Schalter zur Strombegrenzung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalter zur Strom¬ begrenzung, mit Stromanschlüssen und Kontakten, von denen der eine ein Festkontakt und der andere ein Bewegkontakt ist, und mit einem zugehörigen Antrieb zum Öffnen des Bewegkontaktes bei Überschreiten einer vorgegebenen elektrischen Strom- stärke.

In Energieverteilungsnetzen soll im Kurzschlußfall der flie¬ ßende Strom möglichst gut begrenzt werden, um Schäden an Lei¬ tungen und Verbrauchern zu verhindern, die sonst nur durch massive Überdimensionierung auszuschließen sind. Konven¬ tionelle mechanische Niederspannungsschalter beziehen die für das Ausschalten erforderliche mechanische Energie aus einem Federspeicher. Gegebenenfalls kann eine zusätzliche Unter¬ stützung durch das Eigenmagnetfeld des Kurzschlußstromes er- folgen. Die Öffnungsgeschwindigkeit bei solchen Schaltern wird begrenzt durch den komplexen mechanischen Aufbau einer¬ seits und der begrenzten Federenergie andererseits. Dadurch ist die strombegrenzende Wirkung derartiger Schalter limi¬ tiert.

Aus der WO-A-91/12643 und der EP-A-0 487 920 sind strombe¬ grenzende Anordnungen als Vorschaltgeräte für Schalter be¬ kannt, die speziell den sog. Kaltleiter- oder PTC-Effekt (positive temperature coefficient) ausnutzen. Dabei werden Hochstromwiderstände verwendet, die im wesentlichen aus einer mit Ruß gefüllten Polyethylenschicht bestehen, welche den PTC-Effekt aufweist. Zur Gewährleistung des PTC-Effektes soll bei einem solchen als Schutzelement verwendbaren Hochstrom- widerstand der Polymer-Widerstandskörper mit seinen Grundflä- chen mit einer Elektrode verbunden sein, wobei eine Druckein¬ richtung vorhanden ist, die einen Druck senkrecht auf die

Elektroden und die Grundflächen des Widerstandskörpers der leitfähigen Polymerschicht ausübt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Schalter zur Strombegrenzung anzugeben, der nach anderem physikalischen Prinzip arbeitet.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Schalter der ein¬ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Antrieb zum Öff- nen des Bewegkontaktes ein thermodynamischer Antrieb ist. Mit einem solchen Antrieb ist es möglich, auf thermischem Wege ausreichende Schaltenergien aufzubringen.

Bei der Erfindung sind die Kontakte in einem abgeschlossenen Isolierstoffgehäuse angeordnet und zwischen den Kontakten ein scheibenförmiger Widerstandskörper angeordnet. Vorzugsweise ist zwischen Widerstandskörper und Bewegkontakt im Isolier¬ stoffgehäuse ein Expansionsvolumen vorhanden. Der Wider- standskörper kann dabei aus graphithaltigem Kunststoff, bei- spielsweise auf der Basis von Polyethylen, bestehen, oder durch eine Vielzahl von Kohlenstoffasern gebildet sein, die in eine folien- oder filzartige Konsistenz gebracht sind.

In Abweichung zum Stand der Technik wird also bei der Erfin- düng die zur Kontakttrennung erforderliche mechanische

Schaltenergie elektrothermisch aufgebracht. Hierzu heizt die im Kurzschlußfall auftretende stromstarke Entladung zunächst ein eingeschlossenes Gasvolumen auf. Die entstehende Druck¬ welle beaufschlagt einen beweglichen Kolben und verrichtet an ihm die mechanische Kontaktöffnungsarbeit.

Vorteilhafterweise wird bei der Erfindung durch die Verwen¬ dung eines großflächigen Widerstandskörpers mit gegenüber einem Metall wesentlich höherem elektrischen Widerstand durch die flächige Verbreitung des Stromflusse ^' s einerseits eine lokalisierte AufSchmelzung der Elektroden verhindert. Ande-

rerseits wird damit eine gleichmäßige Aufheizung des Gasrau¬ mes begünstigt.

