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Die
Erfindung betrifft eine Schaltanordnung mit mindestens einem Schaltkontakt
und einer parallel zum Schaltkontakt angeordneten Lichtbogenlöscheinheit,
wobei der Schaltkontakt ein Festkontaktelement und ein relativ zum
Festkontaktelement bewegbares Bewegkontaktelement umfasst, zwischen einem
Anschlusspunkt und dem Festkontaktelement eine Kontaktzuleitung
vorgesehen ist und das Festkontaktelement an der Kontaktzuleitung
angebracht ist.
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Bei
einer derartigen beispielsweise als elektromagnetisches strombegrenzendes
Schaltgerät ausgeführten Schaltanordnung
entsteht beim Abschalten eines sehr hohen Stromflusses, insbesondere
eines Kurzschlussstroms, ein Lichtbogen. Meistens bildet sich letzterer
anfangs zwischen dem Festkontaktelement und dem im Zuge der Schaltkontaktöffnung vom
Festkontaktelement wegbewegten Bewegkontaktelement aus. Aufgrund
geeigneter konstruktiver Maßnahmen
und insbesondere einer magnetischen Beblasung wandert der Lichtbogen
in die Lichtbogenlöscheinheit,
die sich aus mehreren übereinander
angeordneten Löschblechen
zusammensetzt. Dort wird er in Teillichtbögen aufgeteilt, die sich jeweils
zwischen zwei benachbarten Löschblechen ausbilden.
Falls eine sich aufbauende Gesamtbogenspannung größer ist
als die während
des Kurzschlusses treibende Netzspannung, wird der Stromfluss begrenzt
und der Lichtbogen erlischt.
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Es
ist aber möglich,
dass sich der Lichtbogen nicht in der beabsichtigten Weise innerhalb
der Lichtbogenlöscheinheit
ausbildet. Dann kann es zu einer unerwünschten Rückkommutierung, also einem
Zurücklaufen
des Lichtbogens in Richtung des Schaltkontakts, und sogar auch zu
Rückzündungen
zwischen dem Festkontakt- und dem Bewegkontaktelement kommen. Dadurch
sinkt die Bogenspannung und die Strombegrenzung stellt sich nicht
wie gewünscht
ein. Folglich erlischt der Lichtbogen nicht in der gewünschten
Zeit. Die thermische und elektrische Belastung des Schaltgeräts und der
zu schützenden
nachgeordneten elektrischen Anlage steigt, ggf. sogar bis zur Zerstörung.
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In
der
DE 20 2006
005 418 U1 ist eine Schaltanordnung mit zwei Schaltkontakten
und einer jeweils parallel zum Schaltkontakt angeordneten Lichtbogenlöscheinheit
beschrieben, wobei der Schaltkontakt ein Festkontaktelement und
ein relativ zum Festkontaktelement bewegbares Bewegkontaktelement
umfasst. Zwischen einem Anschlusspunkt und dem Festkontaktelement
ist eine Kontaktzuleitung vorgesehen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Schaltanordnung
der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die ein sicheres Erlöschen des Lichtbogens
gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung umfasst
die Kontaktzuleitung einen Hauptstrompfad und einen dazu parallelen
Nebenstrompfad. Der Nebenstrompfad hat eine Serienschaltung eines Überbrückungselements
und einer Lichtbogenlaufschiene. Weiterhin ist ein vom Anschlusspunkt über das Überbrückungselement
zur Lichtbogenlöscheinheit
verlaufender Löschstrompfad
vorgesehen. Die Lichtbogenlaufschiene erstreckt sich von dem Festkontaktelement zurück in Richtung
des Anschlusspunktes.
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Der
bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung
vorgesehene spezielle Löschstrompfad,
bei dem der Anschlusspunkt mittels des Überbrückungselements an die Lichtbogenlöscheinheit
angeschlossen ist, ist insbesondere bei geöffneter Schaltkontaktstellung
und bei einem insbesondere vollständig in der Lichtbogenlöscheinheit
ausgebildeten Lichtbogen aktiv.
