NL1020224C2

NL1020224C2 - Boogbestendige kast voor schakelsysteem.

Info

Publication number: NL1020224C2
Application number: NL1020224A
Authority: NL
Inventors: Arend Jan Willem Lammers
Original assignee: Holec Holland Nv
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2003-09-23
Also published as: ES2427116T3; DK1485977T3; CA2479346A1; CA2479346C; PL371557A1; BR0308536A; AU2003235388A1; AU2003235388B2; US20080053960A1; JP2005521225A; WO2003081738A1; US20050224465A1; NO329289B1; EP1485977B1; NZ535443A; CN1643753A; PL202722B1; NO20044479L; EP1485977A1; CN100414795C

Description

Boogbestendige kast voor schakelsvsteem

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een boogbestendige kast voor een 5 schakelsysteem, waarin zich schakelelementen zoals een schakelaar, een scheider, en een veelvoud van contacten van het schakelsysteem bevinden, waarbij de boogbestendige kast een omhullende behuizing met een veelvoud van elektrisch geleidende plaatdelen omvat en een beschermingslaag om de boogbestendige kast te beschermen tegen in de kast optredende vonkbogen. Dergelijke vonkbogen (ook 10 lichtboog of vlamboog genoemd) kunnen ontstaan door een fout in het schakelsysteem, zoals een kortsluiting. Vonkbogen kunnen zich ontwikkelen tussen spanningvoerende delen met een verschillende potentiaal of van een spanningvoerende geleider of contact van het schakelsysteem naar de geleidende kast die zich normaal op aardepotentieel bevindt. Deze vonkbogen ontwikkelen een enorme hoeveelheid energie door de 15 combinatie van optredende hoge spanningen en hoge stromen, en zonder beschermende maatregelen zou de kast van het schakelsysteem ernstig beschadigd kunnen worden, met wellicht ernstige gevolgen voor de omgeving van de kast, en met name zich daar bevindende personen.

Zwitsers octrooischrift CH 649 872 A5 openbaart een beschermingslaag voor 20 stroom- of spanningvoerende delen van elektrische installaties. De beschermingslaag omvat een materiaal dat kunsthars, harder en vulstoffen omvat, waarbij het kunsthars een endotherm hoogreactief laagviskeus en koud-hardende kunsthars is en de vulstoffen gebonden water bevatten. Indien een kortsluitboog of -vonk de laag raakt, zal de laag de ontwikkelde warmte opnemen doordat het materiaal ontleedt en aldus de 25 elektrische installatie beschermen. Een dergelijke laag moet aan de binnenzijde van de kast worden aangebracht en geheel sluitend zijn: zelfs een minuscuul kleine opening zou een mogelijk aantrekkingspunt kunnen zijn voor het ontstaan van een lichtboog. Verder is een dergelijke laag duur om aan te brengen in een schakelsysteem.

Zwitsers octrooischrift CH 598 705 A5 openbaart een sandwichplaat van twee 30 lagen geleidend materiaal en een daartussen gelegen brandwerende laag, die toegepast wordt om elektrische schakelinstallaties te beschermen tegen de gevolgen van lichtbogen. Indien een boog ontstaat in de installatie en de sandwichplaat raakt, zal een gat gebrand worden in de geleidende laag. Omdat zich onder die geleidende laag een 1020224 2 isolerende laag bevindt, wordt de boog als het ware weggeduwd over de geleidende plaat, waardoor steeds een nieuw gedeelte van de brandwerende laag wordt blootgesteld aan de boogontlading. Ook hier dient de beschermingslaag zich aan de gehele binnenzijde van de kast te bevinden. Verder is het vervaardigen en verwerken 5 van een dergelijke sandwichlaag kostbaar.

De onderhavige uitvinding beoogt een boogbestendige kast te verschaffen, die bestand is tegen het optreden van vonkbogen door fouten in een schakelsysteem, en de omgeving van de kast beschermt tegen gevaarlijke situaties.

