SCHUTZSCHALTGERÄT MIT EINER VORRICHTUNG ZUM ZWANGSWEISEN TRENNEN VON NETZLEITUNGEN BEI SCHUTZSCHALTGERÄTEN

Alle Schaltgeräte, die Personen und/oder Sachen vor gefährlichen Einwirkungen des elektrischen Stromes schützen sollen, wie Fehlerstromschutzschalter, Leitungsschutzschalter, Hauptleitungsschutzschalter, Motorschutzschalter, Leistungsschalter und ähnlich enthalten Auslöser, die Fehlerströme bzw. Überlasten oder Kurzschlüsse detektieren und bei Überschreiten von Grenzwerten sodann die Schaltwerke auslösen. Daraufhin öffnen die Hauptstromkontakte der Schaltgeräte, so daß normalerweise kein schädlicher Strom mehr fließen kann.

Es kommt aber vor, daß solche Schaltgeräte im Ernstfall versagen, weil beispielsweise ihre Auslöser kleben, die Schaltwerke klemmen, die Kontakte verschweißt sind oder andere Defekte vorliegen. Die zu schützenden Personen und/oder Sachen sind in diesem Fall, insbesondere beim Versagen eines Fehlerstromschutzschalters, erheblich gefährdet.

Aus der DE-A 42 11 079 ist bereits ein elektrisches Sicherungselement, insbesondere Hochstromsicherungselement bekannt, bei dem ein in den zu sichernden Stromkreis geschalteter Stromleiter zerstört wird, wenn die Stromstärke einen Schwellenwert übersteigt. Hierbei wird die Stärke des den Stromleiter durchfließenden Stroms von einer Stromdetektionsvorrichtung ermittelt, die nach Überschreiten des Schwellenwertes den Stromleiter mittels einer Zündimpulserzeugungsvorrichtung und einer pyrotechnisch betriebenen Trennvorrichtung zerstört. Ziel dieser Anordnung ist es, den bei herkömmlichen Schmelzsicherungen üblichen dünnen Schmelzdraht durch einen dickeren Stromleiter zu ersetzen, um die Verlustleistung zu reduzieren. Bedingt hierdurch kann bei Erreichen des auf die zugehörige Nennstromstärke abgestimmten Schwellenwertes dieser Stromleiter sich durch Schmelzen nicht selbst zerstören, sondern er muß mechanisch durch eine Vorrichtung getrennt werden.

Aus dem Dokument US-A-2757259 ist eine Vorrichtung bekannt zum zwangsweisen Trennen von Netz- oder Hauptstromleitungen, mit einem Arbeitsspeicher, der eine Kraft längs eines Weges bereitstellt und der mittels eines Gesperres in einem inaktiven Zustand gehalten wird, wobei über einen Auslöser das Gesperre mit geringem Aufwand auslösbar und damit der Arbeitsspeicher freigebbar ist, so daß er aus dem inaktiven in seinen aktiven Zustand übergeht, wobei eine vom Arbeitsspeicher angetriebene Trenneinrichtung im ausgelösten Zustand die Zwangstrennung der Netzbeziehungsweise Hauptstromleitungen herbeiführt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, im Fall des Versagens der eingangs genannten Schaltgeräte, insbesondere für Fehlerstromschutzschalter, eine Vorrichtung zum zwangsweisen sowie sehr schnellen Trennen der zugehörigen Netz- oder Hauptstromleitungen aufzuzeigen, um damit eine Gefährdung von Mensch und/oder Sache auszuschließen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Vorrichtung weist im wesentlichen folgende Elemente auf:

• a) einen Arbeitsspeicher, aus dem eine Kraft über einen Weg zur Verfügung gestellt werden kann. Solche Arbeitsspeicher können beispielsweise sein:

  • vorgespannte Federn, wie zylindrische Schraubenfedern, Spiral- oder Drehfedern.
  • Druckspeicher, in denen ein Arbeitsmedium komprimiert gehalten wird, welches bei Expansion mittels eines Kolbens eine Kraft über einen Weg zur Verfügung stellt.
  • Gasgeneratoren, wie sie bereits in Airbag- und Gurtstraffersystemen eingesetzt werden. Diese erzeugen ein Gasvolumen, das dann mittels eines Kolbens eine Kraft über einen Weg zur Verfügung stellt.