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Aufgrund
des im insbesondere zweiteilig ausgeführten Nebenstrompfad vorgesehenen Überbrückungselements,
das zugleich Bestandteil des Löschstrompfads
ist, ergibt sich für
einen längs
der Lichtbogenlaufschiene vom Schaltkontakt in die Lichtbogenlöscheinheit
gewanderten Lichtbogen ein sehr geringer Zuleitungswiderstand. Würde sich
der Lichtbogen wieder aus der Lichtbogenlöscheinheit heraus- und in Richtung
des Schaltkontakts zurückbewegen,
stiege der Zuleitungswiderstand an. Er würde dann außer dem Überbrückungselement zusätzlich einen
Anteil der Lichtbogenlaufschiene umfassen. Dies ist energetisch
ungünstig.
Also bleibt der Lichtbogen wie gewünscht in der Lichtbogenlöscheinheit.
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Insgesamt
verbessert sich das Kommutierungsverhalten. Aufgrund des günstigen,
zumindest bei einem in der Lichtbogenlöscheinheit stehenden Lichtbogen
niederohmigen Löschstrompfads
werden eine Rückkommutierung
und eine Rückzündung besser
unterdrückt.
Es kommt zu einer dauerhaften und dadurch rascheren Strombegrenzung.
Die erfindungsgemäße Schaltanordnung
ist somit in der Lage, höhere
Kurzschlussströme
auszuschalten als bisher bekannte vergleichbare Schaltanordnungen, die
kein Überbrückungselement
in der Kontaktzuleitung und dem Löschstrompfad aufweisen. Bei
einem Betrieb des Schaltgeräts
bei einer höheren
Nennspannung als z. B. 400 V und bei zugleich gleich bleibender
entgegenwirkender Lichtbogenspannung wird das Kurzschlussverhalten
aufgrund der dauerhaften Kommutierung des Lichtbogens in die Lichtbogenlöscheinheit
verbessert.
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Auch
bei geschlossener Schaltkontaktstellung wirkt sich das Überbrückungselement
als Bestandteil des zusätzlich
vorgesehenen Nebenstrompfads günstig
aus. Die bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung
vorgesehene Parallelschaltung des Haupt- und Nebenstrompfads verringert
den Gesamtwiderstand der Kontaktzuleitung und erhöht die Stromtragfähigkeit
sowie die Leistungsdichte. Es kann auch Material bei der Ausgestaltung
des Hauptstrompfads eingespart werden, wodurch die Materialkosten
sinken. Insbesondere kann der für
den Hauptstrompfad benötigte
Kupferanteil reduziert werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ergeben
sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Die
Kontaktzuleitung hat insbesondere einen Leitungshauptbestandteil
mit in etwa U-förmigem Verlauf
bzw. Querschnitt, wobei die Lichtbogenlaufschiene vorzugsweise einstückig an
den im Querschnitt in etwa L-förmigen
Hauptstrompfad angeformt ist. Diese konstruktive Ausgestaltung ist
platzsparend und ermöglicht
in einfacher Weise ein Hinzufügen
des Überbrückungselements,
um so den Nebenstrompfad und den Löschstrompfad zu bilden.
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Weiterhin
kann das Überbrückungselement vorzugsweise
in einem Bereich, in dem der kürzeste Abstand
zwischen der Lichtbogenlaufschiene und der Lichtbogenlöscheinheit
gegeben ist, elektrisch an die Lichtbogenlaufschiene angeschlossen
sein. Auch so lassen sich der Nebenstrompfad und der Löschstrompfad
in einfacher Weise bilden. Außerdem
ist der Löschstrompfad
aufgrund der Nähe
des Überbrückungselements
zur Lichtbogenlöscheinheit
dann besonders niederohmig.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Variante hat der Hauptstrompfad einen elektrischen
Hauptpfadwiderstand mit einem ersten Widerstandswert und der Nebenstrompfad
einen elektrischen Nebenpfadwiderstand mit einem zweiten Widerstandswert und
das Verhältnis
des ersten Widerstandswerts zu dem zweiten Widerstandswert nimmt
bei geschlossener Stellung des Schaltkontakts einen Verhältniswert im
Bereich zwischen 5% und 20%, insbesondere von etwa 10%, an. Dadurch
wird gewährleistet,
dass während
des Normalbetriebs bei geschlossenem Schaltkontakt der größte Anteil
des Stroms durch den Hauptstrompfad fließt. Das Überbrückungselement soll in erster
Linie bei der Abschaltung eines sehr hohen Stroms und bei einer
Lichtbogenausbildung innerhalb der Lichtbogenlöscheinheit zum Einsatz kommen.
