SYMMETRIERUNGSANORDNUNG FÜR STROMBAHNEN GERADER ANZAHL

Symmetrierungsanordnung für Strombahnen gerader Anzahl

Die Erfindung betrifft die Symmetrierung parallel geschalteter Strombahnen, die insbesondere zu mindestens einem elektrischen Schaltgerät, beispielweise einem elektromagnetischen Schütz oder einem Leistungsschalter, gehören.

Werden Schaltgeräte mit sehr großem Nennstrom benötigt, rentiert sich aufgrund der anteilmäßig geringen Stückzahl die Entwicklung eines solchen Schaltgerätes nicht. Vielmehr geht man sowohl bei Schützen als auch bei Leistungsschaltern dazu über, Geräte oder auch Strombahnen eines Gerätes zur Steigerung der Stromtragfähigkeit parallel zu schalten. So werden zB bei einphasigen Lasten häufig die drei Hauptstrombahnen von Schützen parallel geschaltet. Die Druckschrift EP 1 503 395 A2 zeigt eine Anordnung von zwei parallel betriebenen dreiphasigen Schützen, die nebeneinander angeordnet sind. Die links außen befindliche und die mittlere Strombahn des linken Schützes, die rechte Strombahn des linken Schützes und die dazu benachbarte linke Strombahn des rechten Schützes sowie die mittlere und die rechts außen befindliche Strombahn des rechten Schützes sind zu jeweils einer Stromphase parallel verschaltet.

Bei einer Parallelschaltung lässt sich der Nennstrom der einzelnen Kontakte bzw. Strombahnen jedoch nicht mit der Anzahl der parallel geschalteten Strombahnen multiplizieren. Durch unterschiedliche Übergangswiderstände sowie durch Stromverdrängungseffekte ergibt sich eine Unsymmetrie in der Stromverteilung, sodass mit einem Symmetriefaktor von kleiner Eins die Gesamtstromtragfähigkeit der parallel geschalteten Strombahnen bzw. Kontakte reduziert werden muss. Insbesondere durch die regenerativen Energiequellen, insbesondere Windenergieanlagen, ist der Bedarf an Schaltgeräten mit sehr hohem Nennstrom angestiegen. Durch die hohen Nennströme und die geringen, bei derartigen Energieanlagen zur Verfügung stehenden Einbauvolumen für Schaltgeräte sowie die erforderlichen Kupfermassen steigt die Problematik der Unsymmetrie. Durch den geringen Bahnwiderstand der massiven Kupferschienen steigt der Einfluss der Stromverdrängung und des Anschlussübergangswiderstandes stark an. Aufgrund des geringen Einbauvolumens ist keine nennenswerte Verbesserung der Symmetrierung über die mit den Schaltgeräten zu verbindenden Kupferschienen zu ereichen. Somit lässt sich in der Regel nur ein relativ schlechter Symmetriefaktor von kleiner als 0,8 erreichen, was zu einer ungünstigen Gesamtauslastung der Schaltgerä- te führt. Ideal wäre ein Symmetriefaktor von 1/1 = 1. Noch ungünstiger ist die Parallelschaltung von mehr als zwei Strombahnen bzw. Kontakten, da im Hochstrombereich durch die Stromverdrängungseffekte die Teilströme insbesondere auf die beiden äußeren Strombahnen verdrängt werden, was zu einer weiteren Verschlechterung des Symmetriefaktors führt.

Aus der Druckschrift DE 1 950 319 A1 ist eine gattungsgemäße Anordnung für ein Schaltgerät mit parallel geschalteten Strombahnen bekannt, bei dem eine Symmetrie- rung der Stromverteilung über zwei parallel geschaltete Strombahnen mittels einer direkten magnetischen Kopplung der Strombahnen über einen Eisenkreis stattfindet. Um diese Kopplung zu erreichen, ist eine entgegengesetzte Stromführung der Strombahnen im Magnetkreis erforderlich, die über eine sehr aufwendige Verkröpfung der zu- gangs- oder abgangsseitig aus dem Schaltgerät geführten Stromschienen bewirkt wird. Diese Verkröpfung ist über zwei Ebenen senkrecht zum Stromverlauf erforderlich und ist bei Schaltgeräten für sehr große Nennströme (beispielsweise größer als 2000 A), aufgrund der erforderlichen großen Kupferquerschnitte nur mit erheblichem Aufwand möglich bzw. für viele praktische Anwendungen nicht ausführbar. Als weitere Nachteile sind die erhebliche Zunahme der Einbaumaße zu sehen sowie die Tatsache, dass die beschriebene Lösung nur auf zwei parallel geschaltete Strombahnen angewendet werden kann.

