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EP1683173B1 - Lichtbogen-löschvorrichtung - Google Patents

Lichtbogen-löschvorrichtung Download PDF

Info

Publication number
EP1683173B1
EP1683173B1 EP04798170A EP04798170A EP1683173B1 EP 1683173 B1 EP1683173 B1 EP 1683173B1 EP 04798170 A EP04798170 A EP 04798170A EP 04798170 A EP04798170 A EP 04798170A EP 1683173 B1 EP1683173 B1 EP 1683173B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arc
conductor loop
quenching system
guide rail
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP04798170A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1683173A1 (de
Inventor
Gunther Eckert
Paul Herma
Wolfgang Leitl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1683173A1 publication Critical patent/EP1683173A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1683173B1 publication Critical patent/EP1683173B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/121—Protection of release mechanisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H73/00—Protective overload circuit-breaking switches in which excess current opens the contacts by automatic release of mechanical energy stored by previous operation of a hand reset mechanism
    • H01H73/02—Details
    • H01H73/18—Means for extinguishing or suppressing arc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/44—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet

Definitions

  • the invention relates to an arc extinguishing device for a switching device.
  • Such an arc extinguishing device is used to interrupt or extinguish an arc that occurs when opening a current-carrying pair of contact pieces.
  • the current flows over smaller and smaller areas of an associated contact zone and heats them up more and more. Shortly before the actual separation of the contact pieces creates a molten bridge, which eventually breaks off at low currents or evaporated at high currents. The current can therefore continue to flow only via an arc in the form of a conductive plasma column.
  • the strength of the arc is influenced by the magnitude and type of the switched current.
  • a short circuit in a protected by a circuit breaker circuit for example, generate short-circuit currents of up to 15,000 A.
  • the high thermal load leads to harmful effects for the switch components. For example, metal and insulating parts can be damaged or destroyed by the action of arcing. Consequently, it is necessary to extinguish the arc as quickly as possible in order to minimize the thermal energy conversion.
  • a multi-pole circuit breaker which is provided in a power supply to a contact with a blowing loop for promoting the arc run;
  • the blowing loop is formed by the fact that a supply line in the arc running direction seen behind a Fixed contact piece is connected to an arc run rail having the fixed contact piece.
  • the blown loop is permanently traversed by the operating current of a circuit, which leads to an increased power loss and thus to an increased heating of the circuit breaker.
  • Increased heating requires, on the one hand, the use of more thermally stable and more expensive materials and, on the other hand, an adaptation of the thermal release, so that it can compensate the self-heating by a correspondingly larger dimensioning of the tripping path.
  • a circuit breaker with an additional blow loop is in the EP 0 009 156 A1 disclosed.
  • the circuit breaker is equipped with a forming a Blasschleife contact arrangement and an arc chamber equipped with the Blasschleife arranged at an angle parallel quenching plates and provided with arc guide rails.
  • One of the arc guide rails flanks the quenching plate stack on one side and in front of the quenching plates in the running region of the arc, a conductor piece belonging to an additional blowing loop is provided parallel to it.
  • the additional blown loop is housed in a clearance behind the one arc guide rail in a normally off circuit.
  • the part of the arc guide rail facing the contact arrangement which is used for the arc discharge, protrudes into the region of the open position of the movable contact piece, so that the additional blowing loop is activated only when the arc passes from the movable contact piece to the arc guide rail.
  • an arc quenching device in which the extinguishing effect is supported by a magnetic blowing field, which is generated by means of a blowing device.
  • a blowing device or coil can be arranged on one or on both sides of the entire chamber area, but is continuously flowed through by the switch current.
  • a current conductor track which has an electrically conductive transition to the further arc guide rail in the sense of a conductor loop and is electrically insulated from a pair of switching contact can, due to a connection-free arrangement of the conductor loop to the switching contact pair in the region of a switching chamber at commutated arc of a the switching contacts on the further arc guide rail a current driving the arc in the arc-quenching chamber are passed over the current conductor track;
  • a physical action principle is made available, according to which in opposite directions current-carrying conductor - here a first portion of the current conductor and the arc - repel and in the same direction current-carrying conductor - here a second region of the current conductor and the arc - attract. Due to the loop geometry and the arc run thereby repulsion forces and attractive forces act together on the arc and open in a higher arc acceleration in the direction of the arc quenching chamber.
  • a current conductor track is arranged on the further arc guide rail, so that with a low material input, the current caused by the current blowing effect is amplified on the arc. Accordingly, in each case a conductor loop can be arranged on both sides of the switching contact pair, which are electrically conductively connected at least at one end of the loop.
  • the conductor loop is adapted in shape and position to a switching chamber, wherein a good use of space in terms of a large effective conductor length is ensured.
  • the conductor loop extends into a region of the switching contact pair, which likewise increases the effective conductor length, in particular of a first and a second subregion of the conductor loop.
  • the two subregions each have a position that is essentially parallel to the arc, so that an optimal force effect of the mutually influencing magnetic fields is given.
