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Die
Erfindung betrifft eine Lichtbogenlöscheinheit nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1. Eine Lichtbogenlöscheinheit dient dazu, Lichtbögen zu löschen. Ein
Anwendungsfall hierfür ist
in Leitungsschutzschaltern oder Leistungsschaltern gegeben. In solchen
Schaltern geht das Schalten damit einher, dass ein bewegliches Kontaktelement
von einem ortsfesten Kontaktelement wegbewegt wird, um den Stromfluss über die
Kontaktstelle zu unterbinden. Wenn recht hohe Ströme fließen, bildet
sich zunächst
ein Lichtbogen aus. Zu dessen Löschung
dient die Lichtbogenlöscheinheit.
Der Lichtbogenlöscheinheit
muss nun naturgemäß der Lichtbogen
zugeführt
werden. Hierzu hat die Lichtbogenlöscheinheit ein Aufnahmeteil
zum Aufnehmen eines entstandenen oder entstehenden Lichtbogens.
Der einmal aufgenommene Lichtbogen wird einem Führungsteil zugeführt, in
dem der Lichtbogen von dem Aufnahmeteil weggeführt und dabei verlängert wird. Der
weggeführte
und verlängerte
Lichtbogen wird einer Löschkammeranordnung
zugeführt.
Eine Löschkammeranordnung
wird durch eine Folge von Metallblechen gebildet, in der der Lichtbogen
in eine Vielzahl von Teillichtbögen
aufgeteilt wird.
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Der
physikalische Hintergrund für
diesen üblichen
Aufbau einer Lichtbogenlöscheinheit
ist, dass möglichst
schnell eine möglichst
hohe Bogenspannung, also die über
die Schaltstrecke anliegende Spannung, aufgebaut werden soll. Um
dies zu bewirken, wird der Lichtbogen in dem Führungsteil verlängert. Auch
die Reduzierung des Lichtbogenquerschnittes bzw. die Reduzierung
der Temperatur des Lichtbogens führt
zu einer Erhöhung
der Bogenspannung. Die größte Erhöhung der
Bogenspannung wird durch das Aufteilen des Lichtbogens in viele
kleine Teillichtbögen
in der Löschkammer
erzielt.
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In
der Druckschrift
DE
39 08 102 A1 wird ein Leitungsschutzschalter beschrieben,
in dem innerhalb des Führungsteils
durch Stege eine Reduzierung des Lichtbogenquerschnitts erreicht
wird. Dabei ragen diese Stege paarweise gegenüberliegend von den Seitenwänden des
Führungsteils
in diesen hinein. Da der Lichtbogen zwischen jedem dieser Stegepaare
hindurchtreten muss, wird sein Durchmesser durch den Abstand zwischen
zwei gegenüberliegenden
Stegen bestimmt. Zwischen den Stegen sind seitlich um den Lichtbogen
herum Strömungskanäle ausgebildet.
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Je
schneller die Bogenspannung ansteigt, desto schwächer steigt der Kurzschlussstrom
an, und je früher
die Bogenspannung die treibende Spannung überschreitet, desto früher setzt
die Strombegrenzung ein.
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Jede
Maßnahme,
die zur Bogenspannungserhöhung
beiträgt,
ist willkommen, insbesondere wenn die Lichtbogenlöscheinheit
dadurch kompakt gebaut werden kann. Ziel ist es, bei möglichst
geringem Platzbedarf und geringen Produktionskosten einen möglichst
kleinen maximalen Kurzschlussstrom und einen möglichst geringen I2t-Wert,
der ein Maß für die beim
Kurzschluss durchgelassene Energie darstellt, zu erhalten, so dass
der Schutz der Anlage gewährleistet
ist.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, diese Anforderungen möglichst optimal zu unterstützen.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass in oder an dem Führungsteil
zumindest ein Hinderniselement angeordnet wird, das bewirkt, dass
ein sich in dem Führungsteil
fortbewegender Lichtbogen während
dieser Fortbewegung nicht ständig
(also nicht über
den gesamten Fortbewegungsbereich in Laufrichtung betrachtet) geradlinig
verlaufen kann. Mit anderen Worten bewirkt das zumindest eine Hinderniselement,
dass in zumindest einem Abschnitt des Führungsteils der Lichtbogen
ungeradlinig verläuft. Der
ungeradlinige Verlauf geht naturgemäß mit einer Verlängerung
des Lichtbogens einher, und es wird zusätzlich dem Lichtbogen durch
das mindestens eine Hinderniselement Wärme entzogen. Somit erhält man bei
gleichen Ausmaßen
des Führungsteils im
Vergleich zum Führungsteil
ohne Hindernis eine größere Bogenspannung
und damit einem geringeren Stromanstieg. Dadurch werden der maximale Kurzschlussstrom
und der Durchlass-I2t-Wert reduziert.
