DE102013223916A1 - Method for increasing the service life of the contact elements of a switching device with separator properties and corresponding switching device - Google Patents

Method for increasing the service life of the contact elements of a switching device with separator properties and corresponding switching device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Standzeit der Kontaktelemente (KS, KL) einer Schalteinrichtung (SD) mit Trennereigenschaften und eine entsprechende Schalteinrichtung(SD), die eine Last (Z) mit einer elektrischen Energiequelle (MS) verbindet, und umfasst: a) einen Schaltkontakt (K), der Trennereigenschaften aufweist, und b) eine als elektrischer Energiespeicher (S) ausgebildete Beschaltung (B), die mit dem lastseitigen Kontaktelement (KL) verbunden ist, wobei der Energiespeicher (S) von der Energiequelle (MS) jeweils auf die Betriebsspannung (UH) aufgeladen wird, wobei die Trennung der Kontaktelemente (KS, KL) zuerst eine Berührungsphase mit sich verkleinernder Kontaktfläche durchläuft, in welcher sich die Kontaktelemente an zumindest einer Kontakt-Stelle berühren, und wobei der Energiespeicher (S) zumindest während der Berührungsphase eine Ersatz-Betriebsspannung (UC) bereitstellt. Um die Standzeit der Kontaktelemente (KS, KL) zu verlängern, wird vorgeschlagen, dass der Energiespeicher (S) die Ersatz-Betriebsspannung (UC) in der Berührungsphase derart aufrechterhält, dass die Temperatur an der zumindest einen Kontakt-Stelle jeweils unterhalb der Schmelztemperatur liegt.The invention relates to a method for increasing the service life of the contact elements (KS, KL) of a switching device (SD) with separator characteristics and a corresponding switching device (SD), which connects a load (Z) with an electrical energy source (MS), and comprises: a ) a switching contact (K) which has isolator properties, and b) a circuit (B) designed as an electrical energy store (S) which is connected to the load-side contact element (KL), the energy store (S) being dependent on the energy source (MS) in each case to the operating voltage (UH) is charged, wherein the separation of the contact elements (KS, KL) first passes through a contact phase with decreasing contact surface in which touch the contact elements at least one contact point, and wherein the energy storage (S) at least during the touch phase provides a replacement operating voltage (UC). In order to extend the service life of the contact elements (KS, KL), it is proposed that the energy store (S) maintains the substitute operating voltage (UC) in the contact phase in such a way that the temperature at the at least one contact point is below the melting temperature ,

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Standzeit der Kontaktelemente einer Schalteinrichtung mit Trennereigenschaften und eine entsprechende Schalteinrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9. The invention relates to a method for increasing the service life of the contact elements of a switching device with separator properties and a corresponding switching device according to the preambles of claims 1 and 9.

Schalteinrichtungen, die eine Last mit einer elektrischen Energiequelle in Form eines Stromnetzes verbinden, welche eine Betriebsspannung bereitstellt und die Last mit elektrischer Energie versorgt, sind beispielsweise als Lasttrennschalter bekannt. Derartige Schalteinrichtungen verfügen über mindestens einen Schaltkontakt, der zwei Kontaktelemente aufweist, die bei geschlossener Schalteinrichtung druckbeaufschlagt aneinander anliegen und zum Öffnen der Schalteinrichtung insbesondere auch bei fließendem Laststrom mechanisch voneinander getrennt werden. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Schaltwelle, auch um die Abstandsvergrößerung der Kontaktelemente während der Trennung zu beschleunigen. Die Trennung der Kontaktelemente durchläuft zuerst eine meist sehr kurze Berührungsphase, in der sich die Kontaktelemente noch an zumindest einer Kontakt-Stelle berühren. An die Berührungsphase schließt sich eine Trennungsphase an, in der keine unmittelbare Verbindung (Berührung) der Kontaktelemente mehr vorliegt. Switching devices which connect a load to an electrical energy source in the form of a power supply, which provides an operating voltage and supplies the load with electrical energy, are known, for example, as a circuit breaker. Such switching devices have at least one switching contact, which has two contact elements which bear pressure against one another when the switching device is closed and are mechanically separated from one another in order to open the switching device, in particular even when the load current flows. This is done for example by means of a switching shaft, also to accelerate the increase in distance of the contact elements during the separation. The separation of the contact elements first passes through a usually very short contact phase, in which the contact elements still touch at least one contact point. The contact phase is followed by a separation phase in which there is no longer any direct connection (contact) of the contact elements.

Bei der Trennung der Kontaktelemente kommt es im Allgemeinen zur Bildung eines Lichtbogens zwischen den Kontaktelementen, der im Unterschied zur Berührung eine mittelbare Verbindung der Kontaktelemente darstellt. Je nach Dauer und Stärke kann ein Lichtbogen zu einem erheblichen Verschleiß der Kontaktelemente führen, was die Standzeit entsprechend verringert. In the separation of the contact elements, there is generally the formation of an arc between the contact elements, which in contrast to the contact represents an indirect connection of the contact elements. Depending on the duration and strength of an arc can lead to significant wear of the contact elements, which reduces the service life accordingly.

In dem Zwischenraum zwischen den getrennten Kontaktelementen befindet sich meist ein Gas- oder Vakuum; man spricht deshalb auch von einer Gas- oder Vakuumstrecke, wobei als Gas häufig Luft verwendet wird. In the space between the separate contact elements is usually a gas or vacuum; Therefore, one speaks of a gas or vacuum line, which is often used as the gas air.

