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Die
Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zum selektiven Abschalten
einer elektrischen Leitung, an die insbesondere ein elektrischer
Verbraucher angeschlossen ist.
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Vielzahl selektiv abschaltender Schalteinrichtungen
bekannt. Beispielsweise offenbart die
EP 1 587 123 A1 einen selektiven Schutzschalter,
der in einem Hauptstrompfad ein erstes und ein zweites Schaltelement
(= Kontaktstelle) umfasst, die in Reihe geschaltet sind. Parallel
zum ersten Schaltelement ist in einem Nebenstrompfad ein Thermoauslöseelement
in Form eines Bimetallelements angeordnet. Ein Schaltschloss steht
sowohl mit dem Bimetallelement als auch mit dem zweiten Schaltelement
in einer mechanischen Wirkverbindung. Bei einem Kurzschluss in der
elektrischen Leitung wird der Strom zunächst durch Öffnen des ersten Schaltelements
in den Nebenstrompfad kommutiert. Solange der Kurzschlussstrom nicht
abgeschaltet wird, erwärmt
sich das Bimetallelement und öffnet
nach einer Verzögerungszeit
das zweite Schaltelement.
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Aus
der
DE 28 54 623 C2 ist
eine weitere selektive Schalteinrichtung bekannt. Auch sie umfasst einen
Haupt- und einen Nebenstrompfad. Der Nebenstrompfad enthält wieder
ein Bimetallelement. Um letzteres vor einer Überlastung zu schützen, ist im
Nebenstrompfad ein strombegrenzender PTC(positive temperature coefficient)-Widerstand
in Serie zum Bimetallelement geschaltet.
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Die
bekannten Schalteinrichtungen sind auch aufgrund der beiden parallelen
Strompfade aufwändig.
Außerdem
weisen Sie ein unbefriedigendes Abschaltverhalten auf.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schalteinrichtung
anzugeben, die einerseits einfach aufgebaut ist und andererseits
ein gutes Abschaltverhalten aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung enthält
- a) einen einzigen in die selektiv abzuschaltende elektrische
Leitung in Serie eingefügten
schaltbaren Strompfad, der
- b) eine elektrische Serienschaltung mindestens eines Schaltelements,
eines Thermoauslöseelements
sowie eines Strombegrenzerelements umfasst, wobei
- c) das Thermoauslöseelement
mittels einer mechanischen Thermoschlosswirkverbindung mit einem
Schaltschloss verbunden ist, das mittels einer mechanischen Entklinkungswirkverbindung mit
einem beweglichen Kontaktteil des Schaltelements verbunden ist.
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Die
erfindungsgemäße Schalteinrichtung zeichnet
sich dadurch aus, dass anstelle der beim Stand der Technik vorgesehenen
beiden Strompfade nur ein einziger Strompfad vorhanden ist. In dem
insbesondere als Hauptleitung ausgebildeten Strompfad sind neben
dem einzigen Schaltelement lediglich ein Thermoauslöseelement
sowie ein Strombegrenzerelement vorgesehen. Letzteres schützt das Thermoauslöseelement
und auch das Schaltelement vor einer Überlastung. Es trägt somit
zu einem dauerhaften und sicheren Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung
bei.
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Das
Thermoauslöseelement
stellt aufgrund der strombedingten Erwärmung im Wesentlichen einen
Strom-Zeit-Integrator dar. Ab einem bestimmten Wert des Strom-Zeit-Integrals
veranlasst das Thermoauslöseelement
die Entklinkung im Schaltschloss, wodurch das Schaltelement endgültig abgeschaltet, d.h.
geöffnet
wird. Bis dieser Auslösewert
des Strom-Zeit-Integrals erreicht ist, können ggf. vorhandene nachgeordnete
Schalteinrichtungen auslösen, wenn
sie feststellen, dass der Fehlerort in einem von ihnen überwachten
Teilabschnitt des durch die Leitung gespeisten Netzes liegt. Die
Strom-Zeit-Charakteristik des Thermoauslöseelements ist entsprechend
den diesbezüglichen
Netzanforderungen ausgelegt.
