Beschreibung Schutzschalter

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Schutzschalter mit einem Festkontakt, der mit einem ersten Schalteranschluss verbundenen ist, und mit einem beweglichen Kontakt der über eine Schaltmechanik mit einem Magnetanker mechanisch gekoppelt und mit einer den Magnetanker betätigenden Spule elektrisch verbunden ist, die an einen zweiten Schalteranschluss angeschlossen ist.

Ein derartiger Schutzschalter dient üblicherweise zum Abschalten von elektrischen Stromkreisen oder einzelnen Verbrauchern bei überschreiten zulässiger Strom- oder Spannungswerte, insbesondere im überlast- oder Kurzschlussfall. So trennt der Schutzschalter den Stromkreis selbsttätig, sobald eine Nennstromstärke um einen bestimmten Faktor überschritten wird. Dadurch wird ein in einer Leitung hinter diesem Schalter befindlicher Verbraucher oder die Leitung selbst vor Beschädigung durch die thermische Wirkung des Stroms geschützt. Zur Erfüllung dieser Aufgaben umfasst der Schutzschalter üblicherweise eine Strommessfunktion, ein Kontaktsystem, üblicherweise mit einem beweglichen Kontakt und mit einem Festkontakt, sowie eine Schaltmechanik (Schaltschloss) mit Schalt- und Betätigungshebeln.

Hinsichtlich der Schutzschalterarten kann prinzipiell differenziert werden zwischen mechanischen Schutzschaltern und elektronischen Schutzschaltern. Innerhalb der mechanischen Schutzschalter wiederum kann unterschieden werden nach der Art der Strommessung und Auslösung, nämlich thermisch, magnetisch, thermisch-magnetisch oder hydraulisch-magnetisch.

So wird bei einem Schutzschalter mit magnetischem Auslöser von einer Spule ein Magnetfeld erzeugt, dass auf einen beweglich gelagerten Tauch- oder Klappanker eine Kraft ausübt, mit der das Schaltschloss innerhalb weniger Millisekunden entriegelt wird, so dass der Schutzschalter auslöst und den angeschlossenen Stromkreis trennt. Die Kennlinie eines solchen Schutzschalters weist keinen verzögerten Bereich auf, was jedoch ein entsprechend hohes Abschaltvermögen bei großen Strömen ermöglicht.

Bei einem beispielsweise aus der DE-A-1 788 155 oder aus der US-PS 4,963,847 bekannten magnetisch-hydraulischen Schutzschalter befindet sich innerhalb einer strom- durchflossenen Spulenwicklung ein tubenförmiges hydraulisches Element, dass mit öl gefüllt ist und einen gegen die Kraft einer Rückstellfeder beweglichen Eisenkern enthält. Dies ermöglicht eine nach einer durch die Viskosität des öles beeinflussbaren Zeit entsprechend zeitverzögerte Bewegung des analog zum rein magnetischen Schutzschalter beweglichen Magnetankers, der seinerseits den Schaltvorgang auslöst.

Dieses Prinzip ermöglicht ein verzögertes Ansprechen des Schutzschalters, wobei die typischen Kennlinien aus einem verzögerten und einem unverzögerten Bereich bestehen. Gegenüber einem thermisch-magnetischen Schutzschalter verläuft jedoch der übergang zwischen dem verzögerten und dem unverzögerten Bereich nicht senkrecht, sondern schräg nach unten, da durch die mechanische Trägheit des Kerns, durch Reibungseffekte und durch die Dämpfung des öles der zur Auslösung notwendige magne- tische Fluss schon erreicht wird, bevor der Eisenkern vollständig in die stromdurchflos- sene Spule hineinbewegt wurde.

Zwar lassen sich durch die Variation der Viskosität der Dämpfungsflüssigkeit (Silikonöl) sowie dem Produkt aus Nennstrom und Windungszahl (Amperewindungszahl) der Spu- Ie relativ einfach verschiedene Kennlinien mit flinker, mittlerer oder träger Verzögerung realisieren. Allerdings ist auch bei einem derartigen magnetisch-hydraulischen Schutzschalter die Einstellbarkeit der Kennlinien und damit die applikationsorientierte Anpassung an verschiedene Anforderungen nur begrenzt.

