DE3902416A1 - Ueberstromsensitiver selbstschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen überstromsensitiven Selbst­ schalter zum Schutz elektrischer Komponenten, insbeson­ dere Motor- oder Leitungsschutzschalter, mit wenigstens einer Kontaktanordnung, mit einem mit einem Schaltschloß im Eingriff befindlichen Schaltwerk zur Betätigung der Kontaktanordnung sowie mit einem überstromsensitiven Auslöseteil, das mit dem Schaltschloß in Wirkverbindung steht und bei Überschreiten des jeweiligen Nennstromes dessen Abschaltung durch Auslösung des Schaltschlosses herbeiführt.

Elektrische Selbstschalter, insbesondere überstromsensi­ tive Selbstschalter, haben die Aufgabe, nachgeschaltete elektrische Komponenten und Anlagen, wie z. B. elektri­ sche Maschinen (Motoren, Transformatoren, Drosseln), Leitungen oder elektronische Schaltgeräte vor Schäden infolge von Überströmen zu schützen, indem sie bei Auf­ treten eines solchen Überstromes selbsttätig dessen Un­ terbrechung herbeiführen. Ferner werden elektrische Selbstschalter zum Schutz von Versorgungsleitungen vor unzulässiger Erwärmung eingesetzt, die aus anstehenden Überströmen resultiert, die, wenn sie nicht abgeschaltet werden, zu einer bleibenden Schädigung der Isolierung, z. B. infolge übermäßiger Alterung, führen können oder aber schlimmstenfalls einen Brand auslösen können.

Bekannte elektrische Selbstschalter besitzen zur selbst­ tätigen Auslösung daher ein überstromsensitives Auslöse­ teil, welches mit dem Schaltschloß und dem Schaltwerk zusammenarbeitet und bei Auftreten eines Überstromes dessen Auslösung herbeiführt, wodurch die Kontaktanord­ nung geöffnet und die Stromversorgung unterbrochen ist.

Ein derartiger Selbstschalter ist aus der DE-PS 23 36 916 bekannt geworden, der als Leitungs­ schutzschalter eingesetzt wird und als Auslöseteil einen elektromagnetischen Kurzschlußauslöser sowie einen durch Joule′sche Wärme beaufschlagbaren Bimetallauslöser auf­ weist. Während der elektromagnetische Kurzschlußauslöser ausschließlich auf Kurzschlußströme, die ein vielfaches des jeweiligen Nennstromes betragen, anspricht, dient der Bimetallauslöser zur Absicherung gegen Ströme, die infolge einer Überlast auftreten und den Nennstrom über­ schreiten. Dabei ist der Bimetallauslöser mit dem elek­ tromagnetischen Kurzschlußauslöser in Reihe geschaltet, so daß beide Auslöser jeweils genau den Strom führen, der in der zu schützenden Leitung fließt.

Unter Überströmen sollen hier und im folgenden nur sol­ che Ströme verstanden werden, die aus einer längere Zeit anstehenden Überlast resultieren und zu einer mäßigen, aber unzulässigen Überschreitung des Nennstromes führen. Kurzschlußströme sind zwar auch zu den Überströmen zu rechnen, sie resultieren jedoch nicht aus einer derarti­ gen Überlast und liegen um ein vielfaches über dem Nenn­ strom. Sie sollen daher nicht näher betrachtet werden, so weit nicht ausdrücklich darauf eingegangen wird.

Die Auswahl des Bimetallauslösers richtet sich nach den zu beherrschen Nennstromstärken, wobei die thermisch verursachte Auslenkung des einseitig eingespannten Bime­ tallstreifens mit Überschreitung der Nennstromstärke einsetzt und bei anstehendem Überstrom nach einer be­ stimmten Dauer die Auslösung des Schaltschlosses herbei­ führt. Die Auslösecharakteristik eines derartigen Selbstschalters folgt dabei einer Auslösekennlinie, die um so kürzere Auslösezeiten vorschreibt, je höher die Nennstromüberschreitung ist, wobei ab einem bestimmten Grenzstrom die Kennlinie einen Knick aufweist, der aus der Abschaltung durch den elektromagnetischen Kurz­ schlußauslöser resultiert.

Der Verlauf der Kennlinie zeigt, daß bei geringen Über­ strömen, d. h. bei geringer Überschreitung des Nennstro­ mes, die Dauer bis zur Abschaltung durch den Überstrom­ auslöser (Bimetallauslöser) große Werte bis zu einer Stunde annehmen kann oder daß es gar nicht zu einer Ab­ schaltung kommt. Die in einschlägigen Vorschriften fest­ gelegten Auslösekennlinien beruhen auf der Verwendung von Thermobimetallen als Überstromauslöser, mit welchen nur eine derartige Auslösekennlinie realisierbar ist. Andererseits besteht insbesondere beim Einsatz elektro­ nischer Bauelemente (Halbleiter) das Problem, daß be­ reits geringfügige Überschreitungen des Stromgrenzwertes und/oder auch der Temperatur deren Zerstörung und damit dauerhafte Unbrauchbarkeit des betreffenden elektrischen Gerätes zur Folge haben können.