Die Druckschrift EP 1 107 269 A1 beschreibt ein Drehstromschaltgerät mit kompensiertem Magnetkreis für zwei Strombahnen pro Phase, wobei mittels der unsymmetrischen Anordnung einer Induktivität in Form eines Stromübertragers zur Eigenversorgung der Auslöseelektronik eines Leistungsschalters der unsymmetrischen Stromverteilung in den parallel geschalteten Außenleitern eines sechspoligen Schaltgerätes entgegengewirkt wird. Die Längsinduktivität des Stromübertragers muss dabei näherungsweise so gewählt werden, dass die im Nennbetrieb sich einstellende Impedanzänderung durch die erhöhte Stromverdrängung in der äußersten Strombahn annähernd ausgeglichen wird. Die Symmetrierung erfolgt über die individuelle Anpassung des Stromübertragers an die Gegebenheiten des jeweiligen Schaltgerätes, was einen erheblichen Aufwand darstellt. Die Druckschrift DE 1 015 156 C beschreibt eine Anordnung zum Ausgleichen der Strome in Zuleitungen zu den Elektroden in Elektroofen für Wechselstrom Nebeneinander verlaufende Zuleitungen sind paarweise mit entgegengesetzter Stromrichtung durch einen Eisenkern gefuhrt Die magnetische Verkettung fuhrt zu einem Ausgleich der Strome, allerdings nur in den unmittelbar benachbarten Zuleitungen Diese Losung ist weiterhin mit den zu Druckschrift DE 1 950 319 A1 vorstehend beschriebenen Nachteilen behaftet

Die gattungsbildende Druckschrift DD 101 775 beschreibt eine Stromteilerdrossel für parallel geschaltete Strombahnen für Kontakte eines Schalters Hierzu sitzen auf den parallel geführten Strombahnen Ringkerne, die paarweise mit als leitende Rohre oder leitende Schichten ausgebildeten Sekundärwicklungen versehen sind, die ihrerseits zu einem im elektromagnetischen Sinne entgegengesetzt orientierten geschlossenen Se- kundarstromkreis verbunden sind Die Stromteilerdrosseln sind mit nicht unerheblichem Aufwand zu fertigen sowie an den jeweiligen Schaltgerattyp mechanisch und elektromagnetisch anzupassen Nachteilig ist fernerhin, dass bei mehr als zwei parallel geschalteten Strombahnen lediglich die Strome in den unmittelbar benachbarten Strombahnen ausgleichend elektromagnetisch verkettet werden können

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine optimale Symmetrierung der Stromverteilung von parallel geschalteten Strombahnen zur bestmöglichen Stromauslastung bei geringem Platzbedarf zu erreichen

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfin- dungsgemaß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelost, wahrend den abhangigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind

Durch die erfindungsgemaße Anordnung heben sich gleichgroße Strome in den beiden jeweils antiseπell, dh mit entgegengesetzter elektromagnetischer Ausrichtung, verbundenen Sekundärwicklungen gegenseitig auf Fließt in der ersten von zwei Strombahnen, die erfindungsgemaß über die Sekundärwicklungen ihrer beiden zugeordneten Stromubertrager gekoppelt sind, jedoch ein höherer Strom, so wird in die Sekundärwicklung des zugehörigen Stromübertragers ein höherer Strom übertragen, der über die Sekundärwicklung des zur zweiten Strombahn gehörenden Stromübertragers einen vergrößernden Ausgleichsstrom in die zweite Strombahn treibt. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die primärseitige Gegenspannung des der ersten Strombahn zugeordneten Stromübertragers. Somit wird einerseits der Teilstrom in der ersten Strombahn bedämpft und anderseits der Teilstrom in der zweiten Strombahn entsprechend erhöht.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Stromsymmetrie zwischen parallel geschalteten Strombahnen erheblich verbessert. Mit Vorteil können preiswerte Standard- Stromübertrager verwendet werden. Es sind keine technologisch und räumlich aufwendigen, insbesondere verkröpfte Leitungselemente erforderlich. Die Anordnung zur Sym- metrierung kann bei Standard-Schaltgeräten ohne Veränderung bzw. individuelle Anpassung angewendet werden, führt zu keiner erheblichen Zunahme der Einbaumaße und ist hinsichtlich der Anzahl der parallel geschalteten Strombahnen nicht beschränkt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung werden bei Parallelschaltung von drei Strombahnen zur Verringerung des Bauraumes und des Verdrahtungsaufwandes die jeweils zwei einer Strombahn zugeordneten Stromübertrager aus einem gemeinsa-

men Stromübertrager mit symmetrischer Mittelanzapfung gebildet.

