DE3738647A1

DE3738647A1 - Unterbrecher fuer schutzvorrichtung

Info

Publication number: DE3738647A1
Application number: DE19873738647
Authority: DE
Inventors: Elie Belbel; Andre Vergez; Louis Feachant; Jean-Paul Rioette
Original assignee: La Telemecanique Electrique SA
Current assignee: Telemecanique SA
Priority date: 1986-11-14
Filing date: 1987-11-13
Publication date: 1988-05-26
Also published as: IT1224908B; GB2198884A; KR910002243B1; GB2198884B; JPS63141218A; FR2606929B1; FR2606929A1; KR880006814A; GB8726000D0; SE8704371D0; US4816958A; ES2005444A6; SE8704371L; CH676067A5; IT8722601A0; IN171259B; SE463441B; CA1274615A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzvorrichtung zur automatischen Unterbrechungs von Fehlerströmen von verschiedenem Niveau, bei der ein innerer Stromkreis zwischen einem mit dem Netz verbundenen Eingangsanschluß und einem zu einer Last führenden Ausgangsverschluß folgende Organe besitzt:

1. einen mechanischen Unterbrecher, der geöffnet wird, wenn der Stromkreis von einem Strom durchflossen wird, der ein erstes Niveau erreicht:
2. einen Strombegrenzer, der schneller als der vorhergehende Unterbrecher reagiert, wenn sich die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms aus dem Auftreten eines Kurzschlusses ergibt, wobei er ein zweites höheres Niveau erreicht, und der sehr schnell an seinen Anschlüssen eine Potentialdifferenz erzeugt, wobei in diesem Begrenzer eine erste Energiefreisetzung stattfindet;
3. statische Spannungsstabilisierungseinrichtungen, die parallel zu dem Begrenzer angeordnet sind und auf ein Teil der Ströme übertragen wird, wenn diese Potentialdifferenz einen Wert erreicht, der gleich der Stabilisierungsspannung dieser statischen Einrichungen ist.

Derartige Unterbrechervorrichtungen sind beispielsweise aus dem US-Patent 32 49 810 bekannt, bei dem zu einem ersten mechanischen Strombegrenzungsunterbrecher ein Widerstand mit hohem Temperaturkoeffizient und ein nichtlinearer Spannungsbegrenzungswiderstand parallelgeschaltet sind. Bei dieser Vorrichtung findet bei der Öffnung dieses ersten Unterbrechers einerseits eine Übertragung des Stroms, der den Unterbrecher durchflossen hätte, auf den ersten Widerstand statt und andererseits wird durch den Spannungsbegrenzungswiderstand ein Schutz dieses ersten Widerstands hergestellt. Ein zweiter Unterbrecher, dessen Öffnung bezüglich der Öffnung des ersten Unterbrechers leicht verzögert ist, gestattet anschließend eine vollständige Abtrennung des Stromkreises.

Wie aus dem Text dieser Patentschrift klar hervorgeht, ist die Schwellenspannung des Spannungsbegrenzungswiderstands auf das Auftreten von Spannungen eingestellt, die das Zwei- bis Dreifache der normalen Spitzenspannung des Netzes erreichen können, und seine Funktion, die im Prinzip auf die einer Einrichtung zum Schutz des Widerstands mit positivem Temperaturkoeffizient reduziert ist, impliziert somit notwendigerweise, daß diese Schwellenspannung relativ hoch ist. Die Wirkung der bekannten Schaltung, die in einer Verringerung der Belastungen besteht, denen ein solcher Unterbrecher bei dieser Anordnung ausgesetzt wäre, scheint infolgedessen nur dann erreicht zu werden, wenn diese Belastung bereits hohe Werte erreichen.

Da ferner eine der Aufgaben dieses Stabilisierungswiderstandes auf eine Begrenzung der im ersten Widerstand freigesetzten thermischen Energie gerichtet ist, kann man sicher sein, daß die ihn durchfließenden Stromstärken sich zu keinem Zeitpunkt von dem Arbeitsbereich entfernen, der eine stabile Spannungsschwelle hat, über welcher ein Betriebsbereich vom bekannten resistiven Typ auftritt.

Ziel der Erfindung ist es, bei einer Unterbrechervorrichtung, die so ausgebildet ist, daß zum Zeitpunkt der Öffnung der Kontakte wie bei der bekannten Vorrichtung ein Teil der Ströme umgeleitet wird, Maßnahmen zu ergreifen, die ein schnelleres Auftreten der Stromübertragungserscheinung bewirken, um die Abmessungen der Lichtbogengehäuse und die darin auftretenden Erscheinungen zu verringern, wobei gleichzeitig berücksichtigt wird, daß gewisse bekannte Werkstoffe mit spannungsbegrenzenden Eigenschaften ohne Schaden ein kurzes Ausschlagen ihres Arbeitspunktes in einen Kurvenast mit resistivem Charakter, den zu durchlaufen man bisher vermieden hat, aushalten können.

Diese Maßnahmen sind besonders vorteilhaft bei Vorrichtungen, bei denen die auftretenden Energien im Bereich von einigen KJ und bei denen die begrenzten Ströme im Bereich von einigen KA liegen.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß die Spannungsstabilisierungseinrichtungen ein Zinkoxid-Element aufweisen, das die folgenden Eigenschaften hat:

a) Die Schwellenspannung ist kleiner oder gleich der Spannung, die an den Anschlüssen der Begrenzungsvorrichtung auftritt, wenn zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen ein Strom fließt, der dem Auftreten einer Energiefreisetzung in der Vorrichtung mit einem vorbestimmten reduzierten Wert entspricht;
b) ein erster stabilisierender Kennlinienast dieses Bauelements besitzt eine solche Ausdehnung, daß die übertragenen Anfangsströme, die unter und in Nähe von einem Strom liegen, der in dieser Kennlinie einen Knick bildet, von dem aus ein zweiter resistiver Kennlinienast ansteigt, der eine solche Steilheit besitzt, daß der Durchfluß von späteren, übertragenen Strömen, die größer als die ersten umgeleiteten Ströme sind, an den Anschlüssen dieses Bauelements eine Spannung erzeugt, die schnell die momentane Spannung des Netzes erreicht.

