TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungsschalter für
Niederspannungsverteilungsnetze. Sie betrifft eine Lichtbogenlöscheinrichtung für
Schutzschalter mit Doppelunterbrechung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
In Niederspannungsverteilnetzen dienen Installationseinbauschalter dem raschen und
zuverlässigen Schutz von unter Niederspannung stehenden Leitungen, Motoren, Apparaten
und Anlagen vor den Folgen von Überlast und Kurzschlussströmen. Sie weisen im
Allgemeinen einen thermischen Auslöser mit einem Bimetall und einen
elektromagnetischen Auslöser mit einer Spule und einem Schlaganker auf sowie
vorzugsweise eine Kontaktanordnung mit Doppelunterbrechung.
Bei derartigen Schaltgeräten ist für die Lebensdauer und Schaltleistung von
entscheidender Bedeutung, dass der beim Öffnen der Kontakte entstehende Lichtbogen
nicht auf den Kontaktstücken verharrt, sondern möglichst schnell in einen
Löschkammerbereich geführt wird, wo eine Kühlung und Löschung des Lichtbogens
erfolgt. Jedes Verharren des Lichtbogens auf den Kontaktstücken, auch im
Millisekundenbereich, führt zu erhöhtem Abbrand und Abnutzung der Kontaktstücke.
Ein normaler Leitungsschutzschalter besitzt eine Kontaktstelle, die aus einem festen und
einem bewegbaren Kontaktstück gebildet ist. Die Kontaktstelle befindet sich in einer
sogenannten Vorkammer, an welche eine Löschkammer mit einem
Lichtbogenlöschblechpaket anschliesst. Die Fusspunkte des Lichtbogens werden von dem
festen Kontaktstück und dem beweglichen Kontaktstück über Lichtbogenleitschienen zu
dem Lichtbogenlöschblechpaket geleitet. Der Lichtbogen weitet sich dabei unmittelbar
nach der Kontaktöffnung auf, und die Einlaufgeschwindigkeit des Lichtbogens in das
Lichtbogenlöschblechpaket ist abhängig von der sogenannten Eigenblasung, d.h. dem
durch den Lichtbogen selbst erzeugten magnetischen Blasfeld, den Druckverhältnissen im
Lichtbogen, der Formgebung der Leitschienen und der Wahl des Kontaktmaterials.
Aus der EP-A 649 155 ist ein gattungsgemässer Schutzschalter mit
Doppelunterbrechung bekannt, bei welchem in den Lichtbogenlöschkreis eine zusätzliche
elektromagnetische Blasschlaufe zur Beschleunigung des Lichtbogenlaufs vorgesehen ist.
Diese nur beim Abschaltvorgang stromdurchflossene Blasschlaufe ist symmetrisch zu
einer Trennwand, welche zwei Löschkammern trennt, und geometrisch parallel zu den
Lichtbogenleitschienen ausgebildet. Durch eine parallele Stromführung in der Blasschlaufe
und den benachbarten Leitschienen wird die elektromagnetische Kraft auf den Lichtbogen
verstärkt und seine Bewegung beschleunigt, daraus resultiert letztendlich eine höhere
Schaltleistung.
In der EP-A 642 199 ist eine Schutzschaltung mit einem reversiblen
Kurzschlussstrombegrenzer für einen Zwischenkreis einer Wechselrichterschaltung
dargestellt. Der Kurzschlussstrombegrenzer weist einen Kaltleiter mit PTC-Verhalten auf,
d.h. mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes auf. Ein
derartiger Kaltleiter beruht auf einem Polymerkomposit, dessen Polymermatrix gefüllt ist
mit einem Gemisch aus Kohlenstoff, einem Metall wie beispielsweise Ni, sowie einem
Borid, Silizid, Oxid oder Karbid wie beispielsweise TiC2, TiB2, MoSi2, V2O3.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Schutzschalter mit
Doppelunterbrechung die Beschleunigung der beiden durch eine Abschaltbewegung eines
Schaltkontaktes erzeugten Lichtbogen getrennt zu optimieren. Diese Aufgabe wird durch
eine Lichtbogenlöscheinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen
Schutzschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
Kern der Erfindung ist es, in einen nur während einem Abschaltvorgang des
Schutzschalters stromdurchflossenen und die beiden Lichtbogen umfassenden
Lichtbogenlöschkreis eine bezüglich der Löschkammertrennwand asymmetrisch
ausgebildete Blasschlaufe einzubauen. Diese Blasschlaufe ist also den
Lichtbogenleitschienen, welche ihrerseits symmetrisch bezüglich der
Löschkammertrennwand angeordnet sind und auf welchen die Fusspunkte der Lichtbogen
wandern, nicht in einem vergleichbaren Masse zugeordnet, d.h. die beiden Lichtbogen
werden durch die Blasschlaufe nicht in demselben Umfang beblasen oder beschleunigt. Da
die beiden Verbindungsleiter zu den Festkontakten der Lichtbogenlöscheinrichtung
bezüglich der Löschkammertrennwand nicht symmetrisch angeordnet sind, können deren
unterschiedliche Blaswirkungen auf die Lichtbogen durch die erfindungsgemässe
Blasschlaufe besser in Betracht gezogen, ausgeglichen und gegebenenfalls kompensiert
werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Blasschlaufe
abschnittsweise parallel zu einer Lichtbogenlaufschiene angeordnet und wird von einem
Strom durchflossen, welcher in dieselbe Richtung zeigt wie der Abschaltstrom in der
benachbarten Lichtbogenleitschiene. Dadurch werden die magnetischen Blaswirkungen der
beiden Ströme auf den Lichtbogen kumuliert.
Gemäss einer weiteren Variante befindet sich die Blasschlaufe nicht in einer senkrecht
zur Löschkammertrennwand stehenden zweidimensionalen Fläche, d.h. sie umfasst auch
eine Komponente parallel zu dieser Trennwand. Dadurch werden für die Rückführung oder
Vervollständigung der Blasschlaufe Freiheitsgrade gewonnen, und die Gesamt-Blaswirkung
aller Abschnitte der Blasschlaufe lässt sich einfacher einstellen.
Bevorzugt wird die Blasschlaufe geometrisch oder materialtechnisch mit
strombegrenzenden Eigenschaften ausgestattet. Da die Blasschlaufe im Nennbetrieb, d.h.
bei geschlossenem Schaltkontakt, keinen Strom führt, beeinflusst dies die Eigenimpedanz
des Schalters nicht und behindert infolge ihres geringen Anfangs- oder Kaltwiderstandes
von einigen mΩ auch die Kommutierung des Lichtbogens auf die entsprechenden
Lichtbogenlaufschienen nicht. Nach erfolgter Kommutierung beider Lichtbögen ist auch
die Blasschlaufe stromdurchflossen, in der Folge nimmt deren Impedanz zu und begrenzt
den Abschaltstrom.
In einer bevorzugten Ausführungsform der abschaltstrombegrenzenden Blasschlaufe ist
diese zumindest abschnittsweise aus einem Kaltleiter, d.h. einem Material mit positivem
nichtlinearem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes, gefertigt. Mit
zunehmender Eigenerwärmung des Kaltleiters steigt dessen Impedanz weiter an und
verstärkt den strombegrenzenden Effekt Geeignet dazu sind insbesondere Metalle wie Ni,
Co, Fe, metallische Legierungen auf der Basis von Ni, Co, Fe sowie NiCr, NiMn, NiFe,
NiCrMn, NiCo, NiCoFe, CoFe, CrAlFe.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine magnetische Abschirmung
des Lichtbogenbereichs inklusive der Lichtbogenleitschiene vorgesehen. Dadurch wird das
durch den Lichtbogenlöschkreis erzeugte Magnetfeld und die dadurch bewirkte
Eigenblasung verstärkt. Zudem wird die magnetische Wechselwirkung zwischen den
beiden gegensinnig stromdurchflossenen Lichtbogen eingeschränkt. Vorteilhafterweise
wird auch der parallel zur Lichtlaufschiene angeordnete Abschnitt der Blasschlaufe in den
abgeschirmten Lichtbogenbereichs eingeschlossen.
Da die erfindungsgemässe Blasschlaufe asymmetrisch ist, wird eine zweite Blasschlaufe
sowohl geometrisch als auch in Bezug auf die Stromflussrichtung parallel zu einer zweiten
brückenseitigen Lichtbogenlaufschiene angeordnet. Dadurch erhöhen sich auch die für die
magnetische Blaswirkung auf den zweiten Lichtbogen verantwortliche Stromstärke und die
den Lichtbogen treibende Kraft. Die beiden Blasschlaufen sind bevorzugt
parallelgeschaltet und führen somit nur je ungefähr den halben Abschaltstrom.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in Schrägaufsicht jeweils eine
Lichtbogenlöscheinrichtung in geöffneter Schalterstellung mit
Fig.1 einer ersten Blasschlaufe, Fig.2 zusätzlich einer magnetischen Abschirmung, und Fig.3 zwei Blasschlaufen.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste
zusammengefasst. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen
versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig.1 ist in Schrägaufsicht ein Ausschnitt aus einem ein- oder mehrpoligen
Schutzschalter mit zwei in Serie geschalteten Schaltkontakten je Pol. Eine erste
Anschlussklemme 10 führt über die Spule eines Kurzschlussstromauslösers 100 und einen
ersten Verbindungsleiter 11 zu einem ersten Festkontakt 21. Dieser ist in geschlossener
Schalterstellung (nicht gezeigt) in elektrischem Kontakt mit einem ersten Brückenkontakt
31 einer beweglichen gabelförmigen Kontaktbrücke 3. Ein zweiter Brückenkontakt 32 der
Kontaktbrücke 3 ist in geschlossener Schalterstellung in Kontakt mit einem zweiten
Festkontakt 22, welcher über einen zweiten Verbindungsleiter 12 weiter zu einem nicht
dargestellten Überstromauslöser und zu einer zweiten Anschlussklemme führt. Beiden
durch je einen Fest- und Brückenkontakt gebildeten Schaltstellen ist jeweils eine erste
beziehungsweise zweite Lichtbogenlöschkammer zugeordnet, welche getrennt sind durch
eine nicht dargestellte, im Zwischenraum zwischen den beiden Löschblechstapeln 71,72 zu
denkende Löschkammertrennwand. Im Gegensatz zu den nachfolgend eingeführten
Lichtbogenlaufschienen 61,62 sind die beiden Verbindungsleiter 11,12 nicht
spiegelbildlich ausgebildet bezüglich dieser Löschkammertrennwand.
Wird im Kurzschluss- oder Überstromfall durch den Kurzschlussstromauslöser 10 oder
den Überstromauslöser die Kontaktbrücke 3 von den Festkontakten 21,22 wegbewegt,
bilden sich zwischen den Festkontakten 21,22 und den Brückenkontakten 31,32 zwei
gegensinnig vom Abschaltstrom durchflossene Lichtbogen aus, deren brückenseitige
Fusspunkte in der Folge von den Brückenkontakten 31,32 auf brückenseitige
Laufschienenkontakte 41,42 kommutieren oder "springen". Durch die Form der (in der
Anordnung nach Fig.1 "unteren ") brückenseitigen Lichtbogenlaufschienen 61,62 sowie
der mit den Festkontakten 21,22 verbundenen (in der Anordnung nach Fig.1 "oberen")
anschlussseitigen Lichtbogenlaufschienen 51,52 begünstigt, wandert ein erster Lichtbogen
zwischen der ersten anschlussseitigen Lichtbogenlaufschiene 51 und der ersten
brückenseitigen Lichtbogenlaufschiene 61 in Richtung eines ersten
Lichtbogenlöschblechpaketes 71, während sich ein zweiter Lichtbogen zwischen der
zweiten anschlussseitigen Lichtbogenlaufschiene 52 und der zweiten brückenseitigen
Lichtbogenlaufschiene 62 zu einem zweiten Lichtbogenlöschblechpaket 72 hinbewegt.
