DE102009021022A1

DE102009021022A1 - Schutzschaltgerät, insbesondere Fehlerstromschutzschalter oder Leitungsschutzschalter

Info

Publication number: DE102009021022A1
Application number: DE102009021022A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Bross; Johann Herrmann; Maximilian Kellner; Manfred Kleemeier; Gerald Lehner; Andreas Mundt
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: DE102009021022B4

Abstract

In einem Leitungsschutzschalter (100) und Fehlerstromschutzschalter (200) oder auch anderen Schutzschaltgeräten treten bei hohen Strömen Lichtbögen auf, die sich zwischen Kontaktauflagen (20, 22, 60, 62) ausbilden, wenn ein bewegliches Kontaktelement (18, 56) von einem gehäusefesten Kontaktelement (24, 62) wegbewegt wird. Erfindungsgemäß wird eine Beschichtung an Bauteilen bereitgestellt, die sich in den Schutzschaltgeräten (100, 200) im Bereich des Lichtbogens befinden, nämlich insbesondere an den Kontaktelementen (18, 24, 56, 62) mit den Kontaktauflagen (20, 22, 58, 60), an Elementen einer Löschkammer (36, 70) sowie an Mitteln (32, 34) zum Leiten des Lichtbogens in die Löschkammer (36) und schließlich möglicherweise an anderen Bauteilen wie Oberflächenbereichen (40, 78) eines Gehäuses (10, 46b) beziehungsweise Innenseiten (42) einer Klemme (12b) zum Anschließen von äußeren Stromleitungen. Durch die Beschichtung werden Überschläge unterbunden.

