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Die
Erfindung betrifft Elektrischer Schalter mit zumindest zwei Schaltkontakten
zur Unterbrechung einer ersten Strombahn, von denen zumindest ein
erster an einem drehbar gelagerten, starren Kontaktglied ausgebildet
ist, mit zumindest einem durch ein Gehäuse begrenzten ersten
Schaltraum zur Aufnahme der Schaltkontakte der ersten Strombahn,
mit einem Antriebsmechanismus zum Öffnen und Schließen
der Schaltkontakte, mit einem im Zuge des Antriebsmechanismus angeordneten
Schaltschloss zur Freigabe des Antriebsmechanismus und mit einem die
Stellung des Kontaktgliedes erfassenden Auslöser, der ein
im Schalter bewegliches Auslöseglied aufweist, bei dem
bei elektrodynamischem Rückstoß des Kontaktgliedes
aus einer EIN-Stellung in Richtung einer AUS-Stellung das Auslöseglied
des Auslösers bei einer vorgegebenen Offen-Stellung des
Kontaktgliedes das Schaltschloss betätigt, um den Antriebsmechanismus
zum Öffnen der Schaltkontakte in Gang zu setzen.
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Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf elektrische Schalter, insbesondere
auf Leistungsschalter im Niederspannungsbereich, das heißt
bis zu Spannungen von ca. 1000 Volt. Derartige elektrische Schalter
sind insbesondere zur Unterbrechung von Strombahnen in einem Kurzschlussfall
oder in einem Überstromfall ausgebildet. Weiterhin können
die elektrischen Schalter einpolig oder mehrpolig, insbesondere
dreipolig, ausgeführt sein. Sie können je Pol ein
oder mehrere Schaltkontaktpaare aufweisen. Insbesondere sind die
elektrischen Schalter zum Abschalten von Strömen von mehr
als 100 A, insbesondere von mehreren kA, ausgelegt.
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Aus
der europäischen Patentschrift
EP 1 208 576 B1 und aus
der Druckschrift
WO
2006/053619 A1 sind elektrische Schalter mit Isolierstoffgehäuse bekannt,
die jeweils pro Pol zumindest einen feststehenden und einen beweglichen
Schaltkontakt umfassen, die federnd gegeneinander gedrückt
sind. Bei beiden Schaltern bildet jeweils ein drehbares starres Kontaktglied
den Träger des beweglichen Kontaktes. Bei dem in der Patentschrift
EP 1 208 576 B1 gezeigten
Schalter ist das Kontaktglied eine als zweiarmiger Kontakthebel
ausgebildete Kontaktbrücke, die an ihren beiden freien
Enden jeweils einen beweglichen Kontakt in Form eines Kontaktstückes
trägt. Bei dem in der Druckschrift
WO 2006/053619 A1 gezeigten Schalter
ist das Kontaktglied ein einarmiger Kontakthebel, der an seinem
freien Ende den beweglichen Kontakt in Form eines Kontaktstückes
trägt. Die Schaltkontakte können unter der Einwirkung
elektrodynamischer Rückstoßkräfte getrennt
werden. Wenn der die Schaltkontakte durchfließende Strom
einen bestimmten Schwellwert überschreitet wird das bewegliche
Kontaktglied aus einer EIN-Stellung in eine AUS-Stellung überführt,
um so eine Begrenzung des genannten Stroms zu bewirken. Die elektrischen Schalter
umfassen jeweils einen Antriebsmechanismus zum Öffnen und
Schließen der Schaltkontakte und einen Auslöser,
der die Stellung des die beweglichen Schaltkontakte tragenden Kontaktgliedes
erfasst. Bei elektrodynamischem Rückstoß des Kontaktgliedes
aus seiner EIN-Stellung in Richtung seiner AUS-Stellung betätigt
das Auslöseglied des Auslösers bei einer vorgegebenen
Offen-Stellung des Kontaktgliedes das Schaltschloss, und setzt damit den
Antriebsmechanismus zum Öffnen der Schaltkontakte in Gang.
