Kontakteinrichtung, insbesondere für mechanische Grossgleichrichter Bei elektrischen Kontaktanordnungen, die vorübergehend oder auch dauernd Ströme von 10 000 A und mehr führen müssen, z. B. bei t xrossgleichriehtern, treten erhebliche dyna mische Kräfte auf, die eine abhebende Wir kung auf die Schaltstücke ausüben. Dies hat als erstes zur Folge, dass der Kontaktwider stand infolge des abnehmenden Kontaktdruk- kes höher wird; dadurch steigen die Verluste und insbesondere die so wichtige Kontakt spannung. Erreicht diese die sogenannte Schmelzspannung des Kontaktmaterials, bei Silber zum Beispiel 0,35 V, so tritt ein Ver schweissen der Kontakte auf.
Es kann aber aueh vorkommen, dass die Schaltstücke durch die abhebenden Kräfte geöffnet. werden, wobei dann ein Lichtbogen entsteht. Durch die ex plosionsartige Verdampfung von Kontakt material und Erhitzung der Luft zwischen den Schaltstücken treten zusätzliche abhebende Kräfte auf, so da.ss in solchen Fällen die Kon- laktflächen der Schaltstücke meist vollständig zerstört werden.
Es sind bereits eine Reihe von Vorschlä gen bekanntgeworden, um die kontaktabheben den Kräfte zu verringern oder durch zusätz- liehe kontaktanpressende Kräfte zu kompen sieren. Im, allgemeinen eignen sieh jedoch die bei Starkstromsehaltern angewendeten Mass nahmen nicht für Schaltpatronen, da ent weder der Aufbau der Patrone dadurch we sentlich komplizierter und teurer wird oder, was noch schwerwiegender ist, sich die Masse des beweglichen Schaltstückes erhöht.
Die vorliegende Erfindung zeigt eine an dere Lösung dieser Aufgabe. Sie betrifft eine Kontaktanordnung insbesondere für mecha nische Grossgleichrichter mit mindestenseinem feststehenden und einem beweglichen, z. B. elektromagnetisch betätigten, Schaltstück und ist gekennzeichnet erstens durch eine derar tige Ausbildung der Schaltstücke, dass im ge schlossenen Zustande je Unterbrechungsstelle wenigstens zwei Berührungspunkte vorhan den sind, und zweitens durch einen magne tischen Kreis, der im beweglichen Schaltstück quer zur Stromrichtung eine magnetische In duktion hervorruft, so dass eines derart hohe resultierende anpressende Kraft über den ganzen Strombereich erzeugt wird,
dass die Kontaktspannung innerhalb dieses Strom bereiches immer kleiner als die Schmelzspan nung des Kontaktmaterials mit dem tieferen Schmelzpunkt ist.
Das Wesen der Erfindung soll zunächst an Hand der Fig.1 bis 4 erläutert werden. In Fig. 1 bedeuten 1 und 2 zwei feststehende Schaltstüeke und 3 das bewegliche Schalt stück, das beispielsweise wie beim Kontakt umformer durch eine synchron angetriebene Stossstange 4 bewegt und durch eine Feder 5 angepresst wird.
Durch die gestrichelte Linie ist der mittlere Verlauf des Stromes I dar gestellt; die Berührung an den Kontaktstet- len erfolgt nun niemals über die ganze Flä che, sondern nur mehr oder weniger punkt- förmig. Im vorliegenden Fall ist angenom men, dass die eigentliche Berührung an den Stellen 6 und 7 erfolge.
Für die abhebende Kraft .P", bezogen auf beide Kontaktstellen 6 und 7, ergibt sich dann in Näherung nach stehende Beziehung:
EMI0002.0007
Die Grösse Ca, hängt zwar noch von dein Kontaktdruck, der Härte und dem spezifi schen Widerstand des Kontaktmaterials ab, liegt jedoch für Silberkontakte bei Anpress- drücken von 10<B>...</B> 20 kg in der Grösse von etwa 5 kg/A2 je Doppelkontakt. n bedeutet die Zahl der Berührungspunkte je Unterbre chungsstelle.
Infolge der nach aussen gebo genen Stromschleife ergibt sich im allgemei nen noch eine Zusatzkraft, da sich die Induk- tivität dieser Schleife vergrössern möchte. Sie kann jedoch durch geschickte Anordnung klein gegenüber der abhebenden Kraft durch die Stromengen gemacht werden. Sowie die abhebenden Kräfte grösser werden als die Federkraft K, tritt eine Kontakttrennilng mit den eingangs geschilderten Auswirkungen auf.
Es kann jedoch bereits viel früher zu einer Schädigung der Kontaktanordnung kommen, nämlich dann, wenn der Kontaktdruck so weit herabgesetzt wird, dass an den Stellen 6 und 7 die Schmelzspannung des Kontakt materials erreicht wird, da dann die Schalt stücke an den Berührungsstellen verschwei ssen.
Man könnte nun daran denken, eine an pressende Kontaktkraft F, in an sich bekann ter Weise durch Ausbildung der Stromschleife gemäss Fig. 2 zu erzeugen. Unter entsprechen den Annahmen, wie sie bei Fig.1 gemacht wurden, ergibt sich die Schliessungskraft F5 gemäss nachstehender Beziehung:
EMI0002.0021
wobei C,. bei Schaltpatronen kaum grösser als 0,5 kg/A2 gemacht werden kann. Die ab- hebende Kraft ist praktisch von gleicher Grösse wie in Fig.1. Man erkennt. daher, dass bei nur einem Berührungspunkt je Unterbre chungsstelle die abhebenden Kräfte rund zehnmal grösser sind als die anpressenden.
Die Massnahme gemäss Fig. 2 bedeutet somit keine wesentliche Verbesserung. blau könnte nun die Zahl der Berührungspunkte n je Unter brechungsstelle so weit erhöhen, dass wenig stens die abhebenden Kräfte nicht grösser wer den als die anpressenden. Im vorliegenden Fall müsste man auf jeder Seite zehn fest stehende, jedoch etwas nachgiebige Kontakt finger anordnen und zudem noch die Ab kröpfung der Zuleitungsschienen, wie in Fig.2 angedeutet, in Kauf nehmen. Beide Massnahmen lassen sich jedoch bei Schalt patronen praktisch nicht verwirklichen.
Wesentlich günstiger liegen nun die Ver hältnisse, wenn man, wie in Fig. 3 angedeutet ist, in dem beweglichen Sehaltstüek selbst eine magnetische Querinduktion B hervorruft. Dies kann entweder durch Fremderregung, zweckmässig jedoch mit. Hilfe des durch die Patrone fliessenden Stromes selbst oder eines Teils davon, bewirkt werden.
Nimmt man all, dass es insbesondere bei Kurzschluss infolge der dann vorhandenen grossen treibenden Am perewindungen möglich ist, eine Querinduk tion von etwa 12 000 Gauss zu erzeugen, so ergibt sich unter den gleichen Annahmen wie bisher ein Kraftgesetz von nachstehendem Aufbau
EMI0002.0034
das heisst bei I = 7.0 000 A entstellt ein zu sätzlicher A.npr essdriiek von etwa. 10 kg.
In Fig. 4 ist der Verlauf der verschiedenen Kräfte F", F5, F'6 und der ma-netisehen Zug kraft F", aufgetragen, so wie er sich für eine 2000-A-Sclialtpatrone etwa ergibt. Dabei wurde angenommen, dass die Zahl der Be rührungspunkte je Unterbrechungsstelle n = 3 sei.
Die abhebende Kraft F" entsprechend Fig.l und 2 nimmt quadratisch mit dem Strom zu und erreicht bei etwa 27 kA bereits die magnetische Zugkraft F,". Bei grösserem Strom. würde somit bei einer Anordnung nach Fig.1. eine Kontakttrennung auftreten.
Die Schliessungskraft F5 entsprechend der Anord nung nach Fig.2 nimmt ebenfalls quadra tisch zu, ist. aber kleiner als F". Die Differenz zwischen den Kurven F" und F, verringert somit die magnetische Zugkraft, so dass die resultierende Kraft F', bei 45 kA praktisch gleich 0 ist. Längst vorher tritt jedoch be reits eine schädigende Wirkung auf die Selialtstüeke auf.
