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Die Wirkungsweise selektiver Hauptleitungschutzschalter ist z. B. aus der
DE 2854711 bzw.
WO 2009/146900 bekannt.
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Diese mechanischen Schaltgeräte werden aufgrund ihrer besonderen elektrischen Eigenschaften überwiegend im unteren Anschlussraum am Zählerplatz als Hauptschalter eingesetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde derartige Schaltgeräte von einer weit entfernten zentralen Stelle über ein Steuersignal schaltbar zu machen.
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Anbaubare Anordnungen wie sie z. B. in der
DE 3710520 bzw.
DE 3711138 offenbart wurden sind z. B. für die Nachrüstung in bestehenden Anlagen wegen ihres großen Platzbedarfs im Vergleich zu handelsüblichen Schutzschaltgeräten nicht besonders geeignet. Es ist daher anzustreben ein kompaktes, fernbedienbares, mechanisches Schaltgerät zu schaffen, welches die elektrischen Eigenschaften eines selektiven Hauptleitungs-Schutzschalters besitzt und in seinen geometrischen Abmessungen, sowie seinen elektrischen Anschlüssen, kompatibel zu ähnlichen, marktgängigen Schaltgeräten aus der Serienfertigung ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe bildet die Erfindung einen fernbedienbaren, selektiven Hauptleitungsschutzschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
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Dementsprechend kommt als Fernschalteinrichtung ein Aktor zur Anwendung, welcher im wesentlichen aus einem Elektromotor in Verbindung mit einem Schneckentrieb besteht und der als Folge eines Steuersignals, welches über ein Empfangsmodul, durch eine elektronische Schaltung aufbereitet, eine hin- und hergehende Schaltbewegung erzeugt, die den gewünschten Schaltzustand des betriebsbereiten Schaltgerätes simultan herstellt. In Anbetracht des von dieser Fernschalteinrichtung beanspruchten Raumes bildet die Erfindung einen fernbedienbaren, selektiven Hauptleitungsschutzschalter, gemäß den Merkmalen seines Kennzeichenteils, aus.
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Danach werden in vorteilhafter Ausgestaltung, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2, Maßnahmen vorgeschlagen, welche diesen Raumgewinn ermöglichen.
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So erfüllt z. B. der thermischen Auslöser je nachdem ob als Anlagenfehler Überstrom oder Kurzschluß vorliegt eine Doppelfunktion, welche der jeweiligen Fehlersituation angepasst ein zweites aufwendiges Bauteil erspart.
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Desweiteren wird der Begrenzungswiderstand, wie er z. B. in
WO 03/065398 beschrieben ist, direkt im Magnetauslöser integriert, so dass auch für dieses Bauteil kein zusätzlicher Raumbedarf erforderlich wird.
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Die Erfindung wird nachfolgenden anhand der Blockschaltbilder und der Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In 1 ist die Wirkungsweise der Kombination Hauptleitungsschutzschalter – Fernschalteinrichtung schematisch dargestellt.
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Im eingeschalteten Zustand des Schaltgerätes fließt der Betriebsstrom im Hauptstromkreis von der Klemme 12 durch die Schlagspule 20, den beweglichen Kontakt 31 mit der Kontaktstelle 16 über den Heizleiter 19 zur Klemme 11.
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Erfolgt nun der Steuerbefehl „AUS” von der Zentrale so wird dieser vom Empfangsmodul 1 entgegengenommen und an die Elektronik 2 zur Aufbereitung weitergegeben. Dabei erfolgt die Spannungsversorgung für die Fernschalteinrichtung über die Klemmen 12 und 13. Das durch einen integrierten Schaltkreis aufbereitete Signal setzt den Aktor 3 frequenzgenau in. Bewegung und stoppt diesen Vorgang nach Beendigung des Schaltweges im Kontaktsystem 4, wobei gleichzeitig die Polarität der Spannungsversorgung am Aktor 3 gewechselt wird, so dass beim nächsten Steuerbefehl der gleiche Vorgang aber im umgekehrter Richtung ablaufen kann.
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Die zu schützende elektrische Anlage ist somit über den betriebsbereiten Hauptleitungsschutzschalter von einer Zentrale fernaus – und ferneinschaltbar. Eine Veränderung des Schaltzustandes „AUS” durch manuelle Betätigung des Schaltgerätes vor Ort ist damit ausgeschlossen.