Spannungsstabilisierungswiderstände insbesondere auf Basis von Zinkoxid können gegenwärtig ohne Nachteil Überlasten aushalten, deren Energie in einem kurzen Zeitraum eine Größenordnung von 500 J/cm³ erreichen kann, so daß ihr Einbau in ein gegossenes Gehäuse eines Schutzunterbrechers keine Erhöhung der Abmessungen mit sich bringt, was die Vorteile der Verringerung des Volumens der Lichtbogenkammern herabgesetzt hätte.

Ferner können Widerstände mit hohem positivem Temperaturkoeffizient auf der Basis von Polymeren, die geeignete leitende Elemente enthalten, gegenwärtig für eine kurze Zeit Spitzen von einigen KW aushalten.

Ganz allgemein ist zu sagen, daß jede Energie, gleichgültig in welcher Form sie abgeführt wird, sei es, daß sie augenblicklich zum Zeitpunkt des Auftretens eines Kurzschlußstroms abgeführt wird, oder daß sie gespeichert und anschließend nach Durchgang des Kurzschlusses wieder abgegeben wird, zur Begrenzung dieses Stroms beiträgt.

Man kann also in einer zusammenhängenden Weise das Verhalten der Unterbrecher- bzw. Strombegrenzungseinrichtungen im Rahmen einer allgemeinen Energiebilanz angehen, in der die entwickelte Energie berücksichtigt wird, ob diese nun augenblicklich in eine starke Erscheinung mechanischer oder thermischer Natur umgewandelt wird oder im Gegenteil gewissermaßen in Form von Wärme gespeichert und anschließend abgeschwächter wieder abgegeben wird. Wie im Nachstehenden erläutert wird, müssen alle diese Erscheinungen zum einen Zeitpunkt oder zum anderen von einer schnellen Entwicklung einer Spannung begleitet werden, die sich der Spannung des Netzes widersetzen kann.

Im folgenden wird die Erfindung sowie einige abgewandelte Ausführungsformen anhand der beiliegenden Fig. beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der der erste Strombegrenzer aus einem besonderen Widerstand besteht,

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufs des Widerstands eines leitenden Bauelements auf organischer Basis bestehend aus einem leitenden Polymer,

Fig. 3a und 3b Diagramme des Verlaufs der Spannung, die an den Anschlüssen von Zinkoxid-Spannungsbegrenzungswiderständen auftritt, wenn diese von ansteigenden Strömen durchflossen werden,

Fig. 4 ein Diagramm des Verlaufs der Ströme, die die Schaltung von Fig. 1 bei Auftreten von Kurzschlüssen durchfließen.

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Ausführungsform, bei der der Strombegrenzer aus einem ersten mechanischen Unterbrecher besteht,

Fig. 6 eine Verbesserung, die auf die Vorrichtungen gemäß Fig. 1, 8 oder 9 anwendbar ist,

Fig. 7a und 7b zwei Diagramme der Entwicklung der Ströme und Spannungen, die in einer Vorrichtung gemäß Fig. 5 bei Auftreten von Kurzschlüssen auftreten,

Fig. 8 eine Ausführungsform einer Schutzvorrichtung, bei der die Begrenzung der Ströme mittels einer Kontaktbrücke vorgenommen wird, die außerdem durch einen Fernsteuerelektromagnet betätigt werden kann,

Fig. 9 eine Ausführungsform einer Schutzvorrichtung, bei der ein besonders ausgebildeter Begrenzungskontakt mit einem Fernsteuermagnet gekoppelt ist,

Fig. 10 eine Vorrichtung mit zwei gekoppelten Unterbrechern, die eine weitere Möglichkeit der Abtrennung des Stromkreises bieten,

Fig. 11, 12 und 13 zweite, dritte und vierte Ausführungsformen der in Fig. 5 benutzten Unterbrechereinrichtungen,

Fig. 14 einen Teil einer Schaltung zur Unterbrechung von Fehlerströmen, in der Überwachungseinrichtungen, die mit thermisch beaufschlagten Bauelementen verbunden sind, einen Schutz gegen eine zu schnelle Wiederinbetriebnahme bewirken,

Fig. 15 ein Schaltbild der Schaltungen zum Schutz gegen Fehlerströme mit einem Begrenzungsunterbrecher besonderer Art,

Fig. 16 eine abgewandelte Ausführungsform der ferngesteuerten Öffnungseinrichtungen, die in diesem Fall auf einen Abtrennunterbrecher angewendet werden,

Fig. 17 eine besondere Schaltung mit zwei Stabilisierungselementen mit verschiedenen Eigenschaften,

Fig. 20 eine zweite besondere Schaltung von zwei Stabilisierungselementen mit verschiedenen Eigenschaften,

Fig. 18 und 19 zwei Kurven, die die Arbeitsweise von Parallelschaltungen von Stabilisierungselementen darstellen, und

Fig. 21 ein Diagramm, das den Verlauf des schnellen Abfalls des Stroms nach einer automatischen Unterbrechung nach Auftreten eines Kurzschlusses zeigt.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Schutz gegen Stromfehler, die in einer Leitung und gegebenenfalls an einer in Reihe geschalteten Last auftreten können. Diese Vorrichtung besitzt ein isolierendes Gehäuse 2, das zwischen zwei Anschlüssen 3, 4 einer Phase mindestens eine innere Schaltung 5 enthält, die mit einer äußeren Last 6 in Reihe geschaltet ist und durch ein Netz R, S gespeist wird.