  • the conductor loop extends into a region of the arc extinguishing chamber, so that the forces of attraction influencing the arc are effective into the arc extinguishing chamber.
  • the second portion of the conductor loop has a length which corresponds to the distance between the two arc guide rails to one another in the region of the arc extinguishing chamber; This promotes the force of attraction on the arc until the arc enters the arc quenching chamber.
  • the conductor loop is made in one piece, which can be benefited from a rational production;
  • the conductor loop is executable as a punched-bent part or as a flat-band bent part or as a wire-shaped part.
  • a loop end of the conductor loop extends into the region of the arc extinguishing chamber, which promotes a persistence of the arc in the arc extinguishing chamber.
  • the conductor loop is at its other end of the loop in an electrically conductive connection to a terminal, in particular to a thermal release, so that a sufficient outflow of electricity can take place.
  • the arc guide rail is funnel-shaped arranged in such a way to the other arc guide rail that an elongation of the arc is given in the direction of the arc quenching chamber and an increase in the arc voltage has the result.
  • the switching device 1 shows a section of a switching device 1 with an arc extinguishing device, which has a schematically illustrated housing 2.
  • the switching device 1 is in this case designed as a circuit breaker and includes, among others, an electromagnetic release 3, a thermal release 4 and a pair of switching contact with a fixed contact 5 and a moving contact 6.
  • the fixed contact 5 is placed on a serving as a contact carrier arc guide rail 7, the at the same time having an electrically conductive connection to a coil of the electromagnetic release 3.
  • the coil in turn leads to a connection terminal shown schematically.
  • the arc guide rail 7 leads via an adjoining yoke into an arc extinguishing chamber 8.
  • the arc guide rail 7 is designed in the area after the fixed contact 5, toward the arc extinguishing chamber 8 ohrenförmig.
  • the moving contact 6 is mounted on a movable contact arm 9 which is rotatably mounted about an axis, not shown here.
  • Both the electromagnetic release 3 and the thermal release 4 - here a bimetal - can, depending on the error, cause a pivoting of the movable contact arm 9.
  • a further spaced apart arc guide rail 10 is provided, which have the arc quenching chamber 8 in its free-erased area.
  • the two funnel-shaped arc guide rails 7.10 together serve the targeted guidance of an arc 11 as shown in FIG 2 in the arc 11 receiving arc-quenching chamber 8.
  • the switching contact pair 5.6 and the two arc guide rails 7.10 and possibly by an arc inlet zone of Arc quenching chamber 8 defined area is referred to as switching or pre-chamber 12.
  • the switching chamber 12 has inter alia a current conductor 13, which is provided with a first, second and third sub-area 13a, 13b and 13c.
  • the current conductor 13 has in its first portion 13a an electrically conductive transition to the other arc guide rail 10 in the sense of a conductor loop 10,13.
  • the conductor loop 10, 13 is adapted in shape and position to the contours of the switching chamber 12 and, if appropriate, can be partially pulled behind the arc extinguishing chamber 8 with the second subregion 13 b.
  • this can be executed as Stänz-bending part or as a flat-band bent part or as a wire-shaped part.
  • the conductor loop 10, 13 is connected at the junction according to FIG. 1 by one of several common joining methods, although the transition can also be carried out in one piece.
  • the conductor loop 10,13 protrudes connection-free, that is without touching the arc guide rail 7 or the movable contact arm 9 including the contacts 5 and 6, to the area of the switching contact pair 5.6. Also no contacting of the conductor loop 10,13 is given at its point of intersection. Accordingly, the current conductor 13 as part of the conductor loop 10, 13 runs recessed behind the pair of switching contacts 5, 6 with reference to the plane of the drawing of FIG. Of course, both sides of the switching contact pair 5.6 such a current conductor 13 on the other arc guide rail 10 can be arranged.
  • the additional current-conductor track runs relative to the plane of the drawing above the switching contact pair 5.6.
  • both sides of the pair of switching contact 5.6 is given in each case a complete conductor loop 10,13.
  • the two conductor loops 10, 13, are electrically conductively connected to a loop end, which leads to a further connection terminal.
  • the symbolized by an arrow current I is fed to the terminal.
  • the current I flows through the coil of the electromagnetic release 3 over a portion of the arc guide rail 7 to the contact zone of the switching contact pair 5.6 and from there via the movable contact arm 9 on a strand to the thermal release 4 and finally to the further connection terminal to which a consumer can be connected.
  • the switching device 1 is in addition to the execution as a circuit breaker, for example, as a circuit breaker or contactor executable.
  • FIG. 2 shows a section of the switching device 1 according to FIG. 1 with an opened switching contact pair 5, 6.
  • the contact position shown here corresponds to a tripping or fault case in which a short-circuit or overload current flows.
  • the flow of current initially corresponds to the switching contact pair 5.6 the course of FIG 1.
  • the current flows over ever smaller areas of an associated contact zone and heats it more and more.
  • Shortly before the actual separation of the contacts 5.6 creates a molten bridge, which eventually breaks off at low currents or evaporated at high currents.
