontaktbolzens 22 entlang der Pfeile können die Kontaktelernente j edoch ähnlich wie in den vorhergehenden Bei- spielen voneinander getrennt werden, wodurch sich wiederum ein Lichtbogen zwischen den beiden Kontaktelernenten ausbildet .
Ein wesentlicher Unterschied des Beispiels der Figur 9 zu den vorhergehenden Beispielen liegt darin, dass die beiden Kontaktelemente jeweils so geformt sind, dass sie sich auch im geschlossenen Zustand nach radial außen hin schnabelartig öffnen . In der Querschnittansieht ist gut zu erkennen, dass zwischen den einzelnen Spiralarmen im radial außen liegenden Bereich ein deutlicher Abstand vorliegt, auch wenn die eigentlichen radial innenliegenden Kontaktflächen der beiden Kontaktelernente einander berühren . Wenn nun bei Öffnung des Kontakts ein Lichtbogen entsteht und dieser durch das gebil¬ dete Transversalmagnetfeld nach radial außen wandert und dann dort auf einer ringförmigen außen liegenden Bahn bewegt wird, dann wird durch diese Formgebung die Länge des Lichtbogens zusätzlich schnell vergrößert .
Ein weiterer wesentlicher Unterschied des Beispiels der Figur 9 zu den vorhergehenden Beispielen liegt darin, dass dieser Vakuumschalter 3 einen Stapel von Löschblechen 41 aufweist, wobei hier einzelne Löschbleche 41a bis 411 zu erkennen sind . Dadurch, dass ein Lichtbogen beim Öffnen des Schalters in die radial außenliegenden Bereiche 38a der Spiralarme bewegt wird, gelangt dieser Lichtbogen hier auch in den Einflussbereich der Löschbleche, welche axial übereinander und seitlich (also radial ) neben den Kontaktelernenten angeordnet sind . Diese Löschbleche können sich durch Kühlung des Schaltlicht- bogens und/oder durch dessen Aufspaltung in einzelne Teillichtbögen günstig auf die Strombegrenzungseigenschaffen auswirken, indem sie die LichtbogenSpannung erhöhen . In Kombination mit der beschriebenen hohen Öffnungsgeschwindigkeit des Schalters und der eng begrenzten Breite der Umlaufbahn kann dies besonders vorteilhaft dazu beitragen, dass eine beson¬ ders hohe LichtbogenSpannung erreicht wird . Die Breite der einzelnen Spiralarme ist aus der Figur nicht ablesbar . In einem realen Ausführungsbeispiel können die Spiralarme noch we- sentlich dünner sein als hier dargestellt, so dass in einem gegebenen Querschnitt nur ein dünner Abschnitt der j eweiligen Spiralarme enthalten ist .
Figur 10 zeigt eine vergleichende Ansicht von gemessenen Wer- ten 55 und berechneten Werten 57 der LichtbogenSpannung in Volt 51 für einen Vakuumschalter nach dem Stand der Technik als Funktion der Zeit in Sekunden 53. Gezeigt ist der zeitli¬ che Verlauf der Spannungswerte über einen Zeitraum von 12,5 ms , was insgesamt nur etwas mehr als der ersten Halbwelle (also nur knapp über 10 ms ) eines SpannungsVerlaufs bei 50 Hz Wechselstrom entspricht . Die mit 55 bezeichnete Kurve ent¬ spricht dabei dem nach Öffnen des Schalters (beim Zeitpunkt von etwa 1 , 5 ms ) tatsächlich gemessenen Verlauf . Bei diesem Schalter handelt es sich um einen Spiralkontaktschalter nach dem Stand der Technik mit breiten Spiralarmen, ähnlich wie in den Figuren 6 und 7. Die tatsächliche Stromamplitude im
Stromscheitel bei dieser Messung beträgt 7 , 9 kA entsprechend einem Effektivwert von 7 , 9 kA/wurzel (2) . Als höchste gemesse¬ ne LichtbogenSpannung ergibt sich hier ein Wert von etwa 50
V .
Zum Vergleich mit den Messwerten der Kurve 55 dient die
57 , welche berechnete Werte für die Lichtbogenspannung U gemäß der folgenden Formel zeigt :
Figure imgf000029_0001
Darin sind Ci und C2 Materialkoeffizienten für das Material der Laufbahnen und xarc bezeichnet die lokale Wechselwirkungs- zeit des Lichtbogens mit der Laufbahnoberfläche, das heißt die Zeit, die der Lichtbogen benötigt, um bei der Momentange- schwindigkeit varc einen Weg entsprechend seiner Ausdehnung in Laufrichtung zurückzulegen . Seine Abhängigkeit von varc ergibt sich als :
Figure imgf000030_0001
wobei r für den Lichtbogenradius steht und C3 ein Koeffizient ist . Ferner bezeichnet in der oben stehenden Gleichung j die Stromdichte im Lichtbogen, h die Lichtbogenlänge und UCf die Kathodenfall Spannung, die typischerweise etwa 15V beträgt . Figur 10 zeigt, dass die mit dieser Formel berechneten Werte mit den experimentell gemessenen Werten für diesen Fall mit einem vergleichsweise geringen Strom relativ gut übereinstimmen .