Die Schaltung 5 besitzt in Reihe geschaltet einen statischen Strombegrenzer 7, einen mechanischen Abschalt-Unterbrecher 8, einen Magnetdetektor 9 zum Abtasten momentaner Stromüberlasten und einen thermischen Detektor 10 zum Abtasten mäßiger, jedoch anhaltender Überlasten; der Detektor 9 reagiert auf ein erstes Stromniveau bzw. eine erste Stromschwelle I _p.

Diese beiden Detektoren, die die Auslösung eines zuvor durch ein manuell betätigtes Organ 11 _a oder eine Fernsteuereinrichtung, beispielsweise einen Motor 12, gespannten Mechanismus 11 bewirken, dienen im wesentlichen zum Schutz der Last 6, während der statische Strombegrenzer 7 so dimensioniert ist, daß er bei Auftreten von Kurzschlußströmen reagiert, deren Anstieg insbesondere zum Schutz der Speiseleitungen begrenzt werden muß.

Parallel zu dem Strombegrenzer 7, der in diesem Fall aus einem Widerstand mit einem sehr hohen positiven Temperaturkoeffizient beispielsweise aus leitenden Polymeren besteht, ist ein statischer Spannungsbegrenzer 13 auf Zinkoxidbasis geschaltet. Die Beschaffenheit dieser Organe 7 und 13 sowie ihre Bemessungen wurden einerseits so gewählt, daß der Anstieg der Kurzschlußströme sehr schnell in dem ersten eine Temperaturerhöhung bewirkt, die seinen Widerstand R₇ sehr schnell ansteigen läßt, wenn ein steigender Strom i _g fließt; die in Fig. 2 gezeigte Kurve veranschaulicht diesen Verlauf.

Andererseits ist der statische Spannungsbegrenzer 13 so gewählt, daß seine Stabilisierungsschwelle U _s (Fig. 3a) einen so niedrigen Wert hat, daß ihn steigende Übertragungsströme i _d durchfließen, bevor in dem Strombegrenzungswiderstand 7 durch Joule-Effekt eine zu starke oder seine Eigenschaften beeinträchtigende Wärmeenergieentwicklung stattfindet, wenn dieser von einem Anfangskurzschlußstrom i _g, der einen gewissen Wert erreicht, durchflossen wird; mit anderen Worten, hohe Zweigströme i _d beginnen das Spannungsstabilisierungselement 13 zu durchfließen, sobald an den Anschlüssen des Widerstands 7 eine Potentialdifferenz auftritt, die über dieser Spannungsschwelle liegt.

Die Stromübertragung, die auf diese Weise in diesem Spannungsbegrenzer stattfindet, wenn der Strom i _d sich im Bereich des horizontalen Abschnitts A (Fig. 3a) bewegt, kann erfindungsgemäß Größenverhältnisse von etwa zwei erreichen, bevor ein ansteigender Abschnitt B mit einem resistiven Charakter mit einer sehr ausgeprägten Steilheit α auftritt, der auf einen Knick C der Kennlinie folgt, welcher bei einem Strom i _j eintritt. Die Wahl der Werte U _s, i _j und α hängt davon ab, wie die Energie zwischen dem Widerstand 7 und dem Bauteil 13 aufgeteilt werden soll, damit diese ihre Eigenschaften ohne Gefahr einer Beschädigung beibehalten.

Diese Organe müssen sich so verhalten, daß im Abschnitt B tatsächlich starke, jedoch nicht zerstörende Ströme fließen, und zwar in einem kurzen Zeitraum, in dem gewissermaßen eine Parallelschaltung von zwei Widerständen stattfindet. Diese Arbeitsweise wird in den entsprechenden Fig. 1 und 3a damit veranschaulicht, daß das Spannungsstabilisierungsorgan 13 mit einer Serienschaltung von zwei miteinander verbundenen Elementen 13 a, 13 b dargestellt ist, die jeweils den Merkmalen des Abschnitts A bzw. des Abschnitts B entsprechen. Der Verlauf der Ströme in diesen beiden Abschnitten ist in Fig. 4 gezeigt.

Nach Ablauf der kurzen Zeit, die für den gekoppelten Ablauf der beiden Erscheinungen erforderlich war, reagiert der magnetische Stromdetektor 9 seinerseits und gibt die in dem Organ 11 gespeicherte mechanische Energie frei. Diese wird ihrerseits zur Öffnung des Unterbrechers 8 verwendet, der nur die Aufgabe hat, einen beträchtlich verringerten Strom i _e zu unterbrechen und die Schaltung vollständig abzutrennen (vgl. Fig. 4 und 7a). Wenn die Fehlerströme nicht die Höhe von Kurzschlußströmen erreichen, nimmt nur der Unterbrecher 8 eine Abschaltung vor.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform 21 der Schaltung, die in Fig. 5 gezeigt ist, in der Bauteile mit gleichen Funktionen dieselben Bezugszahlen wie in Fig. 1 haben, erfüllt ein zweiter mechanischer Unterbrecher 17 die Funktion eines Kurzschlußstrombegrenzers. Bei einem derartigen Unterbrecher können die elektrodynamischen Abstoßungskräfte ausgenutzt werden, die bei sehr hohen Strömen wirksam werden.

Zum Zeitpunkt der Öffnung eines derartigen Unterbrechers steuert der Verlauf der Lichtbogenspannung U _a, die an seinen Anschlüssen gegen die Spannung des Netzes auftritt, den Anstieg des Stroms i _f in der Schaltung 15. Bekanntlich wird der Verlauf dieser Lichtbogenspannung, die so schnell wie möglich ansteigen muß, insbesondere durch die Dehnungsgeschwindigkeit des Lichtbogens (der gegebenenfalls auf Rippen geteilt wird) und/oder durch die Geschwindigkeit seiner Querschnittsverringerung (die gegebenenfalls durch eine Drosselung verstärkt wird) sowie durch die Abkühlungsgeschwindigkeit bestimmt. Jedes dieser Hilfsmittel oder Kombinationen von ihnen sowie die Verwendung einer Kontaktbrücke mit doppelter Unterbrechung können gewählt werden, um gegebenenfalls mit Hilfe geeigneter Einrichtungen wie z. B. eines Isolierschirms 20, der schnell zwischen die Kontakte tritt, einen schnellen Anstieg der Lichtbogenspannung zu erzeugen.

Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform von Fig. 1 ist parallel zu dem mechanischen Unterbrecher 17 ein statischer Spannungsbegrenzer 23 geschaltet, der mit einer Reihenschaltung eines reinen Begrenzers 23 a mit einer Spannungsschwelle U _s, die sich bis zu einem Knick C bei einem Strom i _j erstreckt, und eines resistiven Organs 23 b mit der Steilheit α in seinem Kennlinienteil B vergleichbar ist (vgl. Fig. 3b).

Bei Auftreten eines Kurzschlusses in dem Stromkreis 15 beginnt sich zum Zeitpunkt t₀ ein Strom zu entwickeln, der von der Nennstromstärke I _n ausgeht und mit der Richtung I _cc ansteigt. Zum Zeitpunkt t₁ erreicht dieser Strom einen Wert I _p, bei dem die Stromdetektoren 8 reagieren würden, wenn dieser Anstieg weniger schnell wäre. Dieser Wert I _p liegt beispielsweise in der Größenordnung vom 12- bis 15fachen des Nennstroms I _n, wenn z. B. ein die Last bildender Motor geschützt werden soll.

Die tatsächliche Öffnung des Begrenzungsunterbrechers 17 findet statt, wenn der ihn durchquerende Strom zum Zeitpunkt t₂ einen Wert i _c erreicht, der etwa das 50- bis 100fache des Nennstroms beträgt.

Bei den gebräuchlichen, unter Niederspannung benutzten Begrenzungsunterbrechern, bei denen man die Lichtbogenspannung eines mechanischen Unterbrechers schnell ansteigen läßt, geht diese von einem Ausgangswert von etwa 15 bis 20 V aus und erreicht Höchstwerte von beispielsweise 800 V, so daß schnell ein Spitzenwert i _m des begrenzten Stroms auftritt. Diese Erscheinung, die durch die Gleichung

bestimmt wird, in der L und R die Induktanz und der Widerstand des Stromkreises sind und U _r und U _a die Netzspannung bzw. die Lichtbogenspannung bedeuten, zeigt, daß die Spitze i _M des begrenzten Stroms praktisch erreicht ist, sobald U _a = U _r.

In dem Stromkreis 15 von Fig. 5 wurde beispielsweise ein Begrenzungswiderstand 23 mit einer Spannungsschwelle U _s von etwa 20 V gewählt, die sich über einen Kennlinienabschnitt A erstreckt, bei dem der Strom i _j des Knicks C nahe bei dem Wert des Stroms i _c liegt.

Sobald also nun U _a 20 V erreicht, findet eine sehr schnelle Übertragung des Stroms, der den Unterbrecher 17 durchfloß, auf das Stabilisierungselement 23 statt, das sich praktisch wie ein Shunt mit sehr geringem Widerstand, der von einem Zweigstrom i _d durchflossen wird, verhält. Mangels ausreichender Spannung U _c an seinen Anschlüssen erlischt der Lichtbogen nun in Nähe des Zeitpunkts t₂ bei t′₂.

Will man jedoch auf statischem Weg eine Begrenzung vornehmen, die mit der Begrenzung unter Lichtbogen vergleichbar ist, so muß anstelle einer steigenden Lichtbogenspannung eine andere steigende Spannung benutzt werden, wie sie in der Schaltung 5 von Fig. 1 erzeugt wird.

Diese steigende Spannung U _z erreicht man hierbei dadurch, daß ein Bereich B₁ der Kennlinie des Bauelements 13 nach dem Knick C₁ einen ansteigenden Abschnitt mit resistivem Verhalten mit der Steilheit α₁ besitzt, der zu einem Strom i _z führt, der von dem Auftreten einer steigenden Spannung U _z mit der Steilheit β₁ an seinen Anschlüssen begleitet wird (vgl. Fig. 3b).

Je größer diese Steilheit ist, umso schneller wird ein Zeitpunkt t₃ erreicht, zu dem U _r = U _z und zu dem der Strom i _z einen Spitzenwert von i _m erreicht (vgl. Fig. 7a und 7b).

Aus den Fig. geht hervor, daß der größte Teil der durch diese Unterbrechung freigewordenen Energie in dem ZnO-Element 23 verbraucht und gespeichert wurde, während in dem Unterbrecher 17 nur eine äußerst begrenzte Energie in Form eines Lichtbogens von sehr kurzer Dauer entwickelt wurde.

Äußere thermische, mechanische und akustische Erscheinungen sowie die Erosion der Kontakte des Unterbrechers werden dadurch erheblich herabgesetzt.

Es ist deshalb vorteilhaft, ein ZnO-Element zu benutzen, das gleichzeitig in A₁ eine Spannungsschwelle U _{s 1} von geringem Wert, in B₁ eine Steilheit α₁ mit resistiver Charakteristik, die einen hohen Wert hat oder schnell ansteigt, und einen Stabilisierungsbereich besitzt, der eine Ausdehnung hat, die einerseits mit dem Maximumstrom, der übertragen werden soll, um den Lichtbogen zu dem Zeitpunkt zu löschen, zu dem dieser eine vorbestimmte und geringe Energie entwickelt hat, und andererseits mit der Maximumenergie zu vereinbaren ist, die das ZnO-Element ohne Beschädigung absorbieren kann, damit die Reversibilität seines Betriebs für eine zuvor festgelegte Anzahl von Arbeitszyklen gewährleistet ist.