Viele Schalteinrichtungen müssen unter anderem zum Schutz von Personen Trennereigenschaften aufweisen, d.h. die bei einer Gas- oder Vakuumstrecke immer vorhandenen Gas- und Kriechstrecken müssen eine spannungsabhängige Mindestlänge aufweisen, für die es eine entsprechende Vorschrift ( IEC60947 ) gibt. Diese Vorschrift gibt bei Luft für eine Stoßspannungsfestigkeit die Mindestluftstrecke für ein inhomogenes und ein homogenes (ideales) elektrisches Feld in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad an. Die Stoßspannungsfestigkeit ist die Festigkeit beim Anlegen einer entsprechenden Stoßspannung. Nur bei Vorliegen dieser Mindestlänge (Mindeststrecke) weist die Schalteinrichtung in diesem Sinne eine Trennfunktion (Trennereigenschaft) auf. Amongst other things, many switching devices must have isolator properties for the protection of persons, ie the gas and creepage distances which always exist in the case of a gas or vacuum section must have a voltage-dependent minimum length for which a corresponding regulation ( IEC60947 ) gives. For air surge resistance, this requirement specifies the minimum air gap for an inhomogeneous and a homogeneous (ideal) electric field as a function of the degree of soiling. The surge voltage resistance is the strength when applying a corresponding surge voltage. Only in the presence of this minimum length (minimum distance), the switching device in this sense, a separation function (separator property) on.

Aus der DE 3429469A1 ist bereits eine Schalteinrichtung bekannt, bei welcher die Entstehung eines Lichtbogens (eine Funkenbildung) zwischen den Kontaktelementen beim Öffnen des Schaltkontakts verhindert wird. Dazu wird eine elektrische Beschaltung verwendet, welche die beiden Kontaktelemente mittels eines Kondensators überbrückt. Zur Spannungsbegrenzung ist eine Zener-Diode parallel zum Kondensator geschaltet. From the DE 3429469A1 a switching device is already known, in which the formation of an arc (sparking) between the contact elements when opening the switch contact is prevented. For this purpose, an electrical circuit is used, which bridges the two contact elements by means of a capacitor. To limit the voltage, a Zener diode is connected in parallel to the capacitor.

Auch die DE615623 offenbart eine Gleichstrom-Schaltvorrichtung, bei der zur Lichtbogenlöschung parallel zur Schaltstrecke (den Kontaktelementen) eines Schalters ein Kondensator geschaltet ist. Dabei liegt der Kondensator (Löschkondensator) nicht ständig parallel zur Schaltstrecke, sondern wird erst zugeschaltet, wenn die Kontaktelemente bereits einen kleinen Abstand aufweisen, sich also in der Trennungsphase befinden. Der Kondensator ist mit einer seiner Belegungen mit dem festen Arbeits-Kontaktelement und zugleich mit der Last verbunden, während die andere Belegung über eine Drosselspule jeweils mit dem Ruhe-Kontaktelement des Schalters verbunden ist. Der Widerstand der abzuschaltenden Last kann sowohl induktiver als auch ohmscher Art sein. Mit einem Pol des Stromnetzes und dem einen Ende der Drosselspule ist ein hochohmiger Aufladewiderstand verbunden. Das Prinzip dieser Schaltvorrichtung besteht darin, dass der Entladestrom des Kondensators dem zu löschenden Lichtbogenstrom entgegengesetzt gerichtet ist und ihn jeweils auf null reduziert. Also the DE615623 discloses a DC switching device in which a capacitor is connected in parallel with the switching path (the contact elements) of a switch for arc quenching. In this case, the capacitor (quenching capacitor) is not constantly parallel to the switching path, but is switched on only when the contact elements already have a small distance, so are in the separation phase. The capacitor is connected to one of its assignments with the fixed working contact element and at the same time with the load, while the other assignment is connected via a choke coil in each case with the rest-contact element of the switch. The resistance of the load to be disconnected can be both inductive and ohmic. With one pole of the power grid and the one end of the choke coil, a high-impedance charging resistor is connected. The principle of this switching device is that the discharge of the capacitor is directed opposite to the arc current to be deleted and each reduces it to zero.

Außerdem offenbart die DE615623 noch eine Schaltvorrichtung, bei welcher der Löschkondensator mit einer Belegung jeweils mit dem festen Arbeits-Kontaktelement und nach Anschlag am Ruhe-Kontaktelement mit seiner anderen Belegung mit dem abzuschaltenden Lastwiderstand verbunden ist. Dabei ist das eine Ende des Lastwiderstands mit dem beweglichen Arbeits-Kontaktelement verbunden, während zwischen dem anderen Ende des Lastwiderstands und dem Ruhe-Kontaktelement ein hochohmiger Aufladewiderstand liegt. Auf diese Weise ist der Kondensator in allen Schaltstellungen über einen Aufladewiderstand mit den beiden Polen des Gleichstromnetzes verbunden. In addition, the disclosed DE615623 nor a switching device in which the quenching capacitor is connected to an occupancy each with the fixed working contact element and after stop on the quiescent contact element with its other assignment to the load resistor to be disconnected. In this case, one end of the load resistor is connected to the movable working contact element, while between the other end of the load resistor and the quiescent contact element is a high-impedance charging resistor. In this way, the capacitor is connected in all switching positions via a charging resistor to the two poles of the DC network.

In der DE3429469A1 als auch der DE615623 sind die beiden Kontaktelemente jeweils über einen Kondensator miteinander verbunden, wodurch sich die für die Trennereigenschaften erforderliche Gas- und Kriechstrecken-Mindestlänge nicht erfüllen lässt. In the DE3429469A1 as well as the DE615623 the two contact elements are each connected to one another via a capacitor, whereby the required for the separator properties gas and creepage distance minimum length can not be met.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erhöhung der Standzeit der Kontaktelemente einer Schalteinrichtung mit Trennereigenschaften und eine entsprechende Schalteinrichtung anzugeben. The object of the invention is a method for increasing the service life of the contact elements of a switching device with separator properties and to provide a corresponding switching device.

