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Die
Erfindung betrifft eine weiterentwickelte passive oder aktive Kurzschließeinrichtung
für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach-
und Personenschutz mit oder ohne Schaltelement, welches vom Auslösesignal
einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbar ist, zwei
sich gegenüberliegende Kontaktelektroden mit Mitteln zur
Stromzuführung, wobei diese an einen Stromkreis mit Anschlüssen
von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind, weiterhin die
Kontaktelektroden unter mechanischer Vorspannung stehend im Kurzschlussfall
federkraftunterstützt eine Relativbewegung zueinander ausführen,
wobei ein Opferelement als Abstandshalter angeordnet ist, gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In
elektrischen Schalt- und Verteileranlagen können verschiedene
Fehler eintreten, die nicht unmittelbar zum Ansprechen bzw. nur
zu einem verzögerten Ansprechen vorhandener Überstrom-Schutzeinrichtungen
führen. Beispielhaft seien hier Störlichtbögen
erwähnt. Ähnliche Probleme treten insbesondere
hinsichtlich des Personenschutzes durch betriebsbedingte oder auf
Fehler zurückzuführende Potentialdifferenzen auf.
Solcherart Fehler können zu extremen Sachschäden,
aber auch Personenschäden führen. Zur Begrenzung
der Schäden ist neben einer sehr schnellen Erfassung des
Fehlers auch dessen rasche Abschaltung erforderlich.
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Für
die schnelle Erfassung verschiedener Fehlerfälle gehören
verschiedenste Lösungen zum Stand der Technik.
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Verwiesen
sei hier beispielsweise auf die
DE 43 31 992 A1 , die eine gegen Störlichtbögen
gesicherte zellenartige Schaltanlage zur Verteilung elektrischer
Energie offenbart. Auch in der
DE 43 45 170 A1 ist eine Störlichtbogen-Schutzeinrichtung
für Schaltanlagen beschrieben, wobei dort das eigentliche
Schalt- oder Schutzgerät von einem Signal aus einer UND-Verknüpfung
mindestens eines lichtempfindlichen Sensors und eines lichtunempfindlichen Sensors
betätigt wird. Der eigentliche Kurzschließer umfasst
eine Spule, wobei der Kurzschließer infolge der Kräfte,
die durch den Induktionsstrom in unter einem Vakuum stehenden becherartigen
Metallteilen entstehen, einen metallischen Kurzschluss zwischen den
kurzzuschließenden Teilen erzeugt. Die Energiespeicherquelle
und die Spule sollen so bemessen werden, dass der erwähnte
metallische Kurzschluss in einer Zeit zwischen 0,1 ms und 2 ms erfolgt.
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Bei
einem Kurzschließer zur Verwendung in Anlagen zur Verteilung
elektrischer Energie gemäß
DE 197 46 815 A1 ist ein
direkt von einem Gasgenerator angetriebenes kurzschließendes
Element mit einem Kurzschließerkolben vorgesehen. Der dortige Kurzschließerkolben
soll unabhängig von Fertigungstoleranzen eine optimale
Stossbewegung ausführen und gleichzeitig transportgesichert
sein.
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Weitere
typische Kurzschließer des Standes der Technik sind beispielsweise
in der
DE 94 19 141 U1 ,
DE 197 46 815 A1 sowie
DE 42 35 329 C2 beschrieben.
Hierbei wird zwischen mehrfach verwendbaren und einmalig wirkenden
Einrichtungen unterschieden. Wieder verwendbare Kurzschließer
sind sehr aufwendig und kostenintensiv. Bei einmalig wirkenden Kurzschließern
wird im Allgemeinen eine Sprengladung oder ein Gasgenerator zum
Aufeinanderzubewegen der Elektroden eingesetzt, was verständlicherweise
besondere Schutzmaßnahmen bei der Herstellung, dem Transport
und dem Einsatz nach sich zieht.
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Gemäß der
DE 42 35 329 A1 gehört
eine Kurzschlusseinrichtung zum Stand der Technik, welche aus mindestens
einem Schaltelement besteht, das mit einem Auslösesignal
einer Fehlererkennungseinrichtung betätigt wird. Der dort
vorgesehene Kurzschließer umfasst mindestens zwei das Schaltelement
zwischen sich aufnehmende Elektroden und weist stromführende
Teile oder Bereiche auf. Infolge des sowohl in dem Schaltelement
als auch in dem Kurzschließer direkt fließenden
Stroms in den stromführenden Teilen wird mindestens ein
bewegbarer oder deformierbarer stromführender Bereich gegen die
Elektroden gedrückt und somit ein metallischer Kurzschluss
erzeugt. Bei dieser bekannten Kurzschlusseinrichtung sind die Ansprechzeiten
unzureichend und es ist die konstruktive Gesamtanordnung unter Fertigungsaspekt
sehr kostenintensiv.
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Bei
der Lehre gemäß Patentschrift
DE 103 13 045 B3 wird eine
Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder-
und Mittelspannungsanlagen vorgestellt, welche ebenfalls ein Schaltelement
umfasst, welches von einem Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung
betätigt wird. Nach der dortigen Erfindung ist das Schaltelement
eine triggerbare Überspannungs-Schutzeinrichtung, welche
durcheinen Strom- oder Spannungsimpuls zum Ansprechen bringbar und
im Fehlerfall zerstörbar ist. Mindestens eine der die Überspannungs-Schutzeinrichtung
aufnehmenden Elektroden steht unter mechanischer Vorspannung und
ist in Richtung auf die gegenüberliegende Elektrode bewegbar,
wobei die Überspannungs-Schutzeinrichtung einen Elektrodenabstandshalter
bildet, welcher im Fall der Zerstörung ein In-Kontakt-Kommen
der Elektroden zur Kurzschlussbildung ermöglicht.
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Das
vorerwähnte Schaltelement kann eine Reihenschaltung aus
einer triggerbaren Überspannungs-Schutzeinrichtung und
einer Einrichtung mit einstellbarem oder definiertem Schmelzintegral
sein. Bei dieser Reihenschaltung kann im Fehlerfall lediglich die
Einrichtung mit dem definierten Schmelzintegral zerstört
werden. In einer Ausführungsform ist die vorerwähnte
Einrichtung eine Glasrohr-Sicherung, ein linearer oder nichtlinearer
Widerstand, ein Varistor, ein niedrigschmelzendes Metall oder eine
Metall-Legierung, eine halbleitende oder leitende Keramik, ein derartiges
Glas oder Ähnliches. Zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung
und der Elektrodenrelativbewegung wird gemäß
DE 103 13 045 B3 eine
Zug- oder Druckfeder verwendet. Auch ist gemäß der
diesbezüglichen Lehre des Standes der Technik eine Ausführungsform
der Elektroden als Topf mit einer Gegenelektrode geläufig,
die eine in den Topf eintauchende Stempelform besitzt.
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Es
hat sich jedoch im Ergebnis weiterer Untersuchungen gezeigt, dass
der Ausführung und Optimierung des Opferelements für
die funktionalen Eigenschaften des Kurzschließers eine
große und außerordentliche Bedeutung zukommt.
