DE102017120002A1 - CURRENT LIMITATION DEVICE - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt eine Strombegrenzungsvorrichtung (1) mit veränderbarer Impedanz zur Strombegrenzung im Fall eines Kurzschlusses bereit. Dabei hat die Vorrichtung (1) zumindest eine erste Komponente bestehend aus zwei Spulen (2, 3) und zumindest eine zweite Komponente bestehend aus einem Eisenkern, der zumindest zwei Eisenkernbauteile (4, 5) aufweist, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente eine Spulen-Kern-Paarung bilden. Erfindungsgemäß ist in einer solchen Spulen-Kern-Paarung eine der Komponenten relativ zu der anderen Komponente derart bewegbar gelagert, dass in einem Normalbetrieb die Spulen (2, 3) nicht von dem Eisenkern durchdrungen sind, und in einem Kurzschlussbetrieb die Spulen (2, 3) von zumindest einem Eisenkernbauteil (4, 5) durchdrungen sind.The present invention provides a variable impedance current limiting device (1) for current limiting in the case of a short circuit. The device (1) has at least one first component consisting of two coils (2, 3) and at least one second component consisting of an iron core, which has at least two iron core components (4, 5), wherein the first component and the second component a Coil-core pairing form. According to the invention, in such a coil-core pairing, one of the components is movably mounted relative to the other component such that in normal operation the coils (2, 3) are not penetrated by the iron core, and in a short circuit operation the coils (2, 3 ) are penetrated by at least one iron core component (4, 5).
Description
Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungsvorrichtung mit veränderbarer Impedanz zur Strombegrenzung im Fall eines Kurzschlusses in einem Stromnetz.The invention relates to a current limiting device with variable impedance for current limiting in the case of a short circuit in a power grid.
Auftretende Kurzschlussströme bedrohen durch hohe magnetische Kräfte und thermische Einwirkungen die Stabilität von Stromnetzen und deren Stromnetzkomponenten. Sicherheitseinrichtungen wie selektive Leistungstrennschalter, IS-Schalter oder Schmelzsicherungen trennen im Falle eines Kurzschlusses die betroffenen Netzsegmente von normal operierenden Netzsegmenten. Diese Art der klassischen Schalt- und Sicherheitsorgane kommt für Energienetze mit hohen Betriebsspannungen nicht in Frage, da sich hier stromdurchflossene Netzsegmente nicht durch einfaches Öffnen eines Schalters vom Netz trennen lassen. Es können Lichtbögen zwischen den Schaltkontakten auftreten, die eine thermische Zerstörung der Schaltelemente zur Folge haben.Due to high magnetic forces and thermal effects occurring short-circuit currents threaten the stability of power grids and their power network components. Safety devices such as selective circuit breakers, IS switches or fuses disconnect the affected network segments from normally operating network segments in the event of a short circuit. This type of classic switching and security organs is out of the question for power grids with high operating voltages, since current-carrying network segments can not be disconnected from the grid by simply opening a switch. There may be arcing between the switching contacts, which have a thermal destruction of the switching elements result.
Ströme in Hoch- und Höchstspannungsnetzen lassen sich damit durch klassisches galvanisches Trennen der Stromnetzzweige nicht abschalten. Hierfür kommen z. B. induktive Kurzschlussstrombegrenzer zur Anwendung, die permanent mit den Lasten eines Netzzweiges in Reihe geschaltet sind. Die Induktivität einer solchen Begrenzungsdrossel kann einen auftretenden Kurzschlussstrom im Fehlerfall begrenzen, wirkt aber zusätzlich als induktive und resistive Last während des Normalbetriebs. Die Effektivität der Kurzschlussstrombegrenzung ist proportional zur Induktivität der angewendeten Drossel. Diese Induktivität ist ebenfalls proportional zu den im Netz auftretenden Blindleistungsverlusten.Currents in high and very high voltage grids can thus not be switched off by conventional galvanic isolation of the power supply branches. For this come z. B. inductive short-circuit current limiters for use, which are permanently connected in series with the loads of a network branch. The inductance of such a limiting reactor can limit a short-circuit current occurring in the event of a fault, but also acts as an inductive and resistive load during normal operation. The effectiveness of the short-circuit current limiting is proportional to the inductance of the applied choke. This inductance is also proportional to the reactive power losses occurring in the network.