  • the current I therefore continues to flow via the arc 11 in the form of a conductive plasma column.
  • the current conductor 13 is equipped with an insulating means, such as an insulating plate 14 as shown in FIG 1 and 2 or an insulating housing part, against the commutation of the arc 11 of the moving contact 6 on the current conductor 13.
  • the insulating plate 14 extends substantially over the first and second partial regions 13a and 13b of the current conductor track 13. the insulation plate 14 can be guided over the third subregion 13c of the current conductor track 13. Also, a coverage of the transition from the other arc guide rail 10 to the current conductor 13 for the deflection of the arc 11 in addition to the transition, towards the other arc guide rail 10, providable.
  • the insulation means are mutatis mutandis providable for the additional current conductor.
  • the conductor loop 10,13 is after commutation of the arc 11 during its burning time for a few milliseconds in series between the two terminals in the current path.
  • a significant reduction in the heating of the switching device 1 is achieved, so that lower requirements with respect to the compensation of the self-heating can be made to the thermal release 4.
  • the use of more favorable materials with a lower conductance, such as steel instead of copper for the conductor loop 10, 13 also has a cost-saving effect.
  • the arc 11 is magnetically influenced in the sense of bundling or steering the magnetic field.
  • the current flow direction in the first subregion 13a of the conductor loop 10, 13 is opposite to that of the electric arc 11.
  • current-carrying conductor - here arc 11 and first portion 13a - have repelling magnetic fields, whereby the arc 11 is pressed between the two arc guide rails 7,10 in the direction of the arc quenching chamber 8, since the conductor loop 10,13 stationary and rigid is executed.
  • the current flow direction in the second portion 13b of the conductor loop 10, 13 is set equal to that of the arc 11.
  • a current conductor 13 the electrically conductive transition to the other arc guide rail 10 in the sense of a conductor loop 10th , 13 and is electrically insulated from a switching contact pair 5.6, wherein the conductor loop 10,13 connectionless to the switching contact pair 5,6 and in the region of a switching chamber 12 is arranged such that when commutated arc 11 of one of the switching contacts 5; the further arc-guide rail 10 a the arc 11 in the arc-quenching chamber 8 driving current I is guided over the current-conductor track 13.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
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  • Waste-Gas Treatment And Other Accessory Devices For Furnaces (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
  • Circuit Breakers (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lichtbogen-Löschvorrichtung für ein Schaltgerät.
  • Eine derartige Lichtbogen-Löschvorrichtung dient zur Unterbrechung bzw. Löschung eines Lichtbogens, der beim Öffnen eines stromdurchflossenen Kontaktstückpaares entsteht. Beim Trennen der Kontaktstücke fließt der Strom über immer kleiner werdende Bereiche einer zugehörigen Kontaktzone und heizt diese immer stärker auf. Kurz vor der eigentlichen Trennung der Kontaktstücke entsteht eine schmelzflüssige Brücke, die bei kleinen Strömen schließlich abreißt bzw. bei großen Strömen verdampft. Der Strom kann demnach nur noch über einen Lichtbogen in Form einer leitenden Plasmasäule weiterfließen.
  • Die Stärke des Lichtbogens wird dabei von der Höhe und Art des geschalteten Stroms beeinflusst. Im Fall eines Kurzschlusses in einem durch einen Leitungsschutzschalter abgesicherten Stromkreis entstehen beispielsweise Kurzschlussströme von bis zu 15000 A. Der Lichtbogen erzeugt dabei im Schaltergehäuse während seiner Brenndauer in Abhängigkeit von einer Versorgung mit Gleich- oder Wechselstrom Temperaturen von bis zu 20000 K. Die hohe thermische Belastung führt jedoch zu schädlichen Wirkungen für die Schalterbauteile. Beispielsweise können Metall- und Isolierteile durch die Lichtbogeneinwirkung beschädigt oder zerstört werden. Demzufolge ist es erforderlich, den Lichtbogen schnellstmöglich zum Verlöschen zu bringen, um den thermischen Energieumsatz zu minimieren.
  • Aus der DE 35 01 314 A1 ist ein mehrpoliger Leitungsschutzschalter bekannt, der in einer Stromzuführung zu einem Kontakt mit einer Blasschleife zur Förderung des Lichtbogenlaufs versehen ist; die Blasschleife ist dadurch gebildet, dass eine Zuleitung in Lichtbogenlaufrichtung gesehen hinter einem Festkontaktstück mit einer Lichtbogenlaufschiene verbunden ist, die das Festkontaktstück aufweist. Die Blasschleife wird jedoch permanent vom Betriebsstrom eines Schaltkreises durchflossen, was zu einer erhöhten Verlustleistung und damit zu einer erhöhten Erwärmung des Leitungsschutzschalters führt. Eine stärkere Erwärmung bedingt zum einen den Einsatz von thermisch stabileren und kostenintensiveren Werkstoffen und zum anderen eine Anpassung des thermischen Auslösers, so dass dieser die Eigenerwärmung durch eine entsprechend größere Bemessung des Auslösewegs kompensieren kann.
