DE102004059097A1

DE102004059097A1 - Schaltvorrichtung mit temperaturabhängigem Widerstand zum Löschen eines Lichtbogens

Info

Publication number: DE102004059097A1
Application number: DE200410059097
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Hahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-06-08
Also published as: EP1820199A1; WO2006061375A1

Abstract

Der Lichtbogen beim Abschalten eines Schaltgeräts soll mit einfachen Mitteln sicherer gelöscht werden können. Dazu ist vorgesehen, dass eine Widerstandseinrichtung (14), deren Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt, zwischen einem Festkontakt (1) und einem beweglichen Kontakt (2) angeordnet wird. Im Falle eines Lichtbogens läuft dann der Strom von dem beweglichen Kontakt (2) über die Widerstandseinrichtung (14) zum Festkontakt (1) oder umgekehrt. Der Widerstand (14) erwärmt sich durch den Stromfluss, wodurch auch sein Widerstandswert steigt. Folglich nimmt die Spannungsbeanspruchung der Schaltstrecke ab und der Lichtbogen kann leichter gelöscht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit einem Festkontakt und einem beweglichen Kontakt, zwischen denen beim Abschalten der Schaltvorrichtung ein Lichtbogen auftreten kann.
Lichtbogenkammern in Niederspannungsschaltgeräten haben eine begrenzte Löschwirkung. Diese hängt bei einem vorgegebenen Schaltgerät in der Regel nur von der Höhe der Lichtbogenspannung und des -stroms ab. Die Löschwirkung ist insbesondere bei Einsatz in den oberen Spannungsebenen des Niederspannungsbereichs (690 V, 1000 V, IT-Netze usw.) kritisch. Durch den immer stärker begrenzten Einbauraum von Niederspannungsschaltgeräten steigen die Anforderungen an die Löschfähigkeit solcher Systeme.
Beim Einsatz für höhere Spannungen werden üblicherweise die Lichtbogenkammervolumen der Schaltgeräte vergrößert. Eine Alternative hierzu besteht in der Erhöhung der Anzahl von Löschblechen in den heute üblichen Lichtbogenlöschsystemen.
Aus der Patentschrift DE 101 18 746 B4 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltgeräts mit einem zuschaltbaren Strombegrenzer bekannt. Der dort beschriebene Leistungsschalter oder Schütz weist mindestens eine Hauptstrombahn und einen zugeordneten Nebenstrompfad auf. Der zuschaltbare Strombegrenzer ermöglicht ein Schalten bei hoher Strombelastung von einem Nicht-Strombegrenzungsbetrieb in einen Strombegrenzungsbetrieb. Die Rückstellung des Strombegrenzers erfolgt bei einer Rückkommutierung des Lichtbogens vom Nebenstrompfad auf die Hauptstrombahn.
Aus der europäischen Patentschrift EP 1 192 628 B1 ist weiterhin eine Schaltkontaktanordnung eines Niederspannungs-Leistungsschalters mit einer feststehenden und einer bewegbaren Kontaktgruppe jeweils bestehend aus einem Hauptkontakt, einem Zwischenkontakt, einem Abreißkontakt und einem Lichtbogenhorn bekannt. Durch eine spezielle Anordnung und Gestaltung von Komponenten der Schaltkontaktanordnung ergibt sich eine vorteilhafte, dreifache Kontaktgabe.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Lichtbögen in Schaltvorrichtungen sicherer löschen zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schaltvorrichtung mit einem Festkontakt und einem beweglichen Kontakt oder Kontaktpaket sowie einer Widerstandseinrichtung, deren Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt und die an einem der beiden Kontakte angeschlossen ist, so dass im Falle eines Lichtbogens der Strom von dem beweglichen Kontakt über die Widerstandseinrichtung zum Festkontakt oder umgekehrt verläuft.
Im Falle des Auftretens eines Lichtbogens erhöht sich der Widerstand der Widerstandseinrichtung durch den wärmeerzeugenden Stromfluss. Dadurch nimmt der Spannungsabfall an dem Widerstand zu und in gleichem Maße die Spannungsbeanspruchung der Schaltstrecke ab. Der Lichtbogen ist somit leichter zu löschen.
Vorzugsweise ist die Widerstandseinrichtung fest mit dem Festkontakt verbunden. Damit kann der bewegliche Kontakt ohne Aufwand für Verbindungstechnik hergestellt werden, so dass dessen Lebensdauer steigt.
