DE10354505A1

DE10354505A1 - Elektrischer Selbstschalter

Info

Publication number: DE10354505A1
Application number: DE2003154505
Authority: DE
Inventors: Peter Flohr
Original assignee: ETI Elektroelement dd
Current assignee: ETI Elektroelement dd
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-11-22
Also published as: DE10354505B4; WO2005050690A1

Abstract

Elektrischer Selbstschalter, verlustarm und selektiv in Kleinbauweise mit hohem Schaltvermögen für die Verwendung insbesondere als Leitungsschutzschalter oder Hauptsicherungsautomat. DOLLAR A Der Selbstschalter verfügt über eine universelle Auslösecharakteristik, welche selbst durch große Schwankungen der Umgebungstemperatur praktisch nicht zu beeinflussen ist. DOLLAR A Das Schutzschaltgerät ist in seinem Auslöseverhalten immun gegen Einschaltspitzen von Glühlampen, Energiesparlampen und Motoren und ist in seinem Selektivitätsverhalten vergleichbar mit dem von Schmelzsicherungen.

Description

Die Erfindung betrifft einen verlustarmen, selektiven Selbstschalter zum Schutz von elektrischen Werbrauchern und Stromkreisen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1.
Zum Schutz von elektrischen Leitungen aber auch zum Schutz von Motoren werden heute überwiegend Schutzschalter eingesetzt welche die früher üblichen Schmelzsicherungen ersetzen.

Alle Schutzschalter nach dem heutigen Stand der Technik basieren auf einer Reihenschaltung von Kurzschlußauslöser – Überstromauslöser und Kontaktanordnung und entsprechen somit der technischen Lehre aus der Patentschrift Nr. 45892 v. 22.03.1928.

Gemeinsam kommt bei diesen Konstruktionen ein Überstromauslöser zur Anwendung der mittels Stromwärme einen thermomechanischen Wandler bereits bei bestimmungsgemäßen Betrieb aufheizt um dann im Störfall also bei erhöhtem Stromfluß das Schutzschaltgerät in vorgegebenen Zeiten auszulösen und den Stromkreis zu unterbrechen.

Der kollektive Mangel der diesen Konstruktionen anhaftet besteht dann, daß der thermomechanische Wandler auch bei bestimmungsgemäßen Betrieb einen Eigenverbrauch benötigt der etwa 1% oder zu schützenden Leistung ausmacht.

Dieser stand-by Betrieb ist unnötig er ist die Ursache für die unerwünschte gegenseitige Erwärmung der Schutzschaltgeräte in Verteilungen und führt zu ungewollten Abschaltungen bereits bei Nennstrom.

Damit der thermomechanische Wandler seine Funktion im Schutzschaltgerät erfüllen kann und zwar ohne durch schwankende Umgebungstemperaturen beeinflußt zu werden müßte seine Arbeitstemperatur deutlich über dem Temperaturbereich liegen bei dem das Schutzschaltgerät zum Einsatz kommt. Die Erhöhung der Arbeitstemperatur wäre zwar grundsätzlich möglich würde aber wiederum höhere Heizleistung für den thermomechanischen Wandler voraussetzen wodurch dieser eine noch größere Verlustleistung bei bestimmungsgemäßen Betrieb – also praktisch immer – verbrauchen würde.

Ein weitere Mangel bekannter Produkte besteht dann, daß die Schutzschaltgeräte auch dann selbst tätig abschalten wenn gar kein gestörter Betrieb vorliegt etwa durch die kurzen Stromimpulse beim Einschalten von Lampen oder Motoren in elektrischen Anlagen.

Letzlich war die fehlende Selektivität von Selbstschaltern zueinander der Anlaß Lösungen vorzuschlagen wie sie im DE 3840482 oder DE 4118377 A1 veröffentlicht wurden.

In der Praxis sind daraus Schutzschaltgeräte mit erheblichem technischen Aufwand entstanden deren Funktion wie z.B. bei DE 4118377 A1 vom Vorhandensein der Netzspannung abhängt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen verlustarmen, selektiven Selbstschalter zu schaffen der als Leitungs- oder Motorschutzschalter aber auch als Hauptsicherungsautomat eingesetzt werden kann. Der technische Aufwand für die Herstellung soll dem bekannter Leitungsschutzschalter vergleichbar sein, seine Funktion soll netzspannungs- und hilfsspannungsunabhängig erfolgen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht der Erfindung die Überlegung voraus den von keiner Konvention geforderten stand – by – Betrieb bei Selbstschaltern abzuschaffen.

