SCHUTZEINRICHTUNG GEGEN ÜBERLASTUNG DER SCHALTKONTAKTE EINES SCHALTGERÄTES

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung gegen Überlastung der Schaltkontakte eines Schaltgerätes, das einen Schaltmechanismus zum Öffnen und Schließen der Schaltkontakte besitzt, wobei die Schaltkontakte unter dem Einfluß eines hohen Stromes entgegen der Wirkung des Schaltmechanismus unter Bildung eines Lichtbogens getrennt werden können.

Eine Schutzeinrichtung dieser Art ist beispielsweise durch die DE 40 22 078 A1 bekannt geworden. Als Bestandteile der Schutzeinrichtung sind dabei eine zu dem Schaltmechanismus gehörende Auslösewelle vorgesehen, die durch einen Auslöser betätigbar ist. Der Auslöser ist seinerseits durch den Strom beeinflußbar, der über das Schaltgerät fließt. Werden die Schaltkontakte unmittelbar durch die Kräfte getrennt, die mit dem Fließen eines hohen Stromes verbunden sind, so wird der Schaltmechanismus direkt durch die Öffnungsbewegung der Schaltkontakte gelöst und damit eine vollständige Abschaltung herbeigeführt. Die Lösung des Schaltmechanismus erfolgt dabei durch eine verschiebbare Führung der Auslösewelle gegen eine Rückstellkraft unter Verringerung der Überdeckung zwischen den an der Auslösewelle und einem Klinkenhebel vorgesehenen Verklinkungsflächen.

Ferner ist es bekannt, den bei der Öffnung der Schaltkontakte in der Lichtbogenlöschkammer eines Schaltgerätes auftretenden Gasdruck zur sofortigen Betätigung des Schaltmechanismus zu benutzen. Hierzu ist dem Schaltmechanismus ein Druckkolben zugeordnet, der über eine Rohrleitung mit der Lichtbogenlöschkammer verbunden ist (EP 0 455 564 A1).

Ferner kann daran gedacht werden, in anderem Zusammenhang für die Steuerung eines Schaltgerätes bekannt gewordene Verfahren einzusetzen, die es gestatten, eine Bewegung eines Schaltkontaktes zu erfassen. Hierzu gehört insbesondere eine Auswerteeinrichtung, welche die Kapazität zwischen den Schaltkontakten mißt und hieraus ein Signal für eine Kontaktöffnung erzeugt. Ferner kann eine Relativbewegung eines Schaltkontaktes durch ein mit dem bewegbaren Schaltkontakt verbundenes Antriebsorgan erfaßt werden, daß mit einem Reflektor versehen ist und dem mit geringem Abstand gegenüberstehend ein Lichtwellenleiter ortsfest angebracht ist. Der Lichtwellenleiter wirkt an seinem dem Reflektor abgewandten Ende mit einer Lichtquelle und einer Empfangsschaltung für reflektiertes Licht zusammen. Derartige Einrichtungen, wie sie in der DE 39 05 822 A1 beschrieben sind, stellen jedoch relativ aufwendige Zusatzeinrichtungen eines Schaltgerätes dar, die eine eigene Stromversorgung benötigen und für deren elektronische Auswertungsschaltungen in den Gehäusen kompakter Schaltgeräte kein Raum vorhanden ist. Demgegenüber erfordern die mechanisch wirkenden Einrichtungen nach der eingangs erwähnten DE 40 22 078 A1 sowie der EP 0 455 564 A1 eine spezielle konstruktive Anpassung an die gewünschte Betriebsweise mit zwangsläufiger Auslösung beim Abheben der Schaltkontakte.

Eine weitere Beschränkung der vorstehend beschriebenen Schutzeinrichtungen besteht darin, daß sie nur in Verbindung mit Schaltgeräten verwendbar sind, die einen durch selbsttätig wirkende Mittel steuerbaren Schaltmechanismus besitzen. Diese Bedingung ist im allgemeinen bei Leistungsschaltern und Schützen gegeben, nicht jedoch bei Trennschaltern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß Schaltgeräte unterschiedlicher Art durch eine preiswerte und mit geringem Aufwand nachrüstbare Einrichtung gegen eine Überlastung durch einen zu hohen Strom geschützt werden können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Nähe der Schaltkontakte ein Energiewandler angeordnet ist, der einer mit dem Lichtbogen verbundenen elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist und daß der Energiewandler empfangene elektromagnetische Strahlung in einen Strom zur Betätigung der Schutzeinrichtung umwandelt.

Durch die Erfindung ist ein Mittel geschaffen, eine geringe elektrische Energie immer dann bereitzustellen, wenn ein Schaltgerät an seiner Leistungsgrenze angelangt ist, d. h. wenn die Schaltkontakte nicht mehr in der Lage sind, den fließenden Strom dauernd zu führen. Die durch den Energiewandler bereitgestellte elektrische Energie wird dazu benutzt, eine geeignete Schutzeinrichtung zu aktivieren, die Bestandteil des Schaltgerätes sein kann, jedoch auch an einer anderen Stelle untergebracht sein kann. Hierauf wird noch näher eingegangen.

Im Rahmen der Erfindung kann der Energiewandler eine mit einem Ferritkern versehene Spule aufweisen, der ein Gleichrichter nachgeschaltet ist. Eine solche Anordnung wirkt als Antenne für die von einem Lichtbogen abgegebene hochfrequente Strahlung, die durch den Gleichrichter in einen zur Betätigung der Schutzeinrichtung geeigneten Gleichstrom umgewandelt wird. Der Ferritkern kann dabei eine gerade Form aufweisen oder er kann vorzugsweise ringförmig ausgebildet sein. Diese Ausführungsform des Energiewandlers zeichnet sich durch besondere Wirksamkeit sowie dadurch aus, daß eine relativ große Wicklung bzw. mehrere Wicklungen auf dem Ferritkern untergebracht werden können.

Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung nicht auf Schaltgeräte beschränkt, die einen durch Auslöser steuerbaren Schaltmechanismus besitzen. Insbesondere kann die Schutzeinrichtung bei Verwendung eines als Trennschalter ausgebildeten Schaltgerätes einem in Reihe mit dem Trennschalter geschalteten Schutzorgan zugeordnet und durch den von dem Energiewandler gelieferten Strom steuerbar sein. Bei Schaltanlagen, in denen ein als Einspeiseschalter dienender Leistungsschalter und mehrere Trennschalter zu Abgängen nahe beieinander montiert sind, bereitet eine solche Anordnung keine Schwierigkeiten. Der Leistungsschalter dient dabei als das von dem Energiewandler steuerbare Schutzorgan.

Gleichfalls ist die Schutzeinrichtung bei Verwendung eines als Schütz mit elektromagnetischem Antrieb ausgebildeten Schaltgerätes einem Steuerstromkreis des Schützes zuzuordnen. Das Schütz wird somit dann zum Abschalten gebracht, wenn ein derart hoher Strom fließt, daß die Schaltkontakte unter Lichtbogenbildung getrennt werden. Handelt es sich um ein gewöhnliches, d. h. unverklinktes Schütz, so kann der Steuerstromkreis des elektromagnetischen Antriebes einen Ruhekontakt enthalten, der durch den Energiewandler betätigbar ist. Wird als Schaltgerät dagegen ein verklinktes Schütz benutzt, das einen Freigabemagnet zum Abschalten besitzt, so ähnelt die Anordnung derjenigen bei einem Leistungsschalter, wobei der Freigabemagnet des Schützes eine ähnliche Aufgabe wie der Auslösemagnet eines Leistungsschalters erfüllt.

Für die Auslösemagnete von Leistungsschaltern sind unterschiedliche Bauarten bekannt, die sich durch ihren Energiebedarf unterscheiden. Für die Zwecke der Erfindung sind insbesondere solche Auslösemagneten geeignet, die eine verhältnismäßig geringe Hilfsenergie benötigen, wie sie von dem Energiewandler bereitgestellt werden kann. Besonders geeignet ist ein Auslösemagnet, der einen Dauermagnet zur Aufrechterhaltung der gespannten Stellung eines Energiespeichers sowie eine Auslösewicklung zur Freigabe des Energiespeichers aufweist. In der DE 34 33 126 A1 oder der EP 0 305 321 B1 sind geeignete Bauformen von Auslösemagneten beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Stromkreises mit einem Verbraucher, einem Trennschalter sowie einem Schutzorgan in Gestalt eines Leistungsschalters.

Die Figur 2 zeigt ein ähnliches Prinzipschaltbild, bei dem ein Verbraucher durch ein elektromagnetisches Schütz ein- und ausgeschaltet werden kann.

In der Figur 3 ist wiederum anhand eines Prinzipschaltbildes ein Stromkreis mit einem Verbraucher und einem Leistungsschalter gezeigt.