• b) ein Gesperre, welches den Arbeitsspeicher mit geringem Kraftaufwand in seinem inaktiven Zustand hält. Solche Gesperre können sein:

  • Hebel, Kniehebel, Klinken- oder Riegelgesperre, sowie andere Mittel, die jeweils formschlüssig wirksam sind.
  • reibschlüssig wirkende Gesperre.

• c) einen Auslöser, der das Gesperre löst und damit den Arbeitsspeicher freigibt. Auslöser können sein:

  • eine vorgespannte Feder, die durch einen dünnen Draht gehalten wird. Dieser Draht kann eventuell eine Sollbruchstelle aufweisen und wird solange gehalten, bis er durch einen Strom geschmolzen wird.
  • eine Einrichtung, die eine Bewegung eines Körpers aus elektrischen Kräften erzeugt. Dies kann ein Elektromagnet sein, aber auch die Coulombsche Kraft, der Kondensatoreffekt, der Johnsen-Rhabeck-Effekt oder auch der Versuch von Elihu Thomson können die Bewegung des Körpers erzeugen.
  • ein Strom, der einen Treibstoff aktiviert.

• d) eine Trenneinrichtung, die vom Arbeitsspeicher angetrieben die Trennung der Leitungen übernimmt. Die Trennung der Netz- oder Hauptstromleitungen kann geschehen durch:

  • Öffnen von Kontakten
  • Zerschneiden von Leitungen
  • Zerstören von Leitungen.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß diese direkt in Schutzschaltern der eingangs genannten Art oder als Zusatzgerät mit diesen in Reihe angeordnet sein kann. Dabei werden in den Schutzschaltern mit geeigneten herkömmlichen Strommeßsystemen insbesondere die Fehler-, Überlast- oder Kurzschlußströme gemessen und diese Meßwerte jeweils auch von der Vorrichtung genutzt. Überschreiten die Meßwerte einen vorgegebenen Grenzwert und schaltet der jeweilige Schutzschalter nicht innerhalb einer bestimmten Zeit ab, so werden mit der Vorrichtung gemäß Erfindung die Netz- oder Hauptstromleitungen getrennt. Versagt also die dem Grunde nach vorhandene reguläre Schutzfunktion der Schaltgeräte aus unterschiedlichen Gründen, so unterbricht die Vorrichtung auf einfache Weise zuverlässig und innerhalb einer bestimmten ungefährlichen Zeit die stromführenden Leitungen. Diese Zwangstrennung der Leitungen ist im Normalfall ein einmaliger und irreversibler Vorgang, so daß danach zumindest der Schutzschalter oder das Schaltgerät ausgewechselt und die Vorrichtung neu aktiviert werden muß.

Anhand der Zeichnung ist die Erfindung an verschiedenen Ausführungsbeispielen nachstehend näher erläutert.

Fig. 1 bis 7

zeigen die Vorrichtung lediglich schematisch, jeweils mit Arbeitsspeicher, Gesperre und Auslöser und das Zusammenwirken dieser Baugruppen, während in

