EP1764817A1

EP1764817A1 - Schalteinrichtung und elektrisch ansteuerbarer Aktor, insbesondere zur Schnellabschaltung eines Kurzschlussstromes

Info

Publication number: EP1764817A1
Application number: EP06120437A
Authority: EP
Inventors: Marc Liebetruth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2007-03-21
Also published as: DE102005044906A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung weist zumindest einen Schaltkontakt zur Herstellung einer ein- oder mehrpoligen elektrischen Verbindung zwischen einem jeweiligen eingangsseitigen und ausgangsseitigen Stromanschluss der Schalteinrichtung auf. Die Schalteinrichtung weist zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Gasgenerator zur Öffnung der jeweiligen ein- oder mehrpoligen elektrischen Verbindung auf. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Aktor (6, 7) mit je einem Stößel (61, 71) vorgesehen, welcher mittels des zumindest einen Gasgenerators betätigbar ist. Der Stößel wirkt dabei so auf einen Kontakthebel (101) zumindest eines Schaltkontaktes (51-53) und/oder auf Teile eines Schaltantriebs (81-87) der Schalteinrichtung ein, dass bei elektrischer Ansteuerung eines Gasgenerators eine Öffnung der jeweiligen elektrischen Verbindung bewirkbar ist. Ein solcher Aktor (6, 7) kann als kompakte Baueinheit direkt an den Kontakthebeln (101), am Kontaktträger (41-43) oder verteilt an Teilen (8, 41-43, 81-87) des Schaltantriebs (100) platziert werden. Dadurch ist eine vorteilhaft besonders kompakte Schalteinrichtung mit einem hohen Nennstromschaltvermögen realisierbar, welche zudem im Kurzschlussfall besonders schnell strombegrenzt abschalten kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung mit zumindest einem Schaltkontakt zur Herstellung einer ein- oder mehrpoligen elektrischen Verbindung zwischen einem jeweiligen eingangsseitigen und ausgangsseitigen Stromanschluss der Schalteinrichtung und mit zumindest einem elektrisch ansteuerbaren Gasgenerator zur Öffnung der jeweiligen ein- oder mehrpoligen elektrischen Verbindung. Die Erfindung betrifft ferner einen elektrisch ansteuerbaren Aktor zum Öffnen einer elektrischen Verbindung in einer solchen Schalteinrichtung.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 36 21 186 A1 beschreibt die Betätigung eines Schaltstiftes eines Leistungsschalters durch einen erzeugten Druckimpuls, der dadurch erzeugt wird, dass ein Flüssigbrennstoff in eine Kammer eingespritzt und dort mit Hilfe einer Zündkerze gezündet wird. Nachteilig dabei ist, dass die Verwendung von Flüssigbrennstoff eine besonders aufwendige Konstruktion mit Einspritzdüsen und - pumpen erfordert.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 42 36 623 A1 ist beschrieben, wie man mit der Zündung eines Gasgenerators mit Zündpille einen Notantrieb eines beliebigen Gerätes, beispielsweise eines elektrischen Schaltgerätes, erreicht. Der Einsatz solcher Gasgeneratoren erfordert einen deutlich geringeren konstruktiven Aufwand.
Die Verwendung eines Explosivstoffes ist auch in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 20 082 beschrieben. Bei einem mit einem solchen Explosivstoff betreibbaren elektrischen Schalter ist ein spezieller Schutzzylinder vorgesehen, um eine Beschädigung der Kontakte durch Explosionspartikel zu verhindern und den von den Explosionsgasen verdrängten Kammerinhalt so zu führen, dass eine gerichtete Strömung zur Löschung des Lichtbogens erreicht wird.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 01 639 A1 ist es darüber hinaus bekannt, einen Schalter dadurch zu öffnen, dass ein Schaltschloss entklinkt wird, indem ein von einem Gasgenerator erzeugten Gasstrom gegen eine Verklinkungsstelle des Schaltschlosses geleitet wird.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 00 666 A1 ist ein elektrischer Schnellschalter zum Abschalten einer Hochspannungsanlage im Kurzschlussfall bekannt. Mittels einer oder mehrerer gaserzeugender Sprengladungen erfolgt eine Unterbrechung des Wechselstroms, in dem die Druckwelle beim Zünden der Sprengladung auf einen beweglichen Schaltkolben wirkt. Dabei wird der elektrische Kontakt zwischen einem Gleit- oder Nennstromkontakt des beweglichen Schaltkolbens und einem Abbrandkontakt geöffnet. Das bei der Zündung der Sprengladung freiwerdende Gas dient zugleich zum Beblasen des Lichtbogens, so dass der Lichtbogen innerhalb einer Halbperiode des zu unterbrechenden Wechselstroms beim nächsten Stromnulldurchgang zum Erlöschen gebracht wird. Der elektrische Schnellschalter weist in einem Ausführungsbeispiel drei Sprengladungen auf, welche nacheinander gezündet werden können. Außer für den seltenen betrieblichen Fall, dass mehr als drei Kurzschlussauslösungen auftreten, erübrigt sich somit ein Nachladen.
Derartige Schalteinrichtungen können ein- oder mehrpolig ausgeführt sein und dienen z.B. als Hauptschalter zur elektrischen Absicherung einer Anlage oder eines Werks. Eingangsseitig ist eine solche Schalteinrichtung an ein Energieversorgungsnetz eines Energieversorgungsunternehmens angeschlossen. Bei dem Energieversorgungsnetz handelt es sich typischerweise um ein bekanntes 50 Hz- bzw. 60 Hz-Wechselstromnetz bzw. dreiphasiges Drehstromnetz.
Die betrachteten Schalteinrichtungen sind für Nennströme in einem Bereich von ca. 630 A bis 6300 A ausgelegt, wobei in einem Kurzschlussfall durchaus Kurzschlussströme mit Stromwerten von bis zu 200 kA auftreten können. Häufig weisen solche Schalteinrichtungen eine selektive Funktionalität auf. Dies bedeutet, dass bei Detektion eines sich entwickelnden Kurzschlusses noch eine vorgebbare Zeit abgewartet wird, um es einem nachgeschalteten Schaltgerät zu ermöglichen, seinerseits auf den Kurzschluss zu reagieren und abzuschalten. Nur für den seltenen Fall, dass das nachgeschaltete Schaltgerät nicht auslöst, erfolgt eine Gesamtabschaltung der Anlage durch die Schalteinrichtung. Die Zeitspanne bis zur Gesamtabschaltung hängt dabei von der Höhe des Überstroms ab. So erfolgt eine Abschaltung umso schneller, je größer der Überstrom ist. Zur messtechnischen Erfassung der Ströme und zur Auslösung der Schalteinrichtung dient eine elektronische Auslöse- oder Überwachungseinheit, in welcher die erforderlichen Abschaltzeiten bei den entsprechenden Überströmen hinterlegt sind.
Steht nun ein solcher Kurzschluss für eine längere Zeit an, so werden die der Schalteinrichtung nachgelagerten Anlagenteile, wie z.B. Unterschaltgeräte zur Absicherung von weiteren Stromkreisen, Motoren, Schaltschränke etc., thermisch und mechanisch außerordentlich hoch belastet. Dies kann zu einem Schmelzen oder zu einem Abbrand der betreffenden Leitungsteile, wie z.B. von Stromschienen oder Stromleitungen, führen. Auch können die bei einem solchen Kurzschluss auftretenden elektromechanischen Kräfte zur Folge haben, dass sich Stromschienen, dicke Blechtafeln etc. verziehen oder verbiegen.
Zur Beherrschung derartig hoher Kurzschlussströme weisen solche Hochleistungs-Schalteinrichtungen Strombahnen auf, die zumeist aus massivem Kupfer gefertigt sind. Ein massiver Kunststoff-Kontaktträger mit einer Vielzahl von Kontakthebeln aus Kupfer kann dabei durchaus ein Gewicht von mehreren Kilogramm erreichen. Während es jedoch bei kleineren Schalteinrichtungen noch möglich ist, dass sich die Schaltkontakte von selbst im Kurzschlussfall auf elektromagnetische Weise schnell öffnen können, so verhindert die Trägheit der großen Kupfermassen eine Abschaltung in einer ausreichend schnellen Zeit. Im Kurzschlussfall muss jedoch eine Kontakttrennung in der Schalteinrichtung innerhalb weniger Millisekunden erfolgen, um noch eine strombegrenzende Abschaltung zu erzielen.
Somit ergeben sich zwei mögliche Abschaltstrategien für den Kurzschlussfall. Für den ersten Fall bedeutet dies, den Kurzschlussstrom wegen der auftretenden mechanischen und thermischen Belastung so schnell wie möglich zum Selbstschutz der Schalteinrichtung und der gesamten Schaltanlage abzuschalten. Für den zweiten Fall bedeutet dies, die stromführenden und schaltenden Leitungsteile so auszulegen, dass diese den Kurzschlussstrom für eine längere Zeit führen können. Somit sind nicht so hohe Anforderungen an die Abschaltzeiten für den Kurzschlussfall zu stellen. Allerdings sind solche Schalteinrichtungen erheblich größer, schwerer und teurer.
Zur Behebung des Problems ist es möglich, einer Hochleistungsschalteinrichtung eine Schmelzsicherung vorzuschalten. Auf diese Weise ist eine ausreichend schnelle Abschaltung möglich, ohne dass es zu thermischen und mechanischen Schäden an der Schalteinrichtung und den nachfolgenden Anlageteilen kommt. Nachteilig daran ist, dass nach einer Kurzschlussabschaltung die Schmelzsicherung ausgetauscht werden muss. Dies ist wiederum mit Wartungsarbeiten und Ausfallzeiten der Anlage sowie mit Kosten für die auszutauschende Schmelzsicherung verbunden.
Zur Lösung des Problems sind weiterhin Schalteinrichtungen bekannt, wie z.B. von der Fa. Schneider Electric unter der Baureihenbezeichnung DURT/Masterpact, bei welchen im Kurzschlussfall eine schnelle Abschaltung mittels einer so genannten Thompsonspule erfolgt. Allerdings sind zur Energieversorgung dieser Thompsonspule großvolumige Speicherkondensatoren notwendig, deren Ladezustand überwacht und ggf. über einen Fremdspannungsanschluss nachgeladen werden muss. Ein solches Schaltgerät weist nachteilig eine sehr große Bauform und eine Abhängigkeit von externen Fremdspannungsquellen auf, die ihrerseits ausfallen können.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Schalteinrichtung anzugeben, welche bei einem vergleichbaren hohen Nennstrom eine kompaktere Bauform aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Schalteinrichtung anzugeben, welche ohne eine Fremdspannungsversorgung auskommt.
Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen geeigneten Aktor zur Schnellabschaltung einer Schalteinrichtung im Kurzschlussfall anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Schalteinrichtung mit zumindest einem Schaltkontakt zur Herstellung einer ein- oder mehrpoligen elektrischen Verbindung zwischen einem jeweiligen eingangsseitigen und ausgangsseitigen Stromanschluss der Schalteinrichtung. Die Schalteinrichtung weist zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Gasgenerator zur Öffnung der jeweiligen ein- oder mehrpoligen elektrischen Verbindung auf.
Erfindungsgemäß ist zumindest ein Aktor mit je einem Stößel vorgesehen, welcher mittels des zumindest einen Gasgenerators betätigbar ist. Der Stößel wirkt dabei so auf den zumindest einen Schaltkontakt und/oder auf Teile eines Schaltantriebs der Schalteinrichtung ein, dass bei elektrischer Ansteuerung eines Gasgenerators eine Öffnung der jeweiligen elektrischen Verbindung bewirkbar ist. Teile des Schaltantriebs sind dabei u. a. Strombahn, Ausschaltverklinkung und mechanische Verbindungselemente wie Kontakthebel, Kontaktträger, Schaltwelle, Koppelglieder, Bolzen etc.
Ein solcher Aktor weist eine äußerst kompakte Bauform aus. Dadurch kann ein Aktor bzw. können mehrere Aktoren als Baueinheit direkt an den Schaltkontakten, am Kontaktträger oder verteilt an Teilen des Schaltantriebs platziert werden.
Dadurch ist eine vorteilhaft besonders kompakte Schalteinrichtung mit einem hohen Nennstromschaltvermögen realisierbar, welche zudem im Kurzschlussfall besonders schnell strombegrenzt abschalten kann. Der Aktor kann so platziert werden, dass der Stössel vorteilhaft nur auf die Masse einwirkt, die zur Öffnung der jeweiligen elektrischen Verbindung erforderlich ist. Dabei nimmt die Abschaltzeit umso mehr zu, je weiter der Aktor in der mechanischen Wirkkette des Schaltantriebs vom eigentlichen Schaltkontakt entfernt ist. Dies ist in der Zunahme der damit verbundenen zu bewegenden Massen sowie der Bauteilelastizitäten der Komponenten im Schaltantriebsstrang begründet.
Ein weiterer Vorteil ist, dass auf eine Fremdspannungsversorgung verzichtet werden kann. So ist zur Auslösung des Gasgenerators nur ein kurzer elektrischer Impuls notwendig, der aus einem Kondensator entnommen werden kann. Der Kondensator kann dabei von Stromwandlern für eine elektronische Auslöseeinheit aufgeladen werden. Wahlweise ist auch eine Auslösung mit einer Fremdspannung möglich.
