DE1051357B - Elektrisches Schaltgeraet zur Verwendung in Dreiphasenwechselstromsystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, die Schaltleistung eines Schalters für Dreiphasenstrom zu erhöhen, d. h. die Schalterabmessungen zu verkleinern bzw. die Lebensdauer des Schalters zu vergrößern.

Die Abschaltung eines induktiven Wechselstromes durch einen Schalter geht so vor sich, daß der im Stromkreis durch Trennen der Kontakte entstandene Lichtbogen im natürlichen Nulldurchgang des Stromes erlischt und nicht mehr neu zündet.

Auf Grund von Fabrikationsungenauigkeiten öffnen in einem Schaltgerät die den einzelnen Phasen zugeordneten Unterbrecherkontakte nicht genau gleichzeitig. Die Unterbrechungsleistung jenes Kontaktpaares, das zuerst abgeschaltet hat, ist (wie sich mathematisch zeigen läßt) genauso· groß wie die Unterbrechungsleistung der beiden nachfolgenden Kontaktpaare zusammen, d. h. daß das zuerst schaltende Kontaktpaar die halbe Gesamtschaltleistung, die beiden anderen Kontaktpaare nur je ein Viertel der Unterbrechungsleistung übernehmen müssen, unabhängig davon, ob die Verbraucher in Stern- oder in Dreieckschaltung aufgebaut sind.

Das einem Drehstromschalter zumutbare maximale Schaltvermögen wird ausgedrückt durch den größten zulässigen Strom, durch die größte zulässige Spannung und durch den kleinsten Phasenverschiebungswinkel φ, bei welchen Werten gerade noch einwandfrei geschaltet wird. Wenn nun bei Drehstromschaltern ein Kontaktpaar die halbe Gesamtschaltleistung, die restlichen beiden Kontaktpaare nur je ein Viertel derselben übernehmen und alle drei Kontaktpaare gleichgebaut sind, werden also zwei Kontaktpaare immer unterbelastet sein. Man ist daher gezwungen, jedem Kontakt eine Reserve an Schaltvermögen einzubauen, die unausgenutzt bleiben muß, wenn er nicht als erster schaltet.

Da man bestrebt ist, das Schaltvermögen möglichst hochzutreiben, wurde vorgeschlagen, die Zahl der Unterbrechungsstellen zu erhöhen. So ist bekannt, daß eine in jeder Phase erfolgende Verdopplung der Anzahl der Unterbrechungsstellen das zulässige Grenzschaltvermögen ebenfalls auf das Doppelte erhöht. Der Aufwand ist allerdings beträchtlich, da man ja doppelt so viele Schaltstellen benötigt.

Ferner ist es bekannt, Drehströme so abzuschalten, daß man zuerst eine Phase abschaltet und anschließend die beiden anderen Phasen gleichzeitig unterbricht, wobei man die Abschaltung der beiden restlichen Phasen erst dann bewirkt, wenn der Stromdurchgang in der ersten Phase gänzlich aufgehört hat.

Ferner wurde vorgeschlagen, in bloß eine Phase eine zusätzliche Unterbrechungsstelle einzubauen, die in Serie mit der schon vorhandenen liegt. Wenn man annimmt, daß dann alle vier Kontakte exakt gleich-

Elektrisches Schaltgerät zur Verwendung in Dreiphasenwechselstromsystemen

Anmelder:
Hubert Laurenz Naimer, Wien

Vertreter: Dipl.-Ing. B. Wehr, Dipl.-Ing. H. Seiler,
B erlin- Grune wald,
Dipl-Ing. H. Stehmann und Dipl.-Ing. B. Richter,
Nürnberg 2, Essenweinstr. 4-6, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität: Österreich vom 28. Juni 1957

Ing. Karl Preissler, Wien,
ist als Erfinder genannt worden

zeitig geöffnet werden, wird durch die zusätzliche Kontaktstelle die Abschaltung leichter und rascher vor sich gehen, als wenn in dieser Phase nur eine Unterbrechungsstelle vorhanden wäre. Dadurch wird diese Phase automatisch die zuerst schaltende, und die halbe Schaltleistung wird auf zwei Unterbrechungsstellen verteilt anstatt wie bisher auf nur eine. Gegen diese Bauweise bestehen jedoch folgende Einwände: Die Phase mit den beiden in Serie liegenden Unterbrechungsstellen wird nicht genau die halbe Schaltleistung übernehmen, weil dies voraussetzt, daß alle Unterbrechungsstellen genau gleichzeitig öffnen und die Phase mit den doppelten Unterbrechungsstellen als erste einen Stromnulldurchgang zur Verfügung gestellt bekommt, was natürlich nicht die Regel ist.

Außerdem brennen kurze Zeit drei Lichtbögen gleichzeitig, und es ist nicht ausgeschlossen, daß nicht trotzdem in einer anderen Phase mit nur einem Kontakt der Strom zuerst unterbrochen wird. .Es ergibt sich also lediglich eine Verbesserung der Schaltleistung auf statistischer, nicht genau definierbarer Basis.

Bei einem Schaltgerät zur Verwendung in Dreiphasenwechselstromsystemen, das in einer Phase doppelt so viele Unterbrechungsstellen aufweist wie in jeder der anderen Phasen und mit vorzeitiger Unterbrechung des Stromflusses in der die doppelte Anzahl von Unterbrechungsstellen aufweisenden Phase, besteht nun die vorliegende Erfindung darin, daß der Schaltvorgang in der die doppelte oder ungefähr

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doppelte Anzahl von Unterbrechungsstellen aufweisenden Phase, welcher Vorgang vom öffnen der Kontakte bis zum Erlöschen des Lichtbogens dauert, als Ganzes vor den Schaltvorgang in den beiden restlichen Phasen vorverlegt ist und mithin in diesen Phasen erst nach Beendigung des Schaltvorganges in der erstgenannten Phase erfolgt. Beispielsweise kann für Nockenschalter, bei welchen für jede Phase doppelt unterbrechende, von gekuppelten Nocken gesteuerte Schaltbrücken vorhanden sind, die Vorverlegung des Schaltzeitpunktes der alsdann für die bevorzugte eine Phase vorhandenen Vierfachunterbrechung (entstanden durch die Verdopplung der an sich schon vorhandenen Doppelunterbrechung) dadurch gesichert werden, daß man die Steuerflanke des die Vierfachunterbrechung besorgenden Nockens oder Nocken gegenüber den Steuerflanken des die restlichen Unterbrechungen besorgenden Nockens oder Nocken voreilen läßt, was, wie noch gezeigt werden wird, eine sehr einfache konstruktive Verwirklichung der Erfindung erlaubt. Die Begründung dafür, daß man auch mit einer bloß ungefähren Verdopplung der Unterbrechungsstellen in der zeitlich bevorzugt schaltenden Phase Vorteile erzielt, wird am Schluß dieser Beschreibung gebracht.

Der Vorteil, den das erfindungsgemäße Schaltgerät gegenüber einem bekannten Schaltgerät mit gleichzeitig beginnender, aber ungleichzeitig endigender Abschaltung und verdoppelter Anzahl von Unterbrechungsstellen in einer Phase erreicht, besteht darin, daß die nachschaltenden Kontakte während der Schaltzeit der vorausschaltenden Kontakte keinen Lichtbogen führen, da sie während dieser Zeit noch geschlossen gehalten sind. Damit wird an diesen Polen ein unnötiger Kontaktabbrand sowie eine unnötige Kontaktvorerwärmung und Ionisierung während der Schaltdauer der vorausschaltenden Phase vermieden. Da die nachschaltenden Kontakte erst geöffnet werden, wenn der Lichtbogen der vorausschaltenden Phase schon lange erloschen ist, werden die nachschaltenden Kontakte sogleich die nun erleichterten Schaltbedingungen zur Verfügung gestellt erhalten und diese, da eine Wärmevorbelastung des Kontaktes nicht vorhanden ist, noch leichter abschalten als gemäß früherem ,vorhin genanntem Vorschlag.

Die Erfindung erlaubt es, bei gleichem Kontaktaufwand, wie vorhin genannt, durch die Vorverlegung des Schaltbeginns einer Phase einen Gewinn an Schaltleistung und Sehaltstücklebensdauer zu erzielen, ohne daß dazu ein zusätzlicher Aufwand erforderlich wäre, wie noch dargelegt werden wird.
Der Erfindungsgedanke ist schematiseh an Hand der Fig. 1 erläutert, wogegen die Fig. 2 bis 5 einige praktische Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung darstellen;

Fig. 2, 3 zeigen einen Hochspannungs-Dreiphasenschalter im Aufriß und im Grundriß;

Fig. 4 zeigt eine Einzelheit für einen erfindungsgemäß beschaffenen Nockenschalter und

Fig. 5 die Anwendung der Erfindung auf ein als Schütz aufgebautes elektrisches Schaltgerät.

