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Die
Erfindung betrifft einen Schütz
für Gleichstrom-
und Wechselstrombetrieb mit mindestens zwei Kontaktstellen mit je
einem Festkontakt und je einem beweglichen Kontakt, wobei die beweglichen Kontakte
auf einer Kontaktbrücke
angeordnet sind und benachbart zu jeder Kontaktstelle mindestens ein
Permanentmagnet zur Erzeugung eines permanentmagnetischen Blasfelds
angeordnet ist.
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Solche
Schütze
werden beispielsweise im Bahnbetrieb zum Schalten von Lasten und
zur Unterbrechung von Stromkreisen mit großen Strömen bzw. hohen Spannungen eingesetzt.
Bei dem Schaltvorgang, d.h. beim öffnen der Kontaktstellen, entsteht ein
Lichtbogen zwischen dem Festkontakt und dem beweglichen Kontakt.
Durch diesen Lichtbogen wird der Stromfluss zwischen den Kontakten
aufrecht erhalten. Zudem wird durch den Lichtbogen eine große Wärmemenge
freigesetzt, die zum Abbrennen der Kontakte führt und somit die Lebensdauer
des Schützes
verringert. Darüber
hinaus wird der gesamte vom Lichtbogeneinfluss betroffene Gerätebereich
thermisch sehr stark belastet. Es ist daher eine schnelle Löschung des
Lichtbogens erforderlich.
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Je
nach Anwendungsfall sind verschiedenen Methoden zur Lichtbogenlöschung bekannt:
Ein Schütz
für den
Einsatz im Gleichstrombetrieb mit gleich bleibender Stromrichtung
weist üblicherweise permanentmagnetische
Blasfelder auf, die so angeordnet sind, dass ihre Feldrichtung senkrecht
zu dem Lichtbogen verläuft.
Die Blasfelder üben
auf den Lichtbogen eine Kraft, die Lorenzkraft, aus durch die der
Lichtbogen in Richtung einer Löscheinrichtung getrieben
wird.
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Für bidirektionalen
Gleichstrombetrieb, wie er beispielsweise bei der Rekuperation aus
dem Straßenbahnbereich
oder bei ICEs mit mehreren, abwechselnd aktiven Stromabnehmern bekannt
ist, und für
den Wechselstrombetrieb können
aufgrund der wechselnden Stromrichtung der Lichtbögen keine rein-permanentmagnetischen
Felder eingesetzt werden. In diesen Bereichen ist daher der Einsatz
von so genannten Blasenspulen üblich,
die ein elektromagnetisches Blasfeld erzeugen, dessen Feldrichtung durch
die Stromrichtung bestimmt wird. Unabhängig von der Stromrichtung
wird dadurch in jedem Fall eine korrekt gerichtete Kraftwirkung
auf den Lichtbogen erzielt.
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Der
Einsatz von Spulen zieht allerdings eine Reihe von Nachteilen mit
sich. Wird die Spule dauerhaft von hohen Strömen durchflossen, wie diese
im Bahnbereich üblich
sind, so tritt eine starke Erwärmung
auf. Es ist daher bekannt, die Spule erst im Abschaltmoment zu aktivieren.
Allerdings baut die Spule das elektromagnetische Blasfeld mit zeitlicher
Verzögerung
(e-Funktion) auf, wodurch die Verweilzeit des Lichtbogens in der
Kontaktzone des Schützes verlängert wird.
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Bei
kleinen Strömen
hingegen wird durch die Spule nur ein geringes Blasfeld aufgebaut.
Es kann daher vorkommen, dass das Blasfeld nicht ausreicht, um den
Lichtbogen in die Löscheinrichtung
zu treiben und eine Löschung
herbeizuführen
(kritischer Strombereich).
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Aus
der
DE 298 23 717
U1 ist ein Schutzschalter mit Einfachunterbrechung bekannt,
bei dem ein Permanentmagnet und eine Spule zur Erzeugung eines Blasfeldes
kombiniert werden. Die Kontakt- bzw. Unterbrechungsstelle des Schutzschalters
umfasst einen Festkontakt, der mit einer ersten Zuleitung verbunden
ist und einen beweglichen Kontakt, der über eine Litze mit einer zweiten
Zuleitung verbunden ist. Im Bereich der Kontaktstelle sind ein Permanentmagnet
und eine Blasspule angeordnet, wobei die Blasspule mit derselben
Zuleitung wie der bewegliche Kontakt verbunden ist. Beim öffnen der Kontaktstelle
wird der bewegliche Kontakt in einen Fangschuh bewegt, der elektrisch
leitend mit der Spule verbunden ist. Der entstehende Lichtbogen wird über das
vom Permanentmagneten erzeugte Blasfeld in Richtung des Fangschuhs
geblasen und springt auf diesen über.
Da der Fangschuh elektrisch leitend mit der Spule verbunden ist,
wird dadurch die Spule aktiviert. Die Spule baut dann ein elektromagnetisches
Blasfeld auf, das den Lichtbogen in eine Lichtbogenlöscheinrichtung
bläst.
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Nachteilig
an diesem Schutzschalter ist, dass der bewegliche Kontakt mit einer
flexiblen Litze mit der Zuleitung verbunden werden muss und einen großen Öffnungshub
aufweist. Zudem weist der Fangschuh eine komplexe Geometrie auf
und muss den beweglichen Kontakt an mindestens zwei gegenüberliegenden
Seiten umgeben.
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Eine ähnlich funktionierende
Lichtbogenlöscheinrichtung
für Schaltgeräte mit Doppelunterbrechung
ist aus der
DE 1 962 559 bekannt.
Die Lichtbogenlöscheinrichtung
wird für
Gleichstromschaltgeräte
eingesetzt, die eine Kontaktbrücke
umfassen, mit darauf angeordneten beweglichen Kontakten, die mit
Festkontakten zusammenwirken und zwei Kontaktstellen ausbilden.
Die Kontaktbrücke
ist an ihren Stirnseiten, benachbart zu den Kontaktstellen, von
U-förmig
ausgebildeten Teilen von Lichtbogenleitblechen umgeben. Die Lichtbogenleitbleche sind
von der Kontaktbrücke
isoliert in der Löscheinrichtung
fest an geordnet. Zwischen den Lichtbogenleitblechen befindet sich
eine Blasspule, die elektrisch leitend mit den Lichtbogenleitblechen
verbunden ist. Zusätzlich
ist an den Stirnseiten der Kontaktbrücke mindestens ein Permanentmagnet
angeordnet, der ein dauermagnetisches Blasfeld erzeugt. Beim Schalten
entstehen an den beiden Kontaktstellen Lichtbögen, die durch das dauermagnetische Blasfeld
auf die Schenkel der U-förmig
ausgebildeten Teile der Lichtbogenleitbleche geblasen werden. Das dauermagnetische
Blasfeld ist an beiden Kontaktstellen in die gleiche Richtung polarisiert,
so dass die Lichtbögen
auf einander entgegengesetzte Schenkel abgetrieben werden. Sind
die Lichtbögen
auf die Lichtbogenleitbleche übergesprungen,
so wird die Blasspule in Betrieb gesetzt, die ein weiteres Blasfeld erzeugt,
das die Teillichtbögen
in eine Löschkeilanordnung
hineintreibt. Um das Schaltgerät
auch bei Wechselstrombetrieb einsetzen zu können, muss die Lichtbogenlöscheinrichtung
ausgewechselt werden.
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Ein
weiterer Schütz
mit Doppelunterbrechung und einer Lichtbogenlöscheinrichtung ist aus der
DE 1 759 862 bekannt. Der
Schütz
umfasst zwei auf einer Kontaktbrücke
angeordnete bewegliche Kontakte, die mit zwei Festkontakten zusammenwirken.
Die Festkontakte sind auf J-förmigen
Leitblechen angeordnet. Benachbart zu den beiden Kontaktstellen
ist je ein Permanentmagnet angeordnet, wobei die Permanentmagneten
so gepolt sind, dass sie ein magnetisches Feld zwischen sich erzeugen, das
von einem Ende der beweglichen Kontaktbrücke quer über die beiden Kontaktstellen
zum anderen Ende der Konaktbrücke
gerichtet ist. Die beim Öffnen der
Kontaktstellen an diesen entstehenden Lichtbögen werden durch dieses permanentmagnetische Blasfeld
in verschiedene Richtungen, je einer nach oben und einer nach unten,
geblasen. Dort sind Vorrichtungen vorgesehen, um die Lichtbögen zum
Erlöschen
zu bringen. Da sowohl im oberen als auch im unteren Bereich des
Schützes
eine Lichtbogenlöscheinrichtung
vorgesehen ist, ist der Schütz
für Gleichstrom-
und Wechselstrombetrieb geeignet. Nachteilig ist hierbei, dass zwei
Löscheinrichtungen
vorgesehen werden müssen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schütz bereitzustellen,
der für
Gleichstrombetrieb, bidirektionalen Gleichstrom- und Wechselstrombetrieb
einsetzbar ist und eine schnelle Lichtbogenlöschung unter Ausschluss eines
kritischen Strombereichs bewirkt. Dabei muss ein konstruktiv einfacher
Aufbau und damit eine wirtschaftliche Herstellung berücksichtigt
werden.
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Hierzu
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
benachbart zu den Kontaktstellen mindestens eine Spule zur Erzeugung
eines elektromagnetischen Blasfelds angeordnet ist zur Blasung eines beim öffnen der
Kontaktstellen entstehenden Lichtbogens in mindestens eine Löscheinrichtung
und die den beiden Kontaktstellen zugeordneten Permanentmagneten
in entgegengesetzter Richtung polarisiert sind.
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Durch
diese Permanentmagneten werden im Bereich der beiden Kontaktstellen
permanentmagnetische Blasfelder erzeugt, die in entgegengesetzte Richtungen
polarisiert sind. Auf die beiden beim Öffnen der Kontaktstellen entstehenden
Lichtbögen
wirken also sofort permanentmagnetische Blasfelder. Da die Stromrichtung
des Lichtbogens an der ersten Kontaktstelle entgegengesetzt zur
Stromrichtung des Lichtbogens an der zweiten Kontaktstelle ist,
werden die beiden Lichtbögen
von den beiden permanentmagnetischen Blasfeldern in die gleiche
Richtung getrieben. Somit wird erreicht, dass unabhängig von
der Stromrichtung immer einer der Lichtbögen durch die permanentmagnetischen
Blasfelder in Richtung der elektromagnetischen Blasbereiche und
der Lichtbogenlöscheinrichtung
geblasen wird.
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Da
zwei bewegliche Kontakte vorgesehen sind, ist nur ein halber Öffnungshub
im Vergleich zu einer Einzelunterbrechung erforderlich. Auf eine
aufwändige
und raumbeanspruchende Mechanik zur Vergrößerung des Arbeitshubs des
Magnetantriebs kann daher verzeichnet werden. Durch die Anordnung
der beweglichen Kontakte auf der Kontaktbrücke wird eine geradlinige Öffnungsbewegung
ermöglicht,
auf eine flexible Litze kann verzichtet werden.
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In
einer Ausführungsform
kann vorgesehen werden, dass benachbart zu jeder Kontaktstelle und isoliert
von den Festkontakten je ein Lichtbogenleitblech angeordnet ist
und die jeweilige Blasspule elektrisch leitend mit dem jeweiligen
Festkontakt und dem jeweiligen Lichtbogenleitblech verbunden ist.
Die Spulen werden erst aktiviert, wenn die beim öffnen der Kontaktstellen entstehenden
Lichtbögen,
getrieben von dem starken permanentmagnetischen Blasfeldern, von
den Festkontakten auf die Lichtbogenleitbleche überspringen. Dadurch ist eine
vergleichsweise kleine Dimensionierung der Spulen möglich und Überhitzung
wird vermieden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform können den
Permanentmagneten benachbart zu den Kontaktstellen angeordnete Polbleche
zugeordnet sein. Durch die Polbleche wird ein vergrößertes, gleichmäßiges permanentmagnetisches
Blasfeld erzeugt, das vor allem im Bereich der Kontaktstellen wirkt.
Auf die beim Öffnen
der Kontakte entstehenden Lichtbögen
wirken also sofort die permanentmagnetischen Blasfelder ein und
treiben die Lichtbögen schnell
aus den Kontaktstellen. Kontaktabbrand wird so vermindert.
