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Anordnung zur selektiven Abschaltung mehrerer Verbraucher"
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur selektiven Abschaltung mehrerer
Verbraucher, mit den Verbrauchern direkt zugeordneten Leitungsschutzschaltern mit
einer ersten Auslösekennlinie, und einem den Leitungsschutzschaltern vorgeschalteten
Hauptleitungsschutzschalter mit einer zweiten Auslösekennlinie, die oberhalb der
des Leitungsschutzschalters liegt, und gegebenenfalls einer Vorsicherung.
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Leitungsschutzschalter sowie Sicherungen- dienen bekanntlich dazu,
Zuführungsleitungen zu einem Verbraucher sowie den Verbraucher selbst vor Überströmen
oder Kurzschlußströmen zu schützen.-In einem mehrgeschossigen Wohnhaus beispielsweise
werden
die einzelnen Verbraucher leitungen von Leitungsschutzschaltern
abgesichert, denen gegebenenfalls ein Hauptleitungsschutzschalter vorgeschaltet
ist, dem selbst wiederum eine Schmelzsicherung vorgeschaltet sein kann. Die Charakteristiken
der einzelnen Sicherungseinrichtungen sind so zu wählen, daß beispielsweise ein
Kurzschluß vor einem Verbraucher oder im Verbraucher selbst lediglich die Auslösung
des ihm zugeordneten Leitungsschutzschalters bewirkt, während der Hauptleitungsschutzschalter,
der mehreren Verbrauchern vorgeschaltet ist, den dem Verbraucher zugeordneten Leitungsschutzschalter
strombegrenzend unterstützen soll, aber nicht auslösen darf.
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Andererseits soll ein Kurzschluß zwischen dem Hauptleitungsschutzschalter
und den den Verbrauchern zugeordneten Leitungsschutzschaltern von diesem Hauptleitungsschutzschalter
und nicht von der vorgeschalteten Sicherung abgeschaltet werden.
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Es sind Anordnungen bekanntgeworden (vergl. DE-OS 2 525 192) bei denen
die einzelnen Schalter einander unter- bzw.
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übergeordnet sind, welche ein-, zwei- bzw. dreimal kurzunterbrechen,
wobei der Schalter, der dem Verbraucher am nächsten liegt, sofort bei einem einmaligen
Öffnen geöffnet bleibt, während der übergeordnete Schalter erst nach der zweiten
Kurzunterbrechung geöffnet bleibt, der dritte Schalter erst nach der dritten Kurzunterbrechung
geöffnet bleibt etc. Dazu sind den einzelnen Leitungsschutzschaltern Zähler zugeordnet,
die die Anzahl der Kurzunterbrechung zählen und bei Erreichen der entsprechenden
Anzahl den Schalter geöffnet halten.
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In der DE-OS 2 347 123 ist eine Schutzvorrichtung bekanntgeworden,
bei der festen Kontakten ein Dauermagnet zugeordnet ist, der mit einem bewegbaren
Magnetanker zusammenwirkt, derart, daß die beweglichen Kontakte beim Auftreten
eines
Kurzschlusses unabhängig von der Schaltschloßauslösung eine kurzunterbrechende strombegrenzende
Trennung von den festen Kontakten ausführen und nach Unterbrechung des Kurzschlußstromes
wieder in ihre Einschaltlage zurückgehen. Die selektive Auslösung des Schalters
ist, ähnlich, wie bei der Anordnung gemäß der DE-OS 2 525 192 so, daß Kurzunterbrechung
der Schalter umso häufiger wiederholt wird, je dichter der betreffende Schalter
in der Verteilungshierarchie an der Leistungseinspeisestelle liegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei der eine Verbesserung der Selektivität und eine Vereinfachung
der Anordnung erzielt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hauptleitungsschutzschalter
ein parallel zu seinem Hauptstrompfad liegendes thermisches Element besitzt, auf
das der Strom bei Auftreten eines Kurzschlußstromes mittels einer Umschaltvorrichtung
zumindest teilweise aufgeschaltet wird, und welches die Lage eines Zwischenhebels
so steuert, daß letzterer sich in den Weg eines mit dem Kontakthebel bewegbaren
Schlag ankers und in den Bereich des Schaltschlosses bewegt, so daß bei einer Betätigung
des Schlagankers das Schaltschloß von dem Schlaganker über den Zwischenhebel ausgelöst
wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung kann als thermisches Element ein Thermobimetall
vorgesehen sein.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die Vorteile der Erfindung und ihre Wirkungsweise sollen anhand der
Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, näher erläutert
und beschrieben werden.
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Es zeigt Figur 1 eine Schaltungsanordnung mehrerer Leitungsschutzschalter,
eines Hauptleitungsschutzschalters und einer Vorsicherung in einem Verbrauchernetz,
Figur 2 die Durchlaßkennlinie der einzelnen Leitungsschutzschalter und der Sicherung,
Figur 3 eine prinzipielle Schaltungsanordnung nach der Erfindung zum Einsatz in
einen Hauptleitungsschutzschalter nach der-Fig. 1, Figur 4 eine schematisierte Darstellung
eines nach der Erfindung ausgeführten Hauptleitungsschutzschalters nach der Fig.
1, Figur 5 das elektrische Ersatzschaltbild des Schalters gemäß Fig. 4, Figur 6a
und 6b zwei Varianten von Schaltungsanordnungen zur Unterstützung des Thermobimetalls
in der Anordnung nach Fig. 4.
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Ein Verteilungsnetz für die Hausinstallation besitzt mehrere Verbraucher
10, 12 und 14, denen jeweils ein Leitungsschutzschalter 16, 18 und 20 zugeordnet
ist. Vor den Leitungsschutzschaltern 16, 18, 20, deren Eingänge
gemeinsam
auf eine Hauptleitung 22 geschaltet sind, derart, daß die Leitungsschutzschalter
16, 18 und 20 mit ihren Verbrauchern 10, 12 und 14 zueinander parallel liegen, ist
ein Hauptleitungsschutzschalter 24 geschaltet und vor dem Hauptleitungsschutzschalter
befindet sich nahe der Einspeisung 26 eine Vorsicherung 28.
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Die Auslösekennlinien der einzelnen Leitungsschutzschalte 16, 18 und
20 sowie 24 und der Vorsicherung 28 sind in dem in Figur 2 gezeigten Diagramm eingetragen,
wobei auf der Abszisse der Logarithmus des prospektiven Kurzschlußstromes 1K und
auf der Ordinate der Logarithmus des Durchlasses J i2 . dt eingetragen sind. Die
Auslösekennlinien sind gemäß den beigefügten Indizes den einzelnen Leitungsschutzschaltern
in folgender -Weise zugeordnet, wobei die Abkürzung AK für Auslösekennlinie steht:
AK28 = Auslösekennlinie der Sicherung 28 AK24 = Auslösekennlinie des Hauptleitungsschutzsdhalters
24 AK16,18,20 = Auslösekennlinie der Leitungsschutzschalter-16, 18 und 20.
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Ferner ist die symmetrische Sinushalbwelle SH eingetragen.
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Es seien nun folgende Fälle angenommen: 1.
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Es bestehe ein Kurzschluß zwischen dem Leitungsschutzschalter 16 und
dem Verbraucher 10. In diesem Falle muß der Leitungsschutzschalter 16 ansprechen,
-ohn-e daß der Leitungsschutzschalter 24 auslöst bzw. die Sicherung 28 anspricht.
Der Leitungsschutzschalter 24 darf (braucht aber nicht) jedoch einen Strombegrenzungsvorgang
möglichst kurzunterbrechend Unterstützen, so daß auf diese Weise unter anderem eine
verbesserte Durchlaßkennlinie VK als Summe der Durchlaßkennlinien AK 24 + AK 16,
18 20- entsteht. Auf diese Weise wird auch ein höheres Schaltvermögen erzielt.
