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Die Erfindung geht aus von einem Installationsschaltgerät mit einer Kontaktstelle, die mit einem feststehenden und einem beweglichen Kontaktstück gebildet ist, mit einem Kontaktträger, der an seinem freien Ende das bewegliche Kontaktstück trägt, wobei bei einer Ausschalthandlung das bewegliche Kontaktstück von dem feststehenden Kontaktstück getrennt wird und dadurch an der Kontaktstelle im Zustand der voneinander getrennten Kontaktstücke ein Lichtbogen zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Kontaktstück sich ausbildet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein solches Installationsschaltgerät ist beispielsweise ein Leitungsschutzschalter oder ein Fehlerstromschutzschalter oder ein Motorschutzschalter. Dieser wird verwendet zum Schalten von Betriebsströmen und Abschalten von Kurzschlussströmen im Fehlerfall in elektrischen Stromkreisen mit einer elektrischen Schaltkontaktöffnung. Bei einer solchen Schalthandlung entsteht ein Lichtbogen. Der zwischen den Kontaktstücken anstehende Lichtbogen muss die Kontaktstelle so schnell wie möglich verlassen, um durch die wirkende Wärmeenergie des anstehenden Lichtbogens (Plasma) die Kontaktstelle nicht zu schädigen oder zu zerstören.
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Ein Installationsschaltgerät, beispielsweise ein Leitungsschutzschalter, nach dem Stand der Technik, arbeitet mit einem oder mehreren Schaltkontakten, bei welchen durch das Öffnen der Kontaktstelle oder der Kontaktstellen in einem stromdurchflossenen Stromkreis immer ein Lichtbogen entsteht. Das Magnetfeld, das diesen Lichtbogen umgibt, treibt aufgrund der als Lorenzkraft bekannten Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter, unterstützt durch eine entsprechenden Geometrie der Kontaktstelle, den Lichtbogen aus der offenen Kontaktstelle über Lichtbogenleitschienen in eine Lichtbogenlöschkammer, auch Deionkammer genannt. In der Löschkammer befindet sich meistens ein Lichtbogenlöschblechpaket, ein Stapel parallel zueinander und voneinander beabstandeter Lichtbogenlöschbleche. Wenn der Lichtbogen entlang der Lichtbogenleitschienen läuft, wird er dabei in die Länge gestreckt. Schon dadurch wird der Kurzschlussstrom begrenzt, denn ein gestreckter Lichtbogen wirkt wie ein Widerstand in einem Stromkreis. Außerdem wird in der Deionkammer zwischen jedem Lichtbogenlöschblech der Lichtbogen in einzelne kleine Teillichtbögen aufgeteilt, wodurch eine hohe Gegenspannung, auch Anoden-Katoden-Spannung genannt, entsteht und den Kurzschlussstrom zum Erlöschen bringt.
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Ein Lichtbogen birgt eine sehr große elektrische Energie in sich, welche, wenn einmal entstanden, unberechenbar und sehr zerstörerisch sein kann. Insbesondere gilt es zu verhindern, dass der Lichtbogen mit seiner vollen Intensität auf einer Stelle verharrt und auf diese längere Zeit, im Bereich mehrerer μs, einwirkt. Des Weiteren ist die zu bewältigende Energie auch umso höher, je länger der Lichtbogen benötigt, um sich aus der Kontaktstelle heraus zu bewegen.
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Es ist also sehr schwierig, einen anstehenden Lichtbogen kontrolliert zum Verlöschen zu bringen, wenn dieser eine gewisse Intensität bzw. einen gewissen Energiegehalt erreicht hat. Deshalb muss sich ein entstehender oder anstehender Lichtbogen so schnell wie möglich aus der Kontaktstelle herausbewegen, hinein in die Deionkammer, um dort zu verlöschen.