Bei den Gasgeneratoren im Aktor handelt es sich um pyrotechnische Komponenten, vorzugsweise ähnlich denen, die zum Aufblasen eines Airbags in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen. Solche Gasgeneratoren weisen eine Zündpille auf, welche mittels eines Heizdrahts durch einen kurzen elektrischen Impuls gezündet werden können. Die Zündpille selbst zündet im Anschluss einen Festbrennstoff, welcher explosionsartig ein Druckgas entwickelt. Dieses Druckgas dient schließlich zur pneumatischen Betätigung des Stössels im Sinne eines Pneumatikzylinders. Die Zeitdauer von der Ansteuerung der Zündpille bis zum Aufbau eines ausreichenden Drucks zur schlagartigen Betätigung des Stössels beträgt dabei weniger als 1 ms. Zugleich ist die durch die Explosion freiwerdende Energie ausreichend, um auch die großen Massen für die Kontaktunterbrechung in wenigen Millisekunden zu beschleunigen.
Die Schalteinrichtung weist eine elektronische Auslöseeinheit mit Messmitteln zumindest zur Erfassung der elektrischen Ströme durch die jeweiligen Pole auf. Zudem umfasst die Schalteinrichtung erste Ausgabemittel zur elektrischen Ansteuerung zumindest eines Aktors zur einpoligen und/oder allpoligen Öffnung einer jeweiligen elektrischen Verbindung entsprechend dem jeweiligen Kurzschlussfall.
In einer Ausführungsform weist die Schalteinrichtung zumindest einen Kontaktträger mit zumindest einem Schaltkontakt auf, wobei der Kontaktträger um einen Schwenkpunkt schwenkbar angeordnet ist. Ein Kontaktträger kann dabei eine Vielzahl von fingerförmigen Schaltkontakten aufweisen, wodurch eine vorteilhaft möglichst gleichmäßige Aufteilung des zu schaltenden Stroms erzielt wird. Die Schaltkontakte sind dabei jeweils über eine flexible Stromleitung mit dem eingangsseitigen Stromanschluss des jeweiligen Pols verbunden. Anstelle einer Schwenkbewegung kann selbstverständlich auch eine gradlinige Bewegung des Kontaktträgers erfolgen, wenn notwendig.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Schalteinrichtung eine Schaltwelle zur allpoligen Schaltbetätigung des zumindest einen Kontaktträgers mittels einer Ausschaltverklinkung auf. Über diese Schaltwelle können z.B. bei einer dreipoligen Ausführungsform der Schalteinrichtung die drei Kontaktträger der drei Pole gleichzeitig in einem Schaltvorgang betätigt werden. Die Schaltwelle selbst wird dabei über die Ausschaltverklinkung angesteuert, die in einem normalen Überstromfall auslöst.
Im Besonderen ist der zumindest eine Aktor so wirkend auf mechanische Verbindungselemente zwischen der Schaltwelle und dem jeweiligen Schaltkontakt, insbesondere den Kontaktträger, vorgesehen, dass bei Ansteuerung des Aktors eine einpolige Öffnung der jeweiligen elektrischen Verbindung bewirkbar ist. Der besondere Vorteil ist, dass der betreffende Kontakt in einem einpoligen Kurzschlussfall und damit dem häufigsten Fehlerfall unabhängig vom übergeordneten Schaltantrieb sehr schnell geöffnet werden kann, bevor über die normale Kurzschlussauslösung eine allpolige Öffnung der elektrischen Kontakte nachfolgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Aktor wirkend auf die Schaltwelle oder auf die Ausschaltverklinkung oder auf mechanische Verbindungselemente zwischen der Schaltwelle und der Ausschaltverklinkung vorgesehen, dass bei elektrischer Ansteuerung des Aktors eine allpolige Öffnung der elektrischen Verbindung bewirkbar ist. Dadurch ist eine erheblich schnellere allpolige Abschaltung in einem Kurzschlussfall im Vergleich zur normalen Überstromauslösung mittels der Ausschaltverklinkung möglich. Je nach Bauart und Höhe der zu bewegenden Massen kann eine allpolige Auslösung zur Strombegrenzung ausreichend sein.
Bei nur einpolig erfolgter Abschaltung wird vorteilhafterweise eine allpolige Abschaltung nachgelagert durchgeführt. Dies kann ebenfalls mittels Gasgenerator oder aber herkömmlich mittels Auslösemagnet geschehen.