Fig. 8 bis 15

von der Vorrichtung mögliche Formen der Trenneinrichtung ebenfalls nur schematisch dargestellt sind, wobei eine Kombination dieser Elemente mit den Baugruppen nach Fig. 1 bis 7 im Sinne der Erfindung beliebig realisiert werden kann.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 ist als Arbeitsspeicher ein Federspeicher vorgesehen, der mit einem Hebelgesperre und einem Schmelzdraht als Auslöser zusammenwirkt. Dabei sind in einem topfförmigen Gehäuse 1 eine Druckfeder 2 und darüber ein Kolben 3 mit einem Stößel 3.1 angeordnet, die die wesentlichen Teile des Federspeichers darstellen. Mittels eines im Gehäuse 1 gelagerten Hebels 4, der an der Oberseite des Kolbens 3 angreift, läßt sich die Druckfeder 2 zusammendrücken, so daß diese unter Federspannung steht. Diese vorgespannte Lage der Druckfeder 2 (wie in Fig. 1 bereits gezeigt) wird mittels eines am Hebel 4 angreifenden und am Gehäuse 1 verankerten Schmelzdrahtes 5 zuverlässig gehalten. Aufgrund eines relativ kurzen Hebelarmes für den Angriffspunkt 4.1 des Hebels ergibt sich zudem ein günstiges Übersetzungsverhältnis, bezogen auf die Befestigungsstelle des Schmelzdrahtes, der damit entsprechend dünn ausgebildet sein kann.Trotz ausreichend großer Kräfte und Wege der Druckfeder 2 und entsprechender Verhältnisse am Kolben 3 beziehungsweise Stößel 3.1 kann solch ein dünner Schmelzdraht durch einen Strom in allerkürzester Zeit geschmolzen und damit die Arbeitsbewegung des Stößels 3.1 sehr schnell eingeleitet werden.

Die Funktion der vorbeschriebenen Baugruppe der Vorrichtung ist folgendermaßen: Werden die vorgegebenen Grenzwerte von Fehlerstrom, Überlast- oder Kurzschlußstrom überschritten und der hier nicht gezeigte Schutzschalter hat innerhalb der geforderten Zeit nicht ausgelöst, so wird von den Meßeinrichtungen des Schutzschalters ein Auslösestrom auf den Schmelzdraht 5 geleitet, der diesen zum Schmelzen bringt. Sofort wird der Hebel 4 freigegeben und unter der Wirkung der gespannten Druckfeder 2 schnellt der Kolben 3 mit seinem Stößel 3.1 nach oben beziehungsweise vom Gehäuse 1 weg. Mit dieser Stößelbewegung werden dann über die noch näher zu beschreibenden Trenneinrichtungen gemäß Fig. 8 bis 15 Netz- oder Hauptstromleitungen des Schutzschalters zwangsweise getrennt.

Auf ähnliche Weise ist auch die Vorrichtung nach Fig. 2 ausgebildet. Hier ist in dem topfförmigen Gehäuse 1 allerdings eine Zugfeder 2' als Federspeicher am Kolben 3 beziehungsweise am Gehäuse eingehängt. Die Zugfeder wird über einen im Bereich der Federösen angreifenden, im Federinneren angeordneten Kniehebel 4' gespannt, wie Fig. 2 zeigt. Damit der Kniehebel 4' seine nahezu gestreckte Lage und damit die Federspannung aufrecht erhalten kann, wird er ebenfalls durch einen Schmelzdraht 5 arretiert. Dieser ist mit einem Ende vorzugsweise am Kniehebelgelenk befestigt und mit dem anderen Ende an der Mantelfläche des Gehäuses gehalten und dort herausgeführt. Eine weitere Zugfeder 6, deren Wirkrichtung und Angriffspunkte etwa der Lage des Schmelzdrahtes entsprechen, unterstützt letzteren in seiner Aufgabe. Dabei ist die Zugfeder 6 erheblich schwächer ausgebildet als die Zugfeder 2'. Trotzdem entlastet die Zugfeder 6 den Schmelzdraht 5 erheblich, so daß dieser noch wesentlich dünner ausgebildet sein kann als im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Dessen Funktionsweise ist hier sinngemäß jedoch ebenfalls zutreffend, das heißt nach der Zerstörung des Schmelzdrahtes 5 durch einen Auslösestrom treibt die Zugfeder 2' den Stößel 3.1 und dieser letztlich eine Trenneinrichtung an.

