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Die
Erfindung betrifft ein Energieverteilungssystem mit vorgeordneten
und nachgeordneten Leistungsschaltern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Es
ist bekannt, Leistungsschalter in der Energieverteilung einzusetzen
und diese im Kurzschlussfall selektiv abschalten zu lassen, d. h.
der vorgeordnete Leistungsschalter soll nur dann auslösen, wenn
kein nachgeordneter Leistungsschalter den vom Kurzschluss betroffenen
Abzweig trennen kann. Jeder Leistungsschalter weist bewegliche Schaltkontakte
auf, die im Betrieb Strom durchflossen sind. Die beweglichen Schaltkontakte
sind meist federkraftbeaufschlagt und werden durch die Federkraft
an einen zugehörigen
festen Schaltkontakt angedrückt
gehalten. Der Strom wird so über
die Schaltkontakte geführt,
dass stromdynamisch Magnetkräfte erzeugt
werden, die im Kurzschlussfall, also bei einem sehr steilen Stromanstieg,
die Schaltkontakte trennen, wobei der bewegliche Schaltkontakt vom festen
Schaltkontakt abhebt. Dabei entsteht zwischen den Schaltkontakten
ein Lichtbogen, der dem Stromfluss einen Widerstand entgegensetzt,
was mit einer Begrenzung des Stroms verbunden ist. Bekannt ist es
weiter, den beweglichen Schaltkontakt bei Erreichen eines vorgegebenen Öffnungswinkels verrasten
zu lassen, um ihn festzuhalten. Darüber hinaus verfügt jeder
Leistungsschalter über
einen Auslöser
(Überlast-
und Kurzschlussauslöser),
der auslöst,
wenn ein vorgegebener Schwellwert überschritten wird. Die Auslösung des
Leistungsschalters erfolgt durch Entklinken eines Schaltschlosses,
welches alle Schaltkontakte öffnet.
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Die
Strombegrenzung durch den Lichtbogen ermöglicht klein bauende Leistungsschalter
und die Anlage auf das geringere Kurzschlussniveau auszulegen.
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Speziell
wird bei strombegrenzenden Kompaktschaltern für Ströme kleiner 630 A das selektive Verhalten
durch sogenannte Energieselektivität erreicht. Dabei heben die
Schaltkontakte stromdynamisch an der dimensionierten Abhebegrenze
ab, wobei der mechanisch ausgebildete Selektivauslöser erst
oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes reagiert und den Leistungsschalter
auslöst.
Als Schwellwert (Auslöseschwelle)
dient z. B. der Schaltkammerdruck, welcher äquivalent zur Lichtbogenenergie
ist. Unterhalb dieses Schwellwertes wird nach dem Abheben der Schaltkontakte
nicht ausgelöst und
die Schaltkontakte werden auf Grund der Federkraftbeaufschlagung
wieder geschlossen, so das sich der Leistungsschalter wieder im
eingeschalteten Zustand befindet und damit selektiv ist. Ein Fangmechanismus
für die
Schaltkontakte sorgt für
eine Verrastung der beweglichen Schaltkontakte, um den Leistungsschalter
bei sehr hohen Schaltleistungen zu schützen. Damit wird ein zu schnelles
Zufallen der Schaltkontakte verhindert und der Kontakt offengehalten
bis zur Mitnahme durch das ausgelöste Schaltschloss. Der Verrastpunkt
des Fangmechanismus muss dabei konstruktiv mit dem Schwellwert des Selektivauslösers abgestimmt
werden, so dass ein eindeutiger Schaltzustand sichergestellt ist.
Der Selektivauslöser
reagiert jeweils auch dann, wenn der Fangmechanismus bereits aktiv
gewesen ist. Bei energieselektiven Leistungsschaltern reagiert der
Selektivauslöser
erst nach einer dynamischen Öffnung bzw.
einem dynamischen Zufallen. Die Auslösung und damit die Schutzfunktion
des Leistungsschalters erfolgen also verzögert, damit das Kontaktsystem
bis zum Schwellwert öffnen
und schließen
kann, ohne dass eine Auslösung
erfolgt.
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Zeitselektive
Leistungsschalter mit Nennströmen
größer 630
A sind so dimensioniert, dass mehrere Halbwellen eines Kurzschlussstroms
durchfließen
können,
ohne dass der Leistungsschalter zerstört wird. Dies ermöglicht es,
jeweils die Reaktion eines vorgeordneten Leistungsschalters abzuwarten und
nur bei Bedarf selektiv abzuschalten.