In einer besonderen Ausführungsform dienen die ersten Ausgabemittel der sequentiellen Ansteuerung eines Aktors mit mehreren elektrisch ansteuerbaren Gasgeneratoren in je einem Kurzschlussfall. Gemäß der jeweiligen Gerätenorm müssen maximal drei Kurzschlussauslösungen erfolgen können. Weist ein Aktor vorteilhaft mehrere, insbesondere drei, Gasgeneratoren auf, so ist ein Austausch des Aktors nach einem Kurzschlussfall nicht erforderlich. In diesem Fall steuert die elektronische Auslöseeinrichtung nacheinander in je einem Kurzschlussfall die Gasgeneratoren an. Dabei kann die elektronische Auslösevorrichtung z.B. Diagnosemittel aufweisen, die es erlauben, den Widerstand des Heizdrahts in der Zündpille des jeweiligen Gasgenerators zu messen, um so eine bereits gezündete Zündpille zu ermitteln. Auch möglich ist der einfache Austausch eines Gasgenerators nach einem Kurzschluss. Dies ist besonders bei einem sehr geringen Einbauplatz von Vorteil.
Die elektronische Auslöseeinheit kann auch zweite Ausgabemittel, wie beispielsweise Auslösemagnete, zur Ansteuerung der Ausschaltverklinkung in einem normalen Überstromfall - wie zuvor beschrieben - aufweisen.
Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung ist für Kurzschlussströme bis 200 kA und darüber bei Geräten mit besonders hohen zu führenden Nennströmen und damit hohen bewegenden Massen vorteilhaft. Ein besonders bevorzugter Anwendungsbereich liegt bei Kurzschlussströmen von 30 bis 200 kA.
Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung ist vor allem für Nennströme in einem Bereich bis 10000A geeignet. Ein besonders bevorzugter Anwendungsbereich liegt bei Nennströmen in einem Bereich von 400A bis 7000A.
Die Schalteinrichtung ist besonders für Schaltspannungen im Niederspannungsbereich, insbesondere in einem Bereich von wenigen hundert Volt, geeignet. Die Schalteinrichtung ist jedoch auch für Mittel- und Hochspannung anwendbar.
Weiterhin ist die Schalteinrichtung für einen Wechselstrombetrieb, insbesondere für eine Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz, ausgelegt. Die Schalteinrichtung kann jedoch ebenso in Gleichstrombetrieb betrieben werden.
Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung durch einen elektrisch ansteuerbaren Aktor gelöst, welcher einen Stößel und zumindest einen Gasgenerator zur Betätigung des Stößels zur Öffnung von elektrischen Verbindungen in einer Schalteinrichtung aufweist.
Der elektrisch ansteuerbare Aktor weist vorzugsweise eine automatische Rückstellmöglichkeit für den Stößel, insbesondere eine Rückstellfeder, auf. Möglich ist auch eine Resetfunktion. In dieser Variante verbleibt nach Öffnung des jeweiligen Schaltkontakts dieser im geöffneten Zustand und der Stößel im betätigten Zustand und eine Wiedereinschaltung ist so lange verhindert, bis der Stößel zurückgesetzt wird, beispielsweise vom Schaltpersonal von Hand.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Gasgenerator in dem Gehäuse des Aktors vorgesehen, so dass eine direkte Einwirkung des Gasgenerators auf den Stößel erfolgt. In einer weiteren Ausführungsform ist der Gasgenerator außerhalb des Aktorgehäuses vorgesehen. Aktor und Gasgenerator sind dann vorteilhafterweise über eine pneumatische Leitung, beispielsweise einen Schlauch, miteinander verbunden. Welche Lösung zur Anwendung kommt, muss von Fall zu Fall anhand der bauartbedingten Vorteile entschieden werden.
Vorzugsweise handelt es sich beim elektrisch ansteuerbaren Gasgenerator um einen Airbag-Gasgenerator, ähnlich dem aus dem Kraftfahrzeugbereich, oder einen baugleichen bzw. für die Anwendung optimierten Gasgenerator aus dem Kraftfahrzeugbereich. Gasgeneratoren aus diesem Bereich sind hochzuverlässig und zudem kostengünstig zu erstehen.
Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

FIG 1: ein Schaltungsschema einer beispielhaften dreipoligen Schalteinrichtung mit einer elektronischen Auslöseeinheit und mehreren im Schaltantriebsstrang verteilt angeordneten Aktoren gemäß der Erfindung,
FIG 2: einen Schaltantrieb einer beispielhaften Schalteinrichtung mit einem Kontaktträger, einer Schaltwelle, einer Ausschaltverklinkung und zugehörigen mechanischen Verbindungselementen gemäß FIG 1,
FIG 3: einen Querschnitt durch einen beispielhaften erfindungsgemäßen elektrisch ansteuerbaren Aktor in einer Ruheposition,
FIG 4: einen Querschnitt durch den elektrisch ansteuerbaren Aktor aus FIG 3 in einer Arbeitsstellung, und
FIG 5: einen Querschnitt durch einen beispielhaften elektrisch ansteuerbaren Aktor mit beispielhaft drei Gasgeneratoren gemäß der Erfindung.