Eine Möglichkeit zur Strombegrenzung in solchen Netzen bieten stromabhängige veränderbare Induktivitäten, wie z. B. in der
Strombegrenzende Drosselspulen mit unveränderlicher Induktivität haben den Nachteil, dass auch während des Normalbetriebs große Scheinleistungsverluste auftreten. Die Nutzung von supraleitenden Spulen zur Kompensation des Magnetfeldes der Drosselspule im Normalbetrieb ist zu dem teuer, weil die supraleitenden Materialien eine energieintensive Kühlung benötigen.Current limiting inductors with fixed inductance have the disadvantage that even during normal operation large apparent power losses occur. The use of superconducting coils to compensate for the magnetic field of the choke coil in normal operation is expensive because the superconducting materials require energy-intensive cooling.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strombegrenzungsvorrichtung so zu verbessern, dass sie einfach aufgebaut ist und kostengünstig eine stromabhängige veränderbare Induktivität bereitstellt.Based on this prior art, it is an object of the present invention to improve a current limiting device so that it is simple in construction and cost-effective provides a current-dependent variable inductance.
Diese Aufgabe wird durch eine Strombegrenzungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a current limiting device having the features of claim 1.
Weiterbildungen der Strombegrenzungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.Further developments of the current limiting device are set forth in the subclaims.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung bezieht sich auf eine Strombegrenzungsvorrichtung mit veränderbarer Impedanz zur Strombegrenzung im Fall eines Kurzschlusses, wobei die Vorrichtung eine oder mehrere erste Komponente(n), die aus zwei Spulen bestehen, und eine oder mehrere zweite Komponente(n), die aus einem Eisenkern bestehen, hat. Dieser Eisenkern weist zwei oder mehr Eisenkernbauteile auf, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente eine Spulen-Kern-Paarung bilden. Erfindungsgemäß ist in einer solchen Spulen-Kern-Paarung eine der Komponenten relativ zu der anderen Komponente derart bewegbar gelagert, dass bei Normalbetrieb die Spulen nicht von dem Eisenkern durchdrungen sind, und bei Kurzschlussbetrieb die Spulen von einem oder mehreren Eisenkernbauteil(en) durchdrungen sind.An embodiment of the device relates to a current-limiting device with variable impedance for current limitation in the case of a short circuit, wherein the device one or more first component (s), which consist of two coils, and one or more second component (s), which consists of a Iron core exist, has. This iron core has two or more iron core components, wherein the first component and the second component form a coil-core pairing. According to the invention, in one such coil-core pairing, one of the components is movably mounted relative to the other component such that in normal operation the coils are not penetrated by the iron core, and in short-circuit operation the coils are penetrated by one or more iron core component (s).
Dadurch wird eine stromabhängige induktive Vorrichtung für ein Stromnetz bereitgestellt. Die Induktivität der Vorrichtung ist im Normalbetrieb gering und stört weder den normalen Netzbetrieb, noch verursacht sie signifikante Normalbetriebsverluste. In einem Kurzschlussfall verursacht der Kurzschlussstrom, der im Vergleich zum Betriebsstrom im Normalfall um ein Vielfaches höher ist, einen starken Anstieg der Induktivität, was eine Reduktion des Kurzschlussstromes zur Folge hat.This provides a current-dependent inductive device for a power grid. The inductance of the device is low during normal operation and does not interfere with normal mains operation, nor does it cause significant normal operating losses. In the event of a short circuit, the short-circuit current, which in the normal case is many times higher than the operating current, causes a large increase in the inductance, which results in a reduction of the short-circuit current.