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Weiterhin
ist eine Variante bevorzugt, bei der eine Reihenschaltung des Hauptstrompfads
und der Lichtbogenlaufschiene einen Reihenwiderstand mit einem dritten
Widerstandswert und das Überbrückungselement
einen elektrischen Überbrückungswiderstand
mit einem vierten Widerstandswert hat und der vierte Widerstandswert
zumindest zeitweise kleiner als der dritte Widerstandswert ist.
Dadurch wird gewährleistet,
dass der Strom beim Abschalten eines hohen Stroms und beim Löschen des
Lichtbogens über
das Überbrückungselement
und nicht über
den durch den Hauptstrompfad und die Lichtbogenlaufschiene gebildeten
Parallelzweig fließt.
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Insbesondere
ist es außerdem
vorgesehen, dass das Überbrückungselement
als ein elektrischer Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten ausgeführt ist.
Wird ein solcher NTC(negative temperature coefficient)-Widerstand
von einem hohen Strom durchflossen, sinkt sein Widerstandswert infolge
der strombedingten Erwärmung.
Im maßgeblichen
Fall einer Kurzschlussstromabschaltung hat das Überbrückungselement dann also einen
besonders niedrigen Widerstandswert, so dass das Überbrückungselement
den Strom führt.
Während
des Normalbetriebs liegt dagegen ein höherer Widerstandswert vor,
so dass der Strom hauptsächlich über den
Hauptstrompfad zu dem Schaltkontakt fließt.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der
Zeichnung. Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer mit einer
Lichtbogenlöscheinheit versehenen
Schaltanordnung, bei der ein in die Lichtbogenlöscheinheit gewanderter Lichtbogen
an einer Rückkommutierung
gehindert wird.
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Bei
dem in der Figur nur ausschnittsweise gezeigten Ausführungsbeispiel
einer Schaltanordnung 1 handelt es sich um ein elektromagnetisches strombegrenzendes
Schaltgerät
mit einem Lichtbogenlöschsystem.
Es ist symmetrisch bezüglich
einer Mittenebene 2 aufgebaut und umfasst zwei Schaltkontakte 3 und 4,
mittels derer eingangs- und ausgangsseitige Kontaktzuleitungen 5 bzw. 6 lösbar mit einer
Kontaktbrücke 7 elektrisch
kontaktierbar sind. Jeder der Schaltkontakte 3 und 4 hat
ein an der Kontaktzuleitung 5 bzw. 6 angebrachtes
Festkontaktelement 8 bzw. 9 und ein an der Kontaktbrücke 7 angebrachtes
Bewegkontaktelement 10 bzw. 11. Die Schaltanordnung 1 ist
also aufgrund der beiden vorgesehenen Schaltkontakte 3 und 4 doppelt
unterbrechend ausgeführt.
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Die
Kontaktbrücke 7 lässt sich
mittels eines in der Figur nur schematisch angedeuteten Betätigungsmechanismus 12 in
Richtung des Doppelpfeils 13 hin- und herbewegen, so dass
sich die Schaltkontakte 3 und 4 entweder in geschlossener
oder geöffneter
Schaltstellung befinden.
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Jede
der Kontaktzuleitungen 5 und 6 hat einen Hauptstrompfad 14 bzw. 15 und
einen Nebenstrompfad 16 bzw. 17, die jeweils parallel
zueinander verlaufen und einen elektrischen Verbindungspfad von
einem eingangs- bzw. ausgangsseitigen Anschlusspunkt 18 bzw. 19 zu
dem jeweiligen Festkontaktelement 8 bzw. 9 bilden.
Die Hauptstrompfade 14 und 15 sind in der Figur
durch eine gestrichelte Linienführung,
die Nebenstrompfad 16 und 17 durch eine strichpunktierte
Linienführung
angedeutet.
