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Dokumentenidentifikation DE102005050044A1 03.05.2007
Titel Vorrichtung zur Strombegrenzung
Anmelder MOELLER GmbH, 53115 Bonn, DE
Erfinder Schumacher, Andreas, 53547 Dattenberg, DE
DE-Anmeldedatum 19.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005050044
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse H01H 83/20(2006.01)A, F, I, 20051019, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01H 87/00(2006.01)A, L, I, 20051019, B, H, DE   H01H 77/00(2006.01)A, L, I, 20051019, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begrenzen eines durch einen Störlichtbogen erzeugten Fehlerstroms in einer elektrischen Schalt- oder Verteileranlage, somit auch zum Begrenzen und/oder Unterbrechen eines Störlichtbogens. Die Vorrichtung umfasst eine Fehlererfassungseinrichtung, einen einphasigen Leitungstrenner (20) in mindestens einer Leistungsstrombahn (10) und einen aktivierbaren Strombegrenzer (30) für einen in der Leistungsstrombahn geführten Strom. Es wird vorgeschlagen, dass der Strombegrenzer (30) in paralleler Schaltungslage zum Leitungstrenner (20) angeordnet ist, dass der Leitungstrenner (20) eine Schaltzeit für das Auftrennen der Leistungsstrombahn (10) von kürzer als 5 ms aufweist und dass die Strombegrenzung des Strombegrenzers (30) auf eine Stromstärke ausgelegt ist, die kleiner ist als ein vorbestimmbarer Fehlerstrom, oder auf eine Stromstärker begrenzt ist, bei der ein Störlichtbogen erlischt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung eines durch einen Anlagenfehler (beispielsweise durch einen Störlichtbogen) verursachten Kurzschlussstrom in einer elektrischen Schalt- oder Verteileranlage. Die Vorrichtung soll für Nieder- als auch für Mittelspannung einsetzbar sein.

Die Unterbrechungsvorrichtung umfasst eine Detektionseinrichtung zur Erfassung des Anlagenfehlers oder des Störlichtbogens im Sinne einer Fehlererfassungseinrichtung, einen einphasigen Leitungstrenner in mindestens einer Leistungsstrombahn und einen aktivierbaren Strombegrenzer für einen in der Leistungsstrombahn geführten Strom.

Störlichtbögen können zu extremen Sachschäden, aber auch Personenschäden führen. Zur Begrenzung der Schäden ist neben einer schnellen Erfassung des Fehlers auch die schnelle Abschaltung (Löschung) des Störlichtbogens und/oder Begrenzung des Stroms erforderlich.

Für die rasche Erfassung eines Fehlers gehören verschiedene Lösungen zum Stand der Technik. Es können dabei verschiedene physikalische Parameter einer Schaltanlage oder eines Stromverteilers bei Auftreten eines Störlichtbogens mittels eines geeigneten Sensors detektiert werden. Beispielsweise kann dies über die Einkopplung des Lichts des Störlichtbogens in photoaktive Elemente erfolgen (DE 30 31 517 A1), wobei das Licht opto-elektronisch in einen entsprechenden Schaltbefehl an einen Leistungsschalter gewandelt wird und dieser die Anlage vom Netz trennt.

Vorgeschlagen sind noch weitere Anordnungen zur Unterdrückung oder Löschung eines Störlichtbogens, weil die Dauer der Aktivierung allein eines Leistungsschalters in der Regel zu lang ist, um tatsächlich die Schadenswirkung eines Störlichtbogens zu begrenzen. Eine Einrichtung, mit der innerhalb von wenigen Millisekunden der Störlichtbogen gelöscht werden kann ist durch DE 197 46 566 A1 bekannt geworden. Mit der Zündung einer pyrotechnischen Ladung wird ein Bolzen beschleunigt, der sich klemmend zwischen 2 Stromschienen presst und einen metallischen Kurzschluss erzeugt, wodurch einem brennenden Störlichtbogen unmittelbar die treibende elektrische Energie entzogen wird. Der Störlichtbogen erlischt in einem Zeitraum von einigen ms.

Solche Anordnungen haben den Nachteil, dass durch die mit einer schnellen Abschaltung verbundene zeitliche Stromänderung (di/dt) bei induktiven Lasten hohe Spannungsspitzen auftreten, die für sich genommen ebenfalls Schäden erzeugen können. Weiterhin wird zwar durch die zitierte Anordnung der Störlichtbogen gelöscht, doch weiterhin fließt ein starker Kurzschlussstrom, der relativ viel später von einem Leistungsschalter abgeschaltet wird. Leistungsschalter benötigen zur Abschaltung eine relativ lange Zeit (je nach Leistungsbereich); beispielsweise bis zu 50 ms. Während dieser Dauer fließt der Kurzschlussstrom und Anlagenteile können netzseitig (vor dem Kurzschluss) Schaden erleiden. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass Kurzschluss-Sicherungen nicht in jedem Fall fehlerfrei trennen. Fehlerhaft trennende, netzseitig (vor einer Störlichtbogenlöschung) angeordnete Sicherungen erzeugen ihrerseits einen Störlichtbogen, der von einem netzfernen, träge schaltenden Leistungsschalter nicht rechtzeitig, wirksam unterbrechbar ist. Weiterhin sind Sicherungen nach jedem Auslösen unbrauchbar und sind auszutauschen. Kosten für solche Sicherungen sind hoch.

Für Mittelspannungsanwendungen ist eine als Is-Begrenzer bezeichnete Einrichtung seit mehr als 40 Jahren bekannt und dementsprechend auch häufig schon beschrieben worden. Stellvertretend dafür soll hier mit DE 199 55 682 A1 auf eine Einrichtung für Hochspannung verwiesen werden.

Strombegrenzer auf dem Prinzip von Flüssigmetall-Schaltern sind aus EP 1026720 A1 oder aus EP 1173873 B1 bekannt. Nach einer durch einen Fehlerfall aktivierten Strombegrenzung gehen Flüssigmetall-Schalter wieder in einen normalen Betriebszustand über, so dass solche Strombegrenzer im Gegensatz zu Sicherungen mehrfach benutzbar und nicht austauschbedürftig sind.

Niederspannungssysteme haben im Gegensatz zu Mittelspannungsanlagen besonders hohe Betriebsströme. Während bei Mittel- und Hochspannung kaum Ströme oberhalb von 5.000 A vorkommen, können in Niederspannungsanlagen Ströme von mehr als 100 kA auftreten. Für den Einsatz eines Strombegrenzers und/oder das Abschalten eines Kurzschlusses gibt es daher insbesondere bei induktiven Lasten die Problematik der mit Überspannungen verbundenen Stromsteilheit.

Wegen der aufgezeigten Probleme wird deutlich, dass für Niederspannungsanwendungen im Fehlerfall Bedarf für eine wirksame Strombegrenzung existiert.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Verbesserung bekannter Strombegrenzer anzugeben.

Die Lösung der Aufgabe findet sich im Kennzeichen des Hauptanspruchs. Weiterführende Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen formuliert.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Strombegrenzer in paralleler Schaltungslage zum Leitungstrenner angeordnet ist, dass der Leitungstrenner eine Schaltzeit für das Auftrennen der Leistungsstrombahn von kürzer als 5 ms aufweist und dass die Strombegrenzung des Strombegrenzers auf eine Stromstärke ausgelegt ist, die kleiner ist als ein vorbestimmbarer Kurzschlussstrom oder auf eine Stromstärke begrenzt ist, bei der ein Störlichtbogen erlischt. In der Trennstelle wird ein Leitungstrenner angeordnet, mit dem in kürzerer Zeit als 5 ms die Stromschiene durchtrennbar ist.

Nach Auftrennen des Stromleiters durch den Leitungstrenner kommutiert der Strom in die Parallelstrombahn, in der der Strombegrenzer vorhanden ist.

