DE4424125C1 - Hauptsicherungsautomat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hauptsicherungsautomaten für den Verteilungseinbau.

Zum Schutz von Leitungen und der elektrischen Anlage werden bisher im Zählervorbereich überwiegend Schmelzsicherungen eingesetzt. Diese stehen unter Plombenverschluß, so daß beim Ansprechen der Sicherung durch Überlastung der technische Dienst des Elektroversor­ gungsunternehmens in Anspruch genommen werden muß, nur um die Sicherung auszuwechseln.

Nachdem dieser Vorgang im Zählervorbereich selbst für Fachpersonal nicht ungefährlich ist, wurde vorgeschlagen, die Sicherung vor dem Zähler durch einen Schutzschalter zu ersetzen, der auch von Laien einfach bedienbar ist.

Dazu ist es erforderlich, die physikalischen Eigenschaften der Sicherung mit dem Schutz­ schalter weitgehend nachzubilden, d. h. z. B., daß der Hauptsicherungsautomat neben einem hohen Schaltvermögen von mindestens 25 kA auch ausreichende Selektivität zum nachge­ schalteten Leitungsschutzschalter und zur vorgeschalteten Trafosicherung bei den üblicher­ weise in der Anlage zum Fließen kommenden Kurzschlußströmen von einigen 1000 A besit­ zen muß.

Hinzukommt, daß der Leitungsschutz gegen thermische Überlastung ebenfalls durch den Hauptsicherungsautomaten erfüllt werden muß, d. h., der Schutzschalter muß bereits beim Fließen von z. B. dem 1,3 fachen des Nennstromes innerhalb einer Stunde auslösen. Ande­ rerseits muß sich der Hauptsicherungsautomat beim Auftreten eines Kurzschlusses an der Steckdose in der Größenordnung von einigen 1000 A zum in Energieflußrichtung nachge­ schalteten Leitungsschutzschalter selektiv verhalten, d. h. er darf in diesem Fall nicht mitansprechen.

Entsteht der Kurzschluß jedoch zwischen Leitungsschutzschalter und Hauptsicherungsauto­ mat, dann darf nur letzterer abschalten, die Trafosicherung muß hingegen der Belastung standhalten.

Diese divergierenden Forderungen an das Verhalten des Hauptsicherungsautomaten haben bisher zu aufwendigen und komplizierten Lösungswegen geführt. So ist aus der EP 0371419 A2 ein elektrischer Selbstschalter bekannt geworden, der zur selektiven Unterbrechung ein­ zeln abgesicherter Verbraucherstromkreise mit einer Hauptkontaktstelle und einer hierzu pa­ rallel geschalteten Nebenkontaktstelle sowie mit einem Hauptschaltwerk und einem zusätz­ lich vorgesehenen Selektivschaltwerk ausgerüstet ist, um die Anforderungen zu erfüllen.

Ein Schutzschaltgerät der eingangs genannten Art ist auch mit der DE 41 18 377 A1 offenge­ legt worden. Bei dieser Lösung ist für Versorgung des Nebenstromkreises zusätzlich die Netzspannung erforderlich, was eine eigene Anschlußklemme nötig macht und die Anwen­ dung erschwert.

Mit beiden Lösungen wird versucht, durch Verzögerung des Magnetauslösers die Selektivi­ tätsforderungen zu erfüllen.

Dies ist erfahrungsgemäß schwierig und nur mit einem kaum vertretbaren Aufwand zu reali­ sieren. Es liegt daher nahe, die an einen Hauptsicherungsautomaten gestellten Forderungen mit einem Auslösesystem zu erfüllen, dessen Stromzeitkennlinie sich möglichst genau an die Auslösekennlinie einer Sicherung anschmiegt, und diese erst bei hohen Kurzschlußströmen durchdringt.

Theoretisch erfüllt ein direkt beheiztes d. h. stromdurchflossenes Bimetall diese Aufgabe hin­ reichend gut, es scheidet jedoch wegen der nicht ausreichenden Kurzschlußfestigkeit als al­ leiniger Schutz aus. Auch zum Schutz des Bimetalls wird deshalb bei Selbstschaltern ein Ma­ gnetauslöser benötigt, der den Stromkreis bei z. B. 15 xln unterbricht.

Diesbezüglich ist in dem Bulletin SEV 1976, Nr. 24, S.n 1329 bis 1335, eine Selektivitätskaskade beschrieben, die sich aus einem wiedereinschaltbaren LS-Automaten und einem thermischen Auslöser zusammensetzt, wobei der Kurzschlußschutz nur durch eine besondere Vorsicherung erreicht werden kann.

Wie eingangs beschrieben, ist ein Magnetauslöser zur Erfüllung der Anforderungen an einen Hauptsicherungsautomaten nicht gut geeignet. Es wird daher in Betracht gezogen, auf den Magnetauslöser nach Möglichkeit ganz zu verzichten. Das bedingt, daß der Bimetallauslöser bis zu den in der Praxis auftretenden Kurzschlußströmen einerseits ausreichend schnell ab­ schaltet, andererseits aber bei diesen Strömen kurzschlußfest sein muß.

Es liegt nahe, eine ausreichende Kurzschlußfestigkeit des Bi­ metallauslösers dadurch zu schaffen, daß dieser selbst nicht stromdurchflossen ist, sondern aufgrund indirekter Beheizung die Einhaltung der Auslösebedingungen im Langzeitbereich ga­ rantiert. Derartig indirekt beheizte Auslösesysteme für sich und in Kombination mit direkt beheizten Auslösern sind bei­ spielsweise aus der DE 15 38 640 A1, der DE 20 13 916 A1 oder der FR 11 25 155 01 bekannt. Diese Anordnungen sind jedoch für sich allein nicht dazu geeignet, die eingangs genannten An­ forderungen zu erfüllen, da sie im Kurzzeitbereich von 0,1 bis 5 sec thermisch zu träge reagieren.

Darüber hinaus hat man in Zusammenhang mit diesen thermo­ mechanischen Auslösern strombegrenzende Einrichtungen nach der DE 11 41 012 B1 oder der DE 25 11 948 B2, bei denen die Schaltkontaktanordnungen elektrodynamisch betätigt werden, bisher noch nicht in Betracht gezogen.

In Anbetracht dessen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Hauptsicherungsauto­ maten der eingangs beschriebenen Art mit einem vertretbaren Aufwand selektiv wie kurz­ schlußfest auszubilden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von der Überlegung aus, für die Auslösung im Langzeitbereich einen indirekt beheizten, kurzschlußfesten Bimetallauslöser einzusetzen und dazu in Reihenschaltung einen direkt beheizten kurzschlußfesten Bimetallauslöser zu ver­ wenden. Dieses stromdurchflossene Bimetall ist dann so zu dimensionieren, daß es sich erst beim z. B. 5-fachen Nennstrom auszubiegen beginnt und damit automatisch bis z. B. 75-fachen Nennstrom kurzschlußfest ist.

Durch die Kombination des indirekt beheizten Bimetalls mit dem direkt beheizten Bimetall erreicht man ein kurzschlußfestes Auslösesystem, nach welchem sich die geforderte Strom­ zeitkennlinie des Hauptsicherungsautomaten praktisch über einen Bereich von 1,3 bis 75 xln erstreckt ohne das Gerät zu zerstören bzw. zu dejustieren.

Durch diese Maßnahme wird aber auch die eingangs beschriebene erste Selektivitätsforde­ rung zwischen Hauptsicherungsautomat und Leitungsschutzschalter erfüllt, nachdem im Kurzschlußfall der Leitungsschutzschalter durch seinen Magnetauslöser sehr schnell abschal­ tet, der verbleibende Stromzeitwert jedoch nicht ausreicht, die Bimetalle im Hauptsicherungs­ automaten auszubiegen und auszulösen.