Mit einem Kniehebel ist auch die Vorrichtung nach Fig. 3 ausgebildet. Hier dient als Federspeicher wiederum eine Druckfeder 2, die vom Kniehebel 4' über den Kolben 3 gegen den Boden des Gehäuses 1 verspannt ist. Die nahezu gestreckte Lage des als Gesperre oberhalb des Kolbens angreifenden und an der Oberseite des Gehäuses abgestützten Kniehebels 4' wird abermals durch den Schmelzdraht 5 sichergestellt, der auch hier zusammen mit einer Zugfeder 6 das Einknicken des Kniehebels verhindert. Die Funktionsweise dieser Vorrichtung erfolgt gleichfalls auf die bereits beschriebene Art.

In Fig. 4 ist eine Vorrichtung gezeigt, die im Unterschied zu den bisherigen Anordnungen ein Riegelgesperre aufweist. Im übrigen ist auch hier in einem topfförmigen Gehäuse 1 eine Druckfeder 2 als Arbeitsspeicher angeordnet, die vom Kolben 3 gespannt wird. Im Stößel 3.1 ist eine Ausnehmung vorhanden, in die ein Riegel 7 eingreift, der sich an der Oberseite des Gehäuses 1 abstützt und damit den Stößel in der gezeigten Lage sperrt. Ebenfalls hält ein Schmelzdraht 5 den Riegel 7 im Eingriff mit der Stößelausnehmung, während eine am Riegel angreifende Zugfeder 7.1 diesen entgegen der Haltekraft des Schmelzdrahtes zu entriegeln versucht.

Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung erfolgt auf bereits beschriebene Art, das heißt nach Durchschmelzen des Schmelzdrahtes 5 aufgrund eines Auslösestroms zieht die Feder 7.1 den Riegel aus der Ausnehmung des Stößels 3.1 heraus. Damit ist die inaktive Lage des Arbeitsspeichers aufgehoben und unter der Wirkung der Druckfeder 2 schnellt daraufhin der Stößel 3.1 nach oben und treibt auch hier eine Trenneinrichtung zur Zwangstrennung der Netzleitungen an.

Desweiteren kann die Vorrichtung mit einem Druckspeicher als Arbeitsspeicher versehen sein, wie beispielhaft die Fig. 5 und 6 zeigen. Dabei wird in den Druckspeichern ein Arbeitsmedium - bevorzugt Luft - komprimiert gehalten und durch ein Gesperre zunächst an der Expansion gehindert.

Bei einer solchen Vorrichtung gemäß Fig. 5 ist im Gehäuse 1, welches druckfest ausgebildet ist, ein komprimiertes Arbeitsmedium 8 durch den Kolben 3 eingeschlossen. Dieser wird mittels eines Kniehebels 4' - ähnlich wie bei den Vorrichtungen nach Fig. 2 und Fig. 3 - gegen den Druck des Arbeitsmediums gesperrt, wobei ein Schmelzdraht 5 ebenso den Kniehebel am Einknicken hindert. Wird der Schmelzdraht zerstört, so gibt der Kniehebel den Kolben 3 frei und das komprimierte Arbeitsmedium 8 kann expandieren, so daß der Stößel 3.1 sich vom Gehäuse wegbewegt und die bereits erwähnte Trenneinrichtung betätigt.