Sobald das Schaltschloss freigegeben ist verlieren Kontaktträger,
die in jedem Pol die Kontaktglieder tragen – hier jeweils
in Form eines Schaltwellensegmentes – ihre Abstützung
im Antriebsmechanismus und werden, die Kontaktglieder zum Öffnen
der Kontakte mit sich reißend, aus einer EIN-Position in
eine AUS-Position überführt.
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Die
betrachteten elektrischen Schalter sind sogenannte strombegrenzende
elektrische Schalter. Bei diesen elektrischen Schaltern, beispielsweise
in Form von MCCB's (Molded Case Circuit Breakers) wird der zu unterbrechende
Strom unterbrochen, bevor er seinen Maximalwert erreicht, indem
die Schalt kontakte durch elektromagnetische Abstoßung benachbarter
Leiter auseinander gestoßen werden und so der Strom unterbrochen
wird.
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Alternativ
oder zusätzlich können die Schaltkontakte z. B.
mittels eines vorzugsweise elektromagnetisch betätigbaren
Aktors betätigt werden. Der Aktor kann z. B. durch ein Überlast-
und/oder Kurzschluss-Erfassungsglied angesteuert werden.
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Im
Bereich der Schaltkontakte ist typischerweise ein Löschpaket
zur Kühlung des heißen Lichtbogenplasmas beim Öffnen
der Schaltkontakte vorhanden. Durch die Herabkühlung des
Plasmas wird die elektrische Leitfähigkeit derart herabgesetzt, dass
die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens benötigte Spannung
nicht mehr ausreichend ist. Der Lichtbogen reißt ab und
der Strom wird unterbrochen.
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Die
begrenzende Wirkung im Kurzschlussfall wird also durch die schnelle Öffnung
der Schaltkontakte hervorgerufen. Tritt ein Kurzschluss z. B. nur
in einem der Schaltpole eines mehrpoligen Schalters auf, so wird
beispielsweise in der oben beschriebenen Weise dafür Sorge
getragen, dass nicht nur der betroffene, sondern nachgeordnet alle
Schaltpole des Schalters geöffnet werden.
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Bei
einer gestaffelten Anordnung von mehreren elektrischen Schaltern
unterschiedlichen Nennstroms in einem Verteilernetz, bei der üblicherweise der
verbrauchernahste Schalter für den kleinsten und der verbraucherfernste
Schalter für den höchsten Nennstrom ausgelegt
ist, wird ein energie-/stromselektives Verhalten der in unterschiedlichen
Hierarchieebenen des Verteilernetzes angeordneten Schalter angestrebt.
Das bedeutet, dass beispielsweise bei einem Kurz schluss in einem
Verbraucher nur der verbrauchernahste Schalter abschalten soll.
Die Schaltkontakte des in der Netzhierarchie nächst höheren
Schalters dürfen zwar vorübergehend öffnen, sollen
aber nach der Abschaltung des verbrauchernahsten Schalters wieder
Strom führen, um ein Abschalten anderer Verbraucher zu
verhindern.
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Schwierig
gestaltet sich dabei die Abstimmung der in den verschiedenen Hierarchieebenen abgeordneten
Schalter. Das im Zuge des Antriebsmechanismus des verbrauchernahsten
Schalters angeordnete Schaltschloss muss sicher ein Ausschaltsignal
erhalten. Das Schaltschloss, das im Zuge des Antriebsmechanismus
des nächst höheren Schalters angeordnet ist, darf
aber kein Ausschaltsignal erhalten, auch wenn sich seine Schaltkontakte
vorübergehend geöffnet haben.
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Bei
den eingangs genannten elektrischen Schaltern gemäß der
EP 1 208 576 B1 und
der
WO 2006/053619
A1 bildet eine sich über alle Pole des jeweiligen
Schalters erstreckende Auslösewelle das Auslöseglied.
Dieses Auslösewelle ist bei den genannten bekannten Schaltern
jeweils über mehrere Zwischenglieder vom beweglichen Kontaktglied drehbar.
Die Bewegung des beweglichen Kontaktgliedes, das den beweglichen
Kontakt trägt, wird also über mehrere weitere
Glieder an die Auslösewelle übertragen, die das
Schaltschloss zum Öffnen der Schaltkontakte aller Pole
freigibt. Diese mehrstufige Übertragungskette führt
zu einem entsprechend breiten Toleranzbereich und kann zu Überschneidungen zwischen
den Schaltern verschiedener Hierarchieebenen und damit zum ungewollten
Abschalten eines dem verbrauchernahen Schalter nachgeordneter Schalter
führen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung,
einen alternativen elektrischen Schalter anzugeben.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen energie-/stromselektiv
zuverlässiger auslösenden elektrischen Schalter
anzugeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch einen elektrischen Schalter mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen
2 bis 6 angegeben.
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Erfindungsgemäß ist
der Auslöser ein Druckauslöser, der auf einen
im ersten Schaltraum durch einen bei dem elektrodynamischen Rückstoß des Kontaktgliedes
gezogenen Lichtbogen erzeugten Überdruck anspricht.
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Ein
derartiger Druckauslöser zur Selektivauslösung
ist an sich aus der Druckschrift
DE 691 10 540 T2 bekannt. Dieser Druckauslöser
nutzt den kurzzeitigen Überdruck in dem Schaltraum des
elektrischen Schalters beim Öffnen unter Last (Lichtbogen).
Dabei wird in einer über eine Druckleitung angesteuerten
Druckkammer ein gefederter Hebel vom Druck bewegt, sobald das durch
die Feder aufgebrachte Drehmoment überwunden ist.
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Um
eine exakte Selektivauslösung zu realisieren ist eine äußerst
exakte Abstimmung der Druck auswertenden Komponenten erforderlich.
Die im Weiteren beschriebene in der 2 gezeigte
Funktion Druck pro Zeit macht diese Zusammenhänge deutlich.
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Im
Unterschied zu den genannten Schaltern, die entweder nur eine durch
die Bewegung des beweglichen Kontaktgliedes initiierte Abschaltung
des Schalters oder nur durch den Überdruck initiierte Abschaltung
des Schalters vorsehen, liegt der Vorteil des erfindungsgemäßen
Schalters gerade in der Kombination dieser beiden Wirkungsweisen.
Bei dieser Kombination wird die Bewegung des Kontaktgliedes genutzt,
um bei einer präzise vorbestimmten Offen-Stellung des Kontaktgliedes
den durch den Lichtbogen erzeugten Überdruck auf den Druckauslöser zu
leiten.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Druckauslöser eine Druckleitung
aufweist, die über eine erste Öffnung in den ersten
Schaltraum mündet.
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Dabei
kann die erste Öffnung in der EIN-Stellung des Kontaktgliedes
von dem Kontaktglied verschlossen und erst bei einer vorgegebenen
Offen-Stellung des Kontaktgliedes zum Erfassen des Überdruckes
freigegeben ist.
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Der
Auslöser kann aber auch ein im Schalter bewegbares, in
die Bewegungsbahn des Kontaktgliedes ragendes Zwischenglied aufweist,
dass die erste Öffnung unter Vorspannung einer Feder verschließt, wobei
das Kontaktglied das Zwischenglied derart bewegt, dass die erste Öffnung
bei einer vorgegebenen Offen-Stellung des Kontaktgliedes zum Erfassen
des Überdruckes freigegeben ist. Dieses Zwischenglied kann
ein im Schalter drehbar gelagerter Hebel oder ein im Schalter verschiebbar
geführter Stößel sein.
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Die
Erfindung sowie vorteilhaft Ausführungen der Erfindung
werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
elektrischen Schalters
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2 die
Druck-Zeit-Kennlinien eines mit einem herkömmlichen Druckauslöser
ausgestatteten Schalters und die Druck-Zeit-Kennlinie des erfindungsgemäßen
Schalters und
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3 bis 5 drei
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
elektrischen Schalters.