Für die Erfüllung der zweiten Selektivitätsforderungen, nämlich zwischen Hauptsicherungsau­ tomat und Trafosicherung, ist hingegen folgender Mechanismus maßgebend:

Beginnend mit Kurzschlußströmen von einigen 1000 A wirken infolge der Stromschleife zwi­ schen direkt beheiztem Bimetall und seiner Stromzuführungsschiene aufgrund des Biot- Savart′schen Gesetzes auf das Bimetall zusätzliche Kräfte, die seine Ausbiegung unterstüt­ zen und die Auslösung beschleunigen. Je höher der Kurzschlußstrom wird, desto größer ist die abstoßende Kraft der gegensinnig stromdurchflossener Leiter und umso schneller erfolgt die Abschaltung über die Schaltmechanik.

Bei extrem hohen Kurzschlußströmen, wie sie z. B. in Trafonähe vorkommen können, ist es erforderlich, die Schaltkontakte so schnell zu trennen, daß der verbleibende Durchlaß- Stromzeitwert nicht ausreicht, die vorgeschaltete Sicherung abzuschmelzen, d. h. der Hauptsi­ cherungsautomat ist auch zur Trafosicherung selektiv.

Die Schaltkontakte müssen bei diesem Vorgang so schnell geöffnet werden, und zwar unab­ hängig und vor Bewegungsbeginn der Schaltmechanik, daß in diesem Fall die Entklinkung der Mechanik durch die sich öffnenden Schaltkontakte bewerkstelligt wird, damit sich die Kon­ takte nach der Abschaltung nicht wieder selbsttätig schließen. Deshalb wirken bei dem erfin­ dungsgemäßen Hauptsicherungsautomaten indirekt beheizte Bimetallauslöser, der direkt be­ heizte Bimetallauslöser und der elektrodynamische betätigte Kontakt als Auslöser auf die Schaltmechanik. Ein elektromagnetisch betätigter Auslöser, wie er in der Regel erforderlich ist, wird hingegen nicht benötigt. Das erfindungsgemäße System ist daher kurzschlußfest und eigensicher. Es verliert seine Kennlinientreue selbst bei extrem hohen Kurzschlußströmen nicht.

Desweiteren ist es möglich, die erfindungsgemäße Anordnung in den Abmessungen von han­ delsüblichen Leitungsschutzschaltern, also in einer Gehäusebreite von 18 mm, unterzubrin­ gen. Vorteilhaft ist es aber, schon um die Klemmen für Leitungen mit großen Anschlußquer­ schnitten unterzubringen, zwei Teilungsbreiten zu nutzen, um die Strombegrenzung durch die Verwendung mehrerer Kontakteinrichtungen noch weiter zu verbessern. Durch die Reihen­ schaltung von z. B. zwei Schaltkontakten mit Lichtbogenlöscheinrichtung wird bei der Kurz­ schlußabschaltung die Lichtbogenspannung am Schaltgerät verdoppelt, so daß sich durch die sich daraus ergebende starke Strombegrenzung nicht nur das Schaltvermögen extrem verbessert, sondern auch das Selektivitätsverhalten zur Sicherung günstig beeinflußt wird.

Durch die Verknüpfung der Wirkungsweise der drei Auslöser gemäß Fig. 1, ergibt sich für den Hauptsicherungsautomaten eine Zeitstromkennlinie, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Darin kennzeichnet a den Bereich, der durch den indirekt beheizten thermomechanischen Auslöser geschützt ist. Der Bereich b wird durch den direkt stromdurchflossenen thermomechanischen Auslöser geschützt und c stellt den Bereich dar, der durch die direkte Öffnung des bewegli­ chen Kontaktes im Kurzschlußfall geschützt wird.

Durch die redundante Wirkungsweise der drei Auslöser ist der Hauptsicherungsautomat bis zu seinem Nennkurzschlußschaltvermögen eigensicher und erfüllt die Anforderung bezüglich der Selektivität zum nachgeschalteten Leitungsschutzschalter und zur vorgeschalteten Siche­ rung, wie aus den Fig. 3 u. 4 ersichtlich ist. In Fig. 4 ist über dem prospektiven Kurzschluß­ strom der Joul′sche Durchlaßwert der einzelnen Schutzorgane, nämlich der Sicherung, des selektiven Hauptsicherungsautomaten und des Leitungsschutzschalters aufgetragen.

Der Kurvenverlauf in doppelt logarithmischer Darstellung zeigt, daß der Leitungsschutzschal­ ter bis zum Schnittpunkt A zum Hauptsicherungsautomaten selektiv ist - dieser wiederum bis zum Schnittpunkt B zur Sicherung.

In den Fig. 5 bis 10 ist die Erfindung an weiteren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Darstellung in Fig. 5 zeigt schematisch den Hauptsicherungs­ automaten in der Einschaltstellung mit Lichtbogenlöscheinrich­ tung, Schaltmechanismus, indirekt beheiztem Bimetallauslöser, direkt beheizten Bimetallauslöser und dem elektrodynamischen Kontaktsystem. Bei einem angenommenen Stromverlauf, ausgehend von der Anschlußklemme 1, fließt der Strom über die flexible Litze 2 durch das direkt beheizte thermomechanische Auslöse­ organ (Bimetallauslöser 3) über die feste Stromschiene 4 und über die Kontaktlagerstelle 5 durch den beweglichen Kontakt 6 über die Kontaktberührungsstelle 7 zum Festkontakt 8 und von dort über den Heizleiter dem indirekten Beheizung 9 des thermo­ mechanischen Auslöseorgans (Bimetallauslöser 10) zur Anschluß­ klemme 11. Die Reihenfolge dieser Anordnung ist an sich be­ liebig, es wird hier nur eine der verschieden möglichen Variationen gezeigt.

Wird nun der Hauptsicherungsautomat von einem Strom durchflossen, der dem thermischen Auslösestrom, also etwa dem der dem 1,3fachen des Nennstroms entspricht, dann wird sich der Heizleiter 9 erwärmen. Er wird diese Wärme an den Bimetallauslöser 10 weiterleiten, wo­ durch nach etwa einer Stunde das Bimetall die drehbar gelagerte Klinke 12 im Gegenzeiger­ sinn bewegt, die den Schaltmechanismus freigibt, der den Stromkreis durch Trennung der Kontakte 6, 8 unterbricht. Der direkt beheizte Bimetallauslöser 3 biegt sich bei diesem Vorgang nicht aus, da der geringe Strom nicht in der Lage ist, eine nennenswerte Krümmung herbeizuführen.

Bis zum ca. 5-fachen Nennstrom ist dieser Ablauf identisch, er entspricht dem Kurvenverlauf a in der Fig. 2. Ab dem 5-fachen Nennstrom tritt der direkt beheizte Bimetallauslöser 3 - als thermischer Schnellauslöser in Funktion. Bis zum ca. 75-fachen Nennstrom biegt das Bime­ tall des direkt beheizten Auslösers 3 sehr schnell aus und bewegt in wenigen Sekunden über den Schieber 13 die Klinke 12 im Gegenzeigersinn, so daß der Schaltmechanismus freigege­ ben und der Stromkreis unterbrochen wird. Unterstützt und beschleunigt wird die Auslösebe­ wegung des Bimetalls 3 durch die Stromkräfte der Stromschleife, nachdem sich bei höheren Strömen nach dem Biot-Savart′schen Gesetz bei gegensinnig stromdurchflossenen Leitern eine abstoßende Wirkung im Uhrzeigersinn auf das Bimetall ergibt. Dieses Auslöseverhalten entspricht dem Kurvenverlauf b in der Fig. 2.

Der indirekt beheizte Bimetallauslöser 10 reagiert bei dieser Belastung überhaupt nicht, weil wegen seiner thermischen Trägheit die Stromeinwirkdauer zu kurz ist. Mit dem direkt beheiz­ ten Bimetallauslöser 3 wird die Selektivität zum nachgeschalteten Leitungsschutzschalter er­ reicht, wie mit durch den Schnittpunkt A in Fig. 4 dargestellt.

