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Elektrischer Selbstschalter, der auf Überströme und Fehlerströme anspricht
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Selbstschalter zur selbsttätigen
Trennung einer Verbraucheranlage vom Netz beim Fließen von unzulässig hohen Strömen
sowie beim Auftreten von insbesondere - durch Isolationsfehler bedingten, über geerdete
Teile des Verbrauchers abfließenden Fehlerströmen. Es sind schon elektrische Selbstschalter
bekannt, bei welchen ein Schallorgan sowohl °duroh einen Überstrom als auch durch
einen Fehlerstrom der eingangs erläuterten Art beeinflußbar dost. Bei einer bekannten
Ausführungsform wird der Fehlerstrom durch die ungleichmäßige Belastung von in einem
magnetischen Kreis angeordneten Spulen ermittelt, deren jede in einer Phase des
Stromkreises der zu überwachenden Anlage liegt. Zur Berücksichtigung, eines Überstromes
sind dabei durch die Stromwärmebelastung gesteuerte Schalter in Gestalt von Bimetal:lstredfen
vorgesehen, die bei einem unzulässig hohen Strom eine der Phasenwicklungen kurzschließen
und. damit das die Betriebsstellung der, Einrichtung kennzeichnende magnetische
Gleichgewicht stören, so daß der Schalter ausgelöst wird. Die Fchlerstrombestimmung
erfolgt hierbei mittels eines Ringkernwariidlers. Weiterhin igt schon eine Einrichtung
bekannt, bei welcher auf einem die in den Zu- und Ableitungen des zu überwachenden
Stromkreises fließenden Ströme über ihre magnetische Wirkung vergleichenden Elektromagneten
eine zusätzliche Wicklung angeordnet
ist, die von einem dem Hauptstrom
proportionalen Strom durchflossen wird und beim Auftreten eines unzulässigen Überstromes
eine Auslösung des Schalters einleiten soll. Hierbei beeinflussen sich jedoch die
beiden zur Steuerung des Schalters herangezogenen Größen - der Fehlerstrom und der
Überstrom - gegenseitig, so daß die Ansprechganauigkeit gering und die Einriehtung
demnach nur begrenzt brauchbar ist. Ferner sind fehlerstromgesteuerte Schalter bekannt,
bei welchen jeder Phase des zu überwachenden Stromkreises ein Spule zugeordnet ist,
die in einem gemeinsamen Ei.senkreiG vereinigt sind. Dieser ist in der Betriebsstellung
durch einen als Dauermagnet ausgebildeten Anker geschlossen. Beien Auftreten eines
das magnetische Gleichgewicht störenden Fehlerstromes wird der magnetische Fluß
des Dauermagneten wenigstens im Verlauf von einer Stromrichtung zugeordneten Halbwellen
geschwächt, so daß der Anker unter Wirkung der ihn belastenden Feder abfällt und
damit die Auslösung des Schalters einleitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Selbstschalter,
der auf Fehlerstrom und Überstrom anspricht, zu schaffen, welcher betriebssicher
arbeitet und wohlfeil und mit kleinen Abmessungen herstell'bar ist. Dabei ist die
Erkenntnis von Bedeutung, daß zur Erzielung einer betriebssicheren Wirkung des Schalters
beide Steuerungen gleichartig wirksam werden müssen, was bei einem elektromagnetischen
Auslöser dadurch erreichbar ist, daß die .magnetischen Widerstände für die durch
die steuernden Ströme verursachten Durchflutungen unterschiedlich ausgebildet werden.
