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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit einer
Kontakteinrichtung, die Stromführungsbahnen
und Kontakte aufweist, wobei das Öffnen der Kontakte bei einem
Kurzschluss automatisch durchführbar
ist, und einer Auslöseeinrichtung,
die zum automatischen Öffnen
der Kontakteinrichtung dient, mit einem Magnetelement zum Halten eines
Auslöseelements
in einer ersten Position, in der die Kontakte geschlossen sind,
mittels Magnetkraft und einem Federelement zum Ausüben einer Federkraft
entgegen der Magnetkraft auf das Auslöseelement, wobei der Betrag
der Magnetkraft größer ist
als der der Federkraft. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum automatischen
Auslösen
einer Schaltvorrichtung im Kurzschlussfall.
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Strombegrenzende
Leistungsschalter müssen
ab einer definierten Stromstärke
auslösen,
d.h. ihre Kontakte öffnen.
Insbesondere ist das selbsttätige
Auslösen
eines Leistungsschalters bei Kurzschlüssen von Bedeutung.
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Derartige
Leistungsschalter sind aus den Dokumenten
US 4,644,438 und
US 4,689,712 bekannt. Bei den dort
vorgestellten Schaltern ist eine analoge Schalteinheit, die im Kurzschlussfall
unverzögert
den Auslösemagneten
entregt, zu einem elektronischen Überstromauslöser parallel
geschaltet. Eine Rogowsky-Spule und ein Energiewandler des elektronischen Überstromauslösers werden
als Messsignal- und Energielieferant verwendet.
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Darüber hinaus
ist in dem Dokument
US 4,760,224 ein
Unterbrecher für
Leistungsschalter beschrieben, bei dem die Kontaktunterbrechung
durch abstoßende
Kräfte
zwischen Kontaktpunkten erfolgt, wenn der Strom über die Kontakte ein gewisses
Maß überschreitet.
Dabei ist eine sehr aufwendige Mechanik notwendig, um die abstoßenden Kräfte für ein Auslösen ausnutzen
zu können.
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Aus
der Druckschrift
US
4, 660,012 A ist eine Auslöseeinrichtung zum automatischen
Auslösen
einer Schaltvorrichtung in Form eines Relais bekannt. Diese Auslöseeinrichtung
weist ein Magnetelement in Form eines Permanentmagneten auf, der
dazu dient, ein Auslöseelement
in Form eines Ankers in einer ersten Position zu halten, in der
die Kontakte einer Kontakteinrichtung geschlossen sind. Weiterhin weist
sie ein Federelement zum Ausüben
einer Federkraft entgegen der Magnetkraft des Auslöseelements
auf, wobei der Betrag der Magnetkraft des Magnetelementes größer ist
als der der Federkraft. Zum Überführen des
Ankers aus seiner ersten Position in eine zweite Position, in der
die Kontakte offen sind, wird das auf den Anker wirkende Magnetfeld
geändert.
Hierzu ist in der Auslöseeinrichtung
zusätzlich eine
Spule vorgesehen, an der ein Auslösesignal angelegt wird.
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Weiterhin
ist aus der Druckschrift
DE
27 36 494 C3 eine Auslösevorrichtung
für einen
Schnellschalter bekannt, bei der eine Stromschiene zwischen den
Schenkeln eines U-förmigen
Anzugsmagneten befestigt ist. Den freien Enden der Schenkel gegenüberliegend
sind ein Anker und ein Haltemagnet angeordnet. Der Anker ist mittels
einer Feder in einer ersten Position – in der die Kontakte einer
Kontakteinrichtung geschlossen sind – gegen den Haltemagneten gezogen.