Vorteilhaft sind die Komponenten der Vorrichtung zueinander beweglich gestaltet: Es kann die erste Komponente fest und die zweite Komponente zur ersten Komponente bewegbar gelagert sein, so dass das Spulenpaar bewegt werden kann und die Eisenkernbauteile fest sind. In einer anderen Ausführungsform kann die zweite Komponente fest sein und die erste Komponente zur zweiten Komponente bewegbar gelagert sein, so dass eben der Eisenkern bzw. Bauteile davon bewegbar sein können.Advantageously, the components of the device are designed to be movable relative to one another: the first component can be fixed and the second component can be movably supported relative to the first component, so that the coil pair can be moved and the iron core components are fixed. In another embodiment, the second component may be fixed and the first component may be movably supported relative to the second component, so that the iron core or components thereof may be movable.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung, bei der die zweite Komponente bewegbar zur ersten Komponente ist, ist der zweite Eisenkernbauteil relativ zu den Spulen derart bewegbar gelagert, dass im Normalbetrieb die Spulen nicht von dem zweiten Eisenkernbauteil durchdrungen sind und im Kurzschlussbetrieb die Spulen von dem zweiten Eisenkernbauteils durchdrungen sind.In an embodiment of the device in which the second component is movable relative to the first component, the second iron core component is movably mounted relative to the coils such that In normal operation, the coils are not penetrated by the second iron core component and in short-circuit operation, the coils are penetrated by the second iron core component.
Dazu kann das zweite Eisenkernbauteil im Normalbetrieb von dem ersten Eisenkernbauteil durch die Länge der Spulen beabstandet sein. Im Normalbetrieb fließt ein kleiner Strom durch die Spulen und es befindet sich kein Eisen innerhalb der Spulen und auch der Eisenkreis dieser Anordnung ist nicht geschlossen. Daher ist die Induktivität der Vorrichtung im Normalbetrieb klein. Weil das erste Eisenkernbauteil fest, und das zweite Eisenkernbauteil beweglich gelagert ist, wird das zweite Eisenkernbauteil beim Übergang von Normalbetrieb in den Kurzschlussbetrieb aufgrund magnetischer Kräfte (Reluktanzkräfte) vom magnetischen Feld in den Spulen und vom magnetischen Feld im ersten Eisenkernbauteil angezogen und ist aufgrund der Schwerkraft bei Umkehrung der Stromverhältnisse von Kurzschlussbetrieb in den Normalbetrieb wieder in die umgekehrte Position bewegbar. Im Normalbetrieb ist die Schwerkraft größer als die Reluktanzkraft zwischen den Eisenkernbauteilen und den Spulen, was sich wie folgt erklärt: For this purpose, the second iron core component can be spaced from the first iron core component by the length of the coils in normal operation. In normal operation, a small current flows through the coils and there is no iron inside the coils and also the iron circuit of this arrangement is not closed. Therefore, the inductance of the device is small in normal operation. Because the first iron core member is fixed and the second iron core member is movably supported, the second iron core member is attracted to transition from normal operation to short-circuit operation due to magnetic forces (reluctance forces) from the magnetic field in the coils and from the magnetic field in the first iron core member and is due to gravity when reversing the current conditions of short-circuit operation in the normal mode again movable in the reverse position. In normal operation, gravity is greater than the reluctance force between the iron core components and the coils, which is explained as follows:
Tritt ein Kurzschluss im Stromnetz auf, steigt der Strom, der durch die Vorrichtung fließt, um ein Vielfaches an. Der Stromanstieg hat einen exponentiell Anstieg der Reluktanzkräfte, die auf den beweglichen Teil der Vorrichtung wirken, zur Folge. Wenn die Reluktanzkräfte größer sind als die Erdanziehungskraft, wird das Eisenkernbauteil als beweglicher Anteil der Vorrichtung, in die Spulen hineingezogen und der Eisenkreis schließt sich. Der magnetische Fluss wird dann in diesem Eisenkreis geschlossen geführt. Die Vorrichtung erreicht damit eine größere Induktivität als im Normalbetrieb. Der starke Anstieg der Induktivität hat dann wiederum eine Reduktion des fließenden Kurzschlussstromes zur Folge.If a short circuit occurs in the power grid, the current flowing through the device increases many times. The current increase results in an exponential increase in the reluctance forces acting on the moving part of the device. If the reluctance forces are greater than the gravitational force, the iron core component, as a moving part of the device, is drawn into the coils and the iron loop closes. The magnetic flux is then guided closed in this iron cycle. The device thus achieves a greater inductance than in normal operation. The large increase in the inductance then in turn results in a reduction of the flowing short-circuit current.
