EP1771870B1 - Schaltgerät für niederspannungsanwendungen - Google Patents

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EP1771870B1
EP1771870B1 EP05763086A EP05763086A EP1771870B1 EP 1771870 B1 EP1771870 B1 EP 1771870B1 EP 05763086 A EP05763086 A EP 05763086A EP 05763086 A EP05763086 A EP 05763086A EP 1771870 B1 EP1771870 B1 EP 1771870B1
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moving contact
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Reinhard Maier
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Siemens AG
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    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/123—Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit

Definitions

  • the invention relates to a switching device for low-voltage applications, with at least one fixed contact and at least one moving contact.
  • Switches for low voltage applications are for example from the DE 10 05163 C1 , of the DE 44 25 330 A1 or the EP 04 50 104 B1 known. They consist of at least one fixed contact and at least one moving contact with associated drive, which is either in particular electrically or magnetically actuated and by means of a specific algorithm 'can be activated.
  • tripping criteria are described on the basis of current (i) and current gradient (di / dt), from which an advantageous evaluation algorithm is derived.
  • the opening of the main contacts is usually done via a mechanical switching mechanism.
  • This can be triggered manually on the actuating lever - or automatically by thermal, magnetic or electronic triggers when they detect an overcurrent.
  • the proper times of the switching mechanism are in the range of several ms, so that even in the case of larger short circuits, the existing electrodynamic forces from the current loop does not lead directly to the contact opening, but are initially directed only against the forces of the locked switch latch.
  • Electronic short-circuit releases can be equipped with a so-called “electromagnetic bypass”, in order to cause rapid tripping at high short-circuit currents.
  • Some devices also allow a temporary opening without a final forced opening through the lock.
  • an improved switching device can be realized.
  • the invention-bearing idea is to use in the new switching device such a specific method for short-circuit detection, in which the imminent short circuit is detected early before reaching the necessary for the contact lifting currents. According to the invention then the proper times of the probes and the Entklinkungsmechanismus be taken into account.
  • Method for example traveling wave method.
  • the detection of a short circuit by a suitable algorithm takes place so early that taking into account the proper times of the probes and the Entklinkungsmechanismus the release of the moving contact before or at least at the time by the current-dissipating forces correspond to the contact force.
  • Switching devices of the prior art have a switching mechanism which is activated by the overcurrent or short-circuit current release.
  • the contacts are opened against the closing acting contact force, whereby a mechanical release chain is defined.
  • a lift-off force between the contacts is created in equal measure.
  • FIG. 1 a fixed contact carrier 1 for a fixed contact 2 is present, the one moving contact carrier. 3 is assigned for a moving contact 4.
  • the moving contact carrier 3 is pivotable about an axis I.
  • the moving contact 4 is a pawl 5 and a toggle mechanism 6 associated with which the Bewegrometown 3 can be activated.
  • the toggle lever 6 is articulated via a spring to the housing or another fixed reference points.
  • the toggle mechanism 6 is in FIG. 1 specifically by a Thomson drive 8, which is known and operates on the eddy current principle and is relatively fast, operated.
  • the KFE unit 10 advantageously operates according to the locus method with the coordinates i and di / dt, for example according to the tolerant loci (TOK) method, to which the evaluation algorithm in detail in the already mentioned DE 197 29 599 C is described.
  • TOK tolerant loci
  • This evaluation algorithm is particularly suitable for present application and can, among other things, also take into account bias currents.
  • the TOK evaluation algorithm is software-based in the memory of an associated, in FIG. 1 filed microcontroller not shown.
  • FIG. 2 is the time course during the switching operation of the contact arrangement according to FIG. 1 Plotted on the abscissa are the time t and on the ordinate the associated arc current i in arbitrary units.
  • Graph 21 shows the current profile when a short circuit occurs.
  • the interaction of the unit 10 for early detection of short circuits (KFE) with specific evaluation algorithm with the pawl mechanism 5 on the one hand and the drive 6 for the moving contact 3 on the other hand seen: After detection of the short circuit 'in the KFE 10 at time t1 with step S10 on the one hand, a signal to an actuator 5' for the pawl On the other hand, the energization of the Thomson drive 8. At the time t 2 , the pawl 5 is free and the Thomson drive 8 is actuated. With method step S11, the opening of the contacts 2, 3 is now introduced at a time at which the moving contact 4 is free.