Beim Ausschalten werden somit die Lichtbögen durch die selbst erzeugten Magnetfelder
entlang den Lichtbogenlaufschienen in Löschkammern gedrängt, an den Löschblechen
gekühlt, in Teillichtbögen aufgeteilt und gelöscht.
Zwischen dem ersten brückenseitigen Laufschienenkontakt 41 und dem zweiten
brückenseitigen Laufschienenkontakt 42 ist eine erste Blasschlaufe 81 in Form einer
Drahtschlaufe oder als bandförmiges Stanzteil vorgesehen. Im Auslösefall fliesst
zumindest ein Teil des Abschaltstromes vom ersten zum zweiten Lichtbogen durch diese
erste Blasschlaufe 81. Sie umfasst zumindest einen Lorentzabschnitt 811, welcher
geometrisch parallel zur ersten brückenseitigen Lichtbogenlaufschiene 61 angeordnet ist
und in welchem die Stromflussrichtung dieselbe ist wie in der benachbarten
Lichtbogenlaufschiene 61. Dadurch wird die elektromagnetische Lorentzkraft auf den
ersten Lichtbogen, welche diesen in Richtung des ersten Löschblechpakets 71 bewegt,
verstärkt. Da die Verbindungsleiter 11,12, welche von den Anschlusskontakten des
Schalters zu den Festkontakten 21,22 führen, nicht symmetrisch bezüglich der
Löschkammertrennwand ausgebildet sind, ist auch die erste Blasschlaufe 81 diesbezüglich
nicht symmetrisch, sondern nimmt auf die Anordnung der genannten Verbindungsleiter
Rücksicht.
In der Ausführungsform nach Fig.1 ist der Lorentzabschnitt 811 der ersten Blasschlaufe
81 über die gesamte Länge der ersten brückenseitigen Lichtbogenlaufschiene 61 zu dieser
parallel. Die Blasschlaufe 81 wird vervollständigt durch einen Rückführabschnitt 812,
welcher erfindungsgemäss nicht in einem mit dem Lorentzabschnitt 811 vergleichbaren
Ausmass parallel zur zweiten brückenseitigen Lichtbogenlaufschiene 62 angeordnet ist.
Bevorzugt liegt die Rückführung 812 grösstenteils auf derselben Seite der
Löschkammertrennwand wie der Lorentzabschnitt 811, jedoch nicht in der durch die
senkrechte Projektion des Lorentzabschnitts 811 auf die Löschkammertrennwand
definierten Fläche.
In Fig.2 ist ein erster Abschirmmantel 91 mit einem U-förmigen Querschnitt dargestellt,
welcher aus einem magnetisch wirksamen Material wie beispielsweise Eisen oder Stahl
bevorzugt als einstückiges Schirmblech hergestellt ist und die erste brückenseitige
Lichtbogenlaufschiene 61 sowie den Lorentzabschnitt 811 der Blasschlaufe 81 umfasst.
Dadurch wird die Lichtbogenleitstrecke zwischen den beiden ersten Lichtbogenleitstrecken
51,61 magnetisch gegenüber dem Aussenraum und insbesondere gegenüber der zweiten
Löschkammer abgeschirmt. Weiter wird die magnetische Beblasung oder
Lorentzkraftverstärkung des ersten Lichtbogens durch den Lorentzabschnitt 811 durch den
Abschirmmantel 91 zusätzlich verstärkt. Zudem wird die infolge gegensinniger
Stromflussrichtungen bremsende magnetische Wirkung des Lorentzabschnitt 811 auf den
zweiten Lichtbogen drastisch reduziert. Wie in Fig.2 dargestellt, kann zum selben Zweck
auch ein zweiter Abschirmmantel 92 um die zweite Lichtbogenlaufschiene 62 gelegt sein.
