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Anordnung zur raschen Unterbrechung elektrischer Stromkreise Zum Schutz
elektrischer Anlagen gegen Überströme und Kurzschlüsse hat man bisher elektrische
Selbstschalter mit überstromauslösem verwendet. Bei den immer mehr steigenden Kurzschlußleistungen
der Verteilungsnetze ist aber die Zeit, die solche Schalter zur Abschaltung benötigen,
zu lang. Unter Verwendung üblicher Schaltgeräte ist daher mit wirtschaftlich tragbarem
Aufwand ein sicherer Schutz der Anlage und des Schalters selbst nicht immer gewährleistet.
Man hat daher versucht, Schaltelemente zu
entwickeln, deren Eigenzeit wesentlich
kürzer ist als die der bisher bekannten Selbstschalter.
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Ein bekannter Vorschlag dieser Art sieht vor, die Unterbrechung elektrischer
Stromkreise durch Zerstörung eines von dem zu unterbrechenden Strom durchflossenen
Leiterstückes mittels Explosionskräfte zu bewirken. Die Verwendung von Sprengstoffen
zur Unterbrechung des Leiters bedingt aber besondere Sicherheitsvorkehrungen. Außerdem
unterliegt die Ansprechempfindlichkeit solcher Mittel zu einem gewissen Grad atmosphärischen
Einflüssen, wodurch ein mehr oder weniger großer Unsicherheitsfaktor bezüglich des
Ansprechens geschaffen wird. Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur raschen Unterbrechung elektrischer
Stromkreise, insbesondere zur Abschaltung von überströmen oder Kurzschlüssen, durch
willkürlich oder in Abhängigkeit von dem zu überwachenden Strom bzw. der Steilheit
seines Anstieges erfolgende Zerstörung eines von dem zu unterbrechenden Strom durchflossenen
Leiterstückes.
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Sie besteht in der Verwendung einer mechanischen Trenn-, insbesondere
Schneidvorrichtung für die Zerstörung des Leiterstückes.
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Es ist an sich bereits eine Anordnung zur raschen Abschaltung von
überströmen und Kurzschlüssen bekannt, die eine in Abhängigkeit von dem zu überwachenden
Strom zu betätigende mechanische Trenn-und Schneidvorrichtung besitzt. Durch diese
Schneidvorrichtung wird eine Arretiervorrichtung für den beweglichen Kontaktarm
abgerissen oder abgebrochen. Für die Ausschaltung dieses Schalters sind die durch
den Kurzschlußstrom selbst erzeugten Kräfte erforderlich, so daß der Schalter erst
ausschaltet, wenn der Kurzschlußstrom seine volle Höhe erreicht hat. Ein Schalter
gemäß der Erfindung spricht dagegen schon bei Beginn des Stromanstieges an, so daß
seine Arbeitszeit dem Bekannten um Größenordnungen überlegen ist und die Entwicklung
des vollen Kurzschlußstromes verhindert wird.
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Die Antrieb der Trennvorrichtung kann auf ver-. schiedene Weise erfolgen.
Beispielsweise kann hierfür ein Kraftspeicher, z. B.. in Gestalt einer Feder, Verwendung
finden, der durch einen geeigneten Auslöser entklinkt wird. Man kann- für den Antrieb
der Trennvorrichtung aber auch einen elektrischen Antrieb, beispielsweise in Gestalt
einer elektrodynamischen Vorrichtung, vorsehen. Der Antrieb - für die Trennvorrichtung
kann dabei vorzugsweise in bekannter Weise durch einen
Auslöser betätigt werden. - Eine Anordnung gemäß der Erfindung kann mit einem
betriebsmäßig zu bedienenden Leistungsschalter in Reihe geschaltet werden. Dieser
- Schalter übernimmt dann die Abschaltung des Stromkreises im normalen Betrieb
und gegebenenfalls auch bei kleineren Überströmen, während die Anordnung gemäß der
Erfindung für die Abschaltung von Kurzschlüssen dient.
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Für die Beherrschung größerer Kurzschlußleistungen wird vorzugsweise
in an sich bekannter Weise parallel zu der Vorrichtung gemäß der Erfindung eine
Impedanz angeordnet, durch die der Kurzschlußstrom. auf einen Wert begrenzt wird,
der ohne Gefahr vondem in Reihe geschalteten Selbstschalter abgeschaltet werden
kann. Zur Erleichterung der Kommutierung des Stromes auf diese Parallelimpedanz
nach Durchtrennung des Hauptleiters empfiehlt es sich, wegen der vorerst nur geringen
Lichtbogenspannung an der Trennstelle eine möglichst induktionsfreie Impedanz,
d. h. einen ohmschen Widerstand, für die Begrenzung des Stromes vorzusehen.
