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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen elektrischen Pol für
einen Niederspannungs-Leistungsschalter
mit verbesserten Eigenschaften.
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Der Begriff "Niederspannungs-Leistungsschalter" wird insbesondere
verwendet, um einen Schalter zu bezeichnen, der üblicherweise in Anwendungen,
beispielsweise industriellen Systemen zum Einsatz kommt und durch
Betriebsspannungen von weniger als 1000 V und durch elektrische
Ströme,
typischerweise Wechselströme,
mit relativ hohem Nennwert (von wenigen hundert bis mehreren tausend
Ampere), gekennzeichnet sind, die dadurch relativ hohe Leistungen
erzeugen.
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Es ist bekannt, dass Leistungsschalter,
die einen oder mehrere elektrische Pole umfassen, normalerweise
dazu ausgelegt sind, den elektrischen Strom sicherzustellen, der
durch die verschiedenen Nutzer bei der gleichzeitigen Verbindung
mit einer Last und Trennen derselben oder zum Schützen der Last
von anormalen Ereignissen benötigt
wird, beispielsweise aufgrund von Überlastungen oder aufgrund
eines Kurzschlusses durch automatisches Öffnen des Stromkreises oder
durch Trennen des geschützten
Stromkreises durch Öffnen
von in geeigneter Weise bereitgestellten elektrischen Kontakten,
um eine vollständige
Isolation der Last in Bezug auf das Stromversorgungsnetz zu erzielen.
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Aktuell existieren zahlreiche Ausführungsformen
von Niederspannungs-Leistungsschaltern in Übereinstimmung mit dem jeweiligen
Nennstrom.
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Für
jeden elektrischen Pol findet jedoch die Unterbrechung des Stroms,
sei es lein Nennstrom, ein Überlast-
oder Kurzschlussstrom, üblicherweise durch
Trennung eines beweglichen Kontakts und eines feststehenden Kontakts
statt. Ein Beispiel einer Kontaktanordnung für einen Niederspannungs-Leistungsschalter
ist in dem europäischen
Patent
EP 0 219 449 erläutert.
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Der typische Aufbau eines elektrischen
Pols für
einen Niederspannungs-Leistungsschalter wird unter Bezug auf 1 erläutert. Der Pol umfasst einen
feststehenden Kontakt 1 und einen beweglichen Kontakt 2,
die in Bezug aufeinander verbunden/getrennt werden können. Der
bewegliche Kontakt 2 ist auf einer Kontakttragwelle 4 angeordnet
und steht mit dieser in Verbindung, die üblicherweise aus isolierendem
Material hergestellt ist und als mechanischer Träger wirkt und/oder die Bewegung
auf den beweglichen Kontakt überträgt. Um die
elektrische Kontinuität
aufrechtzuerhalten, während
die Bewegung des beweglichen Kontakts 2 möglich ist,
wird üblicherweise
ein flexibler Leiter 3 verwendet, der ausschließlich die
Aufgabe hat, die elektrische Verbindung zwischen dem beweglichen
Kontakt 2 und einem Stromversorgungsnetz sicherzustellen,
wie in 1 gezeigt.
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Der bewegliche Kontakt 2,
der flexible Leiter 3 und die Kontakttragwelle 4 sind
in 2 näher gezeigt.
In diesem Fall ist der flexible Leiter 3 durch zwei flexible
Metallgeflechte gebildet, die in einem Hohlraum der Kontakttragwelle
angrenzend aufgenommen sind. An einem Ende der Metallgeflechte befinden
sich ein Flansch 7 und ein Drehgelenk 8, die jeweils
zur Verbindung mit dem Stromversorgungsnetz und dem beweglichen
Kontakt genutzt werden.
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Unter der Betriebsbedingung, dass
unter einem Nennstrom geöffnet
werden soll, wird folgend auf einen Öffnungsbefehl der bewegliche
Kontakt 2 mit einer festgelegten Geschwindigkeit durch
die Kontakttragwelle 4 bewegt, die ihrerseits durch einen in 1 und 2 nicht gezeigten Betätigungsmechanismus betätigt wird.
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Unter der Betriebsbedingung zum Öffnen unter
Kurzschlussstrom, typischerweise vor dem durch den Betätigungsmechanismus
durchgeführten Öffnungseingriff,
findet eine Trennung der elektrischen Kontakte aufgrund von elektrodynamischen
Abstoßungskräften statt,
die zwischen dem beweglichen Kontakt und dem feststehenden Kontakt
auftreten. Für
hohe Kurzschlussströme,
wie etwa solche, die Niederspannungs-Leistungsschalter beeinträchtigen (mehrere
10 Kiloampere), erreichen diese elektrodynamischen Abstoßungskräfte Werte,
die eine sehr hohe Endhubgeschwindigkeit auf den beweglichen Kontakt
ausüben.
