DE2444836B2 - Schutzschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schutzschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Schutzschalter ist aus der US-PS 54 83t bekannt Dieser bekannte Schutzschalter umfaßt eine Schaltungsanordnung mit einem Stromkreisunterbrecher, der ein trennbares Kontaktteil, ein selbstrückstellendes Strombegrenzungselement und einen elektromagnetischen Auslöser aufweist die in Reihe zueinander geschaltet sind. Parallel zu dem Strombegrenzungselement ist ferner eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Induktivität geschaltet, wobei jedoch die Induktivität keinerlei Schaltfunktion ausüben kann und hier !ediglich die Aufgabe einer Drosselspule erfüllt

Aus der französischen Offenlegungsschrift 21 73 762 ist eine Schaltung bekannt, die aus einer Reihenschaltung eines Kontaktteiles mit einem selbstrückstellenden Strombegrenzungselement besteht welches mit einer Trennvorrichtung ausgestattet ist, durch die der Stromfluß in einem Auslösekreis gesteuert wird. Der Auslösekreis, der von einer Hilfsspannungsquelle gespeist wird, enthält einen Reihenkontakt der mechanisch mit der Auslösevorrichtung des selbstriickstellenden Strombegrenzungselements verbunden ist und der normalerweise offen gehalten ist. Der Auslösekreis enthält ferner eine Wicklung, die bei Erregung durch die Hilfsstromquelle das erwähnte Kontaktteil öffnet, so daß dadurch die Reihenschaltung elektrisch unterbrochen wird.

Aus der US-PS 37 08 723 ist ein Stromkreisunterbrecher bekannt, der bei relativ niedriger Stromstärke ansprechen kann. Dieser bekannte Stromkreisunterbrecher besitzt jedoch zwei Eisenkerne, auf die jeweils eine Wicklung aufgewickelt ist.

Schließlich ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 19 63 708 eine elektromagnetisch betätigbare Vorrichtung bekannt die gekennzeichnet ist durch eine erste Magnetspule und einen durch diese Spule betätigbaren Anker, einen die Spule umgebenden magnetischen Rahmen, ein Rohr aus nicht magnetisierbarem Material, welches sich durch diesen Rahmen erstreckt einen beweglichen und magnetisierbaren Kern innerhalb des Rohres, erste Mittel zur Verzögerung der Bewegung des Kernes und zur Vorspannung des Kernes in Richtung auf ein erstes Ende des Rohres, ein mit dem anderen Ende des Rohres verbundenes magnetisches Polstück, gegen welches der Anker beweglich ist. Der Kern ist durch die erste Spule in Richtung auf das Polstück beweglich. Das Rohr ist weiter von einer zweiten Magnetspule umgeben, die mit einer elektrischen Energiequelle verbunden ist, wobei die Windungszahl der ersten Magnetspule so ausgewählt ist, um einen ausreichenden magnetischen Fluß zur Betätigung des Ankers nach einer Verzögerungszeit bei einer vorgegebenen Erregung der ersten Spule zu erzeugen und bei höherer vorgegebener Erregung der ersten Magnetspule einen ausreichenden magnetischen Ruß zur Betätigung des Ankers mit im wesentlichen kleiner Zeitverzögerung zu erzeugen, während die Windungszahl der zweiten Magnetspule so ausgelegt ist daß ein ausreichender Magnetfluß zur Betätigung des Ankers bei Erregung der zweiten Spule ohne Zeitverzögerung erzeugt wird, und zwar unabhängig davon, ob die erste Spule erregt ist so daß diese Spule unabhängig den Anker betätigen kann.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Schutzschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 gegen einen Fehler im selbstrückstellenden Strombegrenzungselement zu schützen.

Diese Aufgabe wird erfindu.igsgemäß dadurch gelöst daß in Reihe mit dem Widerstand ein zweiter elektromagnetischer Auslöser geschaltet ist, daß die beiden elektromagnetischen Auslöser zum öffnen des Kontaktstückes unabhängig voneinander betätigbar sind und daß der zweite elektromagnetische Auslöser nur in Abhängigkeit von der Betätigung des selbstrückstellenden Strombegrenzungselements betätigbar ist

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Schutz schalters wird der besondere Vorteil erreicht, daß aucr bereits vorhandene, bzw. eingebaute Schutzschaltei durch einfache nachträgliche Maßnahmen im Sinne dei Erfindung geschützt werden können. Hierzu brauch lediglich der zweite elektromagnetische Auslöser ii Reihe zu dem genannten Widerstand geschaltet zi werden, bzw. es braucht lediglich der erste elektroma gnetische Auslöser durch ein entsprechendes andere Bauelement ausgetauscht zu werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sin Gegenstände der Ansprüche 2 bis 4.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsforme der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. E zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäße Schutzschalters,

Fig.2 eine Stromzeitkennlinie des Schutzschalters -emäßFig. 1.

