DE3607052A1 - Elektrisches schaltgeraet - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät, nämlich insbesondere einen mit strombegrenzender Wirkung
abschaltenden Schutzschalter mit einer Lichtbogenlöscheinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In den letzten Jahren sind strombegrenzend wirkende Schutzschalter erfolgreich eingesetzt worden, um beim
Auftreten von Fehlerstrom- und Kurzschlußzuständen die Spitzenströme (I ) und die thermischen Energien (I t),
welche die nachgeschalteten elektrischen Einrichtungen erreichen, auf tolerierbare Werte zu reduzieren. Die
mechanischen und magnetischen Kräfte, denen die nachgeschalteten elektrischen Einrichtungen unter dem Einfluß solcher überströme
2 ausgesetzt sind, sind dem Quadrat des Spitzenstromes (I )
proportional, während die thermische Energie dem Energie-
2
durchsatz (I t) proportional ist. Strombegrenzend wirkende Schutzschalter eignen sich für den Einsatz in Maschinensteueranlagen und Motorschutzschaltungen ebenso wie in Energieverteilungssystemen .
durchsatz (I t) proportional ist. Strombegrenzend wirkende Schutzschalter eignen sich für den Einsatz in Maschinensteueranlagen und Motorschutzschaltungen ebenso wie in Energieverteilungssystemen .
Zwei Hauptfaktoren bestimmen die Wirksamkeit eines Schutzschalters hinsichtlich der Strombegrenzung, nämlich
einerseits die Schnelligkeit der Kontakttrennung nach dem Beginn eines Fehler- oder Kurzschlußstroms, und andererseits
die Schnelligkeit des Impedanzaufbaus des zwischen den sich trennenden Kontakten gezogenen Lichtbogens. Ein steiler
Anstieg der Lichtbogenspannung, wie er für eine wirksame Strombegrenzung erforderlich ist, wird durch schnelles
Wegblasen des Lichtbogens von den sich trennenden Kontakten und Strecken des Lichtbogens erreicht werden, bis er in
eine Lichtbogenlöscheinrichtung eintritt, um dort weiter gestreckt, in eine Mehrzahl serieller, verhältnismäßig
kurzer Lichtbogen aufgeteilt und schließlich gelöscht zu werden, wie an sich bekannt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgerät der eingangs genannten Gattung im Hinblick auf eine
Verbesserung der Lichtbogenbeeinflussung im eben genannten Sinne auszubilden, um so insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich,
den Bau miniaturisierter Hochleistungs-Schutzschalter zu begünstigen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Schaltgerät gelöst.
25
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Schaltgerät
nach der Erfindung längs der Linie I-I
in Fig. 2 bei geschlossenen Schalt
kontakten,
Fig. 2 eine Draufsicht des Schaltgeräts,
Fig. 3 einen Schnitt durch das Schaltgerät
ähnlich Fig. 1 bei geöffneten Schaltkontakten,
. Fig. 4 in größerem Maßstab einen bistabilen
Kniehebelmechanismus des Schaltgeräts in der Kontaktschließstellung,
Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 4 des
Kniehebelmechanismus in der Kontaktöffnungsstellung
,
Fig. 6 den bistabilen Kniehebelmechanismus
während des Kontaktöffnungsvorgangs,
Fig. 7 den bistabilen Kniehebelmechanismus
während des Kontaktschließvorgangs,
Fig. 8 eine Schnittdarstellung ähnlich Fig.
durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9 in isometrischer Darstellung zwei
in Reihe geschaltet Ausblasspulen, und
Fig. 10 in isometrischer Darstellung zwei
parallel geschaltete Ausblasspulen. '
Der in Fig. 1 dargestellte und allgemein mit 11 bezeichnete Schutzschalter weist ein Gehäuse 13 und darin
untergebracht einen Schaltmechanismus 15 mit einem feststehenden Schaltkontakt 17 und einem beweglichen Schaltkontakt
19, Mitteln zum Betätigen des beweglichen Schaltkontakts einschließlich eines Handgriffs 21, einem
strombegrenzenden elektromagnetischen Mechanismus 23, einem Elektromagneten 25 und einem Bimetallstreifen 93 auf.
