DE19810981A1 - Schalter mit PTC-Element zur verbesserten Strombegrenzung und Lichtbogenlöschung - Google Patents
Schalter mit PTC-Element zur verbesserten Strombegrenzung und LichtbogenlöschungInfo
- Publication number
- DE19810981A1 DE19810981A1 DE1998110981 DE19810981A DE19810981A1 DE 19810981 A1 DE19810981 A1 DE 19810981A1 DE 1998110981 DE1998110981 DE 1998110981 DE 19810981 A DE19810981 A DE 19810981A DE 19810981 A1 DE19810981 A1 DE 19810981A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- arc
- ptc
- switch
- conductor
- contact piece
- 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.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- 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
- H01H9/42—Impedances connected with contacts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
-
- 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
- H01H9/46—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using arcing horns
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
- H01H33/02—Details
- H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
- H01H33/16—Impedances connected with contacts
- H01H33/161—Variable impedances
- H01H2033/163—Variable impedances using PTC elements
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
Abstract
Bei einem Schalter wird die Lichtbogenbegrenzung verbessert durch eine Lichtbogenlaufschiene aus einem PTC-Material und/oder durch einen Anschluß der Lichtbogenlaufschiene an dem zugeordneten Kontaktstück über einen PTC-Leiter.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schalter zum Ein
schalten und Unterbrechen eines Stromes. Im Mittelpunkt der erfindungsge
mäßen Weiterentwicklung stehen dabei die Eigenschaften des Schalters beim
Unterbrechen des Stromes.
Bei vielen Schaltern, insbesondere bei Schutzschaltern und Schaltern für größere
elektrische Leistungen, treten beim Abschalten Lichtbögen zwischen sich tren
nenden Kontaktstücken auf. Aus verschiedenen Gründen wird angestrebt, den
durch den Lichtbogen fließenden Strom nach dem Trennen der Kontaktstücke
möglichst schnell auf möglichst niedrige Stromstärken zu begrenzen und den
Lichtbogen möglichst früh zu löschen.
Ein wesentlicher Grund hierfür ist die erhebliche Materialbelastung und
-abnutzung an den mit dem Lichtbogen in Kontakt kommenden Bauteilen des
Schalters. Desweiteren ist es häufig notwendig, Stromspitzen zum Schutz außer
halb des Schalters liegender elektrischer Elemente zu unterdrücken. Insbesonde
re werden Schutzschalter gerade zur Unterbrechung über einer bestimmten
Schwelle liegender Ströme eingesetzt, so daß es bei ihnen naturgemäß von pri
märer Wichtigkeit ist, daß nach dem Auslösen die durch den Lichtbogen für eine
gewisse Zeitspanne noch auftretende Stromspitze möglichst flach und kurz aus
fällt.
Im Stand der Technik bekannt sind sogenannte Lichtbogenlaufschienen. Dabei
handelt es sich um einzeln oder paarweise in der Nähe sich beim Unterbrechen
des Stroms trennender Kontaktstücke angeordnete und mit einem Kontaktstück
verbundene Leiterstücke, die so geformt und angeordnet sind, daß der Lichtbo
gen nach dem Trennen der Kontaktstücke auf sie überspringt und an ihnen ent
lang läuft. Dazu wird die Geometrie so ausgestaltet, daß der Lichtbogen eine ge
wisse Krümmung aufweist und daher durch sein Magnetfeld entlang dem oder
den Lichtbogenlaufschienen weiter und in die Länge getrieben wird.
Die Strombegrenzung und das Löschen des Lichtbogens erfolgen durch die im
Lichtbogen aufgebaute Gegenspannung und durch den Zusammenbruch des
Lichtbogens bei einer bestimmten Länge.
Zur Unterstützung dieser Funktion sind in vielen Fällen am Ende des oder der
Lichtbogenlaufschienen Löschblechanordnungen in einer Löschkammer verwen
det worden. Dabei wird der Lichtbogen in der oben beschriebenen Weise entlang
der oder den Lichtbogenlaufschienen in eine Anordnung mehrerer von einander
isolierter und in einem bestimmten wiederholten Abstand voneinander angeord
neter Leiterstücke getrieben. Zwischen den Löschblechen brennt der Lichtbogen
dann in einer trotz der Verringerung durch die Summe der Dicken der Löschble
che erheblichen Länge, wobei sich die Fußpunktspannungen der aus der Auftei
lung folgenden vielen kleinen Lichtbögen aufaddieren. Dadurch wird die insge
samt durch die Lichtbögen erzeugte Spannung stark erhöht und die Entladung
erlischt, und zwar im Wechselstromfall in der Regel im nächsten Stromnulldurch
gang.
Löschblechanordnungen sind in vielen Fällen unverzichtbar, bei der im Folgen
den beschriebenen Erfindung jedoch nicht unbedingt notwendig.
Als Stand der Technik ist ferner die CH 589 351 anzuführen, von der die vorlie
gende Erfindung abgegrenzt ist. Sie beschreibt einen Schalter mit zumindest zwei
Kontaktstücken und zumindest einer einem Kontaktstück benachbarten und mit
diesem elektrisch verbundenen Lichtbogenlaufschiene, die bei geschlossenen
Kontaktstücken nicht im Strompfad liegt, wobei der Schalter dazu ausgelegt ist,
daß beim Öffnen der Kontaktstücke, ein Lichtbogen erzeugt wird, der von diesem
einen Kontaktstück aus auf die Lichtbogenlaufschiene überwechselt und über
diese läuft, um zu erlöschen.
Bei diesem Schalter ist zwischen zumindest zwei Löschbleche ein PTC-Wider
standselement geschaltet. Wenn der Lichtbogen, wie oben beschrieben, in
die die Löschbleche enthaltende Löschkammer eintritt und zwischen den genann
ten beiden Löschblechen ein Teillichtbogen entsteht, wechselt der Strom auf das
ausreichend niederohmige PTC-Widerstandselement hinüber. Die durch die Jou
lesche Verlustwärme in dem PTC-Widerstandselement bewirkte Erhöhung seines
Widerstands soll das Erlöschen der übrigen Teillichtbögen unterstützen.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das
technische Problem zugrunde, die Abschalteigenschaften weiter zu verbessern.
Dieses technische Problem wird gelöst durch einen Schalter gemäß dem An
spruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Lichtbogenlaufschiene zumin
dest teilweise aus PTC-Leitermaterial besteht und/oder über einen PTC-Leiter mit
diesem einen benachbarten Kontaktstück verbunden ist.
Mit dem Begriff "PTC-Leitermaterial" sind elektrische Leiter mit einem positiven
durchschnittlichen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands ge
meint, die entweder unterhalb ihrer Schmelztemperatur (Ts) im Temperaturbe
reich zwischen 300 K und 600 K einen relativen Widerstandsanstieg um minde
stens einen Faktor 2,2, bevorzugt 2,5, aufweisen, oder im Temperaturbereich
zwischen 300 K und Ts - 200 K einen relativen Widerstandsanstieg um minde
stens einen Faktor 5, bevorzugt 9 und besonders bevorzugt 12, zeigen.
Das PTC-Leitermaterial hat die Funktion beim Unterbrechen eines Stromes zu
nächst einen nicht zu hohen Widerstand in den Strompfad einzubringen, damit
der Lichtbogen sicher von dem Kontaktstück auf die Lichtbogenlaufschiene über
springt bzw. an ihr weiterläuft. Dabei bzw. danach soll der PTC-Widerstand durch
den Strom, der in dem Lichtbogen geführt wird, soweit erwärmt werden, daß der
dadurch ansteigende Widerstand mit der Bewegung des Lichtbogens entlang der
Lichtbogenlaufschiene einhergehend zu dem Spannungsaufbau beiträgt, der
schließlich den Lichtbogen erlöschen läßt.
Es muß also durch die Auslegung des Schalters ein Ausgleich gefunden werden
mit maximalem Spannungsaufbau durch den PTC-Effekt einerseits bei Gewähr
leistung des Überspringens bzw der Bewegung des Lichtbogens auf und entlang
der Laufschiene andererseits.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der PTC-Effekt zu einem
sehr viel früheren Zeitpunkt im Abschaltvorgang zum Tragen kommt, als bei dem
geschilderten Stand der Technik (weswegen die obige bekannte Lösung hier aber
nicht ausgeschlossen ist). Wenn nämlich die Lichtbogenlaufschiene über einen
PTC-Leiter mit dem benachbarten Kontaktstück verbunden ist, wird der
PTC-Leiter sofort nach dem Überspringen des Lichtbogens von dem Kontaktstück
auf die Lichtbogenlaufschiene von dem durch den Lichtbogen getragenen Strom
durchflossen, erwärmt sich dadurch und verringert durch den zunehmenden Ei
genwiderstand die an dem Lichtbogen selbst anliegende Spannung. In analoger
Weise wirkt ein PTC-Leiterstück in der Lichtbogenlaufschiene bzw. eine
PTC-Lichtbogenlaufschiene, und zwar in dem Maße zunehmend, wie der
Lichtbogen über die Länge der Lichtbogenlaufschiene läuft.
In beiden Fällen kann die Strombegrenzung von einem sehr frühen Zeitpunkt des
Abschaltvorganges an wesentlich verbessert werden, was zusätzlich zu einem
früheren und leichteren Erlöschen des Lichtbogens führt. Dies gilt für Anwendun
gen mit einer und solche mit zwei Lichtbogenlaufschienen. Bei zweien muß die
Erfindung nicht unbedingt doppelt verwirklicht sein.
Ein weiterer Vorteil kann sich bei Anwendungsfällen ergeben, in denen ohne den
erfindungsgemäßen Einsatz des PTC-Leitermaterials die Gefahr von Neuzün
dungen an einer den Kontaktstücken abgewandten Seite der Lichtbogenlauf
schiene, etwa in einer Löschblechanordnung einer Löschkammer nach dem Erlö
schen eines ersten Lichtbogens besteht. Diese Gefahr kann dadurch auftreten,
daß sich beispielsweise zwischen oder vor den Löschblechen unmittelbar nach
dem Erlöschen des Lichtbogens bzw. der Teillichtbögen eine noch stark ionisierte
Atmosphäre befindet, die einen erneuten Durchschlag erleichtert. Bei einem er
findungsgemäßen Schalter ist jedoch die für eine solche Neuzündung wirksame
Spannung gegenüber der außen am Schalter anliegenden Spannung um den
erheblichen Spannungsabfall an dem PTC-Leiter verringert. Damit sind Neuzün
dungen erheblich erschwert.
Zu den im Anspruch 1 aufgeführten, sich nicht gegenseitig ausschließenden Al
ternativen für den Einsatz des PTC-Leitermaterials ist im Vergleich folgendes
festzustellen: Die erste Alternative eines PTC-Leiterstücks in der Lichtbogenlauf
schiene läßt sich mit einem minimalen technischen Aufwand in ansonsten kon
ventionelle Schalterkonstruktionen integrieren. Es muß entweder das Material der
gesamten Lichtbogenlaufschiene (konventionell im allgemeinen Kupfer) einfach
ausgetauscht werden gegen ein PTC-Leitermaterial oder ein entsprechendes
Stück in eine im übrigen konventionelle Lichtbogenlaufschiene eingesetzt wer
den. Jedenfalls kann die ursprüngliche Form der Lichtbogenlaufschiene vollstän
dig erhalten bleiben, so daß die übrige Konstruktion des Schalters nicht tangiert
wird.
Andererseits wird bei dieser ersten Alternative der PTC-Effekt erst in dem Um
fang wirksam, in dem der Lichtbogen entlang der Länge der Lichtbogenlaufschie
ne gelaufen ist.
Die zweite Alternative eines PTC-Leiters zwischen der Lichtbogenlaufschiene und
dem benachbarten Kontaktstück bietet demgegenüber eine frühestmögliche Wir
kung des PTC-Effekts unmittelbar nach dem Überspringen des Lichtbogens. Fer
ner kann das Material der Lichtbogenlaufschiene nach Gesichtspunkten wie Dau
erhaftigkeit im Lichtbogenkontakt, thermische Leitfähigkeit usw. unabhängig op
timiert werden. Das gleiche gilt für die Auslegung der Abmessungen der Lichtbo
genlaufschiene, die besonders massiv sein kann, ohne daß deswegen der ange
strebte PTC-Widerstand im erwärmten Zustand zu gering wäre.
Andererseits liegt der PTC-Widerstand bei der zweiten Alternative schon beim
Überspringen des Lichtbogens im Strompfad und kann daher durch seinen Wi
derstand im kalten Zustand das Überspringen erschweren. Demgegenüber ist bei
der ersten Alternative beim Überspringen kein zusätzlicher Widerstand wirksam,
weswegen der PTC-Widerstand (im kalten Zustand) nicht besonders niedrig aus
gelegt werden muß. Bei der ersten Alternative kann also ein besonders wirksa
mer Spannungsaufbau im PTC-Leiter stattfinden, wenn der Lichtbogen am Ende
der Lichtbogenlaufschiene bzw. vor den Löschblechen angekommen ist.
Eine von der zweiten obigen Alternative ausgehende Ausgestaltung der Erfin
dung zielt auf eine Minimierung des von dem die Lichtbogenlaufschiene mit dem
Kontaktstück verbindenden PTC-Leiter in Anspruch genommenen zusätzlichen
Bauvolumens. Dazu ist vorgesehen, daß der PTC-Leiter auf der dem von dem
Lichtbogen beim Abschalten durchlaufenen Raum abgewandten Seite der Licht
bogenlaufschiene verläuft und dabei zumindest im wesentlichen parallel zu der
Lichtbogenlaufschiene geformt ist. Bei vielen existierenden Schalterkonstruktio
nen läßt sich auf dieser abgewandten Seite ein solcher PTC-Leiter unterbringen
bzw. mit geringem Aufwand Raum für den PTC-Leiter schaffen. Trotzdem kann
der PTC-Leiter eine relativ ausgedehnte Länge haben. Dies ist wichtig, um trotz
guter thermischer Belastbarkeit, also einer gewissen Materialmenge des
PTC-Leiters einen ausreichenden Widerstand zu realisieren.
Am besten bildet der PTC-Leiter dabei eine oder mehrere Schleifen, die das
Kontaktstück mit dem diesem Kontaktstück zugewandten Ende der Lichtbogen
laufschiene verbindet oder verbinden. Durch diese lichtbogenparallelen Schleifen
läßt sich die Länge des PTC-Leiters bei begrenztem Bauvolumen erhöhen. Wenn
der Widerstand der Lichtbogenlaufschiene selbst - mit oder ohne PTC-Effekt - für
die Strombegrenzung und das Abschalten genutzt werden soll, ist der Anschluß
an dem kontaktstückseitigen Ende der Lichtbogenlaufschiene optimal, weil die
gesamte Länge der Lichtbogenlaufschiene in den Strompfad gelangt.
Die geschilderte Geometrie des Aufbaus aus der Lichtbogenlaufschiene und dem
PTC-Leiter ist in dem weiter unten dargestellten Ausführungsbeispiel veran
schaulicht. Erfindungsgemäß bevorzugt ist dabei ein einstückiges gebogenes
Metallblechteil, das die Lichtbogenlaufschiene und den PTC-Leiter gemeinsam
bildet. Dies ist ein herstellungstechnisch besonders einfacher Fall, der im übrigen
die Vorteile der beiden oben dargestellten Alternativen vereint. Im übrigen ist bei
dieser Lösung von selbst ein optimaler Ohmscher Kontakt zwischen der Lichtbo
genlaufschiene und dem PTC-Leiter gegeben.
Als bevorzugtes PTC-Leitermaterial ist bei dieser Erfindung an Vacon 25 gedacht,
eine Legierung aus 75% Kobalt und 25% Eisen. Dabei wird ein durchschnittlicher
PTC-Koeffizient von 10-9 Ωm/K im Bereich von 300 K bis 1540 K (Ts - 200 K) rea
lisiert. Es können aber auch andere Legierungen der Elemente Eisen, Nickel und
Kobalt oder metallische Materialien, die im wesentlichen aus einem der Elemente
bestehen, verwendet werden. Diese Materialien bieten gute Eigenschaften hin
sichtlich der thermischen Belastbarkeit, der Größe des PTC-Effekts sowie der
Höhe des (kalten d. h. Raumtemperatur-) Ausgangswiderstands.
Wie sich bereits aus den oben angeführten Materialien ergibt, sind bei dieser Er
findung metallische PTC-Materialien wegen ihrer besseren thermischen Stabilität
insbesondere gegenüber Polymer-PTC-Materialien zu bevorzugen. Typischer
weise zeigen Polymer-PTC-Materialien einen so starken Widerstandsanstieg in
einem relativ kleinen Temperaturbereich, daß der abzuschaltende Strom prak
tisch schlagartig durch den PTC-Leiter unterbrochen würde. Es muß von einem
spezifischen Kaltwiderstand für Polymer-PTC-Materialien ausgegangen werden,
der mindestens zwei Größenordnungen über dem der metallischen PTC-Mate
rialien liegt. Dies würde im Vergleich zu der hier betrachteten PTC-Metall-
Ausführung zu einer wesentlichen Vergrößerung des Leitungsquerschnitts führen.
Deshalb wären in den meisten Fällen unrealistisch große Polymerleiterstücke
notwendig. Die Erfindung ist aber nicht auf metallische PTC-Materialien einge
schränkt, sondern kann je nach Anforderungen an die thermische Belastbarkeit
auch mit anderen, möglicherweise auch zukünftig entwickelten PTC-Materialien
ausgeführt werden.
Es wurde bereits dargestellt, daß die Erfindung besondere Vorteile bei Schaltern
mit einer Löschkammer mit in der oben ausgeführten Weise wirkenden Löschble
chen findet. Insbesondere ist dabei an einen LV-Schutzschalter (LV = low voltage = Nie
derspannung) zu denken. Dies ist ein kommerziell wesentlicher Bereich, in
dem die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung wegen ihrer guten Wirkung
bei geringem Kostenaufwand besonders vielversprechend ist.
Ergänzend wird Schutz beansprucht für eine erfindungsgemäß ausgebildete
Lichtbogenlaufschiene, die einstückig mit einem PTC-Leiter ausgebildet ist oder
einen PTC-Leiter enthält. Sie kann vorteilhafterweise separat hergestellt und in
konventionelle Schalter eingebaut und auch nachgerüstet werden. Das Prinzip
der Erfindung läßt sich in dieser Weise sozusagen als Modul verwirklichen, wes
wegen die Erfindung nicht auf einen vollständigen Schalter eingeschränkt ist.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung geht dahin, einen konventionellen Schalter
mit mehreren Löschkammern (z. B. den Typ Q1 C40 des Herstellers CMC) da
durch zu verbessern, daß eine der Löschkammern des Schalters mit einer Licht
bogenlaufschiene in der erfindungsgemäßen Weise ausgeführt ist, und zumindest
eine weitere der Löschkammern durch einen einfachen PTC-Widerstand ersetzt
ist, der dann einem Kontakt parallel geschaltet ist. Durch die Wirkung des
PTC-Widerstands in der Laufschiene oder zwischen der Laufschiene und dem
Kontaktstück und den zusätzlichen Spannungsabfall in dem zusätzlichen PTC-Wi
derstand, der im Ausschaltvorgang seriell geschaltet zum Gegenspannungs
aufbau beiträgt, kann die Belastbarkeit der gesamten Schalteranordnung so weit
verbessert werden, daß sich die konventionelle Verwendung einer zusätzlichen
Löschkammer erübrigt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels
veranschaulicht, wobei die dabei offenbarten Einzelmerkmale auch jeweils für
sich oder in anderen als den dargestellten Kombinationen erfindungswesentlich
sein können. Im einzelnen zeigt:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Schemenzeichnung zur Darstellung des Schal
tungsaufbaus und des geometrischen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Schal
ters.
Fig. 2 ein Beispiel für einen Spannungs- und einen Stromverlauf bei einem Ab
schaltvorgang im Vergleich zwischen einem erfindungsgemäßen Schalter und
einem weitgehend baugleichen konventionellen Schalter.
Fig. 3 im Vergleich eine Serienschaltung zweier erfindungsgemäßer Schalter
nach Fig. 1 und eine diese Serienschaltung vereinfachende besondere Ausge
staltung der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm, das in stark vereinfachter Weise den
Schaltungsaufbau und die Grundzüge der Geometrie eines erfindungsgemäßen
Schalters darstellt. Der Schalter ist über zwei Außenanschlüsse 8 und 9 in einen
nicht dargestellten äußeren Stromkreis geschaltet.
Im geschlossenen Zustand berühren sich die Kontaktstücke 1 und 2 des Schal
ters, die in Fig. 1 jedoch geöffnet dargestellt sind. Das Kontaktstück 2 ist um
eine angedeutete Drehachse schwenkbar, wie mit den Pfeilen veranschaulicht.
Im Sinne der Figur bedeutet eine Bewegung des beweglichen Kontaktstücks 2
nach unten ein Öffnen und eine Bewegung nach oben ein Schließen des Schal
ters.
Im geschlossenen Zustand erzeugt eine äußere Spannung einen Stromfluß über
die Leiterstrecke von dem oberen Anschluß 8 zu dem unbeweglichen Kontakt
stück 1 und über das bewegliche Kontaktstück 2 bis zu dem Anschluß 9, oder
umgekehrt.
Neben der Leiterstrecke zwischen dem oberen Anschluß 8 und dem unbewegli
chen Kontaktstück 1 ist eine Löschkammer 6 angeordnet, die Löschbleche 7 ent
hält. Die Löschbleche 7 sind dabei in einem festen und sich wiederholenden Ab
stand parallel zueinander und isoliert voneinander montiert. Die genannte Leiter
strecke bildet dabei quasi ein äußerstes Löschblech.
Die Löschblechanordnung 7 wird auf der dem den Anschluß 8 mit dem festen
Kontaktstück 1 verbindenden Leiter abgewandten Seite von einem Leiterblech,
quasi ein zweites äußeres Löschblech, abgeschlossen, das auf der den Kontakt
stücken 1 und 2 zugewandten Seite der Löschbleche, also in der Figur unten, in
einem Winkel in eine Lichtbogenlaufschiene 3 übergeht, die auf den von dem
beweglichen Kontaktstück 2 in der Öffnungs- oder Schließbewegung durchstri
chenen Raum zu läuft. An ihrem den Kontaktstücken 1 und 2 zugewandten Ende
geht die Lichtbogenlaufschiene 3 in einer Schleife einstückig in eine parallel zu ihr
in umgekehrter Richtung zurücklaufende Leiterstrecke 5 über, die nach einer
weiteren Schleife wiederum parallel zu der Lichtbogenlaufschiene 3 geführt ist
und elektrisch mit der das bewegliche Kontaktstück 2 mit dem Anschluß 9 verbin
denden Leiterstrecke verbunden ist. Als Lichtbogenlaufschiene 3 ist das Leiter
stück zwischen dem die Löschblechanordnung 7 abschließenden Blechstück auf
Höhe des in der Figur unteren Endes der Löschbleche 7 und der den Kontakt
stücken 1 und 2 zugewandten Schleife bezeichnet.
Diese Lichtbogenlaufschiene 3 und die daran anschließende Leiterstrecke 5 bis
zu dem Anschlußpunkt 10 an der Leiterstrecke zwischen dem beweglichen Kon
taktstück 2 und dem Anschluß 9 bestehen aus einem PTC-Leitermaterial, nämlich
der Legierung Vacon 25. Es wäre erfindungsgemäß natürlich auch möglich, die
Lichtbogenlaufschiene 3 aus Kupfer und nur die daran anschließende Leiter
strecke 5 aus Vacon 25 oder einem anderen PTC-Leitermaterial herzustellen.
Genauso wäre es erfindungsgemäß möglich, nur die Lichtbogenlaufschiene 3 aus
einem PTC-Leitermaterial herzustellen und die daran anschließende Leiterstrecke
5 ganz wegzulassen, d. h. die Lichtbogenlaufschiene 3 direkt bis zu dem An
schlußpunkt 10 zu führen.
Der in der Figur dargestellte Zustand des Schalters liegt unmittelbar nach dem
Öffnen, d. h. dem Trennen der Kontaktstücke 1 und 2 voneinander vor. Das be
wegliche Kontaktstück 2 hat sich soweit von dem festen Kontaktstück 1 entfernt,
daß ein in der Figur mit 4 bezeichneter Lichtbogen von dem beweglichen Kon
taktstück 2 auf die Lichtbogenlaufschiene 3 übergesprungen ist. Damit liegen das
den Kontaktstücken 1 und 2 zugewandte Ende der Lichtbogenlaufschiene 3 ab
dem Fußpunkt des Lichtbogens 4 und der PTC-Leiter 5 im Strompfad des von
dem Lichtbogen 4 geführten Stroms. Die Joulesche Verlustwärme dieses Stro
mes sowie aus dem Lichtbogen 4 durch Wärmestrahlung in die Lichtbogenlauf
schiene 3 eingekoppelte Wärme führen insgesamt zu einer schnellen Erwärmung
des PTC-Leitermaterials. Das Überspringen des Fußpunkts des Lichtbogens 4
von dem beweglichen Kontaktstück 2 auf die Lichtbogenlaufschiene 3 hat damit
zur Folge, daß sich der Widerstand des Strompfades in einer durch die techni
sche Auslegung des Schalters im wesentlichen einstellbaren Zeit deutlich erhöht,
und zwar unabhängig von der Erhöhung des Widerstandes des Lichtbogens 4
selbst.
Wie eingangs bereits geschildert, ist der Lichtbogen 4 durch eine entsprechende
Auslegung der Geometrie des Schalters, insbesondere der Form der Kontakt
stücke 1 und 2, etwas gekrümmt und wird somit durch sein eigenes Magnetfeld in
die Löschkammer 6 und damit in die Länge getrieben. Wie ebenfalls bereits aus
geführt, ist schon diese Verlängerung des Lichtbogens 4 mit einer Zunahme sei
nes Widerstandes und einer Abnahme des Lichtbogenstroms verbunden. Konti
nuierlich hinzu tritt der PTC-Effekt der Lichtbogenlaufschiene 3 selbst, wobei sich
schließlich beim Einlaufen in die Anordnung der Löschbleche 7 die mit der dop
pelten Zahl der Löschbleche 7 multiplizierte Fußpunktspannung hinzuaddiert.
Damit wird der Lichtbogen 4 spätestens zwischen den Löschblechen 7 gelöscht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel tritt die unterstützende Wirkung durch die PTC-Wi
derstandszunahme jedoch größtenteils unabhängig von der Bewegung des
Lichtbogens 4 in die Löschkammer 6 auf. Wenn der Lichtbogen 4 aus einem be
stimmten Grund z. B. einer Materialunregelmäßigkeit, mit seinem Fußpunkt an
dem kontaktstückseitigen Ende der Lichtbogenlaufschiene 3 verharrt, wird der
Strom dennoch durch die Zunahme des Widerstands des verbleibenden Stücks
der Lichtbogenkontaktschiene 3 und insbesondere des PTC-Leiters 5 zwischen
der Lichtbogenkontaktschiene 3 und dem Anschlußpunkt 10 begrenzt. Der Licht
bogen 4 ist dann bereits geschwächt, bevor er möglicherweise schlagartig in die
Löschkammer 6 überspringt. Da sich bei diesem Ausführungsbeispiel die Vorteile
der beiden Alternativen des Anspruchs 1 ergänzen, kann der Widerstand des
PTC-Leiters 5 relativ niedrig ausgelegt werden, so daß die Behinderung des
Überspringens des Fußpunkts des Lichtbogens 4 von dem beweglichen Kontakt
stück 2 auf die Lichtbogenlaufschiene 3 unerheblich ist.
Die Legierung Vacon 25 zeigt einen ausgeprägten PTC-Effekt mit einer Zunahme
des spezifischen Widerstands etwa um einen Faktor 15 zwischen 300 K und der
Curietemperatur von etwa 1150 K. Die Curietemperatur ist eine mögliche geeig
nete obere Temperaturgrenze für die Auslegung der PTC-Leiterstücke in dem
Schalter. Der Schmelzpunkt von Vacon 25 liegt bei 1743 K. Einen ebenfalls sehr
ausgeprägten PTC-Effekt zeigt auch Kobalt mit einem Widerstandsvergröße
rungsfaktor von 18 zwischen 300 K und der Curietemperatur von 1394 K; die
Schmelztemperatur liegt bei 1768 K. Wenn in dem Schalter hohe Temperaturen
vermieden werden sollen, bietet sich das Material Nickel an mit einem Wider
standsvergrößerungsfaktor von immerhin 7 zwischen 300 K und der niedrigen
Curietemperatur von 629 K. Die Curietemperatur von Eisen liegt zwischen den
genannten Werten mit 1042 K bei einer Widerstandsvergrößerung gegenüber
300 K mit dem Faktor 11. Die Schmelztemperatur beträgt 1807 K.
Unabhängig von der Curietemperatur ausgedrückt durch die Temperatur
Ts - 200 K ergibt sich folgendes:
Es ist also möglich, durch geeignete Wahl des PTC-Leitermaterials abhängig von
den tolerablen Temperaturen in dem Schalter eine Widerstandserhöhung um et
wa eine Größenordnung oder auch mehr zu erzielen.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm mit etwas vereinfachten Zeitverläufen der Spannung
U an den beiden Anschlüssen 8 und 9 des Schalters und des Stroms I durch den
Schalter, wobei der Index E jeweils die Erfindung gemäß Fig. 1 und der Index K
einen entsprechenden konventionellen Schalter bezeichnet. Als konventioneller
Schalter wurde ein Schutzschalter des Typs LP1 C63 des Herstellers CMC ge
messen, und zwar ein Kurzschluß in einem äußeren Wechselstromkreis. Dem
erfindungsgemäßen Austausch der Lichtbogenlaufschiene gegen ein einstücki
ges, gemäß Fig. 1 zu zwei Schleifen gebogenes Vacon 25-Blech entsprechend
werden Kurven mit dem Index E erwartet, die in Versuchsaufbauten vergleichbare
Meßergebnisse ergaben.
Fig. 2 zeigt, daß der erfindungsgemäße Schalter die Gegenspannung UE
schneller und stärker aufbaut. Demgegenüber zeigt die Gegenspannung UK des
konventionellen Schalters einen langsameren und schwächeren Anstieg und ei
nige Oszillationen in der Umgebung des Maximums, die vermutlich mit Nachzün
dungen im Bereich der Löschbleche 7 zu erklären sind. Dementsprechend ver
läuft die Stromkurve IE beim erfindungsgemäßen Schalter niedriger, d. h. sie zeigt
ein deutlich kleineres Maximum und einen sehr viel schnelleren Abfall zu kleinen
Stromwerten als die Kurve IK des konventionellen Schalters. An dem deutlich
kleineren Flächenintegral unter der Kurve IE läßt sich erkennen, daß die Bela
stung des von dem erfindungsgemäßen Schalter geschützten Stromkreises er
heblich geringer ausfällt.
Fig. 3 zeigt auf der linken Seite mit A bezeichnet eine Serienschaltung aus zwei
erfindungsgemäßen Schaltern nach dem Aufbau in Fig. 1. Dabei sind einfach
der Anschluß 9 des oberen Schalters und der Anschluß 8 des unteren Schalters
miteinander verbunden. Durch entsprechende Serienschaltungen von zwei oder
mehreren Schaltern können die elektrischen Leistungsmerkmale insgesamt na
türlich erhöht werden.
Nach einer besonderen Ausführungsvariante der Erfindung wird eine solche Seri
enschaltung dadurch vereinfacht, daß zumindest einer der Schalter weder eine
Lichtbogenlaufschiene 3 noch einen daran anschließenden PTC-Leiter 5 noch
eine Löschkammer 6 mit Löschblechen 7 aufweist. Diese Variante ist in dem
rechten Teil B in Fig. 3 gezeigt. Statt dessen ist bei dem oberen erfindungsge
mäß vereinfachten Schalter der Anschlußpunkt 10 nicht nur über die im gezeigten
Zustand bereits geöffneten Kontaktstücke 1 und 2, sondern darüber hinaus in
einer Nebenstrecke über einen mit dem Kürzel PTC bezeichneten PTC-Leiter mit
dem Anschluß 8 des oberen Schalters verbunden. Der untere Schalter entspricht
wiederum dem Aufbau aus Fig. 1.
Beim im wesentlichen gleichzeitigen Öffnen der beiden seriell verbundenen
Schalter entsteht nur in dem unteren Schalter ein Lichtbogen 4, der wie bereits
beschrieben gelöscht wird. Im oberen Schalter fließt der Strom - für eine der bei
den möglichen Richtungen mit dem Symbol i angedeutet - statt dessen über die
Nebenstrecke durch den PTC-Leiter, so daß sich dessen Widerstanderhöhung in
analoger Weise wie oben beschrieben zu dem Löschmechanismus im unteren
Schalter unterstützend hinzuaddiert.
Der gesamte Aufbau der Anordnung bei B ist ersichtlich sehr viel einfacher als bei
A. Dennoch können mit dieser Anordnung B die Leistungsmerkmale eines Einzel
schalters nach Fig. 1 noch weiter gesteigert werden.
Claims (10)
1. Schalter mit zumindest zwei Kontaktstücken (1, 2) und zumindest einer ei
nem Kontaktstück (2) benachbarten und mit dieser elektrisch verbundenen
Lichtbogenlaufschiene (3), die bei geschlossenen Kontaktstücken (1, 2)
nicht im Strompfad liegt, dazu ausgelegt, daß beim Öffnen der Kontaktstücke
(1, 2) ein Lichtbogen (4) erzeugt wird, der von diesem einen Kontaktstück
(2) aus auf die Lichtbogenlaufschiene (3) überwechselt und über diese läuft,
um zu erlöschen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenlaufschiene (3) zumindest teil
weise aus PTC-Leitermaterial besteht und/oder über einen PTC-Leiter (5)
mit diesem einen benachbarten Kontaktstück (2) verbunden ist.
2. Schalter nach Anspruch 1, bei dem der die Lichtbogenlaufschiene (3) mit
dem Kontaktstück (2) verbindende PTC-Leiter (5) im wesentlichen parallel
zu und auf der lichtbogenabgewandten Seite der Lichtbogenlaufschiene (3)
verläuft.
3. Schalter nach Anspruch 2, bei dem der PTC-Leiter (5) das kontaktstücksei
tige Ende der Lichtbogenlaufschiene (3) mit dem einen Kontaktstück (2)
verbindet, wobei der PTC-Leiter (5) zumindest eine Schleife bildet.
4. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das
PTC-Leitermaterial metallisch ist.
5. Schalter nach Anspruch 4, bei dem das PTC-Leitermaterial Eisen, Nickel,
Kobalt oder eine Legierung daraus, insbesondere Vacon 25, ist.
6. Schalter nach Anspruch 3, und zumindest einem der Ansprüche 4 und 5, bei
dem die Lichtbogenlaufschiene (3) und der PTC-Leiter (5) zusammen ein
einstückiges gebogenes Metallblechteil sind.
7. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Löschkammer
(6) mit Löschblechen (7).
8. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgelegt als
LV-Schutzschalter.
9. Einstückig mit einem PTC-Leiter (5) ausgebildete oder einen PTC-Leiter
enthaltende Lichtbogenlaufschiene (3) für einen Schalter nach einem der
vorstehenden Ansprüche.
10. Schalteranordnung mit einem Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8
und einem weiteren seriellen, jedoch parallel mit einem PTC-Widerstand
verschalteten Schalter.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998110981 DE19810981A1 (de) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | Schalter mit PTC-Element zur verbesserten Strombegrenzung und Lichtbogenlöschung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998110981 DE19810981A1 (de) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | Schalter mit PTC-Element zur verbesserten Strombegrenzung und Lichtbogenlöschung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19810981A1 true DE19810981A1 (de) | 1999-09-16 |
Family
ID=7860816
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998110981 Withdrawn DE19810981A1 (de) | 1998-03-13 | 1998-03-13 | Schalter mit PTC-Element zur verbesserten Strombegrenzung und Lichtbogenlöschung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19810981A1 (de) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7048105B2 (en) | 2003-02-20 | 2006-05-23 | Sachs Race Engineering Gmbh | Friction clutch |
DE102004059097A1 (de) * | 2004-12-06 | 2006-06-08 | Siemens Ag | Schaltvorrichtung mit temperaturabhängigem Widerstand zum Löschen eines Lichtbogens |
EP2541574A1 (de) * | 2011-07-01 | 2013-01-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Doppeltunterbrechendes Schutzschaltgerät |
EP3157033A1 (de) | 2015-10-16 | 2017-04-19 | Schneider Electric Industries SAS | Trennkammer für ein elektrisches sicherungsgerät, und diese umfassendes elektrisches sicherungsgerät |
WO2018130296A1 (en) * | 2017-01-13 | 2018-07-19 | Abb Schweiz Ag | Arc chute with splitter plates interconnected by resistors |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CH589351A5 (de) * | 1975-08-19 | 1977-06-30 | Bbc Brown Boveri & Cie | |
EP0492336A2 (de) * | 1990-12-27 | 1992-07-01 | ABBPATENT GmbH | Lichtbogenkammer für ein elektrisches Schaltgerät |
DE4243314A1 (de) * | 1992-12-21 | 1994-06-23 | Abb Management Ag | Strombegrenzender Schalter |
DE4441279C1 (de) * | 1994-11-19 | 1995-09-21 | Abb Management Ag | Vorrichtung zur Strombegrenzung |
-
1998
- 1998-03-13 DE DE1998110981 patent/DE19810981A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CH589351A5 (de) * | 1975-08-19 | 1977-06-30 | Bbc Brown Boveri & Cie | |
EP0492336A2 (de) * | 1990-12-27 | 1992-07-01 | ABBPATENT GmbH | Lichtbogenkammer für ein elektrisches Schaltgerät |
DE4243314A1 (de) * | 1992-12-21 | 1994-06-23 | Abb Management Ag | Strombegrenzender Schalter |
DE4441279C1 (de) * | 1994-11-19 | 1995-09-21 | Abb Management Ag | Vorrichtung zur Strombegrenzung |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7048105B2 (en) | 2003-02-20 | 2006-05-23 | Sachs Race Engineering Gmbh | Friction clutch |
DE102004059097A1 (de) * | 2004-12-06 | 2006-06-08 | Siemens Ag | Schaltvorrichtung mit temperaturabhängigem Widerstand zum Löschen eines Lichtbogens |
WO2006061375A1 (de) * | 2004-12-06 | 2006-06-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Schaltvorrichtung mit temperaturabhängigem widerstand zum löschen eines lichtbogens |
EP2541574A1 (de) * | 2011-07-01 | 2013-01-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Doppeltunterbrechendes Schutzschaltgerät |
CN102856135A (zh) * | 2011-07-01 | 2013-01-02 | 西门子公司 | 双断保护开关设备 |
CN102856135B (zh) * | 2011-07-01 | 2017-05-03 | 西门子公司 | 双断保护开关设备 |
EP3157033A1 (de) | 2015-10-16 | 2017-04-19 | Schneider Electric Industries SAS | Trennkammer für ein elektrisches sicherungsgerät, und diese umfassendes elektrisches sicherungsgerät |
FR3042638A1 (fr) * | 2015-10-16 | 2017-04-21 | Schneider Electric Ind Sas | Chambre de coupure d'un appareil de protection electrique et appareil de protection electrique comportant une telle chambre |
WO2018130296A1 (en) * | 2017-01-13 | 2018-07-19 | Abb Schweiz Ag | Arc chute with splitter plates interconnected by resistors |
RU2715622C1 (ru) * | 2017-01-13 | 2020-03-03 | Абб Швайц Аг | Дугогасительная камера с разделительными перегородками, соединенными между собой резисторами |
US10614979B2 (en) | 2017-01-13 | 2020-04-07 | Abb Schweiz Ag | Arc chute with splitter plates interconnected by resistors |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE60128176T2 (de) | Pol für einen strombegrenzenden Niederspannungsleistungsschalter und mit einem solchen Polausgerüsteter Leistungsschalter | |
EP1313117B1 (de) | Lichtbogenlöschanordnung für ein elektronisches Schaltgerät | |
EP2230678B1 (de) | Lichtbogenresistenter Schütz | |
EP2502251B1 (de) | Schalteinheit zum schalten von hohen gleichspannungen | |
EP2383761A1 (de) | Schaltgerät für Gleichstrom-Anwendungen | |
DE60029919T2 (de) | Pol für einen elektrischen leistungsschalter, der eine lichtbogenlöschkammer mit dielektrischen abschirmungen umfasst | |
EP0150486B1 (de) | Elektrischer Schalter | |
EP1683173B1 (de) | Lichtbogen-löschvorrichtung | |
EP2747109B1 (de) | Schaltgerät | |
EP1548773B1 (de) | Lichtbogenlöscheinrichtung für Schutzschalter mit Doppelunterbrechung | |
WO2019175042A1 (de) | Schutzschalter zur trennung eines stromkreises | |
EP0350825B1 (de) | Elektrisches Schaltgerät | |
EP3428942B1 (de) | Gleichstrom-lichtbogenlöschvorrichtung und elektromechanisches gleichstrom-schaltgerät | |
DE10118746B4 (de) | Verfahren zum Betreiben eines Schaltgerätes mit einem zuschaltbaren Strombegrenzer und zugehörige Anordnung | |
DE10291133B4 (de) | Gehäuse für ein Schaltgerät | |
DE19810981A1 (de) | Schalter mit PTC-Element zur verbesserten Strombegrenzung und Lichtbogenlöschung | |
DE102006028696A1 (de) | Leistungsschalter oder Leitungsschutzschalter | |
EP0959483B1 (de) | Lastschalter mit Löschkammer | |
EP2115756A1 (de) | Strombegrenzende lichtbogenlöscheinrichtung | |
DE102005007303B4 (de) | Elektrisches Installationsgerät mit Lichtbogen-Vorkammerraum, Lichtbogenleitschienen und strombegrenzender Lichtbogenlöscheinrichtung | |
EP1374263B1 (de) | Schaltanordnung für niederspannungs-leistungsschalter | |
EP2541574B1 (de) | Doppeltunterbrechendes Schutzschaltgerät | |
DE1944143B2 (de) | Lichtbogenkammer | |
DE102017202818A1 (de) | Slot-motor-konfiguration für einen mehrfinger-leistungsschalter für hohe amperezahlen | |
EP0028389A1 (de) | Niederspannungs-Leitungsschutzschalter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: ZIMMERMANN & PARTNER, 80331 MUENCHEN |
|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |