DE102010061766A1

DE102010061766A1 - Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen

Info

Publication number: DE102010061766A1
Application number: DE102010061766A
Authority: DE
Inventors: Markus Gross
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2012-01-19
Also published as: CN102568959A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, zum Unterbrechen eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms, mit Kontaktelementen, die zum Öffnen des Schalters mechanisch voneinander getrennt werden, mit einem Stromsensor, der den Strom erfasst, mit einer elektronischen Auslöseeinheit, die den erfassten Strom mit einem Grenzwert vergleicht und ein Öffnen des Schalters bei Überschreitung des Grenzwerts auslöst, und mit einer die Auslöseeinheit mit einem Betriebsstrom versorgenden Stromversorgung, die einen Stromwandler aufweist, der eine Wicklung mit einem Eisenkern umfasst, die über Anschlussleitungen mit der Auslöseeinheit verbunden und im Magnetfeld des Leiters angeordnet ist. Um einen Stromwandler zur Verfügung zu stellen, dessen Sekundärstrom auch bei sehr großen Primärströmen begrenzt ist, wird vorgeschlagen, dass die Wicklung und/oder deren Anschlussleitungen zumindest teilweise aus diamagnetischem Material gebildet ist bzw. sind, wobei das diamagnetische Material so gewählt und so im Magnetfeld des Leiters angeordnet ist, dass bei Fließen eines entsprechend großen Kurzschlussstroms der sich vergrößernde elektrische Widerstand des diamagnetischen Materials jeweils den Betriebsstrom begrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere einen Leistungsschalter für Niederspannungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Leistungsschalter für Niederspannungen sind bekannt und dienen zum Unterbrechen eines elektrischen Stroms, der durch einen Leiter fließt, wobei aneinander liegende Kontaktstücke voneinander getrennt werden, von denen ein Kontaktstück beweglich und das andere Kontaktstück fest angeordnet ist. Für eine selbsttätige Auslösung wird der Strom mit Hilfe eines Stromsensors erfasst und von einer elektronischen Auslöseeinheit bewertet. Die Auslöseeinheit vergleicht den erfassten Strom mit einem vorgegebenen Grenzwert und löst das Öffnen des Schalters bei Überschreitung dieses Grenzwerts aus.
Die Auslöseeinheit ist mit einer Stromversorgung verbunden, welche den Betriebsstrom für die Auslöseeinheit aus dem Leiter auskoppelt. Dazu dient ein Stromwandler, dessen „Primärwicklung” von dem Leiter gebildet wird und dessen Sekundärwicklung eine im Magnetfeld des Leiters angeordnete Wicklung mit einem Eisenkern ist. Über entsprechende Anschlussleitungen ist die Wicklung mit der Auslöseeinheit verbunden. Ein solcher Eisenkern-Wandler liefert vor dem Eintritt der magnetischen Sättigung des Eisenkerns einen zum Strom (Primärstrom), der durch den Leiter fließt, proportionalen Sekundärstrom, der wiederum den Betriebsstrom für die Auslöseeinheit liefert, d. h. die Auslöseeinheit mit elektrischer Energie versorgt. Dabei sollte der Sekundärstrom möglichst konstant sein; zumindest aber muss er bei großen Primärströmen, wie sie im Kurzschlussfall auftreten, begrenzt werden.
Aus der US 5726846 ist es bekannt, zum Begrenzen des Sekundärstroms einen Bypass vorzusehen, der parallel zum magnetischen Hauptkreis geschaltet ist und einen Luftspalt mit konstanter Breite aufweist, wobei der Luftspalt auch mit einem nichtmagnetischen Material ausgefüllt sein kann. Der Bypass leitet bei großen Primärströmen einen Teil des magnetischen Flusses über den Bypass an der sekundären Wicklung vorbei. Auf diese Weise wird der Anstieg des Sekundärstroms bei großen Primärströmen begrenzt.
Von Nachteil ist dabei, dass bei Verwendung eines Bypasses und sehr großen Primärströmen immer noch ein relativ großer Anstieg des Sekundärstroms auftritt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromwandler zur Verfügung zu stellen, dessen Sekundärstrom auch bei sehr großen Primärströmen begrenzt ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Lösung sieht vor, dass die Wicklung und/oder deren Anschlussleitungen zumindest teilweise aus diamagnetischem Material gebildet ist bzw. sind, wobei das diamagnetische Material so gewählt und so im Magnetfeld des Leiters angeordnet ist, dass bei Fließen eines Kurzschlussstroms der sich vergrößernde elektrische Widerstand des diamagnetischen Materials den Sekundärstrom (und damit den Betriebsstrom) begrenzt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der ohmsche Widerstand der Sekundärwicklung also nicht konstant, sondern abhängig vom magnetischen Fluss im Eisenkern und damit von der Größe des Primärstroms. Dies gilt auch für die Anschlussleitungen, soweit diese sich im Magnetfeld des Leiters befinden.
Der Kern der Erfindung besteht also darin, für die Wicklung der Sekundärspule anstelle eines Kupferdrahtes einen diamagnetischen Werkstoff zumindest mitzuverwenden, der bei Einwirkung des Magnetfelds seinen ohmschen Widerstand entsprechend ändert.
