DE19810981A1 - Schalter mit PTC-Element zur verbesserten Strombegrenzung und Lichtbogenlöschung - Google Patents

Abstract

Bei einem Schalter wird die Lichtbogenbegrenzung verbessert durch eine Lichtbogenlaufschiene aus einem PTC-Material und/oder durch einen Anschluß der Lichtbogenlaufschiene an dem zugeordneten Kontaktstück über einen PTC-Leiter.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schalter zum Ein­ schalten und Unterbrechen eines Stromes. Im Mittelpunkt der erfindungsge­ mäßen Weiterentwicklung stehen dabei die Eigenschaften des Schalters beim Unterbrechen des Stromes.

Bei vielen Schaltern, insbesondere bei Schutzschaltern und Schaltern für größere elektrische Leistungen, treten beim Abschalten Lichtbögen zwischen sich tren­ nenden Kontaktstücken auf. Aus verschiedenen Gründen wird angestrebt, den durch den Lichtbogen fließenden Strom nach dem Trennen der Kontaktstücke möglichst schnell auf möglichst niedrige Stromstärken zu begrenzen und den Lichtbogen möglichst früh zu löschen.

Ein wesentlicher Grund hierfür ist die erhebliche Materialbelastung und -abnutzung an den mit dem Lichtbogen in Kontakt kommenden Bauteilen des Schalters. Desweiteren ist es häufig notwendig, Stromspitzen zum Schutz außer­ halb des Schalters liegender elektrischer Elemente zu unterdrücken. Insbesonde­ re werden Schutzschalter gerade zur Unterbrechung über einer bestimmten Schwelle liegender Ströme eingesetzt, so daß es bei ihnen naturgemäß von pri­ märer Wichtigkeit ist, daß nach dem Auslösen die durch den Lichtbogen für eine gewisse Zeitspanne noch auftretende Stromspitze möglichst flach und kurz aus­ fällt.

Im Stand der Technik bekannt sind sogenannte Lichtbogenlaufschienen. Dabei handelt es sich um einzeln oder paarweise in der Nähe sich beim Unterbrechen des Stroms trennender Kontaktstücke angeordnete und mit einem Kontaktstück verbundene Leiterstücke, die so geformt und angeordnet sind, daß der Lichtbo­ gen nach dem Trennen der Kontaktstücke auf sie überspringt und an ihnen ent­ lang läuft. Dazu wird die Geometrie so ausgestaltet, daß der Lichtbogen eine ge­ wisse Krümmung aufweist und daher durch sein Magnetfeld entlang dem oder den Lichtbogenlaufschienen weiter und in die Länge getrieben wird.

Die Strombegrenzung und das Löschen des Lichtbogens erfolgen durch die im Lichtbogen aufgebaute Gegenspannung und durch den Zusammenbruch des Lichtbogens bei einer bestimmten Länge.

Zur Unterstützung dieser Funktion sind in vielen Fällen am Ende des oder der Lichtbogenlaufschienen Löschblechanordnungen in einer Löschkammer verwen­ det worden. Dabei wird der Lichtbogen in der oben beschriebenen Weise entlang der oder den Lichtbogenlaufschienen in eine Anordnung mehrerer von einander isolierter und in einem bestimmten wiederholten Abstand voneinander angeord­ neter Leiterstücke getrieben. Zwischen den Löschblechen brennt der Lichtbogen dann in einer trotz der Verringerung durch die Summe der Dicken der Löschble­ che erheblichen Länge, wobei sich die Fußpunktspannungen der aus der Auftei­ lung folgenden vielen kleinen Lichtbögen aufaddieren. Dadurch wird die insge­ samt durch die Lichtbögen erzeugte Spannung stark erhöht und die Entladung erlischt, und zwar im Wechselstromfall in der Regel im nächsten Stromnulldurch­ gang.

Löschblechanordnungen sind in vielen Fällen unverzichtbar, bei der im Folgen­ den beschriebenen Erfindung jedoch nicht unbedingt notwendig.

Als Stand der Technik ist ferner die CH 589 351 anzuführen, von der die vorlie­ gende Erfindung abgegrenzt ist. Sie beschreibt einen Schalter mit zumindest zwei Kontaktstücken und zumindest einer einem Kontaktstück benachbarten und mit diesem elektrisch verbundenen Lichtbogenlaufschiene, die bei geschlossenen Kontaktstücken nicht im Strompfad liegt, wobei der Schalter dazu ausgelegt ist, daß beim Öffnen der Kontaktstücke, ein Lichtbogen erzeugt wird, der von diesem einen Kontaktstück aus auf die Lichtbogenlaufschiene überwechselt und über diese läuft, um zu erlöschen.

Bei diesem Schalter ist zwischen zumindest zwei Löschbleche ein PTC-Wider­ standselement geschaltet. Wenn der Lichtbogen, wie oben beschrieben, in die die Löschbleche enthaltende Löschkammer eintritt und zwischen den genann­ ten beiden Löschblechen ein Teillichtbogen entsteht, wechselt der Strom auf das ausreichend niederohmige PTC-Widerstandselement hinüber. Die durch die Jou­ lesche Verlustwärme in dem PTC-Widerstandselement bewirkte Erhöhung seines Widerstands soll das Erlöschen der übrigen Teillichtbögen unterstützen.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, die Abschalteigenschaften weiter zu verbessern.

Dieses technische Problem wird gelöst durch einen Schalter gemäß dem An­ spruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Lichtbogenlaufschiene zumin­ dest teilweise aus PTC-Leitermaterial besteht und/oder über einen PTC-Leiter mit diesem einen benachbarten Kontaktstück verbunden ist.

Mit dem Begriff "PTC-Leitermaterial" sind elektrische Leiter mit einem positiven durchschnittlichen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands ge­ meint, die entweder unterhalb ihrer Schmelztemperatur (Ts) im Temperaturbe­ reich zwischen 300 K und 600 K einen relativen Widerstandsanstieg um minde­ stens einen Faktor 2,2, bevorzugt 2,5, aufweisen, oder im Temperaturbereich zwischen 300 K und Ts - 200 K einen relativen Widerstandsanstieg um minde­ stens einen Faktor 5, bevorzugt 9 und besonders bevorzugt 12, zeigen.

Das PTC-Leitermaterial hat die Funktion beim Unterbrechen eines Stromes zu­ nächst einen nicht zu hohen Widerstand in den Strompfad einzubringen, damit der Lichtbogen sicher von dem Kontaktstück auf die Lichtbogenlaufschiene über­ springt bzw. an ihr weiterläuft. Dabei bzw. danach soll der PTC-Widerstand durch den Strom, der in dem Lichtbogen geführt wird, soweit erwärmt werden, daß der dadurch ansteigende Widerstand mit der Bewegung des Lichtbogens entlang der Lichtbogenlaufschiene einhergehend zu dem Spannungsaufbau beiträgt, der schließlich den Lichtbogen erlöschen läßt.

Es muß also durch die Auslegung des Schalters ein Ausgleich gefunden werden mit maximalem Spannungsaufbau durch den PTC-Effekt einerseits bei Gewähr­ leistung des Überspringens bzw der Bewegung des Lichtbogens auf und entlang der Laufschiene andererseits.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der PTC-Effekt zu einem sehr viel früheren Zeitpunkt im Abschaltvorgang zum Tragen kommt, als bei dem geschilderten Stand der Technik (weswegen die obige bekannte Lösung hier aber nicht ausgeschlossen ist). Wenn nämlich die Lichtbogenlaufschiene über einen PTC-Leiter mit dem benachbarten Kontaktstück verbunden ist, wird der PTC-Leiter sofort nach dem Überspringen des Lichtbogens von dem Kontaktstück auf die Lichtbogenlaufschiene von dem durch den Lichtbogen getragenen Strom durchflossen, erwärmt sich dadurch und verringert durch den zunehmenden Ei­ genwiderstand die an dem Lichtbogen selbst anliegende Spannung. In analoger Weise wirkt ein PTC-Leiterstück in der Lichtbogenlaufschiene bzw. eine PTC-Lichtbogenlaufschiene, und zwar in dem Maße zunehmend, wie der Lichtbogen über die Länge der Lichtbogenlaufschiene läuft.

In beiden Fällen kann die Strombegrenzung von einem sehr frühen Zeitpunkt des Abschaltvorganges an wesentlich verbessert werden, was zusätzlich zu einem früheren und leichteren Erlöschen des Lichtbogens führt. Dies gilt für Anwendun­ gen mit einer und solche mit zwei Lichtbogenlaufschienen. Bei zweien muß die Erfindung nicht unbedingt doppelt verwirklicht sein.