Grundsätzliches Ziel der Optimierung einer Kurzschlusseinrichtung
ist es, eine möglichst schnelle Schließbewegung
der Hauptkontakte und eine sehr geringe Belastung des Schaltelements
zu erreichen, wobei das Opferelement diese beiden Parameter wesentlich
beeinflusst.
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Aus
der
FR-A-1.514.214 ist
ein Zylinder aus einem hochschmelzenden metallischen Material vorbekannt,
welcher als Opferelement angewendet wird. Weiterhin ist aus diesem
Dokument ein Schmelzelement in Form eines Spiraldrahtes vorbekannt.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder-
und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz anzugeben,
wobei diese Kurzschließeinrichtung über ein kostengünstig
zu fertigendes Opferelement verfügen soll, welches eine
möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit zur Minimierung
der Kommutierungszeit bei gleichzeitiger hoher mechanischer Festigkeit
zum Einsatz einer hohen Federkraft mit dem Ziel einer Reduzierung
der Bewegungszeit besitzt.
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Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt in einer ersten
Ausführungsform mit einer Kurzschließeinrichtung
gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1,
wobei eine zweite Ausführungsform von Anspruch 11 umfasst
ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Kurzschließeinrichtung
gemäß erstem Ausführungsbeispiel für
den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und
Personenschutz umfasst diese ein Schaltelement, welches vom Auslösesignal
einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbar ist. Weiterhin
sind zwei sich gegenüberliegende Kontaktelektroden mit Mitteln
zur Stromzuführung vorgesehen, wobei die Kontaktelektroden
an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem
Potential kontaktierbar sind.
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Weiterhin
führen die Kontaktelektroden, unter mechanischer Vorspannung
stehend, im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine
Relativbewegung zueinander aus.
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Das
Opferelement, welches als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden
vorgesehen ist, steht in elektrischer Verbindung mit dem Schaltelement
einerseits und einer der Kontaktelektroden andererseits, um eine
stromflussbedingte thermische Zerstörung gezielt herbeizuführen.
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Erfindungsgemäß ist
das Opferelement als dünnwandiger Hohlzylinder aus einem
hochschmelzenden metallischen Material ausgeführt.
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Bei
einer Variante der Ausführungsformen der Erfindung besteht
die Möglichkeit, im Hohlzylinder eine elektrisch leitfähige
Substanz aufzunehmen. Der Hohlzylinder ist ein Gebilde aus einem
druckfesten Material, wobei die vorerwähnte Füllung
als beispielsweise niedrigschmelzendes Metall ausgeführt wird.
Zur Vermeidung eines zu hohen Schmelzintegralwerts kann anstelle
einer partiellen Befüllung auch eine isolierende Schicht
mit geringer mechanischer bzw. auch geringer Temperaturbeständigkeit zwischen
dem Hohlzylinder und der eigentlichen leitfähigen Substanz
angeordnet werden.
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Bei
der gewünschten Zerstörung des Opferelements,
d. h. des Hohlzylinders, wird die im Inneren befindliche Substanz
freigesetzt und kann bereits vor Schließung bzw. vollständigem
Berühren auch ohne mechanische Bewegung der Hauptkontakte
einen elektrisch leitfähigen Kurzschluss realisieren oder
einen solchen Kurzschluss unterstützen.
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Der
Hohlzylinder kann in Ausnehmungen der Kontaktelektroden eingesetzt
und geführt werden, so dass ein geringer Übergangswiderstand
gegeben ist.
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Bei
einer weiteren Variante der Erfindung ist in der feststehenden Kontaktelektrode
ein Isolierkörper und eine Hilfselektrode befindlich, wobei
die Hilfselektrode mit dem Opferelement in Verbindung steht.
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Die
sich gegenüberstehenden Seiten der Kontaktelektroden bzw.
die gegenüberliegenden Flächen können
eine komplementär konische Form mit sich ergebender zentrierender
Wirkung bei dem Inkontaktkommen im Kurzschlussfall aufweisen.
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Bevorzugt
ist das Verhältnis zwischen dem Durchmesser und der Wandstärke
des Hohlzylinders größer 10:1 gewählt.
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Durch
definierte Strukturen oder Wandstärkeschwankungen im Hohlzylinder
können sich Strompfade ausbilden, mit der Folge einer ungleichmäßigen
Erwärmung bei Strombelastung und einer Deformation mit
einhergehendem Verlust der mechanischen Festigkeit. Es bleibt in
diesem Fall in vorteilhafter Weise die leitfähige Verbindung
zwischen den Kontaktelektroden erhalten, jedoch sinkt die mechanische
Widerstandskraft des Hohlzylinders, so dass unter Wirkung der Federkraft
der Kurzschließer schnell in einen Schließzustand überführt
werden kann.
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Zwischen
den Kontaktelektroden ist ein Hohlraum ausbildbar, um Teile des
zerstörten Opferelements aufzunehmen, und zwar ohne dass
die gewünschte niederohmige Kontaktverbindung im Kurzschlussfall
beeinträchtigt wird.
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Zwischen
den Kontaktelektroden kann ein im geschlossenen Zustand wirksamer
Entlüftungskanal oder eine Entlüftungsbohrung
wirksam sein, um zu verhindern, dass durch einen Druckanstieg im
Kurzschlussfall, insbesondere bei der Entstehung eines Lichtbogens
Kräfte entstehen, die dem Aufeinanderzubewegen der Kontaktelektroden
schließverzögernd entgegenwirken.
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Die
Einrichtung zur Erzeugung der Vorspannkraft kann als Druckfeder,
Tellerfeder oder dergleichen Federanordnung ausgeführt
werden.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird von einer
Kurzschlusseinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen
zum Sach- und Personenschutz ausgegangen, wobei diese als passive
Kurzschließeinrichtung ausgebildet ist und ohne separate
Ansteuerung wirkt. In diesem Fall ist also kein Schaltelement vorhanden,
welches vom Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung
betätigbar ist.
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Bei
dieser erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform
wird wiederum von einem Opferelement in Form eines dünnwandigen
Hohlzylinders, bevorzugt aus einem hochschmelzenden metallischen Material
ausgegangen, das in der Form weitergebildet werden kann, wie dies
voranstehend erläutert wurde.
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Bei
der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist innerhalb
der Kurzschließeinrichtung ein nicht getriggerter Gasentladungsableiter
angeordnet, welcher einerseits mit einer der Kontaktelektroden sowie
andererseits mit dem Opferelement in elektrischer Verbindung steht.
Mit dem Überschreiten der Ansprechspannung des Gasentladungsableiters fließt
Strom über das Opferelement, welches dadurch einer Verformung
unterliegt oder schmilzt, so dass sich ein stromtragfähiger
Kurschlusspfad ausbildet.
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Bei
dieser Ausgestaltung besteht insbesondere ergänzend die
Möglichkeit, die Mittel zur Stromzuführung sammelschienenartig
quasi als flache Kontaktstreifen auszubilden.