Bei normalen Strömen
schließt sich
daher der Magnetfluss, der durch den durch die Stromschiene fließenden Strom
erzeugt wird, zum größten Teil über den
Haltemagneten und zu einem nur geringen Teil über den Anzugsmagneten. Bei
einem Kurzschluss steigt jedoch der Magnetfluss derart an, dass
der Weg vom Anker zum Haltemagneten einen Sättigungspunkt erreicht. Infolge
dessen steigt die Anziehungskraft des Anzugsmagneten stark an, während die
aus der Haltekraft des Haltemagneten und der Federkraft der Feder
resultierende Kraft nicht mehr wesentlich zunimmt, so dass schließlich der Anker
vom Haltemagneten weg in eine zweite Position – in der die Kontakte offen
sind – weggezogen wird.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein sicheres
Auslösen
einer Schaltvorrichtung bei vereinfachter Konstruktion im Falle
eines Überstroms
zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Schaltvorrichtung mit einer Kontakteinrichtung, die Stromführungs bahnen
und Kontakte aufweist, wobei das Öffnen der Kontakte bei einem Kurzschluss
automatisch durchführbar
ist, und einer Auslöseeinrichtung,
die zum automatischen Öffnen der
Kontakteinrichtung dient, mit einem Magnetelement zum Halten eines
Auslöseelements
in einer ersten Position, in der die Kontakte geschlossen sind, mittels
Magnetkraft und einem Federelement zum Ausüben einer Federkraft entgegen
der Magnetkraft auf das Auslöseelement,
wobei der Betrag der Magnetkraft des Magnetelements größer ist
als der der Federkraft. Dabei ist vorgesehen, dass die Auslöseeinrichtung
derart an der Kontakteinrichtung angeordnet und/oder die Kontakteinrichtung
derart gestaltet ist, dass ein Strom definierter Stärke, der
durch die Kontakteinrichtung hindurch fließt, das aus dem Stromfluss
und dem Magnetelement resultierende Magnetfeld so schwächt, dass
der Betrag der Federkraft größer als
der der Magnetkraft des resultierenden Magnetfeldes ist, so dass
das Auslöseelement
in eine zweite Position bewegt wird, in der die Kontakte offen sind.
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Ferner
ist erfindungsgemäß vorgesehen
ein Verfahren zum automatischen Auslösen einer Schaltvorrichtung
durch Bereitstellen einer Auslöseeinrichtung
mit einem Auslöseelement,
das aus einer ersten Position, bei der die Kontakte einer Kontakteinrichtung
geschlossen sind, in eine zweite Position, bei der die Kontakte
offen sind, überführbar ist,
Halten des Auslöseelements
in seiner ersten Position mittels der Magnetkraft eines Magnetelements
gegen eine Federkraft einer Feder, so dass die Kontakte geschlossen
bleiben, und Fließenlassen
eines Stroms durch die Kontakteinrichtung, wobei durch Schwächen des
aus dem Stromfluss und dem Magnetelement resultierenden Magnetfeldes
bei einem Strom definierter Stärke
der Betrag der Federkraft größer als
der der Magnetkraft des resultierenden Magnetfeldes ist, so dass
das Auslöseelement
zum Öffnen der
Kontakte durch die Federkraft in seine zweite Position überführt wird.
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In
vorteilhafter Weise ist damit eine direkte Ansteuerung der Auslöseeinrichtung
bzw. eines Auslösemagneten
durch das Magnetfeld des auftretenden Kurzschlussstroms gegeben.
Dadurch unterscheidet sich der Aufbau der Auslöseeinrichtung von herkömmlich verwendeten
Auslösemagneten
in Leistungsschaltern insofern, dass keine Spule zur Magnetfeldbeeinträchtigung
erforderlich ist. Das durch den Überstrom
bzw. Kurzschlussstrom erzeugte Magnetfeld reicht vielmehr aus, um
das resultierende Magnetfeld entsprechend zu schwächen, so
dass das Auslöseelement
in eine Position zum Öffnen
der Kontakte mittels der Federkraft gedrückt wird.
