TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungsschalter für Niederspannungsverteilungsnetze.
Sie betrifft eine Lichtbogenlöscheinrichtung für Schutzschalter mit Doppelunterbrechung
gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
[0002] In Niederspannungsverteilnetzen dienen Installationseinbauschalter dem raschen und
zuverlässigen Schutz von unter Niederspannung stehenden Leitungen, Motoren, Apparaten
und Anlagen vor den Folgen von Überlast und Kurzschlussströmen. Sie weisen im Allgemeinen
einen thermischen Auslöser mit einem Bimetall und einen elektromagnetischen Auslöser
mit einer Spule und einem Schlaganker auf sowie vorzugsweise eine Kontaktanordnung
mit Doppelunterbrechung.
[0003] Bei derartigen Schaltgeräten ist für die Lebensdauer und Schaltleistung von entscheidender
Bedeutung, dass der beim Öffnen der Kontakte entstehende Lichtbogen nicht auf den
Kontaktstücken verharrt, sondern möglichst schnell in einen Löschkammerbereich geführt
wird, wo eine Kühlung und Löschung des Lichtbogens erfolgt. Jedes Verharren des Lichtbogens
auf den Kontaktstücken, auch im Millisekundenbereich, führt zu erhöhtem Abbrand und
Abnutzung der Kontaktstücke.
[0004] Ein normaler Leitungsschutzschalter besitzt eine Kontaktstelle, die aus einem festen
und einem bewegbaren Kontaktstück gebildet ist. Die Kontaktstelle befindet sich in
einer sogenannten Vorkammer, an welche eine Löschkammer mit einem Lichtbogenlöschblechpaket
anschliesst. Die Fusspunkte des Lichtbogens werden von dem festen Kontaktstück und
dem beweglichen Kontaktstück über Lichtbogenleitschienen zu dem Lichtbogenlöschblechpaket
geleitet. Der Lichtbogen weitet sich dabei unmittelbar nach der Kontaktöffnung auf,
und die Einlaufgeschwindigkeit des Lichtbogens in das Lichtbogenlöschblechpaket ist
abhängig von der sogenannten Eigenblasung, d.h. dem durch den Lichtbogen selbst erzeugten
magnetischen Blasfeld, den Druckverhältnissen im Lichtbogen, der Formgebung der Leitschienen
und der Wahl des Kontaktmaterials.
[0005] Aus der EP-A 649 155 ist ein gattungsgemässer Schutzschalter mit Doppelunterbrechung
bekannt, bei welchem in den Lichtbogenlöschkreis eine zusätzliche elektromagnetische
Blasschlaufe zur Beschleunigung des Lichtbogenlaufs vorgesehen ist. Diese nur beim
Abschaltvorgang stromdurchflossene Blasschlaufe ist symmetrisch zu einer Trennwand,
welche zwei Löschkammern trennt, und geometrisch parallel zu den Lichtbogenleitschienen
ausgebildet. Durch eine parallele Stromführung in der Blasschlaufe und den benachbarten
Leitschienen wird die elektromagnetische Kraft auf den Lichtbogen verstärkt und seine
Bewegung beschleunigt, daraus resultiert letztendlich eine höhere Schaltleistung.
[0006] In der EP-A 0 212 661 ist ein Strombegrenzer für Mittel- oder Hochspannungsanwendungen
beschrieben, bei welchem ein Lichtbogen zwischen zwei Lichtbogenleitschienen von einer
Schaltstelle wegläuft. Durch die spezielle Ausgestaltung der niederinduktiven Leitschienen
wird der Wiederstand im Löschkreis signifikant vergrössert, so dass durch einen in
Serie geschalteten Trenner der Löschkreis problemlos unterbrochen werden kann. Zur
Beschleunigung der Lichtbogenbewegung wird das durch den Abschaltstrom selbst erzeugte
Magnetfeld verstärkt, indem ein magnetischer Kern um eine der Leitschienen angebracht
ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Schutzschalter mit Doppelunterbrechung
die Beschleunigung der beiden durch eine Abschaltbewegung eines Schaltkontaktes erzeugten
Lichtbogen gezielt zu optimieren. Diese Aufgabe wird durch eine Lichtbogenlöscheinrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen Schutzschalter mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen
Patentansprüchen hervor.
[0008] Kern der Erfindung ist es, durch einen geeigneten magnetischen Mantel die magnetischen
Felder im Bereich des Lichtbogens und damit die auf den Lichtbogen wirkende und diesen
in Richtung der Löschblechpakete treibende Lorentzkraft zu verstärken. Dadurch bewegt
sich der Lichtbogen schneller, der Kontaktabbrand wird verringert und die Abschaltleistung
ultimativ erhöht. Durch den erfindungsgemässen separaten magnetischen Mantel brauchen
die Lichtbogenleitschienen selbst keine magnetischen Eigenschaften mehr aufzuweisen
und können demzufolge aus nichtmagnetischem, die Lichtbogenbewegung begünstigendem
Kupfer hergestellt werden.
[0009] Bevorzugt wird der beispielsweise aus Stahl gefertigte magnetische Mantel realisiert,
indem ein einstückiges, einseitig offenes Formteil mit U-Profil so über eine brückenseitige
Lichtbogenlaufschiene gestülpt wird, dass der Lichtbogenraum beziehungsweise die Vorkammer
auf drei Seiten durch das Formteil abgeschlossen ist. Das auf den Lichtbogen wirkende
Magnetfeld des in der Lichtbogenlaufschiene fliessenden Abschaltstroms, d.h. die sogenannte
Eigenblasung, wird dadurch verstärkt. Zudem lässt sich ein derartiges Formteil einfach
herstellen und beim Montageprozess auf die Lichtbogenlaufschiene aufstecken.
[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in einen nur während dem Abschaltvorgang
des Schutzschalters stromdurchflossenen und die beiden Lichtbogen umfassenden Lichtbogenlöschkreis
eine Blasschlaufe eingefügt. Letztere ist abschnittsweise parallel zu einer Lichtbogenlaufschiene
angeordnet und wird von einem Strom durchflossen, welcher in dieselbe Richtung zeigt
wie der Abschaltstrom in der benachbarten Lichtbogenleitschiene. Dadurch werden die
magnetischen Blaswirkungen der beiden Ströme auf den Lichtbogen kumuliert. Der U-förmige
magnetische Mantel umfasst beziehungsweise umgibt dabei bevorzugt auch diesen laufschienenparallelen
Blasschlaufenabschnitt.
[0011] Bevorzugt wird die Blasschlaufe geometrisch oder materialtechnisch mit strombegrenzenden
Eigenschaften ausgestattet. Da die Blasschlaufe im Nennbetrieb, d.h. bei geschlossenem
Schaltkontakt, keinen Strom führt, beeinflusst dies die Eigenimpedanz des Schalters
nicht und behindert infolge ihres geringen Anfangs- oder Kaltwiderstandes von einigen
mΩ auch die Kommutierung des Lichtbogens auf die entsprechenden Lichtbogenlaufschienen
nicht. Nach erfolgter Kommutierung beider Lichtbögen ist auch die Blasschlaufe stromdurchflossen,
in der Folge nimmt deren Impedanz zu und begrenzt den Abschaltstrom.
[0012] Bei Schaltern mit Doppelunterbrechung wird die Blasschlaufe so ausgebildet, dass
beide Lichtbogen in ähnlichem Masse begünstigt werden, beispielsweise durch eine bezüglich
der Löschkammertrennwand symmetrische Ausgestaltung der Blasschlaufe oder durch zwei
elektrisch parallelgeschaltete, jeweils einem Lichtbogen zugeordnete Blasschlaufen.
Auf jeden Fall ist jedem Lichtbogen beziehungsweise beiden Vorkammern ein eigener
magnetischer Mantel zugeordnet, welcher gleichzeitig als magnetische Abschirmung des
Lichtbogenraums gegenüber den im anderen Lichtbogenraum vorherrschenden Magnetfeldern
dient.
[0013] In einer bevorzugten Ausführungsform ist der U-förmige magnetische Mantel durch eine
Vorkammerisolation aus beispielsweise Plexiglas vom eigentlichen Lichtbogenraum getrennt.
Dadurch wird ein Überschlagen des Lichtbogens auf den möglicherweise metallischen
Mantel verhindert. Zudem kann die Isolation ausgasende Eigenschaften haben, d.h. lichtbogenlöschende
Gase aussondern.
[0014] Bevorzugt verfügt die Vorkammerisolation über eine in den Lichtbogenbereich hineinragende
Ausbuchtung zur Reduktion des Vorkammervolumens. Durch das verringerte Volumen wird
einem Druckverlust der Gase im Lichtbogenbereich entgegengewirkt und der Lichtbogen
an einer Verbreiterung gehindert. Insbesondere die Fusspunkte des Lichtbogens bleiben
kompakt und erwärmen dadurch die Lichtbogenleitschienen, was einer Bewegung des Lichtbogens
förderlich ist.
[0015] Die Ausbuchtung hat bevorzugt ein V-förmiges Profil, welches sich in Richtung der
Löschkammer öffnet und ungefähr der Kontur der Leitschienen folgt. Dadurch wird sichergestellt,
dass die beiden Lichtbogenfusspunkte sich gleich schnell bewegen und der Lichtbogen
sich vor dem Einlauf in die Löschkammer über seine maximale, durch den Abstand der
Lichtbogenleitschienen vorgegebene Länge ausdehnt. Somit sind alle Löschbleche gleichermassen
an der Aufteilung und Löschung des Lichtbogens beteiligt.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0016] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
den Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in perspektivischer Darstellung
Fig. 1 eine Lichtbogenlöscheinrichtung umfassend zwei Vorkammern mit je einem magnetischen
Mantel und je einer Blasschlaufe,
Fig.2 eine Detailansicht einer ersten Vorkammer, und
Fig.3 einen Schnitt durch eine erste Vorkammer mit einer Vorkammerisolation.
[0017] Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst.
Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0018] Fig.1 zeigt in Schräguntersicht ein Ausschnitt aus einem ein- oder mehrpoligen Schutzschalter
mit zwei in Serie geschalteten Schaltkontakten je Pol. Eine erste Anschlussklemme
10 führt über die Spule eines Kurzschlussstromauslösers 100 und einen ersten Verbindungsleiter
11 zu einem ersten Festkontakt 21. Dieser ist in geschlossener Schalterstellung (nicht
gezeigt) in elektrischem Kontakt mit einem ersten Brückenkontakt 31 einer beweglichen
gabelförmigen Kontaktbrücke 3. Ein zweiter Brückenkontakt 32 der Kontaktbrücke 3 ist
in geschlossener Schalterstellung in Kontakt mit einem zweiten Festkontakt 22, welcher
über einen zweiten Verbindungsleiter 12 weiter zu einem nicht dargestellten Überstromauslöser
und zu einer zweiten Anschlussklemme führt. Beiden durch je einen Fest- und Brückenkontakt
gebildeten Schaltstellen ist jeweils eine erste beziehungsweise zweite Vorkammer 41,42
zugeordnet.
[0019] Wird im Kurzschluss- oder Überstromfall durch den Kurzschlussstromauslöser 10 oder
den Überstromauslöser die Kontaktbrücke 3 von den Festkontakten 21,22 wegbewegt, bilden
sich zwischen den Festkontakten 21,22 und den Brückenkontakten 31,32 zwei gegensinnig
vom Abschaltstrom durchflossene Lichtbogen aus, deren brückenseitige Fusspunkte in
der Folge von den Brückenkontakten 31,32 auf brückenseitige Lichtbogenlaufschienen
61,62 kommutieren oder "springen". Durch die Form der (in der Anordnung nach Fig.2
"unteren ") brückenseitigen Lichtbogenlaufschienen 61,62 sowie der mit den Festkontakten
21,22 verbundenen (in der Anordnung nach Fig.1 "oberen") anschlussseitigen Lichtbogenlaufschienen
51,52 begünstigt, wandert ein erster Lichtbogen zwischen der ersten anschlussseitigen
Lichtbogenlaufschiene 51 und der ersten brückenseitigen Lichtbogenlaufschiene 61 in
Richtung eines ersten Lichtbogenlöschblechpaketes 71, während sich ein zweiter Lichtbogen
zwischen der zweiten anschlussseitigen Lichtbogenlaufschiene 52 und der zweiten brückenseitigen
Lichtbogenlaufschiene 62 zu einem zweiten Lichtbogenlöschblechpaket 72 hinbewegt.
Beim Ausschalten werden somit die Lichtbögen durch die selbst erzeugten Magnetfelder
entlang den Lichtbogenlaufschienen in Löschkammern gedrängt, an den Löschblechen gekühlt,
in Teillichtbögen aufgeteilt und gelöscht.
[0020] In Fig.2 ist in einer anderen Perspektive ein Detail der ersten Vorkammer 41 dargestellt,
wobei der Löschblechstapel zwischen den verbreiterten Enden der beiden ersten Lichtbogenleitschienen
51,61 weggelassen wurde. Der erfindungsgemässe magnetische Mantel 91 mit U-förmigem
Querschnitt, welcher aus einem magnetisch wirksamen Material wie beispielsweise Eisen
oder Stahl bevorzugt als einstückiges Schirmblech hergestellt wird, ist so angeordnet,
dass er den Lichtbogenraum, welcher zwischen den ersten Lichtbogenleitschienen 51,61
definiert ist, seitlich abschliesst. Ein Rücken 911 des Mantels befindet sich entlang
der ersten brückenseitigen Lichtbogenleitschiene 61, während die Seitenflächen 912
des Mantels sich in Richtung der ersten anschlussseitigen Lichtbogenleitschiene 51
erstrecken. Der magnetische Mantel 91 bündelt das Lichtbogenmagnetfeld und treibt
den Lichtbogen zusätzlich in Richtung der Löschkammern.
[0021] Wie aus Fig.1 weiter ersichtlich, ist jeder der beiden Vorkammern 41,42 ein separater
magnetischer Mantel 91,92 zugeordnet. Dadurch wird der Lichtbogenbereich zwischen
den beiden Lichtbogenleitschienen 51,61; 52,61 magnetisch gegenüber dem Aussenraum
und insbesondere gegenüber der anderen Vorkammer 42; 41 abgeschirmt. Weiter ist in
Fig.1 zwischen der ersten brückenseitigen Laufschiene 61 und der zweiten brückenseitigen
Laufschiene 62 eine erste Blasschlaufe 81 vorgesehen. Im Auslösefall fliesst der Abschaltstrom
vom ersten zum zweiten Lichtbogen durch diese erste Blasschlaufe 81. Sie umfasst zumindest
einen innerhalb des Mantels 91 liegenden Lorentzabschnitt, welcher geometrisch parallel
zur ersten brückenseitigen Lichtbogenlaufschiene 61 angeordnet ist und in welchem
die Stromflussrichtung dieselbe ist wie in der benachbarten Lichtbogenlaufschiene
61. Dadurch wird die elektromagnetische Lorentzkraft auf den ersten Lichtbogen, welche
diesen in Richtung des ersten Löschblechpakets 71 bewegt, verstärkt.
