DE4110335A1

DE4110335A1 - Einrichtung zum kurzschlussschutz

Info

Publication number: DE4110335A1
Application number: DE19914110335
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl Phys Pohl; Wilfried Jaehner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-03-28
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1992-10-01
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: DE4110335C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Kurz schlußschutz eines Abzweiges in einer elektrischen Nieder spannungsverteilung. Der Abzweig enthält wenigstens einen elektrischen Verbraucher und einen Leitungsschutzschalter sowie einen Überbrückungsstromzweig. Niederspannungsabzweige können gegen Überströme und Kurzschlußströme durch Abzweig schalter, sogenannte Leitungsschutzschalter, geschützt werden. Diese Leitungsschutzschalter bieten zwar einen zuverlässigen Kurzschlußschutz für den nachfolgenden Leitungszug, sie sind jedoch nicht in der Lage, empfindliche elektrische Geräte, wie beispielsweise Halbleiterschalter oder Stoßstromrelais, vor Kurzschlußschäden zu schützen.

Eine bekannte Einrichtung zum Kurzschlußschutz eines Abzweiges für einen Verbraucher enthält eine Reihenschaltung eines Lei tungsschutzschalters für ferngesteuerte Verbraucher mit einem Halbleiterschalter, dem die Kontakte eines Schaltschützes pa rallelgeschaltet sind. Eine Steuereinrichtung, die an eine Stromerfassungseinrichtung angeschlossen ist, steuert den Halbleiterschalter und das Schaltschütz, das bei Nennstrom und geringen Überströmen den Verbraucher schaltet. Den Kurzschluß schutz übernimmt ein Leitungsschutzschalter, dessen mechani sche Kontakte beim Öffnen einen Lichtbogen ziehen, der einen Überbrückungsstromkreis mit einer Lichtbogenlöscheinrichtung einschaltet und den Halbleiterschalter entlastet. Durch Licht bogenrückzündungen innerhalb der Schaltkammer können jedoch Stromkommutierungen mit hoher Stromsteilheit zwischen dem Halbleiterstromzweig und dem Löschkammerstromzweig auftreten (US-PS 47 25 911).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Ausführungsform einer Einrichtung zum Kurzschlußschutz von Niederspannungsabzweigen zu vereinfachen und zu verbessern, insbesondere soll der Kurzschlußstrom auf für einen empfind lichen Verbraucher ungefährlichen Wert begrenzt werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein vom Kurz schlußstrom durchflossener Magnetantrieb einen Überbrückungs stromkreis in sehr kurzer Zeit einschalten kann und sie be steht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Im Kurzschlußfall wird noch während des Stromanstiegs der empfindliche Verbraucher und gegebenenfalls auch ein Halb leiterschalter überbrückt. Im Überbrückungsstromzweig erhält man eine Überlagerung des netzseitigen Kurzschlußstromes mit dem entgegengerichteten Strom über die Kurzschlußstelle, welcher durch die Bogenspannung des zusätzlichen Leitungs schutzschalters begrenzt wird. Weitere besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Einrichtung ergeben sich aus den Unter ansprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Kurzschlußschutz gemäß der Erfindung schema tisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Er läuterung der Wirkungsweise der Einrichtung. Eine besondere Ausführungsform einer Schalterkombination ist in Fig. 3 dar gestellt. Fig. 4 zeigt eine einphasige Schaltung gemäß der Erfindung. Eine dreiphasige Ausführungsform ist in Fig. 5 veranschaulicht. In Fig. 6 ist eine besondere Ausführungsform eines Überbrückungsschalters dargestellt, der mit zwei Lei tungsschutzschaltern eine Einrichtung zum Kurzschlußschutz bildet.

