DE3607052C2 - Strombegrenzender Schutzschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen strombegrenzenden Schutzschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

In den letzten Jahren sind strombegrenzend wirkende Schutzschalter erfolgreich eingesetzt worden, um beim Auftreten von Fehlerstrom- und Kurzschlußzuständen die Spitzenströme (I_p) und die thermischen Energien (I²t), 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 ausgesetzt sind, sind dem Quadrat des Spitzenstromes (I_p²) proportional, während die thermische Energie dem Energie­ durchsatz (I²t) proportional ist. Strombegrenzend wirkende Schutzschalter eignen sich für den Einsatz in Maschinensteuer­ anlagen und Motorschutzschaltungen ebenso wie in Energie­ verteilungssystemen.

Ein Schutzschalter der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 33 34 852 bekannt. Dort ist einseitig neben einer üblichen Lichtbogenlöschzone eine als Blasspule wirkende Leiterschleife angeordnet.

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 Schalt­ gerät der eingangs genannten Gattung im Hinblick auf eine Verbesserung der Lichtbogenbeeinflussung im eben genannten Sinne auszubilden, um so insbesondere, wenn auch nicht aus­ schließlich, den Bau miniaturisierter Hochleistungs-Schutz­ schalter zu begünstigen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Patent­ anspruch gekennzeichnete Schaltgerät gelöst.

Ein Weg zur Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Schaltgerät längs der Linie I-I in Fig. 2 bei geschlossenen Schalt­ kontakten, wobei dieses Schaltgerät nicht alle Merkmale der Erfindung zeigt,

Fig. 2 eine Draufsicht des Schaltgeräts,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Schaltgerät ähnlich Fig. 1 bei geöffneten Schalt­ kontakten,

Fig. 4 in größerem Maßstab einen bistabilen Kniehebelmechanismus des Schaltgeräts in der Kontaktschließstellung,

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 4 des Kniehebelmechanismus in der Kontakt­ öffnungsstellung,

Fig. 6 den bistabilen Kniehebelmechanismus während des Kontaktöffnungsvorgangs,

Fig. 7 den bistabilen Kniehebelmechanismus während des Kontaktschließvorgangs,

Fig. 8 eine Schnittdarstellung ähnlich Fig. 1 durch ein Schaltgerät das zur Aufnahme einer Ausblasspule nach der Erfindung geeignet ist,

Fig. 9 in isometrischer Darstellung zwei in Reihe geschaltete Leiterschleifen einer Ausblasspule gemäß der Erfindung, und

Fig. 10 in isometrischer Darstellung zwei parallel geschaltete Leiterschleifen einer Ausblasspule gemäß der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte und allgemein mit 11 be­ zeichnete Schutzschalter weist ein Gehäuse 13 und darin untergebracht einen Schaltmechanismus 15 mit einem fest­ stehenden Schaltkontakt 17 und einem beweglichen Schalt­ kontakt 19, Schalterbetätigungs­ mittel (Handgriff 21), einem strombegrenzenden elektromagnetischen Mechanismus 23, einem Elektromagneten 25 und einem Bimetallstreifen 93 auf. Weiter enthält der Schutzschalter 11 eine Lichtbogenlösch­ einrichtung 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 Gehäuse­ körper 31 sind ein Netzanschluß 35 und ein Lastanschluß 37 montiert.

Der Schaltmechanismus 15 weist einen Freigabemechanismus 3 und einen bistabilen Kniehebelmechanismus 41 auf. Der Freigabe­ mechanismus 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 Hilfshebel 53 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 Kuppelglied 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 85 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 mit einem flexiblen Leiter 91 verbunden, der seinerseits mit dem oberen Ende des Bimetallstreifens 93 verbunden ist. Auf den be­ weglichen 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 Betätigungs­ hebels 43 zwischen diesem Betätigungshebel und der Klinke 57 des Hilfshebels 53 abgestützt. Die Federanordnung 95 und der bewegliche Schaltkontakt bilden zusammen einen Knie­ hebelmechanismus 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 Umschaltbewegung 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 17 und 19 erfolgt entweder von Hand mittels des Handgriffs 21 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 113 den beweglichen Schaltkontakt 19 vom feststehenden Schalt­ kontakt 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 21 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 37. 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 25 anzulegenden Stromimpulsen ferngesteuert schaltbaren Schalter ermöglichen und ihn daher zum Einsatz in Energieverteilungs­ anlagen, Schaltanlagen und anderen fernsteuerbaren Schalt­ systemen geeignet machen.

Der Elektromagnet 25 weist eine Spule 127 und einen Tauchkern 129 auf, der mit einem Hebel 131 verbunden ist. Wird der Elektromagnet 25 durch Anlegen eines Stromimpulses erregt, wird der Tauchkern 129 in die Spule 127 hinein­ gezogen und schwenkt dadurch den Hebel 131 um einen Dreh­ punkt 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 Gegenuhrzeiger­ sinn 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 Ausgangs­ stellung im Gegenuhrzeigersinn in seine obere Position (Fig. 4) schwenkt.

