DE102011016933A1

DE102011016933A1 - Kontakteinrichtung und deren Antrieb für Schutzschaltgeräte

Info

Publication number: DE102011016933A1
Application number: DE201110016933
Authority: DE
Inventors: Peter Flohr
Original assignee: Individual
Current assignee: Hager Electro SAS
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-18
Also published as: EP2697812B1; WO2012140145A1; EP2697812A1; PL2697812T3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kontakteinrichtung für Schutzschaltgeräte mit in zwei Parallelstromkreisen angeordneten Kontaktstellen wobei die Kontaktstelle (6) im Hauptstrompfad nur zum Führen des Betriebsstromes bestimmt ist und stromlos schaltet. Die Kontaktstelle (11) im Nebenstrompfad verrichtet hingegen allein die Schaltarbeit bei Entstehung von Lichtbögen. Durch die Erfindung werden die Energieverluste der Schutzschaltgeräte im Normalbetrieb um mehr als 50% gegenüber bekannten Ausführungen nachhaltig gesenkt. Aufgrund der Anordnung des thermischen Auslösers (10) im Nebenstrompfad kann der Einfluss der Schwankung der Umgebungstemperatur am Einbauort auf die Auslösefunktion des Schutzschaltgerätes verhindert werden, so dass bei gleicher Sicherheit für die elektrische Anlage die Leitungen in der Elektroinstallation besser ausgenützt werden können. Die Erfindung ist in ihren Abmessungen kompatibel zu handelsüblichen Produkten – ein Auswechseln in bestehenden Anlagen ist daher jederzeit möglich.

Description

Die Forderung nach konsequenter Energieeinsparung bei der Erzeugung, dem Transport und dem Verbrauch elektrischer Leistung betrifft zwangsläufig auch die in dieser Funktionskette integrierten Schutzschaltgeräte. Wenn man bedenkt, dass die weltweit erzeugte elektrische Energie unverzichtbar grundsätzlich durch mehrere Schutzschaltgeräte fließen muss ehe sie den Verbraucher erreicht, dann ergibt deren Eigenverbrauch von ca. 1%o der erzeugten elektrischer Leistung ein gewaltiges Einsparpotential an nutzlos vergeudeter Energie.
In der DE 10 2009 030 158 A1 wurde ein elektrischer Selbstschalter offenbart dessen thermischer Auslöser bei Normalbetrieb nicht vom Betriebsstrom durchflossen und damit seine Verlustleistung erheblich abgesenkt wird. Nachteilig ist dabei allerdings, dass der Betriebsstrom durch die Reihenschaltung von zwei Kontaktstellen fließen muss wovon eine bei gestörtem Betrieb der Lichtbogeneinwirkung ausgesetzt dabei abbrennt und den Kontaktwiderstand verändert.
Zwangsläufig erhöht die Reihenschaltung von mehreren Kontaktstellen den Innenwiderstand von Schutzschaltgeräten und damit deren Verlustleistung.
Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe diesen Mangel zu beheben und eine Kontakteinrichtung für Schutzschaltgeräte zu schaffen, welche die eigenen Energieverluste bei Schutzschaltgeräten minimiert, und insbesondere bei normalen Dauerbetrieb die eigenen Energieverluste um mehr als 50% gegenüber Schutzschaltgeräten nach dem Stand der Technik senkt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüche 2 bis 9 beschrieben.
Die Kontakteinrichtung und deren Antrieb für Schutzschaltgeräte wird mit Hilfe von zwei Parallelstromkreisen gebildet in welchen jeweils eine Kontaktstelle angeordnet ist und deren Antrieb sowohl im Störfall als auch bei betriebsmäßigem Schalten in der Art erfolgt, dass nur der Abbrennkontakt im Nebenstromkreis die Schaltarbeit verrichtet, der stromtragende Kontakt im Hauptstromkreis hingegen nur stromlos als sogenannter Leerkontakt geschaltet wird.
Bei Normalbetrieb fließt daher der Betriebsstrom nur über den Hauptkontakt mit konstantem Kontaktwiderstand auf direktem Weg durch die Spule von Klemme zu Klemme.
Im Störfall durch Überstrom wird durch den Stromanstieg in der Spule der erste Anker des Magnetauslösers ansprechen und den durch den Nebenstromkreis kurzgeschlossenen (geshunteten) Hauptkontakt öffnen, so dass der Überstrom nun über den thermischen Auslöser, den Abbrennkontakt und die Spule fließen muss.
Dabei erwärmt sich das Bimetall des thermischen Auslösers und entklinkt das Schaltschloss welches den gestörten Stromkreis durch Öffnen des Abbrennkontaktes endgültig unterbricht.
Im Störfall durch Kurzschluss bringt dieser den zweiten Anker des Magnetauslösers zum Ansprechen welcher den geshunteten Hauptkontakt öffnet, das Schaltschloss entklinkt und den Abbrennkontakt soweit aufschlägt, dass der Lichtbogen in der dem Abbrennkontakt zugeordneten Deionkammer gelöscht und der gefährdete Stromkreis abgeschaltet wird. Bei diesem Vorgang wird der thermische Auslöser in den Kurzschlusskreis geschaltet wobei die mm höhere Impedanz den Kurzschluss-Strom zusätzlich begrenzt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen von charakteristischen Schaltstellungen beispielhaft an einem Kleinselbstschalter näher erläutert.
Bei der Darstellung wurde auf Bauteile welche für das Verständnis des Erfindungsgedanken bedeutungslos bzw. bekannt sind verzichtet.
1 zeigt die Kontakteinrichtung und deren Antrieb in der betriebsbereiten Einschaltstellung des Selbstschalters.
2 zeigt die Schaltstellung während des Störfalles „Überstrom”.
3 zeigt die Kontakteinrichtung und deren Antrieb im Entstehungsaugenblick eines Kurzschlusses in der zu schützenden Anlage.
4 zeigt die Neuerung im ausgeschalteten Zustand des Selbstschalters.
In einem Gehäuse 1 mit handelsüblichen, genormten Abmessungen ist außer den Anschlussklemmen 2 und 9 mit ihren Anschlüssen 3 und 8, ein Magnetauslöser 7, ein thermischer Auslöser 10, ein Schaltschloss, eine Deionkammer 13 sowie eine Kontakteinrichtung mit ihren Kontaktstellen 6 und 11 positioniert.
Der um die ortsfeste Achse 14 drehbar gelagerte Hauptkontakt 5 ist über die flexible Litze 4 mit dem Anschluss 3 leitend verbunden. Ebenfalls mit dem Anschluss 3 ist der Fußpunkt des thermischen Auslösers 10 galvanisch formschlüssig, ortsfest verbunden. Über die Litze 15 steht der thermische Auslöser außerdem mit dem drehbar auf der ortsfesten Achse 16 gelagerten Abbrennkontakt 17 in leitender Verbindung.
Die Kontaktfeder 18 ist zwischen dem Abbrennkontakt 17 und dem Hauptkontakt 5 eingespannt. Sie erzeugt wie in 1 dargestellt, den Kontaktdruck an der Kontaktstelle 6. Die Kontaktierung erfolgt auf dem Gegenkontakt 19, welcher galvanisch mit einem Spulenende des Magnetauslösers 7 verbunden ist, so dass im Normalbetrieb ein Stromfluss von der Klemme 2 über den Anschluss 3, die Litze 4, den Hauptkontakt 5 mit der Kontaktstelle 6, den Gegenkontakt 19, die Spule des Magnetauslösers 7 und den Anschluss 8 zur Klemme 9 zustande kommt. Der Nebenstromkreis mit dem thermischen Auslöser 10 und der Kontaktstelle 11 liegt dabei zu der Kontaktstelle 6 elektrisch parallel.