' F i g 3a eine Seitenansicht der elektromagnetischen Auslöser des Schutzschalters gemäß F i g. 1, Fig.3b eine Unteransicht des Auslösers nach 5 - i g· 3^a-

ρ j g 4 eine F i g. 3a ähnelnde Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Auslöser gemäß den

ρ i g. 3a und 3b,

ρ i g 5 eine F i g. 3a ähnelnde Ansicht einer weiteren Abwandlung der Auslöser gemäß den F i g. 3a und 3b,

F i g. 6 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Abwandlung des Auslösers des Schutzschalters,

IO

Fig.7 einen Schnitt längs der Linie VlIl-VlIl in 15 pig 6.

In F i g. 1 ist ein Schutzschalter mit einem selbstrückstellenden Strombegrenzungselement dargestellt. Diese Konstruktion weist zwei Klemmen 10 und 12, ein an die eine Klemme 10 angeschlossenes, trennbares Kontakt- 20 stück 14 und einen auf Wärme ansprechenden Auslöser 16 auf, der an einen mit der anderen Klemme 12 verbundenen elektromagnetischen Auslöser 18 angeschlossen ist.

Die Auslöser 16 und 18 sind dabei von bekannter Bauart. Zwischen das Kontaktstück 14 und den thermischen Auslöser 16 ist ein Widerstand 20 geschaltet, über den ein selbstrückstellendes Strombegrenzungselement 22 geschaltet ist Ein solches selbstrückstellendes Strombegrenzungselement weist eine Masse eines selbstrückstellenden bzw. »selbstheilenden« strombegrenzenden Materials in bei Raumtemperatur fester oder flüssiger Form auf, beispielsweise Natrium oder Kalium, das dann, wenn es von einem Kurzschlußstrom durchflossen wird, verdampft und dabei dem Kurschlußstrom zu dessen Begrenzung einen hohen Widerstand entgegensetzt Anschließend kehrt das verdampfte Material zur Wiederherstellung der elektrischen Leitfähigkeit wieder in seinen ursprünglichen festen oder flüssigen Zustand zurück.

Bei Auftreten eines hohen Kurzschlußstromes im Schutzschalter verdampft das Material des Strombegrenzungselementes 22, so daß diesem Strom ein hoher Widerstand entgegengesetzt wird, wodurch der Strom begrenzt und gleichzeitig in den Widerstand 20 geleitet wird Der Widerstand 20 läßt den kommutierten Strom mit einer durch seinen Widerstandswert bestimmten Größe in die Auslöser 16 und 18 fließen, so daß der elektromagnetische Auslöser 18 das Kontaktstück 14 öffnet und den Schutzschalter in seine Offenstellung

^S°Wenn das Strombegrenzungselement 22 auf Grund irgendeiner Störung durch einen niedrigen Strom unterhalb eines Schwellenstroms, unter dem das Element nicht betätigt werden sollte, betätigt wird, kann dies zu einem Durchbrennen des über das Strombegrenzungselement 22 geschalteten Widerstandes 20 fuhren Hierbei wird der elektromagnetische Ausloser 18 nicht betätigt, vielmehr wird hierbei der thermische Ausloser 16 ausgelöst um den Schutzschalter in seinen Offenzustand zu schalten. In der Zwischenzeit brennt jedoch der Widerstand 20 durch.
Die durch die Anordnung gemäß F1 g. 1 durchgefuhr-

. j, 1 5,...,.,Cf_11nWt!"" i« im folgenden anhand von

Fig."2^CInäher^U'Sterr'in wekhir die durch die verschiedenen Bauteile des Schutzschalters n.eßenden Ströme auf der Abszisse in Abhängigkeit von der Zeit auf der Ordinate aufgetragen sind. Wenn ein Strom mit einer Größe /, den Schutzschalter durchfließt, fühlt der thermische Auslöser 16 diesen Stromfluß und öffnet das Kontaktstück 14 zu einem Zeitpunkt J₁ gemäß der Kurve a, welche die Unterbrechungscharakteristik eines Schutzschalters mit sowohl dem thermischen Auslöser 16 als auch dem elektromagnetischen Auslöser 18 verdeutlicht. Wenn ein den Wert U übersteigender Strom den Schutzschalter durchfließt, stellt der elektromagnetische Auslöser 18 diesen Strom schnell fest, bevor er von dem thermischen Auslöser 16 festgestellt werden kann.

