DE60029915T2

DE60029915T2 - Shunt für ein indirekt geheiztes Bimetall

Info

Publication number: DE60029915T2
Application number: DE60029915T
Authority: DE
Inventors: Thomas G. Farmington O'Keeffe; Alan L. Burlington Arvidson; James Canton Fulton; Daniel John Burlington Schlitz; Stephen Bristol Wuest; Paul Farmington Lafferty
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: US6215379B1; EP1111642A2; DE60029915D1; EP1111642B1; PL344567A1; EP1111642A3; PL195504B1

Description

Diese Erfindung betrifft das Thema von Nebenschlusswiderständen für indirekt erhitzte Bimetallstreifen. Obwohl er insbesondere zur Verwendung in Leitungsschutzschaltern geeignet ist, ist der Nebenschlusswiderstand dieser Erfindung für die Erhitzung jedes Bimetallstreifens nützlich.
Leitungsschutzschalter, welche indirekt erhitzte Bimetallstreifen verwenden, sind allgemein bekannt. Ein Nebenschlusswiderstand oder Heizband ist an einem Ende eines Bimetallstreifens mittels Hartlötung, Nieten oder Schrauben verbunden. Durch den Nebenschlusswiderstand fließt elektrischer Strom aus einem Verteilungsnetz. Wenn ein Überstromzustand auftritt, erzeugt der Nebenschlusswiderstand Wärme, welche über die Verbindungsstelle des Nebenschlusswiderstandes und des Bimetallstreifens auf den Bimetallstreifen übertragen wird. Der Bimetallstreifen ist aus zwei Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten so geformt, dass sich ein freies Ende des Bimetallstreifens biegt oder auslenkt, wenn die Temperatur des Bimetallstreifens eine vorbestimmte Temperatur überschreitet. Wenn die Temperatur des Bimetallstreifens den vorbestimmten Wert überschreitet, biegt sich das freie Ende des Bimetallstreifens, um ein mit einem Paar trennbarer Kontakte innerhalb des Leitungsschutzschalters verbundenes Gestänge zu betätigen. Das Gestänge öffnet dann das Kontaktpaar, um den Strom zu unterbrechen und dadurch eine Last vor dem Überstromzustand zu schützen.
Leitungsschutzschalter, welche derartige indirekt erhitzte Bimetallstreifen verwenden, sind allgemein bekannt. Es ist jedoch erwünscht, die Reaktionszeit zur Erzielung der ge wünschten Temperaturverteilung über dem Nebenschlusswiderstand und dem Bimetallstreifen zu reduzieren, um dadurch den Zeitbedarf zum Auslösen des Unterbrechers bei einem Überstromzustand zu reduzieren. Es ist auch erwünscht, die Temperatur-Überhitzungspunkte an den Außenenden des Nebenschlusswiderstandes zu reduzieren oder zu beseitigen. Es wurden bereits Versuche in der herkömmlichen Technik gemacht, sich mit diesen Mängeln zu beschäftigen, indem in dem Nebenschlusswiderstand zum Beispiel runde, rechteckige oder geschlitzte Öffnungen erzeugt werden. Obwohl sie bis zu einem gewissen Grad wirksam sind, lassen diese herkömmlichen Lösungsansätze noch Raum zur Verbesserung.
In einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist ein Nebenschlusswiderstand für einen Bimetallstreifen aus einem Stück eines elektrisch- und wärmeleitenden Materials mit einer Dicke "t" über den größten Teil seiner Länge ausgebildet. Ein Abschnitt reduzierter Dicke in dem Stück des elektrisch- und wärmeleitenden Materials besitzt eine Dicke, die von 20% bis 80% der Dicke "t" reicht. Dieser Abschnitt mit reduzierter Dicke erzeugt einen lokalisierten heißen Bereich, welcher die Zeit verringert, die zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur sowohl in dem Nebenschlußwiderstand, an diesem lokalisierten Überhitzungspunkt, als auch in dem Bimetallstreifen, erforderlich ist und reduziert die Auslösezeit des Nennleitungsschutzschalters. Der lokalisierte Überhitzungspunkt in dem Nebenschlusswiderstand führt zu erhöhten Temperaturen entlang des Bimetallstreifens. Dieses wiederum erhöht die Biegung des Bimetallstreifens für eine größere Betätigungskraft oder einen größeren Bewegungsbereich. Als Folge des größeren Bewegungsbereichs kann der Abstand zwischen dem Bimetallstreifen und der Leitungsschutzschalterauslöse stange vergrößert werden, um ärgerliches Fehlauslösen zu reduzieren.
Das Dokument US2 043 306 offenbart eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7.
Die Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Seitenansicht eines einen Nebenschlusswiderstandes der vorliegenden Erfindung enthaltenden Leitungsschutzschalters ist.
2 eine perspektivische Ansicht des Nebenschlusswiderstandes von 1 ist;
3 eine Querschnittsaufrissansicht des Nebenschlusswiderstandes von 1 ist;
4 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs mit reduzierter Dicke des Nebenschlusswiderstandes von 3 ist;
5 eine Seitenaufrissansicht ähnlich der von 3 ist, und die einen an dem Nebenschlusswiderstand befestigten Bimetallstreifen darstellt; und
6 ein Graph ist, welcher eine Leitungsschutzschalter-Auslösezeit als eine Funktion des Nennstroms zum Vergleich der vorliegenden Erfindung mit dem Stand der Technik darstellt.
Gemäß 1 enthält eine Ausführungsform eines insgesamt bei 10 dargestellten Leitungsschutzschalters eine Wärmeauslöseeinheit 12. Der Leitungsschutzschalter 10 ist elektrisch mit einem (nicht dargestellten) elektrischen Verteilungsnetz über netz- und lastseitige Verbindungen 14, 16 verbunden, um einen Überstromschutz für das Verteilungsnetz bereit zu stellen. Der Leitungsschutzschalter 10 enthält ein Paar beweglicher Kontakte 18, 20, die auf gegenüberliegenden Enden eines rotierenden Kontaktarms 22 angeordnet sind. Die beweglichen Kontakte 18, 20 befinden sich in einer gegenüberliegenden Ausrichtungen zu festen Kontakten 24 bzw. 26. Der rotierende Kontaktarm 22 ist schwenkbar an dem Leistungsschutzschalterrahmen bei 28 befestigt. Der rotierende Kontaktarm 22 steht mit einem Leitungsschutzschalter-Betätigungsmechanismus 30 an einem Paar von Schwenkeingriffstellen 32, 34, die zwischen den beweglichen Kontakten 18, 20 eingefügt sind, in Eingriff.
Der Wärmeauslöserabschnitt 12 enthält einen Bimetallstreifen 34 mit einem Ende, das an einem Nebenschlusswiderstand 38 über einen Niet 38 befestigt ist. Obwohl ein Niet 38 zur Verbindung der Bimetallstreifens 34 mit dem Nebenschlusswiderstand 36 dargestellt ist, könnte der Bimetallstreifen 34 mit dem Nebenschlusswiderstand (Heizband) 36 durch Hartverlötung, Schrauben oder irgendwelche andere, im Fachgebiet bekannte Mittel verbunden sein. Der Nebenschlusswiderstand 36 ist elektrisch mit einem Kontaktband 48 am Ende des Nebenschlusswiderstandes 36 verbunden. Das andere Ende des Nebenschlusswiderstandes 36 bildet eine lastseitige Verbindung 16, welche elektrisch mit dem elektrischen Verteilungsnetz verbunden ist.
