-
Die
Erfindung betrifft Auslöser für eine elektrische
Schaltanordnung, die im Zuge einer ersten Strombahn angeordnet ist
und die zumindest zwei in einem Gehäuse angeordnete Schaltkontakte
aufweist, die getrennt werden, wenn der über die Schaltkontakte
fließende Strom einen bestimmten Schwellwert überschritten
hat, mit einem Betätigungsglied, das entgegen der Kraft
einer Rückhaltevorrichtung auf einen Druck anspricht, der
durch einen bei elektrodynamischem Rückstoß der
Schaltkontakte gezogenen Lichtbogen in einer von dem Gehäuse
umschlossenen Trennzone der Schaltkontakte erzeugt wird, und das
einen die selbsttätige Unterbrechung der Strombahn bewirkenden
Abschaltmechanismus betätigt, wobei das Betätigungsglied
ein bewegliches Element aufweist, das in einem mit der Trennzone verbundenen
Strömungskanal einen Staukörper bildet, der bei
dem Druck, der zur Abschaltung führen soll, eine vorgegebene
Steuerbewegung ausführt.
-
Die
Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Schaltanordnung mit
einem derartigen Auslöser.
-
Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf strombegrenzende Schaltanordnungen
im Niederspannungsbereich, das heißt bis zu Spannungen
von ca. 1000 Volt. Derartige strombegrenzende Schaltanordnungen
sind insbesondere zur Unterbrechung von Strombahnen in einem Kurzschlussfall
oder in einem Überstromfall ausgebildet. Weiterhin können derartige
strombegrenzende Schaltanordnungen einpolig oder mehrpolig, insbesondere
dreipolig, ausgeführt sein. Sie können je Schaltpol
ein oder mehrere Schaltkontaktpaare aufweisen. Insbesondere sind diese
elektrischen Schaltanordnungen zum Abschalten von Strömen
von mehr als 100 A, insbesondere von mehreren kA, ausgelegt.
-
So
sind beispielsweise bei der Verwendung strombegrenzender Schaltgeräte,
insbesondere strombegrenzender Leistungsschalter beispielsweise
in Form von MCCBs (für Molded Case Circuit Breaker) in
weit verzweigten Stromverteilernetzen, selektive Staffelungen mit
einem Mindest-Nennstromabstand der beteiligten Schaltgeräte üblich.
Jede Verzweigungsebene kann dabei in Abhängigkeit von den
angeschlossenen Verbrauchern mit einem entsprechend dimensionierten
Schaltgerät gegen auftretende Überlasten und Kurzschlüsse
geschützt werden. Dabei ist beispielsweise ein Schaltgerät,
das einem Verbraucher am nächsten angeordnet ist und das
oft auch als verbrauchernahes bzw. nachgeordnetes Schaltgerät
bezeichnet wird, für den geringsten Nennstrom ausgelegt.
Fließt nun ein Kurzschlussstrom sowohl durch das verbrauchernahe
Schaltgerät als auch durch ein Schaltgerät, das
in der Hierarchie des Stromverteilernetzes über dem verbrauchernahen
Schaltgerät angeordnet und oft auch als verbraucherfernes
bzw. vorgeordnetes Schaltgerät bezeichnet wird, so soll
nur das verbrauchernahe Schaltgerät abschalten. Mit anderen
Worten soll im Störfall (Kurzschluss) nur das Schaltgerät,
das dem Ereignis am nächsten ist, den Stromfluss unterbrechen.
Die Schaltkontaktpaare des verbrauchernahen und des verbraucherfernen
Schaltgerätes ziehen beim Öffnen einen Lichtbogen,
wobei die Öffnungsweite der Schaltkontaktpaare und auch
die Lichtbogenenergie beim verbrauchernahen Schaltgerät
aufgrund des geringeren Massenträgheitsmomentes seiner
beweglichen Strombahn inklusive der Schaltkontakte höher
sind. Dieser unter Umständen nur einpoligen Öffnung
muss eine allpolige Abschaltung des verbrauchernahen Schaltgerätes
folgen. Das verbraucherferne Schaltgerät darf nicht abschalten, um
weitere Verbraucher nicht vom Sromverteilernetz zu trennen. Das
verbraucherferne Schaltgerät darf durch kurzes Abheben
der Schaltkontakte aber unterstützend wirken, also beispielsweise
durch Strombegrenzung zur Abschaltung des verbrauchernahen Schaltgerätes
beitragen. Schaltgeräte, die derart gestaffelt in Stromverteilernetzen
wirken, verhalten sich selektiv. Um diese Selektivität
zu erreichen, ist es erforderlich, das die dem Störfall
nächstlie genden Schaltgeräte die Strombahnen aller
Schaltpole schneller als die übergeordneten Schaltgeräte
unterbrechen.
-
Gattungsgemäße
Auslöser und Schaltanordnungen mit derartigen Auslösern,
die zu einer derart schnellen Unterbrechung von Strombahnen geeignet sind,
sind beispielsweise aus der deutschen Übersetzung
DE 691 10 540 T2 der
europäischen Patentschrift
EP 0 455 564 B1 und aus der deutschen Übersetzung
DE 692 17 441 T2 der
europäischen Patentschrift
EP 0 538 149 B1 bekannt.
-
Die
genannten Druckschriften
DE
691 10 540 T2 und
DE
692 17 441 T2 zeigen jeweils insbesondere eine elektrische
Schaltanordnung in Form eines Leistungsschalters mit Isolierstoffgehäuse,
der pro Schaltpol zwei in der Einschaltstellung des Leistungsschalters
federnd gegeneinander gedrückte Schaltkontakte umfasst.
Die Schaltkontakte können durch die Wirkung elektrodynamischer
Rückstoßkräfte getrennt werden, wenn
der die Schaltkontakte durchfließende Strom einen bestimmten
Schwellwert überschreitet, um so eine Begrenzung des genannten
Stroms zu bewirken. Der Leistungsschalter umfasst ein Überlast-
und/oder Kurzschluss-Erfassungsglied zur Beaufschlagung eines im
Fehlerfall die automatische Abschaltung des Leistungsschalters bewirkenden
Abschaltmechanismus. Weiterhin umfasst der Leistungsschalter ein
Betätigungsglied, das auf einen in der Trennzone der genannten Schaltkontakte
durch einen bei elektrodynamischem Rückstoß der
Schaltkontakte gezogenen Lichtbogen erzeugten Überdruck
anspricht, um den Abschaltmechanismus des Leistungsschalters zu
betätigen. Das Betätigungsglied ist eine gasdichte
Einheit, die ausschließlich mit der Trennzone der Schaltkontakte
verbunden ist und ein bewegliches Element wie z. B. einen Kolben
oder eine Membran mit einem begrenzten Steuerhub umfasst. Das bewegliche
Element wird zum einen mit dem genannten Überdruck und zum
anderen durch eine Rückholvorrichtung mit angepasster Wirkkraft
beaufschlagt. Die Verschiebung des beweglichen Elementes bewirkt
die Auslösung des genannten Abschaltmechanismus des Leistungsschalters,
wobei die genannte Rückholvorrichtung mit angepasster Wirkkraft
so bemessen ist, dass eine ungewollte Auslösung bei einfacher Überlast oder
ein Ansprechen eines nachgeschalteten strombegrenzenden Leistungsschalters
verhindert wird.
-
Der
Abschaltmechanismus der gezeigten Leistungsschalter ist dabei also
sowohl durch das Überlast- und/oder Kurzschluss-Erfassungsglied
als auch durch das unabhängig davon wirkende druckabhängige
Betätigungsglied auslösbar. Als Auslösekriterium
wird der beim Ziehen des Lichtbogens entstehende Überdruck
herangezogen, der in einem direkten Zusammenhang mit der Lichtbogenenergie steht.
Mit anderen Worten nimmt der Druck umso mehr zu, je höher
die Lichtbogenenergie ist. Durch die Auswertung des Überdrucks
ist somit eine energieselektive Abschaltung der genannten Leistungsschalter
möglich, wobei die Energieselektivität eine insbesondere
in Niederspannungsnetzen eingesetzte Selektivitätsart zur
Abschaltung im Kurzschlussfall darstellt, so wie dies auch in der
Druckschrift „Energetische Selektivität
in Niederspannungsnetzen", Schneider Electric, Technisches
Heft Nr. 167, Ausgabe Mai 1994 beschrieben ist.
-
Weitere
gattungsgemäßer Auslöser sowie gattungsgemäße
Schaltonordnungen sind aus den Druckschriften
US 3,631,369 A sowie
EP 1 266 387 B1 und
DE 100 13 161 B4 bekannt.
Diese umfassen zum Betätigen eines Abschaltmechanismus
jeweils ein Betätigungsglied, in Form eines Hebels, der
eine Staufläche in einem Gasaustrittskanal bildet. Dabei wird
das Betätigungsglied durch einen Gasstrom ausgelenkt, der
infolge eines durch den Lichtbogen erzeugten Überdruckes
in dem Gasaustrittskanal fließt.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung,
einen alternativen Auslöser anzugeben.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird durch einen Auslöser mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Erfindungsgemäß bildet
das bewegliche Element einen Kanalabschnitt des Strömungskanals, der
durch das Gehäuse nach außen führt.
-
Der
Strömungskanal kann damit in vorteilhafter Weise zusätzlich
zu einem Ausblaskanal ausgebildet werden, wobei durch den Ausblaskanal
die in Folge des Lichtbogens erzeugten Schaltgase nach Außen
gelangen sollen. Der erfindungsgemäße Auslöser
nutzt dann nicht den Gasstrom in im Ausblaskanal, so wie es beispielsweise
aus den Druckschriften
US
3,631,369 A und
EP
1 266 387 B1 bekannt ist, und behindert damit insbesondere
nicht das freie Abströmen der Schaltgase. Er kann an beliebiger
Stelle in dem die Trennzone der Kontakte begrenzenden Gehäuse – bevorzugt
in unmittelbarer Nähe zu den Schaltkontakten untergebracht
werden und stellt damit ein besonders schnelles Ansprechen sicher. Gleichzeitig
handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Auslöser
nicht um eine gasdichte Einheit, wie sie aus den Druckschriften
DE 691 10 540 T2 und
DE 692 17 441 T2 bekannt
sind. Der erfindungsgemäße Auslöser stellt
daher keine so hohen Anforderungen an die Dichtigkeit der Gas führenden
Gehäuseteile, erlaubt also größere Maßtoleranzen
bei der Herstellung.
-
Den
einzelnen Schaltpolen der elektrischen Schaltanordnung können
im Wesentlichen identische bewegliche Elemente zugeordnet werden,
so dass unabhängig davon, in welchem der Schaltpole die Schaltkontakte
aufgrund eines Kurzschlusses getrennt werden, das jeweilige bewegliche
Element gleich schnell anspricht, um beispielsweise über
ein gemeinsames Sammelglied den Abschaltmechanismus zu betätigen.
Quer zu den Schaltpolen verlaufende gasdichte Druckleitungen, wie
sie aus den Druckschriften
DE
691 10 540 T2 oder
DE 692 17 441 T2 bekannt sind, werden nicht
benötigt.
-
Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das
Gehäuse einen in die Bewegungsbahn des beweglichen Elementes
ragenden Wandabschnitt auf, der den Eingang des Kanalabschnittes
zum Ende der Steuerbewegung verschließt.
-
Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist der Kanalabschnitt mit einem Filter insbesondere mit einem Partikelfilter und/oder
entionisierenden Filter versehen ist, um Abbrandpartikel aus dem
entweichenden Gastrom zu filtern und/oder auf den entweichenden
Gasstrom entionisierend einzuwirken.