Weiter enthält der Schutzschalter 11 eine Lichtbogenlöscheinrichtung
27 und eine Ausblasspule 29.
Das Gehäuse 13 besteht aus einem Gehäusekörper 31 und einem abnehmbaren Deckel 33 (Fig. 2), die beide aus elektrisch
isolierendem Werkstoff bestehen, beispielsweise aus Epoxyharz oder aus thermoplastischem Material. Am Gehäusekörper
31 sind ein Netzanschluß 35 und ein Lastanschluß 37 montiert.
Der Schaltmechanismus 15 weist einen Freigabemechanismus und einen bistabilen Kniehebelmechanismus 41 auf. Der Freigabemechanismus
39 enthält einen Betätigungshebel 43 und einen Auslösehebel 45, die beide sichtbar auf einem Stift 47
montiert sind. Der Auslösehebel 45 sitzt in einer Ausnehmung des Betätigungshebels 43, in welcher er mittels einer
Vorspannfeder 49 (Fig. 1) gehalten wird. Vom Handgriff 21 ragt ein Drahtbügel 51 zum oberen Ende des Auslösehebels 45
hin.
Weiter weist der Schaltmechanismus 15 einen Hilfhebel auf, der bei 55 kippbar gelagert ist und eine Klinke 57
trägt, die ihrerseits drehbar bei 59 am oberen Ende des Hilfshebels montiert ist. Dieser Hilfshebel 53 wirkt mit
dem Freigabemechanismus so zusammen, daß er ein Schließen der Schaltkontakte 17 und 19 verhindert, solange der
Handgriff 21 in seiner Aus- bzw. Auslösestellung (Fig. 3) steht, wie nachstehend noch mehr im einzelnen beschrieben
wird.
Der bistabile Kniehebelmechanismus 41 (Fig. 4) umfaßt einen auf einem Stift 63 drehbar gelagerten Hebel 61, eine
federbelastete Klinke 65, die bei 67 gelenkig an dem Hebel 61 angeordnet ist, und eine Spannfeder 69. Ein
Lenker 71 ist einerseits bei 101 gelenkig mit dem beweglichen Schaltkontakt 19 und andererseits bei 73
gelenkig mit dem Hebel 61 verbunden. Der Hebel 61, der als etwa birnenförmige Platte ausgebildet ist, weist zwei
seitliche Flansche 75 und 77 auf, die zwischen ihren freien Enden einen Spalt 79 bilden. Die Spannfeder 69 ist mit
ihrem einen Ende an einen Stift 81 der Klinke 65 befestigt und verläuft von da aus durch den Spalt 79 hindurch zu
einer Stelle 83 des Gehäusekörpers 31 unterhalb des Lastanschlusses 37 (Fig. 1), wo die Feder festgelegt ist.
Befindet sich der bewegliche Schaltkontakt 19 in seiner Schließstellung, ist der Hebel 61 so orientiert daß der
Spalt 79 sich oberhalb einer gedachten Linie 85 zwischen dem Stift 63 und der ortfesten Stelle 83 befindet, so daß
die Spannfeder 69 die Klinke 65 in einer neben dem Flansch 75 liegenden Position hält, wie aus Fig. 4 ersichtlich
ist. Wenn andererseits die Schaltkontakte geöffnet sind, befindet sich der Hebel 61 in einer solchen Position, daß
der Spalt 79 sich nunmehr unterhalb der gedachten Linie befindet, so daß die Spannfeder 69 die Klinke 65 nunmehr
in einer neben dem Flansch 77 befindlichen Position hält, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist.
Der bewegliche Schaltkontakt 19 ist kippbar in eine öffnung 87 in einer Lichtbogenleitschiene 89 eingesetzt.
Das obere Ende des beweglichen Schaltkontakts 19 ist mir einem flexiblen Leiter 91 verbunden, der seinerseits mit dem oberen
Ende des Bimetallstreifens 19 verbunden ist. Auf den beweglichen Schaltkontakt 19 wirkt eine Federanordnung 95
ein, die eine Schraubenfeder 97 und ein Hebelglied 99 in Form eines Federführungsbügels (Fig. 1) aufweist. Das
Hebelglied 99 ist mit seinem unteren Ende bei 101 gelenkig mit dem beweglichen Schaltkontakt 19 verbunden und mit
seinem oberen Ende an einem Nasenteil 141 des Betätigungshebeis
43 zwischen diesem Betätigungshebel und der Klinke des Hilfshebels 53 abgestützt. Die Federanordnung 95 und
.9
der bewegliche Schaltkontakt bilden zusammen einen Kniehebelmechanismus
zum sprungwerkartigen Bewegen des beweglichen Schaltkontaktes 19 zwischen seiner Schließstellung
(Fig. 1) und seiner Offenstellung (Fig. 3), wobei die Gelenkverbindung 101 das Kniegelenk bildet, das sich
während der Unischaltbewegung jeweils von einer Seite zur
anderen Seite einer Neutrallinie zwischen der öffnung 87 und dem oberen Ende der Feder 97 bewegt.
Das öffnen und Schließen der beiden Schaltkontakte und 19 erfolgt entweder von Hand mittels des Handgriffs
oder automatisch durch den Bimetallstreifen 93 oder die elektromagnetische Auslöseeinrichtung 23 beim Ansprechen
auf einen überstrom. Wenn der Bimetallstreifen 93 durch einen andauernden, darüber hinwegfließenden überstrom
erwärmt wird, biegt er sich nach rechts aus (sein unteres Ende ist mit einem Leiter 105 verbunden) und betätigt
dadurch den Auslösehebel 45 über ein Kuppelglied 103, wodurch der Betätigungshebel 45 unter dem Einfluß der Feder 97 im
Gegenuhrzeigersinn geschwenkt wird und sein unterer Endteil den beweglichen Schaltkontakt 19 vom feststehenden Schaltkontakt
17 (Fig. 3) wegdrückt. Gleichzeitig damit schwenkt der Auslösehebel 45 ebenfalls im Gegenuhrzeigersinn und die
Feder 107 wirkt über den Drahtbügel 51 auf den Handgriff ein, um diesen in seine Aus-Stellung zu schwenken, wobei
diese Feder 107 den Drahtbügel in der kerbenartigen Ausnehmung zwischen den Hebeln 43 und 45 im Eingriff hält.
Die elektromagnetische Auslöseeinrichtung 23 weist eine Spule 115 und einen Anker 117 auf, die beide an einem im
Gehäusekörper 31 montierten Rahmen 109 gehaltert sind. Beim Auftreten eines Fehler- oder Kurzschlußstroms schlägt der
Anker 117 auf den Auslösehebel 45 auf, um ihn zu betätigen und dadurch den Betätigungshebel 43 zur Herbeiführung des
Kontaktöffnungsvorgangs in der oben beschriebenen Weise freizugeben.
Bei geschlossenen Schaltkontakten 17 und 19 verläuft der vollständige Stromkreis durch den Schutzschalter 11 vom
Netzanschluß 35 über die Ausblasspule 29, die Spule 115,
den Leiter 119 mit dem feststehenden Schaltkontakt 17, den
beweglichen Schaltkontakt 19, den flexiblen Leiter 91, den Bimetallstreifen 93 und den Leiter 105 zum Lastanschluß
Zusätzlich zum Handgriff 21, der strombegrenzend öffnenden elektromagnetischen Auslöseeinrichtung 23 und der thermischen
Auslöseeinrichtung mit dem Bimetallstreifen 93 weist das Schaltgerät Mittel auf, zu denen der Elektromagnet 25 und
der bistabile Kniehebelmechanismus 41 gehören, die einen Einsatz des Schaltgeräts als mittels an den Elektromagneten
anzulegenden Stromimpulsen ferngesteuert schaltbaren Schalter ermöglichen und ihn daher zum Einsatz in Energieverteilungsanlagen,
Schaltanlagen und anderen fernsteuerbaren Schaltsystemen geeignet machen.