Der Betätigungsmechanismus 30 enthält eine Reihe von Gestängen und Hebeln, um den rotierenden Kontaktarm 22 und die Wärmeauslöseeinheit 12 zu verbinden. Der Hebel 42 arbeitet mit der Wärmeauslösereinheit 12 zusammen, um eine Auslöserklinke 44 des Betätigungsmechanismus 30 zu betätigen und die beweglichen Kontakte 18, 20 von den festen Kontakten 24, 26 zu trennen.
Der Bimetallstreifen 34 erzeugt die Wärmeauslösung für einen Überstromzustand. Ein erhöhter Strom erzeugt Wärme in dem Nebenschlusswiderstand 36, welcher den Bimetallstreifen 34 weiter aufheizt. Wenn die Temperatur des Bimetallstreifens 34 einen vorbestimmten Sollwert überschreitet, biegt das sich das freie Ende des Bimetallstreifens 34, um den Hebel 42 zu betätigen, was die Auslösesperre 44 des Betätigungsmechanismus 30 löst. Der Betätigungsmechanismus 30 trennt dann die beweglichen Kontakte 18, 20 von den festen Kontakten 24, 26, um den Strom zu unterbrechen, um dadurch die Lastseite des Verteilungsnetzes vor der Überstromzustand zu schützen.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Nebenschlusswiderstandes 36. Der Nebenschlusswiderstand 36 ist aus einem elektrisch- und wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium aufgebaut und ist in einer gewünschten Form abhängig von dem Leitungsschutzschalter ausgebildet, in welchem er verwendet werden soll. Insbesondere ist der Nebenschlusswiderstand 36 aus einem Kupfermaterial mit einigen Kupferderivaten, wie zum Beispiel Titan, Messing, Zinn oder Chrom aufgebaut. Gemäß Darstellung weist der Nebenschlusswiderstand 36 einen im Wesentlichen vertikalen Hauptkörperabschnitt 50, einen oberen im Wesentlichen horizontalen Abschnitt 52, einen unteren im Wesentlichen horizontalen Abschnitt 54 und einen lastseitigen Verbindungsabschnitt 16 auf, welcher im Wesentlichen horizontal ist. Der obere Abschnitt enthält eine Öffnung 56, die auf einer sich aus dem oberen Abschnitt 52 erstreckenden Lasche 58 ausgebildet ist, die eine Verbindung zwischen dem Nebenschlusswiderstand 36 und dem Kontaktband 40 (1) ermöglicht. Der Hauptkörperabschnitt 50 enthält längliche Schlitze 60 und Öffnungen 62, die in dessen mittigen Bereich ausgebildet sind. Die Öffnungen 62 ermöglichen eine Nietverbindung zwischen dem Nebenschlusswiderstand 36 und Bimetallstreifen 34 (1). Die länglichen Schlitze 60 tragen dazu bei, die Temperatur des Nebenschlusswiderstandes 36 an einer Stelle zwischen den länglichen Schlitzen 60 zu erhöhen. Ein unterer Abschnitt 54 enthält eine Öffnung 64, die in dessen mittigen Bereich ausgebildet ist und Schlitze 66, die sich aus dessen Seitenkanten erstrecken. Die Öffnung 64 und die Schlitze 66 ermöglichen eine Befestigung des Nebenschlusswiderstandes 36 in den Leitungsschutzschalter. Eine in dem lastseitigen Abschnitt 16 ausgebildete Öffnung ermöglicht eine Verbindung mit einer Phase eines elektrischen Verteilungsnetzes. Die in den Zeichnungen dargestellte Gesamtform ist veranschaulichend und für die Erfindung nicht erforderlich. Die Lasche 58, die Öffnungen 56, 62, 64 und 68 und Schlitze 60, 66 sind optional. Derartige Laschen, Öffnungen, Schlitze und dergleichen können abhängig von dem Leitungsschutzschalter, in welchem der Nebenschlusswiderstand 36 verwendet werden soll, hinzugefügt oder entfernt werden.
