DE68909500T2

DE68909500T2 - Strombegrenzender Selbstschalter für Niederspannung mit abgedichteter Schaltkammer.

Info

Publication number: DE68909500T2
Application number: DE89420187T
Authority: DE
Inventors: Robertis Patrick De; Hubert Guerin; Jean-Luc Mertz; Michel Perrot
Original assignee: Merlin Gerin SA
Current assignee: Merlin Gerin SA
Priority date: 1988-06-10
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2009-06-01
Also published as: JPH02119020A; US4943691A; FR2632771A1; EP0346249B1; EP0346249A1; CA1325233C; JP2749377B2; FR2632771B1; DE68909500D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungsvorrichtung gemäß der Einleitung zu Anspruch 1. In der EP-A-185577 wird ein Schalter der erwähnten Art beschrieben, bei dem der durch den Lichtbogen in der Schaltkammer erzeugte Druck einen mit einem Trennschirm zur Abscherung des Lichtbogens mechanisch verbundenen Kolben verschiebt. Die Schaltkammer weist einen großen Rauminhalt auf, und sobald der Trennschirm in die Trennstellung überführt ist, wird die Schaltkammer dem Umgebungsdruck ausgesetzt, um Überdrücke zu vermeiden. Der Trennschirm bewirkt zwar eine Erhöhung des Ausschaltvermögens, kompliziert den Schalter jedoch in unverhältnismäßiger Weise.
Für den Schutz elektrischer Anlagen sind Strombegrenzungseinrichtungen oder Leistungsschalter mit immer höheren Ausschaltvermögen erforderlich, und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnte Einrichtung unter Beibehaltung geringer Abmessungen zu verbessern.
Die erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkammer dichtgekapselt und der Rauminhalt der genannten Schaltkammer den Abmessungen der genannten Kontakte entspricht, um einen schnellen und starken Druckanstieg durch die Wirkung eines im Augenblick der Trennung der genannten Kontakte erzeugten Lichtbogens zu bewirken.
Durch die Kombination aus schnellem Druckanstieg in der Schaltkammer und Nutzung dieses Drucks zur schnellen Überführung des Isolierstoff-Trennschirms in die aktive Stellung können das Ausschaltvermögen und die Strombegrenzungswirkung wesentlich erhöht werden. Das Gehäuse der Strombegrenzungseinrichtung muß selbstverständlich so ausgelegt sein, daß es den bei Abschaltung eines hohen Stroms, insbesondere eines Kurzschlußstroms in der Schaltkammer entstehenden hohen Drücken standhält. Der Trennschirm ist vorteilhaft als plattenförmiger Schieber ausgefuhrt, der zwischen die Kontakte geschoben wird, um diese voneinander zu trennen, und ein mit dem in der Schaltkammer herrschenden Druck beaufschlagter Kolben bewirkt oder unterstützt das schnelle Verschieben des Trennschirms. Die Schaltkammer ist vorzugsweise flach ausgeführt und bildet einen Spalt mit geringer Breite, die etwa der Breite der in der Schaltkammer in Richtung der Spaltlängsachse angeordneten Kontakte entspricht. Die Strombegrenzungseinrichtung kann mit einem einzelnen, mit einem feststehenden Kontakt zusammenwirkenden beweglichen Kontakt ausgeführt sein, gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung sind jedoch beide Kontakte beweglich und symmetrisch um den Isolierstoff-Trennschirm angeordnet. Diese Kontakte können auf eine unter Fachleuten bekannte Art und Weise unter Einwirkung elektrodynamischer Abstoßungskräfte voneinander getrennt werden, die durch die entgegengesetzte Stromrichtung in den beiden sich gegenüberliegenden Kontakten entstehen. Die Kontakte sind vorzugsweise schwenkbar auf parallel zueinander und senkrecht zur Ebene des die Schaltkammer bildenden Spalts angeordneten Achsen gelagert. In der Einschaltstellung werden die Kontakte durch Druckfedern beaufschlagt.
Der Druckanstieg kann durch in der Nähe des Lichtbogens angeordnete gasabgebende Stoffe weiter verstärkt werden, wobei eines dieser gasabgebenden Elemente z.B. der Trennschirm oder ein Teil der in der Nähe der Kontakte angeordneten Schaltkammerwand sein kann.
Die erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung kann als mit einem Leistungsschalter in Reihe geschalteter Strombegrenzer zur Begrenzung der Höhe der Kurzschlußströme oder auch in einem strombegrenzenden Leistungsschalter eingesetzt werden. Im letztgenannten Fall ist der bewegliche Trennschirm durch eine Schaltstange verlängert, die mit einem außerhalb der Schaltkammer angeordneten Schaltmechanismus zusammenwirkt. Dieser Schaltmechanismus kann ggf. einen elektromagnetischen und/oder thermischen Auslöser aufweisen, der bei Auftreten eines Kurzschlusses bzw. einer Überlast den Trennschirms in Richtung einer Isolierstellung verschiebt, wobei der spitz zulaufende Trennschirm diese Trennung der Kontakte sowie die Entstehung eines Lichtbogens bewirkt. Unmittelbar nach der Zündung des Lichtbogens und dem entsprechenden Druckanstieg innerhalb der Schaltkammer wird die Schubbewegung des Trennschirms durch die aufgrund des Drucks in der Schaltkammer entstehende Kolbenwirkung verstärkt.
Der Druck innerhalb der Schaltkammer kann mehrere hundert bar erreichen und hängt von der Höhe des Lichtbogenstroms sowie von der Bewegungsgeschwindigkeit des Trennschirms ab, wobei beide Faktoren zur Strombegrenzung sowie zur Lichtbogenlöschung beitragen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen:
- Figur 1 die schematische Ansicht eines Axialschnitts durch einen erfindungsgemäßen strombegrenzenden Leistungsschalter in Einschaltstellung;
- Figur 2 eine mit Figur 1 identische Ansicht mit dem Leistungsschalter in Ausschaltstellung;
- Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III aus Figur 1;
- Figur 4 eine zu Figur 1 analoge Ansicht einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung.
In den Figuren besteht ein Isolierstoffgehäuse oder -block aus einem Sockel 10 und einer Kappe 12, die entlang einer Dichtungsebene 14 miteinander verbunden sind. Im Block 10, 12 ist in Höhe der Dichtungsebene 14 und parallel zu dieser ein in Form eines Spalts ausgeführter flacher Hohlraum 16 zur Bildung einer dichtgekapselten Schaltkammer mit einer sie umgebenden Dichtung 18 eingeformt, die durch die Einlassung eines Stegs in eine Nut gebildet wird, die jeweils in der Kappe bzw. im Sockel eingeformt sind und die Schaltkammer 16 umlaufen. In der Schaltkammer 16 sind zwei messerförmige Kontaktarme 20, 22 angeordnet, die mit einem Ende auf einer Achse 24, 26 schwenkbar gelagert sind und an ihrem entgegengesetzten Ende einen Kontakt 28, 30 tragen. An den in der Nähe der Achsen 24, 26 plazierten Enden der Kontaktarme 20, 22 sind Leitungsbänder 32, 34 zur elektrischen Verbindung der Kontakte angelötet, und in der Einschaltstellung der Kontakte 28, 30 verlaufen die Kontaktarme 20, 22 parallel zueinander und werden in jeweils entgegengesetzter Richtung von Strömen durchflossen, wobei die dadurch erzeugten elektrodynamischen Abstoßungskräfte in Richtung der Ausschaltstellung auf die Kontakte 28, 30 wirken. Auf die Kontaktarme 20, 22 wirken Rückholfedern 36, 38, um die Kontakte 28, 30 in der in Figur 1 dargestellten Einschaltstellung zu halten. Ein plattenförmig ausgebildeter verschiebbarer Trennschirm 40 ist rechtwinklig zur Ebene der Dichtung 14 angeordnet und wird bei seiner Bewegung in am Rand der Schaltkammer 16 ausgebildeten Nuten 42 geführt. Der Schirm 40 ist zwischen den Kontaktarmen 20, 22 angeordnet, die in der Einschaltstellung der Kontakte 28, 30 durch eine im Schirm 40 ausgebildete Öffnung 44 ragen. Der Schirm 40 ist durch eine Schaltstange 46 verlängert, die einen in einem Zylinder 50 verschiebbar gelagerten Kolben 48 trägt, wobei der Zylinder fest mit dem Block 12, 14 verbunden ist. Die Schaltkammer 16 ist über Strömungskanäle 52 mit dem Zylinder 50 verbunden, damit die Gase aus der Schaltkammer 16 entweichen und zum Kolben 48 strömen können, der dann durch den Druck entsprechend Figur 1 nach links zurückgedrückt wird, was ein Verschieben des Trennschirms 40 in eine aktive Stellung zwischen den Kontakten 28, 30 bewirkt. Der Zylinder 50 wird durch den Kolben 48 dicht abgeschlossen, so daß keinerlei Gasaustausch zwischen der Schaltkammer und der Umgebung erfolgen kann. Die Schaltstange 46 ist über den Kolben 48 hinaus verlängert und ihr Ende 56 wirkt mit einem insgesamt mit 54 bezeichneten Mechanismus zusammen. Das Ende 56 wirkt mit einer schwenkbar auf einer ortsfesten Achse 60 gelagerten Platine 58 zusammen, auf die in der verschobenen Stellung des Endes 56 eine gemäß