WO2006010760A1 - Schaltgerät für niederspannungsanwendungen - Google Patents

Schaltgerät für niederspannungsanwendungen Download PDF

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WO2006010760A1
WO2006010760A1 PCT/EP2005/053642 EP2005053642W WO2006010760A1 WO 2006010760 A1 WO2006010760 A1 WO 2006010760A1 EP 2005053642 W EP2005053642 W EP 2005053642W WO 2006010760 A1 WO2006010760 A1 WO 2006010760A1
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contacts
contact
short
moving contact
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Michael Anheuser
Gerd Griepentrog
Reinhard Maier
Bernd Trautmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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 known for example from DE 10 05163 Cl, DE 44 25 330 Al or
  • EP 04 50 104 Bl known. They consist of at least one fixed contact and at least one moving contact with associated drive, which can be actuated either in particular electrically or else magnetically and can be activated by means of a specific algorithm.
  • DE 197 29 599 C1 tripping ⁇ criteria based on current (i) and current gradient (di / dt) are described, from which an advantageous Auspaw ⁇ algorithm is derived.
  • the opening of the main contacts is usually done via a mechanical switching mechanism.
  • This can be activated manually at the actuating lever ⁇ - or automatically when this egg nen overcurrent detect by thermi ⁇ cal, magnetic or electronic trip.
  • the proper times of the switching circuit 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 do not lead directly to the contact opening, but are initially directed only against the forces of the locked switching mechanism.
  • 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 re ⁇ al an
  • the invention-bearing idea is to use in the new switching device such a specific method for early detection of short-circuit, in which the imminent short circuit are detected early before reaching the currents necessary for contact separation.
  • the proper times of the probes and the Entklinkungsme- mechanism can be considered.
  • 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 Entkklinkungsmechanismus the release of the moving contact before or at least at the time by the stromabriol ⁇ the forces correspond to the contact force ,
  • KFE short-circuit early detection
  • the short circuit (KS) early detection acts on the - any kind of - trip chain, opens the lock early and avoids re-accident of the contacts. Parallel a locking of the contacts is opened and the opening due to the inherent dynamics is possible. This will be the
  • a change and simplification of the mechanical conditions on the switching device can be achieved in that - a possibly existing second pivot point in the mechanical contact system is eliminated and / or
  • FIG. 1 is a schematic representation of the detail of the contact arrangement of a switching device
  • Figure 2 is a graphical representation of the current waveform in a switching device according to Figure 1 and
  • FIG. 3 shows a flowchart to clarify the functional sequence of the switching device according to FIG. 1.
  • 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 Kon ⁇ tactile force, whereby a mechanical release chain is defined.
  • a lift-off force between the contacts is created in equal measure.
  • FIG. 1 shows a fixed contact carrier 1 for a fixed contact 2, which has a 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 assigned a pawl 5 and a toggle mechanism 6 with which the moving contact carrier 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 actuated in FIG. 1 specifically by a Thomson drive 8, which is known and operates on the eddy current principle and is comparatively fast.
  • FIG. 1 there is a unit 10 for short-circuit early detection (KFE).
  • KFE unit 10 advantageously works according to the locus method with the coordinates i and di / dt, for example according to the T_olerant G) rtsk_urve (TOK) method, for which the evaluation algorithm is described in detail in the above-mentioned DE 197 29 599 C, the disclosure of which is also the subject of the present application documents ("Incoperation by Reference").
  • This evaluation tealgorithmus is particularly suitable for this application and can gen including Vorstromereignisse be Wegsichti ⁇ .
  • the TOK evaluation algorithm is by software stored in Spei cher ⁇ an associated, not shown in Figure 1 micro controller.
  • the opening movement is advantageously accelerated.
  • the current forces exceed the locking or contact forces at time t3.
  • the contacts 2, 3 open faster in step S12.
  • the contacts 2, 3 fully ⁇ constantly open. The arc then tears off at the appropriate time and the current i is extinguished.
  • the latter is represented by the temporal current curve i (t) according to FIG. 2, to which reference has already been made above.
  • the graph of the graph 21 shows that after the response of the unit 10 for early detection of the short circuit at the time ti already at the time t 2 triggering the pawl 5 of the switching device according to Figure 1. For ⁇ time point t3, the lifting forces are immediately effective opening, wherein at the time t 4, the contacts are open.
  • Short-circuit detection unit 10 allows a trigger ⁇ chain already then set in motion before the lift-off of the contact system is achieved. This allows the mechanical release chain to be started very early. The disadvantages of a slow mechanical release chain for opening the contacts can thus be compensated.
  • a switching device with an arrangement according to Figure 1 can thus be a faster opening of the switching contacts 2 and 4 than in conventional switching devices.