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Der
Gasentladungsableiter der vorgestellten zweiten Ausführungsform
ist nicht getriggert und wie dargelegt innerhalb des Kurzschließers
in Reihe mit dem Opferelement verschaltet. Es verhält sich
damit die vorgestellte Kurzschließeinrichtung wie ein Überspannungsableiter
mit sehr leistungsfähigem Überlastkurzschließer.
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Neben
dem Einsatz eines Gasentladungsableiters im Inneren des Kurzschließers
können prinzipiell auch weitere oder ähnliche
spannungsschaltende Bauelemente wie z. B. Z-Dioden oder Funkenstrecken,
aber auch alle spannungsbegrenzenden Bauelemente, wie Varistoren
oder Suppressordioden und Ähnliches bzw. deren Kombination
vorgesehen sein.
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Durch
eine entsprechende Dimensionierung des Opferelements ist eine Abstimmung
zwischen reversiblen und nichtreversiblen Arbeitsbereichen des jeweiligen Überspannungselements
möglich. Der Kurzschließer realisiert auch bei
höchster Belastung und Zerstörung des Überspannungsschutzes
einen sicheren Backup-Schutz.
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Um
die Isolationsfestigkeit bzw. eine höhere Variabilität
der geometrischen Gestaltung, insbesondere der Baugröße
des Kurzschließers zu variieren, besteht die Möglichkeit,
das Opferelement mantelseitig zu isolieren. Ebenso ist ein Aufbau
unter Schutzgas oder Vakuum im Sinne der Erfindung liegend.
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Bei
der dritten Ausführungsform der Erfindung wird von einem
Kurzschließer mit Reihenschaltung eines passiven Überspannungsschutzes
und einem ansteuerbaren Schaltelement ausgegangen. Dies ist für
folgenden Anwendungsfall relevant.
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Der Überspannungsschutzpegel
im Betriebszustand von elektrotechnischen Anlagen soll im Allgemeinen
nur minimal oberhalb der Nennspannung wirksam werden. Bei speziellen
Situationen, z. B. dem Anlaufen von Maschinen, Umschalten aufgrund
einer Notenergieversorgung und dergleichen wird die Netzspannung
jedoch häufig kurzzeitig überschritten, ohne dass
ein Fehlerfall vorliegt bzw. das Ansprechen des Überspannungsschutzes
erwünscht ist. Für solche Fälle kann
der Kurzschließer im Ansteuerzweig neben der bisherigen
Reihenschaltung von passiven spannungsschaltenden bzw. spannungsbegrenzenden
Elementen und dem Opferelement mit einem weiteren Schaltelement
verbunden sein. Das Schaltelement kann z. B. im einfachsten Fall
ein Schütz sein, welches extern oder intern des Kurzschließers
angebracht ist. Das Schütz trennt den Überspannungsschutz
während der genannten Ausnahmesituation von der Anlage
ab, so dass ein ungewünschtes Ansprechen vermieden werden
kann. Hierdurch kann der Überspannungsschutz optimal auf
seine Aufgabe bei üblichem, d. h. Normalbetrieb abgestimmt
werden.
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Zur
Erhöhung der Dauerstromtragfähigkeit besteht die
Möglichkeit, mehrere erfindungsgemäße Kurzschließer
parallel zu schalten. Zur Parallelschaltung von zwei Kurzschließern
ist jeweils nur ein isoliert ausgeführter Anschluss des
jeweiligen Opferelements notwendig und es wird nur ein Kurzschließer mit
Schaltelement bzw. Überspannungsschutz benötigt.
Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kurzschließeinrichtung mit beidseitig isoliert ausgeführtem
Opferelement kann durch Hilfsenergie, z. B. aus der Notstromversorgung,
unabhängig von den Bedingungen an den Hauptkontakten, gezielt
ein Kurzschluss erzeugt werden.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung zielt auf eine Verlängerung
der Trennstrecke innerhalb der Kurzschließeinrichtung.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform der Kurzschließeinrichtung mit
druckbelasteter beweglicher Kontaktelektrode und hohlzylindrischem
Opferelement;
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2 eine
Ausführungsform analog 1, jedoch
mit einem hohlzylindrischen Opferelement, welches mindestens teilweise
mit einer leitfähigen Substanz gefüllt ist;
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3 ein
Blockschaltbild zur Erläuterung des Verfahrens zum Einleiten
eines Kurzschlusses in Niederspannungsanlagen mit gestaffelter Zuschaltung;
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4 eine
Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kurzschließeinrichtung unter Verwendung eines nicht getriggerten Gasentladungsableiters,
der innerhalb des Kurzschließers in Reihe mit dem Opferelement
verschaltet ist;
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5 eine
Detaildarstellung des innenseitigen Endes des Hauptanschlusses 9 mit
vorgesehenen Nuten zum Druckausgleich, um eine ungehinderte Schließbewegung
der Kontakte im Kurzschlussfall ausführen zu können;
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6 eine
Schnittdarstellung einer weiteren Variante der zweiten Ausführungsform
der Erfindung in Form eines Kurzschließers mit Reihenschaltung von
passivem Überspannungsschutz und ansteuerbarem Schaltelement;
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7 eine
Parallelschaltung von erfindungsgemäßen Kurzschließern
zur Erhöhung der Dauerstromtragfähigkeit;
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8 eine
Ausführungsform der Kurzschließeinrichtung zur
Betätigung mit Hilfsenergie und beidseitig isoliertem Opferelement
und
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9, 9a und 9b beispielhafte Möglichkeiten
der Verlängerung der Trennstrecke innerhalb der Kurzschließeinrichtung
der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In
den nachfolgenden Ausführungsbeispielen werden für
gleiche oder gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Gemäß den
Ausführungsbeispielen kommt dem Opferelement 5 eine
besondere Bedeutung bezüglich der effektiven Wirkungsweise
der Kurzschließeinrichtung zu. Ziel der Optimierung der
Kurzschließeinrichtung ist es, eine möglichst
schnelle Schließbewegung der Hauptkontakte und eine sehr geringe
Belastung des Schaltelements zu erreichen. Die Geschwindigkeit der
Schließbewegung der Hauptkontakte wird neben dem Kontaktabstand,
der Masse des bewegten Kontakts, der wirksamen Gegenkräfte
auch wesentlich durch die Kraft-Weg-Kennlinie der eingesetzten Feder 4 bestimmt.
Je höher die Anfangskraft im gespannten Zustand und je
höher die Restkraft im geschlossenen Zustand des Kurzschließers
ist, desto kürzer wird die Schließzeit der Hauptkontakte.
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Die
Masse des bewegten Kontakts und die Federkraft wirken im gespannten
Zustand permament auf das Opferelement und erfordern eine gewisse
mechanische Festigkeit.