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Damit
das Magnetfeld des Kurzschlusses genügend Wirkung auf die Auslöseeinrichtung
hat, kann diese in unmittelbarer Nähe des Festkontakts der Kontakteinrichtung
angeordnet sein. Die Auslöseeinrichtung
kann aber auch in der Nähe
des Bewegkontakts angeordnet sein. Wesentlich ist nur, dass die
Auslöseeinrichtung
in der Nähe
einer kurzschlussstromführenden
Bahn gelegen ist.
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Vorzugsweise
umfasst die Auslöseeinrichtung
einen Auslösemagneten,
wobei das Magnetelement ein Permanentmagnet ist. Dadurch wird die Auslöseeinrichtung
leistungsfrei in einer Position gehalten, in der die Kontakte geschlossen
sind.
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Das
Auslöseelement
kann ein durch das Magnetelement verfahrbarer Stößel zur Betätigung einer Auslösewelle
sein. Darüber
hinaus kann die Schaltvorrichtung als Leistungsschalter ausgestaltet sein.
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Aus
mehreren dieser erfindungsgemäßen Schaltvorrichtungen
kann eine mehrpolige Schaltanordnung gebildet werden, wobei die
Auslöseeinrichtungen
jeder Schaltvorrichtung zum gemeinsamen Auslösen aller Schaltvorrichtungen
miteinander mechanisch gekoppelt sind. Dabei ist es günstig, wenn die
Auslöseeinrichtungen
bzw. Auslösemagnete
der Schalter auf dieselbe Ausschaltmechanik des Antriebs und parallel
zu sowie unabhängig
von einem elektronischen Überstromauslöser angeordnet
sind.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 einen
Ausschnitt aus einem Leistungsschalter gemäß dem Stand der Technik;
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2 einen
Querschnitt durch einen Auslösemagneten
gemäß dem Stand
der Technik;
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3 einen
Signalverlauf eines Kurzschlussstroms und
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4 die
prinzipielle erfindungsgemäße Anordnung
einer Auslöseeinrichtung.
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Das
nachfolgend näher
beschriebene Ausführungsbeispiel
stellt eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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Im
Zusammenhang mit den 1 bis 3 wird zunächst der
Stand der Technik zum Verständnis
der Erfindung näher
erläutert.
Ein Leistungsschalter gemäß dem bekannten
Stand der Technik, wie er in 1 dargestellt
ist, besitzt typischerweise zur Leitung des Stroms eine Strombahn 1 und
einen Bewegkontakt, der auf einem Kontaktträger 2 montiert ist und
der auf die Strombahn 1 zum Schließen der Kontakte bewegbar ist.
Ein Schaltantrieb 3 ist mit dem Kontaktträger 2 mechanisch
zu dessen Schließ-
und Öffnungsbewegung
gekoppelt. Der Schaltantrieb 3 umfasst eine Auslösewelle 4 und
eine Halbwelle 5. Die Auslösewelle 4 wird von
einem Auslösemagneten 6 betätigt. Die
Auslösewelle 4 greift
dann an die Halbwelle 5 an, so dass diese eine entsprechende Auslösebewegung
ausführt,
um den Bewegkontakt in die geöffnete
Position zu bringen. Der Auslösemagnet 6 könnte auch
direkt die Halbwelle 5 betätigen.
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In 2 ist
der Auslösemagnet 6 im
Detail im Querschnitt wiedergegeben. Er besitzt einen Stößel 61,
der mit Hilfe eines Permanentmagneten 62 in einer ersten
Position (Geschlossen-Position) gehalten wird. In dieser Position
ist der Stö ßel 61 durch eine
Feder 63 vorgespannt. Die Druckkraft der Feder 63 ist
in ihrem Betrag jedoch geringer als der Betrag der Magnetkraft des
Permanentmagneten 62. Daher wird der Stößel 61 ohne äußeren Einfluss
in dieser ersten Position gehalten. Um nun im Fall des Überstroms
oder Kurzschlussstroms den Auslösemagneten
auszulösen,
ist in Verlängerung
des Permanentmagneten 62 in axialer Richtung des Stößels 61 ein Elektromagnet 64 angeordnet.