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Abstract

Bei Schaltgeräten soll eine Kurzschlussfrüherkennung eingesetzt und zum Auslösen der Kontakte aktiviert werden. Gemäß der Erfindung erfolgt die Erkennung eines Kurzschlusses so früh, dass unter Berücksichtigung der Eigenzeiten der Messsonden sowie des Entklinkungsmechanismus (5, 6-8) durch einen geeigneten Auswertealgorithmus die Freigabe des Bewegtkontaktes (4) vor oder mindestens zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem die stromabhebenden Kräfte der Kontaktkraft entsprechen. Damit ist die Kontaktkraft kompensiert und es kann eine rasche Öffnung der Kontakte (2, 4) erfolgen.

Description

Beschreibung
Schaltgerät für Niederspannungsanwendungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltgerät für Nieder¬ spannungsanwendungen, mit wenigstens einem Festkontakt und wenigstens einem Bewegtkontakt.
Schalter für Niederspannungsanwendungen sind beispielsweise aus der DE 10 05163 Cl, der DE 44 25 330 Al oder der
EP 04 50 104 Bl bekannt. Sie bestehen aus wenigstens einem Festkontakt und wenigstens einem Bewegkontakt mit zugehörigem Antrieb, der entweder insbesondere elektrisch oder auch mag¬ netisch betätigbar und mittels eines spezifischen Algorith- mus' aktivierbar ist. In der DE 197 29 599 Cl sind Auslöse¬ kriterien 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 Betätigungs¬ hebel ausgelöst werden - oder auch selbsttätig durch thermi¬ sche, magnetische oder elektronische Auslöser, wenn diese ei- nen Überstrom detektieren. Die Eigenzeiten des Schaltschlos¬ ses 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 verriegel- ten 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 er¬ wähnten Auslösekette angestrebt, indem durch ein zusätzliches Lager ein weiterer Drehpunkt geschaffen ist, der aber mit zu- sätzlichen 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 Kontakt- Öffnung herbeiführen.
Bei der Dimensionierung des Schaltgerätes muss jedoch darauf geachtet werden, dass im Störfall der Kurzschluss-Auslöser das Schaltschloss entriegelt. Im Einzelfall kann eine unter- schiedliche Auslösekette gewählt werden.
Nach Ablauf der dynamischen Vorgänge bleiben die Hauptkontak¬ te 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 re¬ alisieren. Die erfindungstragende Idee besteht darin, bei dem neuen Schaltgerät ein derart spezifisches Verfahren zur Kurz- schlussfrüherkennung zu benutzen, bei dem der sich anbahnende Kurzschluss frühzeitig vor Erreichen der zur Kontaktabhebung notwendigen Ströme erkannt werden. Erfindungsgemäß können dann die Eigenzeiten der Messsonden sowie des Entklinkungsme- chanismus berücksichtigt werden.
Zur Kurzschlussfrüherkennung werden vorteilhafterweise Ver- fahren 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 Be- rücksichtigung der Eigenzeiten der Messsonden sowie des Ent- klinkungsmechanismus die Freigabe des Bewegtkontakts vor oder mindestens zu dem Zeitpunkt erfolgt, indem die stromabheben¬ den Kräfte der Kontaktkraft entsprechen.
Im Rahmen der Erfindung sind zwei Geräte-Konzepte möglich:
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 eigen- dynamische Öffnung möglich ist. Dadurch wird der Entklin- kungszeitpunkt des Schlosses vorgezogen, ein Bypass (e- lektromechanisch, pneumatisch, elektronisch o.a.) wird nicht benötigt. Trotzdem kann der Schalter, z.B. im Selek¬ tivitätsfall, als zusätzlicher Limiter agieren ohne abzu- schalten.
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 ge¬ öffnet werden - und dies bei einer relativ niedrigen Abhe- begrenze.
In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung lässt sich eine Än¬ derung und Vereinfachung der mechanischen Verhältnisse am Schaltgerät dadurch erreichen, dass - ein ggf. bisher vorhandener zweiter Drehpunkt in mechani¬ schem Kontaktsystem entfällt und/oder
- eine Entkopplung der Auslösung von der dynamischen Kon¬ taktöffnung erreicht wird. Bei der Erfindung ist zwar eine direkte Verklinkung der Be¬ wegtkontakte zusätzlich vorgesehen, die aber z. B. durch ei¬ nen Wirbelstrom(= Thomson) -Antrieb schnell vom Schaltschloss entklinkt werden können. Danach sind die stromabhebenden
Kräfte voll wirksam und es kann eine rasche Öffnung der Kon¬ takte erfolgen:
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei¬ spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan¬ sprüchen. Es zeigen
Figur 1 den Ausschnitt der Kontaktanordnung eines Schaltgerä- tes in schematischer Darstellung,
Figur 2 eine graphische Darstellung des Stromverlaufes bei einem Schaltgerät gemäß Figur 1 und