Weitere vorzugsweise Ausgestaltungen sind noch folgende: Für mindestens eine Stromschiene wird eine Trennstelle vorgesehen, deren Anfang und Ende mit einem Strombegrenzer in Parallelschaltung beschaltet wird Der Strombegrenzer ist auf einen Strom, beispielsweise auf 100 A eingestellt. Ein solcher Strom sollte unter einer Brennstärke liegen, die ein selbständiges Brennen eines Störlichtbogens bei der treibenden Spannung nicht mehr erlaubt. Aus detaillierten Untersuchungen ist der Zusammenhang zwischen treibender Spannung und Erlöschen und/oder Fortdauer des Brennens des Störlichtbogens sehr genau bekannt, so dass die Einstellung des Strombegrenzers präzise einstellbar ist.

Als besondere Vorteile stellen sich die Mehrfachverwendbarkeit des Strombegrenzers und die Sicherheit der Begrenzungsmaßnahme heraus. Wohingegen der Austausch der Trennvorrichtung eine notwendige aber kostengünstige Maßnahme ist, im Vergleich zu möglichen Störlichtbogenschäden.

Als Ausführungsformen werden folgende Einzelheiten vorgeschlagen:

Der Leitungstrenner sollte als mechanische Schneidvorrichtung ausgestaltet ein, mit der die Leistungsstrombahn auftrennbar ist.

In Schaltanlagen und Stromverteilern werden Leistungsstrombahnen meistens als Stromschienen ausgestaltet, so dass es sich im Rahmen der Erfindung hier um eine Schneidvorrichtung handeln soll, die geeignet ist, die Strombahn physikalisch zu öffnen. Vorzugsweise kann der Leitungstrenner so ausgestaltet sein, dass es sich um eine pyrotechnisch angetriebene Schneidvorrichtung handelt.

Die Schneidvorrichtung kann als pyrotechnische Schneidladung ausgestaltet sein. Geeignete pyrotechnische Schneidladungen sind kommerziell erhältlich und sind in einem Beispiel auch in der EP 0052521 A1 beschrieben. Hierbei ist die Zündpille in Form einer linear geformten Ladung mit einem langgestreckten Explosivkörper ausgebildet. Der Explosivkörper wird quer zur Stromschienen-Erstreckung angebracht, so dass der Explosivkörper die Stromschiene in voller Breite durchtrennt.

Der Strombegrenzer kann jeweils einer nach folgender Technologie ausgebildeter Strombegrenzer sein: Es kann ein Flüssigmetall-Strombegrenzer, ein Kaltleiter oder – falls für eine vorgesehen elektrische Anlage technologisch einsetzbar – auch ein Thyristor sein. Bei einigen Flüssigmetall-Strombegrenzern ist eine feste Einbaulage zu beachten. Daher kann es angebracht sein, die Führung der Stromschienen und die Einbaulage der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung zueinander anzupassen. Beispielsweise kann ein Flüssigmetall-Strombegrenzer, der in horizontaler Lage einzubauen ist, genutzt werden, wenn die Stromschienen ebenfalls horizontal liegen, so dass die Strombegrenzer flach auf den Stromschienen zu liegen kommen.

Mit der Detektion eines Störlichtbogens und der Auslösung der Trennvorrichtung kann parallel ein Leistungsschalter beaufschlagt werden. Mit der Auslösung des Leistungsschalters kann der Betriebsstrom endgültig abgeschaltet werden. Die Lage des Leistungsschalters – ob netzseitig vor der Trennvorrichtung und/oder hinter der Trennvorrichtung – sollte von der Art und dem Aufbau der elektrischen Anlage abhängig gemacht werden.

Nach einem Fehlerfall ist die Trennervorrichtung auszuwechseln. Hierzu ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so eingerichtet, dass sie vor und hinter einem Ort der Auftrennung an Verbindungsstellen mit den Stromschienen verfügt, wo über Schraubbolzen die Trennervorrichtung beidseitig mit einem Schienenteilstück verbindbar ist.

Mehr als eine Schneidladung am vorgesehenen Ort der Auftrennung der Stromschiene können angeordnet sein, wenn eine besonders breite und damit sichere Trennstrecke erzeugt werden soll. Damit wird vermieden, dass in einer zu schmalen Trennstrecke ein Schaltlichtbogen entsteht und somit die Wirkung der Trennvorrichtung mindert.