Die Lösung ist bezogen auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezogen auf die Schalteinrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 9 gegeben. Die Unteransprüche stellen jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen dar. The solution is given based on the method by the features of claim 1 and with respect to the switching device by the features of claim 9. The dependent claims each represent advantageous embodiments.

Die Lösung sieht bezogen auf die Schalteinrichtung vor, dass der Energiespeicher eine Ersatz-Betriebsspannung in der Berührungsphase derart aufrechterhält (bemessen bzw. gewählt bzw. dimensioniert ist), dass die Temperatur an der zumindest einen Kontakt-Stelle jeweils zumindest noch unterhalb der Schmelztemperatur liegt, bei der das Material der Kontaktelemente zu schmelzen beginnt (und eine elektrische Material-Brücke zwischen den sich voneinander wegbewegenden Kontaktelementen gebildet wird). With regard to the switching device, the solution provides that the energy store maintains (is dimensioned or selected or dimensioned) a replacement operating voltage in the contact phase such that the temperature at the at least one contact point is at least below the melting temperature, in which the material of the contact elements begins to melt (and an electrical material bridge is formed between the contact elements moving away from one another).

Um die Kapazität des Energiespeichers klein halten zu können, wird vorgeschlagen, dass Mittel zur zeitlichen Verkürzung der Berührungsphase vorgesehen sind. In order to keep the capacity of the energy storage small, it is proposed that means for shortening the time of the contact phase are provided.

Technisch einfach lässt sich die Berührungsphase zeitlich verkürzen, wenn zumindest ein Kontaktelement bei der Trennung beschleunigt bewegt wird. Technically simple, the contact phase can be shortened in time, if at least one contact element is accelerated during the separation.

Die entsprechende Aufrechterhaltung der Betriebsspannung in der Berührungsphase lässt sich technisch einfach sicherstellen, wenn der Energiespeicher die Ersatz-Betriebsspannung oberhalb eines vorgegebenen Spannungswerts hält. The corresponding maintenance of the operating voltage in the contact phase can be ensured technically simple if the energy storage holds the replacement operating voltage above a predetermined voltage value.

Die Standzeit der Kontaktelemente lässt sich weiter verlängern, wenn der Energiespeicher die Ersatz-Betriebsspannung nach der Berührungsphase derart aufrechterhält (bemessen bzw. gewählt bzw. dimensioniert ist), dass die Spannung zwischen den Kontaktelementen bis zum Erreichen eines vorgegebenen Kontaktabstands jeweils unterhalb der Spannungsdifferenz liegt, bei deren Überschreitung ein Lichtbogen zwischen den Kontaktelementen durch Überwindung der Gas- bzw. Vakuumstrecke zündet. The service life of the contact elements can be further extended if the energy store maintains the replacement operating voltage after the contact phase (dimensioned or selected or dimensioned) such that the voltage between the contact elements lies below the voltage difference until a predetermined contact distance is reached, when exceeded, an arc between the contact elements ignites by overcoming the gas or vacuum line.

Der Aufwand ist geringer, wenn der Energiespeicher die Ersatz-Betriebsspannung nur in der Berührungsphase aufrechterhält. The effort is less if the energy storage maintains the replacement operating voltage only in the contact phase.

Das Auftreten von Überspannungen lässt sich vermeiden, wenn das lastseitige Kontaktelement mit einem Spannungsbegrenzer verbunden ist, der die Spannung am lastseitigen Kontaktelement begrenzt, wobei Überspannungen insbesondere induktiv bedingt sein können. The occurrence of overvoltages can be avoided if the load-side contact element is connected to a voltage limiter, which limits the voltage on the load-side contact element, with overvoltages in particular being able to be induced.

Eine einfach ausgeführte Schalteinrichtung sieht vor, dass der Spannungsbegrenzer bei einem Energiespeicher einen Kondensator und einen Ladewiderstand aufweist und dass der Spannungsbegrenzer aus zwei in Reihe geschalteten Dioden gebildet ist, wobei eine der beiden Dioden den Ladewiderstand während der Trennung der Kontaktelemente überbrückt. An easily implemented switching device provides that the voltage limiter has a capacitor and a charging resistor in an energy storage and that the voltage limiter is formed of two diodes connected in series, wherein one of the two diodes bridges the charging resistance during the separation of the contact elements.

Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass eine Ersatz-Betriebsspannung in der Berührungsphase vom Energiespeicher derart aufrechterhalten wird, dass die Temperatur an der zumindest einen Kontakt-Stelle jeweils noch unterhalb der Schmelztemperatur liegt, bei der das Material der Kontaktelemente zu schmelzen beginnt (und eine elektrische Material-Brücke zwischen den sich in der Berührungsphase voneinander wegbewegenden Kontaktelementen gebildet wird). With regard to the method, the solution provides that a replacement operating voltage in the contact phase is maintained by the energy store such that the temperature at the at least one contact point is still below the melting temperature at which the material of the contact elements begins to melt ( and an electrical material bridge is formed between the contact elements moving away in the contact phase).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen: The invention will be described in more detail with reference to an embodiment. Show it:

1 eine elektrische Schaltung mit geschlossenem Schaltkontakt und einer Beschaltung mit erhöhter Standzeit der Kontaktelemente, 1 an electrical circuit with a closed switch contact and a circuit with increased service life of the contact elements,

2 eine Ausführung der Beschaltung gemäß 1 und 2 an embodiment of the circuit according to 1 and

3 die Schaltung gemäß 1 und 2 mit sich öffnendem Schaltkontakt. 3 the circuit according to 1 and 2 with opening switching contact.