Im Aufbau etwas anders gestaltet ist die Vorrichtung nach Fig. 6 , bei der eine Kammer des Gehäuses 1 zur Aufnahme des komprimierten Arbeitsmediums 8 durch ein Ventil 9 verschlossen ist. Das von einer Druckfeder 9.1 in Öffnungsrichtung belastete Ventil wird entgegen dieser Kraft gleichfalls durch einen Schmelzdraht 5 gehalten, so daß die Kammer mit dem komprimierten Arbeitsmedium dicht verschlossen bleibt. Oberhalb des Ventilraumes ist wiederum ein Kolben 3 mit dem Stößel 3.1 angeordnet. Nach einer Zerstörung des Schmelzdrahtes 5 durch einen Auslösestrom öffnet das Ventil 9 unter der Wirkung der Druckfeder 9.1 und das Arbeitsmedium 8 kann in den Ventilraum entweichen. Von dort strömt es unter den Boden des Kolbens 3, der damit den Arbeitshub durchführt und mit dem Stößel 3.1 abermals eine Trenneinrichtung betätigt.

Wesentlich anders in der Bauart ist die Vorrichtung nach Fig. 7, bei der der Arbeitsspeicher als pyrotechnischer Gasgenerator ausgebildet ist und sich selbsttätig, das heißt ohne ein eigentliches Gesperre, im inaktiven Zustand befindet. Bei dieser Vorrichtung ist im Gehäuse 1 ein Treibstoff 8' mit einer Zündkapsel 8.1 angeordnet und durch eine gasdurchlässige Wand 1.1 des Gehäuses zum Kolben 3 hin eingeschlossen. Wird ein Auslösestrom auf die Zündkapsel gegeben, so wird der Treibstoff 8' aktiviert und es entsteht ein Gasvolumen. Dieses strömt unter den Boden des Kolbens 3 und treibt diesen zusammen mit dem Stößel 3.1 nach oben, um auch hier eine der nachfolgend beschriebenen Trenneinrichtungen zu betätigen.

In den Fig. 8 bis 15 sind Trenneinrichtungen der verschiedensten Art dargestellt. So werden bei der Trenneinrichtung nach Fig. 8 Kontakte 10 und 11, die im Zuge einer Netz- bzw. Hauptstromleitung 12 in Reihe geschaltet sind, durch Federkraft aneinandergedrückt. Vor den Kontakten ist ein keilförmiger Isolierkörper 13 angeordnet, der unmittelbar Teil des Stößels 3.1 eines der bereits beschriebenen Arbeitsspeicher sein kann. Im Fall einer über Auslöser und Arbeitsspeicher eingeleiteten Zwangstrennung wird der Isolierkörper 13 unverzüglich zwischen die Kontakte 10, 11 gepreßt und öffnet diese. Damit ist die Netz- bzw. Hauptstromleitung 12 im Zuge des entsprechenden nicht gezeigten Schutzschalters zwangsweise unterbrochen.

In Fig. 9 sind zwei Trenneinrichtungen mittels Zusatzkontakten 10', 11' bzw. 10", 11" dargestellt, die im Zuge der Netz- oder Hauptstromleitung 12 angeordnet durch den Stößel 3.1 des Arbeitsspeichers geöffnet werden können.

In Fig. 10 sind von einem Schutzschalter schematisch Schaltkontakte 14, 15 dargestellt, die in Reihe mit der zu schützenden Leitung angeordnet sind. Sollten diese Schaltkontakte im Auslösefall beispielsweise verschweißt sein, so werden sie durch den auch hier lediglich angedeuteten Stößel 3.1 des Arbeitsspeichers gezwungenermaßen aufgeschlagen. Auf diese Weise läßt sich die Zwangsunterbrechung der Netz- bzw. Hauptstromleitungen direkt im Schaltgerät durchführen.

Eine weitere Form der Trenneinrichtung ist in Fig. 11 gezeigt. Hierbei sind in Reihe mit einer Leitung L1 eine Kontakthülse 16 und ein Kontaktstift 17 angeordnet, die ineinandergreifen und die beiden Leitungsenden miteinander verbinden. Der Kontaktstift 17 bildet zugleich die Spitze des Stößels 3.1. Wird der Kolben des Arbeitsspeichers in der eingezeichneten Pfeilrichtung so weit bewegt, daß er den Kontaktstift 17 aus der Kontakthülse 16 herausgeschoben hat und der Isolierteil 3.1' des Stößels sich in der Hülse befindet, so ist die Leitung L1 unterbrochen.