Die Widerstandseinrichtung kann als Lichtbogenleithorn ausgebildet sein. Damit kann auf einen Widerstand als zusätzliche Komponente verzichtet werden, da das Lichtbogenleithorn in einem Schaltgerät in aller Regel ohnehin vorhanden ist.
Alternativ kann die Widerstandseinrichtung auch zwischen einem Lichtbogenleithorn und dem Festkontakt angeordnet sein. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass das Material der Widerstandseinrichtung und das des Lichtbogenleithorns jeweils optimal für die entsprechende Funktion gewählt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 eine Skizze eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine Skizze eines Ausschnitts eines Schaltgeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Schalters im Zustand EIN;
4 ein Ersatzschaltbild des Schalters während der Ausschaltung; und
5 ein Ersatzschaltbild des Schalters während der Lichtbogendauer.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Entsprechend 1 besitzt ein erfindungsgemäßes Schaltgerät einen Festkontakt 1 und einen beweglichen Kontakt 2. Der Festkontakt 1 besitzt einen feststehenden Hauptkontakt 11, einen festen Abreiß- oder Abbrandkontakt 12 und ein feststehendes Lichtbogenhorn 13. Zwischen dem feststehenden Lichtbogenhorn 13 und dem feststehenden Zwischenkontakt 12 befindet sich ein temperaturabhängiger Widerstand 14. Sein Widerstand nimmt mit steigender Temperatur zu.
Der bewegliche Kontakt 2 wiederum besteht aus einem beweglichen Hauptkontakt 21, einem beweglichen Abbrandkontakt 22 und einem beweglichen Lichtbogenhorn 23. Die Bewegung des beweglichen Lichtkontakts 2 erfolgt um einen Bolzen 24, der zusätzlich in horizontaler Richtung von dem Festkontakt 1 beim Öffnen des Schalters wegbewegt wird.
Eine alternative Ausführungsform ist in 2 wiedergegeben. Der bewegliche Kontakt 2 ist gegenüber der Ausführungsform von 1 unverändert. Hingegen ist hier auf einen temperaturabhängigen Widerstand als eigene Komponente verzichtet und ein feststehendes Lichtbogenhorn 15 ist aus dem temperaturabhängigen Widerstandsmaterial gefertigt. In diesem Fall ist das feststehende Lichtbogenhorn 15 über den Abbrandkontakt 12 unmittelbar an dem Festkontakt 1 befestigt.
Im geschlossenen Zustand des Schalters fließt der Strom durch den beweglichen Kontakt 2, die Hauptkontakte 11, 21 und den Festkontakt 1 oder umgekehrt. Beim Öffnen des Schalters wird zunächst Kontakt von Zwischenkontakten hergestellt, so dass die Hauptkontakte 11 und 21 lichtbogenfrei öffnen können. Beim weiteren Öffnungsvorgang kontaktieren die Abbrandkontakte 12 und 22, bis sich schließlich auch diese trennen und zwischen ihnen ein Lichtbogen mit jeweils einem Fuß an den Lichtbogenhörnern 13 und 23 entsteht. Dieser Öffnungsvorgang ist in der eingangs bereits erwähnten Druckschrift EP 1 192 628 B1 näher beschrieben.
Das jeweilige Widerstandselement 14 bzw. 15 weist im kalten Zustand einen vergleichsweise niedrigen Widerstand auf. Infolgedessen ist die Kommutierung des Lichtbogenfußpunkts und des durch ihn fließenden Stroms vom Kontaktbereich auf das zum Löschsystem gehörende feststehende Lichtbogenhorn 13 nicht behindert. Vor allem im Bereich höherer Ströme bis zur maximalen Schaltleistung ergibt sich durch die Eigenerwärmung des Widerstandselements aufgrund des durch ihn fließenden Lichtbogenstroms ein zusätzlicher Spannungsabfall. Dieser zusätzliche Spannungsabfall erhöht die Gesamtspannung bestehend aus Lichtbogenspannung und Spannung am Widerstand bei sonst gleichen Lichtbogenkammergeometrien.
Der bewegliche Kontakt 2 kann aus einem einzigen oder mehreren Einzelkontakten bzw. Kontaktfingern bestehen. Im Falle mehrerer Kontakte ergibt sich ein entsprechendes bewegliches Kontaktpaket.
3 gibt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Schalters im Zustand EIN wieder, in dem die Hauptkontakte geschlossen sind. Dieses Ersatzschaltbild besteht aus einer Serienschaltung folgender Widerstände:

31: Widerstand des oberen Anschlusses, d. h. des Festkontakts 1
32: Kontaktwiderstand der Hauptkontakte 11 und 21
33: Widerstand des Kontakthebels, d. h. des beweglichen Kontakts 2
34: Widerstand der Stromseile
35: Widerstand des unteren Anschlusses

Die Stromseile und der untere Anschluss sind in den Ausschnitten der 1 und 2 nicht wiedergegeben.
Während des Ausschaltvorgangs berühren sich zu einem bestimmten Zeitpunkt nur noch die Abbrandkontakte 12 und 22. Zu diesem Zeitpunkt ergibt sich das in 4 wiedergegebene vereinfachte Ersatzschaltbild, bei dem anstelle des Kontaktwiderstands 32 der Hauptkontakte 11 und 21 der Widerstand 36 des in dieser Phase noch kalten, integrierten, temperaturabhängigen Widerstands und der Widerstand 37 der Abbrandkontakte 12, 22 treten. Beim weiteren Öffnen des Schalters kommt gemäß 5 zwischen den Widerstand 37 der Abbrandkontakte 12, 22 und dem Widerstand 33 des Kontakthebels noch ein Widerstand 38 des Lichtbogens selbst hinzu. Während der Lichtbogendauer ergibt sich somit eine Serienschaltung der Widerstände 31, 36, 37, 38, 33, 34 und 35. Daraus ist ohne weiteres ersichtlich, dass bei gleichbleibender Gesamtsystemspannung die Spannung an dem temperaturabhängigen Widerstand 36 bei dessen Erwärmung ansteigt und folglich die Spannungsbeanspruchung der Schaltstrecke abnimmt, so dass der Lichtbogen leichter gelöscht werden kann.

1: Festkontakt
2: beweglicher Kontakt
11, 21: Hauptkontakte
12, 22: Abbrandkontakte
13, 15, 23: Lichtbogenhörner
14: temperaturabhängiger
: Widerstand
31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38: Widerstände
24: Bolzen

Claims

Schaltvorrichtung mit – einem Festkontakt (1) und – einem beweglichen Kontakt oder Kontaktpaket (2), gekennzeichnet durch – eine Widerstandseinrichtung (14, 15), deren Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt und die an einem der beiden Kontakte angeschlossen ist, so dass im Falle eines Lichtbogens der Strom von dem beweglichen Kontakt (2) über die Widerstandseinrichtung (14, 15) zum Festkontakt (1) oder umgekehrt verläuft.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Widerstandseinrichtung (14, 15) fest mit dem Festkontakt (1) verbunden ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Widerstandseinrichtung (15) als Lichtbogenleithorn ausgebildet ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Widerstandseinrichtung (14) zwischen einem Lichtbogenleithorn (13) und dem Festkontakt (1) angeordnet ist.