DE2610951C3 - Schutzschalter - Google Patents

Description

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

Ein derartiger Schaiter ist a>.« der DE-PS 4 56 577 bekannt, und zwar aus dem in dieser Patentschrift geschilderten Stand der Technik. Es handelt sich hier um eine Auslöseeinrichtung für selbsttätige elektrische Ausschalter, bei welcher paraliel zur Auslösespule des Magneten ein Eisenwiderstand mit großem, positivem Temperaturkoeffizienten geschaltet ist. Dadurch tritt das Ansprechen der Auslösespulc bei raschen oder plötzlichen Stromänderungen bei einem größeren Wert des Hauptstromes ein als bei langsamen Änderungen dieses Hauptstromes. Als Nachteil dieser bekannten Auslöseeinrichtung wird es in der genannten Patentschrift bezeichnet, daß der eingeschaltete Eisenwiderstand nach Erreichen seines zum Ansprechen der Auslösespule erforderlichen Widerstandswertes weiterhin geheizt werde, bis die Unterbrechung des Stromkreises erfolgt, wodurch dieser Eisenwiderstand durchschmelzen könne.

Zur Behebung dieses Nachteiles wird in der genannten DE-PS 4 56 577 vorgeschlagen, dem Schalter eine thermische Kontaktvorrichtung zuzuordnen, welche dauernd im Hauptstromkreis verbleibt und den gefährdeten Eisenwiderstand entweder abzuschalten oder durch Überbrückung eines anderen Widerstandes wenigstens zu entlasten vermag. Derartige thermische Kontaktglieder finden auch in späteren Veröffentlichungen zu Schutzschaltern immer wieder Verwendung, wobei sich insbesondere solche in Form von Bimclallgliedern bewährt haben. Derartige thermische Glieder haben jedoch den Nachteil eines großen Aufwandes für Herstellung und Justierung, sie unterliegen ferner einem gewissen Einfluß durch die Umgebungstemperaturen und sie weisen schließlich eine Trägheit auf, die berücksichtigt werden muß und für manche Bedarfsfälle die Erfüllung von erwünschten Ansprechwerten erschwert.

Aus den genannten Gründen sind deshalb Anstrengungen unternommen worden. Lösungen zu finden, die es erlauben, auf ein thermisches Kontaktglied zu verzichten- Sq wird in der DE-OS 15 63 837 vorgeschlagen, einem magnetischen Auslöser einen Widerstand zuzuordnen, welcher sich in Abhängigkeit des durch ihn fließenden Stromes ändert, wobei insbesondere an einen

ίο Halbleiterwiderstand mit einer Sprungcharakterisik gedacht ist Nachteilig hierbei ist es, daß Halbleiterwiderstände in Frage kommender Art verhältnismäßig große Widerstandswerte aufweisen, hierbei große Toleranzen zeigen und nicht mit beliebig hohen

is Strömen belastbar sind. Sie sind deshalb nicht geeignet parallel zu Magnetauslösern, deren Widerstand in der Größenordnung von etwa 1 bis 5000 Milliohm liegt geschaltet zu werden. Besonders kritisch ist die Verwendung von Halbleiterwiderständen im Hinblick auf das bei Leitungsschutzschaltem erforderliche Kurzschlußschaltvermögen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen für die Massenfertigung geeigneten Schutzschalter zu schaffen, bei dem auf ein thermisches (Bimetall-)-Schaltglied verzichtet werden kann und stattdessen ein temperaturempfindiiches Widerstandsglied der Wicklung des Magnetauslösers parallelgeschalt^t ist welches nicht der Gefahr des Durchschmelzens unterliegt wie es bei der eingangs genannten bekannten Auslöseeinrich-

jo tung zu befürchten ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein der Wicklung des Magnetauslösers parallelgeschaltetes Glied mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches I gelöst Ein derartig legierter Eisen-Nik-

κ kel-Draht weist hinsichtlich seiner Durchmessertoleranzen nur äußerst geringe Abweichungen auf, er ist ferner längenmäßig sehr genau auf einfache Weise herzustellen, hat also hinsichtlich seines elektrischen Widerstandswertes nur sehr geringe Abweichungen von einem ermittelten Sollwert und ist atvJ einfache Weise parallel zur Wicklung anzuordnen. Es kommt vorteilhaft hinzu, daß im Gegensatz beispielsweise zu Bimetallgliedern, die Umgebungstemperaturen nur einen vernal·. lässigbar geringen Einfluß auf seinen Wiücrstandswerl ausüben und daß die Eigenheit seiner Temperaturcharakteristik, nämlich ein stetiges, in manchen Bereichen nahezu exakt lineares Ansteigen des Widerstandswertes, dem erwünschten Funktionsergebnis günstig entgegenkommt Hierdurch ist also ein Schutzschalter ohne

%o Bimetall-Schaltglied herstellbar, welcher im Überstrombereich stromzeitabhängig wie ein thermischer Übcrstromauslöser und im Kurzschlußstrombcrcich praktisch nur stromabhängig wie ein Stromrelais arbeitet.
Ein wichtiger Vorteil ist auch darin zu sehen, daß durch die Kommulation des Stromes vom erfindungsgemäßen Schaltdraht auf die Wicklung im Falle eines Kurzschlusses eine höhere Schlagencrgie vom Magnetauslöser zur Verfügung gestellt werden kann. Infolge des geringen Widerstandswertes des Schaltdrahtes im

M zweiten Stromweg weist der durch die Wicklung führende Stromweg nämlich — im Nennstrombereich — eine geringere Belastung auf, so daß die Wicklung nun mit einer größeren Windungszahl bei verringertem Leitungsquerschnitt ausgeführt werden kann, ohne das

fi^r, Gesamtvolumen der Wicklung zu verändern.

Einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens zufolge wird vorgeschlagen, die Dimcnsionicrung der genannten Stromanteile so vorzusehen, daß innerhalb

des Nennstrombereiches über den zweiten Stromweg ein um ein Vielfaches größerer Stromanteil des Gesamtsiromes als über den ersten, von der induktiven Wicklung gebildeten Stromweg fließt. Hierdurch ist es auch möglich, ein und denselben Magnetauslöser mit stets gleicher induktiver Wicklung für mehrere Nennstrombereiche zu verwenden. Wenn also die induktive Wicklung beispielsweise für einen Dauerstrom von 1 Ampere ausgelegt ist, so läßt sich diese Wicklung sowohl für einen Leitungsschutzschalter mit einem Nennbereich von beispielsweise 2 Ampere verwenden (je ein Strom von 1 Ampere fließen über die Wicklung und über den Schaltdraht) als auch für einen Nennstrombereich von beispielsweise 16 Ampere, wobei die Dimensionierung des Schaltdrahtes so erfolgt, daß — im Nennstrombereich — über die induktive Wicklung bis zu 1 Ampere, während gleichzeitig über den Eisen-Mickel-Draht bis zu 15 Ampere fließen.

Einer zweckmäßigen Weiterbildung des Erfindungsgedankens zufolge wird vorgeschlagen, zur Beeinflus- sung der Zeitkonstanten und somit der zu realisierenden Auslösecharakteristik den Schaltdraht wenigstens steilenweise mit einer Wärmeisolation zu versehen. Hiermit ist — neben der Auswahl von Schaltdrahtlänge und dessen Querschnitt — eine zusätzliche Möglichkeit der Einflußnahme auf die Auslösecharakteristik des Schutzschalters gegeben.

Anhand der Zeichnungen soll der Erfindungsgedanke näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 die Sicht in einen Leitungsschutzschalter, dessen Gehäuse in der Darstellungsebene aufgeschnitten ist,

Fig.2 eine schematische Funktionsdarstellung eines Leitungsschutzschalters im stromdurchflossenen Betriebszusland und js

Fig.3 eine schematischc Funktionsdarstcllung eines Leitungsschutzschalters, jedoch im ausgeschalteten, nicht stromdurchflossenen Zustand.

