[0001] Die Erfindung betrifft einen Hauptsicherungsautomaten für den Verteilungseinbau mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1.
[0002] Zum Schutz von Leitungen und der elektrischen Anlage werden bisher im Zählervorbereich
überwiegend Schmeizsicherungen eingesetzt. Diese stehen unter Plombenverschluß, so
daß beim Ansprechen der Sicherung durch Überlastung der technische Dienst des Elektroversorgungsunternehmens
in Anspruch genommen werden muß, nur um die Sicherung auszuwechseln.
[0003] Nachdem dieser Vorgang im Zählervorbereich selbst für Fachpersonal nicht ungefährlich
ist, wurde vorgeschlagen, die Sicherung vor dem Zähler durch einen Schutzschalter
zu ersetzen, der auch von Laien einfach bedienbar ist.
[0004] Dazu ist es erforderlich, die physikalischen Eigenschaften der Sicherung mit dem
Schutzschalter weitgehend nachzubilden, d.h. z.B. ,daß der Hauptsicherungsautomat
neben einem hohen Schaltvermögen von mindestens 25 kA auch ausreichende Selektivität
zum nachgeschalteten Leitungsschutzschalter und zur vorgeschalteten Trafosicherung
bei den üblicherweise in der Anlage zum Fließen kommenden Kurzschlußströmen von einigen
1000A besitzen muß.
[0005] Hinzukommt, daß der Leitungsschutz gegen thermische Überlastung ebenfalls durch den
Hauptsicherungsautomaten erfüllt werden muß, d.h., der Schutzschalter muß bereits
beim Fließen von z.B. dem 1,3 fachen des Nennstromes innerhalb einer Stunde auslösen.
Andererseits muß sich der Hauptsicherungsautomat beim Auftreten eines Kurzschlusses
an der Steckdose in der Größenordnung von einigen 1000A zum in Energieflußrichtung
nachgeschalteten Leitungsschutzschalter selektiv verhalten, d.h. er darf in diesem
Fall nicht mitansprechen.
[0006] Entsteht der Kurzschluß jedoch zwischen Leitungsschutzschalter und Hauptsicherungsautomat,
dann darf nur letzterer abschalten, die Trafosicherung muß hingegen der Belastung
standhalten.
[0007] Diese divergierenden Forderungen an das Verhalten des Hauptsicherungsautomaten haben
bisher zu aufwendigen und komplizierten Lösungswegen geführt. So ist aus der EP 0371419
A2 ein elektrischer Selbstschalter bekannt geworden, der zur selektiven Unterbrechung
einzeln abgesicherter Verbraucherstromkreise mit einer Hauptkontaktstelle und einer
hierzu parallel geschalteten Nebenkontaktstelle sowie mit einem Hauptschaltwerk und
einem zusätzlich vorgesehenen Selektivschaltwerk ausgerüstet ist, um die Anforderungen
zu erfüllen.
[0008] Ein Schutzschaltgerät der eingangs genannten Art ist auch mit der DE 4118377 A1 offengelegt
worden. Bei dieser Lösung ist für Versorgung des Nebenstromkreises zusätzlich die
Netzspannung erforderlich, was eine eigene Anschlußklemme nötig macht und die Anwendung
erschwert.
[0009] Mit beiden Lösungen wird versucht, durch Verzögerung des Magnetauslösers die Selektivitätsforderungen
zu erfüllen.
[0010] Dies ist erfahrungsgemäß schwierig und nur mit einem kaum vertretbaren Aufwand zu
realisieren. Es liegt daher nahe, die an einen Hauptsicherungsautomaten gestellten
Forderungen mit einem Auslösesystem zu erfüllen, dessen Stromzeitkennlinie sich möglichst
genau an die Auslösekennlinie einer Sicherung anschmiegt, und diese erst bei hohen
Kurzschlußströmen durchdringt.
[0011] Theoretisch erfüllt ein direkt beheiztes d.h. stromdurchflossenes Bimetall diese
Aufgabe hinreichend gut, es scheidet jedoch wegen der nicht ausreichenden Kurzschlußfestigkeit
als alleiniger Schutz aus. Auch zum Schutz des Bimetalls wird deshalb bei Selbstschaltern
ein Magnetauslöser benötigt, der den Stromkreis bei z.B. 15xln unterbricht.
[0012] Wie eingangs beschrieben, ist ein Magnetauslöser zur Erfüllung der Anforderungen
an einen Hauptsicherungsautomaten nicht gut geeignet. Es wird daher in Betracht gezogen,
auf den Magnetauslöser nach Möglichkeit ganz zu verzichten. Das bedingt, daß der Bimetallauslöser
bis zu den in der Praxis auftretenden Kurzschlußströmen einerseits ausreichend schnell
abschaltet, andererseits aber bei diesen Strömen kurzschlußfest sein muß.