Trotzdem wird eine Induktivität der aus dem zu durchtrennenden Leiter und der'parallel
geschalteten Impedanz gebildeten Leiterschleife nicht zu vermeiden sein. Die Kommutierung
kann
deshalb gemäß einer Weiterbildung der Erfindung durch Erzeugung einer wesentlich
größeren Lichtbogenspannung in der Weise unterstützt werden, daß dem zu durchtrennenden
Leiterstück ein Nebenpfad, z. B. in Gestalt eines dünnen Schmelzdrahtes, zugeordnet
wird. Dieser Nebenpfad kann in unmittelbarer Nachbarschaft des durchzutrennenden
Hauptleiters angeordnet werden, so daß eine nennenswerte Induktivität in dieser
Stromschleife nicht auftritt; die Kommutierung des Stromes von dem durchtrennten
Hauptleiter auf den Nebenpfad verläuft daher ohne wesentliche Behinderung. Der Nebenpfad,
der dann praktisch den vollen Kurzschlußstrom führen muß, wird infolgedessen sofort
zum Abschmelzen kommen, und die sich dabei ausbildende hohe Lichtbogenspannung sorgt
dann für eine einwandfreie Kommutierung auf die Parallelimpedanz. Die Wirkungsweise
kann dabei noch dadurch verbessert werden, daß auch dieser Nebenpfad unmittelbar
nach der Durchtrennung des Hauptleiters mechanisch durchtrennt wird. Auf diese Weise
wird unmittelbar die Bildung eines Lichtbogens eingeleitet, der dann das Abschmelzen
und Verdampfen des gesamten Schmelzleiters und damit den Aufbau der für die Kommutierung
erforderlichen Lichtbogenspannung zur Folge hat. Das Durchtrennen des Nebenpfades
kann dabei vorzugsweise mit Hilfe der gleichen Vorrichtung erfolgen, durch die der
Hauptleiter durchtrennt wird.
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In der Zeichnung ist zur Erläuterung der Erfindung schematisch ein
Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung dargestellt. In den Zug des den
zu überwachenden Strom führenden Leiters, bestehend aus der Zuleitung
1 und der Ableitung 1 a, ist ein kurzes Leiterstück 2 hoher elektrischer
Leitfähigkeit eingefügt. Dieses Leiterstück erhält zweckmäßig Bandform und kann
beispielsweise aus Silber hergestellt werden. Seine Bemessung wird so gewählt, daß
sich bei Dauerstrom nur eine vorbestimmte zulässige Erwärmung ergibt. Seine Uängenausdehnung
wird so kurz wie möglich gehalten. Zur Durchtrennung dieses Leiterstückes 2 dient
ein Schneidorgan 3, das beispielsweise so angeordnet ist, daß seine Schneide
mit der einen Einspannstelle des Leiters 2 zusammenarbeitet. Dieses Schneidorgan
kann beispielsweise, um eine Isolierung gegenüber dem Stromleiter überflüssig zu
machen, aus einem geeigneten isolierenden Schneidwerkstoff, beispielsweise einem
keramischen Stoff, z. B. aus gebranntem Speckstein, bestehen. Man kann aber auch
Schneidorgane aus Metall oder Hartmetall verwenden. In beiden Fällen ist das Schneidorgan,
das Messer, dann gegenüber der Zuleitung 1 elektrisch zu isolieren. Sein
Antrieb kann durch einen Kraftspeicher erfolgen, der entweder von Hand oder durch
einen geeigneten Auslöser in Abhängigkeit von dem Zustand des zu überwachenden Stromes
entklinkt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine elektrodynamische
Antriebsvorrichtung vorgesehen, die aus einem Kurzschlußring 4 in Verbindung mit
der gleichachsig mit diesem angeordneten Erregerspule 5 besteht. Auf dem
Kurzschlußring 4 ist zweckmäßig das Schneidorgan 3 unmittelbar befestigt.
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Im Nebenschluß zu dem zu durchtrennenden Hauptleiterzweig 2 wird an
den stromführenden Leiter 1 eine zur Begrenzung eines auftretenden Kurzschlußstromes
dienende Parallelimpedanz angeschlossen, die in der Zeichnung nicht dargestellt
ist. Ledi-C ]ich ihre Anschlußstellen 6 sind in der Zeichnung angedeutet.
Zur Erleichterung der Kommutierung auf diese ParaUelimpedanz ist bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel jedoch ein Nebenpfad zu dem zu durchtrennenden Hauptleiter 2
vorgesehen. Dieser Nebenpfad besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus
einem Schmelzleiter 7, der parallel zu dem Hauptleiterstück 2 an den Leitern
1 befestigt ist. Dieser Nebenpfad ist durch eine untergelegte isolierende
Zwischenlage 8 gegenüber dem Leiter 1
isoliert, so daß sich eine ausreichende
wirksame Länge ergibt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen,
daß dieser Nebenpfad von dem Schneidorgan 3 nach Durchtrennung des Hauptleiterstückes
2 ebenfalls mit durchtrennt wird. Hierfür ist eine mit dem Schneidorgan zusammenwirkende
Gegenstätze 9 angebracht.
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Die Wirkungsweise der dargestellten Vorrichtung ist folgende: Sobald
die Schneidvorrichtung 3 entweder willkürlich oder bei Auftreten eines Fehlers
in dem zu überwachenden Stromkreis erregt wird, wird zunächst das Hauptleiterstück
2 durchtrennt. Während des Durchschneidens erhöht sich bereits der Spannungsabfall
im Hauptstromkreis, demzufolge ein Teil des Stromes auf den Nebenpfad übergeleitet
wird. Beim endgültigen Durchtrennen des Hauptleiterstückes tritt ein kleiner Lichtbogen
mit einer geringen Lichtbogenspannung von etwa 12 bis 15 Volt auf, der ausreicht,
um eine einwandfreie Kommutierung auf den Nebenpfad zu bewirken. Im Verlauf der
Bewegung des Schneidorgans 3 wird dann kurz nach Durchtrennung des Hauptleiterstückes
2 auch der Nebenpfad 7 durchtrennt. Der dadurch entstehende Lichtbogen bringt
dann den gesamten Nebenpfad zum Abschmelzen und Verdampfen, so daß an Stelle des
Nebenpfades ein Lichtbogen gleicher Länge entsteht. Das ergibt eine hohe Brennspannung,
die gegebenenfalls die Höhe der treibenden Spannung erreicht und unter Umständen
sogar noch höher liegen kann. Damit wird dann eine sehr rasche Kommutierung des
Stromes auf die Parallelimpedanz erreicht.
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Die Höhe der Brennspannung des beim Abschmelzen des Nebenpfades auftretenden
Lichtbogens kann durch geeignete Mittel beeinflußt werden. Abgesehen von einer entsprechenden
Bemessung der Länge des Parallelbandes kann dies beispielsweise dadurch erreicht
werden, daß das Parallelband in einem geeigneten Medium, wie z. B. Wasserstoff oder
S F., angeordnet wird. Man kann andererseits auch in unmittelbarer Nähe des
Lichtbogens einen zur Gasabgabe neigenden Stoff, beispielsweise Fiber oder Melaminharz,
anordnen. So kann beispielsweise die Isolierung 8 aus einem solchen Stoff
hergestellt werden. Weitere Möglichkeiten bestehen darin, die gesamte Anordnung
unter Öl zu setzen oder den Parallelpfad in Quarzsand einzubetten. Die dadurch
bewirkte Kühlung des Lichtbogens treibt die Lichtbogenspannung ebenfalls stark in
die Höhe.
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Ein weiteres Mittel zur Erhöhung der Lichtbogenspannung besteht darin,
daß man zwei oder mehrere der beschriebenen Anordnungen in Reihe schaltet; dieses
Verfahren kann besonders bei höheren Spannungen zweckmäßig sein.
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Ein besonderer Vorzug der Erfindung besteht darin, daß die Zeiten,
mit denen die Vorgänge eingeleitet werden, genau definiert sind. Die Zeiten sind
darüber hinaus auch kürzer als bei Anordnungen, bei denen
Schmelzdrähte
erst nach ihrem Durchbrennen die gewünschte Lichtbogenspannung erzeugen. Bei einer
Anordnung gemäß der Erfindung wird der Lichtbogen gleich bei Beginn des Vorganges
durch mechanisches Aufschneiden der Strompfade zwangläufio, eingeleitet. Es entfallen
daher die Verlustzeiten bis zu dem Durchschmelzen der Leiter, während derer der
Strom ständig ansteigt. Dabei ist die Zeit bis zum Entstehen der Lichtbogenspannung
auch unabhängig von der Stromstärke im Gegensatz zu anderen Anordnungen, bei denen
bei kleineren Strömen auch mit wesentlich längeren Schmelzzeiten bis zum Durchschmelzen
der Leiter gerechnet werden muß.