DE19808231A1

DE19808231A1 - Strombegrenzungsschalter

Info

Publication number: DE19808231A1
Application number: DE19808231A
Authority: DE
Inventors: David Arnold
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1998-09-10
Also published as: FR2760565A1; FR2760565B1; JPH1125838A; ES2149088A1; US5859578A; ES2149088B1

Description

Kompakte elektrische Schalter, die bewegbare Kontaktarme ver wenden, die durch einen Betätigungsmechanismus in einem iso lierten Gehäuse betätigt werden, werden in einer Vielfalt von kommerziellen, Haushalts- und Industrieanwendungen verwendet. Die einen Überstrom abtastenden Auslöseeinheiten für derartige Vorrichtungen weisen thermo-magnetische Auslöseeinheiten auf, die üblicherweise in Niedrigpreis-Massenmärkten verwendet wer den. Die Erwärmung von dem thermischen Element in dem thermo magnetischen Auslösesystem ändert sich invers mit dem Quadrat des Stromes, was die Verwendung von direkt beheizten Bimetallen für Vorrichtungen mit kleinem Nennstrom und indirekt beheizte Bimetalle für Schalter mit höheren Nennströmen zur Folge hat. In einem indirekt beheizten Bimetall fließt der Strom durch ein benachbartes Heizelement, das den Bimetallstreifen durch ther mische Leitung, Konvektion und Strahlung "indirekt" erwärmt. In einem direkt beheizten Bimetall erfolgt die Widerstandserwär mung I²R durch Stromfluß durch den Bimetallstreifen. In beiden Auslöseeinheiten bewirkt die Wärme, daß der Bimetallstreifen sich auslenkt und eine Auslöseverriegelung betätigt, die mit dem Betätigungsmechanismus zusammenarbeitet. Unter Kurzschluß zuständen können abnorm hohe Ströme, die durch den direkt be heizten Bimetall fließen, den Bimetall beschädigen.

US-Patent 3 046 371 mit dem Titel "Circuit Breaker" gibt u. a. die Lehre, einen Bimetall-Shunt zu verwenden, der einen Neben schluß bildende Kontakte enthält, die bei Betätigung des Magne tankers geschlossen werden. Das Schließen der Shunt-Kontakte erzeugt einen alternativen Strompfad, der parallel zu dem Bime tail ist und diesen umgeht, wodurch der Bimetall vor Kurz schlußströmen geschützt wird.

US-Patent 3 548 358 mit dem Titel "Electric Circuit Breaker with Bimetallic Strip Protective Means" stellt eine zusätzliche Vorrichtung bereit, um Kontaktverschweißungen aufzubrechen, die unter intensiven Kurzschlußzuständen auftreten, und hat die Funktion, das Bimetall unter Kurzschlußzuständen schützen. Bei extrem hohen Kurzschlußzuständen gestattet jedoch die Parallel pfadkonfiguration des Shuntsystems immer noch, daß übermäßig hohe Ströme durch das Bimetall fließen.

US-Patent 4 749 829 mit dem Titel "Circuit Breaker" beschreibt die Verwendung von einem in der Leitung liegenden Strombegren zungswiderstand, um den Wert des hindurchfließenden Stromes zu senken, den die thermisch empfindliche Auslöseeinheit unter Kurzschlußzuständen erfährt. Ein Ohm'scher Widerstand ist zwi schen dem Leitungsband und der Auslöseeinheit in Reihe geschal tet und ist thermisch mit dem Schaltergehäuse gekoppelt. Unter Kurzschlußzuständen begrenzt der zusätzliche in der Leitung liegende Widerstand den maximalen Strom, der durch den Schalter fließen kann und schützt auf wirksame Weise das Bimetall vor einer Beschädigung. Bei stationären Betriebszuständen wird die durch den Ohm'schen Widerstand erzeugte I²R Erwärmung durch thermische Leitung durch das Schaltergehäuse abgeführt. Die strombegrenzenden Charakteristiken des Schalters werden verbes sert, wenn der Widerstandswert des Widerstandes erhöht wird. Jedoch ist die Größe des Widerstandes, den ein Ohm'scher Wider stand haben kann, durch die thermischen Gesamtüberlegungen des Schalters begrenzt.

Eine US-Patentanmeldung der General Electric Co. mit dem Anmel derzeichen 41PR-7400, eingereicht in den USA am 10.02.1997, Serial Nr. 08/797,152, mit dem Titel "Circuit Breaker Current Limiting Arc Runner" lehrt die Verwendung von einem strombegrenzenden Lichtbogenläufer, der unter stationären Betriebsbedingungen keinen Kreisstrom leitet, aber unter Überstrombedingungen einen Bogenstrom leitet, indem der Lichtbogen auf eine Lichtbogenschiene umgeleitet (kommutiert) wird, wodurch eine zusätzliche Widerstandserwärmung eliminiert wird. Da der strombegrenzende Lichtbogenläufer während Kurzschlußzuständen elektrisch mit der Auslöseeinheit in Reihe geschaltet ist, könnte das Bimetall hohen augenblicklichen Spitzenströmen ausgesetzt werden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein effizientes Bimetall-Shuntsystem zu schaffen, das beim Auftreten eines Lichtbogen überschlages den Strom vollständig auf einen alternativen Pfad umschaltet, um das thermisch empfindliche Bimetall während ei nes Kurzschluß-Überstromzustandes zu umgehen. Eine weitere Auf gabe der Erfindung besteht darin, ein strombegrenzendes Element einzufügen, das während stationären Betriebszuständen eine zu sätzliche Widerstandserwärmung erzeugt. Schließlich ist es Auf gabe der Erfindung, ein strombegrenzendes Element einzufügen, das überlegene stromunterdrückende Charakteristiken hat für eine effektive Strombegrenzung während extrem hohen Kurzschluß-Überstromzuständen.

Erfindungsgemäß verwendet ein kompakter Strombegrenzungsschal ter einen strombegrenzenden Shunt, um die thermo-elektrische Auslöseeinheit des Schalters während intensiver Überstromzu stände zu schützen. Der strombegrenzende Shunt ist während Kurzschlußzuständen in dem Strompfad und nicht in dem Strompfad während Ruhezuständen. Ein Lichtbogenläufer kommutiert den Bo genstrom auf einen Shunt-Pfad während des Öffnens der Schalter kontakte über ein polymeres Strombegrenzungselement für eine rasche Unterdrückung des Stroms während einer Kurzschlußunter brechung.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht von einem bekannten Formgehäuse schalter, wobei die Abdeckung entfernt ist, um die Betätigungs komponenten des Schalters während eines "AUS"-Zustandes zu zei gen.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht von einem kompakten Strombegren zungsschalter, der einen Strombegrenzungsshunt gemäß der Erfin dung enthält.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Formgehäuseschalter 10, dessen Arbeitsweise in dem US-Patent 4 513 268 mit der Bezeichnung "Automated Q-Line Circuit Breaker" und in dem US-Patent 4 573 259 mit der Bezeichnung "Method of Making an Automated Q-Line Circuit Breaker" beschrieben ist. Ein Gehäuse 11 enthält einen Betätigungsmechanismus 12, der einen Kontaktarm 13 zwischen ei ner Öffnungs- und Schließstellung zum Abtrennen einer zu schüt zenden Schaltungsanordnung schwenkt. Ein Handgriff 14 arbeitet mit dem Kontaktarm 13 über eine Gabel 15 und einen Federmecha nismus 16 zusammen, um ein Schließen der zu schützenden Schal tungsanordnung zu bewirken, wodurch das bewegbare Kontaktstück 17 an dem feststehenden Kontaktstück 18 anliegt. Ein in dem Ge häuse 11 enthaltenes Leitungsband 19 bildet eine elektrische Verbindung zwischen einer äußeren Spannungsquelle und den in ternen Schalterkomponenten. Unter stationären Betriebszuständen fließt der Kreisstrom durch das Leitungsband 19, das festste hende Kontaktstück 18, das bewegbare Kontaktstück 17, den Kon taktarm 13, eine Litze 20, einen Litzenanschluß 21, das Bime tall 22 und ein Lastband 23. Ein Lastanschluß 24 bildet ein Mittel, um die zu schützende Schaltungsanordnung elektrisch mit dem Schalter zu verbinden. Während eines elektrischen Über stromzustandes erzeugt der durch das Bimetall 22 fließende Strom ein Magnetfeld, das in dem Magneten 25 und dem Anker 26 konzentriert ist. In Abhängigkeit von der Größe des Überstroms bewirkt entweder das Bimetall 22 oder der Magnet 25 eine Tren nung der Schalterkontakte, wie es in den vorstehend genannten US-Patenten 4 513 268 und 4 573 259 beschrieben ist. Eine ther mische Auslenkung des Bimetalls 22 gegen einen Vorsprung 29 be wirkt, daß ein Haken 30 den Anker 26 dreht und die Gabel 15 von einer Verriegelungsfläche (nicht gezeigt) freigibt, wodurch die in dem Federmechanismus 16 gespeicherte Energie den Kontaktarm 13 betätigen kann. Um eine richtige Koordination zwischen den thermischen und magnetischen Auslösesystemen sicherzustellen, ist der Strompfad in dem Magnetkreis von dem Magneten 25 und dem Anker 26 angeordnet. Ein öffnen des Kontaktarms 13 erzeugt einen elektrischen Lichtbogen (nicht gezeigt), der auf die Lichtbogenrinnen 27 gerichtet ist und schließlich durch die Ausgangsöffnung 28 gelöscht wird.

