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WO2019134777A1 - Kurzschliesseinrichtung für den einsatz in nieder- und mittelspannungsanlagen zum sach- und personenschutz - Google Patents

Kurzschliesseinrichtung für den einsatz in nieder- und mittelspannungsanlagen zum sach- und personenschutz Download PDF

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Publication number
WO2019134777A1
WO2019134777A1 PCT/EP2018/083269 EP2018083269W WO2019134777A1 WO 2019134777 A1 WO2019134777 A1 WO 2019134777A1 EP 2018083269 W EP2018083269 W EP 2018083269W WO 2019134777 A1 WO2019134777 A1 WO 2019134777A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
short
contact
circuiting device
hollow cylinder
cone
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/083269
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arnd Ehrhardt
Klaus Bühler
Original Assignee
Dehn + Söhne Gmbh + Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dehn + Söhne Gmbh + Co. Kg filed Critical Dehn + Söhne Gmbh + Co. Kg
Priority to AU2018399890A priority Critical patent/AU2018399890B2/en
Priority to CN201880088706.4A priority patent/CN111684562B/zh
Priority to US16/957,825 priority patent/US11145477B2/en
Priority to EP18812155.2A priority patent/EP3735703B1/de
Publication of WO2019134777A1 publication Critical patent/WO2019134777A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00—Thermally-actuated switches
    • H01H37/74—Switches in which only the opening movement or only the closing movement of a contact is effected by heating or cooling
    • H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
    • H01H37/764—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material in which contacts are held closed by a thermal pellet
    • H01H37/765—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material in which contacts are held closed by a thermal pellet using a sliding contact between a metallic cylindrical housing and a central electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00—Thermally-actuated switches
    • H01H37/74—Switches in which only the opening movement or only the closing movement of a contact is effected by heating or cooling
    • H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
    • H01H37/761—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material with a fusible element forming part of the switched circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H39/004—Closing switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H79/00—Protective switches in which excess current causes the closing of contacts, e.g. for short-circuiting the apparatus to be protected
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current

Definitions

  • Short-circuiting device for use in low and medium voltage systems for property and personal protection
  • the invention relates to a short-circuiting device for use in low and medium voltage systems for property and personal protection, comprising a switching element, which from the trigger signal of a
  • Fault detection device is actuated, two opposing contact electrodes with means for power supply, which are contactable to a circuit with terminals of different potential, further in at least one of the contact electrodes under
  • Sacrificial element and the switching element on the one hand and one of the contact electrodes on the other hand in order to bring about a current flow-induced, thermal deformation or destruction of the sacrificial element targeted, according to the preamble of claim 1.
  • Victim element a thin-walled hollow cylinder with a ratio between the diameter and wall thickness of the hollow cylinder greater than 10: 1, wherein the sacrificial element consists of a refractory metallic material.
  • the related short circuiter is said to have a minimum commutation time while maintaining high mechanical strength to use a high spring force for the purpose of reducing the travel time and for the purpose of faster response.
  • an insulating body and a H ilfselektrode is located in the fixed contact electrode, wherein the auxiliary electrode is in communication with the sacrificial element.
  • the contact electrodes and the opposite surfaces may have a complementary conical shape with it
  • Between the contact electrodes can be effective in the closed state venting channel or a ventilation hole to prevent, by a pressure increase in the event of short circuit, in particular in the
  • Means for generating the biasing force can according to the prior art as a compression spring, plate spring or the like spring arrangement
  • the sacrificial element may be a wire or rod made of a conductive material with a low melting integral, wherein the sacrificial element is in tension under mechanical prestressing.
  • the relevant short-circuiting device should on the one hand enable a full current-carrying capacity over a longer period of time and have a status indication.
  • the short-circuiting device has two opposing contact electrodes, wherein in one of the contact electrodes there is provided a movable contact part which is under mechanical prestressing and which is spring-assisted in the event of a short circuit and supports a movement to the further contact electrode as well as a sacrificial element.
  • a locking arrangement in the head part of a multi-part housing, which accommodates the fixed and the movable contact electrode, a locking arrangement
  • the movable contact part is provided with a relatively long, low-sided cone-shaped contact region and, as a hollow-cylindrical contact, preferably with a spring drive fitted.
  • the open state is the movement of the movable
  • the biasing force in particular the spring force is released and supported by at least one further force component, which accelerates the closing movement.
  • the movable contact part is in a fixed position
  • the sliding contact has a gap of ⁇ 1/10 mm.
  • the kinetic energy of the movable contact part is converted into a plastic deformation, which can avoid a contact bounce and a disadvantageous arc phase.
  • the movable contact part is designed as a hollow cylinder closed on one side.
  • the hollow cylinder contains a spring for generating bias. This spring can be used in a very simple manner in the hollow cylinder space, so that an additional space for the spring deleted.
  • the hollow cylinder is in a complementary recess in the first
  • Hollow cylinder bottom a first pin-shaped extension, which is opposite to the contact electrodes, second pin-shaped extension opposite. Between the first and the second peg-shaped extension, the already mentioned sacrificial element is located.
  • the sacrificial element is preferably designed as a bolt or screw with a corresponding thread.
  • the respective ends of the bolt or the screw are fixed via the thread or the screw head on the first and second peg-shaped extension.
  • the second contact electrode a adapted to the outer cone of the movable contact part recess provided with inner cone.
  • Outer and inner cone form a bounce-free short-circuit contact area with positive and positive locking due to plastic deformation occurring.
  • vents connected to the recess are provided in the region of the recess. These vents are located in the second contact electrode to prevent pressure build-up due to movement of the movable contact member.
  • vents can be closed with a pressure-displacing plug.
  • a valve-like closure may be provided so that the ingress of moisture, dirt or other foreign bodies is avoidable, but on the other hand, the aforementioned undesirable pressure build-up can be excluded.
  • deformable contact is in the range of ⁇ 3 °.
  • the contact electrodes and thus the basic construction of the short-circuiting device is preferably rotationally symmetrical.
  • the contact electrodes are kept at a distance via an insulating centering ring.
  • the overall arrangement is of a surrounding shell
  • the movable contact part can move like a piston in the recess of the first contact electrode, wherein the energy released during the destruction of the sacrificial element and / or the energy a resulting arc acts to accelerate the movement of the bottom of the movable contact and leads to shortening of the closing time.
  • the second peg-shaped extension is surrounded by an insulating tube of gas-emitting material.
  • the insulating tube may be provided with a protective, metallic shell, at least partially surrounding the insulating.
  • This novel auxiliary short-circuiter has a high switching speed which is comparable to a semiconductor switch and a limited current carrying capacity, which is tuned to the sacrificial element and the closing of the main contacts of the main short-circuiter.
  • a bridge fuse has a fuse wire which is activated by low current current flow at low voltage.
  • Bridge igniters are commonly used to ignite reactive masses. Without the use of such reactive masses they have no
  • the bridge igniter is used to trigger an auxiliary short-circuiter, which the auxiliary path for loading the
  • the auxiliary path can be closed within about 100 ms, so that no disadvantages arise in terms of the speed during switching operations with semiconductor switches.
  • the auxiliary short-circuiter uses the
  • Fusible conductor of the igniter is formed to a film, in particular a
  • Insulation film to destroy on a potential thorn. After the destruction of the insulation film, a current flows through the electrodes and Contacts of the auxiliary short-circuiter with or without arcing, which serves to trigger the sacrificial element, which closes the current-carrying main short-circuiter under spring force support.
