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- – Die
Erfindung betrifft eine selektive Auslöseeinrichtung nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1, die einem Schaltmechanismus eines elektrischen
Leistungsschalters zugeordnet ist.
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Die
Selektivität
von Schutzeinrichtungen in elektrischen Leitungsnetzen kann als
Voll- oder Teilselektivität
ausgeführt
sein, um Betreibern die bestmögliche
Verfügbarkeit
der Energieversorgung zu gewährleisten.
Bei einer vollen Selektivität
bewirkt das Auftreten eines Fehlerstroms, von der Überlast bis
zum satten Kurzschluss, die Abschaltung des nächsten vorgeschalteten Leistungsschalters,
während
der Hauptleistungsschalter eingeschaltet bleibt. Bei einer Teilselektivität wird die
oben beschriebene Bedingung nicht bis zum Maximalwert des Kurzschlussstroms,
sondern bis zu einem Grenzwert erfüllt, der als Selektivitätsgrenze
bezeichnet wird.
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In
den beiden Druckschriften FR-A-796774 und
DE 1041585 wird jeweils ein Leistungsschalter mit
einem elektromagnetischen Betätigungsorgan beschrieben,
das zwei voneinander unabhängige
bewegliche Anker umfasst. Einer der beiden Anker ist mit einer Verzögerungseinrichtung
gekoppelt, um bei Auftreten einer länger andauernden Überlast
die zeitverzögerte
Auslösung
zu bewirken. Der andere Anker bewirkt eine unverzögerte Auslösung bei
Auftreten eines Kurzschlussstroms. Die beiden beweglichen Anker
sind auf einer gemeinsamen Schwenkachse montiert.
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Aus
der Druckschrift
FR 2.353.980 ist
ein Selektivauslöser
mit einem elektromagnetischen Betätigungsorgan bekannt, das bei
Auftreten von zwei aufeinander folgenden Stromwellen, deren Amplitude über einem
festgelegten Ansprechwert liegt, eine zeitverzögerte Auslösung des Schaltmechanismus' des Leistungsschalters
bewirkt. Eine weitere, Schnellauslösung kann bei einem satten
Kurzschluss wirksam werden, um die unverzögerte Abschaltung des Leistungsschalters
zu bewirken, wenn der Strom den zweiten Ansprechwert übersteigt.
Eine solche Auslöseeinrichtung
kommt üblicherweise
in industriellen Leistungsschaltern mit hohen Nennströmen zum
Einsatz.
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Aus
der Druckschrift
FR 2.621.748 ist
eine Anordnung bekannt, in der ein in der Nähe der Kontakte angeordneter
Lichtwellenleiter bei Kontaktrückprall
eine unverzögerte
Detektion des Lichtbogens erlaubt, um die Schnellauslösung des
Leistungsschalters im Fehlerfall zu bewirken.
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In
der Druckschrift
FR 2.661.776 wird
eine Anordnung beschrieben, bei der der durch die Entstehung eines
Lichtbogens erzeugte Druck dazu genutzt wird, um eine unverzögerte Auslösung über einen
Kolbenmechanismus zu bewirken.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine selektive Auslöseeinrichtung
mit einem leistungsfähigen
elektromagnetischen Betätigungsorgan zu
schaffen.
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erfindungsgemäße Auslöseeinrichtung
ist durch den Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet.
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Nach
einem kennzeichnenden Merkmal der Erfindung ist der Fliehkörper des
Zeitverzögerungsmechanismus' auf einem Trägerhebel
montiert, der begrenzt drehbar auf einer Achse gelagert ist und
einen Rastanschlag umfasst, der dazu dient, bei der ersten Stromhalbwelle
den Steuerhebel in einer Zwischenstellung des ersten Magnetankers
anzuhalten, wobei die nachfolgende zweite Stromhalbwelle die Freigabe
des Rastanschlags bewirkt, so dass der erste Magnetanker seine Bewegung
in Richtung der Anzugsstellung fortsetzen kann und so die zeitverzögerte Auslösung bewirkt,
indem der Betätigungsstößel in Anschlag
gegen den Auslösehebel
des Mechanismus' gelangt.
