Anordnung einer Mehrzahl von gleichartigen elektrischen Widerständen zur Begrenzung von Kurzschlussströmen

Abstract

 Eine Mehrzahl von Widerstandselementen (24) wird von Widerstandsfolien gebildet, die zwischen zwei Flächen (29) einer Kühlvorrichtung (21) nebeneinander liegen. Elektrisch sind sie dieser gegenüber isoliert, wärmetechnisch jedoch in enger Verbindung mit ihr. Die gemeinsame Kühlvorrichtung (21) hat eine wesentlich höhere Wärmekapazität als jene eines einzelnen Widerstands. Im Falle eines Kurzschlusses an einem der Widerstandselemente (24) vermag die Kühlvorrichtung (21) dank guter Wärmeleitfähigkeit und -kapazität dessen gegenüber dem fehlerfreien Betrieb drastisch erhöhte Verlustleistung während einiger Zeit aufzunehmen, ohne dass dadurch die Temperatur am Widerstandselement (24) oder einer Isolierschicht (25) derart hoch ansteigt, dass diese beschädigt würden. Durch die gemeinsame Anordnung der Widerstandselemente (24) in einer einzigen Kühlvorrichtung (21) lässt sich die Gesamtzahl der Widerstände auf engerem Raum unterbringen, als dies für Einzelwiderstände der Fall wäre. Die Kühlleistung der gesamten Vorrichtung muss dabei lediglich auf eine Gesamt-Nennbelastung ausgelegt werden. Die Anordnung kann beispielsweise für die Begrenzungswiderstände in einem Reihenspeiseverteiler verwendet werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Widerstände und betrifft eine Mehrfachanordnung von Begrenzungswiderständen.

[0002] Die Stromversorgung in elektrischen Anlagen aller Art erfolgt üblicherweise durch eine Verteilung über mehrere Stufen. Die Leitungen sind jeweils geschützt durch angepasste Ueberstromunterbrecher. Bei deren Dimensionierung wird davon ausgegangen, dass nicht gleichzeitig in allen Leitungen der nachgeschalteten Stufen der maximal zulässige Strom fliesst. Bei der Anpassung wird eine Selektivität der Auslösung angestrebt, das heisst, bei einem Ueberstrom in einem untergeordneten Zweig soll nur dieser Zweig abgeschaltet werden. Dies soll möglichst ebenfalls gewährleistet sein, wenn im untergeordneten Zweig ein Kurzschluss auftritt, der einen Strom verursacht, der auch weit über der Ansprechschwelle des Ueberstromunterbrechers im vorgeschalteten Zweig liegt. Die Selektivität verhindert, dass ein lokaler Defekt die Ausschaltung eines grösseren Teils einer Anlage bewirkt. Um eine zuverlässige Selektivität zu erreichen, wird in gewissen Anwendungen der mögliche Kurzschlussstrom in einem Zweig durch einen eigens dafür in die Zuleitung geschalteten Widerstand begrenzt. Ein typisches Beispiel dafür ist der Reihenspeiseverteiler in einer Fernmeldeanlage, von dessen Sammelschiene aus Zuleitungen zu einer Mehrzahl von Gestellen mit Baugruppenträgern führen.

[0003] Der Wert des einzelnen Begrenzungswiderstands ergibt sich bei gegebener Anzahl der Zweige aus einer Optimierung bezüglich der geforderten Selektivität und dem Bestreben, die Verlustleistung im ungestörten Betrieb klein zu halten.

[0004] Begrenzungswiderstände der geschilderten Art weisen im Betrieb mit Nennstrom eine nicht zu vernachlässigende Verlustleistung auf, anderenfalls wird der Kurzschlussstrom im Vergleich zum Nennstrom sehr gross. Meist bedürfen sie deshalb einer Kühlung. Gleichwohl besteht die Gefahr der Beschädigung oder Zerstörung infolge Ueberhitzens im Fall, wo der Widerstand den Kurzschlussstrom führt, beträgt doch die Verlustleistung im Kurzschlussfall ein Vielfaches von jener bei Nennstrom.