In 2 ist der eingeschaltete Selbstschalter bei Beginn des Störfalles „Überlast” dargestellt. Der um die ortsfeste Achse 20 drehbar gelagerte Schalthebel 21 bildet zusammen mit der Klinke 22, der Koppel 23 und dem ortsfest um die Achse 24 drehbar gelagerten Schaltgriff 12 einen durch die Schaltfeder 25 gespannten Kniegelenkmechanismus welcher in der Einstellung in Übertotpunktlage gehalten wird. Der Kontaktdruck an der Kontaktstelle 11 wird dabei durch die Kontaktfeder 26 erzeugt welche auf den Abbrennkontakt 17 in Gegenzeigerrichtung wirkt und sich am Schalthebel 21 abstützt.
Durch den Stromanstieg im Störfall zieht der Anker 27 des Magnetauslösers 7 an und öffnet gegen die Kraft der Kontaktfeder 18 über den Stößel 28 die Kontaktstelle 6, indem der Hauptkontakt 5 im Gegenuhrzeigersinn um die Achse 14 gedreht wird. Die Kontaktöffnung bei 6 erfolgt ohne Bildung eines Lichtbogens da die Kontaktstelle durch den Nebenstromkreis geshuntet (kurzgeschlossen) ist.
Der Überstrom fließt nunmehr von der Klemme 2 über den Anschluss 3, den thermischen Auslöser 10, die Litze 15, den Abbrennkontakt 17 über die Kontaktstelle 11 den Gegenkontakt 19 durch die Spule des Magnetauslösers 7, den Anschluss 8 zur Klemme 9. Der Überstrom erwärmt nun den thermischen Auslöser 10, so dass das Bimetall ausbiegt und über die Zugstange 29 die im Schalthebel 21 drehbar gelagerte Klinke 22 im Uhrzeigersinn dreht, dabei die Verklinkung aushebt und damit den Schalthebel freigibt welcher durch die Kraft der Schaltfeder 25 im Uhrzeigersinn um die Achse 20 dreht und über den Schaltnocken 30 die Kontaktstelle 11 öffnet, den Selbstschalter endgültig ausschaltet und den gestörten Stromkreis unterbricht. Der dabei entstehende Lichtbogen wird ausschließlich mit dem Abbrennkontakt 17 an der Kontaktstelle 11 bewältigt.
Bei der Anordnung des thermischen Auslösers im Nebenschluss ist bei entsprechender Heizleistung eine hohe Arbeitstemperatur des Bimetalls erreichbar welche erheblich über der Umgebungstemperatur am Einbauort der Schutzschaltgeräte liegen kann, so dass die Verfügbarkeit der Schutzschaltgeräte durch hohe Umgebungstemperaturen wie sie in elektrischen Verteilungsanlagen bereits bei Normalbetrieb zeitweise herrschen nicht negativ zu beeinflussen ist. Wegen der großen Temperaturdifferenz ist auch eine Justierung des thermischen Auslösers nicht erforderlich, was die Herstellung von Schutzschaltgeräten in der Serienfertigung sehr erleichtert.
Die 3 zeigt die Schaltstellung im Moment der Entstehung eines Kurzschlusses in der elektrischen Anlage.
Nachdem der Kurzschluss-Strom ein Vielfaches des Überstromes ausmacht, zieht nun zusätzlich der Anker 31 des Magnetauslösers 7 mit großer Kraft an. Über den Stößel 28 wird zunächst die Kontaktstelle 6 geöffnet und dann durch die weitere Drehung des Hauptkontaktes 5 um die Achse 14 im Gegenuhrzeigersinn ein am Hauptkontakt fest angebrachter Steuernocken 32 die Klinke 22 im Uhrzeigersinn drehen wodurch die Verklinkung mit dem Schalthebel 21 aufgehoben wird. Gleichzeitig trifft das Ende 33 des Stößels 28 auf den Abbrennkontakt 17 und dreht diesen im Uhrzeigersinn um die Achse 16. Durch die schlagartige Öffnung der Kontaktstelle 11 wird der dabei entstehende Lichtbogen in bekannter Weise in der Deionkammer 13 zum Verlöschen gebracht. Zeitgleich wird der entklinkte Schalthebel 21 durch die Schaltfeder 25 um die Achse 20 im Uhrzeigersinn gedreht bis er an dem gehäusefesten Nocken 34 anschlägt.