  • the switching element according to the invention designed as a bridge igniter, consists of two opposite, current-carrying contacts, which are by an insulation to a small distance of ⁇ 1 mm geha lten, with release of the bridge igniter, the electrical insulation between the contacts is repealed.
  • the other of the current-carrying contacts has a cavity to r
  • a pressure-resistant sleeve In the cavity is a pressure-resistant sleeve is located.
  • the sleeve in the direction of the spinous process, has a cap which, with the triggering of the bridge igniter, moves in the direction of the spinous process, destroying the foil and establishing an electrical connection between the current-carrying contacts.
  • the recess may have a vent opening.
  • the conductive particles can be fixed by means of a foil or a covering layer.
  • the switching element according to the invention can outside the actual
  • Main Kurzsch multipliers are arranged, but also in these, in particular integrated into a contact electrode, in particular screwed or plugged there.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a short-circuiting device with a movable contact part, designed as a hollow cylinder closed on one side, a spring being used for the generation of prestressing in the hollow cylinder and with a sacrificial element in the untripped state;
  • Fig. 2 is a sectional view of the switching element according to the invention, designed as Brückenzü countries with two opposite, current carrying electrodes, which are held by an insulation at a small distance, in one embodiment with movable, conductive cap for bridging ng isolation with recognizable spinous process, in shown example formed within a recess within the lower current carrying contact;
  • Fig. 3 is a view similar to that of FIG. 2, but with a
  • FIG. 4 shows a representation similar to that according to FIG. 1 with main short-circuiter in longitudinal section and an integrated in one of the contact electrodes according to the invention design of the switching element on the basis of a bridge igniter.
  • the short-circuiting device has at least one further, isolated inserted connection 30, via which the activation of the short-circuiting device can take place with the aid of a switching element 3, which optionally has a fuse 4 connected in series.
  • the short-circuiting device has a sacrificial element, which is designed as a screw or bolt 6 in the example shown.
  • the sacrificial element or the screw or the bolt 6 mechanically fixes a movable contact part 7, which is mechanically biased by a spring 8.
  • the sacrificial element 6 is electrically connected to the outer terminal 30 via the movable contact part 7 with the contact electrode 80 and the outer terminal 2.
  • the second contact electrode 70 is connected to the terminal 1 and electrically isolated from the first contact electrode 80 via an insulated centering part 110.
  • the insulated centering part 110 guides the contact electrodes 70; 80, wherein the joining of the aforementioned parts is preferably realized by an interference fit, in particular a cone compression dressing.
  • the movable contact part 7 is centered over the guide in the contact electrode 80 to the contact electrode 70.
  • the triggering of the short-circuiting device takes place according to the one shown
  • Embodiment variant by a flow of current through the sacrificial element 6, after the switching element 3 establishes a connection to the terminal 1.
  • the movable contact part 7 is moved to the contact electrode 70, whereby the main current path between the contact electrodes 70 and 80 via the movable contact part 7 is closed.
  • Support closing movement This is achieved by the central guidance of the current via the sacrificial element 6 and via the bottom of the movable contact part 7 substantially forced radial current conduction.
  • the sacrificial element does not melt completely to trigger the closing process.
  • the decisive factor is that the material of the sacrificial element is softened. This softening can also occur below the melting temperature.
  • first pin-shaped extension 73 which is opposite to the contact electrodes 70, 80, second pin-shaped projection 100 opposite, wherein between the first and the second pin-shaped extension 73; 100 the already mentioned sacrificial element 6, in particular designed as a bolt or screw
  • the second contact electrode 80 is a, adapted to the outer cone 72 of the movable contact 7 recess with inner cone 91st
  • outer and inner cone form a bounce-free short-circuit contact area with positive and positive fit due to a vu ertPAder plastic deformation.
  • vents 92 connected to the region of the internal cone recess may be provided in the second contact electrode 70 to provide pressure buildup due to movement of the inner cone
  • vents 92 may be closed with a pressure-displacing plug or valve.
  • the gap of the mentioned sliding contact moves in a range ⁇ 0.2 mm, preferably ⁇ 0.1 mm.
  • an outer diameter of about 30 mm results in a spring force of about 800 N and a relatively short travel of the contact part 7, a kinetic energy of a few joules, which is transferred to a large extent in plastic deformations in the contact area.
  • the fast switch 3 as shown in Figure 1 is carried out on the basis of a bridge igniter.
  • the switching element 3 has two current-carrying contacts 10 and 11, which are held by an insulating disk 12 at a small distance of, for example, ⁇ 1 mm.
  • one of the contacts may be under the action of a spring biasing force (figuratively not shown).
  • a recess is provided which has a spinous process 13 and preferably a vent opening 14.
  • the opposite contact 10 has a cavity in which a movable contact 15 is inserted in the form of a cap.
  • This movable contact cap 15 is guided on a pressure-resistant cylindrical sleeve 16.
  • the cylindrical sleeve 16 is correspondingly sealed in the area of the embodiments of the control lines 25.
  • the cavity in the sleeve 16 is minimal after insertion of the bridge igniter and optionally filled with a non-compressible medium.
  • the insulating film 18 may have an electrically conductive layer or be combined with an electrically conductive film.
  • This insulation film or insulation films then serve to achieve a sufficient dielectric strength between the opposite
  • the conductive coating or the additional conductive film is used to control the electric field in addition to a relevant optimized design of the surface of the contacts 10; 11th
  • the films can also serve to fix the movable cap 15 on the sleeve 16.
  • the movable cap 15 is designed so that it can bridge the distance between the contacts 10 and 11.
  • the cap 15 is moved after activation of the bridge igniter 17 by the expansion of the gas in the cavity of the sleeve 16 in the direction of the contact 10 and the spinous process 13 there.
  • vents 14 are provided.
  • the cap 15 is jammed in the recess in the lower current-carrying contact 11 and the thorn 13.
  • the shank of the cap 15 remains partially in the contact 10 and bridges the distance between the two contacts 10; 11, creating a metallic, conductive connection.
  • the mandrel 13 can also be fastened to the movable cap 15 or the cap 15 can be realized with a thorn-shaped extension.
  • the current carrying capacity of the above-described electrical connection via the cap 15 is the same, but preferably designed to be higher than the current carrying capacity of the sacrificial element 6.
  • the current-carrying contacts 10 and 11 require due to the described operation an exact guidance, which can be realized for example by an insulating sleeve 19 together with sealing rings 20.
  • the partially melted powder is so strongly cooled after destruction of the insulating film 18 when entering the vent channel 14 that it solidifies and closes the passage.
  • the remaining powder 21 is further heated by the arc and forms a desired metallic bridge between the contacts 10; 11th
  • the bridge igniter 17 can be upgraded even with a defined amount of conductive particles.
  • the conductive particles can in the cavity of the sleeve 16 by a
  • Lacquer layer or mechanically fixed by a film 22 Lacquer layer or mechanically fixed by a film 22.
  • the switching elements according to the illustrations according to FIGS. 2 and 3 are capable of realizing a low-resistance metallic connection between the main contacts 1 and 2 via the sacrificial element 6 according to FIGS. 1 and 4.
  • the created connection has a current carrying capacity, which
  • Main electrodes 1 and 2 is ensured in each case.