Die Dicke "t" des den Nebenschlusswiderstand 36 ausbildenden Materials ist im Wesentlichen über die gesamte Länge des Nebenschlusswiderstands mit Ausnahme des zwischen den Linien A und B definierten Bereichs 70 konstant. Der Bereich 70 erstreckt sich über die gesamte Breite des Heizbandes 10. Wie es am Besten in der in 3 dargestellten Querschnittsan sicht des Nebenschlusswiderstandes 36 zu sehen ist, ist die Dicke "r" des Nebenschlusswiderstandes im Bereich 70 auf eine Dicke in dem Bereich von 20% bis 80% der Dicke "t" reduziert.
4 ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnittes 70 des Nebenschlusswiderstandes 36 mit verringerter Dicke. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Übergangszonen 100 von dem Teilen mit voller Dicke "t" des Nebenschlusswiderstandes zu dem Abschnitt 70 mit reduzierter Dicke "r" sanfte Schrägen. Der Nebenschlusswiderstand kann jedoch ohne Übergangszonen 10 ausgebildet sein. Der heißt, der Übergang von der vollen Dicke "t" zu dem Abschnitt 70 mit reduzierter Dicke ist ein scharfer Abfall. Die Strecke von dem Punkt A mit voller Dicke zu dem Punkt B mit voller Dicke ist mit "y" bezeichnet. Ferner ist die Dicke "r" des Abschnittes 18 mit vollständig reduzierter Dicke gleich t – x, wobei "x" der Betrag des von der vollen Dicke "t" des Nebenschlusswiderstandes entfernten Materials ist. Der gestrichelt dargestellte Bimetallstreifen 34 berührt eine Oberfläche 102 des Abschnittes 70 mit reduzierter Dicke des Nebenschlusswiderstandes 36. Eine Oberfläche 102 ist auf einer Seite des Nebenschlusswiderstandes 36 ausgebildet, die der Seite gegenüberliegt, von welcher das leitende Material entfernt ist. Der Nebenschlusswiderstand 36 und der Streifen 34 stehen über eine Strecke "z" entlang der Oberfläche 102 in Kontakt. Die Leitungswärmeübertragung aus dem Nebenschlusswiderstand 36 auf den Bimetallstreifen 34 erfolgt über diesen Abschnitt der Oberfläche 102. Man kann sehen, dass sich die Strecke "y" und die Strecke "z" überlappen. Das heißt, ein Teil des Abschnittes 70 (A – B) mit reduzierter Dicke steht mit dem Bimetallstreifen 34 in Kontakt. In der dargestellten Ausführungsform ist die Strecke "y" angenähert gleich der Strecke "z". Die Strecke "y" kann jedoch von 3% bis 200% der Strecke "z" reichen.
5 ist eine Seitenansicht eines Bimetallstreifens 34, der an dem Nebenschlusswiderstand 36 bei dem Bereich 70 reduzierter Dicke befestigt ist. Die in 5 mit durchgezogener Linie dargestellte Position des Bimetallstreifens 34 ist der nicht erwärmte oder gering erwärmte Zustand, die keinem Stromfluss durch den Nebenschlusswiderstand 36 entspricht. Der Bimetallstreifen 34 ist normalerweise über eine vorbestimmte Strecke in "d" von dem Amt 42 des Leitungsschalterbetätigungsmechanismus 30 (siehe 1) entfernt angeordnet. Wenn elektrischer Strom durch den Nebenschlusswiderstand 36 fließt, wird Wärme aus dem Nebenschlusswiderstand 36 auf dem Bimetallstreifen 34 über die Verbindung zwischen dem Nebenschlusswiderstand 36 und dem Bimetallstreifen 34 bei dem Bereich 70 übertragen. Wenn die Temperatur des Bimetallstreifens 34 einen vorbestimmten Grenzwert erreicht, biegt sich der Bimetallstreifen 22 aus der Position mit durchgezogener Linie in die Position mit gestrichelter Linie, um den Arm 58 zu berühren, und dadurch den Leitungsschalter zur Öffnung zu veranlassen und eine Schaltkreisüberlastung zu verhindern. Die Wärmemenge und somit der Biegungsgrad des Bimetallstreifens 34 ist eine Funktion der Temperaturverteilung über den Nebenschlusswiderstand 36.