[0013] Es läge nahe, eine ausreichende Kurzschlußfestigkeit des Bimetallauslösers dadurch
zu schaffen, daß er selbst nicht stromdurchflossen ist, sondern indirekt beheizt die
Einhaltung der Auslösebedingungen im Langzeitbereich garantiert. Derartige indirekt
beheizte Auslösesysteme wie sie z.B. in EP 0037490 oder DE 3637275 C1 beschrieben
wurden, sind allerdings allein nicht geeignet, die eingangs genannten Anforderungen
zu erfüllen, da sie im Kurzzeitbereich von 0,1 bis 5 Sek. thermisch zu träge reagieren.
[0014] In anbetracht dessen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Hauptsicherungsautomaten
der eingangs beschriebenen Art mit einem vertretbaren Aufwand selektiv wie kurzschlußfest
auszubilden
[0015] Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von der Überlegung aus, für die Auslösung
im Langzeitbereich einen indirekt beheizten, kurzschlußfesten Bimetallauslöser einzusetzen
und dazu in Reihenschaltung einen direkt beheizten kurzschlußfesten Bimetallauslöser
zu verwenden. Dieses stromdurchflossene Bimetall ist dann so zu dimensionieren, daß
es sich erst beim z.B. 5-fachen Nennstrom auszubiegen beginnt und damit automatisch
bis z.B. 75-fachen Nennstrom kurzschlußfest ist.
[0016] Durch die Kombination des indirekt beheizten Bimetalls mit dem direkt beheizten Bimetall
erreicht man ein kurzschlußfestes Auslösesystem, nach welchem sich die geforderte
Stromzeitkennlinie des Hauptsicherungsautomaten praktisch über einen Bereich von 1,3
bis 75xln erstreckt ohne das Gerät zu zerstören bzw. zu dejustieren.
[0017] Durch diese Maßnahme wird aber auch die eingangs beschriebene erste Selektivitätsforderung
zwischen Hauptsicherungsautomat und Leitungsschutzschalter erfüllt, nachdem im Kurzschlußfall
der Leitungsschutzschalter durch seinen Magnetauslöser sehr schnell abschaltet, der
verbleibende Stromzeitwert jedoch nicht ausreicht, die Bimetalle im Hauptsicherungsautomaten
auszubiegen und auszulösen.
Für die Erfüllung der zweiten Selektivitätsforderungen, nämlich zwischen Hauptsicherungsautomat
und Trafosicherung, ist hingegen folgender Mechanismus maßgebend:
[0018] Beginnend mit Kurzschlußströmen von einigen 1000A wirken infolge der Stromschleife
zwischen direkt beheiztem Bimetall und seiner Stromzuführungsschiene aufgrund des
Biot-Savart'schen Gesetzes auf das Bimetall zusätzliche Kräfte, die seine Ausbiegung
unterstützen und die Auslösung beschleunigen. Je höher der Kurzschlußstrom wird, desto
größer ist die abstoßende Kraft der gegensinnig stromdurchflossener Leiter und umso
schneller erfolgt die Abschaltung über die Schaltmechanik.
[0019] Bei extrem hohen Kurzschlußströmen, wie sie z.B. in Trafonähe vorkommen können, ist
es erforderlich, die Schaltkontakte so schnell zu trennen, daß der verbleibende Durchlaß-Stromzeitwert
nicht ausreicht, die vorgeschaltete Sicherung abzuschmelzen, d.h. der Hauptsicherungsautomat
ist auch zur Trafosicherung selektiv.
[0020] Die Schaltkontakte müssen bei diesem Vorgang so schnell geöffnet werden, und zwar
unabhängig und vor Bewegungsbeginn der Schaltmechanik, daß in diesem Fall die Entklinkung
der Mechanik durch die sich öffnenden Schaltkontakte bewerkstelligt wird, damit sich
die Kontakte nach der Abschaltung nicht wieder selbsttätig schließen. Deshalb wirken
bei dem erfindungsgemäßen Hauptsicherungsautomaten indirekt beheizte Bimetallauslöser,
der direkt beheizte Bimetallauslöser und der elektrodynamische betätigte Kontakt als
Auslöser auf die Schaltmechanik. Ein elektromagnetisch betätigter Auslöser, wie er
in der Regel erforderlich ist, wird hingegen nicht benötigt. Das erfindungsgemäße
System ist daher kurzschlußfest und eigensicher. Es verliert seine Kennlinientreue
selbst bei extrem hohen Kurzschlußströmen nicht.
[0021] Desweiteren ist es möglich, die erfindungsgemäße Anordnung in den Abmessungen von
handelsüblichen Leitungsschutzschaltern, also in einer Gehäusebreite von 18 mm, unterzubringen.
Vorteilhaft ist es aber, schon um die Klemmen für Leitungen mit großen Anschlußquerschnitten
unterzubringen, zwei Teilungsbreiten zu nutzen, um die Strombegrenzung durch die Verwendung
mehrerer Kontakteinrichtungen noch weiter zu verbessern. Durch die Reihenschaltung
von z.B. zwei Schaltkontakten mit Lichtbogenlöscheinrichtung wird bei der Kurzschlußabschaltung
die Lichtbogenspannung am Schaltgerät verdoppelt, so daß sich durch die sich daraus
ergebende starke Strombegrenzung nicht nur das Schaltvermögen extrem verbessert, sondern
auch das Selektivitätsverhalten zur Sicherung günstig beeinflußt wird.
[0022] Durch die Verknüpfung der Wirkungsweise der drei Auslöser gemäß Fig. 1, ergibt sich
für den Hauptsicherungsautomaten eine Zeitstromkennlinie, wie sie in Fig. 2 dargestellt
ist. Darin kennzeichnet a den Bereich, der durch den indirekt beheizten thermomechanischen
Auslöser geschützt ist. Der Bereich b wird durch den direkt stromdurchflossenen thermomechanischen
Auslöser geschützt und c stellt den Bereich dar, der durch die direkte Öffnung des
beweglichen Kontaktes im Kurzschlußfall geschützt wird.
[0023] Durch die redundante Wirkungsweise der drei Auslöser ist der Hauptsicherungsautomat
bis zu seinem Nennkurzschlußschaltvermögen eigensicher und erfüllt die Anforderung
bezüglich der Selektivität zum nachgeschalteten Leitungsschutzschalter und zur vorgeschalteten
Sicherung, wie aus den Fig. 3 u. 4 ersichtlich ist. In Fig. 4 ist über dem prospektiven
Kurzschlußstrom der Joul'sche Durchlaßwert der einzelnen Schutzorgane, nämlich der
Sicherung, des selektiven Hauptsicherungsautomaten und des Leitungsschutzschalters
aufgetragen.
[0024] Der Kurvenverlauf in doppelt logarithmischer Darstellung zeigt, daß der Leitungsschutzschalter
bis zum Schnittpunkt A zum Hauptsicherungsautomaten selektiv ist - dieser wiederum
bis zum Schnittpunkt B zur Sicherung.
[0025] In den Figuren 5 bis 10 ist die Erfindung an weiteren Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
[0026] Die Darstellung in Fig. 5. zeigt schematisch den Hauptsicherungsautomaten in der
Einschaltstellung mit Lichtbogenlöscheinrichtung, Schaltmechanismus, indirekt beheiztem
Bimetallauslöser, direkt beheiztem Bimetallauslöser und dem elektrodynamischen Kontaktsystem.
Bei einem angenommenen Stromverlauf, ausgehend von der Anschlußklemme 1, fließt der
Strom über die flexible Litze 2 durch den direkt beheizten Bimetallauslöser 3 über
die feste Stromschiene 4 und über die Kontaktlagerstelle 5 durch den beweglichen Kontakt
6 über die Kontaktberührungsstelle 7 zum Festkontakt 8 und von dort über den Heizleiter
9 der indirekten Beheizung des Bimetallauslösers 10 zur Anschlußklemme 11. Die Reihenfolge
dieser Anordnung ist an sich beliebig, es wird nur eine der verschieden möglichen
Variationen gezeigt.
[0027] Wird nun der Hauptsicherungsautomat von einem Strom durchflossen, der dem thermischen
Auslösestrom, also etwa dem der dem 1,3 fachen des Nennstroms entspricht, dann wird
sich der Heizleiter 9 erwärmen. Er wird diese Wärme an den Bimetallauslöser 10 weiterleiten,
wodurch nach etwa einer Stunde das Bimetall die drehbar gelagerte Klinke 12 im Gegenzeigersinn
bewegt, die den Schaltmechanismus freigibt, der den Stromkreis durch Trennung der
Kontakte 6,8 unterbricht. Der direkt beheizte Bimetallauslöser 3 biegt sich bei diesem
Vorgang nicht aus, da der geringe Strom nicht in der Lage ist, eine nennenswerte Krümmung
herbeizuführen.
Bis zum ca. 5-fachen Nennstrom ist dieser Ablauf identisch, er entspricht dem Kurvenverlauf
a in der Fig. 2. Ab dem 5-fachen Nennstrom tritt der direkt beheizte Bimetallauslöser
3 - als thermischer Schnellauslöser in Funktion. Bis zum ca. 75-fachen Nennstrom biegt
das Bimetall des direkt beheizten Auslösers 3 sehr schnell aus und bewegt in wenigen
Sekunden über den Schieber 13 die Klinke 12 im Gegenzeigersinn, so daß der Schaltmechanismus
freigegeben und der Stromkreis unterbrochen wird. Unterstützt und beschleunigt wird
die Auslösebewegung des Bimetalls 3 durch die Stromkräfte der Stromschleife, nachdem
sich bei höheren Strömen nach dem Biot-Savart'schen Gesetz bei gegensinnig stromdurchflossenen
Leitern eine abstoßende Wirkung im Uhrzeigersinn auf das Bimetall ergibt. Dieses Auslöseverhalten
entspricht dem Kurvenverlauf b in der Fig. 2.