  • Ein Leitungsschutzschalter mit einer zusätzlichen Blasschleife ist in der EP 0 009 156 A1 offenbart. Der Leitungsschutzschalter ist dabei mit einer eine Blasschleife bildenden Kontaktanordnung und einer Lichtbogenkammer, die mit zur Blasschleife im Winkel angeordneten parallelen Löschblechen ausgerüstet sowie mit Lichtbogen-Leitschienen versehen. Eine der Lichtbogen-Leitschienen flankiert den Löschblechstapel auf der einen Seite und vor den Löschblechen im Laufbereich des Lichtbogens ist parallel zu ihr ein zu einer zusätzlichen Blasschleife gehörendes Leiterstück vorgesehen. Die zusätzliche Blasschleife ist jedoch in einem Freiraum hinter der einen Lichtbogen-Leitschiene in einem im normalen Betrieb abgeschalteten Stromkreis untergebracht. Ferner ragt der der Kontaktanordnung zugekehrte, für den Lichtbogenablauf genutzte Teil der Lichtbogen-Leitschiene in den Bereich der Öffnungsstellung des beweglichen Kontaktstückes, so dass die Zuschaltung der zusätzlichen Blasschleife erst beim überspringen des Lichtbogens von dem beweglichen Kontaktstück auf die Lichtbogen-Leitschiene erfolgt.
  • Aus der DE 195 18 051 A1 ist eine Lichtbogenlöscheinrichtung bekannt, bei der die Löschwirkung durch ein magnetisches Blasfeld unterstützt wird, das mit Hilfe einer Blaseinrichtung erzeugbar ist. Eine solche Blaseinrichtung oder -spule kann auf einer oder auch auf beiden Seiten des gesamten Kammerbereichs angeordnet sein, ist jedoch stetig vom Schalterstrom durchflossen.
  • Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Lichtbogen-Löschvorrichtung anzugeben, die mit einfachen Mitteln eine schnelle Löschung eines Lichtbogens bei einer geringen Eigenerwärmung gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
  • Mittels einer Strom-Leiterbahn, die einen elektrisch leitenden Übergang zu der weiteren Lichtbogen-Leitschiene im Sinne einer Leiterschleife aufweist und gegenüber einem Schaltkontaktpaar elektrisch isoliert ist, kann auf Grund einer verbindungsfreien Anordnung der Leiterschleife zu dem Schaltkontaktpaar im Bereich einer Schaltkammer bei kommutiertem Lichtbogen von einem der Schaltkontakte auf die weitere Lichtbogen-Leitschiene ein den Lichtbogen in die Lichtbogen-Löschkammer treibender Strom über die Strom-Leiterbahn geführt werden; dabei wird ein physikalisches Wirkprinzip nutzbar gemacht, wonach sich gegensinnig stromdurchflossene Leiter - hier ein erster Bereich der Strom-Leiterbahn und der Lichtbogen - abstoßen und gleichsinnig stromdurchflossene Leiter - hier ein zweiter Bereich der Strom-Leiterbahn und der Lichtbogen - anziehen. Auf Grund der Schleifengeometrie und des Lichtbogenlaufs wirken dadurch Abstoßungskräfte und Anziehungskräfte zusammen auf den Lichtbogen ein und münden in einer höheren Lichtbogenbeschleunigung in Richtung der Lichtbogen-Löschkammer.
  • Da die Leiterschleife erst durch einen Überlast oder Kurzschluss bedingten Fehlerfall im Zuge des Kommutierungsvorgangs von Strom durchflossen wird, ergibt sich im Normalbetrieb neben einem kurzen Strompfad auch ein geringer Innenwiderstand und eine geringe Verlustleistung des Schaltgeräts. Im Fehlerfall kommt dann ein längerer Strompfad, ein größerer Innenwiderstand und eine entsprechende Strombegrenzung zum Tragen, so dass eine zuverlässige und schnelle Löschung des Lichtbogens erreicht wird. Darüber hinaus wird eine vergleichsweise hohe Lebensdauer eines die Lichtbogen-Löschvorrichtung aufweisenden Schaltgerätes unter Verwendung von einfachen und platzsparenden Mitteln erzielt.
  • Mit Vorteil ist beiderseits des Schaltkontaktpaars eine Strom-Leiterbahn an der weiteren Lichtbogen-Leitschiene angeordnet, so dass bei einem geringen Materialeinsatz die durch den Strom bedingte Treibwirkung auf den Lichtbogen verstärkt wird. Dementsprechend kann auch beiderseits des Schaltkontaktpaars jeweils eine Leiterschleife angeordnet werden, die zumindest an einem Schleifenende elektrisch leitend verbunden sind.
  • Vorteilhafterweise ist die Leiterschleife in Form und Lage an eine Schaltkammer angepasst, wobei eine gute Raumnutzung im Sinne einer großen wirksamen Leiterlänge gewährleistet ist.