Der erfindungsgemäße Schalter wird in Energieverteilungs- netzen im Niederspannungsbereich eingesetzt. Dabei müssen im Störfall, insbesondere bei Kurzschlüssen, Teile des Netzes an übergeordneten Abzweigen weggeschaltet werden. Um Schäden am Ort der Störung als auch im Bereich des Netzes zu begrenzen bzw. zu vermeiden, soll die Abschaltung so schnell wie mög- lieh, insbesondere noch innerhalb der ersten betroffenen Halbwelle, erfolgen. Häufig wird auch eine Begrenzung des Kurzschlußstromes gefordert, wenn die Abschaltung nicht schnell genug erkannt bzw. durch geeignete Maßnahmen vorge¬ nommen werden kann. Die Begrenzung des Kurzschlußstromes wird weiterhin zu einer Begrenzung der Amplituden der bei der Ab¬ schaltung erzeugten Spannungsspitzen aufgrund des induktiven Lastanteiles im Netz und beim Verbraucher und verringert somit die Gefahr weiterer Schäden aufgrund von Isolations¬ fehlern, die durch solche Überspannungen hervorgerufen werden können. Insbesondere bei Gebäudeinstallationen, aber auch in anderen Fällen, steigen dabei die Anforderungen an die erfor¬ derlichen Komponenten, die daher eine hohe Selektivität auf¬ weisen müssen.

Damit wird der Stand der Technik wesentlich verbessert. Diesem Stand der Technik entsprechen insbesondere solche Methoden, im Kurzschlußfall in Niederspannungsnetzen eine Strombegrenzung oder Stromunterbrechung herbeizuführen. Das für diesen Zweck verbreiteste Mittel ist der Leistungεschal- ter, der als NullpunktSchalter jedoch immer mindestens eine Halbwelle lang den Strom führt und daher allein nicht zur Strombegrenzung und Schnellabschaltung geeignet ist. Aufgrund der in Leistungsschaltern bewegten, relativ hohen Massen ist ein schnelles Abschalten nicht mit vertretbarem Aufwand zu erreichen. Schnellschalter für hohe Ströme erfordern sehr hohe Beschleunigungskräfte, um die bewegten Massen der

Elektrodensysteme in kurzen Zeiten im Millisekundenbereich auf Abstände von mehreren Millimetern zu bringen. Dies ist mit herkömmlichen Federkraftspeichern im allgemeinen nicht möglich, so daß entsprechend leistungsfähige Antriebsmecha- nismen notwendig werden.

Technische Lösungen für letzteren Zweck waren bisher bei¬ spielsweise der pyrotechnische Antrieb mit chemischen Antriebsmitteln, die elektrisch gezündet werden, sowie der sogenannte Thomson-Antrieb. Aufgrund systemimmanenter Nach¬ teile haben jedoch beide Methoden keine weite Verbreitung gefunden.

Derartige Nachteile werden beim Strombegrenzer gemäß der Erfindung bereits beseitigt. Allerdings ist hier als rein passives Bauelement der Arbeitsbereich eingeschränkt, so daß zur Anpassung an den jeweiligen Einsatzbereich eine entspre¬ chend große Typenvielfalt gefordert ist. Eine aktive, mit einer Kurzschlußfrüherkennung gekoppelte Sehne11abSchaltung ist aufgrund des passiven Charakters der Funktionsweise nicht möglich.

Mit weiterer Erfindung kann durch eine entsprechende Ausle¬ gung des Schalters auch ein bistabiler Limiter geschaffen werden. Ein solcher erfindungsgemäßer Schalter ist im ge¬ schlossenen Zustand verriegelbar und durch einen geeigneten KraftSpeicher auf eine Ansprechschwelle, welche oberhalb dem im Hochlastbereich maximal zu erwartenden Strom liegt, ein¬ stellbar. Im verriegelten Zustand ist der Durchgangswider- stand so gering, daß die Nennstromverluste vernachlässigbar sind. Dadurch liegt die Eigenansprechschwelle des Limiters in der Größenordnung des prospektiven Kurzschlußstromes. Im entriegelten Zustand steigen die Übergangswiderstände und damit der Energieumsatz im Bereich der Schaltkontakte. Glei- chermaßen sinkt dabei die Eigenansprechschwelle auf einen Wert im Nennstrombereich.

