[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen strombegrenzenden Schalter gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1. Der Schalter ist dafür vorgesehen, einerseits als Schütz und andererseits
als Kurzschluß- und Überlastungsschutz zu dienen.
[0002] Aus der DE-PS 2 443 771 ist bereits ein strombegrenzender Schalter für Niederspannung
bekannt mit einem zwischen zwei festen Kontakten angeordneten und an eine Abschaltvorrichtung
angeschlossenen Brückenkontakt, auf dem zwei Kontakte drehbar gelagert sind, die unter
der Wirkung der von den Kurzschlußströmen erzeugten Kräfte geöffnet werden. Der bekannte
Schalter arbeitet unbefriedigend bei mittelgroßen Unterbrecherströmen, bei denen die
Kurzschlußstromkräfte gerade ausreichen, die drehbaren Kontakte abzuheben. Man erhält
dabei eine langsame und zögernde Kontaktöffnung, die einen großen Kontaktabbrand zur
Folge hat und auch zu einer Kontaktverschweißung führen kann.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalter der eingangs genannten Art
zu entwickeln, der im gesamten Strombereich, d.h. von den niedrigsten Betriebsströmen
bis zu den höchsten in Niederspannungsnetzen vorkommenden Kurzschlußströmen, zufriedenstellend
arbeitet.
[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe wird strombegrenzender Schalter gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1 vorgeschlagen, Der findungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches
1 genannten Merkmale hat.
[0005] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.
[0006] Bei dem Schalter gemäß der Erfindung wird der bewegliche Kontakt durch seine besondere
doppelt gerichtete Drehbewegung mit kinetischer Energie geladen, bevor die Schaltstelle
geöffnet wird. Dabei wird erreicht, daß auch bei mäßigen Stromstärken im Öffnungsaugenblick
eine hohe Kontaktgeschwindigkeit vorhanden ist.
[0007] Ein weiterer Vorteil des Schalter gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Kontaktpunkt
des beweglichen Kontaktes in der Schaltstelle durch Abrollen nach außen verschoben
wird, so daß der Lichtbogen näher an der Kontaktspitze zündet und dadurch die eigentlichen
Kontaktflächen für den Betriebsstrom geschont werden.
[0008] Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher
erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1a und 1b schematisch in Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Schalters gemäß der Erfindung in Einschaltstellung bzw. Ausschaltstellung,
Figur 2 in größerem Maßstab Teile der Kontaktvorrichtung des in Figur 1a und 1b gezeigten
Schalters in Einschaltstellung,
Figur 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Figur 2,
Figur 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Figur 2,
Figur 5a bis 5d die Kontaktvorrichtung gemäß Figur 2 für verschiedene Stadien während
einer Kurzschlußabschaltung,
Figur 6a und 6b schematisch in Seitenansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines
Schalters gemäß der Erfindung in Einschaltstellung bzw. nach einer Kurzschlußabschaltung,
Figur 7 die Kontaktvorrichtung des Schalters gemäß Figur 6a und 6b in Ansicht von
oben,
Figur 8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Figur 6a,
Figur 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX in Fig. 6a,
Figur 10 schematisch in Seitenansicht eine dritte Ausführungsform eines Schalters
gemäß der Erfindung in Einschaltstellung,
3Figur 11 bis 14 Schnitte längs der Linien XI-XI, XII-XII, XIII-XIII bzw. XIV-XIV
in Figur 10.
[0009] Die in den Figuren gezeigten Schalterkonstruktionen sind für Nennbetriebswerte bis
ca. 1000 A und 1000 V vorgesehen. Sie können auf einem Stativ aus beispielsweise druckgegossenem
Leichtmetall aufgebaut werden oder mit einem durch Gießen hergestellten tragenden
und umschließenden Gehäuse aus Isoliermaterial versehen sein, das ein integrierender
Teil des Schalters ist.
[0010] Der in den Figuren 1 bis 5 gezeigte Schalter hat eine Kontaktvorrichtung mit zwei
elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstellen pro Pol. Jede Kontaktvorrichtung umfaßt
zwei in Abstand voneinander in einem Gerätegehäuse 1 fest angeordnete Kontakte 2,
2
1 sowie eine mit diesen Kontakten zusammenwirkende bewegliche Brückenkontaktvorrichtung,
die zwei in Reihe liegende Kontakteinheiten 3, 3' hat. Jede dieser Kontakteinheiten
enthält einen Kontaktfinger 4, der mittels einer Lagerachse 5 (Figur 2) drehbar an
einem Arm 6 befestigt ist und an seinem einen Ende eine Kontaktmetallplatte 4a trägt,
die als Kontaktfläche zum Anliegen an dem festen Kontakt 2 dient. An seinem anderen
Ende ist an dem Arm 6 an flexibler Leiter 7 angeschlossen, über den eine elektrische
Verbindung mit dem Kontaktfinger der anderen Kontakteinheit 3'hergestellt ist. Eine
Feder 8 drückt den Kontaktfinger gegen einen am Arm 6 vorhandenen Anschlag 9.
[0011] Der den Kontaktfinger tragender Arm 6 ist seinerseits mittels einer Lagerachse 10
drehbar an einem Kontaktbrückenträger 11 befestigt. Eine Federvorrichtung 12 beaufschlagt
den Arm mit einem Drehmoment, das beim Durchgang des Armes durch eine bestimmte Lage,
der sog. Zwischenlage, seine Richtung umkehrt. Aus der Zwischenlage führt die Federvorrichtung
den Arm in eine seiner Endlagen.
[0012] Der Kontaktbrückenträger 11 nimmt sowohl die beiden Kontakteinheiten eines Poles
als auch die Kontakteinheiten aller Pole eines mehrpoligen, beispielsweise eines drei-
oder vierpoligen, Gerätes auf. Der Kontaktbrückenträger 11 wird in einer bei Schützen
üblichen Weise von einem Magneten 13 mit Rückzugfeder betätigt.
[0013] Der feste Kontakt 2 ist mit einer Kontaktmetallplatte 2a versehen. Die Strombahn
ist geometrisch so geführt, daß sie den Lichtbogen in der gewünschten Richtung beeinflußt.
Das zum Kontaktbrückenträger 11 weisende Teil 2b des festen Kontaktes ist verlängert
ausgeführt, um bei hohen Stromstärken auf den beweglichen Kontaktfinger eine abstoßende
Kraft (Repulsionskraft) auszuüben. Die festen Kontakte 2, 2' sind mit je einer Stromschiene
14, 14 versehen, mittels derer der Schalter in einen äußeren Hauptstromkreis eingefügt
wird.
[0014] Ein U-förmiger Weicheisenmagnet 15 ist derart unter dem beweglichen Kontaktfinger
angeordnet, daß dieser mit einem Teil seines Querschnittes zwischen den beiden Schenkeln
des Weicheisenmagnets liegt. Das Joch des Magneten liegt zwischen dem beweglichen
und dem festen Kontakt. Der Magnet ist mit dem Gerätegehäuse 1 oder mit dem Kontaktbrückenträger
11 fest verbunden. Die Aufgabe des Magneten besteht darin, den Kontaktdruck bei mäßigen
Überströmen zu vergrößern. Der Magnet ist in der Nähe der Kontaktöffnungsstelle angeordnet.
Der Magnet ist so bemessen, daß sein Eisen bei einem bestimmten Stromwert in den Sättigungsbereich
gelangt, so daß er eine Öffnung der Kontakte bei einem Kurzschluß nicht unnötigerweise
erschwert.
[0015] Ein zweiter, ebenfalls im wesentlichen U-förmiger Weicheisenmagnet 16 ist derart
angeordnet, daß sein Joch unter demjenigen Teil 2b des festen Kontaktes liegt, welches
von der Kontaktstelle 2a, 4a abgelegen ist, wobei die Schenkel des Weicheisenmagneten
zu beiden Seiten des beweglichen Kontaktfingers liegen. Dieser Magnet ist mit dem
Gerätegehäuse fest verbunden und soweit von der Kontaktstelle 2a,4a entfernt angeordnet,
wie es der feste Kontakt erlaubt. Dieser Magnet dient dazu, bei hohen Strömen den
hinteren Teil des Kontaktfingers abzustoßen.
[0016] Der Schalter gemäß den Figuren 1 bis 5 arbeitet wie folgt:
Für alle Stromstärken bis zu einem Wert, der als normaler Überlastwert anzusehen ist,
beispielsweise das Fünfzehnfache des Nennstroms, arbeitet der Schalter als Schütz,
was in den Figuren 1a und 1b gezeigt ist. Dabei befindet sich der Arm 6 mit dem Kontaktfinger
4 in seiner unteren stabilen Lage, und der ganze Kontaktbrückenträger bewegt sich
zur Kontaktstellung hin bzw. von dieser weg. Zum Erzielen einer federnden Kontaktanlage
wird ein Teil der Drehbeweglichkeit des Arms 6 benutzt.
[0017] Die Unterbrechung größerer Ströme wird anhand der Figuren 5a - 5d erläutert. Der
Kontaktbrückenträger 11 behält dabei während des Schaltvorgangs seine Einschaltstellung
bei. Die zusammenwirkenden Kräfte der Magnete 15 und 16 bewirken ein Drehmoment auf
den Kontaktfinger 4, wobei die Drehachse an der Kontaktöffnungsstelle liegt. Der Kontaktfinger
4 dreht sich also unter Aufrechterhaltung des galvanischen Kontakts im Uhrzeigersinn
(Figur 5b). Durch diese Drehung verschiebt sich der Kontaktpunkt an der Kontaktöffnungsstelle
in Folge der konvexen Ausbildung der Kontaktmetallplatte 4a des Kontaktfingers nach
außen. Durch die Aufwärtsbewegung des Kontaktfingers wird der Arm 6 gegen den Uhrzeigersinn
gedreht und nähert sich dabei dem Kippunkt für die Richtung der auf ihn wirkenden
Vorspannung. Wenn der Arm 6 den genannten Kippunkt passiert, wechselt das von der
Federvorrichtung 12 erzeugte Drehmoment seine Richtung, wodurch der gesamte Arm mit
Hilfe dieses Drehmomentes in seine zweite Endlage gekippt wird. Durch einen Anschlag
17 am Arm 6 wird die Drehbewegung im Uhrzeigersinn des Kontaktfingers 4 begrenzt.
Wenn der Kontaktfinger gegen diesen Anschlag schlägt, wechselt der Kontaktfinger seine
Drehrichtung, was eine schlagartige Kontaktöffnung zur Folge hat (Fig. 5c). Wenn der
Arm 6 seine obere Endstellung erreicht hat und der Kontaktfinger 4 mit Hilfe der Feder
8 in seine Endstellung am Arm zurückgekehrt ist, ist der Kontakt voll geöffnet (Fig.
5d). Die Kontaktöffnung ist zustandegekommen, ohne daß der Kontaktbrückenträger 11
bewegt wurde. Wenn der Kontaktbrückenträger infolge des Loslassens des Schützmagneten
13 öffnet, wird der Kontaktabstand noch weiter vergrößert, bis der Arm 6 gegen einen
Anschlag am Gerätegehäuse schlägt. Dieser Anschlag dient dazu, den Arm 6 nach einer
Hochstromauslösung in seine ursprüngliche Lage zurückzuführen. Solange sich der Kontaktfinger
4 in seiner Anfangslage befindet, reicht der Weicheisenmagnet 15 soweit nach oben,
daß eine zusätzliche kontaktschließende Haltekraft auf den Kontaktfinger ausgeübt
wird. Wenn der Kontaktfinger im Uhrzeigersinn gedreht wird, verläßt der Kontaktfinger
und damit die Strombahn den Spalt zwischen den Schenkeln des Weicheisenmagnet, so
daß die genannte Haltekraft abnimmt.