1 zeigt eine elektrische Schaltung mit einer Gleich-Spannungsquelle DC als Energiequelle MS, welche eine Last Z mit elektrischer Energie versorgt. Die Spannungsquelle DC erzeugt eine Gleichspannung UH, welche einen elektrischen Energiefluss in Form eines elektrischen Gleichstroms IL durch die Last Z bewirkt. 1 shows an electrical circuit with a DC voltage source DC as a power source MS, which supplies a load Z with electrical energy. The voltage source DC generates a DC voltage UH, which causes an electrical energy flow in the form of a direct electrical current IL through the load Z.

Die Spannungsquelle DC ist über eine Schalteinrichtung SD mit der Last Z verbunden und weist einen Schaltkontakt K auf, der aus einem quellseitigen Kontaktelement KS und einem lastseitigen Kontaktelement KL gebildet ist. Das Material, aus dem die beiden Kontaktelemente KS, KL bestehen, ist ein Metall. The voltage source DC is connected via a switching device SD with the load Z and has a switching contact K, which is formed from a source-side contact element KS and a load-side contact element KL. The material from which the two contact elements KS, KL exist is a metal.

In 1 ist der Schaltkontakt K und damit die Schalteinrichtung SD geschlossen und die beiden Kontaktelemente KS, KL liegen in Form von leicht abgerundeten Metallstücken druckbeaufschlagt aneinander an, so dass der Strom IL bei sehr kleinem (nahezu vernachlässigbarem) Kontaktwiderstand über die Kontaktelemente KS, KL und die Last Z fließt. In 1 is the switching contact K and thus the switching device SD closed and the two contact elements KS, KL are in the form of slightly rounded metal pieces pressurized to each other, so that the current IL at very small (almost negligible) contact resistance across the contact elements KS, KL and the load Z is flowing.

Am lastseitigen Kontaktelement KL ist eine elektrische Beschaltung B angeschlossen, die als elektrischer Energiespeicher S ausgebildet ist (in 1 durch das Symbol für einen Kondensator schematisch dargestellt). Durch die Spannungsquelle DC wird der Energiespeicher S jeweils auf die Spannung UH aufgeladen. On the load-side contact element KL, an electrical circuit B is connected, which is designed as an electrical energy storage S (in 1 by the symbol for a capacitor shown schematically). By the voltage source DC of the energy storage S is charged in each case to the voltage UH.

Parallel zur Beschaltung B ist ein Spannungsbegrenzer UL geschaltet, der ebenfalls mit dem lastseitigen Kontaktelement KL verbunden ist. Insbesondere für den Fall, dass die Last Z induktive Anteile aufweist, ist der Spannungsbegrenzer UL vorgesehen, der dafür sorgt, dass es zu keinen Spannungsüberhöhungen mit Vorzeichenumkehrung kommt. Parallel to the circuit B, a voltage limiter UL is connected, which is also connected to the load-side contact element KL. In particular, in the event that the load Z has inductive components, the voltage limiter UL is provided, which ensures that there are no voltage peaks with sign inversion.

Die Schalteinrichtung SD verfügt über Trennereigenschaften, d.h. die bei einem Schaltkontakt K mit Luftstrecke immer vorhandenen Kriechstrecken weisen die zur Spannung UH gehörige (und in Deutschland vorgeschriebene) Mindestlänge auf. The switch SD has separator characteristics, i. the creepage distances always present at a switching contact K with air gap have the minimum length associated with the voltage UH (and prescribed in Germany).

In 2 ist eine einfache Ausführung der Beschaltung B dargestellt, bei welcher der Energiespeicher S einen Kondensator C und einen Ladewiderstand RL aufweist, die beide in Reihe geschaltet sind. Der Kondensator C wird über den Ladewiderstand RL auf die Spannung UH aufgeladen, wobei der Ladewiderstand RL den Ladestrom begrenzt. Eine Diode D1, die in Flussrichtung des Ladestroms sperrt, ist parallel zum Ladewiderstand RL geschaltet. Der Kondensator C bildet hier das eigentliche Speicherelement für die elektrische Energie. In 2 a simple embodiment of the circuit B is shown, in which the energy storage S has a capacitor C and a charging resistor RL, which are both connected in series. The capacitor C is charged via the charging resistor RL to the voltage UH, wherein the charging resistor RL limits the charging current. A diode D1, which blocks in the flow direction of the charging current, is connected in parallel with the charging resistor RL. The capacitor C forms here the actual storage element for the electrical energy.

Durch die Spannungsquelle DC wird der Energiespeicher S (hier in 2 der Kondensator C) jeweils auf die Spannung UH aufgeladen, d.h. die Spannung am lastseitigen Kontaktelement KL ist vor und zumindest zu Beginn der Trennung gleich der Spannung UH, was ohne die Beschaltung B nicht der Fall wäre. By the voltage source DC of the energy storage S (here in 2 the capacitor C) in each case charged to the voltage UH, ie the voltage on the load-side contact element KL is equal to the voltage UH before and at least at the beginning of the separation, which would not be the case without the wiring B.

3 zeigt den sich öffnenden Schaltkontakt K bzw. die sich mechanisch trennenden Kontaktelemente KS, KL. Die zeitliche Zunahme des Abstands der Kontaktelemente während der Trennung ist durch den Pfeil P schematisch dargestellt. 3 shows the opening switching contact K or the mechanically separating contact elements KS, KL. The time increase of the distance of the contact elements during the separation is shown schematically by the arrow P.