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Um ein schnelleres Herausbewegen des Lichtbogens aus der Kontaktstelle zu bewirken, ist es bekannt, zusätzliche Metallplatten, welche seitlich zu der Kontaktstelle bis vor die Deionkammer verlaufen, einzusetzen. Aufgrund des den Lichtbogen umgebenden Magnetfeldes wird zwischen diesen Metallplatten der Lichtbogen von der Kontaktstelle weg bis in die Lichtbogenlöschkammer getrieben. Zusätzlich wird die Stromzuführung zu der Kontaktstelle, von welcher sich der Lichtbogen wegbewegen soll, an der dem feststehenden Kontaktstück gegenüberliegenden Lichtbogenleitschiene angeschlossen.
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Trotz dieser Maßnahmen kann es dennoch vorkommen dass sich der Lichtbogen nicht schnell genug aus der Kontaktstelle herau bewegt, weil das Herausbewegen oder Herauslaufen auch von weiteren Einflussfaktoren bei der Produktion des Installationsschaltgerätes, wie z. B. der Qualität der geschweißten Kontaktplättchen, der verwendeten Materialien oder durch vorhandene Fertigungstoleranzen, beeinflusst wird.
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Es ist daher die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Installationsschaltgerät so zu verbessern, dass der Lichtbogen noch schneller aus der Kontaktstelle heraus bewegt wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Installationsschaltgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß also ist der Kontaktträger, ausgehend von dem beweglichen Kontaktstück, mit einem Stromführungsabschnitt ausgebildet, der sich in räumlicher Nähe zu der Lichtbogenentstehungsstelle befindet, und der in etwa parallel zu der Erstreckungsrichtung des sich im Zustand seiner Ausbildung befindenden Lichtbogens orientiert ist.
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Durch die erfindungsgemäß gewählte geometrische Form des Kontaktträgers verläuft der Strom im Lichtbogen im Zustand seiner Ausbildung, also schon unmittelbar nach dem Abheben des beweglichen Kontaktstückes von dem feststehenden Kontaktstück, und der Strom in dem Stromführungsabschnitt des Kontaktträgers parallel zueinander in entgegengesetzte Richtungen. Dies hat zur Folge, dass sich durch die dem Stromfluss umgebende Magnetfelder eine abstoßende magnetische Kraft zwischen dem Lichtbogen und dem Stromführungsabschnitt des Kontaktträgers ausbildet und den Lichtbogen aus der Kontaktstelle herausdrückt. Da sich der Stromführungsabschnitt in räumlicher Nähe zu der Lichtbogenentstehungsstelle befindet, ist die zusätzliche abstoßende Kraft auch hinreichend groß, um effektiv wirken zu können. Je höher der Stromfluss ist, umso größer wird diese magnetisch abstoßende Kraft.
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Durch die Erfindung wird somit ein zusätzliches magnetisches Feld als Antriebkraft zum Herausbewegen des Lichtbogens aus der Kontaktstelle erzeugt. Dieses zusätzliche Magnetfeld verstärkt die schon vorhandene Lorenzkraft, unterstützt die Wirkung der angeordneten Metallplatten und drückt den Lichtbogen schon während seiner Entstehung aus der Kontaktstelle heraus.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bilden der Stromführungsabschnitt des Kontaktträgers und das bewegliche Kontaktstück zwei in etwa senkrecht zueinander angeordnete Schenkel einer ersten L-Form.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Kontaktträger einen Schwenkabschnitt auf, der an einer Schwenkachse schwenkbar gelagert ist, und der Schwenkabschnitt und der Stromführungsabschnitt bilden zwei in etwa senkrecht zueinander angeordnete Schenkel einer zweiten L-Form.
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Der Kontaktträger hat somit insgesamt in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Doppel-L-Form.
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Dabei ist es für die Erzielung der vorteilhaften Effekte der Erfindung ausreichend, wenn der Stromführungsabschnitt in etwa parallel zu der Erstreckungsrichtung des Lichtbogens orientiert ist, und wenn die Winkel zwischen aneinanderstoßenden Schenkeln der L-Formen ungefähr 90° bilden, exakt 90° sind nicht erforderlich, um die erfindungsgemäße vorteilhafte Wirkung zu erzielen.
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Denn auch wenn die Ausrichtung des Stromführungsabschnittes einen kleineren Winkel mit der Erstreckungsrichtung des Lichtbogens einnimmt, so ist die Wechselwirkung des Magnetfeldes des durch den Stromführungsabschnitt fließenden Stromes mit dem Magnetfeld des Lichtbogens immer noch groß genug, um die vorteilhaft wirkende zusätzliche Abstoßungskraft zu erzeugen. Dadurch wird die Fertigung eines erfindungsgemäßen Kontaktträgers vereinfacht, denn es sind keine erhöhten Anforderungen an die Einhaltung bestimmter Winkeltoleranzen zu stellen. Der Fachmann wird einen optimalen Toleranzbereich der Winkel für die Erzielung einer ausreichend großen zusätzlichen Abstoßungskraft durch eine Reihe von Versuchen aufgrund seiner technischen und handwerklichen Fähigkeiten leicht ermitteln können.
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Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, 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 schematisch und exemplarisch ein erfindungsgemäßes Installationsschaltgerät mit geschlossener Kontaktstelle,
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2 das Installationsschaltgerät nach 1, im Zustand der sich gerade öffnenden Kontaktstelle,
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3 das Installationsschaltgerät nach 1, mit geöffneter Kontaktstelle.
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1 zeigt schematisch und exemplarisch einen Leitungsschutzschalter 1. Dieser hat ein Isolierstoffgehäuse 2. Darin sind die für die Funktion erforderlichen Bauteile und Komponenten angeordnet und untergebracht. Hier sind nicht alle üblicherweise in einem Leitungsschutzschalter vorhandenen Komponenten dargestellt. Das dargestellte soll kurz erläutert werden, das nicht dargestellte ist dem Fachmann darüber hinaus bekannt.
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Zwischen zwei Anschlussklemmen 3, 4 verläuft durch den Leitungsschutzschalter 1 ein Strompfad. Dazu erstreckt sich von der einen, links eingezeichneten Klemme 3 ein erstes Leiterstück 15 zu einem Kontaktträger 7. Das erste Leiterstück 15 kann eine starre Stromschiene oder ein bewegliche Litze oder eine abschnittsweise Kombination aus beidem sein.
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Der Kontaktträger 7 ist an einer Schwenkachse 14 schwenkbar gelagert. Die Schwenkachse 14 kann gehäusefest ausgebildet sein.
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Von der Stromeintrittsstelle, an der das erste Leiterstück 15 elektrisch und mechanisch mit dem Kontaktträger 7 verbunden ist, ausgehend verläuft der Strompfad weiter über einen ersten Abschnitt des Kontaktträgers, genannt Schwenkabschnitt 13. Am Ende des Schwenkabschnitts 13 befindet sich eine weitere Abkantung um etwa 90° nachunten. Der Kontaktträger geht jetzt in einen zweiten Abschnitt über, genannt der Stromführungsabschnitt 9. Der Schwenkabschnitt 13 und der Stromführungsabschnitt 9 bilden die beiden Schenkel einer L-Form. In dem Stromführungsabschnitt 9 wird der Strom gezwungen, seine Richtung zu ändern und er fließt darin nach unten, in der Darstellung der 1 in Richtung auf die Basisseite 16 des Isolierstoffgehäuses 2 hin.
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Am Ende des Stromführungsabschnitts 9 befindet sich eine weitere Abkantung, wiederum um ungefähr 90°, diesmal nach rechts, also in etwa parallel verschoben zur Verlängerung der Richtung des Schwenkabschnitts 13. Diese weitere Abkantung trägt das bewegliche Kontaktstück 6, sie wird daher als Kontaktabschnitt 17 bezeichnet. Der Kontaktabschnitt 17 und der Stromführungsabschnitt 9 bilden die beiden Schenkel einer weiteren L-Form. Der Kontaktabschnitt 17 ist hier in der Darstellung der Figur als ein wellenartig geschwungenes Teil ausgeführt mit dem beweglichen Kontaktstück 6 als bogenförmig nach oben gewölbtes Endstück des Kontaktabschnitts 17. Dies ist exemplarisch und schematisch zu verstehen, nicht beschränkend. Eine Mittellinie durch den wellenförmigen Kontaktabschnitt 17 ist als Richtungslinie 18 eingezeichnet. Der ungefähr rechte Winkel an der weiteren Abkantung besteht zwischen dem Stromführungsabschnitt 9 und der Richtungslinie 18.
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Das bewegliche Kontaktstück 6 steht in elektrischem Kontakt mit einem feststehenden Kontaktstück 5. Die aus den beiden Kontaktstücken 5, 6 gebildete Kontaktstelle ist geschlossen.
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Der Strompfad verläuft von dem feststehenden Kontaktstück 5 aus weiter ein Stück entlang einer oberen Lichtbogenleitschiene 10, von dort über ein zweites Leiterstück 19 zu der zweiten Anschlussklemme 4.
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Unterhalb der oberen Lichtbogenleitschiene 10 befindet sich ein Lichtbogenlöschblechpaket 12, hier in der Figur nur schematisch dargestellt in Form eines Kastens. Eine untere Lichtbogenleitschiene 11 begrenzt das Lichtbogenlöschblechpaket nach unten in Richtung zu der Basisseite 16 des Gehäuses 2 hin, und verläuft nach links weiter und endet ungefähr unterhalb des feststehenden Kontaktstückes 5.
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Die Funktion der Lichtbogenleitschienen im Zusammenspiel mit der Kontaktstelle und dem Lichtbogenlöschblechpaket ist im Prinzip bekannt. Beim Aufschlagen der Kontaktstelle im Falle eines hohen Kurzschlussstromes in dem Strompfad, wobei das Aufschlagen durch Einwirken eines Kurzschlussstromauslösers, der hier nicht dargestellt ist da im Prinzip bekannt, auf den Kontaktträger und dessen daraufhin erfolgende schnelle Verschwenkung im Uhrzeigersinn bewirkt wird, entsteht zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Kontaktstück ein Lichtbogen 8, siehe 2. Wenn sich der Kontaktträger weit genug verschwenkt hat und das bewegliche Kontaktstück 6 der unteren Lichtbogenleitschiene 11 hinreichend nahe gekommen ist, so kommutiert der untere Fußpunkt 20 des Lichtbogens 8 auf die untere Lichtbogenleitschiene. Er Wird jetzt zwischen den beiden Leitschienen 10, 11 in das Lichtbogenlöschblechpaket 12 hineingeführt und dort in bekannter Weise zwischen den Lichtbogenlöschblechen 22 in eine Serie von Einzellichtbögen zerlegt, siehe 3, und dadurch schnell zum Verlöschen gebracht.
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Zur Unterstützung der Vortriebskraft auf den Lichtbogen ist die untere Lichtbogenleitschiene 11 über ein weiteres Leiterstück 21 mit dem ersten Leiterstück 15 und damit mit dem Strompfad verbunden. Dadurch entsteht eine schleifenförmige Stromführung des Stromes auf seinem weg von der Klemme 3 durch den Lichtbogen 8 hindurch, siehe 3. Das Magnetfeld dieser Schleife überlagert sich mit dem von dem Lichtbogen 8 selbst erzeugten Magnetfeld und übt eine treibende Kraft auf den Lichtbogen 8 aus, die diesen in das Lichtbogenlöschblechpaket 12 hineintreibt.
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Es werde nun die 2 betrachtet. Diese zeigt den Zustand unmittelbar nach dem Abheben des beweglichen Kontaktstücks 6 von dem feststehenden Kontaktstück 5.