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2.
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Sofern der Kurzschluß zwischen dem Hauptleitungsschutzschalter 24
und dem Knotenpunkt 30, von dem die einzelnen Leitungen zu den Verbrauchern abgehen,
auftritt, dann muß der Hauptleitungsschutzschalter 24 nicht nur strombegrenzend
öffnen, sondern auch auslösen. Nun kann der Selbstschalter beim ersten Schaltvorgang
zunächst nicht unterscheiden, ob der ihn durchfließende Kurzschlußstrom auf einen
Kurzschluß am Orte zwischen dem Leitungsschutzschalter 16 und seinem Verbraucher
10 oder am Orte zwischen sich und dem Knotenpunkt 30 zurückzuführen ist. Er kann
dies erst dann feststellen, wenn er nach der Unterbrechung des ersten Stromimpulses
ohne zunächst die Auslösung zu betätigen wieder einschaltet. War der Kurzschluß
zwischen dem Leitungsschutzschalter 16 und dem Verbraucher 10, so hat der Leitungsschutzschalter
16 ausgelöst und der Kurzschluß besteht nicht mehr. In diesem Falle darf der Leitungsschutzschalter
24 nicht auslösen, damit die benachbarten gesunden Einspeisungen zu den Verbrauchern
12 und 14 nicht stromlos werden. Anderenfalls öffnet der Leitungsschutzschalter
24 aufs neue strombegrenzend, wobei er in diesem Falle auslösen muß.
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3.
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Befindet sich ein Kurzschluß zwischen dem Leitungsschutzschalter 24
und der Sicherung 28, so muß die Sicherung 28 ansprechen.
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Der Hauptleitungsschutzschalter der Figur 3 besitzt einen Hauptleitungsstrompfad
40, in dem sich die Hauptkontaktstelle 42 befindet. Diese Hauptkontaktstelle ist
in üblicher Weise ausgebildet und besteht aus einem festen Kontaktstück und einem
beweglichen Kontaktstück, welches am freien Ende eines drehbar gelagerten Kontakthebels
angeordnet
ist (vergl. auch Fig. 2). In den Hauptleitungsstrompfad 40 ist eine Umschalteinrichtung
44 geschaltet, die bei Auftreten eines Kurzschlusses und bei Öffnen der Trennstelle
42 von dem beweglichen Kontakthebel zumindest einen Teil des Stromes vom Hauptstrompfad
40 auf einen Nebenstromweg oder Hilfsstromweg 46 kommutiert. Zwischen der Umschalteinrichtung
44 und der Trennstelle 42 ist elektrisch leitend ein thermisches Element 48, hier
ein Thermobimetall 48, geschaltet, welches mit dem Nebenweg 46 über eine Litze 50
in Verbindung steht. An dem Thermobimetall 48 ist ein Zwischenhebel 52 angelenkt,
der in Ruhestellung (dick ausgezogene Linie) außerhalb des Betätigungsweges eines
Stößels 54 steht, der mit dem beweglichen Kontaktstück der Trennstelle 42 in Verbindung
steht und wie aus der strichlierten Zeichnung ersichtlich ist, relativ zum Thermobimetall
verdreht werden, wie weiter unten näher erläutert werden soll, und dabei ein Schaltschloß
56 zur Auslösung des Hauptleitungsschutzschalters betätigen kann.
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Diese Prinzipskizze bzw. prinzipielle Anordnung ist bei einem Leitungsschutzschalter
realisiert, dessen einzelne Bauelemente in der Figur 4 schematisch dargestellt sind.