FIG 1 zeigt ein Schaltungsschema einer beispielhaften dreipoligen Schalteinrichtung für Niederspannung mit einer bereits in der Schalteinrichtung integrierten elektronischen Auslöseeinheit 9 und mit mehreren im Schaltantriebsstrang 8, 81-87 verteilt angeordneten Aktoren 6, 7 gemäß der Erfindung. Im linken Teil der FIG 1 ist die elektronische Auslöseeinheit 9 dargestellt. Die elektronische Auslöseeinheit 9 erfasst dabei die durch die jeweiligen drei Pole 1-3 fließenden Ströme i1-i3. Im Beispiel der FIG 1 werden zudem die Spannungen u1-u3 in Bezug auf die Masse 14 erfasst, so dass zusammen mit den Stromwerten i1-i3 ein entsprechender Kurzschlussstrom sehr zuverlässig detektiert werden kann. Die Ausgangsseite der elektronischen Auslöseeinheit 9 ist mit eingangsseitigen Stromanschlüssen 21-23 der Schalteinrichtung verbunden. Mit den eingangsseitigen Stromanschlüssen 21-23 ist je ein Kontaktträger 41-43 für je einen Pol mit beispielhaft je einem Schaltkontakt 51-53 elektrisch verbunden. Die Kontaktträger 41-43 werden dabei über je ein mechanisches Verbindungselement 81, welches je mit einer Schaltwelle 85 mechanisch verbunden ist, zum gleichzeitigen Schalten gemeinsam angesteuert. Die Schaltwelle 85 wird ihrerseits über eine Ausschaltverklinkung 8 angesteuert, welche im normalen Überstromfall eine allpolige Abschaltung bewirkt. Über ein Ansteuerleitung 99 ist der Schaltantrieb, insbesondere die Ausschaltverklinkung 8 mit der elektronischen Auslöseeinheit 9 verbunden. Im eingeschalteten Zustand der Schalteinrichtung ist eine elektrische Verbindung zwischen den ein- und ausgangsseitigen Stromanschlüssen 21-23, 31-33 hergestellt.
Erfindungsgemäß wirken die elektrisch ansteuerbaren Aktoren 6 so auf die Schaltkontakte 51-53 und auf die jeweiligen Kontaktträger 41-43, dass eine sehr schnelle einpolige Abschaltung möglich ist. Hierzu sind die jeweiligen Aktoren 6 über Ansteuerleitungen 91-93 mit der elektronischen Auslöseeinheit 9 verbunden.
Weiterhin wirken gemäß der Erfindung die elektrisch ansteuerbaren Aktoren 7 so auf den Schaltantrieb, insbesondere die Schaltwelle 85 bzw. auf mechanische Verbindungselemente 81 zwischen Schaltwelle 85 und Ausschaltverklinkung 8, dass eine schnelle allpolige Abschaltung möglich ist. Hierzu sind die jeweiligen Aktoren 7 über Ansteuerleitungen 94-95 mit der elektronischen Auslöseeinheit 9 verbunden.