Ein kompakter Strombegrenzungsschalter 40 ist in Fig. 2 ge zeigt, wobei gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 1 entsprechende Teile bezeichnen. Ein Leitungsanschluß 41 ist mit dem Kontakt arm durch einen Anschlußverbinder 42 und eine Litze 43 verbun den. Das feststehende Kontaktstück 18 ist an dem Leitungsband 19 befestigt, das durch eine elektrische Isolierung 44 in der Nähe des Anschlußverbinders 42 geschützt ist. Das Leitungsband 19 ist elektrisch mit dem Bimetall 22 durch die Litze 20 und den Litzenanschluß 21 verbunden. Das Bimetall 22, das in dem Magnetkreis des Magneten 25 und des Ankers 26 enthalten ist, ist elektrisch mit dem Lastband 23 und dem Lastanschluß 24 ver bunden. Ein Öffnen des Kontaktarms 13 erzeugt einen elektri schen Lichtbogen, der auf die Lichtbogenrinnen 27 gerichtet ist und auf das eine Ende von einem Lichtbogenläufer 45 betrieben wird. Das andere Ende von dem Lichtbogenläufer 45 arbeitet als eine erste Elektrode 46, die durch eine Feder 48 gegen einen Polymer-Leiter 47 vorgespannt ist. Die gegenüberliegende Ober fläche des Polymer-Leiters 47 liegt gegen eine zweite Elektrode 49 an, die an einem Elektrodenanschluß 50 befestigt ist, der durch den Magnetkreis des Magneten 25 und des Ankers 26 hin durchführt und mit dem Lastband 23 verbunden ist. Ein Isolator 51 schützt den Elektrodenanschluß 50 vor einer Beschädigung durch Abgase. Eine Stromkreisunterbrechung wird in der vorste hend beschriebenen Weise ausgeführt durch Ablenkung des Bime talls 22 gegen einen Zapfen 52, wodurch der Haken 30 den Anker 26 dreht und die Gabel 15 freigibt, wodurch die in dem Federme chanismus 16 gespeicherte Energie den Kontaktarm 13 betätigen kann. Um eine thermische und magnetische Koordination sicherzu stellen, ist dafür gesorgt, daß der Strompfad in dem Bimetall 22 oder dem Elektrodenanschluß 50 so angeordnet ist, daß er durch den Magneten 25 und den Anker 26 verläuft. Beim Auftreten eines Kurzschlußzustandes kommutieren die auf den elektrischen Lichtbogen ausgeübten Magnetkräfte den Lichtbogen auf den Lichtbogenläufer 45 von dem Bimetall 22 weg. Der kommutierte Strom wird rasch unterdrückt durch die Wirkung des Polymer-Strom begrenzers, der in der Art und Weise arbeitet, wie es in der oben genannten US-Patentanmeldung mit dem Anmelderzeichen 41PR-7400 (US-Serial Nr. 08/797,152) angegeben ist. Der restliche unterdrückte Strom wird schließlich durch die Ausgangsöffnung 28 hindurch gelöscht.

