Beschreibung

ELEKTRISCHES SCHALTGERäT MIT MINDESTENS DREI IN REIHE GESCHALTETEN UND

GLEICHZEITIG öFFNENDEN KONTAKTPAARE

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät, insbe ^¬ sondere einen Niederspannungsleistungsschalter .

Schaltgeräte schützen elektrische Netze und Komponenten im Kurzschlussfall durch schnellen Aufbau einer hohen Gegenspan- nung. Diese begrenzt den auftretenden Kurzschlussstrom und unterstützt bei der Abschaltung des Kurzschlusses bzw. bei der Löschung eines entstehenden Lichtbogens. Um eine hohe Ge ^¬ genspannung zu erreichen, werden Systeme zur Lichtbogenunterteilung und zur Erhöhung der Brennspannung eingesetzt. Bei der Löschung des Lichtbogens werden Splittersysteme (Lichtbo ^¬ genlöschbleche) verwendet, welche die Bogenspannung durch Un ^¬ terteilung in Teillichtbögen erhöhen. Diese Unterteilung wird durch die Verwendung von zwei Unterbrechungsstellen in der Strombahn unterstützt, da dadurch ein schnellerer Aufbau der Bogenspannung erreicht werden kann.

Es sind bereits Schaltgeräte bekannt, bei denen für jede Pha ^¬ se wenigstens drei in Reihe geschaltete und im Falle eines Kurzschlusses gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig öffnende Kontaktpaare vorgesehen sind, die jeweils zumindest einen beweglichen Kontakt umfassen, und bei denen zumindest zwei bewegliche Kontaktarme vorgesehen sind, an denen jeweils zwei der beweglichen Kontakte angeordnet sind (DE 297 09 759 Ul, DE 23 38 637 Al) .

Durch die Verwendung von mehr als zwei Kontaktpaaren pro Phase werden die Ausschaltgeschwindigkeiten deutlich erhöht. Zugleich vergrößern sich die Trennstrecken (öffnungsstrecken) . Dabei bleiben die grundsätzliche Geometrie und die Ge- schwindigkeiten der beteiligten mechanischen Teile größtenteils unverändert. Im Ergebnis verbessert sich das Kurz- schlussausschaltvermögen . Teilung und Kühlung der Lichtbögen in den Löschkammern vereinfachen sich. Die Gefahr des Wider-

zündens der Lichtbögen nach einer Spannungsrückkehr ist verringert. Damit kann ein hoher Kurzschlussstrom auch bei einer hohen Schaltspannung sicher beherrscht werden. Auf aufwendige Verbindungssysteme, wie beispielsweise Stromseile (Stromlit- zen) , Stromgelenke oder dergleichen, kann dabei verzichtet werden .

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, elektrische Schaltgeräte, insbesondere Niederspannungsleistungsschalter, bereitzustellen, die unter geringem Energiebedarf sowohl bei Strom begrenzender als auch bei selektiver oder teilselektiver Anwendung ein öffnen aller Kontaktpaare sicherstellen.

Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Schaltgerät nach Anspruch 1 gelöst. Danach sind die beweglichen Kontaktarme durch Drehen einer einzigen Antriebswelle in einer öffnungsrichtung derart bewegbar, dass sich zwischen allen Kontaktpaaren jeweils eine Trennstrecke ergibt.

Bei der Erfindung ist der Energiebedarf für den Antrieb zum öffnen aller Kontaktpaare vergleichsweise gering, da das Be ^¬ wegen aller beweglichen Kontakte mittels einer einzigen Antriebswelle erfolgt.

