DE19740422A1 - Strombegrenzender Niederspannungs-Leistungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalter mit einem durch ein Schaltschloß verklinkbaren Kontaktsystem, das pro Phase mindestens ein bewegbares und ein festes Kontaktelement aufweist, dessen bewegliches Kontaktelement bei auftretenden hohen Strömen, zum Beispiel bei Kurzschlüssen, infolge elektrodynamischer Kräfte entgegen der Wirkung einer Kontaktkraftfeder abhebt.

Bei strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschaltern werden extrem kurze Auslösezeiten von wenigen Millisekunden angestrebt. Die normalen Auslösezeiten bei Leistungsschaltern sind länger, denn beim klassischen Aufbau eines dynamisch festen, oder selektiv staffelbaren Leistungsschalters ist das Kontaktsystem in sich völlig starr. Die Kontakte bleiben geschlossen, bis sie an anderer Stelle freigegeben werden. Der Auslösemagnet muß zum Ansprechen gebracht werden, was eine verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch nimmt und es muß dazu eine komplette Schaltmechanik freigegeben werden, in der eine relativ große Anzahl von Teilen bewegt werden muß. Daraus resultiert aber auch, daß der Schalter bezüglich der Stromführungsfähigkeit die hohe Belastung aushalten muß und nicht vorher durch Überhitzung beschädigt oder zerstört wird. Das kann dadurch umgangen werden, daß die elektrodynamischen Stromkräfte selbst zur Kontaktöffnung ausgenutzt werden. Dafür gibt es eine Reihe unterschiedlicher Prinzipien. Eines besteht darin, zu bewirken, daß die abhebenden Kontaktkräfte bei hohen Strömen zur Wirkung kommen können, bevor eine normale mechanische Verklinkung im Schalterantrieb frei­ gegeben wird. Das beruht darauf, daß jeder stumpf aufeinander treffende Kontakt durch die Stromengekräfte eine abstoßende Wirkung erfährt und wenn die Kontakte nicht durch Fremdkräfte zusammengehalten werden, heben sie bei einer bestimmten Stromstärke ab. Der auftretende Schaltlichtbogen wirkt dabei als strombegrenzender Widerstand. Mit dem Öffnen der Kontakte muß dann auch der Schaltmechanismus in die Ausschaltstellung gebracht und der Kontaktträger mit dem Schaltmechanismus wieder verriegelt werden.

Die FR-PS 721 451 beschreibt einen Gleichspannungs- Schnellschalter, bei dem die Stromkräfte durch einen vom Kontaktsystem getrennten, bei einer Stromerhöhung ansprechenden elektromechanischen Wandler erzeugt werden. Durch die AT-PS 250 479 ist ein strombegrenzender Schalter bekannt geworden, dessen beweglicher Schalthebel in der Einschaltstellung durch eine Verklinkung gehalten ist, die sowohl mittels einer durch elektrodynamische Kräfte her­ vorgerufenen Bewegung des beweglichen Schalthebels als auch durch einen elektromagnetischen Überstromauslöser lösbar ist. Die Übertragung der Auslösebewegung des Überstromauslösers auf die Verklinkungsstelle geschieht dabei durch mehrere Zwischenglieder.

In der DE-PS 18 01 071 ist ein Niederspannungs-Leistungs­ schalter mit einer schleifenförmigen Strombahn, die auseinandertreibende kontaktöffnende Kräfte erzeugt, dargestellt, bei dem durch die, bei besonders hohen Überströmen auftretenden, elektrodynamischen Kräfte im Kontaktsystem der Schalthebel entgegen der Kraft einer Feder bewegt wird. Am bewegbaren Kontakthebel ist eine Stange vorgesehen, die sich mit einer Rolle an einem Sperrglied abstützt. Durch dieses Sperrglied, das seinerseits gegen Federkraft verschiebbar ist und eine Rolle wird ein Klinkenhebel verschoben und freigegeben, wodurch der Schalthebel in die Ausschaltlage gebracht werden kann.

Eine andere Möglichkeit zur schnellen Kontaktöffnung auf Grund von Stromkräften ist in der DE-OS 14 63 312 beschrieben. Hier wird der durch einen auftretenden hohen Strom aufgeschleuderte, in einem fliegenden Drehpunkt gelagerte Kontakt durch eine Verklinkungsmechanik in der geöffneten Stellung festgehalten und über einen Hebel­ mechanismus die normale Kraftspeicher-Auslösewelle betätigt, wodurch der Schalter in seine endgültige Ausschaltlage gebracht wird.