Die Güte der Symmetrie kann dabei durch die Impedanz der Stromübertrager beein- flusst werden. Je geringer die Impedanz der Stromübertrager, desto größer wird die Kopplung der Ströme und umso besser der Symmetrierungsfaktor. Die Stromübertrager sind vorteilhaft so zu bemessen, dass diese den um den ursprünglichen Kehrwert des Symmetriefaktors höheren Teilstrom auf Dauer noch führen können, wobei die Bauleistung der Stromübertrager nach der zu kompensierenden Scheinleistung zu bemessen ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen

Figur 1 : eine erfindungsgemäße Anordnung zur Symmetrierung von jeweils zwei parallel geschalteten Strombahnen in Verbindung mit zwei Schaltgeräten;

Figur 2: die schematische Darstellung der Anordnung gemäß Fig. 1 ;

Figur 3: die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Symmetrierung von drei parallel geschalteten Strombahnen;

Figur 4: die schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung zur Symmetrierung von drei parallel geschalteten Strombahnen.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine Anordnung von zwei parallel betriebenen dreiphasigen, als Schütze ausgebildeten Schaltgeräten 1 und 2, die seitlich nebeneinander angeordnet sind. Jedes Schaltgerät 1 , 2 weist einen Magnetantrieb K zur Betätigung von jeweils drei Hauptstromkontakten C1 , C2, C3 auf. Die links außen befindliche Strombahn L11 und die mittlere Strombahn L12 des linksseitig angeordneten Schaltgerätes 1 , die rechts außen befindliche Strombahn L21 des linksseitigen Schaltgerätes 1 und die dazu benachbarte links außen befindliche Strombahn L22 des rechtsseitig angeordneten Schaltgerätes 2 bzw. die mittlere Strombahn L31 und die rechts außen befindliche Strombahn L32 des rechtsseitigen Schaltgerätes 2 sind zu jeweils einer Stromphase L1 , L2 bzw. L3 parallel verschaltet. Damit sind die Hauptstromkontakte C1 und C2 des linken Schaltgerätes 1 , der Schaltkontakt C3 des linken Schaltgerätes 1 und der Schaltkontakt C1 des rechten Schaltgerätes 2 sowie die Schaltkontakte C2 und C3 des rechten Schaltgerätes 2 parallel geschaltet. Jeder Strombahn L11 , L12, L21 , L22, L31 bzw. L32 ist ein elektromagnetischer Stromübertrager U11 , U12, U21 , U22, U31 bzw. U32 zugeordnet. Jeder der baugleichen Stromübertrager 1111 bis U32 hat eine Primärseite, die von der zugeordneten Strombahn L11 bis L32 gebildet wird, und eine Sekundärwicklung S11 , S12, S21 , S22, S31 bzw. S32, die mehrere Windungen aufweist. Je zwei Sekundärwicklungen von je zwei parallel geschalteten Strombahnen sind paarweise antiseriell zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden. Das heißt, die in dieser Weise verbundenen Sekundärwicklungen sind bezüglich der ihnen zugeordneten Strombahnen in ihrer elektromagnetischen Wirkung entgegengesetzt ausgerichtet, was in Fig. 2 durch die Punkte neben den Sekundärwicklungen S11 bis S32 angedeutet wird. So ist die Sekundärwicklung S11 des der Strombahn L11 zugeordneten Stromübertragers U11 antiseriell mit der Sekundärwicklung S12 des der parallel geschalteten Strombahn L12 zugeordneten Stromübertragers U12 verbunden. In gleicher weise ist die Sekundärwicklung S21 des der Strombahn L21 zugeordneten Strom Übertragers U21 antiseriell mit der Sekundärwicklung S22 des der parallel geschalteten Strombahn L22 zugeordneten Stromübertragers U22 sowie die Sekundärwicklung S31 des der Strombahn L31 zugeordneten Stromübertragers U31 antiseriell mit der Sekundärwicklung S32 des der parallel geschalteten Strombahn L32 zugeordneten Strom Übertragers U32 verbunden. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist es belanglos, ob die parallel geschalteten Strombahnen und die ihnen zugeordneten Strom Übertrager zum gleichen Schaltgerät 1 oder 2 oder zu beiden Schaltgeräten 1 und 2 gehören.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung soll am Beispiel der beiden Strombahnen L11 , L12 und der ihnen zugeordneten Stromübertrager 1111 , U12 erläutert werden. Durch die antiserielle Anordnung der Sekundärwicklungen S11 und S12 würden bei gleichgroßen (Primär-)Strömen in den Strombahnen L11 und L12, dh bei idealer Symmetrie, gleichgroße Sekundärströme in den verbundenen Sekundärwicklungen S11 und L12, allerdings in Bezug auf die Ströme in den Strombahnen L11 und L12 in unterschiedliche Richtungen fließen, wodurch sie sich in ihrer Wirkung gegenseitig aufheben würden. Wenn jedoch infolge von Unsymmetrien in der Strombahn L11 beispielsweise ein höherer Strom als in der Strombahn L12 fließen will, dann wird über die Sekundärwicklung L11 ein erhöhter Strom übertragen, der über die Sekundärwicklung L12 einen vergrößernden Ausgleichsstrom in die Strombahn L12 treibt. Gleichzeitig erhöht sich die induzierte Gegenspannung des Strom Übertragers IM 1. Somit wird der anfänglich höhere Teilstrom in der Strombahn L11 bedämpft und der anfänglich niedrigere Teilstrom in der Strombahn L12 erhöht, was im Idealfall zu einem Symmetriefaktor von Eins zwischen den beiden Strombahnen L11 und L12 führt. Selbstredend findet die eben beschriebene Wirkung auch zwischen den Stromübertragern U21 und U22 sowie U31 und U32 statt.