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Der Hauptleitungsschutzschalter besitzt, wie oben erwähnt, eine Trennstelle
42, die gebildet ist von einem festen Kontaktstück 60 und einem bewegbaren Kontaktstück
62, welches an einem in einer Achse 64 drehbar gelagerten Kontakthebel 66 angeformt
ist. Das Festkontaktstück 60 steht mit einem nur schematisch dargestellten Klemmenanschluß
68 in Verbindung und setzt sich in ein Lichtbogenleitblech 70 fort. Am Kontakthebel
66 ist eine Litze 72 angebracht, die mit einem weiteren Lichtbogenleitblech 74 in
Verbindung steht, wobei zwischen dem Lichtbogenleitblech 70 und dem Lichtbogenleitblech
74 eine aus mehreren Löschblechen 76 bestehende Lichtbogenlöschkammer 78 angeordnet
ist.
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Der Leitungsschutzschalter nach Figur 4 besitzt weiterhin einen Schlagankermechanismus
80, der sich zusammensetzt aus einem Joch 82 und einem an diesem befestigten Magnetkern
84, einem bewegbaren Magnetschlaganker 86, einer Wicklung 90 und dem Schlagstift
88 zusammensetzt. Ein derartiges Magnetankersystem ist an sich bekannt und befindet
sich in handelsüblichen Leitungsschutzschaltern.
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Der Schlagankerstift 88 des Schlagankers 86 wirkt auf den beweglichen
Kontakthebel 66 ein, während das andere Ende 87 des Schlagankers 86 durch den Magnetkern
84 hindurchgreift und das Joch 82 im Bereich des Magnetkernes 84 durchgreift und
über diese hinausragt.
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Am Punkte 92 ist ein Thermobimetall 94 ortsfest gelagert, an dessem
freien Ende der Zwischenhebel 52 angelenkt ist bzw. federnd befestigt ist. Das bei
92 fest angeordnete Ende des Thermobimetalls 94 ist über eine Leitung 98 mit dem
Lichtbogenleitblech 70 und das freie Ende des Thermobimetalles 94 über eine mit
einer Litze 100 versehene Leitung 102 mit einem Hilfstrennschalter 104 und mit der
zur anderen Klemme 106 verlaufenden Hauptleitung verbunden.
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Der von der Klemme 106 zum einen Ende der Wicklung 90 und von der
Wicklung 90 über eine Litze 108 zum beweglichen Kontakthebel 66 und der Trennstelle
42 zur anderen Klemme 68 verlaufende Strompfad entspricht dem Hauptstrompfad 40
in der Darstellung nach Figur 3.
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Die Umschaltvorrichtung 44 ist durch die Haupttrennstelle 42 selbst
realisiert (siehe Fig. 5). Der Hauptstrompfad 40 ist nach Öffnung von 42 durch den
Nebenzweig 46 überbrückt; deshalb ist die Hilfstrennstelle 104 erforderlich.
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Die mit 100 bezeichnete Litze ist in der Figur 3 mit 50 bezeichnet
und das Thermobimetall 94 entspricht dem thermischen Element 48 in der Figur 3.
Die Wirklinie 54 ist der Stößel 87 und das Schaltschloß 56 besitzt die gleiche Bezugsziffer.
Die hier in Relation gesetzten Teile entsprechen einander.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist ein verzögerter Überstromauslöser,
üblicherweise ein Thermobimetall, welches in Reihe oder parallel zur Schlagankerspule
90 geschaltet sein kann und über den Auslösehebel 110 ebenfalls auf das Schaltschloß
56 einwirkt, und der normalerweise in einem Leitungsschutzschalter vorhanden ist,
in den Figuren 4 bis 6 nicht mit eingezeichnet.
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Es ist weiterhin noch ein Übertragungshebel 110 vorgesehen, der an
der Achse 112 drehbar und ortsfest gelagert ist und der über die Wirklini 114 auf
das Schaltschloß 56 einwirkt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Figur 4 sei im folgenden beschrieben:
In der dick ausgezogenen Darstellung, wenn also der Kontakthebel 66 in der gezeichneten,
geschlossenen Stellung ist, fließt ein Strom über den Hauptstrompfad, Klemme 106,
Wicklung 90, Litze 108, Kontakthebel 66 zur Klemme 68.