[0022] Die Blasschlaufe 81 ist bevorzugt mit abschaltstrombegrenzenden Eigenschaften ausgestattet.
Ein strombegrenzendes Verhalten kann beispielsweise durch die Materialauswahl erreicht
werden, dazu kommen sämtliche Leiter mit einem elektrischen Widerstand in Frage, welcher
mit zunehmender Stromstärke ansteigt, und darunter insbesondere die als Kaltleiter
oder PTC-Widerstand (positiv temperature coefficient) bekannten metallischen Legierungen
auf der Basis von Ni, Co, Fe, wie NiCr, NiMn, NiFe, NiCrMn, NiCo, NiCoFe, CoFe, CrAlFe,
oder keramischen Werkstoffe. Ein weiterer derartiger Kaltleiter beruht auf einem Polymerkomposit,
dessen Polymermatrix gefüllt ist mit einem Gemisch aus Kohlenstoff, einem Metall wie
beispielsweise Ni, sowie einem Borid, Silizid, Oxid oder Karbid wie beispielsweise
TiC
2, TiB
2, MoSi
2, V
2O
3. Wichtig ist dabei, dass der Anfangs- oder Kaltwiderstand nicht zu hoch ist und die
Kommutierung der Lichtbögen auf die brückenseitigen Laufschienen 61,62 und die damit
einhergehende Ausbildung des Lichtbogenlöschkreises nicht behindert wird.
[0023] In Fig.3 ist ein Schnitt durch die erste Vorkammer 41 gezeigt, wodurch vom ersten
magnetischen Mantel 91 nur die Schnittfläche seines Rückens 911 sichtbar ist. Allgemein
sind die Lichtbogenlaufeigenschaften stark von der Kontur der Lichtbogenleitschienen
51,61 abhängig. Durch die ersichtliche Verengung zwischen der oberen und unteren Leitschiene
über einen grossen Teil der Vorkammer wird der Lichtbogen optimal beschleunigt. Da
bei der Aufweitung der Leitschienen 51,61 die magnetische Sogwirkung durch die Löschbleche
71 aus magnetischem Material bereits wirksam ist, wird ein Verharren des Lichtbogens
auf den Lichtbogenleitschienen verhindert und ein unverzögertes Einlaufen desselben
ermöglicht.
[0024] Zwischen den Leitschienen 51,61 und dem magnetischen Mantel 91 befindet sich eine
Vorkammerisolation 411, welche im Wesentlichen denselben Querschnitt wie der Mantel
91 aufweist und diesen vom Lichtbogenbereich isoliert. Eine Vorkammerisolation als
Spritzgussteil wird geeigneterweise vor der Montage des Mantels in diesen eingeführt
oder über die Leitschienen gestülpt. Eine Ausbuchtung 412 innerhalb der Vorkammerisolation
leitet die ionisierten Gase auf die Leitschienen, welche durch die Gase erwärmt werden
und damit den Lichtbogenfusspunkt laufen lassen. Die Ausbuchtung 412 reduziert den
Abstand senkrecht zur Schnittebene der Fig.3 zwischen den Seitenflächen der Isolation,
d.h. die lichte Weite des Lichtbogenraumes, um 30 bis 50%. Die Ausbuchtung gemäss
Fig.3 hat die Form einer länglichen Erhebung, welche sich V-artig in Richtung auf
die Löschblechpakete 71 hin öffnet.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0025]
- 10
- Erste Anschlussklemme
- 100
- Kurzschlussstromauslöser
- 11
- Erster Verbindungsleiter
- 12
- Zweiter Verbindungsleiter
- 21
- Erster Festkontakt
- 22
- Zweiter Festkontakt
- 3
- Kontaktbrücke
- 31
- Erster Brückenkontakt
- 32
- Zweiter Brückenkontakt
- 41
- Erste Vorkammer
- 411
- Vorkammerisolation
- 412
- Ausbuchtung
- 42
- Zweite Vorkammer
- 51
- Erste anschlussseitige Lichtbogenlaufschiene
- 52
- Zweite anschlussseitige Lichtbogenlaufschiene
- 61
- Erste brückenseitige Lichtbogenlaufschiene
- 62
