DE10354505B4 - Elektrischer Selbstschalter - Google Patents

Abstract

Elektrischer Selbstschalter, insbesondere Leitungsschutzschalter, mit einer Kontaktbrücke (16) zum Unterbrechen des Hauptstromkreises, einer gemeinsamen Stromspule (11) und einem Thermobimetall (12), das im Normalbetrieb im Hauptstromkreis kurzgeschlossen ist und zum Betätigen eines Schaltschlosses eingerichtet ist, so dass der Hauptstromkreis unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die gemeinsame Stromspule (11) einen ersten Magnetauslöser (1-20) und einen zweiten Magnetauslöser (22) erregt, wobei der erste Magnetauslöser (1-20) beim Auftreten eines Überstroms das Thermobimetall (12) unterbrechungslos in den Hauptstromkreis schaltet und über eine Klinke (8) verzögert das Schaltschloss zum Unterbrechen des Hauptstromkreises auslöst, und
der zweite Magnetauslöser (22) beim Auftreten eines Kurzschlussstroms auf die Kontaktbrücke (16) einwirkt und den Hauptstromkreis unverzögert unterbricht.

Description

• Die Erfindung betrifft einen verlustarmen, selektiven Selbstschalter zum Schutz von elektrischen Verbrauchern und Stromkreisen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1.
• Zum Schutz von elektrischen Leitungen aber auch zum Schutz von Motoren werden heute überwiegend Schutzschalter eingesetzt welche die früher üblichen Schmelzsicherungen ersetzen.
• Alle Schutzschalter nach dem heutigen Stand der Technik basieren auf einer Reihenschaltung von Kurzschlußauslöser – Überstromauslöser und Kontaktanordnung und entsprechen somit der technischen Lehre aus DE 458392 C .
• Gemeinsam kommt bei diesen Konstruktionen ein Überstromauslöser zur Anwendung der mittels Stromwärme einen thermomechanischen Wandlex bereits bei bestimmungsgemäßen Betrieb aufheizt um dann im Störfall also bei erhöhtem Stromfluß das Schutzschaltgerät in vorgegebenen Zeiten auszulösen und den Stromkreis zu unterbrechen.
• Der kollektive Mangel der diesen Konstruktionen anhaftet besteht darin, daß der thermomechanische Wandlex auch bei bestimmungsgemäßen Betrieb einen Eigenverbrauch benötigt der etwa 1‰ der zu schützenden Leistung ausmacht.
• Dieser stand-by Betrieb ist unnötig. Er ist die Ursache für die unerwünschte gegenseitige Erwärmung der Schutzschaltgeräte in Verteilungen und führt zu ungewollten Abschaltungen bereits bei Nennstrom.
• Damit der thermomechanische Wandler seine Funktion im Schutzschaltgerät erfüllen kann und zwar ohne durch schwankende Umgebungstemperaturen beeinflußt zu werden müßte seine Arbeitstemperatur deutlich über dem Temperaturbereich liegen bei dem das Schutzschaltgerät zum Einsatz kommt. Die Erhöhung der Arbeitstemperatur wäre zwar grundsätzlich möglich würde aber wiederum höhere Herzleistung für den thermomechanischen Wandler voraussetzen wodurch dieser eine noch größere Verlustleistung bei bestimmungsgemäßen Betrieb – also praktisch immer – verbrauchen würde.
• Ein weitere Mangel bekannter Produkte besteht darin, daß die Schutzschaltgeräte auch dann selbst tätig abschalten wenn gar kein gestörter Betrieb vorliegt etwa durch die kurzen Stromimpulse beim Einschalten von Lampen oder Motoren in elektrischen Anlagen
• Letzlich war die fehlende Selektivität von Selbstschaltern zueinander der Anlaß Lösungen vorzuschlagen wie sie im DE 3840482 oder DE 4118377 A1 veröffentlicht wurden.
• In der Praxis sind daraus Schutzschaltgeräte mit erheblichem technischen Aufwand entstanden deren Funktion wie z.B. bei DE 4118377 A1 vom Vorhandensein der Netzspannung abhängt.
• DE 28 54 616 A1 offenbart eine Selektivschutzeinrichtung mit einem Schlagankersystem, das bei einem Kurzschlussstrom sowohl auf eine Hilfstrennstelle, als auch auf eine Haupttrennstelle wirkt, wodurch der Stromverlauf in einen Parallelzweig mit einem Bimetall umgeleitet wird und die Haupttrennstelle wiederholt geöffnet und geschlossen wird, bis die Haupttrennstelle aufgrund des Bimetalls endgültig geöffnet wird.