  • connection via the fast switch according to the embodiments according to FIGS. 2 and 3 takes place with triggering of the bridge igniter within a time of approximately 100 ps, which is comparable to the triggering of a semiconductor switch with corresponding EMC protective measures.
  • the auxiliary path with the fast switch 3 can be separated by means of a fuse 4 after the destruction of the sacrificial element 6. Due to the overload resistance of the fast switch and with sufficient
  • the fast switch When the current carrying capacity of the metallic cap according to FIG. 2 or the bridge of metallic particles 21 is overloaded, the fast switch functions as a spark gap with a very low arc voltage. At very high loads melt the contacts 10 and 11 in arcing partially, which in turn creates a metallic short circuit in the auxiliary path.
  • the auxiliary path can thus independently conduct currents in the range of several 10 kA for a few milliseconds until the discharge takes place by closing the main contacts via the movable contact part 7.
  • This current carrying capacity is thus higher than that of a low-cost semiconductor switch with a comparable closing time.
  • the cost and space requirements decrease compared to a semiconductor switch considerably.
  • the fast switching element can, as indicated in FIG. 1, be provided outside the actual short-circuiting device. Alternatively, however, integration within the short-circuiting device is also possible.
  • the fast switch in addition to a complete integration into the flameproof housing of the short-circuiting device, for example, by a plug or screw adapter similar to a fuse with the
  • Short circuiters are connected. This allows easy replacement of the unit with the bridge igniter with appropriate execution even under tension.
  • FIG. 4 An illustration in this regard is shown in FIG. 4.
  • the auxiliary short-circuiter is used on the basis of a bridge igniter in front of the connection 5 of the sacrificial element 6.
  • the connection to the terminal 5 can be realized by a pressure or plug connection, so that the auxiliary short-circuiter is interchangeable.
  • the auxiliary short-circuiter according to FIG. 2 is inserted in the housing of the main short-circuiter with the potential of the main contact 2 isolated by the part 23.
  • the connection of the auxiliary short-circuiter to the terminal 1 of the main short-circuiter is realized via an external connection 24. This connection 24 can also take place within the housing of the main short-circuiting device with a corresponding configuration.
  • the terminals 25 for activating the auxiliary short-circuiter to the bridge igniter 17 are isolated outwardly led to a detection unit, not shown, for providing the ignition energy.

Landscapes

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Circuit Breakers (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz, umfassend ein 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 in mindestens einer der Kontaktelektroden ein unter mechanischer Vorspannung stehendes, im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Bewegung zur weiteren Kontaktelektrode ausführendes bewegliches Kontaktteil, ein Opferelement als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden sowie mit einer elektrischen Verbindung zwischen dem Opferelement und dem Schaltelement einerseits und einer der Kontaktelektroden andererseits, um eine stromflussbedingte, thermische Verformung oder Zerstörung des Opferelements gezielt herbeizuführen. Erfindungsgemäß ist das bewegliche Kontaktteil als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet und es ist im Hohlzylinder eine Feder zur Vorspannungserzeugung eingesetzt. Der Hohlzylinder ist in einer komplementären Aussparung in der ersten Kontaktelektrode unter Bildung eines Gleitkontakts beweglich geführt. Im Bereich des Bodens des geschlossenen Hohlzylinders ist dessen Zylinderwandung außenumfangsseitig in einen Konus übergehend ausgestaltet. Weiterhin erstreckt sich im Inneren des Hohlzylinders, ausgehend vom Boden ein erster zapfenförmiger Fortsatz, welchem ein zu den Kontaktelektroden isolierter, zweiter zapfenförmiger Fortsatz gegenüberliegt, wobei zwischen erstem und zweitem zapfenförmigen Fortsatz das Opferelement, ausgebildet als Bolzen oder Schraube, angeordnet ist. In der zweiten Kontaktelektrode ist eine, an den Außenkonus des beweglichen Kontakts angepasste Aussparung mit Innenkonus vorgesehen, wobei Außen- und Innenkonus einen prellfreien Kurzschluss-Kontaktbereich mit Kraft- und Formschluss aufgrund auftretender plastischer Verformung bilden. Weiterhin erfindungsgemäß ist das Schaltelement als Hilfskurzschließer auf der Basis eines Brückenzünders ausgeführt.

Description

Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz
Beschreibung
Die Erfindung geht aus von einer Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz, umfassend ein 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 in mindestens einer der Kontaktelektroden ein unter
mechanischer Vorspannung stehendes, im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Bewegung zur weiteren Kontaktelektrode ausführendes bewegliches Kontaktteil, ein Opferelement als Abstandshalter zwischen den Kontakt- elektroden sowie mit einer elektrischen Verbindung zwischen dem
Opferelement und dem Schaltelement einerseits und einer der Kontakt- elektroden andererseits, um eine stromflussbedingte, thermische Verformung oder Zerstörung des Opferelements gezielt herbeizuführen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2005 048 003 B4 ist eine Kurzschließeinrichtung der
gattungsgemäßen Art vorbekannt. Gemäß der dortigen Lehre ist das
Opferelement ein dünnwandiger Hohlzylinder mit einem Verhältnis zwischen Durchmesser und Wandstärke des Hohlzylinders größer 10 : 1, wobei das Opferelement aus einem hochschmelzenden metallischen Material besteht.
Der diesbezügliche Kurzschließer soll eine minimale Kommutierungszeit bei gleichzeitiger hoher mechanischer Festigkeit zum Einsatz einer hohen Federkraft mit dem Ziel einer Reduzierung der Bewegungszeit und zum Zweck des schnelleren Ansprechens besitzen.
Bei einer Variante der Lehre des Standes der Technik ist in der feststehenden Kontaktelektrode ein Isolierkörper und eine H ilfselektrode befindlich, wobei die Hilfselektrode mit dem Opferelement in Verbindung steht. Die sich gegenüberstehenden Seiten der Kontaktelektroden bzw. die gegenüber- liegenden Flächen können eine komplementär konische Form mit sich
ergebender zentrierender Wirkung beim Inkontaktkommen im Kurzschlussfall aufweisen.
Durch definierte Stru kturen oder Wandstärkeschwankungen im Hohlzylinder können sich Strompfade ausbilden, mit der Folge einer ungleichmäßigen
Erwärmung bei Strombelastung und eine Deformation mit einhergehendem Verlust der mechanischen Festigkeit. In diesem Fall bleibt die leitfähige
Verbindung zwischen den Kontaktelektroden erhalten, jedoch sinkt die mechanische Widerstandskraft des Hohlzylinders, so dass in der Wirkung der Federkraft der Kurzschließer schnell in den gewünschten Schließzustand überführt werden kann.
Zwischen den Kontaktelektroden kann ein im geschlossenen Zustand wirksamer Entlüftungskanal oder eine Lüftungsbohrung wirksam sein, um zu verhindern, dass durch einen Druckanstieg im Kurzschlussfall, insbesondere bei der
Entstehung eines Lichtbodens, Kräfte entstehen, die dem Aufeinanderzu- bewegen der Kontaktelektroden schließzeitzögernd entgegenwirken. Die
Einrichtung zur Erzeugung der Vorspannkraft kann gemäß dem Stand der Technik als Druckfeder, Tellerfeder oder dergleichen Federanordnung
ausgeführt werden.
Bei einer zweiten Ausführungsform gemäß DE 10 2005 048 003 B4 kann das Opferelement ein Draht oder Stab aus einem leitfähigen Material mit niedrigem Schmelzintegral sein, wobei das Opferelement auf Zug unter mechanischer Vorspannung steht.
Für Kurzschließer zum Anlagenschutz besteht im Allgemeinen die Aufgabe, sehr schnell einen metallischen Kurzschluss zu realisieren, so dass sehr hohe Ströme kurzzeitig geführt werden können. Beim schnellen Schließen metallischer Kontakte lässt sich ein Kontaktprellen schwer vermeiden. Infolge des Prellens, aber auch mit Blick auf die Höhe des fließenden Stromes, können Lichtbögen zwischen den Kontakten entstehen, die die Oberfläche der Kontakte stark schädigen, wodurch eine sichere Führung des Stromes über einen längeren Zeitraum gefährdet ist. Um die vorgenannten negativen
Erscheinungen zu kompensieren, ist ein erhöhter Aufwand in konstruktiver und herstellungsseitiger Hinsicht notwendig . Dieser höhere Aufwand betrifft zum einen das System zum Bewegen eines entsprechenden Kontaktteils, aber auch die Kontakte selbst.
Aus der DE 10 2014 016 274 Al ist eine Kurzschließereinrichtung,
insbesondere für den Störlichtbogenschutz in Nieder- und Mittelspannungs- anlagen vorbekannt. Die diesbezügliche Kurzschließereinrichtung soll ei nerseits eine volle Stromtragfähigkeit über einen längeren Zeitraum ermöglichen und eine Zustandsanzeige aufweisen. Die Kurzschließereinrichtung weist zwei sich gegenüberliegende Kontaktelektroden auf, wobei in eine der Kontaktelektroden ein unter mechanischer Vorspannung stehendes, im Kurzschlussfall federkraft- unterstützt eine Bewegung zur weiteren Kontaktelektrode ausführendes, bewegliches Kontaktteil sowie ein Opferelement vorgesehen ist. Zusätzlich ist in dem Kopfteil eines mehrteiligen Gehäuses, welches die feste und die bewegliche Kontaktelektrode aufnimmt, eine Verriegelungsanordnung
ausgebildet, welche nach dem Aktivieren des Opferelementes ein Zurückfahren der beweglichen Elektrode verhindert. Diesbezüglich wird unmittelbar die bewegliche Elektrode oder mittelbar ein der Bewegung der beweglichen
Elektrode folgender Schieber durch einen federvorgespannten Bolzen blockiert.
Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Kurzschließ- einrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz anzugeben, die über einen kompakten Aufbau und eine gleichzeitig hohe Stromtragfähigkeit verfügt und darüber hinaus das Einhalten außerordentlich kurzer Schließzeiten ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Die Lehre greift auf den Grundgedanken zurück, ein prellreduziertes
Kontaktsystem zu realisieren, das sich durch eine plastische Verformung eines Teiles der gegenüberstehenden Kontakte bezieht.
Beim prellreduzierten Kontaktsystem wird das bewegliche Kontaktteil mit einem relativ langen, flachwinkligen konusförmigen Kontaktbereich versehen und quasi als hohlzylindrischer Kontakt bevorzugt mit einem Federantrieb ausgestattet. Im offenen Zustand ist die Bewegung des beweglichen
Kontaktteils blockiert.
Bei entsprechender Aktivierung des Kurzschließers wird die Vorspannkraft, insbesondere die Federkraft freigesetzt und durch mindestens eine weitere Kraftkomponente unterstützt, welche die Schließbewegung beschleunigt.
Das bewegliche Kontaktteil befindet sich in einer feststehenden
Kontaktelektrode mit gleichem Potential und besitzt im ausgelösten Zustand einen sehr langen, bevorzugt koaxialen Gleitkontakt ohne zusätzliche
Federkontakte oder dergleichen . Der Gleitkontakt weist ein Spaltmaß von < 1/10 mm auf.
Bezogen auf die feststehende Kontaktelektrode wird die Bewegungsenergie des beweglichen Kontaktteils in eine plastische Verformung umgewandelt, wodurch sich ein Kontaktprellen und eine nachteilige Lichtbogenphase vermeiden lassen.
Bei der maßgeblichen Ausführungsform der Erfindung ist das bewegliche Kontaktteil als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet. Im Hohl- zylinder befindet sich eine Feder zur Vorspannungserzeugung . Diese Feder kann in sehr einfacher Weise in den Hohlzylinderraum eingesetzt werden, so dass ein zusätzlicher Bauraum für die Feder entfällt.
Der Hohlzylinder ist in einer komplementären Aussparung in der ersten
Kontaktelektrode unter Bildung eines Gleitkontakts beweglich geführt. Es ist also der Hohlzylinder kolbenartig in dieser Aussparung beweglich.
Im Bereich des Bodens des geschlossenen Hohlzylinders ist dessen
Zylinderwandung au ßenumfangsseitig in einen Außenkonus übergehend ausgestaltet.
Weiterhin erstreckt sich im Inneren des Hohlzylinders, ausgehend vom
Hohlzylinderboden, ein erster zapfenförmiger Fortsatz, welchem ein zu den Kontaktelektroden isolierter, zweiter zapfenförmiger Fortsatz gegenüberliegt. Zwischen dem ersten und dem zweiten zapfenförmigen Fortsatz ist das bereits erwähnte Opferelement befindlich.
Das Opferelement ist bevorzugt als Bolzen oder Schraube mit entsprechendem Gewinde ausgeführt. Die betreffenden Enden des Bolzens oder der Schraube sind über das Gewinde oder den Schraubenkopf am ersten und zweiten zapfenförmigen Fortsatz fixiert.
Weiterhin ist in der zweiten Kontaktelektrode eine, an den Außenkonus des beweglichen Kontaktteils angepasste Aussparung mit Innenkonus vorgesehen.
Außen- und Innenkonus bilden einen prellfreien Kurzschluss-Kontaktbereich mit Kraft- und Formschluss aufgrund auftretender plastischer Verformung .
Ausgestaltend sind im Bereich der Aussparung mit Innenkonus verbundene Entlüftungsöffnungen vorgesehen. Diese Entlüftungsöffnungen befinden sich in der zweiten Kontaktelektrode, um einen Druckaufbau infolge der Bewegung des beweglichen Kontaktteils zu unterbinden.
Diese Entlüftungsöffnungen können mit einem sich unter Druckeinwirkung verlagernden Stopfen verschlossen werden. In ähnlicher Weise kann ein ventilartiger Verschluss vorgesehen sein, so dass das Eindringen von Feuchte, Schmutz oder sonstigen Fremdkörpern vermeidbar ist, jedoch andererseits der erwähnte unerwünschte Druckaufbau ausgeschlossen werden kann.
Der jeweilige Konuswinkel zur Ausbildung des prellfreien, plastisch
verformbaren Kontakts liegt im Bereich von < 3°.
Die Kontaktelektroden und damit die Grundkonstruktion der Kurzschließ- einrichtung ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Kontakt- elektroden werden dabei über einen isolierenden Zentrierring auf Abstand gehalten. Die Gesamtanordnung ist von einer umhausenden H ülle
umschlossen.
Wie bereits erwähnt, kann das bewegliche Kontaktteil sich kolbenartig in der Aussparung der ersten Kontaktelektrode bewegen, wobei die bei der Zerstörung des Opferelements frei werdende Energie und/oder die Energie eines entstehenden Lichtbogens bewegungsbeschleunigend auf den Boden des beweglichen Kontaktes einwirkt und zur Verkürzung der Schließzeit führt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweite zapfenförmige Fortsatz von einem Isolierrohr aus gasabgebendem Material umgeben.
Das Isolierrohr kann mit einer schützenden, metallischen Hülle, mindestens teilweise das Isolierrohr umgebend, versehen sein.
Zum Auslösen der Kurzschließeinrichtung gemäß vorliegender Erfindung wird nun entgegen der möglichen Verwendung von Halbleiterschaltern auf ein neuartiges Schaltelement, welches als Brückenzünder ausgebildet ist, zurückgegriffen. Dieser neuartige Hilfskurzschließer weist eine hohe mit einem Halbleiterschalter vergleichbare Schaltgeschwindigkeit und eine begrenzte Stromtragfähigkeit auf, die mit dem Opferelement und dem Schließen der Hauptkontakte des Hauptkurzschließers abgestimmt ist.
Ein Brückenzünder verfügt über einen Sicherungsdraht, welcher durch einen Stromfluss geringer Höhe bei niedriger Spannung zur Aktivierung gebracht wird. Brückenzünder werden üblicherweise zur Zündung von reaktiven Massen verwendet. Ohne Einsatz derartiger reaktiver Massen besitzen sie keine
Sprengkraft und erfordern keine Auflagen hinsichtlich Umgang und Lagerung. Aufgrund der fehlenden Sprengkraft können derartige Brückenzünder keine nennenswerte Arbeit verrichten, wodurch ihr Einsatz als Kurzschließer mit nennenswerter Stromtragfähigkeit nicht gegeben ist.
Bei der Erfindungslehre wird jedoch der Brückenzünder genutzt, um einen Hilfskurzschließer auszulösen, welcher den Hilfspfad zur Belastung des
Opferelementes für den hier beschriebenen Kurzschließer direkt aktiviert.
Der Hilfspfad kann hierbei innerhalb von ca. 100 ms geschlossen werden, so dass keine Nachteile hinsichtlich der Geschwindigkeit bei Schaltvorgängen mit Halbleiterschaltern entstehen. Der Hilfskurzschließer nutzt die
Gasausdehnung direkt oder indirekt, die bei der Verdampfung des
Schmelzleiters des Zünders entsteht, um eine Folie, insbesondere eine
Isolationsfolie, auf einem potentialbehafteten Dorn zu zerstören. Nach der Zerstörung der Isolationsfolie fließt ein Strom über die Elektroden und Kontakte des Hilfskurzschließers mit oder ohne Lichtbogenbildung, welcher zur Auslösung des Opferelementes dient, welches den stromtragfähigen Hauptkurzschließer unter Federkraftunterstützung schließt.
Das erfindungsgemäße Schaltelement, ausgebildet als Brückenzünder, besteht aus zwei gegenüberliegenden, stromtragfähigen Kontakten, welche durch eine Isolation auf einen geringen Abstand von < 1 mm geha lten sind, wobei mit Auslösen des Brückenzünders die elektrische Isolation zwischen den Kontakten aufgehoben wird.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist einer der
stromtragfähigen Kontakte eine Vertiefung auf, in welcher ein Dornfortsatz ausgebildet ist, dessen Spitze zu einer, die Vertiefung überspannenden Folie gerichtet ist.
Der weitere der stromtragfähigen Kontakte besitzt einen Hohlraum zu r
Aufnahme des Brückenzünders.
Im Hohlraum ist eine druckfeste Hülse befindlich.
Bei einer ersten erfindungsgemäßen Variante der Schalteinrichtung weist in Richtung des Dornfortsatzes die Hülse eine Kappe auf, welche mit Auslösen des Brückenzünders sich in Richtung Dornfortsatz unter Zerstörung der Folie und Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den stromtragfähigen Kontakten bewegt. H ierfür kann die Vertiefung eine Entlüftungsöffnung aufweisen.
Bei einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung auf der Basis eines Brückenzünders befinden sich im Hohlraum der H ülse leitfähige Partikel, welche beim Auslösen des Brückenzünders eine elektrische
Verbindung zwischen den stromtragfähigen Kontakten hersteilen.
Die leitfähigen Partikel können mit Hilfe einer Folie oder einer Abdeckschicht fixiert werden.
Das erfindungsgemäße Schaltelement kann außerhalb des eigentlichen
Hauptkurzschließers angeordnet werden, aber auch in diesen, insbesondere in eine Kontaktelektrode, integriert, insbesondere dort eingeschraubt oder eingesteckt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen :
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung durch eine Kurzschließeinrichtung mit beweglichem Kontaktteil, ausgebildet als einseitig gesch lossener Hohlzylinder, wobei im Hohlzylinder eine Feder zur Vorspannungs- erzeugung eingesetzt ist sowie mit einem Opferelement im nicht ausgelösten Zustand ;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch das erfindungsgemäße Schaltelement, ausgebildet als Brückenzü nder mit zwei gegenüberliegenden, stromtragfähigen Elektroden, welche durch eine Isolation auf einen geringen Abstand gehalten sind, in einer Ausführungsform mit beweglicher, leitfähiger Kappe zur Überbrücku ng der Isolation nebst erkennbarem Dornfortsatz, im gezeigten Beispiel ausgebildet innerhalb einer Vertiefung innerhalb des unteren stromtragfähigen Kontaktes;
Fig. 3 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 2, jedoch mit einer
Ausbildung des Schaltelementes auf der Basis eines Brückenzünders ohne bewegliche, leitfähige Kappe, jedoch mit im Hohlraum einer erkennbaren Hülse befindlichen leitfähigen Partikeln, welche geeignet sind, nach dem Auslösen des Brückenzünders eine elektrische Ver- bindung zwischen den stromtragfähigen Kontakten herzustellen; u nd
Fig. 4 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 1 mit Hauptkurz- schließer im Längsschnitt und einer in einer der Kontaktelektroden integrierten erfindungsgemäßen Ausbildung des Schaltelementes auf der Basis eines Brückenzünders.
Gemäß der Darstellung nach Figur 1 und 4 wird von einer im Wesentlichen zylindrischen, rotationssymmetrischen Kurzschließeinrichtung ausgegangen, die an ihren Stirnseiten für die Kontaktierung an Sammelschienen oder zusätzlichen Teilen Anschlussmöglichkeiten 1; 2 aufweist.
Neben diesen hochstromtragfähigen Anschlüssen 1; 2 weist die Kurzschließ- einrichtung mindestens einen weiteren, isoliert eingeführten Anschluss 30 auf, über welchen die Aktivierung der Kurzschließeinrichtung mit Hilfe eines Schalt- elementes 3, dem gegebenenfalls eine Sicherung 4 in Reihe geschalten ist, erfolgen kann.
Die Kurzschließeinrichtung besitzt ein Opferelement, das im gezeigten Beispiel als Schraube oder Bolzen 6 ausgeführt ist.
Das Opferelement bzw. die Schraube oder der Bolzen 6 fixiert mechanisch ein bewegliches Kontaktteil 7, welches über eine Feder 8 mechanisch vorgespannt ist.