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Entsteht in der elektrischen Anlage ein Fehler z. B. durch Überstrom, dann erfolgt durch diesen eine Temperaturerhöhung am Heizleiter 19 im thermischen Auslöser 6, wodurch das Selektivbimetall 8 das Schaltschloss 5 nach einer konventionell festgelegten Zeit entklinkt, so dass dieses die Kontakte im Kontaktsystem 4 öffnet und damit den gefährdeten Stromkreis unterbricht. Dieser Vorgang ist von der Fernschalteinrichtung nicht beeinflussbar, eine Wiedereinschaltung ist nur manuell vor Ort möglich.
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Entsteht in der elektrischen Anlage hingegen ein Fehler z. B. durch Kurzschluss, dann wird durch diesen Strom in der Schlagspule 20 des Magnetauslösers 7 eine hohe Magnetkraft induziert, so dass der Anker 40 über den Stössel 15 die Kontaktstelle 16 schlagartig öffnet und offen hält. Dabei wird der Kurzschlußstrom durch die Löscheinrichtung 10 soweit begrenzt bis eine Kommutierung in den Selektivkreis stattfindet.
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Dieser durch den Selektivwiderstand 9 reduzierte Reststrom fließt nun direkt durch das Selektivbimetall 8, welches das Schaltschloss 5 entklinkt und den gestörten Stromkreis kurz verzögert abschaltet.
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Während dieser Zeit hat jedoch der dem Hauptleitungsschutzschalter nachgeschaltete und der Fehlerquelle am nächsten liegende Leitungsschutzschalter den gefährdeten Stromkreis bereits in wesentlich kürzerer Zeit unterbrochen, so dass der Hauptleitungsschutzschalter selektiv arbeitet, eingeschaltet bleibt und damit seine Funktion erfüllt.
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In der Praxis zeigte sich, dass Hauptleitungsschutzschalter bei denen der thermische Auslöser im Normalbetrieb dauernd vom Betriebsstrom durchflossen wird durch die dabei entstehende Verlustwärme in ihrer Verfügbarkeit eingeschränkt sind.
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Gemäß einer Weiterbildung nach den Merkmalen des Anspruchs 3 werden daher Maßnahmen vorgeschlagen, welche diesen Nachteil vermeiden.
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In 2 ist die Wirkungsweise der weitergebildeten Kombination Hauptleitungsschutzschalter-Fernschalteinrichtung schematisch dargestellt.
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Im eingeschalteten Zustand des Hauptleitungsschutzschalters fließt der Betriebsstrom im Hauptstromkreis von der Klemme 12 durch die Schlagspule 20, den beweglichen Kontakt 32 mit der Kontaktstelle 16 und 18, zur Klemme 11.
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Der im Nebenstromkreis befindliche Heizleiter 19 ist praktisch nicht stromdurchflossen – die gesamte Verlustwärme des Schaltgerätes wird dadurch bei Normalbetrieb minimiert.
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Entsteht in der elektrischen Anlage bei betriebsbereitem Hauptleitungsschutzschalter ein Fehler z. B. durch Überstrom, dann öffnet bei diesem Strom ein im Magnetauslöser 7 angeordneter zweiter Anker 39 über den Stössel 15 den Kontakt 32 ausschließlich an der geshunteten Kontaktstelle 18 und hält diese offen. Der Überstrom fließt nun durch den Heizleiter 19, welcher im thermischen Auslöser 6 in inniger, wärmeleitender Verbindung mit dem Selektivbimetall 8 dieses erwärmt, so dass nach einer konventionellen Zeit das Selektivbimetall das Schaltschloss 5 entklinkt und damit mittels des Kontaktsystems 4 den gefährdeten Stromkreis abschaltet.
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Entsteht in der elektrischen Anlage ein Fehler z. B. durch Kurzschluss, dann öffnet zusätzlich der Anker 40 über den Stössel 15 schlagartig die Kontaktstelle 16 und hält diese solange offen bis der Schaltvorgang wie unter 1 beschrieben abgeschlossen ist.
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In den Zeichnungen ist ein typisches Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei Teile, welche zum Verständnis der Neuerung nicht beitragen, weggelassen wurden.
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Hierbei zeigt
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3 die Seitenansicht des Schaltgerätes im eingeschalteten Zustand mit abgenommener Abdeckschale.
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4 die Draufsicht des Schaltgerätes in vereinfachter Darstellung.
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5 Detail: Schaltgerät manuell eingeschaltet, Fernschalteinrichtung in AUS-Stellung, Schaltzustand „AUS”
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6 Detail: Schaltgerät manuell ausgeschaltet, Fernschalteinrichtung in EIN-Stellung, Schaltzustand „AUS”
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7 Detail: Moment der Entklinkung des Schaltschlosses optional bei Ausschaltung des Schaltgerätes durch Fernschalteinrichtung.
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8 Detail: thermischer Auslöser 6 und Magnetauslöser 7 in betriebsbereiter EIN-Stellung gemäß dem Blockschaltbild nach 1.
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9 Seitenansicht des thermischen Auslösers 6.
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Der dargestellte fernschaltbare selektive Hauptleitungsschutzschalter basiert auf einem elektrischen selektiven Selbstschalter nach der als bekannt vorausgestzten
WO 2009/146900 , welcher zusammen mit der Fernschalteinrichtung in einem Gehäuse mit den geometrischen Abmessungen und elektischen Anschlüssen wie sie z. B. bei dem Hauptleitungsschutzschalter S750 der Firma ABB Stotz-Kontakt GmbH Heidelberg verwirklicht wurden, untergebracht ist.
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Dabei nimmt der oberhalb des Magnetauslösers 7, des Kontaktsystems 4 und des thermischen Auslösers 6 gelegene Teil des Gehäuses das Empfangsmodul 1, das Schaltschloss 5 und Bauteile der Elektronik 2 auf, während innerhalb des räumlichen Bereichs, zwischen den Anschlussklemmen 12 und 11, der Aktor 3, der thermische Auslöser 6, das Kontaktsystem 4 und der Magnetauslöser 7 angeordnet sind.
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Unterhalb des Magnetauslösers befindet sich die Löscheinrichtung 10, welche funktionell mit der Kontaktstelle 16 zusammenarbeitet.
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Im eingeschalteten Zustand des Schaltgerätes fliest der Betriebsstrom von der Klemme 12 über die Kontaktverbindung 24, durch die Kontaktstelle 18, über den beweglichen Kontakt 32, durch die Kontaktstelle 16, über den Festkontakt 35, durch die Schlagspule 20, über den Kontaktwinkel 63, zu der Klemme 11.
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Das Schaltgerät ist nur, im manuell eingeschalteten Zustand, über die Fernschalteinrichtung aus- und wieder einschaltbar. Demgemäß spielen sich die AUS- und EIN schaltvorgänge über die Fernschalteinrichtung, nach Eintreffen eines Steuerbefehls, im Schaltgerät folgendermaßen ab:
Der von der Elektronik 2 aufbereitete Rechteckimpuls von genauer Zeitdauer und alternierender Stromrichtung gibt die Drehrichtung und Laufzeit der Antriebswelle des Elektromotors 52 vor. Das Drehmoment wird dabei, über die Schnecke 53, auf das Schneckenradsegment, welches den Kraftarm 56 des dreiarmigen Winkelhebels 64 bildet, übertragen, welcher drehbar auf der gehäuseortsfesten Achse 55 gelagert ist. Die beiden Lastarme des Winkelhebels 64 fungieren als Schaltnocken 57 und 58, sie sind für den Eingriff auf die Schwenkkontakte 28 und 32 vorgesehen.
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Erfolgt von der Zentrale z. B. der codierte Steuerbefehl „AUS”, dann dreht der Winkelhebel 64 im Gegenzeigersinn und öffnet gegen die Kontaktfedern 42 und 41 die Kontaktstellen 18, 16 und 17 und zwar in dieser Reihenfolge. Der selbsthemmende Schneckentrieb hält dann die Kontakte in der geöffneten Stellung bis von der Zentrale der Steuerbefehl „EIN” gesendet wird, so dass der Winkelhebel 64, im Uhrzeigersinn, dreht und sowohl den Trennkontakt 28 als auch den beweglichen Kontakt 32 freigibt, welche durch die Kraft der Kontaktfedern 41 und 42, die Kontaktstellen 17, 16 und 18 in dieser Reiherfolge schließen. Damit wird sichergestellt, dass beim Einschalten der elektrischen Anlage ein eventuell vorhandener Kurzschluss immer durch den Selektivwiderstand 9 auf einem unkritischen Wert begrenzt wird. Der zuerst schließende Trennkontakt 28 ist deshalb an der Kontaktstelle 17 mit einer abbrandfesten Kontaktauflage 61 bestückt.