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Bei Auftreten eines Kurzschlußstromes öffnet der Schlaganker 86 die
Trennstelle 42, wobei der Schlaganker 86 gegen den Magnetkern 84 gezogen wird. Durch
die Öffnung der Trennstelle 42 wird ein Lichtbogen 79 gezogen, welcher in das Löschblechpaket
78 hineingetrieben wird; und durch die Wirkung des Lichtbogens fließt ein Teil des
Kurzschlußstromes auch über die Leitung 102 zum Thermobimetall 94 und über die Leitung
98 und dem Lichtbogenleitblech 70 zur Kontaktstelle 60. Das Thermobimetall 94 erwärmt
sich hierdurch und wird verformt, wie in der Figur 4 strichliert dargestellt ist.
Dabei schiebt sich der Zwischenhebel 52 hin zum Bewegungsbereich des Auslösestiftes
87, der aber das Schaltschloß noch nicht auslöst. Diese Öffnungsbewegung unterstützt
den Leitungsschutzschalter 16 beim Öffnen strombegrenzend, wenn ein Kurzschluß im
Bereich zwischen dem Leitungsschutzschalter 16 und dem Verbraucher 10 entsteht.
In diesem Falle schaltet der Leitungsschutzschalter 16 ab und wenn der Kontakthebel
66
wieder schließt, passiert nichts weiter, da der Kurzschluß vom Leitungsschutzschalter
16 abgeschaltet ist.
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In dem Falle aber, wenn ein Kurzschluß zwischen dem Leitungsschutzschalter
24 und der Verzweigungsstelle 30 liegt, steht der Kurzschluß noch zwischen den Klemmen
106 und 68 an, so daß bei einem Einschalten auf den Kurzschluß eingeschaltet wird
und der Schlaganker sofort wieder anzieht.
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Der Zwischenhebel 52, der in diesem Falle nicht die Zeit hat, sich
wieder zurückzubewegen, weil das Thermobimetall 94 noch erwärmt und ausgebogen ist,
bewegt sich aufgrund der weiteren Ausbiegung des Thermobimetalls in den Bewegungsbereich
des Schlagankers 86, welcher nun mit seinem Ende 87 auf den Hebel 52 einschlägt
und diesen in Pfeilrichtung F verdreht, wodurch der Übertragungshebel 110 im Uhrzeigersinn
verdreht wird. Durch den Übertragungshebel 110 wird das Schaltschloß 56 ausgelöst,
so daß der Kontakthebel 66 in ausgeschalteter Stellung verbleibt, und die Hilfstrennstelle
104 geöffnet wird. Eine Auslösung bei erstmaligem Öffnen des Kontakthebels durch
den Schlaganker erfolgt nicht; dementsprechend ist auch das Schaltschloß ausgebildet.
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Das Nebenschlußbimetall ist niederohmig ausgelegt, damit es durch
den Schaltlichtbogenspannungsimpuls ausreichend aufgeheizt wird. Andererseits muß
es so ausgelegt sein, daß es unter keinen Kurzschlußbedingungen und dadurch zerstört
werden kann.
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Zur Erweiterung des Arbeitsbereiches der Schaltungsanordnung gemäß
der Figur 4 können zusätzliche Anordnungen nach Figur 6 vorgesehen sein, in dem
man in Reihe mit dem thermischen Element 48 bzw. dem Thermoelement 94 einen PTC-Widerstand
120 vorsieht; bei Aufheizung des PTC-Widerstandes 120 erhöht sich dessen Widerstand,
so daß der Strom durch das Thermobimetall 94 bzw. 48 begrenzt wird, damit das Thermobimetall
nicht überlastet wird. In der
Figur 6b ist eine Anordnung dargestellt,
mit der das Thermobimetall kurzgeschlossen werden kann; zu diesem Zwecke besitzt
es ein Kontaktstück 122 am freien Ende, welches bei Ausbiegung mit einem festen
Kontaktstück 124 in Verbindung gelangt. Dann fließt der Strom nicht mehr über das
Thermobimetall, sondern parallel hierzu durch einen Parallelzweig 126, wodurch sich
das Thermobimetall 94 selbst vor Überlastung schützt.