• WO 03/065398 offenbart ein elektrisches Schaltgerät, welches einen magnetischen Auslöser aufweist, der auf eine erste Kontaktstelle einwirkt, sowie eine zweite Kontaktstelle und ein Bimetall. Parallel zu der ersten Kontaktstelle ist ein Parallelstrompfad, der ein Selektivthermobimetall aufweist. Beide Bimetalle wirken auf ein Schaltschloss, das die zweite Kontaktstelle betätigt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen verlustarmen, selektiven Selbstschalter zu schaffen der als Leitungs- oder Motorschutzschalter aber auch als Hauptsichenmgsautomat eingesetzt werden kann. Der technische Aufwand für die Herstellung soll dem bekannter Leitungsschutzschalter vergleichbar sein, seine Funktion soll netzspannungs- und hilfsspannungsunabhängig erfolgen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe geht der Erfindung die Überlegung voraus den von keiner Konvention geforderten stand – by – Betrieb bei Selbstschaltern abzuschaffen.
• Die Erfindung verzichtet deshalb auf die Beheizung des thermomechanischen Wandlers bei bestimmungsgemäßen Betrieb und vermeidet damit – also praktisch immer – jene Verlustleistung die den Selbstschalter und seine Umgebung unnötig erwärmt.
• Gemäß der Erfindung kommt daher als Überstromauslöser anstelle eines thermomechanischen Wandlers ein magnetothermischer Wandler zum Einsatz der erst bei gestörtem Betrieb aufgeheizt wird und dabei seine Auslösefunktion wahrnimmt.
• Der magnetothermische Wandeer besteht aus zwei Magnetsystemen die unabhängig voneinander mit einem Thermobimetall zusammenarbeiten.
• Bei bestimmungsmäßigen Betrieb also im eingeschalteten Zustand des Selbstschalters wird nur die Erregerspule des magnetothermischen Wandlers vom Betriebsstrom durchflossen – das Thermobimetall ist kurzgeschlossen.
• Erst wenn der Betriebsstrom einen kritischen Bereich übersteigt zieht der erste Anker des Doppelankersystems bei einem vorgewählten Stromwert an und schaltet das Thermobimetall unterbrechungsfrei in den Hauptstromkreis.
• Das Thermobimetall wird nunmehr vom Überstrom durchflossen, erwärmt sich und entklinkt das Schaltschloß wodurch auf bekannte Weise der überlastete Stromkreis unterbrochen wird.
• Die Arbeitstemperatur des Thermobimetalls ist dabei wesentlich höher als bei bekannten Anordnungen, so daß die Verzögerungszeit kurz ist und der thermische Einfluß auf benachbarte Schutzschaltgeräte unterbleibt.
• Aufgrund der hohen Arbeitstemperatur des Thermobimetalls wird aber auch die Auslösecharakteristik des Selbstschalters selbst durch erhebliche Schwankungen der Umgebungs temperatur nicht nachteilig beeinflußt.
• Die Unempfindlichkeit des Selbstschalters gegenüber Einschaltimpulsen von Glühlampembändern, Energiesparlampenserien und Motoren ist durch die Wirkungsweise des magnetothermischen Auslösers vorgegeben. Da das Thermobimetall erst nach Aufnahme einer bestimmten Wärmemenge also verzögert auslösen kann ist auf diese Weise, vergleichbar dem Verhalten von Schmelzsicherungen, Selektivität bis zu Überströmen größer 1000 A gegeben.
• Bei höheren Kurzschlußströmen wird das aus ferromagnetischen Material bestehende Rohr des Doppelankersystems magnetisch gesättigt, so daß der Tauchanker beim Anziehen über den Stössel die Kontaktbrücke direkt in eine stabile Endlage schleudert und somit den Stromkreis unterbricht. Gleichzeitig wird dadurch das Thermobimetall stromlos geschaltet und vor Beschädigungen bewahrt.
• Nachdem der Einfluß schnellöffnender Kontakte im Hochstrombereich und das Zusammenwirken mit Deionkammern zur Strombegrenzung bei der Abschaltung bekannt ist wird auf eine Beschreibung dieses Vorganges verzichtet.
