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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 Bimetallelement
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
EP 0 023 277 A1 ist
eine weitere selektive Schalteinrichtung bekannt. Auch sie umfasst einen
Haupt- und einen Nebenstrompfad. Im Hauptstrompfad sind zwei in
Reihe geschaltete Schaltelemente vorgesehen, von denen das eine
durch den Nebenstrompfad überbrückt ist.
Eine im Hauptstrompfad angeordnete induktive Auslöseeinheit
mit einer ersten Auslösespule
bewirkt im Kurzschlussfall ein temporäres Aufdrücken beider Schaltelemente,
wodurch der Strom in den Nebenstrompfad kommutiert. Dort durchfließt er eine
weitere Auslösespule,
die mittels eines Schaltschlosses eine Entklinkung und damit eine
endgültige Öffnung beider
Schaltelemente bewirkt, falls der Strom im Nebenstrompfad zu hoch ist.
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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
sowie einer induktiven Auslöseeinheit
mit einem ersten und einem zweiten Spulenanker umfasst, wobei
- c) der erste und der zweite Spulenanker mittels einer ersten
bzw. zweiten mechanischen Ankerschlosswirkverbindung mit einem Schaltschloss verbunden
ist, das mittels einer mechanischen Entklinkungswirkverbindung mit
einem beweglichen Kontaktteil des Schaltelements verbunden ist,
- d) die erste mechanische Ankerschlosswirkverbindung ein Verzögerungsglied
umfasst, und
- e) der erste Spulenanker eine erste Stromansprechschwelle hat,
die niedriger ist als eine zweite Stromansprechschwelle des zweiten
Spulenankers.
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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 ist neben
dem einzigen Schaltelement lediglich eine induktive Auslöseeinheit
mit zwei insbesondere magnetischen Spulenankern vorgesehen. Deren
verschiedene Stromansprechschwellen gewährleisten im Kurzschlussfall
in Verbindung mit der durch das Verzögerungsglied hervorgerufenen
Auslöseverzögerung eine
einfache, aber dennoch sichere selektive Abschaltung der elektrischen
Leitung. Insgesamt ist der Herstellungsaufwand für die erfindungsgemäße selektive
Schalteinrichtung also sehr niedrig.
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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 die induktive Auslöseeinheit eine erste und eine
zweite Spule umfasst, die elektrisch in Serie geschaltet sind, wobei die
erste Spule mit dem ersten Spulenanker und die zweite Spule mit
dem zweiten Spulenanker in einer magnetischen Wirkverbindung steht.
Insbesondere sind die beiden Spulenanker jeweils innerhalb der ihnen
zugeordneten Spule angeordnet. Dadurch resultiert ein einfacher
und günstiger
Aufbau.
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Bei
einer alternativen, ebenfalls günstigen Variante
ist es vorgesehen, dass die induktive Auslöseeinheit eine Kombinationsspule
umfasst, die mit dem ersten und dem zweiten Spulenanker in einer magnetischen
Wirkverbindung steht. Die beiden Spulenanker sind also insbesondere
innerhalb einer gemeinsamen Spule angeordnet. Dadurch resultiert ein
besonders Platz sparender Aufbau.
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Vorteilhaft
ist es außerdem,
wenn der zweite und insbesondere auch der erste Spulenanker mittels
einer zweiten bzw. ersten mechanischen Spulenkontaktwirkverbindung
mit dem beweglichen Kontaktteil verbunden sind. Diese Spulenkontaktwirkverbindung
bewirkt bei einem zu hohen Strom, also einem Strom, der über der
jeweiligen Stromansprechschwelle liegt, ein unmittelbares Aufdrücken oder Aufschlagen
des beweglichen Kontaktteils und damit des Schaltelements insgesamt.
Diese direkte, also ohne den mechanischen Umweg über das Schaltschloss verlaufende
Einwirkung ist vor allem bei dem zweiten Spulenanker vorteilhaft,
da er bei besonders hohen und folglich besonders gefährlichen
Strömen eingreift.
Deshalb ist hier ein rasches Abschalten besonders günstig. Grundsätzlich kann
dies jedoch auch bei niedrigeren Strömen wünschenswert sein, weshalb auch der
erste Spulenanker mit einer unmittelbar wirkenden Spulenkontaktwirkverbindung
ausgestattet sein kann.