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Nach
einer vorzugsweisen Ausgestaltung umfasst das Wirkende der Schlageinrichtung
der zweiten Auslösebaugruppe
einen, dem Auslösehebel gegenüber liegenden,
hervorstehenden Abschnitt sowie einen, dem beweglichen Kontaktarm
gegenüber liegenden
eingezogenen Abschnitt, wobei die Detektion des zweiten Rückprallschwellwerts
durch Anziehung des zweiten Magnetankers die Selektivität aufhebt
und eine unverzögerte
Auslösung
des Mechanismus' bewirkt.
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Die
Detektion des Rückprallschwellwerts durch
Anziehung des zweiten Magnetankers hebt die Selektivität auf, da
die Auslösung
unverzögert
erfolgt. Die Selektivität
ist eine Teilselektivität,
da sie nur zwischen dem ersten, magnetischen Ansprechwert und dem
zweiten Rückprallschwellwert
wirksam ist.
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Nach
anderer Ausbildung weist die Schlageinrichtung keinen hervorstehenden
Abschnitt auf und wirkt bei Auftreten der ersten Halbwelle ausschließlich auf
den Kontaktarm, wobei die Auslösung
des Mechanismus' bei
Auftreten der zweiten Halbwelle durch den Betätigungsstößel erfolgt. In diesem Fall handelt
es sich um eine volle Selektivität.
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Zum
besseren Verständnis
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile und Merkmale näher
erläutert.
Dabei zeigen
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1 eine
Vorderansicht des mit der erfindungsgemäßen selektiven Auslöseeinrichtung
ausgerüsteten
Leistungsschalters;
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2 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht der selektiven Auslöseeinrichtung
aus 1;
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3 eine
Vorderansicht der ersten Auslösebaugruppe
für eine
zeitverzögerte
Auslösung
des Betätigungsorgans
aus 2;
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4 eine
Vorderansicht der zweiten Auslösebaugruppe
für eine
unverzögerte
Auslösung
des Betätigungsorgans
aus 2;
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5 eine
schematische Ansicht der Auslöseeinrichtung
bei Normalbetrieb des Leistungsschalters;
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6 bis 8 zu 5 analoge
Ansichten bei einem Scheitelwert des Stroms zwischen dem ersten,
magnetischen Ansprechwert und dem zweiten Rückprallschwellwert;
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9 bis 11 zu 5 analoge
Ansichten bei einem Scheitelwert des Stroms über dem zweiten Rückprallschwellwert;
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12 eine
zu 1 ähnliche
Ansicht einer Ausführungsvariante
ohne Darstellung der Lichtbogenlöschkammer;
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13 eine
perspektivische Ansicht der Auslöseeinrichtung
aus 12;
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14 eine
Vorderansicht der Auslöseeinrichtung
aus 12.
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Die 1 und 2 zeigen
einen Leistungsschalter 10, der in einem Isolierstoffgehäuse 11 angeordnet
ist und einen feststehenden Kontakt 12, einen, auf einem
verschwenkbaren Kontaktarm 16 montierten beweglichen Kontakt 14,
einen, einem Handbetätigungs-Schaltknebel 20 sowie
automatischen Fehler-Auslösemitteln
zugeordneten Schaltmechanismus 18 sowie eine Lichtbogenlöschkammer 22 mit
Entionisierungsblechen 24 umfasst, die dazu dienen, den
bei Trennung der Kontakte 12, 14 zwischen diesen
abbrennenden Lichtbogen zu löschen.
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Der
Schaltmechanismus 18 ist beispielsweise gemäß der in
der Druckschrift EP-A295 158 beschriebenen Bauart ausgeführt und
umfasst einen Auslösehebel 26,
der mit einem Verklinkungshebel 28 zusammenwirkt, welcher über eine
Kopplungsstange 30 mit dem Schaltknebel 20 verbunden
ist. Der Kontaktarm 16 ist auf einer drehbaren Platte 32 montiert,
die zwischen einer Einschaltstellung und einer Ausschaltstellung
der Kontakte 12, 14 verschwenkt werden kann.
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Die
Auslösemittel
des Leistungsschalters 10 umfassen eine selektive Auslöseeinrichtung,
die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 34 bezeichnet ist und
aus einem elektromagnetischen Betätigungsorgan 36 mit
einem ortsfesten Magnetkreis 38 und zwei beweglichen Magnetankern 40, 42 besteht.