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Verschiedentlich besteht bei Anlagenbetreibern die Forderung, dass nach einer erfolgten Fernabschaltung die Anlage nur durch manuelles Einschalten vor Ort betriebsbereit gemacht werden darf. Dieser Forderung wird gemäß einer Ausführung, wie sie in 7 dargestellt ist, entsprochen. Danach wird bei der Fernausschaltung der auf dem ortsfesten Lagerwinkel 26 drehbar angeordnete Trennkontakt 28 bei seiner Drehung in Pfeilrichtung benützt um das Schaltschloss 5 zu entklinken, indem der Trennkontakt 28 mit seinem Ende die Klinke 45 im Gegenzeigersinn dreht und damit den Schalthebel 46 freigibt, so dass dieser mit Hilfe der Schaltfeder 49 um die ortsfeste Achse 47 im Uhrzeigersinn dreht, alle Kontaktstellen öffnet und die elektrische Anlage von Netz trennt. Der jeweilige Schaltzustand wird dabei durch die Schaltstellungsanzeige 62 signalisiert.
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Das Schaltschloss 5 wird durch den Schaltgriff 43, die Koppel 44, die Klinke 45 und den Schalthebel 46 gebildet, so dass sich in der Einschaltstellung, zwischen den ortsfesten Achsen 47 und 48, eine Kniegelenkkinematik ergibt, welche nur durch die Schaltfeder 49 in der Übertotpunktlage gehalten wird. Dabei ist die Koppel 44 mit ihrem einen Ende im Schaltgriff 43 drehbar gelagert und mit dem anderen Ende durch die Klinke 45 mit dem Schalthebel 46 lösbar verbunden.
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Der Schalthebel 46 ist räumlich zwischen dem Trennkontakt 28 und dem beweglichen Kontakt 32 angeordnet und trägt auf seiner Vorderseite den Steuernocken 60, welcher den beweglichen Kontakt 32 schaltet. Auf der Rückseite des Schalthebels – bezogen auf die Bildebene – befindet sich der Steuernocken 59, der den im Drehpunkt 27 gelagerten Trennkontakt 28, bewegt, welcher in der EIN-Stellung über die Kontaktauflage 61 unter dem Druck der Kontaktfeder 41 an der Kontaktstelle 17 mit der Kontaktplatte 36 kontaktiert, so dass für den Selektivkreis von der Klemme 12, über die Kontaktverbindung 24, durch den Schweißpunkt 23, durch das Selektivbimetall 8, den Schweißpunkt 25, den Lagerwinkel 26, den Trennkontakt 28, die Kontaktauflage 61, über die Kontaktstelle 17, die Kontaktplatte 36, den Selektivwiderstand 9, das Magnetjoch 33, die Schlagspule 20 und den Kontaktwinkel 63, eine leitende Verbindung zu der Klemme 11 besteht.
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Im Kurzschlussfall wird daher, bei bereits geöffneter Kontaktstellen 16 und 18, der durch den Selektivwiderstand 9 begrenzte Reststrom das Selektivbimetall 8 sehr schnell ausbiegen und das Schaltschloss 5 über den Schieber 50 entklinken, so dass der Schalthebel 46, mittels der Schaltfeder 49, über den Steuernocken 59, die Kontaktstelle 17, als letzte öffnet und damit die gestörte Anlage endgültig vom Netz trennt.
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Bei diesem Vorgang erwärmt sich der Selektivwiderstand 9 kurzzeitig sehr stark. Es kommt also darauf an für dieses Bauteil einem hochtemperaturbeständigen Tragkörper einzusetzen und die bei dem selektiven Verhalten des Schaltgerätes entstehende Wärme schnell vom Selektivwiderstand abzuleiten.
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Gemäß der Erfindung ist der Selektivwiderstand 9 als Runddraht aus einer Widerstandslegierung hergestellt, auf einem Tragkörper 38, der aus keramischen Werkstoff gefertigt ist, gewickelt, welcher innerhalb des Magnetauslösers 7 angeordnet, gleichzeitig die Längsführung für die Anker 39 und 40 bildet.
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Durch die galvanische Verbindung des Selektivwiderstandes 9 mit dem Magnetjoch 33, wie in 8 dargestellt und im Stromlauf beschrieben, wird die Joul'sche Wärme über das Magnetjoch 33, die Schlagspule 20, den Kern 34, die Kontaktplatte 36, welche durch die Keramikplatte 37 mit dem Magnetjoch verbunden ist und die anderen in wärmeleitender Verbindung stehender Bauteile schnell abgeführt.