Ein weiterer Vorteil kann sich bei Anwendungsfällen ergeben, in denen ohne den erfindungsgemäßen Einsatz des PTC-Leitermaterials die Gefahr von Neuzün­ dungen an einer den Kontaktstücken abgewandten Seite der Lichtbogenlauf­ schiene, etwa in einer Löschblechanordnung einer Löschkammer nach dem Erlö­ schen eines ersten Lichtbogens besteht. Diese Gefahr kann dadurch auftreten, daß sich beispielsweise zwischen oder vor den Löschblechen unmittelbar nach dem Erlöschen des Lichtbogens bzw. der Teillichtbögen eine noch stark ionisierte Atmosphäre befindet, die einen erneuten Durchschlag erleichtert. Bei einem er­ findungsgemäßen Schalter ist jedoch die für eine solche Neuzündung wirksame Spannung gegenüber der außen am Schalter anliegenden Spannung um den erheblichen Spannungsabfall an dem PTC-Leiter verringert. Damit sind Neuzün­ dungen erheblich erschwert.

Zu den im Anspruch 1 aufgeführten, sich nicht gegenseitig ausschließenden Al­ ternativen für den Einsatz des PTC-Leitermaterials ist im Vergleich folgendes festzustellen: Die erste Alternative eines PTC-Leiterstücks in der Lichtbogenlauf­ schiene läßt sich mit einem minimalen technischen Aufwand in ansonsten kon­ ventionelle Schalterkonstruktionen integrieren. Es muß entweder das Material der gesamten Lichtbogenlaufschiene (konventionell im allgemeinen Kupfer) einfach ausgetauscht werden gegen ein PTC-Leitermaterial oder ein entsprechendes Stück in eine im übrigen konventionelle Lichtbogenlaufschiene eingesetzt wer­ den. Jedenfalls kann die ursprüngliche Form der Lichtbogenlaufschiene vollstän­ dig erhalten bleiben, so daß die übrige Konstruktion des Schalters nicht tangiert wird.

Andererseits wird bei dieser ersten Alternative der PTC-Effekt erst in dem Um­ fang wirksam, in dem der Lichtbogen entlang der Länge der Lichtbogenlaufschie­ ne gelaufen ist.

Die zweite Alternative eines PTC-Leiters zwischen der Lichtbogenlaufschiene und dem benachbarten Kontaktstück bietet demgegenüber eine frühestmögliche Wir­ kung des PTC-Effekts unmittelbar nach dem Überspringen des Lichtbogens. Fer­ ner kann das Material der Lichtbogenlaufschiene nach Gesichtspunkten wie Dau­ erhaftigkeit im Lichtbogenkontakt, thermische Leitfähigkeit usw. unabhängig op­ timiert werden. Das gleiche gilt für die Auslegung der Abmessungen der Lichtbo­ genlaufschiene, die besonders massiv sein kann, ohne daß deswegen der ange­ strebte PTC-Widerstand im erwärmten Zustand zu gering wäre.

Andererseits liegt der PTC-Widerstand bei der zweiten Alternative schon beim Überspringen des Lichtbogens im Strompfad und kann daher durch seinen Wi­ derstand im kalten Zustand das Überspringen erschweren. Demgegenüber ist bei der ersten Alternative beim Überspringen kein zusätzlicher Widerstand wirksam, weswegen der PTC-Widerstand (im kalten Zustand) nicht besonders niedrig aus­ gelegt werden muß. Bei der ersten Alternative kann also ein besonders wirksa­ mer Spannungsaufbau im PTC-Leiter stattfinden, wenn der Lichtbogen am Ende der Lichtbogenlaufschiene bzw. vor den Löschblechen angekommen ist.

Eine von der zweiten obigen Alternative ausgehende Ausgestaltung der Erfin­ dung zielt auf eine Minimierung des von dem die Lichtbogenlaufschiene mit dem Kontaktstück verbindenden PTC-Leiter in Anspruch genommenen zusätzlichen Bauvolumens. Dazu ist vorgesehen, daß der PTC-Leiter auf der dem von dem Lichtbogen beim Abschalten durchlaufenen Raum abgewandten Seite der Licht­ bogenlaufschiene verläuft und dabei zumindest im wesentlichen parallel zu der Lichtbogenlaufschiene geformt ist. Bei vielen existierenden Schalterkonstruktio­ nen läßt sich auf dieser abgewandten Seite ein solcher PTC-Leiter unterbringen bzw. mit geringem Aufwand Raum für den PTC-Leiter schaffen. Trotzdem kann der PTC-Leiter eine relativ ausgedehnte Länge haben. Dies ist wichtig, um trotz guter thermischer Belastbarkeit, also einer gewissen Materialmenge des PTC-Leiters einen ausreichenden Widerstand zu realisieren.