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Energieselektivität, also
eine Kombination aus dynamisch Strom begrenzendem Verhalten und einer
selektiven Abschaltung ist bei Nennströmen größer 630 A nicht bekannt. Dies
liegt an der Trägheit des
Kontaktsystems als auch dem relativ hohen Energieumsatz im Leistungsschalter,
was meist zum Verschweißen
der Schaltkontakte beim dynamischen Öffnen und Schließen führt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen energieselektiven Leistungsschalter
vorzuschlagen, der auch bei größeren Nennströmen einsetzbar
ist und eine hohe Standzeit aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die
Unteransprüche
stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
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Die
Lösung
sieht vor, dass ein vom Selektivauslöser auslösbarer Aktor vorgesehen ist,
der den Fangmechanismus zur Freigabe des beweglichen Schaltkontakts
betätigt,
wenn eine Unterschreitung des Kriteriums vorliegt.
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Eine
einfache Lösung
sieht vor, als Kriterium einen vorgegebenen Schwellwert zu verwenden.
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Eine
Verbesserung ergibt sich, wenn der Aktor den Fangmechanismus jeweils
nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit
freigibt.
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Als
technische Vereinfachung wird vorgeschlagen, dass das Auslösen des
Leistungsschalters über
den Aktor erfolgt.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Leistungsschalter ein Schaltschloss
aufweist, das zum Auslösen
des Leistungsschalters vom Aktor entklinkt wird.
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Bei
einer einfachen Ausführung
weist der Fangmechanismus eine Verklinkung auf.
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Der
Erfindungsgedanke ist also der, dynamisch öffnende verklinkbare Schaltkontakte
mit einem Aktor zu kombinieren, der wiederum über einen Schwellwert getriggert
wird. Mit der Erfindung wird also der Nachteil beseitigt, dass Leistungsschalter
für Nennströme größer 630
A und dynamisch öffnenden Schaltkontakten
verschweißen,
indem verhindert wird, dass diese gleich wieder zufallen. Der bewegliche
Schaltkontakt kann hochdynamisch öffnen und verklinken, während Selektivauslöser und
Aktor dafür sorgen,
dass ein Schließen
des Schaltkontakts erst freigegeben wird, wenn sich die Schaltkontakte
thermisch stabilisiert haben, also bereits eine Wiederverfestigung
eingetreten ist. Wird also im Selektivfall auf Schließen entschieden,
fallt der Schaltkontakt nicht in die flüssige Schmelze, sondern auf
eine bereits wieder verfestigte Kontaktgeometrie. Ein Verschweißen der
beiden Schaltkontakte ist dann nicht mehr möglich und der Leistungsschalter
kann normal weiter betrieben werden. Der erfindungsgemäße Leistungsschalter
kann also auch bei hohen Nennströmen
größer 630
A strombegrenzend ausgelegt sein und trotzdem energieselektiv schalten.
Dadurch können
die Abzweige für
einen geringeren Kurzschlussstrom ausgelegt werden, was mit kostengünstigeren Geräten und
dergleichen im Abzweig, geringerem Durchmesser der Leitungen und
besserem Schutz der gesamten Anlage verbunden ist.
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Die
Triggerung des Aktors erfolgt zweckmäßigerweise in zwei Richtungen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines geschlossenen Leistungsschalters
mit einem beweglichem und einem feststehenden Schaltkontakt und
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2 einen
geöffneten
Leistungsschalter gemäß 1.
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1 zeigt
einen Teilbereich eines Leistungsschalters in einer schematischen
Darstellung, der zu einem Energieverteilungssystem gehört, welches
mindestens zwei Leistungsschalter umfasst, von denen einer von der
Energieeinspeisung aus gesehen vorgeordnet und dem mindestens ein
Leistungsschalter nachgeordnet ist (nicht gezeigt).
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Der
Leistungsschalter in 1 umfasst ein Kontaktsystem,
das einfingrig wie auch mehrfingrig sowie doppelrotatorisch und
translatorisch ausgebildet sein kann. Es weist zumindest einen feststehenden
Schaltkontakt 1 und einen beweglichen Schaltkontakt 2 auf,
der um eine Achse 3 verschwenkbar ist. Der Schaltkontakt 2 liegt
kraftbeaufschlagt durch eine Feder 4 an dem Schaltkontakt 1 an.
Mittels eines Stromsensors 5 wird der über die Schaltkontakte 1, 2 fließende Strom
erfasst und der erfasste Stromwert einem Selektivauslöser 6 zugeführt, der
den zugehörigen
Energiewert berechnet und mit einem Energieschwellwert (als vorgegebenes
Kriterium) vergleicht. Der Selektivauslöser 6 betätigt im
Auslösefall
einen Aktor 7, der hier gemäß dem eingezeichneten Doppelpfeil
vom Selektivauslöser 6 nach
oben und nach unten verschiebbar ist.
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Bei
einer Verschiebung nach unten betätigt der Aktor 7 eine
Klinke 8 eines Fangmechanismus 9. Beim Verschieben
nach oben wird dagegen eine Klinke 10 betätigt, die
ein Schaltschloss 11 entklinkt. Die Klinken 8, 10 sind
jeweils um eine Schwenkachse 8a, 10a schwenkbar
gelagert.
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Im
Kurzschlussfall bewirkt der durch die Stromkontakte 1, 2 fließende Strom
stromdynamisch erzeugte Magnetkräfte,
durch welche sich die Stromkontakte 1, 2 voneinander
abstoßen.
Dabei hebt der bewegliche Stromkontakt 2 vom feststehenden Stromkontakt 1 ab,
d. h. der Stromkontakt 2 in 1 schwenkt
nach oben, wie in 2 gezeigt.
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2 zeigt
weiter, dass der Fangmechanismus 9 den Schaltkontakt 2 bei
Erreichen eines vorgegebenen Öffnungswinkels
w mittels der Klinke 8 festhält (verklinkt) und so an einem
Zurückschwenken hindert.
Das aus den beiden Schaltkontakten 1, 2 bestehende
Kontaktsystem ist hier also dynamisch öffnend ausgelegt und wird bei
der Öffnung
des Schaltkontakts 2 verklinkt. Der von dem Selektivauslöser 6 ermittelte
Energiewert löst
bei Überschreiten
des Energieschwellwert die Klinke 10 durch Betätigung mittels
des Aktors 7 (Verschiebung nach oben in 2) aus,
d. h. die Verklinkung des Schaltschlosses wird gelöst und die
Schaltkontakte 1, 2 werden über eine Schaltwelle des Schaltschlosses 11 allpolig
geöffnet, der
Leistungsschalter also ausgeschaltet.
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Der
beim Öffnen
der Schaltkontakte 1, 2 zwischen diesen entstehende
Lichtbogen führt
zu einer Strombegrenzung.
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Wird
der Energieschwellwert unterschritten, beispielsweise weil der nachgeordnete
oder einer der nachgeordneten Leistungsschalter abgeschaltet hat, so
löst der
Aktor 7 (Verschiebung nach unten in 2) die Klinke 8 aus,
betätigt also
den Fangmechanismus 9, wobei dieser den beweglichen Schaltkontakt 2 wieder
freigibt. Dies führt
dazu, dass der Schaltkontakt 2 auf Grund der Federkraft
der Feder 4 zufällt
und den Leistungsschalter schließt. Der Leistungsschalter ist
dann wieder eingeschaltet und selektiv.
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Um
einen energieselektiven Leistungsschalter zu erzielen, der auch
bei größeren Nennströmen einsetzbar
ist und eine hohe Standzeit aufweist, werden also stromdynamisch öffnende
Schaltkontakte 2 vorgeschlagen, die bei der Öffnung verklinkt
werden. Der von einem Selektivauslöser 6 getriggerte
Aktor 7 wird über
einen Energieschwellwert in zwei Positionen bewegt und ermöglicht dadurch
entweder ein Schließen
oder ein Öffnen
der Schaltkontakte 1, 2. Der Leistungsschalter
wird so dimensioniert, dass die Schaltkontakte 1, 2 (bei
Mehrfingersystemen alle einzelnen Schaltkontakte) im Kurzschlussfall
eigendynamisch (durch die Holm- und Lorenzkräfte) öffnen. Der Fangmechanismus 9 verklinkt
die Schaltkontakte 2 (deren Kontaktarme) in der geöffneten
Position. Dies wird bei Leistungsschaltern > 630 A sicher erreicht, da die magnetischen
Kräfte
oberhalb der Abhebegrenze (> 15
kA peak bei einem 1000 A Schalter) so groß sind, dass der volle Öffnungswinkel
w (des Kontaktsystems) erreicht wird. Hierdurch wird eine sehr schnelle
Strombegrenzung im Kurzschlussfall realisiert. Der Selektivauslöser 6 (mechanisch
oder elektronisch) erkennt die „Dimension” des Kurzschlusses und entscheidet,
ob er selektiv Auslösen
muss oder nicht. Dies gelingt beispielsweise anhand der im Leistungsschalter
umgesetzten Energie, des Drucks oder des Durchlassstroms. Wird eine
definierte Auslöseschwelle
(z. B. Energieschwellwert) überschritten,
erfolgt ein Auslösesignal
an den Aktor 7 (z. B. magnetisch). Dieser entklinkt den
Antrieb z. B. für
das Schaltschloss 11 und öffnet über dessen Schaltwelle die
Schaltkontakte 1, 2, d. h. der Leistungsschalter
hat den Kurzschluss abgeschaltet. Wird die Auslöseschwel le nicht überschritten,
dass heißt
es liegt der Selektivfall vor, wird ein Signal an einen Aktor 7 gegeben,
welcher die Verklinkung der Schaltkontakte 1, 2 wieder
löst. Durch
die gespannten Federn 4 schließen sich die Schaltkontakte 1, 2 wieder,
d. h. der Leistungsschalter schaltet nicht selektiv ab und der zugehörige Abzweig
wird nicht vom Strom getrennt.