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Elektrischer Selbstschalter, insbesondere als Berührungsschutz Die
Erfindung bezieht sich auf einen vornehmlich als Berührungsschutz dienenden elektrischen
Selbstschalter mit Summenstromauslösung. Bei einem solchen Schalter wird der bei
einem Fehlerstrom entstehende Differenzstrom in der Zu- und Ableitung bzw. in den
Phasen des zu schützenden Stromkreises zur Auslösung des Ausschaltvorganges benutzt.
An einen solchen Schalter werden insofern hohe Anforderungen gestellt, als er nicht
nur in möglichst kurzer Zeit, sondern vor allem schon bei einem geringen Fehlerstrom
bzw. bei einem kleinen Differenzstrom ansprechen soll. Die zur Auslösung zur Verfügung
stehende Stromstärke ist besonders dann sehr klein, wenn die Auslösespule des Schalters
mit der Sekundärwicklung eines im zu schützenden Stromkreis liegenden Summenstromwandlers
verbunden ist, also durch den Sekundärstrom dieses Wandlers erregt wird. Die Schaffung
eines Auslöserelais von der erforderlichen Ansprechstromstärke bereitet erhebliche
Schwierigkeiten, zumal noch eine weitere schwerwiegende Bedingung zu erfüllen ist.
Zur Erzielung eines störungsfreien Arbeitens und einer leichten Überwachung sowie
im Hinblick auf das Niedrighalten der Anschaffungskosten, die eine möglichst allgemeine
Einführung des Schutzschalters gestatten sollen, wird nämlich eine große Einfachheit
in der Bauart sowohl des Schalters als auch seiner Auslöseeinrichtung verlangt.
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Schalteinrichtungen, die eine hohe Ansprechempfindlichkeit durch Verwendung
von Spannungsteilern und Gasentladungsstrecken herbeiführen, sind einerseits nicht
genügend zuverlässig, anderseits
kostspielig, so daß sie sich für
eine allgemeine Einführung nicht eignen." Es sind schon zahlreiche Vorschläge gemacht
worden, den Differenzstrom oder einen von ihm induzierteri Sekundärstrom unmittelbar
zur Erregung eines Auslöserelais zu benutzen. Zur Erzielung der gewünschten Ansprechempfindlichkeit
bedient man sich dabei eines Relais mit Dauermagnet. So hat man zwischen den beiden
Polen eines hufeisenförmigen Dauermagneten einen Drehanker angeordnet, der zwei
in der Zu- und Ableitung des zu schützenden Stromkreises liegende Differenzspulen
trägt. Das Relais soll in der Weise wirken, daß der im normalen Betriebszustand
unmagnetische Anker in einer Mittellage steht, jedoch ausschlägt, wenn er infolge
Auftretens eines Differenzstromes in seinen Spulen magnetisiert wird. Durch den
Ausschlag soll der Anker in den Wirkungsbereich des Dauermagneten kommen, der ihn
nun mit größerer Kraft drehen und dadurch den Schalter auslösen soll. Die gleiche
Wirkung wird einem Relais zugeschrieben, bei dem zwischen die Pole eines hufeisenförmigen
Dauermagneten eine drehbar gelagerte Zunge eingreift, die von zwei Differenzspulen
umgeben ist. Eine Abänderung dieses Relais besteht darin, daß die Zunge von einer
zwischen den Magnetschenkeln drehbar gelagerten eisenfreien Spule getragen wird,
die mit der Sekundärwicklung eines Summenstromwandlers verbunden ist. Bei Erregung
durch den vom Differenzstrom induzierten Sekundärstrom nähert die Spule durch ihre
Drehung die gewöhnlich in einer Mittellage stehende Zunge einem Pol des Dauermagneten,
so daß sie von diesem kräftig angezogen werden kann. In jedem .Falle soll die vom
Dauermagneten bewirkte Drehung «des Ankers bzw. der Zunge zur mechanischen Auslösung
eines Schalters benutzt werden. Alle diese Vorschläge haben nicht zum Erfolg geführt.
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Ein anderer bekanntgewordener Vorschlag besteht in der Anwendung eines.
polarisierten Relais mit Klebanker. Ein Dauermagnet trägt entweder eine im zu schützenden
Stromkreis liegende Differenzwicklung oder eine mit der Sekundärwicklung eines Summenstromwandlers
verbundene Auslösespule. Der magnetische Kraftfluß ist gewöhnlich durch den Anker
des Relais geschlossen, der durch die Kraft des Dauermagneten entgegen einer auf
Abziehen wirkenden Feder am zugehörigen Pol anliegend gehalten wird. Die Wirkung
dieses Relais beruht darauf, daß sein Magnetfeld beim Auftreten eines Differenzstromes
während einer Halbperiode geschwächt wird mit der Folge, daß der Magnet den Anker
losläßt. Der unter dem Einfluß der ihn belastenden Feder ausschwingende Anker löst
dann den Schalter aus. Mit dieser Einrichtung wurde insofern ein voller Erfolg erzielt,
als es dabei gelungen ist, den Differenzstrom oder einen von ihm induzierten Sekundärstrom
unmittelbar zur Auslösung des Schalters zu benutzen und dabei die erwünschte hohe
Ansprechempfindlichkeit zu , erzielen, während zugleich die Bedingung der baulichen
Einfachheit erfüllt ist.
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Der bekannten Einrichtung haftet jedoch noch ein Mangel an, der darin
liegt, daß das Kleben des Ankers nicht mit ausreichender Sicherheit gewährleistet
ist. Das Kleben des Ankers erfordert nämlich das Vorhandensein vollkommen glatter
und sauberer Anlageflächen. Befinden sich zwischen Magnetpol und Anker kleine Fremdkörper,
wie z. B. Staubkörnchen oder feine Eisenspänchen, oder weist die Polfläche des Magneten
kleine Unregelmäßigkeiten, etwa leichte Eindrücke auf, dann ist das Festhalten des
Ankers in Frage gestellt. Insbesondere kann es beim Wiedereinschalten nach stattgefundenem
Ansprechen vorkommen, daß der zuvor angelegte Anker infolge Erschütterung abfällt,
weil er wegen Anwesenheit von kleinen Fremdkörpern nicht fest genug klebt. Ferner
ist es nicht ganz einfach, das Relais nach dem Ansprechen wieder betriebsbereit
zu machen. Das Anlegen des Ankers an den Magnetpol muß mit einem sanften Druck geschehen,
wenn er sicher kleben bleiben soll. Bei einem harten Anlegen prallt der Anker wieder
zurück, so daß das Schaltschloß ausgerückt bleibt und demzufolge der Schalter nicht
eingelegt werden kann.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Mängel zu beseitigen
und einen insbesondere dem Berührungsschutz dienenden Selbstschalter mit Summenstromauslösung
zu schaffen, der ähnlich dem bekannten Schalter mit aus einem polarisierten Relais
mit Klebanker bestehenden Auslöser eine hohe Ansprechempfindlichkeit hat, dabei
aber frei von Störungen und dementsprechend zuverlässig ist. Die gestellte Aufgabe
ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß das bekannte polarisierte
Relais mit Klebanker in ein solches mit Zuganker umgewandelt wird. Nach der Erfindung
ist der an dem einen Pol des eine ortsfeste Auslösewicklung tragenden Eisenkerns
eines polarisierten Relais schwenkbar be-'festigte Anker vom anderen Pol des Eisenkerns
etwas enttfernt festgehalten, und er wird beim Auftreten eines Summenstromes infolge
einer dann stattfindenden Verstärkung des magnetischen Kraftfeldes des Eisenkerns
angezogen. Wie ersichtlich, wird hierbei im Vergleich zum Relais mit Klebanker von
der entgegengesetzten Wirkung des Summenstromes Gebrauch gemacht. Während beim bisher
bekannten Relais die während einer Halbperiode eintretende Schwächung des Magnetfeldes
durch den Summenstrom dazu benutzt wurde, den Klebanker loszulassen, wird beim Relais
nach der Erfindung die Tatsache ausgenutzt, daß der Summenstrom oder ein davon induzierter
Sekundärstrom während einer anderen Halbperiode eine Verstärkung des magnetischen
Kraftfeldes des Relais herbeiführt. Es ergab sich die überraschende und durch praktische
Versuche bestätigte Tatsache, daß diese Verstärkung ; genügt, um einen Anker, der
gewöhnlich so weit vom Gegenpol des polarisierten Relais entfernt gehalten ist,
daß er durch die dauernd wirksame Magnetkraft nicht angezogen werden kann, anzuziehen
und ferner, daß dabei eine zum mechanischen Ausrücken eines Schaltschlosses hinreichende
Auslösekraft erzielt werden kann. Die Erfindung bietet demnach die Möglichkeit,
einen insbesondere als Berührungsschutz geeigneten Selbstschalter mit Summenstromauslöser
zu bauen, der alle an einen solchen Schalter gestellten Bedingungen erfüllt, indem
er die erforderliche hohe
Ansprechempfindlichkeit hat, eine einfache
Bauart aufweist und endlich zuverlässig ist. Dieser letztere Vorteil beruht darauf,
daß die beim polarisierten Relais mit Klebanker vorhandene Quelle für Störungen
beseitigt ist. Der in seiner Ruhestellung vom Gegenpol entfernt gehaltene Anker
des erfindungsgemäßen Relais bleibt im Gegensatz zum Klebanker mit Sicherheit in
seiner Ruhestellung, solange die elektrische Anlage in Ordnung ist und kein Fehlerstrom
auftritt. Nur bei einem Fehlerstrom bzw. bei einem dadurch hervorgerufenen Differenzstrom
in den Wicklungen des Auslösers bzw. des ihm zugeordneten Summenstromwandlers entfernt
der Anker sich aus seiner Ruhestellung, indem er infolge einer Verstärkung des magnetischen
Kraftflusses des Relais angezogen wird, wobei er den Schalter auslöst. Im Vergleich
zum polarisierten Relais mit Klebanker besteht weiterhin noch der Vorteil, daß der
Anker nach dem Ansprechen des Schalters, d. h. nach dem Abschalten der geschützten
Anlage sogleich wieder abfällt, also selbsttätig in die Ruhestellung zurückkehrt.