Der Elektromagnet 25 weist eine Spule 127 und einen
Tauchkern 129 auf, der mit einem Hebel 1 31 verbunden ist.
Wird der Elektromagnet 25 durch Anlegen eines Stromimpulses
erregt, wird der Tauchkern 129 in die Spule 127 hineingezogen und schwenkt dadurch den Hebel 131 um einen Drehpunkt
133 aus der in Fig. 6 gestrichelt dargestellten Position in die mit Vollinien dargestellte Position. Während
dieser Bewegung schlägt der Hebel 131 auf die Klinke 65 auf und dreht den Hebel 61 im Uhrzeigersinn um den Stift 63 in
die gestrichelt dargestellte Position (Fig. 4 und 5), wodurch das Kuppelglied 71 den beweglichen Schaltkontakt 19 vom
feststehenden Schaltkontakt 17 wegzieht. Wenn der Stromimpuls aufhört, stellt eine Torsionsfeder 135 den Tauchkern 129
und den Hebel 131 in ihre Anfangsstellung zurück, wie in Fig. 6 gestrichelt dargestellt ist. Bei der oben erläuterten
Drehung des Hebels 61 im Uhrzeigersinn bewegt sich der Spalt 79 zwischen seinen Flanschen 75 und 77 nach unterhalb
der Linie 85 und verändert dadurch den Verlauf der Feder 69
derart, daß bei Rückstellung des Hebels 131 in seine
Ausgangsstellung die Feder 69 die Klinke 65 im Gegenuhrzeigersinn schwenkt, so daß sie entlang einer bogenförmigen
Kantenfläche 137 des Hebels 131 abwärts gleitet und die in
Fig. 3 dargestellte Position einnimmt. Beim nächsten Anlegen eines Stromimpulses an den Elektromagneten 25 wird der
Hebel 131 wiederum gegen die Klinke 65 geschwenkt, wobei
aber wegen der nun anderen Winkelstellung der Klinke 65 (siehe Fig. 5) der Hebel 61 nunmehr im Gegenuhrzeigersinn
gedreht wird und den beweglichen Schaltkontakt wieder gegen den feststehenden Schaltkontakt 17 drückt. Während dieser
Drehung des Hebels 61 im Gegenuhrzeigersinn bewegt sich der Spalt 79 nach oberhalb der Linie 85 (Fig. 7), so daß die
Feder 69 beim Rückstellen des Hebels 131 in seine Ausgangsr stellung im Gegenuhrzeigersinn in seine obere Position
(Fig. 4) schwenkt.
Die Betriebsfähigkeit des bistabilen Kniehebelmechanismus 41 im Sinne einer Kontaktschließung hängt von
der Betriebsstellung des Handgriffs 21 ab. Befindet sich der Handgriff in seiner Ein-Stellung (Fig. 1), ist eine
Fernbetätigung des Schaltgeräts durch Ansteuern des Elektromagneten 25 möglich. Sind die Schaltkontakte geöffnet und
befindet sich der Handgriff jedoch in seiner Aus-Stellung (Fig. 3), können die Schaltkontakte durch Ansteuern des
Elektromagneten 25 nicht geschlossen werden.