Figur 1 nach links gerichtete Kraft einer Feder 62 wirkt. Die Platine 58 weist eine Aussparung 64 auf, in der das Ende eines Bügels 66 verschoben werden kann, dessen entgegengesetztes Ende mit einem schwenkbaren Handbetätigungsglied 68 zusammenwirkt. Eine drehbar auf der Platine 58 gelagerte Verriegelung 70. verriegelt den Bügel 66 in der aktiven Stellung und kann durch die Wirkung eines Bimetalls 72 oder eines elektromagnetischen Auslösers 74 entriegelt werden, um die aus dem Bügel 66 und der Aussparung 64 gebildete Rastung zu lösen und ein Verschwenken der Platine 58 unter Einfluß der Feder 62 zu ermöglichen, derart daß der Trennschirm 44 zwischen die Kontakte 28, 30 geschoben wird. Ein solcher Schaltmechanismus ist unter Fachleuten gut bekannt, und es sei lediglich nochmals darauf hingewiesen, daß das Verschwenken des Handbetätigungsglieds 68 ein Verschieben des Trennschirms 40 in der einen oder der anderen Richtung bewirkt. Eine durch den Bimetallauslöser 72 erfaßte Überlast bzw. ein vom elektromagnetischen Auslöser 74 erfaßter Kurzschluß bewirken ein Verschwenken der Verriegelung 70 im Uhrzeigersinn sowie das Lösen der durch den Bügel 66 und die Aussparung 64 gebildeten Verriegelung, um unter dem Einfluß der Feder 62 ein Verschieben des Trennschirms 40 in die Ausschaltstellung der Kontakte 28, 30 zu ermöglichen.
Der Hohlraum 16 bildet eine quaderförmige Schaltkammer mit geringem Rauminhalt, der annähernd den Abmessungen der Kontaktarme 20,22 entspricht. In Figur 3 ist zu erkennen, daß die Breite des durch den Hohlraum 16 gebildeten Spalts nur geringfügig größer ist als die Dicke der messerförmig ausgeführten Kontaktarme 20, 22 und daß lediglich der hintere Bereich der Schaltkammer mit den Verbindungsleitern 32, 34 und den Achsen 24, 26 breiter ausgelegt ist. Aus Figur 1 geht hervor, daß die Tiefe des die Schaltkammer 16 bildenden Spalts an den Bewegungshub der Kontaktarme 20, 22 angepaßt ist. Das kleine Volumen der Schaltkammer 16 ermöglicht einen raschen Druckanstieg unter dem Einfluß des zwischen den getrennten Kontakten 28, 30 abbrennenden Lichtbogens. Der Trennschirm 40 besteht vorteilhaft aus einem gasabgebenden Stoff, der den Druckanstieg innerhalb der Schaltkammer 16 unter dem Einfluß des Lichtbogens begünstigt, wobei auch weitere Teile der Schaltkammer ggf. aus einem gasabgebenden Material bestehen können. Der gesamte Aufbau stellt einen strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalter mit folgender Funktionsweise dar:
In der in Figur 1 dargestellten Einschaltstellung sind die Kontakte 28, 30 geschlossen und ragen durch die im Trennschirm 40 ausgebildete Öffnung 44. Dieser Trennschirm stellt keine Schottung zur Unterteilung der Schaltkammer in zwei Bereiche dar, so daß sich über die gesamte Schaltkammer 16 ein gleichförmiger Druck ausbilden kann. Bei Auftreten eines durch den elektromagnetischen Auslöser 74 oder das Bimetall 72 erfaßten Kurzschluß- bzw. Überlaststroms wirken die Auslöser auf die Verriegelung 70, so daß der Mechanismus 54 freigegeben wird und die Feder 62 auf die Schaltstange 46 wirkt, die den Schieber 40 entsprechend Figur 1 nach links verschiebt. Der spitz zulaufende Rand der Öffnung 44 bewirkt die Trennung der Kontakte 28, 30 und die daraus resultierende Ausbildung eines Lichtbogens. Das in der Schaltkammer vorhandene Gas wird unter dem Einfluß des Lichtbogens erwärmt, erfährt dabei einen entsprechenden Druckanstieg innerhalb der dichtgekapselten Schaltkammer 16 und wird an den Zylinder 50 sowie den Kolben 48 weitergeleitet, der dadurch gemäß Figur 1 nach links gedrückt wird und so die Gleitbewegung zur Überführung des Schiebers 40 in die aktive Stellung zwischen den Kontakten 28, 30 verstärkt. In der Ausschaltstellung des Leistungsschalters unterteilt der Trennschirm 40 die Schaltkammer 16 in zwei gegeneinander dicht abgeschlossene Bereiche, in denen jeweils einer der Kontakte 20, 28; 22, 30 angeordnet ist. Der rasche und starke Druckanstieg innerhalb der Schaltkammer 16 begünstigt die schnelle Lichtbogenlöschung, wobei die schnelle Verschiebung des Trennschirms 40 und das durch den Trennschirm 40 bewirkte Abscheren des Lichtbogens diese schnelle