Da beim Einsatz einer pyrotechnischen Schneidladung Metallbestandteile der Stromschiene abgelöst werden und Abgase aus der pyrotechnischen Einrichtung auftreten, sollten Maßnahmen getroffen werden, die der Abschirmung dienen – insbesondere zur Vermeidung von Personenschäden. Danach wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung als Baueinheit mit Gehäuse ausgebildet ist, welche eine feuerfeste Auskleidung und mindestens eine Austrittsöffnung für einen Abgasstrom aufweist. Die Auskleidung kann beispielsweise aus Platten aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen.

Die Erfindung ist in einer Figuren dargestellt; wobei die Figur im Einzelnen zeigt:

1 Aufbau einer Vorrichtung mit zwei Schneidladungen und einem Flüssigmetall-Strombegrenzer.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Weise den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es wird eine als Stromschiene ausgeführte Leistungsstrombahn 10 angedeutet, auf der ein Leitungstrenner 20 angebracht ist. Im Lauf der Stromschiene ist ein Schienenteilstück 16 ausgebildet, welches über Verschraubungen aus der Leistungsstrombahn 10 herauslösbar ist. Anfang und Ende des Schienenteilstücks 16 haben jeweils Verbindungsstellen 18, an denen über Schraubbolzen das Schienenteilstück 16 mit den Stromschienen verbindbar ist. Die Verbindungsstellen sollten so ausgestaltet sein, dass der Zugang und das Herauslösen am besten von der Unterseite der Vorrichtung möglich ist.

Einzelheiten der Detektion eines Störlichtbogens oder der Auslösung (Zündung) der pyrotechnischen Schneidladungen sind nicht dargestellt. Die Vorrichtung soll in einem Gehäuse 60 untergebracht sein, welches hier schematische dargestellt ist. In Parallelschaltung zur Trennvorrichtung 20 ist ein Strombegrenzer 30 vorhanden, der vorzugsweise außerhalb des angesprochenen Gehäuses 60 angebracht ist.

Die Figur zeigt eine einphasige Anordnung. Die Vorrichtung kann auch dreiphasig ausgebildet sein, so dass pro Phase eine Stromschiene 10 vorhanden ist und jede Stromschiene mit einer Trennvorrichtung 20 versehen ist.

Der Strom durch die Stromschiene ist mit I1 bezeichnet. Der Strom I2 im Parallelstrompfad hat für den Normalbetrieb der Schaltanlage keine Bedeutung. Nach der Auftrennung der Stromschiene fließt kurzzeitig der volle Leistungsstrom I1 durch den Strombegrenzer, der daraufhin den Strom auf einen vorbestimmbaren Wert oder unter einen vorbestimmbaren Wert I3 vermindert.

Im Falle eines detektierten Störlichtbogens wird die Trennvorrichtung ausgelöst, wobei das Schienenteilstück 16 an mindestens einer Stelle 24 zerschnitten wird. Damit wird eine Trennstrecke hergestellt. Um eine hinreichende Länge der Trennstrecke zu erzeugen, können mehrere Schneidladungen 22 nebeneinander auf dem Schienenteilstück 16 angebracht werden und somit mehrere Trennstellen 24 erzeugt werden, oder dass insgesamt die Länge der Trennstelle ausreichend groß gemacht wird. Das Schienenteilstück wird auf der der Schneidladung abgewandten Seite von Gegenlagern 26, 26' abgestützt. In jedem Fall sollte das Schienenteilstück auf beiden Seiten der vorgedachten Trennstelle 24 abgestützt sein. Im Einzelfall ist zu prüfen, ob auch mittig zwischen zwei möglichen Trennstellen eine Mittenabstützung 26' notwendig ist oder nicht.

In der Figur ist angedeutet, dass zwei pyrotechnische Schneidladungen 22 nebeneinander auf dem Schienenteilstück 16 angebracht sind. Eine Schneidladung wird quer in voller Breite des Schienenteilstücks 16 auf dem Schienenteilstück 16 angeordnet.