Die Blasschlaufe ist bevorzugt mit abschaltstrombegrenzenden Eigenschaften
ausgestattet. Beispielsweise kann sie eine geeignete Induktivität umfassen, welche in Form
einer separaten Spule oder als eine oder mehrere Zusatzschlaufen realisiert ist. Werden
diese Zusatzschlaufen abschnittweise parallel zum Lorentzabschnitt geführt, vervielfacht
sich die magnetisch wirksame Stromstärke und vergrössert die Blaswirkung auf den
Lichtbogen zusätzlich. Andererseits kann ein strombegrenzendes Verhalten durch die
Materialauswahl erreicht werden, dazu kommen sämtliche Leiter mit einem elektrischen
Widerstand in Frage, welcher mit zunehmender Stromstärke ansteigt, und darunter
insbesondere die als Kaltleiter oder PTC Widerstand (positiv temperature coefficient)
Leiter bekannten und eingangs genannten Legierungen oder keramischen Werkstoffe in
Frage. Selbstverständlich können induktiv-geometrisch und resistiv-materialabhängige
Varianten auch kombiniert werden. Wichtig ist dabei, dass der Anfangs- oder
Kaltwiderstand nicht zu hoch ist und die Kommutierung der Lichtbögen auf die
brückenseitigen Laufschienenkontakte 41,42 und die damit einhergehende Ausbildung des
Lichtbogenlöschkreises nicht behindert wird.
In Fig.3 sind nur die beiden Lichtbogenlaufschienen 61,62 dargestellt, zusammen mit
zwei elektrisch parallelgeschalteten Blasschlaufen 81,82. Ausgehend vom ersten
brückenseitiger Laufschienenkontakt 41 führt eine erste, die erste Lichtbogenlaufschiene
61 bedienende Blasschlaufe 81 zum zweiten brückenseitigen Laufschienenkontakt 42 wie
im Ausführungsbeispiel nach Fig.1 bereits dargestellt. Eine zweite Blasschlaufe 82
zwischen den Laufschienenkontakten 41,42 umfasst einen zweiten Lorentzabschnitt 821,
in welchem der Strom parallel zum Abschaltstrom in der Laufschiene 62 fliesst. Durch die
Parallelschaltung der beiden Blasschlaufen fliesst in jeder nur ungefähr der halbe
Abschaltstrom des Lichtbogenlöschkreises.
BEZUGSZEICHENLISTE
- 10
- Erste Anschlussklemme
- 100
- Kurzschlussstromauslöser
- 11
- Erster Verbindungsleiter
- 12
- Zweiter Verbindungsleiter
- 21
- Erster Festkontakt
- 22
- Zweiter Festkontakt
- 3
- Kontaktbrücke
- 31
- Erster Brückenkontakt
- 32
- Zweiter Brückenkontakt
- 41
- Erster brückenseitiger Laufschienenkontakt
- 42
- Zweiter brückenseitiger Laufschienenkontakt
- 51
- Erste anschlussseitige Lichtbogenlaufschiene
- 52
- Zweite anschlussseitige Lichtbogenlaufschiene
- 61
- Erste brückenseitige Lichtbogenlaufschiene
- 62
- Zweite brückenseitige Lichtbogenlaufschiene
- 71
- Erstes Lichtbogenlöschblechpaket
- 72
- Zweites Lichtbogenlöschblechpaket
- 81
- Erste Blasschlaufe
- 811
- Erster Lorentzabschnitt
- 812
- Erster Rückführungsabschnitt
- 82
- Zweite Blasschlaufe
- 821
- Zweiter Lorentzabschnitt
- 822
- Zweiter Rückführungsabschnitt
- 91
- Erster magnetischer Abschirmmantel
- 92
- Zweiter magnetischer Abschirmmantel