- Zweite brückenseitige Lichtbogenlaufschiene
- 71, 72
- Lichtbogenlöschblechpakete
- 81
- Erste Blasschlaufe
- 82
- Zweite Blasschlaufe
- 91
- Erster magnetischer Mantel
- 911
- Rücken
- 912
- Seitenfläche
- 92
- Zweiter magnetischer Mantel
1. Lichtbogenlöscheinrichtung für Schutzschalter mit Doppelunterbrechung, umfassend
- zwei Festkontakte (21,22), welche mit Anschlussklemmen des Schutzschalters verbindbar
und durch zwei Brückenkontakte (31,32) einer beweglichen Kontaktbrücke (3) kontaktierbar
sind,
- zwei durch eine Trennwand getrennte Vorkammern (41,42) mit je zwei Lichtbogenlaufschienen
(51,61; 52,62), wovon eine anschlussseitige Lichtbogenlaufschiene (51,52) mit einem
Festkontakt (21,22) verbunden ist und eine brückenseitige Lichtbogenlaufschiene (61,62)
zur Übernahme eines Lichtbogens von der Kontaktbrücke (3) ausgebildet ist,
- zwei an die Vorkammern anschliessende Löschkammern mit je einem Lichtbogenlöschblechpaket
(71,72), welches mit den jeweiligen Lichtbogenlaufschienen (51,61; 52,62) verbunden
ist,
dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetischer Mantel (91) zur Verstärkung der auf einen ersten, zwischen der ersten
brückenseitigen und der ersten anschlussseitigen Lichtbogenleitschiene (51,61) ausgebildeten,
Lichtbogen wirkenden magnetischen Kräfte vorgesehen ist.
2. Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Mantel (91) ein einstückiges Formteil ist mit einem Rücken (911)
und zwei parallelen Seitenflächen (912), welche ein U-förmiges Profil bilden, wobei
der Rücken (911) neben die erste brückenseitige Lichtbogenlaufschiene (61) zu liegen
kommt und die Seitenflächen (912) zur anschlussseitigen Lichtbogenlaufschiene (51)
zeigen.
3. Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit den beiden brückenseitigen Lichtbogenlaufschienen (61,62) verbundene erste
Blasschlaufe (81) zur Erzeugung einer in Richtung des ersten Löschblechpakets (71)
gerichteten Lorentzkraft auf den ersten Lichtbogen vorgesehen ist.
4. Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Mantel (91) die erste brückenseitige Lichtbogenlaufschiene (61) und
einen dazu geometrisch parallel angeordneten Lorentzabschnitt der Blasschlaufe (81)
umfasst.
5. Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Blasschlaufe (81) strombegrenzende Eigenschaften aufweist.
6. Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Vorkammern (41,42) durch jeweils eine zugeordneten magnetischen Mantel (91,92)
gegeneinander abgeschirmt sind.
7. Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorkammerisolation (411) aus einem elektrisch nichtleitenden Material den Lichtbogenbereich
umgibt und den Lichtbogen gegenüber dem magnetischen Mantel (91) isoliert.
8. Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf zumindest einer der dem Lichtbogenbereich zugewandten Innenwände der Vorkammerisolation
(411) eine Ausbuchtung (412) vorgesehen ist.
9. Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtung (412) der Vorkammerisolation eine sich zu den Löschkammern hin öffnende,
V-förmige Struktur hat.
10. Schutzschalter mit Doppelunterbrechung, umfassend zwei Anschlussklemmen (11), einen
auf eine Kontaktbrücke (3) wirkenden Kurzschlussstromauslöser (100) und eine Lichtbogenlöscheinrichtung
nach einem der vorhergehenden Ansprüche.