[0005] Bekannte Anordnungen verwenden Begrenzungswiderstände mit wärmeableitendem Gehäuse. Die Bauweise derartiger Widerstände ist bekannt, beispielsweise aus der DE-A-3715680, die einen Widerstand mit einer hohen Leistungsdichte offenbart, welcher aus einem Widerstandselement aus einer dünnen Folie besteht, das über einen Schichtstoffträger in wärmeleitendem Kontakt auf einer Metallfolie oder Kühlplatte aufliegt, oder aus der DE-A-4242699, die einen elektrischen Leistungswiderstand mit einem Widerstandselement zeigt, das zwischen Isolierlagen angeordnet und zwischen Metallplatten gepresst ist. Das Kühlvermögen dieser Widerstände ist jedoch auf die Nennbelastung ausgerichtet. Unter länger anhaltendem Kurzschlussstrom wird der Widerstand beschädigt. Um dies zu vermeiden ist eine zusätzliche Kühlvorrichtung mit grosser Wärmekapazität nötig, was - vor allem vom Raumbedarf her - aufwendig ist, oder ein Leitungsschutzschalter, welcher im Kurzschlussfall relativ schnell auslöst. Mit letzterer Massnahme jedoch wird die Selektivität wiederum in Frage gestellt.

[0006] Es besteht daher die Aufgabe, eine raumsparende Anordnung für eine Mehrzahl von Begrenzungswiderständen zu finden, die es erlaubt, einen Kurzschlussstrom so lange anstehen zu lassen, dass die Selektivität der Leitungsabschaltung gewährleistet ist, ohne dass der einzelne Widerstand dabei beschädigt wird.

[0007] Die Anordnung, wie sie sich aus dem unabhängigen Patentanspruch 1 ergibt, löst diese Aufgabe, insbesondere bei einer Dimensionierung, wie sie in den abhängigen Patentansprüchen 2 und 3 spezifiziert ist.

[0008] Ein einzelnes Widerstandselement besteht aus einer Widerstands folie, also einem dünnen Blech oder beschichteten Träger mit geeigneten Eigenschaften bezüglich Leitfähigkeit. Die Widerstands folien liegen nebeneinander zwischen zwei Flächen einer Kühlvorrichtung. Elektrisch sind sie dieser gegenüber isoliert, wärmetechnisch jedoch in enger Verbindung mit ihr. Dies wird zum Beispiel durch eine wärmeleitende, elektrische Isolierschicht erreicht, die aus einer separaten Folie oder aus der Oberflächenbeschichtung der Kühlvorrichtung besteht. Die Kühlvorrichtung enthält bevorzugt eine Platte aus gut wärmeleitendem Material, zum Beispiel Aluminium, mit einer planen Fläche für die Auflage der Widerstandsfolien.

[0009] Durch die gemeinsame Anordnung der Widerstandselemente in einer einzigen Kühlvorrichtung lässt sich die Gesamtzahl der Widerstände auf engerem Raum unterbringen, als dies für Einzelwiderstände der Fall wäre. Die Kühlleistung der gesamten Vorrichtung muss dabei lediglich auf eine Gesamt-Nennbelastung ausgelegt werden, nicht auf die einzelne Nennbelastung multipliziert mit der Gesamtzahl - so wie ja auch der vorgeschaltete Ueberstromunterbrecher auf einen Gesamt-Nennstrom abgestimmt ist, der kleiner ist als die Summe aller Nennströme. Dies im Unterschied zu den einzelnen Widerständen, von denen jeder die vom Nennstrom herrührende Verlustleistung zu kühlen in der Lage sein muss. Die gesamte stationäre Kühlleistung der Kühlvorrichtung kann also erheblich kleiner sein als die Summe der Verlustleistungen wäre, wenn alle Widerstände ihren Nennstrom führen würden.