Figur 11 zeigt eine analoge Darstellung mit gemessenen 55 und berechneten 57 Werten der LichtbogenSpannung für den gleichen Vakuumschalter wie in Figur 10 , allerdings bei einer anderen Strombelastung . Im Unterschied zu den Werten der Figur 10 liegt hier die Stromamplitude im Stromscheitel bei 28 kA, entsprechend einem Effektivwert von 28 kA/wurzel (2) . Aufgrund des hohen Beitrags des zweiten Summanden in der allgemeinen
Formel für die LichtbogenSpannung steigt die Spannung mit der höheren Stromdichte und die Kurven sind beide gegenüber den entsprechenden Kurven der Figur 10 erhöht . Die gemessene Kurve 55 ist hier sogar noch deutlich stärker erhöht als die theoretisch berechnete Kurve 57 , da hier zusätzlich der Ein- fluss der Löschbleche wirksam wird, die bei dem untersuchten Schalter ähnlich wie in Figur 9 gezeigt vorhanden waren . Diese Löschbleche zeigen erst bei vergleichsweise hohen Strömen ihre Wirkung . Dies liegt vor allem daran, dass relativ hohe magnetisch erzeugte Kräfte nötig sind, um den Lichtbogen in den radial weit außen liegenden Bereich zu treiben, indem die Löschbleche hauptsächlich wirksam sind . Figur 12 zeigt schließlich die gemessene Lichtbogenspannung in Volt (V) 51 als Funktion der Zeit in Millisekunden 53 für einen Vakuumschalter nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung . Die maximale Stromamplitude beträgt hier 28 kA. Im Unterschied zu dem Vakuumschalter nach dem Stand der Technik mit breiten Spiralarmen, dessen Kurven in den Figuren 10 und 11 gezeigt sind, liegen hier wesentlich schmalere Spiralarme 38 im radial außen liegenden Bereich vor - im konkreten Bei - spiel mit einer Breite b von 3 mm. Zusätzlich zu dieser ver- ringerten Breite wurde der Antrieb durch einen wesentlich schnelleren Antrieb ersetzt, der eine Öffnungsgeschwindigkeit oberhalb von 4 m/s bewirken kann . Diese hohe Öffnungsge¬ schwindigkeit ist in Figur 12 durch die Kurve 59 wiedergege¬ ben, welche entsprechend den Werten auf der rechten Achse 54 den Kontaktabstand in mm darstellt . Wie aus der Steigung der Kurve 59 ablesbar ist, wird der Kontakthub von 12 mm mit ei¬ ner Geschwindigkeit von 4 m/s oder sogar etwas schneller (al¬ so in etwa 3 ms oder weniger) erreicht . Durch die verringerte Breite der Laufbahn und die erhöhten
Öffnungsgeschwindigkeit wird bei dem in Figur 12 untersuchten Schalter erreicht, das die gemessene LichtbogenSpannung 55 mit etwa 450 V deutlich über der in Figur 11 gezeigten Kurve liegt . Auch die Messungen der Figur 12 wurden bei einer maxi- malen Stromamplitude von 28 kA erzeugt und sind somit den Werten der Figur 11 vergleichbar .
Der Einfluss der beiden verbesserten Merkma1e kann anhand der allgemeinen Formel für die LichtbogenSpannung anschaulich ge- macht werden : So bewirkt die erhöhte Öffnungsgeschwindigkeit einen schnellen zeitlichen Anstieg des zweiten Summanden, da die Lichtbogenlänge h schnell ansteigt . Zusätzlich bewirkt die verkleinerte Breite der Laufbahn eine Erhöhung der Stromdichte j, welche ebenfalls über den zeitlich immer stärker zur Spannung beitragenden zweiten Summanden einen schnellen und starken Anstieg in der LichtbogenSpannung bewirkt . So können diese beiden Merkmale zusammenwirken, um besonders hohe LichtbogenSpannungen zu erreichen und im Vergleich zum Stand der Technik einen Vakuumschalter mit wesentlich verbesserter Strombegrenzungswirkung zur Verfügung zu stellen .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Strombegrenzung mit wenigstens einem Vakuumschalter (3) , umfassend
- eine Vakuumkammer (5) ,
- zwei darin angeordnete Kontaktelernente (13a, 13b) mit einan¬ der zugewandten Laufflächen (20) für einen Lichtbogen (31) und
- einen Antrieb (25), mit dem ein Kontakt zwischen den beiden Kontaktelernenten (13a, 13b) geöffnet und geschlossen werden kann,
- wobei die Kontaktelernente (13a, 13b) jeweils derart geformt sind, dass bei einem Stromfluss (19) über einen zwischen den geöffneten Kontaktelernenten (13a, 13b) ausgebildeten Lichtbo- gen (31) ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Laufflächen (20) j eweils wenigstens einen Teilbereich aufweisen, welcher als Teilstück einer ringförmigen Laufbahn (18) geformt ist und eine Breite (b) von höchstens 5 mm auf- weist .