Aufgrund der verringerten Aufprallenergie der mechanischen

Teile im Kurzschlussfall erhöht sich außerdem die Lebensdauer der Mechanik. Alternativ können mechanisch weniger belastbare, preiswertere Teile verwendet werden. In den meisten Fäl ^¬ len ist es zudem möglich, die Reihenanordnung der Kontaktarme mit einer Parallelanordnung von Kontaktarmen zu kombinieren. Dies ist von Vorteil zur Erhöhung der Stromstoßfestigkeit, der Erwärmungswerte bei Nennstrom und der Bemessungskurzzeit- stromfestigkeit .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die mit Hilfe von Zeichnungen

näher erläutert werden. Hierbei zeigen in vereinfachten, z. T. schematischen Darstellungen:

FIG 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung (Explosi- onsdarstellung) ,

FIG 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung (geschlossen) ,

FIG 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung (geschlossen) ,

FIG 4 die dritte Ausführungsform der Erfindung (offen) ,

FIG 5 eine vierte Ausführungsform der Erfindung (geschlossen) , und

FIG 6 die vierte Ausführungsform der Erfindung (offen) .

In den FIG 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele von Schaltanord ^¬ nungen für Niederspannungsschaltgeräte 1 abgebildet. Die mit den Schaltanordnungen zusammenwirkenden weiteren Teile der Niederspannungsschaltgeräte 1 sind aus Gründen der übersicht ^¬ lichkeit nicht mit abgebildet. Die dargestellten Schaltanord- nungen können jedoch in beliebigen Niederspannungsschaltgeräten 1 zum Einsatz kommen.

Die Schaltanordnungen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktpaare 2 bewegliche Kontakte 3 umfassen, welche an be- weglichen Kontaktarmen 4 (Kontakthebeln) angeordnet sind, wobei die Kontaktarme 4 vorzugsweise um eine Drehachse 5 schwenkbar sind, die senkrecht zu einer Kontaktarmlängs ^¬ richtung 6 verläuft.

Dabei sind die beweglichen Kontakte entweder an gegenüberlie ^¬ genden Enden 7, 8 eines Kontaktarms 4 angeordnet, wobei die Drehachse 5 vorzugsweise mittig durch den Kontaktarm 4 ver ^¬ läuft.

Das in FIG 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist drei Kon ^¬ taktarme 4 mit sechs in Reihe angeordneten Kontaktpaaren 2 auf. Das in FIG 2 dargestellte Ausführungsbeispiel mit stern- förmiger Anordnung der Kontaktarme 4 weist zwei Kontaktarme 4 mit vier Kontaktpaaren 2 auf.

Die Kontaktarme 4 liegen im geschlossenen Zustand an entspre ^¬ chend vorgesehenen Festkontakten 11 an, die von Stromschienen getragen werden. Diese Stromschienen dienen entweder als Anschlussschienen 12 zum Anschluss der jeweiligen Phase (Eingang bzw. Ausgang) und führen zu diesem Zweck nach außen weg, oder aber als Kontaktschienen 13 zur elektrischen Kontaktie- rung benachbarter Kontaktarme 4. Zwischen den Kontaktarmen 4 bzw. den Stromschienen 12, 13 sind - je nach Betriebsspannung - Isolierelemente, beispielsweise in Form von Rippen aus dem umgebenden Kunststoffgehäuse, vorgesehen (nicht abgebildet) .

Die in den FIG 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele zeichnen sich weiter dadurch aus, dass die Kontaktpaare 2 je ^¬ weils aus einem Festkontakt 11 und einem beweglichen Kontakt 3 gebildet sind. Dabei ist die Lage der Kontaktarme 4 zuein ^¬ ander unveränderbar.

Die Kontaktarme 4 verlaufen dabei entweder parallel zueinan ^¬ der (FIG 1) oder schließen zwischen sich einen Winkel α kleiner als 180°, vorzugsweise einen Winkel α von 90°, ein (FIG 2) . Die Kontaktpaare 2 verbleiben bei diesen Ausführungsbeispielen stets in einer festen geometrischen Zuordnung zueinander. Wenn der Schalter öffnet, ergeben sich zwischen den beweglichen Kontakten 3 und den Festkontakten 11 mehrere Trennstrecken. Dabei ist für jede Trennstrecke eine Lichtbo ^¬ genkammer 14 bzw. eine Lichtbogenlöscheinheit vorgesehen. Diese sind in der FIG 2 nur schematisch angedeutet.

