DE102004036279A1

DE102004036279A1 - Schaltgerät für Niederspannungsanwendungen

Info

Publication number: DE102004036279A1
Application number: DE102004036279A
Authority: DE
Inventors: Michael Anheuser; Gerd Dr. Griepentrog; Reinhard Dr. Maier; Bernd Trautmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2006-03-23
Also published as: EP1771870A1; EP1771870B1; CN1993790A; US20090046403A1; US7916442B2; CN1993790B; WO2006010760A1

Abstract

Bei Schaltgeräten soll eine Kurzschlussfrüherkennung eingesetzt und zum Auslösen der Kontakte aktiviert werden. Gemäß der Erfindung erfolgt die Erkennung eines Kurzschlusses so früh, dass unter Hinzurechnung der Eigenzeiten der Messsonden, des Auswertealgorithmus sowie des Entklinkungsmechanismus die Freigabe des Bewegtkontaktes vor oder mindestens zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem die stromabhebenden Kräfte der Kontaktkraft entsprechen. Damit ist die Kontaktkraft kompensiert und es kann eine rasche Öffnung der Kontakte erfolgen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltgerät für Niederspannungsanwendungen, mit wenigstens einem Festkontakt und wenigstens einem Bewegtkontakt.

In herkömmlichen Niederspannungs-Leistungsschaltern geschieht das Öffnen der Hauptkontakte im Regelfall über ein mechanisch arbeitendes Schaltschloss. Dies kann manuell am Betätigungshebel ausgelöst werden – oder auch selbsttätig durch thermische, magnetische oder elektronische Auslöser, wenn diese einen Überstrom detektieren. Die Eigenzeiten des Schaltschlosses liegen im Bereich von mehreren ms, so dass auch im Falle größerer Kurzschlüsse die vorhandenen elektrodynamischen Kräfte aus der Stromschleife nicht direkt zur Kontaktöffnung führen, sondern zunächst nur gegen die Kräfte des verriegelten Schaltschlosses gerichtet sind.

Elektronische Kurzschlussauslöser können mit einem elektromagnetischen Bypass versehen werden, um bei großen Kurzschlussströmen eine schnelle Auslösung zu bewirken.

Bisher wird eine verbesserte Problemlösung mit der oben erwähnten Auslösekette angestrebt, indem durch ein zusätzliches Lager ein weiterer Drehpunkt geschaffen ist, der aber mit zusätzlichen Federn oder Führungen den Kontakt vorübergehend zuhält. Erst bei extremen Strömen können elektrodynamische Kräfte diese Federkräfte überwinden und auch ohne Hilfe des Schaltschlosses eine vorübergehende oder endgültige Kontaktöffnung herbeiführen.

Bei der Dimensionierung des Schaltgerätes muss jedoch darauf geachtet werden, dass im Störfall der Kurzschluss-Auslöser das Schaltschloss entriegelt. Im Einzelfall kann eine unterschiedliche Auslösekette gewählt werden.

Nach Ablauf der dynamischen Vorgänge bleiben die Hauptkontakte geöffnet. Manche Geräte lassen auch eine temporäre Öffnung zu, ohne dass eine endgültige Zwangsöffnung durch das Schloss erfolgt.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik schneller ansprechendes Schaltgerät zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung lässt sich ein verbessertes Schaltgerät realisieren. Der erfindungsgemäße Gedanke besteht darin, ein spezifisches Verfahren zur Kurzschlussfrüherkennung zu benutzen, um den sich anbahnenden Kurzschluss noch vor Erreichen der zur Kontaktabhebung notwendigen Ströme zu erkennen.

Zur Kurzschlussfrüherkennung können bekannte Verfahren basierend auf der Auswertung des Stromes i und der Stromsteilheit di/dt (sog. Ortskurvenverfahren), insbesondere mit Anwendung sog. toleranter Ortskurven (TOK-Verfahren) entsprechend der DE 197 29 599 C genutzt werden. Möglich sind auch andere Verfahren, beispielsweise Wanderwellenverfahren.

In jedem Fall erfolgt bei der Erfindung die Erkennung eines Kurzschlusses durch die Kurzschlussfrüherkennung so früh, dass unter Hinzurechnung der Eigenzeiten der Messsonden, des Auswertealgorithmus' sowie des Entklinkungsmechanismus die Freigabe des Bewegtkontakts vor oder mindestens zu dem Zeitpunkt erfolgt, indem die stromabhebenden Kräfte der Kontaktkraft entsprechen.

