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Die Erfindung betrifft ein Installationsschaltgerät mit einem Gehäuse, mit einer Kontaktstelle, die einen feststehenden und ein beweglichen Kontakt umfasst, und mit einem Magnetsystem, das im Falle eines Kurzschlussstromes die Kontaktstelle öffnet, unter Entstehung eines Lichtbogens zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Kontakt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein solches Installationsschaltgerät ist beispielsweise ein Leitungsschutzschalter. Heute bekannte Leitungsschutzschalter besitzen mindestens eine Kontaktstelle und eine Lichtbogenlöschkammer. Der Lichtbogen wird in die Löschkammer abgelenkt. Durch die Aufteilung des Lichtbogens in der Löschkammer übersteigt die Lichtbogenspannung die Netzspannung und der Lichtbogen verlöscht.
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Beim Auftreten eines Kurzschlusses werden die Kontakte durch Einwirken des Magnetsystems getrennt, wodurch immer ein Lichtbogen entsteht. Dieser kommutiert auf eine Lichtbogenleitschiene und läuft, geführt durch die Leitschiene, in die Löschkammer ein. Durch diesen zeitlichen Ablauf beginnt die Strombegrenzung mit einer gewissen geringen Verzögerungszeit, typischerweise im Bereich weniger Millisekunden. Dies führt dazu, dass bei hoher Stromsteilheit ein relativ hoher Durchlassstrom erreicht werden kann. Außerdem können bei der bekannten Technik die bei der Lichtbogenentstehung bzw. Lichtbogenlöschung entstehenden ionisierten Gase durch einen Abluftkanal aus dem Gerätinnern heraus in die Umgebung des Gehäuses geleitet werden, weshalb ein genormter Mindestabstand zwischen den Gerätereihen eingehalten werden muss um weitere Folgeschäden durch die ausblasenden Gase im Installationsschrank zu vermeiden.
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Es ist daher die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Installationsschaltgerät, beispielsweise einen Leitungsschutzschalter, so zu verbessern, dass eine schnellere Begrenzung des Kurzschlussstromes ohne Ausblasen der dabei entstehenden ionisierten Gase bewirkt wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Installationsschaltgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist die Kontaktstelle im Inneren einer druckfesten Kammer angeordnet, so dass aufgrund eines durch den Lichtbogen hervorgerufenen Druckanstieges im Inneren der druckfesten Kammer ein Verlöschen des Lichtbogens bewirkt wird. Das Prinzip beruht darauf, dass durch den immer größer werdenden Druck der Widerstand des Lichtbogens so hoch wird, bis der Kurzschlussstrom 0A beträgt und damit der Lichtbogen erlischt. Das geschieht im inneren einer druckfesten Kammer sehr schnell. Da eine druckfeste Kammer gasundurchlässig ist, können auch keine Löschgase in den Raum außerhalb des Gerätes entweichen. Eine solche druckfeste Kammer kann daher auch als gekapselte Lichtbogenkammer bezeichnet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die druckfeste Kammer ein Gehäuse, umfassend ein Grundteil und ein Überwurfteil auf, wobei der feststehende Kontakt in dem Grundteil aufgenommen ist, und wobei das Überwurfteil eine Durchführung für einen Kontaktträger des beweglichen Kontaktes aufweist.
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Das Grundteil kann aus Metall bestehen und eine Napfform haben. Ebenso kann der feste Kontakt eine Napfform haben und in die Napfform des Grundteils eingefügt sein. Der bewegliche Kontakt kann dann im Inneren der Napfform des festen Kontaktes von dessen Seitenwänden umgeben sein, so dass er von den Wänden der Napfform des festen Kontaktes wie von einer Scheide umgeben ist. Der feste Kontakt kann beispielsweise aus einer sehr gut leitfähigen Metalllegierung mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, beispielsweise aus Konstantan, CuNiMn. Das hat den Vorteil, dass bei den hohen Temperaturen, die bei der Entstehung des Lichtbogens auftreten, keine allzu starke mechanische Deformation des Grundteils und des festen Kontaktes zu erwarten ist.
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Der Kontaktträger des beweglichen Kontaktes kann längsverschieblich in der Durchführung aufgenommen und mit einem Isolationsteil versehen sein, so dass er elektrisch gegen die Innenwand der druckfesten Kammer isoliert ist. Auch der bewegliche Kontakt kann vorteilhafterweise aus einer sehr gut leitfähigen Metalllegierung mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, beispielsweise aus Konstantan, CuNiMn. Dabei kann der feste Kontakt so aufgebaut sein, dass er einen Kontaktträger aus beispielsweise Kupfer oder einem anderen sehr gut leitfähigen Metall umfasst, der mit einem Kontaktstück aus beispielsweise Konstantan versehen ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind das Grundteil und das Überwurfteil druckfest miteinander verschraubt, was auf einfache Art und Weise eine sehr druckfeste und dennoch wieder lösbare Verbindung beider Teile ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst das Magnetsystem ein Magnetjoch, das versehen ist mit einem feststehenden Kern, einer Spule und einem beweglichen Anker, und der Anker ist mit dem Kontaktträger des beweglichen Kontaktstücks so gekoppelt, dass bei Auftreten eines Kurzschlussstromes eine schnelle Trennung des beweglichen Kontaktes von dem festen Kontakt bewirkt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das Magnetjoch mit dem Gehäuse der druckfesten Kammer fest gekoppelt. Das hat den Vorteil, dass eine einheitliche Baugruppe aus Magnetsystem und der gekapselten Lichtbogenkammer geschaffen ist. Diese kann als vorfertigbare Baueinheit bei der Montage des Installationsschaltgerätes in dessen Innenraum eingesetzt werden, so dass eine sehr montagefreundliche Konstruktion gegeben ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Gehäuseverbindungsteil aus isolierendem Material vorhanden, das einer Seite mit dem Magnetjoch und an einer zweiten Seite mit dem Überwurfteil versehen ist. Dadurch ist das Magnetsystem galvanisch von den Kontaktstücken getrennt. Eine in vorteilhafter Ausführungsform verwendete Schraubverbindung zwischen dem Magnetjoch und dem Gehäuseverbindungsteil auf einer Seite und zwischen dem Überwurfteil auf der anderen Seite bewirkt eine druckfeste und dennoch lösbare Verbindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist ein Ankerverbindungsteil aus isolierendem Material vorhanden, das an einer Seite mit dem Anker und an einer zweiten Seite mit dem Kontaktträger des beweglichen Kontaktstücks versehen ist. in einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich dabei um einen Stift mit beidseitig angebrachten Schraubgewinden, mit denen der Anker mit dem Kontaktträger verschraubt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist das Gehäuseverbindungsteil mit einem Verriegelungsmittel versehen, welches dazu eingerichtet ist, um den beweglichen Kontakt nach dessen Trennung von dem festen Kontakt in der von dem festen Kontakt getrennten Position zu halten. Damit kann nach der Kontakttrennung die Kontaktstelle dauerhaft offengehalten werden, wodurch ein Kontaktprellen verhindert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist das Installationsschaltgerät mit einem Schaltwerk versehen, das von einem Bedienhebel betätigt werden kann, wobei das Schaltwerk über eine erste Wirkverbindungslinie mit dem Verriegelungsmittel zu dessen Entriegelung verbunden ist. Damit kann das Installationsschaltgerät manuell wieder eingeschaltet werden, wenn der Kurzschlussstrom abgestellt wurde.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist das Installationsschaltgerät mit einem Schaltwerk versehen, das von einem Bedienhebel betätigt werden kann, wobei das Schaltwerk über eine zweite Wirkverbindungslinie mit dem beweglichen Kontakt zu dessen Öffnung verbunden ist. Damit kann ein Schließen und Öffnen des Kontaktes bzw. das Trennen und Verbinden des Stromkreises auch manuell von Hand geschehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes kann ein Nebenstrompfad, umfassend eine Reihenschaltung aus einem Strombegrenzungswiderstand, einem Thermobimetallaktor und einer Nebenkontaktstelle, parallel zu der Kontaktstelle geschaltet sein, wobei der Thermobimetallaktor über eine dritte Wirkverbindungslinie mit dem Schaltwerk und das Schaltwerk über eine vierte Wirkverbindungslinie mit der Nebenkontaktstelle verbunden ist, wobei beim Öffnen der Kontaktstelle der Strom in den Nebenstrompfad kommutiert und nach einer durch den Wert des Strombegrenzungswiderstandes festlegbaren Verzögerungszeit der Thermobimetallaktor auf das Schaltwerk zum Öffnen der Nebenkontaktstelle und zum entriegeln des Verriegelungsmittels einwirkt. Dadurch kann ein erfindungsgemäßes Installationsschaltgerät auch als selektives Kurzschlussstromschaltendes Schutzorgan eingesetzt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand der Zeichnungen, in denen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Installationsschaltgerätes, welches als nicht selektiver Leitungsschutzschalter ausgelegt ist,
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2 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Installationsschaltgerätes, welches als selektiver Leitungsschutzschalter ausgelegt ist,
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3 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Installationsschaltgerätes, welches als Kurzschlussstrombegrenzer ausgelegt ist,
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4 die schematische Darstellung einer Baueinheit aus Magnetsystem und gekapselter Lichtbogenkammer, bei geschlossenem Kontakt, sowie
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5 die schematische Darstellung einer Baueinheit aus Magnetsystem und gekapselter Lichtbogenkammer, bei geöffnetem Kontakt und entstehendem Schaltlichtbogen.
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In den Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Bauteile oder Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Es werden zunächst die 4 und 5 betrachtet, in denen der grundlegende Aufbau und die grundlegende Funktionsweise der Kurzschlussstrombegrenzung mit einer gekapselten Lichtbogenkammer erläutert wird.
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Der in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße Kurzschlussstrombegrenzer mit gekapselter Lichtbogenkammer 100, im Folgenden auch als KMGL bezeichnet, hat einen elektrischen beweglichen Kontakt 8 und einen Festkontakt 9, über die der zu schützende Stromkreis geschaltet und geschützt wird. In der vorliegenden Zeichnung der 4 und 5 ist der KMGL so ausgeführt, dass im Normalbetrieb der Betriebsstrom durch die Zuleitung 5 über die Magnetspule 2 des Magnetsystems 1, 2, 3, 4, 15, weiter über die elektrische Verbindungsleitung 13, über den beweglichen Kontakt 8, hinüber zum Festkontakt 9, weiter durch die Abgangsleitung 5 hin zu den nachgeschalteten Anlagenteilen fließen kann.
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Die druckfeste Kammer 16 hat ein Druckkammergehäuse 10, umfassend ein Grundteil 20 und ein Überwurfteil 21, wobei der feststehende Kontakt 9 napfförmig ausgebildet und in dem Grundteil 20 aufgenommen ist, und wobei das Überwurfteil 21 eine Durchführung für einen Kontaktträger 24 des beweglichen Kontaktes 8 aufweist.
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Der Kontaktträger 24 des beweglichen Kontaktes 8 ist längsverschieblich in der Durchführung aufgenommen und mit einem Isolationsteil 26 versehen, so dass er elektrisch gegen die Innenwand der druckfesten Kammer isoliert ist. Das Isolationsteil 26 trägt auch zur Abschottung der Druckkammer 16 bei.
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Das Grundteil 20 und das Überwurfteil 21 sind druckfest über ein Schraubgewinde 23 miteinander verschraubt.
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Das Magnetsystem umfasst ein Magnetjoch 1, das versehen ist mit einem feststehenden Kern 3, einer Spule 2 und einem beweglichen Anker 4. Der Anker 4 ist über ein isolierendes Verbindungsstück 7 mit dem Kontaktträger 24 des beweglichen Kontaktstücks 8 gekoppelt, hier beispielsweise verschraubt. Bei Auftreten eines Kurzschlussstromes wird damit eine schnelle Trennung des beweglichen Kontaktes von dem festen Kontakt bewirkt
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Ein Gehäuseverbindungsteil 6 aus isolierendem Material ist an einer Seite mit dem Magnetjoch 1 und an einer zweiten Seite mit dem Überwurfteil 21 versehen. Dadurch ist das Magnetsystem galvanisch von den Kontaktstücken getrennt. Hier ist durch Schraubgewinde 25 eine Schraubverbindung zwischen dem Magnetjoch 1 und dem Gehäuseverbindungsteil 6 auf einer Seite und zwischen dem Überwurfteil 21 auf der anderen Seite bewirkt und damit eine druckfeste und dennoch lösbare Verbindung hergestellt.
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Das Gehäuseverbindungsteil 6 ist mit einem Verriegelungsmittel 17, hier auch als Schaltraste bezeichnet, versehen, welches dazu eingerichtet ist, um den beweglichen Kontakt 8 nach dessen Trennung von dem festen Kontakt 9 in der von dem festen Kontakt 9 getrennten Position zu halten.
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Bei der Stromstärke eines Betriebsstromes im normal zulässigen Bereich bleibt der bewegliche Kontakt 8 im geschlossenen Zustand, da die Kontaktdruckfeder 11 durch ihre Fesselkraft der magnetischen Erregung des Magnetsystems 1, 2, 3, 4, 15 entgegenwirkt.
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Steht im Fehlerfall im Stromkreis ein hoher Strom, verursacht durch einen Kurzschluss, an, so wird das Magnetsystem des KMGL durch die Magnetspule 2 stark erregt. Dadurch wird der Magnetanker 4 durch das Magnetfeld in Richtung Magnetkern 3 angezogen und überwindet die Fesselkraft der Kontaktdruckfeder 11 so dass sich der bewegliche Kontakt 8 schlagartig öffnet, da der Magnetanker 4 mit dem beweglichen Kontakt 8 über eine isolierte mechanische Verbindung 7 verbunden ist. Die Verbindung 7 ist hier ein Stift mit beidseitig angebrachtem Schraubgewinde. Der Magnetanker 4 ist mit dem beweglichen Kontakt 8 über die isolierte mechanische Verbindung 7 verschraubt.
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Beim Trennen der Kontaktstücke wird der Kontaktträger 24 nach oben verschoben, so dass ein Kontaktüberhub 27 zwischen der Napfwand des festen Kontaktes 9 und dem Isolationsteil 26 entsteht.
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Die Kontakte 8, 9 befinden sich in der geschlossenen Druckkammer 16, weshalb der dann durch den anstehenden Kurzschlussstrom entstandene Lichtbogen 110 durch den schnell ansteigenden Druck eingeschnürt und letztendlich gelöscht wird.
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Das Prinzip beruht darauf, dass durch den immer größer werdenden Druck der Widerstand des Lichtbogens 110 so hoch wird, bis der Kurzschlussstrom 0A beträgt und damit der Lichtbogen 110 erlischt.
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Während des erregten Zustandes des Magnetsystems 1, 2, 3, 4, 15 im geöffneten Zustand des beweglichen Kontaktes 8 wird die den beweglichen Kontakt 8 umgebende Isolierung 14 gegen einen Dichtring 12 gedrückt, um während der Lichtbogenlöschung den Druck in der Druckkammer 16 zu steigern bzw. diesen nicht abzubauen.
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Durch die bei der offenen Kontaktstellung entstehende Verrastung der Schaltraste 17 in die Nut 18 des beweglichen Kontaktes 8 kann dieser nicht mehr in die geschlossene Stellung zurückfallen, sondern erst nach dem Lösen selbiger.
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Die Betätigung der Schaltraste 17 erfolgt durch einen Kraftspeicher, welcher ein federelastisches Element oder eine Feder sein kann.
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Das Lösen der Schaltraste könnte aber auch durch ein Bimetall erfolgen, welches wie bei einem selektiven Leitungsschutzschalter durch einen energiebegrenzten Nebenstromkreis erwärmt wird. Dadurch kann der KMGL nicht nur als Kurzschlussstrombegrenzendes, sondern auch als Kurzschlussstromschaltendes Schutzorgan eingesetzt werden. Diese Schaltvariante ist in dem Schaltschema der 2 gezeigt.
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Der KMGL kann auch mit einem Schaltwerk gekoppelt bzw. ausgestattet werden, durch welches ein Schließen und Öffnen des Kontaktes 8, 9 bzw. das Trennen und Verbinden des Stromkreises auch manuell von Hand geschehen kann. Diese Schaltvariante ist in dem Schaltschema der 1 gezeigt.
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Die KMGL – Baugruppe ist bevorzugt als runde oder zylinderförmige Bauform ausgeführt. Joch, Kern und Anker bestehen beispielsweise aus Eisen. Der Kontaktträger 24 besteht beispielsweise aus Kupfer. Das Überwurfteil 21 besteht beispielsweise aus Messing. Das bewegliche Kontaktstück und der Festkontakt bestehen beispielsweise aus Konstantan.
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Es werde nun die 1 betrachtet. Diese zeigt ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Installationsschaltgerätes 200, welches als nicht selektiver Leitungsschutzschalter ausgelegt ist. Das Gerät 200 hat ein Gehäuse 201, in dessen innerem zwischen einer ersten und einer zweiten Anschlussklemme 202, 203 ein Hauptstrompfad durch einen KMGL fließt, wie er oben im Zusammenhang mit den 4 und 5 beschrieben wurde. Man erkennt schematisch das Druckkammergehäuse 10, die Kontaktstelle mit dem beweglichen Kontakt 8, das Magnetsystem 204, die Schaltraste 17 und deren Wirkverbindungslinie 205 zu dem beweglichen Kontakt 8.