Das Beispiel in Fig. 3 zeigt ein elektromagnetisches Schaltgerät mit paralleler Zusammenschaltung von drei Strombahnen L11 , L12 und L13 zu einer Stromphase L1 und damit der Parallelschaltung der drei Hauptkontakte C1 , C2 und C3. Auch hier ist wieder paarweise die Sekundärwicklung eines Stromübertragers, der einer der Strombahnen zugeordnet ist, mit der Sekundärwicklung eines anderen Stromübertragers, der einer der anderen Strombahnen zugeordnet ist, antiseriell verbunden, sodass jede der drei Strombahnen mit jeder anderen der Strombahnen zur Erhöhung der Symmetrie der Teilströme in den Strombahnen L11 , L12 und L13 auf erfindungsgemäße Weise paarweise gekoppelt ist.

Ein erster Stromübertrager LM 1 ist primärseitig der ersten Strombahn L11 zugeordnet und mit seiner Sekundärwicklung S11 antiseriell mit der Sekundärwicklung S22 eines zweiten Stromübertragers U22 verbunden, der primärseitig der zweiten Strombahn L12 zugeordnet ist. Ein weiterer erster Strom Überträger U21 ist primärseitig ebenfalls der zweiten Strombahn L12 zugeordnet und mit seiner Sekundärwicklung S21 antiseriell mit der Sekundärwicklung S32 eines weiteren zweiten Stromübertragers U32 verbunden, der primärseitig der dritten Strombahn L13 zugeordnet ist. Ein nochmaliger erster Stromübertrager U31 ist primärseitig ebenfalls der dritten Strombahn L13 zugeordnet und mit seiner Sekundärwicklung S31 antiseriell mit der Sekundärwicklung S12 eines nochmaligen zweiten Stromübertragers LM 2 verbunden, der primärseitig ebenfalls der ersten Strombahn L13 zugeordnet ist. Die Stromübertrager LM 1 bis U32 sind baugleich.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Fortbildung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Die zu jeweils einer der Strombahnen L11 bzw. L12 bzw. L13 gehörenden ersten und zweiten Sekundärwicklungen S11 , S12 bzw. S21 , S22 bzw. S31 , S31 bilden hier die jeweils beiden gleich ausgebildeten Sekundärteilwicklungen eines gemeinsa- men Stromübertragers 111 bzw. U2 bzw. U3. Die Sekundärteilwicklungen S11 bis S32 sind wie in der vorstehend zu Fig. 3 beschriebenen Weise paarweise antiseriell verbunden, wobei die symmetrischen Mittelanzapfungen M1 , M2 und M3 auf der Sekundärseite der gemeinsamen Stromübertrager U1 , U2 und U3 verbunden sind. Diese Ausführungsform erfordert gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 3 einen geringeren Bauraum für die Stromübertrager und weniger sekundärseitige Verdrahtung.