Die Trennung durchläuft zuerst eine Berührungsphase und anschließend eine Trennungsphase. In beiden Phasen nimmt der Abstand der Kontaktelemente KS, KL zeitlich zu. The separation first passes through a contact phase and then a separation phase. In both phases, the distance of the contact elements KS, KL increases in time.

In der Berührungsphase vergrößert sich der Kontaktwiderstand (der Durchgangswiderstand) der sich voneinander entfernenden Kontaktelemente KS, KL stetig, wobei sich die Kontaktelemente KS, KL in dieser Phase immer noch berühren. Der Kontaktwiderstand nimmt einmal wegen der nachlassenden Druckbeaufschlagung und dann wegen der Verkleinerung der Kontaktfläche, durch welche der Strom IL fließt, zu. Die Verkleinerung kommt hier durch die leichte Abrundung der Kontaktelemente KS, KL zustande, aber auch bei nahezu ebenen Flächen lässt sich eine Verkleinerung praktisch nicht vermeiden. Am Ende der Berührungsphase liegt meist nur noch eine Kontakt-Stelle mit sehr kleiner Kontaktfläche vor, die aufgrund ihres Querschnitts einen relativ großen Kontaktwiderstand aufweist, da immer noch nahezu derselbe Strom IL wie zu Beginn der Berührungsphase fließt. In the contact phase, the contact resistance (the volume resistance) of the contact elements KS, KL, which extend away from one another, increases continuously, the contact elements KS, KL still touching each other during this phase. The contact resistance increases one time because of the decreasing pressurization and then because of the reduction in the area of contact through which the current IL flows. The reduction is achieved here by the slight rounding of the contact elements KS, KL, but even with almost flat surfaces can be a reduction practically impossible. At the end of the contact phase, there is usually only one contact point with a very small contact area which, due to its cross-section, has a relatively large contact resistance since almost the same current IL still flows as at the beginning of the contact phase.

Der zu Beginn der Berührungsphase auf die Spannung UH aufgeladene Kondensator C (Energiespeicher S) gleicht den durch die Vergrößerung des Kontaktwiderstands verursachten Stromrückgang zumindest teilweise aus. Die Kondensatorspannung wirkt also wie eine Ersatz-Betriebsspannung UC, welche eine Ersatz-Versorgung der Last Z mit elektrischer Energie übernimmt. Die Diode D1 ist hier in Durchlassrichtung geschaltet; der Spannungsabfall an der Diode D1 wird hier vernachlässigt. Der Stromrückgang wird jeweils in dem Maße ausgeglichen, in dem die Kondensatorspannung über der Spannung UH abzüglich dem jeweiligen Spannungsabfall am Kontaktwiderstand liegt. Die Spannung des Kondensators C ersetzt quasi nach und nach die Spannung UH. Die Diode D1 ist dabei in Durchlassrichtung geschaltet, d.h. der Ladewiderstand RL wird überbrückt. Je nach (ohmscher) Last Z nimmt die Ersatzspannung UC bei gegebener Kapazität des Kondensators C zeitlich mehr oder weniger schnell ab. The capacitor C (energy store S) charged at the beginning of the contact phase to the voltage UH at least partially compensates for the current decrease caused by the increase in the contact resistance. The capacitor voltage thus acts as a replacement operating voltage UC, which accepts a replacement supply of the load Z with electrical energy. The diode D1 is connected here in the forward direction; the voltage drop across the diode D1 is neglected here. The current decrease is compensated in each case to the extent that the capacitor voltage is above the voltage UH minus the respective voltage drop at the contact resistance. The voltage of the capacitor C quasi replaces the voltage UH. The diode D1 is connected in the forward direction, i. the charging resistor RL is bypassed. Depending on the (resistive) load Z, the equivalent voltage UC decreases more or less rapidly over time given the capacitance of the capacitor C.

Der Kondensator C (dessen Kapazität) ist hier so bemessen, dass er die Ersatz-Betriebsspannung UC derart aufrechterhält, dass die Temperatur an der zumindest einen Kontakt-Stelle durch den zunehmenden Kontaktwiderstand jeweils unterhalb der Schmelztemperatur liegt, also der Temperatur, bei der die Kontaktelemente KS, KL an der Kontakt-Stelle aufschmelzen. Dadurch kommt es auch zu keiner Bildung von elektrischen Metall-Brücken (Material-Brücken) aus geschmolzenem Metall (Material) zwischen den Kontaktelementen KS, KL. Wäre die Ersatz-Betriebsspannung während der gesamten Berührungsphase gleich der Spannung UH, würde es nicht einmal zu einer zusätzlichen Erwärmung kommen. Entsprechend der (Temperatur- und Strom-)Belastung, für welche die Kontaktelemente KS, KL ausgelegt ist, kann die Ersatz-Betriebsspannung UC zeitlich abnehmen, solange es zu keinem Schmelzen der Kontaktelemente KS, KL im Kontaktbereich kommt. The capacitor C (whose capacitance) is here dimensioned so that it maintains the replacement operating voltage UC such that the temperature at the at least one contact point by the increasing contact resistance is below the melting temperature, ie the temperature at which the contact elements KS, KL melt at the point of contact. As a result, there is also no formation of electrical metal bridges (material bridges) of molten metal (material) between the contact elements KS, KL. If the replacement operating voltage were equal to the voltage UH during the entire contact phase, no additional heating would occur. According to the (temperature and current) load for which the contact elements KS, KL is designed, the replacement operating voltage UC can decrease in time as long as there is no melting of the contact elements KS, KL in the contact area.