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Trotz
des sehr einfachen Aufbaus gewährleistet
die erfindungsgemäße Schalteinrichtung
also ein sicheres selektives Abschalten. Der einfache Aufbau bedingt
einen sehr niedrigen Herstellungsaufwand für die erfindungsgemäße selektive
Schalteinrichtung.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ergeben
sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist
eine Variante, bei der das Strombegrenzerelement ein elektrischer
Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, insbesondere ein stromabhängiger PTC-Widerstand,
ist. Diese auch als Kaltleiter bezeichneten Widerstände leiten
den elektrischen Strom bei tiefen Temperaturen besser als bei hohen.
Ihr elektrischer Widerstand nimmt also bei Temperaturerhöhung zu.
Sie haben somit einen positiven Temperaturkoeffizienten. Die strombegrenzende
Wirkung wird durch den Strom selbst hervorgerufen. Ein Stromfluss
erwärmt
den PTC-Widerstand, sodass dessen Widerstand steigt und als Folge
davon der Strom begrenzt wird. Ein derartiger Widerstand mit positivem
Temperaturkoeffizienten ist ein in vielen Ausführungsformen verfügbares Bauelement.
Oft kann sogar auf Standardkomponenten zurückgegriffen werden. Insgesamt
ergibt sich also ein geringer Realisierungsaufwand sowohl für diese
Art des Strombegrenzerelements als auch für die so ausgebildete Schalteinrichtung.
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Bei
einer anderen ebenfalls günstigen
Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Schaltelement selbst schaltend
ausgeführt
ist. Dies erspart einen ansonsten für die externe Ansteuerung des Schaltelements
erforderlichen Zusatzaufwand.
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Besonders
günstig
ist es weiterhin, wenn das Schaltelement einen sich selbsttätig und
vorzugsweise dynamisch öffnenden
Schaltkontakt aufweist. Dieser Typ des Schaltelements ist grundsätzlich bekannt.
Sein besonders vorteilhaftes Öffnungs- und Schließverhalten
wird beispielsweise durch eine geeignete Führung der stromführenden
Leitungen innerhalb des Schaltelements erreicht. Diese sind insbesondere
so angeordnet, dass sie sich ab einer bestimmten Stromstärke abstoßen und
so ein zumindest teilweises Öffnen
des Schaltkontakts bewirken. Vorteilhafterweise kommt diese Ausführungsform vollständig ohne
eine induktive Auslöseeinheit
(= Magnetauslöseeinheit)
aus. Dies vereinfacht den Aufbau. Außerdem bewirkt der dynamisch öffnende Schaltkontakt
eine weitere Strombegrenzung, sodass ein zusätzlicher Überlastungsschutz gegeben ist.
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Vorzugsweise
ist das Thermoauslöseelement
außerdem
als ein Bimetallelement ausgeführt. Ein
Bimetallelement lässt
sich einfach realisieren und ist ebenfalls in vielen Ausführungsformen
verfügbar. Es
weist außerdem
inhärent
das gewünschte
Verhalten eines Strom-Zeit-Integrators auf.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer Schalterkaskade mit einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung, und
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2 ein
Ausführungsbeispiel
eines Schaltschemas einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung mit einem
einzigen schaltbaren Strompfad, der ein Schaltelement, ein Thermoauslöseelement
sowie ein Strombegrenzerelement enthält.
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Einander
entsprechende Teile sind in 1 und 2 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Ausschnitt aus einem elektrischen Netz dargestellt, der eine
Strom leitende elektrische Hauptleitung 1 mit einem Eingang 2 aufweist. Nach
dem Eingang 2 ist eine erfindungsgemäße selbst schaltend ausgebildete
Schalteinrichtung 3 in der Hauptleitung 1 angeordnet.
Hinter der Schalteinrichtung 3 weist die Hauptleitung 1 einen
Verzweigungsknoten 4 auf, der eine Verbindung zwischen der
Hauptleitung 1 und drei Leitungszügen 5, 6, 7 bildet.