[0010] Die gemeinsame Kühlvorrichtung hat eine wesentlich höhere Wärmekapazität als jene eines einzelnen Widerstands. Im Falle eines Kurzschlusses an einem der Widerstandselemente vermag die Kühlvorrichtung dessen gegenüber dem Normalbetrieb drastisch erhöhte Verlustleistung während einiger Zeit aufzunehmen, ohne dass dadurch die Temperatur am Widerstandselement derart hoch ansteigt, dass dieses beschädigt würde. Die Kühlvorrichtung wirkt dabei als Wärmeverteiler und temporärer Wärmespeicher. Hält der Kurzschluss an, wird gelegentlich der Ueberstromunterbrecher ansprechen und die Last verschwinden. Die Temperatur wird sich in der Folge durch Konvektion und Abstrahlung der Wärme sukzessive reduzieren. Die vom Widerstandselement während der Zeit bis zum Unterbruch des Kurzschlussstroms durch den Ueberstromunterbrecher abgegebene Verlustwärme hat einen Temperaturanstieg an ersterem zur Folge, der von der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmekapazität der Kühlvorrichtung abhängt. Erfindungsgemäss werden diese so vorgesehen, dass die Temperatur sicher unter einem Wert bleibt, bei welchem das Widerstandselement oder die Isolierschicht keine unzulässigen, irreversiblen Veränderungen erfahren würde. Die Dimensionierung der Kühlvorrichtung bezüglich Oberfläche, Ausdehnung, Masse und Material in Abstimmung mit dem Widerstandsmaterial stellt für den Fachmann keine besondere Schwierigkeit dar. Mehrere Kurzschlussströme gleichzeitig könnten zu einer lokalen Ueberhitzung und Beschädigung von Widerstandselementen führen. Das gleichzeitige Auftreten mehrerer Kurzschlussströme ist aber sehr unwahrscheinlich. Es genügt daher normalerweise, die Wärmekapazität der gesamten Anordnung für die Bewältigung eines einzigen Kurzschlusses auszulegen, was eine raum- und materialsparende Gestaltung erlaubt. In einfacher Weise können dabei die Widerstandselemente aus rechteckförmigen Folienstreifen parallel nebeneinander angeordnet werden.

[0011] Eine Anordnung der geschilderten Art eignet sich insbesondere für den Einsatz in einem Reihenspeiseverteiler, sind doch gleichzeitige Kurzschlüsse an mehreren Gestellen sehr unwahrscheinlich.

[0012] Die Erfindung wird anhand eines Beispiels und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1:

Schaltplan einer Reihenspeiseverteilung;

Figur 2:

Schematischer Querschnitt durch einen Teil einer Widerstandsanordnung mit einer Kühlvorrichtung, und

Figur 3:

Schematischer Grundriss einer erfindungsgemässen Anordnung mit fünf gezeichneten Widerstandselementen.

[0013] Die Figur 1 zeigt schematisch die Speisung von Gestellen in einer Reihe, wie sie zum Beispiel in Fernemeldeanlagen vorkommt. Ein erstes Gestell 1 ist über ein erstes Speisekabel 11 und ein zweites Speisekabel 12 dopppelt an Stromquellen (nicht gezeichnet) angeschlossen. Jeder Anschluss ist individuell mit einem Ueberstromunterbrecher 2 abgesichert. Der Reihenspeiseverteiler 10 ist im ersten Gestell 1 untergebracht. Er besteht im wesentlichen für jede der zwei Speisungen aus einer Sammelschiene 3A, 3B und einer Mehrzahl davon abgehender Zweige. Diese enthalten in Serie je einen Begrenzungswiderstand 4 und einen Ueberstromunterbrecher 5. Die Zweige, die zur einen Sammelschiene 3A gehören führen je auf einen Anschlusspunkt 6A, jene die zur Sammelschiene 3B gehören führen je auf einen Anschlusspunkte 6B. Jedes der übrigen Gestelle 8 der Reihe ist über einen solchen Anschlusspunkt 6A, eine erste Leitung 7A und einen Anschlusspunkt 9A am Gestell 8 bzw. über einen Anschlusspunkt 6B, eine zweite Leitung 7B und einen Anschlusspunkt 9B doppelt an die Stromquellen angeschlossen. Die Stromversorgung für das erste Gestell 1 erfolgt intern direkt ab den Anschlusspunkten 69A bzw. 69B, also ohne Leitungen 7A bzw. 7B. Da der Betriebsstom von Interesse ist, dient der Begrenzungswiderstand 4 gleichzeitig als Messwiderstand; zu diesem Zweck sind an dessen Enden Strommesspunkte 9 angebracht. Der besseren Uebersichtlichkeit wegen sind die zweite Leitung der Speisung, die Erdverbindungen und Gestellerdungen, die Stützkondensatoren und ähnliche Details in der Zeichnung weggelassen. Typische Werte für eine solche Reihe sind zum Beispiel zwei -48-V-Gleichspannungen, die an 10 Gestelle verteilt werden, wovon jedes einen Nennstrom von 20 A hat.

