Beschreibung

Die Forderung nach konsequenter Energieeinsparung bei der Erzeugung, dem Transport und dem Verbrauch elektrischer Leistung betrifft zwangsläufig auch die in dieser Funkti- onskette integrierten Schutzschaltgeräte. Wenn man bedenkt, dass die weltweit erzeugte elektrische Energie unverzichtbar grundsätzlich durch mehrere Schutzschaltgeräte fließen muss ehe sie den Verbraucher erreicht, dann ergibt deren Eigenverbrauch von ca. l%o der erzeugten elektrischer Leistung ein gewaltiges Einsparpotential an nutzlos vergeudeter Energie. In der DE 10 2009 030 158 AI wurde ein elektrischer Selbstschalter offenbart dessen thermischer Auslöser bei Normalbetrieb nicht vom Betriebsstrom durchflössen und damit seine Verlustleistung erheblich abgesenkt wird. Nachteilig ist dabei allerdings, dass der Betriebsstrom durch die Reihenschaltung von zwei Kontaktstellen fließen muss, von denen eine bei gestörtem Betrieb der Lichtbogeneinwirkung ausgesetzt ist, dabei abbrennt und den Kontaktwiderstand verändert.

Zwangsläufig erhöht die Reihenschaltung von mehreren Kontaktstellen den Innenwiderstand von Schutzschaltgeräten und damit deren Verlustleistung.

Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe diesen Mangel zu beheben und eine Kontakteinrichtung für Schutzschaltgeräte zu schaffen, welche die eigenen Energieverluste bei Schutzschaltgeräten minimiert, und insbesondere bei normalen Dauerbetrieb die eigenen Energieverluste um mehr als 50% gegenüber Schutzschaltgeräten nach dem Stand der Technik senkt.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüche 2 bis 11 be- schrieben. Die Kontakteinrichtung und deren Antrieb für Schutzschaltgeräte wird mit Hilfe von zwei Parallelstromkreisen gebildet in welchen jeweils eine Kontaktstelle angeordnet ist und deren Antrieb sowohl im Störfall als auch bei betriebsmäßigem Schalten in der Art erfolgt, dass nur der Abbrennkontakt im Nebenstromkreis die Schaltarbeit verrichtet, der stromtra- gende Kontakt im Hauptstromkreis hingegen nur stromlos als sogenannter Leerkontakt geschaltet wird.

Bei Normalbetrieb fließt daher der Betriebsstrom nur über den Hauptkontakt mit konstantem Kontaktwiderstand auf direktem Weg durch die Spule von Klemme zu Klemme.

Im Störfall durch Überstrom wird durch den Stromanstieg in der Spule der erste Anker des Magnetauslösers ansprechen und den durch den Nebenstromkreis kurzgeschlossenen (geshunteten) Hauptkontakt öffnen, so dass der Überstrom nun über den thermischen Auslöser, den Abbrennkontakt und die Spule fließen muss.

Dabei erwärmt sich das Bimetall des thermischen Auslösers und entklinkt das Schaltschloss welches den gestörten Stromkreis durch Öffnen des Abbrennkontaktes endgültig unterbricht.

Im Störfall durch Kurzschluss bringt dieser den zweiten Anker des Magnetauslösers zum Ansprechen welcher den geshunteten Hauptkontakt öffnet, das Schaltschloss entklinkt und den Abbrennkontakt soweit aufschlägt, dass der Lichtbogen in der dem Abbrennkontakt zugeordneten Deionkammer gelöscht und der gefährdete Stromkreis abgeschaltet wird. Bei diesem Vorgang wird der thermische Auslöser in den Kurzschlusskreis geschaltet wobei die nun höhere Impedanz den Kurzschluss-Strom zusätzlich begrenzt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen von charakteristischen Schaltstellungen beispielhaft an einem Kleinselbstschalter näher erläutert.

Bei der Darstellung wurde auf Bauteile welche für das Verständnis des Erfindungsgedan- ken bedeutungslos oder bekannt sind, verzichtet. Figur 1 zeigt die Kontakteinrichtung und deren Antrieb in der betriebsbereiten

Einschaltstellung des Selbstschalters.