Demgegenüber sind bei einem elektronischen Schutzschalter die selektiven Abschaltungen unter verschiedensten Betriebsbedingungen realisierbar, insbesondere auch bei langen Lastleitungen, was insbesondere durch eine aktive Strombegrenzung erreicht werden kann. Problematisch bei solchen elektronischen Schutzschaltern ist jedoch, dass diese im Vergleich zu mechanischen Schutzschaltern sehr kostenintensiv sind. Zudem muss durch zusätzliche Mittel ein Kurzschlussschutz für den Fall sichergestellt werden, dass der Steuerstrom für die Steuerung des elektronischen Schutzschalters ausfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vergleichsweise kostensparenden Schutzschalter bereit zu stellen, bei dem die Vorteile eines mechanischen Schutzschalters, insbesondere eines magnetisch-hydraulischen Schutzschalters, und die Vorteile eines elektronischen Schutzschalters möglichst weitgehend vereinigt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dazu ist ein magnetfeldsensitiver Sensor zur Erfassung des aktuellen, d. h. betriebsbedingten Spulenstrom vorgesehen. Eine mit dem Sensor verbundene Steuereinrichtung ist dazu vorgesehen und eingerichtet, das Sensorsignal mit einer hinterlegten Auslösekennlinie zu vergleichen und bei Erreichen eines Auslösewertes ein Steuersignal zur Auslösebetätigung der Schaltmechanik, insbesondere eines Schaltschlosses, zu er- zeugen.

Die Erfindung geht dabei von der überlegung aus, dass einerseits von einem vergleichsweise kostensparenden mechanischen Schutzschalter ausgegangen werden kann, wenn eine geeignete Stromerfassung bereitgestellt wird, anhand derer eine zuverlässi- ge Steuerung des Schutzschalters bzw. dessen Auslösemechanismus ermöglicht ist. Andererseits müsste dann eine Elektronik lediglich die Auswertung des erfassten Stromes (Stromsignals) und die Erzeugung eines Steuersignals für die ansonsten weiterhin mechanische Auslösung des Schutzschalters übernehmen, was hinsichtlich des elektronischen Teils des Schutzschalters wiederum vergleichsweise kostensparend ist.

Der Gesamtaufwand sowie die Gesamtkosten können darüber hinaus weiter reduziert werden, wenn eine entsprechende elektronische Steuereinrichtung mehrere gleichartige mechanische Schutzschalter anhand der jeweiligen, individuell erfassten Stromsignale steuert. In einem solchen Verteilungssystem kann eine Anbindung mehrerer me- chanischer Schutzschalter an die Steuereinrichtung auch über ein Datenbussystem für die Signalübertragung sowohl bezüglich der Stromerfassung als auch der Steuerung (Ansteuerung) der Mechaniken der einzelnen Schutzschalter erfolgen, was bezüglich

eines Datenaustausches zwischen den Schutzschaltern und der Steuereinrichtung besonders vorteilhaft ist.

Der magnetfeldsensitive Sensor kann nach dem AMR-Effekt (Anisotroper Magnetore- sistiver Effekt) oder nach dem GMR-Effekt (Giant Magneto Resistance) arbeiten. Vorzugsweise ist jedoch ein Hall-Sensor, d. h. eine Hall-Sonde oder ein HaII-IC vorgesehen. Dieser erfasst das durch den über die Spule des mechanischen Schutzschalters fließenden Strom (Laststrom) erzeugte Magnetfeld (magnetische Flussdichte oder Induktion) und erzeugt ein Sensorsignal, das den zeitlichen Verlauf des über die Spule - und somit über die Schalterkontakte des mechanischen Schutzschalters - fließenden Stroms charakterisiert. Mittels des magnetfeldsensitiven Sensors, der zweckmäßigerweise in die Spule eingesetzt ist, erfolgt die Strommessung indirekt über die Erfassung des von der stromdurchflossenen Spule erzeugten Magnetfeldes und somit berührungslos, d. h. vorzugsweise galvanisch getrennt.

In zweckmäßiger Weiterbildung ist die eingangsseitig mit dem Sensor verbundenen Steuereinrichtung ausgangsseitig mit einem mit der Schaltmechanik (Schaltschloss) gekoppelten Aktor verbunden. Hierzu ist geeigneterweise ein elektromagnetischer Aktor als Antrieb vorgesehen, der mit der Steuereinrichtung elektrisch verbunden und mit dem Schaltschloss mechanisch gekoppelt ist.