-
Ein
besonders schnelles Ansprechen des Auslösers kann dadurch
sichergestellt werden, dass das bewegliche Element eine bewegliche
Klappe zur Abgrenzung einer nischenartigen Vertiefung im die Trennzone
der Schaltkontakte umschließenden Gehäuse bildet,
die eine von dem Druck beaufschlagte Prallfläche aufweist.
Zur drehbaren Lagerung dieser Klappe in dem Gehäuse kann
die Klappe einen Schaft aufweisen, wobei sich der Kanalabschnitt
entlang der Drehachse des Schaftes erstreckt und einen zur nischenartigen
Vertiefung hin offenen Eingang und einen nach außen hin
offenen Ausgang aufweist.
-
Die
Erfindung sowie vorteilhaft Ausführungen der Erfindung
werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer elektrischen Schaltanordnung mit
einem erfindungsgemäßen Auslöser als
Druckerfassungsglied und
-
2 bis 5 verschiedene
Ansichten eines Schaltpoles eines strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalters
mit einem erfindungsgemäßen Auslöser
als Druckerfassungsglied, der als bewegliches Element eine drehbare
Klappe aufweist.
-
6 die
drehbare Klappe in perspektivischer Darstellung.
-
Die 1 zeigt
schematisch eine elektrische Schaltanordnung 1 in Form
eines einzelnen elektrischen Schaltgerätes (beispielsweise
eines Niederspannungs-Leistungsschalters) mit zwei Schaltkontakten 2, 3 zur
Unterbrechung einer ersten Strombahn 4 eines ersten Schaltpols.
Ein beweglicher 3 der Schaltkontakte ist dabei von einem
starren Kontaktglied 5 getragen. Das elektrische Schaltgerät weist
einen durch ein Gehäuse 6 begrenzten ersten Schaltraum 7 zur
Aufnahme der Schaltkontakte 2, 3 der ersten Strombahn
auf. Ein Antriebsmechanismus 8 des elektrischen Schaltgerätes
dient zum Öffnen und Schließen der Schaltkontakte.
Weiterhin weist das elektrische Schaltgerät einen Abschaltmechanismus 9 in
Form eines im Zuge des Antriebsmechanismus 8 angeordneten
Schaltschlosses und einen Auslöser 10 in Form
eines Druckerfassungsgliedes auf. In dem ersten Schaltraum 7 (Trennzone
der Kontakte) wird durch einen bei elektrodynamischem Rückstoß der
Schaltkontakte 2, 3 gezogenen Lichtbogen LB ein
Druck p erzeugt, unter Einwirkung dessen der Auslöser 10 (das
Druckerfassungsglied) ein Auslösen des Abschaltmechanismus 9 – also
ein Lösen der Verklinkung des Schaltschlosses – bewirkt,
um den Antriebsmechanismus 8 zum Öffnen der Schaltkontakte 2, 3 in
Gang zu setzen. Das Druckerfassungsglied bildet einen energieselektiven
Auslöser (Selektivauslöser), da der erzeugte Druck
p im Wesentlichen proportional zur Energie des gezogenen Lichtbogens
LB ist.
-
In
dem elektrischen Schaltgerät 1 sind neben dem
Auslöser 10 (als Druckerfassungsglied) auch noch
ein thermischer Auslöser 11 (als Überlast-Erfassungsglied),
ein elektromagnetischer Auslöser 12 (als Kurzschluss-Erfassungsglied)
und ein manueller Auslöser 13 vorgesehen, mittels
derer das Schaltschloss zum Öffnen der Schaltkontakte gelöst
werden kann. Es kann auch ein elektronischer Auslöser 14 (als Überlast-
und/oder Kurzschluss-Erfassungsglied) – also eine ETU (für
electronic trip unit) vorgesehen werden.
-
Das
elektrische Schaltgerät weist parallel zu dem in der 1 gezeigten
Schaltraum 7 weitere Schalträume auf, in denen
Schaltkontakte weiterer Schaltpole angeordnet sind.