Die Betriebsfähigkeit des bistabilen Kniehebel­ mechanismus 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 Elektro­ magneten 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 139 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 19 wegbewegt und dadurch die Möglichkeit schafft, daß der bewegliche Schaltkontakt 19 durch Ansteuerung des Elektro­ magneten 25 wieder im Sinne einer Kontaktschließung betätigt werden kann.

Beim Öffnen der Schaltkontakte 17 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 Lichtbogenlöschein­ richtung 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 Entstehungs­ stelle 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 ver­ laufendes Magnetfeld (B_T) 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 zum Lichtbogen verlaufende magnetische Feld erzeugt eine Kraft, welche den Lichtbogen aus dem Schaltkontaktbereich weg auf die Leitschienen 89 und 123 treibt.

Ein Schaltgerät, das zur Aufnahme einer Ausblasspule nach der Erfindung geeignet ist, ist in Fig. 8 dargestellt. Dort ist ein als Ausblasspule ausgebildeter Leiter 143 im Kontaktbereich der Schaltkontakte und im Bereich des Lichtbogenpfades zwischen den Leitschienen 89 und 123 angeordnet. 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 143 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 Ausführungsform einer Ausblasspule 147 nach der Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt, wobei die Spule 147 als fort­ laufender elektrischer Leiter mit zwei Endabschnitten 149 und 151 ausgebildet ist, die vorzugsweise beide mit dem Leiter 105 (Fig. 8) verbunden sind, während ein Mittelab­ schnitt 153 in geeigneter Weise, beispielsweise durch Schweißen mit dem Lastanschluß 137 verbunden ist. Zwischen den Endabschnitten und dem Mittelabschnitt sind Leiter­ schleifen 155 und 157 gebildet, die beiderseits des Lichtbogen­ bereiches einschließlich des Bereiches der Schaltkontakte 17 und 19 angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind. Demgemäß erfolgt der Stromfluß vom Leiter 105 durch die Ausblas­ spule 147, jeweils zur Hälfte durch deren Leiterschleife 155 und zur Hälfte durch deren Leiterschleife 157, wobei die beiden Teilströme am Mittelabschnitt 153 sich weder vereinigen und zum Lastanschluß 37 fließen. Infolge­ dessen erzeugt jede Leiterschleife 155 und 157 ein quer verlaufendes magnetisches Teilfeld, die zusammen den Lichtbogen schnell in Richtung zur Lichtbogenlöscheinrichtung 27 hin wegtreiben.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ausblasspule 159 nach der Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt. Die Ausblasspule 159 ist wiederum als durchlaufender Leiter mit zwei Leiterschleifen 161 und 163 mit jeweils einem Endabschnitt 165 und 167 ausgebildet. Der Endabschnitt 165 der Leiter­ schleife 161 ist mit dem Leiter 105 und der Endabschnitt 165 der Leiterschleife 163 mit dem Lastanschluß verbunden, wobei 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 Lichtbogenlösch­ einrichtung 27 hin wegtreiben.

Claims (1)

1. Strombegrenzender Schutzschalter mit Netz- und Lastanschlüs­ sen, einem Isoliergehäuse mit einer darin gebildeten Lichtbo­ genlöscheinrichtung (27) mit zwei gegenüberliegend verlau­ fenden Lichtbogenleitschienen (89, 123), sowie mit einem im Gehäuse angeordneten Schaltmechanismus mit einem feststehen­ den Schaltkontakt (17) und einem beweglichen Schaltkontakt (19), die beide außerhalb der Lichtbogenlöscheinrichtung (27) angeordnet sind und von denen der feststehende Schaltkontakt (17) elektrisch mit der einen Lichtbogenleitschiene (123) und der bewegliche Schaltkontakt (19) elektrisch mit der anderen Lichtbogenleitschiene (89) verbunden ist, und mit Schalterbetätigungsmitteln (21), dadurch gekennzeichnet, daß in den Stromkreis zwischen Netzanschluß (35) und Lastanschluß (37) eine Ausblasspule (147, 159) geschaltet ist, die bei geschlossenem Schalter stromdurchflossen ist und zwei Leiterschleifen (155, 157, 161, 163) bildet, die beiderseits der Lichtbogenzone in solcher Weise gelegen sind, daß sie bei Stromfluß zwei magnetische Teilfelder erzeugen, die sich zu einem resultierenden, quer zum Lichtbogenbereich verlaufenden Magnetfeld kombinieren, das auf einen bei Kontakttrennung etwa zwischen den Schaltkontakten (17, 19) gezogenen elek­ trischen Lichtbogen eine Kraft erzeugt, welche den Lichtbogen schnell von den Schaltkontakten weg auf die Lichtbogenleit­ schienen (89, 123) und in die Lichtbogenlöscheinrichtung hinein treibt.