Bei den in den FIG 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen sind sämtliche Kontaktarme 4 mit einer einzigen Antriebswelle 17 verbunden. Im Falle eines Kurzschlusses erfolgt eine Bewegung

der Kontaktarme 4 in öffnungsrichtung 18 und damit ein gleichzeitiges öffnen der Kontaktpaare 2. Dabei weist die durchgehende und isolierte Antriebswelle 17 ein gewisses Spiel auf, um den erforderlichen Anpressdruck der beweglichen Kontakte 3 auf die Festkontakte 11 im geschlossenen Zustand zu gewährleisten. Mit anderen Worten sind die Kontaktarme 4 an der Antriebswelle 17 federn gelagert. Die hierfür benötig ^¬ te Vorspannung wird von an Angriffsflächen der Antriebswelle 17 angreifenden Federelementen 19 (Kontaktdruckfedern) in dem Lager der Antriebswelle 17 erzeugt, vgl. FIG 1. Der notwendi ^¬ ge Anpressdruck wird in den anderen Ausführungen entweder e- benso oder mit ähnlichen Mitteln bewirkt.

Die in FIG 1 gezeigte Anordnung kann - falls es die Einbausi- tuation erfordert - selbstverständlich auch um 90° gekippt, d.h. zu Ungunsten der Polbreite, montiert werden derart, dass die Antriebswelle 17 nicht horizontal, sondern senkrecht ver ^¬ läuft.

Sämtliche Ausführungsbeispiele sind im Hinblick auf die An ^¬ zahl der eingesetzten Kontaktpaare 2 erweiterbar. So ist es beispielsweise möglich, das in FIG 1 abgebildete Ausführungs ^¬ beispiel mit weiteren Kontaktarmen 4 zu erweitern, beispielsweise auf eine Anordnung mit 6, 8 oder 12 Kontaktarmen 4 und entsprechend 12, 16 oder 24 Kontaktpaaren 2. Das in FIG 2 abgebildete Ausführungsbeispiel ist beispielsweise erweiterbar, indem mehr als zwei Kontaktarme 4 überkreuz miteinander verbunden werden. Je nach zur Verfügung stehendem Bauraum können dann beispielsweise drei, vier oder sechs Kontaktarme 4 eine radförmige Kontaktanordnung ausbilden. Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch möglich, die verschiedenen Ausführungsformen miteinander zu kombinieren.

In den FIG 3 bis 6 sind Ausführungsbeispiele von Schaltanord- nungen für Niederspannungsschaltgeräten abgebildet, die ebenfalls eine Dreifachunterbrechung in der abschaltenden Strombahn aufweisen. Die Strombahn ist dabei derart ausgeführt, dass zwei einander gegensätzlich zugeordnete Kontaktarme 4

eine elektrische Verbindung der Festkontakte 11 herstellen. Durch die Verwendung von drei Kontaktpaaren 2 wird unmittelbar nach der öffnung eine sehr hohe Lichtbogenspannung aufgebaut. Dies führt zu einer hohen Gegenspannung zur treibenden Spannung und sorgt so für eine starke Strombegrenzung und ei ^¬ ne kurze Lichtbogenlöschzeit und damit eine kurze Abschalt ^¬ zeit .