In der Ausführungsform einer Einrichtung zum Kurzschlußschutz gemäß Fig. 1 enthält ein Abzweig einer elektrischen Nieder spannungsverteilung eine Reihenschaltung eines Leitungsschutz schalters 2 mit einem weiteren Leitungsschutzschalter 3 sowie beispielsweise noch einem Halbleiterschalter 6 und einem Ver braucher oder mehreren Verbrauchern, von denen in der Figur zur Vereinfachung nur einer dargestellt und mit 8 bezeichnet ist. Ein Überbrückungsstromzweig 10, der den zusätzlichen Leitungsschutzschalter 3 sowie den Verbraucher 8 und vorzugs weise auch den Halbleiterschalter 6 überbrückt, enthält einen Überbrückungsschalter 12, der mit einem Magnetantrieb 14 ver sehen ist, der im Abzweig in Reihe mit dem Leitungsschutz schalter 2 angeordnet ist. Die ohmschen Verluste auf der Netz seite sind als Widerstand R₁ und die induktiven Verluste als Induktivität L₁ angedeutet. Die ohmschen Verluste auf der Ver braucherseite sind mit R₂ und die induktiven Verluste mit L₂ bezeichnet. Der Strom auf der Netzseite ist mit I₁ bezeichnet und der Strom auf der Verbraucherseite mit I₂.

Im Nennbetrieb des Verbrauchers 8 spricht der Magnetantrieb 14 des Überbrückungsschalters 12 nicht an und dieser bleibt ge öffnet. Im Nennbetrieb verhält sich somit die Einrichtung ge mäß Fig. 1 wie zwei gewöhnliche, elektrisch in Reihe geschal tete Leitungsschutzschalter. Im Falle eines Kurzschlusses am Verbraucher 8, der in der Figur lediglich durch einen Strom pfeil angedeutet ist, werden die beiden Leitungsschutzschalter 2 und 3 durch ihre Magnetauslöser ausgelöst. Zugleich wird der Überbrückungsschalter 12 durch seinen vom Kurzschlußstrom durchflossenen Magnetantrieb 14 geschlossen. Beim sogenannten satten Kurzschluß betragen die Auslösezeiten der Leitungs schutzschalter 2 und 3 und die Schließzeit des Überbrückungs schalters 12 etwa 1 ms. Durch die Überbrückung des Phasenlei ters L und des Nulleiters N erhöht sich der prospektive Kurz schlußstrom auf den Wert an der Einbaustelle der Leitungs schutzschalter 2 und 3. Da bei den handelsüblichen Leitungs schutzschaltern 2 und 3 etwa 2 ms nach Kurzschlußbeginn eine strombegrenzende Bogenspannung aufgebaut ist, kann ein erhöh ter Stromanstieg durch Stromkreisüberbrückung höchstens 1 ms lang erfolgen, so daß der Durchlaßstrom der dargestellten Ein richtung etwa in der Mitte zwischen den Durchlaßstromwerten des auslösenden Kurzschlusses am Verbraucher 8 und des Kurz schlusses an der Einbaustelle der Leitungsschutzschalter 2 und 3 liegt. Die Bogenspannung des nicht überbrückten Leitungs schutzschalters 2 dient in dieser Einrichtung zur Begrenzung des transformatorseitigen Kurzschlußstromes I₁ während die Bogenspannung des überbrückten Leitungsschutzschalters 3 eine schnelle Abnahme des verbraucherseitigen Kurzschlußstromes I₂ bewirkt.

Dieser Stromverlauf ist im Diagramm der Fig. 2 veranschau licht, in dem der verbraucherseitige Kurzschlußstrom I₂ in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist. Zur Zeit t₀ soll am Verbraucher 8 ein Kurzschluß auftreten und der Kurzschluß strom I₂ steigt im Verbraucherkreis an, bis zur Zeit t₁ der Überbrückungsschalter 12 geschlossen wird und im Leitungs schutzschalter 3 eine Gegenbogenspannung U_B aufgebaut wird. Dementsprechend nimmt der Kurzschlußstrom ab und wird zur Zeit t₂ Null.

Für einen idealisierten rein induktiven Kurzschlußstromkreis erhält man bei gleichzeitiger Überbrückung und Aufbau der Ge gen-Bogenspannung U_B den in Fig. 2 dargestellten Stromverlauf I₂, mit

Darin sind I₂ der Kurzschlußstrom im Verbraucherkreis mit dem zugehörigen prospektiven Scheitelwert I₀ und Î₂ die Amplitude des Kurzschlußstromes I₂ und T=20 ms die Schwingungsdauer der Netzspannung bei 50 Hz und U_N die Amplitude der Netzspan nung und U_B die Gegen-Bogenspannung.