Am besten bildet der PTC-Leiter dabei eine oder mehrere Schleifen, die das Kontaktstück mit dem diesem Kontaktstück zugewandten Ende der Lichtbogen­ laufschiene verbindet oder verbinden. Durch diese lichtbogenparallelen Schleifen läßt sich die Länge des PTC-Leiters bei begrenztem Bauvolumen erhöhen. Wenn der Widerstand der Lichtbogenlaufschiene selbst - mit oder ohne PTC-Effekt - für die Strombegrenzung und das Abschalten genutzt werden soll, ist der Anschluß an dem kontaktstückseitigen Ende der Lichtbogenlaufschiene optimal, weil die gesamte Länge der Lichtbogenlaufschiene in den Strompfad gelangt.

Die geschilderte Geometrie des Aufbaus aus der Lichtbogenlaufschiene und dem PTC-Leiter ist in dem weiter unten dargestellten Ausführungsbeispiel veran­ schaulicht. Erfindungsgemäß bevorzugt ist dabei ein einstückiges gebogenes Metallblechteil, das die Lichtbogenlaufschiene und den PTC-Leiter gemeinsam bildet. Dies ist ein herstellungstechnisch besonders einfacher Fall, der im übrigen die Vorteile der beiden oben dargestellten Alternativen vereint. Im übrigen ist bei dieser Lösung von selbst ein optimaler Ohmscher Kontakt zwischen der Lichtbo­ genlaufschiene und dem PTC-Leiter gegeben.

Als bevorzugtes PTC-Leitermaterial ist bei dieser Erfindung an Vacon 25 gedacht, eine Legierung aus 75% Kobalt und 25% Eisen. Dabei wird ein durchschnittlicher PTC-Koeffizient von 10^-9 Ωm/K im Bereich von 300 K bis 1540 K (Ts - 200 K) rea­ lisiert. Es können aber auch andere Legierungen der Elemente Eisen, Nickel und Kobalt oder metallische Materialien, die im wesentlichen aus einem der Elemente bestehen, verwendet werden. Diese Materialien bieten gute Eigenschaften hin­ sichtlich der thermischen Belastbarkeit, der Größe des PTC-Effekts sowie der Höhe des (kalten d. h. Raumtemperatur-) Ausgangswiderstands.

Wie sich bereits aus den oben angeführten Materialien ergibt, sind bei dieser Er­ findung metallische PTC-Materialien wegen ihrer besseren thermischen Stabilität insbesondere gegenüber Polymer-PTC-Materialien zu bevorzugen. Typischer­ weise zeigen Polymer-PTC-Materialien einen so starken Widerstandsanstieg in einem relativ kleinen Temperaturbereich, daß der abzuschaltende Strom prak­ tisch schlagartig durch den PTC-Leiter unterbrochen würde. Es muß von einem spezifischen Kaltwiderstand für Polymer-PTC-Materialien ausgegangen werden, der mindestens zwei Größenordnungen über dem der metallischen PTC-Mate­ rialien liegt. Dies würde im Vergleich zu der hier betrachteten PTC-Metall- Ausführung zu einer wesentlichen Vergrößerung des Leitungsquerschnitts führen. Deshalb wären in den meisten Fällen unrealistisch große Polymerleiterstücke notwendig. Die Erfindung ist aber nicht auf metallische PTC-Materialien einge­ schränkt, sondern kann je nach Anforderungen an die thermische Belastbarkeit auch mit anderen, möglicherweise auch zukünftig entwickelten PTC-Materialien ausgeführt werden.

Es wurde bereits dargestellt, daß die Erfindung besondere Vorteile bei Schaltern mit einer Löschkammer mit in der oben ausgeführten Weise wirkenden Löschble­ chen findet. Insbesondere ist dabei an einen LV-Schutzschalter (LV = low voltage = Nie­ derspannung) zu denken. Dies ist ein kommerziell wesentlicher Bereich, in dem die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung wegen ihrer guten Wirkung bei geringem Kostenaufwand besonders vielversprechend ist.