Ferner können Beanspruchungen auftreten, die mit den herkömmlichen Selbstschaltern nicht oder nur unzurei­ chend abgedeckt sind. So soll beispielsweise bei Ein­ schaltvorgängen von elektrischen Geräten, z. B. Elektro­ motoren, kurzzeitig ein sehr hoher Stromwert der die Ab­ schaltstromstärke des Kurzschlußauslösers erreichen kann, zulässig sein. Andererseits können infolge Über­ last Überströme resultieren, die unter Zugrundelegung der gültigen Auslösekennlinien nicht oder erst sehr spät zur Abschaltung des Stroms führen, so daß das derart be­ lastete elektrische Gerät ebenfalls einen bleibenden Schaden erleidet oder zerstört wird. Mit anderen Worten, die gültigen Auslösekennlinien decken nicht alle bekann­ ten Schutzziele gleichermaßen gut ab.

Die erwähnten Auslösekennlinien setzen sich aus zwei Be­ reichen zusammen, deren erster Bereich nahezu linear verläuft und die Auslösung innerhalb von Sekundenbruch­ teilen nach Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwer­ tes durch den elektromagnetischen Kurzschlußauslöser zeigt. Der zweite Bereich schließt an den ersten Bereich an, wobei die Dauer bis zur Auslösung mit abnehmenden Überstrom überproportional ansteigt und sich einem Grenzwert asymptotisch nähert, der abhängig von der je­ weils festgelegten Auslösecharakteristik (z. B. K oder L) mehr oder weniger oberhalb (beim 1,05-fachen bis zum 1,5-fachen) des Nennstromes liegt.

Die solcherart in den bekannten elektrischen Selbst­ schaltern verwirklichte Auslösecharakteristik bringt es mit sich, daß mit derartigen Selbstschaltern abgesicher­ te elektrische Geräte nicht oder nur unzureichend gegen Nennstromüberschreitungen geschützt sind. Insbesondere wenn man den zugelassenen Toleranzbereich in die Be­ trachtung einbezieht ergibt sich, ein für bestimmte An­ wendungsfälle unzureichender Schutz gegen Überströme.

Ausgehend vom vorstehend geschilderten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung einen überstromsensi­ tiven Selbstschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem eine auf die jeweiligen Erforder­ nisse angepaßte Auslöseempfindlichkeit gewährleistet ist.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch er­ reicht, daß das Auslöseteil Mittel zur Erfassung und zur vorgebbaren zeitlichen Beschränkung von Überströmen je­ der Art aufweist.

Gemäß der Erfindung werden die Mittel aus einem über­ stromsensitiven Sensorglied und einem mit diesem elek­ trisch verbundenen elektronischen Auswerteglied gebil­ det, wobei das Sensorglied je nach der im folgenden be­ schriebenen Ausgestaltung jeden Überstrom mittelbar oder ummittelbar erfaßt, d. h. eine für den jeweiligen Über­ strom gültige Referenzgröße oder den Überstrom selbst, und die hierbei gewonnene Kenngröße an das Auswerteglied übermittelt, welches die Überströme hinsichtlich Größe und Dauer auswertet und bei Erreichen eines jeweiligen Grenzwertes die Öffnung der Kontaktanordnung und so die Stromunterbrechung herbeiführt.

Dabei ist es aufgrund der Empfindlichkeit des vorgesehe­ nen Sensorgliedes möglich, jedem beliebigen Stromwert als Grenzwert festzulegen. Auch besteht die Möglichkeit, durch entsprechende Einstellung des Auswertegliedes die Dauer des anstehenden Überstroms beliebig zu begrenzen.

Abhängig von sonstigen Anforderungen an den überstrom­ sensitiven Selbstschalter kann als Sensorglied wahlweise ein NTC-Widerstand (Heißleiter) oder ein Thermoelement vorgesehen sein, welche unter Beibehaltung des herkömm­ lich vorgesehenen Thermobimetalls von diesem beheizt werden, wobei dessen Temperatur als Referenzgröße für den jeweiligen Strom dient.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß das Sensorglied als Strom- oder Spannungswandler ausgebildet ist. Die hierbei resultierenden Meßgrößen dienen als Eingangssignal für das Auswerteglied, welches in gleicher Weise wie bereits zuvor beschrieben die Aus­ wertung hinsichtlich Größe und Dauer des Überstromes vornimmt und mit Erreichen eines Grenzwertes für die Dauer oder für den Strom die Abschaltung des Selbst­ schalters auslöst.

Eine weitere Ausgestaltung des Sensorgliedes kann darin bestehen, daß der bereits erwähnte Heißleiter in einer Spannungsteilerschaltung angeordnet ist und sein Span­ nungsabfall als Referenzgröße das Eingangssignal für das Auswerteglied bildet.

Insbesondere bei den beiden zuerst genannten Ausgestal­ tungen des Sensorgliedes, nämlich als Thermoelement bzw. als temperaturabhängiger Widerstand (Heißleiter) ist ge­ mäß der Erfindung dem Sensorglied ein Kompensationsglied zugeordnet, wodurch die Sollwerteinstellung für den Grenzwert des Überstromes erreicht wird. Ein derartiges Kompensationsglied kann bspw. als Wheatstone′sche Meß­ brücke ausgebildet sein.

Das Auswerteglied ist als Verstärkerschaltung aufgebaut, die die vom Sensorglied übermittelten Meßwerte ver­ stärkt. Vorzugsweise ist das Auswerteglied als einstell­ barer, d. h. justierbarer, Operationsverstärker ausge­ bildet. Zusätzlich besitzt das Auswerteglied ein Zeit­ glied, welches für die Auswertung der Dauer des anste­ henden Überstromes dient.

Das Auswerteglied steht in Wirkverbindung mit dem Schaltwerk und führt dessen Betätigung im Falle eines unzulässigen Überstromes herbei, wodurch die Öffnung der Kontaktanordnung erfolgt. Da die im Auswerteglied ange­ ordnete Verstärkerschaltung ein elektrisches Ausgangs­ signal liefert, welches für eine unmittelbare Beauf­ schlagung des Schaltwerkes ungeeignet sein kann, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung dem Auswerte­ glied ferner ein elektromechanischer Wandler zugeordnet, der das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung im Aus­ werteglied in eine mechanische Ausgangsgröße umwandelt. Ein solcher elektromechanischer Wandler kann beispiels­ weise ein entsprechend dimensionierter Magnetantrieb sein, der mit dem Schaltschloß zusammenarbeitet und bei­ spielsweise dessen Auslösehebel beaufschlagt. Es kann aber auch ein elektromechanisches Relais sein, welches beim Ansprechen infolge eines Überstromes einen Strom­ kreis schließt, der beispielsweise die Betätigung des Kurzschlußauslösers herbeiführt. Anstelle des elektro­ magnetischen Antriebs kann auch eine Magnetspule vorge­ sehen sein, die mit einem Reedkontakt zusammenarbeitet, der in gleicher Weise wie das elektromechanische Relais den Kurzschlußauslöser bzw. einen Arbeitsstromauslöser in Aktion bringt.

Anstelle eines elektromechanischen Wandlers kann auch ein elektronischer Schalter vorgesehen sein, der die Be­ aufschlagung des Schaltwerks durch den Kurzschlußauslö­ ser bzw. durch den Arbeitsstromauslöser herbeiführt.

In Anbetracht der beengten Raumverhältnisse in einem handelsüblichen Leitungsschutzschalter mit modularem Aufbau kann es erforderlich sein, das erfindungsgemäße überstromsensitive Auslöseteil in einem Anbauteil mit z. B. 1/2 Modul Gehäusebreite unterzubringen, wobei in einem derartigen Fall sowohl die mechanische Auslösung des Schaltwerks des Leitungsschutzschalters über eine mechanische Kopplung erfolgen kann als auch in der be­ schriebenen Weise unter Benutzung des ohnehin vorhande­ nen Kurzschlußauslösers oder des bereits erwähnten Ar­ beitsstromauslösers.

Beim Einsatz von elektrischen Selbstschaltern die mit dem erfindungsgemäßen Auslöseteil versehen sind, in Ver­ brauchernetzen, die nicht durch Fehlerstromschutzmaßnah­ men abgesichert sind, ist es vorteilhaft, den bei han­ delsüblichen Leitungsschutzschaltern und Motorschutz­ schaltern vorhandenen thermischen Auslöser (Thermobime­ tall) beizubehalten, um auf diese Weise auch bei Ausfall des Nulleiters, z. B. infolge Bruch, ausreichenden Über­ stromschutz zu gewährleisten. In einem derartigen Fall könnte nämlich trotz fehlender Rückleitungsmöglichkeit über den Nulleiter ein Strom über Erde abfließen, der vom erfindungsgemäßen Auslöseglied nicht erfaßt würde, da dieses den Nulleiter für seine Stromversorgung benö­ tigt und daher in einem solchen Fall ausfallen würde.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Selbstschalters beruht darauf, daß das Sensorglied auf einen bestimmten Grenzstromwert voreinstellbar ist, bei welchem er ein Signal an das Auswerteglied übermittelt, welches seiner­ seits die Dauer des als Referenzwert für den anstehenden Überlaststrom geltenden Signals auswertet und bei Errei­ chen eines zeitlichen Grenzwertes die Abschaltung des Selbstschalters auslöst.

Es werden also voneinander unabhängig die Höhe eines Überstromes und seine Dauer erfaßt und mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen. Werden die Grenzwerte über­ schritten kommt es zur Abschaltung des Selbstschalters.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung von elektrischen Selbstschaltern mit einem überstromsensitiven Auslöse­ teil, das ein Sensorglied und ein Auswerteglied umfaßt, bietet sich an für die bereits genannten Geräteschutz­ schalter, aber ebenso können auch LS/DI-Schalter als auch FI/LS-Schalter in dieser Weise ausgebildet sein, wobei jeweils der Leitungsschutzteil mit dem erfin­ dungsgemäßen Auslöseteil verbunden ist.

Der Verwendungsbereich des erfindungsgemäßen Selbst­ schalters erstreckt sich daher auch auf die an sich be­ kannte Kombination mit Fehlerstrom (FI)- bzw. Differenz­ strom (DI)-Schutzschaltern, wobei in diesen Fällen das Auswerteglied sein Auslösesignal an die Auslösekomponen­ ten des FI- bzw. DI-Schalters richtet. So besteht pro­ blemlos die Möglichkeit, den bei diesen Geräten erfor­ derlichen Prüfstromkreis zur periodischen Überprüfung der Auslösebereitschaft des DI- oder FI-Schalters heran­ zuziehen. Nicht anders als bei einer solchen periodi­ schen Überprüfung wird vom Auswerteglied mittels eines elektromechanischen oder elektronischen Relais der Prüf­ stromkreis geschlossen, wodurch es unverzüglich zur Aus­ lösung und Stromabschaltung kommt.

Bei Verwendung thermisch reagierender Sensorglieder kann es vorteilhaft sein, das bei herkömmlichen Selbstschal­ tern vorhandene als Überstromauslöser wirkende Thermobi­ metall beizubehalten und dem erfindungsgemäßen Auslöse­ teil parallel zu schalten. Dabei dient das Thermobime­ tall gleichzeitig auch als Wärmequelle für das thermisch reaktiven Sensorglied.

Anstelle eines Thermobimetalls kann jedoch auch jedes andere durch elektrischen Stromfluß sich erwärmende Bi­ metall, z. B. Heizwiderstand, vorgesehen sein.

Eine weitere Einstellmöglichkeit des Sensorgliedes in bezug auf die gewünschte Auslösekennlinie besteht in der Wahl eines anderen, vorzugsweise empfindlicheren Thermo­ bimetalls. Hierdurch verschiebt sich sowohl die für das Thermobimetall geltende Kennlinie als auch die für das mit ihm zusammenwirkende erfindungsgemäße überstromsen­ sitive Auslöseteil.

Aufgrund der erreichbaren hohen Abschaltgenauigkeit bei Überlastströmen bieten sich der erfindungsgemäße Selbst­ schalter auch als Tarifwächter für die Elektrizitäts- Versorgungs-Unternehmen (EVU) an, da hiermit die Strom­ entnahme über den jeweiligen Verbraucheranschlußwert hinaus quasi verhindert ist. Unter Zugrundelegung des erfindungsgemäßen Selbstschalters kann somit die bisher erforderliche Stromreserve verringert werden, da Über­ ströme, die mit herkömmlichen Selbstschaltern bis zu ei­ ner Stunde und länger anstehen sowie bis zu dem 1,45 bzw. bis zum 1,9-fachen des jeweiligen Nennstromes be­ tragen können, nicht mehr auftreten können, da sie umge­ hend abgeschaltet werden.

Mittels des erfindungsgemäßen Selbstschalters ist über­ dies eine Absicherung von Leitungen in Abhängigkeit von deren Verlegungsart und der daraus resultierenden Erwär­ mung möglich. Die bisherige grobe Rasterung der Strom­ werte kann künftig entfallen, da nunmehr die gezielte Einstellbarkeit gegeben ist.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispieles sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestal­ tungen und besondere Vorteile der Erfindung näher erläu­ tert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Prinzipschaltbild eines Selbst­ schalters mit dem erfindungsgemäßen Auslöseteil,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines erfindungsge­ mäßen Sensorgliedes,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der Einzelheit "X" aus Fig. 1,

Fig. 4 bis 8 weitere Beispiele für ein erfindungsge­ mäßes Sensorglied wobei,

Fig. 4 ein Thermoelementpaar,

Fig. 5 einen Stromwandler,

Fig. 6 einen Spannungswandler,

Fig. 7 einen Spannungsteiler,

Fig. 8 ein Thermoelementpaar sowie

Fig. 9 ein Diagramm zur Erläuterung des Auslö­ severhaltens zeigen.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau eines Selbstschalters 10, der mit einem überstromsensitiven Auslöseteil 12 versehen ist. Ein solcher Selbstschalter 10 kann sowohl ein Leitungsschutzschalter als auch ein Motorschutzschalter sein. Darüber hinaus kann es sich je­ doch auch um einen kombinierten LS/DI- oder um einen FI/LS-Schalter handeln, wobei in diesem Falle die in Fig. 1 dargestellte Einzelheit "X" vorgesehen ist.

Im Hauptstrompfad 11 des Selbstschalters 10 ist eine einpolige Kontaktanordnung 12, bestehend aus einem fe­ sten und einem beweglichen Kontaktstück, angeordnet so­ wie ein hier nur mit seinem Schaltsymbol dargestellter elektromagnetischer Kurzschlußauslöser 14. Der elektro­ magnetische Kurzschlußauslöser 14 steht in Wirkverbin­ dung mit einem Schaltschloß 16, das seinerseits mit ei­ nem hier nicht näher dargestellten Schaltwerk zusammen­ arbeitet. Bei Auslösung des Schaltschlosses 16, z. B. durch den elektromagnetischen Auslöser 14, beaufschlagt dieser das Schaltwerk, wodurch das bewegliche Kontakt­ stück der Kontaktanordnung 12 geöffnet wird, wie anhand der gestrichelt dargestellten Wirkungslinie gezeigt wer­ den soll.

Ferner ist in den Hauptstrompfad 11 des Selbstschalters 10 ein überstromsensitives Auslöseteil 18 eingeschaltet, welches ebenfalls mit dem Schaltschloß 16 in Wirkverbin­ dung steht. Das Auslöseteil 18 ist aus einem Sensorglied 20 und einem hiermit verbundenen Auswerteglied 22 gebil­ det. Während das Sensorglied 20, wie in Fig. 1 darge­ stellt, in Wirkverbindung mit dem Hauptstrompfad 11 steht, beaufschlagt das mit ihm elektrisch verbundene Auswerteglied 22 das Schaltschloß 16 bzw. beim Einbau in einen kombinierten LS/DI- oder FI/LS-Schalter ein in Fig. 1 mit "X" bezeichnetes Auslöseglied, welches die un­ verzügliche Auslösung des Schaltschlosses 16 und damit die Öffnung der Kontaktanordnung 12 zur Folge hat. Die Schaltungsanordnung des mit "X" bezeichneten Bauteils ist in Fig. 3 näher dargestellt und erläutert.

Das Auswerteglied 22, das hier nur mittels Schaltungs­ symbol als einstellbarer Operationsverstärker darge­ stellt ist, besitzt ein hier nicht näher dargestelltes Zeitglied, welches die Dauer eines vom Sensorglied über die doppelte Verbindungsleitung 21 übermittelten Signals erfaßt und mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht.

Ferner kann das Auswertegleid 22 einen elektromechani­ schen Wandler aufweisen, welcher dazu dient, ein elek­ trisches Auslösesignal an das Schaltschloß 16 umzuset­ zen, um dieses tatsächlich auszulösen. Dieser Wandler, der hier ebenfalls nicht näher dargestellt ist, kann beispielsweise ein einfacher elektromechanischer Antrieb zur Beaufschlagung eines Auslösehebels sein, der zum Schaltschloß gehört.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das Sensor­ glied 20, der ein in bekannter Weise in den Strompfad 11 eingeschaltetes Thermobimetall 24 sowie einen mit diesem in Wärmekontakt befindlichen NTC-Widerstand 26 (Heißlei­ ter) aufweist.

Um den NTC-Widerstand 26 in bezug auf die Auslösung bei Überstrom zu eichen und ggf. die jeweils geforderte Aus­ lösestromstärke einzustellen ist der NTC-Widerstand 26 mit einer Meßbrückenschaltung 28 kombiniert, die hier als Wheatstone′sche Meßbrücke ausgebildet ist. Mit Hilfe dieser Justier- und Meßanordnung 28, die bei der vorge­ sehenen Einsatztemperatur, z. B. Raumtemperatur, im Gleichgewicht steht, ist es möglich, das an die Lei­ tungsenden 30, 31 anzuschließende Auswerteglied 22 bei einer unzulässigen Überschreitung des in dem Hauptstrom­ pfad 11 fließenden Stromes so anzusteuern, daß unverzüg­ lich die Auslösung des Schaltschlosses 16 und damit die Unterbrechung der Kontaktanordnung 12 herbeigeführt wird.

Da Meßbrücken, wie die in Fig. 2 gezeigte Wheat­ stone′sche Meßbrücke 28 an sich bekannt sind, soll hier nur insoweit darauf eingegangen werden, als sie hier in besonderer Weise ausgebildet ist mit einem temperaturab­ hängigen NTC-Widerstand 26 sowie drei weiteren Wider­ ständen 32, 33, 34, die bei der vorgesehenen Einsatztem­ peratur mit dem temperaturabhängigen NTC-Widerstand 26 im Gleichgewicht sind, so daß an der Abgriffstelle der Leitungen 30, 31 kein Strom fließt, der aus einer Strom­ quelle 27 in die Meßbrücke 28 eingespeist wird. Die Stromquelle 27 kann hierbei zweckmäßigerweise durch An­ zapfung des Versorgungsnetzes gebildet sein. Gegebenen­ falls kann einer der Widerstände 32, 33, 34 einstellbar ausgebildet sein, um auf diese Weise den Abgleich bei der Brückenschaltung bei Einsatztemperatur des Selbst­ schalters 10 zu erleichtern.

In Fig. 3 ist die Einzelheit "X" aus Fig. 1 darge­ stellt. Es handelt sich hierbei um einen bei jedem FI- bzw. DI-Schutzschalter vorhandenen Prüfstromkreis 36, der einen Widerstand 37 aufweist und eine Unterbre­ chungsstelle 38, die mittels einer von Hand zu betäti­ genden Prüftaste 39 geschlossen werden kann. Beim Schließen des Prüfstromkreises 36 wird das Abfließen eines Stromes von Phase gegen Erde simuliert und hier­ durch die Ansprechbereitschaft des DI- bzw. FI-Schutz­ schalters überprüft.

Gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen, beim Einsatz von kombinierten LS/DI- bzw. FI/LS-Schaltern daß von dem Auswerteglied 22, das als einstellbarer Operationsver­ stärker ausgebildet ist, nicht auf das Schaltschloß 16 zu schalten, sondern auf einen zu dem Prüfstromkreis des jeweiligen Fehlerstrom- bzw. Differenzstrom-Schutzschal­ terbauteils Parallelkreis mit Unterbrechungsstelle zu schalten. Dabei ist vorgesehen, daß die von Hand zu be­ tätigende Unterbrechungsstelle 38 des Prüfstromkreises durch ein elektromechanisches Schaltbauteil 40, wie in Fig. 3 gezeigt, oder einen elektronischen Schalter überbrückbar geschaltet wird, so daß durch Schließen der Unterbrechungsstelle des Parallelkreises die zuvor be­ schriebene Auslösung des Fehlerstrom- bzw. Differenz­ strom-Bauteils erfolgt. Die Verbindung mit dem Auslöse­ teil 18 erfolgt hierbei über die in Fig. 1 dargestellte Leitung 191, wobei zusätzlich eine Wirkverbindung mit dem Schaltschloß 16 bestehen kann, wie durch die strich­ punktierte Linie 192 angedeutet ist.

In den Fig. 4 bis 7 sind weitere Ausgestaltungsbei­ spiele für das in Fig. 1 dargestellte Sensorglied 20.

In Fig. 4 ist das Sensorglied 20 aus einem Thermoele­ ment 42 gebildet, das in Wärmekontakt mit dem bereits in Fig. 2 beschriebenen elektrothermischen Auslöser 24 steht. Ebenso wie der in Fig. 2 behandelte NTC-Wider­ stand 26 ist auch das Thermoelement 42 an eine Wheat­ stone′sche Brückenschaltung 44 angeschlossen, um die Ab­ gleichung für den normalen Betriebszustand des Selbst­ schalters 10 zu gewährleisten. Die Brückenschaltung 44 besitzt ebenfalls vier Widerstände, die einmal über das Thermoelement 42 und zum anderen über den Anschlußlei­ tung 30, 31 zum Auswerteglied 22 überbrückt sind. In be­ kannter Weise sind die vier Widerstände 46, 47, 48, 49 so aufeinander abgestimmt, daß im Normalbetrieb des Selbstschalters 10 an der Anschlußstelle der zum Auswer­ teglied 22 führenden Leiter 30, 31 kein Strom fließt. Bedarfsweise kann einer der Widerstände, wie in Fig. 4 beim Widerstand 47 gezeigt, einstellbar ausgeführt sein, um so eine genauere Abgleichung zu erreichen.

Je nach Art und Eignung des Auswertegliedes kann auf die Zwischenschaltung der Kompensationsbrücke 44 verzichtet werden und das Thermoelement 42 unmittelbar an den Ein­ gang des Auswertegliedes 22 angeschlossen werden, wie in Fig. 8 gezeigt.

Als Werkstoffpaarung für das Thermoelement 42 ist hier­ bei vorzugsweise Eisen-Konstantan vorgesehen. Ebenso ist aber auch als Paarung Kupfer-Konstantan möglich oder je­ de andere übliche Paarung. Abhängig von der gewählten Werkstoffpaarung und der daraus resultierenden Thermo­ spannung ist die Verstärkung des Auswertegliedes 22 ein­ zustellen.

Fig. 5 zeigt einen Stromwandler, der anstelle der zuvor behandelten Sensorglieder, d. h. des NTC-Widerstandes 26 und des Thermoelementes 42, die beide das Vorhandensein eines Heizelementes, hier das Thermobimetall 24, erfor­ dern, mit dem Hauptstrompfad 11 in Wirkverbindung steht.

Die Größe des Stromwandlers, d. h. seine Windungszahl, richtet sich nach der Stromstärke, für die der Selbst­ schalter 10 vorgesehen ist, sowie nach der für das Ein­ gangssignal des Auswertegliedes 22 erforderlichen Si­ gnalstärke.

In Fig. 6 ist eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 5 gezeigt, die hier jedoch als Spannungswandler 52 ausge­ bildet ist. Die an dem als Drossel ausgebildeten induk­ tiven Widerstand abfallende Spannung dient hierbei als Eingangssignal für das an die Anschlußenden 30, 31 anzu­ schließende Auswerteglied 22.

Das in Fig. 7 dargestellte Sensorglied 20, ist als Spannungsteilerschaltung 54 ausgebildet mit einem als NTC-Widerstand 56 (Heißleiter) und einem normalen ohm­ schen Widerstand 57, wobei der NTC-Widerstand 56 mit ei­ nem bereits in Fig. 2 und 4 behandelten thermoelektri­ schen Überstromauslöser (Thermobimetall) 24 in Wärmekon­ takt steht. Auch hier wird wie nach der Schaltung gemäß Fig. 2 eine Stromquelle 27 benötigt, wobei die am NTC- Widerstand 56 abfallende Spannung als Eingangssignal für die das an die Leitungsenden 30, 31 anzuschließende Aus­ werteglied 22 dient. Auch hier kann wie bereits bei Fig. 2 erwähnt, die Stromquelle 27 durch Anzapfung des Versorgungsnetzes gebildet werden.

Das in Fig. 9 dargestellte Diagramm zeigt eine Auslöse­ kennlinie für einen mit dem erfindungsgemäßen überstrom­ sensitiven Auslöseteil 18 versehenen Selbstschalter 10 (durchgezogene Linie), ferner eine Grenzstromkennlinie für ein elektronisches Lastrelais herkömmlicher Bauart (gestrichelte Linie) sowie den Auslösebereich für her­ kömmliche Leitungsschutzschalter, d. h. mit dem jeweili­ gen Toleranzbereich (schraffiert).

Aus diesem Diagramm, welches im doppelt logarithmischen Maßstab den zeitlichen Stromverlauf wiedergibt, wobei die Ordinate die Zeitachse und die Abszisse die Strom­ achse bildet, ist abzulesen, daß mit den herkömmlichen Schutzschaltgeräten eine rasche Begrenzung eines Über­ stromes nicht oder nur mit großen Einschränkungen mög­ lich ist. So ist lediglich ein durch Kurzschluß verur­ sachter Überstrom in vertretbar kurzer Zeit abschaltbar, wobei allerdings die hierbei auftretenden Ströme ein vielfaches des Nennstromes betragen können. Auf der Ab­ szisse, die wie bereits erwähnt als Stromachse dient, sind die Vielfachen des Nennstroms aufgetragen, wobei mit 1 der Nennstrom angegeben ist und bei 3 der dreifa­ che Nennstrom. Ebenso ist auf der Zeitachse die mit der durchgezogenen Kennlinie definierte Auslösecharakteri­ stik des erfindungsgemäßen Selbstschalters so geartet, daß ein Überstrom nicht länger als 4 Sekunden anstehen kann, da hier die Auslösung durch den Selbstschalter er­ folgt. Die hier in Fig. 8 beispielhaft gezeigte Auslö­ secharakteristik kann selbstverständlich an unterschied­ liche Bedürfnisse angepaßt werden, d. h. es können so­ wohl höhere Stromvielfache als auch geringere Stromviel­ fache genauso eingestellt werden wie auch längere oder kürzere Auslösezeiten. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß z. B. bei geringeren Auslösezeiten die Empfindlich­ keit des erfindungsgemäßen Selbstschalters, insbesondere im Hinblick auf Stromstöße, die aus Einschaltvorgängen resultieren, zu groß werden kann, so daß bereits beim normalen Anfahren einer elektrischen Maschine die Ab­ schaltung erfolgt, da eine Differenzierung des auftre­ tenden Überstromes nur über die Zeit möglich ist.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Selbstschalters 10 beruht darauf, daß ein auftretender Überstrom von ei­ nem sehr empfindlichen Meßglied, dem Sensorglied 28, er­ faßt und dem nachgeschalteten Auswerteglied 22 als Meß­ wert übermittelt wird. Aufgrund des empfindlichen An­ sprechverhaltens einerseits und des im Auswerteglied 22 integrierten Zeitgliedes besteht so die Möglichkeit die hohe Schaltgeschwindigkeit elektronischer Bauelemente auszunutzen und hierdurch den bei bekannten Anordnungen verzögerten Ablauf infolge Einsatzes mechanischer Ein­ richtungen zu vermeiden. Hieraus ergibt sich ein weite­ rer Vorteil des erfindungsgemäßen Selbstschalters und darauf beruhend ein zusätzliches Anwendungsgebiet.