[0018] Bei sehr hohen Stromstärken hat die Kraft des Magneten 15 infolge der Sättigung des
Eisens des Magneten eine relativ geringe Bedeutung im Verhältnis zu den abstoßenden
Kräften. In diesem Falle besteht der Bewegungsablauf sowohl für den Arm 6 wie für
den Kontaktfinger 4 praktisch von Anfang an in einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn,
und der Schalter geht unmittelbar aus der Stellung gemäß Figur 5a in die Stellung
gemäß Figur 5d über.
[0019] Bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 6 bis 9 ist die Kontaktvorrichtung derart
ausgebildet, daß der Arm 6 und die Federvorrichtung 12 des obenbeschriebenen Ausführungsbeispiels
durch zwei parallele, aus Blech ausgeschnittene, im wesentlichen U-förmige Scheibenfeder
20 ersetzt sind, die so angeordnet sind, daß die Federung in der Ebene der Bleche
liegt. Das eine Schenkelende der Federn 20 ist mittels einer Lagerachse 10 in dem
Kontaktbrückenträger 11 drehbar gelagert, und das andere Schenkelende ist drehbar
mit einem Stützbein 21 verbunden, das unter dem Druck der Scheibenfedern 20 zwischen
zwei Endlagen in einer in dem Kontaktbrückenträger 11 angeordneten Lagerung drehbar
ist.
[0020] Der Kontaktfinger 4 ist mit Hilfe einer Schraubenfeder 24 an den Scheibenfedern 20
befestigt, die in fluchtenden Löchern 23 in den Federn und im Kontaktfinger angeordnet
ist. Diese Feder ist so angeordnet, daß sie auf den Kontaktfinger ein Drehmoment ausübt,
das bei normalem Betrieb den Kontaktfinger gegen einen an dem Kontaktbrückenträger
11 vorhandenen Anschlag 9 drückt. Diese Schraubenfeder 24 ersetzt somit sowohl die
Lagerung 5 als auch die Feder 8 der Kontaktvorrichtung nach den Figuren 1 bis 5. Die
Anschläge 9 und 17 des Kontaktfingers bestehen bei der Ausführungsform nach Figur
6 bis 9 aus Randflächen des Kontaktbrückenträgers 11.
[0021] Die Kontaktvorrichtung ist von einem Lichtbogenschirm mit Löschblechen 25 umgeben.
Der Schalter ist außerdem mit einem um den festen Kontakt des Schalters angeordneten
Momentanauslöser 26 in Form eines Weicheisenmagneten versehen, der die Strombahn umgibt
und dessen Anker 27 (Figur 9) bei Kurzschlußstrom eine Kontaktvorrichtung betätigt,
die den Strom des Schützmagneten abschaltet.
[0022] Die in den Figuren 6 bis 9 gezeigte Ausführungsform benötigt weniger Teile und ist
in der Herstellung billiger als die Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 5. Sie
hat außerdem den Vorteil, daß die Masse der beweglichen Teile der Kontaktvorrichtung
wesentlich geringer ist, was schnellere Schaltvorgänge ermöglicht und den Schalter
mechanisch weniger beansprucht.
[0023] Bei der in den Figuren 10 bis 14 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist
der Kontaktfinger 4 der Kontaktvorrichtung in der Scheibenfeder 20 mittels eines steifen
Lagerzapfens 30 aus unmagnetischem Material gelagert, der von einer aus Kunststoff
bestehenden Distanzhülse 31 umgeben ist. Der Weicheisenmagnet 15 ist bei dieser Ausführungsform
an dem Wurzelende des Kontaktfingers, und zwar mit dem Joch auf der Oberseite des
Kontaktfingers plaziert.
