DE19843245A1 - Anordnung zur Gewinnung einer Hilfsenergie für ein Auslösesystem und Verwendung derselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gewinnung einer Hilfsenergie für den Betrieb eines Auslösesystems eines Nie­ derspannungs-Leistungsschalters, der eine durch Federkraft betreibbare Antriebsvorrichtung zum Schließen wenigstens ei­ nes bewegbaren Schaltkontaktes und eine lösbare Verklinkungs­ einrichtung zur Aufrechterhaltung des geschlossenen Zustandes des Schaltkontaktes aufweist, wobei das Auslösesystem eine Auslöseschaltung zur Bewertung eines über den Schaltkontakt fließenden Stromes anhand vorgegebener Parameter und eine durch die Auslöseschaltung aktivierbare Schalteinrichtung zur Freigabe der Verklinkungseinrichtung mittels einer Betäti­ gungseinrichtung zwecks Öffnung des Schaltkontaktes umfaßt.

Eine Anordnung mit diesen Merkmalen entspricht einem handels­ üblichen Konzept, wie es beispielsweise der EP 0 590 937 A2 zu entnehmen ist. Einzelheiten des mechanischen Teiles eines Niederspannungs-Leistungsschalters für hohe Schaltleistungen sind beispielsweise der DE 44 16 088 C1 zu entnehmen.

Die zum Betrieb des Auslösesystems benötigte Hilfsenergie kann nach zwei grundsätzlich verschiedenen Prinzipien bereit­ gestellt werden. Das eine dieser Prinzipien besteht in der Bereitstellung einer unabhängigen Hilfsenergiequelle, d. h. eine Batterie oder ein Anschluß an ein unabhängiges Hilfs­ netz. Da Batterien eine beschränkte Lebensdauer aufweisen und ein Hilfsnetz ausfallen kann, wird häufig der Betrieb des Auslösesystems nach diesem Prinzip als nicht ausreichend zu­ verlässig angesehen.

Das weitere Prinzip besteht darin, daß die zum Betrieb des Auslösesystems benötigte Hilfsenergie aus dem selben Netz be­ zogen wird, in dem sich der Leistungsschalter befindet. In der Regel werden die zur Erfassung des über die Schaltkontak­ te des Leistungsschalters fließenden Stromes vorgesehenen Stromwandler zugleich dazu benutzt, das Auslösesystem in Be­ trieb zu halten und die erwähnte Betätigungseinrichtung zu speisen, wenn die Schaltkontakte geöffnet werden sollen. Da­ bei kann die Betätigungseinrichtung entweder direkt mit dem Sekundärstrom der Stromwandler beaufschlagt werden oder es kann unter Zwischenschaltung einer Stromversorgungseinrich­ tung ein Kondensator als Zwischenspeicher aufgeladen werden. Beide Anordnungen unterscheiden sich in spezifischer Weise hinsichtlich ihres Schaltungsaufwandes und der Geschwindig­ keit des Ansprechens der Betätigungseinrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Gewinnung einer Hilfsenergie der genannten Art zu schaffen, die sich durch ein besonders hohes Maß an Zuverlässigkeit auszeichnet und zugleich einen nur geringen schaltungstechni­ schen Aufwand erfordert.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Bereitstellung der Hilfsenergie mit der Antriebsvorrich­ tung ein als mechanisch-elektrischer Umformer ausgebildeter Generator verbunden und beim Schließen des Schaltkontaktes zwangsläufig betätigbar ist.

Die Hilfsenergie wird somit aus der mechanischen Bewegungse­ nergie des Leistungsschalters gewonnen. Dies bedeutet jedoch nicht, daß der Leistungsschalter in mechanischer Hinsicht an­ ders ausgelegt werden muß, als dies bisher üblich bzw. erfor­ derlich ist. Vielmehr wird bei der Erfindung von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß in dem Leistungsschalter ein nicht un­ beträchtlicher Überschuß an mechanischer Antriebsenergie vor­ handen ist. Dieser Überschuß ist erforderlich, um auch bei dem größten auftretenden Bewegungswiderstand ein sicheres Einschalten mit nachfolgender Verklinkung der Schaltkontakte in der geschlossenen Stellung zu bewirken. In den bisher be­ kannten Leistungsschaltern wird die überschüssige Antriebse­ nergie durch energieverzehrende Puffer und mechanische Sper­ ren aufgefangen, um zu vermeiden, daß wichtige Bauteile des Leistungsschalters infolge ruckartiger Beendigung der An­ triebsbewegung beschädigt oder zerstört werden. Nach der Er­ findung wird die überschüssige Antriebsenergie wenigstens teilweise in eine elektrische Hilfsenergie zum Betrieb des Auslösesystems umgewandelt und somit nutzbringend verwertet.

Für die Zwecke der Erfindung eignen sich unterschiedliche be­ kannte Generatoren. Insbesondere kann ein piezoelektrischer Generator vorgesehen sein. Dieser ist insbesondere dann ge­ eignet, wenn die Hilfsenergie entlang einem verhältnismäßig geringen Teil des Antriebsweges der Antriebsvorrichtung ge­ wonnen werden soll.

Eine weitere geeignete Bauform eines Generators ist ein ma­ gnetelektrischer Generator. Dieser kann beispielsweise die Gestalt eines Lineargenerators besitzen, der wenigstens ent­ lang einem Teil des Antriebsweges betätigt wird.

Ferner eignen sich für Zwecke der Erfindung auch die bekann­ ten rotierenden Generatoren unterschiedlicher Bauformen.

Mit dem Prinzip der Gewinnung einer Hilfsenergie nach der Er­ findung hängt es zusammen, daß die Dauer der Energieerzeugung verhältnismäßig gering ist. Da es erwünscht sein kann, die erzeugte Energie über einen längeren Zeitraum bereit zuhalten, empfiehlt es sich, zwischen den Generator und das Auslösesy­ stem einen Energiespeicher zu schalten.

Die bisher bekannten Auslösesysteme weisen als Betätigungs­ einrichtung einen Elektromagnet auf. Zur Auslösung des Lei­ stungsschalters wird der Elektromagnet erregt und ein Stößel gegen die Kraft einer Rückstellfeder verschoben. Demgegenüber können nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung fol­ gende Merkmale vorgesehen sein:

• - die Betätigungseinrichtung ist als ein durch die beim Schließen des Schaltkontaktes durch den Generator erzeugte Energie direkt zu speisender piezoelektrischer Aktor ausge­ bildet,
• - die Verklinkungseinrichtung ist derart ausgebildet, daß sie durch Aktivierung des Aktors zur Aufrechterhaltung des ge­ schlossenen Zustandes des Schaltkontaktes betätigbar ist und
• - die Schalteinrichtung ist parallel zu dem Aktor als Über­ brückungsschalter geschaltet, der zur Rückstellung des Aktors und Freigabe der Verklinkungseinrichtung durch die Auslöse­ schaltung zu schließen ist.

Bei dieser Ausgestaltung der Anordnung wird von der Eigen­ schaft der piezoelektrischen Aktoren Gebrauch gemacht, daß zur Aufrechterhaltung ihres aktivierten Zustandes nur eine äußerst geringe Energie benötigt wird. Diese kann in der schon erwähnten Weise aus einem Energiespeicher entnommen werden, der denjenigen Teil der von dem Generator erzeugten Energie aufnimmt, die nach der anfänglichen Aktivierung des piezoelektrischen Aktors verbleibt. Durch den Überbrückungs­ schalter wird der Aktor deaktiviert und sein mechanischer Ru­ hezustand wieder hergestellt. Hierdurch wird die Verklin­ kungseinrichtung gelöst.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann jeder Einfluß des vorgesehenen Generators auf den Bewegungsablauf der Antriebsvorrichtung dadurch ausgeschlossen werden, daß der Generator Bestandteil eines erst gegen Ende einer Schließbewegung des Schaltkontaktes wirksamen Endanschlages ist, der für die Aufnahme einer nach dem Schließen des Schaltkontaktes und dem Wirksamwerden der Verklinkungsein­ richtung verbleibenden Restenergie bemessen ist.

Piezoelektrische Generatoren und piezoelektrische Aktoren sind in einer Reihe verschiedener Ausführungen bekannt. Bei­ spielsweise sind ein piezoelektrischer Generator in der DE 34 24 339 A1 und eine piezoelektrische Betätigung eines Schaltkontaktes in der DE 36 29 040 A1 beschrieben.

Die vorstehend erläuterten Schaltungsanordnungen können noch dadurch verbessert werden, daß ein UND-Glied zur Verknüpfung eines von der Auslöseschaltung abgegebenen Signals für das Auftreten eines Kurzschlußstromes und eines Signals des Gene­ rators sowie zur Abgabe eines Ausgangssignales beim Auftreten beider Signale in zeitlichem Zusammenhang vorgesehen ist.

Eine mit einem UND-Glied ausgerüstete Schaltungsanordnung ist vorteilhaft verwendbar zur Herbeiführung einer unverzögerten Auslösung des Leistungsschalters mittels des Ausgangssignales des UND-Gliedes, wenn die Einschaltung des Leistungsschalters auf einen bereits bestehenden Kurzschluß erfolgt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt schematisch vereinfacht die Gesamtanordnung eines Leistungsschalters mit einer Antriebsvorrichtung und einer Anordnung zur Gewinnung einer Hilfsenergie.

In der Fig. 2 ist gleichfalls schematisch eine erste Ausfüh­ rungsform dargestellt, bei der zur Lösung einer Verklinkungs­ einrichtung ein Auslösemagnet vorgesehen ist.

In der Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel schema­ tisch gezeigt, bei dem ein piezoelektrischer Aktor mit der Verklinkungseinrichtung zusammenwirkt.

Ein als Generator zur Bereitstellung von Hilfsenergie ausge­ bildeter Endanschlag ist in der Fig. 4 veranschaulicht.

In der Fig. 1 sind als Bestandteil eines Niederspannungs-Leistungs­ schalters ein bewegbarer Schaltkontakt 1 und ein hiermit zusammenwirkender ortsfester Schaltkontakt 2 mit an­ schließenden Stromleitern 3 und 4 als Bestandteil einer Hauptstrombahn gezeigt. Entgegen der vereinfachten Darstel­ lung weisen übliche Leistungsschalter drei oder vier Haupt­ strombahnen auf und sind daher mit einer entsprechenden mehr­ fachen Anordnung der erwähnten Baugruppen versehen. Der be­ wegbare Schaltkontakt 1 ist gelenkig mit einem schwenkbar ge­ lagerten Kontaktträger 5 verbunden, wobei sich zwischen dem Kontaktträger 5 und dem bewegbaren Schaltkontakt 1 eine Kon­ taktkraftfeder 6 befindet. Zur Überführung des bewegbaren Schaltkontaktes 1 aus der in der Fig. 1 gezeigten geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung (Fig. 2 und 3) ist eine als Ganzes mit 7 bezeichnete Antriebsvorrichtung vorge­ sehen, die einen Federspeicher 10 aufweist. Der Federspeicher 10 ist in seinem gespannten Zustand gezeigt, in welchem er mittels einer Sperrstange 11 gehalten wird. Gezeigt ist fer­ ner ein Freigabemagnet 12, der in bekannter Weise betätigt werden kann.

Bei Freigabe der Sperrstange 11 ist durch den Federspeicher 10 mittels eines strichpunktiert angedeuteten Treibgestänges 13 der bewegbare Schaltkontakt 1 zu betätigen. Dies geschieht über ein Schaltgestänge 15 sowie eine Verklinkungseinrichtung 16, die dafür sorgt, daß der bewegbare Schaltkontakt 1 in seiner geschlossenen Stellung verbleibt, wobei durch die Kon­ taktkraftfeder 6 auch eine benötigte Kontaktkraft aufrechter­ halten wird.

Damit der Leistungsschalter seine Schutzfunktionen ausüben kann, ist an dem Stromleiter 3 der erwähnten Hauptstrombahn ein Stromwandler 17 angebracht, dessen Sekundärwicklung 20 ein Stromsignal bereitstellt, das an eine Auslöseschaltung 21 angelegt wird. Diese enthält in bekannter Weise analog- oder digitalelektronische Schaltungen zur Bewertung des anliegen­ den Stromsignales anhand vorgegebener Parameter, um im Be­ darfsfall eine Betätigungseinrichtung 22 anzusteuern, welche die Verklinkungseinrichtung 16 beaufschlagt.

Die Hilfsenergie zum Betrieb der Auslöseschaltung 21 und der Betätigungseinrichtung 22 wird mittels eines Generators 23 erzeugt, der mit dem Antriebsgestänge 13 verbunden ist. Es kann sich hiermit um einen beliebigen Generator der bereits erwähnten Art handeln. Die erzeugte Hilfsenergie wird über ei­ ne längeren Zeitraum durch Speicherung in einem Kondensator 24 bereitgehalten. Weitere Einzelheiten werden im folgenden an­ hand der Fig. 2 und 3 erläutert.

In der Fig. 2 ist nur die Hauptstrombahn des Leistungsschal­ ters mit dem in seiner geschlossenen Stellung befindlichen bewegbaren Schaltkontakt 1 und die Verklinkungseinrichtung und das Auslösesystem gezeigt. Die Verklinkungseinrichtung 16 ist als Riegelstange mit einer Sperrnase 25 dargestellt, an der ein Riegelstift 26 der durch einen Auslösemagnet 27 ent­ gegen der Wirkung einer Rückstellfeder 30 verschiebbar ist. Als Schalteinrichtung 31 ist ein zu der Auslöseschaltung 21 gehörender Schaltkontakt gezeigt. Gegenüber den bisher be­ kannten Leistungsschaltern besteht somit der Unterschied, daß der Auslösemagnet 27 nicht aus einem gesonderten Hilfsnetz oder mittels des Stromwandlers 17, sondern mittels der in dem Generator 23 (Fig. 1) erzeugten und in einem Kondensator 24 zwischengespeicherten Energie betätigt wird.

In dem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 wird der Riegelstift 26 durch einen piezoelektrischen Aktor 32 im Eingriff mit der Sperrnase 25 der Verklinkungseinrichtung 16 gehalten. Dies geschieht dadurch, daß der Aktor 32 von der in dem Generator 23 erzeugten Energie direkt beaufschlagt wird und damit die in der Fig. 3 gezeigte Stellung des Riegel­ stiftes 26 bewirkt. Anschließend benötigt der Aktor 32 nur eine sehr geringe Energie zur Aufrechterhaltung der gezeigten Position. Die Auslösung des Leistungsschalters geschieht da­ durch, daß die in der Auslöseschaltung 21 enthaltene Schalt­ einrichtung 31 parallel zu dem Aktor 32 liegt und dieser so­ mit beim Schließen der Schalteinrichtung 31 kurzgeschlossen wird. Dies führt zur sofortigen Rückstellung des Aktors 32 und zum Zurückziehen des Riegelstiftes 26 zwecks Freigabe der Verklinkungseinrichtung 16.

