DE10129746A1 - Leistungsschalter mit einer Schalteinrichtung zur Erfassung einer Trennung von Schaltkontakten - Google Patents

Abstract

Ein Leistungsschalter (1) weist eine Schalteinrichtung auf, die eine Trennung von Schaltkontakten (2, 3) durch einen hohen Strom erfasst, wie er bei einem Kurzschluss auftritt. Zu der Schalteinrichtung gehört ein Koppelglied (9), dessen vom Eingang elektrisch getrennter Ausgang mit einem Schaltverstärker (10) verbunden ist. Ein Auslösemagnet (5) wird durch den Schaltverstärker (10) betätigt und löst eine Verklinkungsrichtung (4) zum Öffnen der Schaltkontakte (2, 3). Die Verwendung der Schalteinrichtung erfordert keine konstruktiven Anpassungen bei einem Leistungsschalter und ermöglicht daher eine kostengünstige Herstellung von Leistungsschaltern mit elektrodynamischer Öffnung der Schaltkontakte.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsschalter mit
  
• 1. Schaltkontakten und einer diese im geschlossenen Zustand haltenden Verklinkungseinrichtung,
  • - einer Auslöseeinrichtung zur Lösung der Verklinkungseinrichtung beim Auftreten eines fehlerhaften Zustandes in einem die Schaltkontakte enthaltenden Stromkreis,
  • - eine mit den zusammenwirkenden Schaltkontakten verbundene Schalteinrichtung zur Erfassung einer Trennung der Schaltkontakte aufgrund eines über diese fließenden hohen Stromes.
• Ein Leistungsschalter dieser Art ist durch die WO 97/11474 A1 bekannt geworden. Die Schalteinrichtung umfasst hierbei einen zu den Schaltkontakten parallelgeschalteten Hilfsstromkreis, zu dem mit den Schaltkontakten verbundene Hilfskontakte und ein zur Betätigung der Verklinkungseinrichtung vorgesehener Auslösemagnet gehören. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung beruht darauf, dass ein hoher Strom, insbesondere ein Kurzschlussstrom, die auf die Schaltkontakte wirkende Kontaktkraft überwindet und die Schaltkontakte hierdurch getrennt werden. Dabei tritt an den Schaltkontakten eine Spannung auf, die von dem bei der Trennung der Schaltkontakte gezündeten Lichtbogen hervorgerufen wird. Hierdurch fließt ein Strom durch den Auslösemagnet, der die Verklinkungseinrichtung löst und damit die vollständige Öffnung der Schaltkontakte bewirkt. Wenn der Leistungsschalter mehrpolig ist, so wird auf diese Weise auch erreicht, dass nicht nur der mit dem hohen Strom beaufschlagte Pol, sondern auch die übrigen Pole geöffnet und damit eine ordnungsgemäße Unterbrechung des Stromkreises bzw. Abschaltung eines Verbrauchers herbeigeführt wird.
• Bei dieser vollständigen Öffnung aller Schaltkontakte werden auch die mit den Schaltkontakten verbundenen Hilfskontakte getrennt. Damit sind die Vorschriften über die Trennung von Stromkreisen erfüllt.
• Durch die DE 195 22 603 A1 ist es ferner bekannt, anstelle der mit den Schaltkontakten verbundenen Hilfskontakte einen als Strahlungssensor wirkenden Energiewandler einzusetzen. Dieser reagiert auf die von dem Lichtbogen ausgehende Licht-, Wärme- und/oder Hochfrequenzstrahlung und stellt hieraus eine zur Erregung eines Auslösemagneten benötigte Hilfsenergie bereit. Auch hierbei werden die Vorschriften über die Trennung von Stromkreisen erfüllt.
• Eine weitere, durch die DE 198 30 017 A1 bekannt gewordene Einrichtung weist gleichfalls einen zu den Schaltkontakten parallelen Hilfsstromkreis auf, der Hilfsschalter und in Reihe mit diesen liegende Primärwicklungen von Spannungswandlern enthält. Die Hilfsschalter werden gleichsinnig mit den Schaltkontakten durch eine Antriebsvorrichtung des Leistungsschalters betätigt. Die Sekundärwicklungen der Spannungswandler liefern ein Steuersignal an einen Schaltverstärker, der seinerseits den Auslösemagnet betätigt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schalteinrichtung zur Freigabe der Verklinkungseinrichtung wesentlich zu vereinfachen.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass
  
• - die Schalteinrichtung ein leistungsarm ansteuerbares Koppelglied mit einem vom Eingang galvanisch getrennten Ausgang aufweist, wobei der Eingang mit den Schaltkontakten und der Ausgang mit einem Schaltverstärker verbunden ist,
• - die Verklinkungseinrichtung wahlweise durch die Auslöseeinrichtung oder durch den Schaltverstärker ansteuerbar ist.
• Bei der Schalteinrichtung nach der Erfindung liegt im Unterschied zu den zuvor erläuterten bekannten Einrichtungen ständig ein Hilfsstromkreis parallel zu den Schaltkontakten. Dies ist jedoch im Sinne der Vorschriften über die Trennung von Stromkreisen unbedenklich, weil der Innenwiderstand eines Koppelgliedes der vorgesehenen Art außerordentlich hoch ist. Andererseits stellt der Fortfall von Hilfskontakten oder Hilfsschaltern einen erheblichen Vorteil dar. Gegenüber der zuvor erwähnten Lösung mit einem als Strahlungssensor ausgebildeten Energiewandler wird ein konstruktiver Aufwand für die Unterbringung eines solchen Sensors vermieden.
• Als leistungsarm steuerbares Koppelglied kann im Rahmen der Erfindung insbesondere ein opto-elektronisches Koppelelement eingesetzt werden. Solche Koppelelemente werden in Sicherheitsschaltungen zur Trennung von Stromkreisen benutzt und sind daher für den vorliegenden Zweck besonders geeignet.
• Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit kann dadurch beigetragen werden, dass das Koppelelement durch eine Triggerschaltung steuerbar ist, die eine Kapazität und ein am Eingang des Koppelgliedes liegendes Schwellwertelement umfasst, wobei die Kapazität durch eine an den Schaltkontakten liegende Spannung aufladbar ist. Hierdurch kann ein Koppelglied oder Koppelelement mit einer höheren Schaltschwelle gewählt werden, weil die vorgeschaltete Triggerschaltung für eine sichere Ansteuerung des Koppelgliedes sorgt. Diese Maßnahme erhöht die Störsicherheit.
• Das Schwellwertelement kann eine Triggerdiode (DIAC) sein. Gleichfalls für die Zwecke der Erfindung geeignet ist ein Multivibrator.
• Unabhängig von der Gestaltung der Triggerschaltung kann die zugehörige Kapazität mittels eines ohmschen oder kapazitiven Ladewiderstandes, sowie einer in Reihe hiermit geschalteten Diode aufladbar sein, wobei der Ladewiderstand, die Diode und die Kapazität parallel zu den Schaltkontakten liegen, und wobei ferner parallel zu der Reihenschaltung aus Kapazität und Diode eine Schutzdiode oder eine Z-Diode geschaltet ist. Diese Diodenbeschaltung verhindert zusammen mit dem hochohmigen Ladewiderstand, insbesondere wenn dieser ein kapazitiver Ladewiderstand ist, das Entstehen einer unzulässigen Berührungsspannung an den geöffneten Schaltkontakten.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• Die Fig. 1 zeigt als schematisches Schaltbild einen dreipoligen Niederspannungs-Leistungsschalter mit einer Schalteinrichtung zur Erfassung einer Trennung der Schaltkontakte in jedem Pol.
• Die Fig. 2 zeigt in einpoliger Darstellung eine Schalteinrichtung der genannten Art, bei der ein Koppelglied mittels einer Triggerdiode steuerbar ist.
• Gleichfalls in einpoliger Darstellung zeigt die Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einem Multivibrator als Steuerelement eines Koppelgliedes.
• Ein in der Fig. 1 gezeigter dreipoliger Leistungsschalter 1 enthält in jedem Pol wenigstens einen bewegbaren Schaltkontakt 2 und einen feststehenden Schaltkontakt 3. Eine gemeinsame Verklinkungseinrichtung 4 ist vorgesehen, um die Schaltkontakte 2, 3 im geschlossenen Zustand zu halten, bis sie durch Betätigung der Verlinkungseinrichtung mittels eines Auslösemagneten 5 freigegeben wird. Der Auslösemagnet 5 ist durch eine elektronische Auslöseeinrichtung 6 steuerbar, der von Stromwandlern bzw. Stromsensoren 7 in jedem der Pole bereitgestellte Messsignale zugeführt werden. In bekannter Weise berechnet die Auslöseeinrichtung 6 die zu einem fließenden Strom gehörende Auslöseverzögerung und steuert den Auslösemagnet 5 entsprechend an.
• Fließt durch den Leistungsschalter 1 ein sehr hoher Strom, wie er bei einem Kurzschluss auftritt, so bleiben die Schaltkontakte 2 und 3 nicht geschlossen, sondern werden durch vom Strom hervorgerufene Kräfte getrennt. Eine hierbei an den zusammenwirkenden Schaltkontakten 2 und 3 auftretende Spannung wird über einen Vorwiderstand 8 einem leistungsarm ansteuerbaren Koppelglied 9 zugeführt, durch dessen Ausgang ein Schaltverstärker 10 steuerbar ist. Der Schaltverstärker 10 kann eine eigenständige elektronische Einrichtung sein oder kann ganz oder teilweise durch die Auslöseeinrichtung 6 ausgebildet sein. Enthält die Auslöseeinrichtung 6, wie in der Fig. 1 angedeutet, eine Mikroprozessor µP, so kann dieser die von den Koppelgliedern 9 zugeführten Signale verarbeiten und mittels eines nicht gezeigten Leistungshalbleiters den Auslösemagnet 5 betätigen. Der Mikroprozessor µP bildet somit gemeinsam mit dem erwähnten Leistungshalbleiter einen zweistufigen Schaltverstärker. Der Auslösemagnet 5 ist somit sowohl durch die Auslöseeinrichtung wie auch durch den Schaltverstärker 10 betätigbar.
• Das Koppelglied 9 ist vorzugsweise ein opto-elektronisches Koppelelement (Optokoppler), dessen wesentliche Eigenschaft darin besteht, dass zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang keine direkte leitende Verbindung (galvanische Verbindung) besteht. Hierdurch wird ausgeschlossen, dass die elektronische Auslöseeinrichtung 6 oder der Schaltverstärker 10 mit dem Potential der Strombahnen des Leistungsschalters 1 in Verbindung gelangen. Die Eingangsseite des Koppelgliedes 9 weist einen derart hohen Innenwiderstand auf, dass die ständige Parallelschaltung zu den Schaltkontakten 2, 3 unbedenklich ist und somit die Vorschriften für die Trennung von Stromkreisen eingehalten werden.
• Durch die in den Fig. 2 und 3 veranschaulichten Ausgestaltungen der Schalteinrichtung wird ein besonders sicheres Ansprechen des Koppelgliedes 9 und der Schalteinrichtung 10 gewährleistet. Hierzu ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 eine Kapazität 11 vorgesehen, die mittels einer Diode 12 und eines Ladewiderstandes 13 durch die an den Schaltkontakten 2 und 3 auftretende Spannung aufladbar ist. Die Kapazität 11 bildet zusammen mit einer Triggerdiode 14 (Diac) eine Schwellwertschaltung zur Ansteuerung des Koppelgliedes 9. Die weitere Verarbeitung der Ausgangsgröße des Koppelgliedes 9 und die Betätigung der Verklinkungseinrichtung 4 erfolgt in der gleichen Weise wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1.
• In dem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 wird die Schwellwertschaltung durch die Kapazität 11 in Verbindung mit einem Multivibrator 15 gebildet. Hierdurch ist gegenüber der Triggerdiode 14 eine weiter verbesserte Ansprechempfindlichkeit und Störsicherheit zu erreichen.
• Obwohl an sich durch den hochohmigen Ladewiderstand 13 für eine ausreichende Berührungssicherheit des ausgeschalteten Leistungsschalters 1 gesorgt ist, können zusätzliche Maßnahmen getroffen werden. In der Fig. 2 ist hierzu gestrichelt eine Schutzdiode 16 gezeigt, die parallel zu der Reihenschaltung aus Kapazität 11 und Diode 12 geschaltet ist. Zusammen mit dem Ladewiderstand 13 bildet die Schutzdiode 16 eine direkte, für Wechselstrom durchlässige Parallelschaltung zu den Schaltkontakten 2, 3. Zugleich verbessert die Schutzdiode 16 die Funktionssicherheit der Kontaktüberwachung in Netzen ohne Neutralleiter oder bei vierpoligen Leistungsschaltern.
• Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Berührungssicherheit besteht in der direkten Parallelschaltung einer Z-Diode 17 zu der Kapazität 11.
• Als Abwandlung der Ladeschaltung der Kapazität 11 ist in der Fig. 3 die wahlweise Verwendung des schon erwähnten (ohmschen) Ladewiderstandes 12 oder eines kapazitiven Ladewiderstandes 18 in der Gestalt eines Kondensators gezeigt. Hierzu ist zu bemerken, dass die Schaltkontakte von Niederspannungs- Leistungsschaltern eine Eigenkapazität (parasitäre Koppelkapizität) besitzen. Bei der Bemessung der Kapazität des kapazitiven Ladewiderstandes 18 ist daher die Eigenkapazität zu berücksichtigen.
• Die vorstehend beschriebenen wahlweise und/oder zusätzlich zu verwendenden Bauelemente sind unabhängig davon einsetzbar, ob die Triggerung durch eine Triggerdiode 14 oder einen Multivibrator 15 erfolgt. Der kapazitive Ladewiderstand 18 kann daher auch in der Schaltung gemäß der Fig. 2 vorgesehen sein, während die Z-Diode 17 auch in der Schaltung gemäß der Fig. 3 verwendbar ist.
• Im Unterschied zu den eingangs erläuterten bekannten Schalteinrichtungen erfordert die Einrichtung nach der Erfindung keine konstruktiven Veränderungen eines Leistungsschalters, da keine Hilfskontakte, Hilfsschalter oder Fenster für Strahlungssensoren benötigt werden. Daher eignet sich die Erfindung für den Bau von Leistungsschaltern, die mechanisch weitgehend einer Standard-Baureihe angehören, jedoch durch die zusätzliche Schalteinrichtung auch für strombegrenzenden Betrieb einsetzbar sind. Bezugszeichenliste 1 Niederspannungs-Leistungsschalter
  2 Bewegbarer Schaltkontakt
  3 Fester Schaltkontakt
  4 Verklinkungseinrichtung
  5 Auslösemagnet
  6 Elektronische Auslöseeinrichtung
  7 Stromwandler
  8 Vorwiderstand
  9 Koppelglied
  10 Schaltverstärker
  11 Kapazität
  12 Diode
  13 Ladewiderstand
  14 Triggerdiode
  15 Multivibrator
  16 Schutzdiode
  17 Z-Diode
  18 Kapazitiver Ladewiderstand
  

Claims (6)

1. Elektrischer Leistungsschalter (1) mit
Schaltkontakten (2, 3) und einer diese im geschlossenen Zustand haltenden Verklinkungseinrichtung (4),
einer Auslöseeinrichtung (6) zur Lösung der Verklinkungseinrichtung (4) beim Auftreten eines fehlerhaften Zustandes in einem die Schaltkontakte (2, 3) enthaltenden Stromkreis,
eine mit den zusammenwirkenden Schaltkontakten (2, 3) verbundene Schalteinrichtung zur Erfassung einer Trennung der Schaltkontakte (2, 3) aufgrund eines über diese fließenden hohem Stromes,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schalteinrichtung ein leistungsarm ansteuerbares Koppelglied (9) mit einem vom Eingang galvanisch getrennten Ausgang aufweist, wobei der Eingang mit den Schaltkontakten (2, 3) und der Ausgang mit einem Schaltverstärker (10) verbunden ist,
die Verklinkungseinrichtung (4) wahlweise durch die Auslöseeinrichtung (6) oder durch den Schaltverstärker (10) ansteuerbar ist.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Koppelglied (9) ein opto-elektronisches Koppelelement dient.

3. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelglied (9) durch eine Triggerschaltung steuerbar ist, die eine Kapazität (11) und ein am Eingang des Koppelgliedes (9) liegendes Schwellwertelement umfasst, wobei die Kapazität (11) durch eine an den Schaltkontakten (2, 3) liegende Spannung aufladbar ist.

4. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwellwertglied eine Triggerdiode (14) ist.

5. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwellwertglied als Multivibrator (15) ausgebildet ist.

6. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (11) mittels eines ohmschen oder kapazitiven Ladewiderstandes (13; 18), sowie einer in Reihe hiermit geschalteten Diode (12) aufladbar ist, wobei der Ladewiderstand (13; 18), die Diode (12) und die Kapazität(11) parallel zu den Schaltkontakten (2, 3) liegen, und dass parallel zu der Reihenschaltung aus Kapazität (11) und Diode (12) eine Schutzdiode (16) geschaltet ist.