Dies wird erfindungsgemäß im wesentlichen durch einen elektromagnetischen Auslöser
erreicht, der dem magnetischen Fluß zwischen einem feststehenden Teil und einem
die Auslösung bewirkenden beweglichen Teil zwei Kreise mit unterschiedlichen magnetischen
Widerständen zur Verfügung stellt, von :denen der Kreis mit dem größeren Widerstand
der Überwachung auf etwaige Überströme dient und der Kreis mit dem geringeren Widerstand
der Überwachung auf durch Fehlerströme lbeldingte ungleichmäßige Leiterbelastungen
zugeordnet ist. Besonders einfach läßt sich ein solcher Auslöser verwirklichen,
indem an einem seiner Glieder, vorzugsweise dem feststehenden Teil, jedem Netzleiter
der überwachten Anlage zugeordnet, ein eine Wicklung tragender Spulenkern vorgesehen
wird, wobei in an sich bekannter Weise die nebeneinanderliegenden Spulenkerne auf
der dem Anker abgewandten Seite .durch ein Joch verbunden sind. An sieh ist ein
Überstromauslöser mit einem dreischenkfigen Auslösemagneten bekannt, dessen Mittelschenkel
zwischen zwei Phasenwicklungen liegt und bei dem ein dem Magneten zugeordneter Anker
bei Überströmen angezogen wird, um den Schalter auszulösen. Diese vorbekannte Anordnung
berücksichtigt im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Gestaltung lediglich Überströme.
Damit wird aber den Anforderungen der Praxis erfahrungsgemäß nicht ausreichend Rechnung
getragen, da für einen ordnungsgemäßen Betrieb, insbesondere von unter rauhen Bedingungen
arbeitenden Anlagen, auch eine Überwachung auf Fehlerströme notwendig ist. Bei der
erfindungsgemäßen Einrichtung besteht zunächst eine in -Abhängigkeit von der Größe
des fließenden Stromes stehende, jeder Spule zugeordnete Durchflutung. Die hierbei
ausgebildeten magnetischen Flüsse vermögen sich nicht unmittelbar über das Evsen
des Systems zu schließen, da sie einander entgegengesetzt gerichtet sind. Es bilden
sich .daher unmittelbar zwischen dem Anker und dem Joch des Magnetsystems Magnetfelder
aus, denen jedoch wegen- der großen Breite des durch den Abstand zwischen Anker
und Joch gegebenen Zwischenraumes ein hoher Widerstand eigen ist. Beim Auftreten
eines Fehlerstromes wird das magnetische Gleichgewicht des Systems derart gestört,
daß das resultierende magnetische Feld durch den Eisenkreis verlaufen kann, wobei
nur der bzw. die Luftspalte zwischen dem Anker und einem bzw. mehreren Spulenkernen
als kleine Widerstände wirken. Während also bei gleichmäßiger Strombelastung der
in dem Magnetsystem zusammengefaßten Spulen eingroßer Strom erforderlich ist, um
den Anker über den breiten Luftspalt zum Joch anzuziehen und damit den- Schalter
auszulösen, genügt hierfür schon eine verhältnismäßig kleine Ungleichmäßigkeit in
der Belastung der einzelnen Spulen, die .durch einen Fehlerstrom hervorgerufen wird,
weil der magnetische Widerstand wegen der geringen Weite des hier in Frage kommenden
Luftspaltes zwischen Anker und Spulenkern nur gering isst. Bei der erfindungsgemäßen
Einrichtung wirken also beide Steuerungsgrößen unmittelbar und in gleicher Weise
auf den Anker ein, so ,daß ihre Wirksamkeit nicht durch eine gegenseitige Abhängigkeit
beeinflußt wird.