[0028] Der indirekt beheizte Bimetallauslöser 10 reagiert bei dieser Belastung überhaupt
nicht, weil wegen seiner thermischen Trägheit die Stromeinwirkdauer zu kurz ist. Mit
dem direkt beheizten Bimetallauslöser 3 wird die Selektivität zum nachgeschalteten
Leitungsschutzschalter erreicht, wie mit durch den Schnittpunkt A in Fig. 4 dargestellt.
[0029] Die Selektivität zur vorgeschalteten Sicherung wird hingegen mit dem elektodynamisch
betätigten Kontaktsystem, das bei hohen Strömen als Auslöser fungiert, und aus der
Stromschiene 4 und dem beweglichen Kontakt 6 besteht, erreicht. Durch die im Kurzschlußfall
sehr hohe abstoßende Kraft in der Stromschleife, wird der bewegliche Kontakt 6 sehr
stark im Uhrzeigersinn beschleunigt, wodurch die Kontakte schlagartig getrennt und
der Stromkreis unterbrochen wird. Bei der Bewegung des beweglichen Kontaktes 6, wird
durch dessen Anschlag 14 zusätzlich die Klinke 12 im Gegenzeigersinn gedreht und der
Schaltmechanismus freigegeben. Dies verhindert, daß der Kontakt 6 nicht noch während
der Abschaltung unter der Wirkung der Kontaktfeder 15 an den Festkontakt 8 zurückgeführt
wird, sondern durch den Schaltmechanismus offengehalten wird. Dabei sind die Bimetallauslöser
3 und 10 thermisch zu träge, so daß sie in die Abschaltung nicht eingreifen können.
Das Auslöseverhalten entspricht dem Bereich c der Kennlinie in Fig. 2.
[0030] Durch die schnelle Kontaktöffnung, im Zusammenwirken mit der Lichtbogenlöscheinrichtung,
wird der Kurzschlußstrom stark begrenzt. Der verbleibende Durchlaßwert reicht bis
zum Schnittpunkt B in Fig. 4 nicht aus, die vorgeschaltete Sicherung zum Ansprechen
zu bringen. Dieser Effekt kann durch Hintereinanderschalten mehrerer Schaltkontaktsysteme
mit Löscheinrichtung noch wesentlich verbessert werden. So ist es möglich, auf diese
Weise die Strombegrenzung derart zu steigern, daß Trafosicherungen größer als 125A
Nennstrom bis 100 kA Kurzschlußstrom überhaupt nicht mehr ansprechen, sondern der
Hauptsicherungsautomat die Abschaltung allein übernimmt. Eine Anordnung mit mehreren
Kontaktsystemen, die in Reihe geschaltet sind, zeigt die erfinderische Lehre in der
Anwendung auf einen aus der WO 90/13903 bekannten Leitungsschutzschalter in Fig. 10.
Die Darstellung in Fig. 6 zeigt schematisch die Ausschaltstellung. In den Figuren
7, 8 u. 9, sind mögliche Ausführungsformen des Hauptsicherungsautomaten und der Bimetallauslöser
dargestellt.
1. Elektrischer Hauptsicherungsautomat zum selektiven Schutz der nachgeschalteten und
für sich gesondert abgesicherten Verbraucherstromkreise gegen Kurzschluß und Überlastung
mittels verschiedener, auf eine gemeinsame Schaltmechanik für die Schaltkontaktanordnung
wirkender Auslöseorgane, bei welchem zur Nachbildung der Auslösecharakteristik einer
Schmelzsicherung innerhalb des Hauptstrompfades zwei thermomechanische Auslöseorgane
mit jeweils direkter und indirekter Beheizung zu einer elektrodynamisch betätigten
Kontaktanordnung in Reihe geschaltet sind.
2. Hauptsicherungsautomat nach Anspruch 1, bei welchem die drei unterschiedlichen Auslöseorgane
jeweils für sich oder kombiniert auf die Schaltmechanik wirken.
3. Hauptsicherungsautomat nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Kombination (-smöglichkeit)
mehrerer Geräte, von denen nur eines über die Schaltmechanik verfügt, wogegen die
anderen nur als Repulsionskontaktanordnungen wirken.
4. Hauptsicherungsautomat nach Anspruch 3, bei welchem eines der als Repulsionskontakt
wirkenden Geräte einer Kombination mit einem extern ansteuerbaren Fernantrieb ausgestattet
ist.