Dabei zeichnen sich diese Ausführungsbeispiele dadurch aus, dass die Kontaktpaare 2 bewegliche Kontakte 3 umfassen, wel ^¬ che an beweglichen Kontaktarmen 4 angeordnet sind, wobei die Lage der Kontaktarme 4 zueinander bei einem öffnen der Kontaktpaare 2 im Kurzschlussfall unverändert bleibt. Auch hier ist eines der Kontaktpaare 2, nämlich ebenfalls das mittlere Kontaktpaar 2, aus zwei beweglichen Kontakten 3 gebildet. Die beiden Kontaktarme 4 bilden eine Art Brückenkonstruktion zwischen den Festkontakten 11. Dabei sind die Kontaktarme 4 pa ^¬ rallel oder nahezu parallel zueinander angeordnet und be ^¬ schreiben im Kurzschlussfall eine gemeinsame Kreisbahn, wel- che eine gleichzeitige öffnung aller drei Kontaktpaare 2 zur Folge hat. In einer alternativen Ausführung (nicht dargestellt) kann es sich bei der Bewegungsbahn auch um eine Ellipsenbahn handeln.

Die Brückenkonstruktion zeichnet sich anders ausgedrückt da ^¬ durch aus, dass die beweglichen, als Brückenelemente dienen ^¬ den Kontaktarme 4 derart gelagert sind, dass über den gesam ^¬ ten Bewegungsablauf eine nahezu parallele Führung der Kon ^¬ taktarme 4 gesichert ist. Die Kontaktarme 4 sind dabei mit einer Antriebsvorrichtung verbunden, die über eine Antriebswelle 17 angetrieben wird. Die Antriebsvorrichtung ist gegen die Kontaktarme 4 isoliert, um einen Stromübergang über die Antriebsvorrichtung zu vermeiden. Hierzu dienen vorzugsweise blockförmige Isolierelemente 21, die in der Nähe der Kontakt- stellen angeordnet sind.

Bei der über die Antriebswelle 17 mit einem Schaltschloss (nicht abgebildet) verbundenen Antriebsvorrichtung handelt es

sich beispielsweise um ein Parallelgestänge 22 (Parallelsteg ^¬ konstruktion, Scherengelenk) , wie in den FIG 3 und 4 dargestellt. Eine solche Lösung ist vergleichsweise einfach und robust und zugleich besonders preiswert herstellbar.

Die Kontaktarme 4 sind an dem Parallelgestänge 22 derart an ^¬ gelenkt, dass das Parallelgestänge 22 bei einem öffnen der Kontakte rotiert und die beiden Kontaktarme 4 in einer waage ^¬ rechten Lage bleiben. Durch die Drehung öffnen und schließen der Kontaktarme 4 den Stromkreis. Durch die definierte Lage der Kontaktarme 4 zueinander auch während des öffnungsvorgangs ist ein definierter öffnungsweg zwischen den bewegli ^¬ chen Kontakten 3 und den Festkontakten 11 festgelegt.

Wiederum ist für jede Trennstrecke eine Lichtbogenkammer 14 bzw. eine Lichtbogenlöscheinheit vorgesehen, wie sie in den FIG 4 und 6 schematisch in Form von Löschblechpaketen angedeutet sind. Dabei ist sichergestellt, dass eine Zündung des Lichtbogens nur an den im Betriebsfall geschlossenen Kontakt- stellen erfolgt. An den sich im Bewegungsfall einander annä ^¬ hernden Kontaktenden ist mit Hilfe der Isolierelemente 21 si ^¬ chergestellt, dass kein Lichtbogenübergang stattfindet.

Alternativ dazu kann als Antriebsvorrichtung auch eine über die Antriebswelle 17 mit dem Schaltschloss verbundene Reib ^¬ radkonstruktion oder eine Zahnradkonstruktion, insbesondere eine Innen-Aussenzahnkonstruktion 23 vorgesehen sein, vgl. FIG 5 und 6. Eine solche Lösung hat den Vorteil, dass sie sich vergleichsweise einfach an die Drehbewegung eines Schaltschlosses anpassen lässt.