Die DE-OS 15 13 341 beschreibt einen weiteren derartigen Leistungsschalter, bei dem bei einem hohen Kurzschlußstrom infolge der elektrodynamischen Kräfte eine abstoßende Wirkung zwischen den beiden Kontaktelementen zustande kommt. Dabei löst sich beim Schwenken des Kontaktträgers mit dem bewegbaren Kontakt in einer Verriegelungseinrichtung die Verriegelung des Kontaktträgers mit dem Schaltmechanismus und ein Traghebel wird gedreht. Über zwei weitere, als Doppel­ hebel wirkende Hebel, wird die Auslösewelle gedreht, die eine Entklinkung des Schaltschlosses bewirkt.

Eine andere Lösung zur strombegrenzenden Abschaltung zeigt die DT-PS 14 63 311. Bei dieser Bauart ist das bewegliche Kontaktstück auf einem schwenkbaren Hebel gelenkig gelagert. Im Kurzschlußfall wird durch die Bewegung des beweglichen Kontaktstücks infolge elektromechanischer Kräfte eine Kontaktstücksperre gelöst, so daß die Kontaktfeder entspannt und das bewegliche Kontaktstück in die Aus-Stellung geschleudert wird.

Die DE-OS 25 11 948 beschreibt einen Schalter, bei dem durch eine elektrodynamische Öffnungsbewegung des beweglichen Kontaktstücks sofort nach der Kontaktöffnung und bei ansteigender Kontaktfederkraft eine Hebelanordnung zur direkten Entklinkung des Schaltschlosses betätigt wird. Dazu ist das bewegliche Kontaktstück auf einem Träger drehbar gelagert und in der Einschaltstellung von einer sich am Träger abstützenden Kontaktkraftfeder gegen das Fest­ kontaktstück gepreßt. Der Träger ist an einem ortsfesten Drehpunkt gelagert und im Einschaltzustand vom Schaltschloß starr verriegelt. Die Öffnungsbewegung des beweglichen Kontaktstücks zur Entriegelung des Trägers wird über eine Hebelanordnung auf das Schaltschloß und auf die Verriegelung des Trägers geleitet.

Alle vorgenannten Schalter haben gemeinsam den Nachteil, daß für die Realisierung der Strombegrenzung eine Vielzahl zu bewegender Teile, teilweise auch nur für die Strombegrenzung zusätzlich erforderliche Bauelemente, vorhanden sind. Das ist mit hohem mechanischen und fertigungstechnischen Aufwand verbunden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, einen strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalter vorzuschlagen, der ohne wesentlichen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand aus einem normalen serien­ mäßigen Schalter abgeleitet werden kann, ohne daß an diesem wesentliche Veränderungen vorgenommen werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Verbindung zwischen dem bewegbaren Kontakthebelträger und der Schaltwelle eine Knickhebelverbindung vorgesehen ist, die durch miteinander gelenkig verbundene Teillaschen gebildet ist, die durch eine Feder derart beaufschlagt sind, daß sie eine gestreckte Lage einnehmen. Der bewegbare Kontakthebel­ träger ist dabei nicht, wie bisher üblich, starr, sondern durch ein, vorzugsweise durch eine Welle gebildetes, Schwenk­ lager mit seinen Stützhebeln verbunden, so daß er eine Schwenkbewegung ausführen kann. Er besitzt eine Tasche, die zur Aufnahme und Verbindung der am bewegbaren Kontakthebel­ träger angelenkten Teillasche der Knickhebelverbindung mit dem bewegbaren Kontakthebelträger mittels eines Koppelbolzens dient und eine, durch eine Kante der Tasche gebildete Anschlagfläche, zur Einwirkung des Kontakthebelträgers durch seine Schwenkbewegung auf eine der Teillaschen. Dadurch werden die Teillaschen aus ihrer Strecklage ausgelenkt und die zunächst starre Knickhebelverbindung eingeknickt. Der bewegbare Kontakthebelträger ist weiterhin im Bereich der bei normalen Schaltern durch ihn hindurchtretenden Kontakt­ hebelwelle mit Aussparungen versehen, die so ausgebildet sind, daß seine Schwenkbewegung nicht durch diese Kontakt­ hebelwelle behindert wird.

Die Knickhebelverbindung besteht vorteilhaft aus drei Teillaschen, von denen die erste mittels eines Koppelbolzens in der Tasche des Kontakthebelträgers, deren obere Fläche die Anschlagfläche bildet, gelenkig gelagert ist. Über ein Mittelgelenk, das durch einen Gelenkbolzen gebildet ist, sind zwei parallele zweite Teillaschen angelenkt, die an ihrer entgegengesetzten Seite am Schaltwellenhebel gelenkig ge­ lagert sind. Auf dem Gelenkbolzen ist eine Drehfeder ange­ ordnet, deren Schenkel die erste und die zweiten Teillaschen so beaufschlagen, daß die in der Tasche des bewegbaren Kontaktträgers befindliche Teillasche gegen die Anschlag­ fläche in der Tasche des Kontakthebelträgers gedrückt wird, wodurch die am anderen Ende am Schaltwellenhebel befestigten Teillaschen eine gestreckte Lage zueinander einnehmen, die einer starren Verbindung zwischen dem Kontakthebelträger und der Schaltwelle gleichkommt. Die Knickhebelverbindung kann selbstverständlich auch umgekehrt angeordnet sein, so daß die Doppelteillasche in der Tasche des bewegbaren Kontaktträgers an diesem angelenkt ist.

Die Welle des Schwenklagers des bewegbaren Kontaktträgers ist zweckmäßig so positioniert, daß ihre Achse auf einem Kreis­ bogen um die Achse der Welle des Stützhebels durch die Kontakthebelwelle angeordnet ist. Sie kann sich aber auch außerhalb oder innerhalb dieses Kreisbogens befinden.

Beim Einwirken elektrodynamischer Kräfte auf die bewegbaren Kontakthebel, werden diese gegen den schwenkbaren Kontakt­ hebelträger gedrückt und verursachen eine Schwenkbewegung desselben. Dadurch wirkt der Kontakthebelträger mittels seiner Anschlagfläche auf die Knickhebelverbindung entgegen der Beaufschlagung durch die Feder ein. Wenn die auf die Kontakthebel wirkenden und von diesen auf den Kontakt­ hebelträger übertragenen elektrodynamischen Öffnungskräfte die Kraft der Feder überwinden, knickt die Knickhebel­ verbindung ein und die Kontakte des Schalters können sich öffnen. Der in dieser nicht stabilen Phase des Abschalt­ vorganges auftretende Abschaltlichtbogen zwischen den bewegbaren Kontakthebeln und den feststehenden Gegenkontakten wirkt dabei als strombegrenzender Widerstand. Wenn im weiteren Verlauf des Abschaltvorganges der elektromagnetische Schnellauslöser den Schalter endgültig abschaltet, wird durch die sich drehende Schaltwelle und ihren Schaltwellenhebel die Knickhebelverbindung wieder in die gestreckte Lage gebracht, in der sie nun durch die Feder fixiert wird, was wieder dem quasistarren Zustand entspricht. Damit ist der Schalter wieder einschaltbereit.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Pol eines mehrpoligen strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalters mit der erfindungsgemäßen Lösung im eingeschalteten Zustand.

Die Fig. 2 zeigt die Anordnung gemäß der Fig. 1 in der Übergangsphase der strombegrenzenden Abschaltung, mit einer durch gestrichelte Linien angedeuteten endgültigen Ausschalt­ stellung des Systems.

Die Fig. 3 zeigt schematisch einen Kontakthebelträger gemäß der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht.

Die Fig. 4 zeigt die Ansicht X aus der Fig. 3.

Die Fig. 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Knickhebelverbindung.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Pol eines mehrpoligen strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalters mit der erfindungsgemäßen Lösung im eingeschalteten Zustand dar­ gestellt, wobei aus Gründen einer besseren Übersicht und Verständlichkeit konstruktive Details, die nicht erfindungswesentlich sind, weggelassen wurden. Als Verbindung zwischen dem bewegbaren Kontakthebelträger eines Niederspannungs-Leistungsschalters und dessen Schaltwelle dient normalerweise eine starre Lasche. Dadurch ist das Kontaktsystem in sich völlig starr und die Kontakte bleiben geschlossen, bis sie an anderer Stelle freigegeben werden. Das bedeutet, daß der Auslösemagnet zum Ansprechen gebracht werden muß, wodurch die komplette Schaltmechanik freigegeben wird, in der eine relativ große Anzahl von Teilen bewegt werden muß, was eine verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch nimmt. Erfindungsgemäß ist deshalb diese Verbindung als Knickhebelverbindung 1 ausgebildet. Dies geschieht durch miteinander gelenkig verbundene Teillaschen 2 und 3, die durch eine nur schematisch als Funktionselement dargestellte Feder 4 in Richtung des Pfeils 23 derart beaufschlagt sind, daß sie eine gestreckte Lage einnehmen. Der teilweise in einer Schnittdarstellung gezeigte Kontakthebelträger 5 ist nicht, wie bisher üblich, starr, sondern durch ein, durch eine Welle 6 gebildetes Schwenklager mit seinen Stützhebeln 7 verbunden, so daß er eine Schwenkbewegung ausführen kann. Er weist eine Anschlagfläche 8 auf, die durch eine Schwenk­ bewegung des Kontakthebelträgers 5 zur Einwirkung auf die erste Teillasche 2 gebracht wird. Dadurch werden die Teil­ laschen 2 und 3 aus ihrer Strecklage ausgelenkt und das zunächst starre Hebelsystem eingeknickt. Diese nicht stabile Phase des Abschaltvorganges ist in der Fig. 2 dargestellt.

