Die vorliegende Erfindung betrifft einen Niederspannungs-Lastschalter mit verbesserten Funktionen und Eigenschaften; ausdrücklicher gesagt wird der Ausdruck "Niederspannungs-Lastschalter" verwendet, um sich auf einen Lastschalter für Anwendungen mit Betriebsspannungen unter 1000 Volt zu beziehen.

Im Allgemeinen werden in industriellen elektrischen Niederspannungssystemen, bei denen hohe Ströme und daher hohe Leistungsniveau auftreten, spezifische Geräte, die im Stand der Technik üblicherweise als automatische Lastschalter gekannt, normalerweise verwendet.

Die Lastschalter, die typischerweise mit Wechselströmen arbeiten, deren Nennbetriebslasten gemäß den Anwendungen in einem großen Bereich, typischerweise von ein paar Hundert zu mehreren Tausend Ampere, schwanken können, werden entworfen, um bestimmte Leistungen zu gewährleisten, die erforderlich sind, um den richtigen Betrieb des elektrischen Stromversorgungs-Schaltkreises, den sie schützen, und der mit ihm verbundenen Lasten zu sichern.

Im Besonderen schützen sie die Lasten vor abnormen Ereignissen, die z.B. durch Kurzschlüsse oder Überlasten verursachte Funktionsstörungen verursacht werden, durch automatische Öffnung des Stromversorgungs-Schaltkreises; sie erlauben die korrekte Einfügung/Ausschluss von Lasten in/von dem elektrischen Stromversorgungs-Schaltkreis; sie stellen sicher, dass der Nennstrom für die verschiedenen angeschlossenen Verbraucher tatsächlich dem erforderlichen Strom entspricht, und erlauben, durch manuellen Eingriff über einen Bedienhebel des Lastschalters und durch entsprechende Trennung der beweglichen Anschlüsse von den festen Anschlüssen, die komplette Isolierung einer Last von einer Stromversorgungsquelle und die folgende Trennung des von ihnen geschützten Schaltkreises. Diese Lastschalter werden konzipiert, um diese Leistung ebenso wie andere Eigenschaften für eine angestrebte Nutzungsdauer zu sichern; im Besonderen definieren Hersteller, gemäß der Vorschriften der anwendbaren Standards, eine mechanische Lebensdauer des Lastschalters, verstanden als die Anzahl von Öffnungs/Schließbewegungen, die der Lastschalter in Abwesenheit eines Stroms ausführen kann, und eine elektrische Lebensdauer, verstanden als die Anzahl von Öffnungs/Schließschalthandlungen, die er in Gegenwart eines der erforderlichen Nennlast entsprechenden Strom ausführen kann.

Zur Zeit gibt es einige konstruktive Lösungen für Niederspannungs-Lastschalter, die hauptsächlich zwei Techniken zur Stromabschaltung verwenden: nämlich, eine erste Technik, Luft-isolierte Abschaltung genannt, in der die Kopplung/Entkopplung der Anschlüsse in der Luft bei Raumtemperatur und Raumdruck geschieht; und eine zweite Technik, vakuumisolierte Technik genannt, in der die Kopplung/Entkopplung der Abschlüsse in einer Vakuumumgebung geschieht. Bei beiden Abschaltungsmethoden geschehen die Öffnungs/Schließschalthandlungen durch Verwendung geeigneter Betätigungsgeräte, die wirkend mit den beweglichen Anschlüssen des Lastschalters verbunden werden und Energie liefern, die gebraucht wird, um die beweglichen Anschlüsse zu bewegen und ihre Kopplung/Entkopplung mit den entsprechenden festen Anschlüssen hervorzurufen.

In dem gegenwärtigen Stand der Technik bestehen die verwendeten Betätigungsgeräte allgemein aus Betätigungsgeräten des mechanischen Typs, die zweckdienliche federbelastete kinematische Systeme verwenden. Ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist z.B. aus EP-A-0 867 903 bekannt. Die Verbindung der Betätigungsgeräte mit den zwei verwendeten Abschaltungsmethoden bringt auf jeden Fall einige Nachteile mit sich, obwohl sie ausreichende Ausführung der vom Lastschalter erforderten Funktionen erlaubt.