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Die 1 zeigt
einen elektrischer Schalter 1 mit einem als Ganzes mit 2 bezeichneten
Schaltkontaktsystem, dass zwei Paare von Schaltkontakten 3, 4 zur
Unterbrechung einer ersten Strombahn 5 eines ersten Schaltpoles
aufweist. Bewegliche erste 3 der Schaltkontakte sind dabei
in Form eines Kontaktstückes an einem drehbar gelagerten,
starren Kontaktglied 6 ausgebildet. Ihnen zugeordnet sind
feststehende zweite 4 der Schaltkontakte. Der elektrische Schalter 1 weist
einen durch ein Gehäuse 7 begrenzten ersten Schaltraum 8 zur
Aufnahme der Schaltkontakte 3, 4 der ersten Strombahn 5,
einen Antriebsmechanismus 9 zum Öffnen und Schließen
der Schaltkontakte 3, 4 und ein im Zuge des Antriebsmechanismus 9 angeordnetes
Schaltschloss 10 zur Freigabe des Antriebsmechanismus 9 auf.
Der Schalter weist parallel zum gezeigten ersten Schaltraum 8 weitere
nicht weiter dargestellte Schalträume auf, in denen Schaltkontakte
weiterer Schaltpole angeordnet sind.
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Der
elektrische Schalter 1 weist mehrere Auslöser
auf, die einen Auslösemechanismus zum Öffnen des
Schaltschlosses 10 und damit zur Freigabe des Antriebsmechanismus 9 bilden.
Insbesondere ist ein die Stellung des Kontaktgliedes 6 erfassender Auslöser 11 vorgesehen,
der zugleich ein Druckauslöser ist, der also auf einen Überdruck
anspricht, der im ersten Schaltraum durch einen bei dem elektrodynamischen
Rückstoß des Kontaktgliedes gezogenen Lichtbogen
erzeugt wird.
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Weiterhin
sind als Überlastauslöser ein thermischer Auslöser 12 und
ein elektromagnetischer Auslöser 13 sowie als
manueller Auslöser eine Handhabe 14 vorgesehen.
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Die
2 zeigt
die Druck-Zeit-Kennlinien des aus der Druckschrift
DE 691 10 540 T2 bekannten,
mit einem herkömmlichen Druckauslöser ausgestatteten
elektrischen Schalter sowie die Druck-Zeit-Kennlinien
16 des
erfindungsgemäßen Schalters, bei dem eine Druckleitung
erst bei Erreichen einer definierten Offen-Stellung freigegeben wird,
ein Druckanstieg in der Druckleitung also erst dann möglich
ist.
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Die 3 zeigt
einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform 101 des
erfindungsgemäßen elektrischen Schalters. Hier
ist das Kontaktglied 6, das die bewegbaren der Schaltkontakte
trägt, in einem Kontaktträger – hier
in Form eines Schaltwellensegmentes 17 – um eine
Achse 18 drehbar gelagert. Das Schaltwellensegment 17 ist
seinerseits mittels eines im Zuge des Antriebsmechanismus angeordneten Antriebsgliedes
in Form zweier Schaltwellenstäbe 19 in Richtung
eines mit 20 bezeichneten Pfeils um die Achse 18 drehbar
und dabei aus einer EIN-Position in eine AUS-Position überführbar.
Hierzu ist die Freigabe des Schaltschlosses 10 erforderlich,
wobei sowohl der bereits genannte, die Stellung des Kontaktgliedes 6 erfassende
Auslöser 11, als auch weitere Auslöser
das Öffnen des Schaltschlosses 10 und damit die
Freigabe des Antriebsmechanismus bewirken können.
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Bei
elektrodynamischem Rückstoß des Kontaktgliedes 6,
bei dem das Schaltwellensegment 17 zunächst in
seiner EIN-Position verbleibt, schwenkt das Kontaktglied 6 in
dem Schaltwellensegment 17 um die Achse 18 aus
einer EIN-Stellung in Richtung einer AUS-Stellung. Dabei betätigt
ein Auslöseglied 21 des Auslösers 11 bei
einer vorgegebenen Offen-Stellung des Kontaktgliedes 6 das
Schaltschloss 10, um den Antriebsmechanismus zum Öffnen
der Schaltkontakte in Gang zu setzen.