Die Steuereinrichtung umfasst vorzugsweise einen programmierbaren Speicher zur Hinterlegung einer bestimmten Auslösekennlinie oder einer Anzahl unterschiedlicher Auslösekennlinien. Dadurch ist eine besonders einfache Anpassung der Auslösecha- rakteristik des Schutzverhalters an bestimmte Anwendungen oder Applikationen ermöglicht, indem der beispielsweise löschbare oder überschreibbare Speicher (ROM, RAM, EPROM EEPROM) mit entsprechenden Auslösewerten oder Kennlinien programmiert wird.

Die die Steuereinrichtung weist zudem bevorzugt einen MikroController oder -prozessor auf, der unter Zugriff auf den Speicher das Sensorsignal bzw. den von diesem charakteristischen Spulenstrom mit der Auslösekennlinie bzw. den gespeicherten Auslösewerten vergleicht und gegebenenfalls das Steuersignal generiert.

Bei mehreren, von der Steuereinrichtung gemeinsam gesteuerten mechanischen Schutzschaltern weist die Steuereinrichtung geeigneterweise mehrere Eingängen zum Anschluss einer entsprechenden Anzahl von Sensoren auf. Analog weist dann die Steuereinrichtung eine Anzahl von Ausgängen zum Anschluss einer entsprechenden Anzahl von Aktoren auf.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein Schutzschalter bereitgestellt ist, bei dem einerseits praktisch jede dessen Auslösecharakteris- tik bestimmende Kennlinienform realisierbar ist, die zudem verändert oder beispielsweise auch verbraucherspezifisch erlernt werden kann. Andererseits ist auch dann ein Kurzschlussschutz gegeben, wenn die Steuerung ausfällt, da sich der Schutzschalter dann wie ein rein mechanischer, insbesondere magnetischer Schutzschalter verhält.

Die Erfindung ermöglicht zudem die Bereitstellung eines besonders kostensparenden Schutzschaltersystems mit einer Mehrzahl von mechanischen Schutzschaltern mit Sensoren für die Stromerfassung und Aktoren für die Auslösung der Schaltmechanik sowie mit einer zentralen Steuereinrichtung, die vorzugsweise über ein Bussystem mit den einzelnen Schutzschaltern kommuniziert.

Dabei kann als mechanischer Schutzschalter von einem magnetisch-hydraulischen Schutzschalter mit Fernauslösung ausgegangen werden, dessen tubenartiges hydraulisches Element nicht eingesetzt wird, sondern an dessen Stelle der Sensor in der Spule - und dort beispielsweise in einem hohlzylindrischen Gehäuse - positioniert wird. Als Aktor zur Auslösebetätigung des Schaltschlosses dient dann die vorhandene Auslösespule bzw. der Antrieb zur Fernauslösung.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer und teilweise schematischer Darstellung einen mechanischen Schutzschalter bei geöffnetem Gehäuse mit einem magnetfeldsensitiven Sensor zur Stromerfassung und mit einem Aktuator zur Auslö-

sung einer Schaltermechanik sowie mit einer mit dem Sensor und dem Aktuator verbundenen Steuereinrichtung,

Fig. 2 schematisch ein Schaltersystem mit einer über ein Bussystem mit einer

Anzahl derartiger Schutzschalter kommunizierenden Steuereinrichtung.

Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Der in Fig. 1 dargestellte Schutzschalter 1 umfasst einen mechanischen Schutzschalter nach Art eines magnetischen oder magnetisch-hydraulischen Schutzschalters, in dessen Magnetspule 2 ein magnetfeldsensitiver Sensor 3 eingesetzt ist. Eine Steuereinrichtung 4, die eingangsseitig mit dem Sensor 3 verbunden ist, ist ausgangsseitig mit einem Aktor oder Aktuator 5 elektrisch verbunden.

Der Sensor 3, der zweckmäßigerweise in die Mitte der Spule 2 berührungslos eingesetzt ist, ist vorzugsweise als Hall-Sensor, d. h. als Hall-Sonde oder als HaII-IC ausgeführt. Der Sensor 3, der prinzipiell auch an der Spule 2 angeordnet sein kann, ist im Ausführungsbeispiel in einen als Sensorgehäuse dienenden Hohlzylinder 6 eingesetzt, der auch Bestandteil des Spulen- oder Wickelkörpers der Spule 2 sein kann.