Die Figur 4 zeigt eine Schaltkammer eines NiederspannungsLeistungsschalters in Verbindung mit einem Energiewandler nach der Erfindung und einem Schaltmechanismus, der durch einen Auslösemagneten freigebbar ist.

In der Figur 5 ist ein Schaltungsbeispiel für einen Energiewandler und einen Auslösemagnet dargestellt, wobei ein Ferritkern des Energiewandlers eine gerade Form aufweist.

In der Figur 6 ist in Verbindung mit Schaltkontakten eines Schaltgerätes ein Energiewandler mit einem ringförmigen Ferritkern gezeigt.

Gemäß der Figur 1 dient zum Ein- und Ausschalten eines Verbrauchers 1 ein Trennschalter 2, der von Hand durch eine Antriebsvorrichtung 3 zu bedienen ist. Durch eine Schutzeinrichtung wird dafür gesorgt, daß die Schaltkontakte des Trennschalters 2 vollständig geöffnet und damit der aus einer Stromquelle 4 gespeiste Stromkreis über den Verbraucher 1 unterbrochen wird, wenn sich die Schaltkontakte unter dem Einfluß eines zu hohen Stromes entgegen der Wirkung der Antriebsvorrichtung 3 unter Bildung eines Lichtbogens voneinander trennen. Zu der Schutzeinrichtung gehört ein gleichfalls in Reihe mit der Stromquelle 4 und dem Verbraucher 1 geschalteter Leistungsschalter 6, dessen Schaltmechanismus 7 durch einen Auslösemagnet 10 zum Öffnen der Schaltkontakte freigebbar ist. Der Auslösemagnet 10 wird durch den von dem Energiewandler 5 gelieferten Strom gesteuert. Im übrigen ist der Auslösemagnet 10 auch durch einen Auslöser 11 betätigbar, der die normalen, nach vorgegebenen Parametern eingestellten Schutzfunktionen bereitstellt.

In dem weiteren Beispiel gemäß der Figur 2 ist zum Ein- und Ausschalten des Verbrauchers 1 ein elektromagnetisch betätigtes Schutz 12 mit einem Antriebsmagnet 13 vorgesehen. Zum Betrieb des Antriebsmagneten 13 dient eine Hilfsstromquelle 14 in Verbindung mit einem Steuerschalter 15. Wie in dem Beispiel gemäß der Figur 1 wird die Leistungsgrenze des Schutzes 12 dadurch erfaßt, daß ein Energiewandler 5 in der Nähe der Schaltkontakte des Schutzes 12 angeordnet ist, der die von einem Lichtbogen an den Schaltkontakten ausgehende Strahlungsenergie erfaßt. Die Schutzeinrichtung umfaßt in diesem Fall zusätzlich zu dem Energiewandler 5 einen im Steuerstromkreis des Antriebsmagneten 13 liegenden Ruhekontakt 16, dessen Betätigungseinrichtung 17 mit dem von dem Energiewandler 5 gelieferten Strom beaufschlagt wird.

Die Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem zum Ein- und Ausschalten des Verbrauchers 1 nur der in der Figur 1 gezeigte Leistungsschalter 6 dient. Der Energiewandler 5 ist dem Leistungsschalter 6 zugeordnet und befindet sich gleichfalls nahe bei den Schaltkontakten, um die von einem Lichtbogen an den Schaltkontakten ausgehenden elektromagnetischen Strahlung zu erfassen.

In allen beschriebenen Beispielen können die gezeigten Stromkreise ein- oder mehrphasig ausgebildet sein. Dem entsprechend finden ein- oder mehrpolige Schaltgeräte Anwendung. Es empfiehlt sich bei merhpoligen Schaltgeräten, jedem Pol wenigstens einen Energiewandler 5 zuzuordnen.

Nähere Einzelheiten der Anordnung und des Aufbaus des Energiewandlers 5 zeigen die Figuren 4, 5 und 6.

Zunächst wird anhand der Figur 4 ein Niederspannungs-Leistungsschalter betrachtet.

Der in der Figur 4 gezeigte Pol des Niederspannungs-Leistungsschalters 6 umfaßt eine Lichtbogenlöschkammer 20 mit Löschblechen 21 sowie einen feststehenden Schaltkontakt 23 und einen bewegbaren Schaltkontakt 23. Ein Lichtbogenhorn 24 am feststehenden Schaltkontakt 22 sowie eine Lichtbogenleitschiene 25 am gegenüberliegenden Ende der Lichtbogenlöschkammer 1 führen einen zwischen den Schaltkontakten 22 und 23 brennenden Schaltlichtbogen zu den Löschblechen 21.