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Der
Auslöser 11 weist eine Druckleitung 21 auf,
die über eine erste Öffnung 22 in den
ersten Schaltraum 8 mündet.
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Diese
erste Öffnung 22 ist in der EIN-Stellung des Kontaktgliedes
von dem Kontaktglied 6 verschlossen und erst bei einer
vorgegebenen Offen-Stellung des Kontaktgliedes 6 zum Erfassen
des Überdruckes in dem Schaltraum 8 freigegeben.
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Gemäß der 4 und 5,
die weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Schalters zeigen, weist der Auslöser ein im Schalter bewegbares,
in die Bewegungsbahn des Kontaktgliedes ragendes Zwischenglied aufweist,
dass die erste Öffnung unter Vorspannung einer Feder verschließt, wobei
das Kontaktglied das Zwischenglied derart bewegt, dass die erste Öffnung
bei einer vorgegebenen Offen-Stellung des Kontaktgliedes zum Erfassen
des Überdruckes freigegeben ist.
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Gemäß der 4 ist
dieses Zwischenglied bei einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalters ein im Schalter
drehbar gelagerter Hebel 24.
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Bei
der in der 5 gezeigten dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters ist
dieses Zwischenglied ein im Schalter verschiebbar geführter
Stößel 25.
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Im
Folgenden werden die vier Zustände der Öffnungssteuerung
beschrieben, die bei allen drei gezeigten Ausführungsformen
möglich sind:
Bei einem ersten Zustand, bei dem die
Schaltkontakte geschlossen sind, befindet sich das Kontaktglied
in seiner EIN-Stellung und die Öffnung zur Druckleitung ist
geschlossen.
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Bei
einem zweiten Zustand, bei dem die Schaltkontakte leicht geöffnet
sind, bei dem der Öffnungswinkel aber kleiner als ein vorgegebener
Auslösewinkel ist, ist die Öffnung der Druckleitung
weiterhin geschlossen. Damit gelang der durch den Lichtbogen erzeugte Überdruck
in dem ersten Schaltraum nicht zum Auslöseglied des Druckauslösers
und eine Auslösung ist nicht möglich.
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Bei
einem dritten Zustand, bei dem der Öffnungswinkel größer
als der vorgegebene Auslösewinkel ist, und bei dem der Überdruck
im Schaltraum einen vorgegebenen Schwellwert über schreitet,
wird die Öffnung zur Druckleitung freigegeben und der Schalter
wird ausgelöst.
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Bei
einem vierten Zustand, bei dem zwar der Öffnungswinkel
größer als der vorgegebene Auslösewinkel
ist, bei dem aber der Überdruck im Schaltraum den vorgegebenen
Schwellwert nicht überschreitet, wird die Öffnung
zur Druckleitung zwar freigegeben der Schalter wird aber nicht ausgelöst.
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Vorteilhaft
bei dieser Lösung ist die Auslösung als Funktion
von Kontakthebel-Öffnungswinkel und der Höhe des Überdruckes
im Schaltraum. Bei dieser Lösung weist die Druck-Zeit-Kennlinie
eine erhöhte Steilheit auf und ermöglicht so ein
präziseres Auslöseverhalten gegenüber
dem bekannten Druckauslöser. Dadurch ist ein enger Nennstromabstand
in der Selektivitätskette erreichbar.
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Die
Winkelstellung des Kontaktgliedes kann als Energieäquivalenz
der Schaltleistung angesehen werden und ist daher als Auslösesignal
verwendbar, um verbesserte Ebergieselektivität zu gewährleisten. Ein
weiterer Vorteil ist die kostengünstige Realisierung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1208576
B1 [0003, 0003, 0010]
- - WO 2006/053619 A1 [0003, 0003, 0010]
- - DE 69110540 T2 [0015, 0028]