-
Die 2 bis 5 zeigen
verschiedene Ansichten eines Schaltpoles 115 und einer
Auslösewelle 116 des Abschaltmechanismus 109 eines strombegrenzenden
Niederspannungs-Leistungsschalters 101. Der Schaltpol umfasst
ein aus zwei Halbschalen 117, 118 zusammengesetztes
Gehäuse 106, in dem die Schaltkontakte 102, 103 aufgenommen
sind. Der erfindungsgemäße Auslösers 110, umfasst
ein Betätigungsglied, das auf den Druck p anspricht, der
in dem Schaltraum 107 (in der Trennzone der Schaltkontakte 102, 103)
durch den bei elektrodynamischem Rückstoß der
Schaltkontakte gezogenen Lichtbogen LB erzeugt wird. Das Betätigungsglied
weist ein bewegliches Element 120 in Form einer drehbaren
Klappe mit einer durch Anschläge 121, 122 (vgl. 4)
begrenzten Steuerbahn auf. Die Lageänderung des durch den
Druck p beaufschlagten beweglichen Elementes 120 – hier
in Form einer Schwenkbewegung um eine in der 5 mit 123 bezeichneten
Drehachse – bewirkt die Betätigung eines hier
als Sammelwelle 124 ausgebildeten Sammelgliedes, dem auch
die beweglichen Elemente der übrigen Schaltpole zugeordnet
sind und das seinerseits die Auslösewelle zum Auslösen
des Abschaltmechanismus betätigt. Eine das bewegliche Element 120 mittelbar über
die Sammelwelle 124 mit angepasster Federkraft beaufschlagende,
in der 2 als Ganzes mit 125 bezeichnet Rückhaltevorrichtung,
ist ebenfalls dargestellt. Die Wirkkraft der Rückhaltevorrichtung 125 ist
so bemessen, dass sowohl eine ungewollte Auslösung des
Abschaltmechanismus 109 bei einfacher Überlast
als auch ein Ansprechen eines nachgeschalteten strombegrenzenden
Schaltgeräts verhindert wird.
-
Das
bewegliche Element 120 (hier die drehbare Klappe) bildet
erfindungsgemäß einen durch das Gehäuse 106 nach
außen geführten Kanalabschnitt 126 eines
Strömungskanals. Dieser Kanalabschnitt 126 kann
in der dargestellten Weise mit einem Filter 127 versehen
werden, mittels dessen Abbrandpartikel aus dem entweichenden Gastrom 128 gefiltert
werden und der auf den entweichenden Gasstrom 128 entionisierend
einwirkt.
-
Die
Klappe übergreift einen U-förmig abgebogenen Endabschnitt
der Strombahn 104, an dem der feststehende 102 der
Schaltkontakte angeordnet ist. Sie grenzt dabei einen in der 4 mit 128 bezeichneten,
nischenartigen Abschnitt der Trennzone der Schaltkontakte vom übrigen
Schaltraum 106 ab und bildet eine von dem Druck p beaufschlagte
Prallfläche 129. Zur drehbaren Lagerung der Klappe
in einem den nischenartigen Abschnitt 128 der Trennzone
von außen abgrenzenden Teil des Gehäuses 106 weist
die Klappe einen Schaft 130 auf, der mit dem Kanalabschnitt 126 versehenen
ist, wobei der Kanalabschnitt 126 gemäß der 5 und 6 einen
zum nischenartigen Abschnitt 128 hin offenen Eingang 131 und
einen nach außen hin offenen Ausgang 132 aufweist.
Der Kanalabschnitt 126 erstreckt sich also entlang der
Drehachse 123 der Klappe.
-
Gemäß der 4 weist
das Gehäuse 106 einen in die Bewegungsbahn der
Klappe ragenden Wandabschnitt 133 auf, der den Eingang 131 des
Kanalabschnittes 126 zum Ende der Steuerbewegung verschließt.
-
Die
erfindungsgemäße, innerhalb des Schaltraumes 107 vom
Druck p beaufschlagte drehbare Klappe, von deren Schaft 130 die
Prallflächen 129 abragen, dient damit zur Abnahme
eines gasdruckabhängigen Auslösesignals ohne die
Gasströmung 134 im Ausblaskanal 135 zu
nutzen. Die Drehachse 123 der Klappe, die im Bereich des
feststehenden 102 der Schaltkontakte gelagert ist, bildet
dabei gleichzeitig den Kanalabschnitt 126, über
den der Luftstau hinter der Klappe – also im Bereich des
nischenartigen Abschnitts – abgebaut werden kann. Durch
die Ro tation des Schaftes wird der Eingang 131 des Kanalabschnitts 126 verringert
und schließlich, wenn die Klappe den Anschlag 122 erreicht
hat, nahezu geschlossen. Der in dem Kanalabschnitt 126 angeordnete
Filter 127 verhindert den Austritt unerwünschter
Medien in Form von Ionen und Abbrandpartikeln in einen die einzelnen
Schaltpole aufnehmenden, hier nicht weiter dargestellten Innenraum des
Schalters 101. Die Drehbewegung der Klappe wird nach außen
auf einen Signalhebel 136 geleitet, der drehfest auf den
Schaft 130 aufgesteckt ist. Die mittels der Rückhaltevorrichtung 125 definiert
gefederte Sammelwelle 124 weist pro Schaltpol jeweils einen
den Signalhebeln 136 zugeordneten Mitnehmer 137.
Sie erfasst die Rotationsbewegung der Signalhebel 136 aller
Schaltpole und überträgt diese Rotationsbewegung
als Ausschaltsignal mittels eines Betätigungshebels 138 auf
einen Mitnehmer 139 der Auslösewelle 116 des
Auslösemechanismus 109 des Schalters.
-
Beim
elektrodynamischen Öffnen der Schaltkontakte 102, 103 dreht
das Kontaktglied 105 aus einer geschlossenen Stellung,
bei der die Schaltkontakte 103 an den Schaltkontakten 103 anliegen,
um einen bestimmten Öffnungswinkel. Bis zu einem vorgegebenen
Wert dieses Öffnungswinkels, erfährt das Kontaktglied 105 dabei
in bekannter, hier nicht gezeigter Weise eine zurückstellende
Kraftwirkung von Kontaktfedern. Erst beim Erreichen des vorgegebenen
Wertes des Öffnungswinkels wird das Kontaktglied 105 in
bekannter, hier ebenfalls nicht weiter beschriebener Weise verrastet.
Der vorgegebene Wert des Öffnungswinkels beträgt
beispielsweise 20°–25°. Bleibt das Kontaktglied 105 bei
elektrodynamischer Öffnung unterhalb dieses Wertes des Öffnungswinkels,
so soll keine Auslösung des Abschaltmechanismus 109 erfolgen
und das Kontaktglied 105 soll zum Schließen der
Schaltkontakte 102, 103 wieder in seine geschlossene
Stellung zurückfallen. Erreicht der Öffnungswinkel
beim Öffnen den vorgegebenen Wert, so soll eine unverzögerte
Auslösung erfolgen.
-
Beim
elektrodynamischen Öffnen der Schaltkontakte 102, 103 wird
ein Lichtbogen LB erzeugt, deren Länge und Energie zur
Größe des Öffnungswinkels proportional
ist. Der dabei entstehende Gasdruck p wird auf die Prallfläche 129 der
drehbaren Klappe geleitet. Das Auslösekriterium kann dabei insbesondere
durch die Kennlinie der federnden Rückhaltevorrichtung 138 aber
auch konstruktiv durch die Größe und Gestalt der
Prallfläche 129 eingestellt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 69110540
T2 [0005, 0006, 0012, 0013]
- - EP 0455564 B1 [0005]
- - DE 69217441 T2 [0005, 0006, 0012, 0013]
- - EP 0538149 B1 [0005]
- - US 3631369 A [0008, 0012]
- - EP 1266387 B1 [0008, 0012]
- - DE 10013161 B4 [0008]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Energetische
Selektivität in Niederspannungsnetzen”, Schneider
Electric, Technisches Heft Nr. 167, Ausgabe Mai 1994 [0007]