Der Schutzschalter 1 umfasst des weiteren eine Schaltmechanik in Form eines Schalt- schloss 7, dass mit einem Schalt- oder Betätigungshebel 8 zur manuellen Betätigung des Schutzschalters 1 mechanisch gekoppelt ist. Die Spule 2, die beispielsweise zweieinhalb (2,5) Windungen aufweist, wirkt mit einem als Klappanker ausgeführten Anker oder Magnetanker 9 zusammen, der seinerseits mit dem Schaltschloss 7 mechanisch gekoppelt ist.

Die Spule 2 ist mit deren einem Spulenende 2a mit einem (zweiten) Schalteranschluss 10 elektrisch verbunden, der aus einem nur teilweise dargestellten Schaltergehäuse 11 boden- oder anschlussseitig herausragt. Von dem Schaltergehäuse 11 ist lediglich eine Gehäusehälfte sichtbar, während die andere, schalenartige Gehäusehälfte zur besseren übersicht abgenommen ist. Sichtbar sind jedoch nieten- oder bolzenartigen Befes-

tigungselemente in den vier Eckenbereichen des Gehäuses 10 für die Verbindung der beiden Gehäusehälften.

Das Schaltschloss 7 ist mechanisch gekoppelt mit einem nachfolgend als Bewegkon- takt bezeichneten beweglichen Kontakt 12, der elektrisch mit dem anderen Spulenende 2b der Spule 2 verbunden ist. Dem Bewegkontakt 12 steht ein Festkontakt 13 gegenüber, der mit einem (ersten) Schalteranschluss 14 elektrisch leitend verbunden ist. Auch dieser erste Schalteranschluss 14 ist aus dem Gehäuse 10 bodenseitig herausgeführt. Den beiden Schalterkontakten 12 und 13 ist eine Löschkammer 15 zur Lichtbogenlö- schung zugeordnet.

Das Schaltschloss 7 ist zudem mit dem Aktor 5 mechanisch gekoppelt. Dieser umfasst in nicht näher dargestellter Art und Weise eine Auslösespule, deren Spulenenden über Kontaktanschlüsse 16,17 aus dem Aktuatorgehäuse 18 herausgeführt sind.

Beim betriebsbedingten Einsatz des Schutzschalters 1 sind dessen Schalteranschlüsse 10, 14 in einen Stromkreis oder Strompfad mit einer zu schützenden Leitung oder Last, d. h. einem Gerät oder einem Verbraucher eingesetzt. Der nachfolgend auch als Spulenstrom bezeichnete Laststrom (I _L ) fließt dabei über die Spule 2 und die im eingeschal- teten Zustand des Schutzschalters 1 geschlossenen Kontakte 12, 13. In Folge des von der Spule 2 erzeugten Magnetfeldes (B) wird in dem Sensor 3 nach dem Hall-Effekt eine Spannung, die sogenannte Hall-Spannung (UH) induziert, die dem Magnetfeld (B) proportional ist. Das Magnetfeld (B) ist gemäß dem Gesetzt der Selbstinduktion wiederum proportional zum über die Spule 2 fließenden Strom (I _L ). Aus der Hall-Spannung (UH) kann somit unmittelbar auf den aktuellen Last- bzw. Spulenstrom (IL) geschlossen werden. Der Sensor 3, der den aktuellen Spulenstrom (I _L ) indirekt über das von der Spule 2 erzeugte Magnetfeld (B) erfasst, stellt ein entsprechendes Sensorsignal Si zur Verfügung, das der Steuereinrichtung 4 über eine Signalleitung 19 zur Signalauswertung zugeführt wird.

Die Steuereinrichtung 4 umfasst einen Mikroprozessor 20, der auf einen programmierbaren Speicher 21 , beispielsweise einen EPROM oder EEPROM zugreift. In diesem sind eine einzelne Auslösekennlinie K oder eine Anzahl von derartigen Kennlinien K

unterschiedlicher Kennliniencharakteristik hinterlegt. Der Mikroprozessor 20 der Steuereinrichtung 4 vergleicht das den aktuellen Strom oder Laststrom repräsentierende Sensorsignal Si mit den von der ausgewählten Kennlinie K repräsentierten Auslösewerten. Wird die Kennlinie K bzw. der entsprechende Auslösewert überschritten, so er- zeugt die Steuereinrichtung 4 ein Steuersignal S _A , das den Aktuator 5 auslöst. Hierzu ist die Steuereinrichtung 4 ausgangsseitig über eine Signalleitung 22 mit dem Aktuator 5 verbunden.