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Der Lichtbogen 8 ist im Zustand des Entstehens. Der Stromführungsabschnitt 9 des Kontaktträgers 7 befindet sich unmittelbar neben dem entstehenden Lichtbogen 8. Die Richtung des Stromflusses in dem Stromführungsabschnitt 9 ist durch den Pfeil P1 angedeutet, die Richtung des Stromflusses in dem Lichtbogen 8 durch den Pfeil P2. Beide sind einander entgegengesetzt, und zwar unabhängig davon, ob es sich bei dem Strom durch den Strompfad des Leitungsschutzschalters um Gleichstrom oder um Wechselstrom handelt. Zwischen von in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossenen Leitern besteht aufgrund der Lorentz-Kraft eine abstoßende Kraftwirkung, dargestellt durch den Pfeil P4. Da der Kontaktträger 7 lateral in Richtung der wirkenden Abstoßungskraft P4 nicht verschieblich ist, da in der Schwenkachse 14 lateral unverschieblich gehalten, bewirkt die abstoßende Kraft P4 eine Ausweichbewegung des entstehenden Lichtbogens 8 nach rechts, in Richtung des Pfeiles P3. Diese Kraftwirkung addiert sich zu der auf den Lichtbogen wirkenden Kraft aufgrund der schleifenartigen Stromführung.
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Durch die erfindungsgemäße geometrische Ausgestaltung und Anordnung des Kontaktträgers 7 verläuft der Strom im Lichtbogen 8 und der Strom im Stromführungsabschnitt 9 des Kontaktträgers 7 parallel zueinander in gegensätzliche Richtungen, siehe P1 und P2. Dies hat zur Folge, dass sich durch die dem Stromfluss umgebende Magnetfelder eine abstoßende magnetische Kraft, siehe P4, zwischen dem Lichtbogen 8 und dem Stromführungsabschnitt 9 des Kontaktträgers 7 ausbildet und den Lichtbogen 8 aus der Kontaktstell drückt, siehe P3. Je höher der Stromfluss ist, umso größer wird diese magnetisch abstoßende Kraft.
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Diese abstoßende Kraft zwischen dem Stromführungsabschnitt 9 des Kontaktträgers 7 und dem anstehendem Lichtbogen 8 kann auch bei höheren Betriebsströmen dazu dienen, dass der Lichtbogen 8 bei Schaltvorgängen die Kontaktstelle so schnell wie möglich verlässt und keine übermäßigen Abnutzungen, Schädigungen oder Zerstörungen durch die wirkende Wärmeenergie des anstehenden Lichtbogens (Plasma) auf die Kontaktstelle ausüben kann.
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Durch das Verlassen der Kontaktstelle kann der Lichtbogen 8 über die Lichtbogenleitschienen 10, 11 in die Lichtbogenlöschkammer 12, auch Mehr-Blechkammer oder Deionkammer genannt, hineinlaufen und eine Gegenspannung zum Verlöschen des Lichtbogens bzw. Bezwingen des Kurzschlussstromes erzeugen, siehe 3.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Installationsschaltgerät
- 2
- Gehäuse
- 3
- Anschlussklemme
- 4
- Anschlussklemme
- 5
- feststehendes Kontaktstück
- 6
- bewegliches Kontaktstück
- 7
- Kontaktträger
- 8
- Lichtbogen
- 9
- Stromführungsabschnitt
- 10
- Lichtbogenleitschiene, obere
- 11
- Lichtbogenleitschiene, untere
- 12
- Lichtbogenlöschanordnung
- 13
- Schwenkabschnitt
- 14
- Schwenkachse
- 15
- erstes Leiterstück
- 16
- Basisseite
- 17
- Kontaktabschnitt
- 18
- Richtungslinie
- 19
- zweites Leiterstück
- 20
- unterer Fußpunkt
- 21
- weiteres Leiterstück
- 22
- Löschblech