Im Vergleich der I²t-Werte erhält man für

a) eine Stromhalbschwingung des prospektiven Kurzschlußstromes I₀ mit T=20 ms
b) die Abschaltung mit handelsüblichen Leitungsschutzschaltern 2 und 3, Durchlaßstromamplitude und 5 ms Stromflußdauer
c) die Überbrückung mit den Daten

In der Ausführungsform einer Einrichtung zum Kurzschlußschutz gemäß Fig. 3 ist der Überbrückungsstromkreis 10 in einer ab geänderten Ausführungsform eines zweipoligen Leistungsschal ters 4 integriert, der die beiden Schaltkontakte 2 und 3 ent hält, von denen einer in der Phase L und der andere im Nullei ter N angeordnet ist, die im Kurzschlußfall von den beiden Magnetantrieben 14 und 15 unverzögert geöffnet werden. Außer dem wirken die beiden Magnetantriebe 14 und 15 sowie ein in der Phase L angeordneter Bimetallauslöser 16 auf das Schalt schloß 18 des Leistungsschalters 4. Der Magnetantrieb 14 wirkt zusätzlich auf den Überbrückungsschalter 12. Die beiden Schaltkontakte des Leistungsschalters 4 können vorzugsweise jeweils mit Löschblechen versehen sein, die in der Figur mit 22 bzw. 23 bezeichnet sind.

Im Falle eines Kurzschlusses am nicht dargestellten Verbrau cher wird die Reihenschaltung des Verbrauchers mit dem Halb leiterschalter und dem Schaltkontakt 3 im Nulleiter N sowie seinem Magnetantrieb 15 durch den Überbrückungsstromzweig 10 überbrückt, indem der Magnetantrieb 14 den Überbrückungsschal ter 12 schließt. Gleichzeitig werden die Schaltkontakte 2 und 3 durch die Magnetantriebe 14 bzw. 15 geöffnet und der Ver braucherstromkreis wird vom Kurzschlußstrom entlastet.

In einer Ausführungsform der Einrichtung gemäß Fig. 4 mit einem einphasigen Verbraucher 8 im Abzweig mit dem Phasenlei ter L und dem Nulleiter N sind die beiden Leitungsschutzschal ter 2 und 3 im Phasenleiter L mit dem Magnetauslöser 14 in Reihe geschaltet. Auch in dieser Ausführungsform kann der Überbrückungsstromkreis 10 mit seinem Überbrückungsschalter 12 und dem zugeordneten Magnetantrieb 14 sowie den beiden Lei tungsschutzschaltern 2 und 3 in einem gemeinsamen Gerät inte griert sein, wie es in der Figur durch eine strichpunktierte Umrandung angedeutet ist.

In einer Einrichtung gemäß Fig. 5 für einen dreiphasigen Ver braucher 8 enthält ebenfalls jeder der Phasenleiter L₁, L₂ und L₃ eine Reihenschaltung der beiden Leitungsschutzschalter 2 und 3 mit ihrem Magnetantrieb 14, der auf den Überbrückungs schalter 12 einwirkt, der den Verbindungsleiter zwischen dem Magnetantrieb 14 und dem Leitungsschutzschalter 3 mit dem Nulleiter N verbindet und dadurch die Reihenschaltung des Leitungsschutzschalters 3 mit dem Verbraucher M überbrückt. In dieser Ausführungsform können die Leitungsschutzschalter 2 und 3 mit ihren Magnetantrieben 14 vorzugsweise in einer vier poligen Einrichtung mit einem gemeinsamen Gehäuse 20 mit den Anschlußklemmen L₁, L₂, L₃ und N integriert sein.

Ferner kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform der Einrichtung in einer dreipoligen Ausführung ohne Nulleiter N auch nur die gemeinsame Leitungsverbindung 11 im Gehäuse 20 angeordnet sein.