[0014] Der Nennstrom, das ist der aus thermischen Gründen maximal zulässige Strom eines Gestells im fehlerfreien Betrieb, ist bekannt, im Beispiel 20 A. Der Nennstrom ist gleich dem maximalen Betriebsstrom, mit dem ein einzelner Begrenzungswiderstand 4 belastet wird. Jeder der beiden Speisungszweige vermag ein Gestell ohne Probleme zu versorgen. Wird das Gestell über beide Zweige gleichzeitig gespiesen, so verteilt sich der Strom auf die beiden Zweige und die Begrenzungswiderstände werden je nur mit einem Teilstrom belastet, deren Summe höchstens gleich dem Nennstrom ist. Im fehlerfreien Betrieb ist also die totale Verlustsleistung eines Paares von Begrenzungswiderständen höchstens gleich der Nennverlustleistung eines einzelnen der beiden, im Normalfall - das ist bei je hälftiger Aufteilung des Stroms auf die beiden Zweige - nur halb soviel. Werden diese beiden Widerstände nebeneinander angeordnet und gemeinsam gekühlt, so genügt für beide zusammen eine stationäre Kühlleistung für die Nennverlustleistung eines einzigen. Ein typischer Wert für den Begrenzungswiderstand ist 0,1 Ohm; die Nennverlustleistung beträgt also im Extremfall 40 W.

[0015] Ein Ueberstrom an einem Verbraucher in einem der Gestelle 8 löst den Ueberstromunterbrecher dieses Verbrauchers aus, ohne dass der Begrenzungswiderstand 4 merklich belastet würde. Ein allfälliger Kurzschluss auf einem Verbraucher ergibt jedoch eine Impulsbelastung mit dem durch den Begrenzungswiderstand 4 begrenzten Kurzsschlussstrom. Die Auslösungs-Ansprechzeit für den Ueberstromunterbrecher 5 soll bei dieser Belastung deutlich länger sein als jene des Verbraucher-Ueberstromunterbrechers, damit letzterer den Verbraucher abtrennt, ohne dass der eine Zweig der Stromversorgung für das ganze Gestell ausfällt. Diese Dimensionierung hat aber umgekehrt zur Konsequenz, dass bei einem Kurzschluss an der Zuleitung der Begrenzungswiderstand 4 so lange mit dem Kurzschlussstrom - im typischen Beispiel wegen des nicht vernachlässigbaren Widerstands der Leitung 7A bzs. 7B ca. 400 A (16 kW) - belastet wird, bis der Ueberstromunterbrecher den Stromkreis öffnet. Die Auslösezeit kann dabei in der Grössenordnung von Sekunden liegen. Die Kühlvorrichtung muss also in der Lage sein, gegen 50 kJ Wärme aufzunehmen, ohne dass die Temeperatur auf eine für den Widerstand schädliche Höhe ansteigt. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass eine gemeinsame Kühlvorrichtung für alle Widerstände vorgesehen ist. Die Wärmekapazität der ersteren reicht aus, um die Kurzschlussstrom-Verlustwärme von - je nach Anforderung - einem oder zwei Begrenzungswiderständen während der Auslösezeit aufzunehmen; eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit sorgt dafür, dass sich die Ueberschusswärme rasch verteilt.

