<Desc/Clms Page number 1>
Elektrischer Überstromselbstschalter
Die in leistungsstarken Anlagen auftretenden Kurzschlussströme erreichen bereits Werte in der Grössenordnung von los A. Neben der damit verbundenen thermischen Beanspruchung der Anlagenteile wirken sich insbesondere die vom Kurzschlussstrom hervorgerufenen elektrodynamischen Kräfte ausserordentlich schädlich aus. Auch die Schaltgeräte, welche die Anlage schützen sollen, müssen wie diese den, Kräften standhalten. wenn sie nicht zerstört werden sollen. Bekanntlich wirken die elektrodynamischen Kräfte im Sinne einer Kontaktabhebung, die insbesondere bei Drehstrom in den meisten Fällen ein Verschweissen der Kontakte zur Folge hat. Die Verschweissung führt jedoch zur Verhinderung des Abschaltens und macht somit die Funktion des Schalters unmöglich.
Da der Ausschaltverzug der bisherigen Überstromselbstschalter für Drehstromanlagen in der Grössenordnung von 20 bis40 ms liegt, kann sich stets der Kurzschlussstrom ungestört ausbilden und auf Anlage und Schalter voll wirksam werden. Die Schaltstücke heben dann beim Überschreiten eines bestimmten Stromwertes in jeder Halbwelle ab und schliessen sich beim Stromnulldurchgang wieder. Der bei jeder Abhebung entstehende Kurzschlusslichtbogen schädigt durch starken Abbrand die Kontakte, und schliesslich verschweissen die an der Stromübergangsstelle verflüssigten Kontakte miteinander.
Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, die elektrodynamische Kontaktabhebung zu beseitigen.
Insbesondere wurden zahlreiche Anordnungen bekannt, bei denen eine Kompensation der kontaktabhebenden Kräfte dadurch erreicht werden sollte, dass sich durch geeignete Wahl der Stromführung eine Kontaktkraftverstärkung ergibt, die die Abhebekraft aufheben soll.
In den meisten Fällen ordnete man einen Teil der Strombahn in Schleifenform an, zwischen deren Hin- und Rückführung beim Stromdurchgang abstossende Kräfte auftreten, die man auf die Kontaktstelle im Sinne einer Kontaktkraftverstärkung wirken lässt. Schliesslich ist eine derartige Kompensation nur bis zu bestimmten Strömen wirksam, oberhalb der sie versagt, weil die Kräfte an der Stromengstelle zu hoch werden oder die an der Übergangsstelle erzeugte Wärme zu gross wird.
Um bei den hohen Kurzschlussströmen noch funktionstüchtige Schaltgeräte zu erhalten, muss neben der Kompensation mit ausserordentlich hohen Kontaktkräften gearbeitet werden, die es gestatten, dass während des Ausschaltverzuges der Kurzschlussstrom über die Kontakte fliesst, ohne Schäden an diesen hervorzurufen. Das bedingt unwirtschaftlich schwere Schalterkonstruktionen. Aber nicht nur das Schaltgerät muss für den Kurzschlussstrom dimensioniert werden.
Da dieses den Kurzschlussstrom in seiner Höhe nicht begrenzt, ist auch der gesamte vom Kurzschlussstrom erfasste Teil der Anlage so zubemessen, dass er den dynamischen Beanspruchungen gewachsen ist. So müssen z. B. die Sammelschienen aus Gründen einer hinreichenden Festigkeit im Kurzschlussfall oftmals viel stärker bemessen werden, als das ihre thermische Belastbarkeit erfordert. Es erscheint deshalb notwendig, nach Wegen zu suchen, durch die erreicht wird, dass sich der Kurzschlussstrom gar nicht erst bis zu einer gefährlichen Höhe ausbilden kann, also solchen Einrichtungen den Schutz der Anlage zu übertragen, die strombegrenzend wirken, jedoch nicht mit derartigen Nachteilen behaftet sind, wie z. B. Sicherungen (nur einmaliger Verwendbarkeit, nur einpolige Abschaltschaltung usw.).
Bekannt ist auch die strombegrenzende Wirkung der Gleichstrom-Schnellschalter, die aber schon wegen ihrer Grösse für den dreipoligen Schutz von Drehstromkreisen ausscheiden.
<Desc/Clms Page number 2>
Es ist ein Überstromselbstschalter für Wechselstrom bekannt, bei dem zum Schutz gegen"Schweiss- wirkung"kontaktabhebender elektrodynamischer Kräfte ein vom Hauptstrom erregter Magnet vorgesehen ist, dem Kontaktsperrglieder zugeordnet sind, die, durch das Ansprechen der Magnete bei oder vor Erreichung der elektrodynamischen Abhebestromstärke betätigt, die beweglichen Schaltstück in abgehobener Lage vor der endgültigen Ausschaltstellung gegen Rückgang in die Einschaltlage sperren. Hier wird also die Kontaktabhebung zugelassen, jedoch sorgt eine vom Kurzschlussstrom erregte Magnetanordnung mit Sperrgliedern dafür, dass der abgehobene Kontakt beim nächsten Stromnulldurchgang nicht wieder am Gegenkontakt zum Anliegen kommt und verschweisst.
Entsprechend diesem Prinzip existiert bereits eine Leistungsschalterreihe.
Ein schwerwiegender Nachteil dieser Anordnung ist jedoch darin zu sehen, dass bei Kurzschlussströmen, die den für die Kontaktabhebung charakteristischen Wert noch nicht erreichen, ein Zustand so niedriger Kontaktkraft auftritt, dass zwar noch keine Abhebung, dafür aber eine zu Schäden führende Überhitzung der Kontaktstelle zu verzeichnen ist. Auch kann der Strom eine bereits zur Abhebung ausreichende Höhe haben, jedoch ist der Abhebeweg noch so gering, dass die Sperrung noch nicht einfällt. Die Kontakte verschweissen dann mit Sicherheit.
Es ist weiterhin ein Schnellschalter bekanntgeworden, bei dem die Öffnungsbewegung des Schalters unmittelbar durch die elektrodynamische Abstossung erfolgt. Hier besteht die Leiterschleife aus zwei parallel zueinander verlaufenden geraden Schienen, deren eine fest angeordnet ist und deren andere den beweglichen Kontaktarm bildet. Durch einen fremderregten Magnet, der durch den zu unterbrechenden Hauptstrom geschwächt werden kann, wird der bewegliche Kontaktarm bis zu einem bestimmten Strombetragin der Kontaktstellung gehalten. Bei dieser Anordnung tritt ein Unsicherheitsbereich dann ein, wenn die in der Leiterschleife auf dem beweglichen Kontaktarm unmittelbar wirkende elektrodynamische Abstossung gleich oder annähernd gleich der Kontaktkraft wird. Das hat einen grossen Kontaktabbrandund schliesslich ein Verschweissen der Kontaktstücke zur Folge.
Hier setzt der Erfindungsgedanke ein mit einer Anordnung, die für Schalter jeder Polzahl, Stromart, Nennstromstärke und Betriebsspannung geeignet ist und zum Ziel hat, die Kontakte im Kurzschlussfall noch vor dem Erreichen des vollen Stromwertes zu öffnen und damit durch die Einschaltung des Lichtbogens strombegrenzend zu wirken, jedoch dabei die Nachteile der beschriebenen Anordnung zu vermeiden.
Die besondere Ausbildung des erfindungsgemässen Überstromselbstschalters besteht im wesentlichen darin, dass die Strombahn oder ein Teil der Strombahn vom Anschlussstück zum festen Kontakt eine aus zwei Schleifenzweigen bestehende, einseitig durchgeknickt haarnadelförmige Leiterschleife ist, deren konvexer Zweig starr und deren konkaver Zweig zu einem Kniehebel, der mit seinen freien Enden gelagert und zumindest mit einer Lagerstelle unter der Wirkung einer Druckkraft steht, ausgebildet sind und wobei der Kniehebel bei Überstrom aus der Einschaltknicklage in die Ausschaltknicklage überspringt und dabei den beweglichen Kontakt aufschlägt und geöffnet hält.
Die Anordnung nach der Erfindung ist in Fig. l dargestellt. Vom Anschlussstück 1 des festen Kontaktes fliesst der Strom über eine feste, zu einem stumpfen Winkel ausgebildete Stromschiene 2, über das flexible Band 3, zu den zu einem Kniegelenk ausgebildeten Schenkeln 4 und 5, die im eingeschalteten Zustand parallel in geringem Abstand zur Schiene 2 liegen. Die Schenkel 4 und 5 stützen sich in einer Schneidenlagerung 7 und 8 ab, die unter der Wirkung zweier vorgespannter Federn 9 und 10 steht. Der Schenkel 5 ist über das flexible Band 11 mit dem festen Kontakt 12 verbunden. Der bewegliche Kontakt 13 wird mit der sich im Schalthebel 15 abgestützten Kontaktkraftfeder 14 gegen den festen Kontakt 12 gedrückt. Vom beweglichen Kontakt 13 fliesst der Strom über das'flexible Band 16 zum Anschluss 17.
Eine isolierende Zwischenlage 6 verhindert eine leitende Verbindung zwischen der Kniehebelanordnung und der festen Leiterschiene 2.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist aus den Fig. l und 2 zu erkennen. Im Falle des Auftretens eines Kurzschlussstromes wirken zwischen der Schiene 2 und den ihr in geringem Abstand gegenüberstehenden Schenkeln 4 und 5 starke elektrodynamische Kräfte im Sinne einer Abstossung. Diese Kraftwirkung tritt gleichzeitig mit dem Strom auf, da bei dieser Anordnung das die Kraftwirkung hervorrufende magnetische Feld durch Luft verläuft und mit dem Strom in Phase liegt, also nicht wie bei Verwendung eines Eisenkreises dem Strom mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung nacheilt. Da der Gelenkpunkt der zum Kniehebel ausgebildeten Schenkel 4 und 5 im Ruhezustand nur wenig von der Totpunktlage entfernt ist, bedarf es nur einer geringen abstossenden Kraft zwischen den Teilen 2 sowie 4 und 5, um ihn über den Totpunkt auszulenken.
Jetzt wird die Kraft der Federn 9 und 10 frei und bewirkt, dass der Kniehebel mit grosser Wucht gegen den beweglichen Kontakt 13 schlägt und diesen entgegen seiner Federkraft öffnet und ihn auch in dieser Öffnungsstellung festhält, bis schliesslich der ganze Schalter über die gleichzeitig ein-
<Desc/Clms Page number 3>
geleitete Schlossauslösung endgültig öffnet. Die Kontaktöffnung erfolgt auf diese Art ausserordentlich rasch, so dass durch den entstehenden Lichtbogen bereits eine Strombegrenzung eintritt, bevor sich der Kurzschlussstrom zu seinem vollen Wert ausgebildet hat. In der Prinzipskizze Fig. 2 ist die Anordnung im eingeschalteten und im ausgelösten Zustand gezeigt.
Die entscheidenden Vorteile dieser Anordnung bestehen darin, dass es kein Stromgebiet gibt, in dem ihre Arbeitsweise unsicher wird, dass entweder die Stromhöhe ausreicht, um das Kniehebelsystem ansprechen zu lassen, wobei dann in jedem Fall die Auslösung schlagartig erfolgt, oder aber der Strom genügt noch nicht dazu, wobei dann aber die Kontakte von der Auslöseeinrichtung völlig unbeeinflusst bleiben. Ferner sind keinerlei zusätzliche Sperrglieder erforderlich, um den Zustand der Kontaktöffnung auch beim Stromnulldurchgang aufrecht zu erhalten. Weil die für die Abstossung massgebenden magnetischen Felder nur durch Luft verlaufen, erfolgt die Auslösung ausserordentlich schnell.
Der Aufwand für eine Einrichtung nach der Erfindung ist verhältnismässig gering, so dass die Konstruktion mehrpoliger Überstromselbstschalter nach diesem Prinzip keinerlei Schwierigkeiten bereitet, wobei das Gerät nicht grösser zu werden braucht, als ein Schalter gleicher Nennstromstärke bisheriger Bauart.
Auch können bei der Verwirklichung dieses Prinzips die Kontaktkräfte wesentlich niedriger gewählt werden, als das bei den bisher üblichen Schaltern notwendig ist. Dieser Umstand wirkt sich günstig auf die Lebensdauer des Gerätes aus, sowie auf die Bemessung von Einschaltkraftantrieben.
Auf einfache Art lässt sich ein bestimmter Wert der Auslösestromstärke, bei der der Kniehebel den Kontakt aufschlagen soll, einstellen, indem man die Vorspannung der Federn 9 und 10 ändert oder den Abstand zwischen der Schiene 2 und dem Kniehebel 4, 5 vergrössert oder verkleinert. Dies gestattet auch, den Schalter neben dieser Schnellstauslösung nach der Erfindung zusätzlich mit einer Schnellauslösung bisher üblicher Bauart auszurüsten, die für die Auslösung des Schalters bei kleineren Kurzschlussströmen sorgt und die auch zur Lösung von Selektivitätsproblemen beliebig verzögert sein kann. Wird jedoch eine bestimmte Kurzschlussstromhöhe überschritten, dann kommt es zur Schnellstauslösung durch die Einrichtung nach der Erfindung, wie es bei schweren Kurzschlüssen auch erwünscht ist.
Je nachdem, welche Auslöseeinrichtung (Schnell- oder Schnellstauslösung) angesprochen hat, besteht auch gleich Klarheit über die Schwere des Kurzschlusses.
Die Vorteile eines Schalterprinzips nach der Erfindung gehen jedoch bei weitem über das Gerät selbst hinaus. Sowohl die Höhe des Kurzschlussstromes wie auch seine Dauer werden auf einen Bruchteil der Werte herabgesetzt, die in Anlagen mit Geräten bisher üblicher Bauart auftreten. Sowohl die dynamische wie thermische Beanspruchung aller Anlagenteile, wie Sammelschienen, Stromwandler usw.. nehmen in hohem Masse ab und können deshalb gegebenenfalls schwächer ausgebildet werden. Schalter nach der Erfindung können in Anlagen mit höchsten Kurzschlussströmen zur Verwendung kommen, da die Ströme bereits vor ihrer vollen Ausbildung begrenzt und abgeschaltet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrischer Überstromselbstschalter, vorzugsweise für Drehstrom, dessen Kontakte auf Grund elektrodynamischer Kraftwirkung beim Auftreten eines Kurzschlussstromes öffnen, bevor der Strom seinen Scheitelwert erreicht hat, daaurch gekennzeichnet, dass die Strombahn oder ein Teil der Strombahn vom Anschlussstück (1) zum festen Kontakt (12) eine aus zwei Schleifenzweigen (2 und 4, 5) bestehende, einseitig durchgeknickte haarnadelförmige Leiterschleife (2 ; 4 ; 5) ist, deren konvexer Zweig (2) starr und deren konkaver Zweig zu einem Kniehebel (4 ; 5), der mit seinen freien Enden gelagert und zumindest mit einer Lagerstelle (8 oder 7) unter der Wirkung einer Druckkraft steht, ausgebildet sind und wobei der
Kniehebel (4 ;
5) bei Überstrpm aus der Einschaltknicklage in die Ausschaltknicklage überspringt und dabei den beweglichen Kontakt (13) aufschlägt und geöffnet hält.