EP0750788B1 - Schalter zur strombegrenzung - Google Patents

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EP0750788B1
EP0750788B1 EP94921596A EP94921596A EP0750788B1 EP 0750788 B1 EP0750788 B1 EP 0750788B1 EP 94921596 A EP94921596 A EP 94921596A EP 94921596 A EP94921596 A EP 94921596A EP 0750788 B1 EP0750788 B1 EP 0750788B1
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EP
European Patent Office
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switch according
current
switch
contacts
moving contact
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94921596A
Other languages
English (en)
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EP0750788A1 (de
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David Walter Branston
Jörg KIESER
Werner Hartmann
Reinhard Maier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19934325030 external-priority patent/DE4325030A1/de
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0750788A1 publication Critical patent/EP0750788A1/de
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Publication of EP0750788B1 publication Critical patent/EP0750788B1/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
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    • H01H71/14—Electrothermal mechanisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H77/00—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting
    • H01H77/02—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism
    • H01H2077/025—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with pneumatic means, e.g. by arc pressure
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    • H01H77/00—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting
    • H01H77/02—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism
    • H01H77/04—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrothermal opening

Definitions

  • the invention relates to a switch for current limitation, with power connections and contacts, of which the one is a fixed contact and the other is a moving contact, and with an associated mechanical switching energy Drive for opening the moving contact when exceeded a predetermined electrical current.
  • WO-A-91/12643 and EP-A-0 487 920 are current-limiting Arrangements known as ballasts for switches, the specifically the so-called PTC effect (positive temperature coefficient).
  • PTC effect positive temperature coefficient
  • High current resistors are used, which essentially consist of a with soot-filled polyethylene layer, which the Has PTC effect.
  • the polymer resistance body with its base areas be connected to an electrode, wherein a printing device is present, which is a pressure perpendicular to the Electrodes and the bases of the resistance body of the conductive polymer layer.
  • the object of the invention is a switch for Current limit to indicate the according to another principle is working.
  • the task is according to the invention with a switch of the beginning mentioned type in that the drive a is such a thermoelectric drive, in which the mechanical Switching energy through high-current discharges on one Resistance material between fixed contact and moving contact and a resulting pressure wave is produced.
  • the resistance material can be made of graphite Plastic, for example based on polyethylene, or from a conductive, non-organic material, such as polycrystalline silicon carbide, consist. In both cases, however, a chemical Decomposition of the material to build up the pressure wave arise.
  • the contacts are closed Insulated housing arranged and between the contacts disc-shaped resistance body arranged.
  • the resistance body can also be through a variety of carbon fibers be formed into a foil or felt-like Brought consistency.
  • the invention the mechanical required for contact separation Switching energy applied electrothermally.
  • a high-current discharge occurs first an enclosed gas volume.
  • the resulting pressure wave acts on a movable piston and performs him the mechanical contact opening work.
  • the switch according to the invention is used in power distribution networks used in the low voltage range. It must in Malfunction, especially in the event of short circuits, on parts of the network parent branches can be switched off. To damage the Limit the location of the fault as well as in the area of the network or to avoid switching off as soon as possible, especially within the first affected Half wave.
  • a limitation of the Short-circuit current required if the shutdown is not recognized quickly enough or undertaken by suitable measures can be.
  • the limitation of the short-circuit current is continue to limit the amplitudes at shutdown generated voltage peaks due to the inductive Share of load in the network and at the consumer and reduced thus the risk of further damage due to insulation faults, caused by such surges can. Especially in building installations, but also in other cases, the requirements for the required increase Components that therefore have a high selectivity have to.
  • Such a switch according to the invention is closed Lockable condition and by a suitable Lift mechanism to a response threshold which is above the the maximum current to be expected in the high-load range is adjustable.
  • the contact resistance is in the locked state so low that the nominal current losses are negligible are.
  • the limiter's self-response threshold lies in the magnitude of the prospective short-circuit current. in the unlocked state, the contact resistance and rise thus the energy turnover in the area of the switch contacts. Alike the self-response threshold drops to one Value in the nominal current range.
  • the unlocking can advantageously be carried out by an electronic Short-circuit early detection can be triggered.
  • This behavior is advantageously supported in that a second Lift mechanism is used, which is tensioned in the locked state is and can be constructed so that it is unlocked Condition for mechanical opening of the moving electrode of the Limiter leads.