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Andererseits
soll das Opferelement möglichst bereits infolge einer geringen
Energiezufuhr überlastet werden und die gewünschte
Bewegung des entsprechenden Hauptkontakts, d. h. der jeweiligen
Kontaktelektrode bewirken. Bis zur Stromkommutierung des Fehlerstroms
auf die Hauptkontakte wird das Schaltelement mit dem Fehlerstrom
belastet. Je geringer diese Belastung ist, desto geringer können
die Kosten für das Schaltelement gehalten werden. Neben
den Kosten und dem Schutz des Schaltelements soll eine schnelle Überlastung
des Opferelements auch einer raschen Verringerung der Impedanz des
Kurzschlusspfads dienen, da nach dem Schließen der Hauptkontakte
ein rein metallischer Kurzschluss realisiert ist. Damit wird die
Impedanz des Schaltelements sowie eventuell die vorhandene Impedanz
des Lichtbogens und der im Wesentlichen ohmsche Widerstand des Opferelements
aus dem Fehlerstromkreis eliminiert.
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Die
erfindungsgemäßen Opferelemente besitzen folgende
Eigenschaften. Es liegt ein geringes Schmelzintegral (I2t-Wert)
des Materials zur Minimierung der Belastung des Schaltelements vor.
Die Opferelemente weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit
zur Minimierung der Kommutierungszeit auf und besitzen eine hohe
mechanische Festigkeit zum Einsatz einer hohen Federkraft mit Blick
auf eine gewünschte Reduzierung der Bewegungszeit der Kontaktelektroden.
Weiterhin liegt nur eine geringe Lichtbogenspannung bei der Zer störung
des Opferelements für die Realisierung einer kurzen Kommutierungszeit
vor. Kräfte, welche der mechanischen Bewegung entgegenwirken,
wie z. B. ein entstehender Druckanstieg, werden vermieden oder reduziert.
Das Zerstörungsverhalten des insbesondere hohlzylindrischen
Materials ist so ausgelegt, dass keine Beeinträchtigung
der mechanischen Bewegung der Kontaktelektroden erfolgt.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt, ist das Opferelement 5 als
dünnwandiger Hohlzylinder ausgeführt. Als Material
für den Hohlzylinder eignen sich insbesondere aufgrund
der hohen mechanischen Festigkeit Stähle oder Eisenlegierungen.
Materialien mit hohen spezifischen Schmelzintegralwerten, wie z.
B. Kupfer oder Silber, führen bei ausreichender mechanischer
Festigkeit zu einer vergleichsweise höheren Belastung des
Schaltelements.
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Die
dünnwandige Hohlzylinder-Geometrie ist so gewählt,
dass das Verhältnis von Durchmesser zur Wandstärke
im Wesentlichen größer 10:1 ist. Diese Geometrie
besitzt gegenüber einem Vollzylinder desselben Materials
bei gleichem Schmelzintegral eine deutlich höhere mechanische
Festigkeit. Dies erlaubt es, höhere Federkräfte
vorzugeben und sichert schnellere Schließzeiten der Kontaktelektroden.
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Gegenüber
Vollmaterial besitzt der erfindungsgemäße Hohlzylinder
insbesondere bei Durchmessern von mehreren Millimetern einen weiteren, nachstehend
erläuterten Vorteil.
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Infolge
von geringen Unsymmetrien bei der Stromaufteilung auf bzw. im Hohlzylinder
erwärmt und schmilzt der Hohlzylinder selbst bei hohen Strombelastungen
und kurzen Schmelzzeiten ungleichmäßig. Dieser
Effekt kann bewusst durch den Stromübergang an den Kontaktstellen
bzw. durch eine Strukturierung des Zylinders gefördert
werden. Prinzipiell sind auch strukturelle Materialbeeinflussungen
oder aber auch der Einsatz von Verbundmaterial denkbar.
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Diese
ungleichmäßige Erwärmung führt
bei kleinen bis mittleren Strombelastungen (Schmelzzeiten Minuten
bis einige wenige Millisekunden) zur Deformation des Hohlzylinders.
Der Hohlzylinder verliert also bei diesem Prozess nahezu schlagartig
seine mechanische Festigkeit, wodurch es zum Zusammendrücken
des Zylinders und zum Schließen der Hauptkontakte des Kurzschließers
kommt. Diese Art des Schließvorgangs ist sehr vorteilhaft,
da der Vorgang selbst im Kurzschließer ohne nennenswerten Lichtbogen
abläuft. Es entsteht daher keine zusätzliche Impedanz
und keine Druckwelle, welche womöglich bei der Ausführungsform
der Erfindung der Kontaktschließung entgegenwirkt.
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Bei
höheren Strömen schmilzt bzw. verdampft der Hohlzylinder
ebenfalls nicht gleichmäßig, wodurch einzelne
metallische Brücken bestehen bleiben und somit das lichtbogenfreie
Verhalten des Kurzschließers bis weit in den kA-Bereich
erhalten bleibt.
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Ein
Lichtbogen entsteht hier quasi erst dann, wenn der Hohlzylinder
komplett verdampft ist und die Hauptkontakte womöglich
noch nicht vollständig geschlossen wurden.
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Für
den Fall einer Lichtbogenzündung bei hohen Stromstärken
kann ein größerer Hohlraum bzw. auch zusätzlich
eine Entlüftung vorgesehen sein, welche den Druckaufbau
und damit die entstehenden Gegenkräfte begrenzt.
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Die
Anordnung des Opferelements, der Hauptkontakte und der Gasströmung
ist so gewählt oder gestaltet, dass bei einer Lichtbogenzündung
der Lichtbogen sofort von dem Hilfspfad mit dem Schaltelement 9 auf
die beiden Kontaktelektroden 2 und 6 kommutiert.
Hierdurch kann in diesem Fall das Schaltelement 9 bereits
vor dem Schließen der Kontaktelektroden vom Stromfluss
entlastet werden.
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Um
die Lichtbogenfreiheit auch bei höchsten Strömen
zu gewährleisten, kann zusätzlich noch eine weitere
Stufe der Stromübernahme vor dem Schließen der
Hauptkontakte realisiert werden. Hier ist die Verwendung eines Schleifkontakts
oder eines niedrigschmelzenden Materials möglich.
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Gemäß den
Darstellungen nach 1 und 2 ist demnach
ein elektrisch leitendes Gehäuse 1 mit einem beweglichen
Kontaktelektrodenelement 2 vorhanden, das unter der Wirkung
einer Feder 4 vorgespannt ist. Die bewegliche Kontaktelektrode 2 ist
gegenüber dem elektrisch leitenden Gehäuse 1 mittels
einer Isolation 3 isoliert. Im Zentrum der festen Kontaktelektrode 6 befindet
sich ein Hilfskontakt 8 für das Schaltelement 9 sowie
ein Anschluß für das Schaltelement 9.
Weiterhin ist hier eine Isolation 7, hin zum elektrisch
leitenden Gehäuse 1 sowie zur Kontaktelektrode 6 vorhanden.
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Mit
dem Bezugszeichen 10 ist eine leitfähige Substanz
symbolisiert, die als vollständige oder partielle Füllung
des Hohlzylinder-Opferelements 5 verwendet werden kann.