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Aufgrund der sehr hohen Geschwindigkeit
im Endhub ist es erforderlich, um den beweglichen Kontakt 2 zu
stoppen, geeignete Anhaltevorrichtungen, beispielsweise eine Anschlagplatte 5,
wie in 1 gezeigt, bereitzustellen,
und dem gesamten kinetischen Öffnungssystem
aus beweglichem Kontakt 2 und Kontakttragwelle 4 ausreichend
starke Ab messungen zu verleihen, so dass es den intensiven Spannungen
widerstehen kann, die durch den Hubendstoß des beweglichen Kontakts 2 hervorgerufen werden.
Um zu verhindern, dass diese auftreten, ist es erforderlich, dass
gesamte kinematische Öffnungssystem
derart bereitzustellen, dass ein Eingriff in relativer kurzer Zeit
stattfindet, insbesondere, bevor der bewegliche Kontakt das Ende
seines Hubs erreicht.
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Diese Konstruktionbeschränkungen
führen selbstverständlich zu
größeren Herstellungszeiten und
Kosten für
den Schalter.
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Aufgrund der hohen Geschwindigkeit
beim Endhub kann es außerdem
passieren, dass der bewegliche Kontakt an der Anschlagplatte nicht
stoppt, sondern von dieser abprallt und mit dem feststehenden Kontakt
erneut in Verbindung gelangt. Dies wäre kritisch, weil es ein unerwünschtes
Schließen
der Kontakte bei Vorliegen von Störungsbedingungen hervorrufen
würde.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, einen elektrischen Pol für einen Niederspannungsschalter
zu schaffen, der es erlaubt, die Endhubgeschwindigkeit des beweglichen
Kontakts während
des Öffnens
unter Kurzschlussbetriebsbedingungen auf relativ mäßige Werte
zu beschränken.
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Im Umfang dieses Ziels besteht eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen elektrischen Pol
für einen
Niederspannungsschalter zu schaffen, der sicherstellt, dass der
bewegliche Kontakt während
des Öffnens
unter Kurzschlussbedingungen angehalten wird, ohne spezielle Anhaltevorrichtungen
anzuwenden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, einen elektrischen Pol für einen Niederstromschalter
zu schaffen, der sicherstellt, dass unerwünschtes erneutes Schließen der
elektrischen Kontakte vermieden wird, nach einem Öffnen unter
Kurzschlussbetriebsbedingungen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, einen elektrischen Pol für einen Niederspannungsschalter
zu schaffen, der die Möglichkeit
sicherstellt, die erforderli che Eingriffgeschwindigkeit des kinematischen Öffnungssystems zu
begrenzen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, einen elektrischen Pol für einen Niederspannungsleistungsschalter
zu schaffen, der hochgradig zuverlässig, einfach herstellbar und
kostengünstig
ist.
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Diese Ziele und Aufgaben werden,
wie aus folgendem hervorgeht, erreicht bzw. gelöst durch einen elektrischen
Pol für
einen Niederspannungsleistungsschalter, aufweisend:
- – Einen
feststehenden Kontakt und einen beweglichen Kontakt, die gegenseitig
in Verbindung gebracht bzw. voneinander getrennt werden können;
- – zumindest
zwei leitende Elemente, die dazu geeignet sind, den beweglichen
Kontakt mit einem Stromnetz zu verbinden, wobei die leitenden Elemente
so angeordnet sind, dass der durch sie fließende elektrische Strom gleichermaßen ausgerichtet
ist; und
- – eine
Einrichtung zum mechanischen Tragen und Betätigen des beweglichen Kontakts.
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Der erfindungsgemäße Pol ist dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein isolierendes Element vorgesehen ist, dass zwischen
den leitenden Elementen angeordnet ist und durch Reibung mit den leitenden
Elementen den elektrodynamischen Abstoßungskräften entgegenwirkt, die zwischen
dem feststehenden Kontakt und dem beweglichen Kontakt während der Öffnung unter
Kurzschlussbetriebsbedingungen auftreten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung erschließen
sich aus der Beschreibung einiger bevorzugter, nicht-beschränkender
Ausführungsformen
eines elektrischen Pols für
einen erfindungsgemäßen Niederspannungsleistungsschalter,
lediglich beispielhaft dargestellt als nicht-beschränkendes
Beispiel unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen; in diesen
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines elektrischen Pols für einen Niederspannungsleistungsschalter
bekannten Aufbaus;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Konstruktionseinzelheit des elektrischen Pols
von 1;
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3 eine
schematische Ansicht des Ausbaus einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen elektrischen
Pols;
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4a und 4b zwei unterschiedliche
perspektivische Ansichten einer Konstruktionseinzelheit der Ausführungsform
des erfindungsgemäßen elektrischen
Pols, der in 3 gezeigt
ist.
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Unter Bezug auf 3 weist der erfindungsgemäße elektrische
Pol einen, in der Figur nicht gezeigten feststehenden Kontakt und
einen beweglichen Kontakt 10 auf, die gegenseitig miteinander
in Verbindung bzw. voneinander getrennt werden können, und zwei oder mehr leitende
Elemente 11 zum elektrischen Verbinden des beweglichen
Kontakts 10 mit einem Stromversorgungsnetz, das in 3 ebenfalls nicht gezeigt
ist. Eine spezielle Eigenschaft der leitenden Elemente 11 besteht
darin, dass sie so angeordnet sind, dass die durch sie fließenden elektrischen
Ströme
in gleicher Richtung ausgerichtet sind. In Übereinstimmung mit einer in 3 gezeigten bevorzugten
Ausführungsform
sind die leitenden Elemente 11 beispielsweise durch ein
Paar von flexiblen Metallgeflechten gebildet, die parallel zueinander
geschaltet sind. Diese Lösung
stellt sicher, dass der elektrische Stromfluss in derselben Richtung
in beiden leitenden Elementen 11, beispielsweise in der durch
den Pfeil 16 bezeichneten Richtung stattfindet. Weitere
Ausführungsformen
sind selbstverständlich möglich und
können
beispielsweise die Verwendung einer größeren Anzahl von leitenden
Elementen vorsehen, vorausgesetzt, sie sind stets so angeordnet, dass
sie durch gleichermaßen
ausgerichtete Ströme gekennzeichnet
sind. Vorteilhafterweise umfassen die flexiblen Metallgeflechte 11 von 3 an jedem Ende eine Einrichtung
zur jeweiligen Bereitstellung einer Verbindung mit dem beweglichen
Kontakt 10 und dem Stromversorgungsnetz. In der Ausführungsform
von 3 ist die Einrichtung
zur Verbindungen mit dem Stromnetz durch einen Verbindungsflansch 14 gebildet.
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Der erfindungsgemäße elektrische Pol umfasst
außerdem
eine Einrichtung 12, die dazu geeignet ist, den beweglichen
Kontakt 10 mechanisch zu tragen und auf diesen Bewegung
zu übertragen;
insbesondere umfasst die Einrichtung 12 eine Kontakttragwelle 12,
die aus iso lierendem Material hergestellt ist.
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Der erfindungsgemäße elektrische Pol ist dadurch
gekennzeichnet, dass er ein oder mehrere isolierende Elemente umfasst,
die in der 3 mit der
Bezugsziffer 13 bezeichnet sind, und die zwischen den leitenden
Elementen 11 angeordnet sind.
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Beispielsweise in der Ausführungsform
von 3 ist ein einziges
isolierendes Element 13 vorgesehen, das zwischen den beiden
parallelen Geflechten 11 angeordnet und betriebsmäßig mit
der isolierenden Welle 12 verbunden ist.
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Die wesentlichen Funktion, die durch
das isolierende Element 13 durchgeführt wird, besteht darin, durch
die Reibung mit den leitenden Elementen 11 den elektrodynamischen
Abstoßungskräften entgegenzuwirken,
die zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Kontakt während der Öffnung unter
Kurzschlussbedingungen erzeugt werden.
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Da die leitenden Elemente 11 von
gleichermaßen
ausgerichteten Strömen
durchflossen werden, tritt zwischen ihnen eine schematisch durch
die Pfeile 17 in 3 bezeichnete
elektrodynamische Anziehungskraft auf. Unter Kurzschlussbetriebsbedingungen,
wenn die Ströme,
die durch die Leiter 11 fließen, hohe Pegel erreichen,
werden die leitenden Elemente 11 gegen das isolierende
Element 13 angezogen, dass zwischen ihnen angeordnet ist.
Die Reibungskraft, die zwischen den Leitern 11 und dem Element 13 auftritt,
wirkt der Bewegung der Kontakttragwelle 12 entgegen, die
mit dem beweglichen Element starr verbunden ist. Auf diese Weise
absorbiert die Reibungskraft einen Teil der Energie, mit welcher der
bewegliche Kontakt 2 vom feststehenden Kontakt getrennt wird. Die
Endhubgeschwindigkeit des beweglichen Kontakts 10 wird
dadurch derart verringert, dass sie unterhalb von relativ mäßigen Grenzen zu
liegen kommt. Da die Reibungskraft zwischen dem isolierenden Element 13 und
den Leitern 11 direkt proportional zu dem Strom ist, der
durch die Leiter fließt,
wird deshalb die der Bewegung des beweglichen Kontakts entgegenwirkende
Kraft für
hohe Stromwerte beträchtlich
hoch, wie unter den Betriebsbedingungen zur Öffnung unter einem Kurzschlussstrom.
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Andererseits nimmt unter Betriebsbedingungen
zur Öffnung
unter Nennstrom im Hinblick auf die sehr geringen Stromwerte die
Reibungskraft keine signifikanten Werte ein, so dass die Öffnungsbewegung
in keinster Weise beeinträchtigt
wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Kontakttragwelle 12 und des isolierenden Elements 13, die
insbesondere zur Verwendung in einem Drei-Pol-Schalter geeignet
sind, werden unter Bezug auf 4a und 4b erläutert.
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In diesem Fall sind drei isolierende
Elemente 13, von denen jedes einem (nicht gezeigten) beweglichen
Kontakt entspricht, der zu einem entsprechenden Pol gehört, an der
Kontakttragwelle 12 befestigt.
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Wie gezeigt, umfasst jedes isolierende
Element 13 einen Körper,
der von der Seite aus gesehen zwei gekrümmte geformte Wände aufweist,
die dazu geeignet sind, mit den entsprechenden leitenden Elementen 11 betriebsmäßig in geeigneter
Weise zu interagieren.
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In Übereinstimmung mit einer Lösung, die strukturell
einfach und funktionell effektiv ist, sind die isolierenden Elemente
aus Kunststoffmaterial hergestellt und monolithisch mit der Betätigungswelle 12 verwirklicht.
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Insbesondere können die isolierenden Elemente 13 direkt
aus der Kontakttragwelle 14 beispielsweise durch einen
Spritzformprozess erzeugt werden.
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Alternativ können jedes isolierende Element 13 und
die Welle 12 aus zwei getrennten Teilen verwirklicht sein,
die in geeigneter Weise miteinander verbunden sind; außerdem kann
jedes isolierende Element 13 betriebsmäßig mit weiteren Elementen des
Pols verbunden sein.
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In der Praxis hat sich herausgestellt,
dass der erfindungsgemäße elektrische
Pol das angestrebte Ziel und die angestrebten Aufgaben vollständig löst.
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Indem die isolierenden Elemente und
die leitenden Elemente in geeigneter Weise dimensioniert werden,
ist es insbesondere möglich,
unter vernünftiger
Annäherung
die Endhubge schwindigkeit des beweglichen Kontakts selbst während der
Betriebsbedingungen zum Öffnen
unter Kurzschlussstrom zu ermöglichen.
Es ist deshalb möglich,
die Abmessungen des elektrischen Pols in Übereinstimmung mit der Erfindung
derart zu wählen,
dass die Endhubgeschwindigkeit auf einen Bereich relativ kleiner
Werte beschränkt
ist, wodurch die Energie des Hubgrenzstoßes verringert wird und wodurch
das Auftreten unerwünschter
erneuter Schließvorgänge der
Kontakte verhindert wird.
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Außerdem ist es möglich, die
Anhalteeinrichtungen für
den beweglichen Kontakt wegzulassen oder zumindest signifikant zu
verringern, die üblicherweise
in bekannten Schalter-Typen
zum Einsatz kommen. Die reduzierte Endhubgeschwindigkeit des beweglichen
Kontakts erlaubt es, die erforderliche Eingriffgeschwindigkeit des
kinematischen Öffnungsmechanismus
zu verringern, wodurch Konstruktionsbeschränkungen gemildert werden.
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Schließlich ist beobachtet worden,
dass die Anwendung der isolierenden Elemente in keinster Weise eine
signifikante Erhöhung
der Herstellungskosten mit sich bringt, weil diese Elemente direkt
aus der Kontakttragwelle gewonnen werden können. Die Möglichkeit, die Anhalteeinrichtungen
für den
beweglichen Kontakt nicht vorzusehen, und die Möglichkeit, den kinematischen Öffnungsmechanismus
des Schalters zu vereinfachen, bringen andererseits eine Vereinfachung
bezüglich
der Herstellung des Schalters zusammen mit höherer Betriebszuverlässigkeit mit
sich.
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Der elektrische Pol für einen
Niederspannungsleistungsschalter, der in dieser Weise erhalten wird,
ist Modifikationen und Abwandlungen zugänglich, die sämtliche
im Umfang des erfindungsgemäßen Konzepts
liegen; sämtliche
Einzelheiten können deshalb
durch technisch äquivalente
Elemente ersetzt werden, wie in den anliegenden Ansprüchen festgelegt.