Trenneinrichtungen für mehrere Leitungen, die im Aufbau ähnlich der Fig. 11 sind, zeigen schematisch die Fig. 12/12a bzw. Fig. 13. Bei der Trenneinrichtung nach Fig. 12 und deren Seitenansicht Fig. 12 a sind auf einem im Durchmesser vergrößerten Isolierteil 3.1' des Stößels zwei Kontaktpaare 17' rechtwinklig versetzt angeordnet, die jeweils auf entsprechende Gegenkontakte 16' der Leitungen L1 bzw. L2 umfangsseitig arbeiten. Durch Verschieben des Stößels 3.1, wie in Fig. 12a durch einen Pfeil, angedeutet, kommen die sich gegenüberliegenden Kontaktpaare im Isolierteil 3.1' und die umfangsseitigen Gegenkontakte außer Eingriff, so daß die Leitungen L1 bzw. L2 unterbrochen sind.

Bei der Trenneinrichtung nach Fig. 13 sind um ein Isolierteil 3.1" des Stößels in axialer Richtung hintereinander versetzt drei Kontaktpaarungen für die Leitungen L1, L2, L3 angeordnet. Wird der Stößel 3.1 in Richtung des eingezeichneten Pfeiles verschoben, so kommen die im Isolierteil angeordneten Kontaktstifte 17" außer Eingriff mit den beiderseits davon angeordneten Gegenkontakten 16". Dabei ist der Weg des Stößels und damit auch des Kolbens so zu beschränken, daß im unterbrochenen Zustand jeweils ein ausreichender Abstand bzw. Versatz zwischen den Kontaktstiften 17" im Isolierteil und den Gegenkontakten 16" der drei Leitungen verbleibt. Insofern handelt es sich bei den Abständen der drei Kontaktpaarungen nur um eine schematische Anordnung.

Bei den Anordnungen nach Fig. 14 und 15 handelt es sich um Trenneinrichtungen, bei der die Leitungen irreversibel unterbrochen werden. So ist in Fig. 14 schematisch eine Leitung 12 gezeigt, die eine Sollbruchstelle 12.1 aufweist. Die Sollbruchstelle ist derart angeordnet, daß sie der Stirnseite des Stößels 3.1 gegenüber zu liegen kommt. Sobald der Kolben des Arbeitsspeichers in Richtung des eingezeichneten Pfeiles bewegt wird, schlägt der Stößel 3.1 mit seiner als Isolierteil ausgebildeten Stirn die Leitung 12 an der Sollbruchstelle auf und trennt diese zwangsweise.

Bei der Anordnung nach Fig. 15 weist die Leitung 12 durchgehend einen gleichmäßigen Querschnitt auf, während demgegenüber die Spitze des Stößels 3.1 messerartig ausgebildet ist. Der rechtwinklig auf die Leitung gerichtete Stößel durchtrennt ebenfalls bei einer einschlägig vom Arbeitsspeicher angetriebenen Kolbenbewegung die Leitung 12 mit der Messerschneide. Die zur Verfügung stehenden Kräfte und Wege des Arbeitsspeichers müssen bei einer solchen Anordnung selbstverständlich auf den Querschnitt und die erforderlichen Scherkräfte der Leitung 12 abgestimmt sein.

Die Trenneinrichtungen der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 8, 14 und 15 zeigen jeweils nur die mechanische Trennung von einer Leitung. Bei gleichzeitiger Trennung von mehreren Leitungen sind eine entsprechende Anzahl von Trenneinrichtungen vorzusehen und die Antriebe der Arbeitsspeicher auf diese Trennstellen zu verteilen. Daneben sind die Arbeitsspeicher und Trenneinrichtungen sinnvoll aufeinander abzustimmen.