Die Erfindung verzichtet deshalb auf die Beheizung des thermomechanischen Wandlers bei bestimmungsgemäßen Betrieb und vermeidet damit – also praktisch immer – jene Verlustleistung die den Selbstschalter und seine Umgebung unnötig erwärmt.

Gemäß der Erfindung kommt daher als Überstromauslöser anstelle eines thermomechanischen Wandlers ein magnetothermischer Wandler zum Einsatz der erst bei gestörtem Betrieb aufgeheizt wird und dabei seine Auslösefunktion wahrnimmt.

Der magnetothermische Wandler besteht aus zwei Magnetsystemen die unabhängig voneinander mit einem Thermobimetall zusammenarbeiten.

Bei bestimmungsmäßigen Betrieb also im eingeschalteten Zustand des Selbst schalters wird nur die Erregerspule des magnetothermischen Wandlers vom Betriebsstror durchflossen – das Thermobimetall ist kurzgeschlossen.

Erst wenn der Betriebsstrom einen kritischen Bereich übersteigt zieht der erste Anker des Doppelankersystems bei einem vorgewählten Stromwert an und schaltet das Thermobimetall unterbrechungsfrei in den Hauptstromkreis.

Das Thermobimetall wird nunmehr vom Überstrom durchflossen, erwärmt sich und entklinkt das Schaltschloß wodurch auf bekannte Weise der überlastete Stromkreis unterbrochen wird.

Die Arbeitstemperatur des Thermobimetalls ist dabei wesentlich höher als bei bekannten Anordnungen, so daß die Verzögerungszeit kurz ist und der thermische Einfluß auf benachbarte Schutzschaltgeräte unterbleibt.

Aufgrund der hohen Arbeitstemperatur des Thermobimetalls wird aber auch die Auslösecharakteristik des Selbstschalters selbst durch erhebliche Schwankungen der Umgebungs temperatur nicht nachteilig beeinflußt.

Die Unempfindlichkeit des Selbstschalters gegenüber Einschaltimpulsen von Glühlampembändern, Energiesparlampenserien und Motoren ist durch die Wirkungsweise des magnetothermischen Auslösers vorgegeben. Da das Thermobimetall erst nach Aufnahme einer bestimmten Wärmemenge also verzögert auslösen kann ist auf diese Weise, vergleichbar dem Verhaften von Schmelzsicherungen, Selektivität bis zu Überströmen größer 1000 A gegeben.

Bei höheren Kurzschlußströmen wird das aus ferromagnetischen Material bestehende Rohr des Doppelankersystems magnetisch gesättigt, so daß der Tauchanker beim Anziehen über den Stössel die Kontaktbrücke direkt in eine stabile Endlage schleudert und somit den Stromkreis unterbricht. Gleichzeitig wird dadurch das Thermobimetall stromlos geschaltet und vor Beschädigungen bewahrt.

Nachdem der Einfluß schnellöffnender Kontakte im Hochstrombereich und das Zusammenwirken mit Deionkammern zur Strombegrenzung bei der Abschaltung bekannt ist wird auf eine Beschreibung dieses Vorganges verzichtet.