Die Schaltnocken 30 und 35 des Schalthebels 21 fixieren dann den Abbrennkontakt 17 und den Hauptkontakt 5 in der in 4 dargestellten AUS – Position. Während dieser Ausschaltbewegung wurde der Schaltgriff 12 durch die Grifffeder 36 um die Achse 24 im Gegenzeigersinn gedreht bis die Koppel 19 an der Verklinkungsstelle 37 zwischen Schalthebel 21 und Klinke 22 einrastet.
Der Selbstschalter ist wieder einschaltbereit, die am Schalthebel angebrachte grüne Markierung 38 zeigt durch das Sichtfenster 39 die ausgeschaltete Stellung des Schutzschaltgerätes an. Die Anordnung der Schaltnocken 30 und 35 auf dem Schalthebel 21 ist so ausgeführt, dass beim manuellen Einschalten des Schutzschaltgerätes zunächst der Abbrennkontakt 17 den Gegenkontakt 19 berührt und erst danach die Kontaktstelle 6 geschlossen wird. Damit ist sichergestellt, dass in jedem Fall nur der Abbrennkontakt die Schaltarbeit verrichtet der Hauptkontakt hingegen von einer Lichtbogenbeanspruchung verschont bleibt. Durch die Aufteilung der Stromführung in zwei Parallelkreise werden die Funktionseigenschaften von Schutzschaltgeräten optimiert. Muss z. B. bei Selbstschaltern nach dem Stand der Technik der Schaltkontakt einerseits gute Leitfähigkeit aufweisen andererseits aber dem Lichtbogenabbrand stand halten so wird diese Problematik gemäß der Neuerung durch zwei unabhängig voneinander angetriebene Kontakte mit Eigenschaften welche die jeweiligen speziellen Forderungen optimal erfüllen, gelöst.
Bei Normalbetrieb wird z. B. nur der Hauptkontakt 5 vom Betriebsstrom durchflossen, so dass die Kontaktstelle 6 mit homogenen Ag-Kontaktauflagen auf niedrigste Kontaktwiderstände getrimmt wird, welche, da kein Abbrand erfolgt, nachhaltig beibehalten werden.
Der Abbrandkontakt 17 übernimmt hingegen im Störfall und bei betriebsmäßigem Schalten allein die Lichtbogenarbeit, so dass sich die Herstellung aus unedlen, abbrandfesten Werkstoffen anbietet.
Bei konsequenter Umsetzung der Neuerung zeichnen sich Schutzschaltgeräte in der Zukunft durch minimalen Eigenverbrauch und geringe Erwärmung an Einbauort aus. Sie sind zudem in ihrer Auslösesicherheit durch äußere Temperatureinflüsse nicht zu beeinflussen.
Die Erfindung stellt also eine Kontakteinrichtung für Schutzschaltgräte mit in zwei Parallelstromkreisen angeordneten Kontaktstellen bereit, wobei die Kontaktstelle 6 im Hauptstrompfad nur zum Führen des Betriebsstromes bestimmt ist und stromlos schaltet. Die Kontaktstelle 11 im Nebenstrompfad verachtet hingegen allein die Schaltarbeit bei Entstehung von Lichtbögen. Hierdurch werden die Energieverluste der Schutzschaltgeräte im Normalbetrieb um mehr als 50% gegenüber bekannten Ausführungen nachhaltig gesenkt. Aufgrund der Anordnung des thermischen Auslösers 10 im Nebenstrompfad kann der Einfluss der Schwankung der Umgebungstemperatur am Einbauort auf die Auslösefunktion des Schutzschaltgerätes verhindert werden, so dass bei gleicher Sicherheit für die elektrische Anlage die Leitungen in der Elektroinstallation besser ausgenützt werden können. Die Erfindung ist in ihren Abmessungen kompatibel zu handelsüblichen Produkten – ein Auswechseln in bestehenden Anlagen ist daher jederzeit möglich.