  • the opening movement is advantageously accelerated.
  • the current forces exceed the locking or contact forces at time t 3 .
  • the contacts 2, 3 open faster in step S12.
  • the contacts 2, 3 are fully open. The arc then tears off at the appropriate time and the current i is extinguished.
  • the latter is due to the temporal current i (t) according to FIG. 2 already mentioned above.
  • the curve of the graph 21 shows that after the response of the unit 10 for early detection of the short circuit at time t 1 already at the time t 2 triggering the pawl 5 of the switching device according to FIG. 1 he follows. At the time t 3 , the lift-off forces are effective immediately opening, wherein at time t 4, the contacts are open.
  • a switching device with an arrangement according to FIG. 1 can thus be a faster opening of the switching contacts 2 and 4 than in conventional switching devices.
  • the arrangement described above in a switching device with tiltable about an axis movable contact arrangement can also be transferred to switching devices with bridge contacts.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltgerät für Niederspannungsanwendungen, mit wenigstens einem Festkontakt und wenigstens einem Bewegtkontakt.
  • Schalter für Niederspannungsanwendungen sind beispielsweise aus der DE 10 05163 C1 , der DE 44 25 330 A1 oder der EP 04 50 104 B1 bekannt. Sie bestehen aus wenigstens einem Festkontakt und wenigstens einem Bewegkontakt mit zugehörigem Antrieb, der entweder insbesondere elektrisch oder auch magnetisch betätigbar und mittels eines spezifischen Algorithmus' aktivierbar ist. In der DE 197 29 599 C1 sind Auslösekriterien auf der Basis von Strom (i) und Stromsteilheit (di/dt) beschrieben, wobei daraus ein vorteilhafter Auswerte-algorithmus abgeleitet wird.
  • In herkömmlichen Niederspannungs-Leistungsschaltern geschieht das Öffnen der Hauptkontakte im Regelfall über ein mechanisch arbeitendes Schaltschloss. Dies kann manuell am Betätigungshebel ausgelöst werden - oder auch selbsttätig durch thermische, magnetische oder elektronische Auslöser, wenn diese einen Überstrom detektieren. Die Eigenzeiten des Schaltschlosses liegen im Bereich von mehreren ms, so dass auch im Falle größerer Kurzschlüsse die vorhandenen elektrodynamischen Kräfte aus der Stromschleife nicht direkt zur Kontaktöffnung führen, sondern zunächst nur gegen die Kräfte des verriegelten Schaltschlosses gerichtet sind.
  • Elektronische Kurzschlussauslöser können mit einem sog. "elektromagnetischen Bypass" versehen werden, um bei großen Kurzschlussströmen eine schnelle Auslösung zu bewirken.
  • Bisher wird eine verbesserte Problemlösung mit der oben erwähnten Auslösekette angestrebt, indem durch ein zusätzliches Lager ein weiterer Drehpunkt geschaffen ist, der aber mit zusätzlichen Federn oder Führungen den Kontakt vorübergehend zuhält. Erst bei extremen Strömen können elektrodynamische Kräfte diese Federkräfte überwinden und auch ohne Hilfe des Schaltschlosses eine vorübergehende oder endgültige Kontaktöffnung herbeiführen.
  • Bei der Dimensionierung des Schaltgerätes muss jedoch darauf geachtet werden, dass im Störfall der Kurzschluss-Auslöser das Schaltschloss entriegelt. Im Einzelfall kann eine unterschiedliche Auslösekette gewählt werden.
  • Nach Ablauf der dynamischen Vorgänge bleiben die Hauptkontakte geöffnet. Manche Geräte lassen auch eine temporäre Öffnung zu, ohne dass eine endgültige Zwangsöffnung durch das Schloss erfolgt.
  • Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik schneller ansprechendes Schaltgerät zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Mit der Erfindung lässt sich ein verbessertes Schaltgerät realisieren. Die erfindungstragende Idee besteht darin, bei dem neuen Schaltgerät ein derart spezifisches Verfahren zur Kurzschlussfrüherkennung zu benutzen, bei dem der sich anbahnende Kurzschluss frühzeitig vor Erreichen der zur Kontaktabhebung notwendigen Ströme erkannt wird. Erfindungsgemäß können dann die Eigenzeiten der Messsonden sowie des Entklinkungsmechanismus berücksichtigt werden.
  • Zur Kurzschlussfrüherkennung werden vorteilhafterweise Verfahren basierend auf der Auswertung des Stromes i und der Stromsteilheit di/dt, d.h. Ortskurvenverfahren, insbesondere mit Anwendung sog. "Toleranter Ortskurven(TOK)" entsprechend der DE 197 29 599 C genutzt. Möglich sind aber auch andere
  • Verfahren, beispielsweise Wanderwellenverfahren.
  • Bei der Erfindung erfolgt die Erkennung eines Kurzschlusses durch einen geeigneten Algorithmus so früh, dass unter Berücksichtigung der Eigenzeiten der Messsonden sowie des Entklinkungsmechanismus die Freigabe des Bewegtkontakts vor oder mindestens zu dem Zeitpunkt erfolgt, indem die stromabhebenden Kräfte der Kontaktkraft entsprechen.
  • Im Rahmen der Erfindung sind zwei Geräte-Konzepte möglich:
    1. 1) Die Kurzschluss-Früherkennung (KFE) wirkt nur auf die - beliebig geartete - Auslösekette, öffnet frühzeitig das Schloss und vermeidet das Wieder-Zufallen der Kontakte. Das Kontaktsystem ist dabei so ausgelegt, dass eine eigendynamische Öffnung möglich ist. Dadurch wird der Entklinkungszeitpunkt des Schlosses vorgezogen, ein Bypass (elektromechanisch, pneumatisch, elektronisch o.ä.) wird nicht benötigt. Trotzdem kann der Schalter, z.B. im Selektivitätsfall, als zusätzlicher Limiter agieren ohne abzuschalten.
    2. 2) Die Kurzschluss(KS)-Früherkennung wirkt auf die - beliebig geartete - Auslösekette, öffnet frühzeitig das Schloss und vermeidet das Wieder-Zufallen der Kontakte. Parallel wird eine Verriegelung der Kontakte geöffnet und die Öffnung infolge der Eigendynamik ist möglich. Dadurch wird der Entklinkungszeitpunkt des Schlosses vorgezogen, ein Bypass wird nicht benötigt. Es können somit keine Verschweißungen auftreten, da die Kontakte im Falle des Abhebens immer geöffnet werden - und dies bei einer relativ niedrigen Abhebegrenze.
  • In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung lässt sich eine Änderung und Vereinfachung der mechanischen Verhältnisse am Schaltgerät dadurch erreichen, dass
    • ein ggf. bisher vorhandener zweiter Drehpunkt in mechanischem Kontaktsystem entfällt und/oder
    • eine Entkopplung der Auslösung von der dynamischen Kontaktöffnung erreicht wird.
  • Bei der Erfindung ist zwar eine direkte Verklinkung der Bewegtkontakte zusätzlich vorgesehen, die aber z. B. durch einen Wirbelstrom(= Thomson)-Antrieb schnell vom Schaltschloss entklinkt werden können. Danach sind die stromabhebenden Kräfte voll wirksam und es kann eine rasche Öffnung der Kontakte erfolgen:
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
    • Figur 1 den Ausschnitt der Kontaktanordnung eines Schaltgerätes in schematischer Darstellung,
    • Figur 2 eine graphische Darstellung des Stromverlaufes bei einem Schaltgerät gemäß Figur 1 und
    • Figur 3 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des Funktionsablaufes beim Schaltgerät gemäß Figur 1.
  • Schaltgeräte des Standes der Technik haben ein Schaltschloss, das vom Über- bzw. Kurzschlussstromauslöser aktiviert wird. Damit werden die Kontakte gegen die schließend wirkende Kontaktkraft geöffnet, womit eine mechanische Auslösekette definiert ist. Spätestens mit dem Öffnen der Kontakte entsteht gleichermaßen eine Abhebekraft zwischen den Kontakten.
  • Bekannte Schaltgeräte leiden bisher darunter, dass es Strombereiche gibt bzw. geben kann, bei denen die schließend gerichtete Kontaktkraft durch die öffnend wirkenden Kräfte aus der Stromschleife bereits so weit kompensiert ist, dass bereits ein Schweben der Kontakte mit Lichtbogenbildung einsetzt, bevor die Auslöser das Schloss entklinken.