Vorteilhafterweise kann die Entriegelung durch eine elektro¬ nische Kurzschlußfrüherkennung ausgelöst werden. Dieses Ver¬ halten wird vorteilhaft dadurch unterstützt, daß ein zweiter Kraftspeicher verwendet wird, der im verriegelten Zustand ge¬ spannt ist und so konstruiert sein kann, daß er im entriegel¬ ten Zustand zur mechanischen Öffnung der Bewegelektrode des Begrenzers führt. Beim mechanischen Schließen und Verriegeln des Begrenzers wird dieser zweite Kraftspeicher automatisch gespannt.

Bei entsprechender Auslegung der Betriebsparameter ist der erfindungsgemäße Strombegrenzer sogar in der Lage, den Strom nicht nur zu begrenzen, sondern vollständig zu unterbrechen, d.h. also als öffnender Schalter zu arbeiten. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn eine zweite Verriegelungs¬ einheit vorgesehen wird, die den als Schnellschalter arbei¬ tenden Limiter im geöffneten Zustand verriegelt. Der Limiter wird dadurch daran gehindert, nach erfolgreicher Stromunter¬ brechung selbsttätig wieder in den geschlossenen Zustand überzugehen. Somit ist ein echtes bistabiles Verhalten er¬ reicht.

Beim erfindungsgemäßen Schalter kann durch eine passive Schaltung mit RLC-Gliedern erreicht werden, daß im Falle der Abscheidung des Stromes während der Stromhalbwelle keine schädlichen Überspannungsspitzen erzeugt werden. Dazu können auch spannungsbegrenzende Elemente, wie Zenerdiode, Varistor, Überspannungsabieiter od. dgl. , vorhanden sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs- beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weite¬ ren Unteransprüchen.

Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung

Figur 1 einen elektrothermischen Schalter für Niederspan¬ nungsanwendungen, Figuren 2 bis 4 drei alternative Weiterbildungen eines sol¬ chen Schalters zur Auslegung bistabiler Limiter und

Figur 5 ein Strom-Zeitdiagramm zur Verdeutlichung des vor¬ teilhaften Schaltverhaltens.

In den Figuren sind gleiche bzw. gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der Figur ist ein Isolierstoffgehäuse mit 1 bezeichnet, das beispielsweise einen rotationssymmetrischen Hohlzylinder um eine Achse I bildet. Das hohlzylindrische Isolierstoffgehäuse 1 ist durch einen Flansch 6 abgeschlossen.

In das Isolierstoffgehäuse 1 ist rotationssymmetrisch zur Achse I ein Festkontakt 2 eingepaßt, der einen Stromanschluß 2a in Achsrichtung aufweist. Im Abstand dazu ist ein Beweg¬ kontakt 3, dessen Stromanschluß 3a ebenfalls in Achsrichtung I verläuft, längsbeweglich in das Isolierstoffgehäuse 1 ein¬ gepaßt. Zwischen dem Festkontakt 2 und dem Bewegkontakt 3 ist ein scheibenförmiger Widerstandskörper 4 derart angeord- net, daß er ohne Zwischenraum auf der Oberfläche des Festkon¬ taktes 2 anliegt. Die Außenkontur des Widerstandskörpers 4 ist dazu exakt in das Isolierstoffgehäuse 1 eingepaßt.

Zwischen der dem Festkontakt 2 abgewandten Oberfläche des Widerstandskörpers 4 und dem Bewegkontakt 3 befindet sich eine Trennfläche 8, welche einen variablen Zwischenraum kenn¬ zeichnet. Zusätzlich ist in die Wand des Isolierstoffgehäuses 1 umlaufend ein Expansionεvolumen 9 vorhanden.

Der Bewegkontakt 3 wird mit seinem Stromanschluß 3a durch einen Federbalg 5 auf die Trennfläche 8 des Widerstandskör-

pers 4 aufgedrückt. Der Federkörper 5 definiert dabei eine mechanische Vorspannung, bei deren Überwinden der Beweg¬ kontakt 3 in horizontaler Richtung verschoben wird. Die Ver¬ schiebung kann dabei durch einen im Isolierstoffgehäuse 1 um- laufenden Ring 10 begrenzt werden, wobei sich durch entspre¬ chende Dimensionierung eines ringförmigen Ansatzteils 3b am Bewegkontakt 3 einerseits und des umlaufenden Ringes 10 ande¬ rerseits eine geeignete Hubstrecke d vorgeben läßt.

Der Stromanschluß 3a weist in der Figur an seinem äußeren

Ende eine Kerbe 7a auf, die in eine zugehörige Klinke 7b ein¬ greifen kann. Damit sind Mittel zur Arretierung des Bewegkon¬ taktes im geöffneten Zustand realisiert.

Der beschriebene Schalter kann in übliche Energievertei¬ lungsnetze eingeschaltet werden. Dabei fließt der Strom über den Stromanschluß 2a, den Festkontakt 2, den Widerstandskör- per 4 auf den Bewegkontakt 3 und von dort über den Stroman¬ schluß 3a weiter ins Netz. Im Kurzschlußfall heizt die strom- starke Entladung über den Festkontakt 2 und den daran anlie¬ genden scheibenförmigen Widerstandskörper zunächst flächen- haft das eingeschlossene Gasvolumen auf. Die somit entste¬ hende Druckwelle verschiebt den Bewegkontakt 3 bis zum An¬ schlag, wobei über die Klinke 7a und Kerbe 7b eine Verriege- lung im geöffneten Zustand erfolgt.

Die Ansprechschwelle des in Figur 1 dargestellten monostabi¬ len Schalters wird also durch die Andruckkraft der Feder 5 festgelegt. Damit ist der Schalter εelbstauslösend, aber nicht steuerbar.

In Figur 2 ist dagegen die Kontaktandruckfeder 5 befestigt an einem axial beweglichen Teil 6b des Gehäuεedeckelε 6 mit den Teilen 6a und 6b. Das als Federwiderlager wirkende Teil 6b wird in der Stellung a über einen Verriegelungsmechanismuε 11a und 11b verriegelt, so daß die Feder 5 vorgespannt iεt

und die für den geschlossenen Zustand notwendige Andruckkraft der Bewegelektrode 3 auf den Widerstandskörper erzeugt. Gleichzeitig ist eine zur Beschleunigung des Öffnungsvorgan¬ ges vorgesehene Feder 12 vorgespannt. Bei Entriegelung der Verklinkung 11 durch einen Aktor 13 wird das Federwiderlager 6b von den Federn 5 und 12 in axialer Richtung vom Gehäuse 1 weg beschleunigt, so daß innerhalb sehr kurzer Zeit die An¬ druckkraft zwischen Bewegelektrode 3 und Widerstandskörper 4 auf sehr niedrige Werte abfällt. Dadurch erhöht sich der Übergangswiderstand sehr stark und die Ansprechεchwelle des elektrothermischen Antriebes fällt auf einen Wert innerhalb des Nennstrombereiches des Schalters.

Bei Ausbildung gemäß Figur 2 löst der elektrothermische An- trieb aus und der Schalter begrenzt und unterbricht bzw. öff¬ net den Strom innerhalb sehr kurzer Zeit, d.h. weit unterhalb des prospektiven Kurzschlußstromes. In vollständig geöffnetem Zustand verriegelt der Mechanismus 3a sowie 7a und 7b die Bewegelektrode 3 und verhindert dadurch ein ungewolltes neues Schließen des Schalters. Der Aktor 13 wird dabei beispiels¬ weise durch eine elektronische Kurzschlußerkennung ange¬ steuert und ausgelöst.

In einer anderen Ausführungsform gemäß Figur 3 greift die Öffnunsfeder 12 ^" direkt an der Bewegelektrode 3 an und unter¬ stützt somit die Öffnung durch direkte mechanische Beschleu¬ nigung. Dadurch wird eine weitere Beschleunigung des Öff¬ nungsvorganges und eine stärkere Begrenzung des Stromes er¬ reicht. Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn die Öff- nungsfeder 12 nicht an der Elektrode 3, sondern am Führungs- element 3b oder an der mechanisch mit der Bewegelektrode 3 gekoppelten Stromzuführung 3a ansetzt. Speziell in Figur 3 ist der Kraftεpeicher 5 durch einen piezoelektrischen Aktor 14 ersetzt, welcher gleichzeitig mit dem Entriegelungsaktor 13 angesteuert wird. Der Aktor 14 verringert bei Ansteuerung seine Länge, so daß die Kontaktandruckkraft bereits verrin-

gert wird, bevor die Bewegelektrode 3 vom Öffnungskraftspei¬ cher bewegt wird.