Löschung unterstützen. Druckanstieg und Abschergeschwindigkeit sind direkt vom unterbrochenen Strom abhängig. Nach der Abkühlung und dem Druckabfall innerhalb der Schaltkammer 16 kann der Leistungsschalter auf herkömmliche Art durch Verschwenken des Handbetätigungsglieds 68 erneut eingeschaltet werden. Der elektromagnetische Auslöser 74 wirkt direkt in Zugrichtung auf die Schaltstange 46, um die Verschiebung des Trennschirms 40 in die Ausschaltstellung zu beschleunigen. Die Trennung der Kontakte wird durch die auf die Kontaktarme 20, 22 wirkenden elektrodynamischen Abstoßungskräfte begünstigt. Die Ausgestaltungen gemäß Figur 1 bis 3 zeigen einen symmetrischen Aufbau, wobei der Trennschirm 40 die Schaltkammer 16 in zwei gleiche Bereiche unterteilt, es ist jedoch selbstverständlich auch eine Anordnung mit nur einem feststehenden und einem schwenk- oder verschiebbar ausgeführten beweglichen Kontakt denkbar.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, wobei für jeweils identische oder analoge Teile die gleichen Kennziffern verwendet wurden wie in Figur 1. Die Schaltkammer 16 und die Kontaktarme 20, 22 mit dem Trennschirm 40 sind vollkommen identisch mit der oben beschriebenen Ausführung, lediglich die Wirkungsweise der den Kolben 48 tragenden Schaltstange 46 wurde durch Entfernung des Mechanismus 54 verändert, von dem allein der elektromagnetische Auslöser 74 noch vorhanden ist. Das in Figur dargestellte Gerät arbeitet als Strombegrenzer und besitzt folgende Funktionsweise:
Bei Erfassung eines Kurzschlusses durch den elektromagnetischen Auslöser 74 wirkt dieser auf das Ende 56 der Schaltstange 46 und verschiebt sie entsprechend Figur 4 nach links, wobei der Isolierstoff- Trennschirm 40 zwischen die Kontakte 28, 30 geschoben wird, so daß sich diese trennen und ein Lichtbogen zwischen ihnen entsteht. Die Lichtbogenlöschung erfolgt auf die oben beschriebene Art und Weise durch Druckanstieg in der Schaltkammer 16 und Abscheren des Lichtbogens durch den Trennschirm 40. Unmittelbar nach der Löschung des Lichtbogens und dem Druckabfall innerhalb der Schaltkammer 16 wird die bewegliche Einheit durch ein elastisches System 76 in die normale Einschaltstellung rückgeführt, das in Form einer auf das Ende 56 der Schaltstange 46 wirkenden Feder schematisch dargestellt ist.
Weitere Ausgestaltungen für die Steuerung der erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung sind möglich, z.B. können die elektrodynamischen Rückstoßkräfte der Kontaktarme 20, 22 genutzt werden. Eine solche Ausführung umfaßt ein Isolierstoff-Schiebeelement 40, das durch eine nicht dargestellte Feder in Richtung der aktiven Einschubstellung zwischen den Kontakten 28, 30 beaufschlagt wird, wobei der Trennschirm durch die Wirkung der Kontaktarme 20, 22 in der inaktiven zurückgezogenen Stellung verharrt. Der elektromagnetische Auslöser 74 ist nicht mehr vorhanden, und die Abschaltung wird durch die Bewegung der Kontaktarme 20, 22 aufgrund der elektrodynamischen Rückstoßkräfte gesteuert, die bei Überschreiten eines bestimniten Schwellwert durch den in diesen Kontaktarmen 20, 22 fließenden Strom auftreten.
Unmittelbar nach Trennung der Kontakte 28, 30 wird der Trennschirm durch Einwirkung der Feder und des mit dem Druck der Schaltkammer 16 beaufschlagten Kolbens 48 entsprechend der Abbildung nach links in eine aktive Einschubstellung zwischen die Kontakte 28, 30 verschoben. Diese Verschiebung kann auch ausschließlich durch die Wirkung des mit dem Druck der Schaltkammer 16 beaufschlagten Kolbens erfolgen, wobei in diesem Fall der Trennschirm mit einer Rückholfeder, z.B. entsprechend der in Figur 4 mit 76 bezeichneten Ausführung beaufschlagt werden kann. Der Sockel 10 und die Kappe 12 müssen selbstverständlich aus einem Material bestehen, das den in der Schaltkammer 16 erzeugten hohen Drücken standhalten kann, wobei es sich bei diesem Material um ein Metall oder ggf. um eine Teil- oder Vollkeramik handeln kann. Der gesamte Aufbau stellt eine Strombegrenzungseinrichtung oder einen strombegrenzenden Leistungsschalter besonders kompakter Bauweise dar, der in der Lage ist, hohe Ströme im Niederspannungsbereich abzuschalten.