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Bei
dieser Ausführungsform nach 2 kann die
leitende Substanz 10 z. B. als niedrigschmelzendes Metall
oder leitende Flüssigkeit ausgeführt werden.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip des Verfahrens zur Einleitung
eines Kurzschlusses beruht auf einer gestaffelten Zuschaltung des
Kurzschließers mit folgendem Zeitablauf.
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Nach
der Erfassung eines Störungsfalls, z. B. einem Störlichtbogen
in der Anlage, wird das Schaltelement des Kurzschließers
kurzzeitig angesteuert. Der mögliche Kurzschlussstrom durch
das Schaltelement wird durch das Opferelement und die Impedanz des
Anschlusses sowie des Schaltelements begrenzt. Der Strom kommutiert
vom Fehlerort zum Kurzschließer. Nach einer einstellbaren
Zeit unterbricht das Schaltelement den Kurzschlussstrom und die
Anlage und der Fehlerort werden wieder mit Netzspannung belastet.
Im Falle eines Wischers und einer ausreichenden Wiederverfestigung
der Fehlerstelle bleibt die Versorgung der Anlage bestehen. Der Kurzschließer
meldet den aufgetretenen Fehler und weist somit auf eine notwendige
Anlagenüberprüfung hin.
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Bleibt
der Fehlerfall bestehen, wird das Schaltelement des Kurzschließers
erneut und dauerhaft angesteuert. Das Opferelement des Kurzschließers
wird in diesem Fall überlastet und ein dauerhafter metallischer
Kurzschluss erzeugt, welcher eine Abschaltung der Anlage erzwingt.
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Bei
der vorgestellten Lösung wird das Opferelement so ausgelegt,
dass bereits nach geringsten Strombelastungen (niedrige I2t-Werte) ein metallischer Kurzschluss erzielt
werden kann. Die in diesem Fall eingesetzten Schaltelemente müssen
damit nur eine sehr geringe Stromtragfähigkeit bzw. ein
geringes Schaltvermögen aufweisen.
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Für
eine Anwendung des beschriebenen Verfahrens ist bei Beibehalten
der Konstruktion eine differenzierte Auslegung des Opferelements
und des Schaltelements empfehlenswert. Alternativ zu einer nahezu
entgegengesetzten Optimierung des vorgestellten Kurzschließers
kann dieser jedoch recht einfach durch einen parallel geschalteten
Pfad für das erläuterte Verfahren ertüchtigt
werden. Somit ist eine preisgünstige und bedarfsgerechte
Erweiterung des einfachen Kurzschließers jederzeit zum
Einsatz des erläuterten Verfahrens möglich.
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3 zeigt
eine prinzipielle Darstellung bezüglich der Parallelschaltung
eines weiteren Pfades. Der zusätzliche Parallelpfad besteht
im Wesentlichen aus einem ansteuerbaren Schaltelement 17 mit
mittlerer bis hoher Stromtragfähigkeit und Ausschaltvermögen.
Zusätzlich kann eine Impedanz 16 vorgesehen sein.
Mit Hilfe der Impedanz ergibt sich die Möglichkeit, die
Höhe des Kurzschlussstroms bzw. den Wert des Stromquadratimpulses,
z. B. mit nichtlinearen Impedanzen zu beeinflussen. Dies kann einerseits
sinnvoll sein, um bei dem ersten zeitlich begrenzten Durchschalten
des Schaltelements ein Ansprechen von möglichen Überstrom-
bzw. Unterspannungsschutz-Einrichtungen des Netzes zu vermeiden
und andererseits um bei weniger leistungsstarken Schaltelementen
die maximale Belastung hinsichtlich Stromtragfähigkeit
und Löschfähigkeit nicht zu überschreiten.
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Die
Höhe der Impedanz 16 sollte jedoch einige 100
mΩ nicht überschreiten, da ansonsten eine Kommutierung
des Fehlerstroms zum Gesamtgerät (Kurzschließerpfad
1 und 2) stark behindert wird. Vorzugsweise sollte die Impedanz
kleiner als wenige mΩ sein.
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Als
Schaltelement 17 sind insbesondere Halbleiterschalter,
z. B. Thyristoren bzw. IGBTs, aber auch triggerbare Vakuumschalter
und Funkenstrecken geeignet.
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Die
erste Ausführungsform der Erfindung zielt wie oben erläutert
im Wesentlichen auf einen ansteuerbaren Kurzschließer insbesondere
zur Störlichtbogenbegrenzung.
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Neben
dieser Applikation ist es gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung möglich, den grundsätzlichen Kurzschließeraufbau
zu übernehmen und als passiv wirkenden Kurzschließer
weiterzubilden, wobei dieser Kurzschließer ohne separate Ansteuerung
für viele Anwendungen genutzt werden kann. Bei der zweiten
Ausführungsform der Erfindung wird demnach ein nicht getriggerter
Gasentladungsableiter innerhalb des Kurzschließers in Reihe mit
dem Opferelement verschaltet.
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Wird
die Ansprechspannung des Gasentladungsableiters überschritten,
fließt ein Strom über das Opferelement, welcher
bei entsprechender Höhe und Zeitdauer zur Verformung oder
zum Schmelzen des Opferelements führt, wodurch ein dauerhafter, stromtragfähiger
Kurzschlusspfad zwischen den Anschlüssen realisiert wird.
Es verhält sich demnach die erfindungsgemäße
Einrichtung wie ein Überspannungsableiter mit sehr leistungsfähigem Über
last kurzschließer.
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Die
diesbezügliche zweite Ausführungsform der Erfindung
sei zunächst anhand der 4 erläutert.
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Die
Hauptanschlüsse 1' und 9' dieser Ausführungsform
sind außenseitig sammelschienenartig ausgebildet. Der Anschluss 9' besitzt
im Inneren des Kurzschließers als feststehender Hauptkontakt
eine quasi zylinderische Grundform, welche über eine Aufnahme
für den Gasentladungsableiter 6' und die Kontaktplatte 5' für
das eigentliche Opferelement 4' verfügt.
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Eine
Isoliationshülse 7' führt den Gasentladungsableiter 6' und
die Kontaktplatte 5'.
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Der
Hauptanschluss 1' ist im Inneren des Kurzschließers
als Hohlzylinder ausgeführt und dient der Aufnahme eines
beweglichen Kontaktstücks 3'. Das bewegliche Kontaktstück 3' wiederum
weist einen Führungsdorn zur Zentrierung und Führung
von vorspannbaren Federn 13' auf. Das Opferelement 4' wird
direkt im Kontaktstück 3' geführt.
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Eine
Isolationshülse 8' isoliert den Anschluss 9' vom
Gehäuseteil 2' und dem Hauptanschluss 1'. Das
Gehäuseteil 2' wird über Schrauben 11' mit
dem Hauptanschluss kraftschlüssig verbunden und verschließt
so die gesamte Kurzschließeinrichtung.
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Durch
die Verschraubung kommt es zu einem Vorspannen der Federn 13'.
Das Opferelement wird durch den dadurch vorliegenden Druck statisch belastet.