  • Mit Vorteil reicht die Leiterschleife bis in einen Bereich des Schaltkontaktpaares, wodurch ebenfalls die wirksame Leiterlänge, insbesondere eines ersten und eines zweiten Teilbereichs der Leiterschleife, vergrößert wird. Die beiden Teilbereich weisen dabei jeweils für sich eine zu dem Lichtbogen im Wesentlichen parallele Lage auf, so dass eine optimale Kraftwirkung der sich gegenseitig beeinflussenden Magnetfelder gegeben ist.
  • Vorteilhafterweise reicht die Leiterschleife bis in einen Bereich der Lichtbogen-Löschkammer, so dass die den Lichtbogen beeinflussenden Anziehungskräfte bis in die Lichtbogen-Löschkammer hinein wirksam sind.
  • Mit Vorteil weist der zweite Teilbereich der Leiterschleife eine Länge auf, die dem Abstand der beiden Lichtbogen-Leitschienen zueinander im Bereich der Lichtbogen-Löschkammer entspricht; dadurch wird die auf den Lichtbogen wirkende Anziehungskraft bis zum Einlauf des Lichtbogens in die Lichtbogen-Löschkammer begünstigt.
  • Vorteilhafterweise ist die Leiterschleife einstückig ausgeführt, wodurch von einer rationellen Fertigung profitiert werden kann; die Leiterschleife ist dabei als Stanz-Biegeteil oder als Flachband-Biegeteil oder als Draht-Formteil ausführbar.
  • Mit Vorteil reicht ein Schleifenende der Leiterschleife bis in den Bereich der Lichtbogen-Löschkammer hinein, wodurch ein Verharren des Lichtbogens in der Lichtbogen-Löschkammer begünstigt wird.
  • Vorteilhafterweise steht die Leiterschleife mit ihrem anderen Schleifenende in einer elektrisch leitenden Verbindung zu einer Anschlussklemme, insbesondere auch zu einem thermischen Auslöser, so dass ein hinreichender Abfluss des Stroms stattfinden kann.
  • Mit Vorteil ist die Lichtbogen-Leitschiene zu der weiteren Lichtbogen-Leitschiene trichterförmig derart angeordnet, dass eine Längung des Lichtbogens in Richtung der Lichtbogen-Löschkammer gegeben ist und eine Erhöhung der Lichtbogenspannung zur Folge hat.
  • Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass insoweit eine Beschränkung der Erfindung erfolgt; darin zeigen:
    • FIG 1
    einen Ausschnitt eines Schaltgerätes mit einem geschlossenen Schaltkontaktpaar und einer Lichtbogen-Löschkammer gemäß Patentanspruch 1, und
    FIG 2
    einen Ausschnitt des Schaltgerätes gemäß FIG 1 mit einem geöffneten Schaltkontaktpaar.
  • In FIG 1 ist ein Ausschnitt eines Schaltgerätes 1 mit einer Lichtbogen-Löschvorrichtung gezeigt, das ein schematisch dargestelltes Gehäuse 2 aufweist. Das Schaltgerät 1 ist hierbei als Leitungsschutzschalter ausgeführt und umfasst unter anderen neben einem elektromagnetischen Auslöser 3, einen thermischen Auslöser 4 und ein Schaltkontaktpaar mit einem Festkontakt 5 und einem Bewegkontakt 6. Der Festkontakt 5 ist auf einer als Kontaktträger dienenden Lichtbogen-Leitschiene 7 platziert, die zugleich eine elektrisch leitende Verbindung zu einer Spule des elektromagnetischen Auslösers 3 aufweist. Die Spule führt ihrerseits zu einer schematisch dargestellten Anschlussklemme. Freiendseitig führt die Lichtbogen-Leitschiene 7 über ein daran anschließendes Joch bis in eine Lichtbogen-Löschkammer 8 hinein. Die Lichtbogen-Leitschiene 7 ist im Bereich nach dem Festkontakt 5, hin zu der Lichtbogen-Löschkammer 8 ohrenförmig ausgestaltet. Der Bewegkontakt 6 ist auf einem beweglichen Kontaktarm 9 befestigt, der um eine hier nicht dargestellte Achse drehbeweglich gelagert ist. Sowohl der elektromagnetische Auslöser 3 als auch der thermische Auslöser 4 - hier ein Bimetall - können, je nach Fehlerfall, ein Verschwenken des beweglichen Kontaktarms 9 bewirken.