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Weiterhin
kann vorgesehen werden, dass den Blasspulen Polbleche zugeordnet
sind und diese Polbleche benachbart zu den Lichtbogenleitblechen angeordnet
sind. Die Spulen werden erst aktiviert, wenn die Lichtbögen nach
Durchlaufen der permanentmagnetischen Bereiche auf die Lichtbogenleitbleche überspringen.
Durch die Polbleche der Spulen wird ein homogenes elektromagnetisches
Blasfeld im Bereich der Lichtbogenleitbleche und im Lichtbogenlöschbereich
aufgebaut. Die auf den Lichtbogenleitblechen befindlichen Lichtbögen werden
also stromrichtungsunabhängig
von den permanentmagnetischen Bereichen weggetrieben und gestreckt.
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Gemäß einer
weiteren Variante ist benachbart zu den Lichtbogenleitblechen genau
eine Löscheinrichtung
angeordnet. Über
die Blasfelder werden die Lichtbögen
in die Löscheinrichtung
getrieben und dort gestreckt und gekühlt und somit zum Erlöschen gebracht.
Bei der Löscheinrichtung
kann es sich beispielsweise um parallel nebeneinander angeordnet Löschbleche
oder Keramikkörper
handeln. Da, je nach Stromrichtung, die Lichtbögen beider Kontaktstellen in
die gleiche Löschvorrichtung
geblasen werden, ist ein Platz sparender Aufbau des Schützes möglich.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 perspektivische
Teilansicht eines Schützes
im Schnitt im Öffnungsmoment,
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2 perspektivische
Teilansicht eines Schützes
im Schnitt nach Aktivierung der ersten Blasspule,
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3 perspektivische
Teilansicht eines Schützes
im Schnitt nach Aktivierung der zweiten Blasspule.
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In 1 ist
eine perspektivische Ansicht des Inneren eines Schützes 1 dargestellt.
Der Schütz
umfasst zwei Kontaktstellen 2, 3 mit jeweils einem
Festkontakt 4, 5 und je einem beweglichen Kontakt 6, 7. Die
beweglichen Kontakte 6, 7 sind auf einer gemeinsamen
Kontaktbrücke 8 angeordnet.
Die Kontaktbrücke 8 kann über einen
Magnetantrieb (nicht dargestellt) bewegt werden und von einer Schließstellung, in
der die beweglichen Kontakte 6, 7 die Festkontakte 4, 5 berühren, in
eine Offenstellung überführt werden. In
der Offenstellung sind die beweglichen Kontakte 6, 7 von
den Festkontakten 4, 5 getrennt. Benachbart zu
den Festkontakten 4, 5 ist an jeder Kontaktstelle 2, 3 ein
Lichtbogenleitblech 9, 10 angeordnet. Die Lichtbogenleitbleche 9, 10 sind
durch je einen Luftspalt 11, 12 von den Festkontakten 4, 5 isoliert.
An jeder Kontaktstelle 2, 3 ist weiterhin mindestens
ein Permanentmagnet 13, 14 angeordnet. Die Permanentmagneten 13, 14 sind
dabei so angebracht, dass ihr Magnetfeld senkrecht zu den beim Öffnen der
Kontaktstellen 2, 3 entstehenden Lichtbögen 15, 16 verläuft. Dabei
ist die Richtung des Magnetfelds des an der Kontaktstelle 2 angeordneten
Permanentmagneten 13 entgegengesetzt zu der Richtung des
Magnetfelds des an der Kontaktstelle 3 angeordneten Permanentmagneten 14.
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Der
Schütz 1 umfasst
weiterhin zwei Spulen 17, 18 die benachbart zu
den Permanentmagneten 13, 14 angeordnet sind.
Die Spule 17 ist dabei elektrisch leitend mit dem Festkontakt 4 der
Kontaktstelle 2 und dem benachbart dazu angeordneten Lichtbogenleitblech 9 verbunden.
Ebenso ist die Spule 18 elektrisch leitend mit dem Festkontakt 5 der
Kontaktstelle 3 sowie dem Lichtbogenleitblech 10 verbunden.