Figur 3 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des Funktionsab¬ laufes 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 Kon¬ taktkraft geöffnet, womit eine mechanische Auslösekette defi- niert ist. Spätestens mit dem Öffnen der Kontakte entsteht gleichermaßen eine Abhebekraft zwischen den Kontakten.
Bekannte Schaltgeräte leiden bisher darunter, dass es Strom¬ bereiche gibt bzw. geben kann, bei denen die schließend ge- richtete Kontaktkraft durch die öffnend wirkenden Kräfte aus der Stromschleife bereits so weit kompensiert ist, dass be¬ reits ein Schweben der Kontakte mit Lichtbogenbildung ein¬ setzt, bevor die Auslöser das Schloss entklinken.
Die nachfolgend beschriebene Anordnung schafft hier Abhilfe:
In der Figur 1 ist ein feststehender Kontaktträger 1 für ei¬ nen Festkontakt 2 vorhanden, dem ein Bewegtkontaktträger 3 für einen Bewegtkontakt 4 zugeordnet ist. Der Bewegkontakt¬ träger 3 ist um eine Achse I verschwenkbar.
Dem Bewegtkontakt 4 sind eine Klinke 5 und eine Kniehebelme- chanik 6 zugeordnet, mit denen der Bewegkontaktträger 3 akti¬ viert 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 Thom¬ son-Antrieb 8, der bekannt ist und nach dem Wirbelstromprin- zip arbeitet und vergleichsweise schnell ist, betätigt.
Weiterhin ist in Figur 1 eine Einheit 10 zur Kurzschlussfrüh- erkennung (KFE) vorhanden. Die KFE-Einheit 10 arbeitet vor¬ teilhafterweise nach dem Ortskurvenverfahren mit den Koordi- naten i und di/dt, beispielsweise nach dem T_olerante G)rtsk_ur- ven (TOK) -Verfahren, wozu der Auswertealgorithmus im Einzelnen in der eingangs bereits erwähnten DE 197 29 599 C beschrieben wird, deren Offenbarung auch Gegenstand vorliegender Anmelde¬ unterlagen ist ("Incoperation by Reference") . Dieser Auswer- tealgorithmus ist für vorliegenden Anwendungsfall besonders geeignet und kann u.a. auch Vorstromereignisse berücksichti¬ gen. Der TOK-Auswerte-Algorithmus ist softwaremäßig im Spei¬ cher eines zugehörigen, in Figur 1 nicht dargestellten Mikro- kontrollers abgelegt.
Gegebenenfalls können in der KFE 10 auch andere, schnell ar¬ beitende 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 zugehö¬ rige Lichtbogenstrom i in willkürlichen Einheiten aufgetra¬ gen. 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 Klinkenme¬ chanismus 5 einerseits und dem Antrieb 6 für den Bewegkontakt 3 andererseits ersichtlich: Nach Erkennen des Kurzschluss' in der KFE 10 zum Zeitpunkt tl wird mit Verfahrensschritt SlO einerseits ein Signal an einen Aktor 5' für die Klinke 5 ge¬ geben und erfolgt andererseits die Bestromung des Thomson- Antriebes 8. Zum Zeitpunk t2 ist die die Klinke 5 frei und der Thomson-Antrieb 8 betätigt. Mit Verfahrensschritt Sil 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 voll¬ ständig 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 eingegan¬ gen wurde. Der Kurvenverlauf des Graphen 21 zeigt, dass nach dem Ansprechen der Einheit 10 zur Kurzschlussfrüherkennung zum Zeitpunkt ti bereits zum Zeitpunkt t2 ein Auslösen der Klinke 5 des Schaltgerätes gemäß Figur 1 erfolgt. Zum Zeit¬ punkt 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 Auslöse¬ kette 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 Kon- takte 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 ver¬ kippbaren Bewegkontakt beschriebene Anordnung kann auch auf Schaltgeräte mit Brücken-Kontakten übertragen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltgerät für Niederspannungsanwendungen, mit wenigstens einem Festkontakt und wenigstens einem Bewegtkontakt, mit ei- ner Einrichtung zur Kurzschlussfrüherkennung und mit einem Aktor zur Öffnung der Kontakte, wobei die Einheit zur Kurz¬ schlussfrüherkennung (10) so schnell arbeitet, dass unter Hinzurechnung der Eigenzeiten der Messsonden sowie des Ent- klinkungsmechanismus (5, 6 bis 8) eine Freigabe des wenigs- tens 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-Ver- fahren) 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-/Entklin- kung 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, da¬ durch gekennzeichnet, dass ein Wirbelstrom-Antrieb (8) vor¬ handen ist.
8. Schaltgerät nach Anspruch .., dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (8) über einen Kniehebel (6) auf einen Kontakt¬ träger (3) für den Bewegtkontakt (4) einwirkt.
9. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, dass über den Auswertealgorithmus gleichzeitig der Aktor zur Öffnung der Kontakte (2, 4), ins¬ besondere 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 Abhe¬ bekräfte der Kontakte (2, 4) berücksichtigt.
11. Schaltgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswertealgorithmus in einem Speicher eines Mikrokontrol- lers abgespeichert ist.
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