  • Zu der Lichtbogen-Leitschiene 7 ist eine dazu beabstandete weitere Lichtbogen-Leitschiene 10 vorgesehen, die in ihrem freiendeseitigen Bereich die Lichtbogen-Löschkammer 8 aufweisen. Die beiden trichterförmig angeordneten Lichtbogen-Leitschienen 7,10 dienen zusammen der gezielten Führung eines Lichtbogens 11 gemäß FIG 2 in die den Lichtbogen 11 aufnehmende Lichtbogen-Löschkammer 8. Der durch das Schaltkontaktpaar 5,6 und die beiden Lichtbogen-Leitschienen 7,10 sowie ggf. durch eine Lichtbogen-Einlaufzone der Lichtbogen-Löschkammer 8 definierte Bereich wird als Schalt- oder Vorkammer 12 bezeichnet. Die Schaltkammer 12 weist unter anderem eine Strom-Leiterbahn 13 auf, die mit einem ersten, zweiten und dritten Teilbereich 13a, 13b und 13c versehen ist. Die Strom-Leiterbahn 13 weist in ihrem ersten Teilbereich 13a einen elektrisch leitenden Übergang zu der weiteren Lichtbogen-Leitschiene 10 im Sinne einer Leiterschleife 10,13 auf. Die Leiterschleife 10,13 ist hierbei in Form und Lage an die Konturen der Schaltkammer 12 angepasst und kann ggf. mit dem zweiten Teilbereich 13b teilweise hinter die Lichtbogen-Löschkammer 8 gezogen sein. Neben den gängigen Materialien, wie Kupfer, Aluminium oder Stahl für die Leiterschleife 10,13 ist diese als Stänz-Biegeteil oder als Flachband-Biegeteil oder als Draht-Formteil ausführbar.
  • Die Leiterschleife 10,13 ist an dem Übergang gemäß FIG 1 durch eines von mehreren üblichen Fügeverfahren verbunden, obgleich der Übergang auch einstückig ausführbar ist. Die Leiterschleife 10,13 ragt verbindungsfrei, das heißt ohne die Lichtbogen-Leitschiene 7 oder den beweglichen Kontaktarm 9 einschließlich deren Kontakte 5 bzw. 6 zu berühren, bis in den Bereich des Schaltkontaktpaares 5,6. Auch ist keine Kontaktierung der Leiterschleife 10,13 an ihrer Überschneidungsstelle gegeben. Die Strom-Leiterbahn 13 als Teil der Leiterschleife 10,13 verläuft demnach bezogen auf die Zeichnungsebene der FIG 1 zurückversetzt hinter dem Schaltkontaktpaar 5,6. Selbstverständlich ist auch beiderseits des Schaltkontaktpaars 5,6 eine derartige Strom-Leiterbahn 13 an der weiteren Lichtbogen-Leitschiene 10 anordbar. Entsprechend der in FIG 1 strichliert dargestellten Anordnung verläuft die zusätzliche Strom-Leiterbahn bezogen auf die Zeichnungsebene oberhalb des Schaltkontaktpaars 5,6. Darüber hinaus ist eine weitere Ausführungsvariante möglich, bei der beiderseits des Schaltkontaktpaars 5,6 jeweils eine komplette Leiterschleife 10,13 gegeben ist. Die beiden Leiterschleifen 10,13, sind dabei an einem Schleifenende, das zu einer weiteren Anschlussklemme führt, elektrisch leitend verbunden.
  • Nach FIG 1 wird der durch einen Pfeil symbolisierte Strom I an der Anschlussklemme eingespeist. Der Strom I fließt durch die Spule des elektromagnetischen Auslösers 3 über einen Teilbereich der Lichtbogen-Leitschiene 7 bis hin zu der Kontaktzone des Schaltkontaktpaares 5,6 und von dort über den beweglichen Kontaktarm 9 weiter über eine Litze zu dem thermischen Auslöser 4 und schließlich an die weitere Anschlussklemme, an der ein Verbraucher anschließbar ist. Im Normalbetrieb des Schaltgeräts 1, also bei geschlossenem Schaltkontaktpaar 5,6 verläuft der Stromfluss nicht über die Leiterschleife 10,13, so dass neben einem kurzen Strompfad auch von einem niedrigen Innenwiderstand und von einer geringen Verlustleistung des Schaltgeräts 1 profitiert werden kann. Das Schaltgerät 1 ist neben der Ausführung als Leitungsschutzschalter beispielsweise auch als Leistungsschalter oder Schütz ausführbar.
  • In FIG 2 ist ein Ausschnitt des Schaltgerätes 1 gemäß FIG 1 mit geöffnetem Schaltkontaktpaar 5,6 gezeigt. Die hier gezeigte Kontaktstellung entspricht einem Auslöse- oder auch Fehlerfall, bei dem ein Kurzschluss- oder Überlaststrom fließt. Der Stromfluss entspricht zunächst bis zu dem Schaltkontaktpaar 5,6 dem Verlauf gemäß FIG 1. Beim Trennen der Kontaktstücke 5,6 fließt der Strom über immer kleiner werdende Bereiche einer zugehörigen Kontaktzone und heizt diese immer stärker auf. Kurz vor der eigentlichen Trennung der Kontaktstücke 5,6 entsteht eine schmelzflüssige Brücke, die bei kleinen Strömen schließlich abreißt bzw. bei großen Strömen verdampft. Der Strom I fließt deshalb über den Lichtbogen 11 in Form einer leitenden Plasmasäule weiter.