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Die
Lichtbogenleitbleche 9, 10 sind so geformt, dass
sie benachbart zu den Kontaktstellen 2, 3 einen
Lichtbogenleitschacht 19 bilden, der im Wesentlichen senkrecht
zur Kontaktbrücke 8 verläuft und
durch den die Lichtbögen 15, 16 durch
die Blasfelder der Spulen 17, 18 durchgeblasen
werden. Im Anschluss an diesen Lichtbogenleitschacht 19 weiten
sich die Lichtbogenleitbleche 9, 10. Benachbart zu
den Lichtbogenleitblechen 9, 10 ist eine Lichtbogenlöscheinrichtung 24 angeordnet.
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Den
an der Kontaktstelle 2 angeordneten Permanentmagneten 13 ist
ein Polplattenpaar 20 zugeordnet, wobei sich die beiden
Polplatten auf gegenüberliegenden
Seiten der Kontaktbrücke 8 befinden.
Da die Kontaktstelle 3 im Wesentlichen analog zur Kontaktstelle 2 ausgebildet
ist, ist dem Permanentmagneten 14 ebenfalls ein Polplattenpaar 21 zugeordnet,
dessen Polplatten sich auf gegenüberliegenden
Seiten der Kontaktbrücke 8 befinden.
In 1 ist für
jede Kontaktstelle 2, 3 nur eine Polplatte der
Polplattenpaare 20, 21 zu sehen. Die Polplatten der
Polplattenpaare 20, 21 bestehen aus magnetisierba ren
Material und werden durch die Permanentmagneten 13 bzw.
die Permanentmagneten 14 polarisiert und erzeugen somit
ein homogenes permanentmagnetisches Blasfeld. Die Polplattenpaare 20, 21 sind
dabei so ausgebildet, dass die von ihnen erzeugten Magnetfelder
den Bereich der Kontaktstellen 2, 3 durchdringen.
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Auch
der Spule 17 und der Spule 18 ist je ein Polplattenpaar 22 und
ein Polplattenpaar 23 zugeordnet. Die Polplatten der Polplattenpaare 22, 23 sind
dabei so geformt, dass sie vor allem den Bereich des Lichtbogenleitschachts 19 und
der Lichtbogenleitbleche 9, 10 überstrecken.
Da die Spulen 17, 18 erst dann aktiviert werden,
wenn der erste Lichtbogenfußpunkt
auf eines der Lichtbogenleitbleche 9, 10 überspringt,
müssen
die elektromagnetischen Blasfelder vor allem in diesen Bereich wirken.
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Im
Folgenden werden anhand der 1 bis 3 nun
die Vorgänge
in dem Schütz 1 beim öffnen der
Kontaktstellen 2, 3 beschrieben.
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In 1 ist
der Schütz
im Öffnungsmoment dargestellt. Über den
Magnettrieb (nicht dargestellt) wird die Kontaktbrücke 8 nach
unten bewegt, so dass die darauf angeordneten beweglichen Kontakte 6, 7 von
den Festkontakten 4, 5 getrennt werden. Dabei entstehen
an den Kontaktstellen 2, 3 die Lichtbögen 15, 16.
Das von dem Permanentmagneten 13 und den Polplatten 20 erzeugte
permanentmagnetische Blasfeld sowie das von dem entgegengesetzt
polarisierten Permanentmagneten 14 und den Polplatten 21 erzeugte
permanentmagnetische Blasfeld wirken sofort auf die Lichtbögen 15, 16 ein.
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Dies
ist in 2 dargestellt. Da die Stromrichtung im Lichtbogen 15 entgegegengesetzt
zu der des Lichtbogens 16 ist, werden die beiden Lichtbögen 15, 16 durch
die permanentmagnetischen Blasfelder in die gleiche Richtung, im
dargestellten Fall nach links, geblasen. Der Lichtbogen 16 wird
also in Richtung des Lichtbogenleitschachts 19 geblasen und überspringt
dabei den Luftspalt 12. Der Stromkreis im Schütz ist nun
immer noch geschlossen und der Strom fließt von dem Festkontakt 4 über den Lichtbogen 15,
die Kontaktbrücke 8,
den Lichtbogen 16, das Lichtbogenleitblech 10 und
die Spule 18 zum Festkontakt 5. Die Spule 18 wird
also durch den Übersprung
des Lichtbogens 16 auf das Lichtbogenleitblech 10 aktiviert
und erzeugt nun ein elektromagnetisches Blasfeld, das ebenfalls
auf den Lichtbogen 16 einwirkt. Dies führt dazu, dass der zweite Lichtbogenfußpunkt des
Lichtbogens 16 in der Regel von der Kontaktbrücke 8 auf
das Lichtbogenleitblech 9 überspringt (siehe 3).
Der Lichtbogen 15 erlischt.
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Der
Stromkreis im Schütz 1 ist
nun immer noch geschlossen, wobei der Strom vom Festkontakt 4 über die
Spule 17, das Lichtbogenleitblech 9, den Lichtbogen 16,
das Lichtbogenleitblech 10 und die Spule 18 zum
Festkontakt 5 fließt.
Durch den Übersprung
des zweiten Lichtbogenfußpunkts
des Lichtbogens 16 von der Kontaktbrücke 8 auf das Lichtbogenleitblech 9 wird
nun auch die Spule 17 aktiviert und erzeugt ebenfalls ein
elektromagnetisches Blasfeld. Dadurch wird der Lichtbogen 16 aus
dem Lichtbogenleitschacht 19 heraus geblasen und weitet
sich an den Lichtbogenleitblechen 9, 10 auf, bis
er schließlich
in der Lichtbogenlöscheinrichtung 24 zum Erlöschen gebracht
wird.
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Bei
sehr kleinen Strömen
und gleichzeitig hohen Spannungen (kritischer Strombereich) kann
es sein, dass das elektromagnetische Blasfeld der Spule 18 nicht
ausreicht, um das Überspringen
des zweiten Lichtbogenfußpunkts
des Lichtbogens 16 von der Kontaktbrücke 8 auf das Lichtbogenleitblech 9 zu
erreichen. Der Lichtbogen 15 erlischt in diesem Fall zunächst nicht
und brennt in Reihenschaltung zu Lichtbogen 16 weiter.
Der Lichtbogen 15 wird in diesem Fall durch das permanentmagnetische
Blasfeld des Permanentmagneten 13 weiter bis zum Erlöschen gestreckt.
Sobald der Lichtbogen 15 zum Erlöschen gebracht wurde, erlischt
auch der Lichtbogen 16. Der Permanentmagnet 13 trägt somit
vorteilhaft zur Beherrschung des kritischen Strombereichs bei.
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Verläuft die
Stromrichtung im Schütz
im Öffnungsmoment
entgegengesetzt zu den oben beschriebenen Fällen, so wird anstelle des
Lichtbogens 16 der Lichtbogen 15 in den Lichtbogenleitschacht 19 geleitet
und springt zuerst auf das Lichtbogenleitblech 9 über. Die
Lichtbogenlöschung
verläuft
im Weiteren analog zu den oben beschriebenen Beispielen.
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Der
Schütz 1 ist
auch für
Wechselstrombetrieb einsetzbar, da durch den Übersprung eines Lichtbogens 15, 16 auf
die Lichtbogenleitfläche 9, 10 eine
der Spulen 17, 18 aktiviert wird, die ein elektromagnetisches
Blasfeld erzeugt, dessen Richtung mit der Stromrichtung ändert und
so immer dazu führt, dass
der entsprechende Lichtbogen 15, 16 in die Löscheinrichtung 24 getrieben
und dort zum Erlöschen
gebracht wird. Die Permanentmagneten 13, 14 werden
so ausgewählt,
dass entweder der Lichtbogen 15 oder der Lichtbogen 16 im
Wechselstrombetrieb während
einer Halbwelle auf das jeweilige Lichtbogenleitblech 9, 10 geblasen
und die entsprechende Spule 17, 18 aktiviert wird. Ändert sich
bei der nächsten
Halbwelle die Stromrichtung, so kehrt sich auch die Richtung des elektromagnetischen Blasfelds
um und der Lichtbogen wird weiterhin in Richtung der Lichtbogenlöscheinrichtung 24 geblasen.