DE2946455A1 - Thermischer ueberstrom- und kurzschlussausloeser fuer selbstschalter - Google Patents

Thermischer ueberstrom- und kurzschlussausloeser fuer selbstschalter

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DE2946455A1
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strip
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Lutz Dr. Baden Niemeyer
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BBC Brown Boveri AG Germany
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10Operating or release mechanisms
    • H01H71/12Automatic release mechanisms with or without manual release
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    • H01H71/00Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
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    • H01H71/12Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/42Induction-motor, induced-current, or electrodynamic release mechanisms
    • H01H71/43Electrodynamic release mechanisms

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  • Breakers (AREA)
  • Thermally Actuated Switches (AREA)

Description

  • Thermischer Überstrom- und Kurzschlußauslöser für Selbstschalter
  • -Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Installationsgerät mit thermischem Überstromauslöser, insbesondere Leitungsschutzschalter, dessen thermischer Überstromauslöser ein den Ausschaltungsvorgang auslösendes Auslöseelement aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt besitzt.
  • Konventionelle Schalter dieser Art enthalten als Auslöseelement einen Bimetallstreifen, der sich als Folge der bei Stromdurchfluß entstehenden Jouleschen Wärme auslenkt und bei Überschreitung eines vorher bestimmten Maximalstromwertes die Schaltfunktion auslöst. Wie schon in der DE-OS 2 724 255 erläutert, sind Bimetallstreifen zur Sicherung gegen stoßartig zunehmende Stromüberlastung, z.B. für Kurzschlußsicherungen, meist nicht geeignet, so daß für eine solche Schaltfunktion andere stromdurchflossene Elemente, wie elektromagnetisch auslösbare Schalter oder Schmelzsicherungen, nötig sind.
  • Wie in der oben genannten DE-OS 2 724 255 ausgeführt, kann zur Sicherung gegen stoßartig zunehmende Stromüberlastung auch anstelle des hier ungeeigneten Bimetallstreifens ein Element aus Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt verwendet werden.
  • Solch eine Legierung wird bei tiefen Temperaturen über eine kritische Dehnungsgrenze irreversibel verformt ("gespannt").
  • Bei Erwärmung über eine kritische Temperatur nimmt das Material sprungartig wieder nahezu seine ursprüngliche Form an. Bei erneuter Abkühlung wird der verformte Zustand teilweise zurückgewonnen. Bei nachfolsenden thermischen Zyklen durchläuft der Verformungsgrad in Abhängigkeit von der Temperatur eine Hystereseschleife. Man nimmt an, daß dieser bei verschiedenen Legierungen auftretender Effekt auf einer bestimmten Art von Phasenumwandlung (Martensitumwandlung) beruht. Martensit wird als Niedrigtemperaturphase angesehen, die durch Abkühlen einer Hochtemperaturphase (Austenit) mittels eines Scherungsprozesses erzeugt wird.
  • Der Wert der kritischen Temperatur läßt sich durch eine extern erzeugte Verspannung des Materials heraufsetzen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Installaticnsgerät der eingangs genannten Art insbesondere dahingehend zu verbessern, daß das thermische Auslöseelement so ausgelegt ist, daß seine Wärmeentwicklung bei Dauerstrom so klein wie möglich gehalten wird und daß eine gute Wärmeableitung gewährleistet wird, die es erlaubt, einen hohen Dauerstrom zu führen, ohne daß es zum Ansprechen des Elements kommt.
  • Andererseits ist jedoch wegen der guten Kühlung ein relativ kleiner Leiterquerschnitt des Elements möglich, der bei Überstrom- und Kurzschlußstrombelastung zu einem schnellen Ansprechen des Elements führt und damit die Verwendung eines weiteren, schnelleren Kurzschlußstromauslösers erübrigt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Auslöseelement, das aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt besteht, als einseitig eingespannter Streifen mit mindestens einer Verengung in seinem mittleren Bereich ausgebildet ist.
  • Diese Verengung kann dadurch gebildet sein, daß sich am Auslöseelement eine oder mehrere Ausnehmungen, Bohrungen oder Einkerbungen auf wenigstens einer Seite befinden.
  • Fließt durch das Auslöseelement ein Kurzschluß- oder Überstrom, so erwärmt sich das Auslöseelement aufgrund des Jouleschen Gesetzes insbesondere im Bereich der Verengung.
  • Die Verengung des Auslöseelementes wird derart ausgelegt, daß bei vorgegebenem Kurzschluß- oder Überstromwert die Temperatur im Bereich der Verengung den martensitischen Umwandlungspunkt überschreitet. Dies führt zur Auslenkung des Auslöseelementes, welches die Auslösung einer Schaltfunktion bewirkt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann darin bestehen, daßv!an dem freien Ende des Auslöseelementes ein Metallstreifen großer Biegefestigkeit durch Nieten, Klammerung, Schweissen, bimetallartig o.ä. befestigt ist, dessen freies Ende das Auslöseelement überragt und zur Auslösung des Schaltvorganges dient, wobei die kleine Verformung des Auslöseelementes den gewünschten Auslösehub am freien Ende des Metallstreifens bewirkt.
  • Dieser Metallstreifen kann außerdem eine einwandfreie Positionierung des in unverformten Zustand relativ weichen Auslöseelementes gewährleisten.
  • Die Umwandlungstemperatur der thermisch reversiblen Form- gedächtnisänderung kann mit Hilfe einer von außen einwirkenden Kraft in Richtung zu höheren Temperaturen verschoben werden, wobei die erforderliche Kraft von der jeweils verwendeten Legierungszusammensetzung, der thermischen und mechanischen Vorbehandlung bzw. den Abmessunaen des aus der Formgedächtnislegierung hergestellten Auslöseselementes abhängt.
  • Daher kann eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung darin bestehen, daß das Auslöseelement durch eine Spannvorrichtung, insbesondere Zug-, Druck- oder Blattfeder, so verspannt wird, daß damit eine geeignete Ansprechtemperatur des den Schaltvorgang auslösenden Auslöseelementes festgelegt ist.
  • Die Spannvorrichtung kann am Auslöseelement selbst oder an der mit diesem verbundenen Metallstreifen angreifen.
  • Sofern der Metallstreifen als vorgespannte Blattfeder ausgebildet ist, dient er als Spannvorrichtung für das Auslöseelement und legt die Ansprechtemperatur des Auslöseelementes fest.
  • Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung lassen sich die Stromzuleitungen zum Auslöseelement so anordnen, daß die Auslenkung des beweglichen Teils des Auslöseelementes infolge der elektromagnetischen Kraft eines Kurzschluß- oder Überstromes bei antiparallelem Stromdurchfluß durch eine der Stromzuleitungen und durch das Auslöseelement unterstützt wird. Diese Unterstützung der Auslenkung beschleunigt das Auslösen des Auslösemechanismus.
  • Das mit der Erfindung verbesserte elektrische Installationsgerät hat den Vorteil, daß seine Auslösekennlinie bis in den Kurzschlußstrombereich einen sicherungsähnlichen Verlauf zeigt. Damit wird insbesondere seine Selektivität bei hintereinandergeschalteten Geräten erhöht.
  • Die Auslösung kann, wie oben angeführt, bei hohen urzschlußströmcn durch Anordnung eines dynamischen Stromrückleiters in der Nähe des Auslöseelementes beschleunigt werden.
  • Bei kleinen Uberströme!l wird wegen des kleinen beheizten Bereiches be1 der Verengung nur eine geringe Wärmemenge produziert. Damit bleibt einerseits die Beeinflußung des Auslöseverhaltens benachbarter Geräte klein, andererseits kann die geringe Wärmemenge nach der Stromunterbrechung schnell abgefuhrt werden, so daß das Auslöseelement nach Unterschreiten der Ansprechtemperatur sich rasch wieder in seine Bereitschaftstellung zurückbewegt.
  • Weitere Vorteile der Erfindung sind in der einfachen Form und dem einfachen Aufbau des Auslöseelementes und in der Einstellbarkeit der Ansprechtemreratur durch eine Spannvorrichtung zu sehen.
  • Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
  • Es zeigt Fig. 1 eine Ansicht eines Leistungsschalters in ausgeschaltetem Zustand mit der Anordnung der einzelnen Bauteile innerhalb des Schaltergehäuses, Fig. 2 eine Ansicht des Auslöseelementes mit dahinterliegendem Metallstreifen, Fig. 3 eine weitere Ansicht gemäß Fig. 2, Fig. 4 eine Seitenansicht des Auslöseelementes mit parallel angeordnetem Metallstreifen und einer Spannvorrichtung und Fig. 5 eine Seitenansicht des Auslöseelementes mit Stromzuführungen und parallel zum Auslöseelement angeordnetem Metallstreifen.
  • Die einzelnen Bauelemente des ieitungsschutzschalters sind entsprechend Fig. 1 in einem kastenförmlgen Schaltergehäuse 11 angeordnet. In dem Strompfad sind nacheinander eine erste Anschlußklernmplatte 12, ein ortsfestes Kontaktstück 13, ein in geöffnetem Zustand dargestelltes bewegliches Kontaktstück 14, eine nicht dargestellte elektrische Verbindungsleitung, ein elektromagnetischer Auslöser 15, eine weitere elektrische Verbindungsleitung 16, eine Einspannung 17, ein Auslöseelement 18, eine flexible Anschlußleitung 19, eine Stromzuleitung 20 und eine zweite Anschlußklammplatte 21 angeordnet.
  • Als Auslöseelement 18 wird ein Streifen einer Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt verwendet. Dieser ist zusammen mit einem Metallstreifen 22, der mit dem Auslöselemnt 18 durch Nieten verbunden ist, in einer Einspannung 17 eingespannt.
  • Erfindungsgemäß befindet sich im mittleren Bereich des Auslöseelementes 18 eine Verengung 23, die mit Einkerbungen 25, 26, wie in Fig. 3 dargestelit, ausgebildet ist. Der Metallstreifen 22 ist mit einer korrespondierenden Verengung 24 versehen. Der Metallstreifen 22 sorgt für eine einwandfreie Positionierung des Auslöseelementes 18 und übersetzt relativ kleine Deformationen an der Verengung 23 auf den gewünschten Auslösehub am Ort des Auslösehebels 27.
  • Bei Überstrom oder Kurzschlußstrom erhöht sich die Temperatur des Auslöseelementes 18 besoonders im Bereich der Verengung 23 durch Joulesche Wärme und übersteigt den martensitischen Umwandlungspunkt, so daß das Auslöseelement 18 im Bereich der Verengung 23 zumindestens teilweise in den austenitischen Gedächtnisformzustand übergeht und sich verformt, demzufolge eine Auslenkung des oberen Teils des Auslöseelementes 18 nach rechts eintritt. Die Auslenkung wird mit dem Metallstreifen 22 auf die Stellschraube 28 übertragen, welche sich gegen den Auslösehebel 27 zur Auslösung des Schaltwerkes bewegt. Dies führt zur Trennung des beweglichen Kontaktstückes 14 vom ortsfesten Kontaktstück 13 und damit zum Öffnen des Schalters.
  • Nachdem das Auslöseelement 18 nicht mehr von dem Überstrom oder Kurzschlußstrom durchflossen wird, kühlt es sich unter dem martensitischen Umwandlungspunkt ab und nimmt die ursprüngliche Gestalt an. Die Stellschraube 28 wandert wieder nach links in die ursprüngliche, in der Fig. 1 dargestellte Position und der Leitungsschutzschalter kann wieder mit dem Kipphebel 29 manuell eingestellt werden.
  • In Fig. 2und Fig. 3 ist ein Auslöseelement 18, 118 erkennbar, das mit seinem einen Ende in der Einspannung 17 eingespannt ist und an dessem anderen Ende eine nur teilweise dargestellte flexible elektrische Anschlußleitung 19 befestigt ist. Über das Auslöseelement 18, 118 ragt im oberen Teil ein Teil des dahinterliegenden Metallstreifens 22 mit der Stellschraube 28 hinaus. Sowohl das Auslöseelement 18, 118 als auch der Metallstreifen 22 enthalten korrespondierende Verengungen 23, 24, 123, 124, die der Fig. 2 zufolge als zwei Bohrungen 30, 31 und der Fig. 3 zufolge als zwei halbkreisförmige Einkerbungen 25, 26 ausgebildet sind.
  • In Fig. 4 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Im oberen Bereich des Metallstreifens 22, der mit dem Auslöseelement 18 verbunden ist, ist das eine Ende einer Spannvorrichtung 32 befestigt. Das andere Ende der Spannvorrichtung 32 ist mit einer ortsfesten Befestigung 33 verbunden.
  • Diese Spannvorrichtung 32 dient der Festlegung der Schalttemperatur, d.h. der Temperatur, bei der der martensitische Umwandlungspunkt im Bereich der Verengung 23 des Auslöseelementes 18 durch Joulesche Wärme überschritten wird. Bei Verwendung einer Zugfeder als Spannvorrichtung 32 kann die Schalttemperatur heraufgesetzt werden.
  • Die Fig. 5 zeigt eine Anordnung der Stromzuführung des Auslöseelementes 18, bei der die Auslenkung des beweglichen Teiles des Auslöseelementes 18 durch elektromagnetische Stromkraft K unterstützt wird. Bei Stromdurchfluß greift dyn an dem beweglichen Teil des Auslöseelementes 18 durch die antiparallele Strombahn i, die durch das Auslöseelement 18 und die ortsfeste Stromzuleitung 120 gebildet wird, eine nach rechts gerichtete elektrodynamische Stromkraft K an. Bei dyn hohen Kurzschlußströmen wird die Auslenkbewegung des Auslöseelementes 18 durch die Stromkraft Kdyn zusätzlich beschleunigt; dadurch verkürzt sich die Auslösezeit.