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , bei welcher der Antrieb (25) für eine Öffnungsgeschwindigkeit von wenigstens 4 m/s ausgelegt ist .
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2 , bei welcher der Vakuumschalter (3) einen Kontakthub ( 33 ) von wenigstens 4 mm aufweist .
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zur Strombegrenzung in einem Mittelspannungsnetz , insbesondere einem Stromnetz mit einer Nennspannung zwischen 3 kV und 52 kV ausgelegt ist .
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zur Strombegrenzung auf einen tatsächlichen Kurzschlussstrom im Bereich zwischen 10 kA und 64 kA ausgelegt ist .
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Vakuumschalter (3) zusätzlich mehrere innerhalb der Vakuumkammer angeordnete Löschbleche aufweist .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Kontaktelernente j eweils als Spiralkontakte ausge¬ bildet sind .
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 , bei welcher sich die Spiralkontakte jeweils zu ihrer Lauffläche hin im Querschnitt ver- j üngen .
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Kontaktelernente (13a, 13b) jeweils als Topfkontakte mit einer ringförmig geschlossenen Lauffläche (20) ausgebildet sind .
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, bei welcher die Topfkon- takte (13) j eweils eine Topfwand ( 34 ) mit einer sich zur
Lauffläche (20) hin verj üngender Wandstärke aufweisen .
11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10 , bei welcher die Topfkontakte (13) j eweils zumindest teilweise in ihrem Innenraum mit einer metallischen und/oder keramischen Füllung ( 35 ) versehen sind .
12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , bei welcher das Verhältnis V = Di/Hi zwischen einem Topfinnen- durchmesser (Di) und einer Topftiefe (Hi ) bei wenigstens 2 , 5 liegt .
13. Verfahren zur Begrenzung eines Fehlerstroms in einem Stromnetz auf höchstens einen vorgegebenen Maximalwert mit- tels einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- das Vorliegen eines Fehlerfalls im Stromnetz detektiert wird, - beim Vorliegen eines Fehlerfalls mittels des Antriebs (25) des Vakuumschalters (3) eine Öffnung des Kontakts zwischen den beiden Kontaktelernenten (13, 13b) herbeigeführt wird,
- zwischen den geöffneten Kontaktelernenten (13a, 13b) ein Lichtbogen (31) ausgebildet wird,
- durch den Stromfluss (19) zwischen den geöffneten Kontaktelementen (13a, 13b) über den Lichtbogen (31) ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen (31) ausgebildet wird,
- durch dieses Magnetfeld eine Bewegung des Lichtbogens (31) auf einer ringförmig geschlossenen Bahn (18) über beiden Kontaktelementen (13a, 13b) bewirkt wird .
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei der der Lichtbogen (31) auf der ringförmig geschlossenen Bahn (18) mit einer durch- schnittliehen Geschwindigkeit von wenigstens 100 m/s bewegt wird .
15. Vakuumschalter (3) für eine Strombegrenzungs orrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 , umfassend
- eine Vakuumkammer (5) ,
- zwei darin angeordnete Kontaktelernente (13a, 13b) mit einan¬ der zugewandten Laufflächen (20) und
- einen Antrieb (25) , mit dem ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden Kontaktelernenten (13a, 13b) geöffnet und ge- schlössen werden kann,
- wobei die Kontaktelernente (13a, 13b) j eweils derart geformt sind, dass bei einem Stromfluss (19) über einen zwischen den geöffneten Kontaktelernenten (13a, 13b) ausgebildeten Lichtbogen (31) ein Magnetfeld quer zum Lichtbogen ( 31 ) ausgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet , dass
- die Laufflächen (20) jeweils wenigstens einen Teilbereich aufweisen, welcher als Teilstück eines Rings geformt ist und eine Breite (b) von höchstens 5 mm aufweist .
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