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Der thermische Auslöser 6 erfüllt gemäß der Erfindung im Kombination mit dem Doppelankermagnetauslöser zwei unterschiedliche Funktionen. Er schützt bei thermischer Überlastung durch Überstrom und garantiert das selektive Verhalten bei Kurzschluss. Der thermische Auslöser 6 besteht als kompakte Baugruppe aus dem U-förmig gestanzten Selektivbimetall 8, dem mäanderförmigen Flächenheizleiter 19 und der temperaturbeständigen, wärmeleitenden Isolierfolie 21. Dabei ist das im Kurzschlussfall direkt vom Reststrom durchflossene Selektivbimetall 8 nur über den ortsfesten Fußkontakt 23 mit dem Heizleiter 19 galvanisch verbunden, der jedoch im weiteren Verlauf ganzflächig, mittels der Isolierfolie 21, von dem Selektivbimetall 8 elektrisch isoliert ist, so dass bei Überstrom nur der Heizleiter 19 stromdurchflossen wird und die thermische Auslösung bei diesem Fehlerfall nur durch indirekte Beheizung über Wärmeleitung, mittels der kraftschlüssigen Verbindung durch die Krimpstege 22 auf das Selektivbimetall 8, zustande kommt.
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Der thermische Auslöser 6 wird demnach bei Normalbetrieb durch den beweglichen Kontakt 32 mit den Kontaktstellen 16 und 18 überbrückt. Der Betriebstrom fließt daher nicht über den thermischen Auslöser, so dass dessen Arbeitstemperatur im Fehlerfall ausreichend weit über der zu erwartenden Umgebungstemperatur am Einbauort des Schaltgerätes festgelegt werden kann, womit eine Beeinflussung des Auslöseverhaltens des Schutzschaltgerätes durch unterschiedliche Umgebungstemperaturen – nach Konvention sind Schwankungen von –25°C bis +55°C zulässig – vermieden wird.
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Bei Überstrom öffnet der Anker 39 des Magnetauslösers 7, mittels des Stössels 15, die durch den thermischen Auslöser 6 geshuntete Kontaktstelle 18 und hält diese offen.
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Dabei wird der dreh- und verschiebbar auf der ortsfesten Achse 61 gelagerte, bewegliche Kontakt 32 um den Drehpunkt an der Kontaktstelle 16 gegen die Kraft der Kontaktfeder 42 im Gegenzeigersinn gedreht. Der Überstrom fließt nun von der Klemme 12, über die Kontaktverbindung 24, durch den ersten Fußpunkt 23, den Heizleiter 19, den zweiten Anschluss 29, die Cu-Litze 30, den beweglichen Kontakt 32, durch die Kontaktstelle 16, den Festkontakt 35, die Schlagspule 20 und den Kontaktwinkel 63, zur Klemme 11 und erzeugt dabei im Heizleiter 19, die für die in einer konventionellen Zeit erforderliche Arbeitstemperatur für die Auslösung am Selektivbimetall 8. Dieses biegt aus und entklinkt über den Schieber 50 das Schaltschloss 5 in der beschriebenen Weise und trennt damit die gestörte Anlage vom Netz. Die Grifffeder 64 dreht dabei den Schaltgriff 43 um die ortsfeste Achse 48 im Gegenzeigersinn in die einschaltbereite AUS-Stellung.
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Bei Kurzschluss in der zu schützenden Anlage öffnet der Anker 40, des Magnetauslösers 7, mittels des Stössels 15, zusätzlich die Kontaktstelle 16 schlagartig und hält diese, bis zur endgültigen Abschaltung durch den Trennkontakt 28, offen.
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Dabei wird der bewegliche Kontakt 32 nunmehr um die als Drehpunkt dienende Achse 61 im Uhrzeigersinn gedreht, so dass der Lichtbogenstrom angetrieben durch die Lorenzkraft in bekannter Weise in die Deionbleche der Löscheinrichtung 10 eintritt und dort durch die Bogenspannung auf einen Wert begrenzt wird, welcher die Kommutierung in den zur Kontaktstelle 16 parallel geschalteten Selektivkreis gestattet. Dieser durch den Selektivwiderstand 9 begrenzte Reststrom fließt direkt in der beschriebenen Weise durch das Selektivbimetall 8, welches die endgültige, kurzverzögerte Abschaltung des Schaltgerätes durch das Schaltschloss bewirkt.
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In der Praxis genügt die kurze Verzögerung durch den Selektivkreis jedoch, um den nachgeschalteten, der Fehlerqulle am nächsten liegenden Leitungsschutzschalter schneller ansprechen und abschalten zu lassen, so dass der Hauptleitungsschutzschalter selektiv arbeitet und betriebsbereit, eingeschaltet bleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2854711 [0001]
- WO 2009/146900 [0001, 0034]
- DE 3710520 [0004]
- DE 3711138 [0004]
- WO 03/065398 [0009]