Demgegenüber ist der Verlauf der Schlie ssungskraft F', wesentlich günstiger. Sie steigt annähernd linear an, wobei angenommen wer den kann, dass bei sehr grossem Strom die Konstante C', noch etwas zunimmt., da bei ,geeigneter Formgebung des magnetischen Kreises Induktionen von über 12 000 Gauss erzeugt. werden können. Schon bei mässigem Leberstrom tritt eine Erhöhung des Kontakt druckes über den Wert F", auf, der dann sehr bald rund den doppelten Wert von F", er reicht.
Damit ist, aber die Gewähr gegeben, dass die Kontaktanordnung bis zum vollen Kurzschlussstrom von 50 kA einwandfrei ar beitet. -Man erkennt, dass dieses Ziel nur durch die Kombination der beiden erfinderischen Massnahmen, nämlich Schaffung von wenig stens zwei Berührungspunkten je Unterbre chungsstelle und Erzeugung eines magneti schen Querfeldes in dem beweglichen Schalt stück ermöglicht wird.
In den Fig. 5 und 6 ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die Fig. 5 einen Längsschnitt, die Fig. 6 einen Querschnitt nach der Linie VI-VI der Fi(r.5 darstellt.
Mund 12 sind die Strom zuführungssehienen mit je drei elastisch nach giebigen Kontaktfingern 1.1' bzw. 12', die je Unterbrechungsstelle drei Berührungspunkte ergeben. 13 ist. das bewegliche Sehaltstüek, 1.4 der damit fest verbundene Anker, 15 das Magnetjoch, das an dem Isolierstück 16 be festigt ist und zugleich die Stromzuführungen 11 und 12 trägt. 17 und 18 sind Federn, die an ihren Enden an den Isolierstücken 19, 20 befestigt und in ihrer Mitte mit dem Anker 14 vernietet sind.
21 und 22 sind Zusatzwiek- lungen, beispielsweise für Vormagnetisierung und Impulserregung der Schaltpatrone.
Bei normalem Betrieb schliesst sich der magnetische Fluss über den Anker 14 (strich punktierte Linie, Fig.6), wobei durch die magnetische Zugkraft das bewegliche Schalt stück 13 gegen die Kontaktfinger 11' und 12' gepresst wird (Kraft F", in Fig. 4).
Tritt nun ein Überstrom, insbesondere ein Kurzschluss- strom, auf, so wird der Anker 14, der meist schon bei Nennstrom annähernd gesättigt ist, vollkommen übersättigt, und der Fluss schliesst sich nun im wesentlichen längs der ausgezo genen Linie (Fig.6) quer durch das beweg liche Schaltstück 13, wobei eine zusätzliche Zugkraft F'5 entsteht, die das Schaltstück 13 gegen die Kontaktfinger 11' und 12' anpresst. Infolge der Sättigungserscheinungen der Pol- sehuhe des Joches 15 kann angenommen wer den,
dass die Induktion über die ganze Höhe des Schaltstückes 13 einigermassen konstant ist und im Mittel mindestens einen Wert von 12000<B>...</B> 15 000. Gauss aufweist, sofern der Querschnitt des Joches 15 unmittelbar hinter den Polschuhen ein Vielfaches des von der Querinduktion durchsetzten Querschnittes des beweglichen Schaltstückes ist. Voraussetzungs gemäss soll die resultierende anpressende Kraft über den ganzen Strombereich so gross sein, dass die Kontaktspannung innerhalb die ses Strombereiches immer kleiner ist als die Schmelzspannung des Kontaktmaterials mit dem tieferen Schmelzpunkt. So muss beispiels weise bei einer Kontaktanordnung mit Silber und Molybdän als Kontaktmaterialien die Kontaktspannung unterhalb der Schmelzspan nung von Silber (0,36 V) bleiben.
Dies lässt sich mit den getroffenen Massnahmen ohne weiteres erreichen.
Selbstverständlich können die Schalt stücke und der magnetische Kreis auch noch auf andere Art angeordnet und erregt wer den. So ist es zum Beispiel möglich, die Spule 21 an einem vom Hauptstrom oder von einem Teil des Hauptstromes durchflossenen Strom wandlers anzuschliessen oder mit einer Hilfs- stromquelle zu verbinden.