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Gemäß anderen
bevorzugten Varianten umfasst das Schaltelement zwei oder mehr Stromunterbrechungsstellen,
die insbesondere in zwei voneinander getrennten Baueinheiten oder
vorzugsweise als Doppelunterbrechungsstelle in einer einzigen gemeinsamen
Baueinheit angeordnet sein können.
Die Erhöhung – insbesondere
Verdoppelung – der
Anzahl der Stromunterbrechungsstellen ermöglicht eine Auslegung der Schalteinrichtung
für höhere maximal zulässige Überströme. So sind
beispielsweise mit zwei Unterbrechungsstellen Kurzschlussströme von bis
zu 50 kA beherrschbar. Für
die grundsätzliche Funktion
der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ist
im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Schalteinrichtungen
aber keine mehrfache Unterbrechungsmöglichkeit des Strompfads erforderlich.
Es besteht kein grundsätzlich
funktionelles Erfordernis, mehr als ein Schaltelement oder mehr als
eine Stromunterbrechungsstelle zu verwenden.
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Vorzugsweise
ist das Verzögerungsglied
außerdem
mechanisch, pneumatisch oder elektronisch ausgeführt. Eine Mischform ist ebenfalls
möglich.
So kann auf einfache und verfügbare
Standardkomponenten zurückgegriffen
werden. Der Aufwand hierfür ist
nur gering.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn das Verzögerungsglied
insbesondere in seiner Verzögerungszeit
einstellbar ausgeführt
ist. Dies steigert die Einsatzmöglichkeiten
und die Flexibilität.
Die Schalteinrichtung kann dann in weiten Grenzen variabel auf den
jeweiligen Anwendungsfall eingestellt, insbesondere parametriert
werden.
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Vorzugsweise
umfasst die Serienschaltung außerdem
ein Thermoauslöseelement,
insbesondere ein Bimetallelement, das mittels einer mechanischen Thermoschlosswirkverbindung
mit dem Schaltschloss verbunden ist. Dadurch lässt sich das Schaltverhalten,
insbesondere die Selektivität
weiter verbessern.
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Das
Thermoauslöseelement
hat insbesondere ein Strom integrierendes Verhalten. Es kommt also
auch dann zu einer Stromkreisunterbrechung, wenn über eine
gewisse Zeit ein erhöhter
Strom fließt,
der zunächst
noch keine unverzügliche
Abschaltung durch die beiden Spulenanker hervorgerufen hätte.
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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,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
eines Schaltschemas einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung mit zwei
Auslösespulen,
wobei die erste Auslösespule
mittels eines Verzögerungsglieds
an ein Schaltschloss geführt
ist, und
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Schaltschemas einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung mit zwei
Auslösespulen,
von denen die erste mittels eines Verzögerungsglieds und die zweite
direkt auf ein Schaltschloss wirkt und beide unmittelbar auf ein
Schaltelement wirken.
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Einander
entsprechende Teile sind in 1 bis 3 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 mit einem bevorzugten
Nennstrom von bis zu 400 A handeln. 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,
und die dazu parallelen Stromzweige weiterhin betriebsbereit bleiben.
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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, einer induktiven Auslöseeinheit 18 und
eines Bimetallelements 19. Die Reihenfolge der Anordnung
der genannten Komponenten in der Serienschaltung 16 ist
beliebig.
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Die
induktive Auslöseeinheit 18 umfasst
zwei Strom durchflossene Auslösespulen 20 und 21 mit
jeweils einem zugeordneten Spulenanker 22 bzw. 23. Die
Spulenanker 22 und 23 sind innerhalb der Auslösespulen 20 bzw. 21 bewegbar
angeordnet. Unter dem Einfluss eines Magnetfelds, das durch einen
hohen Spulenstrom hervorgerufen wird, bewegen sich die Spulenanker 22 und 23.
Aufgrund der maßgeblichen
magnetischen Kraftwirkung kann man die induktive Auslöseeinheit 18 auch
als Magnetauslöseeinheit
bezeichnen. Die Spulenanker 22 und 23 sind jeweils
mittels einer Ankerschlosswirkverbindung 24 bzw. 25 mechanisch
mit einem Schaltschloss 26 verbunden. Zwischen letzte rem
und dem Bimetallelement 19 besteht eine mechanische Thermoschlosswirkverbindung 27.