Claims

1. Strombegrenzungseinrichtung mit einer Schaltkammer (16), in der zwei trennbare Kontakte (28, 28; 22, 30) und ein beweglicher Isolierstoff-Trennschirm (40) angeordnet sind, der von einer inaktiven Stellung entsprechend der Einschaltstellung der genannten Kontakte in eine aktive Stellung mit Unterteilung der genannten Schaltkammer (16) in zwei unabhängige Bereiche überführt werden kann, in denen in der Trennstellung der genannten Kontakte jeweils einer dieser Kontakte angeordnet ist, wobei der genannte Trennschirm (40) fest mit einem, durch den in der genannten Schaltkammer herrschenden Druck beaufschlagten Kolben (48) verbunden ist, der bei Entstehung eines Lichtbogens zwischen den Kontakten in Richtung der aktiven Stellung auf den Trennschirm (40) wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schaltkammer dichtgekapselt ist und der Rauminhalt der genannten Schaltkammer (16) den Abmessungen der genannten Kontakte (20, 28; 22, 30) entspricht, um so einen schnellen und starken Druckanstieg unter dem Einfluß des im Augenblick der Trennung zwischen den genannten Kontakten auftretenden Lichtbogens zu bewirken.

2. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Trennschirm (40) als plattenförmiger Schieber ausgeführt ist, der sich zur Einnahme der aktiven Stellung mit entsprechender Unterteilung der Schaltkammer (16) zwischen die Kontakte (28, 30) schiebt.

3. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kolben (48) gleitend in einem Zylinder (50) gelagert ist, der eine Verbindung zur genannten Schaltkammer (16) aufweist.

4. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkammer (16) in Form eines Spalts ausgeführt ist, in dem sich mindestens einer der genannten Kontakte (20, 28; 22, 30) bewegt, wobei die Breite des Spalts geringfügig größer ist als die der genannten Kontakte.

5. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden genannten Kontakte (20, 28; 22, 30) so ausgelegt sind, daß bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwerts durch den in den Kontakten fließenden Strom eine elektrodynamische Kraft zur gegenseitigen Abstoßung und Trennung der Kontakte entsteht, um einen Lichtbogen zu erzeugen und den Trennschirm (40) durch den in der Schaltkammer erzeugten Druck in eine aktive Stellung zu überführen.

6. Strombegrenzungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden genannten Kontakte durch zwei längliche Kontakte (28, 30) gebildet werden, die parallel zueinander angeordnet sind und elektrisch in Reihe liegen, so daß sie in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen werden und so eine elektrodynamische Abstoßungskraft entsteht.

7. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kontakt (28, 30) mit einem seiner Enden schwenkbar auf einer Achse (24, 26) gelagert ist und auf jeden Kontakt eine Feder (36, 38) in Richtung der Ausschaltstellung wirkt.

8. Strombegrenzungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Trennschirm (40) aus einem gasabgebenden Material besteht.

9. Niederspannungs-Leistungsschalter mit Strombegrenzungseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Trennschirm (40) eine Schaltstange (46) aufweist, die mit einem Schaltmechanismus (54) zusammenwirkt, der den Trennschirm in Richtung der Einschubstellung zwischen den Kontakten verschiebt und so die Trennung der Kontakte sowie die Erzeugung eines Lichtbogens bewirkt.

10. Leistungsschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Mechanismus (54) einen elektromagnetischen Auslöser (74) und/oder einen thermischen Auslöser (72) sowie ein Handbetätigungsglied (68) aufweist.