Die Hinzufügung eines reduzierten Abschnittes 70 zu dem Nebenschlusswiderstand 36 führt zu einem "Überhitzungspunkt" mit erhöhter lokalisierter Temperatur in dem Nebenschlusswiderstand bei dem Abschnitt 70. Diese erhöhte Temperatur wirkt sich direkt in einer Zunahme in der Biegung des Bimetallstreifens 34 für jeden vorgegebenen Strompegel aus. Diese erhöhte Temperatur und die erhöhte Biegung treten sowohl für einen Stromfluss im stabilen Zustand als auch im Übergangszustand im Nebenschlusswiderstand 36 auf. Die erhöhte Tempera tur ist auf den reduzierten Abschnitt 70 lokalisiert und in dem Rest des Nebenschlusswiderstandes 36 herrschen niedrigere Temperaturen vor. Somit ist der Nebenschlusswiderstand der vorliegenden Erfindung eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dahingehend, dass der Nebenschlusswiderstand der vorliegenden Erfindung die Überhitzungspunkte an den Außenenden des Nebenschlusswiderstandes verringert und den Überhitzungspunkt an einer bevorzugten Stelle begrenzt.
Die sich aus der erhöhten Temperatur des Überhitzungspunktes 70 ergebende vergrößerte Biegung des Bimetallstreifens 34 führt zu einem größeren Biegebereich und/oder einer größeren Betätigungskraft für einen gegebenen Stromfluss. Daher kann die Strecke "d" im stabilen Zustand zwischen dem Bimetallstreifen 34 und dem Amt 42 vergrößert werden. Dieses verhindert eine ärgerliche Fehlauslösung. Ferner hat der lokalisierte Überhitzungspunkt für den reduzierten Abschnitt 70 das unerwartete Ergebnis einer Reduzierung der Auslösezeit bei Erstinbetriebnahme- und Überstromzuständen.
6 ist ein Graph, welcher die Leitungsschutzschalterauslösezeit als eine Funktion des Nennstroms für verschiedene Nebenschlusswiderstandauslegungen darstellt. Mehrfache von Mittelwert-Nennströmen von 250 Ampere sind auf der X-Achse aufgetragen und die Auslösezeit in Sekunden ist auf der Y-Achse aufgetragen. Die Kurve 4 stellt die Auslösezeit für einen herkömmlichen Nebenschlusswiderstand mit einer gleichmäßigen Dicke von 1,8 bis 2,2 mm dar. Die Kurve 3 stellt die Auslösezeit für einen Nebenschlusswiderstand der vorliegenden Erfindung mit einer Dicke von 1,8 bis 2,2 mm; einer Abmessung "y" (gemäß Darstellung in 4) von 6 mm und einer Abmessung "x" (gemäß Darstellung in 4) von 0,5 mm dar. Die Kurve 2 stellt die Auslösezeit für einen Nebenschlusswider stand der vorliegenden Erfindung mit einer Dicke von 1,8 bis 2,2 mm, einer Abmessung "y" (gemäß Darstellung in 4) von 6 mm und einer Abmessung "x" (gemäß Darstellung in 4) von 1 mm dar. Die Kurve 1 stellt die Auslösezeit für einen Nebenschlusswiderstand der vorliegenden Erfindung mit einer Dicke von 1,8 bis 2,2 mm, einer Abmessung "y" (gemäß Darstellung in 4) von 8 mm und einer Abmessung "x" (gemäß Darstellung in 4) von 1 mm dar. Alle durch die Kurven 1 bis 4 dargestellten Nebenschlusswiderstände sind aus demselben Material aufgebaut. Die Darstellung von 5 zeigt, dass der Nebenschlusswiderstand der vorliegenden Erfindung eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dahingehend darstellt, dass der Nebenschlusswiderstand der vorliegenden Erfindung die Zeitdauer zum Auslösen des Schalters bei einem Überstromzustand verringert.