  • Da sich der bewegliche Kontaktarm 9 mit seinem Bewegkontakt 6 von dem Festkontakt 5 entfernt, der Lichtbogen jedoch, um nicht abzureißen, einer Längung auf Grund seiner Brenneigenschaft entgegenstrebt, erfolgt eine Kommutierung des Lichtbogens 11 - wie durch den gekrümmten Pfeil symbolisiert - von dem Bewegkontakt 6 zu der Leiterschleife 10,13, insbesondere zu der weiteren Lichtbogen-Leitschiene 10. Dabei folgt der Lichtbogen dem physikalischen Prinzip den Weg des geringsten Widerstandes zu wählen und springt auf das Potential der Leiterschleife 10,13 über. Die Strom-Leiterbahn 13 ist mit einem Isolationsmittel, wie beispielsweise einer Isolationsplatte 14 gemäß FIG 1 und 2 oder einem isolierenden Gehäuseteil, gegen die Kommutierung des Lichtbogens 11 von dem Bewegkontakt 6 auf die Strom-Leiterbahn 13 ausgerüstet. Die Isolationsplatte 14 erstreckt sich im Wesentlichen über den ersten und zweiten Teilbereich 13a und 13b der Strom-Leiterbahn 13. Ggf. kann die Isolationsplatte 14 bis über den dritten Teilbereich 13c der Strom-Leiterbahn 13 geführt sein. Auch ist eine Abdeckung des Übergangs von der weiteren Lichtbogen-Leitschiene 10 zu der Strom-Leiterbahn 13 zur Auslenkung des Lichtbogens 11 neben den Übergang, hin zu der weiteren Lichtbogen-Leitschiene 10, vorsehbar. Die Isolationsmittel sind sinngemäß auch für die zusätzliche Strom-Leiterbahn vorsehbar.
  • Die Leiterschleife 10,13 liegt nach erfolgter Kommutierung des Lichtbogens 11 während seiner Brenndauer über wenige Millisekunden in Reihe zwischen den beiden Anschlussklemmen im Strompfad. Der gesamte, durch eine Überlast- oder einen Kurzschluss bedingte, Strom I fließt demnach erst nach der Kommutierung über die Leiterschleife 10,13. Dadurch wird eine signifikante Reduzierung der Erwärmung des Schaltgeräts 1 erreicht, so dass an den thermischen Auslöser 4 geringere Anforderungen bezüglich der Kompensation der Eigenerwärmung gestellt werden können. Kostensparend wirkt sich in diesem Zusammenhang auch der Einsatz von günstigeren Materialien mit einem geringeren Leitwert, wie etwa Stahl an Stelle von Kupfer für die Leiterschleife 10,13 aus.
  • Durch die Anordnung der Leiterschleife 10,13 im Wesentlichen in der Zone der Schaltkammer 12 wird der Lichtbogen 11 im Sinne einer Bündelung bzw. Lenkung des Magnetfelds magnetisch beeinflusst. Die Stromflussrichtung in dem ersten Teilbereich 13a der Leiterschleife 10,13 ist der des Lichtbogens 11 entgegengesetzt. Gegensinnig stromdurchflossene Leiter - hier Lichtbogen 11 und erster Teilbereich 13a - weisen einander abstoßende Magnetfelder auf, wodurch der Lichtbogen 11 zwischen den beiden Lichtbogen-Leitschienen 7,10 in Richtung der Lichtbogen-Löschkammer 8 gedrückt wird, da die Leiterschleife 10,13 ortsfest und biegesteif ausgeführt ist. Ferner ist die Stromflussrichtung in dem zweiten Teilbereich 13b der Leiterschleife 10,13 der des Lichtbogens 11 gleichgesetzt. Gleichsinnig stromdurchflossene Leiter - hier Lichtbogen 11 und zweiter Teilbereich 13b - weisen einander anziehende Magnetfelder auf, wodurch der Lichtbogen 11 zwischen den beiden Lichtbogen-Leitschienen 7,10 in Richtung der Lichtbogen-Löschkammer 8 auf Grund der ortsfesten und biegesteifen Leiterschleife 10,13 gezogen wird.
  • Diese, durch die Kraft F auf Grund der bogenförmig angeordneten Teilbereiche 13a und 13b bedingten, Wirkungen erfolgen schlagartig nach der Lichtbogenkommutierung. Dabei wirken neben den Abstoßungskräften auch Anziehungskräfte auf den Lichtbogen 11 ein, die ihn auch auf Grund seiner dabei entstehenden Eigendynamik in Richtung der Lichtbogen-Löschkammer zwingt und so ein schnelles Einlaufen und Löschen unterstützt. Der Lichtbogen 11 wird in seiner Bewegung stark beschleunigt, da der gesamte Überlast- oder Kurzschlussstrom über die Leiterschleife 10,13 fließt, bevor er letztlich über den dritten Teilbereich 13c zu der weiteren Anschlussklemme zu einem hier nicht dargestellten Verbraucher gelangt. Je höher der Strom im Fehlerfall ausfällt, desto stärker ist die den Lichtbogen treibende Kraft. Ein dabei entstehender vergleichsweise langer Strompfad bedingt einen großen Innenwiderstand und dadurch eine hohe Strombegrenzung; das Schaltvermögen des Schaltgeräts 1, insbesondere Schutzschaltgerät, steigt.