  • this second energy store becomes automatic curious; excited.
  • the current limiter according to the invention even able to cut the current not just to limit, but to completely interrupt, i.e. so to work as an opening switch.
  • a second locking unit is provided, the working as a quick switch Limiter locked when open. The limiter is prevented from doing so after a successful power cut automatically in the closed state again to pass over. A real bistable behavior is thus achieved.
  • a passive Circuit with RLC elements can be achieved that in the case of Separation of the current during the current half-wave none harmful surge peaks are generated. You can do this also voltage-limiting elements such as zener diodes, varistors, Surge arrester or the like.
  • the figure is an insulating housing with 1, the for example, a rotationally symmetrical hollow cylinder forms an axis I.
  • the hollow cylindrical insulating material housing 1 is completed by a flange 6.
  • a fixed contact 2 which has a power connection 2a in the axial direction.
  • a moving contact 3 whose power connection 3a also in the axial direction I runs, longitudinally movable into the insulating housing 1.
  • a disk-shaped resistance body 4 is arranged in such a way that he has no space on the surface of the fixed contact 2 is present.
  • the outer contour of the resistance body 4 is precisely fitted into the insulating housing 1.
  • a separating surface 8 which characterizes a variable space.
  • an expansion volume 9 all around.
  • the moving contact 3 is through with its power connection 3a a bellows 5 on the interface 8 of the resistance body 4 pressed.
  • the spring body 5 defines one mechanical preload, when overcome the moving contact 3 is moved in the horizontal direction.
  • the postponement can thereby by a rotating in the insulating housing 1 Ring 10 are limited, with appropriate Dimensioning of an annular extension part 3b on Moving contact 3 on the one hand and the circumferential ring 10 on the other can specify a suitable stroke distance d.
  • the power connection 3a points in the figure on its outer End a notch 7a which engage an associated pawl 7b can. This is a means of locking the moving contact realized in the open state.
  • the switch described can be used in conventional power distribution networks be switched on.
  • the current overflows the power connection 2a, the fixed contact 2, the resistance body 4 on the moving contact 3 and from there via the power connection 3a further on the net.
  • the high-current heats up Discharge via the fixed contact 2 and the adjacent contact disk-shaped resistance bodies initially flat the enclosed gas volume.
  • the resulting The pressure wave moves the moving contact 3 as far as it will go, locking over the pawl 7a and notch 7b done in the open state.
  • the response threshold of the monostable shown in Figure 1 Switch is so by the pressure of the spring 5th fixed. So the switch is self-triggering, however not controllable.
  • the contact pressure spring 5 is attached to an axially movable part 6b of the housing cover 6 with the Share 6a and 6b.
  • Part 6b acting as a spring abutment is in position a via a locking mechanism 11a and 11b locked so that the spring 5 is biased and the pressure force necessary for the closed state the moving electrode 3 is generated on the resistance body.
  • the opening process provided spring 12 biased.
  • unlocking the Latching 11 by an actuator 13 becomes the spring abutment 6b of the springs 5 and 12 in the axial direction of the housing 1 accelerated away, so that the pressure force within a very short time between moving electrode 3 and resistance body 4 drops to very low values. This increases the Contact resistance very strong and the response threshold of electrothermal drive drops to a value within the nominal current range of the switch.
  • the electrothermal drive triggers off and the switch limits and interrupts or opens the electricity within a very short time, i.e. far below the prospective short-circuit current.
  • Mechanism 3a and 7a and 7b lock the state Moving electrode 3 and thereby prevents an unwanted new Closing the switch.
  • the actuator 13 is, for example controlled by electronic short-circuit detection and triggered.
  • the Opening spring 12 directly on the moving electrode 3 and supported thus the opening through direct mechanical acceleration. This will further accelerate the opening process and achieved a stronger current limitation. The same effect can be achieved if the opening spring 12 not on the electrode 3, but on the guide element 3b or mechanically with the moving electrode 3 coupled power supply 3a attaches.
  • Figure 3 is the energy store 5 by a piezoelectric actuator 14 replaced, which simultaneously with the unlocking actuator 13 is controlled. The actuator 14 decreases when activated its length, so that the contact pressure force is already reduced is before the moving electrode 3 from the opening force accumulator is moved.