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Bevorzugt
verläuft
der Lichtbogen natürlich über einen
möglichst
großen
Abschnitt im Führungsteil,
bevorzugt also überall
im Führungsteil
ungeradlinig. Dies lässt
sich so ausdrücken,
dass das zumindest eine Hinderniselement so geformt und angeordnet
sein muss, dass ein in dem Führungsteil
fortbewegender Lichtbogen während
dieser Fortbewegung nirgendwo geradlinig verläuft. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind zwei Hinderniselemente vorgesehen, und zwar sind dies besonders
bevorzugt zwei Platten, z. B. aus isolierendem Material, die so angeordnet
sind, dass sich ein erster Abschnitt eines in dem Führungsteil
fortbewegenden Lichtbogens unterhalb der ersten Platte und ein zweiter
Abschnitt des Lichtbogens oberhalb der zweiten Platte bewegt. Dadurch
durchläuft
der Lichtbogen gewissermaßen zumindest
zwei verschiedene Ebenen, nämlich
eben unterhalb der ersten Platte einerseits und oberhalb der zweiten
Platte andererseits. In den Ebenen können die jeweiligen Lichtbogenabschnitte
geradlinig verlaufen, z. B. wenn die Platten eben gestaltet sind, was
besonders einfach baulich umsetzbar ist, aber beim Wechsel zwischen
den Ebenen muss ein Zwischenabschnitt des Lichtbogens sowohl senkrecht zur
Stromrichtung des Lichtbogens als auch senkrecht zur Fortbewegungsrichtung
des Lichtbogens verlaufen, wodurch sich der Lichtbogen eben vorteilhafter
Weise verlängert.
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Die
Verlängerung
ist um so größer, je
weiter sich beide Ebenen, also die in dem sich der erste Abschnitt
des Lichtbogens bewegt einerseits, und die in der sich der zweite
Abschnitt des Lichtbogens bewegt, überlappen bzw. voneinander
beabstandet sind. Dies ist dann besonders gut zu realisieren, wenn
sich die Platten in verschiedenen Ebenen erstrecken (wobei naturgemäß die zweite
Platte dann oberhalb der ersten Platte anzuordnen ist). Der Begriff
des „Oberhalb" bezieht sich hierbei
auf die Seite, auf der der zweite Abschnitt des Lichtbogens verläuft.
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Die
Platten können
in einfacher Weise aufeinander zu weisen, dann ist der Zwischenabschnitt zwischen
dem ersten und dem zweiten Abschnitt ungefähr geradlinig. Die Platten
können
auch einander überlappen,
dann wird der Zwischenabschnitt S-förmig, was in vorteilhafter
Weise die Lichtbogenstrecke noch weiter verlängert.
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Am
einfachsten ist es, wenn die Platten im Bereich der üblicherweise
zu dem Führungsteil
gehörenden
metallenen Leitschienen befestigt sind, bevorzugt direkt an denselben.
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Die
Hinderniselemente erfüllen
ihre Aufgabe besonders effektiv, wenn sie möglichst weitgehend isolierend
sind, z. B. vollständig
aus isolierendem Material bestehen oder auch aus mit isolierendem Material
ummanteltem Grundmaterial, z. B. metallenem Material, bestehen.
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Zur
Erfindung gehört
auch ein Leitungsschutzschalter oder ein Leistungsschalter mit einem ortsfesten
und einem beweglichen Kontaktelement und mit einer erfindungsgemäßen Lichtbogenlöscheinheit,
deren Aufnahmeteil ausreichend nahe an den Kontaktelementen angeordnet
ist, um einen zwischen diesen entstehenden Lichtbogen aufzunehmen. Üblicherweise
umfasst das Aufnahmeteil hierzu eine erste metallene Leitschiene,
die direkt mit dem ortsfesten Kontaktelement verbunden ist und eine
zweite metallene Leitschiene, die sich in die Nähe des beweglichen Kontaktelements
erstreckt, wenn dieses verschwenkt ist, so dass der Lichtbogen von
dem beweglichen Kontaktelement auf die zweite Leitschiene überspringen
kann (sogenanntes Kommutieren).