Claims

Nebenschlusswiderstand (36) für einen Bimetallstreifen (34), mit: einem Stück eines elektrisch- und wärmeleitenden Materials mit einer Dicke "t" über den größten Teil seiner Länge, gekennzeichnet durch einen Abschnitt reduzierter Dicke (70) in dem Stück des elektrisch- und wärmeleitenden Materials mit einer Dicke, die von 20% bis 80% der Dicke "t" reicht.
Nebenschlusswiderstand (36) nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt reduzierter Dicke (70) erste und zweite Übergangszonen (100) von der Dicke "t" zu dem Abschnitt der reduzierten Dicke (70) aufweist.
Nebenschlusswiderstand (36) nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Bimetallstreifen (34), der an dem Stück des elektrisch- und wärmeleitenden Materials an der Stelle des Abschnittes reduzierter Dicke (70) angebracht ist.
Nebenschlusswiderstand (36) nach Anspruch 3, wobei der Bimetallstreifen (34) mit einer Oberfläche (102) des Stückes aus elektrisch- und wärmeleitenden Materials über eine Strecke "z" entlang des Stücks des elektrisch- und wärmeleitenden Materials in Kontakt steht, wobei sich der Abschnitt reduzierter Dicke (70) über eine Strecke "y" entlang des Stück des elektrisch- und wärmeleitenden Ma terials erstreckt, und die Strecke "y" 3% bis 200% der Strecke "z" ist.
Nebenschlusswiderstand (36) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich der Abschnitt reduzierter Dicke (70) entlang einer gesamten Breite des Stückes des elektrisch- und wärmeleitenden Materials erstreckt.
Nebenschlusswiderstand (36) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ferner erste und zweite Schlitze (60, 66) aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Abschnittes reduzierter Dicke (70) angeordnet sind.
Wärme-Auslösereinheit (12) zur Schaffung eines Überstromschutzes in einem Leitungsschutzschalter (10), wobei die Wärme-Auslösereinheit (12) aufweist: einen Nebenschlusswiderstand (36), der aus einem Stück eines elektrisch leitenden Materials mit einer Dicke "t" über den größten Teil seiner Länge ausgebildet ist; einen Bimetallstreifen (34) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende an dem Nebenschlusswiderstand (36) befestigt ist und das zweite Ende so angeordnet ist, dass es mit einem Leitungsschutzschalter-Betätigungsmechanismus (30) in Wechselwirkung steht, wobei der Nebenschlusswiderstand (36) einen Abschnitt reduzierter Dicke (70) unmittelbar an dem ersten Ende aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt reduzierter Dicke (70) eine Dicke (r) aufweist, die von 20% bis 80% der Dicke "t" reicht.
Einheit (36) nach Anspruch 7, wobei der Abschnitt reduzierter Dicke (70) erste und zweite Übergangszonen (100) von der Dicke "t" zu dem Abschnitt reduzierter Dicke (70) hin aufweist.
Einheit (36) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Bimetallstreifen (34) mit einer Oberfläche (102) des Nebenschlusswiderstandes (36) über eine Strecke "z" entlang des Stücks in Kontakt steht, wobei sich der Abschnitt reduzierter Dicke (70) über eine Strecke "y" entlang des Stücks erstreckt und die Strecke "y" 3% bis 200% der Strecke "z" ist.
Einheit (36) nach Anspruch 7, 8, 9, wobei sich der Abschnitt reduzierter Dicke (70) entlang einer gesamten Breite des Nebenschlusswiderstandes erstreckt.
Einheit (36) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, welche erste und zweite Schlitze (60, 66) aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Abschnittes reduzierter Dicke (70) angeordnet sind.