Da mit Hilfe des erfindungsgemäßen Selbstschalters 10 die selbsttätige Strombegrenzung sowohl hinsichtlich der Stromstärke als auch hinsichtlich der Dauer des Über­ stromes gewährleistet ist, kann ein solcher Selbstschal­ ter als Tarifwächter für die Elektrizitäts-Versorgungs- Unternehmen dienen, da hierdurch die zur Aufrechterhal­ tung des Versorgungsnetzes notwendigen Reserven verrin­ gert werden können. Insbesondere weil sichergestellt ist, daß ein Strommehrbedarf infolge Überlaststrom zeit­ lich stark begrenzt ist, da Abschaltzeiten von einer Stunde und länger praktisch ausgeschlossen sind.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Selbstschal­ ters 10 besteht darin, daß weitgehend die bisher benutz­ ten Bauteile beibehalten werden können, so daß auch hin­ sichtlich seiner Herstellung kaum Probleme auftreten dürften.

Claims (16)

1. Überstromsensitiver Selbstschalter zum Schutz elektrischer Komponenten, insbesondere Motor- oder Lei­ tungsschutzschalter (10), mit einem mit einem Schalt­ schloß (16) in Eingriff befindlichen Schaltwerk zur Be­ tätigung wenigstens einer Kontaktanordnung (12) sowie mit einem überstromsensitiven Auslöseteil (18), das mit dem Schaltschloß (16) in Wirkverbindung steht und bei Überschreiten des jeweiligen Nennstromes dessen Abschal­ tung herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslö­ seteil (18) Mittel (20, 22) zur Erfassung und zur vor­ gebbaren Begrenzung der Größe und Dauer von Überströmen jeder Art aufweist.

2. Selbstschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel (20, 22) von einem überstrom­ sensitiven Sensorglied (20) und von einem mit diesem elektrisch verbundenen elektronischen Auswerteglied (22) gebildet sind, wobei das Sensorglied (20) jeden Über­ strom mittelbar oder unmittelbar erfaßt und als Meßgröße dem Auswerteglied zuleitet, welches die Überströme hin­ sichtlich Größe und Dauer auswertet und bei Erreichen eines jeweiligen Grenzwertes die Öffnung der Kontaktan­ ordnung (12) und so eine Stromunterbrechung herbeiführt.

3. Selbstschalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sensorglied (22) ein wärmereaktives Bauteil vorgesehen ist, das in Abhängigkeit der durch einen Überstrom erzeugten Joule′schen Wärme ein vom Aus­ werteglied (22) auswertbares Signal liefert.

4. Selbstschalter nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sensorglied (20) ein NTC-Widerstand (26, 56) vorgesehen ist.

5. Selbstschalter nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sensorglied (20) ein Thermoelement (42) vorgesehen ist.

6. Selbstschalter nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle für das Sensorglied (20) ein Thermobimetall (2) benutzt wird, welches gleichzeitig als redundantes Überstromauslöse­ teil (18) geringer Ansprechempfindlichkeit dient.

7. Selbstschalter nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorglied (20) mit einer Kompensationsschaltung (28, 44) zu seiner Ju­ stierung vorgesehen ist.

8. Selbstschalter nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Meßbrücke (28, 44) nach Wheatstone vorgesehen ist als Kompensationsschaltung.

9. Selbstschalter nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der NTC-Widerstand (56) Teil eines Spannungsteilers ist, mittels welchem das Auslösesignal des Sensorgliedes (20) für das Auswerteglied (22) ein­ stellbar ist.

10. Selbstschalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sensorglied (20) ein Stromwandler (50) vorgesehen ist, der im Hauptstrompfad (11) des Selbst­ schalters (10) angeordnet ist und bei Auftreten eines Überstromes ein Signal liefert.

11. Selbstschalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sensorglied (20) ein Spannungswandler (52) vorgesehen ist, der im Hauptstrompfad (11) des Selbstschalters (10) angeordnet ist.

12. Selbstschalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Auswerteglied (22) ein einstellbarer Meßverstärker vorgesehen ist, der ein Zeitglied auf­ weist, welches die Dauer eines anstehenden Überstromes auswertet.

13. Selbstschalter nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Auswerteglied ein einstellbarer Operationsverstärker mit integriertem Zeitmodul zur Be­ wertung der Überlastdauer des Überstromes ist.

14. Selbstschalter nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswerteglied (22) mit einem elektromechanischen Wandler (40) versehen ist, welcher die elektrischen Ausgangssignale der Ver­ stärkerschaltung in eine mechanische Stellgröße umwan­ delt, wodurch die Auslösung des Schaltschlosses (16) er­ folgt.

15. Selbstschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswerteglied (22) ein elektronisches Relais aufweist und daß dessen Betä­ tigung einen Auslösestromkreis des Selbstschalters (10) schließt, wodurch die Kontaktanordnung (12) öffnet.

16. Selbstschalter nach einem der vorherigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Selbstschalter (10) mit Fehlerstrom- oder Differenzstrom-Schutzschal­ tern kombinierbar ist, wobei dann das überstromsensitive Auslöseteil (18) mit dessen fehlerstrom- bzw. differenz­ stromsensitiven Auslöseteil zusammenarbeitet.