DE19502210A1

DE19502210A1 - Strombegrenzer-Nennstrommodul

Info

Publication number: DE19502210A1
Application number: DE19502210A
Authority: DE
Inventors: David Arnold
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 1995-08-03
Also published as: CA2140605A1; IT1272920B; ITMI950090A0; ITMI950090A1; FR2716754B1; FR2716754A1

Description

Industrieschalter, wie sie in der US-A-4 782 583 mit dem Titel "Method of Assembly of a Molded Case Circuit Breaker Crossbar" beschrieben sind, erfordern Betriebskomponenten, die so bemessen sind, daß sie den größten verfügbaren Strom während einer Stromkreisunterbrechung handhaben können. Da ein verfügbarer Kurzschlußstrom nur durch die Restimpedanz der Schaltungsanordnung begrenzt ist, sind die Schalter in Industrieumgebungen so bemessen, daß sie Kurzschlußströme handhaben, die mehrere Größenordnungen größer sind als Feh lerströme, die auf Grund von Routinefehlern auf treten, die als "Langzeit-" oder "Kurzzeit-" Fehler bezeichnet werden, um sie von Kurzschlußfehlern zu unterscheiden.

Es sind mehrere Versuche gemacht worden, die Größe der stromführenden Komponenten eines Schalters zu begrenzen, indem der Kurzschlußstrom auf einen handhabbaren Wert be grenzt wird. Ein derartiger Versuch ist der "bogenlose" Schalter, der in der US-A-4 583 146 mit dem Titel "Fault Current Arcless Circuit Interruption" beschrieben ist, wo bei der Strom vor der Kontakttrennung auf einen spannungs variablen Widerstand übertragen wird, um den Lichtbogen zu eliminieren, der bei der Kontakttrennung auftritt, und um die Kontaktstücke während der frühen Stufen der Stromkurve schnell zu trennen.

US-A-4 375 021 mit dem Titel "Rapid Electric Arc Extinguis hing" beschreibt die Verwendung von sogenannten "Offen- Blas-"Kontaktarmen, um den Überlaststrom der Schaltungsan ordnung auf einen vernünftigen Wert zu begrenzen, bevor der Betätigungsmechanismus des Schalters geschwenkt wird, um den Kreisstrom zu unterbrechen.

US-A-3 488 761 mit dem Titel "Current Limiter Device" be schreibt die Kombination von einem Material mit positivem Temperatur-Coeffizienten (PTC) parallel mit einem Metallwi derstand und in Reihe mit zwei trennbaren Kontaktstücken, um den Strom zu begrenzen, der durch die Kontaktstücke un terbrochen wird.

US-A-4 413 301 mit dem Titel "Circuit Protection Devices" beschreibt die Verwendung von einer PTC Vorrichtung in Reihe mit einem Ohm′schen Widerstand und den trennbaren Kontakt stücken.

Weltpatent WO 91/12643 beschreibt eine PTC Strombegrenzera nordnung, wobei PTC Vorrichtungen mit unterschiedlichem me tallischen Gehalt in Reihe geschaltet sind, um den Be triebsbereich des Strombegrenzers auszudehnen. Die Verbin dung der PTC Vorrichtung in Reihe mit der geschützen Schal tungsanordnung verbraucht jedoch eine gewisse elektrische Leistung innerhalb des PTC unter stationären Ruhestromzu ständen.

Die US.S. Patentanmeldung (Anmelderzeichen 41PR7050) mit dem Titel "Current Limiter Unit for Molded Case Circuit Breakers" schlägt eine Strombegrenzereinheit vor, die eine PTC Vorrichtung verwendet, um die Begrenzung des Kreisstro mes auf einen vorbestimmten Wert zu unterstützen, damit Schalter mit kleinen Kurzschluß-Nenngrößen in elektrischen Verteilungsschaltungen mit höheren Nenngrößen verwendet werden können. Die PTC Vorrichtung ist parallel zu einem Ohm′schen Widerstand und zwei magnetisch angetriebenen Kon taktarmen geschaltet, um den Verbrauch von elektrischer Leistung während Ruhestromzuständen zu vermeiden. Damit Strombegrenzer, die derartige PTC Vorrichtungen verwenden, in elektrischen Schaltungsanordnungen mit hohen Kurzschluß- Nenngrößen verwendet werden können, wird die Größe der PTC Vorrichtung entsprechend vergrößert.

Es würde ökonomisch vorteilhaft sein, eine PTC Vorrichtung mit einer einzigen Größe innerhalb eines weiten Bereiches von Verteilungs-Kurzschluß-Nennströmen des Strombegrenzers zu verwenden und dadurch die PTC Größenerfordernisse zu eliminieren.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strombegrenzer zu schaffen, der eine gemeinsame PTC Vorrichtung über einem weiten Bereich von Betriebs strömen zusammen mit einer Schaltungsanordnung darin verwendet, um den Kurzschluß-Nennstrom des Strombegrenzers einzustellen.

Erfindungsgemäß wird eine Strombegrenzereinheit in der Form von zwei trennbaren Kontaktstücken geschaffen, die einem ersten Ohm′schen Widerstand und einer ersten PTC Vorrich tung parallel geschaltet sind. Ein Nennstrommodul in der Form von einer zweiten PTC Vorrichtung, die mit einem zwei ten Ohm′schen Widerstand in Reihe geschaltet ist, ist dem ersten Ohm′schen Widerstand und der ersten PTC Vorrichtung elektrisch parallel geschaltet, um den Kurzschluß-Nennstrom der Strombegrenzereinheit zu vergrößern. Die Anzahl der Nennstrommodulen wird gemäß den erhöhten Strombegrenzer- Kurzschluß-Nennströmen vergrößert.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungsbei spielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von einer bekann ten Strombegrenzerschaltung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung von der Strombe grenzerschaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Übergangs des Stroms durch die Komponenten innerhalb der Schaltungsanord nung gemäß Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine Strombegrenzereinheit 10 gezeigt, wie sie in der eingangs genannten U.S. Patentanmeldung (Anmelderzeichen 41PR7050) mit dem Titel "Current Limiter Unit for Molded Case Circuit Breakers" erläutert ist. Die Einheit ist in einem Gehäuse 16 enthalten und weist zwei magnetisch angetriebene Kontaktstücke 11 in einem paral lelen Zweig 18 auf, der die parallelen Sammelleitungen 9, 10 miteinander verbindet. Die Kontaktstücke sind so ange ordnet, daß sie beim Auftreten eines Kurzschluß-Fehler stroms innerhalb einer mehrphasigen elektrischen Vertei lungsschaltung unterbrechen, von der eine Phase durch Lei ter 21, 22 angegeben ist, die mit der Begrenzereinheit durch Anschlüsse 14, 15 verbunden sind, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Beim Trennen der magnetisch angetriebenen Kon taktstücke 11 geht der Kurzschlußstrom zunächst auf die PTC Einheit 12 in dem parallelen Zweig 19 über, bis die PTC Einheit eine hohe vorbestimmte Temperatur erreicht. Der er höhte Widerstand bei der hohen Temperatur treibt den Kurz schlußstrom durch den Ohm′schen Widerstand 13 in dem paral lelen Zweig 20. Der Kreisstrom wird dadurch auf einem genü gend kleinen Wert gehalten, der bei Betätigung des Schal ters 17 unterbrochen wird, der stromabwärts von der Lei stungsquelle angeordnet ist und mit dem Leiter 22 und der Last 7 verbunden ist, die mit dem Leiter 21 in Verbindung steht. Die Größe der PTC Einheit und des Ohm′schen Wider standes ist gemäß dem Kurzschluß-Nennstrom der zu schützen den Schaltungsanordnung gewählt und erfordert größere PTC Einheiten und größere Ohm′sche Widerstände im Verhältnis zu dem verfügbaren Kurzschlußwert.

Die Strombegrenzereinheit 24 gemäß der Erfindung ist in dem erweiterbaren Gehäuse 23 in Fig. 2 gezeigt; es sind ähnli che Bezugszahlen verwendet, wo dies auf zweckmäßige Weise möglich ist. Die Strombegrenzerkomponenten, wie zum Bei spiel die magnetisch angetriebenen Kontaktstücke 11 in den Zweig 18, die PTC Einheit 12 in dem Zweig 19 und der Ohm′sche Widerstand 13 in dem Zweig 20 sind in ähnlicher Weise mit einem stromabwärtigen Schalter 17 verbunden, wie es vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben ist. Um größere Kurzschluß-Nennströme aufnehmen zu können, ist ein Nennmodul, wie es beispielsweise bei 25A gezeigt ist, den Sammelleitungen 9, 10 parallel geschaltet und besteht aus einer zweiten PTC Einheit 26A und einem zweiten Ohm′schen Widerstand 27A, die elektrisch miteinander in Reihe ge schaltet und mit dem Zweig 18, der PTC Einheit 12 und dem Ohm′schen Widerstand 13 in der Strombegrenzereinheit 16 parallel geschaltet sind. Die elektrischen Charakteristiken der zweiten PTC Einheit und des zweiten Ohm′schen Wider standes werden so eingestellt, daß der Kreisstrom von der ersten PTC Einheit weg übertragen wird, sobald die erste PTC Einheit einen Widerstandswert erreicht hat, der größer als der kombinierte Widerstand von der zweiten PTC Einheit 26A und dem Ohm′schen Widerstand 27A ist. Der Übergang des Stroms von der ersten PTC Einheit weg zu dieser Zeit stellt sicher, daß die erste PTC Einheit nicht überhitzt und durch die höheren Kreisströme beschädigt wird. Zusätzliche Nenn modulen 25B-25N, die dritte und weitere PTC Einheiten 26B-26N und dritte und weitere Ohm′sche Widerstände 27B-27N enthalten, sind hinzugefügt, um das Stromführungsvermögen des einstellbaren Strombegrenzers 24 nach Erfordernis zu vergrößern. Die Standardgröße der PTC Einheiten 12 und 26A-26N ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, da Einstel lungen in der Größe und Zusammensetzung der PTC Einheit die Kosten und die Effektivität der Strombegrenzereinheit we sentlich vergrößern würde.

Der gesteuerte Übergang des Kreisstroms zwischen den Komponenten der einstellbaren Strombegrenzereinheit wird am besten ersichtlich, indem nun sowohl auf die Kreis stromprofile bzw. -kurven 28-32, die in Fig. 3 gezeigt sind, als auch den einstellbaren Strombegrenzer 24 Bezug genommen wird, der in Fig. 2 gezeigt ist. Der stationäre Kreisstrom I₀ nimmt zur Zeit T₀ das Stromprofil 28 beim Auftreten eines Kurzschlußzustandes innerhalb des zugeord neten elektrischen Stromkreises an. Der Strom geht zunächst auf die PTC Einheit 12 über, wie es durch das Stromprofil 29 angegeben ist, die eine kalte Anfangstemperatur und einen kleinen Widerstand bis zu der Zeit aufweist, zu der die PTC Einheit ihren Zustand mit einem hohen Widerstand erreicht, was gewöhnlich innerhalb von Millisekunden er folgt. Während dieser Zeit nimmt der Strom mit einer lang sameren Geschwindigkeit innerhalb des Nennmoduls 25A zu, wie es durch das Stromprofil 30 angegeben ist. Der effek tive Widerstand des Nennmoduls 25A ist zunächst höher als der Widerstand der PTC Einheit 12, wie er durch den kombi nierten Widerstand von der PTC Einheit 26A und dem zweiten Ohm′schen Widerstand 27A bestimmt ist. Zur Zeit t₁ über schreitet nun die hohe Temperatur und der Widerstand der PTC Einheit 12 den anfänglichen effektiven Widerstand des Nennmoduls 25A, was einen Übergang des Stroms von der PTC Einheit 12 auf das Nennmodul 25A zur Folge hat, wie es durch das Stromprofil 30 bei t₁ angegeben ist. Zwischen den Zeiten t₁ und t₂ fließt der wesentliche Teil des Gesamt stroms 28 durch das Nennmodul 25A, wie es aus dem Strompro fil 30 ersichtlich ist. Der effektive Widerstand des Nenn moduls 25B ist zunächst höher als der kombinierte Wider stand des Nennmoduls 25A, der allein durch den Wert des Ohm′schen Widerstandes 27B bestimmt wird, der größer als derjenige von dem Ohm′schen Widerstand 27A ist. Zur Zeit t₂ hat die zweite PTC Einheit 26A ihre Temperatur und ihren Widerstand erhöht, so daß der effektive Widerstand des Nennmoduls 25A den effektiven Anfangswiderstand des Moduls 25B überschreitet, was einen Stromübergang von dem Nennmo dul 25A auf das Nennmodul 25B zur Folge hat, wie es durch das Stromprofil 31 zur Zeit t₂ angegeben ist. Zur Zeit t₃ hat die dritte PTC Einheit 26B ihre Temperatur und ihren Widerstand erhöht, so daß der kombinierte Widerstand der PTC Einheit 26B und des Ohm′schen Widerstandes 27B größer ist als der Ohm′schen Widerstand 13, was einen Stromüber gang von dem Nennmodul 25B auf den Ohm′schen Widerstand 13 zur Folge hat, wie es durch das Stromprofil 32 zur Zeit t₃ angegeben ist. Zwischen den Zeiten t₄ und t_N fließt der we sentliche Teil des Gesamtstroms 28 durch den Ohm′schen Wi derstand 13, wie es durch das Stromprofil 32 deutlich ge macht ist. Zur Zeit t_N unterbricht der Schalter 17 den we sentlich kleineren Kurzschlußstrom 28. Die lineare Wider standsvergrößerung, die die Eigenschaften des Ohm′schen Wi derstandes charakterisiert, und die exponential asymptoti sche Widerstandszunahme, die die Eigenschaften der PTC Ein heit charakterisiert, wirken auf effektive Weise zusammen, um den Stromfluß durch jede der PTC Einheiten 12, 26A-26N zu verkleinern und stellt dadurch die maximale Betriebstem peratur der PTC Einheiten ein, die durch diesen Stromfluß bestimmt wird. Dies wird durch entsprechendes Bemessen der Werte der Ohm′schen Widerstände erreicht, so daß der Wider stand 27A kleiner ist als der Widerstand 27B, der kleiner ist als der Widerstand 13, wodurch gestattet wird, daß die PTC Einheiten 12, 26A-26N auf wirtschaftliche Weise alle die gleiche Größe und Zusammensetzung haben.

Weitere Steigerungen in dem Gesamtstrom durch die einstellbare Strombegrenzereinheit 24 werden durch die Hin zufügung von Nennmodulen bis 25N erreicht, um den höheren Strom durch die logische Leiteranordnung zu pulsen, um zu verhindern, daß irgendeine PTC Einheit überhitzt wird. So mit wird ein einstellbarer Strombegrenzer geschaffen, der über einem weiten Bereich von Kurzschlußströmen mit einem kleineren Leistungsverlust während stationärer Ruhestromzu stände benutzt werden kann.

Claims

1. Strombegrenzer enthaltend:
einen ersten einen positiven Temperatur-Coeffizienten (PTC) aufweisenden Widerstand (26A), der zum Leiten eines ersten elektrischen Stroms gemäß einem ersten Temperatur wert und eines zweiten elektrischen Stroms gemäß einem zweiten Temperaturwert angeordnet ist, wobei die zweite Temperatur eine Zeitperiode nach dem ersten Temperaturwert auftritt und höher als der erste Temperaturwert ist, und
einen Ohm′schen Widerstand (27A), der mit dem PTC Widerstand (26A) in Reihe geschaltet ist, wodurch der Ohm′sche Widerstand (27A) die Zeitperiode bis zum Auftreten des zweiten Temperaturwertes verzögert.

2. Strombegrenzer enthaltend:
einen ersten Widerstand (26A) mit einem einen asymp totischen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Widerstands wert, der zur Ausbildung eines ersten Stroms bei einem ersten Temperaturwert und eines zweiten Stroms bei einem zweiten Temperaturwert angeordnet ist, wobei die zweite Temperatur eine Zeitperiode nach der ersten Temperatur auftritt und höher als die erste Temperatur ist, und
einen zweiten Widerstand (27A) mit einem einen linearen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Widerstands wert, der mit dem ersten Widerstand elektrisch in Reihe geschaltet ist, wobei der zweite Widerstand die Zeitperiode bis zum Auftreten des zweiten Temperaturwertes verzögert.

3. Strombegrenzer mit veränderbaren Kurzschluß-Nenn strömen, enthaltend:
ein Gehäuse,
wenigstens zwei Kontaktarme in dem Gehäuse, die für eine automatische Trennung durch magnetische Mittel beim Auftreten von Überstromzuständen durch die Kontaktarme angeordnet sind,
wenigstens zwei Kontaktstücke, wobei das eine Kontaktstück auf dem einen Ende von einem der Kontaktarme angeordnet ist für einen Transport von Kurzschlußstrom zwischen den Kontaktstücken bei Ruhestromzuständen und für eine Übertragung des Kreisstromes, wenn die Kontaktarme getrennt werden,
einen ersten PTC Widerstand (12) in dem Gehäuse, der den Kontaktarmen elektrisch parallel geschaltet ist,
einen ersten Ohm′schen Widerstand (13) in dem Gehäuse, der dem ersten PTC Widerstand und den bewegbaren Kontakt armen elektrisch parallel geschaltet ist, wobei der Kreisstrom von den Kontaktstücken auf den ersten PTC Widerstand und den ersten Ohm′schen Widerstand übergeht, wenn die Kontaktstücke getrennt werden, und
wenigstens ein Strombegrenzer-Nennmodul (25A-25N), der elektrisch dem ersten PTC Widerstand parallel geschaltet ist und den Kreisstrom durch den ersten PTC Widerstand begrenzt.

4. Strombegrenzer nach Anspruch 3, wobei der Nennmodul (25A-25N) enthält:
einen zweiten PTC Widerstand (26A-26N), der zum Leiten eines ersten elektrischen Stroms gemäß einem ersten Temperaturwert und eines zweiten elektrischen Stroms gemäß einem zweiten Temperaturwert angeordnet ist, wobei die zweite Temperatur eine Zeitperiode nach dem ersten Temperaturwert auftritt und höher als die erste Temperatur ist, und
einen zweiten Ohm′schen Widerstand (27A-27N), der mit dem zweiten PTC Widerstand elektrisch in Reihe geschaltet ist und der die Zeitperiode bis zum Auftreten des zweiten Temperaturwertes verzögert.

5. Strombegrenzer nach Anspruch 3, wobei der Nennmodul enthält:
einen zweiten PTC Widerstand mit einem asymptotischen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes, der zur Ausbildung eines ersten Stroms bei einem ersten Temperaturwert und eines zweiten Stroms bei einem zweiten Temperaturwert angeordnet ist, wobei die zweite Temperatur zu einer Zeitperiode nach der ersten Temperatur auftritt und höher ist als die erste Temperatur, und
einen zweiten Ohm′schen Widerstand mit einem linearen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswert, der mit dem zweiten PTC Widerstand elektrisch in Reihe geschaltet ist und die Zeitperiode bis zum Auftreten des zweiten Temperaturwertes verzögert.

6. Strombegrenzer nach Anspruch 1, wobei der PTC Widerstand ein leitfähiges Polymer aufweist.

7. Strombegrenzer nach Anspruch 3, wobei ein Magnet schlitzmotor vorgesehen ist, der um die bewegbaren Kontakt arme angeordnet ist und die Trennung der bewegbaren Kontaktarme beim Auftreten des Überstromszustandes verbessert.

8. Strombegrenzer nach Anspruch 3, wobei der Ohm′sche Widerstand Wolfram oder Tantal aufweist.

9. Strombegrenzer nach Anspruch 3, wobei ein Schalter (17) vorgesehen ist, der elektrisch mit den Kontaktstücken, dem ersten PTC Widerstand und dem ersten Ohm′schen Widerstand in Reihe geschaltet ist.