  • Die zuvor erläuterte Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden:
  • Um eine Lichtbogen-Löschvorrichtung für ein Schaltgerät 1 anzugeben, die mit einfachen Mitteln eine schnelle Löschung eines Lichtbogens bei einer geringen Eigenerwärmung gewährleistet, ist eine Strom-Leiterbahn 13, die einen elektrisch leitenden Übergang zu der weiteren Lichtbogen-Leitschiene 10 im Sinne einer Leiterschleife 10,13 aufweist und gegenüber einem Schaltkontaktpaar 5,6 elektrisch isoliert ist, wobei die Leiterschleife 10,13 verbindungsfrei zu dem Schaltkontaktpaar 5,6 und im Bereich einer Schaltkammer 12 derart angeordnet ist, dass bei kommutiertem Lichtbogen 11 von einem der Schaltkontakte 5;6 auf die weitere Lichtbogen-Leitschiene 10 ein den Lichtbogen 11 in die Lichtbogen-Löschkammer 8 treibender Strom I über die Strom-Leiterbahn 13 geführt ist.

Claims (14)

  1. Lichtbogen-Löschvorrichtung für ein Schaltgerät (1), mit einer Lichtbogen-Leitschiene (7), die einen einem Bewegkontakt (6) zugeordneten Festkontakt (5) aufweist, und mit einer dazu beabstandeten weiteren Lichtbogen-Leitschiene (10), die zur gezielten Führung eines Lichtbogens (11) in eine zwischen den Lichtbogen-Leitschienen (7,10) angeordneten, den Lichtbogen (11) aufnehmenden Lichtbogen-Löschkammer (8) bestimmt sind, und mit einer Strom-Leiterbahn (13), die einen elektrisch leitenden Übergang zu der weiteren Lichtbogen-Leitschiene (10) im Sinne einer Leiterschleife (10,13) aufweist und gegenüber dem Festkontakt (5) elektrisch isoliert ist, wobei die Leiterschleife (10,13) ohne den Festkontakt (5) zu berühren in einem durch das Schaltkontaktpaar (5,6) sowie durch die beiden Lichtbogen-Leitschienen (7,10) definierten Bereich einer Schaltkammer (12) derart angeordnet ist, dass nur bei von dem Bewegkontakt (6) auf die weitere Lichtbogen-Leitschiene (10) kommutiertem Lichtbogen (11) ein den Lichtbogen (11) in die Lichtbogen-Löschkammer (8) treibender Strom (I) über die Strom-Leiterbahn (13) geführt ist.
  2. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach Anspruch 1, wobei beiderseits des Schaltkontaktpaars (5,6) eine Strom-Leiterbahn (13) an der weiteren Lichtbogen-Leitschiene (10) angeordnet ist.
  3. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach Anspruch 1, wobei beiderseits des Schaltkontaktpaars (5,6) jeweils eine Leiterschleife (10,13) angeordnet ist, die zumindest an einem Schleifenende elektrisch leitend verbunden sind.
  4. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Leiterschleife (10,13) in Form und Lage an die Schaltkammer (12) angepasst ist.
  5. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Leiterschleife (10,13) bis in einen Bereich des Schaltkontaktpaares (5,6) erstreckt.
  6. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Leiterschleife (10,13) bis in einen Bereich der Lichtbogen-Löschkammer (8) erstreckt.
  7. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterschleife (10,13) mit einem ersten Teilbereich (13a) und einem zweiten Teilbereich (13b) versehen ist, die jeweils für sich eine zu dem Lichtbogen (11) im Wesentlichen parallele Lage aufweisen.
  8. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der zweite Teilbereich (13b) der Leiterschleife (10,13) eine Länge aufweist, die dem Abstand der beiden Lichtbogen-Leitschienen (7,10) zueinander im Bereich der Lichtbogen-Löschkammer (8) entspricht.
  9. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterschleife (10,13) einstückig ausgeführt ist.
  10. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterschleife (10,13) als Stanz-Biegeteil oder als Flachband-Biegeteil oder als Draht-Formteil ausgeführt ist.
  11. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterschleife (10,13) mit einem Schleifenende bis in den Bereich der Lichtbogen-Löschkammer (8) reicht.
  12. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Leiterschleife (10,13) mit ihrem anderen Schleifenende in einer elektrisch leitenden Verbindung zu einer Anschlussklemme, insbesondere auch zu einem thermischen Auslöser (4), steht.
  13. Lichtbogen-Löschvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtbogen-Leitschiene (7) zu der weiteren Lichtbogen-Leitschiene (10) trichterförmig angeordnet ist, derart, dass eine Längung des Lichtbogens (11) in Richtung der Lichtbogen-Löschkammer (8) gegeben ist.
  14. Schaltgerät (1), insbesondere Schutzschaltgerät, mit einer Lichtbogen-Löschvorrichtung nach Anspruch 1.
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