Ergänzend wird Schutz beansprucht für eine erfindungsgemäß ausgebildete Lichtbogenlaufschiene, die einstückig mit einem PTC-Leiter ausgebildet ist oder einen PTC-Leiter enthält. Sie kann vorteilhafterweise separat hergestellt und in konventionelle Schalter eingebaut und auch nachgerüstet werden. Das Prinzip der Erfindung läßt sich in dieser Weise sozusagen als Modul verwirklichen, wes­ wegen die Erfindung nicht auf einen vollständigen Schalter eingeschränkt ist.

Ein weiterer Gedanke der Erfindung geht dahin, einen konventionellen Schalter mit mehreren Löschkammern (z. B. den Typ Q1 C40 des Herstellers CMC) da­ durch zu verbessern, daß eine der Löschkammern des Schalters mit einer Licht­ bogenlaufschiene in der erfindungsgemäßen Weise ausgeführt ist, und zumindest eine weitere der Löschkammern durch einen einfachen PTC-Widerstand ersetzt ist, der dann einem Kontakt parallel geschaltet ist. Durch die Wirkung des PTC-Widerstands in der Laufschiene oder zwischen der Laufschiene und dem Kontaktstück und den zusätzlichen Spannungsabfall in dem zusätzlichen PTC-Wi­ derstand, der im Ausschaltvorgang seriell geschaltet zum Gegenspannungs­ aufbau beiträgt, kann die Belastbarkeit der gesamten Schalteranordnung so weit verbessert werden, daß sich die konventionelle Verwendung einer zusätzlichen Löschkammer erübrigt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels veranschaulicht, wobei die dabei offenbarten Einzelmerkmale auch jeweils für sich oder in anderen als den dargestellten Kombinationen erfindungswesentlich sein können. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 eine stark vereinfachte Schemenzeichnung zur Darstellung des Schal­ tungsaufbaus und des geometrischen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Schal­ ters.

Fig. 2 ein Beispiel für einen Spannungs- und einen Stromverlauf bei einem Ab­ schaltvorgang im Vergleich zwischen einem erfindungsgemäßen Schalter und einem weitgehend baugleichen konventionellen Schalter.

Fig. 3 im Vergleich eine Serienschaltung zweier erfindungsgemäßer Schalter nach Fig. 1 und eine diese Serienschaltung vereinfachende besondere Ausge­ staltung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm, das in stark vereinfachter Weise den Schaltungsaufbau und die Grundzüge der Geometrie eines erfindungsgemäßen Schalters darstellt. Der Schalter ist über zwei Außenanschlüsse 8 und 9 in einen nicht dargestellten äußeren Stromkreis geschaltet.

Im geschlossenen Zustand berühren sich die Kontaktstücke 1 und 2 des Schal­ ters, die in Fig. 1 jedoch geöffnet dargestellt sind. Das Kontaktstück 2 ist um eine angedeutete Drehachse schwenkbar, wie mit den Pfeilen veranschaulicht. Im Sinne der Figur bedeutet eine Bewegung des beweglichen Kontaktstücks 2 nach unten ein Öffnen und eine Bewegung nach oben ein Schließen des Schal­ ters.

Im geschlossenen Zustand erzeugt eine äußere Spannung einen Stromfluß über die Leiterstrecke von dem oberen Anschluß 8 zu dem unbeweglichen Kontakt­ stück 1 und über das bewegliche Kontaktstück 2 bis zu dem Anschluß 9, oder umgekehrt.

Neben der Leiterstrecke zwischen dem oberen Anschluß 8 und dem unbewegli­ chen Kontaktstück 1 ist eine Löschkammer 6 angeordnet, die Löschbleche 7 ent­ hält. Die Löschbleche 7 sind dabei in einem festen und sich wiederholenden Ab­ stand parallel zueinander und isoliert voneinander montiert. Die genannte Leiter­ strecke bildet dabei quasi ein äußerstes Löschblech.

Die Löschblechanordnung 7 wird auf der dem den Anschluß 8 mit dem festen Kontaktstück 1 verbindenden Leiter abgewandten Seite von einem Leiterblech, quasi ein zweites äußeres Löschblech, abgeschlossen, das auf der den Kontakt­ stücken 1 und 2 zugewandten Seite der Löschbleche, also in der Figur unten, in einem Winkel in eine Lichtbogenlaufschiene 3 übergeht, die auf den von dem beweglichen Kontaktstück 2 in der Öffnungs- oder Schließbewegung durchstri­ chenen Raum zu läuft. An ihrem den Kontaktstücken 1 und 2 zugewandten Ende geht die Lichtbogenlaufschiene 3 in einer Schleife einstückig in eine parallel zu ihr in umgekehrter Richtung zurücklaufende Leiterstrecke 5 über, die nach einer weiteren Schleife wiederum parallel zu der Lichtbogenlaufschiene 3 geführt ist und elektrisch mit der das bewegliche Kontaktstück 2 mit dem Anschluß 9 verbin­ denden Leiterstrecke verbunden ist. Als Lichtbogenlaufschiene 3 ist das Leiter­ stück zwischen dem die Löschblechanordnung 7 abschließenden Blechstück auf Höhe des in der Figur unteren Endes der Löschbleche 7 und der den Kontakt­ stücken 1 und 2 zugewandten Schleife bezeichnet.