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Die Einrichtung läßt sich baulich verschiedenartig gestalten. Es ist
z. B. möglich, sämtliche Spulenkerne durch ,ein Joch einseitig unmittelbar miteinander
magnetisch zu verbinden. Um in die- . sem Falle eine gleichmäßige Wirkung der den
einzelnen Spulen zugeordneten Durchflutungen sicherzustellen, empfiehlt es sich,
den den Spulenkernen andererseits zugeordneten Anker so abzustützen, daß dieser
gegenüber den Spulenkernen gleich weite Luftspalte beläßt. Die Einrichtung kann
aber auch so gestaltet sein, daß der Anker einseitig gelenkig unmittelbar an einen
Spulenkern angeschlossen wird. In diesem Falle empfiehlt es sich, zur Aufrechterhaltung
gleicher Durchflutungen diesem Spulenkern jochseitig einen Luftspalt zuzuordnen,
so d@aß dann jeder Spule ein gleicher magnetischer Widerstand eigen ist und diese
in elektromagnetischer Hinsicht einander -gleich ausgeführt werden können.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung dazu ausgenutzt werden, in dem Schalter gegebenenfalls auftretende
Lichtbogenbildungen wirksam zu unterdrücken, indem wenigstens einer der Schaltkontakte
in
dem Raum zwischen dem Anker und dem Joch des Magnetsystems angeordnet wird. Das
hier gegebene starke Magnetfeld verhindert die .Ausbildung von Sclhaltlichtbogen
in wirksamer Weise. Sofern nur ein Teil der Schaltkontakte in diesem Bereich angeordnet
wird, empfiehlt es sich, diese mit dem ihre Betätigung steuernden Anker so zu verbinden,
)daß ihre Bewegum@g gegenüber derjenigen der außerhalb dieses Raumes liegenden Sehalterkontakte
beim öffnen,voreilt und beim Schließen nacheilt. Damit wird auch eine Lichtbogenbildungan
den außerhalb des magnetischen Feldes liegenden Kontakten verhindert.
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Die Schaltwerte der Einrichtung können in einfacher Weise durch Veränderung
der Luftspaltbreiten zwischen dem Anker und dem Spulenkern bzw. dem Anker und dem
Joch verändert werden. Da die magnetischen Widerstände etwa den Breiten der Luftspalte
entsprechen, ergibt sch zwischen den Größen des zur Auslösung führenden Fehlerstromes
und des Überstromes etwa das gleiche Verhältnis wie.zwischen den Breiten der den.
einzelnen Steuergrößen zugeordneten Luft-. spalte.
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Um mit lder Einrichtung auoh geringe, doch auf die Dauer schädliche
Überströme wirksam kontrollieren zu können, empfiehlt es sieh, wenigstens in eine
Phase einen thermischen Auslöser einzuschalten, welcher den Anker :des Magnetsys@tiems
unmittelbar zu beeinflussen vermag. Daher können auch geringe Überströme nach einer
entsprechend langen Wirkungsdauer den Anker in die Ausschaltlage bringen. ' In :der
Zeichnung ist der Erfindungsigegens:tand in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es zeigt Fig. i -eine schematische Darstellung- eines zweipoligen Sel'bstsc4alters,
Fig. a eine S4itenansicht einer- beispielsweisen Ausführungsforrrit@ des Schalters,
Fi.g. 3 eine @schematische Draufsicht auf Fig. 2. Der Schalter enthält zwei gleiche
Spulen 5 und 6, die auf Eisenkernen 7 und 8 angeordnet sind,. Die, 'Kerne 7 und
8 sind im Abstand voneinander auf einem Joch 9 angebracht. Diesem- gegenüber liegt
ein unter der Belastung einer Zugfeder io stehender Anker i i in der Betriebsstellung
geben zv@ei verstellbare Anschläge 12 und 13 an. Der Anker steuert über nicht gezeichnete
Mittel Sohalt'kontakte 1q., 15 und 16, 17. Der Schaltkontakt 14, 15 ist dabei in
,dem -Raum zwischen dem Joch 9 und dem Anker i i untergebracht. Zur Berücksichtigung
kleinerer überströme ist außerdem ein Bimetallstreifen i8 vc#rges:ehen, der über
ein Druckstück i9 unmittelbar.auf- den Anker i i im Sinne einer Auslösung dies Schalters
einzuwirken vermag. Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte beispielsweise Ausführungsmöglichkeit