FIG 2 zeigt einen Schaltantrieb 100 einer beispielhaften Schalteinrichtung mit einem Kontaktträger 41, einem Kontakthebel 101 zur Betätigung eines Schaltkontaktes 51, einer Schaltwelle 85, einer Ausschaltverklinkung 8 und zugehörigen mechanischen Verbindungselementen 81-84, 86, 87 gemäß der FIG 1. Die weiteren Kontaktträger, die Stromschienen der weiteren Pole sowie die jeweiligen Verbindungselemente zu den weiteren Kontaktträgern sind durch die zuvor genannten Komponenten der Schalteinrichtung verdeckt. Sie sind daher nicht dargestellt. Der "Kern" des Schaltantriebs 100, mit der Ausschaltverklinkung 8, den mechanischen Verbindungselementen 83-87 und den Aktoren 7 ist in FIG 2 mit durchbrochenen Linien umfasst. Im Sinne der Erfindung umfasst jedoch der Schaltantrieb 100 sämtliche Elemente von der Ausschaltverklinkung 8 bis hin zu den Schaltkontakten. Im linken Teil der FIG 2 ist ein Pol 1 mit einem eingangsseitigen und ausgangsseitigen Stromanschluss 21, 31 in Form einer Stromschiene dargestellt. Selbstverständlich können Eingangs- und Ausgangsseite dabei auch vertauscht angeschlossen sein. Der zugehörige Kontaktträger 41 weist einen Schaltkontakt 51 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen diesen auf. Eine Seite des Kontakthebels 101 ist dabei über eine flexible Leitung, wie z.B. eine Kupferlitze oder ein Stromgelenk, elektrisch fest mit dem eingangsseitigen Stromanschluss 21 verbunden. Der Kontaktträger 41 ist um einen Schwenkpunkt 4 drehbar gelagert. Über die mechanischen Verbindungselemente 81, 82, 87 kann der Kontaktträger 41 bei einer Drehung der Schaltwelle 85 im Gegenuhrzeigersinn zur Kontaktöffnung betätigt werden. Die Schaltwelle 85, welche um einen Schwenkpunkt 5 drehbar ist, wird ihrerseits über die mechanischen Verbindungselemente 83, 84, 87 durch die Ausschaltverklinkung 8 betätigt.
Die vorliegende FIG 2 zeigt im linken Teil die elektrischen Aktoren 6 zur einpoligen Abschaltung mittels des jeweiligen Stößels 61, welche auf den Kontakthebel 101 bzw. auf einen Anschlag 55 am Kontaktträger 41 einwirken. Eine weitere mögliche einpolige Abschaltung ist in der Bildmitte dargestellt. Dort wirkt ein weiterer Aktor 6 auf das mechanische Verbindungselement 82.
Zur allpoligen Abschaltung sind weitere Aktoren 7 dargestellt, welche auf die Schaltwelle 85, auf ein mechanisches Verbindungselement 84 des Schaltantriebs sowie auf eine interne, nicht weiter dargestellte mechanische Auslösekomponente der Ausschaltverklinkung 8 wirkt.
FIG 3 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften erfindungsgemäßen elektrisch ansteuerbaren Aktor 7 in einer Ruheposition. Im Gehäuse 75 des Aktors 7 ist ein beweglicher, zylindrischer und hohler Stößel 71 angeordnet. Eine Rückstellfeder 78 hält den Stößel 71 in der gezeigten Ruheposition. Gegenüber der zylindrischen Öffnung des Stößels 71 ist ein Gasgenerator 73 im Gehäuse 75 eingebracht. Der Gasgenerator 73 weist eine über die Ansteuerleitung 91 elektrisch ansteuerbare Zündpille 78 auf, welche einen Festbrennstoff 72 zur Explosion bringen kann. Durch die Explosion gelangt dann die Druckwelle in die zylindrische Öffnung des Stößels 71, welcher sich dadurch nach unten in eine Arbeitsstellung bewegt.
FIG 4 zeigt einen Querschnitt durch den elektrisch ansteuerbaren Aktor 7 aus FIG 3 in einer Arbeitsstellung. Pfeile zeigen den Strömungsverlauf der bei der Explosion auftretenden Gase an. Im Gehäuse 75 sowie im Stößel 71 sind Ausblasöffnungen 76, 77 vorgesehen, durch welche zum einen die durch den Stößel 71 verdrängte Luft im Inneren des Gehäuses 75 und zum anderen die bei der Explosion entstehenden Gase entweichen können. Die Öffnungen 76, 77 sind dabei so bemessen, dass Beschädigungen am Gehäuse 75 während der Explosion vermieden werden, dennoch aber eine schlagartige Bewegung des Stößels 71 gewährleistet ist. Im Gehäuse 75 ist weiterhin eine federnde Verriegelung 79 angebracht, welche ein Zurückschnellen des Stößels 71 in die Ruheposition verhindert. Dadurch bleibt der Stößel 71 dauerhaft bis zur manuellen Rückstellung der Stößel 71 in der gezeigten Arbeitsposition. Wie eingangs beschrieben, kann auch auf den Rückstellmechanismus verzichtet werden, wenn der Schaltkontakt 51 nach Auslösung im geöffneten Zustand verbleiben sollte.
FIG 5 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften elektrisch ansteuerbaren Aktor 7' mit beispielhaft drei Gasgeneratoren 73a-73c gemäß der Erfindung, welche über je eine Ansteuerleitung 91a-91c angesteuert werden können.
Die in den FIG 3, 4 und 5 gezeigten Abbildungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Selbstverständlich ist es möglich, den Gasgenerator 73 nicht in der Wand des Gehäuses 75 anzuordnen, sondern auf andere Art und Weise in dem Gehäuse 75 zu positionieren. Auch die Größe des Gehäuses 75 im Verhältnis zu dem Stößel 71 kann von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichen. Insbesondere kann ein in den FIG 3, 4 und 5 nach oben verlängertes Gehäuse 75 verwendet werden.

Claims

Schalteinrichtung mit zumindest einem Schaltkontakt zur Herstellung einer ein- oder mehrpoligen elektrischen Verbindung zwischen einem jeweiligen eingangsseitigen und ausgangsseitigen Stromanschluss der Schalteinrichtung und mit zumindest einem elektrisch ansteuerbaren Gasgenerator zur Öffnung der jeweiligen ein- oder mehrpoligen elektrischen Verbindung, mit zumindest einem Aktor (6, 7, 7') mit je einem Stößel (61, 71), welcher mittels des zumindest einen Gasgenerators (73, 73a-73c) betätigbar ist, wobei der Stößel (61, 71) so auf einen Kontakthebel (101) zumindest eines Schaltkontaktes (51-53) und/oder auf Teile (8, 41-43, 81-87) eines Schaltantriebs (100) der Schalteinrichtung, insbesondere die Schaltwelle (85) oder mechanische Verbindungselemente (81-84, 86, 87), einwirkt, dass bei elektrischer Ansteuerung eines Gasgenerators (73, 73a-73c) eine Öffnung der jeweiligen elektrischen Verbindung bewirkbar ist, und mit einer elektronische Auslöseeinheit (9) mit
a) Messmitteln zumindest zur direkten oder indirekten Erfassung der elektrischen Ströme (i1-i3) durch die jeweiligen Pole (1, 2, 3) und

b) ersten Ausgabemitteln zur elektrischen Ansteuerung zumindest eines Aktors (6, 7) zur einpoligen und/oder allpoligen Öffnung einer jeweiligen elektrischen Verbindung entsprechend dem jeweiligen Kurzschlussfall.
Schalteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest einen Kontaktträger (41-43) mit zumindest einem Schaltkontakt (51-53), wobei der Kontaktträger (41-43) um einen Schwenkpunkt (4) schwenkbar ist.
Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Schaltwelle (85) zur allpoligen Schaltbetätigung des zumindest einen Kontaktträgers (41-43) mittels einer Ausschaltverklinkung (8).
Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Aktor (6) so wirkend auf mechanische Verbindungselemente (81, 82, 87) zwischen Schaltwelle (85) und dem jeweiligen Schaltkontakt (51-53) vorgesehen ist, dass bei Ansteuerung des Aktors (6) eine einpolige Öffnung der jeweiligen elektrischen Verbindung bewirkbar ist.
Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Aktor (7) so wirkend auf die Schaltwelle (85) oder auf die Ausschaltverklinkung (8) oder auf mechanische Verbindungselemente (83, 84, 87) zwischen der Schaltwelle (85) und der Ausschaltverklinkung (8) vorgesehen ist, dass bei elektrischer Ansteuerung des Aktors (7) eine allpolige Öffnung der elektrischen Verbindung bewirkbar ist.
Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ausgabemittel zur sequentiellen Ansteuerung eines Aktors (7') mehrere elektrisch ansteuerbare Gasgeneratoren (73a-73c) für je eine Kurzschlussfall aufweisen.
Schalteinrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung für einen Kurzschlussstrom von 30 kA bis 200 kA ausgelegt ist.
Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung für Nennströme in einem Bereich von 400A bis 7000A ausgelegt ist.
Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung für einen Wechselstrombetrieb, insbesondere für eine Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz ausgelegt ist.
Elektrisch ansteuerbarer Aktor mit einem Stößel (61, 71), wobei der Stößel (61, 71) von zumindest einem Gasgenerator (73, 73a-73c) betätigbar ist zur Öffnung von elektrischen Verbindungen in einer Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
Elektrisch ansteuerbarer Aktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgenerator (73, 73a-73c) ein Teil des Aktors ist.
Elektrisch ansteuerbarer Aktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgenerator (73, 73a-73c) über eine pneumatische Leitung mit dem Aktor verbunden ist.
Elektrisch ansteuerbarer Aktor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch eine Rückstellmöglichkeit für den Stößel (61, 71), insbesondere durch eine Rückstellfeder (78) oder durch eine rücksetzbare Verriegelung (79).
Elektrisch ansteuerbarer Aktor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch ansteuerbare Gasgenerator (73, 73a-73c) ein Airbag-Gasgenerator aus dem Kraftfahrzeugbereich ist.