Im Kontakthebelträger 5 sind, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, Aussparungen 24 vorgesehen, damit die an dieser Stelle normalerweise durch diesen hindurchtretende Kontakthebelwelle 25 seine Schwenkbewegung nicht behindert. Die Fig. 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Knick­ hebelverbindung. Diese besteht vorteilhaft aus drei Teil laschen, von denen die erste Teillasche 2 mittels eines Koppelbolzens 16 in einer Tasche 17 des Kontakthebelträgers 5, deren obere Fläche die Anschlagfläche 8 bildet, gelenkig gelagert ist. Über ein Mittelgelenk 18, das durch einen Gelenkbolzen 19 gebildet ist, sind zwei parallele zweite Teillaschen 3 und 3a angelenkt, die an ihrer entgegen­ gesetzten Seite am Schaltwellenhebel 20 mittels eines Verbindungsbolzens 21 gelenkig gelagert sind. Auf dem Gelenkbolzen 19 ist die Drehfeder 22 angeordnet, deren Schenkel 22a und 22b die erste und die zweiten Teillaschen 2; 3 und 3a so beaufschlagen, daß sie gegen die Anschlagfläche 8 in der Tasche 17 des Kontakthebelträgers 5 gedrückt werden, wodurch sie eine gestreckte Lage zueinander einnehmen, die einer starren Verbindung zwischen dem Kontakthebelträger und der Schaltwelle gleichkommt.

Wenn nun eine Öffnungskraft auf das System wirkt, indem elektrodynamische Kräfte auf die Kontakthebel 9 einwirken, werden diese gegen die Auflagefläche 10 des Kontakthebel­ trägers 5 gedrückt und verursachen, zusätzlich mittels ihrer Kontaktkraftfedern 11, eine Schwenkbewegung desselben, wie es durch den Pfeil 12 in der Fig. 2 angedeutet ist. Dadurch bewirkt der Kontakthebelträger 5 mittels seiner Anschlag­ fläche 8 eine Knickwirkung auf die aus den Teillaschen 2 und 3 bestehende Knickhebelverbindung 1. Wenn die auf die Kontakthebel 9 wirkende und von diesen auf den Kontakthebel­ träger 5 übertragene elektrodynamische Öffnungskraft die Kraft der Feder 4 überwindet, knickt die Knickhebelverbindung 1 ein und die Kontakte des Schalters können sich öffnen. Der in dieser nicht stabilen Phase des Abschaltvorganges auf­ tretende Abschaltlichtbogen 14 zwischen den bewegbaren Kontakthebeln 9 und dem festen Gegenkontakt 13 wirkt dabei als strombegrenzender Widerstand. Wenn im weiteren Verlauf des Abschaltvorganges der elektromagnetische Schnellauslöser den Schalter endgültig abschaltet, wird durch die sich drehende Schaltwelle 15 und ihren Schaltwellenhebel 20 die Knickhebelverbindung 1 wieder in die gestreckte Lage gebracht, in der sie nun durch die Feder 4 fixiert wird und der Schalter ist wieder einschaltbereit. Dieser Zustand ist in der Fig. 2 mittels gestrichelter Linien angedeutet.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß ihre Verwirklichung überwiegend mit vorhandenen Elementen möglich ist und ein vergleichsweise geringer Gestaltungsaufwand erforderlich ist. Es werden keine grundsätzlich neuen Schalterteile benötigt, sondern nur abgewandelte Elemente in Form der Teillaschen. Es ist deshalb möglich, mit dem gleichen Grundschalter je eine Baureihe für strombegrenzende und selektiv staffelbare Schalter zu realisieren.

