Beschreibung

Schalteinrichtung zum selektiven Abschalten mit einem Thermo- auslöseelement

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zum selektiven Abschalten einer elektrischen Leitung, an die insbesondere ein elektrischer Verbraucher angeschlossen ist.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl selektiv abschaltender Schalteinrichtungen bekannt. Beispielsweise offenbart die EP 1 587 123 Al einen selektiven Schutzschalter, der in einem Hauptstrompfad ein erstes und ein zweites Schaltelement (= Kontaktstelle) umfasst, die in Reihe geschaltet sind. Pa- rallel zum ersten Schaltelement ist in einem Nebenstrompfad ein Thermoauslöseelement in Form eines Bimetallelements ange ^¬ ordnet. Ein Schaltschloss steht sowohl mit dem Bimetallele ^¬ ment als auch mit dem zweiten Schaltelement in einer mechanischen Wirkverbindung. Bei einem Kurzschluss in der elektri- sehen Leitung wird der Strom zunächst durch öffnen des ersten Schaltelements in den Nebenstrompfad kommutiert. Solange der Kurzschlussstrom nicht abgeschaltet wird, erwärmt sich das Bimetallelement und öffnet nach einer Verzögerungszeit das zweite Schaltelement.

Aus der DE 28 54 623 C2 ist eine weitere selektive Schaltein ^¬ richtung bekannt. Auch sie umfasst einen Haupt- und einen Ne ^¬ benstrompfad. Der Nebenstrompfad enthält wieder ein Bimetall ^¬ element. Um letzteres vor einer überlastung zu schützen, ist im Nebenstrompfad ein strombegrenzender PTC (positive tempera- ture coefficient) -Widerstand in Serie zum Bimetallelement ge ^¬ schaltet .

Die bekannten Schalteinrichtungen sind auch aufgrund der bei- den parallelen Strompfade aufwändig. Außerdem weisen Sie ein unbefriedigendes Abschaltverhalten auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schalt ^¬ einrichtung anzugeben, die einerseits einfach aufgebaut ist und andererseits ein gutes Abschaltverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung enthält a) einen einzigen in die selektiv abzuschaltende elektrische

Leitung in Serie eingefügten schaltbaren Strompfad, der b) eine elektrische Serienschaltung mindestens eines Schalt ^¬ elements, eines Thermoauslöseelements sowie eines Strom ^¬ begrenzerelements umfasst, wobei c) das Thermoauslöseelement mittels einer mechanischen Ther- moschlosswirkverbindung mit einem Schaltschloss verbunden ist, das mittels einer mechanischen Entklinkungswirkver- bindung mit einem beweglichen Kontaktteil des Schaltele ^¬ ments verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass anstelle der beim Stand der Technik vorgesehenen beiden Strompfade nur ein einziger Strompfad vorhanden ist. In dem insbesondere als Hauptleitung ausgebildeten Strompfad sind neben dem einzigen Schaltelement lediglich ein Thermoauslöseelement sowie ein Strombegrenzerelement vorgesehen. Letzteres schützt das Thermoauslöseelement und auch das

Schaltelement vor einer überlastung. Es trägt somit zu einem dauerhaften und sicheren Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung bei.

Das Thermoauslöseelement stellt aufgrund der strombedingten

Erwärmung im Wesentlichen einen Strom-Zeit-Integrator dar. Ab einem bestimmten Wert des Strom-Zeit-Integrals veranlasst das Thermoauslöseelement die Entklinkung im Schaltschloss, wo ^¬ durch das Schaltelement endgültig abgeschaltet, d.h. geöffnet wird. Bis dieser Auslösewert des Strom-Zeit-Integrals er ^¬ reicht ist, können ggf. vorhandene nachgeordnete Schaltein ^¬ richtungen auslösen, wenn sie feststellen, dass der Fehlerort in einem von ihnen überwachten Teilabschnitt des durch die

Leitung gespeisten Netzes liegt. Die Strom-Zeit-Charakteristik des Thermoauslöseelements ist entsprechend den diesbe ^¬ züglichen Netzanforderungen ausgelegt.

Trotz des sehr einfachen Aufbaus gewährleistet die erfin ^¬ dungsgemäße Schalteinrichtung also ein sicheres selektives Abschalten. Der einfache Aufbau bedingt einen sehr niedrigen Herstellungsaufwand für die erfindungsgemäße selektive Schalteinrichtung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Günstig ist eine Variante, bei der das Strombegrenzerelement ein elektrischer Widerstand mit positivem Temperaturkoeffi ^¬ zienten, insbesondere ein stromabhängiger PTC-Widerstand, ist. Diese auch als Kaltleiter bezeichneten Widerstände lei ^¬ ten den elektrischen Strom bei tiefen Temperaturen besser als bei hohen. Ihr elektrischer Widerstand nimmt also bei Tempe ^¬ raturerhöhung zu. Sie haben somit einen positiven Temperaturkoeff i z i enten . Die strombegrenzende Wirkung wird durch den Strom selbst hervorgerufen. Ein Stromfluss erwärmt den PTC-Widerstand, sodass dessen Widerstand steigt und als Folge davon der Strom begrenzt wird. Ein derartiger Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten ist ein in vielen Ausführungsformen verfügbares Bauelement. Oft kann sogar auf Standardkomponenten zurückgegriffen werden. Insgesamt ergibt sich also ein geringer Realisierungsaufwand sowohl für diese Art des Strombegrenzerelements als auch für die so ausgebil ^¬ dete Schalteinrichtung.

Bei einer anderen ebenfalls günstigen Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Schaltelement selbst schaltend ausge- führt ist. Dies erspart einen ansonsten für die externe An ^¬ steuerung des Schaltelements erforderlichen Zusatzaufwand.

Besonders günstig ist es weiterhin, wenn das Schaltelement einen sich selbsttätig und vorzugsweise dynamisch öffnenden Schaltkontakt aufweist. Dieser Typ des Schaltelements ist grundsätzlich bekannt. Sein besonders vorteilhaftes öffnungs- und Schließverhalten wird beispielsweise durch eine geeignete Führung der stromführenden Leitungen innerhalb des Schaltelements erreicht. Diese sind insbesondere so angeordnet, dass sie sich ab einer bestimmten Stromstärke abstoßen und so ein zumindest teilweises öffnen des Schaltkontakts bewirken. Vor- teilhafterweise kommt diese Ausführungsform vollständig ohne eine induktive Auslöseeinheit (= Magnetauslöseeinheit) aus. Dies vereinfacht den Aufbau. Außerdem bewirkt der dynamisch öffnende Schaltkontakt eine weitere Strombegrenzung, sodass ein zusätzlicher überlastungsschutz gegeben ist.

Vorzugsweise ist das Thermoauslöseelement außerdem als ein Bimetallelement ausgeführt. Ein Bimetallelement lässt sich einfach realisieren und ist ebenfalls in vielen Ausführungs ^¬ formen verfügbar. Es weist außerdem inhärent das gewünschte Verhalten eines Strom-Zeit-Integrators auf.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung er ^¬ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

FIG 1 ein Ausführungsbeispiel einer Schalterkaskade mit ei ^¬ ner erfindungsgemäßen Schalteinrichtung, und

FIG 2 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltschemas einer er ^¬ findungsgemäßen Schalteinrichtung mit einem einzigen schaltbaren Strompfad, der ein Schaltelement, ein

Thermoauslöseelement sowie ein Strombegrenzerelement enthält.

Einander entsprechende Teile sind in FIG 1 und 2 mit densel- ben Bezugszeichen versehen.

In FIG 1 ist ein Ausschnitt aus einem elektrischen Netz dargestellt, der eine Strom leitende elektrische Hauptleitung 1

mit einem Eingang 2 aufweist. Nach dem Eingang 2 ist eine erfindungsgemäße selbst schaltend ausgebildete Schalteinrich ^¬ tung 3 in der Hauptleitung 1 angeordnet. Hinter der Schalteinrichtung 3 weist die Hauptleitung 1 einen Verzweigungskno- ten 4 auf, der eine Verbindung zwischen der Hauptleitung 1 und drei Leitungszügen 5, 6, 7 bildet. In jedem Leitungszug 5, 6, 7 befindet sich eine weitere selbst schaltende Schalt ^¬ einrichtung 8, 9 bzw. 10, welcher jeweils ein Verbraucher 11, 12 bzw. 13 nachgeordnet ist. Bei den Verbrauchern 11, 12, 13 kann es sich um allgemein bekannte Gebäude-Installationen handeln .

Die Schalteinrichtungen 3, 8, 9 und 10 können auch als Schutzeinrichtungen bezeichnet werden. Es kann sich bei- spielsweise um Leistungsschalter oder Leitungsschutzschalter handeln, wobei die Schalteinrichtungen 3, 8, 9 vorzugsweise ein Kurzschlussschaltvermögen von jeweils etwa 6 bis 15 kA aufweisen, wohingegen das Kurzschlussschaltvermögen der Schalteinrichtung 10 insbesondere bei etwa 15 bis 50 kA liegt. Die Schalteinrichtungen 3 und 8 bis 10 sind kaska- diert . Sie schützen das Netz oder/und die Verbraucher 11, 12 und 13 selektiv. Dies bedeutet, dass bei einem Fehlerfall, wie z.B. einem Kurzschluss, nur diejenige der Schalteinrichtungen 3, 8, 9 und 10 abschaltet, die dem Fehlerort am nächs- ten liegt. Auf diese Weise wird erreicht, dass nur der feh ^¬ lerhafte Teil des Netzes ausfällt. Der Rest bleibt betriebs ^¬ bereit .

In FIG 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer in der Hauptlei- tung 1 angeordneten selektiven Schalteinrichtung 14 in schaltschematischer Darstellung gezeigt. Sie stellt ein konkreteres Ausführungsbeispiel für die in FIG 1 gezeigte Schalteinrichtung 3 dar. Sie enthält einen schaltbaren Strompfad 15 mit einer Serienschaltung 16 eines Schaltelements 17, eines Strombegrenzerelements in Form eines PTC-Widerstands 18 und eines Thermoauslöseelements in Form eines Bimetallele ^¬ ments 19. Die Reihenfolge der Anordnung der genannten Kompo ^¬ nenten in der Serienschaltung 16 ist beliebig.

Das Bimetallelement 19 ist mittels einer mechanischen Thermo- schlosswirkverbindung 20 mit einem Schaltschloss 21 gekoppelt. Zwischen dem Schaltschloss 21 und einem beweglichen Kontaktteil 22 des Schaltelements 17 ist eine mechanische Entklinkungswirkverbindung 23 vorgesehen.

Das Schaltelement 17 ist selbst schaltend ausgeführt. Es hat einen dynamisch öffnenden Schaltkontakt, der auch das in FIG 2 nur schematisch angedeutete bewegliche Kontaktteil 22 um- fasst. Das dynamische öffnungsverhalten wird durch einen hohen Stromfluss im Strompfad 15 verursacht.

Im Folgenden werden die Wirkungsweise und besondere Vorteile der Schalteinrichtungen 3 und 14 beschrieben.

Die Schalteinrichtungen 3 und 14 sind zur Einbindung in ein selektives Abschaltkonzept für ein elektrisches Teilnetz, wie es beispielsweise in FIG 1 gezeigt ist, bestimmt.

Selektives Abschalten bedeutet, dass von zwei in Reihe ange ^¬ ordneten Schalteinrichtungen, wie beispielsweise der Schalteinrichtung 3 und einer der Schalteinrichtungen 8 bis 10 gemäß FIG 1, im Kurzschlussfall zunächst die nachgeordnete Schalteinrichtung abschaltet. Im Ausführungsbeispiel von FIG 1 ist dies eine der Schalteinrichtungen 8 bis 10. Dabei kann es vorkommen, dass der Kurzschlussstrom durch diese Maßnahme nicht (komplett) abgestellt wird, da z.B. der Kurzschluss ^¬ strom zu hoch ist oder die nachgeordnete Schalteinrichtung defekt ist. Nur dann soll die vorgeschaltete Schalteinrich ^¬ tung - im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 also die Schaltein ^¬ richtung 3 - abschalten. Mittels dieser Schaltreihenfolge wird im Fehlerfall nur der fehlerbehaftete Zweig des durch die Schalterkaskade überwachten Teilnetzes frei geschaltet, während der Rest des Teilnetzes zugeschaltet und damit be ^¬ triebsbereit bleibt.