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Die
Nebenstrompfade 16 und 17 sind im Ausführungsbeispiel
zweiteilig. Sie umfassen jeweils eine elektrische Reihenschaltung
eines Überbrückungselements 20 bzw. 21 und
einer Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23. Die Überbrückungselemente 20 und 21 sind
vorteilhafterweise, aber nicht zwingend als NTC-Widerstände ausgeführt. Sie
sind elektrisch zwischen den jeweiligen Anschlusspunkt 18 bzw. 19 und
das freie Ende der jeweiligen Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 geschaltet.
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Der
Hauptstrompfad 14 bzw. 15 und die Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 sind
jeweils einstückig
miteinander verbunden und bilden gemeinsam einen elektrisch leitfähigen Leitungshauptbestandteil
der Kontaktzuleitung 5 bzw. 6 mit in etwa U-förmigem Querschnitt. Die Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 verläuft als
erster U-Schenkel im Wesentlichen parallel zu dem an den Anschlusspunkt 18 bzw. 19 angeschlossenen
Teil des Hauptstrompfads 14 bzw. 15, der den zweiten
U-Schenkel bildet. Sie erstreckt sich also ausgehend vom Festkontaktelement 8 bzw. 9 in
Richtung des jeweiligen Anschlusspunkts 18 bzw. 19.
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Im
Bereich des freien Endes der Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 ist
eine Lichtbogenlöscheinheit 24 bzw. 25 vorgesehen,
die sich jeweils aus mehreren übereinander
angeordneten Löschblechen 26 zusammensetzt
und eine eingangs- bzw. ausgangsseitige Verbindung zwischen dem
freien Ende der jeweiligen Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 und
einem Leitblech 27 herstellt. Diese Verbindungen sind nicht
unmittelbar elektrisch leitfähig.
Sie dienen vielmehr der Ausbildung eines Lichtbogens 28 bzw. 29 zwischen
dem Leitblech 27 und dem freien Ende der jeweiligen Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23.
Zwischen benachbarten Löschblechen 26 besteht
keine direkte elektrisch leitfähige
Verbindung, ebenso wenig wie zwischen dem obersten der Löschbleche 26 und
der jeweiligen Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 und
dem untersten der Löschbleche 26 und
dem Leitblech 27. Die genannten Komponenten berühren einander
nicht. Die Lichtbogenlöscheinheit 24 bzw. 25 und
auch der Anschluss der Überbrückungselemente 20 bzw. 21 an
die Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 sind jeweils
im Bereich des freien Endes der Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 vorgesehen.
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Im
Folgenden werden die Wirkungsweise und besondere Vorteile der Schaltanordnung 1 näher beschrieben.
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Während des
Normalbetriebs fließt
bei geschlossenen Schaltkontakten 3 und 4 ein
Strom I vom eingangsseitigen Anschlusspunkt 18 über die Kontaktzuleitung 5,
den Schaltkontakt 3, die Kontaktbrücke 7, den Schaltkontakt 4 und
die Kontaktzuleitung 6 zum ausgangsseitigen Anschlusspunkt 19. Dabei
bieten die Kontaktzuleitungen 5 und 6 jeweils zwei
parallele Strompfade, nämlich
den Hauptstrompfad 14 bzw. 15 und den Nebenstrompfad 16 bzw. 17.
Der Widerstandswert des Überbrückungselements 20 bzw. 21 ist
dabei so dimensioniert, dass der Gesamtwiderstand des Nebenstrompfads 16 bzw. 17 größer ist
als der des parallelen Hauptstrompfads 14 bzw. 15.
Im Ausführungsbeispiel
beträgt
der Gesamtwiderstand des Hauptstrompfads 14 bzw. 15 etwa 10%
des Gesamtwiderstands des Nebenstrompfads 16 bzw. 17.
Der Stromfluss erfolgt also hauptsächlich über die Hauptstrompfade 14 und 15.
Die NTC- Widerstände der Überbrückungselemente 20 und 21 sind
in diesem nur gering stromdurchflossenen Zustand hochohmig.
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Kommt
es an einer nicht näher
dargestellten Stelle im angeschlossenen elektrischen Netz zu einem
Kurzschluss, kann der Strom I sehr stark ansteigen. Die Schaltanordnung 1 wird
zum Schutz der angeschlossenen Komponenten geöffnet. Zunächst bildet sich jeweils ein
Schaltlichtbogen zwischen dem Festkontaktelement 8 bzw. 9 und
dem sich aufgrund der Schaltkontaktöffnung wegbewegenden Bewegkontaktelement 10 bzw. 11 aus.