Die Lage und Zahl der Schneidladungen bestimmen Ort und Zahl der Trennstellen 24. Die mögliche Trennstelle in dem Schienenteilstück muss mechanisch nicht besonders ausgestaltet sein. Es kann aber durchaus sinnvoll sein – ohne Verringerung des Leitungsquerschnitts des Schienenteilstücks – Perforationen (beispielsweise Bohrungen) am Ort einer möglichen Trennstelle vorzusehen, so dass dort eine Art Sollbruchstelle für die pyrotechnische Sprengung vorgeprägt ist. Kommerziell angebotene Schneidladungen (z.B. unter dem Markennamen Dynawell) sind Elemente, die sich mechanisch verformen lassen. Daher ist es möglich, eine längere Schneidladung als Wendel (mäanderförmig) auf dem Schienenteilstück anzuordnen. Damit kann auf dem Schienenteilstück eine größere Breite abgedeckt werden, als es mit einer relativ kurzen Schneidladung allein möglich ist.

Der erfindungsgemäße Aufbau nach der Figur besteht aus zwei pyrotechnischen Schneidladungen 22 und einem Flüssigmetall-Strombegrenzer 30, in dem mehrere Verdichterräume 32 und die Flüssigkeitsmetall-Oberfläche angedeutet sind. In der Figur sind im Gehäuse 60 zwei Austrittsöffnungen 62 für einen Abgasstrom 64 dargestellt. Der Strombegrenzer 30 ist mit nicht dargestellten Verbindungselementen über eigene Stromschienen 12 an den die Leistungsstrombahn bildenden Stromschienen 10 befestigt.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Strombegrenzung für einen Fehlerfall in einer elektrischen Schalt- oder Verteileranlage der Niederspannung, insbesondere zum Unterbrechen eines Störlichtbogens, wobei die Vorrichtung umfasst:

eine Detektionseinrichtung zur Erfassung des Fehlerfalls, insbesondere eines Störlichtbogens,

einen einphasigen Leitungstrenner (20) in mindestens einer Leistungsstrombahn (10),

einen aktivierbaren Strombegrenzer (30) für einen in der Leistungsstrombahn (10) geführten Strom,

dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (30) in paralleler Schaltungslage zum Leitungstrenner (20) angeordnet ist,

dass der Leitungstrenner (20) eine Schaltzeit für das Auftrennen der Leistungsstrombahn (10) von kürzer als 5 ms aufweist und

dass die Strombegrenzung des Strombegrenzers (30) auf eine Stromstärke ausgelegt ist, die kleiner ist als ein vorbestimmbarer Fehlerstrom oder auf eine Stromstärke begrenzt ist, bei der ein Störlichtbogen erlischt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungstrenner als Schneidvorrichtung (22) ausgestaltet ist, die die Leistungsstrombahn (10) mechanisch auftrennt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsstrombahn (10) als Stromschiene (16) ausgestaltet ist. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass am Ort (12) einer möglichen Auftrennung in der Stromschiene (16) ohne Verringerung des Leitungsquerschnitts der Stromschiene (16) Perforationen als Sollbruchstellen vorhanden sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungstrenner eine pyrotechnisch angetriebene Schneidvorrichtung (22) ist Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidvorrichtung (20) als pyrotechnische Schneidladung (22) ausgestaltet ist. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Schneidladung (22) quer zur Stromschiene (16) und auf der vollen Breite der Stromschiene (16) angeordnet ist. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei pyrotechnische Schneidladungen (22) am vorgesehenen Ort (24) der Auftrennung der Stromschiene (16) angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (16) vor und hinter einem Ort (24) der Auftrennung als mit Verbindungsmitteln eingesetzbares, aus der Stromschiene herauslösbares Stromschienenteilstück ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer (30) ein Flüssigmetall-Strombegrenzer (32) ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, der Strombegrenzer ein Kaltleiter ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem druck- und sprengfesten Gehäuse (60) untergebracht ist, welches eine feuerfeste Auskleidung und mindestens eine Austrittsöffnung (62) für einen Abgasstrom (64) aufweist.






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