Claims (13)

  1. Ansprüche ( l.)Elektrisches Installationsgerät mit thermischem Überomauslöser, insbesondere Leitungsschutzschalter, dessen thermischer Überstromauslöser ein den Ausschaltungsvorgang auslösendes Auslöseelement aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiweg-Effekt besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslöseelement (18) als einseitig eingespannter Streifen mit mindestens einer Verengung (23) in seinem mittleren Bereich ausgebildet ist.
  2. 2. Installationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Verengung (23) kurz im Vergleich zur Länge des Auslöseelementes (18) ist.
  3. 3. Installationsgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Verengung (23) durch je mindestens eine Ausnehmung insbesondere Bohrung (30,31) gebildet wird.
  4. 4. Installationsgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Verengung (23) durch je wenigstens eine Einkerbung (25,26) auf wenigstens einei Seite des Auslöseelementes (18) gebildet wird.
  5. 5. Installationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem freien Ende des Auslöseelementes (18) ein Metallstreifen (22) großer Biegefestigkeit durch Nieten, Klammerung, Schweißen oder ähnliches befestigt ist, dessen freies Ende das Auslöseelement (18) überragt und zur Auslösung des Schaltvorganges dient, wobei die kleine Verformung des Auslöseelementes (18) den Auslösehub am freien Ende des Metallstreifens (22) bewirkt.
  6. 6. Installationsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstreifen (22) so ausgelegt ist, daß er eine einwandfreie Positionierung des Auslöseelementes (18) gewährleistet.
  7. 7. Installationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß d s Auslöseelement (18) durch eine Spannvorrichtung (32) so vorgespannt wird, daß damit eine geeignete Ansprechtemperatur des den Schaltvorgang auslösenden Auslöseelementes (18) festgelegt ist.
  8. 8. Installltionsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannvorrichtung (32) eine Feder vorgesehen ist.
  9. 9. Installationsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannvorrichtung (32) eine Blattfeder vorgesehen ist, die an dem gleichen Ende wie das Auslöseelement (18) eingespannt ist.
  10. lO.Installationsgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (32) am Auslöseelement (18) angreift.
  11. 11. Installationsgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (32) an dem Metallstreifen (22) angreift und eine Kraft über den Metallstreifen (22) auf das den Schaltvorgang auslösende Auslöseelement 418) ausübt.
  12. 12. Installationsgerät nach den Ansprüchen 5 und 7 oder 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstreifen (22) als vorgespannte Blattfeder ausgebildet ist und dadurch selbst als Spannvorrichtung (32) dient, und daß der Metallstreifen (22) am gleichen Ende wie das Auslöseelement (18) eingespannt ist.
  13. 13. Installationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Auslöseelementes (18) ein dynamischer Stromrückleiter vorgesehen ist, der bei hohen Kurzschlußströmen die Auslenkbewegung des Auslöseelementes (18) beschleunigt.
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