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Das Installationsschaltgerät 200 ist mit einem Schaltwerk 206 versehen, das von einem Bedienhebel 207 betätigt werden kann, wobei das Schaltwerk 206 über eine erste Wirkverbindungslinie 208 mit dem Verriegelungsmittel 17 zu dessen Entriegelung verbunden ist. Weiter ist das Schaltwerk 206 über eine zweite Wirkverbindungslinie 209 mit dem beweglichen Kontakt 8 zu dessen Öffnung verbunden.
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Es werde nun die 2 betrachtet. Diese zeigt ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Installationsschaltgerätes 200a, welches als selektiver Leitungsschutzschalter ausgelegt ist. Zusätzlich zu den Komponenten, die schon in der Ausführungsform nach 1 gezeigt sind, ist hier noch ein Nebenstrompfad vorhanden, umfassend eine Reihenschaltung aus einem Strombegrenzungswiderstand 210, einem Thermobimetallaktor 211 und einer Nebenkontaktstelle 212, die parallel zu der Kontaktstelle 8, 9 geschaltet ist, wobei der Thermobimetallaktor 211 über eine dritte Wirkverbindungslinie 213 mit dem Schaltwerk 206 und das Schaltwerk 206 über eine vierte Wirkverbindungslinie 214 mit der Nebenkontaktstelle 211 verbunden ist, wobei beim Öffnen der Kontaktstelle 8, 9 der Strom in den Nebenstrompfad kommutiert und nach einer durch den Wert des Strombegrenzungswiderstandes 210 festlegbaren Verzögerungszeit der Thermobimetallaktor 211 auf das Schaltwerk 206 zum Öffnen der Nebenkontaktstelle 212 und zum Entriegeln des Verriegelungsmittels 17 einwirkt. Damit ist ein selektives Abschalten eines Kurzschlussstromes bewirkt, d. h., der Strom wird im Kurzschlussfall nicht sofort abgeschaltet, sondern über den Nebenstrompfad noch eine Weile lang strombegrenzt fließen lassen, um nachgeordneten Schutzschaltern die Möglichkeit zu geben, den Kurzschluss ihrerseits abzuschalten. Erst wenn dies innerhalb der festlegbaren Verzögerungszeit nicht geschieht, öffnet auch der Nebenkontakt und der Stromfluss ist vollends unterbrochen.
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Es werde nun 3 betrachtet. Diese zeigt ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Installationsschaltgerätes 200b, welches als Kurzschlussstrombegrenzer ausgelegt ist. Es ist keine Schaltraste 17 vorhanden. Damit kann die Kontaktstelle nicht dauerhaft offengehalten werden. Der KMGL 100 wirkt als reiner Kurzschlussstrombegrenzer.
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Die vorliegende Erfindung soll selbstverständlich auch beliebige Kombinationen bevorzugter Ausführungsformen sowie einzelner Ausgestaltungsmerkmale oder Weiterbildungen umfassen, sofern diese sich nicht gegenseitig ausschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Joch Magnetsystem
- 2
- Magnetspule
- 3
- Magnetkern
- 4
- Magnetanker
- 5
- Anschluss Zugang/Abgang
- 6
- Gehäuseverbindungsteil
- 7
- Isolierte Verbindung zwischen Magnetanker und beweglichem Kontakt
- 8
- beweglicher Kontakt
- 9
- Festkontakt
- 10
- Druckkammergehäuse
- 11
- Kontaktdruckfeder
- 12
- Dichtring zur Abdichtung Druckkammer
- 13
- elektrische Verbindung Magnetspule zu beweglichem Kontakt
- 14
- Isolierung beweglicher Kontakt
- 15
- Magnetankerführung und Isolierung Magnetspule zu Magnetjoch
- 16
- Druckkammer
- 17
- Schaltraste
- 18
- Loch für die Aufnahme der Schaltraste im geöffneten Zustand
- 20
- Grundteil
- 21
- Überwurfteil
- 22
- Kontaktträger
- 23
- Schraubgewinde
- 24
- Kontaktträger
- 25
- Schraubgewinde
- 26
- Isolationsteil
- 27
- Kontaktüberhub
- 100
- KMGL
- 110
- Lichtbogen
- 200, 200a, 200b
- Installationsschaltgerät
- 201
- Gehäuse
- 202, 203
- Anschlussklemme
- 204
- Magnetsystem
- 205
- Wirkverbindungslinie
- 207
- Bedienhebel
- 208
- erste Wirkverbindungslinie
- 209
- zweite Wirkverbindungslinie
- 210
- Strombegrenzungswiderstand
- 211
- Thermobimetallaktor
- 212
- Nebenkontakt
- 213
- dritte Wirkverbindungslinie
- 214
- vierte Wirkverbindungslinie