Die beiden zylinderförmigen Kontaktflächen des
Kurzschließers am Kontaktstück 3' und
dem Hauptanschluss 9' sind durch eine Luftstrecke getrennt.
Die Spannungsfestigkeit dieser Luftstrecke liegt oberhalb der Betriebsspannung
und der Ansprechspannung des Gasentladungsableiters 6'.
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Beim
Ansprechen des Gasentladungsableiters 6' fließt
der Strom über den Hauptanschluss 9', den Gasentladungsableiter 6',
die Kontaktplatte 5', das Opferelement 4', das
bewegliche Kontaktstück 3' zum Hauptanschluss 1'.
Wird hierbei das Opferelement 4' überlastet, bewegt
sich das Kontaktstück 3' unter Federvorspannung
bis zur Kontaktfläche des Hauptanschlusses 9'.
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Das
Opferelement 4', die Kontaktplatte 5' und der
Gasentladungsableiter 6' werden somit gebrückt
und stromlos.
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Die
vorstehend beschriebenen Teil 1', 3' und 9' bestehen
bevorzugt aus Kupfer und besitzen im Allgemeinen eine galvanische
Beschichtung aus Zinn oder Silber, wodurch der Übergangswiderstand und
die Temperaturerhöhung bei Dauerstrombelastung gering bleiben.
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Mit
dem Bezugszeichen 12' ist eine Unterlegscheibe gekennzeichnet.
Das Teil 10' kennzeichnet eine Isolationsplatte zur Vermeidung
von Überschlägen vom Sammelschienenanschluss des
Teiles 9' zu den Schrauben 11', welche das Potential
des Anschlusses 1' aufweisen. Vier Entlüftungsnuten 14' befinden
sich zwischen den Teilen 1' und 2'.
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Funktionsseitig
ist das Isolationselement 8' so gestaltet, dass selbst
bei einem kompletten Schmelzen ein sicherer Kurzschluss zwischen
den Hauptanschlüssen realisierbar ist. Der Hubweg der Federn
ist dementsprechend ausreichend dimensioniert.
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Der Übergangsbereich
des Hauptstroms vom Teil 1' auf das Kontaktstück 3' erfolgt über
den Umfang des Zylinders gemäß 4 und
nicht über den relativ klein dimensionierten Führungsbolzen.
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Die
Toleranz zwischen den Baugruppen 1' und 3' ist
so gewählt, dass im Federaufnahmebereich ein Unterdruck
bei der Bewegung entsteht, welcher zusätzlich Federkraft
erfordert. Daher ist es gegebenenfalls notwendig, eine Belüftung
mittels einer Bohrung, z. B. geführt durch das Teil 3',
auszubilden. Anstelle des Lösungsansatzes einer geringen
Toleranz besteht auch die Möglichkeit, in diesem Übergangsbereich
dauerstromtragfähige Federelemente einzusetzen.
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Der
zentrale Führungsdorn am Kontaktstück 3' übernimmt
die Stromführung, bis die Hauptkontakte geschlossen sind.
Hierdurch wird der Abbrand bzw. das Verschweißen der hochwertigen
koaxialen Kontaktfläche zwischen Teil 3' und Teil 1' vermieden. Anstelle
eines Kontaktdorns kann auch ein flexibler Festanschluss oder ein
federndes Kontaktband Verwendung finden.
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Zur
Gewährleistung einer möglichst geringen Temperaturerhöhung
bei Dauerstrom sind die Kontaktflächen gezielt dimensioniert.
Dabei verhält sich beispielsweise der minimale Querschnitt
der Hauptstrombahn durch den Kurzschließer zur Auflagefläche
der Sammelschienenanschlüsse bevorzugt wie 1:2 oder aber
der minimale Querschnitt der Hauptstrombahn durch den Kurzschließer
zur Auflagefläche der unter Federvorspannung stehenden
Kontaktflächen bevorzugt wie 1:2 oder der minimale Querschnitt
der Hauptbahnstrom durch den Kurzschließer zur koaxialen,
federkraftfreien Kontaktfläche bevorzugt wie 1:3.
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Die
Federn 13' können gegenüber den Teilen 1' und/oder 3' durch
ein zusätzliches Isolationsteil getrennt werden, um fließende
Teilströme über die Federn und eine Beeinträchtigung
der Federwirkung zu vermeiden.
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Bei
der Gefahr von sehr hohen Kurzschlussströmen kann es durch
die explosionsartige Zerstörung des Opferelements zu einem
Druckaufbau zwischen den Hauptkontakten kommen. Dieser Druck wirkt
der Schließbewegung der Kontakte entgegen und sollte reduziert
werden. Hierfür können, wie in der 5 dargestellt,
z. B. nutförmige Ausnehmungen 15' bzw. Bohrungen
in das Teil 9' eingebracht werden. Diese Nuten verlaufen
bevorzugt in radialer Richtung des zylindrischen Abschnitts des
Teiles 9' an der inneren Stirnflächenseite.
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Bei
einer explosionsartigen Zerstörung des Opferelements können
Teile des Opferelements zwischen die Hauptkontakte gelangen, so
dass dann die Gefahr einer unnötigen Erwärmung
bei Dauerstrombelastung resuliert. Zum Schutz der Kontaktflächen kann
beispielsweise die Hülse 7' bis über
den Kontaktbereich hinaus verlängert werden, wodurch eine Prallwand
für Teile oder Reste des Opferelements gebildet wird.
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Bei
kleinem Innenvolumen ist es bei hohen Überlasten durchaus
sinnvoll, eine Entlüftung des gesamten Kurzschließers
zu realisieren. Diese Entlüftung kann z. B. über
Nuten zwischen den Teilen 2' und 1' vorgenommen
werden, wie dies mit dem Bezugszeichen 14' in der 4 dargestellt
ist.
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Das
Unterbringen der Funktionskomponenten des Überspannungsschutzes
erfolgt in den Figuren immer im Bereich des Hauptanschlusses 9',
wobei prinzipiell die Möglichkeit besteht, Teile oder einzelne
Komponenten auch in anderen Komponenten des Kurzschließers,
z. B. in Teil 1' oder 3', anzuordnen.
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In
einer figürlich nicht dargestellten Ausführungsform
des Kurzschließers werden neben dem Einsatz eines Gasentladungsableiters
im Inneren andere spannungsschaltende Bauelemente, wie Gasableiter,
Z-Dioden, Funkenstrecken oder dergleichen, angeordnet, wobei ebenso
die Möglichkeit besteht, spannungsbegrenzende Bauelemente,
wie Varistoren, Suppressordioden oder dergleichen bzw. deren Kombinationen
zu nutzen.
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Durch
die mögliche Dimensionierung des Opferelements ist eine
Abstimmung zwischen reversiblem und nicht reversiblem Arbeitsbereich
des Überspannungselements möglich. Der Kurzschließer realisiert
auch bei höchster Überlastung und Zerstörung
des Überspannungsschutzes einen sicheren Backup-Schutz.