Figur 2 zeigt die Schaltstellung während des Störfalles„Überstrom".

Figur 3 zeigt die Kontakteinrichtung und deren Antrieb im Entstehungsaugen- blick eines Kurzschlusses in der zu schützenden Anlage.

Figur 4 zeigt die Erfindung im ausgeschalteten Zustand des Selbstschalters.

Figur 5 zeigt eine Kontakteinrichtung gemäß Figur 1 bei der eine alternative

Ausführungsform der Kontaktfeder gezeigt ist.

Figuren 6a bis 6c zeigen Schaltungsdiagramme des erfindungsgemäßen Selbstschalters für normalen Strom, Überstrom bzw. Kurzschlussstrom.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In einem Gehäuse 1 mit handelsüblichen, genormten Abmessungen ist außer den Anschlussklemmen 2 und 9 mit ihren Anschlüssen 3 und 8, ein Magnetauslöser 7, ein thermi- scher Auslöser 10, ein Schaltschloss (S in Figur 6), eine Deionkammer 13 sowie eine Kontakteinrichtung mit ihren Kontaktstellen 6 und 11 positioniert.

Der um die ortsfeste Achse 14 drehbar gelagerte Hauptkontakt 5 ist über die flexible Litze 4 mit dem Anschluss 3 leitend verbunden. Ebenfalls mit dem Anschluss 3 ist der Fußpunkt des thermischen Auslösers 10, der ein Bimetallelement sein kann, galvanisch formschlüs- sig, ortsfest verbunden. Über die Litze 15 steht der thermische Auslöser außerdem mit dem drehbar auf der ortsfesten Achse 16 gelagerten Abbrennkontakt 17 in leitender Verbindung.

Die Kontaktfeder 18 ist zwischen dem Abbrennkontakt 17 und dem Hauptkontakt 5 eingespannt. Sie erzeugt wie in Fig. 1 dargestellt, den Kontaktdruck an der Kontaktstelle 6. Die Kontaktierung erfolgt auf dem Gegenkontakt 19, welcher galvanisch mit einem Spulenende des Magnetauslösers 7 verbunden ist, so dass im Normalbetrieb ein Stromfluss von der Klemme 2 über den Anschluss 3, die Litze 4, den Hauptkontakt 5 mit der Kontaktstelle 6, den Gegenkontakt 19, die Spule des Magnetauslösers 7 und den Anschluss 8 zur Klemme 9 zustande kommt. Der Nebenstromkreis mit dem thermischen Auslöser 10 und der Kontaktstelle 11 liegt dabei zu der Kontaktstelle 6 elektrisch parallel, wie in den Figuren 6a bis 6b gezeigt.

Wie in Figur 5 dargestellt ist, kann an Stelle der zwischen dem Abbrennkontakt 17 und dem Hauptkontakt 5 vorgesehenen Kontaktfeder 18 auch eine Kontaktfeder 18' eingesetzt werden, die den Hauptkontakt 5 unabhängig vom Abbrennkontakt 17 in seine Schließstellung drängt. Gemäß Figur 5 ist hierzu die Kontaktfeder 18' als Druckfeder ausgebildet, die zwischen einem Fortsatz 5' des Hauptkontaktes 5 und einem gehäusefesten Widerlager 14' angeordnet ist. An Stelle der dargestellten Druckfeder kann auch eine Torsionsfeder, insbesondere Schenkelfeder vorgesehen sein, deren einer Schenkel den Hauptkontakt 5 beauf- schlagt, während der andere Schenkel dem Schaltergehäuse geeignet abgestützt ist. Es ist ferner möglich, auch eine Zugfeder vorzusehen.

In Fig. 2 und 6b ist der eingeschaltete Selbstschalter bei Beginn des Störfalles„Überlast" dargestellt. Der um die ortsfeste Achse 20 drehbar gelagerte Schalthebel 21 bildet zusammen mit einer Klinke 22, einer Koppel 23 und einem ortsfest um die Achse 24 drehbar gelagerten Schaltgriff 12 einen durch eine Schaltfeder 25 gespannten Kniegelenkmechanismus welcher in der Einstellung in Übertotpunktlage gehalten wird. Der Kontaktdruck an der Kontaktstelle 11 wird dabei durch eine Kontaktfeder 26 erzeugt welche auf den Abbrennkontakt 17 in Gegenuhrzeigerrichtung wirkt und sich am Schalthebel 21 abstützt.