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lichtbogenlöscheinheit
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist und
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2 ein
Querschnitt durch die Lichtbogenlöscheinheit aus 1 ist,
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3 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lichtbogenlöscheinheit
ist und
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4 ein
Querschnitt durch die Lichtbogenlöscheinheit aus 3 ist,
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5 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtbogenlöscheinheit
und
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6 eine
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Löscheinheit
ist.
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Eine
Lichtbogenlöscheinheit
besteht aus einem Aufnahmeteil 10, einem Führungsteil 12 und
einer Löschkammeranordnung 14,
die schematisch in 1 (auch in den 3, 5 und 6)
dargestellt sind. Das Aufnahmeteil dient zum Aufnehmen eines entstandenen
oder gerade entstehenden Lichtbogens. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Lichtbogenlöscheinheit
in einem Leitungsschutzschalter oder einem Leistungsschalter soll
sie zum Löschen
eines Lichtbogens dienen, der sich zwischen einem ortsfesten Kontaktelement
und einem beweglichen Kontaktelement ausbildet, wenn von einer Kontaktstellung,
in der das bewegliche Kontaktelement das feste Kontaktelement berührt, bei
fließendem
Strom in eine Auslösestellung,
bei der das bewegliche Kontaktelement von dem festen Kontaktelement
weggeschwenkt wird, übergegangen
wird. Dieser Lichtbogen wird durch das Aufnahmeteil 10 aufgenommen.
Beispielsweise ist eine erste Leitschiene 16 des Aufnahmeteils 10 (welche
auch Teil des Führungsteils 12 ist)
mit dem festen Kontaktelement verbunden, und eine zweite Leitschiene 18,
welche sich ebenfalls bis in das Führungsteil hinein erstreckt,
ist so in die Nähe
des beweglichen Kontaktelements geführt, dass der Lichtbogen von
dem beweglichen Kontaktelement auf die Leitschiene 18 überspringen kann,
wenn das bewegliche Kontaktelement verschwenkt ist. Dieses Überspringen
bezeichnet man als Kommutieren. In dem Führungsteil 12 entfernen sich
die Leitschienen 16 und 18 voneinander, so dass die
Lichtbogenstrecke vergrößert wird
und der in dem Aufnahmeteil aufgenommene Lichtbogen in dem Führungsteil 12 in
Richtung zur Löschkammeranordnung 14 geführt wird,
die in 1 lediglich schematisch angedeutet ist und in
an sich bekannter Weise aus einer Mehrzahl von Blechen in geschichteter
Anordnung bestehen kann.
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Erfindungsgemäß sind nun
als Hinderniselemente zwei Platten 20 und 22 vorgesehen.
Wie in der Querschnittsansicht gemäß 2 zu sehen,
sind die Platten 20 und 22 so angeordnet, dass
sich zwischen den Leitschienen 16 und 18 keine
gerade Luftstrecke ergeben kann, und zwar im gesamten Führungsteil von
beliebigen Punkten der Leitschiene 16 aus zu beliebigen
Punkten der Leitschiene 18 aus nicht. Zwischen den beiden
Leitschienen 16 und 18 bewegt sich der Lichtbogen
in Richtung Löschkammer
fort. Der Lichtbogen 24 wird nun durch die Hinderniselemente 20 und 22 so
umgeformt, dass er ungeradlinig ist: Ein erster Abschnitt 26 des
Lichtbogens verläuft
in einer Ebene unterhalb der ersten Platte 20, und ein Zwischenabschnitt 28 stellt
die Verbindung zu einem weiteren Abschnitt 30 dar, der
oberhalb der Platte 22 zur Leitschiene 18 verläuft. Es
ist zu beachten, dass die Leitschiene 16 unterhalb der
Platte 20 und die Leitschiene 18 oberhalb der
Platte 22 angeordnet ist. Im Vergleich zu herkömmlichen
Anordnungen sind die Leitschienen 16 und 18 in
der Höhe,
also in der Richtung senkrecht zur Hauptstromflussrichtung des Lichtbogens
bei herkömmlichen
Lichtbogenlöscheinheiten
einerseits und senkrecht zur Fortbewegungsrichtung des Lichtbogens
andererseits gegeneinander versetzt. Eine andere Möglichkeit
ist, die Leitschiene 16 oberhalb der Platte 20 und
die Leitschiene 18 unterhalb der Platte 22 isoliert
auszuführen.