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Ebenfalls
figürlich nicht dargestellt ist eine Ausführungsform
eines Kurzschließers mit am Mantel isoliertem Opferelement
zur Erhöhung der Isolationsfestigkeit bzw. zur gewünschten
Variabilität der geometrischen Gestaltung, insbesondere
der Baugröße bei höheren Betriebsspannungen.
Dieser Aufbau ist auch komplett in Schutzgas oder Vakuum denkbar.
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Es
können auch Anwendungen im Netzbereich bei hohen Betriebsspannungen
realisiert werden, da die Isolationsstrecken durch die Gestaltung des
Opferelements nahezu beliebig wählbar sind.
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Zur
Realisierung einer hohen Isolationsfestigkeit kann das Opferelement
zusätzlich mit einer Isolationsschicht am Außenmantel
versehen werden, wodurch auch eine Positionierung in unmittelbarer Nähe
zu potentialbehafteten Elementen, wie z. B. den Kurzschließerkontakten
unkritisch ist. Die Isolation kann dabei von einer einfachen Beschichtung
wie Lack oder Glas bzw. Folie bis hin zu einer separaten Umhüllung
in Form eines Schlauches oder dergleichen ausgeführt werden.
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Die 6 zeigt
eine Schnittdarstellung einer Reihenschaltung eines passiven Überspannungsschutzes
mit einem ansteuerbaren Schaltelement.
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Der Überspannungsschutzpegel
im Betriebszustand einer Anlage soll im Allgemeinen nur minimal
oberhalb der Nennspannung wirksam werden. Bei speziellen Gegebenheiten,
z. B. dem Anlaufen von Maschinen oder dem Umschalten auf eine Notenergieversorgung,
wird die Netzspannung häufig kurzzeitig überschritten,
ohne dass ein Fehlerfall vorliegt bzw. das Ansprechen des Überspannungsschutzes
erwünscht ist.
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Für
derartige Fälle kann der Kurzschließer im Ansteuerzweig
neben der bisherigen Reihenschaltung von passiven spannungsschaltenden
bzw. spannungsbegrenzenden Elementen und dem Opferelement mit einem
weiteren Schaltelement verbunden sein. Dieses Schaltelement ist
im einfachsten Fall als Schütz ausführbar, welches
extern oder intern des Kurzschließers angebracht ist. Das
Schütz trennt den Überspannungsschutz während
der oben erwähnten Ausnahmesituationen von der elektrischen
Anlage ab, so dass ein ungewünschtes Ansprechen vermieden
werden kann.
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Eine
derartige prinzipielle Anordnung zeigt die bereits erwähnte 6.
Hierbei wird der Anschluss 16' des Gasentladungsableiters 6' isoliert nach
außen geführt und an ein Schütz 17' angeschlossen,
welches unmittelbar auf dem Sammelschienenanschluss des Kurzschließers
montiert ist. Der isolierte Anschluss 16' des Gasentladungsableiters
kann z. B. als Nut 18' ausgebildet werden. Das mechanische
oder elektronische Schütz 17' ist beispielhaft
extern, aber unmittelbar auf dem Sammelschienenanschluss des Kurzschließers
montiert.
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Der
Gasentladungsableiter wird gegenüber der Darstellung nach 4 vom
Teil 1' isoliert. Hierzu kann beispielsweise ein entsprechender
Boden an der Hülse 7' genutzt werden. Der isolierte
Anschluss 16' wird durch diesen bis zum Gasentladungsableiter isoliert
eingeführt. Es kann demnach prinzipiell das Schütz
auch direkt in den Kurzschließer eingebracht werden. In
diesem Fall können die nicht dargestellten Leitungen zur
Betätigung des Schützes analog zum Anschluss 16' in
den Kurzschließer integriert werden. Ebenso kann das Schütz
unabhängig von dem Kurzschließer in einem externen
Steuerschrank montiert sein oder es wird seine Funktion von einem
vorhandenen Schließer übernommen. Je nach Anforderungen
kann eine nicht dargestellte Potentialsteuerung zur Regelung der
gewünschten, auch eventuell frequenzabhängigen
Spannungsverteilung zwischen Gasentladungsableiter und Schütz
vorgesehen werden.
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Die
Parallelschaltung von Kurzschließern zur Erhöhung
der Dauerstromtragfähigkeit zeigt die 7.
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Zur
Parallelschaltung von zwei Kurzschließern ist jeweils nur
ein isoliert ausgeführter Anschluss des jeweiligen Opferelements
notwendig. Es wird hier auch nur ein Kurzschließer mit
Schaltelement benötigt.
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Gemäß 7 wird
eine entsprechende parallele Anordnung von zwei Kurzschließern
mit jeweils einem isolierten Anschluss des Opferelements analog
zum Anschluss 16' entsprechend der 6 dargestellt.
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Die
beiden Kurzschließer müssen in dieser Gestaltungsvariante
antiparallel an die jeweils gemeinsamen Potentiale, hier beispielsweise
L1 und PEN angeschlossen werden. Der im Bild gezeigte obere Kurzschließer
besitzt in diesem Fall den Gasentladungsableiter 600',
während der unteren Kurzschließer keinen Gasentladungsableiter
enthält. Nach dem Ansprechen des Gasentladungsableiters 600' im
oberen Kurzschließer fließt der Strom vom Anschluss 100' über
das Opferelement 400', den Gasentladungsableiter 600' und
den isolierten Anschluss 16' zum Opferelement 401' und
zum Anschluss 900' des zweiten Kurzschließers
von L1 zu PEN.
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Durch
das identische Schmelzintegral der Opferelemente 400' und 401' wird
bei hohen Kurzschlussströmen ein zeitgleiches Ansprechen
der beiden parallelen Kurzschließer bewirkt.
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Sollen
mehr als zwei Kurzschließer parallel geschaltet werden,
so ist eine beidseitige isolierte Ausführung der Anschlüsse
des Opferelements erforderlich. Auch hierbei wird nur ein Gerät
mit Schaltelement benötigt (siehe Erläuterungen
zur folgenden 8). Die Anschlüsse
der Opferelemente der Geräte ohne Schaltelement werden
in Reihe zum Pfad des Opferelements mit Schaltelement verdrahtet. Durch
den identischen Schmelzintegralwert der Opferelemente ist bei hohen Überlasten
ein zeitgleiches Ansprechen aller Geräte sichergestellt.
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Bei
der Ausführungsform zur Betätigung mit Hilfsenergie
nach 8 ist ein beidseitig isoliert ausgeführtes
Opferelement vorhanden, welches durch Hilfsenergie, z. B. aus der
Notversorgung, unabhängig von den Bedingungen an den Hauptkontakten
in den Kurzschluss versetzt werden kann.
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Die
Sammelschienenanschlüsse des Kurzschließers nach 8 sind
beispielsweise an L1 und PEN angeschlossen. Der Anschluss 16' des
Gasentladungsableiters 6' wird, wie bereits erläutert,
isoliert nach außen geführt. Zusätzlich
wird der weitere Anschluss des Opferelements 4' gegen das
bewegliche Teil 3' und den festen Anschluss 1' isoliert.