[0024] Wie aus Figur 12 hervorgeht, wird der Luftspalt des Weicheisenmagnets 16 zum Wurzelende
des Kontaktfingers 4 hin schmaler. Dadurch wird erreicht, daß die vom Magneten auf
den Kontaktfinger ausgeübte abstoßende Kraft zum richtigen Zeitpunkt an der richtigen
Stelle auftritt. An den in Figur 13 mit 32 bezeichneten Stellen zwischen den Magneten
15, 16 und den Kontakten 2, 4 ist eine elektrische Isolation angebracht.
[0025] Auf den Lagerzapfen 30 ist ein Lichtbogenhorn 33 montiert, das über einen flexiblen
Leiter 34 mit der einen Stromschiene 14'der Kontaktvorrichtung in Verbindung steht.
Das Lichtbogenhorn 33 ist so angeordnet, daß sein freies Ende an einer festen Schiene
35 entlang gleitet, die mit dem einen Ende des Paketes aus Löschblechen 25 in Verbindung
steht. Das andere Ende des Löschblechpaketes steht über ein Lichtbogenhorn 36 mit
dem festen Kontakt 2 in Verbindung. Bei einem Abschaltvorgang klettert der Lichtbogen
schnell an den Lichtbogenhörnern 33, 36 hoch und wird in das Paket aus Löschblechen
25 geleitet. Dadurch wird der Abbrand der Kontakte 2, 4 vermindert.
[0026] Ein U-förmiges Kunststoffstück 37 ist hinter der Kontaktstelle angebracht, um ein
Wandern des Lichtbogens nach hinten zu verhindern. Dieses Kunststoffstück besteht
vorzugsweise aus einem Material, das bei Erhitzung ein lichtbogenlöschendes Gas abgibt.
[0027] Die Lagerstelle 22 für das Stützbein 21 der Scheibenfedern 20 ist auf einer Schiene
40 angeordnet, die mittels einer Schraube 41 an dem Schalterkörper befestigt ist.
Die Schraube geht durch ein längliches Loch in der Schiene hindurch, wodurch man mittels
einer Einstellschraube 42 den richtigen Kontaktdruck einstellen kann.
[0028] Die Kontaktvorrichtung nach den Figuren 10 bis 14 kann ebenso wie die Kontaktvorrichtung
nach den Figuren 6 bis 9 in einem Schütz mit zwei in Reihe geschalteten Kontaktstellen
benutzt werden. Die Scheibenfedern 20 mit ihren Lagerungen 10 und 22 werden dabei
auf einem mit dem Schützmagneten verbundenen Kontaktbrückenträger montiert.
[0029] Der Schalter gemäß den Figuren 10 bis 14 kann in der Weise abgewandelt werden, daß
das bewegliche Lichtbogenhorn 33 entfällt und gleichzeitig die Schiene verlängert
wird und über einen steifen Leiter mit der Stromschiene 14' verbunden wird. Eine solche
Ausführungsform ist im Aufbau einfacher, und gleichzeitig wird die Masse der beweglichen
Teile der Kontaktvorrichtung vermindert.
[0030] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern
kann im Rahmen des offenbarten allgemeinen Erfindungsgedankens in vielfacher Weise
variiert werden. Beispielsweise kann die Erfindung auch bei einer Schalterkonstruktion
verwendet werden, bei der ein mit dem Betätigungsmechanismus gekoppelter steifer Brückenkontakt
vorhanden ist, der mit zwei in Abstand voneinander angeordneten und mit je einer Stromschiene
dauerhaft verbunden Kontakten, beispielsweise der in Figur 2 gezeigten Art, zusammenwirkt.
