DE1110288B

DE1110288B - Arrangement for the rapid interruption of electrical circuits

Info

Publication number: DE1110288B
Application number: DES60360A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gustav Wilhe Pristsak
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-10-24
Filing date: 1958-10-24
Publication date: 1961-07-06

Description

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.Arrangement for rapid interruption of electrical circuits To protect electrical systems against overcurrents and short circuits, electrical circuit breakers with overcurrent releases have been used up to now. With the increasing short-circuit power of the distribution networks, however, the time it takes for such switches to turn off is too long. Using conventional switching devices, therefore, reliable protection of the system and the switch itself is not always guaranteed with an economically acceptable expense. Attempts have therefore been made to develop switching elements whose operating time is significantly shorter than that of the previously known circuit breakers.

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.A known proposal of this type provides for the interruption of electrical Electric circuits by destroying one of the current to be interrupted To effect the conductor piece by means of explosive forces. The use of explosives however, to interrupt the conductor requires special safety precautions. aside from that the responsiveness of such agents is subject to some degree to atmospheric Influences, which creates a greater or lesser degree of uncertainty regarding the Responsive is created. These disadvantages are eliminated by the invention.

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.The invention relates to an arrangement for rapid electrical interruption Circuits, especially for switching off overcurrents or short circuits arbitrarily or depending on the current to be monitored or the slope of its rise, destruction of a current through which the current to be interrupted flows Ladder piece.

Sie besteht in der Verwendung einer mechanischen Trenn-, insbesondere Schneidvorrichtung für die Zerstörung des Leiterstückes.It consists in the use of a mechanical separation, in particular Cutting device for the destruction of the conductor section.

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.It is in itself already an arrangement for the rapid shutdown of overcurrents and short circuits known, which one depending on the to be monitored Has a power operated mechanical separating and cutting device. Through this Cutting device becomes a locking device for the movable contact arm demolished or canceled. To turn off this switch, they are through the short-circuit current self-generated forces required, so that the switch only switches off when the short-circuit current has reached its full level. One switch according to the invention, on the other hand, already responds at the beginning of the current rise, so that his working hours are orders of magnitude superior to the known and the development the full short-circuit current is prevented.

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.The drive of the separating device can be switched on. be done in different ways. For example, this can be an energy storage device, for. B. in the form of a spring, find use, which is unlatched by a suitable trigger. However, an electric drive, for example in the form of an electrodynamic device, can also be provided for driving the separating device. The drive - for the separating device can preferably be in a known manner by a Trigger operated. - An arrangement according to the invention can be connected in series with an operationally operated circuit breaker. This - switches then assumes the disconnection of the circuit during normal operation and, optionally, even with smaller overflow, while the arrangement according to the invention serves for the closure of short circuits.

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.For the control of larger short-circuit powers, an impedance is preferably arranged in a manner known per se in parallel to the device according to the invention, through which the short-circuit current. is limited to a value that can be switched off without danger by the series-connected circuit breaker. To facilitate the commutation of the current to this parallel impedance after the main conductor has been cut, it is advisable, because of the initially only low arc voltage at the point of separation, to have an impedance that is as free of induction as possible, i.e. H. Provide an ohmic resistor to limit the current. In spite of this, an inductance of the conductor loop formed from the conductor to be cut and the impedance connected in parallel cannot be avoided. The commutation can therefore be supported according to a development of the invention by generating a much larger arc voltage in such a way that the conductor piece to be cut a secondary path, for. B. is assigned in the form of a thin fuse wire. This secondary path can be arranged in the immediate vicinity of the main conductor to be cut, so that there is no significant inductance in this current loop; the commutation of the current from the severed main conductor to the secondary path therefore proceeds without any significant hindrance. The secondary path, which then has to carry practically the full short-circuit current, will consequently melt away immediately, and the high arc voltage that develops in the process then ensures perfect commutation to the parallel impedance. The mode of operation can be further improved in that this secondary path is also mechanically severed immediately after the main conductor has been severed. In this way, the formation of an arc is initiated immediately, which then results in the melting and evaporation of the entire fusible conductor and thus the build-up of the arc voltage required for commutation. The secondary path can preferably be severed with the aid of the same device by which the main conductor is severed.

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.In the drawing, an embodiment of such a device is shown schematically to explain the invention. A short conductor piece 2 of high electrical conductivity is inserted into the train of the conductor carrying the current to be monitored, consisting of the supply line 1 and the discharge line 1 a. This conductor piece is expediently in the form of a band and can be made of silver, for example. Its dimensioning is chosen so that there is only a predetermined permissible temperature rise in the case of a continuous current. Its length is kept as short as possible. A cutting member 3, which is arranged, for example, in such a way that its cutting edge cooperates with the one clamping point of the conductor 2, is used to cut through this conductor section 2. This cutting element can, for example, in order to make insulation from the current conductor superfluous, made of a suitable insulating cutting material, for example a ceramic material, e.g. B. made of baked soapstone. But you can also use cutting elements made of metal or hard metal. In both cases, the cutting element, the knife, must then be electrically insulated from the supply line 1. It can be driven by an energy store, which is either released manually or by a suitable trigger depending on the state of the current to be monitored. In the illustrated embodiment, an electrodynamic drive device is provided which consists of a short-circuit ring 4 in connection with the excitation coil 5 arranged coaxially with it. The cutting member 3 is expediently attached directly to the short-circuit ring 4.

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.In the shunt to the main conductor branch 2 to be cut, a parallel impedance which is used to limit a short-circuit current and is not shown in the drawing is connected to the current-carrying conductor 1. Ledi-C] i their connection points 6 are indicated in the drawing. To facilitate the commutation to this parallel impedance, however, a secondary path to the main conductor 2 to be cut is provided in the exemplary embodiment shown. In the exemplary embodiment shown, this secondary path consists of a fusible conductor 7 which is fastened to the conductors 1 parallel to the main conductor section 2. This secondary path is insulated from the conductor 1 by an underlying insulating intermediate layer 8 , so that there is a sufficient effective length. In the illustrated embodiment it is provided that this secondary path is also cut through by the cutting element 3 after the main conductor section 2 has been cut. For this purpose, a counterpart 9 cooperating with the cutting element is attached.

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.The mode of operation of the device shown is as follows: As soon as the cutting device 3 is excited either arbitrarily or when a fault occurs in the circuit to be monitored, the main conductor section 2 is first cut. During the cutting through, the voltage drop in the main circuit increases, as a result of which part of the current is transferred to the secondary path. When the main conductor section is finally severed, a small arc occurs with a low arc voltage of around 12 to 15 volts, which is sufficient to bring about proper commutation on the secondary path. In the course of the movement of the cutting member 3 , shortly after the main conductor section 2 has been severed, the secondary path 7 is severed. The resulting arc then causes the entire secondary path to melt and evaporate, so that an arc of the same length is created in place of the secondary path. This results in a high operating voltage, which may reach the level of the driving voltage and may even be higher. This then achieves a very rapid commutation of the current to the parallel impedance.

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.The level of the operating voltage of the arc that occurs when the secondary path is melted can be influenced by suitable means. Apart from a corresponding dimensioning of the length of the parallel tape, this can be achieved, for example, that the parallel tape in a suitable medium, such as. B. hydrogen or S F., is arranged. On the other hand, a substance that tends to give off gas, for example fiber or melamine resin, can also be arranged in the immediate vicinity of the arc. For example, the insulation 8 can be made from such a material. Other options are to put the entire arrangement under oil or to embed the parallel path in quartz sand. The resulting cooling of the arc also greatly increases the arc voltage.

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.Another means of increasing the arc voltage is to that two or more of the arrangements described are connected in series; this Procedure can be useful especially at higher voltages.

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.A particular advantage of the invention is that the times with which the processes are initiated are precisely defined. The times are also shorter than with arrangements where Fuse wires generate the desired arc voltage only after they have burned out. At a Arrangement according to the invention, the arc is right at the beginning of the process forcibly initiated by mechanical cutting of the current paths. It is omitted hence the loss times before the conductors melt through, during which the Electricity is constantly increasing. This is the time until the arc voltage occurs also independent of the current strength in contrast to other arrangements in which with smaller currents also with significantly longer melting times until melting through the head must be reckoned with.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for the rapid interruption of electrical circuits, in particular for the disconnection of overcurrents or short circuits, by arbitrarily or depending on the current to be monitored or the steepness of its rise, destruction of a conductor section through which the current to be interrupted flows, characterized by a mechanical Separating, in particular cutting device for the destruction of the conductor section.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the cutting device has a cutting knife made of an insulating ceramic material or of insulated metal or insulated hard metal. 3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the separating device is actuated by an electrodynamic drive. 4. Arrangement according to claim 1, characterized by a switched into the busbar short, thin, in particular band-shaped conductor piece made of a material of high electrical conductivity, which is cut through by the separating device. 5. Arrangement according to claim 1, characterized by a parallel impedance connected in parallel to the arrangement. 6. Arrangement according to claim 5, characterized by a practically induction-free impedance, preferably in the form of an ohmic resistor. 7. Arrangement according to claim 5, characterized in that a secondary path of high resistance is arranged parallel to the main conductor piece to be cut. 8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the secondary path is also mechanically severed shortly after severing the main conductor section. 9. Arrangement according to claim 8, characterized in that the severing of the main conductor and secondary path is effected by the same device. Contemplated Publications - German Patent No. 385,385; ETZ-A, Vol. 76, H. 21 of November 1, 1955, pp. 765 to 769. Older patents considered: German Patent No. 1071208.