  • the piezoelectric Actuator 14 arranged parallel to the opening spring 12 and extended itself when activated. This will make the contact pressure force the pressure spring 5 briefly overcompensated and the Spring action supported in the initial phase of the opening process.
  • Curve 51 describes the time course of the prospective short-circuit current.
  • Curve 52 describes the current through the uncontrolled limiting element of conventional design, the value A indicating the fixed response threshold.
  • Curve 53 describes the current through the new bistable limiter or rapid switch, the response threshold B of the locked limiter being at or even above the prospective short-circuit current maximum.
  • the threshold C of the limiter is unlocked call within the rated current range I, so that a very early initiation can occur at hazardous current values. It is triggered by active unlocking via the short-circuit early detection electronics and the unlocking actuator 13.
  • the short-circuit early detection electronics detect short circuits within a few microseconds after zero current. Due to the small moving masses in the actuator 13 and in the locking mechanism 11a and 11b becomes very early Current limit and opening in the switch reached, so that currents actually occurring to innocuous values within of the nominal current range.
  • the selectivity is determined by the threshold value setting of the short-circuit early detection reached and is therefore for a single "BISTABILER" electromechanical switching element LIMITER "adjustable within wide limits.
  • the resistance body 4 can consist of conductive plastic, for example, the well-known made electrically conductive Polyethylene.
  • conductive plastic for example, the well-known made electrically conductive Polyethylene.
  • graphite is used for filling in question.
  • the resistance body 4 can also be made of graphite fibers be formed by appropriate processing brought into a foil or felt-like consistency were.
  • a defined, non-organic one can also be used Material instead of the previously used conductive made organic material, such as soot filled Polyethylene.
  • conductive made organic material such as soot filled Polyethylene.
  • semiconductor materials such as in particular polycrystalline silicon carbide, in question.
  • the spatial shape can be of the rotational symmetry deviate and for example rectangular with areal resistance bodies are present. It can several resistance bodies can also be connected in series. Corresponding means for ventilation of the Housing interior of the insulating housing 1 may be provided.

Landscapes

  • Switches Operated By Changes In Physical Conditions (AREA)
  • Thermally Actuated Switches (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

Derartige Schalter haben Stromanschlüsse für Kontakte, wobei der eine Kontakt ein Festkontakt und der andere Kontakt ein Bewegkontakt sein kann. Es ist ein Antrieb zum Öffnen des Bewegkontaktes bei Überschreiten einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke vorgesehen. Erfindungsgemäß ist der elektrische Antrieb ein thermoelektrischer Antrieb. Dazu sind die Kontakte (2, 3) in einem abgeschlossenen Isolierstoffgehäuse (1) angeordnet und ist zwischen den Kontakten (2, 3) ein scheibenförmiger Widerstandskörper (4) vorhanden. Ein solcher Schalter kann vorteilhafterweise auch als bistabiler Limiter ausgelegt sein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalter zur Strombegrenzung, mit Stromanschlüssen und Kontakten, von denen der eine ein Festkontakt und der andere ein Bewegkontakt ist, und mit einem zugehörigen, mechanische Schaltenergie bereitstellendem Antrieb zum Öffnen des Bewegkontaktes bei Überschreiten einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke.
In Energieverteilungsnetzen soll im Kurzschlußfall der fließende Strom möglichst gut begrenzt werden, um Schäden an Leitungen und Verbrauchern zu verhindern, die sonst nur durch massive Überdimensionierung auszuschließen sind. Konventionelle mechanische Niederspannungsschalter beziehen die für das Ausschalten erforderliche mechanische Energie aus einem Federspeicher. Gegebenenfalls kann eine zusätzliche Unterstützung durch das Eigenmagnetfeld des Kurzschlußstromes erfolgen. Die Öffnungsgeschwindigkeit bei solchen Schaltern wird begrenzt durch den komplexen mechanischen Aufbau einerseits und der begrenzten Federenergie andererseits. Dadurch ist die strombegrenzende Wirkung derartiger Schalter limitiert.
Aus der WO-A-91/12643 und der EP-A-0 487 920 sind strombegrenzende Anordnungen als Vorschaltgeräte für Schalter bekannt, 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 Hochstromwiderstand der Polymer-Widerstandskörper mit seinen Grundflächen mit einer Elektrode verbunden sein, wobei eine Druckeinrichtung vorhanden ist, die einen Druck senkrecht auf die Elektroden und die Grundflächen des Widerstandskörpers der leitfähigen Polymerschicht ausübt.
Weiterhin ist aus der US-A-3 356 808 eine Einrichtung zur Stromunterbrechung bekannt, die druckaktivierte Kontakte aufweist, wobei ein in einem abgeschlossenen Gehäuse vorhandener Körper aus geeignetem Material bei Normaltemperatur ein Gas speichert, das mit steigender Temperatur abgegeben wird und über geeignete Öffnungen der Druckkammer auf den Bewegkontakt trifft und diesen öffnet. Hier wird das reversible physikalische Prinzip der Absorption von Gasen in Festkörpern ausgenutzt. Daneben sind weiterhin Schutzeinrichtungen bekannt, welche nach dem Bimetallprinzip arbeiten und bei dem in Abhängigkeit von der Temperatur ein Schaltelement aktiviert wird. Schließlich sind aus der EP-A-0 102 574 und der GB-A-2 042 265 Schutzschalter bekannt, die durch sogenannte Bimetallelemente, bei denen eine temperaturabhängige Wegänderung ausgenutzt wird, aktiviert werden. Temperaturerhöhungen können dabei stromabhängig entstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Schalter zur Strombegrenzung anzugeben, der nach einem anderen Prinzip arbeitet.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Schalter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Antrieb ein solcher thermoelektrischer Antrieb ist, bei dem die mechanische Schaltenergie durch stromstarke Entladungen an einem Widerstandsmaterial zwischen Festkontakt und Bewegkontakt und eine dadurch entstehende Druckwelle erzeugt wird. Das Widerstandsmaterial kann aus graphithaltigem Kunststoff beispielsweise auf der Basis von Polyethylen, oder aber auch aus einem leitenden, nichtorganischen Werkstoff, wie beispielsweise aus polykristallinem Siliziumkarbid, bestehen. In beiden Fällen muß aber eine chemische Zersetzung des Materials zum Aufbau der Druckwelle entstehen.
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 Isolierstoffgehäuse ein Expansionsvolumen vorhanden. Der Widerstandskörper kann auch durch eine Vielzahl von Kohlenstofffasern gebildet sein, die in eine folien- oder filzartige Konsistenz gebracht sind.
In Abweichung zum Stand der Technik wird also bei der Erfindung die zur Kontakttrennung erforderliche mechanische Schaltenergie elektrothermisch aufgebracht. Hierzu heizt die im Kurzschlußfall auftretende stromstarke Entladung zunächst ein eingeschlossenes Gasvolumen auf. Die entstehende Druckwelle beaufschlagt einen beweglichen Kolben und verrichtet an ihm die mechanische Kontaktöffnungsarbeit.
Vorteilhafterweise wird bei der Erfindung durch die Verwendung eines großflächigen Widerstandskörpers mit gegenüber einem Metall wesentlich höherem elektrischen Widerstand durch die flächige Verbreitung des Stromflusses einerseits eine lokalisierte Aufschmelzung der Elektroden verhindert. Andererseits wird damit eine gleichmäßige Aufheizung des Gasraumes begünstigt.
Der erfindungsgemäße Schalter wird in Energieverteilungsnetzen 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 möglich, 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 vorgenommen werden kann. Die Begrenzung des Kurzschlußstromes wird weiterhin zu einer Begrenzung der Amplituden der bei der Abschaltung erzeugten Spannungsspitzen aufgrund des induktiven Lastanteiles im Netz und beim Verbraucher und verringert somit die Gefahr weiterer Schäden aufgrund von Isolationsfehlern, die durch solche Überspannungen hervorgerufen werden können. Insbesondere bei Gebäudeinstallationen, aber auch in anderen Fällen, steigen dabei die Anforderungen an die erforderlichen Komponenten, die daher eine hohe Selektivität aufweisen 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 Leistungsschalter, 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 Antriebsmechanismen notwendig werden.
Technische Lösungen für letzteren Zweck waren bisher beispielsweise der pyrotechnische Antrieb mit chemischen Antriebsmitteln, die elektrisch gezündet werden, sowie der sogenannte Thomson-Antrieb. Aufgrund systemimmanenter Nachteile 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 entsprechend große Typenvielfalt gefordert ist. Eine aktive, mit einer Kurzschlußfrüherkennung gekoppelte Schnellabschaltung ist aufgrund des passiven Charakters der Funktionsweise nicht möglich.