Die Innen-Aussenzahnkonstruktion 23 umfasst ein großes Zahnrad 24 und zwei kleine Zahnräder 25. Das große Zahnrad 24 ist als Innenzahnrad ausgeführt. Die beiden als Außenzahnräder ausgebildeten kleinen Zahnräder 25 sind mit den Kontaktarmen 4 fest verbunden und derart angeordnet, dass sie in die Zähne des großen Zahnrades 24 eingreifen. Dreht sich das große, äu ^¬ ßere Zahnrad 24 gegen den Uhrzeigersinn, dann drehen sich die

kleinen, inneren Zahnräder 25 im Uhrzeigersinn und die beiden als Brückenelemente dienenden Kontaktarme 4 bewegen sich aus ^¬ einander, wodurch der Stromkreis geöffnet wird. Während der Bewegung der kleinen Zahnräder 25 verbleiben die Kontaktarme 24 dabei in ihrer waggerechten Lage und parallel zueinander.

Bei den in FIG 3 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird durch die besondere konstruktive Ausges ^¬ taltung der Kontaktträger 26, welche die Festkontakte 11 und die beweglichen Kontakte 3 tragen, im überstromfall eine ab ^¬ stoßende Magnetkraft an den Kontaktstellen erzeugt. Diese Magnetkraft hat eine öffnung der einzelnen Trennstrecken zur Folge, wenn ein Kurzschlussfall mit sehr hohen Kurzschluss ^¬ strömen vorliegt (im Betriebsstromfall erfolgt die öffnung über das Parallelgestänge 22 bzw. die Innen-

Aussenzahnkonstruktion 23) . Dabei ist die krafterzeugende Konstruktion derart ausgelegt, dass eine gleichmäßige öffnung aller Kontaktpaare 2 erfolgt. Die abstoßende Magnetkraft rührt in den gezeigten Ausführungen von der stromrichtungsum- kehrenden U-Form der Kontaktträger 26 her. Im Ergebnis kann somit über die veränderte Stromrichtung das wirkende Magnet ^¬ feld und damit das Blasfeld für den gezündeten Lichtbogen be- einflusst werden. Alternativ zu dieser besonderen Form der Kontaktträger 26 können jedoch auch Slot-Motoren (Eisenkreis- Systeme) zur Beeinflussung der Blasrichtung eingesetzt werden .

Mit der oben beschriebenen Drehbewegung ist es im Kurzschlussfall möglich, die Lichtbögen von den Kontaktstellen wegzuziehen. Durch die U-Form der Kontaktträger 26 ist es möglich, den Lichtbogenverlauf auf definierte Art und Weise zu beeinflussen und die drei Lichtbögen in die bereitgehalte ^¬ nen Lichtbogenkammern 14 zu treiben.

Die sich durch die Magnetkräfte ergebenden öffnungsrichtungen 18 im Kurzschlussfall sind zusammen mit den Stromrichtungen 27 eingezeichnet. Die beiden den Festkontakten 11 zugeordne ^¬ ten beweglichen Kontakte 3 stoßen sich dabei von den Festkon-

takten 11 ebenso ab, wie die beiden mittleren Kontakte 3 untereinander .

Durch die Anordnung der Kontaktarme 4 sowie der einzelnen Kontakte 3, 11 wird eine schnelle öffnung und damit ein schneller Lichtbogenaufbau unterstützt. Insbesondere durch die Kreisbahnbewegung der „Brücke" wird eine besonders schnelle öffnung der mittleren Kontaktstelle erreicht. Die öffnungsgeschwindigkeit des mittleren Kontaktpaares 2 ist da- bei doppelt so groß wie die öffnungsgeschwindigkeit der äuße ^¬ ren Kontaktpaare 2.

Alle zuvor beschriebenen Schaltgeräte zeichnen sich dadurch aus, dass jedem Kontaktpaar 2 eine Lichtbogenkammer 14 zuge- ordnet ist. Dabei können mehrere identische (kleine) Lichtbo ^¬ genlöscheinheiten zum Einsatz kommen. Alternativ kann auch eine einzige (größere) Lichtbogeneinheit mit mehreren Kammer ^¬ räumen verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist es, dass auch mehrere Kontaktarme 4 pro Schaltstrecke (parallel) verwendet werden können (nicht abgebildet) .