sieht für den Schaltkontakt 14, 15 einerseits einen festen hornförmigen Kontakt
14 und einen um eine Achse 2o schwenkbaren Schaltarm 15 vor, der in der Ausschaltlage
gegen eieien hornförmigen Kontakt 21 zur Anlage kommt. Der Kontakt 14, 1.5 ist innerhalb
einer umschlossenen Lichrbogenkammer z2 untergebracht. Der dargestellte Selbstschalter
ist für eine zweipolige Anlage bestimmt. Der Anschluß- O ist über den in der Betriebsstellung
geschlossenen Schaltkontakt 16, 17 und die Spule 6 geführt. Der Strom dies Leiters
R fließt über den Bilmetallstrenfen 18 und die Spule 5. Die Spulen 5 und 6 sind
elektrisch und magnetisch gleich gestaltet und, so geschaltet, daß die Durchflutungen
einander entgegengesetzt sind. Damit ergibt sich für jede Spule ein Magnetfeld,
welches über den zwischen dem Anker i i und dem Joch 9 bestehenden breiten Luftspalt
geschlossen ist. Als magnetischer Widerstand kommen noch die kleinen Luftspalte-
zwischen dem Anker i i und den Spulenkernen 7 bzw. 8 hinzu. Sofern kein Fehlerstrom
vorhanden ist, werden die zwischen dem Joch 9 und dem Anker i i auftretenden magnetischen
Kräfte :bei einem @bestimmten Überstrom so groß, :daß der Anker i i angezogen wird
und dabei die Schaltkontakte 14, 15 und 16, 17 öffnet, so daß die Anlage stromlos
wird. Tritt ein Fehlerstrom auf, so ist die Durchflu,tung :der Spulen 7 und 8 nicht
mehr gleich. Es entsteht also ein einseifiger, magnetischer Flug durch einen Spulenkern
7 bzw. 8, das Joch 9 und den Anker i i. In diesem liegen als Widerstände nur die
kleinen Luftspalte zwischen dem Anker i i und den SpulenkerneM 7 und B. Es reicht
also schon eine kleine -resultierende Durchflütung aus, um den Anker an-.zuziehen_
und,damit die Sohaltkuntakte 14, 15 und 16, - 17 zu öffnen. Falls ein Überstrom
gegeben ist, der nicht die zur Auslösung des Schalters erfor-.derliche Größe erreicht,
wird nach einiger Zeit der Bime-tallstreifen 18 so stark erwärmt, daß er über das
Druckstück i9 gegen die Kraft der Feder 10
den Anker i i in die Ausschaltstellung
bringt. Durch die Anordnung des Schaltkontaktes 14, 15 zwischen dem Joch 9 und:
dem Anker i i wird eine sichere Lichkboggenlöschung erreicht, dpa sich insbesondere
im Kurzschlußfall hier ein starkes magnetis,ches Blasfeld ausbildet, welches eine
schädliche Lichtbogenbildung .unterdrückt. Bei dem in -Fig. adergestellten Ausführungsbeispiel
verläuft der Strom von dem Anschluß R über die Spüle 5 zu dem festen.. hornförmigen
Schaltstück 14, das die Spule teilweise umhüllt. Von dort geht in der Betriebsstellung
der Ström über den beweglichen Schaltarm 15 und eine biegbare Leitung 23 .zu dem
Anschluß R'. Die Leitung 17 ist überdies leitend mit dein festen hornförrnigen Schaltstück
21 ver= unden, welches beim öffnen des Schaltarmes 15 die Liahtbogenführung übernimmt.
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Wie bereits erwähnt, ist die dargestellte Ausführung nur eine beispielsweise
Verwirklichung der Erfindung und diese isst nicht darauf beschränkt. Es sind vielmehr
noch mancherlei andere Ausführungen und Anwendungen möglich. Die Einrichtung könnte
auch für drei- oder mehrpolig angeschlossene l@nlagen verwandt werdlen. Auch in
bezug auf die bauliche Gestaltung können viele Abwandlungen vorgesehen sein. Beispielsweise
könnten die Spulenkerne 7 und 8 gegenüber der Höhe der Spulen 5 und 6 größer gewählt
werden, um das Verhältnis zwischen den zur Ansschältung
führenden.
Fehlerströmen und Überströmen weiter zu gestalten; wie es anderseits auch möglich
ist, dem Luftspalt zwischen dein Joch 9 und dem Anker i i beliebig klein auszuführen.
Auf die Anwendung eines thermisch wirkenden Überstrornschutzes könnte verzichtet
werden. Ferner wäre es auch möglich, in jede der Zuleitungen einen Bimetallstreifen
einzuschalten, der. unmittelbar auf den Anker im Ausschaltsinne einzuwirken vermag.