[0016] Die Figur 2 zeigt ausschnittweise einen Querschnitt aus einer erfindungsgemässen Anordnung 20 für eine Mehrzahl von Begrenzungswiderständen. Man erkennt von einer Kühlvorrichtung 21 eine untere Kühlplatte 22 und eine obere Kühlplatte 23. Die gegeneinader gerichteten planen Flächen der Kühlplatten tragen je eine wärmeleitende elektrische Isolierschicht 25. Dazwischen sind die nebeneinanderliegenden Widerstandselemente 24 eingeklemmt. Die Figur zeigt das Prinzip, gibt aber die Proportionen nicht massstabgerecht wieder.

[0017] Die Widerstandselemente 24 sind aus Streifen einer Widerstands folie herkömmlicher Art gebildet, zum Beispiel aus ca. 0,1 mm dickem Chrom-Nickel-Blech. Die Lücken 26 zwischen den in einigem Abstand nebeneinanderliegenden Streifen werden mit Vorteil mit einer wärmeleitenden Paste gefüllt. Die obere Kühlplatte 23 ist im Sinne eines Beispiels mit Kühlrippen 27 versehen dargestellt. Die Kühlvorrichtung 21 kann weitere Teile umfassen. Beispielsweise kann die untere Kühlplatte 22, so wie sie in der Figur 2 dargestellt ist, mit ihrer äusseren planen Fläche 28 auf einem grösseren Metallblock aufliegen. Oder sie kann ebenfalls Kühlrippen aufweisen, um die Konvektionskühlung zu verbessern. Als Isolierschicht 25 kann zum Beipiel eine Lage aus Polytetrafluoraethylen ("Teflon") dienen. Bevorzugt wird für die Kühlplatten 22, 23 Aluminium verwendet und die wärmeleitende elektrische Isolierschicht 25 als Aluminiumoxyd direkt auf die plane Fläche eloxiert.

[0018] Die Anordnung der Widerstände geht aus dem schematischen Grundriss in der Figur 3 hervor. Letztere zeigt die wärmeleitende elektrische Isolierschicht 25 der unteren Kühlplatte. Darauf sind die Widerstandselemente 24 angeordnet, parallel zueinander liegende, rechteckförmige Streifen aus Widerstandsfolie. Je an den gegenüberliegenden Enden des Streifens weist sowohl dieser selber als auch die Kühlplatte ein Loch 28 auf. Durch dieses Loch wird mit geeigneten, dem Fachmann geläufigen Mitteln eine Kontaktierungsvorrichtung befestigt. Diese ermöglicht es, den einzelnen Widerstand in einen Stromkreis zu schalten und Messpunkte (9) anzubringen. Die obere Kühlplatte (23, nicht gezeichnet) weist eine entsprechend grössere, durchgehende Aussparung auf, durch welche die Anschlüsse vorgenommen werden können. Beide Kühlplatten weisen Bohrungen 27 auf, durch die hindurch Befestigungselemente wie Nieten oder Schrauben geführt werden, mit deren Hilfe die beiden Platten mit den Widerstandselementen 25 dazwischen zusammengepresst werden.

[0019] Die Ausgestaltung der Widerstandselemente als rechteckförmige Streifen erlaubt es, ohne grossen Aufwand den Widerstandswert mit guter Genauigkeit zu realisieren. Der Widerstand kann deshalb auch als Messwiderstand (Shunt) für die Messung des Stromes dienen.