Die Abschaffung des Stand -by- Betriebes bewirkt aber auch eine erhebliche Einsparung des Jahresenergiebedarfs die sich volkswirtschaftlich rechnet. So reduziert sich die Verlustleistung des Selbstschalters gemäß der Neuerung bei bestimmungsgemäßen Betrieb auf ca. 1/3 im Vergleich zu Schutzschaltgeräten nach dem Stand der Technik.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in den Unteransprüchen beschrieben. Aus der Zeichnung ist ein Ausführungsbeisspiel und dessen Wirkungsweise ersichtlich.
Hierbei zeigt: 1 den magnetothermischen Wandler in betriebsbereitem Zustand
2 das Schaltbild des Selbstschalters
3 das U-förmige Thermo-Bimetall
4 die Kontaktbrücke in Dreiecksform
5 die Strom- Zeit- Kennlinie des Selbstschalters im Vergleich zu bekannten Schutzschaltgeräten
Bei der schematischen Darstellung ist auf Bauteile des Selbstschalters die für das Verständnis des Erfindungsgedankens von untergeordneter Bedeutung und bekannt sind verzichtet worden.
Zunächst soll die Ausführung gemäß 1 erläutert werden.
Der magnetothermische Wandler besteht aus zwei Magnetsystemen die unabhängig voneinander auf die Kontaktbrücke (16) wirken und in Redundanz mit dem Bimetall (12) die Auslösung des Selbstschalters bei gestörtem Betrieb über die Klinke (8) veranlassen.
Beide Magnetsysteme sind zu einem Doppelankerauslöser zusammengefaßt und werden von der gemeinsamen Stromspule (11) erregt.
Der Stromfluß erfolgt im betriebsbereiten Zustand von der Klemme (17) über die Stromspule (11) und das Hauptschaltstück (15), die Kontaktbrücke (16) zum Haupschaltstück (21) und von dort zur Klemme (23). Das Thermobimetall (12) ist kurzgeschlossen. Der Magnetkreis für den Klappankermagnet wird durch den Anker (1), das Magnetjoch (5) und (6) sowie das Rohr (4) gebildet. Der Anker (1) ist kraftschlüssig und drehbar im Magnetjoch (5) gelagert und wirkt bei gestörtem Betrieb mit seinem Schenkel (20) im Gegenzeigersinn auf die Kontaktbrücke (16) und öffnet die Kontaktstelle am Hauptkontaktstück (15).
Der Ankerluftspalt (1a) ist gleich 0, das Thermobimetall (12) wird über das Abbrennstück (13) und die Verbindung (14) in den Hauptstromkreis geschaltet und vom Überstrom durchflossen. Das Thermobimetall biegt sich aus und löst verzögert über die Klinke (8) das Schaltschloß.
Der Stromansprechwert des Klappankermagneten kann durch die Justiereinrichtung (9, 10) vorgewählt werden.
Der Magnetkreis für den Tauchankermagnet wird durch den Anker (2) und den Kern (3) gebildet. Bei hohen Kurzschlußströmen schlägt der Anker (2) über den Stössel (22) direkt auf die Kontaktbrücke (16) und öffnet unverzögert den Stromkreis. Der Ankerluftspalt (2a) wird 0 und das Thermobimetall ist vor Überlastung geschützt. In diesem Fall ist sowohl das Rohr (4) als auch das Magnetjoch (5) und (6) magnetisch gesättigt, so daß der Magnetkreis als Luftspule wirkt.
Bei allen Abschaltungen ist sichergestellt, daß durch die Anordnung der Kontaktberührungsstellen zu den Festkontakten (13, 15, 21) auf der Kontaktbrücke (16) und der Auftreffposition der beiden Anker in Bezug zum Angriffspunkt der Kontaktdruckfeder (18) das Abbrennstück (13) die Schaltarbeit übernimmt; es ist daher mit der abbrandfesten Kontaktauflage (19) bestückt.
In der 2 sind die drei möglichen Kontaktstellungen dargestellt.
Der geschlossene Kontakt zeigt den bestimmungsgemäßen Betrieb und das kuzgeschlossene Bimetall.
Die mittlere Kontaktstellung stellt die Position bei gestörtem Betrieb und verzögerter Auslösung dar – das Thermobimetall wurde unterbrechungslos in den Hauptstromkreis geschaltet.
Der offene Kontakt zeigt die Situation in der "AUS"-Stellung welche entweder mittels Anker (2) oder durch manuelle Betätigung über das Schaltschloß erreicht wird.
In den 3 und 4 werden die Bauteile Termobimetall (12) und Kontaktbrücke (16) in ihrer zweiten Dimension gezeigt um ihre Wirkungsweise in 1 zu verdeutlichen.
Die 5 zeigt die Strom-Zeit-Kennlinie des elektrischen Selbstschalters im Vergleich zu bekannten Schutzschaltgeräten welche durch die Neuerung substituiert werden könnten.
Aufgrund der kurzen Auslösezeit des kurzschlußfesten Thermobimetalls ist seine Justierung entbehrlich.
Nachdem bei der Neuerung der Betriebsstrom im eingeschalteten Zustand nur über die Stromspule und die Hauptschaltstücke fließt ist die Impedanz des Schutzschaltgerätes und somit seine Verlustleistung extrem niedrig – es wird damit ein verlustarmer, "kalter" Selbstschalter für den Einsatz im gekapselten Verteilungen möglich der durch wechselnde Umgebungstemperaturen in seinem Auslöseverhalten nicht beeinflußt werden kann.