Die Erregung des Betätigungsorgans 36 erfolgt
durch einen über
einen Leiter 44 des Hauptstromkreises fließenden Strom,
der in dem den beiden unterschiedlichen Magnetankern 40, 42 gegenüberliegenden
Luftspalt 45 des Magnetkreises 38 ein Magnetfeld
erzeugt. Der Leiter 44 trägt an einem seiner Enden den feststehenden
Kontakt 12 und ist an seinem gegenüberliegenden Ende mit einem
Anschluss 43 verbunden.
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Aus 3 geht
hervor, dass der erste, obere Magnetanker 40 des Betätigungsorgans 36 Teil
einer ersten, zeitverzögerten
Auslösebaugruppe 46 ist,
die einen fest mit einem ersten Stützelement 50 des Magnetankers 40 verbundenen
Betätigungsstößel 48 umfasst.
Das Stützelement 50 ist
schwenkbar auf einer Gelenkachse 52 montiert, und eine
erste Rückstellfeder 54 ist
einem Einstellhebel 56 zugeordnet, der dazu dient, den
ersten Magnetanker 40 in Richtung einer Rückzugs-Ruhestellung
zu beaufschlagen, wenn die durch den Magnetkreis 38 ausgeübte Anziehungskraft
kleiner ist als die Rückstellkraft
der Feder 54. Auf der dem Magnetanker 40 entgegengesetzten
Seite ist ein Steuerhebel 58 am ersten Stützelement 50 angeordnet,
der mit einem Zeitverzögerungsmechanismus 60 mit
Fliehkörper 62 zusammenwirkt,
welcher Fliehkörper
auf einem, begrenzt drehbar auf einer Achse 66 gelagerten
Trägerhebel 64 montiert
ist.
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Der
Trägerhebel 64 ist
mit einem Rastanschlag 68, der dazu dient, gegen den Steuerhebel 58 geführt zu werden,
sowie mit einer Doppelfeder 70 mit zwei Schenkeln 70a, 70b unterschiedlicher
Länge versehen.
Der Zeitverzögerungsmechanismus 60 ist
zwischen der Lichtbogenlöschkammer 22 und dem
Leiter 44 angeordnet, der sich an einer schmalen Seitenwand
des Gehäuses 11 (1)
abstützt.
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4 zeigt,
dass der zweite, untere Magnetanker 42 des Betätigungsorgans 36 Teil
einer zweiten, unverzögerten
Auslösebaugruppe 76 ist,
die mit einer, an einem zweiten Stützelement 89 des Magnetankers 42 befestigten
Schlageinrichtung 78 ausgerüstet ist. Das zweite Stützelement 80 ist
an eine Achse 82 angelenkt und einer zweiten Rückstellfeder 84 zugeordnet,
die den zweiten Magnetanker 42 im Normalbetrieb des Leistungsschalters 10 in
Richtung der Rückzugsstellung
beaufschlagt.
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Das
Wirkende der Schlageinrichtung 78 der zweiten Auslösebaugruppe 76 ist
in Querrichtung gesehen in zwei Abschnitte 72, 74 unterteilt
(siehe 2), zwischen denen ein Längsversatz in der Richtung
ausgebildet ist, in die sich die Schlageinrichtung 78 nach
Anziehung des zweiten Magnetankers 42 verschiebt. Der hervorstehende
Abschnitt 72 ist gegenüber
einem Schenkel des Auslösehebels 26 des
Mechanismus' 18 angeordnet,
während
der andere, eingezogene Abschnitt 74 der Innenfläche des Kontaktarms 16 gegenüber liegt.
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Der
Betätigungsstößel 48 und
die Schlageinrichtung 78 liegen nebeneinander und verschieben sich
in die gleiche Richtung, während
die Stützelemente 50,
und 80 in jeweils entgegengesetzter Richtung verschwenken,
wenn die beiden Magnetanker 40 bzw. 42 angezogen
werden.
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Die
Funktionsweise der erfindungsgemäßen selektiven
Auslöseeinrichtung 34 ist
in den 5 bis 11 dargestellt, in denen aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
der Betätigungsstößel 48 aus
der Einbauebene der Schlageinrichtung 78 heraus versetzt dargestellt
ist.