1. Strombegrenzender Schalter mit mindestens zwei länglichen und seitlich neben- bzw.
übereinander angeordneten Kontakten (2, 4), von welchen der eine Kontakt (4) drehbar
gelagert ist, an seinem einen Ende (dem Kontaktende) eine Schaltstelle mit dem anderen
Kontakt bildet und an seinem anderen Ende (dem Wurzelende) mit einem flexiblen Stromleiter
(7) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstelle (5) des drehbaren Kontaktes
(4) zwischen den beiden Enden des Kontaktes an einem beweglichen Arm (6) liegt und
derart angeordnet ist, daß der drehbare Kontakt bei einem Kurzschlußstrom unter der
Wirkung elektrodynamischer Kräfte zunächst in einer ersten Richtung unter Beibehaltung
des galvanischen Kontaktes an der Schaltstelle (2a, 4a) gedreht wird und dabei eine
solche Änderung der Lage des beweglichen Arms (6) verursacht, daß der Abstand zwischen
der Lagerstelle (5) des Kontaktes (4) und dem Gegenkontakt (2) größer wird, und daß
ein erster Anschlag (17) vorhanden ist, der die Drehbewegung des Kontaktes (4) in
der ersten Drehrichtung begrenzt und eine Drehbewegung des Kontaktes in der entgegengesetzten
Drehrichtung auslöst, die eine schlagartige Kontaktöffnung zur Folge hat.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Arm (6) drehbar
gelagert ist, wobei eine Federvorrichtung (12) den Arm mit einem Drehmoment beaufschlag,
das seine Richtung in einer Zwischenlage des Armes wechselt.
3. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Feder (8) das Wurzelende des drehbaren Kontaktes (4) bei normalem Betrieb gegen einen
zweiten Anschlag (9) drückt.
4. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
bewegliche Arm (6) an einem translatorisch beweglichen Kontaktbrückenträger (11) gelagert
ist.
5. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
bewegliche Arm (6) aus mindestens einer im wesentlichen U-förmigen Scheibenfeder (20)
besteht, deren eines Schenkelende drehbar in einem Kontaktbrückenträger (11) gelagert
ist und deren anderes Schenkelende drehbar mit einem Stützbein (21) verbunden ist,
das durch die von der Scheibenfeder ausgeübte Kraft zwischen zwei Endlagen in einer
in dem Kontaktbrückenträger angeordneten Lagerung (22) drehbar ist.
6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Kontakt (4)
an der Scheibenfeder (20) mit Hilfe einer in Löchern (23) in dem Kontakt und der Scheibenfeder
(20) angeordneten Druckfeder (24) befestigt ist, welche den Kontakt (4) mit einem
Drehmoment beaufschlagt, das bei normalem Betrieb das Wurzelende des Kontaktes gegen
einen zweiten Anschlag (9) drückt.
7. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
genannten Anschläge (9, 17) auf dem Kontaktbrückenträger angeordnet sind.
8. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein
erster U-förmiger Weicheisenmagnet (15) fest zwischen dem Kontaktende des drehbaren
Kontaktes (4) und der Lagerstelle (5) derart angeordnet ist, daß in Einschaltstellung
der drehbare Kontakt mit einem Teil seines Querschnitts zwischen den beiden Schenkeln
des Weicheisenmagneten liegt und daß das Joch des Magneten zwischen den beiden Kontakten
(2, 4) liegt.
9. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein
zweiter U-förmiger Weicheisenmagnet (16) fest zwischen dem Wurzelende des drehbaren
Kontaktes und der Lagerstelle (5) derart angeordnet ist, daß in Einschaltstellung
des Schalters die beiden Kontakte (2, 4) zwischen den Schenkeln des Weicheisenmagnets
(16) liegen, wobei der Gegenkontakt (2) dichter am Joch des Magneten liegt als der
drehbare Kontakt.
10. Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt des zweiten
Weicheisenmagnets (16) in Richtung auf das Wurzelende des drehbaren Kontaktes 4 schmaler
wird.