Als Beispiel für die Anordnung eines Generators zur Erzeugung der Hilfsenergie zeigt die Fig. 4 einen Endanschlag 33, der an einer Wand 34 des Leistungsschalters relativ ortsfest ab­ gestützt ist. Der Endanschlag 33 weist ein Gehäuse 35 auf, in dem sich eine Anordnung von piezoelektrischen Generatoren 36 befindet. Ein Stößel 37 dient zur Einleitung einer Bewegungs­ energie in die piezoelektrischen Generatoren 36. Dies ge­ schieht mittels eines schwenkbaren Hebels 40, der Bestandteil des Antriebsgestänges 13 in Fig. 1 sein kann. Durch einen Pfeil 41 ist die Überführung des Hebels 40 aus einer Ruhe­ stellung in eine gestrichelt gezeigte Einschaltstellung ange­ deutet. Offensichtlich ist der Endanschlag 33 gleichermaßen geeignet, eine lineare Bewegung aufzunehmen und eine mechani­ sche Restenergie in eine elektrische Hilfsenergie umzuwan­ deln.

In der Fig. 1 ist gestrichelt ein UND-Glied 42 gezeigt, dem zwei Eingangssignale zuführbar sind. Das eine der Eingangs­ signale wird von der Auslöseschaltung 21 bereitgestellt, wenn ein Kurzschlußstrom durch die Hauptstrombahn des Leistungs­ schalters fließt (Stromleiter 3 und 4) und wird dementspre­ chend im folgenden als Kurzschluß-Meldesignal bezeichnet. Das weitere Eingangssignal des UND-Gliedes 42 wird aus dem Gene­ rator 23 für Hilfsenergie entnommen und entsteht somit beim Einschalten des Leistungsschalters. Dieses Eingangssignal wird im folgenden als Einschalt-Meldesignal bezeichnet und ist mit dem Auftreten einer Hilfsenergie am Generator 23 ver­ bunden, stellt aber nicht die Hilfsenergie selbst dar. Damit wird das Einschalt-Meldesignal mittels des Generators 23 praktisch ohne Verringerung der Ausbeute an Energie gewonnen.

Ein beim gemeinsamen Auftreten des Einschalt-Meldesignals und des Kurzschluß-Meldesignals von dem UND-Glied 42 ausgege­ benes Ausgangssignal wird der Betätigungseinrichtung 22 zu­ geführt, um die Verklinkungseinrichtung 16 unverzögert zu lö­ sen.

Durch das UND-Glied 42 wird bei einem Kurzschluß ein unter­ schiedliches Verhalten des Leistungsschalters ermöglicht, je nachdem, ob der Kurzschluß auftritt, wenn der Leistungsschal­ ter eingeschaltet ist oder ob der Leistungsschalter auf einen bestehenden Kurzschluß eingeschaltet wird. Im zuletzt genann­ ten Fall ist es nämlich vorteilhaft, den Leistungsschalter unverzögert auszulösen, um Schäden am Leistungsschalter selbst und der zugehörigen Schaltanlage bzw. dem zugehörigen Verbraucher möglichst zu begrenzen. Demgegenüber ist es in der Regel erforderlich, die Auslösung zu verzögern, wenn ein Kurzschluß bei eingeschaltetem Leistungsschalter auftritt. Diese Verzögerung, die durch die Auslöseschaltung bewirkt wird, dient dazu, in Anlagen mit mehreren in Reihe liegenden Leistungsschaltern eine erwünschte Selektivität sicherzustel­ len, damit nur fehlerhafte Netzteile abgeschaltet werden. Die verzögerte Auslösung wird bei der Anordnung nach der Fig. 1 wirksam, wenn nur das Kurzschluß-Meldesignal auftritt und da­ her von dem UND-Glied 42 kein Ausgangssignal ausgegeben wird.