Im Rahmen der Erfindung sind zwei Geräte-Konzepte möglich:

1) Die Kurzschluss(KS)-Früherkennung wirkt nur auf die – beliebig geartete – Auslösekette, öffnet frühzeitig das Schloss und vermeidet das Wieder-Zufallen der Kontakte. Das Kontaktsystem ist dabei so ausgelegt, dass eine eigendynamische Öffnung möglich ist. Dadurch wird der Entklinkungszeitpunkt des Schlosses vorgezogen, ein Bypass (elektromechanisch, pneumatisch, elektronisch o.ä.) wird nicht benötigt. Trotzdem kann der Schalter, z.B. im Selektivitätsfall, als zusätzlicher Limiter agieren ohne abzuschalten.
2) Die Kurzschluss(KS)-Früherkennung wirkt auf die – beliebig geartete – Auslösekette, öffnet frühzeitig das Schloss und vermeidet das Wieder-Zufallen der Kontakte. Parallel wird eine Verriegelung der Kontakte geöffnet und die Öffnung infolge der Eigendynamik ist möglich. Dadurch wird der Entklinkungszeitpunkt des Schlosses vorgezogen, ein Bypass wird nicht benötigt. Es können somit keine Verschweißungen auftreten, da die Kontakte im Falle des Abhebens immer geöffnet werden – und dies bei einer relativ niedrigen Abhebegrenze.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung lässt sich eine Änderung und Vereinfachung der mechanischen Verhältnisse am Schaltgerät dadurch erreichen, dass

– ggf. der bisher vorhandene zweite Drehpunkt entfällt und/oder
– eine Entkopplung der Auslösung von der dynamischen Kontaktöffnung erreicht wird.