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Fließt kein
Fehlerstrom über
den Hauptstromkreis des Leistungsschalters 10, sondern
beispielsweise der Nennstrom, sind die elektromagnetischen Anziehungskräfte im Luftspalt 45 kleiner
als die Rückstellkräfte der
beiden Ansprechwertfedern 54, 84, welche die beiden
Magnetanker 40, 42 in ihrer von den Polflächen des
Magnetkreises 38 zurückgezogenen
Stellung halten. Das Betätigungsorgan 36 befindet
sich in einem inaktiven Zustand, und die Doppelfeder 70 beaufschlagt
den Trägerhebel 64 des Zeitverzögerungsmechanismus' in Richtung einer Gleichgewichtslage.
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Das
Auftreten einer Überlast,
beispielsweise ab 1,4 In (In = Nennstrom) wird vom thermischen Bimetallauslöser (in
den Figuren nicht dargestellt) erfasst, der direkt auf den Auslösehebel 26 wirkt,
um das Lösen
der Verklinkung des Mechanismus' 18 und die
Abschaltung der Kontakte 12, 14 zu bewirken.
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Durch
den Fehlerstrom werden Anziehungskräfte im Luftspalt 45 des
Betätigungsorgans 36 erzeugt,
die von der Höhe
des Kurzschlussstroms abhängen.
Die Einstellung der Federn 54, 84 ist so berechnet,
dass das Betätigungsorgan 36 der
selektiven Auslöseeinrichtung 34 inaktiv
bleibt, solange der Scheitelwert des Stroms unter 7,5 In liegt.
Die erste Ansprechwertfeder 54 der ersten, zeitverzögerten Auslösebaugruppe 46 ist
auf 7,5 In, entsprechend dem magnetischen Ansprechwert eingestellt.
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Die
zweite Ansprechwertfeder 84 der zweiten, unverzögerten Auslösebaugruppe 76 ist
auf 17 In, entsprechend dem Rückprallschwellwert
der Kontakte 12, 14 des Schalters eingestellt.
Bei einem Leistungsschalter der Nenngröße 125 A beträgt der Rückprallschwellwert
etwa 3000 A.
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Arbeitsweise bei einem
Scheitelwert des Stroms unterhalb des magnetischen Ansprechwerts
von 7,5 In
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5 zeigt
den Normalbetrieb des Leistungsschalters 10, bei der die
beiden Magnetanker 40, 42 nicht vom Magnetkreis 38 des
Betätigungsorgans 36 angezogen
werden und in ihrer Rückzugsstellung
verharren. Der Betätigungsstößel 48 und
die Schlageinrichtung 78 verharren in ihrer Ruhestellung.
Die Betriebskontinuität
ist gewährleistet,
da keine Auslösung
des Mechanismus' 18 erfolgt
und der bewegliche Kontakt 14 in seiner Einschaltstellung verharrt.
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Arbeitsweise bei einem
Scheitelwert des Stroms zwischen dem magnetischen Ansprechwert (7,5
In) und dem Rückprallschwellwert
(17 In)
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Dieser
Strombereich entspricht der aktiven Selektivitätszone, deren Betriebsphasen
in den 6 bis 8 dargestellt sind.
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Nur
der erste Magnetanker 40 verschiebt sich in der durch den
Pfeil F1 gekennzeichneten Anzugsrichtung, während der andere Magnetanker 42 in seiner
Stellung verharrt (siehe 6). Das erste Stützelement 50 verschwenkt
im Uhrzeigersinn um die Gelenkachse 52, bis der Steuerhebel 58 in
Anlage an den Rastanschlag 68 des Trägerhebels 64 des Fliehkörpers 62 gelangt.
In diesem Augenblick kommt die Anzugsbewegung des ersten Magnetankers 40 aufgrund
der Masseträgheit
des Fliehkörpers 62 zum
Stillstand.
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Der
Betätigungsstößel 48 gelangt
nicht in Berührung
mit dem Auslösehebel 26,
der in der Gespanntstellung verharrt. Dieser Anziehungs-Vorlaufhub
des ersten Magnetankers 40 erfolgt während der ansteigenden Flanke
der ersten Sinushalbwelle.
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Während der
absteigenden Flanke der ersten Halbwelle nimmt die elektromagnetische
Kraft im Luftspalt 45 ab, und die erste Ansprechwertfeder 54 bewirkt
die Rückführung des
Magnetankers 40 in die zurückgezogene Ausgangsstellung
(siehe 7). Der Trägerhebel 64 verschwenkt
geringfügig
im Uhrzeigersinn und hat eine Abnahme der Verrastungskraft des Steuerhebels 58 im
Anschlag 68 zur Folge.