Eine Möglichkeit zu erreichen, daß ein ZnO-Spannungsbegrenzer einen bestimmten oder zuvor entwickelten Wärmeschock besser aushalten kann, besteht darin, ihn mit einer Parallelschaltung von zwei Elementen zu bilden, die ähnliche Eigenschaften besitzen.

Wenn auf diese Weise die Ausdehnung des Stabilisierungsbereichs verringert werden kann, so daß jedes dieser Elemente von einem weniger hohen Strom - beispielsweise i _d/2 - durchflossen wird, so müssen doch solche Elemente gewählt werden, die stärkere Neigungen α besitzen, damit der Anstieg der Spannung U _z an ihren Anschlüssen im wesentlichen denselben Verlauf behält.

Eine zweite Möglichkeit, die entwickelte Energie auf mehrere miteinander gekoppelte ZnO-Spannungsbegrenzer aufzuteilen, besteht darin, zwei Spannungsbegrenzer 23 c, 23 d mit unterschiedlichen Stabilisierungsschwellen U′ _s, U′′ _s parallelzuschalten. Wenn hierbei ein Strom i _{z 1} erreicht wird, der an den Anschlüssen des ersten Elements 23 c einen Spannung U _{z 1} erzeugt, die gleich der höheren Schwellenspannung U′′ _s des zweiten Elements ist, findet eine zweite Stromübertragung statt, so daß das erste Element nicht mehr einer so starken Energieentwicklung unterliegt (vgl. Fig. 17 und 18).

Diese zweite Stromübertragung kann jedoch nur stattfinden, wenn der Knickstrom i′′ _j des Elements 23 d größer als der Knickstrom i′ _j des Elements 23 c ist.

Der Wert der Anstiegssteilheit der Spannung, der sich aus der Parallelschaltung von zwei B-Abschnitten mit unterschiedlicher resistiver Charakteristik ergibt, läßt eine Verringerung der Anstiegssteilheit β der Spannung vorhersagen, die nach dieser zweiten Übertragung einen entsprechenden Gesamtverlauf mit geringerer Steilheit nimmt. Dieser Nachteil kann vermieden werden, wenn man ein Bauelement wählt, dessen Knickstrom i′′ _j hoch ist.

Man kann auch eine Stromübertragungsvorrichtung mit parallelen Bauelementen mit unterschiedlichen Spannungsschwellen U _{s 3}, U _{s 4} schaffen, so daß die Arbeitscharakteristik eine Hystereseeigenschaft besitzt und die Verringerung des Stroms nach Erreichen seines Spitzenwerts am Rückweg über eine Spannungsschwelle U _{s 4} stattfindet, die wesentlich höher als die betreffende Spannungsschwelle U _{s 3} am Hinweg ist (vgl. Fig. 19).

Eine derartige Vorrichtung, mit der man eine starke Abfallsteilheit γ des Stroms erzielt oder beibehält, trägt zur Verringerung der Gesamtunterbrechungszeit t₆ bei.

Bei einer ersten, in Fig. 20 gezeigten Schaltung 90, in der zwei ZnO-Elemente 91, 92 mit sehr unterschiedlichen Spannungsschwellen (beispielsweise 20 V und 600 V) zu einem Begrenzungsunterbrecher 93 parallelgeschaltet sind, wird in dem ersten Zweig 95, der das erste Element 91 mit der niedrigeren Spannungsschwelle enthält, ein gesteuerter Halbleiter 94 benutzt.

In der besonderen Schaltung 96 von Fig. 17 sind zu dem mechanischen Begrenzungsunterbrecher 97 folgende Elemente parallelgeschaltet:

1. Ein erster ZnO-Spannungsbegrenzer 98 mit einer Spannungsschwelle U _{s 3} von nahe 20 V, der mit einem Widerstand 99 mit sehr hohem Temperaturkoeffizient auf der Basis von leitenden Polymeren in Reihe geschaltet ist;
2. Ein zweiter ZnO-Spannungsbegrenzer 100, der eine Spannungsschwelle U _{s 4} von sehr hohem Wert, beispielsweise von etwa 600 V besitzt, wenn die Netzspannung etwa 380 V bis 440 V beträgt.

Wenn sich der Begrenzungsunterbrecher 97 öffnet und wenn die Stromübertragung i _{d 1} in den ersten Zweig 101 stattfindet, erlischt wie im vorhergehenden Fall der Lichtbogen und im Widerstand 99 findet eine sehr starke Energieentwicklung statt. Diese Erscheinung kann auf verschiedene Weisen ablaufen, und zwar je nachdem, ob der schnelle Widerstandsanstieg im wesentlichen zu dem Zeitpunkt stattfindet, zu dem der Strom den Wert I _j des Knicks C erreicht (vgl. durchgehend gezeichnete Kurve) oder später bei einem Strom i _{j 1} (vgl. unterbrochen gezeichnete Kurve).

In beiden Fällen wurde die resistive Anstiegssteilheit im Vergleich zu der Steilheit, die ein einziges Schwellenelement besitzen würde, modifiziert.

Sobald die Spannung an den Anschlüssen des ersten Zweigs 101 einen Wert erreicht, der gleich der Spannungsschwelle U₄ des zweiten Elements 100 ist, wird ein Strom i _{d 2} in den zweiten Zweig 102 übertragen.

Das Vorhandensein des Widerstandes mit positivem Temperaturkoeffizient, der sich noch auf einer hohen Temperatur befindet und infolgedessen einen sehr hohen Widerstand besitzt, bewirkt, daß der Strom nicht den Zweig 101 durchfließen und sich der Kennlinie des Elements 98 entsprechend entwickeln kann. Die Spannung an den Anschlüssen wird nun allein durch das zweite Element 100 bestimmt, d. h. der Abfall des Stroms findet unter den Bedingungen des Kurvenasts D statt, auf dem sich der Arbeitspunkt bewegt (vgl. Fig. 21).