Dieser Elektromagnet 64 wird als Folge des Überstroms
bzw. Kurzschlussstroms erregt. Im Falle seiner Erregung schwächt er das
aus dem Stromfluss und dem Magnetfeld des Permanentmagneten 62 resultierende
Magnetfeld derart, dass die auf den Stößel 61 ausgeübte resultierende
Magnetkraft geringer ist als die Kraft der Feder 63. Dadurch
wird der Stößel 61 in
eine zweite Position gedrückt,
die ein Auslösen
des Leistungsschalters, d.h. ein Öffnen seiner Kontakte bewirkt.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass das Auslösen des
Leistungsschalters auch unmittelbar durch das vom Kurzschlussstrom
erzeugte Magnetfeld ermöglicht
werden kann. Vorteilhaft dabei ist, dass auf eine Spule in dem Auslösemagneten 6 verzichtet
werden kann.
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Für einen
strombegrenzenden Schalter müssen
die Kontakte vor Erreichen der maximalen Stromamplitude, d.h. innerhalb
der Zeit t, wie sie aus 3 zu entnehmen ist, geöffnet werden.
Die Figur zeigt den Kurzschlussstromverlauf beim Einschalten, wobei
IP den Stoßkurzschlussstrom und Ik den Dauerkurzschlussstrom darstellen. Durch
das Öffnen
der Kontakte vor Erreichen des Maximums wird somit der Durchgangsstrom
begrenzt.
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Grundsätzlich kann
die Erfindung nicht nur auf strombegrenzende Schalter mit der Abschaltzeit < t, sondern auch
für selektive
Schalter verwendet werden, bei denen das Kontaktsystem zumindest
anfänglich
auch bei der maximalen Stromamplitude die Kontakte geschlossen hält. Diese
selektiven Schalter werden in der Regel bei Kurzschlussströmen bis
zu 100 kA eingesetzt, während
die Strombegrenzer auch bei höheren
Kurzschlussströmen
Verwendung finden. Bei den letzteren wird dann zunächst derjenige
Pol abgeschaltet, an dem der Kurzschluss vorliegt. Die übrigen Pole
werden dann zeitverzögert
getrennt.
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Um
nun die Magnetkräfte
des Kurzschlussstroms, der durch die Strombahnen und Kontaktelemente
der Schaltvorrichtung fließt,
hinreichend ausnützen
zu können,
müssen
die Strombahnen entsprechend den physikalischen Gesetzmäßigkeiten so
geformt werden, dass beispielsweise durch Stromschleifen entsprechend
hohe Magnetfelder an den Strombahnen entstehen. Zusätzlich ist
in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Auslösemagnet 6 in örtlicher
Nähe zu
der Strombahn 1 und dem Bewegkontakt bzw. Kontaktträger 2 angeordnet. Dadurch
wird erreicht, dass das Magnetfeld eines Kurzschlusses hinreichenden
Einfluss auf die Wirkung des Magnetfelds des in dem Auslösemagneten befindlichen
Permanentmagneten ausübt.
Der Stößel des
Auslösemagneten 6 bewegt
dann im Kurzschlussfall die Auslösewelle 4,
welche ihrerseits durch nicht dargestellte mechanische Kopplung
eine Öffnungsbewegung
des Bewegkontakts 2 verursacht.
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Erfindungsgemäß ist es
damit möglich
eine selbsttätige
Auslösung
eines Leistungsschalters mit vereinfachter Konstruktion ab einem
definierten Kurzschlussstrom bzw. Überstrom zu realisieren. Ferner
erlaubt der erfindungsgemäße Aufbau
der Schaltvorrichtung bei einer mehrpoligen Schaltanordnung mit
mehreren derartigen Schaltvorrichtungen ein allpoliges Ausschalten,
auch wenn nur in einem Pol ein Kurzschluss auftritt.