Im Besonderen haben Lastschalter mit Luft-isolierter Abschaltung und mechanischer Betätigung eine mechanische Lebensdauer, die von ein paar Tausend bis maximal ein paar Zehntausende Schalterhandlungen schwanken kann, und eine erheblich kurzere elektrische Lebensdauer, die hauptsächlich auf die Bildung starker elektrischer Bogen zurückzuführen ist, die die Anschlüsse erheblich verschlechtern. Im Fall der Verbindung der mechanischen Betätigung mit der Vakuumabschaltungsmethode wird die elektrische Lebensdauer beträchtlich verlängert und erreicht praktisch dieselbe Größenordnung wie die mechanische Lebensdauer. In beiden Fällen, um die angestrebte mechanische Lebensdauer sicherzustellen, ist es aber notwendig, einen komplizierten Wartungsplan während der Benutzung des Lastschalters zu programmieren und richtig durchzuführen, um die durch Abnutzung und Alterung, die für mechanische Systeme typisch sind, verursachten Schwankungen auszugleichen. So ein Wartungsplan erzwingt offensichtlich die Entfernung des Lastschalters vom aktiven Betriebseinsatz, die Verwendung von Arbeitskraft und den folgenden Aufwand von Zeit und Geld, und ist besonders lästig bei allen Anwendungen, in denen es wesentlich ist, Schutz vor unerwarteten Abschaltungen, wie z.B. in der verarbeitenden Industrie zu gewährleisten.

Es sollte auch beachtet werden, dass Betätigungsgeräte mit federbelasteten kinematischen Systemen von Natur aus kompliziert und sperrig sind; das Niveau der mechanischen Energie, die sie entwickeln müssen, ist proportional zu dem verschiedenen Niveau der elektrischen Leistung des Lastschalters, in dem sie verwendet werden, z.B. Betätigungsleistung für Kurzschlüssen, Nennstrom, undsoweiter, und erfordert lange und komplizierte Prüfungs- und Eichungsoperationen.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist, einen Niederspannungs-Lastschalter bereitzustellen, der eine längere Nutzungsdauer als bekannte Lastschaltertypen hat, und gleichzeitig erlaubt, die zur Gewährleistung der Nutzungsdauer erforderlichen Wartungsmaßnahmen völlig auszuschließen oder zumindestens erheblich zu reduzieren.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung innerhalb dieser Aufgabenstellung ist einen Niederspannungs-Lastschalter bereitzustellen, dessen Nutzungsdauer erheblich länger ist als Lastschalter im Stand der Technik und im Besonderen diejenigen, deren mechanische und elektrische Lebensdauer maximiert wird und im Wesentlichen dieselben Werte haben.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Niederspannungs-Lastschalter bereitzustellen, dessen konstruktiver Aufbau wesentlich unkomplizierter als bekannte Lastschaltertypen ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist einen Niederspannungs-Lastschalter bereitzustellen, der sehr zuverlässig, relativ einfach herzustellen und kostengünstig ist.

Diese Aufgabe, diese Ziele und hiernach deutlich werdende andere werden durch einen Niederspannungs-Lastschalter mit einem Vakuumgehäuse, das mindestens einen festen Anschluss und mindestens einen beweglichen Anschluss umfasst, die entsprechend einem angeschlossenen/offenen Zustand des Lastschalters gegenseitig gekoppelt/entkoppelt werden kann, und Betätigungsmittel, die wirkend mit dem beweglichen Anschluss verbunden sind und die zum Bewegen des beweglichen Anschlusses und zum Bestimmen seiner Kopplung/Entkopplung hinsichtlich des festen Anschlusses benötigte Energie liefern, gelöst, wobei der Niederspannungs-Lastschalter dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einschaltmittel einen elektromagnetischen Aktuator umfassen.

Auf diese Weise wird durch Verwendung eines Betätigungssystems des elektromagnetischen Typs und durch Ausführung der Öffnungs/Schließschalthandlungen in Vakuum der zweifache Vorteil erhalten, dass die Nutzungsdauer des Lastschalters erheblich verlängert wird und gleichzeitig die erforderlichen Wartungsmaßnahmen während der Verwendung des Lastschalters ausgeschlossen oder zumindest erheblich reduziert werden; der Aktuator des elektromagnetischen Typs ist in Wirklichkeit praktisch frei von den Abnutzungs- und Alterungsproblemen, die typisch für mechanische Aktuatoren sind.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden deutlich aus der Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Niederspannungs-Lastschalters, als nicht begrenzendes Beispiel in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Niederspannungs-Lastschalters ist;

2 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Aktuators ist, der im erfindungsgemäßen Lastschalter verwendet werden kann.