In der Ausführungsform gemäß Figur 4 ist der piezoelektriεche Aktor 14 parallel zur Öffnungsfeder 12 angeordnet und verlän¬ gert sich bei Ansteuerung. Dadurch wird die Kontaktandruck¬ kraft der Andruckfeder 5 kurzzeitig überkompensiert und die Federwirkung in der Anfangsphaεe des Öffnungsvorgangeε unter¬ stützt.

Aus der Diagrammdarstellung gemäß Figur 5 ergibt sich das Öffnungsverhalten des neuen Schalters. Die Kurve 51 be¬ schreibt den zeitlichen Verlauf des prospektiven Kurzschlu߬ stromes. Die Kurve 52 beschreibt den Strom durch das unge- steuerte Begrenzungselement herkömmlicher Bauweise, wobei der Wert A den fest eingestellten Ansprechschwellwert angibt. Die Kurve 53 beschreibt den Strom durch den neuen bistabilen Li¬ miter bzw. Schnellεchalter, wobei die Ansprechschwelle B des verriegelten Limiters bei oder sogar über dem prospektiven Kurzschlußstrommaximum liegt. Die Ansprechschwelle C des ent¬ riegelten Limiters liegt innerhalb des Nennεtrombereiches I _nenn , so daß ein sehr frühes Auslösen bei ungefährlichen Stromwerten erfolgen kann. Die Auslösung erfolgt durch aktive Entriegelung über die Kurzschlußfrüherkennungselektronik und den Entriegelungsaktor 13.

Die Kurzεchlußfrüherkennungselektronik erkennt Kurzschlüsse bereits innerhalb weniger Mikrosekunden nach Strom-Null. Durch die geringen bewegten Massen im Aktor 13 und im Verrie- gelungsmechanismus 11a und 11b wird eine sehr frühzeitige

Strombegrenzung und Öffnung im Schalter erreicht, so daß die tatsächlich auftretenden Ströme auf unschädliche Werte inner¬ halb des Nennstrombereiches begrenzt werden. Die Selektivität wird dabei durch die Schwellwerteinstellung der Kurzεchluß- früherkennung erreicht und ist deshalb für ein einzelnes elektromechanisches Schaltelement des Types "BISTABILER

LIMITER" in weiten Grenzen einstellbar.

Bei den Figuren 2 bis 4 kann der zur Entriegelung verwendete Aktor 13 als elektromechanischer oder elektromagnetiεcher Aktor ausgeführt sein. Er kann aber auch zur Beschleunigung des Entriegelungsvorganges aufgrund verringerter beschleunig¬ ter Massen als piezoelektrisches oder piezostriktives Element ausgeführt sein. Weiterhin kann ein Aktor mit einem magneto- striktiven Element als aktiver Komponente verwendet werden.

Es hat sich gezeigt, daß die beschriebenen, als Strombe¬ grenzer arbeitenden, bistabilen Limiter mit einer elektroni¬ schen Kurzschlußfrüherkennung kombiniert werden können. Glei¬ chermaßen kann in dieser Kombination der Limiter als strombe- grenzender Schnellschalter arbeiten. Die geeigneten Schaltun¬ gen für die Kurzschlußfrüherkennung sind vom Stand der Tech¬ nik bekannt.

Der Widerstandskörper 4 kann aus leitfähigem Kunststoff be- stehen, beispielsweise das bekannte elektrisch leitfähig ge¬ machte Polyethylen. Zur Füllung kommen beispielsweise Graphit in Frage. Der Widerstandskörper 4 kann auch durch Graphit¬ fasern gebildet sein, die durch eine entsprechende Bearbei¬ tung in eine folien oder filzartige Konsistenz gebracht wurden.

In Abweichung dazu kann auch ein definiert leitender, nicht- organischer Werkstoff anstelle des bisher verwendeten leit¬ fähig gemachten organischen Werkstoffes, wie Ruß gefülltes Polyethylen, verwendet werden. Als Widerstandskörper kommen aber auch hochdotierte Halbleitermaterialien, wie insbeson¬ dere polykristallines Siliciumcarbid, in Frage.

In weiteren Ausführungsformen kann die Raumform von der Rota- tionssymmetrie abweichen und beispielsweise rechteckig mit flächenhaften Widerstandskörpern vorhanden sein. Es können

auch mehrere Widerstandskörper hintereinandergeschaltet sein. Weiterhin können auch entsprechende Mittel zur Belüftung des Gehäuseinneren vom Isolierstoffgehäuse 1 vorgesehen sein.