Die beschriebene Verwendung des mechanisch-elektrischen Um­ formers 23 sowohl zur Gewinnung einer Hilfsenergie zum Be­ trieb einer Auslöseschaltung als auch zur Abgabe eines Ein­ schalt-Meldesignals für eine unverzögerte Auslösung beim Ein­ schalten auf einen Kurzschluß stellt eine vorteilhafte Kombi­ nation dar. Demgegenüber wird nach der älteren DE-Patent­ anmeldung 198 06 345.8 ein mit der Erschütterung des Leistungsschalters beim Einschalten verknüpftes Spannungs­ signal ausgewertet. Die Gewinnung eines zur weiteren Verar­ beitung geeigneten Einschalt-Meldesignals setzt jedoch einen gewissen und für jede Bauart, Baugröße und Einbauart eines Leistungsschalters individuellen Schaltungsaufwand voraus, da zeitlicher Verlauf, Amplitude und Frequenz einer Spannung, wie sie durch eine Erschütterung beim Einschalten eines Lei­ stungsschalters an einem elektromagnetischen Bauteil auf­ tritt, sehr unterschiedlich sein können.

Claims (9)

1. Anordnung zur Gewinnung einer Hilfsenergie für den Betrieb eines Auslösesystems eines Niederspannungs-Leistungsschalters, der eine durch Federkraft betreibbare Antriebsvorrichtung (7) zum Schließen wenigstens eines bewegbaren Schaltkontaktes (1) und eine lösbare Verklinkungseinrichtung (16) zur Aufrecht­ erhaltung des geschlossenen Zustandes des Schaltkontaktes (1) aufweist, wobei das Auslösesystem eine Auslöseschaltung (21) zur Bewertung eines über den Schaltkontakt (1) fließenden Stromes anhand vorgebebener Parameter und eine durch die Aus­ löseschaltung (21) aktivierbare Schalteinrichtung (31) zur Freigabe der Verklinkungseinrichtung (16) mittels einer Betä­ tigungseinrichtung (22) zwecks Öffnung des Schaltkontaktes (1) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bereitstellung der Hilfsenergie mit der Antriebsvorrich­ tung (7) ein als mechanisch-elektrischer Umformer ausgebilde­ ter Generator (23) verbunden und beim Schließen des Schalt­ kontaktes (1) zwangsläufig betätigbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator als piezoelektrischer Generator (36) ausgebil­ det ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator als magnet-elektrischer Generator ausgebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator als rotierender Generator ausgebildet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Generator und das Auslösesystem ein Energiespei­ cher (24) geschaltet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - die Betätigungseinrichtung (22) enthält einen durch die beim Schließen des Schaltkontaktes durch den Generator er­ zeugte Energie direkt zu speisenden piezoelektrischen Aktor (32),
• - die Verklinkungseinrichtung (16) ist derart ausgebildet, daß sie durch Aktivierung des Aktors (32) zur Aufrechter­ haltung des geschlossenen Zustandes des Schaltkontaktes (1) betätigbar ist,
• - die Schalteinrichtung ist parallel zu dem Aktor (32) als Überbrückungsschalter geschaltet, der zur Rückstellung des Aktors (32) und Freigabe der Verklinkungseinrichtung (16) durch die Auslöseschaltung (21) zu schließen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (36) Bestandteil eines erst gegen Ende einer Schließbewegung des Schaltkontaktes (1) wirksamen Endanschla­ ges (33) ist, der für die Aufnahme einer nach dem Schließen des Schaltkontaktes (1) und dem Wirksamwerden der Verklin­ kungseinrichtung (16) verbleibenden Restenergie bemessen ist.

8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein UND-Glied (42) zur Verknüpfung eines von der Auslöse­ schaltung (21) abgegebenen Signals für das Auftreten eines Kurzschlußstromes und eines Signals des Generators (23, 36) sowie zur Abgabe eines Ausgangssignales beim Auftreten beider Signale in zeitlichem Zusammenhang vorgesehen ist.

9. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 8 zur Herbeiführung einer unverzögerten Auslösung des Leistungsschalters mittels des Ausgangssignales des UND-Gliedes (42), wenn die Einschal­ tung des Leistungsschalters auf einen bereits bestehenden Kurzschluß erfolgt.