Mit Bezug auf 1 umfasst der allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichnete erfindungsgemäße Niederspannungs-Lastschalter ein Gehäuse 1, das in Vakuum ist und mindestens einen festen Anschluss 7 und mindestens einen beweglichen Anschluss 6 umfasst. Im Besonderen kann das Vakuumgehäuse 1, welches die Abschaltungskammer des Lastschalters bildet, von einer zweckmäßig geformten Glühbirne gebildet werden, innerhalb welcher das Vakuum gehalten wird; die Ausführungsform der Glühbirne und die Art und Weise, das Vakuum innerhalb der Glühbirne zu halten, sind dem Fachmann bekannt und werden folglich nicht weiter beschrieben.

Der feste Anschluss 7 wird durch ein herkömmliches Leitmittel 4, z.B. einen Kupferstab, elektrisch an einen Verbraucher (nicht gezeigt) angeschlossen; wiederum wird der bewegliche Anschluss 6 durch ein Leitmittel 5 elektrisch an ein Stromversorgungsleitung (auch nicht in den Figuren gezeigt) angeschlossen. Das Leitmittel 5 kann aus einer Vielzahl von flexiblen Metallbändern gebildet werden, die zusammengepackt und an den gegenüberliegenden Enden perforiert werden, um Mittel für die Verbindung mit dem beweglichen Anschluss 6 und der Stromversorgungsleitung aufzunehmen. Wie schematisch in 1 gezeigt, gemäß einer Lösung, die strukturell einfach und funktionell effektiv ist, werden die Metallbänder angeordnet, um im Wesentlichen eine U-förmige Kurve zu bilden. Falls ein Kurzschlusszustand auftritt, werden auf diese Weise die zwei Arme der U-förmige Kurve von zwei Kräften beeinflusst, die derart in der entgegengesetzten Richtung orientiert sind, dass sie die Abstoßkräften entgegenwirken, welche während eines Kurschlusses erzeugt werden und dazu neigen, die Anschlüsse voneinander zu trennen. Auf diese Weise ermöglichen die Bänder, die Anschlüsse für einen kurzen Anfangszeitabstand des Kurzschlusses geschlossen zu halten, während welchem z.B. ein anderer möglicherweise im Stromversorgungsnetz enthaltener Lastschalter eingreifen kann, um unzeitigen Eingriffen und die Deaktivierung von Verbraucher zu vermeiden, die stattdessen mit einem korrekten Betrieb fortfahren können. Sobald diese Zeitintervall abgelaufen ist, trennen die Anschlüsse, falls keine anderer Lastschalter (wenn vorhanden) eingegriffen hat.

Die Bewegungen, um den Lastschalter 100 zu öffnen schließen, werden durch Bewegen des beweglichen Anschlusses 6 vorgenommen, um sein Eingreifen/Lösen hinsichtlich des entsprechenden festen Anschlusses 7 zu erzeugen; die zur Durchführung dieser Schalthandlungen erforderliche Energie wird von geeigneten Betätigungsmitteln geliefert, die wirkend mit dem beweglichen Anschluss 6 kraft einer allgemein mit Bezugszeichen 3 in 1 bezeichneten kinematischen Kette verbunden werden. In der in der 1 gezeigten Ausführungsform wird der Einfachheit der Beschreibung halber nur ein einziger Pol des Lastschalters 100 gezeigt.

In der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Niederspannungs-Lastschalters umfassen die Betätigungsmittel einen elektromagnetischen Aktuator 2; die Verwendung eines Aktuators dieses Typs erlaubt, die Nutzungsdauer des Lastschalters erheblich zu verlängern, da er die für Aktuatoren des mechanischen Typs typischen Probleme der möglichen Abnutzung und/oder Beschädigung nicht hat, und insbesondere erlaubt, die elektrische Nutzungsdauer des Lastschalters praktisch gleich zu seiner mechanischen Nutzungsdauer zu machen. Darüber hinaus stellt der elektromagnetische Aktuator die richtige Ausführung der Öffnungs/Schließungsbewegungen des Lastschalters sicher ohne irgendwelche Wartungsmaßnahmen während seiner Nutzungsdauer oder mindestens für eine erhebliche Anzahl von Schalthandlungen zu erfordern. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektromagnetische Aktuator 2 ein Dauermagnet-elektromagnetischer Aktuator. Eine denkbare Ausführungsform des Dauermagnet-Aktuators 2 wird in der europäischen Patentanmeldung Nr. 97 203 501.8 beschrieben, deren Beschreibung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Der Dauermagnet-Aktuator 2, insbesondere wie in 2 gezeigt, umfasst ein Magnetjoch 10, einen Anker 30, der sich innerhalb des vom Joch 10 gebildeten Raums bewegen kann, und eine Drehachse 20, die am Anker 30 befestigt wird und geeignet ist, die Bewegung zur kinematischen Kette 3 und damit schließlich zum beweglichen Anschluss 6 zu übertragen.