Die Kurve b in F i g. 2 gibt die Strombegrenzungscharakteristik des Strombegrenzungselements 22 an und veranschaulicht das Verhältnis zwischen einem dieses durchfließenden Strom und dem Zeitpunkt, zu welchem dieses zur Begrenzung des Stroms ausgelöst wird. Wenn beispielsweise ein Strom mit der Größe i\ über das Strombegrenzungselement fließt, so spricht dieses an, um den Strom zum Zeitpunkt t₂ zu begrenzen. Das Strombegrenzungselement 22 spricht im allgemeinen auf einen es durchfließenden Strom an, der gleich groß oder größer ist als die durch den Schnittpunkt der Kurven a und bdargestellte Größe.

In F i g. 2 gibt weiterhin die mit c bezeichnete Kurve die Strombegrenzungscharakteristik des Strombegrenzungselements 22 an, nachdem eine Stromgröße, bei welcher das Element zur Begrenzung des Stroms ausgelöst wird, infolge einer unvorhergesehenen Störung, wie erwähnt, vermindert wurde. Wenn beispielsweise ein Strom mit der Größe h durch den Schutzschalter fließt, wird das Strombtgi enzungselement 22 zur Begrenzung des Stroms nach Ablauf einer Zeitspanne h ausgelöst, um den Strom in den zu ihm parallelgeschalteten Widerstand 20 zu kommutieren. Während der kommutierte Strom die beiden Auslöser 16 und 18 durchfließt ist er auf eine durch den Wert des Widerstands 20 bestimmte Größe beschränkt. Unter diesen Bedingungen bleibt der elektromagnetische Auslöser 18 unwirksam, so daß der Strom weiterhin über den thermischen Auslöser 16 fließt bis dieser zu einem Zeitpunkt U durch diesen Strom betätigt wird und den Schutzschalter in seinen Offenzustand schaltet.

Der über das Strombegrenzungselement 22 geschaltete Widerstand 20 ist ursprünglich so ausgelegt und ausgebildet, daß ein Strom den Widerstand während eines außerordentlich kurzen Intervalls durchfließt, bis der elektromagnetische Auslöser 18 betätigt wird. Wenn daher ein Strom mit einer Größe h entsprechend einem Mehrfachen, beispielsweise dem 4,5fachen des Nennstroms des Schutzschalters während einer längeren Zeitspanne durch den Widerstand 20 fließt und einen Zeitpunkt U erreicht, führt dieser Stromfluß offensichtlich zu einem Durchbrennen des Widerstands

20.

Die Erfindung sieht nun vor, daß der Widerstand 20 vor einem Durchbrennen infolge einer Verringerung des Stroms geschützt ist, bei welchem das Strombegrenzungselement zur Einleitung der Strombegrenzungsfunktion ausgelöst wird.

Gemäß F i g. 1 ist parallel zum Strombegrenzungsele ment 22 eine Reihenschaltung, bestehend aus derr Widerstand 20 und einem weiteren elektromagneti sehen Auslöser 24 geschaltet. Der als zweiter elektro magnetischer Auslöser bezeichnete Auslöser 24 vermaj die Auslösefunküon bei einem niedrigeren Stron durchzuführen, als der erste Auslöser 18, und zwa unmittelbar nach dem Zeitpunkt, zu dem das Strombe grenzungselement 22 seine Funktion der Begrenzun

eines hohen Stroms durchgeführt hat.

Wenn durch die Anordnung gemäß F i g. 1 ein Kurzschlußstrom fließt, dessen Größe für die Betätigung des Strombegrenzungselements 22 nicht ausreicht, führt der elektromagnetische Auslöser 18 seine Auslösefunktion durch. Der elektromagnetische Auslöser 24 ist dabei so ausgelegt und ausgebildet, daß er bei einem hohen, für die Betätigung des Strombegrenzungselements 22 ausreichenden Kurzschlußstrom durch die Anordnung gemäß Fig. 1 auf einen durch den Widerstand 20 fließenden Strom anspricht und dadurch augenblicklich betätigt wird, um das Kontaktstück 14 in seinen Offenzustand zu schalten. Hierdurch wird gewährleistet, daß der zum Strombegrenzungselement 22 parallelgeschaltete Widerstand 20 an einem Durchbrennen gehindert wird. Wenn das Strombegrenzungselement 22 einwandfrei betätigt ist, führt der Fluß eines hohen Kurzschlußstroms durch die Anordnung gemäß F i g. 1 zur Betätigung eines der elektromagnetischen Auslöser 18 oder 24.

Die beiden elektromagnetischen Auslöser 18 und 24 können als getrennte Einheiten ausgebildet sein, die ihrerseits betrieblich mit einem im Schutzschalter angeordneten Kippschaltermechanismus gekoppelt sind. Diese Ausbildung ist aber insofern unvorteilhaft, als der dabei erhaltene Schutzschalter ziemlich groß wird. Aus diesem Grund werden die beiden Auslöser vorzugsweise zu einer einheitlichen Konstruktion der in F i g. 3 dargestellten Art zusammengefaßt.

Gemäß Fig.3 sind die jeweiligen Wicklungen der beiden elektromagnetischen Auslöser 18 und 24 um einen einzigen, feststehenden Eisenkern 26 herumgewickelt. Der Eisenkern 26 ist an seinen beiden Enden mit zwei magnetischen Polstücken 28 und 30 in Form von rechteckigen Platten versehen. Der eine Seitenabschnitt des einen, oberen Polstücks 30 ragt über das andere Polstück hinaus und trägt einen daran angelenkten, bewegbaren Anker 32. Eine Feder 34 ist mit ihren Enden einmal in den bewegbaren Anker 32 und andererseits in das Ende des vorspringenden Seitenteils des Polstücks 30 eingehängt, so daß der Anker 32 normalerweise vom unteren Polstück 28 hinweg vorbelastet ist und mit diesem einen Luftspalt 36 bildet. Der Anker 32 legt sich dabei normalerweise an einen Anschlag 38 an, der am Ende des vorspringenden Seitenteils des oberen Polstücks 30 angebracht ist. Die Bauteile 26,30,32 und 26 bilden einen den beiden elektromagnetischen Auslösern 18 und 24 gemeinsamen Magnetkreis.

Wenn ein eine vorbestimmte Größe übersteigender Strom einen der elektromagnetischen Auslöser bzw. deren Wicklungen durchfließt, wird der bewegbare Anker 32 durch das untere Polstück 28 angezogen. Während dieser Verlagerung betätigt der Anker 32 einen nicht dargestellten Auslösehebel im Schutzschalter, um das Kontaktstück 14 (F ig. 1) zu öffnen.

Gemäß Fig.4 ist die Wicklung des ersten elektromagnetischen Auslösers 18 nur um den feststehenden Eisenkern 26 herumgewickelt, während die Wicklung des zweiten Auslösers 24 sowohl um den Eisenkern 26 als auch um einen magnetischen Nebenschluß 40 herumgewickelt ist, der zwischen dem oberen und dem unteren Polstück 30 bzw. 28 verläuft. Der Nebenschluß 40 weist einen Abschnitt auf, der mit dem einen Eisenkern für den Auslöser 24 bildenden Abschnitt des Eisenkerns 26 in Kontakt steht, sowie einen weiteren r>s Abschnitt auf, der von dem den Eisenkern für den Auslöser 18 bildenden Eisenkernabschnitt auf Abstand angeordnet ist.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 ist der magnetische Nebenschluß 40 mit Abstand parallel zum Eisenkern 26 zwischen den Polstücken 28 und 30 angeordnet. Der erste elektromagnetische Auslöser 18 ist dabei mit seiner Wicklung um den Eisenkern 26 herumgewickelt, während die Wicklung des Auslösers 24 um den Nebenschluß 40 gewickelt ist.

Die Fig.6 und 7 zeigen eine weiter abgewandelte Ausführungsform der Auslöser. Die dargestellte Ausführungsform weist einen einzigen feststehenden Eisenkern 26, eine um den Eisenkern 26 herumgelegte erste Wicklung sowie eine um den Eisenkern 26 herumgewickelte zweite Wicklung auf. Die für den elektromagnetischen Auslöser 18 vorgesehene erste Wicklung besteht aus einem Hauptleiter 18a und einem Nebenschlußleiter 186, die elektrisch voneinander isoliert und unter Zwischenfügung des Eisenkerns 26 nebeneinander angeordnet sind. Die zweite Wicklung ist für den elektromagnetischen Auslöser 24 vorgesehen, und sie besteht aus mehreren um den Eisenkern 26 herumgelegten Windungen.