Dieser Lichtbogen wandert mit seinem einen Fußpunkt längs der hierzu vorgesehenen
Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 von dem Festkontaktelement 8 bzw. 9 weg
in Richtung des freien Endes der Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23.
Der andere Fußpunkt
des Lichtbogens kommutiert von den Bewegkontaktelementen 10 und 11 auf das
Leitblech 27 und läuft
dort ebenfalls in Richtung der jeweiligen Lichtbogenlöscheinheit 24 bzw. 25. Schließlich kommutiert
der Lichtbogen in die Lichtbogenlöscheinheit 24 bzw. 25 und
bewirkt dort die Ausbildung des Lichtbogens 28 bzw. 29.
Aufgrund an sich bekannter Mechanismen bewirkt die Lichtbogenlöscheinheit 24 bzw. 25 eine
Strombegrenzung und ein Erlöschen
des jeweiligen Lichtbogens 28 bzw. 29.
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Solange
der Lichtbogen 28 bzw. 29 noch innerhalb der Lichtbogenlöscheinheit 24 bzw. 25 steht, erfolgt
die Stromzu- bzw. -abführung
mittels der Überbrückungselemente 20 bzw. 21.
Die im Kurzschlussfall vorhandenen hohen Stromstärken führen zu einer Erwärmung der Überbrückungselemente 20 bzw. 21 und
als Folge davon zu einer Widerstandsreduktion. Damit ist ein vom
Anschlusspunkt 18 bzw. 19 über das Überbrückungselement 20 bzw. 21 zu
der Löscheinheit 24 bzw. 25 führender
Löschstrompfad 30 bzw. 31 deutlich
niederohmiger als der parallele Stromzweig, der durch die Reihenschaltung 32 bzw. 33 des
Hauptstrompfads 14 bzw. 15 und der Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 gebildet
ist. Dadurch wird verhindert, dass der obere Fußpunkt des Lichtbogens 28 oder 29 längs der
Lichtbogenlaufschiene 22 bzw. 23 in Richtung des
Festkontaktelements 8 bzw. 9 zurückwandert
und der Lichtbogen 28 bzw. 29 insgesamt aus den
Löschblechen 26 der
Lichtbogenlöscheinheit 24 bzw. 25 geht
(= rückkommutiert).
Die Anbindung des oberen Lichtbogenfußpunktes mittels des das Überbrückungselement 20 bzw. 21 umfassenden
Löschstrompfads 30 bzw. 31 ist
also wegen des dann sehr niedrigen Widerstands besonders günstig, wenn
der Lichtbogen 28 bzw. 29 in der Lichtbogenlöscheinheit 24 bzw. 25 steht.
Bewegt sich der obere Lichtbogenfußpunkt von dieser günstigen
Position weg, steigt der Widerstand des dann maßgeblichen Strompfads. Folglich
wird der obere Lichtbogenfußpunkt
in dieser günstigen
Position mit möglichst
niederohmiger Anbindung und damit auch der Lichtbogen 28 bzw. 29 in
der Lichtbogenlöscheinheit 24 bzw. 25 gehalten.
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- 1
- Schaltanordnung
- 2
- Mittenebene
- 3,
4
- Schaltkontakt
- 5,
6
- Kontaktzuleitung
- 7
- Kontaktbrücke
- 8,
9
- Festkontaktelement
- 10,
11
- Bewegkontaktelement
- 12
- Betätigungsmechanismus
- 13
- Doppelpfeil
(Bewegung des Betätigungsmech. 12)
- 14,
15
- Hauptstrompfad
- 16,
17
- Nebenstrompfad
- 18,
19
- Anschlusspunkt
- 20,
21
- Überbrückungselement
- 22,
23
- Lichtbogenlaufschiene
- 24,
25
- Lichtbogenlöscheinheiten
- 26
- Löschblech
- 27
- Leitblech
- 28,
29
- Lichtbogen
- 30,
31
- Löschstrompfad
- 32,
33
- Reihenschaltung