Wird der vom Kurzschluss betroffene Zweig nun abgetrennt, fällt der fließende Strom wieder auf Normalbetriebsstrom zurück und die Reluktanzkräfte verringern sich wieder exponentiell. Ist im Vergleich dazu die Schwerkraft wieder größer als die Reluktanzkräfte, kann das Eisenkernbauteil wieder nach unten fallen und somit die Vorrichtung in den Normalbetriebszustand mit geringerer Induktivität zurückführen.If the branch affected by the short circuit is now disconnected, the flowing current falls back to normal operating current and the reluctance forces decrease exponentially again. In comparison, when gravity is again greater than the reluctance forces, the iron core member may again fall down, thus returning the apparatus to the lower operating inductance normal operating condition.
Ferner können die beiden Eisenkernbauteile U-förmig sein und einer oder beide der beiden Eisenkernbauteile an seinen/ihren Stirnseiten eine Beschichtung mit geringer magnetischer Leitfähigkeit aufweisen, wie z. B. eine Kunststoff-Folie. „Gering“ im Sinne der Erfindung heißt nicht ferromagnetisch oder nicht diamagnetisch. Ferner funktionieren alle paramagnetischen Stoffe mit µr nahe 1. Das Material bzw. die Beschichtung dient als Abstandshalter um kein perfektes Schließen des Eisenkreises zuzulassen und damit die magnetische Flussdichte im Kern nicht auf den absoluten Maximalwert ansteigen zu lassen. Dies ermöglicht ein einfacheres Trennen durch die Schwerkraft und verhindert, dass der Kern durch remanenten Fluss auch nach dem Rückgang des Stromes in der geschlossenen Stellung verbleibt. Da für das zuvor beschriebene Trennen der beiden Eisenkernbauteile die natürliche Schwerkraft im Übergang zum Normalbetrieb in manchen Fällen nicht ausreicht, wirkt eine solche Beschichtung als Reduktion der maximalen Flussdichte im Eisenkern und erlaubt so eine einfachere Trennung der beiden Bauteile.Furthermore, the two iron core components may be U-shaped and have one or both of the two iron core components at its / its end faces a coating with low magnetic conductivity, such. B. a plastic film. "Low" within the meaning of the invention is not called ferromagnetic or non-diamagnetic. Furthermore, all paramagnetic substances with μ r operate close to 1. The material or coating serves as a spacer to prevent a perfect closure of the iron circle and thus to prevent the magnetic flux density in the core from rising to the absolute maximum value. This allows for easier separation by gravity and prevents the core from remaining in the closed position due to remanent flow even after the current has dropped. Since for the above-described separation of the two iron core components, the natural gravity in transition to normal operation is in some cases not sufficient, such a coating acts as a reduction of the maximum flux density in the iron core and thus allows a simpler separation of the two components.
In einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Eisenkernbauteile fest zueinander beabstandet angeordnet. Die Spulen (aufeinanderliegend, mit gegenläufigem Wickelsinn) können über Federpaare in Bezug zu den Eisenkernbauteilen beweglich gelagert sein, wobei die Spulen aus dem Normalbetrieb in den Kurzschlussbetrieb sich abstoßen und aufgrund der Lorentz-Kraft (skaliert sich quadratisch zum Strom) zu den Eisenkernbauteilen hingedrückt werden. Dabei dominieren die Lorentzkräfte zwischen den Spulen und diese werden gegen die Federkräfte auseinander gedrückt. Dabei wird eine erste Spule des Spulenpaars in das dazu benachbarte zweite Eisenkernbauteil und eine zweite Spule des Spulenpaars in das erste Eisenkernbauteil gedrückt. Hierzu können Nuten in den Eisenkernbauteilen vorgesehen sein, die die Spulen aufnehmen. Ein Abschnitt des jeweiligen Eisenkernbauteils durchdringt dann die jeweilige Spule was zu einer Erhöhung der Induktivität führt da ein Teil des magnetischen Flusses im Eisen des partiellen Kernes geführt wird. Aus dem Kurzschlussbetrieb in den Normalbetrieb können die Spulen wieder aufgrund der Federkraft der Federn bewegt werden, sobald diese Kräfte wieder größer sind als die Lorentzkräfte. Im Normalbetrieb selbst dominieren die Federkräfte gegenüber den Lorentzkräften; die Spulen werden zusammengehalten und die Magnetfelder der Spulen können sich zum Teil kompensieren, da der Wickelsinn der Spulen entgegengesetzt ist. Die Teilkompensation der Magnetfelder im Normalbetrieb führt zu einer Verringerung der Induktivität im Normalbetrieb im Vergleich zu zwei voneinander beabstandet betriebenen Spulen. Die Lorentzkraft ist ohne den hohen Kurzschlussstrom zu gering um die Spulen auseinander zu drücken.In a further embodiment, the two iron core components are arranged fixedly spaced from one another. The coils (one on top of the other, with opposite winding sense) may be movably supported by pairs of springs relative to the iron core components, with the coils repelling from normal operation to short-circuit operation and being forced toward the iron core components due to the Lorentz force (scaled square to the current) , Here, the Lorentz forces dominate between the coils and these are pressed apart against the spring forces. In this case, a first coil of the coil pair is pressed into the adjacent second iron core component and a second coil of the coil pair in the first iron core component. For this purpose, grooves may be provided in the iron core components which receive the coils. A section of the respective iron core component then penetrates the respective coil, which leads to an increase in the inductance since part of the magnetic flux is conducted in the iron of the partial core. From the short-circuit operation to normal operation, the coils can be moved again due to the spring force of the springs, as soon as these forces are greater than the Lorentz forces. In normal operation, the spring forces dominate over the Lorentz forces; The coils are held together and the magnetic fields of the coils can compensate in part, since the winding sense of the coils is opposite. The partial compensation of the magnetic fields in normal operation leads to a reduction of the inductance in normal operation compared to two spaced-apart coils. The Lorentz force is too low without the high short-circuit current to push apart the coils.
In dieser Ausführungsform können die Spulen zwischen den Eisenkernbauteilen angeordnet sein, wobei die Federpaare überkreuz angeordnet sind, so dass die erste Spule von einem ersten Federpaar und die zweite Spule von einem zweiten Federpaar gehalten ist.In this embodiment, the coils may be arranged between the iron core components, wherein the spring pairs are arranged crosswise, so that the first coil is held by a first spring pair and the second coil by a second spring pair.
Für die zweite genannte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Spulen jeweils Spulenpaare bilden, die im Normalbetrieb dicht beisammen positioniert sind und dadurch ihre Magnetfelder zum Teil kompensieren Dazu müssen sie relativ zueinander entgegengesetzt gewickelt sein. Je nach Ausführungsform und Anwendungsfall können die Spulen in Reihe oder parallel geschaltet werden. For the second mentioned embodiment of the device according to the invention, it is provided that the coils each form coil pairs which are positioned tightly together in normal operation and thereby partially compensate for their magnetic fields. For this purpose, they must be wound in opposite directions relative to one another. Depending on the embodiment and application, the coils can be connected in series or in parallel.
Der Eisenkern kann aus mehreren Bauteilen bestehen, die zueinander bewegt werden können oder in Relation zueinander fest angeordnet sind. Dazu kann der Eisenkern ein partieller Eisenkern sein. Die erste Ausführung mit beweglichem Eisenkernsegment (U-Form) bildet einen praktisch geschlossenen Eisenkern (abgesehen von den dünnen, nicht ferromagnetischen Schichten). Die zweite Ausführungsform mit den beiden fixierten Eisenkernteilen stellt zwei partielle Kerne für beide Spulen dar. Hier ist im Kurzschlussfall (Spulen im Eisen) der magnetische Kreis nicht geschlossen.The iron core may consist of several components that can be moved relative to each other or are fixedly arranged in relation to each other. For this purpose, the iron core may be a partial iron core. The first version with a movable iron core segment (U-shape) forms a virtually closed iron core (apart from the thin, non-ferromagnetic layers). The second embodiment with the two fixed iron core parts represents two partial cores for both coils. Here, in the case of a short circuit (coils in the iron), the magnetic circuit is not closed.
Weitere Ausführungsformen der Strombegrenzungsvorrichtung sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.Other embodiments of the current limiting device, as well as some of the advantages associated with these and other embodiments, will become apparent and better understood from the following detailed description with reference to the accompanying drawings. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Normalbetrieb, -
2 eine schematische Schnittansicht der ersten Ausführungsform im Kurzschlussbetrieb, -
3 einen schematischen Teilschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung im Normalbetrieb, und -
4 einen schematischen Teilschnitt der zweiten Ausführungsform im Kurzschlussbetrieb.
-
1 a schematic sectional view of a first embodiment of the invention in normal operation, -
2 a schematic sectional view of the first embodiment in short-circuit operation, -
3 a schematic partial section through a second embodiment of the invention in normal operation, and -
4 a schematic partial section of the second embodiment in short circuit operation.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf eine Strombegrenzungsvorrichtung
In
Ein Eisenkern ist aus zwei Bauteilen, einem ersten Eisenkernbauteil
Im Zustand des Normalbetriebs (
In einer weiteren Ausführungsform nach
Die Spulen
Einen Kurzschlussfall zeigt
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- StrombegrenzungsvorrichtungCurrent limiting device
- 22
- Erste SpuleFirst coil
- 33
- Zweite SpuleSecond coil
- 44
- Erstes EisenkernbauteilFirst iron core component
- 4', 4''4 ', 4' '
- Stirnseiten erstes EisenkernbauteilEnd faces first iron core component
- 5', 5''5 ', 5' '
- Stirnseiten zweites EisenkernbauteilEnd faces second iron core component
- 55
- Zweites EisenkernbauteilSecond iron core component
- 6, 6'6, 6 '
- Federn erste SpuleSprings first coil
- 7, 7'7, 7 '
- Federn zweite SpuleSprings second coil
- 88th
- Beschichtungcoating
- 99
- Elektrische VerbindungElectrical connection
- 1010
- Nutgroove
- 1111
- EisenkernabschnittIron core section
- 1212
- Reluktanzkraftreluctance
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102010007087 A1 [0004]DE 102010007087 A1 [0004]
Claims (9)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DD204568A1 (en) * | 1981-12-23 | 1983-11-30 | Horst Gerlach | CURRENT LIMITATION DEVICE |
| DD233254A1 (en) * | 1984-12-28 | 1986-02-19 | Inst Prueffeld Elekt | CURRENT LIMITATION DEVICE |
| US5694098A (en) * | 1996-05-20 | 1997-12-02 | Eaton Corporation | Rate of current rise sensitive slot motor and switching apparatus having current limiting contact arrangement incorporating said slot motor |
| DE102010007087A1 (en) | 2010-02-06 | 2011-08-11 | Karlsruher Institut für Technologie, 76131 | Device for current limiting with a variable coil impedance |
-
2017
- 2017-08-31 DE DE102017120002.9A patent/DE102017120002A1/en not_active Ceased
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |