-
Die Erfindung betrifft einen strombegrenzenden
Niederspannungs-Leistungsschalter mit einem durch ein Schaltschloß
verklinkbaren Kontaktsystem, das pro Phase mindestens einen
durch eine Antriebsvorrichtung zum Ein- und Ausschalten
betätigbaren bewegbaren Schaltkontakt und einen feststehenden
Schaltkontakt aufweist, wobei der bewegliche Schaltkontakt
bei auftretenden unzulässig hohen Strömen, zum Beispiel bei
Kurzschlüssen, infolge elektrodynamischer Kräfte entgegen der
Wirkung einer Kontaktkraftfeder abhebt. Im Zuge der
Kraftübertragung von der Antriebsvorrichtung zum Schaltkontakt ist
dabei häufig eine Verklinkungseinrichtung angeordnet, die
ausgehend von der Einschaltstellung des Schaltkontaktes durch
eine vom Schaltkontakt ausgehende und in der Richtung der
Ausschaltstellung wirkende Öffnungskraft lösbar ist, wenn die
Öffnungskraft einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
-
Bei strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschaltern
werden extrem kurze Auslösezeiten von wenigen Millisekunden
angestrebt. Die normalen Auslösezeiten bei Leistungsschaltern
sind länger, denn beim klassischen Aufbau eines dynamisch
festen, oder selektiv staffelbaren Leistungsschalters ist das
Kontaktsystem in sich völlig starr. Die Kontakte bleiben
geschlossen, bis sie an anderer Stelle freigegeben werden. Der
Auslösemagnet muss zum Ansprechen gebracht werden, was eine
verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch nimmt und es muss dazu
eine komplette Schaltmechanik freigegeben werden, in der eine
relativ große Anzahl von Teilen bewegt werden muss. Daraus
resultiert aber auch, dass der Schalter bezüglich der
Stromführungsfähigkeit die hohe Belastung aushalten muss und nicht
vorher durch Überhitzung beschädigt oder zerstört wird. Das
kann dadurch umgangen werden, dass die elektrodynamischen
Stromkräfte selbst zur Kontaktöffnung ausgenutzt werden.
Dafür gibt es eine Reihe unterschiedlicher Prinzipien. Eines
besteht darin, zu bewirken, dass die abhebenden Kontaktkräfte
bei hohen Strömen zur Wirkung kommen können, bevor eine
normale mechanische Verklinkung im Schalterantrieb freigegeben
wird. Das beruht darauf, dass jeder stumpf aufeinander
treffende Kontakt durch die Stromengekräfte eine abstoßende
Wirkung erfährt und wenn die Kontakte nicht durch Fremdkräfte
zusammengehalten werden, heben sie bei einer bestimmten
Stromstärke ab. Mit dem Öffnen der Kontakte muss dann auch
der Schaltmechanismus in die Ausschaltstellung gebracht und
der Kontaktträger mit dem Schaltmechanismus wieder verriegelt
werden.
-
Bei mehrpoligen strombegrenzenden
Niederspannungs-Leistungsschaltern sind unterschiedliche Arbeitsprinzipien bekannt.
Zum Einen gibt es Systeme, welche eine Einzelpolentklinkung
aufweisen und die derart ansprechen, dass jeder einzelne
Schaltpol, wenn dieser durch einen Kurzschluß beansprucht
wird, separat strombegrenzend öffnet, während die anderen
noch geschlossen bleiben, weil eben nur dieser eine Pol den
hohen Strom führt und dass dann durch entsprechende
Mechanismen bewirkt wird, dass die anderen Pole ebenfalls geöffnet
werden. Der Vorteil derartiger Systeme besteht darin, dass
sie extrem schnell ansprechen, weil lediglich der betroffene
Einzelpol beschleunigt werden muss und die anderen Pole
normal ausgelöst werden können. Wenn diese extrem schnelle
Öffnung stattfindet, wird ein Schaltlichtbogen entstehen und
dessen Widerstand ist im Vergleich zu den Widerständen der
Strombahnen über die gesamte Fehlerstelle und den Schalter so
groß, dass er strombegrenzend wirkt. Es kann also nicht die
volle Höhe des Kurzschlußstromes erreicht werden.
-
Obwohl eine derartige einpolige Unterbrechung der betroffenen
Strombahn zweckmäßig ist, weil dadurch ein höherer
Strombegrenzungsfaktor erreicht wird, kann es bei geringeren
Anforderungen, beziehungsweise wenn der Schaltmechanismus
besonders gut, insbesondere massearm, mit geringer Masse der zu
bewegenden Teile, aufgebaut ist, durchaus von Vorteil sein,
ihn dreipolig freizugeben. Das hat, unter anderem auch den
Vorteil, dass für das gesamte Polpaket gemeinsam nur eine
kraftabhängig reagierende Vorrichtung vorgesehen werden muss,
die bei geeigneter Ausführung ebenso schnell eine Öffnung
aller Kontakte bewirkt, wie bei einer Einzelpolabschaltung.
-
Die EP 0466 287 B1 beschreibt einen Leistungsschalter mit
unabhängiger Verklinkungseinrichtung des bewegbaren
Schaltkontaktes. Wenn durch einen unzulässig hohen Fehlerstrom
bewirkte elektrodynamische abstoßende Kräfte zwischen den
Schaltkontakten auftreten, wird die an der
Verklinkungseinrichtung wirksame Kraft derart vergrößert, dass die
Auslösewelle entlang einer durch Langlöcher gebildeten Führung
entgegen der Vorspannkraft einer Blattfeder verschoben wird. Da
der zur Verklinkungseinrichtung gehörende Klinkenhebel um ein
Drehlager schwenkbar gelagert ist während die Auslösewelle in
einer geraden Langlochführung angeordnet ist, verändert sich
bei einer Verschiebung der Auslösewelle die Überdeckung
zwischen den Verklinkungsflächen soweit, dass der Klinkenhebel
freigegeben und hierdurch unmittelbar die Trennung der
Schaltkontakte herbeigeführt wird, und zwar unabhängig von
einer die Schaltwelle beaufschlagenden Auslösevorrichtung.
-
In der Europäischen Patentanmeldung 0 977 233 A1 ist eine
weitere Lösung für eine von der Meßwertverarbeitung und dem
Auslösemagneten unabhängige kraftabhängige Auslösung
beschrieben. In der Zeichnung ist der Kontaktträger mit den
Kontakthebeln und den Kontaktkraftfedern dargestellt, die
Koppellasche, die Schaltwelle mit ihrem Ausleger sowie die
Hebelkette, über welche die Schaltenergie vom Federspeicher
zugeführt wird und die Verklinkung in der Form einer
Halbwelle. Die Kraft, welche vom Kontaktsystem kommt, wirkt auf
einen Trägerhebel der sich gegen den Klinkenhebel mittels
Federn abstützt. Dieser Trägerhebel weist eine Arbeitskante
auf, die sich im Normalzustand unterhalb der Schneide der
Halbwelle befindet. Wenn der Träger, beim Auftreten von
erhöhten elektrodynamischen Kräften an den Kontakten gegen die
Kraft der Federn gegen den Klinkenhebel verdreht wird, tritt
die Arbeitskante mit der Halbwelle in Berührung und verdreht
dieselbe. Dadurch wird die Verklinkung gelöst und der
Schalter öffnet.
-
Beide Lösungen weisen, wie bei mehrpoliger Ausbildung üblich,
eine Halbwelle als Entkopplungselement auf. Außerdem haben
beide vorgenannten Schalter gemeinsam den Nachteil, dass für
die Realisierung der Strombegrenzung eine Vielzahl zu
bewegender Teile, teilweise auch nur für die Strombegrenzung
zusätzlich erforderliche Bauelemente, vorhanden sind. Das ist
mit hohem mechanischen und fertigungstechnischen Aufwand
verbunden.
-
Darüber hinaus muss berücksichtigt werden, dass Kunden nicht
nur einen derartigen Schaltertyp benötigen, sondern auch
einen, der konventionell, also selektiv öffnet, also nur
dann, wenn bei Auftreten eines hohen Stromes eine bestimmte
Zeit verstrichen ist. Es ist aber sehr aufwendig, dem Kunden
zwei ganz unterschiedlich aufgebaute Typen von
Leistungsschaltern anzubieten, denn es müssen zwei unterschiedliche
Schalterkonstruktionen vorgehalten werden. Es kann also von
beiden Typen jeweils nur die halbe Losgröße gefertigt werden.
Die Kunden rüsten heute die Anlagen häufig um und benötigen
deshalb preiswerte universell verwendbare Leistungsschalter.
-
Das Bestreben die unterschiedlichen Funktionen selektiv
zeitabhängig staffelbarer Leistungsschalter oder
strombegrenzender Leistungsschalter, alternativ zur Verfügung zu haben,
soll deshalb möglichst kostengünstig verwirklicht werden.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, einen
strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalter
vorzuschlagen, der ohne wesentlichen konstruktiven und
fertigungstechnischen Aufwand aus einem normalen
Standard-Leistungsschalter abgeleitet werden kann, ohne dass an diesem
wesentliche Veränderungen vorgenommen werden müssen.
-
Herkömmliche Leistungsschalter weisen einen beweglichen
Schaltpol mit einem Schaltkontakt auf, sowie einen
Schalterantrieb und dazwischen eine Hebelkette welche den Antrieb mit
der Schaltwelle und diese mit dem Kontaktträger verbindet, so
dass es sich anbietet, in den Zug dieser Hebelkette ein
Element einzubauen, das eine mechanisch nichtlineare
Charakteristik aufweist, insofern, dass die Hebelkette unabhängig von
der Schalterverklinkung nachgeben und sich verkürzen kann,
wenn durch die stromabhebenden Kräfte der Kontaktträger gegen
die Hebelkette drücken.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist deshalb an der Stelle
des bei selektiv staffelbaren Leistungsschaltern üblichen
starren Verbindungselementes zwischen dem Schalterantrieb des
Leistungsschalters und dessen Schaltwelle ein in seiner Länge
kraftabhängig veränderbares Bauteil vorgesehen.
-
Der Einbau erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung nicht
zwischen dem Kontaktträger und der Schaltwelle, wie bei der
bekannten Einzelpolöffnung, sondern, was herkömmlich nicht
bekannt ist, zwischen der Schaltwelle und dem
Schalterantrieb. Dieses Bauteil ist vorteilhaft teleskopartig derart
ausgebildet, dass es bei einer bestimmten über die
Schaltwelle auf die AUS-Verklinkung übertragenen Polrückwirkung auf
Grund der Schleifen- und kontaktabhebenden Kräfte bei einem
unzulässig hohen Strom, beispielsweise bei einem Kurzschluß,
sich verkürzt, eine Drehbewegung der Schaltwelle ermöglicht
und somit ein Öffnen der Kontakte. Dabei ist das Bauteil so
gestaltet, dass es kraftabhängig zusammenschiebbar ist und
zwar sprungartig.
-
Derartige teleskopartige Bauteile sind im Prinzip für eine
Einzelpolentklinkung bekannt. Sie können beispielsweise so
ausgebildet sein, wie in der EP 0 398 461 A1 beschrieben.
-
Es ist zwar bekannt an einer zentralen Stelle hinter allen
Polen für eine strombegrenzende Öffnung aller Pole zu sorgen,
zum Beispiel, wie zum Stand der Technik ausgeführt, durch
eine gezielte Verdrehung der Auslösewelle oder deren
Verlagerung, aber das erfolgt bisher nur an der sehr sensiblen
Baugruppe Auslöser/Halbwelle des Leistungsschalters und ist nur
mit komplizierten empfindlichen Baugruppen zu realisieren.
Deshalb soll, im Gegensatz zu diesen üblichen Lösungen, gemäß
der vorliegenden Erfindung diese Freigabe der Pole nicht an
der Auslösewelle erfolgen, sondern durch ein einfaches
Koppel- oder Verbindungselement zwischen dem Antrieb und den
Kontaktträgern. Das ist eine völlig andere Form der
gleichzeitigen strombegrenzenden Öffnung aller Pole und hat den
Vorteil, dass an der sehr sensiblen Baugruppe
Auslöser/Halbwelle nichts verändert werden muss, sondern lediglich
durch das erfindungsgemäße Einfügen des in seiner Länge
veränderbaren Bauteils anstelle einer sonst starren Verbindung
zum Federantrieb die strombegrenzende Eigenschaft des
Schalters erreicht wird.
-
Das heißt, der Einbau des in seiner Länge veränderbaren
Bauteils durch einen einfachen Eingriff an einer im Schalter gut
zugänglichen Stelle ergibt einen strombegrenzenden
Leistungsschalter, mit einer gemeinsamen gleichzeitigen Öffnung aller
Pole und der Einbau einer starren Verbindung ergibt einen
selektiv staffelbaren Leistungsschalter.
-
Die Erfindung soll nachfolgend zum besseren Verständnis
anhand eines bevorzugten, den Schutzumfang nicht
einschränkenden, Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
-
Die Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung zur Übertragung der
Schaltenergie und die Schaltanordnung eines erfindungsgemäßen
Niederspannungs-Leistungsschalters im eingeschalteten
Zustand.
-
Die Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung zur Übertragung der
Schaltenergie und die Schaltanordnung eines erfindungsgemäßen
Niederspannungs-Leistungsschalters im ausgeschalteten
Zustand.
-
Die Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung zur Übertragung der
Schaltenergie und die Schaltanordnung eines erfindungsgemäßen
Niederspannungs-Leistungsschalters im ausgelösten Zustand.
-
Die Fig. 4 zeigt schematisch die Antriebs- und Schaltanordnung
eines erfindungsgemäßen Niederspannungs-Leistungsschalters in
perspektivischer Ansicht von der Antriebsseite gesehen.
-
Die Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung zur Übertragung der
Schaltenergie und die Schaltanordnung eines erfindungsgemäßen
Niederspannungs-Leistungsschalters im eingeschalteten
Zustand. In dieser Figur sind zur Verdeutlichung der räumlichen
Anordnung der Bauteile die Bereiche des Schaltergehäuses 1
und des Antriebsbereichs 2 durch strichpunktierte Linien
markiert. Im eingeschalteten Zustand ist das aus dem
feststehenden Schaltkontakt 3 und dem bewegbaren Schaltkontakt 4
bestehende Kontaktsystem geschlossen. Das heißt, der im
Kontaktträger 5 mittels des Kontakthebelbolzens 6 schwenkbar
angeordnete bewegbare Schaltkontakt 4 steht mit dem feststehenden
Schaltkontakt 3 in einer flächigen Verbindung, die
beispielsweise im Kurzschlußfall zum Auftreten elektrodynamischer
abstoßender Kräfte führt. Der Kontaktträger 5 ist mittels der
Koppellasche 8 mit dem Ausleger 9 der Schaltwelle 10
kraftschlüssig verbunden, welcher seinerseits über das in diesem
normalen Schaltzustand gestreckte teleskopartige Bauteil 11
mit dem schematisch als Feder dargestellten Schalterantrieb
12 gekoppelt ist. Letzterer ist schematisch in Form einer im
eingeschalteten Zustand entspannten Feder dargestellt und
wirkt auf das gestreckte teleskopartige Bauteil 11 zur
Übertragung der Schaltkraft über den Ausleger 9 auf die
Schaltwelle 10. Die Verklinkungseinrichtung, die den Schalter im
eingeschalteten Zustand arretiert, ist in dieser
schematischen Darstellung zur Vereinfachung der Zeichnung zum Zweck
eines leichteren Verständnisses weggelassen worden.
-
Die Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung zur Übertragung der
Schaltenergie und die Schaltanordnung eines erfindungsgemäßen
Niederspannungs-Leistungsschalters im ausgeschalteten
Zustand. Im ausgeschalteten Zustand ist das aus dem
feststehenden Schaltkontakt 3 und dem bewegbaren Schaltkontakt 4
bestehende Kontaktsystem geöffnet. Durch das Drehen der
Schaltwelle 10 wird die gesamte Anordnung zur Übertragung der
Schaltenergie, bestehend aus dem um seine Lagerzapfen 7
schwenkbaren Kontaktträger 5, aus der Koppellasche 8 und aus
dem gestreckten teleskopartigen Bauteil 11 gegen den
schematisch als Feder dargestellten Schalterantrieb 12 verschoben
und bewirkt die Spannung desselben, schematisch dargestellt
durch die zusammengedrückte Feder. Die
Verklinkungseinrichtung ist auch in dieser schematischen Darstellung zur
Vereinfachung der Zeichnung zum Zweck eines leichteren
Verständnisses weggelassen worden.
-
Die Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung zur Übertragung der
Schaltenergie und die Schaltanordnung eines erfindungsgemäßen
Niederspannungs-Leistungsschalters im ausgelösten Zustand.
-
Durch das Auftreten elektrodynamischer abstoßender Kräfte,
beispielsweise im Kurzschlußfall, wird der bewegbare
Schaltkontakt 4 vom feststehenden Schaltkontakt 3 abgestoßen, was
zum Schwenken des Kontaktträgers 5 um seine Lagerzapfen 7
führt. Diese Bewegung wird über die Koppellasche 8 und den
Ausleger 9 der Schaltwelle 10 auf das teleskopartige
Bauelement 11 übertragen, welches zusammengedrückt wird. Dadurch
wird eine von der Überstromauslösevorrichtung des
Leistungsschalters unabhängige Freigabe des bewegbaren Kontakthebels 4
unter dem Einfluß eines unzulässig hohen Fehlerstromes
geschaffen. Die im normalen Schalterbetrieb wirksame
Verklinkungseinrichtung ist auch in dieser schematischen Darstellung
zur Vereinfachung der Zeichnung zum Zweck eines leichteren
Verständnisses weggelassen worden.
-
Die Fig. 4 zeigt schematisch die Antriebs- und Schaltanordnung
eines erfindungsgemäßen Niederspannungs-Leistungsschalters in
perspektivischer Ansicht von der Antriebsseite gesehen und
dient zur Kenntlichmachung der Einbaupositionen. Die
Kontaktträger 5 der Pole eines dreipoligen
Niederspannungs-Leistungsschalters sind mittels der Koppellaschen 8 mit den
Auslegern 9 der Schaltwelle 10 verbunden, welcher die
Schaltenergie vom nicht dargestellten Schalterantrieb über das
teleskopartige Bauteil 11 zugeführt wird, das am mittleren
Ausleger 13 der Schaltwelle 10 angelenkt ist. Zu diesem Zweck
ist der mittlere Ausleger 13 der Schaltwelle 10 als
Dreieckslasche mit zwei Gelenken 14; 15 ausgebildet.
-
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen darin,
dass bei Auftreten eines unzulässig hohen Stromes,
gleichgültig an welchem Pol, eine dreiphasige Schnelltrennung erfolgt
und dass nur ein einziges Bauteil benötigt wird, wodurch eine
Umrüstung extrem einfach ist. Darüber hinaus werden keine
zusätzlichen Endanschläge benötigt, die bei einer
Einzelpolentklinkung zur definierten Begrenzung der AUS-Bewegung
erforderlich sind. Es werden die identischen Endanschläge genutzt,
die auch bei normalen mechanischen Schaltungen wirken.
Bezugszeichenliste
1 Schaltergehäuse
2 Antriebsbereich
3 Feststehender Schaltkontakt
4 Bewegbarer Schaltkontakt
5 Kontaktträger
6 Kontakthebelbolzen
7 Lagerzapfen
8 Koppellasche
9 Ausleger
10 Schaltwelle
11 Teleskopartiges Bauteil
12 Schalterantrieb
13 Mittlerer Ausleger
14 Gelenk
15 Gelenk