Hierzu wird beispielsweise ein zusätzliches Isolationsteil 19' im
Teil 3' angeordnet.
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Der
Anschluss des Opferelements 4' kann im weiteren analog
zum Anschluss des Gasentladungsableiters über eine isolierte
Leitung 20' vorgenommen werden.
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Die
vom Kurzschließer jeweils isolierten Leitungen 16' und 20' können
nun beispielsweise an eine unabhängige Hilfsenergie angeschlossen
werden, welche zur Betätigung des Kurzschließers
zuschaltbar ist. Soll die Auslösung des Kurzschließers ausschließlich
durch einen Stromfluss über das Opferelement realisiert
werden, kann der Gasentladungsableiter 6' entfallen. Bei
der erwähnten Parallelschaltung von n Kurzschließern
wird überwiegend die Ausführungsform ohne Gasentladungsableiter zum
Einsatz kommen.
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Die
Anzeige des Zustands des Kurzschließers kann jederzeit
rein mechanisch realisiert werden. Hierzu besteht die Möglichkeit,
den Führungsdorn des Teiles 3' nach außen
zu führen. Durch die Bewegung ist damit eine Anzeige und
eine Fernmeldung denkbar. Auch besteht die Möglichkeit,
unabhängig von dem Dorn eine mechanische Anzeige durch
einen weiteren Kontaktstift zu realisieren.
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Folgende
im Anschluss erläuterte Modifikationen dienen der Verwendung
des Geräts zum Überspannungsschutz.
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Es
besteht die Möglichkeit, die Relativbewegung der Teile 3', 1' und 9' nicht
zum Kurzschluss, sondern zur Abtrennung zu nutzen. Hier muss das Teil 3' oder
das Teil 9' nur über einen schmalen Kontaktbereich
verfügen. Bei einer entsprechenden Bewegung wird dieser
Kontaktbereich getrennt. Bei sehr enger Toleranz zwischen den Teilen 3' und 1' ergibt
sich somit ein sehr enger Spalt zwischen den Isolationsteilen, welcher
ein sehr gutes Schaltvermögen besitzt. Bei der Wahl eines
federnden Kontaktbands kann bei der Bewegung des Teiles 3' auch
ein weiteres Isolationsteil zwischen die Kontaktfläche
bewegt werden, wodurch eine deutliche Verlängerung der Trennstrecke
gegenüber dem Bewegungsweg erreichbar ist. Auch bei dieser
Lösung lässt sich eine spaltförmige Löschkammer
mit hohem Löschvermögen realisieren. Hierzu ist
es sinnvoll, den Führungsdorn des Teiles 3' isoliert
auszuführen, wie dies in der 9 gezeigt
ist. Die 9 zeigt eine beispielhafte Anordnung
mit Möglichkeiten zur Verlängerung der Trennstrecke.
Das bewegliche Teil 3' besitzt gemäß dieser
Darstellung einen isolierten Führungsdorn 21'. Die
Stromzufuhr zum Teil 3' erfolgt z. B. über eine Ringfeder 22' vom
Teil 1' her. Der Kontaktbereich der Ringfeder 22' ist
räumlich durch die Isolationsteile 23' und 24' lokal
begrenzt.
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Die
Isolationsteile 23' und 24' sind in die Teile 3' bzw. 1' integriert
und besitzen beispielsweise elastische Lamellen 25', 26',
welche bei der Bewegung des Teiles 3' ineinander greifen
und die Teile 3' und 1' nach der Bewegung gegeneinander
isolieren.
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Der
Aufbau kann prinzipiell koaxialsymmetrisch ausgeführt sein.
Es sind aber auch mehrere einzelne Kontakte realisierbar.
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Die 9a stellt
den Zustand vor der Bewegung des Teiles 3' und die 9b nach
der Bewegung des Teiles 3' dar. Es versteht sich, dass
die zeichnerischen Darstellungen die vorstehend erläuterte
Ausführungsform nur beispielhaft illustrieren.
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Bei
dem Einsatz eines Überspannungsableiters mit interner Trennstrecke
in Reihe zum Opferelement ist auch folgende weitere Funktion realisierbar. Das
Gesamtgerät funktioniert als üblicher Überspannungsableiter
mit z. B. thermischer Abtrennvorrichtung. Tritt ein Fehlerfall auf,
bei welchem die thermische Abtrennvorrichtung nicht ordnungsgemäß arbeitet,
z. B. der Überschlagsfall, kein bzw. verzögertes
Ansprechen, mangelhaftes Abschaltvermögen der Trennstelle,
wird das Opferelement durch den nicht unterbrochenen Fehlerstrom überlastet
und es ist ein dauerhafter Kurzschluss des Gesamtgeräts gegeben.
Zusätzlich zur Überlastung des Opferelements entsprechend
dessen Strom/Zeit-Kennlinie kann das Opferelement auf einem thermisch
sensiblen Material direkt oder indirekt gelagert sein. Dieses Material
wird bei Überlastung oder Überschlag der Abtrennvorrichtung
erwärmt, wodurch die Abstützfunktion des Opferelements
aufgehoben wird und der Kurzschließer trotz intaktem Opferelement
in seinen Schließzustand übergeht. In einem einfachsten
Fall wird der Boden der Kontaktplatte 5' gemäß 4, auf
welchem das Opferelement ruht, aus einem Lot oder dergleichen Material
gefertigt. Der Boden steht in einem engen thermischen Kontakt mit
dem überlastgefährdeten Überspannungsableiter
bzw. dessen interner Abtrennvorrichtung.
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Der
Kurzschluss wird durch eine externe, aber auch eine interne Überstromschutzvorrichtung unterbrochen.
Für diese Funktionsweise ist nur eine sehr einfache Abstimmung
der Leistungsfähigkeit des Überspannungsschutzes
und der Stromtragfähigkeit des Opferelements erforderlich.
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Die
Variante Abtrennvorrichtung kann bei einer weiteren Ausführungsform
auch mit Hilfe einer Kommutierungsfunktion unterstützt
werden. Hierzu wird eine Kontakttrennung, wie oben erläutert,
z. B. zwischen Teil 3' und Teil 1' durch die Bewegung
des Teiles 3' realisiert. Im Führungsdorn des
Teiles 3' kann in diesem Fall eine Sicherung integriert
werden, welche nach der Kontakttrennung im koaxialen Umfangsbereich
des Teiles 3' den Strom übernimmt und führt
und diesen entsprechend der Zeit/Strom-Kennlinie unterbricht. Diese
Zweistufigkeit der Unterbrechung kann auch in einer geometrisch
alternativen Gestaltungsvariante umgesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4331992
A1 [0004]
- - DE 4345170 A1 [0004]
- - DE 19746815 A1 [0005, 0006]
- - DE 9419141 U1 [0006]
- - DE 4235329 C2 [0006]
- - DE 4235329 A1 [0007]
- - DE 10313045 B3 [0008, 0009]
- - FR 1514214 A [0011]