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Die
Auslösespulen 20 und 21 und
ihre jeweils zugeordneten Spulenanker 22 bzw. 23 haben unterschiedliche
Stromansprechschwellen I1 bzw. I2, ab denen eine maßgebliche
Bewegung der Spulenanker 22 bzw. 23 resultiert.
Die Stromansprechschwelle I1 der Auslösespule 20 und des
Spulenankers 22 ist kleiner als die Stromansprechschwelle
I2 der Auslösespule 21 und
des Spulenankers 23. Außerdem umfasst die Ankerschlosswirkverbindung 24 ein
mechanisches Verzögerungsglied 28,
dessen Verzögerungszeit
T einstellbar sein kann.
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Zwischen
dem Schaltschloss 26 und einem beweglichen Kontaktteil 29 des
Schaltelements 17 ist eine mechanische Entklinkungswirkverbindung 30 vorgesehen.
Außerdem
ist auch der Spulenanker 23 mittels einer mechanischen
Spulenkontaktwirkverbindung 31 mit dem beweglichen Kontaktteil 29 verbunden.
Das Schaltelement 17 ist im Ausführungsbeispiel mit einer Stromunterbrechungsstelle
ausgeführt.
Es ist also auch nur ein bewegliches Kontaktteil 29 zum Öffnen und
Schließen
des Schaltelements 17 vorgesehen. Grundsätzlich kann
das Schaltelement 17 aber auch mehrere in Serie geschaltete
Stromunterbrechungsstellen enthalten, die jeweils anlog zu dem Kontaktteil 29 eine
mechanische Wirkverbindung zu dem Schaltschloss 26 und
dem Spulenanker 23 haben.
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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 Kurzschlussfall 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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Aufgrund
der unterschiedlichen Stromansprechschwellen I1 und I2 der Auslösespulen 20 und 21 sowie
aufgrund der Verzögerungszeit
T des Verzögerungsglieds 28 weist
die Schalteinrichtung 14 hinsichtlich der Schalteinrichtungen 8, 9 und 10 selektives
Abschaltverhalten auf.
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Im
Fehlerfall, beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses, kommt es
zu einem Stromfluss, der deutlich über dem Nennstrom liegt. Wenn
der Kurzschlussstrom größer als
die Stromansprechschwelle I1 ist, löst die Auslösespule 20 aus. Der
Spulenanker 22 aktiviert das Verzögerungsglied 28, sodass
die Einwirkung auf das Schaltschloss 26 mittels der Ankerschlosswirkverbindung 24 nicht
sofort nach Detektion eines über
der Stromansprechschwelle I1 liegenden Kurzschlussstroms, sondern
um die Verzögerungszeit
T verzögert
erfolgt.
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Die
Auslösespule 21 kommt
dagegen erst bei noch höheren
Kurzschlussströmen
zum Tragen. Ist der Kurzschlussstrom größer als die Stromansprechschwelle
I2, löst
auch sie aus und der Spulenanker 23 wirkt mittels der Ankerschlosswirkverbindung 25 unverzögert auf
das Schaltschloss 26 und außerdem mittels der Spulenkontaktwirkverbindung 31 unmittelbar
auf das Kontaktteil 29 des Schaltelements 17 ein.
Das Kontaktteil 29 wird aufgedrückt und das Schaltschloss 26 unverzüglich entklinkt.
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Im
Kurzschlussstrombereich zwischen den beiden Stromansprechschwellen
I1 und I2, in dem die Auslösespule 21 noch
nicht anspricht, ist aufgrund des Verzögerungsglieds 28 Selektivität gegeben.
Innerhalb der Verzögerungszeit
T besteht für
die nachgeordneten Schalteinrichtungen 8, 9 und 10 die Gelegenheit
selektiv auszulösen,
sofern der Fehlerort in einem der von ihnen überwachten Leitungszüge 5, 6 bzw. 7 liegt.