Das Opferelement 6 ist elektrisch mit dem äußeren Anschluss 30 über das bewegliche Kontaktteil 7 mit der Kontaktelektrode 80 sowie dem äußeren Anschluss 2 elektrisch verbunden.
Die zweite Kontaktelektrode 70 ist mit dem Anschluss 1 verbunden und über ein isoliertes Zentrierteil 110 von der ersten Kontaktelektrode 80 elektrisch getrennt.
Das isolierte Zentrierteil 110 führt die Kontaktelektroden 70; 80, wobei die Fügung der vorgenannten Teile bevorzugt durch eine Presspassung, insbesondere einen Kegelpressverband, realisierbar ist.
Das bewegliche Kontaktteil 7 wird über die Führung in der Kontaktelektrode 80 zur Kontaktelektrode 70 zentriert.
Zusätzlich wird die Anordnung der vorgenannten Teile nach dem Fügen durch eine isolierende kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise durch eine
Verschraubung oder durch eine formschlüssige Verbindung, zum Beispiel durch Vergießen, verbunden und fixiert, was in den Figuren im Einzelnen nicht dargestellt ist. Das Auslösen der Kurzschließeinrichtung erfolgt gemäß der gezeigten
Ausführungsvariante durch einen Stromfluss über das Opferelement 6, nachdem das Schaltelement 3 eine Verbindung zum Anschluss 1 herstellt.
Infolge des dann realisierten Stromflusses über das Opferelement 6 wird dieses erwärmt und die mechanische Fixierung des beweglichen Kontaktteiles 7 aufgehoben.
Unter dem Einfluss der Kraft der Feder 8 wird das bewegliche Kontaktteil 7 bis zur Kontaktelektrode 70 bewegt, wodurch der Hauptstrompfad zwischen den Kontaktelektroden 70 und 80 über das bewegliche Kontaktteil 7 geschlossen ist.
Zusätzlich zur Kraft der Feder wirken auch Stromkräfte, welche die
Schließbewegung unterstützen. Dies wird durch die zentrale Führung des Stromes über das Opferelement 6 und die über den Boden des beweglichen Kontaktteiles 7 im Wesentlichen erzwungene radiale Stromführung erreicht.
Hierdurch ergibt sich eine Stromschleife, deren resultierende Kraftwirkung die Federkraft bis zum Schließen der Kontakte zwischen den beweglichen Kontaktteilen und der Kontaktelektrode unterstützt.
Das Opferelement muss zum Auslösen des Schließvorganges nicht vollständ ig schmelzen. Maßgeblich ist, dass das Material des Opferelementes entfestigt wird. Diese Entfestigung kann auch unterhalb der Schmelztemperatur auftreten.
Im Bereich des Bodens 71 des geschlossenen Hohlzylinders geht dessen Zylinderwandung außenumfangsseitig in einen Konus 72 über. Im Inneren des Hohlzylinders erstreckt sich ausgehend vom Boden ein erster zapfenförmiger Fortsatz 73, welchem ein zu den Kontaktelektroden 70, 80 isolierter, zweiter zapfenförmiger Fortsatz 100 gegenüberliegt, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten zapfenförmigen Fortsatz 73; 100 das bereits erwähnte Opferelement 6, insbesondere ausgebildet als Bolzen oder Schraube
angeordnet ist. In der zweiten Kontaktelektrode 80 ist eine, an den Außenkonus 72 des beweglichen Kontaktes 7 angepasste Aussparung mit Innenkonus 91
vorgesehen, wobei Außen- und Innenkonus einen prellfreien Kurzschluss- Kontaktbereich mit Kraft- und Formschluss aufgrund a uftretender plastischer Verformung bilden.
Darüber hinaus können mit dem Bereich der Aussparung mit Innenkonus verbundene Entlüftungsöffnungen 92 in der zweiten Kontaktelektrode 70 vorgesehen sein, um einen Druckaufbau infolge der Bewegung des
Kontaktteiles 7 zu unterbinden.
Die Entlüftungsöffnungen 92 können mit einem sich unter Druckeinwirkung verlagernden Stopfen oder einem Ventil verschlossen werden.
Das Spaltmaß des erwähnten Gleitkontaktes bewegt sich in einem Bereich < 0,2 mm, bevorzugt < 0, 1 mm.
Bei einer beispielhaften Auslegung des beweglichen Kontaktteiles 7 mit einem Gewicht von im Wesentlichen 100 g, einem Außendurchmesser von ca. 30 mm ergibt sich mit einer Federkraft von ca. 800 N und einem vergleichsweise kurzen Verfahrweg des Kontaktteiles 7 eine kinetische Energie von einigen Joule, welche zu einem großen Teil in plastische Verformungen im Kontakt - bereich überführt wird.
Bei einem Konus mit einem Konuswinkel < 3° und einer Konuslänge von beispielsweise 6 mm mit der Kontaktelektrode fü hrt diese Energie bereits zu einer Verlängerung des theoretischen Verfahrweges bei der Annahme eines einfachen Formschlusses von einigen 100 pm. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Kurzschließeinrichtung für Kurzschlussströme von mehreren 10 bis 100 kA beträgt die für die plastische Verformung zur
Verfügung stehende Energie ausschließlich durch die Federkraft bedingt mindestens 10 Joule. Infolge der Unterstützung der Federkraft durch
zusätzliche Kräfte entsprechend der Ausführung der erfindungsgemäßen Lehre werden bei Unterbrechung des Stromes nach dem Schmelzen des Opfer- elementes Verlängerungen des Verfahrweges von > 0,5 mm bis 2 mm erreicht. Ohne Unterbrechung des Stromes erhöht sich die kinetische Energie auf mehrere 10 Joule, wodurch sich der Verfah rweg gegenüber dem bei reinem Formschluss um mehrere Millimeter verlängert. Bei einer solchen Auslegung kann der Verfahrweg mit geeigneten Mitteln limitiert werden, da für eine hinreichende Stromtragfähigkeit entsprechend der gezeigten Darstellungen nur eine geringe Eindringtiefe des Kontaktteiles 7 bezogen auf die entsprechende Kontaktelektrode ausreichend ist.
Für weitere Einzelheiten hinsichtlich des Aufbaues der Kurzschließeinrichtung wird auf die DE 10 2016 115 222.6 verwiesen, die diesbezüglich volli nhaltlich zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung erklärt wird .
Der erfindungsgemäße Brückenzünder soll anhand der Figuren 2 und 3 und diesbezüglicher Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Der schnelle Schalter 3 gemäß Darstellung nach Figur 1 wird auf der Basis eines Brückenzünders ausgeführt.
Bei der Ausbildung gemäß Figur 2 weist das Schaltelement 3 zwei stromtrag - fähige Kontakte 10 und 11 auf, die durch eine Isolationsscheibe 12 auf einen geringen Abstand von beispielsweise < 1 mm gehalten werden.
Es besteht dabei die Möglichkeit, dass einer der Kontakte unter Einwirkung einer Federvorspannkraft stehen kann (figürlich nicht dargestellt).
In dem stromtragfähigen Kontakt 11 (in den Figuren der untere Kontakt) ist eine Vertiefung vorgesehen, welche einen Dornfortsatz 13 und bevorzugt eine Entlüftungsöffnung 14 besitzt.