Praktisch würde es auch ausreichen, wenn die Ersatz-Betriebsspannung UC in der Berührungsphase jeweils oberhalb eines entsprechenden Mindest-Spannungswerts liegt. In practice, it would also be sufficient if the replacement operating voltage UC in the contact phase is above a corresponding minimum voltage value.

Der Kondensator C sorgt mit anderen Worten dafür, dass die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Kontaktelementen KS, KL jeweils unterhalb des Spannungswerts liegt, bei dem die sich trennenden Kontaktelemente KS, KL einen Lichtbogen aus geschmolzenem und ionisiertem Metall (Material) ziehen würden. In other words, the capacitor C ensures that the voltage difference between the two contact elements KS, KL is in each case below the voltage value at which the separating contact elements KS, KL form an arc of molten and ionized metal (material).

Ob der Kondensator C bzw. allgemein der Energiespeicher S zur Erfüllung der Temperaturbedingung ausreichend ist, lässt sich relativ leicht anhand der Kontaktelemente KS, KL überprüfen: Die Temperaturbedingung ist erfüllt, wenn die Kontaktelemente KS, KL nach der Trennung keine aufgeschmolzenen Bereiche (Fußpunkte) aufweisen. Whether the capacitor C or generally the energy store S is sufficient to fulfill the temperature condition can be checked relatively easily on the basis of the contact elements KS, KL: The temperature condition is fulfilled if the contact elements KS, KL have no melted areas (bases) after the separation ,

Zur Schalteinrichtung SD gehört weiter eine Schaltwelle W, die unter einer mechanischen Vorspannung gehalten ist, welche einen der beiden aneinander anliegenden Kontaktelemente KS, KL zum Öffnen des Schaltkontakts K beschleunigt bewegt, um insbesondere die Berührungsphase zeitlich deutlich zu verkürzen. Desto kürzer die Berührungsphase, desto kleiner kann die Kapazität des Kondensators C gewählt werden, ohne die Schmelztemperatur im Kontaktbereich zu überschreiten. Die Berührungsphase ist hier (beispielsweise) auf wenige Millisekunden verkürzt. The switching device SD further includes a switching shaft W, which is held under a mechanical bias, which accelerates one of the two adjacent contact elements KS, KL to open the switch contact K, in particular to shorten the contact phase in time significantly. The shorter the contact phase, the smaller the capacitance of the capacitor C can be selected without exceeding the melting temperature in the contact region. The contact phase is shortened here (for example) to a few milliseconds.

Die Trennungsphase beginnt, nachdem sich die Metallstücke der Kontaktelemente KS, KL nicht mehr elektrisch berühren. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sich, nachdem ein Schmelzen der Kontaktelemente KS, KL verhindert wurde, jeweils Luft (und kein geschmolzenes und ionisiertes Metall) zwischen den Kontaktelementen KS, KL befindet. The separation phase begins after the metal pieces of the contact elements KS, KL no longer touch electrically. It is characterized in that, after melting of the contact elements KS, KL was prevented, each air (and no molten and ionized metal) between the contact elements KS, KL is.

In der Trennungsphase kann allerdings immer noch ein Lichtbogen zünden und es auf diese Weise zu einer elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktelementen KS, KL kommen, allerdings im Wesentlichen nur noch durch die Ionisierung der Luft. Ein nur durch Zünden, also durch Überspringen eines Zündfunkens (Funkenbildung), erzeugter Lichtbogen hat eine deutlich geringere Stärke und damit einen deutlich geringeren Verschleiß der Kontaktelemente KS, KL zur Folge als ein in der Berührungsphase durch Schmelzen der Kontaktelemente KS, KL gezogener Lichtbogen, d.h. sein Joule-Integral (I2t-Integral bzw. I-Quadrat-t-Wert) ist deutlich geringer. Eine Lichtbogenzündung kann insbesondere erfolgen, wenn die Ersatz-Betriebsspannung des Kondensators C nach der Berührungsphase ohne Schmelzen der Kontaktelemente KS, KL zeitlich abrupt abfällt. In the separation phase, however, an arc can still ignite and in this way an electrical connection between the contact elements KS, KL occur, but essentially only by the ionization of the air. A generated only by ignition, so by skipping a spark (sparking), arc has a significantly lower strength and thus a significantly lower wear of the contact elements KS, KL result as in the contact phase by melting the contact elements KS, KL drawn arc, i. its Joule integral (I2t integral or I-square t value) is significantly lower. An arc ignition can in particular take place when the replacement operating voltage of the capacitor C drops abruptly after the contact phase without melting of the contact elements KS, KL.

Um auch das zu verhindern, hält der Energiespeicher (S) die Ersatz-Betriebsspannung nach der Berührungsphase immer noch derart aufrecht, dass die Spannung zwischen den Kontaktelementen (KS, KL) bis zum Erreichen eines vorgegebenen Kontaktabstands jeweils unterhalb der Spannung liegt, bei deren Überschreitung ein Lichtbogen (mit großer Wahrscheinlichkeit) zündet. In order to prevent this as well, the energy store (S) still maintains the replacement operating voltage after the contact phase in such a way that the voltage between the contact elements (KS, KL) is in each case below the voltage until a predetermined contact distance is reached; an arc (with high probability) ignites.