Befindet sich der Handgriff 21 in seiner Aus-Stellung und wird das Schließen der Schaltkontakte durch Ansteuern
der Elektromagnetspule 127 versucht, wird dies dadurch verhindert, daß der Betätigungshebel 43 mit seinem unteren
Endteil 113 direkt am beweglichen Schaltkontakt 19 angreift
(Fig. 3) und gleichzeitig die Klinke 57 mittels einer Torsionsfeder 139 in eine Position vorgespannt ist, in welcher
sie eine Drehung des Hebels 43 im Uhrzeigersinn sperrt.
Wenn danach der Handgriff 21 in seine Ein-Stellung
bewegt wird, dreht der Bügel 51 den Hebel 43 im Uhrzeigersinn, wodurch dessen Teil 141 die Feder 97 zusammendrückt und,
indem er die Klinke 57 entgegen der Wirkung der Feder aus seinem Weg wegdrückt, sich unter diese schiebt. Diese
Drehung des Hebels 43 im Uhrzeigersinn hat zur Folge, daß sein unterer Endteil 113 sich vom beweglichen Schaltkontakt
wegbewegt und dadurch die Möglichkeit schafft, daß der bewegliche Schaltkontakt 19 durch Ansteuerung des Elektromagneten
25 wieder im Sinne einer Kontaktschließung betätigt v/erden kann.
Beim öffnen der Schaltkontakte 1 7 und 19 wandert ein
während der Kontakttrennung etwa zwischen ihnen gezogener Lichtbogen 121 (Fig. 3) von seiner Entstehungsstelle aus
entlang der Schaltkontakte 17 und 19 nach unten auf die Leitschienen 89 und 123 und in die Lichtbogenlöscheinrichtung
27 hinein, wobei der Lichtbogen während dieser Wanderung gestreckt wird, wie bei 121a, 121b und 121c
dargestellt ist.
Um die Wanderung des Lichtbogens von seiner Entstehungsstelle zwischen den Schaltkontakten 17 und 19 weg zu
begünstigen, ist die Ausblasspule 29, wie dargestellt, derart mit Bezug auf den Entstehungsbereich des Lichtbogens
und den Wanderungsweg des Lichtbogens angeordnet, daß sie unter Bildung einer einzigen Spulenwindung in Form einer in
den Stromkreis geschalteten Leiterschleife ein quer verlaufendes Magnetfeld (B^1) erzeugt, das sich aufgrund des
Stromflusses im Lichtbogenbereich aufbaut, wobei die Stärke des magnetischen Feldes proportional zur Stromstärke des
über das Schaltgerät fließenden Stromes ist. Dieses quer zuni. Lichtbogen verlaufende magnetische Feld erzeugt eine
Kraft, welche den Lichtbogen aus dem Schaltkontaktbereich weg auf die Leitschienen 89 und 123 treibt.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in
Fig. 8 dargestellt, wo ein als Ausblasspule ausgebildeter Leiter 143 im Kontaktbereich der Schaltkontakte und im
Bereich des Lichtbogenpfades zwischen den Leitschienen und 123 angeordnet ist. Dieser Leiter 143 umfaßt einen
Abschnitt 143a, der vom oberen Ende des Leiters 105 aus verläuft, eine Schleife um den Lichtbogenbereich herum
bildet und in einem Leiterabschnitt 143b endet, der zum Lastanschluß 37 verläuft. Der Schleifenabschnitt des Leiters
erzeugt bei einem Stromdurchfluß ein magnetisches Feld quer zu dem während der Kontakttrennung zwischen den Schaltkontakten
gezogenen Lichtbogen und bewirkt dadurch ein schnelles Wegtreiben des Lichtbogens von den Schaltkontakten in Richtung
zur Lichtbogenlöscheinrichtung 27.
Eine weitere Ausführungsform einer Ausblasspule
ist in Fig. 9 dargestellt, wobei die Spule 147 als fortlaufender elektrischer Leiter mit zwei Endabschnitten
und 151 ausgebildet ist, die vorzugsweise beide mit dem Leiter 105 (Fig. 8) verbunden sind, während ein Mittelabschnitt
153 in geeigneter Weise, beispielsweise durch Schweißen mit dem Lastanschluß 137 verbunden ist.,Zwischen
den Endabschnitten und dem Mittelabschnitt sind Leiterschleifen 155 und 157 gebildet, die beiderseits des Lichtbogenbereiches
einschließlich des Bereiches der Schaltkontakte und 19 angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind.