Description

Die Erfindung betrifft Schutzschaltgeräte, also Geräte der Schutzschalttechnik. Dies sind Fehlerstromschutzschalter, Leitungsschutzschalter oder Leistungsschalter. Außerdem sollen vorliegend auch solche Geräte erfasst sein, in denen die Funktion eines Fehlerstromschutzschalters und eines Leitungsschutzschalters in Kombination vorgesehen sind.
Fehlerstromschutzschaltern und Leitungsschutzschaltern ist gemeinsam, dass Strom über ein gehäusefestes Kontaktelement zu einem gegenüber dem gehäusefesten Kontaktelement beweglichen Kontaktelement geleitet wird. Kontaktauflagen des beweglichen und des gehäusefesten Kontaktelements berühren im Grundzustand einander. In einem vorbestimmten Auslösefall wird das bewegliche Kontaktelement von dem gehäusefesten Kontaktelement weg bewegt, damit der Stromfluss unterbrochen wird. Zunächst entsteht hierbei ein Lichtbogen. Der Lichtbogen wird auf geeignete Weise in eine Löschkammer geleitet, wo er gelöscht wird.
Es kommt nun allenthalben vor, dass über Leitungsschutzschalter und Fehlerstromschutzschalter besonders hohe Ströme von z. B. 10 kA fließen. Zum einen bestimmen Normenforderungen, dass Hochstromprüfungen an diesen Schaltern vorgesehen werden, im Rahmen von denen solche Ströme fließen. Auch in der Praxis treten solch hohe Ströme auf.
Wird dann ein Lichtbogen erzeugt, treten sehr hohe Temperaturen im Bereich des Lichtbogens beziehungsweise der Kontaktelemente, zwischen denen er sich ausbildet, auf. Durch diese hohen Temperaturen kommt es zum Abbrand der Kontaktmaterialien, insbesondere der Kontaktauflagen. Diese bestehen in der Regel aus Silberkohlenstoff oder Wolframsilber. Durch den Abbrand entsteht Silberoxid, das sich als Ruß auf die umliegen den Teile der Schaltkammer, also eines Teilbereichs des Innenraums des Leitungsschutzschalters, der die Kontaktelemente, die Löschkammer und dazwischenliegende Elemente umfasst. Silberoxid kann sich auch in die Oberflächen der umliegenden Teile einbrennen. Das Silberoxid ist leitfähig, sodass Teilbereiche der Oberflächen der umliegenden Teile leitfähig werden. Dadurch werden die Luft- und Kriechstrecken in den Schaltern verkürzt. Wird das bewegliche Kontaktelement zu einem späteren Zeitpunkt von dem gehäusefesten Kontaktelement wegbewegt, kann es zu Überschlägen kommen. Diese können durch Vergrößerung der Luft- und Kriechstrecken bei Herstellung der Schalter verringert, aber nicht ganz vermieden werden.
Die EP 1 345 246 A2 beschreibt eine Auslöseeinrichtung für einen Fehlerstromschutzschalter, in der ein Permanentmagnetsystem eine magnetische Haltekraft auf ein bewegliches Bauelement, wie beispielsweise einen Klappanker, ausübt. Zur Erhöhung der Auslösezuverlässigkeit werden die Stoß- und/oder Gleitkontaktstellen an dem Permanentmagnetsystem beziehungsweise dem beweglichen Bauelement mit einer dichten, gegen Wasser, Öle, Fette und Silikone beständigen Passivierungsschicht beschichtet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie Überschläge in Schutzschaltgeräten wie Leitungsschutzschaltern oder Fehlerstromschutzschaltern nach einem Fließen von besonders hohen Strömen durch diese Schalter und einer dadurch bewirkten Lichtbogenerzeugung eher oder ganz verhindert werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Schutzschaltgerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist in einem solchen Schalter zumindest ein Bauteil zumindest abschnittsweise eine Beschichtung auf. Die Beschichtung ist bevorzugt in geschlossener Schicht vorgesehen, damit die Wirkung einer Passivierungsschicht erzielt wird. Diese ist naturgemäß vor dem Einsatz des jeweiligen Bauteils im Leitungsschutzschalter aufzubringen beziehungsweise bevor das erste Mal ein hoher Kurzschlussstrom fließt, der zur Erzeugung von Silberoxid führt. Insbesondere kann die Beschichtung bei der Herstellung des Bauteils oder vor seinem Einbau in den Leitungsschutzschalter aufgebracht worden sein.
Die in Patentanspruch 1 genannten Bauteile sind sämtlich solche Bauteile, auf denen sich im Stand der Technik bei Vorhandensein von Lichtbögen entstandenes Silberoxid auflegt. Eine Beschichtung ist nämlich bei allen denjenigen Bauteilen sinnvoll, zu denen das Silberoxid gelangen kann. Dies sind die Bauteile, die der sogenannten Schaltkammer zugeordnet sind beziehungsweise in dieser befindlich sind.
Die Bauteile umfassen das gegenüber einem gehäusefesten Kontakt mit beweglichem Kontaktelement, das gehäusefeste Kontaktelement sowie Kontaktauflagen auf den beiden Kontaktelementen. Sie umfassen auch Mittel zum Leiten eines Lichtbogens zwischen den beiden Kontaktelementen in eine Löschkammer. Schließlich umfassen sie auch diejenigen Elemente, die selbst die Löschkammer bilden, nämlich beim Leitungsschutzschalter insbesondere Löschbleche und Mittel zum Halten der Löschbleche und beim Fehlerstromschutzschalter zumindest ein Lochblech, zumindest ein Siebblech, zumindest ein Löschblech sowie Mittel zum Halten zumindest eines Teils dieser Bleche. Ferner kann auch das Gehäuse des Schutzschalters beziehungsweise zumindest ein Gehäusebauteil erfindungsgemäß an einer Innenseite mit einer Beschichtung versehen sein, insbesondere an solchen Flächen, die die Kontaktelemente, die Löschkammer sowie den Raum zwischen den Kontaktelementen und der Löschkammer umgeben, und an denen sich sonst Silberoxid ablagern könnte, die also im Bereich um einen Lichtbogen liegen, der von Gasen und Dämpfen durchströmt wird, welche durch einen Lichtbogen entstehen. Schließlich ist es sogar möglich, eine Klemme zum Anschließen von äußeren Stromleitungen an einer Innenseite zu beschichten, wenn zu dieser Silberoxid gelangen könnte, das durch einen Lichtbogen entsteht, also im Bereich der einem Innenraum des Schutzschalters zugewandten Seite ei ner solchen Klemme. Es können auch jegliche weiteren Bauteile, die von durch Lichtbögen erzeugte Gase und Dämpfe (auch mit z. B. 80%iger oder 50%iger Wahrscheinlichkeit) erreichbar sind, beschichtet sein.
In einem bevorzugten Aspekt beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass an den genannten Bauteilen eine solche Beschichtung, nämlich eine Passivierungsschicht, vorgesehen sein kann, wie sie in der EP 1 345 246 A2 für ganz andere Bauteile beschrieben ist. Die in dieser Druckschrift genannten Aspekte, die bei einer solchen Beschichtung verwirklichbar sind, können einzeln und in Kombination auch bei den erfindungsgemäßen Schutzschaltern vorliegen.
Einen solchen Aspekt beinhaltet die Eigenschaft der Beschichtung, die Adhäsionskraft von Partikeln an dem jeweiligen Bauteil im Vergleich zum unbeschichteten Bauteil zu verringern. Dies kann grundsätzlich für sämtliche oder eine Vielzahl von Partikeln gelten, vorteilhaftereeise ist die Adhäsionskraft von Partikeln zumindest vorbestimmter Art verringert, wobei unter Partikel der vorbestimmten Art insbesondere Silberoxidpartikel oder auch Rußpartikel fallen.
Alternativ oder zusätzlich ist die Beschichtung nanostrukturiert, wodurch in vorteilhafter Weise das Anhaften bestimmter Partikel unterbunden wird.
Alternativ oder zusätzlich ist die Beschichtung unter Verwendung eines Nanoteilchen aufweisenden Materials gebildet, eines sogenannten Nanokomposits. Die Nanoteilchen sind insbesondere Siliziumcarbid-Nanopartikel, Siliziumnitrid-Nanopartikel oder Silikat-Nanopartikel.
Schließlich kann die Beschichtung auch unter Verwendung von Keramik, Metallnitrid, Metallcarbid, amorphem Kohlenstoff und/oder diamantartigem Kohlenstoff gebildet sein.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in der:
1 im Schnitt einen Leitungsschutzschalter an sich bekannter Art veranschaulicht, von dem Bauteile erfindungsgemäß eine Beschichtung aufweisen können, und
2 im Schnitt einen Fehlerstromschutzschalter an sich bekannter Art veranschaulicht, von dem Bauteile erfindungsgemäß eine Beschichtung aufweisen können.
Die Bauteile eines in 1 gezeigten und im Ganzen mit 100 bezeichneten Leitungsschutzschalters sind in einem Gehäuse 10 angeordnet. Ein Anschluss des Leitungsschutzschalters an äußeren Leitungen erfolgt mittels Klemmen 12a und 12b. Intern ist eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Klemmen 12a und 12b geschaffen. Von der Klemme 12a führt hierzu zunächst eine Leitung 14 zu einer Spule 16. In Reihe zur Spule 16 geschaltet ist in 1 nicht ersichtliche Weise ein bewegliches Kontaktelement 18, das mit einer Kontaktauflage 20 im Grundzustand des Leitungsschutzschalters 100 auf einer zugehörigen Kontaktauflage 22 eines ortsfesten, also bezüglich des Gehäuses 10 unbeweglichen Kontaktelements 24 aufliegt. Das gehäusefeste Kontaktelement 24 ist mit der Klemme 12b elektrisch verbunden.
Somit fließt im Grundzustand Strom von der Klemme 12a zur Klemme 12b (beziehungsweise umgekehrt). Überschreitet die Stromstärke dieses Stroms einen vorbestimmten Wert, erzeugt die Spule 16 ein solches Magnetfeld, dass ein Permanentmagnet 26 gegen ein Auslöseglied 28 bewegt wird, das in Wirkverbindung mit einem Schaltschloss steht, welches vorliegend als Ganzes mit 30 bezeichnet ist. Das Schaltschloss 30 wirkt dann auf das bewegliche Kontaktelement 18 ein und verschwenkt dieses gegenüber dem gehäusefesten Kontaktelement 24. Dadurch wird die elektrische Verbindung unterbrochen. Bewegt sich das bewegliche Kontaktelement 18 von dem gehäusefesten Kontakt element 24 weg, also die Kontaktauflage 20 von der Kontaktauflage 22 weg, entsteht zwischen den Kontaktauflagen 22 ein Lichtbogen. Damit dieser gelöscht wird, sind eine Leitschiene 32 und ein Leitblech 34 vorgesehen, durch die der Lichtbogen in eine im Ganzen mit 36 bezeichnete Löschkammer geleitet wird. Diese ist aus einer Vielzahl von Löschblechen 38 gebildet.
Bei hohen Strömen kann ein Lichtbogen besonders hoher Stärke auftreten, der einen Abbrand an Bauteilen des Leitungsschutzschalters 100 bewirkt, insbesondere an den Kontaktauflagen 20 und 22. Dadurch können Partikel, zum Beispiel Silberoxidpartikel, entstehen, die sich an anderen Bauteilen niederschlagen. Später können diese Partikel bewirken, dass in dem Leitungsschutzschalter 100 Überschläge bestehen. Um dies zu vermeiden, werden sämtliche Bauteile um das Gebiet herum, in dem sich ein Lichtbogen bewegt, mit einer Beschichtung versehen, die die Adhäsionskraft insbesondere von Silberoxidpartikeln, verringert und zudem ölabweisend ist. Die Beschichtung kann nanostrukturiert sein und aus einem Nanokompositmaterial bestehen, also aus einem Material, das zum Beispiel Siliziumcarbid-Nanopartikel, Siliziumnitrid-Nanopartikel und Silikat-Nanopartikel umfasst. Die Beschichtung kann auch aus Keramik, Metallnitrid, Metallcarbid, amorphem Kohlenstoff oder diamantartigem Kohlenstoff gebildet sein oder diese Materialien umfassen.
Als zu beschichtende Bauteile kommen insbesondere die Kontaktelemente 24 mit den Kontaktauflagen 20 und 22 infrage, die Leitschiene 32 und das Leitblech 34 sowie die Elemente der Löschkammer 36, insbesondere die Bleche 38 sowie eine aus 1 nicht ersichtliche Struktur zum Halten dieser Bleche.
Außerdem kann das Gehäuse 10 im Bereich von Innenflächen 40 beschichtet zu sein, die in Richtung zu einem sich ausbildenden und sich bewegenden Lichtbogens weisen. Auch die Klemme 12b kann auf ihrer dem Einflussbereich von Lichtbogen unterliegenden Innenseite 42 beschichtet sein.
2 zeigt einen im Ganzen mit 200 bezeichneten Fehlerstromschutzschalter, dessen Bauteile innerhalb zweier Gehäuseteile 46a, 46b angeordnet sind, wobei ein Gehäuseteil 46c zwei Räume im Fehlerstromschutzschalter 200 voneinander trennt. Der Fehlerstromschutzschalter 200 weist Anschlussklemmen 48a, 48b auf. Diese sind in dem Fehlerstromschutzschalter 200 elektrisch miteinander verbunden, nämlich über einen Summenstromwandler 50, einen Arm 52 mit einer Litze 54, ein bewegliches Kontaktelement 56 mit einer Kontaktauflage 58, die im in 2 gezeigten Grundzustand auf einer Kontaktauflage 60 des gegenüber den Gehäusebauteilen 46a, 46b, 46c ortsfesten Kontaktelement angebracht ist, das vorliegend unmittelbar mit der Klemme 48b verbunden ist.
Durch den Summenstromwandler 40 wird im Falle eines Fehlerstroms eine in 2 nicht gezeigte Auslöseeinrichtung mit einem Auslöserelais betätigt. Dieses Betätigen hat zur Folge, dass eine Schaltwelle 64 gedreht wird. Die Drehung der Schaltwelle 64 bewirkt eine Bewegung des beweglichen Kontaktelements 56, das unter Wirkung einer Feder 66 gegen einen Sitz 68 gedrückt wird, der nachfolgend Abstützpunkt für eine Drehung des beweglichen Kontaktelements 56 ist. Bewegt sich das bewegliche Kontaktelement 56 mit der Kontaktauflage 58 von dem ortsfesten Kontaktelement 62 mit der Kontaktauflage 60 weg, entsteht ein Lichtbogen zwischen den Kontaktauflagen 58 und 60. Dieser Lichtbogen wird in eine im Ganzen mit 70 bezeichnete Löschkammer geleitet, die eine Vielzahl von Löschblechen 72 umfasst. Zudem sind ein Lochblech 74 und ein Siebblech 76 vorgesehen.
Wie bei dem Leitungsschutzschalter 100 aus 1 können durch einen Lichtbogen Partikel, insbesondere Silberoxidpartikel, entstehen, die sich im Bereich um den Lichtbogen herum an den Bauteilen ablagern können.
Daher werden solche Bauteile beschichtet. Vorliegend sind dies das bewegliche Kontaktelement 56 mit der Kontaktauflage 58, das gehäusefeste Kontaktelement 62 mit der Kontaktauflage 60, die Elemente der Löschkammer 70, also die Löschbleche 72. mit einer aus 2 nicht ersichtlichen Halterung, das Lochblech 74 und das Siebblech 76. Außerdem kann auch das Gehäuse im Bereich um die Kontaktauflagen 60 und 62 und die Löschkammer 70 herum an einer Innenfläche 78 beschichtet sein, die vorliegend zum Gehäuseteil 46b gehört. Die Eigenschaften der Beschichtung und die hierbei zu verwendenden Materialien sind die selben wie oben zum Leitungsschutzschalter 100 geschildert.

10: Gehäuse
12a, b: Klemmen
14: Leitung
16: Spule
18: bewegliches Kontaktelement
20, 21: Kontaktauflage
22: Kontaktauflage
24: gehäusefestes Kontaktelement
26: Permanentmagnet
28: Auslöseglied
30: Schaltschloss
32: Leitschiene
34: Leitblech
36: Löschkammer
38: Löschbleche
40: Oberfläche am Gehäuse 10
42: Innenseite der Klemme 12b
46a, b, c: Gehäuseteile
48a, b: Klemmen
50: Summenstromwandler
52: Arm des Summenstromwandlers
54: Litze
56: bewegliches Kontaktelement
58: Kontaktauflage
60: Kontaktauflage
62: gehäusefestes Kontaktelement
64: Schaltwelle
70: Löschkammer
72: Löschbleche
74: Lochblech
76: Siebblech
78: Oberflächenbereiche
100: Leitungsschutzschalter
200: Fehlerstromschutzschalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1345246 A2 [0005, 0011]

Claims

Schutzschaltgerät (100, 200), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der folgenden gegebenenfalls vorhandenen Bauteile des Schutzschaltgeräts zumindest abschnittsweise eine Beschichtung in einer geschlossenen Schicht aufweist: a) ein gegenüber einem gehäusefesten Kontaktelement (24, 62) bewegliches Kontaktelement (18, 56), b) eine Kontaktauflage (20, 58) auf einem solchen beweglichen Kontaktelement (18, 56), c) ein gehäusefestes Kontaktelement (24, 62), gegenüber dem ein anderes Kontaktelement (18, 56) beweglich ist, d) eine Kontaktauflage (22, 60) auf einem solchen gehäusefesten Kontaktelement (24, 62) e) Mittel zum Leiten eines sich zwischen einem beweglichen Kontaktelement (18, 56) und einem gehäusefesten Kontaktelement (14, 62) ausbildenden Lichtbogens in eine Löschkammer (36, 70) bilden, insbesondere eine Leitschiene (32) und ein Leitblech (34), f) Elemente, die eine Löschkammer (36) bilden, insbesondere ein Lochblech (74), ein Siebblech (76), ein Löschblech oder mehrere Löschbleche (72, 38) und Mittel zum Halten zumindest eines Teils der Bleche (38, 72, 74, 66), g) ein Gehäuse (10) und/oder Gehäusebauteil (46a, 46b, 46c) des Schutzschaltgeräts (100, 200) an einer zu einem Innenraum des Schutzschaltgeräts weisenden Oberfläche (40, 78), h) eine Klemme (12a, 12b) zum Anschließen von äußeren Stromleitungen zumindest auf einer einem Innenraum des Schutzschaltgeräts (100) zugewandten Seite (42), i) ein oder jedes weitere Bauteil des Schutzschaltgeräts, das von durch einen Lichtbogen im Schutzschaltgerät erzeugten Gasen oder Dämpfen erreicht wird.
Schutzschaltgerät nach Anspruch 1, das ein Fehlerstromschutzschalter ist.
Schutzschaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, das ein Leitungsschutzschalter (100) ist.
Schutzschaltgerät (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung die Adhäsionskraft von Partikeln zumindest vorbestimmter Art, insbesondere zumindest von Silberoxidpartikeln und/oder von Rußpartikeln, an dem jeweiligen Bauteil im Vergleich zum unbeschichteten Bauteil verringert.
Schutzschaltgerät (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung nanostrukturiert ist.
Schutzschaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung unter Verwendung eines Nanoteilchen aufweisenden Materials gebildet ist, wobei das Material vorzugsweise Siliziumcarbid-Nanopartikel, Siliziumnitrid-Nanopartikel und Silikat-Nanopartikel aufweist.
Schutzschaltgerät (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung unter Verwendung von Keramik, Metallnitrid, Metallcarbid, amorphem Kohlenstoff und/oder diamantartigem Kohlenstoff gebildet ist.