Dit wordt bereikt met een boogbestendige kast van de bij aanhef gedefinieerde 10 soort, waarbij ten minste een van het veelvoud van plaatdelen een afscherming vormt naar een te beschermen gebied aan de buitenzijde van de kast, de beschermingslaag isolerend is en de beschermingslaag alleen is aangebracht tegen het ten minste ene plaatdeel.

Door een beschermingslaag alleen aan te brengen bij een plaatdeel dat een te 15 beschermen gebied buiten de kast afschermt, wordt niet voorkomen dat een vonkboog ontstaat in de kast, maar wel dat het gebied wat afgeschermd wordt, niet wordt blootgesteld aan bij een eventueel doorbranden van de kast optredende gevaarlijke omstandigheden, zoals het uitblazen van zeer hete gassen of een explosie.

Er is gebleken dat een door een fout in een schakelsysteem gevormde vonkboog 20 zeer veel energie opwekt in een zeer korte tijd. Een vonkboog zal in het algemeen niet langer bestaan dan ongeveer één seconde, waarna externe middelen ervoor zorgen dat de vonkboog uitdooft (bijvoorbeeld met gebruik van externe schakelaars). De druk binnen de kast neemt vooral in de eerste 0,1 tot 0,15 sec exponentieel toe (waarden van 2,5 atmosfeer zijn gemeten). Door algemeen gebruikte afblaasbeveiligingen in kasten 25 voor schakelsystemen wordt de druk via een veilige weg afgeleid, waardoor in de resterende periode de aanwezige vonkboog slechts een overdruk van ongeveer 35 mbar veroorzaakt. Deze overdruk kan door de zeer hoge temperatuur (tot wel 3000 °C) nog steeds leiden tot ernstige gevolgen indien de kast het begeeft (bijvoorbeeld door het inbranden van een gat in de geleidende plaatdelen).

30 In een eerste uitvoeringsvorm is de beschermingslaag geplaatst aan de buitenzijde van de kast. Indien in een plaatdeel dat een te beschermen gebied buiten de kast afschermt een gat ontstaat door de inwerking van de vonkboog, zal dit een bepaalde tijd $ C ... , 3 vergen, die meestal (afhankelijk van de keuze en dikte van het materiaal van de kast) voldoende is om de druk binnen de kast weer terug te brengen tot een geringe overdruk. De beschermingslaag zal vervolgens de hete gassen die door de (geringe) overdruk uit de kast willen stromen voldoende tegenhouden om het gebied te beschermen. De 5 beschermingslaag dient elektrisch isolerend te zijn om te voorkomen dat de vonkboog ook daarin een gat brandt. Verder is de beschermingslaag bij voorkeur vervaardigd van een hittebestendig materiaal, bijvoorbeeld een thermohardend materiaal. Als voorbeeld is een beschermingslaag gebruikt van polyesterglas met een dikte van 3 mm, welke voldoende bescherming bood gedurende de tijdsduur dat de vonkboog bestaat (één 10 seconde). Indien voldoende maatregelen worden genomen tegen het verweken door vochtinwerking kan zelfs een hardkartonnen plaat als beschermingslaag worden gebruikt.

In een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding wordt de beschermingslaag aangebracht aan de binnenzijde van de kast. Indien de 15 beschermingslaag direct tegen het ten minste ene plaatdeel ligt, dat het te beschermen gebied buiten de kast afschermt, zal voorkomen worden dat een vonkboog het betreffende plaatdeel raakt: het zal of een andere geleider of een beter geleidend deel van de kast (op aardpotentiaal) zoeken om een geleidende weg te vinden. Het is in dit geval wel mogelijk dat er een gat wordt gebrand in een ander plaatdeel van de kast, 20 maar deze is dan gericht naar een gebied waar dit in principe veel minder of helemaal geen gevaar oplevert. Het materiaal van de beschermingslaag kan hetzelfde zijn als in de hiervoor genoemde uitvoeringsvorm.

In een nog verdere uitvoeringsvorm is de beschermingslaag uitgevoerd als een plaat, die op enige afstand van het ten minste ene plaatdeel is geplaatst. Aan de 25 buitenzijde biedt dit nog steeds een adequate bescherming tegen het uitstromen van hete gassen na het doorbranden van het ten minste ene plaatdeel doordat de vonkboog gericht is naar geen gevaar opleverende gebieden. Aan de binnenzijde geplaatst, biedt het dezelfde voordelen als de eerder genoemde uitvoeringsvorm. Er kan echter in dit geval nog een bijkomend voordeel optreden als de beschermingsplaat zodanig in de 30 kast wordt geplaatst (bijvoorbeeld vrijwel evenwijdig aan een zijplaat van de kast, loodrecht op de boven-/ onderzijde) dat er een scheiding wordt bewerkstelligd van lucht met een verschillende temperatuur. Hierdoor ontstaat als het ware in de kast een soort schoorsteen, die als effect heeft dat de lucht binnen de kast gaat circuleren. In

. ' . Γ*. ,A

i - ± c 4 4 normaal bedrijf bestaan er in de kast met een schakelsysteem een aantal zogenaamde 'hot spots', waar bijvoorbeeld door de door een geleider of contact vloeiende stromen extra warmte wordt gegenereerd. Als de lucht in de kast stilstaat, wordt deze warmte slecht afgevoerd aan het exterieur van de kast. In het algemeen wordt geëist dat de 5 onderdelen in de kast niet warmer worden dan 65°C of 75°C boven de omgevingstemperatuur. Door de in de kast geplaatste beschermingslaag op enige afstand van het ten minste ene plaatdeel (bijvoorbeeld enkele centimeters) gaat de lucht binnen de kast circuleren, en wordt de warmte van de 'hot spots' overgedragen aan de circulerende lucht en vandaar naar de kast zelf, die de warmte dan weer aan de 10 omgeving kan afstaan. Hierdoor wordt, zonder ventilator of andere bewegende onderdelen in de kast, een extra koelend effect bereikt resulterend in een verlaging van de temperatuur van 5 a 7 graden.

De onderhavige uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden, met verwijzing naar de bij gevoegde tekeningen, waarin 15 Fig. 1 een vereenvoudigde doorsneeaanzicht toont van een schakelsysteem volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Fig. 2 een schematische weergave toont van een eerste uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Fig. 3 een schematische weergave toont van een tweede uitvoeringsvorm van de 20 onderhavige uitvinding; en

Fig. 4 een schematische weergave toont van een derde uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding.

De boogbestendige kast volgens de onderhavige uitvinding kan worden toegepast bij een schakelsysteem, zoals dat in vereenvoudigde vorm in doorsneeaanzicht is 25 weergegeven in Fig. 1. Het schakelsysteem 10 omvat een schakelaar 11, zoals een vacuümschakelaar, die een geleider 13 kan verbinden met een verdere geleider 14. De geleider 13 is via een aansluiting 12 in bedrijf verbonden met een voedingsleiding (niet getoond). De geleider 14 verbindt dan de schakelaar 11 met een van de aansluitrails 18, die loodrecht op het vlak van de tekeningen lopen. In de geleider 14 is in een normaal 30 uitgerust schakelsysteem 10 ook nog een scheider aangebracht, maar deze is niet van belang voor de uitleg van de onderhavige uitvinding en daarom voor de duidelijkheid weggelaten uit de tekening. De schakelaar 11 wordt bekrachtigd door een aandrijfstang 15 met behulp van een aandrijfmechanisme 16. Het schakelsysteem 10 is verder '.] 21> i 5 voorzien van een bedieningspaneel 17. De spanningvoerende delen van het schakelsysteem 10 (zoals schakelaar 11, geleiders 13,14, aansluitrails 18) worden omgeven door een kast, die bestaat uit een aantal plaatdelen 19 uit een geleidend materiaal, dat in normaal gebruik op aardepotentiaal wordt gehouden. In de tekening 5 van Fig. 1 zijn zes plaatdelen 19 getoond, maar uiteraard bevinden zich ook plaatdelen 19 parallel aan het vlak van de tekening, waardoor een geheel gesloten kast ontstaat. In een of meer van de plaatdelen 19 kunnen uitblaasgaten 21 aanwezig zijn, die in geval van een sluiting eventuele overdruk afleiden via een veilige weg, in het geschetste geval aan de achter- en onderzijde van het schakelsysteem 10.

10 Het in Fig. 1 getoonde doorsneeaanzicht toont één compartiment van het schakelsysteem 10. In de praktijk bestaat het schakelsysteem 10 uit een aantal naast elkaar geplaatste compartimenten zoals getoond in Fig. 1, waarbij de aansluitrails 18 door elk compartiment lopen en naar gelang de schakeling van de geleider 14 elk van de aansluitrails 18 kan verbinden met een van de aanwezige aansluitverbindingen 12.

15 Bediening van het hele schakelveld vindt dan aan de voorzijde van het schakelsysteem 10 plaats via het bedieningspaneel 17.

Het is mogelijk dat in het compartiment van het schakelsysteem 10, omsloten door plaatdelen 19, een fout ontstaat, waardoor een vonkboog (ook lichtboog genoemd) ontstaat tussen een van de spanningvoerende delen van het schakelsysteem 10 en een 20 van de plaatdelen 19 (die op aardepotentiaal ligt). Door het hoge spanningsverschil en de hoge stroom die gaat lopen, gaat dit gepaard met een grote energieontwikkeling binnen de kast. De vonkboog bestaat in het algemeen gedurende een tijd van ongeveer één seconde, waarna externe middelen het hele schakelsysteem 10 afschakelen en de vonkboog dooft. Het ontstaan van de vonkboog gaat gepaard met een zeer snel 25 stijgende druk binnen de kast. Via de uitblaasgaten 21 wordt deze overdruk via een veilige weg naar buiten de kast afgevoerd, waardoor de integriteit van het schakelsysteem 10 gewaarborgd blijft. Testmetingen hebben uitgewezen dat de druk binnen 0,1 tot 0,15 sec kan stijgen tot wel 2,5 atmosfeer. Daarna neemt de druk weer snel af, maar door het aanwezig zijn van de vonkboog blijft een overdruk aanwezig van 30 ongeveer 35 mbar. Als de vonkboog lang genoeg bestaat, is de kans aanwezig dat het materiaal in het gebied van het plaatdeel 19 waarop de vonkboog terechtkomt door de zeer hoge temperatuurontwikkeling zal smelten, en uiteindelijk zal zich een gat vormen in het plaatdeel 19. Dit zal leiden tot de uitstoot van zeer hete gassen (tot wel 3000°C), 1020224 6 wat een gevaar kan opleveren voor zich in de omgeving van het schakelsysteem 10 ophoudende personen.

Het plaatdeel 19 van de kast aan de rechterzijde van het in Fig. 1 getoonde schakelsysteem 10 schermt een gebied voor het schakelsysteem 10 af, waarin zich 5 mogelijk personen kunnen ophouden, en wat derhalve beschermd moet worden tegen de mogelijke gevolgen van een optredende fout in het schakelsysteem 10.

Volgens de onderhavige uitvinding wordt een zeer effectieve bescherming van dat gebied verkregen door aan de buitenzijde van het plaatdeel 19 een beschermingsplaat of -laag 20 aan te brengen van niet-brandbaar materiaal. Uiteraard 10 dient de beschermingslaag 20 ook elektrisch isolerend te zijn, om te voorkomen dat de vonkboog op de plaats waar deze de beschermingslaag 20 raakt ook daar een gat kan branden.