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In der Figur 5 ist das Ersatzschaltbild des Schalters nach der Figur
4 dargestellt. Man erkennt das Thermobimetall 94, das Schlagankersystem 80 und die
Trennstelle 42.
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Man erkennt ferner in Reihe mit dem Thermobimetall 94 die Trennstelle
104. Bei Auftreten eines Kurzschlusses öffnet sich die Trennstelle 42 aufgrund der
Bewegung des Schlagankersystemes 80. Der bei Öffnung der Trennstelle 42 aufgrund
des Lichtbogens (vergl. in der Figur 4 Bezugsziffer 79) entstehende Spannungsabfall
zuzüglich dem Spannungsabfall, der in den einzelnen elektrischen Leitungen vorhanden
ist, wird mit UB bezeichnet. Dieser Spannungsabfall UB erzeugt einen Stromflu durch
das Thermobimetall 94 und dadurch eine Erwärmung des Thermobimetalls, wodurch eine
Ausbiegung erzeugt wird, die den Zwischenhebel 52 in den Bewegungsbereich des Schlagankers
schiebt. Durch die Öffnung der Trennstelle 42 wird gewährleistet, daß bei vollständiger
Stromkommutation in den Nebenzweig der Schlaganker 86 kraftlos wird, zurückfährt
und dadurch den Hauptweg über die geschlossene Trennstelle 42 wieder einschaltet,
wodurch der Nebenweg bzw.
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der Parallelzweig durch kurzschließen geschützt ist.
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Es ist in der oben genannten Beschreibung dargestellt worden, daß
der Hauptleitungsschutzschalter gemäß der Figur 4 ein Öffnen der Trennstelle, ein
Schließen und zur Selektivität ein nochmaliges Öffnen und Auslösen ausführt. Dies
wird durch eine geeignete Auslegung des
Thermobimetalles 94 bewirkt.
Wenn der Hauptleitungsschutzschalter in der Hierarchie näher an der Einspeisestelle
angeordnet ist, wobei zwischen dem Hauptleitungsschutzschalter und den einzelnen
Verbraucherschalter ein weiterer vorgeordneter Leitungsschutzschalter vorgesehen
ist, dann muß das Thermobimetall so ausgelegt sein, daß erst nach zweimaligem Öffnen
ein Auslösen erfolgt. Man kann das Thermobimetall dann so auslegen, daß ein Auslösen
des-Schaltschlosses 56 und damit des Schalters erst nach nochmaligen Kurzunterbrechungen
erfolgt; dies hängt davon ab, an welcher Stelle dieser Schalter eingesetzt werden
soll.
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Es soll nicht unerwähnt bleiben, daß auch ein Schlaganker Verwendung
finden kann, wie er in der parallel angemeldeten Patentanmeldung P (Mp.-Nr. 646/78)
eingesetzt ist. Dann allerdings fällt das Thermobimetall weg und der Schlaganker
bzw. das Schlagankersystem übernimmt die Aufgabe des Thermobimetalles. In dieser
parallel laufenden Anmeldung ist auch beschrieben worden, wie die Verbindung zwischen
dem Thermobimetall 94 und dem Zwischenhebel 52 erfolgen kann. Der Zwischenhebel
52 muß natürlich gegenüber dem Thermobimetall verdrehbar sein, derart, daß im Ruhezustand
zwischen dem Zwischenhebel und dem Thermobimetall ein rechter Winkel gebildet ist,
daß aber bei einer Ausbiegung des Bimetalls bei einer Einwirkung des Schlagankers
auf den Zwischenhebel eine Verdrehung zwischen dem Thermobimetall und dem Zwischenhebel
möglich ist.
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