Claims

Elektrischer Selbstschalter insbesondere für den Einsatz als Leitungsschutzschalter, Hauptsicherungsautomat oder Motorschutzschalter mit elektrischer Auslösung und manueller Betätigung, einer Kontaktanordnung sowie einer Lichtbogenlöscheinrichtung zur Strombegrenzung und Mitteln zur Befestigung und Herstellung des elektrischen Anschlusses, dadurch gekennzeichnet, daß das bei bestimmungsgemäßen Betrieb kurzgeschlossene Thermobimetall(12) erst bei gestörtem Betrieb unterbrechungslos in den Hauptstromkreis geschaltet wird und daß in diesem Fall ausschließlich der magnetothermische Wandler als Befehlsgeber für die Auslösung über die Klinke (8) wirkt.
Elektrischer Selbstschalter nach Anspruch 1 mit einem magnetothermischen Wandler aus einer baueinheitlichen Kombination von Thermobimetall(12) und einem Magnetauslöser mit Anker (1) sowie einem zweiten Magngnetauslöser mit Anker (2) welche von einer gemeinsamen Stromspule (11) erregt werden.
Elektrischer Selbstschalter nach Anspruch 1 und 2 mit einem magnetothermischen Wandler dessen zwei Magnetauslöser als Doppelankermagnetsystem ausgebildet sind wobei ein Magnetauslöser als Klappankersystem mit einer Justiereinrichtung (9, 10) versehen ist und das U-förmige Thermobimetall (12) mit seinem 1.Fußpunkt mit dem ortsfesten Hauptschaltstück (15) und mit seinem 2. Fußpunkt über die Verbindung (14) mit dem ortsfesten Abbrennstück (13) formschlüssig verbunden ist und dessen zweiter Magnetauslöser nach dem Tauchankerprinzip bestehend aus Anker (2), Kern (3), Rohr (4), Magnetjoch (5) und (6) sowie Fesselungsfeder (7) gebildet wird.
Elektrischer Selbstschalter nach Anspruch 1, 2 und 3 mit einer Kontaktanordnung deren beweglicher Teil als Kontaktbrücke (16) in Dreiecksform ausgebildet ist und von deren drei Kontaktberührungsstellen zwei als Hauptschaltstücke (15, 21) und eine als Abbrennstück (13) mit Kontaktauflage (19) konzipiert ist.
Elektrischer Selbstschalter nach den Ansprüchen 1 bis 4 mit einer Kontaktanordnung deren Kontaktbrücke (16) bei gestörtem Betrieb unabhängig voneinander zeitlich versetzt von dem Anker (1) über den Schenkel (20), dem Anker (2) über den Stössel (22) und dem Schaltschloß beaufschlagt wird.
Elektrischer Selbstschalter nach den Ansprüchen 1 bis 5 mit einer dreiecksförmigen Kontaktbrücke (16) welche bei bestimmungsgemäßen Betrieb annähernd zentral von der Kontaktdruckfeder (18) an die drei ortsfesten Kontakte (13, 15, 21) gedrückt wird wobei die Kontakte (13) und (21) für die Kontaktbrücke (16) eine Drehachse bilden so daß bei gestörtem Betrieb zunächst der Kontakt (15) durch den Anker (1) über den dem Kontakt (15) naheliegenden Schenkel (20) geöffnet wird.
Elektrischer Selbstschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Kontaktanordnung deren Kontaktbrücke (16) nur im Kurzschlußfall ausschließlich vom Anker (2) über dem Stössel (22) in eine stabile Endlage geschleudert wird.