Die Gleichung

besitzt somit zu diesem Zeitpunkt ein zweites Glied U _r-U _{s 4′} das weit unter Null bleibt, so daß eine vergleichbare Entwicklung nimmt; daraus ergibt sich ein sehr schneller Abfall des Stroms, der zu einer Verringerung der Gesamtunterbrechungszeit T₆ und infolgedessen zu einer Verringerung der zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₆ entwickelten Energie beiträgt.

Eine zusätzliche Verbesserung der Verringerung der durch den Lichtbogen in einer Schaltung gemäß Fig. 5 freigewordenen Energie kann dadurch erreicht werden, daß man zu dem Begrenzungsunterbrecher 17 einen Widerstand 19 (in unterbrochenen Linien gezeichnet) mit hohem Temperaturkoeffizient parallelschaltet, der mit dem Widerstand 7 von Fig. 1 vergleichbar ist.

Dieser Widerstand, der hierbei nicht dieselbe Rolle spielt wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel von Fig. 1, bewirkt einerseits das unmittelbare Auftreten eines zusätzlichen Zweigstroms i _g′, bevor die Spannungsschwelle U _s des Stabilisierungswiderstands 23 erreicht wird, und bewirkt andererseits einen hohen Energieverbrauch, bevor der ansteigende Ast des resistiven Kennlinienabschnitts des Spannungsbegrenzungswiderstands erreicht wird, der seinerseits von dem Strom i _z durchflossen wird.

Der Verlauf der doppelten Stromübertragungserscheinung zeigt, daß, wenn der begrenzte Strom auch nur eine geringe Verringerung seines Spitzenwertes erfährt, die momentan durch den Lichtbogen entwickelte Energie (beispielsweise mit ∫i² dt ausgedrückt) in einem beträchtlichen Maß verringert wird.

Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel gestattet eine nachfolgende Öffnung des mechanischen Unterbrechers 18, die nur mehr auf einen sehr begrenzten Strom stattfinden muß, die vollständige Abtrennung des Stromkreises.

Bei Verwendung eines einzigen ZnO-Elements mit einer Schwelle von 20 V jedoch muß der Zeitpunkt t₄, zu dem diese Öffnung stattfindet, vor dem Zeitpunkt t _s liegen, zu dem an den Anschlüssen der Vorrichtung eine wiederhergestellte Spannung U _m auftritt, die über der Schwellenspannung liegt.

Die Energie, die in Form von Wärme in dem Widerstand 19 und dem Element 23 gespeichert wurde, wird anschließend in den oder die Bereiche 24, 25 des Gehäuses 22 abgegeben, die so ausgebildet sind, daß sie eine schnelle Wärmeabfuhr gewährleisten. (Fig. 6).

Diesen Bereichen können in einer verbesserten Vorrichtung 31 Temperaturfühler, beispielsweise Bimetallelemente 26, 29, zugeordnet werden, die auf mechanischem Weg (28, 28 b) oder auf elektrischem Weg (28, 28 a) eine manuelle oder ferngesteuerte Rückstellung des Mechanismus 11 unmöglich machen, solange der Widerstand und/oder das Stabilisierungselement nicht in ein bestimmtes thermisches Gleichgewicht zurückgekehrt sind. Wenn es die Ausbildung der Unterbrecher 17 bzw. 27 gestattet, können diese Temperaturfühler und nach einer automatischen Öffnung deren absichtliche Wiederschließung verhindern und anschließend zulassen, indem sie beispielsweise auf den Speisekreis 35 eines Fernsteuer-Elektromagnets 30 mit Hilfe des Reihenunterbrechers 35 a einwirken (vgl. Fig. 14). Ein Unterbrecher 44, der einen beweglichen Begrenzungskontakt 44 a und einen pseudo-feststehenden Kontakt 44 b, der durch den Elektromagnet 30 betätigt wird, besitzt, kann sich für diese Ausführungsform eignen.

Im Fall einer solchen Fernsteuerung, die bei Fehlen von Fehlern stattfindet, muß eine zusätzliche Ausschaltung der Widerstände 19, 23 vorgesehen werden, damit eine totale Abtrennung der Leitung erreicht wird, wenn dieser Vorgang bei einem geschlossenen Unterbrecher 8 durchgeführt wird.

Wenn der Begrenzungsunterbrecher 37 einer Vorrichtung 41 eine Kontaktbrücke 38 besitzt, so kann diese beispielsweise mit Hilfe einer leitenden Litze 37 a mit Anschlüssen 32, 32′ der Widerstände 33 bzw. 39 verbunden werden, deren andere Anschlüsse 34, 34′ direkt entweder mit dem Speiseanschluß 3 des Stromkreises 35 oder mit dem Unterbrecher 8 verbunden sind (Fig. 8). Bei einer derartigen Schaltung kann man gegebenenfalls diesen Unterbrecher 8 weglassen, indem man den Mechanismus 11 parallel zur Einwirkung des Fernsteuer-Elektromagnets 30 auf den Unterbrecher 37 einwirken läßt.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform 31 a besitzt der Begrenzungsunterbrecher 27′, dessen Öffnung durch den Elektromagnet 30 ferngesteuert werden kann, einen beweglichen Kontakt 27 a, der in geschlossener Stellung an zwei voneinander isolierten, feststehenden Kontakten 27 b, 27 c anliegt, dessen einer mit dem Unterbrecher 8 und dessen anderer mit zwei Widerständen 23, 19 verbunden ist, so daß die Öffnung dieses beweglichen Kontakts eine vollständige Abtrennung des Stromkreises 35 a bewirkt.

Wenn der Begrenzungsunterbrecher 47 einer Vorrichtung 41 a ein Unterbrecher mit einfacher Unterbrechung mittels beweglichem Kontakt ist, muß ein zusätzlicher Unterbrecher 42 vorgesehen werden, dessen Bewegung mit der des Begrenzungsunterbrechers gekoppelt ist oder nicht (Fig. 10), um die beiden Widerstände aus dem Stromkreis 45 auszuschalten und eine vollständige Abtrennung zu erreichen.