Demgemäß erfolgt der Stromfluß vom Leiter 105 durch den Leiter 147 jeweils zur Hälfte durch dessen Leiterschleife
und zur anderen Hälfte durch dessen Leiterschleife 157, wobei die beiden Teilströme am Mittelabschnitt 153 sich
weder vereinigen und zum Lastanschluß 37 fließen. Infolgedessen erzeugt jede Leiterschleife 155 und 157 ein quer
verlaufendes magnetisches Teilfeld, die zusammen den Lichtbogen schnell in Richtung zur Lichtbogenlöscheinrichtung 27 hin
wegtreiben.
Ein noch weiteres Ausfuhrungsbeispiel ist in Fig. 10
dargestellt, wo eine Ausblasspule 159 dargestellt ist, die wiederum als durchlaufender Leiter mit zwei Schleifenabschnitten
161 und 163 mit jeweils einem Endabschnitt 165
und 167 ausgebildet ist. Der Endabschnitt 165 der Leiterschleife 161 ist mit dem Leiter 105 und der Endabschnitt
der Leiterschleife 163 mit dem Lastanschluß verbunden, so daß die beiden Leiterschleifen elektrisch in Reihe geschaltet
sind. Hier erzeugt der Stromfluß durch den Leiter wiederum in jeder Leiterschleife ein querverlaufendes magnetisches
Teilfeld, die zusammen bei einer Kontakttrennung den etwa gezogenen Lichtbogen schnell in Richtung zur Lichtbogenlöscheinrichtung
27 hin wegtreiben.
- Leerseite -
Claims (6)
1. Strombegrenzender Schutzschalter mit einem feststehenden
Schaltkontakt und einem beweglichen Schaltkontakt und mit einer Lichtbogenlöscheinrichtung, die zwei beiderseits
einer Lichtbogenlöschkammer verlaufende Lichtbogenleitschienen
aufweist, von denen eine mit dem feststehenden Schaltkontakt und die andere mit dem beweglichen Schaltkontakt
elektrisch verbunden ist, gekennzeichnet durch eine in den Schalterstromkreis geschaltete, räumlich im Bereich der
Lichtbogenzone derart angeordnete Leiterschleife (29; 143;
155, 157; 161, 163), daß diese Leiterschleife im stromdurchflossenen
Zustand ein quer zum Verlauf eines bei Qiner Kontakttrennung zwischen den Schaltkontakten (17, 19) gezogenen |
Lichtbogens verlaufendes und so gerichtetes Magnetfeld erzeugt, daß der Lichtbogen von den Schaltkontakten weg
entlang der Leitschienen (89, 123) in die Lichtbogenlöschkammer hineingeblasen wird.
2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Schaltkontakt (19) kippbar an der damit
elektrisch verbundenen Lichtbogenleitschiene (89) angeordnet ist.
3. Schutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife (29) zwischen den
netzseitigen Anschluß (35) des Schutzschalters und den netzseitigen Schaltkontakt (17) geschaltet ist.
4. Schutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife (143) zwischen den
lastseitigen Anschluß (37) des Schutzschalters und den lastseitigen Schaltkontakt (19) geschaltet ist.
5. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife (159) zwei
elektrisch miteinander in Reihe geschaltete Windungen (161, 163) aufweist, die räumlich beiderseits der Lichtbogenzone angeordnet
sind.
6. Schutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife (147) zwei
elektrisch parallel geschaltete Windungen (155, 157) aufweist,
die räumlich beiderseits der Lichtbogenzone angeordnet sind.
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Legal Events
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: EATON CORP., CLEVELAND, OHIO, US |
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