Der bewegbare Anker 30 kann auf verschiedene Weise gemäß der Anwendungen und/oder spezifischen Anforderungen geformt werden und monolithisch bereitgetellt und aus ferromagnetischem Material oder mittels einer Vielzahl von gestapelten magnetischen Blechen hergestellt werden. Wiederum besteht das Joch 10 aus zwei mit Bezugszeichen 40 und 50 jeweils bezeichneten Kernteilen, die ein E-förmiges Profil haben und auf eine geeigneten Träger, nicht gezeigt, montiert werden, so dass sich zwei jeweils mit Bezugszeichen 18 und 19 bezeichnete Luftlücken zwischen ihnen bilden. Zwei jeweils mit Bezugszeichen 26 und 27 bezeichnete Dauermagnete werden auf den gegenüberliegenden Oberflächen der zwei Zwischenarme 13 und 23 der Kerne 40 und 50 montiert; darüber hinaus werden zwei Anregungsspulen 44 und 45 in dem zwischen den Zentralenarmen 13 und 23 und den zwei jeweils mit Bezugszeichen 41 und 22 bezeichneten Endarme der Kerne 40 und 50 gebildeten Raum angeordnet.

Falls es in der Praxis notwendig ist, den Lastschalter zu öffnen oder zu schließen, wird eine der zwei Spulen, z.B. die Spule 44, je nach dem Typ des durchzuführenden Manövers, elektrisch erregt; Die Erregerenergie wird zur Spule 44 durch eine mit Bezugszeichen 8 in 1 schematisch bezeichnete Stromversorgungseinheit geliefert, die vorzugsweise gemäß einer einfachen, nicht sperrigen und wirkungsvollen Lösung, einen oder mehrere Kondensatoren umfasst, welche entsprechend dimensioniert werden und durch das Leitungsnetz oder durch eine Hilfselektrizitätsquelle mit Strom versorgt werden. Die Stromversorgungseinheit 8 wird wirkend durch eine elektrische Befehlseinheit 9 gesteuert, welche auch an der Versorgungsnetz angeschlossen wird; die elektrische Befehlseinheit löst den Eingriff der Stromversorgungseinheit 8 nach einem Eingriffsbefehl aus, der z.B. von einem Schutzsystem oder einem Operator stammt; auf diese Weise entregen und erregen die Kondensatoren die Spule.

Der durch die elektrisch erregte Spule erzeugte Fluss erlaubt die durch die Dauermagneten 26 und 27 auf den Anker 30 angewandte Haltekraft zu überwinden und seine Bewegung in Richtung der erregten Spule 44 hervorzurufen. Auf diese Weise bewegt sich die Drehachse 20 translatorisch und übermittelt die Bewegung zu der kinematischen Kette 3. Wie schematisch in 1 gezeigt, umfasst die kinematische Kette 3 zwei Verbindungen 35 und 36, die die Bewegungen von der Drehachse 20 zu einem Übertragungshebel 37 übermitteln; der Übertragungshebel 37 ruft durch Drehen um seinen Schwenkpunkt 38 die Bewegung einer Kopplungsdrehachse 39 hervor, die starr daran gekoppelt wird und mit dem beweglichen Anschluss 6 verbunden wird. Auf diese Weise bewegt sich der letztere folglich, um die gewünschte Operation auszuführen. Offensichtlich kann die kinematische Kette 3 nach den Anwendungen und/oder spezifischen konstruktiven Anforderungen entsprechend modifiziert werden, z.B. durch Ändern der Anzahl ihrer konstruktiven Komponenten, ihrer relative Anordnung und/oder ihrer geometrischen Konfiguration. Sobald die Operation ausgeführt ist, wird die Spule 44 nicht mehr erregt und nehmen die Dauermagneten wieder die Anwendung einer Haltekraft auf den Anker 30 auf, um ihn in einem stabilen Gleichgewicht in der schon erreichten Position zu halten. Eine Operation in umgekehrter Form hinsichtlich der oben beschriebenen Umschaltung wird exakt dieselbe, aber auf umgekehrte Weise durch Erregung, in diesem Fall, der Spule 45 bereitgestellt.

Offensichtlich erlaubt die Verwendung eines derartigen Aktuators die konstruktive Architektur des Lastschalters hinsichtlich des Standes der Technik durch Weglassen oder zumindestens erhebliches Reduzieren der Notwendigkeit von Federn und/oder von anderen komplizierten und sperrigen Komponenten erheblich zu vereinfachen. Die Tatsache sollte auch betont werden, dass die Vakuumabschaltungstechnik nicht zu viel umschaltende Kräfte benötigt, damit die Kombination der Abschaltungsmethode mit einem elektromagnetischen Aktuator einen synergistischen Effekt hervorruft, der erlaubt, die geometrische und Energiebemessung des Lastschalters in der Gesamtheit weiter zu optimieren und Prüfung und Eichungsoperationen auch zu reduzieren.

Alternativ ist es auch möglich, einen elektromagnetischen Aktuator ohne Dauermagneten zu verwenden; in diesem Fall muss jedoch der Aktuator mit einem System versehen werden, das geeignet ist, um die Drehachse 20 in stabilem Gleichgewicht in den Positionen, welche sie am Ende der Umschaltungsoperation erreicht, zu halten, unterschiedlich von was bei Verwendung von Dauermagneten geschieht, wobei diese Funktion automatisch und ohne Verwendung von zusätzlichen Komponenten geschieht.

Der Einfachheit der Beschreibung halber stellt 1 einen einpoligen Lastschalter dar; die oben beschriebene Lösung kann auf jeden Fall leichter und effizient in dem Fall eines mehrpoligen Lastschalters ausgeführt werden. In diesem Fall verwendet jeder Pol ein Vakuumgehäuse 1, das mindestens einen festen Anschluss 6 und mindestens einen beweglichen Anschluss 7 umfasst. Jeder bewegliche Anschluss 6 wird wirkend an Betätigungsmittel angeschossen, welche die zum Bewegen des beweglichen Anschlusses und zum Bestimmen der Kopplung/Entkopplung gegenüber den entsprechenden festen Anschlüsse geforderte Energie liefern.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird für jeden Pol ein einziger elektromagnetischer Aktuator 2 vorgesehen, der wirkend an den entsprechenden beweglichen Anschluss angeschlossen wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Pole unabhängig voneinander zu betreiben. Zum Beispiel ist es durch entsprechendes Programmieren der elektronischen Befehlseinheit 9 möglich, eine Strategie von Umschaltungsoperationen in Bezug auf die Phasen des elektrischen Netzwerks, an dem der Lastschalter angeschlossen wird, zu realisieren. Im Besonderen ist es möglich, Messmittel wie Messtransformatoren zu verwenden, die Information über die Strom- und/oder Spannungstendenz der Netzwerkphasen zu der Einheit 9 senden; die Einheit 9 wiederum treibt auf Basis der erhaltenen Informationen den Aktuator 2, um synchronisierte Operationen für jede Phase unabhängig von den anderen durchzuführen.

Diese Lösung bringt große Vorteile hinsichtlich der Entfernung oder zumindestens erheblichen Reduzierung von Spannungs- und Stromübergang im Netzwerk, ebenso wie hinsichtlich Beschränkungen elektrodynamischer und thermischer Beanspruchungen, mit erheblichen Folgeleistungen für sowohl im elektrischen Netzwerk anwesende Geräte als auch für den verwendeten Lastschalter, um seine Nutzungsdauer erheblich zu verlängern und Funktionssicherheit erheblich zu erhöhen.

Alternativ ist es möglich, einen einzigartigen elektromagnetischen Aktuator 2, eine Antriebswelle, die wirkend mit dem elektromagnetischen Aktuator 2 verbunden ist und für jeden Pol eine kinematische Kette 3, die geeignet ist, um jeden beweglichen Anschluss mit der Antriebswelle zu verbinden, zu verwenden. Die Öffnungs-/Schließoperationen des Lastschalters in dieser Ausführungsform geschieht gleichzeitig für alle Pole, wie oben beschrieben, und können in einer synchronisierten Weise für eine als Referenz angesehene Phase realisiert werden.

In der Praxis hat es sich erwiesen, dass der erfindungsgemäße Niederspannungs-Lastschalter die angestrebte Aufgabe völlig löst und die angestrebten Ziele völlig erreicht, da seine Nutzungsdauer hinsichtlich bekannter Typen von Lastschaltern praktisch ohne Benötigung von Wartungsmaßnahmen, eine Folgeleistung hinsichtlich Technik und Wirtschaftlichkeit, verlangt wird.

Die Tatsache sollte nicht unbeachtet bleiben, dass alle innovativen Funktionen und die erfinderischen Aspekte des Lastschalters durch Verwendung handelsüblicher Elemente und Materialien mit viel niedrigeren Kosten gemäß einer konstruktiven Lösung erreicht werden können, die einfacher und kompakter als die herkömmlichen Technik ist.