Diese Lichtbogenlaufschiene 3 und die daran anschließende Leiterstrecke 5 bis zu dem Anschlußpunkt 10 an der Leiterstrecke zwischen dem beweglichen Kon­ taktstück 2 und dem Anschluß 9 bestehen aus einem PTC-Leitermaterial, nämlich der Legierung Vacon 25. Es wäre erfindungsgemäß natürlich auch möglich, die Lichtbogenlaufschiene 3 aus Kupfer und nur die daran anschließende Leiter­ strecke 5 aus Vacon 25 oder einem anderen PTC-Leitermaterial herzustellen. Genauso wäre es erfindungsgemäß möglich, nur die Lichtbogenlaufschiene 3 aus einem PTC-Leitermaterial herzustellen und die daran anschließende Leiterstrecke 5 ganz wegzulassen, d. h. die Lichtbogenlaufschiene 3 direkt bis zu dem An­ schlußpunkt 10 zu führen.

Der in der Figur dargestellte Zustand des Schalters liegt unmittelbar nach dem Öffnen, d. h. dem Trennen der Kontaktstücke 1 und 2 voneinander vor. Das be­ wegliche Kontaktstück 2 hat sich soweit von dem festen Kontaktstück 1 entfernt, daß ein in der Figur mit 4 bezeichneter Lichtbogen von dem beweglichen Kon­ taktstück 2 auf die Lichtbogenlaufschiene 3 übergesprungen ist. Damit liegen das den Kontaktstücken 1 und 2 zugewandte Ende der Lichtbogenlaufschiene 3 ab dem Fußpunkt des Lichtbogens 4 und der PTC-Leiter 5 im Strompfad des von dem Lichtbogen 4 geführten Stroms. Die Joulesche Verlustwärme dieses Stro­ mes sowie aus dem Lichtbogen 4 durch Wärmestrahlung in die Lichtbogenlauf­ schiene 3 eingekoppelte Wärme führen insgesamt zu einer schnellen Erwärmung des PTC-Leitermaterials. Das Überspringen des Fußpunkts des Lichtbogens 4 von dem beweglichen Kontaktstück 2 auf die Lichtbogenlaufschiene 3 hat damit zur Folge, daß sich der Widerstand des Strompfades in einer durch die techni­ sche Auslegung des Schalters im wesentlichen einstellbaren Zeit deutlich erhöht, und zwar unabhängig von der Erhöhung des Widerstandes des Lichtbogens 4 selbst.

Wie eingangs bereits geschildert, ist der Lichtbogen 4 durch eine entsprechende Auslegung der Geometrie des Schalters, insbesondere der Form der Kontakt­ stücke 1 und 2, etwas gekrümmt und wird somit durch sein eigenes Magnetfeld in die Löschkammer 6 und damit in die Länge getrieben. Wie ebenfalls bereits aus­ geführt, ist schon diese Verlängerung des Lichtbogens 4 mit einer Zunahme sei­ nes Widerstandes und einer Abnahme des Lichtbogenstroms verbunden. Konti­ nuierlich hinzu tritt der PTC-Effekt der Lichtbogenlaufschiene 3 selbst, wobei sich schließlich beim Einlaufen in die Anordnung der Löschbleche 7 die mit der dop­ pelten Zahl der Löschbleche 7 multiplizierte Fußpunktspannung hinzuaddiert. Damit wird der Lichtbogen 4 spätestens zwischen den Löschblechen 7 gelöscht.

