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Die
Erfindung betrifft eine Lichtbogen-Löschvorrichtung für ein Schaltgerät gemäß Patentanspruch
1.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist daher die Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Lichtbogen-Löschvorrichtung
anzugeben, die mit einfachen Mitteln eine schnelle Löschung eines
Lichtbogens bei einer geringen Eigenerwärmung gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen
sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafterweise
ist die Leiterschleife in Form und Lage an eine Schaltkammer angepasst, wobei
eine gute Raumnutzung im Sinne einer großen wirksamen Leiterlänge gewährleistet
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 einen
Ausschnitt eines Schaltgerätes mit
einem geschlossenen Schaltkontaktpaar und einer Lichtbogen-Löschkammer gemäß Patentanspruch
1, und
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2 einen
Ausschnitt des Schaltgerätes gemäß 1 mit
einem geöffneten
Schaltkontaktpaar.
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In 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
Auslöser 3 aufweist. Die
Spule führt
ihrerseits zu einer schematisch dargestellten Anschlussklemme. Freiendseitig
führt die Lichtbogen-Leitschiene 7 über ein
anschließenden 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.
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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-Leit schienen 7, 10 dienen
zusammen der gezielten Führung eines
Lichtbogens 11 gemäß 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 Stanz-Biegeteil oder als Flachband-Biegeteil oder als
Draht-Formteil ausführbar.
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Die
Leiterschleife 10, 13 ist an dem Übergang
gemäß 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 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 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.
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Nach 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.
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In 2 ist
ein Ausschnitt des Schaltgerätes 1 gemäß 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 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.
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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 Isol ationsmittel, wie
beispielsweise einer Isolationsplatte 14 gemäß 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.
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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.
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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.
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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 Schalt vermögen des Schaltgeräts 1,
insbesondere Schutzschaltgerät,
steigt.
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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.