• Die Abschaffung des Stand – by- Betriebes bewirkt aber auch eine erhebliche Einsparung des Jahresenergiebedarfs die sich volkswirtschaftlich rechnet. So reduziert sich die Ver-Lustleistung des Selbstschalters gemäß der Neuerung bei bestimmungsgemäßen Betrieb auf ca. 1/3 im Vergleich zu Schutzschaltgeräten nach dem Stand der Technik.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in den Unteransprüchen beschrieben. Aus der Zeichnung ist ein Ausführungsbeisspiel und dessen Wirkungsweise ersichtlich.
• Hierbei zeigt: 1 den magnetothermischen Wandler in betriebsbereitem Zustand
• 2 das Schaltbild des Selbstschalters
• 3 das U-förmige Thermo-Bimetall
• 4 die Kontaktbrücke in Dreiecksform
• 5 die Strom- Zeit- Kennlinie des Selbstschalters im Vergleich zu bekannten Schutzschaltgeräten
• Bei der schematischen Darstellung ist auf Bauteile des Selbstschalters die für das Verständnis des Erfindungsgedankens von untergeordneter Bedeutung und bekannt sind verzichtet worden.
• Zunächst soll die Ausführung gemäß 1 erläutert werden.
• Der magnetothermische Wandler besteht aus zwei Magnetsystemen die unabhängig voneinander auf die Kontaktbrücke (16) wirken und in Redundanz mit dem Bimetall (12) die Auslösung des Selbstschalters bei gestörtem Betrieb über die Klinke (8) veranlassen.
• Beide Magnetsysteme sind zu einem Doppelankerauslöser zusammengefaßt und werden von der gemeinsamen Stromspule (11) erregt.
• Der Stromfluß erfolgt im betriebsbereiten Zustand von der Klemme (17) über die Stromspule (11) und das Hauptschaltstück (15), die Kontaktbrücke (16) zum Haupschaltstück (21) und von dort zur Klemme (23). Das Thermobimetall (12) ist kurzgeschlossen. Der Magnetkreis für den Klappankermagnet wird durch den Anker (1), das Magnetjoch (5) und (6) sowie das Rohr (4) gebildet. Der Anker (1) ist kraftschlüssig und drehbar im Magnetjoch (5) gelagert und wirkt bei gestörtem Betrieb mit seinem Schenkel (20) im Gegenzeigersinn auf die Kontaktbrücke (16) und öffnet die Kontaktstelle am Hauptkontaktstück (15).
• Der Ankerluftspalt (1a) ist gleich 0, das Thermobimetall (12) wird über das Abbrennstück (13) und die Verbindung (14) in den Hauptstromkreis geschaltet und vom Über-strom durchflossen. Das Thermobimetall biegt sich aus und löst verzögert über die Klinke (8) das Schaltschloß.
• Der Stromansprechwert des Klappankermagneten kann durch die Justiereinrichtung (9, 10) vorgewählt werden.
• Der Magnetkreis für den Tauchankermagnet wird durch den Anker (2) und den Kern (3) gebildet. Bei hohen Kurzschlußströmen schlägt der Anker (2) über den Stössel (22) direkt auf die Kontaktbrücke (16) und öffnet unverzögert den Stromkreis. Der Ankerluftspalt (2a) wird 0 und das Thermobimetall ist vor Überlastung geschützt. In diesem Fall ist sowohl das Rohr (4) als auch das Magnetjoch (5) und (6) magnetisch gesättigt, so daß der Magnetkreis als Luftspule wirkt.
• Bei allen Abschaltungen ist sichergestellt, daß durch die Anordnung der Kontaktberührungsstellen zu den Festkontakten (13, 15, 21) auf der Kontaktbrücke (16) und der Auftreffposition der beiden Anker in Bezug zum Angriffspunkt der Kontaktdruckfeder (18) das Abbrennstück (13) die Schaltarbeit übernimmt; es ist daher mit der abbrandfesten Kontaktauflage (19) bestückt.
• In der 2 sind die drei möglichen Kontaktstellungen dargestellt.
• Der geschlossene Kontakt zeigt den bestimmungsgemäßen Betrieb und das kuzgeschlossene Bimetall.
• Die mittlere Kontaktstellung stellt die Position bei gestörtem Betrieb und verzögerter Auslösung dar – das Thermobimetall wurde unterbrechungslos in den Hauptstromkreis geschaltet.
• Der offene Kontakt zeigt die Situation in der "AUS"-Stellung welche entweder mittels Anker (2) oder durch manuelle Betätigung über das Schaltschloß erreicht wird.