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Wenn
die Wirkdauer des Scheitelwerts des Stroms eine Halbwelle nicht überschreitet,
verharrt der Magnetanker 40 in seiner Ausgangsstellung, ohne
den Mechanismus 18 zu betätigen.
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Übersteigt
die Wirkdauer des Scheitelwerts des Stroms eine Halbwelle, nimmt
die elektromagnetische Anziehungskraft im Luftspalt 45 zu,
und der erste Magnetanker 40 wird erneut in Richtung des Pfeils
F1 angezogen (siehe 8). Das erste Stützelement 50 verschwenkt
um die Achse 52, und der vom Rastanschlag 68 gelöste Steuerhebel 58 verschwenkt
den Trägerhebel 64 um
die Achse 66 und ermöglicht
so die Fortsetzung der Anziehungsbewegung des Magnetankers 40 in
Richtung der Anzugsstellung. Der Betätigungsstößel 48 wirkt auf den
Auslösehebel 26,
um den Mechanismus 18 zu entklinken und so das Verschwenken
der Kontaktarme 16 sowie die Öffnung des beweglichen Kontakt 14 zu
bewirken. Anschließend
kehrt der Zeitverzögerungs mechanismus 60 durch
die Wirkung der im kurzen Schenkel 70a der Doppelfeder 70 gespeicherten
potentiellen Energie in die Ausgangslage entsprechend 5 zurück.
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Arbeitsweise bei einem
Scheitelwert des Stroms oberhalb des Rückprallschwellwerts 17 In (siehe 9 bis 11).
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Bei
diesem Wert des Kurzschlussstroms ist keine Selektivität mehr gegeben.
Während
der ansteigenden Flanke der ersten Stromhalbwelle werden die beiden
Magnetanker 40, 42 vom Magnetkreis des Betätigungsorgans
angezogen (siehe 9). Die Bewegung des ersten
Magnetankers 40 wird durch den Rastanschlag 68 gestoppt,
der zweite Magnetanker 42 führt jedoch seine vollständige Bewegung
bis in die Anzugsstellung aus.
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Die
Schlageinrichtung 78 wirkt auf den Auslösehebel 26, um den
Mechanismus 18 zu entklinken, und schlägt gleichzeitig gegen den Kontaktarm 16,
der mit hoher Geschwindigkeit in die Ausschaltstellung überführt wird
(siehe 10). Am Ende der Bewegung ist
der bewegliche Kontakt 14 vollständig geöffnet, und die Magnetanker 40, 42 sowie
der Trägerhebel 64 des
Fliehkörpers 62 kehren
in ihre Ausgangslage zurück
(siehe 11).
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Auf
diese Weise kann die Betätigung
des Mechanismus' 18 durch
eine der beiden unabhängig voneinander
arbeitenden Auslösebaugruppen 46, 76 erfolgen,
wobei die eine Auslösegruppe
durch den Zeitverzögerungsmechanismus 60 verzögert wird, wenn
der Strom den magnetischen Ansprechwert überschreitet, und die andere
Baugruppe unverzögert
wirkt, wenn der Strom den Rückprallschwellwert übersteigt.
Die Detektion des Rückprallschwellwerts durch
Anziehung des zweiten Magnetankers 42 hebt somit die Selektivität auf, da
die Auslösung
unverzögert
erfolgt. Die Selektivität
ist nur zwischen dem magnetischen Ansprechwert und dem Rückprallschwellwert
wirksam. Durch eine solche Funktionsweise der Auslöseeinrichtung 34 lässt sich
eine Teilselektivität erzielen.
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Bei
der Ausgestaltung gemäß 12 bis 14 entsprechend
einer Funktionsweise mit voller Selektivität ist der hervorstehende Abschnitt 72 der Schlageinrichtung 78 des
zweiten Magnetankers 42 nicht vorhanden, so dass eine geradlinige
Kante entsteht, die mit dem anderen Abschnitt 74 fluchtet.
Bei der ersten Halbwelle des Kurzschlussstroms wirkt die Schlageinrichtung 78 nicht
mehr auf den Auslösehebel 26,
sondern nur noch als Schlagstift auf den Kontaktarm 16.
Besteht der Kurzschlussstrom auch nach der ersten Halbwelle weiter,
bewirkt der Betätigungsstößel 48 die
Auslösung
des Mechanismus' 18 wie bei
der oben beschriebenen Teilselektivität.