Der gegenüberliegende Kontakt 10 besitzt einen Hohlraum, in welchen ein beweglicher Kontakt 15 in Form einer Kappe eingesetzt ist.
Diese bewegliche Kontaktkappe 15 ist auf einer druckfesten zylindrischen Hülse 16 geführt.
Innerhalb der druckfesten zylindrischen Hülse 16 befindet sich der eigentliche Brückenzünder 17. Die zylindrische H ülse 16 ist im Bereich der Ausführungen der Ansteuer- leitungen 25 entsprechend abgedichtet.
Der Hohlraum in der Hülse 16 ist nach dem Einsetzen des Brückenzünders minimal und gegebenenfalls mit einem nicht kompressiblen Medium gefüllt.
Zwischen den stromtragfähigen Kontakten 10 und 11 befindet sich mindestens eine dünne Isolationsfolie 18.
Die Isolationsfolie 18 kann eine elektrisch leitfähige Schicht besitzen oder aber mit einer elektrisch leitfähigen Folie kombiniert werden.
Diese Isolationsfolie bzw. Isolationsfolien dienen dann der Erzielung einer hinreichenden Spannungsfestigkeit zwischen den gegenüberliegenden
Kontakten 10; 11. Die leitfähige Beschichtung bzw. die zusätzliche leitfähige Folie dient der Steuerung des elektrischen Feldes neben einer diesbezüglichen optimierten Gestaltung der Oberfläche der Kontakte 10; 11.
Die Folien können dabei auch zur Fixierung der beweglichen Kappe 15 auf der Hülse 16 dienen.
Die bewegliche Kappe 15 ist so ausgeführt, dass sie den Abstand zwischen den Kontakten 10 und 11 brücken kann.
Hierbei wird die Kappe 15 nach Aktivierung des Brückenzünders 17 durch die Ausdehnung des Gases im Hohlraum der Hülse 16 in Richtung des Kontaktes 10 und des dortigen Dornfortsatzes 13 bewegt.
Bei dieser Bewegung werden die erwähnten Folien gegen den Dorn 13 gedrückt und zerstört, wodurch die Isolation zwischen den stromtragfähigen Kontakten 10 und 11 aufgehoben ist.
Damit keine Gaskompression auftritt, welche der gewünschten Bewegung entgegenwirkt, sind die erwähnten Entlüftungsöffnungen 14 vorgesehen. Die Kappe 15 wird in der Vertiefung im unteren stromtragfähig en Kontakt 11 und am Dorn 13 verklemmt.
Der Schaft der Kappe 15 verbleibt teilweise im Kontakt 10 und brückt die Distanz zwischen den beiden Kontakten 10; 11, wodurch eine metallische, leitfähige Verbindung entsteht.
Grundsätzlich kann der Dorn 13 auch a n der beweglichen Kappe 15 befestigt oder die Kappe 15 mit einem dornförmigen Fortsatz realisiert werden.
Die Stromtragfähigkeit der vorbeschriebenen elektrischen Verbindung über die Kappe 15 ist gleich, jedoch bevorzugt höher ausgelegt als die Stromtrag- fähigkeit des Opferelementes 6.
Die stromtragfähigen Kontakte 10 und 11 benötigen aufgrund der erläuterten Funktionsweise eine exakte Führung, die beispielsweise durch eine Isolations- hülse 19 nebst Dichtringen 20 realisierbar ist.
Bei der Ausführungsform des Schaltelementes 3 gemäß Figur 3 wird von einer ähnlichen Grundkonstruktion ausgegangen, wie anhand der Figur 2 erläutert.
Bei der Ausführungsform nach Figur 3 ist jedoch keine beweglich gelagerte Kappe 15 notwendig .
Vielmehr befinden sich im Hohl raum innerhalb der Hülse 16 leitfähige Partikel 21, die aufgrund der Gasausdehnung und der Entlüftungen zwischen den Kontakten 10 und 11 einen Überschlag selbst bei anliegenden Spannungen von < 70 V erzeugen.
Bei entsprechendem metallischen Pulver kann aufgrund des kurzen Abstandes zwischen den Kontakten 10 und 11 auch eine metallische Brücke hinreichender Stromtragfähigkeit geschaffen werden.
Hierzu ist eine hinreichende Menge an Metallpulver 21, welche bevorzugt größer als das Volumen des Hohlraumes zwischen den Elektroden 10 und 11 ist, sowie eine nur begrenzte Entlüftung mit Umlenkung durch einen kleinen Querschnitt notwendig. Das teilweise geschmolzene Pulver wird nach Zerstörung der Isolationsfolie 18 beim Eindringen in den Entlüftungskanal 14 so stark abgekühlt, dass es erstarrt und den Durchlass verschließt.
Das verbleibende Pulver 21 wird durch den Lichtbogen weiter erwärmt und bildet eine gewünschte metallische Brücke zwischen den Kontakten 10; 11.
Bei dieser Ausführungsform kann der Brückenzünder 17 auch selbst mit einer definierten Menge leitfähiger Partikel ertüchtigt werden.
Die leitfähigen Partikel können im Hohlraum der Hülse 16 durch eine
Lackschicht oder durch eine Folie 22 mechanisch fixiert werden.
Die Schaltelemente gemäß den Darstellungen nach Figuren 2 und 3 sind in der Lage, eine niederohmige metallische Verbindung zwischen den Hauptkontakten 1 und 2 über das Opferelement 6 gemäß Figur 1 bzw. 4 zu realisieren.
Die geschaffene Verbindung besitzt eine Stromtragfähigkeit, welche
mindestens der des Opferelementes 6 entspricht, wodurch die Auslösung des beweglichen Kontaktes 7 und seine Bewegung zum Kurzschluss der
Hauptelektroden 1 und 2 in jedem Fall sichergestellt ist.
Die Verbindung über den schnellen Schalter entsprechend den Ausführungs- formen nach den Figuren 2 und 3 erfolgt mit Auslösung des Brückenzünders innerhalb einer Zeit von ca. 100 ps, welche vergleichbar ist mit der Auslösung eines Halbleiterschalters mit entsprechenden EMV-Schutzmaßnahmen.
Der Hilfspfad mit dem schnellen Schalter 3 kann mit Hilfe einer Sicherung 4 nach der Zerstörung des Opferelementes 6 abgetrennt werden. Aufgrund der Überlastfestigkeit des schnellen Schalters und bei hinreichender
Stromtragfähigkeit des Hilfspfades ist es möglich, den Strom bis zum
metallischen Kurzschluss der Hauptkontakte ohne Unterbrechung zu führen.
Bei einer Überlastung der Stromtragfähigkeit der metallischen Kappe gemäß Figur 2 bzw. der Brücke aus metallischen Partikeln 21, fungiert der schnelle Schalter als Funkenstrecke mit sehr geringer Lichtbogenspannung . Bei sehr hohen Belastungen schmelzen die Kontakte 10 und 11 bei Lichtbogenbildung partiell auf, wodurch wiederum ein metallischer Kurzschluss im Hilfspfad entsteht.
Der Hilfspfad kann damit Ströme im Bereich von mehreren 10 kA für einige Millisekunden selbständig führen, bis die Entlastung durch Schließung der Hauptkontakte über das bewegliche Kontaktteil 7 erfolgt. Diese Stromtrag - fähigkeit ist somit höher als die eines preisgünstigen Halbleiterschalters bei vergleichbarer Schließzeit. Die Kosten und der Platzbedarf sinken gegenüber einem Halbleiterschalter erheblich.