  • Die nachfolgend beschriebene Anordnung schafft hier Abhilfe:
  • In der Figur 1 ist ein feststehender Kontaktträger 1 für einen Festkontakt 2 vorhanden, dem ein Bewegtkontaktträger 3 für einen Bewegtkontakt 4 zugeordnet ist. Der Bewegkontaktträger 3 ist um eine Achse I verschwenkbar.
  • Dem Bewegtkontakt 4 sind eine Klinke 5 und eine Kniehebelmechanik 6 zugeordnet, mit denen der Bewegkontaktträger 3 aktiviert werden kann. Der Kniehebel 6 ist über eine Feder an das Gehäuse oder einen anderen festen Bezugspunkte angelenkt. Die Kniehebelmechanik 6 wird in Figur 1 speziell von einem Thomson-Antrieb 8, der bekannt ist und nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet und vergleichsweise schnell ist, betätigt.
  • Weiterhin ist in Figur 1 eine Einheit 10 zur Kurzschlussfrüherkennung (KFE) vorhanden. Die KFE-Einheit 10 arbeitet vorteilhafterweise nach dem Ortskurvenverfahren mit den Koordinaten i und di/dt, beispielsweise nach dem Tolerante Ortskurven(TOK)-Verfahren, wozu der Auswertealgorithmus im Einzelnen in der eingangs bereits erwähnten DE 197 29 599 C beschrieben wird. Dieser Auswertealgorithmus ist für vorliegenden Anwendungsfall besonders geeignet und kann u.a. auch Vorstromereignisse berücksichtigen. Der TOK-Auswerte-Algorithmus ist softwaremäßig im Speicher eines zugehörigen, in Figur 1 nicht dargestellten Mikrokontrollers abgelegt.
  • Gegebenenfalls können in der KFE 10 auch andere, schnell arbeitende Verfahren zur Kurzschlussfrüherkennung eingesetzt werden.
  • In der Figur 2 ist der Zeitverlauf beim Schaltvorgang der Kontaktanordnung gemäß Figur 1 als Graphik dargestellt: Auf der Abszisse sind die Zeit t und auf der Ordinate der zugehörige Lichtbogenstrom i in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Der Graph 21 zeigt den Stromverlauf beim Auftreten eines Kurzschlusses.
  • Anhand des Flussdiagramms der Figur 3 wird im Einzelnen das Zusammenwirken der Einheit 10 zur Kurzschlussfrüherkennung (KFE) mit spezifischem Auswertealgorithmus mit dem Klinkenmechanismus 5 einerseits und dem Antrieb 6 für den Bewegkontakt 3 andererseits ersichtlich: Nach Erkennen des Kurzschluss' in der KFE 10 zum Zeitpunkt t1 wird mit Verfahrensschritt S10 einerseits ein Signal an einen Aktor 5' für die Klinke 5 gegeben und erfolgt andererseits die Bestromung des Thomson-Antriebes 8. Zum Zeitpunkt t2 ist die die Klinke 5 frei und der Thomson-Antrieb 8 betätigt. Mit Verfahrensschritt S11 wird nunmehr zu einem Zeitpunkt, an dem der Bewegkontakt 4 frei ist, die Öffnung der Kontakte 2, 3 eingeleitet.
  • Durch die auf das Kontaktsystem wirkenden Stromkräfte wird die Öffnungsbewegung vorteilhafterweise beschleunigt. Die Stromkräfte überschreiten zum Zeitpunkt t3 die Zuhalte- bzw. Kontaktkräfte. Die Kontakte 2, 3 öffnen im Verfahrensschritt S12 schneller. Zum Zeitpunkt t4 sind die Kontakte 2, 3 vollständig geöffnet. Der Lichtbogen reißt dann zum geeigneten Zeitpunkt ab und der Strom i wird gelöscht.
  • Letzteres wird durch den zeitlichen Stromverlauf i(t) gemäß Figur 2 wiedergegeben, auf die bereits weiter oben eingegangen wurde. Der Kurvenverlauf des Graphen 21 zeigt, dass nach dem Ansprechen der Einheit 10 zur Kurzschlussfrüherkennung zum Zeitpunkt t1 bereits zum Zeitpunkt t2 ein Auslösen der Klinke 5 des Schaltgerätes gemäß Figur 1 erfolgt. Zum Zeitpunkt t3 werden die Abhebekräfte unmittelbar öffnend wirksam, wobei zum Zeitpunkt t4 die Kontakte offen sind.