Mit weiterer Erfindung kann durch eine entsprechende Auslegung des Schalters auch ein bistabiler Limiter geschaffen werden. Ein solcher erfindungsgemäßer Schalter ist im geschlossenen Zustand verriegelbar und durch einen geeigneten Kraftspeicher auf eine Ansprechschwelle, welche oberhalb dem im Hochlastbereich maximal zu erwartenden Strom liegt, einstellbar. Im verriegelten Zustand ist der Durchgangswiderstand 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. Gleichermaßen sinkt dabei die Eigenansprechschwelle auf einen Wert im Nennstrombereich.
Vorteilhafterweise kann die Entriegelung durch eine elektronische Kurzschlußfrüherkennung ausgelöst werden. Dieses Verhalten wird vorteilhaft dadurch unterstützt, daß ein zweiter Kraftspeicher verwendet wird, der im verriegelten Zustand gespannt ist und so konstruiert sein kann, daß er im entriegelten 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 Verriegelungseinheit vorgesehen wird, die den als Schnellschalter arbeitenden Limiter im geöffneten Zustand verriegelt. Der Limiter wird dadurch daran gehindert, nach erfolgreicher Stromunterbrechung selbsttätig wieder in den geschlossenen Zustand überzugehen. Somit ist ein echtes bistabiles Verhalten erreicht.
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, Überspannungsableiter od. dgl., vorhanden sein.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen.
Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
Figur 1
einen elektrothermischen Schalter für Niederspannungsanwendungen,
Figuren
2 bis 4 drei alternative Weiterbildungen eines solchen Schalters zur Auslegung bistabiler Limiter und
Figur 5
ein Strom-Zeitdiagramm zur Verdeutlichung des vorteilhaften 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 Bewegkontakt 3, dessen Stromanschluß 3a ebenfalls in Achsrichtung I verläuft, längsbeweglich in das Isolierstoffgehäuse 1 eingepaßt. Zwischen dem Festkontakt 2 und dem Bewegkontakt 3 ist ein scheibenförmiger Widerstandskörper 4 derart angeordnet, daß er ohne Zwischenraum auf der Oberfläche des Festkontaktes 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 kennzeichnet. Zusätzlich ist in die Wand des Isolierstoffgehäuses 1 umlaufend ein Expansionsvolumen 9 vorhanden.
Der Bewegkontakt 3 wird mit seinem Stromanschluß 3a durch einen Federbalg 5 auf die Trennfläche 8 des Widerstandskörpers 4 aufgedrückt. Der Federkörper 5 definiert dabei eine mechanische Vorspannung, bei deren Überwinden der Bewegkontakt 3 in horizontaler Richtung verschoben wird. Die Verschiebung kann dabei durch einen im Isolierstoffgehäuse 1 umlaufenden Ring 10 begrenzt werden, wobei sich durch entsprechende Dimensionierung eines ringförmigen Ansatzteils 3b am Bewegkontakt 3 einerseits und des umlaufenden Ringes 10 andererseits 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 eingreifen kann. Damit sind Mittel zur Arretierung des Bewegkontaktes im geöffneten Zustand realisiert.
Der beschriebene Schalter kann in übliche Energieverteilungsnetze eingeschaltet werden. Dabei fließt der Strom über den Stromanschluß 2a, den Festkontakt 2, den Widerstandskörper 4 auf den Bewegkontakt 3 und von dort über den Stromanschluß 3a weiter ins Netz. Im Kurzschlußfall heizt die stromstarke Entladung über den Festkontakt 2 und den daran anliegenden scheibenförmigen Widerstandskörper zunächst flächenhaft das eingeschlossene Gasvolumen auf. Die somit entstehende Druckwelle verschiebt den Bewegkontakt 3 bis zum Anschlag, wobei über die Klinke 7a und Kerbe 7b eine Verriegelung im geöffneten Zustand erfolgt.
Die Ansprechschwelle des in Figur 1 dargestellten monostabilen Schalters wird also durch die Andruckkraft der Feder 5 festgelegt. Damit ist der Schalter selbstauslösend, aber nicht steuerbar.