Durch den Stromanstieg im Störfall zieht der Anker 27 des Magnetauslösers 7 an und öff- net, wie in Figur 6b durch den Pfeil Ol angedeutet, über den Stößel 28 die Kontaktstelle 6 gegen die Kraft der Kontaktfeder 18, indem der Hauptkontakt 5 im Gegenuhrzeigersinn um die Achse 14 gedreht wird. Die Kontaktöffnung bei 6 erfolgt ohne Bildung eines Lichtbogens, da die Kontaktstelle durch den Nebenstromkreis kurzgeschlossen (geshuntet) ist. Der Überstrom fließt nunmehr von der Klemme 2 über den Anschluss 3, den thermischen Auslöser 10, die Litze 15, den Abbrennkontakt 17 über die Kontaktstelle 11 den Gegenkontakt 19 durch die Spule des Magnetauslösers 7, den Anschluss 8 zur Klemme 9. Der Überstrom erwärmt nun den thermischen Auslöser 10, so dass das Bimetall ausbiegt und über die Zugstange 29 die im Schalthebel 21 drehbar gelagerte Klinke 22 im Uhrzeigersinn dreht, dabei die Verklinkung aufhebt und damit den Schalthebel 21 freigibt (wie in Figur 6b durch den Pfeil A angedeutet), welcher durch die Kraft der Schaltfeder 25 im Uhrzeigersinn um die Achse 20 dreht und über den Schaltnocken 30 die Kontaktstelle 11 öffnet, den Selbstschalter endgültig ausschaltet, wie in Figur 6b durch die Pfeile 02 angedeutet, und den gestörten Stromkreis unterbricht. Der dabei entstehende Lichtbogen wird ausschließlich mit dem Abbrennkontakt 17 an der Kontaktstelle 11 bewältigt.

Bei der Anordnung des thermischen Auslösers im Nebenschluss ist bei entsprechender Heizleistung eine hohe Arbeitstemperatur des Bimetalls erreichbar, welche erheblich über der Umgebungstemperatur am Einbauort der Schutzschaltgeräte liegen kann, so dass die Zuverlässigkeit der Schutzschaltgeräte durch hohe Umgebungstemperaturen, wie sie in elektrischen Verteilungsanlagen bereits bei Normalbetrieb zeitweise herrschen, nicht negativ beeinflusst wird. Wegen der großen Temperaturdifferenz ist auch eine Justierung des thermischen Auslösers nicht erforderlich, was die Herstellung von Schutzschaltgeräten in der Serienfertigung sehr erleichtert. Die Figuren 3 und 6c zeigen die Schaltstellung im Moment der Entstehung eines Kurzschlusses in der elektrischen Anlage.

Nachdem der Kurzschluss-Strom ein Vielfaches des Überstromes ausmacht, zieht nun zusätzlich der Anker 31 des Magnetauslösers 7 mit großer Kraft an. Über den Stößel 28 wird zunächst die Kontaktstelle 6 geöffnet, wie in Figur 6c durch den Pfeil Ol angedeutet, und dann dreht durch die weitere Drehung des Hauptkontaktes 5 um die Achse 14 im Gegenuhrzeigersinn ein am Hauptkontakt 5 fest angebrachter Steuernocken 32 die Klinke 22 im Uhrzeigersinn, wodurch die Verklinkung mit dem Schalthebel 21 aufgehoben wird, wie in Figur 6c durch den Pfeil A' angedeutet. Gleichzeitig trifft das Ende 33 des Stößels 28 auf den Abbrennkontakt 17 und dreht diesen im Uhrzeigersinn um die Achse 16, wie in Figur 6c durch den Pfeil 03 angedeutet. Durch die schlagartige Öffnung der Kontaktstelle 11 wird der dabei entstehende Lichtbogen in bekannter Weise in der Deionkammer 13 zum Verlöschen gebracht. Zeitgleich wird der entklinkte Schalthebel 21 durch die Schaltfeder 25 um die Achse 20 im Uhrzeigersinn gedreht bis er an dem gehäusefesten Nocken 34 an- schlägt.

Die Schaltnocken 30 und 35 des Schalthebels 21 fixieren dann den Abbrennkontakt 17 und den Hauptkontakt 5 in der in Fig. 4 dargestellten AUS - Position, wie in Figur 6c durch die Pfeile 02 angedeutet. Während dieser Ausschaltbewegung wurde der Schaltgriff 12 durch die Grifffeder 36 um die Achse 24 im Gegenzeigers inn gedreht bis die Koppel 19 an der Verklinkungsstelle 37 zwischen Schalthebel 21 und Klinke 22 einrastet.

Der Selbstschalter ist wieder einschaltbereit, die am Schalthebel angebrachte grüne Markierung 38 zeigt durch das Sichtfenster 39 die ausgeschaltete Stellung des Schutzschaltgerätes an. Die Anordnung der Schaltnocken 30 und 35 auf dem Schalthebel 21 ist so ausgeführt, dass beim manuellen Einschalten des Schutzschaltgerätes zunächst der Abbrennkon- takt 17 den Gegenkontakt 19 berührt und erst danach die Kontaktstelle 6 geschlossen wird. Damit ist sichergestellt, dass in jedem Fall nur der Abbrennkontakt die Schaltarbeit verrichtet der Hauptkontakt hingegen von einer Lichtbogenbeanspruchung verschont bleibt.

Durch die Aufteilung der Stromführung in zwei Parallelkreise werden die Funktionseigenschaften von Schutzschaltgeräten optimiert. Muss z. B. bei Selbstschaltern nach dem Stand der Technik der Schaltkontakt einerseits gute Leitfähigkeit aufweisen andererseits aber dem Lichtbogenabbrand stand halten so wird diese Problematik gemäß der Erfindung durch zwei unabhängig voneinander angetriebene Kontakte mit Eigenschaften welche die jeweiligen speziellen Forderungen optimal erfüllen, gelöst.

Bei Normalbetrieb wird nur der Hauptkontakt 5 vom Betriebsstrom durchflössen, so dass die Kontaktstelle 6 mit homogenen Ag - Kontaktauflagen auf niedrigste Kontaktwiderstände getrimmt werden kann, welche, da kein Abbrand erfolgt, nachhaltig beibehalten werden. Der Abbrennkontakt 17 übernimmt hingegen im Störfall und bei betriebsmäßigem Schalten allein die Lichtbogenarbeit, so dass sich die Herstellung aus unedlen, abbrandfesten Werkstoffen anbietet.

Bei konsequenter Umsetzung der Erfindung zeichnen sich Schutzschaltgeräte in der Zukunft durch minimalen Eigenverbrauch und geringe Erwärmung am Einbauort aus. Sie sind zudem in ihrer Auslösesicherheit durch äußere Temperatureinflüsse nicht zu beeinflussen.

Die Erfindung stellt also eine Kontakteinrichtung für Schutzschaltgräte mit in zwei Parallelstromkreisen angeordneten Kontaktstellen bereit, wobei die Kontaktstelle 6 im Hauptstrompfad nur zum Führen des Betriebsstromes bestimmt ist und stromlos schaltet. Die Kontaktstelle 11 im Nebenstrompfad verrichtet hingegen allein die Schaltarbeit bei Entstehung von Lichtbögen. Hierdurch werden die Energieverluste der Schutzschaltgeräte im Normalbetrieb um mehr als 50% gegenüber bekannten Ausführungen nachhaltig gesenkt. Aufgrund der Anordnung des thermischen Auslösers 10 im Nebenstrompfad kann der Ein- fluss der Schwankung der Umgebungstemperatur am Einbauort auf die Auslösefunktion des Schutzschaltgerätes verhindert werden, sodass bei gleicher Sicherheit für die elektrische Anlage die Leitungen in der Elektroinstallation besser ausgenützt werden können. Die Erfindung ist in ihren Abmessungen kompatibel zu handelsüblichen Produkten - ein Auswechseln in bestehenden Anlagen ist daher jederzeit möglich.