• In den 3 und 4 werden die Bauteile Termobimetall (12) und Kontaktbrücke (16) in ihrer zweiten Dimension gezeigt um ihre Wirkungsweise in 1 zu verdeutlichen.
• Die 5 zeigt die Strom-Zeit-Kennlinie des elektrischen Selbstschalters im Vergleich zu bekannten Schutzschaltgeräten welche durch die Neuerung substituiert werden könnten.
• Aufgrund der kurzen Auslösezeit des kurzschlußfesten Thermobimetalls ist seine Justierung entbehrlich.
• Nachdem bei der Neuerung der Betriebsstrom im eingeschalteten Zustand nur über die Stromspule und die Hauptschaltstücke fließt ist die Impedanz des Schutzschaltgerätes und somit seine Verlustleistung extrem niedrig – es wird damit ein verlustarmer, "kalter" Selbstschalter für den Einsatz im gekapselten Verteilungen möglich der durch wechselnde Umgebungstemperaturen in seinem Auslöseverhalten nicht beeinflußt werden kann.

Claims (8)

1. Elektrischer Selbstschalter, insbesondere Leitungsschutzschalter, mit einer Kontaktbrücke (16) zum Unterbrechen des Hauptstromkreises, einer gemeinsamen Stromspule (11) und einem Thermobimetall (12), das im Normalbetrieb im Hauptstromkreis kurzgeschlossen ist und zum Betätigen eines Schaltschlosses eingerichtet ist, so dass der Hauptstromkreis unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Stromspule (11) einen ersten Magnetauslöser (1-20) und einen zweiten Magnetauslöser (22) erregt, wobei der erste Magnetauslöser (1-20) beim Auftreten eines Überstroms das Thermobimetall (12) unterbrechungslos in den Hauptstromkreis schaltet und über eine Klinke (8) verzögert das Schaltschloss zum Unterbrechen des Hauptstromkreises auslöst, und der zweite Magnetauslöser (22) beim Auftreten eines Kurzschlussstroms auf die Kontaktbrücke (16) einwirkt und den Hauptstromkreis unverzögert unterbricht.
2. Elektrischer Selbstschalter gemäß Anspruch 1, wobei die Kontaktbrücke (16) eine gabelförmige Form besitzt und ein erstes Hauptschaltstück (21), ein zweites Hauptschaltstück (15) und ein Abbrennstück (13) mit einer Kontaktauflage (19) aufweist.
3. Elektrische Selbstschalter gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Thermobimetall (12) zwei Schenkel und ein freies Ende zum verzögerten Auslösen des Schaltschlosses aufweist, und ein Schenkel mit der gemeinsamen Stromspule (11) elektrisch verbunden ist und der andere Schenkel mit der Kontaktbrücke (16) elektrisch verbunden ist.
4. Elektrischer Selbstschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Magnetauslöser (1-20) als Klappankersystem mit einem Anker (1), einem Schenkel (20) und einer Justiereinrichtung (9, 10) zum Einstellen eines Stromansprechwertes ausgebildet ist.
5. Elektrischer Selbstschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Magnetauslöser (22) als Tauchanker mit einem Anker (2), einem Kern (3), einem Rohr (4), einer Fesselungsfeder (7) und einem Magnetjoch (5, 6) ausgebildet ist.
6. Elektrischer Selbstschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kontaktbrücke (16) unabhängig voneinander von einem Schenkel (20) des ersten Magnetauslösers (1-20), einem Stössel (22) des zweiten Magnetauslösers (22) und dem Schaltschloss beaufschlagbar ist.
7. Elektrischer Selbstschalter gemäß den Ansprüchen 2 und 3, wobei die Kontaktbrücke (16) von einer Kontaktdruckfeder (18) an Kontakte angedrückt wird, so dass das erste Hauptschaltstück (21) mit der Ausgangsklemme (23) des Schalters, das zweite Hauptschaltstück (15) mit der gemeinsamen Stromspule (11) und das Abbrennstück (13) mit dem zweiten Schenkel des Bimetalls (12) elektrisch verbunden ist, wobei das Abbrennstück (13) und das erste Hauptschaltstück (21) eine Drehachse der Kontaktbrücke (16) bilden und die Verbindung des zweiten Hauptschaltstücks (15) mit der gemeinsamen Stromspule (11) mittels des ersten Magnetauslösers (1-20) trennbar ist.
8. Elektrischer Selbstschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kontaktbrücke (16) in einem Kurzschlussfall vom zweiten Magnetauslöser (22) in eine stabile Endlage geschleudert wird.