Bei der Erfindung ist eine direkte Verklinkung der Bewegkontakte zusätzlich erforderlich, die z. B. durch einen Wirbelstrom(= Thomson)-Antrieb schnell vom Schaltschloss entklinkt werden können. Danach sind die stromabhebenden Kräfte voll wirksam und es kann eine rasche Öffnung der Kontakte erfolgen:
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
1 den Ausschnitt der Kontaktanordnung eines Schaltgerätes in schematischer Darstellung und
2 eine graphische Darstellung des Stromverlaufes bei dem Schaltgerät gemäß der 1.
Schaltgeräte des Standes der Technik haben ein Schaltschloss, das vom Über- bzw. Kurzschlussstromauslöser aktiviert wird. Damit werden die Kontakte gegen die schließend wirkende Kontaktkraft geöffnet, womit eine mechanische Auslösekette definiert ist. Spätestens mit dem Öffnen der Kontakte entsteht gleichermaßen eine Abhebekraft zwischen den Kontakten.
Bekannte Schaltgeräte leiden bisher darunter, dass es Strombereiche gibt bzw. geben kann, bei denen die schließend gerichtete Kontaktkraft durch die öffnend wirkenden Kräfte aus der Stromschleife bereits so weit kompensiert ist, dass bereits ein Schweben der Kontakte mit Lichtbogenbildung einsetzt, bevor die Auslöser das Schloss entklinken.
Die nachfolgend beschriebene Anordnung schafft hier Abhilfe.
In der 1 ist ein feststehender Kontaktträger 1 für einen Festkontakt 1 vorhanden, dem ein Bewegkontaktträger 3 für einen Bewegkontakt 4 zugeordnet ist. Der Bewegkontaktträger 3 ist um eine Achse I verschwenkbar.
Dem Bewegkontakt 4 sind eine Klinke 5 und eine Kniehebelmechanik 6 zugeordnet, mit denen der Bewegkontaktträger 3 aktiviert werden kann. Der Kniehebel 6 ist über eine Feder an das Gehäuse oder einen anderen festen Bezugspunkte angelenkt. Die Kniehebelmechanik 6 wird von einem ein so genannten Thomson- Antrieb 8, der bekanntermaßen nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet und vergleichsweise schnell ist, betätigt.
Weiterhin ist in 1 eine Einheit 10 zur Kurzschlussfrüherkennung (KFE) vorhanden. Die Einheit 10 arbeitet insbesondere nach dem Ortskurvenverfahren, beispielsweise nach dem so genannten TOK-Verfahren, wozu der Auswertealgorithmus im Einzelnen in der DE 197 29 599 C beschrieben ist. Dieser Auswertealgorithmus ist besonders vorteilhaft und kann Vorstromereignisse berücksichtigen. Es können auch andere schnell arbeitende Verfahren zur Kurzschlussfrüherkennung eingesetzt werden.
In der 2 ist der Zeitverlauf beim Schaltvorgang der Kontaktanordnung gemäß 1 als Graphik dargestellt: Auf der Abszisse sind die Zeit t und auf der Ordinate der zugehörige Strom i in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Der Graph 21 zeigt den Stromverlauf beim Auftreten eines Kurzschlusses.
Der Kurvenverlauf des Graphen 21 zeigt, dass nach dem Ansprechen der Einheit 10 zur Kurzschlussfrüherkennung zum Zeitpunkt t₁ bereits zum Zeitpunkt t₂ ein Auslösen der Klinke 5 des Schaltgerätes gemäß 1 erfolgt. Zum Zeitpunkt t₃ werden die Abhebekräfte unmittelbar öffnend wirksam.
Dem Zeitverlauf des Stromes i der 2 ist entnehmbar, dass die frühzeitige Erkennung des Kurschlussfalles es ermöglicht, eine Auslösekette in Gang zu setzen, bevor die Abhebegrenze des Kontaktsystems erreicht wird. Damit kann die mechanische Auslösekette bereits sehr früh in Gang gesetzt werden. Die Nachteile einer langsamen Mechanik-Auslösekette zum Öffnen der Kontakte können somit kompensiert werden.
Nunmehr wird die Freigabe nicht allein auf das Gleichgewicht der Kräfte bezogen. Problematisch ist dabei typischerweise, dass beim Stand der Technik die Auslösekette zu langsam ist, um im Kurzschlussfall das Zufallen der Kontakte zu vermeiden. Es reicht aber aus, wenn das Schloss die Kontakte öffnet, bevor diese aufgrund fehlender Eigendynamik wieder zufallen.
Bei einem Schaltgerät mit einer Anordnung nach 1 kann somit eine raschere Öffnung der Schaltkontakte 2 und 4 als bei herkömmlichen Schaltgeräten erfolgen.
Insgesamt ist also gewährleistet, dass unter Berücksichtigung der Eigenzeiten der Messsonden, des Auswertealgorithmus' und des Entklinkungsmechanismus die Freigabe des Bewegkontaktes vor oder mindestens zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem die stromabhebenden Kräfte der Kontaktkraft entsprechen.
Die vorstehend bei einem Schaltgerät mit um eine Achse verkippbaren Bewegkontakt beschriebene Anordnung kann auch auf Schaltgeräte mit Brücken-Kontakten übertragen werden.

Claims

Schaltgerät für Niederspannungsanwendungen, mit wenigstens einem Festkontakt und wenigstens einem Bewegtkontakt, mit einer Einrichtung zur Kurzschlussfrüherkennung und mit einem Aktor zur Öffnung der Kontakte, wobei die Einheit zur Kurzschlussfrüherkennung (10) so schnell arbeitet, dass unter Hinzurechnung der Eigenzeiten der Messsonden, des Auswertealgorithmus' sowie des Entklinkungsmechanismus die Freigabe des Bewegkontaktes vor oder mindestens zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem die stromabhebenden Kräfte der Kontaktkraft entsprechen.
Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (10) zur Kurzschlussfrüherkennung nach einem Ortskurvenverfahren arbeitet.
Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ortskurvenverfahren sog. Tolerante Ortskurven (TOK-Verfahren) verwendet.
Schaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der TOK-Algorithmus Vorstromereignisse berücksichtigt.
Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entklinkungsmechanismus eine Klinke (5) zur Ver-/Entklinkung des wenigstens einen Bewegtkontaktes (4) enthält.
Schaltgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinke (5) über einen Kniehebel (6) aktivierbar ist.
Schaltgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinke (5) direkt von der Einheit (10) zur Kurzschlussfrüherkennung ansteuerbar ist
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirbelstrom-Antrieb (8) vorhanden ist.