Der in Fig. 1 dargestellte Leitungsschutzschaltcr ist in einem Gehäuse I angeordnet, aus dem zwei Anschlußklemmen 2 und 3 mit zugeordneten Anschlußschrauben 4 und 5 austreten. Außerdem ragt aus der in der Zeichnung nach oben weisenden Frontseite des Gehäuses 1 ein Betätigungshebel 6 heraus, der in seiner Ausschaltstcllung voll ausgezeichnet und in seiner Einschaltstellung durch unterbrochene Linienführung angedeutet und mit 6' gekennzeichnet ist. Im Gehäuse ist — als wesentliches elektrisches Funktionsbauteil — eine induktive Wicklung 7 mit einem in diese Wicklung 7 hineinragenden Tauchanker 8 angeordnet und mittels v> eines Magnetjochs 9 gehalten. Dieser Tauchanker 8 weist an seinem in der F i g. I nach links weisenden Ende einen Stift IO auf, der, wenn der Tauchanker 8 infolge eines entsprechenden Stromflusses in die induktive Wicklung 7 hineingezogen wird, auf einen Auslösehebcl v, 11 einwirkt. Das andere, in der Fig. I nach rechts weisende Ende des Tauchankers 8 enthält ebenfalls ein s'.iftartiges Teil 12, welches durch einen Kontaklhebel 13 ragt und an seinem Ende mit einem flachen Kopf 14 fest verbunden ist. Zwischen dem genannten Auslösche- Mi bei 11 und dem Kontakthebel 13 befindet sieh außerdem eine größere Anzahl von mechanisch zusammenwirkenden Teilen, die jedoch nicht alle erkennbar oder deren Wirkungsweise aus der F i g. I nicht entnehmbar ist und die mit dem Erfindungsgegensland in keinem Zusam- hs mcnhang stehen. Es erübrigt sich daher, diese Teile und deren Aufgaben im einzelnen zu erläutern. Wesentlich ist vielmehr, daß der induktiven Wicklung 7 ein Schaltdraht 15 aus einer Eisen-Nickel-Legierung parallel geschaltet ist, so daß im Betriebszustand lediglich ein Teilstrom über diese induktive Wicklung 7 fließt, der restliche Stromanteil hingegen über den parallel zu dieser Wicklung 7 angeordneten Schaltdraht 15.

Die Wirkungsweise dieses Leitungsschutzschalters ist folgende:

In betriebsfertig montierten Zustand ist dieser LeitungsschutzschaHer an eine Phase eines elektrischen Netzes angeschlossen, was mittels der Anschlußklemmen 2 und 3 und deren Anschlußschrauben 4 und 5 geschieht- Um den Strom zum Verbrauchernetz gelangen zu lassen, ist der Betätigungsknebel 6 in seine Einschaltstellung 6' zu schwenken, in der er einrastet, was über die angedeuteten mechanischen Bauteile geschieht. In dieser Einschaltstellung 6' des Betätigungsknebels 6 befindet sich der Kontakthebel 13 in einer gestrichelt angedeuteten Lage 13'. DerStromfluß erfolgt nun von der Anschlußklemme 3 über den Kontakthebel 13 bis zu derjenigen (im einzelnen in dieser Figur nicht erkennbaren) Stelle, an der ein Ende de·. Wicklung 7 und ein Ende des Schaltdrahtes 15 leitend miteinander verbunden sind. Diese elektrisch leitende Verbindung muß keineswegs unmittelbar zwischen dem Schaltdraht 15 und dem genannten Ende der Wicklung 7 erfolgen, sondern ■» können sehr wohl Anschlußmittel, wie beispielsweise Lötfahnen oder klemmenartige Teile, Verwendung finden. Ab dieser Verzweigung teilt sich nun der Stromfluß in zwei Teilströme auf, von denen einer, wie bereits erwähnt, über die Wicklung 7 und der andere über den Schaltdraht 15 fließt. Diese genannten Teilströme vereinigen sich wieder an einer Stelle, an der das andere Ende des Schaltdrahtes 15 und das andere Ende der induktiven Wicklung 7 direkt oder indirekt miteinander verbunden sind, und gelangt nun. über die Anschlußklemme 2. zum in der F i g. 1 nicht angedeuteten Verbrauchernetz.

Wie bekannt, haben Eisen-Nickel-Drähte die Eigenschaft einer Veränderung ihres elektrischen Widerstandes bei Veränderung ihrer Temperatur, wobei mit zunehmender Erwärmung der Widerstand stetig zunimmt. Bei einer Stromstärke, die innerhalb des Nennstrombereiches des Leitungsschutzschalters liegt, erwärmt sich hierbei der Schaltdraht 15. über den übrigens innerhalb dieses genannten Bereiches mindestens der gleiche Stromanteil fließt wie über die Wicklung 7, nur geringfügig, so daß auch seine Widerstandsänderung nur gering ist. Dieses ändert sich bei einer Slrombelastung, die um den Ansprechwert des Gerätes liegt; denn nun beginnt sich der über die Wicklung 7 fließende Stromanteil meßbar zu vergrößern, und zwar mehr als nur anteilmäßig gegenüber dem Schaltdraht 15. Nach einer etwas längeren Zeit stetigen Überstroms hat sich dei Schaltdraht 15 weiter aufgeheizt, dementsprechend einen noch höheren Widerstandswert erreicht und der Wicklung 7 einen dementsprechend größeren Stromanteil überlassen, so daß es nunmehr — nach Oberwindung einer in der Fig. 1 nicht erkennbaren Fesselung des Tauchankerns 8 — r.um Ansprechen des Magnetauslösers kommt. Hierbei wird der Tauchanker 8 in das Innere der Wicklung 7 hineingezogen, der Stift 10 wirkt auf den Auslösehebcl Il ein, einn nicht im einzelnen erkennbare Verklinkung wird gelöst und der Kontakthcbel 13 wird aus seiner mit 13' gekennzeichneten, gestrichelt dargestellten Lage in die voll ausgezeichnete Lage geführt. Diese Bewegung des Kontakthebels 13 wird dadurch unterstützt und beschleunigt, daß der Kopf 14 des stiftartigen Teils 12 auf den