  • Dem Zeitverlauf des Stromes i der Figur 2 ist entnehmbar, dass die frühzeitige Erkennung des Kurschlussfalles in der Kurzschlusserkennungseinheit 10 es ermöglicht, eine Auslösekette bereits dann in Gang zu setzen, bevor die Abhebegrenze des Kontaktsystems erreicht wird. Damit kann die mechanische Auslösekette bereits sehr früh in Gang gesetzt werden. Die Nachteile einer langsamen Mechanik-Auslösekette zum Öffnen der Kontakte können somit kompensiert werden.
  • Nunmehr wird die Freigabe nicht allein auf das Gleichgewicht der Kräfte bezogen. Problematisch ist dabei typischerweise, dass beim Stand der Technik die Mechanik-Auslösekette zu langsam ist, um im Kurzschlussfall das Zufallen der Kontakte zu vermeiden. Es reicht aber aus, wenn das Schloss die Kontakte öffnet, bevor diese aufgrund fehlender Eigendynamik wieder zufallen.
  • Bei einem Schaltgerät mit einer Anordnung nach Figur 1 kann somit eine raschere Öffnung der Schaltkontakte 2 und 4 als bei herkömmlichen Schaltgeräten erfolgen.
  • Insgesamt ist also gewährleistet, dass unter Berücksichtigung der Eigenzeiten der Messsonden, des Auswertealgorithmus' und des Entklinkungsmechanismus die Freigabe des Bewegkontaktes vor oder mindestens zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem die stromabhebenden Kräfte der Kontaktkraft entsprechen.
  • Die vorstehend bei einem Schaltgerät mit um eine Achse verkippbaren Bewegkontakt beschriebene Anordnung kann auch auf Schaltgeräte mit Brücken-Kontakten übertragen werden.

Claims (11)

  1. Schaltgerät für Niederspannungsanwendungen, mit wenigstens einem Festkontakt und wenigstens einem Bewegtkontakt, mit einer Einrichtung zur Kurzschlussfrüherkennung und mit einem Aktor zur Öffnung der Kontakte, wobei die Einheit zur Kurzschlussfrüherkennung (10) so schnell arbeitet, dass unter Hinzurechnung der Eigenzeiten von Messsonden sowie eines Entklinkungsmechanismus (5, 6 bis 8) eine Freigabe des wenigstens einen Bewegkontaktes (4) vor oder mindestens zu dem Zeitpunkt (t2) erfolgt, in dem die durch einen Stromfluss (i) entstehenden elektrodynamischen Abhebekräfte der Kontaktkraft entsprechen und wobei ein Auswertealgorithmus die Eigenzeiten der Messsonden sowie des Entklinkungsmechanismus (5, 6 - 8) berücksichtigt.
  2. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (10) zur Kurzschlussfrüherkennung nach einem Ortskurvenverfahren arbeitet.
  3. Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ortskurvenverfahren sog. Tolerante Ortskurven (TOK-Verfahren) verwendet.
  4. Schaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der TOK-Algorithmus Vorstromereignisse berücksichtigt.
  5. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entklinkungsmechanismus eine Klinke (5) zur Ver-/Entklinkung des wenigstens einen Bewegtkontaktes (4) enthält.
  6. Schaltgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinke (5) direkt von der Einheit (10) zur Kurzschluss-früherkennung ansteuerbar ist
  7. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirbelstrom-Antrieb (8) vorhanden ist.
  8. Schaltgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (8) über einen Kniehebel (6) auf einen Kontaktträger (3) für den Bewegtkontakt (4) einwirkt.
  9. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Auswertealgorithmus gleichzeitig der Aktor zur Öffnung der Kontakte (2, 4), insbesondere ein separater Aktor (5') für die Klinke(5) und der Antrieb(8) für den Bewegkontakt (4), aktivierbar sind.
  10. Schaltgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswertealgorithmus die durch den Strom bewirkten Abhebekräfte der Kontakte (2, 4) berücksichtigt.
  11. Schaltgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswertealgorithmus in einem Speicher eines Mikrokontrollers abgespeichert ist.
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