Die Selektivität zur vorgeschalteten Sicherung wird hingegen mit dem elektrodynamisch be­ tätigten Kontaktsystem, das bei hohen Strömen als Auslöser fungiert, und aus der Strom­ schiene 4 und dem beweglichen Kontakt 6 besteht, erreicht. Durch die im Kurzschlußfall sehr hohe abstoßende Kraft in der Stromschleife, wird der bewegliche Kontakt 6 sehr stark im Uhrzeigersinn beschleunigt, wodurch die Kontakte schlagartig getrennt und der Stromkreis unterbrochen wird. Bei der Bewegung des beweglichen Kontaktes 6, wird durch dessen Anschlag 14 zusätzlich die Klinke 12 im Gegenzeigersinn gedreht und der Schaltmechanis­ mus freigegeben. Dies verhindert, daß der Kontakt 6 nicht noch während der Abschaltung unter der Wirkung der Kontaktfeder 15 an den Festkontakt 8 zurückgeführt wird, sondern durch den Schaltmechanismus offengehalten wird. Dabei sind die Bimetallauslöser 3 und 10 thermisch zu träge, so daß sie in die Abschaltung nicht eingreifen können. Das Auslö­ severhalten entspricht dem Bereich c der Kennlinie in Fig. 2.

Durch die schnelle Kontaktöffnung, im Zusammenwirken mit der Lichtbogenlöscheinrichtung, wird der Kurzschlußstrom stark begrenzt. Der verbleibende Durchlaßwert reicht bis zum Schnittpunkt B in Fig. 4 nicht aus, die vorgeschaltete Sicherung zum Ansprechen zu bringen. Dieser Effekt kann durch Hintereinanderschalten mehrerer Schaltkontaktsysteme mit Lö­ scheinrichtung noch wesentlich verbessert werden. So ist es möglich, auf diese Weise die Strombegrenzung derart zu steigern, daß Trafosicherungen größer als 125 A Nennstrom bis 100 kA Kurzschlußstrom überhaupt nicht mehr ansprechen, sondern der Hauptsicherungsau­ tomat die Abschaltung allein übernimmt. Eine Anordnung mit mehreren Kontaktsystemen, die in Reihe geschaltet sind, zeigt die erfinderische Lehre in der Anwendung auf einen aus der WO 90113903 bekannten Leitungsschutzschalter in Fig. 10. Die Darstellung in Fig. 6 zeigt schematisch die Ausschaltstellung. In den Fig. 7, 8 u. 9, sind mögliche Ausführungsfor­ men des Hauptsicherungsautomaten und der Bimetallauslöser dargestellt.

Claims (3)

1. Elektrischer Hauptsicherungsautomat zum selektiven Schutz der nachgeschalteten und für sich gesondert abgesicherten Ver­ braucherstromkreise gegen Kurzschluß und Überlastung mittels verschiedener, auf eine Schaltmechanik für die Schaltkontakt­ anordnung wirkender Auslöseorgane, bei welchem zur Nachbildung der Auslösecharakteristik einer Schmelzsicherung innerhalb des Hauptstrompfades ein thermomechanisches Auslöseorgan (3) mit direkter, ein thermomechanisches Auslöseorgan (10) mit in­ direkter Beheizung (9) und eine elektrodynamisch betätigte Kontaktanordnung (6, 8) in Reihe geschaltet sind und die drei einzelnen Auslöseorgane jeweils für sich auf eine ihnen ge­ meinsame Schaltmechanik wirken.

2. Hauptsicherungsautomat nach Anspruch 1, mit einer Kombina­ tionsmöglichkeit mehrerer Geräte, von denen nur eines über die Schaltmechanik verfügt, wogegen die anderen als Repul­ sionskontaktanordnungen wirken.

3. Hauptsicherungsautomat nach Anspruch 2, bei welchem eines der als Repulsionskontakt wirkenden Geräte einer Kombination mit einem extern ansteuerbaren Fernantrieb ausgestattet ist.