Die richtige Auslegung des Kondensators C (allgemein des Energiespeichers S bzw. der Beschaltung B) führt hier im Ausführungsbeispiel zu einer vollständigen Verhinderung eines Lichtbogens, also sowohl des durch Ziehen als auch des durch Zünden erzeugten (gebildeten) Lichtbogens. The correct design of the capacitor C (in general of the energy store S or the circuit B) leads here in the exemplary embodiment to a complete prevention of an arc, ie both the generated by drawing and by ignition (formed) arc.

Die oben beschriebene grobe Prüfung der Kontaktelemente KS, KL auf geschmolzene Bereiche, um zu entscheiden, ob die Temperaturbedingung eingehalten und der Kondensator C richtig bemessen wurde, muss bei Zünden eines Lichtbogens, ohne dass vorher in der Berührungsphase aufgrund der eingehaltenen Temperaturbedingung ein Lichtbogen gezogen wurde, dahingehend modifiziert werden, dass die Veränderung (der Verschleiß) der Kontaktelemente KS, KL anders aussieht (deutlich geringer ist). Eine solche Unterscheidung ist auch durch eine Bewertungsperson mit geringer Erfahrung möglich. The above-described rough examination of the contact elements KS, KL on molten areas to decide whether the temperature condition was met and the capacitor C was properly measured, must be ignited when igniting an arc, without previously in the contact phase due to the temperature condition maintained be modified to the effect that the change (the wear) of the contact elements KS, KL looks different (is significantly lower). Such a distinction is also possible by an evaluator with little experience.

Der Spannungsbegrenzer UL ist hier einfach aus zwei in Reihe geschalteten Dioden D1, D2 gebildet; er begrenzt die Spannung am lastseitigen Kontaktelement KL derart, dass die Spannungsdifferenz zwischen den Kontaktelementen KS, KL unterhalb der zum jeweiligen Abstand der Kontaktelemente gehörenden Lichtbogen-Zündspannung liegt. The voltage limiter UL is here simply formed from two diodes D1, D2 connected in series; it limits the voltage on the load-side contact element KL such that the voltage difference between the contact elements KS, KL is below the arc ignition voltage associated with the respective spacing of the contact elements.

Als notwendige Voraussetzung für die Trennereigenschaften der Schalteinrichtung SD ist die Beschaltung B bzw. der Energiespeicher S bei geöffnetem Schaltkontakts K nicht mit dem quellseitigen Kontaktelement KS verbunden. As a necessary condition for the disconnecting properties of the switching device SD, the circuit B or the energy store S is not connected to the source-side contact element KS when the switch contact K is open.

Die Erfindung ist nicht wie das Ausführungsbeispiel auf den Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsfall begrenzt. The invention is not limited as the embodiment of the DC or DC voltage case.

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Claims (9)