Ein kombiniertes, L-förmiges Polstück- und Jochglied 30' ist am einen Ende des Eisenkerns 26 befestigt, während am anderen Ende des Eisenkerns 26 ein Polstück 28 angebracht ist. Am feststehenden Eisenkern 26 sind auf ähnliche Weise, wie in Verbindung mit den F i g. 3a und 3b beschrieben, ein bewegbarer Anker 32, eine Feder 34 und ein Anschlag 38 angeordnet, so daß ein den Eisenkern 26, das L-förmige Jochglied 30', den bewegbaren Anker 32, den Luftspalt 36 und ein Polstück einschließender Magnetkreis gebildet wird. Der Anker 32 ist jedoch durch die Endfläche des Polstücks 28 und nicht durch seine Seitenkante anziehbar.

Wie bei der Anordnung gemäß den F i g. 3a und 3b bilden der Hauptleiter 18a, der feststehende Eisenkern 26, das kombinierte Polstück- und Jochglied 30', der bewegbare Anker 32 und das Polstück 28 den elektromagnetischen Auslöser 18, während die Wicklung, der feststehende Eisenkern 26, das L-förmige Jochglied 30', der bewegbare Anker 32 und das Polstück 28 den elektromagnetischen Auslöser 24 bilden.

Im Betrieb wird ein durch die erste Wicklung (Hauptleiter 18a Nebenschlußleiter 186) fließender Laststrom in zwei Stromteile aufgeteilt, die über den Haupt- und den Nebenschlußleiter 18a bzw. 18b fließen Der durch den Hauptleiter 18a fließende Stromteil bildet einen durch den Magnetkreis fließenden Magnetfluß, und wenn dieser Stromanteil einen vorbestimmter Wert übersteigt, wird der Anker 32 durch den Eisenkerr 26 angezogen. Hierdurch wird das Kontaktstück 14 (Fig. 1) über einen nicht dargestellten Auslöse- odei Schaltmechanismus geöffnet.

Es ist zu beachten, daß der über den Nebenschlußlei ter \%b fließende Stromanteil keinen Magnetfluß bildet welcher bestrebt wäre, den Anker 32 durch der Eisenkern 26 anzuziehen.

Durch entsprechende Auswahl der durch die Feder 3' ausgeübten Kraft kann der elektromagnetische Auslö scr 18 durch einen hohen Strom betätigt werden Außerdem kann durch entsprechende Wahl de Windungszahl der zweiten Wicklung der elektromagne tische Auslöser 24 durch einen niedrigen Strom betätig werden.

Außerdem ist die Anordnung gemäß den F i g. 6 und ' insofern vorteilhaft, als durch Änderung des Verhältnis ses der Querschnittsflächen zwischen Haupt- um Nebenschlußleiter der Betätigungsstrom für den erstei elektromagnetischen Auslöser variiert werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schutzschalter mit mindestens einem trennbaren Kontaktstück, einem selbstrückstellenden Strombegrenzungselement und einem ersten elektromagnetischen Auslöser, die mit dem Kontaktstück in Reihe geschaltet sind, und mit einem parallel zum Strombegrenzungselement geschalteten Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Widerstand (20) ein zweiter elektromagnetischer Auslöser (24) geschaltet ist, daß die beiden elektromagnetischen Auslöser (18, 24) zum öffnen des Kontaktstückes (14) unabhängig voneinander betätigbar sind und daß der zweite elektromagnetische Auslöser (24) nur in Abhängigkeit von der Betätigung des selbstrückstellenden Strombegrenzungselements (22) betätigbar isL

2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden elektromagnet!- sehen Auslöser (18,24) einen gemeinsamen Magnetkreis (26,28,30,32) mit einem einzigen, feststehenden Eisenkern (26) und einem einzigen, bewegbaren Anker (32) aufweisen.

3. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame, bewegbare Anker (32) durch eine einzige Feder (34) auf Abstand vom Eisenkern (26) gehalten ist, daß der erste elektromagnetische Auslöser (18) eine um den feststehenden Eisenkern (26) herumgewickelte Wicklung aufweist und daß parallel zum Eisenkern (26) ein magnetischer Nebenschluß (40) vorgesehen ist

4. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste elektromagnetische Auslöser (18) eine Wicklung aus einem Hauptleiter {iSa) und einem unter ZwischenfCgung des feststehenden Eisenkerns (26) neben diesem angeordneten Nebenschlußleiter (i9b) aufweist, der von einem Teil eines Laststroms durchflossen ist