Doordat het enige tijd duurt voordat de vonkboog door het plaatdeel 19 heen een gat brandt, zal de beschermingslaag 20 pas gebruikt worden als bescherming wanneer 15 de door het ontstaan van de vonkboog optredende drukpiek weer afgenomen is. De beschermingslaag 20 hoeft dus alleen de hete gassen met een geringe overdruk (typisch 35 mbar) tegen te houden gedurende de tijd dat de vonkboog nog bestaat (minder dan één seconde). Het is dus voldoende om een hittebestendig isolerend materiaal te gebruiken voor de beschermingslaag 20. Voorbeelden hiervan zijn thermohardende 20 materialen, zoals polyesterglas. Testen hebben uitgewezen dat een polyesterplaat van 3 mm dikte voldoende bescherming biedt tegen de mogelijke als gevolg van de vonkboog uittredende hete gassen. Indien een voldoende bescherming tegen verweking wordt aangebracht (droge afgeschermde omgeving) kan zelfs gebruik worden gemaakt van hardboard of hardkartonnen platen als beschermingslaag 20.

25 Door alleen op de plaatsen waar een doorbranden van de vonkboog door een plaatdeel 19 heen een mogelijk gevaar oplevert (voornamelijk door de uitstroom van hete gassen) is het noodzakelijk om een beschermingslaag 20 aan te brengen. Zo kan op een zeer prijsgunstige en eenvoudige wijze een voldoende bescherming worden geboden tegen mogelijk schadelijke gevolgen van een in het schakelsysteem 10 30 optredende fout.

In de Fig. 2 t/m 4 zijn een aantal alternatieven aangegeven van de onderhavige uitvinding. Het schakelsysteem 10 is zeer vereenvoudigd weergegeven en omvat een uit geleidende plaatdelen 19 bestaande kast, die spanningvoerende delen 5 omgeeft en 4020224 7 voorzien is van uitstroomopeningen 21. De plaatdelen 19 worden meestal op aardepotentiaal gehouden. Door een fout in het schakelsysteem 10, bijvoorbeeld een kortsluiting, kan een vonkboog 6 ontstaan tussen spanningvoerende delen of een van de spanningvoerende delen 5 en een van de plaatdelen 19.

5 Fig. 2 toont een uitvoeringsvorm waarbij aan de buitenzijde van twee plaatdelen 19 een beschermingslaag 20 zoals hierboven beschreven is aangebracht. Dit biedt bescherming in het gebied buiten de kast dat wordt afgeschermd door de twee van een beschermingslaag 20 voorziene plaatdelen 19.

In Fig. 3 is een verdere variant getoond, waarbij een beschermingslaag 20 aan de 10 binnenzijde van een plaatdeel 19 is aangebracht. In bekende oplossingen, wordt de gehele binnenzijde van de kast voorzien van een isolerende laag, zodat de spanningvoerende delen 5 in de kast geen aardepotentiaal van de plaatdelen 19 'zien' waardoor effectief het ontstaan van een vonkboog naar die plaatdelen wordt voorkomen. Dit heeft echter het nadeel dat de binnenzijde zeer grondig geïsoleerd moet 15 worden. Zelfs het kleinste gaatje in de isolatielaag zal reeds een vonkboog kunnen doen ontstaan. Met name in de hoeken van de kast is het zeer moeilijk om een sluitende isolatielaag te verkrijgen. In de uitvoeringsvorm van de uitvinding zoals getoond in Fig. 3, wordt alleen aan de binnenzijde van een plaatdeel 19, dat een gebied buiten de kast afschermt waar uitstromen van hete gassen gevaar oplevert, een beschermingslaag 20 20 aangebracht. In dit geval zal, indien er na een fout in het schakelsysteem 10 een vonkboog ontstaat, de vonkboog terechtkomen op een van de andere plaatdelen 19. Het ontstaan van een gat in die plaatdelen 19 en het daarna uitstromen van hete gassen levert in de gebieden die de betreffende plaatdelen 19 afschermen echter geen gevaar op, omdat zich in die gebieden geen personen bevinden.

25 Een nog verder alternatief van de onderhavige uitvinding is getoond in Fig. 4.

Hier zijn twee beschermingsplaten 20 in de kast aangebracht, op een kleine afstand (enkele centimeters is voldoende) van de plaatdelen 19, die een te beschermen gebied buiten de kast afschermen. Bij het optreden van een fout in het schakelsysteem 10 bieden deze beschermingsplaten 20 een voldoende bescherming voor de gebieden 30 buiten de kast die de bijbehorende plaatdelen 19 afschermen. Daarnaast treedt nog een zeer voordelig effect op tijdens normaal bedrijf van het schakelsysteem 10. Tijdens het bedrijf van het schakelsysteem 10, kunnen verschillende delen (met name de spanningvoerende delen 5) door de optredende hoge stroomsterktes zeer sterk 1020224 % 8 verwarmen, waardoor plaatselijk in de kast zogenaamde 'hot spots' ontstaan. Om een goede werking van alle (met name bewegende) onderdelen van het schakelsysteem 10 te garanderen, wordt er bij het ontwerp van uitgegaan dat de optredende 'hot spots' niet warmer mogen worden dan 65°C of 75°C boven de omgevingstemperatuur. Deze 5 warmte wordt in een gebruikelijk schakelsysteem 10 alleen door convectie van de warmte via de stilstaande lucht afgevoerd. De beschermingsplaten 20 in de in Fig .4 getoonde uitvoeringsvorm zorgen er echter voor dat een 'schoorsteen'-effect optreedt, waardoor de lucht binnen de kast gaat circuleren, en de gehele buitenzijde van de kast (alle plaatdelen 19) effectief gebruikt worden voor het afvoeren van warmte. Om dit 10 effect te bereiken, dienen de beschermingsplaten 20 in hoofdzaak parallel te liggen aan de plaatdelen 19 zoals getoond, waardoor de hete lucht aan de bovenzijde in de ruimte tussen de beschermingslaag 20 en plaatdeel 19 wordt getrokken, doordat het plaatdeel aan de onderzijde koeler is. De beschermingsplaten 20 kunnen ook enigszins scheef staan ten opzichte van de plaatdelen 19, om hetzelfde effect te kunnen bereiken. De 15 circulerende lucht zorgde in een proefopstelling voor een extra koelend effect van tussen de 5°C en TC. Doordat geen bewegende elementen worden toegepast voor het laten circuleren van de lucht in de kast, is de getoonde oplossing zeer betrouwbaar in bedrijf en eenvoudig en prijsgunstig aan te brengen.

1020224

Claims

1. Boogbestendige kast voor een schakelsysteem (10), waarin zich schakelelementen zoals een schakelaar (11), een scheider, en/of een veelvoud van 5 contacten van het schakelsysteem bevinden, omvattende een omhullende behuizing met een veelvoud van elektrisch geleidende plaatdelen (19), en een beschermingslaag (20) om de boogbestendige kast te beschermen tegen in de kast optredende vonkbogen (6), met het kenmerk, dat ten minste een van het veelvoud van plaatdelen (19) een afscherming vormt naar een te beschermen gebied aan de buitenzijde van de kast, de 10 beschermingslaag (20) isolerend is en de beschermingslaag (20) alleen is aangebracht tegen het ten minste ene plaatdeel (19).

2. Boogbestendige kast volgens conclusie 1, waarbij de beschermingslaag (20) van hittebestendig materiaal is. 15

3. Boogbestendige kast volgens conclusie 1 of 2, waarbij de beschermingslaag (20) van thermohardend materiaal is.

4. Boogbestendige kast volgens conclusie 1,2 of 3, waarbij de beschermingslaag 20 (20) van polyesterglas is met een dikte van bijvoorbeeld 3 mm.

5. Boogbestendige kast volgens een van de conclusies 1 tot en met 4, waarbij de beschermingslaag (20) aan de buitenzijde van de kast is gelegen.

6. Boogbestendige kast volgens een van de conclusies 1 tot en met 4, waarbij de beschermingslaag (20) aan de binnenzijde van de kast is gelegen.

7. Boogbestendige kast volgens conclusie 5 of 6, waarbij de beschermingslaag (20) zich op een vooraf bepaalde afstand van het ten minste ene plaatdeel (19) in 30 hoofdzaak parallel aan het ten minste ene plaatdeel (19) bevindt. 4c^ca|c>|ei|e^c9|c4c .1020*2-»