Ferner kann eine ferngesteuerte Öffnung einer zu einer Vorrichtung 81 (Fig. 16) gehörenden Schaltung 85 vorgenommen werden, indem man einen Fernsteuer-Elektromagnet 30 auf den beweglichen Kontakt 8 a oder den feststehenden Kontakt 8 b eines Unterbrechers 8 c einwirken läßt, der mit dem Mechanismus 11 auf geeignete Weise gekoppelt ist, um entweder Abschaltfunktionen oder Abtrennfunktionen durchzuführen.

Eine erste abgewandelte Ausführungsform 51 (Fig. 11), bei der eine Kombination der Maßnahmen der Fig. 1 und 5 vorgenommen wird, ist ein Stabilisierungswiderstand 53 zu der Reihenschaltung eines mechanischen Begrenzungsunterbrechers 57 und eines Widerstandes 59 mit hohem positivem Temperaturkoeffizient parallelgeschaltet. Auch hier kann die vollständige Abtrennung des Stromkreises 55 nur durch die nachfolgende Öffnung des Unterbrechers 8 bewerkstelligt werden.

Gemäß einer zweiten abgewandelten Ausführungsform 51 a (Fig. 12), bei der eine ähnliche Kombination wie in Fig. 11 vorgenommen wird, ist der Stabilisierungswiderstand 53 a zu einem Begrenzungsunterbrecher 57 a parallelgeschaltet, und diese Parallelschaltung ist ihrerseits mit dem Widerstand 59 a mit hohem positivem Temperaturkoeffizient im Stromkreis 55 a in Reihe geschaltet.

Bei einer in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform 61 ist ein Begrenzungsunterbrecher 67 mit einem Widerstand 69 mit hohem positivem Temperaturkoeffizient in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung ihrerseits im Stromkreis 65 zu einer Reihenschaltung parallelgeschaltet ist, die aus einem Abtrennungsunterbrecher 68 und einem Spannungsbegrenzungswiderstand 63 besteht.

In einer ersten Arbeitsphase im Kurzschlußstrombetrieb arbeitet diese Schutzvorrichtung wie die Vorrichtung von Fig. 11 infolge der vorhergehenden Öffnung des Begrenzungsunterbrechers 67, der zunächst einen Strom i _g unterbrechen muß. Der Zweigstrom i _d, der gleichzeitig eine starke Erhöhung des Widerstands des Elements 63 bewirkt hat, wird anschließend durch die Öffnung des Abtrennunterbrechers 68 unterbrochen, wenn eine Magnetwicklung 9 die Auslösung des Mechanismus 11 bewirkt.

Diese Art von Stromkreis erfordert allerdings eine gewisse mechanische Kopplung 62, 64 der Einwirkung des Mechanismus 11 auf die beiden Unterbrecher 68, 57, um eine vollständige Abtrennung zu bewirken, wenn die Stromfehler nur durch die Wicklung 9 oder das Bimetallelement 10 abgetastet werden.

Von den Möglichkeiten, die sich zur Ausbildung der Vorrichtungen mit Begrenzungsunterbrechern 17, 27, 37, 47, 57 und 67, deren Nennabmessung geringer ist, bieten, ist die in Fig. 15 gezeigte Ausführung 70 zu erwähnen, bei der der bewegliche Kontakt 77 mit einfacher oder doppelter Unterbrechung bei Auftreten von Kurzschlußströmen beispielsweise durch die momentane Bewegung eines Tauchkerns 71 angestoßen wird, der einer zweiten Schnellmagnetwicklung 72 zugeordnet ist, die mit einer ersten Wicklung 73 in Reihe geschaltet ist, deren langsamere Arbeitsweise mit der der Wicklung 9 von Fig. 1 verleichbar ist.

Schließlich ist es möglich, den beweglichen Kontakten der Abtrennunterbrecher magnetisierbare U-förmige Elemente zuzuordnen, die bekannt sind und auf diese Kontakte elektrodynamische Kräfte übertragen können, die einerseits den Kontaktdruck in Richtung Schließung verstärken, wenn die auf Kurzschlüsse zurückzuführenden hohen Ströme fließen, und andererseits diesen Kontaktdruck zu dem Zeitpunkt verringern, zu dem die Stärke dieser Kurzschlußströme sich beträchtlich verringert hat und die Bewegung des beweglichen Kontakts in Richtung Öffnung stattfinden soll.

Claims

1. Elektrische Schutzvorrichtung zur automatischen Unterbrechung von Fehlerströmen von verschiedenem Niveau, bei der eine innere Schaltung (5), die zwischen einem mit dem Netz verbundenen Eingangsanschluß (3) und einem zu einer Last (6) führenden Ausgangsanschluß (4) angeordnet ist, folgende Bauteile aufweist:

1. eine mechanische Unterbrechungsvorrichtung (8), deren Öffnung stattfindet, wenn durch die Schaltung ein Strom fließt, der ein erstes Niveau erreicht;
2. eine Strombegrenzungsvorrichtung (7, 17), die schneller als die vorhergehende Vorrichtung reagiert, wenn die Anstieggeschwindigkeit des Stroms sich aus dem Auftreten eines Kurzschlusses ergibt und dabei ein zweites höheres Niveau (I _c ) erreicht, und die sehr schnell an ihren Anschlüssen eine Potentialdifferenz (U _a ) entwickelt, wobei in ihr eine erste Energiefreisetzung stattfindet;
3. statische Spannungsstabilisierungseinrichtungen (13, 23), die parallel zu der Begrenzungsvorrichtung angeordnet sind, so daß durch diese statischen Einrichtungen ein Teil (I _g ) der Ströme umgeleitet wird, wenn diese Potentialdifferenz einen Wert erreicht, der gleich der Stabilisierungsspannung (U _s ) der statischen Einrichtungen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsstabilisierungseinrichtungen ein Zinkoxid-Element (13) mit den folgenden Eigenschaften besitzen:

a) die Schwellenspannung (U _s ) ist kleiner oder gleich der Spannung (U _c ), die an den Anschlüssen (j, k) der Strombegrenzungsvorrichtung (7) auftritt, wenn zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen ein Strom (I _c ) fließt, der dem Auftreten einer Energiefreisetzung (E) von einem geringen, vorbestimmten Wert in der Begrenzungsvorrichtung entspricht,
b) ein erster stabilisierender Kennlinienast (A) besitzt eine solche Ausdehnung, daß die anfangs übertragenen Ströme (I _d ) nahe bei und kleiner als ein Strom (I _j ) sind, der in dieser Kennlinie einen Knick (C) bildet, von dem aus ein zweiter resistiver Kennlinienast (B) aufsteigt, der eine solche Steilheit ( α ) besitzt, daß der Durchfluß von anschließend übertragenen Strömen (I _z, A _z ), die höher als die ersten umgeleiteten Ströme (I _d ) sind, an den Anschlüssen (j, k) dieses Bauelements (13) eine Spannung (U _z ) entwickelt, die schnell die momentane Spannung (U _r ) des Netzes erreicht.

2. Unterbrechervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strombegrenzungseinrichtung ein Widerstand (7) mit leitendem Polymer mit einem hohen positiven Temperaturkoeffizient ist, wobei die Spannungsschwelle des Spannungsbegrenzungselements (13) so gewählt ist, daß die auf das Auftreten eines Kurzschlußstromes folgende Energiefreisetzung (E) einen reversiblen Betrieb dieses Widerstands (7) gestattet.

3. Unterbrechervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strombegrenzungseinrichtung ein Unterbrecher (17, 27, ...) mit mechanischen Kontakten ist, wobei die Spannungsschwelle des Spannungsbegrenzungselements (23) mit etwa 20 V bis 30 V gewählt ist.

4. Unterbrechervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Spannungsbegrenzungselement (23) ein Widerstand (19) aus leitendem Polymer mit einem hohen positiven Temperaturkoeffizient geschaltet ist.

5. Unterbrechervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem mechanischen Begrenzungsunterbrecher (27) Einrichtungen (20 bzw. 71, 72) zugeordnet sind, um die anfänglichen Lichtbogenspannung schnell ansteigen zu lassen.

6. Unterbrechervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsbegrenzungselement (53) parallel zu einer Reihenschaltung geschaltet ist, die aus einem Begrenzungsunterbrecher (57) und einem Widerstand (59) mit hohem Temperaturkoeffizient besteht.

7. Unterbrechervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (59 a) mit hohem Temperaturkoeffizient mit einer Parallelschaltung in Reihe geschaltet ist, die aus einem Begrenzungsunterbrecher (57 a) und dem Spannungsbegrenzungselement (53 a) besteht.

8. Unterbrechervorrichtung nach Anspruch 3 und/oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spannungsbegrenzungsunterbrecher (67) mit einem Widerstand (69) mit hohem Temperaturkoeffizient in Reihe geschaltet ist, wobei diese erste Reihenschaltung ihrerseits zu einer zweiten Reihenschaltung parallelgeschaltet ist, die aus dem Spannungsbegrenzungselement (63) und dem Abtrennunterbrecher (68) besteht.

9. Unterbrechervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß thermische Überwachungseinrichtungen (26, 29), die dem Widerstand (19) mit einem hohen Temperaturkoeffizient bzw. dem Spannungsbegrenzungselement (23) zugeordnet sind, auf mechanischem (28, 28 b) bzw. elektrischem Weg (28, 28 a) eine Blockierung der Schließung des Abtrennunterbrechers (8) bewirken, solang noch keine thermische Stabilität erreicht ist.

10. Unterbrechervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Einrichtungen (30) die Fernbetätigung des Begrenzungsunterbrechers (37, 27 a, 47) gestatten, wobei dieser mit elektrischen Verbindungseinrichtungen (37 a bzw. 27 b, 27 c bzw. 42) gekoppelt ist, die den Widerstand mit hohem Temperaturkoeffizient und das Spannungsbegrenzungselement aus dem Stromkreis (35 bzw. 35 a bzw. 45) ausschalten.

11. Unterbrechervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Einrichtungen (30 a) die Fernbetätigung des Abtrennunterbrechers (8 a, 8 b, 8 c) unabhängig von einem mit ihm verbundenen Auslösemechanismus (11) gestatten.

12. Unterbrechervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei statische Spannungsbegrenzungselemente (98, 100) mit Spannungsschwellen (U′ _s bzw. U′′ _s ), von denen die eine niedrig und die andere hoch ist, in einer Parallelschaltung angeordnet sind, so daß zwei umgeleitete Ströme sie nacheinander beim Anstieg der an den Anschlüssen der Strombegrenzungseinrichtungen (97) auftretenden Spannung durchfließen.

13. Unterbrechervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweig (101 bzw. 95) der Parallelschaltung, der das Bauelement (98 bzw. 91) enthält, dessen Stabilisierungsschwelle (U _{s 3}) die niedrigere ist, Einrichtungen (99 bzw. 94) besitzt, die eine Blockierung dieses Zweigs bewirken, wenn die Spannung an den Anschlüssen dieser Schaltung abnimmt, nachdem sie einen Wert passiert hat, der gleich dem der höheren Stabilisierungsschwelle (U _{s 4}) ist.

14. Unterbrechervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Bauelement (98, 91) in Reihe geschalteten Blockierungseinrichtungen aus einem Widerstand (99) mit hohem Temperaturkoeffizient bzw. aus einem gesteuerten statischen Unterbrecher (94) bestehen.