BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Lichtbogenlöscheinrichtung eines elektrischen Schaltgerätes mit einem Fixkontakt und einem beweglichen Kontakt und mit einer Deionblech-Bogenlöschkammer, die aus zur Kontaktebene senkrecht verlaufenden Metall-Lichtbogenlöschblechen ausgestaltet ist, ferner mit einer, aus Metall gefertigten, vom Fixkontakt zum einen Rand der Lichtbogenlöschkammer führenden lichtbogenablenkenden Armatur und einer, zum anderen Rand der Lichtbogenlöschkammer führenden, mit dem beweglichen Kontakt in dessen offenen Zustand in einer metallischen Verbindung stehenden, zweiten lichtbogenablenkender Armatur.
Der in den elektrischen Schaltgeräten verwendeten Lichtbogenlöscheinrichtung wird die Aufgabe zugeteilt beim Ausschalten des Stromkreises den bei der Trennung der Kontakte entstehenden elektrischen Bogen so schnell wie möglich auszulöschen.
Es sind zahlreiche Lichtbogenlöscheinrichtungen bekannt, die aus einem Fixkontakt und einem beweglichen Kontakt, einer zu den Kontakten mit einer Luftspalte oder metallisch angeschlossenen, lichtbogenablenkenden Armatur, sowie aus der aus Metallblechen bestehenden, sogenannten Deionblech -Lichtbogenkammer aufgebaut sind. Die Wirkungsweise einer derartigen Lichtbogenlöscheinrichtung besteht darin, dass beim Ausschalten zwischen den Kontakten ein elektronischer Bogen entsteht.
Durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld der Stromzufuhr - die sogenannte magnetische Lichtbogenausblasung - und dem durch den Bogen fliessenden Strom - dem sogenannten Bogenstrom - wird eine elektro-magnetische Kraft auf den elektrischen Bogen ausgeübt. Als Folge verschieben sich die Sohlenpunkte des Bogens von den Kontakten, und gelangen zu der bogenablenkenden Armatur, die den zusammenhängenden Lichtbogen zum Rand der Deionblech-Lichtbogenkammer leitet. Inzwischen nimmt die auf den Lichtbogen ausgeübte Kraft zu. Zuerst biegen die Elemente der Bogensäule zwischen die Deionblechen ein, und nachdem sie in Teile zerrissen worden sind, entstehen die in Serie geschalteten Bogenteile.
Die in der Deionblech-Lichtbogenkammer vorhandenen Metallbleche kontaktieren auf einer grossen Fläche die einzelnen Lichtbogenteile und die Sohlenpunkte der Lichtbogenteile, wodurch eine wirksame Kühlung erreicht wird. Die auf die in Serie geschalteten Lichbogenteile fallende Lichtbogenspannung ist infolge der Vervielfachung der Katoden- und Anodenspannungs- abfälle wesentlich höher, als jene der zusammenhängenden Bogensäule von gleicher Länge. Die erhöhte Bogenspannung bringt eine erhöhte Impedanz des Stromkreises mit sich, wodurch die Temperatur des Bogenstromes und dadurch der Bogensäule weitersinkt. Infolge des bedeutenden Temperaturrückganges wird die Rekombination der Ladungsträger in den Bogenteilen in Gang gesetzt, gleichzeitig vermindert sich die thermische Emission der Lichtbogensohlenpunkte.
Der Durchmesser der Bogenteile verringert sich sprunghaft, und immer mehr neutrale Gasatome und Moleküle entstehen. In der Elektrodenspalte nimmt die elektrische Isolierfähigkeit zu, der elektrische Lichtbogen wird ausgelöscht und der Stromkreis unterbrochen.
Mit Hinsicht darauf, dass die beim Ausschalten entstehenden elektrischen Lichtbögen und die diese umschliessenden heissen Gasmassen eine äusserst grosse zerstörende Wirkung auszuüben fähig sind, besteht die wichtigste, an der Lichtbogenlöscheinrichtung gestellte Anforderung darin, in einem möglichst kleinen Volumen, ein möglichst schnelles und wirksames Auslöschen des Lichtbogens zu erreichen.
Damit das Intervall zwischen dem Entstehen des Lichtbogens und dem Auslöschen desselben, die sogenannte Bogenzeit so kurz wie möglich bleibe, ist es erforderlich eine schnelle Lichtbogenbewegung an den Kontakten und an den lichtbogenlenkenden Armaturen, die schnellmöglichste Zerstückelung der ursprünglich zusammenhängenden Bogensäule und das Entstehen der Serien-Lichtbogenteile zwischen den Deionblechen und zuletzt die wirksame Kühlung zwischen den Lichtbogenteilen durch eine entsprechende strukturelle Gestaltung sicherzustellen.
Bei den bekannten Lichtbogenlöscheinrichtungen wird das gesetzte Ziel so erreicht, indem die zur schnellen Bogenbewegung erforderliche magnetische Lichtbogenblasung durch die geeignete Gestaltung der Stromführungen der Kontakte und der bogenablenkenden Armaturen sichergestellt wird, während die Zerstückelung der zusammenhängenden Bogensäule und das Auslöschen des Lichtbogens durch die entsprechende Wahl der Zahl und Ausschnittsform der Deionbleche gewährleistet werden.
Das gemeinsame Merkmal der erwähnten Lösungen besteht darin, dass bei einer vorgegebenen Anordnung die Unterbrechungsfähigkeit der Lichtbogenlöscheinrichtung ausschliesslich durch die grössere Zahl und erhöhte Dimensionen der Deionbleche, bzw. durch die schnelle Bogenbewegung zwischen den Deionblechen erhöht werden kann. Die auf diese Weise erreichte Erhöhung der Unterbrechungsfähigkeit bringt eine bedeutende Zunahme des Rauminhalts und des Gewichts mit sich, was letzten Endes die Produktionskosten erhöht. Desweiteren können infolge der schnellen Bogenbewegung zwischen den Deionblechen technische Probleme sich ergeben. Falls berücksichtigt wird, dass die thermische Belastung der Deionbleche geringer wird, so ist die schnelle Bogenbewegung als vorteilhaft zu erkennen.
Ein Nachteil jedoch besteht darin, dass die Deionbleche nicht imstande sind, den Lichtbogen wirksam abzukühlen, da die sich schnell bewegenden Bogenteile nur eine kurze Zeit sich zwischen den Blechen aufhalten. Infolge der geringeren Kühlwirkung verlangsamt sich die Rekombination der Ladungsträger und die Isolierfähigkeit der Elektrodenspalte kann nur mit Schwierigkeiten zurückgestellt werden., Die sich zu schnell bewegenden Bogenteile können leicht die Deionbleche verlassen und bilden wiederholt eine zusammenhängende Bogensäule, was wiederum die Wahrscheinlichkeit des Bogenauslöschens herabsetzt.
Der Lichtbogenauslöscher muss jedoch die Unterbrechung jedwelchen hohen Stroms - bis zu der höchsten Un terbrechungsfähigkeit - sichern. Bei den bekannten Lichtbogenlöscheinrichtungen kann häufig der Nachteil beobachtet werden, dass im Bereich kleinerer Ströme das Auslöschen des Bogens eine wesentlich längere Zeitspanne beansprucht, was zum schnellen Zugrundegehen des Lichtbogenauslöschers führt.
Diesen die grösste Unterbrechungsfähigkeit unterschreitenden Strombereich, bei der Unterbrechung dessen eine viel längere Bogenzeit gemessen werden kann, pflegt man als kritischen Strombereich bezeichnen.
Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt, eine Lichtbogenlöscheinrichtung zu schaffen, die bei unveränderten Dimensionen zur Unterbrechung von viel höheren Strömen geeignet ist, gleichzeitig aber auch bei der Unterbrechung der intermediären niedrigeren Ströme eine kurze Lichtbogenloschzeit gewährleistet, d.h.
sie verfügt nicht über einen kritischen Strombereich.
Erfindungsgemäss wird das gesetzte- Ziel mit der in der Einleitung geschilderten Lichtbogenlöscheinrichtung erreicht, welche die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist. Das Längs-Massverhältnis zwischen den langen und kurzen Deionblechen liegt zwischen 1,25 und 2, während das Verhältnis zwischen der Zahl der langen Deionbleche und der kurzen Deionbleche zwischen 0,5 und 2 liegt. Das Drosselelement der Lichtbogenkammer wird entsprechend den Deionblechen abgestuft ausgestaltet, und schliesst sich der Kammer mit einem Zwischenraum an.
Die Anwendung der erfindungsgemässen Lichtbogenlöscheinrichtung ermöglicht innerhalb eines gegebenen Rauminhaltes die Unterbrechungsfähigkeit der Lichtbogenlöscheinrichtung im Vergleich mit den bekannten Lösungen um 20 bis 70pro erhöhen zu können, und zwar derweise, dass auch beim Ausschalten der intermediären niedrigeren Ströme eine gleichmässig kurze Bogenlöschzeit gesichert wird.
Die Erfindung wird anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispieles, mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine axonometrische Darstellung der bei der erfindungsgemässen Lichtbogenlöscheinrichtung verwendeten Deionblech-Lichtbogenkammer und
Fig. 2 die Seitenansicht der erfindungsgemässen Lichtbogenlöscheinrichtung.
Die in der Fig. 1 dargestellte, Deionblech-Lichtbogenkammer ist aus den voneinander im gleichen Abstand parallel angeordneten kurzen Deionblechen 1 und den langen Deionblechen 2 aufgebaut.
Die eine Seite der kurzen und langen Deionbleche 1 und 2 ist entlang einer geraden Konturlinie angeordnet. Auf dieser Seite können die Deionbleche 1 und 2 einen Ausschnitt aufweisen, damit sie auf den elektrischen Lichtbogen eine grössere Ziehkraft ausüben. Darüber hinaus, bieten die Ausschnitte günstigere Strömungssverhältnisse für die heiss gewordene Gasmasse.
Die Deionbleche werden von dem isolierenden Abstandsstück 3 in der gewünschten Stellung gehalten. Da die Deionbleche 1 und 2 verschiedene Längen aufweisen, ist die entgegengesetzte Seite der Lichtbogenkammer gestuft ausgestaltet.
Fig. 2 zeigt die erfindungdgemässe Lichtbogenlöscheinrichtung mit geöffnetem Schalter. Der dem Fixkontakt 4 gegenüberliegende bewegliche Kontakt 6 schlägt auf die aus Metall bestehende bogenablenkende Armatur 7 auf. In der geschlossenen Stellung des Schalters hört die metallische Verbindung zwischen dem beweglichen Kontakt 6 und der bogenablenkenden Armatur 7 auf, wobei der bewegliche Kontakt 6 und der Fixkontakt 4 einander berühren. In der auf der Ebene des Fixkontakts 4 und des beweglichen Kontakts 6 senkrechten Ebene ist die Deion blechLichtbogenkammer (siehe Figur 1) derweise angeordnet, dass die entlang der geraden Kontur liegenden Blechenden an der Seite des Fixkontakts 4 und des beweglichen Kontakts 6 liegen.
Die Kontaktoberfläche des Fixkontakts 4 und des beweglichen Kontakts 6 verläuft senkrecht zur Ebene der Deionbleche 1 der Deionblech-Lichtbogenkammer und liegt neben der bogenablenkenden Armatur 7. Das äusserste lange Deionblech 2 liegt neben der, aus Metall verfertigten, von dem Fixkontakt 4 her nach unten geführten, bogenablenkenden Armatur 5.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist bei der gezeigten Ausführung an der vom Fixkontakt 4 abgekehrten Seite ein Drosselelement 8 aus Isolierstoff angeordnet, welches der Kontur der kurzen und langen Bleche 1 und 2 angepasst ist.
Das Drosselelement 8 ist somit ebenfalls abgestuft ausgestaltet und schliesst sich mit einem Zwischenraum der vom beweglichen Kontakt 6 entfernt liegenden Hälfte der Deionbleche 1 und 2 an. In der Fig. 2 ist je eine momentane Position der Bewegung des elektrischen Lichtbogens dargestellt. Die vom Entstehen des Bogens berechnete zeitliche Reihenfolge zeigt die Positionen I, II, III, IV/1 und IV/2. Die letzteren zwei Positionen bezeichnen zum gleichen Zeitpunkt bestehende, aber an verschiedenen Stellen erscheinende Bogenteile. Die welligen Linien bezeichnen die Bogensäule, die Pfeile die Strömungsrichtung der Gase.
Wenn nun der Schalter abschaltet, bewegt sich der bei der Trennung des Fixkontaktes 4 und des beweglichen Kontakts 6 entstehende elektrische, sich in der Position I befindende Lichtbogen durch die Wirkung der Schleifenkraft in Richtung der Deionbleche-Lichtbogenkammer, und zwar derweise, dass der eine Sohlenpunkt des Bogens sich auf dem Fixkontakt 4, nachher auf der bogenablenkenden Armatur bewegt, während der andere Bogensohlenpunkt sich an dem beweglichen Kontakt 6 bewegt. Die Bewegungsgeschwindigkeiten der Teile des sich in der Position II befindenden elektrischen Lichtbogens sind nicht übereinstimmend.
Der sich auf der bogenablenkenden Armatur 5 bewegende Bogensohlenpunkt bewegt sich schneller, als der sich auf dem beweglichen Kontakt 6 bewegende Bogensohlenpunkt, da an der bogenablenkenden Armatur 5 der Sohlenpunkt sich auf einer kontinuierlichen Metallfläche bewegt, während der Fortschritt von dem Scheitelpunkt des beweglichen Kontaktes 6 zu der bogenablenkenden Armatur 7 von der zwischen dem beweglichen Kontakt 6 und der bogenablenkenden Armatur 7 vorhandenen Lichtspalte erschwert wird.
Die Bewegungsgeschwindigkeiten der einzelnen Elemente des in die Deionblech-Lichtbogenkammer gelangenden, zerstückelten, sich in der Position III befindenden elektrischen Bogens sind auch nicht gleich, nämlich die sich zwischen den langen Deionblechen 2 bewegenden Bogenelemente sind schneller, da zwischen denen die vom elektrischen Bogen erhitzten Gase frei strömen können, während zwischen den kurzen Deionblechen 2 die Bewegung der Bogenteile vom Drosselelement 8 verlangsamt wird. Die abweichenden Strömungs- und Bogenbewegungsverhältnisse unterteilen den sich in der Position III befindenden elektrischen Lichtbogen in zwei, voneinander gut separierbare Teile, nämlich der zwischen den kurzen Deionblechen 1 laufende Bogenteil der Position IV/l und der zwischen den langen Deionblechen 2 verlaufende, sich in der Position IV/2 befindende Bogenteil.
Der Lauf der sich in der Position IV/1 befindenden Bogenteile wird von dem aus einem Isolierstoff verfertigten Drosselelement 8 dermassen abgebremst, dass bei dem Sohlenpunkt einzelner Bogenteile eine optimale Kühlung erreicht werden kann. Gleichzeitig laufen die sich in der Position IV/2 befindenden Bogenteile schneller zwischen den langen Deionblechen 2 und vermindern die von dem Bogenstrom hervorgerufene thermische Belastung beträchtlich ohne, dass die Gefahr einer Neuzündung des Lichtbogens bestehen würde.
Auf diese Weise wird mit Hilfe der erfindungsgemässen Lichtbogenlöscheinrichtung mit den Deionblechen bei einer Gruppe der Bogenteile - die sich in der in Fig. 2 dargestellten Position IV/2 befinden - der von dem schnellen Bogenlauf abgebotene Vorteil ausgenützt, während bei der anderen Gruppe der Bogenteile - die sich in der in Fig. 2 dargestellten Position IV/I befinden - mit Hilfe des aus Isolierstoff verfertigten Drosselelementes 8 eine optimale Sohlenpunktkühlung erreicht werden kann.
Mit den bekannten Lichtbogenlöscheinrichtungen verglichen bietet die Anordnung mit den Deionblechen 1 und 2 und der diskontinuierlich abweichenden Drosselung zahlreiche Vorteile.
Einerseits eliminiert der mit den kürzeren Deionblechen 1 ausgestaltete gedrosselte Lichtbogenkammerteil den obenerwähnten Nachteil der bekannten Lösungen, nämlich dass der zu schnelle Bogenlauf die Deionisation verzögert, das heisst das Auslöschen des Bogens beeinträchtigt. Anderseits wird durch die gemeinsame Verwendung der mit gedrosselten kurzen und den offenen langen Deionblechen ausgestalteten Kammerteile die Gefahr der Gestaltung des kritischen Stromes herabgesetzt.
Im die langen Deionbleche 2 enthaltenden offenen Löschkammerteil kann der Bogen auch bei verhältnismässig niedrigeren Strömen leicht eindringen. Wenn der zu unterbrechende Strom grösser wird, wird auch die den Bogen bewegende Kraft grösser sein und die Funktion des mit den kurzen Deionblechen 1 ausgestalteten gedrosselten Kammerteiles tritt immer mehr in den Vordergrund. Zur Unterbrechung kleinerer Ströme sind weniger Deionbleche genügend, während zur Unterbrechung grösserer Ströme immer mehr wirksame gekühlte Deionbleche in Funktion treten, wodurch die Lichtbogenlöscheinrichtung in einem weiten Strombereich eine gleichmässig kurze Bogenauslöschdauer sichert.
Durch die Abstimmung der Zahl und Abmessung der in der erfindungsgemässen Lichtbogenlöscheinrichtung verwendeten Deionbleche 1 und 2 und der verwendeten Drosselung kann es erreicht werden, dass die spezifische - auf das Volumen oder Gewichtseinheit bezogene - Unterbrechungsfähigkeit der Lichtbogenlöscheinrichtung viel grösser sei, als jene der bekannten Konstruktionen.
Vergleichende Unterbrechungsfähigkeitsversuche wurden einerseits mit der erfindungsgemässen Lichtbogenlöscheinrichtung, anderseits mit Schaltern durchgeführt, die mit einer gleichlange Deionbleche aufweisenden Bogenkammer vom gleichen Volumen und bekannter Anordnung ausgerüstet waren, in Kurzschluss-Stromkreisen mit unabhängigem 1-15 kA Strom.
Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass bei einer Bogenkammer des gleichen Volumens unter Anwendung der, in der erfindungsgemässen Lichtbogenlöscheinrichtung verwendeten, abgestuft ausgestalteten Deionblech-Lichtbogenkammer nach Fig. 1 die Unterbrechungsfähigkeit des Schalters um 20 bis 70% erhöht werden konnte, falls bei der Anwendung des Drosselelementes 8 das Längsmassverhältnis zwischen den langen und kurzen Deionblechen 2 und 1, 1,25 ... 2 beträgt und das Verhältnis der Zahl der langen und der kurzen Deionbleche 2, 1 zwischen 0,5 und 2 liegt.
In dem geprüften Strombereich konnte bei der erfindungsgemässen Lichtbogenlöscheinrichtung kein kritischer Strom beobachtet werden, während bei den parallel untersuchten Lichtbogenlöscheinrichtungen mit dem bekannten Aufbau in dem Strombereich zwischen 1 und 3 kA, die Bogenlöschzeit sich um 20... 40% verlängerte.