Mittels des Steuersignals S _A wird der Aktuator 5, d.h. dessen Auslöse- oder Relaisspule mit der Folge aktiviert, dass das hiermit gekoppelte Schaltschloss 7 entklinkt und demzufolge die Kontakte 12,13 geöffnet werden, indem der Bewegkontakt 12 praktisch schlagartig vom Festkontakt 13 abgehoben wird. Ein gegebenenfalls entstehender Lichtbogen wird in der Löschkammer 15 gelöscht.

Der mechanische Schutzschalter 1 umfasst somit eine galvanisch getrennte Stromerfassung mittels des magnetfeldsensitiven Sensors 3 sowie eine elektronische Signalauswertung und Auslösesteuerung, d. h. der ansonsten mechanische Schutzschalter 1 wird unter Berücksichtigung des mittels des magnetfeldsensitiven Sensors 3 erfassten aktuellen Stromflusses oder Stromwertes elektrisch oder elektronisch ausgelöst.

Fig. 2 zeigt eine Anzahl N (mit N = 1 ,2,3,....n) mechanischen Schutzschaltern 1 gemäß Fig. 1 , die hier lediglich als Funktionsblöcke schematisch dargestellt sind. Die Sensoren 3 der Schutzschalter Ni bis N _n sind anschlussseitig über die jeweilige Verbindungsleitung 19 mit einem nachfolgend als Datenbus 23 bezeichneten Bussystem verbunden bzw. an diesen geführt. Ebenso sind die Aktoren 5 der einzelnen mechanischen

Schutzschalter Ni _...m über deren jeweilige Signalleitung 22 an den Datenbus 23 angeschlossen. Eine allen mechanischen Schutzschaltern N _m gemeinsame Steuereinrichtung 4 kommuniziert über den Datenbus 23 mit den einzelnen mechanischen Schutzschaltern Ni _...m . Hierzu ist die Steuereinrichtung 4 eingangs- und ausgangsseitig über Datenleitungen 24 bzw. 25 mit dem Datenbus 23 verbunden.

Der Datenaustausch sowohl hinsichtlich der stromrelevanten Sensorsignale Si der einzelnen Schutzschalter N _m als auch der auslöserelevanten Steuersignale S _A zur be-

darfsweisen Auslösung einzelner Schutzschalter Ni. _. . _n erfolgt somit über den Datenbus 23, wobei auch für eine Mehrzahl von Schutzschaltern N lediglich eine Steuereinrichtung 4 erforderlich ist. Je größer die Anzahl N der angeschlossenen Schutzschalter 1 bei nur einer einzelnen, alle Schutzschalter N _n überwachenden Steuereinrichtung 4 ist, desto kostengünstiger ist das gesamte Stromverteilungssystem.

In dem Speicher 21 der Steuereinrichtung 4 können schalterspezifisch die Kennlinien einer entsprechenden Anzahl von Schutzschaltern N _n abgelegt sein. Somit können die Kennlinien K der einzelnen, mittels der Steuereinrichtung 4 gemeinsamen überwachten Schutzschalter N _m individuell und hinsichtlich der jeweiligen Verlaufscharakteristik unterschiedlich sein. Auch kann bei Inbetriebnahme eines solches Systems - ebenso wie bei einem einzelnen Schutzschalter 1 - ein last-, gerate- oder verbraucherspezifisches Einlernen einer bestimmten, charakteristischen Kennlinie K erfolgen.

Bezugszeichenliste

1 Schutzschalter

2 Spule

2a ,b Spulenende

3 Sensor

4 Steuereinrichtung

5 Aktor /Aktuator

6 Sensorgehäuse/Hohlzylinder

7 Schaltschloss

8 Schalt-/Betätigungshebel

9 Magnetanker

10 (zweiter) Schalteranschluss

11 Schaltergehäuse

12 Bewegkontakt

13 Festkontakt

14 (erster) Schalteranschluss

15 Löschkammer

16 ,17 Kontaktanschluss

18 Aktuatorgehäuse

19 Signalleitung

20 Mikroprozessor

21 Speicher

22 Signalleitung

23 Datenbus

24 ,25 Datenleitung

S, Sensorsignal

SA Steuersignal