Claims (6)

1. Strombegrenzender Niederspannungs-Leistungsschalter mit einem durch ein Schaltschloß verklinkbaren Kontaktsystem, das pro Phase mindestens ein bewegbares und ein festes Kontaktelement aufweist, dessen bewegliches Kontaktelement bei auftretenden hohen Strömen infolge elektrodynamischer Kräfte entgegen der Wirkung einer Kontaktkraftfeder abhebt, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindung zwischen dem bewegbaren Kontakthebelträger (5) und der Schaltwelle (15) des Schalters eine Knickhebelverbindung (1) vorgesehen ist, die durch miteinander gelenkig verbundene Teillaschen (2; 3; 3a) gebildet ist, die durch eine Feder (4) zur Einnahme einer gestreckten Lage beaufschlagt sind, daß der Kontakthebelträger (5) durch ein Schwenklager (6) mit seinem Stützhebel (7) verbunden ist, daß der bewegbare Kontakthebelträger (5) eine Anschlagfläche (8) zur Einwirkung auf eine der Teillaschen (2) durch eine Schwenkbewegung des Kontakthebelträgers (5) aufweist, derart, daß die Teillaschen (2; 3; 3a) durch diese Anschlagfläche (8) aus ihrer Streck­ lage auslenkbar sind und daß der bewegbare Kontakthebelträger (5) im Bereich der bei normalen Schaltern durch ihn hindurchtretenden Kontakthebelwelle (25), zur Vermeidung einer Behinderung seiner Schwenkbewegung durch diese Kontakthebelwelle (25), mit einer Aussparung (24) versehen ist.

2. Strombegrenzender Niederspannungs-Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Kontakthebelträger (5) eine Tasche (17) zur Aufnahme und Verbindung der an ihm angelenkten Teillasche (2) der Knickhebelverbindung (1) mit dem bewegbaren Kontakthebel­ träger (5) mittels eines Koppelbolzens (16) aufweist, wobei eine Kante der Tasche (17) die Anschlagfläche (8) zur Einwirkung des Kontakthebelträgers (5) durch seine Schwenk­ bewegung auf eine der Teillaschen (2) bildet.

3. Strombegrenzender Niederspannungs-Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Knickhebelverbindung (1) aus drei Teillaschen (2; 3; 3a) besteht, von denen die erste Teillasche (2) auf einer Seite mittels eines Koppelbolzens (16) in einer Tasche (17) des Kontakthebelträgers (5), deren obere Fläche die Anschlag­ fläche (8) bildet, gelenkig gelagert ist und auf ihrer anderen Seite über ein Mittelgelenk (18), das durch einen Gelenkbolzen (19) gebildet ist, an zwei parallelen zweiten Teillaschen (3; 3a) angelenkt ist, die an ihrer entgegen­ gesetzten Seite am Schaltwellenhebel (20) gelenkig gelagert sind, wobei auf dem Gelenkbolzen (19) eine Drehfeder (22) angeordnet ist, durch deren Schenkel (22a; 22b) die Teillaschen (2; 3; 3a) zum Bewirken einer gestreckten Lage der Teillaschen (2; 3; 3a) zueinander, so beaufschlagt sind, daß die in der Tasche (17) des bewegbaren Kontakthebelträgers (5) befindliche Teillasche (2), bei am anderen Ende am Schaltwellenhebel (20) befestigter Knickhebelverbindung (1), gegen die Anschlagfläche (8) in der Tasche (17) des Kontakthebelträgers (5) gedrückt ist.

4. Strombegrenzender Niederspannungs-Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Welle (6) des Schwenklagers des bewegbaren Kontakthebel­ trägers (5) auf einem Kreisbogen um die Achse der Welle des Stützhebels (7) durch die Kontakthebelwelle (25) positioniert ist.

5. Strombegrenzender Niederspannungs-Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Welle (6) des Schwenklagers des bewegbaren Kontakthebel­ trägers (5) innerhalb eines Kreisbogens um die Achse der Welle des Stützhebels (7) durch die Kontakthebelwelle (25) positioniert ist.

6. Strombegrenzender Niederspannungs-Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Welle (6) des Schwenklagers des bewegbaren Kontakthebel­ trägers (5) außerhalb eines Kreisbogens um die Achse der Welle des Stützhebels (7) durch die Kontakthebelwelle (25) positioniert ist.