Der Aufbau eines Überbrückungsschalters 12 mit seinem Magnet antrieb 14 und seiner Anordnung im Phasenleiter L in Reihe mit dem Leitungsschutzschalter 2 ist in Fig. 6 schematisch veran schaulicht. Der Überbrückungsstromzweig 10 überbrückt die Rei henschaltung des Verbrauchers 8 mit dem zusätzlichen Leitungs schutzschalter 3. Eine Magnetspule 24 des Magnetantriebs 14 umgibt einen Magnetkern 26 aus ferromagnetischem Material und einen Stößel 28 aus elektrisch isolierendem Material, auf dem ein Anker 30 mit einem Kontaktkranz 32 in Achsrichtung des Stößels 28 beweglich gelagert ist und von einer Isolierhülse 34 in einem Joch 36 aus elektrisch leitendem Material, insbe sondere ferromagnetischem Material, geführt wird. Zwischen der Magnetspule 24 und dem Joch 36 kann vorzugsweise eine elektri sche Verbindung 38 vorgesehen sein. In der offenen Schalter stellung wird zwischen dem Anker 30 und dem Kern 26 ein Luft spalt mit einer Breite von beispielsweise s=2 mm gebildet. Zwischen dem Kontaktkranz 32 und dem Joch 36 kann in der offe nen Schalterstellung beispielsweise ein Kontaktabstand von etwa 1,5 mm gebildet werden. Wird der Überbrückungsschalter 12 geschlossen, so verbindet der Überbrückungsstromzweig 10 einen Kontakt 40 mit dem Nulleiter N. In dieser Ausführungsform hat der Überbrückungskontakt 12 beispielsweise eine Stromtragfä higkeit im Kurzschlußfall von wenigstens 4,5 kA und entspricht damit dem Durchlaßstrom eines handelsüblichen Leitungsschutz schalters für 6 kA prospektiven Kurzschlußstrom.

Claims

1. Einrichtung zum Kurzschlußschutz eines Abzweiges in einer elektrischen Niederspannungsverteilung mit folgenden Merkma len:

a) der Abzweig (L, N) enthält einen Leitungsschutzschalter (2), der mit wenigstens einem Verbraucher (8) in Reihe geschaltet ist;
b) ein Überbrückungsstromzweig (10) überbrückt die Reihen schaltung des Verbrauchers (8) mit einem zusätzlichen Lei tungsschutzschalter (3);
c) der Überbrückungsstromzweig (10) enthält einen Über brückungsschalter (12), dem ein Magnetantrieb (14) zuge ordnet ist, der vom Kurzschlußstrom (12) durchflossen wird (Fig. 1).

2. Einrichtung nach Anspruch 1 für einen Abzweig, der in Reihe mit dem Verbraucher (8) einen Halbleiterschalter (6) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Über brückungsstromzweig (10) auch den Halbleiterschalter (6) über brückt (Fig. 1).

3. Einrichtung nach Anspruch 1 für einen Verbraucher, der an einen Phasenleiter und einen Nulleiter angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Lei tungsschutzschalter (2, 3) jeweils ein Schaltkontakt eines zweipoligen Leistungsschalters (4) vorgesehen sind, von denen einer in Reihe mit seinem Magnetantrieb (14) im Phasenleiter (L) und der andere in Reihe mit seinem Magnetantrieb (15) im Nulleiter (N) angeordnet ist, und daß der Überbrückungsstrom zweig (10) zwischen dem Magnetantrieb (14), der mit dem zuge ordneten Schaltkontakt des Leistungsschalters (4) und mit dem Überbrückungsschalter (12) in Wirkverbindung steht, und einem thermischen Auslöser (16) angeschlossen ist und den Verbrau cher (8) sowie den zweiten Schaltkontakt mit dem diesem zuge ordneten Magnetantrieb (15) überbrückt (Fig. 3).

4. Einrichtung nach Anspruch 1 für einen Verbraucher, der an einen Phasenleiter und einen Nulleiter angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Pha senleiter (L) eine Reihenschaltung der beiden Leitungsschutz schalter (2, 3) und den Magnetantrieb (14) für den Über brückungsschalter (12) enthält und daß der Überbrückungs stromzweig (10) an den Verbindungsleiter des Magnetantriebs (14) mit dem zusätzlichen Leitungsschutzschalter (3) ange schlossen ist und die Reihenschaltung des zusätzlichen Lei tungsschutzschalters (3) mit dem Verbraucher (8) überbrückt (Fig. 4).

5. Einrichtung nach Anspruch 1 für einen Abzweig mit drei Phasenleitern (L₁, L₂, L₃), dadurch gekenn zeichnet, daß jeder Phasenleiter (L₁, L₂, L₃) die Reihenschaltung der beiden Leitungsschutzschalter (2, 3) mit dem Magnetantrieb (14) für den Überbrückungsschalter (12) enthält und daß die Überbrückungsstromzweige (10) jeweils den Verbindungsleiter zwischen dem Magnetantrieb (14) und dem zusätzlichen Leitungsschutzschalter (3) an eine gemeinsame Leitungsverbindung (11) anschließen (Fig. 6).