Koniakthcbel 13 zusätzlich einwirkt und somit von der Berührungsfläche, die dieser Kontakthebel 13 mit der Anschlußklemme 3 hat, losreißt. Hierdurch wird ein Verschweißen der Kontaktstelle zuverlässig verhindert und dem Kontakthebel 13 eine hohe Anfangsgeschwindigkeit verliehen. Zur besseren Beherrschung des beim geschilderten Schaltvorgang auftretenden Lichtbogens und der damit zusammenhängenden Probleme im Innern des Gehäuses 1 ein bisher unerwähnt gebliebenes Paket von Lichtbogenlöschblechen 16 angeordnet. Dieses dient bekanntlich dazu, den genannten Lichtbogen aufzuteilen, die hierbei entstehende Wärme zu verteilen bzw. abzuführen und durch die dabei erzeugte Lichtbogenspannung den Kurzschlußstrom wirkungsvoll zu begrenzen.

Im Falle des Auftretens eines Kurzschlusses ändert sich der Widerstand des Schaltdrahtes 15 praktisch schlagartig, d. h. innerhalb von vielleicht ein oder zwei Millisekunden wird er stark erhitz! un^ y»n>rAn«rt λ Schutzschalters: Über die Anschlußstelle 18 wird der Strom diesem Leitungsschutzschalter zugeführt, fließi über die Leitung 19 zu einem stromleitenden Lagerbock 22. von hier aus über die Schaltwippe 21 zum '> Kontaktstück 23 und die daran angeschlossene Leitung 24. Nun verzweigt sich der Strom in zwei Stromzweige, von denen einer über die Wicklung 25 fließt, der andere hingegen über den Schaltdraht 27. Hierbei ist der über diesen Schaltdraht 27 fließende Stromanteil, solange der

ίο Gesamtstrom innerhalb des Nennbereiches des Leitungsschutzschalters liegt, mindestens ebenso groß wie derjenige, der über die Wicklung 25 fließt. Die Leitung 26 vereinigt die beiden genannten Teilströme wieder und führt sie zur Anschlußstelle 17, die mit einem nicht

¹^ weiter angedeuteten Verteilernetz verbunden ist.

Die Abschaltfunkion dieses Leitungsschutzschalters wird folgendermaßen erreicht: Mit zunehmender Stromstärke erhöht sich der über die Wicklung 25

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auf die induktive Wicklung 7 einwirkenden Stromstoß. Dieses hat zur Folge, daß die Ausklinkung der erwähnten Hebelanordnung in gleicher Weise wie vorher beschrieben erfolgt; zusätzlich aber erfolgt das Abreißen des Kontakthebels 13 von der Kontaktstelle an der Anschlußklemme 3 mit weitaus stärkerer Wucht und so wird auch im Kurzschlußfall die erhöhte Gefahr des Verschweißens an der Kontaktstelle mit hinreichender Sicherheit vermieden.

Die Fig.2 zeigt in einer sehr vereinfachten, schematischen Darstellung den wesentlichen Funktionsaufbau eines ähnlichen Leitungsschutzschalters, wie er in F i g. 1 dargestellt ist. Anschlußstellen 17 und 18 seien mit den aufgetrennten Enden einer Phase eines elektrischen Stromkreises verbunden. Eine Leitung 19 führt zu einer Kontaktstelle 20. die aus einer Schaltwippe 21 und einem Kontaktstück 23 besteht. Von diesem Konstaktstück 23 aus führt eine Leitung 24 m einer schematisch angedeuteten Wicklung 25, die in einer zur Anschlußstelle 17 führenden Leitung 26 mündet. Parallel zu dieser Wicklung 25 ist ein Schaltdraht 27 aus einer Eisen-Nickel-Legierung geschaltet, der die Leitungen 24 und 26 unmittelbar elektrisch leitend miteinander verbindet In die Wicklung 25 ragt ein Tauchkern 28 hinein, an dessen einem Ende ein Hebel 29 gelenkig befestigt isL Dieser Hebel 29 ist in einem festen Lager 30 gehalten und mit einem weiteren Teil, nämlich einem Riegel 31, gelenkig verbunden. An seinem dem Lager 30 entgegengesetzten Ende weist der Hebel 29 eine Platte 32 aus magnetisierbarem Material auf, weiche mittels eines Permanentmagneten 33 das zuvor geschilderte Hebelgestänge in der dargestellten Lage hält Gezeigt ist die Anordnung im Betriebszustand, d. h. mit geschlossener Kontaktstelle 20. wobei die Schaltwippe 21 durch den Riegel 31 in der gezeigten geschlossenen Kontaktlage gegen die Kraft einer Feder 34 gehalten ist- Der Stromfluß im Betriebszustand entspricht praktisch demjenigen des in der Fig. 1 dargestellten Leitungs-