In Figur 2 ist dagegen die Kontaktandruckfeder 5 befestigt an einem axial beweglichen Teil 6b des Gehäusedeckels 6 mit den Teilen 6a und 6b. Das als Federwiderlager wirkende Teil 6b wird in der Stellung a über einen Verriegelungsmechanismus 11a und 11b verriegelt, so daß die Feder 5 vorgespannt ist und die für den geschlossenen Zustand notwendige Andruckkraft der Bewegelektrode 3 auf den Widerstandskörper erzeugt. Gleichzeitig ist eine zur Beschleunigung des Öffnungsvorganges 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 Andruckkraft zwischen Bewegelektrode 3 und Widerstandskörper 4 auf sehr niedrige Werte abfällt. Dadurch erhöht sich der Übergangswiderstand sehr stark und die Ansprechschwelle des elektrothermischen Antriebes fällt auf einen Wert innerhalb des Nennstrombereiches des Schalters.
Bei Ausbildung gemäß Figur 2 löst der elektrothermische Antrieb aus und der Schalter begrenzt und unterbricht bzw. öffnet 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 beispielsweise durch eine elektronische Kurzschlußerkennung angesteuert und ausgelöst.
In einer anderen Ausführungsform gemäß Figur 3 greift die Öffnunsfeder 12 direkt an der Bewegelektrode 3 an und unterstützt somit die Öffnung durch direkte mechanische Beschleunigung. Dadurch wird eine weitere Beschleunigung des Öffnungsvorganges und eine stärkere Begrenzung des Stromes erreicht. Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn die Öffnungsfeder 12 nicht an der Elektrode 3, sondern am Führungselement 3b oder an der mechanisch mit der Bewegelektrode 3 gekoppelten Stromzuführung 3a ansetzt. Speziell in Figur 3 ist der Kraftspeicher 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 verringert wird, bevor die Bewegelektrode 3 vom Öffnungskraftspeicher bewegt wird.
In der Ausführungsform gemäß Figur 4 ist der piezoelektrische Aktor 14 parallel zur Öffnungsfeder 12 angeordnet und verlängert sich bei Ansteuerung. Dadurch wird die Kontaktandruckkraft der Andruckfeder 5 kurzzeitig überkompensiert und die Federwirkung in der Anfangsphase des Öffnungsvorganges unterstützt.
Aus der Diagrammdarstellung gemäß Figur 5 ergibt sich das Öffnungsverhalten des neuen Schalters. Die Kurve 51 beschreibt den zeitlichen Verlauf des prospektiven Kurzschlußstromes. Die Kurve 52 beschreibt den Strom durch das ungesteuerte Begrenzungselement herkömmlicher Bauweise, wobei der Wert A den fest eingestellten Ansprechschwellwert angibt. Die Kurve 53 beschreibt den Strom durch den neuen bistabilen Limiter bzw. Schnellschalter, wobei die Ansprechschwelle B des verriegelten Limiters bei oder sogar über dem prospektiven Kurzschlußstrommaximum liegt. Die Ansprechschwelle C des entriegelten Limiters liegt innerhalb des Nennstrombereiches Inenn, 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 Kurzschlußfrüherkennungselektronik erkennt Kurzschlüsse bereits innerhalb weniger Mikrosekunden nach Strom-Null. Durch die geringen bewegten Massen im Aktor 13 und im Verriegelungsmechanismus 11a und 11b wird eine sehr frühzeitige Strombegrenzung und Öffnung im Schalter erreicht, so daß die tatsächlich auftretenden Ströme auf unschädliche Werte innerhalb des Nennstrombereiches begrenzt werden. Die Selektivität wird dabei durch die Schwellwerteinstellung der Kurzschlußfrüherkennung 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 elektromagnetischer Aktor ausgeführt sein. Er kann aber auch zur Beschleunigung des Entriegelungsvorganges aufgrund verringerter beschleunigter Massen als piezoelektrisches oder piezostriktives Element ausgeführt sein. Weiterhin kann ein Aktor mit einem magnetostriktiven Element als aktiver Komponente verwendet werden.
Es hat sich gezeigt, daß die beschriebenen, als Strombegrenzer arbeitenden, bistabilen Limiter mit einer elektronischen Kurzschlußfrüherkennung kombiniert werden können. Gleichermaßen kann in dieser Kombination der Limiter als strombegrenzender Schnellschalter arbeiten. Die geeigneten Schaltungen für die Kurzschlußfrüherkennung sind vom Stand der Technik bekannt.
