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Wechselstromkurzschlüsse selbsttätig abschaltender elektromagnetischer Leistungsschalter
Auf dem Gebiete der Elektrizitätsversorgung tritt durch die immer stärkere Verwendung des elektri- schen Stromes in Industrie und Haushalt, insbesondere in den Grossstädten, eine weitgehende Vermaschung der Netze in Erscheinung, woraus sich zwangsläufig ein starkes Anwachsen der Kurzschlussströme ergibt.
Die Folge davon ist, dass die Schaltgeräte bei Kurzschlussabschaltungen wesentlich höheren Beanspruchungen ausgesetzt sind als früher. Es werden demnach erhöhte Anforderungen an die Bauart der Selbstschalter für Kurzschlussabschaltungen gestellt. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es notwendig, die einzellen Beanspruchungsfaktoren und deren Einflüsse bei der Abschaltung von Kurzschlüssen genau zu untersu- -hen und die Ergebnisse bei der Konstruktion neuzeitlicher Selbstschalter auch im Hinblick auf deren Wirtschaftlichkeit zu berücksichtigen.
An Hand der Fig. 1 und 2 der Zeichnung wird vorerst auf den Abschaltvorgang eines Wechselstromkreises bei Kurzschluss näher eingegangen.
Bei Einleitung eines Kurzschlusses durch den Kurzschliesser K in dem in Fig. 1 dargestellten Wechselstromkreis, wie er im praktischen Betrieb vorkommt', bestimmen der Widerstand R und die Induktivität L die Höhe und Phasenlage des eingeschwungenen Kurzschlussstromes, bezogen auf die Netzspannung U. Die Grössen R, L sollen hiebei sowohl sämtliche im Stromkreis vorhandenen Widerstände und Induktivitäten als auch diejenigen des Schaltgerätes S enthalten. Der Verlauf, den der Kurzschlussstrom bei jedem einzelnen Kurzschluss hat, hängt nun sehr stark davon ab, zu welchem Zeitpunkt, bezogen auf die Kurve der Netzspannung bzw. auf die Kurve des eingeschwungenen Kurzschlussstromes, der Kurzschluss eingeleitet wird.
Die Fig. 2 zeigt verschiedene Stromkurven, wobei die Zeitpunkte der Kurzschlusseinleitung mit I, II und III bezeichnet sind. Der Zeitpunkt II fällt mit dem Nulldurchgang der Kurve 1 des eingeschwungenen Kurzschlussstromes zusammen. Der Stromverlauf entspricht daher einer Sinuslinie. In den beiden übrigen Fällen tritt das bekannte Ausgleichsglied zu dem sinusförmigen Stromverlauf hinzu und es ergeben sich die beiden eingezeichneten Stromkurven 2,3.
Wie aus der Theorie der Schaltvorgänge bekannt ist, wird der Verlauf des abklingenden Ausgleichsgliedes durch den Leistungsfaktor bestimmt, während sein Höchstwert vom Schaltaugenblick abhängt.
Je nach Verlauf des Kurzschlussstromes wird durch den Kurzschlussauslöser im allgemeinen über die Schaltmechanik die Kontaktstrecke geöffnet und es tritt an den Kontakten die Bogenspannung UB (Fig. l) mf. Der weitere Verlauf des Kurzschlussstromes hängt vom Leistungsfaktor des Stromkreises einerseits und ier Höhe der Bogenspannung anderseits ab. Je höher die Lichtbogenspannung im Verhältnis zur Netzspanlung ist, umso schneller wird bei gleichem Leistungsfaktor der Kurzschlussstrom auf den Wert Null zurückgeführt. Dieser Zeitpunkt liegt in jedem Falle vor dem Nulldurchgang der unbeeinflussten Stromkurve.
Die Gesamtdauer des Kurzschlusses (Gesamtausschaltzeit) hängt davon ab, wie gross einerseits die Zeitdauer vom Kurzschlussbeginn bis zum Öffnen der Kontakte (Ausschaltverzug) und wie gross anderseits die Lichtbogendauer, d. h. die Zeit vom Öffnen der Kontakte bis zum Erlöschen des Lichtbogens ist. Der Ausschaltverzug setzt sich aus der Auslösezeit, d. h. der Zeit vom Beginn des Kurzschlusses bis zum Entklinken der Schaltermechanik und der Eigenzeit des Schaltgerätes zusammen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Auslösezeit offenbar sehr stark vom Schaltaugenblick abhängig.
Bekanntlich werden an die Kurzschlussauslöser von Leistungsschaltern Forderungen in dem Sinne gestellt, dass sie bei einem bestimmten Vielfachen des Nennstromes ansprechen sollen. Diese Auslöser wer-
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den also erst dann überhaupt auf den Kurzschlussstrom reagieren, wenn er den Wert ihres Ansprechstromes überschreitet.
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lich der Kurve des eingeschwungenen Kurzschlussstromes), vom Leistungsfaktor des Kurzschlusskreises und dem Verhältnis Ansprechstrom des Auslösers zur Höhe des eingeschwungenen Kurzschlussstromes abhängt.
Der zweite Zeitanteil, die Eigenzeit des Schalters, ist im allgemeinen nur vom mechanischen Aufbau des Gerätes abhängig und wird von den elektrischen Grössen des Schalters und Kurzschlusskreises nicht beeinflusst.
Der dritte Zeitanteil, nämlich die Lichtbogendauer wird umso kleiner, je höher die Lichtbogenspannung an den Kontakten ist und je schneller diese hohe Spannung erreicht wird. Versuche zeigten, dass namentlich der Anstieg der Lichtbogenspannung sehr stark von der Höhe des Stromes im Öffnungsmoment der Kontakte abhängig ist, u. zw. wird der Anstieg umso langsamer erfolgen, je höhere Werte der Strom erreicht hat. Mithin wird also auch die Lichtbogenzeit von der Grösse des Ausschaltverzuges beeinflusst.
Als zwei für die Beanspruchung eines Leistungsschalters charakteristische Grössen können die beim Abschaltvorgang in der Schaltkammer durch den Lichtbogen erzeugte Lichtbogenarbeit und die in den stromführenden Teilen während des Kurzschlusses umgesetzte Verlustarbeit, worunter insbesondere die Joul'schen Verluste des thermischen Auslösers fallen, betrachtet werden. Die Lichtbogenarbeit hängt von der Höhe des im Öffnungsmoment der Kontakte fliessenden Stromes, vom Stromverlauf wahrend der Lichtbogendauer, von der Lichtbogendauer sowie von der Bogenspannung ab. Die Stromhöhe im Öffnungsmoment ist, wie aus dem vorhergesagten ersichtlich, durch den Ausschaltverzug gegeben und damit ist dieser im Zusammenhang mit der Lichtbogenspannung für die Lichtbogenarbeit von grossem Einfluss.
Die Verlustarbeit hängt, wie ohne weiteres einzusehen ist, im wesentlichen von der Gesamtdauer des Kurzschlusses sowie vom Stromverlauf, insbesondere der Stromhohe ab.
In den Diagrammen der Fig. 3 upd 4 sind an Hand ermittelter Stromkurven unabhängig vom Schaltaugenblick die Höchstwerte für die Lichtbogenarbeit und die Verlustarbeit in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung im Verhältnis zur Netzspannungsamplitude mit dem Ausschaltverzug als Parameter dargestellt.
Diesen beiden Darstellungen kann entnommen werden, dass die Kurven für die Lichtbogenarbeit mit steigender Lichtbogenspannung nach einem sehr steilen Anstieg bis zu einem Maximum wieder abfallen und die Kurven für die Verlustarbeit unter gleichen Bedingungen einen starken Abfall aufweisen. Daraus ergibt sich, dass bei einer sehr kleinen Lichtbogenspannung zwar die Lichtbogenarbeit klein ist, dagegen aber die Verlustarbeit hohe Werte annimmt. Beide Grössen sind dabei gar nicht oder nur wenig vom Ausschaltverzug abhängig.
Auch in dem Bereich, in dem die Lichtbogenarbeit ein Maximum aufweist, hat die Verlustarbeit noch hohe Werte, wobei sich lediglich bei sehr kleinem Ausschaltverzug ein Abfall bemerkbar macht. Erst wenn man über das Maximum der Lichtbogenarbeit hinausgeht, tritt ein Abfall der Lichtbogenarbeit und der Verlustarbeit ein, der umso grösser ist, je kleiner der Ausschaltverzug gewählt wird. Das Arbeiten in den rechten, von der Mitte der Diagramme ausgehenden Gebieten hat demnach den Vorteil, dass die Lichtbogenarbeit und die Verlustarbeit auf ausserordentlich geringe Werte gebracht werden können.
Aus diesen Überlegungen ergibt sich, dass ein Selbstschalter mit hoher Lichtbogenspannung etwa gleich der Höhe der Netzspannungsamplitude und mit kleinem Ausschaltverzug von etwa 1 m/sec wesentlich günstigere Ergebnisse zeigt als die bisher auf dem Markt befindlichen Geräte. Als Vergleich hiezu ist in den Fig. 3 und 4 die Lage der Arbeitspunkte für einen Selbstschalter SI herkömmlicher Bauart und für einen Selbstschalter 52 gemäss den vorstehend genannten Überlegungen eingezeichnet.
Der bekannte Selbstschalter Sl hat mit Rücksicht auf seinen Einsatz bei 220 V eine Lichtbogenspannung von etwa 300 V. Bei einer Priifspannung von 380 V + 10tao ergibt sich eine Netzspannungsamplitude von etwa 600 V, so dass das Verhältnis der Lichtbogenspannung zur Netzspannungsamplitude etwa 0, 5 ist, während bei dem neuen Selbstschalter S2 die Lichtbogenspannung etwa gleich der Netzspannungsamplitude, also das Verhältnis etwa gleich 1 ist.
Für die Schaffung eines neuzeitliche Anforderungen erfüllenden Selbstschalters genügt es jedoch kei- neswegs, einfach von dem Gedanken einer hohen Lichtbogenspannung und eines kleinen Ausschaltverzuges Gebrauch zu machen. Es sind vielmehr hiefür aus nachstehend genannten Gründen noch weitere technische Gesichtspunkte massgebend.
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So wurde festgestellt, dass der Ausschaltverzug sehr stark davon abhängt, in welchem Schaltaugenblick der Kurzschluss eingeleitet wird, da der Stromanstieg von diesem stark abhängig ist. Hiebei verstreicht einmal eine unterschiedliche Zeit bis zum Erreichen des Ansprechwertes des magnetischen Auslösers, zum andern bedingt der unterschiedliche Stromanstieg eine unterschiedliche Beschleunigung des magnetischen Auslösers, so dass also für verschiedene Schaltwinkel der Ausschaltverzug verschiedene Werte annehmen muss. Eine weitere Grösse, die den Ausschaltverzug wesentlich beeinflusst, ist die Höhe des Ansprechwertes des magnetischen Auslösers. Dieser wird im allgemeinen als Verhältniswert, bezogen auf den Nennstrom, z. B. 6 x Jn angegeben.
Die Zeit bis zum Erreichen dieses Ansprechwertes wird daher von dem Verhältnis zwischen Ansprechstrom und eingeschwungenen Kurzschlussstrom abhängig sein.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass die an der Kontaktstrecke erzielte Lichtbogenspannung nicht konstant ist, sondern je nach der Schalterkonstruktion mehr oder weniger stark schwankt. Ferner wird sie auch, ebenfalls abhängig von der Schalterkonstruktion, ihren Mittelwert während der Lichtbogendauer, im allgemeinen im fallenden Sinne, mehr oder weniger stark ändern.
Auf Grund dieser Tatsachen mussten daher, da die Höhe der Lichtbogenspannung und die Grösse des Ausschaltverzuges lediglich nur als Richtwerte dienen konnten, weitere Überlegungen darüber angestellt werden, in welcher Weise die vorstehend erwähnten technischen Erfordernisse festgelegt werden können.
Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein.
Es wurde festgestellt, dass als charakteristische Grösse für die Lösung des gestellten Problems und der gestellten Aufgabe die Kurzschlussdauer (Gesamtausschaltzeit) verwendet werden kann, und dass bei einer maximalen Kurzschlussdauer für bestimmte Kombinationen von Lichtbogenspannung und Ausschaltverzug gewisse Höchstwerte für Lichtbogenarbeit und Verlustarbeit bei beliebigen Schaltwinkeln nicht t1berschrit- ten werden.
Man kann diesen Grenzwert der Kurzschlussdauer bzw. der Gesamtausschaltzeit dadurch unterschreiten, dass einmal eine sehr hohe Lichtbogenspannung mit einem grösseren Wert des Ausschaltverzuges und zum andern eine weniger hohe Lichtbogenspannung mit einem sehr kleinen Ausschaltverzug kombiniert wird, wobei für die Leistungsgrenze des Schalters nur die gesamte Kurzschlussdauer ausschlaggebend ist.
So ist aus Fig. 3 ersichtlich, dass man beispielsweise für die Lichtbogenarbeit des neuen Schalters S2 den gleichen Wert erhält, wenn die Lichtbogenspannung auf das 1, 5-fache der Netzspannungsamplitude gebracht wird, wobei der Ausschaltverzug etwa 1, 5 m/sec beträgt, während für den eingetragenen Punkt dieses Schalters, der Wert für das Verhältnis von Lichtbogenspannung zur Netzspannungsamplitude 1 und für den Ausschaltverzug 1 m/sec ist. Die gleichen Voraussetzungen gelten auch für die Verlustarbeit.
Es lassen sich also zur Erreichung optimaler Eigenschaften durch geeignete Kombinationen von hoher Lichtbogenspannung und kleinem Ausschaltverzug, u. zw. unter den verschiedensten Variationen ausserordentlich günstige Beanspruchungen für das Schaltgerät einhalten, wobei diese Beanspruchungen für keinen Schaltaugenblick (Kurzschlussbeginn) überschritten werden. Untersuchungen zeigten, dass auch unter Berücksichtigung des vom Schaltaugenblick abhängigen Ausschaltverzuges die in den Diagrammen 3 und 4 angegebenen Werte nicht überschritten werden, wenn etwa der kleinste Wert des Ausschaltverzuges bei den ganzen Überlegungen zugrunde gelegt wird.
Da im allgemeinen von einem Schaltgerät verlangt wird, dass es bestimmte Kurzschlussströme, d. h.
Werte des eingeschwungenen Kurzschlussstromes bei gegebenem Leistungsfaktor des Kurzschlusskreises einwandfrei unterbrechen soll, so kann die Beanspruchung des Schaltgerätes von der konstruktiven Seite her sehr stark dadurch beeinflusst werden, dass man also dafür Sorge trägt, die Kurzschlussdauer niedrig zu halten. Sie ist jedoch, wie bereits erwähnt, sehr stark vom Kurzschlussbeginn, d. h. vom Schaltzeitpunkt (Schaltwinkel) abhängig. Da also die einzelnen Beanspruchungswerte für die verschiedenen Schaltzeitpunkte sehr unterschiedlich sind, ist es wichtig, diejenigen mit. den ungünstigsten Beanspruchungen zu vermeiden. Es ist bekannt, dass man durch geeignete Steuermittel die Öffnung der Schaltstrecke nur in bestimmten Schaltzeitpunkten zulässt.
Durchgeführte Versuche zeigten, dass man jedoch eine weitgehende Unabhängigkeit der Schaltgerätebeanspruchung vom Schaltwinkel und damit eine starke Herabsetzung der höchsten Beanspruchungswerte dann erreichen kann, wenn man durch geeignete Kombination von hoher Lichtbogenspannung und kleinem Ausschaltverzug dafür Sorge trägt, dass die grösste Gesamtausschaltzeit des Leisturgsschalters für beliebige Schaltwinkel unter gewisse Werte heruntergesetzt wird.
Bei einem Wechselstromkurzschlüsse selbsttätig abschaltenden elektromagnetischen Leistungsschalter mit kleinem Ausschaltverzug und hoher Lichtbogenspannung werden nun erfindungsgemäss die Auslösevorrichtung hinsichtlich ihres Ausschaltverzuges und das durch an sich bekannte Mittel, wie grosse Schaltstrecke und Schaltgeschwindigkeit, grossen Lichtbogenraum sowie allenfalls Lichtbogenunterteilung und magnetische Beblasung, eine Lichtbogenspannung von etwa der Grösse der Netzspannungsamplitude her-
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vorrufe'1de und diese aufrecht erhaltende Schal. kammersystem derart aufeinander abgestimmt, dass bei einem Leistungsfaktorbereich von 0. 7 bis 0,85 und einem Verhältnis zwischen Ansprechstrom und einge- schwungenem Kurzschlussstrom von 1 :
10 die grösste Gesamtausschaltzeit für die ungünstigste Phasenlage des Kurzschlussbeginns unter 10 m/sec liegt.
Die Höhe der festgestellten Werte für die Gesamtausschaltzeit in Abhängigkeit vom Leistungsfaktor und dem Verhältnis zwischen dem Ansprechstrom des Leistungsschalters und der Höhe des eingeschwunge- nen Kurzschlussstromes geht aus Fig. 5 hervor, wobei die Kurve 4 dem Verhältnis l : 10, die Kurve 5 dem Verhältnis 1 : 15, die Kurve 6 dem Verhältnis l : 20 und die Kurve 7 dem Verhältnis 1 : 40 zugeordnet ist. Man kann ferner aus der Fig. 5 erkennen, dass in dem Leistungsfaktorbereich von 0, 7 bis 0,85 die Gesamtau. schaltzeit in jedem der genannten Fälle unterhalb 10 m/sec liegt.
Für die Massnahmen, mit denen diese Abstimmung durchgeführt werden kann, können, wie bereits erwähnt, bei Selbstschaltern au sich bekannte Mittel dienen, von denen nachstehend einige aufgezählt werden.
Bei einem Leistungsschalter mit Einfachunterbrechung kann beispielsweise der Lichtbogen in der
Schaltkammer in an sich bekannter Weise in eine grosse Anz. 1hl Teillichtbogell unterbrochen werden. Fer- ner kann auch durch die an sich bekannte Mehrfachunterbrechung und durch Verwendung entsprechender
Lichtbogenkammern eine hohe Lichtbogenspannung erzielt und durch geeignete Anordnung der Kontakte sowie insbesondere durch magnetische Beblasung dafür Sorge getragen werden, dass der Lichtbogen mög- lichst sehne ? ! seine maximale Länge und somit seine höchstmögliche Spannung erreicht.
Zur Erzielung eines kurzen Ausschaltverzuges können beispielsweise Auslose- und Eigenzeit für sich möglichst klein gehalten werden. Zur weiteren Verringerung des Ausschaltverzuges kann beispielsweise der magnetische Auslöser des Leistungsschalters, wie an sich bekannt, gleichzeitig mit der oder kurz nach dem Entklinken der Schaltmechanik unmittelbar die Kontaktstrecke öffnen. In diesem Falle ist es denk- bar, den als Schlaganker ausgebildeten Anker des Magnetsystems sowohl auf die Klinkenanordnung der
Schaltmechanik als auch auf den beweglichen Schaltkontakt derart einwirken zu lassen, dass die Entklin- kung der Schaltmechanik spätestens gleichzeitig mit der Kontaktöffnung erfolgt.
In Fig. 6 ist eine Auslösevorrichtung mit Schlaganker gemäss der Erfindung dargestellt.
Der Schlaganker 8 des magnetischen Auslösers 3 trägt ein Betätigungsglied 10 mit einem Anschlag 11.
Das Betätigungsglied 10 wirkt beim A. nzug des Schlagankers 8 unmittelbar auf den unter dem Druck der Fe- der 12 stehenden, mit dem festen Gegenkontakt 13 zusammenarbeitenden Kontakt 14 und der Anschlag 11 auf die Klinke 15 der vollständigen Schaltmechanik 16 ein.
Die Abstände a, b, c sind hiebei entsprechend bemessen, u. zw. ist der Abstand a grösser oder höch- stens gleich dem Abstand b, so dass die Entklinkung der Schaltmechanik 16 entweder kurz vor oder mit der unmittelbar durch dasBetätigungsglied 10 des Schlagankers 8 bewirkten Beeinflussung der Kontakte 13,14 erfolgt. Durch eine derartige Anordnung wird vor allem erreicht, dass auch bei schwachem Ansprechen des
Ankers 8 die Kontakte 13,14 geöffnet werden.
Es sei im Zusammenhang mit dem erfindungsgemässen Leistungsschalter noch darauf hingewiesen, dass wohl Selbstschalter mit Schlaganker und einer durchBlasbleche verstärkten magnetischen Blasung bekannt sind. Bei diesen bekannten Selbstschalter wird aber eine erfindungsgemässe Abstimmung zwischen Auslö- semechanismus und Schaltkammersystem nicht vorgenommen. Die hiebei verwendete magnetische Bla - sung hat wohl bei hohen Strömen eine hohe Lichtbogenspannung zur Folge. Entscheidend ist aber nicht die absolute Höhe der Lichtbogenspannung, sondern die relative Höhe der Lichtbogenspannung zur Netz- spannungsamplitude und die Aufrechterhaltung dieser hohen Lichtbogenspannung.
Es wird demnach bei diesen bekannten Schaltern insbesondere mit Rücksicht auf die Abschaltung von Gleichstrom bei 220 V Netzspannung durch eine scharfe magnetische Blasung in kleinen Schaltkammerräumen eine für diese
Gleichspannung genügend hohe Lichtbogenspannung erzielt, die aber keinesfalls mit der Netzspannungs- amplitude der Wechselspannung übereinstimmende hohe Werte erreicht und aufrechterhält.
Um einen den neuzeitlichen Anforderungen genügenden Leistungsschalter zu erhalten, muss ferner auch erfindungsgemäss die Abstimmung zwischen Auslösevorrichtung und Schaltkammersystem derart erfolgen, dass bei einem genügend kleinen Ausschaltverzug in Verbindung mit einer darauf abgestimmten hohen Lichtbogenspannung die kritischen Werte für die Gesamtausschaltzeit gemäss Fig. 5 für keinen
Schaltwinkel überschritten werden. Nur in einem solchen Falle kann die Beanspruchung der Leistungs- schalter weitgehend herabgesetzt oder bei gegebenen Schalterabmessungen die Schaltleistung wesentlich erhöht werden.