Dadurch, dass der Lichtbogenabschnitt 26 sehr eng an der
Platte 20 verläuft,
gibt es zusätzlich
zur Lichtbogenspannungserhöhung,
welche auf die Verlängerung
des Lichtbogens im Vergleich zum geradlinigen Lichtbogen zurückzuführen ist,
eine Lichtbogenspannungserhöhung,
weil sich wegen des Kontaktes des Lichtbogenabschnitts 26 mit
der Unterseite der Platte 20, welche isolierend ist, einerseits
und des Lichtbogenabschnittes 30 mit der Oberseite der
Platte 22, welche ebenfalls isolierend ist, andererseits
eine Kühlung
des Lichtbogens ergibt. Auch der Querschnitt wird im Vergleich zum
herkömmlichen
Fall durch das Bereitstellen der Platten 20 und 22 reduziert.
Da durch wird der maximale Kurzschlussstrom reduziert, und auch der
I2t-Wert für den Durchlass wird reduziert.
Ein Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter kann im Vergleich
zur herkömmlichen Bauart
daher bessere Werte betreffend seine Leistungsfähigkeit haben oder bei gleichen
Werten kompakter gebaut sein.
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Der
Zwischenabschnitt 28 bestimmt, wie groß das Ausmaß der Verlängerung des Lichtbogens ist.
Bei der Ausführungsform
gemäß 1/2 überlappen
die Platten 20 und 22 einander nicht. Bei den
Ausführungsformen
gemäß 3, 5 und 6 gibt
es jeweils zwei Platten 20', 20'', 20''' bzw. 22', 22'', 22''', die sich zumindest
in einem Teilbereich überlappen.
Durch den Überlapp
wird, wie in 4 ersichtlich, der Lichtbogen
um ein deutlich größeres Ausmaß verlängert als
bei der Ausführungsform
gemäß 1 und 2.
Grundsätzlich
werden aber dieselben Effekte erzielt, nur stärker. Der Zwischenabschnitt 28' des Lichtbogens
wird S-förmig
und daher insgesamt länger.
Die Abschnitte 26' und 30' des Lichtbogens
werden ebenfalls zumindest in dem der Löschkammer 14 näheren Bereich
größer als
bei der Ausführungsform
gemäß 2 (und 1),
so dass sich der Effekt der Querschnittsvergrößerung und -abkühlung ebenfalls
verstärkt.
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Während bei
der Ausführungsform
von 3 die Platten 20' und 22' zunächst einen vorbestimmten Abstand
haben, der sich dann nach und nach reduziert, bis er in einen Überlapp übergeht
(also einen gewissermaßen
negativen Abstand), wobei als Abstand die Entfernung der Draufsicht
gemäß 3 gemeint
ist, ist bei der Ausführungsform
von 5 ein konstant bleibender Überlappbereich (nach einem Übergangsbereich
zwischen den Platten 20' und 22') bereitgestellt.
Bei der Ausführungsform
gemäß 6 ist
im Vergleich zur Ausführungsform
gemäß 3 der
Bereich des positiven Abstands der Platten 20' und 22' kleiner als
bei den Platten 20 und 22, und der Überlappbereich
ist größer.
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Die 5 zeigt
einen konstant bleibenden Überlappbereich
und die 3 und 6 einen
sich vergrößernden Überlappbereich.
Es wäre
aber durchaus denkbar, den Überlappbereich
auch in Richtung zur Löschkammeranordnung 14 hin
zu verkleinern, insbesondere im Nahbereich der Löschkammeranordnung 14.
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Die
erfindungsgemäßen Lichtbogenlöscheinheiten
gemäß den 1, 3, 5 und 6 können beliebig
eingesetzt werden. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Leitungsschutzschalter und
Leistungsschalter.
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- 10
- Aufnahmeteil
- 12,
12', 12'', 12'''
- Führungsteil
- 14
- Löschkammeranordnung
- 16,
18
- Leitschienen
- 20,
20', 20'', 20'''
- Platten
- 22,
22', 22'', 22'''
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- 24
- Lichtbogen
- 26,
26', 28, 30, 30'
- Abschnitte
des Lichtbogens