Der Widerstandskörper 4 kann aus leitfähigem Kunststoff bestehen, beispielsweise das bekannte elektrisch leitfähig gemachte Polyethylen. Zur Füllung kommen beispielsweise Graphit in Frage. Der Widerstandskörper 4 kann auch durch Graphitfasern gebildet sein, die durch eine entsprechende Bearbeitung in eine folien oder filzartige Konsistenz gebracht wurden.
In Abweichung dazu kann auch ein definiert leitender, nichtorganischer Werkstoff anstelle des bisher verwendeten leitfähig gemachten organischen Werkstoffes, wie Ruß gefülltes Polyethylen, verwendet werden. Als Widerstandskörper kommen aber auch hochdotierte Halbleitermaterialien, wie insbesondere polykristallines Siliciumcarbid, in Frage.
In weiteren Ausführungsformen kann die Raumform von der Rotationssymmetrie 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.

Claims (21)

  1. Schalter zur Strombegrenzung, mit Stromanschlüssen (2a, 3a) und Kontakten(2, 3), von denen der eine ein Festkontakt(2) und der andere ein Bewegkontakt (3) ist, und mit einem zugehörigen, mechanische Schaltenergie bereitstellenden Antrieb zum Öffnen des Bewegkontaktes (3) bei Überschreiten einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke , dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein solcher thermoelektrischer Antrieb ist, bei dem die mechanische Schaltenergie durch stromstarke Entladungen an einem Widerstandsmaterial (4) zwischen Festkontakt (2) und Bewegkontakt (3) und eine dadurch entstehende Druckwelle erzeugt wird.
  2. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial (4) aus graphithaltigem Kunststoff, beispielsweise auf der Basis von Polyethylen, besteht.
  3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial (4) aus einem gut leitenden, nichtorganischen Werkstoff, beispielsweise aus polykristallinem Siliciumcarbid, besteht.
  4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (2, 3) in einem abgeschlossenen Isolierstoffgehäuse (1) angeordnet sind und daß zwischen den Kontakten (2, 3) ein scheibenförmiger Körper (4)aus dem Widerstandsmaterial vorhanden ist.
  5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Widerstandskörper (4) und Bewegkontakt (3) im Isolierstoffgehäuse (1) ein Expansionsvolumen (9) vorhanden ist.
  6. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (4) durch eine Vielzahl von Kohlenstoffasern gebildet ist, die in eine folien- oder filzartige Konsistenz gebracht sind.
  7. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Isolierstoffgehäuse (1), Kontakte (2, 3) und Widerstandskörper (4) jeweils einen rotationssymmetrischem Querschnitt haben.
  8. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Isolierstoffgehäuse (1), Kontakte (2, 3) und Widerstandskörper rotationssymmetrisch und kolinear zu den Stromanschlüssen (2a, 3a) angeordnet sind.
  9. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (5) zur Einstellung der Federkraft des Bewegkontaktes (3).
  10. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (5) zur Hubbegrenzung und Arretierung des Bewegkontaktes.
  11. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Belüftung des Gehäuseinneren.
  12. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine bistabile Auslegung.
  13. Schalter nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel (6b, 11a, 11b) zur Verriegelung des Schalters im geschlossenen Zustand.
  14. Schalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß den Mitteln (6b, 11a, 11b) zur Verriegelung ein Kraftspeicher (5) zugeordnet ist, der auf eine Stromansprechschwelle einstellbar ist, welche über den im Hochlastbereich zu erwartenden Strömen liegt.
  15. Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher eine Andruckfeder (5) ist.
  16. Schalter nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Entriegelung durch eine elektronische Kurzschlußfrüherkennung auslösbar ist.
  17. Schalter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß den Mitteln zur Entriegelung ein zweiter Kraftspeicher (12) zugeordnet ist.
  18. Schalter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entriegelung Aktoren (13, 14) vorhanden sind.
  19. Schalter nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren Piezoaktoren (14) sind.
  20. Schalter nach einem der Ansprüche 12 bis 19, gekennzeichnet durch eine passive Beschaltung mit RLC-Gliedern.
  21. Schalter nach einem der Ansprüche 12 bis 20, gekennzeichnet durch eine Beschaltung mit spannungsbegrenzenden Elementen, beispielsweise Zenerdiode, Varistor, Überspannungsableiter od. dgl..
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