Der Schalter kann also, sobald der Fehler, der zum Ansprechen führte, in der Anlage
beseitigt oder das fehlerhafte Gerät vom Stromkreis getrermt worden ist, sogleich
wieder eingeschaltet werden. Die bei dem bekannten Relais mit Klebanker bestehende
Notwendigkeit, den Anker durch einen besonderen Vorgang in seine Ruhestellung zurückzuführen,
ist also ebenso beseitigt wie die dabei bestehende Schwierigkeit, den Anker sicher
zum Kleben zu bringen.
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Bei der praktischen Anwendung der Erfindung könnte die Differenzwicklung
unmittelbar auf dem Auslöser angebracht werden. Empfehlenswerter ist jedöch, auf
dem Relais eine Auslösespule anzuordnen, die mit der Sekundärwicklung eines im zu
schützenden Stromkreis liegenden Summenstromwandlers verbunden ist. Das Relais kann
dann einerseits sehr kleine Abmessungen erhalten, die es ermöglichen, dasselbe unmittelbar
im Schalter neben dem auszulösenden Schaltschloß einzubauen, ohne daß die Schalterabmessungen
vergrößert werden. Anderseits ist das Relais ,gegen schädliche Beeinflussung durch
etwa auftretende Kurzschlußströme geschützt, also kurzschlußfrei.
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Die Polarisierung des Relais könnte durch eine Gleichstromerregung
geschehen. Die Verwendung eines Dauermagneten ist jedoch wegen der größeren Einfachheit
vorzuziehen. Der Dauermagnet wird am besten in einem Nebenschluß zum Kraftlinienfluß
der Auslösewicklung angeordnet. Damit wird nicht nur die Kurzschlußfestigkeit des
Relais erhöht, sondern vor allem auch erreicht, daß eine Schwächung des Dauermagneten
auch nach langer Zeit nicht eintritt. (Das ist für das polarisierte Relais nach
der Erfindung deshalb besonders wichtig, weil dessen Anker im Gegensatz zum Klebanker
des bekannten polarisierten .Relais sich gewöhnlich in Offenstellung befindet.
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Um sicherzustellen, daß der Anker nach seinem Anziehen nicht etwa
kleben bleibt, sondern sogleich nach dem Ansprechen des Schalters in die Ausgangsstellung
zurückkehrt, empfiehlt es sieh, einen Anschlag anzuordnen; der ein sattes Anliegen
des Ankers am Magnetpol verhindert: Der Anschlag kann am einfachsten durch das zwischen
den Anker und den Gegenpol des Relaiskerns eingreifende Ende eines Ausl¢sehebels
des Schaltschlosses gebildet sein.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
teils in Draufsicht, teils in schematischer Darstellung.
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Dem Beispiel ist ein vierpöliger Schutzschalter zugrunde gelegt. Dieser
besitzt einen geradlinig -geführten Schaltschieber i, der durch ein Kniehebelschaltschloß
2 in seiner Einschaltstellung festgehalten wird. Der Kniehebel lagert an einer Metallplatte
3, die über der Decke eines den Schieber 2 enthaltenden Gehäuses angeordnet ist.
Das Schaltschloß greift an einem durch einen Schlitz der Gehäusedecke hindurchgreifenden
Zapfen 4 des Schiebers an. In der Zeichnung ist der nur schematisch angedeutete
Schaltschieber i getrennt vom Schaltschloß liegend gezeigt. Neben dem Kniehebel
2 ist an der Metallplatte 3 ein Schlagarm 5 gelagert, der unter Wirkung einer beim
Einlegen des Schalters gespannten Feder steht und in seiner Bereitschaftsstellung
durch eine federbelastete Klinke 7 festgehalten wird, mit der ein Auslösehebel 8
zusammen wirkt. Wird die Klinke 7 durch den Hebel 8 ausgerückt, dann schlägt der
Arm 5 gegen das Gelenk des Kniehebels 2, der sich dadurch aus seiner Totpunktstellung
entfernt, worauf der Schaltschieber i durch eine bei seiner Einschaltbewegung gespannte
Feder im Ausschaltsinne verschoben wird.
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Neben dem Schaltschloß ist auf einer gemeinsamen Grundplatte g ein
Auslöserelais angeordnet. Dieses besitzt einen im wesentlichen hufeisenförmigen
Eisenkern, der von einem Z-förmig gebogenen Flacheisenstab io, 11, 12 und einem
daran befestigten Bolzen 13 gebildet ist. Der bolzenförmige Teil des Eisenkerns
trägt eine Auslösespule 14, deren Wicklung mit der Sekundärwicklung 15 eines im
zu schützenden Stromkreis dienenden Sunvnenstromwandlers verbunden ist. Der Summenstromwandler
ist in der Zeichnung nur schematisch dargestellt. Am Schenkel il des Flacheisens
10-z2 ist eine Blattfeder 17 befestigt; die an ihrem freien Ende einen kleinen Eisenanker
18 trägt;, der dem E,ide des Bolzens 13 gegenübersteht.; Der Anker 18 wird durch
die Kraft der Blattfeder 17
gewöhnlich in einer vorn Bolzenende etwas entfernten
Stellung gehalten; er soll bei Erregung der Spule 14 angezogen werden und dann den
Auslösehebel 8 im Sinne des Ausrückens der Klinke 7 drehen. Zu dem Zwecke greift
der Hebel 8 mit seinem der Klinke abgekehrten Arm hinter den Anker 18.
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Am Mittelteil io des Z-förmigen Flacheisens ist ein Dauermagnet i9
befestigt, der mit seinen Polen an den Schenkeln 11, 12 des Flacheisens oder an
benachbarten Teilen der Flacheisenschenkel fest anliegt. Durch den so im Nebenschluß
zum Kraftlinienfluß der Relaisspule 1,¢ liegenden Dauermagnet wird der Eisenkern
1o-13 des Relais magnetisiert; so daß ein polarisiertes Relais gebildet ist. Der
Anker 18 steht also ständig unter dem Einfluß des voni Dauermagneten i9 im Relais
erzeugten magnetischen Kraftfeldes. Dieses ist jedoch gewöhnlich nicht stark
genug,
um ein Anziehen des Ankers herbeizuführen, so daß dieser bei normalem Zustand des
zu schützenden Stromkreises in Ruhe bleibt. Tritt jedoch ein Fehlerstrom und demzufolge
im Stromwandler 16 ein Differenzstrom auf, dann wird die Relaisspule 14 durch den
vom Differenzstrom induzierten Sekundärstrom erregt.' Das hat zur Folge, daß während
einer Halbperiode des induzierten Stromes eine Schwächung, in einer anderen Halbperiode
dagegen eine Verstärkung des magnetischen Kraftfeldes des Relais stattfindet. Infolge
dieser Verstärkung wird der Anker 18 angezogen, der dabei den Auslösehebel8 mitnimmt.
Dadurch wird die Klinke 7 des Schlagarmes 3 ausgerückt, der nun seinerseits das
Schaltschloß löst, so daß der Schalter geöffnet und der zu schützende Stromkreis
abgeschaltet wird. Der Anker 18 fällt sogleich wieder ab, kehrt also selbsttätig
in seine Ausgangsstellung zurück, so daß der Schalter zum erneuten Einlegen bereit
ist. Ein Festkleben des angezogenen Ankers ist mit Sicherheit dadurch vermieden,
daß der zwischen dem Anker 18 und Gegenpol 13 eingreifende Arm des Auslösehebels
8 einen Anschlag bildet, der eine dichte Anlage des Ankers am Gegenpol verhindert.
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Natürlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf das dargestellte
Beispiel; viehmehr sind Abänderungen desselben sowie andere Ausführungsformen
und Anwendungen möglich. So könnte an Stelle eines Dauermagneten eine mit Gleichstrom
gespeiste Erregerspule vorgesehen seid: Ferner könnten die Differenzwicklungen g®vvünsthtenfalls
unmittelbar auf, dem Eisenkern des Xalais angeordnet sein. Die Anwendung eines Sunlüttomwandlers
ist jedoch aus den in der Einleitung angegebenen Gründen vorziehen. Statt vierpolig
könnte der Schalter auch drei- oder zweipolig ausgeführt sein. Wenngleich die im
Beispiel gezeigte unmittelbare mechanische Einwirkung des Relaisankers auf ein Schaltschloß
zur Eeiielung einer umverzögerten Auslösung des Schalters im allgemeinen vorzuziehen
ist, könnte die Schalteinrichtung nach der Erfindung gewünschtenfalls auch so gewählt
werden; daß der Anker des polarisierten Relais einen elektrischen Hilfsstromkreis
steuert, durch dessen Schließen oder Öffnen der den geschützten Stromkreis vom Netz
abtrennende Schalter ausgelöst wird.