Bei diesem Ausführungsbeispiel tritt die unterstützende Wirkung durch die PTC-Wi­ derstandszunahme jedoch größtenteils unabhängig von der Bewegung des Lichtbogens 4 in die Löschkammer 6 auf. Wenn der Lichtbogen 4 aus einem be­ stimmten Grund z. B. einer Materialunregelmäßigkeit, mit seinem Fußpunkt an dem kontaktstückseitigen Ende der Lichtbogenlaufschiene 3 verharrt, wird der Strom dennoch durch die Zunahme des Widerstands des verbleibenden Stücks der Lichtbogenkontaktschiene 3 und insbesondere des PTC-Leiters 5 zwischen der Lichtbogenkontaktschiene 3 und dem Anschlußpunkt 10 begrenzt. Der Licht­ bogen 4 ist dann bereits geschwächt, bevor er möglicherweise schlagartig in die Löschkammer 6 überspringt. Da sich bei diesem Ausführungsbeispiel die Vorteile der beiden Alternativen des Anspruchs 1 ergänzen, kann der Widerstand des PTC-Leiters 5 relativ niedrig ausgelegt werden, so daß die Behinderung des Überspringens des Fußpunkts des Lichtbogens 4 von dem beweglichen Kontakt­ stück 2 auf die Lichtbogenlaufschiene 3 unerheblich ist.

Die Legierung Vacon 25 zeigt einen ausgeprägten PTC-Effekt mit einer Zunahme des spezifischen Widerstands etwa um einen Faktor 15 zwischen 300 K und der Curietemperatur von etwa 1150 K. Die Curietemperatur ist eine mögliche geeig­ nete obere Temperaturgrenze für die Auslegung der PTC-Leiterstücke in dem Schalter. Der Schmelzpunkt von Vacon 25 liegt bei 1743 K. Einen ebenfalls sehr ausgeprägten PTC-Effekt zeigt auch Kobalt mit einem Widerstandsvergröße­ rungsfaktor von 18 zwischen 300 K und der Curietemperatur von 1394 K; die Schmelztemperatur liegt bei 1768 K. Wenn in dem Schalter hohe Temperaturen vermieden werden sollen, bietet sich das Material Nickel an mit einem Wider­ standsvergrößerungsfaktor von immerhin 7 zwischen 300 K und der niedrigen Curietemperatur von 629 K. Die Curietemperatur von Eisen liegt zwischen den genannten Werten mit 1042 K bei einer Widerstandsvergrößerung gegenüber 300 K mit dem Faktor 11. Die Schmelztemperatur beträgt 1807 K.

Unabhängig von der Curietemperatur ausgedrückt durch die Temperatur Ts - 200 K ergibt sich folgendes:

Es ist also möglich, durch geeignete Wahl des PTC-Leitermaterials abhängig von den tolerablen Temperaturen in dem Schalter eine Widerstandserhöhung um et­ wa eine Größenordnung oder auch mehr zu erzielen.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm mit etwas vereinfachten Zeitverläufen der Spannung U an den beiden Anschlüssen 8 und 9 des Schalters und des Stroms I durch den Schalter, wobei der Index E jeweils die Erfindung gemäß Fig. 1 und der Index K einen entsprechenden konventionellen Schalter bezeichnet. Als konventioneller Schalter wurde ein Schutzschalter des Typs LP1 C63 des Herstellers CMC ge­ messen, und zwar ein Kurzschluß in einem äußeren Wechselstromkreis. Dem erfindungsgemäßen Austausch der Lichtbogenlaufschiene gegen ein einstücki­ ges, gemäß Fig. 1 zu zwei Schleifen gebogenes Vacon 25-Blech entsprechend werden Kurven mit dem Index E erwartet, die in Versuchsaufbauten vergleichbare Meßergebnisse ergaben.

Fig. 2 zeigt, daß der erfindungsgemäße Schalter die Gegenspannung U_E schneller und stärker aufbaut. Demgegenüber zeigt die Gegenspannung U_K des konventionellen Schalters einen langsameren und schwächeren Anstieg und ei­ nige Oszillationen in der Umgebung des Maximums, die vermutlich mit Nachzün­ dungen im Bereich der Löschbleche 7 zu erklären sind. Dementsprechend ver­ läuft die Stromkurve I_E beim erfindungsgemäßen Schalter niedriger, d. h. sie zeigt ein deutlich kleineres Maximum und einen sehr viel schnelleren Abfall zu kleinen Stromwerten als die Kurve I_K des konventionellen Schalters. An dem deutlich kleineren Flächenintegral unter der Kurve I_E läßt sich erkennen, daß die Bela­ stung des von dem erfindungsgemäßen Schalter geschützten Stromkreises er­ heblich geringer ausfällt.

Fig. 3 zeigt auf der linken Seite mit A bezeichnet eine Serienschaltung aus zwei erfindungsgemäßen Schaltern nach dem Aufbau in Fig. 1. Dabei sind einfach der Anschluß 9 des oberen Schalters und der Anschluß 8 des unteren Schalters miteinander verbunden. Durch entsprechende Serienschaltungen von zwei oder mehreren Schaltern können die elektrischen Leistungsmerkmale insgesamt na­ türlich erhöht werden.

Nach einer besonderen Ausführungsvariante der Erfindung wird eine solche Seri­ enschaltung dadurch vereinfacht, daß zumindest einer der Schalter weder eine Lichtbogenlaufschiene 3 noch einen daran anschließenden PTC-Leiter 5 noch eine Löschkammer 6 mit Löschblechen 7 aufweist. Diese Variante ist in dem rechten Teil B in Fig. 3 gezeigt. Statt dessen ist bei dem oberen erfindungsge­ mäß vereinfachten Schalter der Anschlußpunkt 10 nicht nur über die im gezeigten Zustand bereits geöffneten Kontaktstücke 1 und 2, sondern darüber hinaus in einer Nebenstrecke über einen mit dem Kürzel PTC bezeichneten PTC-Leiter mit dem Anschluß 8 des oberen Schalters verbunden. Der untere Schalter entspricht wiederum dem Aufbau aus Fig. 1.

Beim im wesentlichen gleichzeitigen Öffnen der beiden seriell verbundenen Schalter entsteht nur in dem unteren Schalter ein Lichtbogen 4, der wie bereits beschrieben gelöscht wird. Im oberen Schalter fließt der Strom - für eine der bei­ den möglichen Richtungen mit dem Symbol i angedeutet - statt dessen über die Nebenstrecke durch den PTC-Leiter, so daß sich dessen Widerstanderhöhung in analoger Weise wie oben beschrieben zu dem Löschmechanismus im unteren Schalter unterstützend hinzuaddiert.

Der gesamte Aufbau der Anordnung bei B ist ersichtlich sehr viel einfacher als bei A. Dennoch können mit dieser Anordnung B die Leistungsmerkmale eines Einzel­ schalters nach Fig. 1 noch weiter gesteigert werden.

Claims (10)

1. Schalter mit zumindest zwei Kontaktstücken (1, 2) und zumindest einer ei­ nem Kontaktstück (2) benachbarten und mit dieser elektrisch verbundenen Lichtbogenlaufschiene (3), die bei geschlossenen Kontaktstücken (1, 2) nicht im Strompfad liegt, dazu ausgelegt, daß beim Öffnen der Kontaktstücke (1, 2) ein Lichtbogen (4) erzeugt wird, der von diesem einen Kontaktstück (2) aus auf die Lichtbogenlaufschiene (3) überwechselt und über diese läuft, um zu erlöschen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenlaufschiene (3) zumindest teil­ weise aus PTC-Leitermaterial besteht und/oder über einen PTC-Leiter (5) mit diesem einen benachbarten Kontaktstück (2) verbunden ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, bei dem der die Lichtbogenlaufschiene (3) mit dem Kontaktstück (2) verbindende PTC-Leiter (5) im wesentlichen parallel zu und auf der lichtbogenabgewandten Seite der Lichtbogenlaufschiene (3) verläuft.

3. Schalter nach Anspruch 2, bei dem der PTC-Leiter (5) das kontaktstücksei­ tige Ende der Lichtbogenlaufschiene (3) mit dem einen Kontaktstück (2) verbindet, wobei der PTC-Leiter (5) zumindest eine Schleife bildet.

4. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das PTC-Leitermaterial metallisch ist.

5. Schalter nach Anspruch 4, bei dem das PTC-Leitermaterial Eisen, Nickel, Kobalt oder eine Legierung daraus, insbesondere Vacon 25, ist.

6. Schalter nach Anspruch 3, und zumindest einem der Ansprüche 4 und 5, bei dem die Lichtbogenlaufschiene (3) und der PTC-Leiter (5) zusammen ein einstückiges gebogenes Metallblechteil sind.

7. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Löschkammer (6) mit Löschblechen (7).

8. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgelegt als LV-Schutzschalter.

9. Einstückig mit einem PTC-Leiter (5) ausgebildete oder einen PTC-Leiter enthaltende Lichtbogenlaufschiene (3) für einen Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche.

10. Schalteranordnung mit einem Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einem weiteren seriellen, jedoch parallel mit einem PTC-Widerstand verschalteten Schalter.