In jedem Leitungszug 5, 6, 7 befindet
sich eine weitere selbst schaltende Schalteinrichtung 8, 9 bzw. 10,
welcher jeweils ein Verbraucher 11, 12 bzw. 13 nachgeordnet
ist. Bei den Verbrauchern 11, 12, 13 kann
es sich um allgemein bekannte Gebäude-Installationen handeln.
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Die
Schalteinrichtungen 3, 8, 9 und 10 können auch
als Schutzeinrichtungen bezeichnet werden. Es kann sich beispielsweise
um Leistungsschalter oder Leitungsschutzschalter handeln, wobei
die Schalteinrichtungen 3, 8, 9 vorzugsweise
ein Kurzschlussschaltvermögen
von jeweils etwa 6 bis 15 kA aufweisen, wohingegen das Kurzschlussschaltvermögen der
Schalteinrichtung 10 insbesondere bei etwa 15 bis 50 kA
liegt. Die Schalteinrichtungen 3 und 8 bis 10 sind
kaskadiert. Sie schützen
das Netz oder/und die Verbraucher 11, 12 und 13 selektiv.
Dies bedeutet, dass bei einem Fehlerfall, wie z.B. einem Kurzschluss,
nur diejenige der Schalteinrichtungen 3, 8, 9 und 10 abschaltet,
die dem Fehlerort am nächsten
liegt. Auf diese Weise wird erreicht, dass nur der fehlerhafte Teil
des Netzes ausfällt.
Der Rest bleibt betriebsbereit.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer in der Hauptleitung 1 angeordneten selektiven Schalteinrichtung 14 in
schaltschematischer Darstellung gezeigt. Sie stellt ein konkreteres
Ausführungsbeispiel
für die
in 1 gezeigte Schalteinrichtung 3 dar. Sie
enthält
einen schaltbaren Strompfad 15 mit einer Serienschaltung 16 eines
Schaltelements 17, eines Strombegrenzerelements in Form
eines PTC-Widerstands 18 und eines Thermoauslöseelements
in Form eines Bimetallelements 19. Die Reihenfolge der
Anordnung der genannten Komponenten in der Serienschaltung 16 ist
beliebig.
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Das
Bimetallelement 19 ist mittels einer mechanischen Thermoschlosswirkverbindung 20 mit
einem Schaltschloss 21 gekoppelt. Zwischen dem Schaltschloss 21 und
einem beweglichen Kontaktteil 22 des Schaltelements 17 ist
eine mechanische Entklinkungswirkverbindung 23 vorgesehen.
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Das
Schaltelement 17 ist selbst schaltend ausgeführt. Es
hat einen dynamisch öffnenden Schaltkontakt,
der auch das in 2 nur schematisch angedeutete
bewegliche Kontaktteil 22 umfasst. Das dynamische Öffnungsverhalten
wird durch einen hohen Stromfluss im Strompfad 15 verursacht.
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Im
Folgenden werden die Wirkungsweise und besondere Vorteile der Schalteinrichtungen 3 und 14 beschrieben.
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Die
Schalteinrichtungen 3 und 14 sind zur Einbindung
in ein selektives Abschaltkonzept für ein elektrisches Teilnetz,
wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist, bestimmt.
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Selektives
Abschalten bedeutet, dass von zwei in Reihe angeordneten Schalteinrichtungen,
wie beispielsweise der Schalteinrichtung 3 und einer der Schalteinrichtungen 8 bis 10 gemäß 1,
im Kurzschlussfall zunächst
die nachgeordnete Schalteinrichtung abschaltet. Im Ausführungsbeispiel
von 1 ist dies eine der Schalteinrichtungen 8 bis 10. Dabei
kann es vorkommen, dass der Kurzschlussstrom durch diese Maßnahme nicht
(komplett) abgestellt wird, da z.B. der Kurzschlussstrom zu hoch
ist oder die nachgeordnete Schalteinrichtung defekt ist. Nur dann
soll die vorgeschaltete Schalteinrichtung – im Ausführungsbeispiel gemäß 1 also
die Schalteinrichtung 3 – abschalten. Mittels dieser Schaltreihenfolge
wird im Fehlerfall nur der fehlerbehaftete Zweig des durch die Schalterkaskade überwachten
Teilnetzes frei geschaltet, während
der Rest des Teilnetzes zugeschaltet und damit betriebsbereit bleibt.