Im Kurzschlussfall werden dieser Strom und damit der Betriebsstrom maßgeblich durch den Innenwiderstand der Sekundärwicklung des Stromwandlers bestimmt. Vergrößert die Sekundärwicklung auf Grund der stark ansteigenden magnetischen Flussdichte ihren ohmschen Widerstand, so wird der maximal fließende Sekundärstrom und damit der Betriebsstrom in gleichem Maße begrenzt. Nimmt die magnetische Flussdichte wieder ab, so verringert sich auch der ohmsche Widerstand wieder und der Sekundärstrom nimmt wieder zu.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels für einen Leistungsschalter für Niederspannungen, kurz einen Schalter, näher beschrieben. Der Schalter dient zum Unterbrechen eines elektrischen Stroms, der durch einen Leiter fließt, welcher durch den Schalter geführt ist. Der Schalter ist durch aneinander anliegende Kontaktstücke geschlossen, die zum Öffnen des Schalters voneinander getrennt werden. Ein Kontaktstück ist beweglich und das andere Kontaktstück fest angeordnet, wobei das bewegliche Kontaktstück am freien Ende eines Kontaktarms angeordnet ist.
Der Strom wird mit Hilfe eines Stromsensors erfasst und von einer elektronischen Auslöseeinheit bewertet. Die Auslöseeinheit vergleicht den Strom mit einem vorgegebenen Grenzwert und löst das Öffnen des Schalters bei Überschreitung dieses Grenzwerts aus.
Die Stromversorgung der Auslöseeinheit erfolgt mittels eines Stromwandlers, welcher einen Sekundärstrom aus dem Leiter auskoppelt. Dabei fungiert der Leiter als Primärseite oder „Primärwicklung” des Stromwandlers und eine Wicklung mit einem Eisenkern bildet dessen Sekundärwicklung bzw. dessen Sekundärseite. Die Wicklung ist auf einen Eisenkern gewickelt und im Magnetfeld des Strom durchflossenen Leiters angeordnet, wobei der Eisenkern ringförmig um den Leiter verläuft. Über entsprechende Anschlussleitungen ist die Wicklung mit der Auslöseeinheit verbunden.
Zur Stromversorgung lädt der Sekundärstrom einen Kondensator auf eine vorgegebene Spannung auf. Ist der Kondensator aufgeladen, wird der „überschüssige” Sekundärstrom jeweils kurzgeschlossen.
Über den Kondensator wird der Betriebsstrom für die Stromversorgung der Auslöseeinheit bereitgestellt. Sinkt die Kondensatorspannung etwas, wird der Kondensator vom Sekundärstrom wieder nachgeladen (das Kurzschließen unterbrochen).
Die Wicklung und deren Anschlussleitungen bestehen aus Wismut (oder Wolfram), d. h. einem diamagnetischen Material. Ein anderes bekanntes und geeignetes diamagnetisches Material ist beispielsweise Indiumantimonid, das ebenfalls verwendet werden kann.
Bei Fließen eines Kurzschlussstroms begrenzt der sich vergrößernde elektrische Widerstand des diamagnetischen Materials den Betriebsstrom, abhängig vom magnetischen Fluss im Eisenkern und damit von der Stärke des Primärstroms. Dies gilt auch für die Anschlussleitungen, soweit sich diese im Magnetfeld des Leiters befinden.
Der Stromwandler ist als 25 A-Stromwandler ausgelegt, d. h. aufgrund des diamagnetischen Materials wird bei einem Primärstrom von 50 kA nur ein Sekundärstrom von bis zu 25 A durch die Elektronik der Auslöseeinheit getrieben. Im Moment des Kurzschlusses wird der Sekundärstrom im Wesentlichen durch den Innenwiderstand der Wicklung des Wandlers bestimmt.
Durch Optimierung, d. h. Auswahl des diamagnetischen Materials, ist die Kennlinie (ohmscher Widerstand gegenüber magnetischer Feldstärke) an den 25 A-Stromwandler angepasst, dessen Elektronik nicht mehr als 25 A verträgt, d. h. die Elektronik der Auslöseeinheit wird durch die selbsttätige Begrenzung im Überstrombereich nicht mehr überlastet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5726846 [0004]

Claims

Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, zum Unterbrechen eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms, mit Kontaktelementen, die zum Öffnen des Schalters mechanisch voneinander getrennt werden, mit einem Stromsensor, der den Strom erfasst, mit einer elektronischen Auslöseeinheit, die den erfassten Strom mit einem Grenzwert vergleicht und ein Öffnen des Schalters bei Überschreitung des Grenzwerts auslöst, und mit einer die Auslöseeinheit mit einem Betriebsstrom versorgenden Stromversorgung, die einen Stromwandler aufweist, der eine Wicklung mit einem Eisenkern umfasst, die über Anschlussleitungen mit der Auslöseeinheit verbunden und im Magnetfeld des Leiters angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung und/oder deren Anschlussleitungen zumindest teilweise aus diamagnetischem Material gebildet ist bzw. sind, wobei das diamagnetische Material so gewählt und so im Magnetfeld des Leiters angeordnet ist, dass bei Fließen eines entsprechend großen Kurzschlussstroms der sich vergrößernde elektrische Widerstand des diamagnetischen Materials jeweils den Betriebsstrom begrenzt.