Der Schaltmechanismus 7 zur Betätigung des bewegbaren Schaltkontaktes 4 ist wie in der Figuren 1 und 3 auch in der Figur 4 schematisch gezeigt. Von einer näheren Beschreibung des Schaltmechanismus 7 kann abgesehen werden, da es sich um einen bekannten, beispielsweise in der eingangs erwähnten DE 40 22 078 A1 beschriebenen Schaltmechanismus handeln kann. Eine gleichfalls schematisch gezeigte Antriebsvorrichtung 26 dient dazu, die dargestellte Einschaltlage des bewegbaren Schaltkontaktes 23 von Hand oder mittels einer Hilfsenergie herbeizuführen. Der Schaltmechanismus 7 ist durch einen Auslösemagnet 10 lösbar, der in bekannter Weise durch einen elektronischen oder elektromechanischen Auslöser 11 betätigt werden kann.

In der Figur 4 sind strichpunktiert zwei weitere Stellungen des bewegbaren Schaltkontaktes 23 angedeutet. Dabei entspricht die eine Stellung der vollständig geöffneten Lage, wie sie nach der Lösung des Schaltmechanismus 7 auftritt. Unabhängig hiervon kann jedoch der bewegbare Schaltkontakt 23 eine nur wenig von dem feststehenden Schaltkontakt 22 entfernte Stellung einnehmen, wenn ein Kurzschlußstrom über die Schaltkontakte fließt und aufgrund elektrodynamischer Kräfte die Kontaktkraft überwunden wird. Der hierbei entstehende Schaltlichtbogen wird durch den Energiewandler 5 erfaßt, der eine zur Betätigung des Auslösemagneten 11 ausreichende Energie abgibt. Der Energiewandler 5 kann beispielsweise in Wandteilen der Lichtbogenlöschkammer 1 oder außerhalb derselben untergebracht sein.

Ein Beispiel für einen Energiewandler 5 und eine zugehörige Schaltungsanordnung zeigt die Figur 5. Der Energiewandler 5 weist ein nur allgemein angedeutetes Gehäuse 27 auf, in dem sich eine Spule 30 befindet. Als Kern der Spule 30 dient ein Ferritstab 31, wodurch eine in der Art einer Antenne wirkende Anordnung geschaffen ist. Von einem Lichtbogen an den Schaltkontakten 22 und 23 ausgehende elektromagnetische Strahlung 28 erzeugt in der Spule 30 einen hochfrequenten Wechselstrom, der durch eine Gleichrichteranordnung 32 in einen zum Betrieb des Auslösemagneten 10 geeigneten Gleichstrom umgeformt wird. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein Haftmagnetsystem der eingangs erwähnten Art, dessen Auslösewicklung eine nur geringe Energie benötigt. Damit ist die beschriebene Einrichtung ohne Hilfsenergie ständig betriebsbereit.

Niederspannungs-Leistungsschalter stellen sehr kompakte Geräte dar, in denen die einzelnen Baugruppen nur geringe gegenseitge Abstände aufweisen. Daher bereitet es keine Schwierigkeiten, die von dem Energiewandler 5 bereitgestellte Steuerenergie dem Auslösemageten 10 durch eine geeignete Verbindungsleitung 33 zuzuführen, wie sie in der Figur 4 strichpunktiert angedeutet ist. Eine solche Verbindungsleitung kann z.B. an der Außenseite der Lichtbogenlöschkammer 20 angebracht sein, von wo nur ein kuzer Weg zu dem Auslösemagneten 10 zu überbrücken ist.

Wie bereits erwähnt eignen sich für die Zwecke der Erfindung insbesondere Energiewandler mit einem ringförmigen Ferritkern. Ein Beispiel hierfür ist in der Figur 6 gezeigt. Danach weist der Energiewandler 5 einen ringförmigen Kern 34 aus Ferritwerkstoff auf, der ganz oder teilweise mit einer Wicklung 35 versehen ist. Es können auch mehrere Wicklungen auf dem Kern 34 angeordnet sein. Der Energiewandler 5 befindet sich zeitlich der Schaltkontakte 22 und 23 etwa derart, daß die Ringebene parallel zur Ebene der Schaltbewegung liegt. Schematisch angedeutet ist die mit der Wicklung 35 verbundene Gleichrichteranordnung 32 sowie der Auslösemagnet 10 und der Schaltmechanismus 7.