DE102005006953A1

DE102005006953A1 - Schaltgerät mit PTC-Element

Info

Publication number: DE102005006953A1
Application number: DE200510006953
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. Frahs; Wolfgang Dipl.-Ing. Süß
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2006-08-17

Abstract

Es wird ein Schaltgerät mit einem Hauptkontaktpaar (3, 11) vorgeschlagen, dessen beweglicher Schaltkontakt (6, 16) über ein Schaltschloss (5, 14) ansteuerbar ist, wobei ein polymeres PTC-Element (4, 13) in Reihe zu den Hauptkontakten (3/6, 11/16) angeordnet ist, dessen ohmscher Widerstand ab einem definierten Grenzstrom vom niederohmigen in den hochohmigen Zustand wechselt, wodurch der Strom bis auf einen Reststrom abfällt. Die beim Wechsel in den hochohmigen Zustand auftretende Ausdehnung des polymeren PTC-Elements (4, 13) bewirkt mechanisch die Entklinkung des Schaltschlosses (5, 14), wodurch das Hauptkontaktpaar (3, 11) geöffnet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltgerät mit PTC-Element gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung kann sowohl bei Leitungsschutzschaltern der Haus-Installationstechnik als auch bei Schaltgeräten ohne Überstrom-Schutzfunktion verwendet werden.

Aus der EP 0 519 346 A1 ist ein Leitungsschutzschalter mit einem auf Überstrom, insbesondere Kurzschlussstrom, ansprechenden elektromagnetischen Auslöser bekannt, zu dessen Auslösespule ein PTC-Widerstand (Widerstand mit positiver Temperaturcharakteristik) parallel geschaltet ist. Diese Parallelschaltung Auslösespule/PTC-Widerstand ist mit einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet.

Allgemein bekannte Leitungsschutzschalter besitzen einen thermischen und einen magnetischen Auslöser und sind in der Regel für Wechselstrom verwendbar. Während der thermische Auslöser zeitverzögert bei geringen Überströmen wirkt, trennt der magnetische Auslöser die Kontakte bei Kurzschlussströmen nach kurzer Zeit.

Bei strombegrenzenden Leitungsschutzschaltern wird der Kurzschlussstrom durch einen möglichst schnell einsetzenden und steilen Lichtbogenspannungsanstieg stark begrenzt, so dass der prospektive Kurzschlussstrom nicht erreicht wird. Dazu wird der Lichtbogen in eine Löschkammer geleitet und in mehrere Teillichtbögen aufgeteilt. Die ser Vorgang bringt aber auch unerwünschte Nebenwirkungen mit sich. Der Lichtbogen belastet bei seiner Entstehung die Kontakte des Schalters. Die Lichtbogenspannung wirkt ins Netz zurück und die Größe der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit ist entscheidend für das entstehende Frequenzspektrum der störenden Oberwellen.

Beim Einsatz in Gleichstromsystemen gilt das Beschriebene ebenfalls, es fehlt aber die das Löschen unterstützende Wirkung des Nulldurchgangs der Netzspannung. Es kann besonders bei kleinen Strömen zum „Stehenbleiben" des Lichtbogens im Kontaktsspalt und nachfolgend zur Zerstörung des Leitungsschutzschalters kommen. Deshalb werden für Gleichspannung modifizierte Geräte mit zusätzlichen Einrichtungen zur Lichtbogenblasung (z. B. Magnete) verwendet, deren Anschlüsse der Polarität fest zugeordnet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgerät mit PTC-Element anzugeben, bei dem der Strom nach Überschreitung eines definierten Grenzstromes zunächst bis zu einem geringen Reststrom verringert wird und erst anschließend die Hauptkontakte geöffnet werden.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Belastung der Kontakte des Schaltgerätes vermieden wird. Bei Verwendung des Schaltgerätes als Leitungsschutzschalter sind ein thermischer Auslöser, ein magnetischer Auslöser oder eine Löschkammer nicht erforderlich, so dass die Herstellkosten reduziert werden. Es wirkt keine durch einen Schaltvorgang erzeugte Lichtbogenspannung ins Netz zurück und die Oberwellenbelastung des Netzes ist sehr gering. Das Schaltgerät ist universell für Gleichstrom und Wechselstrom geeignet.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltgerät mit Überstrom-Schutzfunktion,
2 ein Schaltgerät ohne Überstrom-Schutzfunktion.
In 1 ist ein Schaltgerät mit Überstrom-Schutzfunktion (Leitungsschutzschalter) dargestellt. Zwischen einer ersten Klemme 1 und einer zweiten Klemme 2 ist die Reihenschaltung eines Hauptkontaktpaares 3 und eines polymeren PTC-Elementes 4 angeordnet. Ein Schaltschloss 5 betätigt ausgangsseitig einen beweglichen Schaltkontakt 6 des Hauptkontaktpaares 3 und ist eingangsseitig über ein Betätigungsorgan 7 (üblicherweise ein manueller Schalthebel) sowie durch das polymere PTC-Element 4 beaufschlagbar.
In 2 ist ein Schaltgerät ohne Überstrom-Schutzfunktion dargestellt. Zwischen einer ersten Klemme 8 und einer zweiten Klemme 9 ist die Reihenschaltung eines Vorkontaktpaares 10 und eines Hauptkontaktpaares 11 angeordnet. Der Verbindungspunkt beider Kontaktpaare 10, 11 ist mit 12 bezeichnet. Parallel zum Vorkontaktpaar 10 ist ein polymeres PCT-Element 13 angeordnet. Ein Schaltschloss 14 betätigt ausgangsseitig einen beweglichen Schaltkontakt 15 des Vorkontaktpaares 10 sowie einen beweglichen Schaltkontakt 16 des Hauptkontaktpaares 11 und ist eingangsseitig über ein Betätigungsorgan 17 (manueller Schalthebel oder Schaltschütz) sowie durch das polymere PTC-Element 13 beaufschlagbar.
Elektrisch leitfähige PTC-Elemente (Kaltleiter) sind an sich bekannt, z. B. auf Polymerbasis als PPTC (Polymeric Positive Temperature Coefficient) – Elemente. In elektronischen Anwendungen werden polymere PTC-Elemente z. B. als selbstrückstellende Sicherungen auf Kaltleiterbasis verwendet. Für den erfindungsgemäßen Vorschlag sind folgende Funktionen eines polymeren PTC-Elementes von Wichtigkeit:

• Das polymere PTC-Element hat im Ausgangszustand einen kleinen Widerstand (niederohmiger Zustand), bei Stromerhöhung über einen definierten Grenzstrom steigt der Widerstand stark an (hochohmiger Zustand) und begrenzt damit den fließenden Strom auf einen geringen Reststrom. Das polymere PTC-Bauelement verbleibt solange in diesem hochohmigen Zustand, solange Spannung anliegt (und dieser Reststrom fließt). Nach Unterbrechung des Stroms wird das polymere PTC-Element nach einigen Sekunden wieder niederohmig.
• Im Gegensatz zu keramischen PTC-Elementen haben polymere PC-Elemente sowohl eine höhere Betriebsspannung (250 V) als auch zusätzlich eine nutzbare reversible Volumenänderung bei der Widerstandsänderung. Diese Volumenänderung wird in vorliegendem Fall zur mechanischen Beaufschlagung des Schaltschlosses herangezogen.

Das polymere PTC-Element 4 ersetzt beim Leitungsschutzschalter gemäß 1 die bisher üblichen

• thermischen Auslöser (Überstrom-Ausslösung) und
• magnetischen Auslöser (Kurzschlussstrom-Auslösung).

Die bei Widerstandsänderung (vom niederohmigen in den hochohmigen Zustand) auftretende Volumenänderung bzw. Ausdehnung des polymeren PTC-Elementes wird mechanisch für die Entklinkung des Schaltschlosses 5, 14 (und damit Öffnen der Kontakte) genutzt. Die mechanische Ankopplung/Verbindung zwischen PTC-Element 4, 13 und Schaltschloss 5, 14 ist so eingestellt, dass erst nach Erreichen des hochohmigen Zustandes das Schaltschloss entklinkt wird, wodurch die Kontakte (Hauptkontaktpaar 3 mit beweglichem Schaltkontakt 6 respektive Hauptkontaktpaar 11 mit beweglichem Schaltkontakt 16) vorteilhaft nur den geringen Reststrom unterbrechen müssen.
Das Schaltgerät gemäß 2 ist zusätzlich mit Vorkontakten 10/15 ausgerüstet. Das Betätigungsorgan 17 öffnet und schließt die Vorkontakte 10/15 (Vorkontaktpaar 10 mit beweglichem Schaltkontakt 15) und spannt beim Schließen der Hauptkontakte 11/16 (Hauptkontaktpaar 11 mit beweglichem Schaltkontakt 16) das Schaltschloss 14. Die Vorkontakte 10/15 überbrücken das PTC-Element 13, wenn sie geschlossen sind und schalten es in den Stromfluss, wenn sie geöffnet sind, so dass sich dann eine elektrische Reihenschaltung Klemme 8 – PTC-Element 13 – Verbindungspunkt 12 – Hauptkontakte 11/16 – Klemme 9 ergibt. Nach Öffnung des Vorkontaktpaars 10 (aufgrund einer Beaufschlagung des Schaltschlosses 14 über das Betätigungsorgan 17) wird der Strom bis zu einem geringen Reststrom verringert und danach wird erst das Hauptkontaktpaar 11 geöffnet (nachdem sich das PTC-Element 13 ausgedehnt und deshalb das Schaltschloss 14 entsprechend beaufschlagt hat).
Die beiden Betriebsarten des Schaltgerätes gemäß 2 „Einschalten" und „Ausschalten" lassen sich wie folgt beschreiben:

1. Beim Einschalten über Betätigungsorgan 17/Schaltschloss 14 werden zuerst die Vorkontakte 10/15 geschlossen, danach wird das Schaltschloss 14 gespannt und die Hauptkontakte 11/16 werden geschlossen.
2. Beim Ausschalten über das Betätigungsorgan 17, das als Schalthebel (Handbetätigung) oder z. B. als Magnetspule (Schütz) ausgeführt sein kann, werden nur die Vorkontakte 10/15 geöffnet. Dadurch wird das PTC-Element 13 in den Stromfluss eingeschaltet und vom Strom durchflossen, welcher über dem definierten Grenzstrom des PTC-Elementes liegt. Das PTC-Element erwärmt sich und gelangt in den hochohmigen Zustand, folglich sinkt der Strom bis auf den Reststrom. Mechanisch bewirkt die Ausdehnung (Volumenänderung) des PTC-Elementes 13 danach die Entklinkung des Schaltschlosses 14, wodurch die Hauptkontakte 11/16 geöffnet werden. Die mechanische Verbindung zwischen PTC-Element 13 und Schaltschloss 14 ist so eingestellt, dass erst nach Erreichen des Reststromes (und der damit verbundenen Ausdehnung) das Schaltschloss 14 entklinkt wird, wodurch die Hauptkontakte 11/16 vorteilhaft nur den Reststrom unterbrechen müssen.

Bei beiden Ausführungsformen gemäß 1, 2 arbeitet das PTC-Element gleichermaßen bei Wechselstrom und Gleichstrom.

1: erste Klemme
2: zweite Klemme
3: Hauptkontaktpaar
4: polymeres PTC-Element
5: Schaltschloss
6: beweglicher Schaltkontakt des Hauptkontaktpaares
7: Betätigungsorgan
8: erste Klemme
9: zweite Klemme
10: Vorkontaktpaar
11: Hauptkontaktpaar
12: Verbindungspunkt beider Kontaktpaare
13: polymeres PTC-Element
14: Schaltschloss
15: beweglicher Schaltkontakt des Vorkontaktpaares
16: beweglicher Schaltkontakt des Hauptkontaktpaares
17: Betätigungsorgan

Claims

Schaltgerät mit einem Hauptkontaktpaar (3, 11), dessen beweglicher Schaltkontakt (6, 16) über ein Schaltschloss (5, 14) ansteuerbar ist, wobei ein polymeres PTC-Element (4, 13) in Reihe zu den Hauptkontakten (3/6, 11/16) angeordnet ist, dessen ohmscher Widerstand ab einem definierten Grenzstrom vom niederohmigen in den hochohmigen Zustand wechselt, wodurch der Strom bis auf einen Reststrom abfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Wechsel in den hochohmigen Zustand auftretende Ausdehnung des polymeren PTC-Elements (4, 13) mechanisch die Entklinkung des Schaltschlosses (5,14) bewirkt, wodurch das Hauptkontaktpaar (3, 11) geöffnet wird.
Schaltgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Reihenschaltung eines Hauptkontaktpaares (3) und eines polymeren PTC-Elements (4) zwischen erster und zweiter Klemme (1, 2) des Schaltgerätes.
Schaltgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Reihenschaltung eines Vorkontaktpaares (10) und eines Hauptkontaktpaares (11) zwischen erster und zweiter Klemme (1, 2) des Schaltgerätes, wobei dem Vorkontaktpaar (10) ein polymeres PTC-Element (13) parallel geschaltet ist, welches mechanisch auf ein gemeinsames Schaltschloss (14) einwirkt, das die beweglichen Schaltkontakte (15, 16) der Hauptkontakte (11/16) und Vorkontakte (10/15) ansteuert.
Schaltgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschalten über ein Betätigungsorgan (17) des Schaltschlosses (14) zuerst die Vorkontakte (10/15) geschlossen werden und anschließend das Schaltschloss (14) gespannt und die Hauptkontakte (11/16) geschlossen werden.
Schaltgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausschalten über ein Betätigungsorgan (17) des Schaltschlosses (14) nur die Vorkontakte (10/15) geöffnet werden und anschließend die Ausdehnung des PTC-Elementes (13) mechanisch die Entklinkung des Schaltschlosses (14 ) bewirkt, wodurch die Hauptkontakte (11/16) geöffnet werden.