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Zusätzlich überwacht
das Bimetallelement 19, ob der thermische Grenzwert überschritten
wird. Falls ja, wird mittels der Thermoschlosswirkverbindung 27 die
Entklinkung im Schaltschloss 26 veranlasst. Das thermische
Kriterium entspricht in etwa einer zeitlichen Integration des Stromquadratwerts. Dessen Überwachung
und Beachtung soll eine durch den Überstrom verursachte thermische Überlastung und/oder
Zerstörung
der Hauptleitung 1 oder anderer Komponenten des betreffenden
Netzausschnitts verhindern.
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Ab
einem Überstrom
in Höhe
der Stromansprechschwelle I2 liegt keine Selektivität mehr vor. Die
Auslösung
erfolgt unmittelbar und schnellstmöglich durch die Schalteinrichtung 14.
Die Auslösespule 21 bestimmt
also die Selektivitätsgrenze,
ab der für hohe
Kurzschlussströme
der Durchlass-I2t-Wert minimiert wird.
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Es
lassen sich also im Wesentlichen die zwei im Folgenden näher erläuterten Überstromfälle unterscheiden.
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Wenn
der Überstrom
größer als
die Stromansprechschwelle I1, aber noch kleiner als die Stromansprechschwelle
I2 ist, zieht nur die Auslösespule 20 an
und wirkt auf das Verzögerungsglied 28.
Wenn der Fehler (z.B. Kurzschluss) innerhalb der Verzögerungszeit
T durch keine der nachgeordneten Schalteinrichtungen 8, 9 und 10 abgeschaltet
wird, wirkt das Verzögerungsglied 28 auf
das Schaltschloss 26 ein und entklinkt letzteres, sodass
der Fehler durch die Schalteinrichtung 14 abgeschaltet
wird. Wird der Fehler dagegen innerhalb der Ver zögerungszeit T durch eine der
nachgeordneten Schalteinrichtungen 8, 9 und 10 abgeschaltet,
wirkt die Auslösespule 20 nicht
mehr auf das Verzögerungsglied 28,
das dadurch wieder deaktiviert wird. Die Schalteinrichtung 14 bleibt
eingeschaltet, d.h. das Schaltelement 17 bleibt geschlossen.
Ein Eingreifen der Schalteinrichtung 14 ist dann nicht
mehr erforderlich.
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Ab
einem Überstrom
in Höhe
der Stromansprechschwelle I2 ziehen beide Auslösespulen 20 und 21 an.
Die Auslösespule 20 aktiviert
zwar wieder das Verzögerungsglied 28.
Dennoch wird die Verzögerungszeit
T in diesem Fall nicht abgewartet, da der Spulenanker 23 der
Auslösespule 21 das
Kontaktteil 29 unverzüglich
und unmittelbar aufschlägt
und gleichzeitig das Schaltschloss 26 entklinkt. Die Entklinkung
bewirkt eine endgültige Öffnung des
Kontaktteils 29. Es kann dann nicht mehr ohne gezielte Betätigung von
außen
zu- oder zurückfallen.
Die Schalteinrichtung 14 schaltet dann den Fehler also schnellstmöglich und
insbesondere auch ohne Selektivität ab.
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In 3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer
in der Hauptleitung 1 angeordneten selektiven Schalteinrichtung 32 in
schaltschematischer Darstellung gezeigt. Der wesentliche Unterschied
zur Schalteinrichtung 14 gemäß 2 besteht
darin, dass der Spulenanker 22 der Auslösespule 20 nicht nur
auf das Verzögerungsglied 28,
sondern auch direkt auf das Kontaktteil 29 mechanisch einwirkt.
Zwischen dem Spulenanker 22 und dem Kontaktteil 29 ist
hierzu eine zusätzliche
Spulenkontaktwirkverbindung 33 vorgesehen. Dadurch wird
das Kontaktteil 29 bereits bei Erreichen der Stromansprechschwelle I1
unverzüglich
durch den Spulenanker 22 aufgeschlagen. Auf diese Weise
wird der Stromfluss während
der Verzögerungszeit
T reduziert. Dadurch werden die nachgeordneten Schalteinrichtungen 8, 9 und 10 unterstützt. Ansonsten
sind die Wirkungsweise und die Vorteile der Schalteinrichtung 32 vergleichbar
den vorstehend für
die Schalteinrichtung 14 beschriebenen.