[0020] Eine speziell vorteilhafte Anordnung für die Begrenzungswiderstände 4 eines Reihenspeiseverteilers 10, wie er weiter oben beschrieben ist, besteht in einer Gruppierung derselben. Die beiden Widerstände, deren Zuleitungen zu ein und demselben Gestell führen, könnten nebeneinander gelegt werden. Dadurch verteilt sich die Verlustwärme bei fehlerfreiem Betrieb ziemlich gleichmässig über die ganze Kühlfläche, unabhängig davon, wie die Stromversorgung für ein einzelnes Gestell auf die beiden Zweige aufgeteilt ist. Kritisch ist allerdings viel eher der Störfall-Betrieb. Mit Vorteil werden deshalb die Begrenzungswiderstände 4 der einen Sammelschiene 3A unter sich gruppiert und neben einer gleichartigen Gruppe der anderen Sammelschiene 3B angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Kurzschluss an einem Gestell, von dem beide Zuleitungen gleichzeitig betroffen sind, die zwei belasteten Begrenzungswiderstände örtlich auseinanderliegen. Damit wird eine lokale Ueberhitzung durch die Impulsbelastung zweier nebeneinanderliegender Widerstände vermieden. Zwar werden bei Ausfall einer Speisung, z. B. über die Sammelschiene 3B, alle nebeneinanderliegenden Begrenzungswiderstände 4 einer Gruppe (A) belastet. Dank der guten Wärmeleitung, wie sie für die Bewältigung des Kurzschlussfalls dimensioniert ist, verteilt sich aber die Verlustwärme dauernd auf die ganze Kühlvorrichtung 21 und die stationäre Kühlleistung bleibt in ausreichendem Mass gewährleistet.

Ansprüche

1. Anordnung einer Mehrzahl von gleichartigen elektrischen Widerständen zur Begrenzung von Kurzschlussströmen, dadurch gekennzeichnet, dass die eigentlichen Widerstandselemente (24) aus einzelnen Stücken von Widerstands folien bestehen, die nebeneinander zwischen zwei Flächen einer Kühlvorrichtung (21) liegen, mit denen sie wärmeleitend verbunden und von denen sie elektrisch isoliert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte stationäre Kühlleistung der Kühlvorrichtung (21) erheblich kleiner ist als die theoretische Verlustleistung aller Widerstände zusammen, wenn jeder einzelne den Nennstrom führen würde.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität und die Wärmeleitung der Kühlvorrichtung (21) so dimensioniert sind, dass der Temperaturanstieg an einem kurzschlussstromführenden Widerstandselement (24) infolge der Verlustwärme, das dieses in der Zeit entwickelt, bis ein im Stromkreis vorhandener, verzögert auslösender Ueberstromunterbrecher (5) den Kurzschlussstrom unterbricht, einen zulässigen Wert nicht übersteigt, der sich aus den Eigenschaften der verwendeten Materialien, insbesondere deren Temperaturbeständigkeit, bestimmt.

4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (21) mindestens eine Platte (22, 23) aus gut wärmeleitendem Material von grosser Wärmekapazität mit einer planen Fläche (29) enthält, die eine wärmeleitende, elektrische Isolierschicht trägt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (22, 23) aus Aluminium und die Isolierschicht (25) aus darauf eloxiertem Aluminiumoxyd besteht.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Widerstandselemente (24) aus parallel zueinander liegenden, rechteckförmigen Widerstandsfolienstreifen bestehen.

7. Reihenspeiseverteiler (10) für die Versorgung mehrerer Gestelle (1, 8) mit elektrischer Energie, wobei jede Zuleitung zu einem Gestell einen Begrenzungswiderstand (4) und einen Ueberstromunterbrecher (5) enthält, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Begrenzungswiderstände (4) gemäss Anspruch 1.

8. Reihenspeiseverteiler (10) nach Anspruch 7, wobei jedes Gestell (1, 8) mit zwei Zuleitungen versorgt wird, die je von einer separaten Sammelschiene (3A, 3B) ausgehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungswiderstände (4) der von einer Sammelschiene (3A; 3B) ausgehenden Zuleitungen unter sich gruppiert und die Gruppen nebeneinander in einer Anordnung gemäss Anspruch 1 zusammengefasst sind.

Zeichnung