Claims

1. Kompakter Strombegrenzungsschalter enthaltend:
ein Schaltergehäuse (11),
einen ersten Kontaktarm (13) mit einem ersten Kontaktstück (17) und ein Lastband (19) mit einem zweiten Kontaktstück (18), die in dem Schaltergehäuse angeordnet sind für eine Übertragung von Strom durch eine zu schützende Schaltungs anordnung,
einen Betätigungsmechanismus (12) in dem Schaltergehäuse (11), der zum Trennen der ersten und zweiten Kontaktstücke (17, 18) beim Auftreten eines Überstromzustandes in der zu schützenden Schaltungsanordnung angeordnet ist,
eine Auslöseeinheit (22) in dem Schaltergehäuse (11) zum Schwenken des Betätigungsmechanismus (12) zum Trennen der ersten und zweiten Kontaktstücke (17, 18), wobei beim Auf treten des Überstromzustandes ein Bogenstrom zwischen den ersten und zweiten Kontaktstücken (17, 18) erzeugbar ist, und
ein Polymer-Strombegrenzungselement (47) mit einem Bogen läufer (45), der nahe dem zweiten Kontaktstück (18) ange ordnet ist und den Bogenstrom in einen Shunt-Strompfad durch das Strombegrenzungselement (47) für eine rasche Un terdrückung des Bogenstroms umleitet.

2. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 1, enthaltend eine Vorrichtung zum Befestigen des Bogenläufers (45) an dem Schaltergehäuse (11).

3. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 1, enthaltend eine erste Elektrode (46) und eine zweite Elektrode (49), die auf gegenüberliegenden Seiten des Strombegrenzungselements (47) angeordnet sind.

4. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 1, wobei das Strom begrenzungselement (47) einen Polymer-Binder mit einer Ver dampfungstemperatur, bei der eine signifikante Gasentwicklung unterhalb 800°C auftritt, und einen elek trisch leitenden Füllstoff aufweist.

5. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 4, wobei in Reihe mit dem Polymer-Binder und dem Füllstoff ein Grenzschichte lement vorgesehen ist, das einen höheren spezifischen Wi derstand als der Polymer-Binder und der Füllstoff aufweist, wobei eine adiabatische Widerstandserwärmung der Grenz schicht eine rasche thermische Expansion und Verdampfung des Polymer-Binders bewirkt, wodurch eine wenigstens teil weise Trennung an der Grenzschicht hervorgerufen wird.

6. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 5, enthaltend Mittel (48) zum Ausüben einer Druckkraft auf den Polymer-Binder und den Füllstoff.

7. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 4, wobei der Poly mer-Binder keinen Widerstandseffekt mit positivem Tempera turkoeffizienten benötigt.

8. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 3, wobei der Bogen läufer (45) und die erste Elektrode (46) elektrisch mitein ander verbunden sind.

9. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 3, wobei die zweite Elektrode (49) elektrisch mit einem Lastband (23) verbunden ist.

10. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 6, wobei die Druck mittel (48) eine Feder aufweisen.

11. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 2, wobei die Befe stigungsvorrichtung eine Presspassung in dem Schalterge häuse aufweist.

12. Strombegrenzungsschalter nach Anspruch 1, wobei der Shunt-Strompfad elektrisch parallel zu der Auslöseeinheit (22) verläuft und der Strom effektiv von der Auslöseeinheit weg in das Polymer-Strombegrenzungselement (47) umgeleitet wird.