CuiäiitCii, uniiC jCuuCu ucM ϊ äüCukcMi 2S

aus seiner Lage zu verändern, da der Permanentmagnet 33 den Hebel 29 zunächst fesselt. Bei geringfügigem Überschreiten des Nennstromes erhöht sich nicht nur der verhältnismäßige Anteil des über die Wicklung 25 fließenden Stromes, sondern es komm I ein weiterer Stromanteil deshalb hinzu, weil sich der Widerstandswert des Schaltdrahtes 27 infolge der zunehmenden Erwärmung erhöht hat und somit sein Stromanteil sich nur geringfügiger erhöhl hat als dieses bei der Wicklung 25 der Fall ist. Bei etwas länger währendem Überstrom vermag nun der Permanentmagnet 33 den Hebel 29 nicht mehr zu fesseln, dieser reißt also vom Permanentmagneten 33 ab, der Tauchkern 28 schnellt in das Innere der Wicklung 25 und nimmt hierbei sowohl den Hebel 29 als auch den daran befestigten Riegel 31 mit. Der

^JS Schaltwippe 21 fehlt nun jede Abstützung und sie springt deshalb infolge der Feder 34 in eine Schräglage, wodurch der Stromfluß unterbrochen wird. Die Stellung der mechanischen Schaltglieder zueinander im Augenblick des Ausschaltens zeigt F i g. 3.

Im Kurzschlußfalle verändert sich der Ablauf der Kontaktstücktrennung gegenüber derjenigen im Falle eines auftretenden Überstromes im Prinzip nicht; das Ansprechen des Tauchkernes 28 geschieht lediglich in einem außerordentlich kurzen Zeitraum, der insbesondere dadurch verkürzt wird, daß der Widerstandsan stieg in dem Schaltdraht 27 fast schlagartig erfolgt und dementsprechend der über die Wicklung 25 fließende Stromanteil gleichzeitig schlagartig erhöht wird. Somit wird der Tauchkern 28 ohne jede Verzögerung aus seiner gefesselten Lage gerissen und mit einer größeren Wucht als dieses beim Abschalten infolge Überst. cms der Fall ist Beim dargestellten schematischen Funktionsbild hat diese größere Wucht keinen Einfluß auf die Kraft, mit der die Schaltwippe 21 von dem Kontaktstück 23 abgerissen wird; bei funktionstüchtigen Ausgestaltungen, wie eine solche beispielsweise in der F i g. 1 angedeutet ist, ist dieses jedoch der Fall.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1
Patentansprüche;

U Schutzschalter mit Oberstrom- und Kurzschlußsiromauslösung, mit einem ersten Stromweg über die Wicklung eines Magnetauslösers und mit einem zweiten, parallel zu der Wicklung des Magnetauslösers angeordneten, ein temperaturempfindliches Glied enthaltenden Stromweg, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied im zweiten Stromweg ein Schaltdraht (15, 27) aus einer Legierung aus etwa 30% Fe und 70% Ni mit einem positiven Temperaturkoeffizienten von ca. 0,3 bis 03% Widerstandsänderung pro "C ist, wobei der zweite Stromweg innerhalb des Nennstrombereiches einen wenigstens gleichgroßen Stromanteil wie der erste Stromweg führt

2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stromweg (Schaltdraht 15, 27) innerhalb des Nennstrombereiches einen um ein Vielfaches größeren Stromanteil des GesamtstroiTKS als der erste Stromweg (Wicklung 7, 25) führt.

3. Schutzschalter nach einem der Ansprüche I bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltdraht (15, 27) wenigstens stellenweise mit einer Wärmeisolierung zur Beeinflussung der Zeitkonstanten und somit der zu realisierenden Aiislösecharakteristik versehen ist.