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Um
das beschriebene selektive Abschalten zu gewährleisten, schalten die Schalteinrichtungen 3 und 14 erst
mit einer bestimmten Verzögerung
ab. Letztere ist entweder vorgegeben oder kann in insbesondere weiten
Grenzen dimensioniert werden. Sie hängt außer von der Zeit auch von dem
Stromfluss ab.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 bewirkt
das Bimetallelement 19 die für die selektive Abschaltung
erforderliche Verzögerung.
Das Bimetallelement 19 ist im Wesentlichen ein Strom-Zeit-Integrator.
Ab einem bestimmten Auslösegrenzwert
des Strom-Zeit-Integrals ist eine thermisch bedingte Aus- oder Verbiegung
des Bimetallelements 19 so groß, dass mittels der Thermoschlosswirkverbindung 20 die
Entklinkung im Schaltschloss 21 veranlasst wird. Die Entklinkung
bewirkt mittels der Entklinkungswirkverbindung 23 eine
endgültige Öffnung des
Kontaktteils 22 und damit des Schaltelements 17 insgesamt. Es
kann dann nicht mehr ohne gezielte Betätigung von außen zu- oder zurückfallen.
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Wann
der Auslösegrenzwert
erreicht wird, hängt
maßgeblich
von der Höhe
des Kurzschlussstroms ab. Bei einem hohen Kurzschlussstrom ist die Zeitspanne
bis zum Auslösen
kürzer
als bei einem niedrigen Kurzschlussstrom. Hieran zeigt sich das
integrierende Verhalten des auslösenden
Bimetallelements 19.
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Bei
mittleren Kurzschlussströmen
begrenzt der PTC-Widerstand 18 über seinen positiven Temperaturkoeffizienten
den Stromfluss. Dies schützt
das Bimetallelement 19 und das Schaltelement 17 vor
einer Überlastung.
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Bei
sehr großen
Kurzschlussströmen
mit Werten von beispielsweise bis zu 6 kA und mehr wird der Stromfluss
außer
durch den PTC-Widerstand 18 auch durch den sich dynamisch öffnenden
Schaltkontakt des Schaltelements 17 begrenzt. Am Schaltkontakt
bildet sich dabei ein Lichtbogen aus.
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Sollte
der Strom wieder zurückgehen,
weil beispielsweise eine der nachgeordneten Schalteinrichtungen
den Fehlerort zwi schenzeitlich abgeschaltet hat, fällt der
noch nicht entklinkte Schaltkontakt wieder zu und der normale Betriebsstrom
kann weiterhin ungehindert zu dem nicht abgeschalteten Teil der
Verbraucher fließen.
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Steht
der Kurzschlussstrom dagegen über einen
bestimmten Zeitraum an, sodass der Auslösegrenzwert des Strom-Zeit-Integrals des Bimetallelements 19 überschritten
wird, veranlasst das Bimetallelement 19 die Entklinkung
im Schaltschloss 21 und das Schaltelement 17 wird
endgültig
abgeschaltet.
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Trotz
des sehr einfachen Aufbaus mit insbesondere nur einem einzigen (Haupt-)Strompfad
ermöglicht
die Schalteinrichtung 14 ein sicheres selektives Abschalten.
Diese Selektivität
lässt sich
mittels einer geeigneten Dimensionierung des PTC-Widerstands 18 und/oder des
Bimetallelements 19 über
einen großen
Kurzschlussstrombereich einstellen. Insbesondere können so
Kurzschlussströme
von 25 kA und mehr sicher beherrscht werden.
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Der
einfache Aufbau zeigt sich außerdem auch
darin, dass für
die Schalteinrichtung 14 kein Magnetsystem benötigt wird.
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Die
vorteilhafte Strombegrenzung mittels des PTC-Widerstands 18 und
des dynamisch öffnenden
Schaltkontakts des Schaltelements 17 führt zu einem sehr robusten
Aufbau, der einen Schutz vor Überlastung
bietet und folglich eine niedrige Störanfälligkeit aufweist.