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 102009030158 A1 [0002]

Claims

Kontakteinrichtung und deren Antrieb für Schutzschaltgeräte mit zwei parallel geführten Strompfaden mit je einer Kontaktstelle welche in Reihenschaltung mit der Spule des Magnetauslösers von dessen zwei Ankern die jeweils nach dem Betriebszustand der elektrischen Anlage zugeordnete Kontaktstelle geöffnet und in dieser Position durch das Schaltschloss fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstrompfad ausschließlich nur durch die Reihenschaltung der Kontaktstelle (6) mit der Spule des Magnetauslösers (7) gebildet wird, so dass bei Normalbetrieb diese Kontaktstelle als sogenannter Leerkontakt den Betriebsstrom führt.
Kontakteinrichtung und deren Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenstrompfad durch die Reihenschaltung des thermischen Auslösers (10) mit der Kontaktstelle (11) gebildet wird, so dass nur diese Kontaktstelle zusammen mit der Deionkammer (13) die Lichtbogen-Schaltarbeit verrichtet.
Kontakteinrichtung und deren Antrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkontakt (19) als bauliche Einheit mit dem Magnetauslöser (7) die Kontaktierung sowohl für den Hauptkontakt (5) als auch für den Abbrennkontakt (17) bildet und dass der Gegenkontakt (19) außerdem die galvanische Verbindung zur Spule des Magnetauslösers (7) herstellt.
Kontakteinrichtung und deren Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbar im Gehäuse (1) gelagerte Hauptkontakt (5) im Störfall durch Überstrom vom Anker (27) des Magnetauslösers (7) über den Stößel (28) angetrieben und solange offen gehalten wird bis der thermische Auslöser (10) über die Zugstange (29) die Klinke (22) soweit dreht bis die Verrastung zwischen Klinke (22), Koppel (23) und Schalthebel (21) aufgehoben ist und der drehbar im Gehäuse (1) gelagerte Schalthebel (21) mit Hilfe der Schaltfeder (25) das Schutzschaltgerät in AUS-Stellung bringt.
Kontakteinrichtung und deren Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbar im Gehäuse (1) gelagerte Hauptkontakt (5) im Störfall durch Kurzschluss von dem Anker (31) des Magnetauslösers (7) über den Stößel (28) zunächst weiter im Gegenzeigersinn gedreht wird bis der Steuernocken (32) des Hauptkontaktes (5) das Schaltschloss entklinkt, dann das Ende (33) des Stößels (28) auf den drehbar in Gehäuse (1) gelagerten Abbrennkontakt (17) auftrifft und diesen gegen die Kraft der Kontaktfeder (26) im Uhrzeigersinn dreht.
Kontakteinrichtung und deren Antrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Auslösers (10) mit seinem Fußpunkt mit dem Anschluss (3) der Klemme (2) und der flexiblen Litze (4) formschlüssig und leitend verbunden ist, so dass der thermische Auslöser (10) in der eingeschalteten Stellung des Schutzschaltgerätes durch den Gegenkontakt (19) kurzgeschlossen wird.
Kontakteinrichtung und deren Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkontakt (19) an seinem einen Ende bei der Kontaktstelle (11) als Abbrennkontakt mit Lichtbogenhorn, an seinem anderen Ende bei der Kontaktstelle (6) als stromtragender Leerkontakt mit homogener Ag-Kontaktauflage ausgebildet ist.
Kontakteinrichtung und deren Antrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Schraubendruckfeder ausgebildete Kontaktfeder (18) zwischen dem Hauptkontakt (5) und dem Abbrennkontakt (17) eingespannt ist den Kontaktdruck an der Kontaktstelle (6) erzeugt.
Kontakteinrichtung und deren Antrieb nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der im Gehäuse (1) drehbar gelagerte Schalthebel (21) mit seinem Schaltnocken (35) durch die Kraft der Schaltfeder (25) nach der Entklinkung zuerst den Hauptkontakt (5) an der Kontaktstelle (6) und danach mit seinem Schaltnocken (30) den Abbrennkontakt (17) an der Kontaktstelle (11) öffnet.