Um das beschriebene selektive Abschalten zu gewährleisten, schalten die Schalteinrichtungen 3 und 14 erst mit einer bestimmten Verzögerung ab. Letztere ist entweder vorgegeben oder kann in insbesondere weiten Grenzen dimensioniert wer- den. Sie hängt außer von der Zeit auch von dem Stromfluss ab.

Im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 bewirkt das Bimetallele ^¬ ment 19 die für die selektive Abschaltung erforderliche Ver ^¬ zögerung. Das Bimetallelement 19 ist im Wesentlichen ein Strom-Zeit-Integrator. Ab einem bestimmten Auslösegrenzwert des Strom-Zeit-Integrals ist eine thermisch bedingte Aus ^¬ oder Verbiegung des Bimetallelements 19 so groß, dass mittels der Thermoschlosswirkverbindung 20 die Entklinkung im Schalt- schloss 21 veranlasst wird. Die Entklinkung bewirkt mittels der Entklinkungswirkverbindung 23 eine endgültige öffnung des Kontaktteils 22 und damit des Schaltelements 17 insgesamt. Es kann dann nicht mehr ohne gezielte Betätigung von außen zu- oder zurückfallen.

Wann der Auslösegrenzwert erreicht wird, hängt maßgeblich von der Höhe des Kurzschlussstroms ab. Bei einem hohen Kurz ^¬ schlussstrom ist die Zeitspanne bis zum Auslösen kürzer als bei einem niedrigen Kurzschlussstrom. Hieran zeigt sich das integrierende Verhalten des auslösenden Bimetallelements 19.

Bei mittleren Kurzschlussströmen begrenzt der PTC-Widerstand 18 über seinen positiven Temperaturkoeffizienten den Stromfluss. Dies schützt das Bimetallelement 19 und das Schaltele ^¬ ment 17 vor einer überlastung.

Bei sehr großen Kurzschlussströmen mit Werten von beispielsweise bis zu 6 kA und mehr wird der Stromfluss außer durch den PTC-Widerstand 18 auch durch den sich dynamisch öffnenden Schaltkontakt des Schaltelements 17 begrenzt. Am Schaltkon- takt bildet sich dabei ein Lichtbogen aus.

Sollte der Strom wieder zurückgehen, weil beispielsweise eine der nachgeordneten Schalteinrichtungen den Fehlerort zwi-

schenzeitlich abgeschaltet hat, fällt der noch nicht ent ^¬ klinkte Schaltkontakt wieder zu und der normale Betriebsstrom kann weiterhin ungehindert zu dem nicht abgeschalteten Teil der Verbraucher fließen.

Steht der Kurzschlussstrom dagegen über einen bestimmten Zeitraum an, sodass der Auslösegrenzwert des Strom-Zeit- Integrals des Bimetallelements 19 überschritten wird, veran- lasst das Bimetallelement 19 die Entklinkung im Schaltschloss 21 und das Schaltelement 17 wird endgültig abgeschaltet.

Trotz des sehr einfachen Aufbaus mit insbesondere nur einem einzigen (Haupt-) Strompfad ermöglicht die Schalteinrichtung 14 ein sicheres selektives Abschalten. Diese Selektivität lässt sich mittels einer geeigneten Dimensionierung des PTC- Widerstands 18 und/oder des Bimetallelements 19 über einen großen Kurzschlussstrombereich einstellen. Insbesondere können so Kurzschlussströme von 25 kA und mehr sicher beherrscht werden .

Der einfache Aufbau zeigt sich außerdem auch darin, dass für die Schalteinrichtung 14 kein Magnetsystem benötigt wird.

Die vorteilhafte Strombegrenzung mittels des PTC-Widerstands 18 und des dynamisch öffnenden Schaltkontakts des Schaltele ^¬ ments 17 führt zu einem sehr robusten Aufbau, der einen Schutz vor überlastung bietet und folglich eine niedrige Störanfälligkeit aufweist.