Schalteinrichtung (SD), die eine Last (Z) mit einer elektrischen Energiequelle (MS) verbindet, welche eine Betriebsspannung (UH) bereitstellt und die Last (Z) mit einem entsprechenden Energiefluss versorgt, wobei die Schalteinrichtung (SD) umfasst – einen Schaltkontakt (K), der Trennereigenschaften aufweist und aus Kontaktelementen (KS, KL) gebildet ist, die bei geöffneter Schalteinrichtung (SD) voneinander getrennt sind und bei geschlossener Schalteinrichtung (SD) aneinander anliegen, und – eine als elektrischer Energiespeicher (S) ausgebildete Beschaltung (B), die mit dem lastseitigen Kontaktelement (KL) und bei sich elektrisch nicht mehr berührenden Kontaktelementen (KS, KL) nicht mit dem quellseitigen Kontaktelement (KS) verbunden ist, wobei der Energiespeicher (S) bei geschlossenem Schaltkontakt (K) von der Energiequelle (MS) jeweils auf die Betriebsspannung (UH) aufgeladen wird, wobei die Trennung der Kontaktelemente (KS, KL) zuerst eine Berührungsphase mit sich verkleinernder Kontaktfläche durchläuft, in welcher sich die Kontaktelemente an zumindest einer Kontakt-Stelle berühren, und wobei der Energiespeicher (S) zumindest während der Berührungsphase eine Ersatz-Betriebsspannung (UC) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (S) die Ersatz-Betriebsspannung (UC) in der Berührungsphase derart aufrechterhält, dass die Temperatur an der zumindest einen Kontakt-Stelle jeweils unterhalb der Temperatur liegt, bei der das Material der Kontaktelemente (KS, KL) schmilzt. Switching device (SD), which connects a load (Z) to an electrical energy source (MS), which provides an operating voltage (UH) and supplies the load (Z) with a corresponding energy flow, wherein the switching device (SD) comprises - a switching contact ( K), which has separator properties and is formed from contact elements (KS, KL) which are separated from one another when the switching device (SD) is open and abut each other when the switching device (SD) is closed, and - a circuit (B) designed as an electrical energy store (S) ), which is not connected to the load-side contact element (KL) and to contact elements (KS, KL) which are no longer in electrical contact with the source-side contact element (KS), the energy store (S) being closed by the energy source (S) when the switch contact (K) is closed. MS) in each case to the operating voltage (UH) is charged, wherein the separation of the contact elements (KS, KL) first a contact phase with it smaller passes through the contact surface in which contact the contact elements at least one contact point, and wherein the energy storage (S) at least during the contact phase provides a replacement operating voltage (UC), characterized in that the energy store (S), the replacement operating voltage (UC) in the contact phase maintains such that the temperature at the at least one contact point is below the temperature at which the material of the contact elements (KS, KL) melts. Schalteinrichtung (SD) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur zeitlichen Verkürzung der Berührungsphase vorgesehen sind. Switching device (SD) according to claim 1, characterized in that means for shortening the time of the contact phase are provided. Schalteinrichtung (SD) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kontaktelement (KS, KL) bei der Trennung beschleunigt bewegt ist. Switching device (SD) according to claim 1 or 2, characterized in that at least one contact element (KS, KL) is accelerated during the separation. Schalteinrichtung (SD) nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (S) die Ersatz-Betriebsspannung (UC) in der Berührungsphase oberhalb eines vorgegebenen Spannungswerts hält. Switching device (SD) according to one of claims 1-3, characterized in that the energy store (S) holds the replacement operating voltage (UC) in the contact phase above a predetermined voltage value. Schalteinrichtung (SD) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (S) die Ersatz-Betriebsspannung (UC) nach der Berührungsphase derart aufrechterhält, dass die Spannung zwischen den Kontaktelementen (KS, KL) bis zum Erreichen eines vorgegebenen Kontaktabstands jeweils unterhalb der Spannung liegt, bei deren Überschreitung ein Lichtbogen zündet. Switching device (SD) according to one of claims 1-4, characterized in that the energy store (S) maintains the replacement operating voltage (UC) after the contact phase such that the voltage between the contact elements (KS, KL) until reaching a predetermined Contact distance is below the voltage, when ignited an arc ignites. Schalteinrichtung (SD) nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (S) die Ersatz-Betriebsspannung (UC) nur in der Berührungsphase aufrechterhält. Switching device (SD) according to one of claims 1-5, characterized in that the energy store (S) maintains the substitute operating voltage (UC) only in the contact phase. Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das lastseitige Kontaktelement (KL) mit einem Spannungsbegrenzer (UL) verbunden ist, der die Spannung am lastseitigen Kontaktelement (KL) begrenzt. Switching device according to one of claims 1-6, characterized in that the load-side contact element (KL) is connected to a voltage limiter (UL), which limits the voltage at the load-side contact element (KL). Schalteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsbegrenzer (UL) bei einem Energiespeicher einen Kondensator (C) und einen Ladewiderstand (RL) aufweist und dass der Spannungsbegrenzer (UL) aus zwei in Reihe geschalteten Dioden (D1, D2) gebildet ist, wobei eine der beiden Dioden (D1) den Ladewiderstand (RL) während der Trennung der Kontaktelemente (KS, KL) überbrückt. Switching device according to Claim 7, characterized in that the voltage limiter (UL) has a capacitor (C) and a charging resistor (RL) in the case of an energy store, and in that the voltage limiter (UL) is formed from two diodes (D1, D2) connected in series, wherein one of the two diodes (D1) bridges the charging resistor (RL) during the separation of the contact elements (KS, KL). Verfahren zur Erhöhung der Standzeit der Kontaktelemente (KS, KL) einer Schalteinrichtung (SD), die eine Last (Z) mit einer elektrischen Energiequelle (MS) verbindet, welche eine Betriebsspannung (UH) bereitstellt und die Last (Z) mit einem entsprechenden Energiefluss versorgt, wobei die Schalteinrichtung (SD) umfasst – einen Schaltkontakt (K), der Trennereigenschaften aufweist und aus Kontaktelementen (KS, KL) gebildet ist, die bei geöffneter Schalteinrichtung (SD) voneinander getrennt sind und bei geschlossener Schalteinrichtung (SD) aneinander anliegen, und – eine als elektrischer Energiespeicher (S) ausgebildete Beschaltung (B), die mit dem lastseitigen Kontaktelement (KL) und bei sich elektrisch nicht mehr berührenden Kontaktelementen (KS, KL) jeweils nicht mit dem quellseitigen Kontaktelement (KS) verbunden ist, wobei der Energiespeicher (S) bei geschlossenem Schaltkontakt (K) von der Energiequelle (MS) jeweils auf die Betriebsspannung (UH) aufgeladen wird, wobei die Trennung der Kontaktelemente (KS, KL) zuerst eine Berührungsphase mit sich verkleinernder Kontaktfläche durchläuft, in welcher sich die Kontaktelemente an zumindest einer Kontakt-Stelle berühren, und wobei der Energiespeicher (S) zumindest während der Berührungsphase eine Ersatz-Betriebsspannung (UC) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ersatz-Betriebsspannung (UC) in der Berührungsphase vom Energiespeicher (S) derart aufrechterhalten wird, dass die Temperatur an der zumindest einen Kontakt-Stelle jeweils unterhalb der Schmelztemperatur liegt, bei der das Material der Kontaktelemente (KS, KL) zu schmelzen beginnt. Method for increasing the service life of the contact elements (KS, KL) of a switching device (SD), which connects a load (Z) with an electrical energy source (MS), which provides an operating voltage (UH) and the load (Z) with a corresponding energy flow supplied, wherein the switching device (SD) comprises - a switching contact (K) having the separator properties and is formed of contact elements (KS, KL), which are separated from each other when the switching device (SD) open and abut each other when the switching device (SD), and - a circuit (B) formed as an electrical energy store (S) which is not connected to the load-side contact element (KL) and to contact elements (KS, KL) which are no longer electrically contacting each other with the source-side contact element (KS), wherein the Energy storage (S) is charged at the closed switching contact (K) of the power source (MS) in each case to the operating voltage (UH), wherein the separation ung the contact elements (KS, KL) first passes through a contact phase with decreasing contact surface, in which contact the contact elements at least one contact point, and wherein the energy storage (S) at least during the contact phase provides a replacement operating voltage (UC), characterized in that the replacement operating voltage (UC) in the contact phase of the energy store (S) is maintained such that the temperature at the at least one contact point in each case below the Melting temperature is at which the material of the contact elements (KS, KL) begins to melt.
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