Das schnelle Schaltelement kann wie in Figur 1 angedeutet, außerhalb der eigentlichen Kurzschließeinrichtung vorgesehen sein. Alternativ ist aber auch eine Integration innerhalb der Kurzschließeinrichtung möglich.
Diesbezüglich kann der schnelle Schalter neben einer vollständigen Integration in das druckfeste Gehäuse der Kurzschließeinrichtung beispielsweise durch einen Steck- oder Schraubadapter ähnlich einer Sicherung mit dem
Kurzschließer verbunden werden. Dies erlaubt einen einfachen Austausch der Einheit mit dem Brückenzünder bei entsprechender Ausführung sogar unter Spannung .
Eine diesbezüglich beispielhafte Darstellung ist in der Figur 4 gezeigt. Hier ist der Hilfskurzschließer auf der Basis eines Brückenzünders vor dem Anschluss 5 des Opferelementes 6 eingesetzt. Die Verbindung zum Anschluss 5 kann durch eine Druck- bzw. Steckverbindung realisiert werden, so dass der Hilfskurz- schließer austauschbar ist. Der Hilfskurzschließer gemäß Figur 2 ist in dem Gehäuse des Hauptkurzschließers mit dem Potential des Hauptkontaktes 2 durch das Teil 23 isoliert eingebracht. Die Verbindung des H ilfskurzschließers zum Anschluss 1 des Hauptkurzschließers wird über eine äußere Verbindung 24 realisiert. Diese Verbindung 24 kann auch innerhalb des Gehäuses des Haupt- kurzschließers bei entsprechender Ausgestaltung erfolgen.
Die Anschlüsse 25 zur Aktivierung des Hilfskurzschließers zum Brückenzünder 17 werden isoliert nach außen zu einer nicht dargestellten Erfassungseinheit zur Bereitstellung der Zündenergie geführt.

Claims

Patentansprüche
1. Kurzschließeinrichtung für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungs- anlagen zum Sach- und Personenschutz, umfassend ein Schaltelement (3), welches vom Auslösesignal einer Fehlererfassungseinrichtung betätigbar ist, zwei sich gegenüberliegende Kontaktelektroden (70; 80) mit Mitteln (1; 2) zur Stromzuführung, wobei diese an einen Stromkreis mit Anschlüssen von unterschiedlichem Potential kontaktierbar sind, weiterhin in mindestens einer der Kontaktelektroden (80) ein unter mechanischer Vorspannung stehendes, im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Bewegung zur weiteren Kontakt- elektrode (70) ausführendes bewegliches Kontaktteil (7), ein Opferelement (6) als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden (70; 80) sowie mit einer elektrischen Verbindung zwischen dem Opferelement (6) und dem
Schaltelement (3) einerseits und einer der Kontaktelektroden andererseits, um eine stromflussbedingte, thermische Verformung oder Zerstörung des Opferelements (6) gezielt herbeizuführen, wobei das bewegliche Kontaktteil (7) als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet ist und im Hohlzylinder eine Feder (8) zur Vorspannungserzeugung eingesetzt ist, der Hohlzylinder in einer komplementären Aussparung in der ersten Kontaktelektrode (80) unter Bildung eines Gleitkontaktes beweglich geführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaltelement (3) als Brückenzünder (17) ausgebildet ist, welcher aus zwei gegenüberliegenden, stromtragfähigen Kontakten (10; 11) besteht, welche durch eine Isolation (12) auf einen geringen Abstand gehalten sind, wobei mit Auslösen des Brückenzünders (17) die elektrische Isolation zwischen den Kontakten (10; 11) aufgehoben wird .
2. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich des Bodens (71) des geschlossenen Hohlzylinders dessen
Zylinderwandung außenumfangsseitig in einen Konus (72) übergeht,
weiterhin im Inneren des Hohlzylinders sich ausgehend vom Boden ein erster zapfenförmiger Fortsatz (73) erstreckt, welchem ein zu den Kontaktelektroden (70; 80) isolierter, zweiter zapfenförmiger Fortsatz (100) gegenüberliegt, wobei zwischen erstem und zweitem zapfenförmigen Fortsatz (73; 100) das Opferelement (6), ausgebildet als Bolzen oder Schraube angeordnet ist und in der zweiten Kontaktelektrode (80) eine, an den Außenkonus (72) des beweglichen Kontaktes (7) angepasste Aussparung mit Innenkonus (91) vorgesehen ist, wobei Außen- und Innenkonus einen prellfreien Kurzschluss- Kontaktbereich mit Kraft- und Formschluss aufgrund auftretender plastischer Verformung bilden.
3. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit dem Bereich der Aussparung mit Innenkonus verbundene Entlüftungs- Öffnungen (92) in der zweiten Kontaktelektrode (70) vorgesehen sind, um einen Druckaufbau infolge der Bewegung des Kontaktteils (7) zu unterbinden.
4. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entlüftungsöffnungen (92) mit einem sich unter Druckeinwirkung
verlagernden Stopfen oder einem Ventil verschlossen sind.
5. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Spaltmaß des Gleitkontakts < 0,2 mm beträgt.
6. Kurzschließeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der jeweilige Konuswinkel im Bereich < 3° liegt.
7. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelektroden (70; 80) rotationssymmetrisch ausgebildet und über einen isolierenden Zentrierring (110) beabstandet gehalten sind.
8. Kurzschließeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das bewegliche Kontaktteil (7) sich kolbenartig in der Aussparung der ersten Kontaktelektrode (80) bewegt, wobei die bei der Zerstörung des
Opferelements (6) frei werdende Energie und/oder die Energie eines entstehenden Lichtbogens bewegungsbeschleunigend auf den Boden (71) des beweglichen Kontaktteils (7) einwirkt.
9. Kurzschließeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite zapfenförmige Fortsatz (100) von einem Isolierrohr aus
gasabgebendem Material umgeben ist.
10. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
einer der stromtragfähigen Kontakte (11) eine Vertiefung aufweist, in welcher ein Dornfortsatz (13) ausgebildet ist, dessen Spitze zu einer, die Vertiefung überspannender Folie (18) gerichtet ist.
11. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der weitere der stromtragfähigen Kontakte (10) einen Hohlraum für den Brückenzünder (17) aufweist.
12. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Hohlraum eine druckfeste H ülse (16) befindlich ist.
13. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Richtung des Dornfortsatzes (13) die Hülse (16) eine Kappe (17) aufweist, welche mit Auslösen des Brückenzünders (17) sich in Richtung Dornfortsatz (13) unter Zerstörung der Folie (18) und Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den stromtragfähigen Kontakten (10; 11) bewegt.
14. Kurzschließeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vertiefung eine Entlüftungsöffnung (14) aufweist.
15. Kurzschließeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum der Hülse (16) leitfähige Partikel (21) eingebracht sind, welche beim Auslösen des Brückenzünders (17) eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten (10; 11) hersteilen.
16. Kurzschließeinrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die leitfähigen Partikel (21) hülsenöffnungsseitig mittels einer Folie oder einer Abdeckschicht (22) fixiert sind .
17. Kurzschließeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaltelement mit Brückenzünder (17) in die Kontaktelektrode (80) integrierbar, insbesondere einschraub- oder einsteckbar ist.
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