In Fig. 1 erkennt man die drei Phasen R, S, T eines Drehstromnetzes, an dem ein Verbraucher Z hängt, der das Netz induktiv (ω L) und ohmisch belastet (W). Zusätzlich zu den drei doppelt unterbrechenden Schaltbrücken 1, 2, 3 ist in irgendeiner Phase, hier R, eine weitere, doppelt unterbrechende Schaltbrücke 4 eingesetzt. Im Gegensatz zu früheren \^Jorschlägen, die es dabei bewenden ließen, eine mehr oder minder gleich-

zeitige Betätigung sämtlicher Brücken 1 bis 4 herbeizuführen, werden nun erfindungsgemäß die Brücken 1 und 4 bewußt und zwangläufig früher geöffnet als die Brücken 2 und 3. Damit wird erreicht, daß die Brücken 1 und 4 eindeutig und nicht bloß zufällig jene sind, die zuerst abschalten und damit die halbe Gesamtschaltleistung des abzuschaltenden Verbrauchers Z übernehmen. Sowohl die Brücken 2 als auch 3 sind alsdann jeweils mit einem Viertel der Unterbrechungsleistung am Schaltvorgang beteiligt.

Die beiden später als 1, 4 schaltenden Brücken 2, 3 übernehmen die zweite Hälfte der Ufiterbrechungsleistung und teilen sich diese ebenfalls auf je ein Viertel pro Schaltstelle auf. Die Zeit zwischen dem Öffnungsbeginn der Brücken 1 und 4 in Phase R und dem Öffnungsbeginn der Brücken 2, 3 in Phase S und T muß, wie dies an sich bekannt ist, so bemessen werden, daß die Brücken der zuerst unterbrechenden Phase R den Strom, den sie führten, bereits vollständig unterbrochen haben, bevor die anderen Schaltbrücken 2, 3 ihre Schaltbewegung beginnen. Diese Zeit wird etwa zwei bis drei Perioden betragen müssen. Diese Art des Abschaltens wird im folgenden »bevorzugte Mehrfachunterbrechung« genannt.

as Da nun jeder Kontakt bzw. jedes Kontaktpaar des Schalters genau ein Viertel der gesamten Unterbrechungsleistung des Kreises übernehmen wird, braucht man keine Schaltleistungsreserve in die Kontakte zu legen, die bei einer Abschaltung ohnedies nur bei jeweils einem Kontakt ausgenutzt würde. Bei der bevorzugten Mehrfachunterbrechung wird jeder Kontakt immer gleichartig wie alle anderen Schaltstellen ausgenutzt, und die bisher unausgenutzt gebliebenen Reserven können daher zur Erhöhung der Schaltleistung des Gerätes voll verwendet werden.

Bei einem normalen dreipoligen Schalter bisheriger Bauart, der imstande wäre, die Unterbrechungsleistung N₁ gerade noch aufzubringen, kann man dadurch, daß, wie bekannt, eine zusätzliche gleichartige Unterbrechungsstelle einer Phase zugefügt, aber erfindungsgemäß gesichert wird, daß diese Phase früher öffnet als die anderen, in der zuerst öffnenden Phase die maximale Unterbrechungsleistung auf 2 N₁ erhöhen, d. h. verdoppeln, was einen bedeutenden Fortschritt vorstellt, der, wie noch gezeigt wird, mit einem relativ geringen Aufwand baulicher Art erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Bauregel gilt allgemein, wenn man in der bevorzugt früher geschalteten Phase genau so viel Unterbrechungsstellen vorsieht wie in den beiden anderen Phasen zusammen. Wenn also ein Schalter normalerweise Vierfachunterbrechung in allen Phasen hätte, müßte man im Sinne der Erfindung in einer Phase achtfache Unterbrechung einführen und diese Kontakte zwangschlüssig früher öffnen, womit man die Schaltleistung auf das Doppelte erhöht hätte. Das Prinzip der bevorzugten Mehrfachunterbrechung läßt sich für Hoch- und für Niederspannung anwenden, und zwar bei dreipoligen Ausschaltern, Umschaltern, Sterndreieckschaltern, Wendeumschaltern u. dgl. m., schafft aber auch bei elektrischen Schaltschützen (Schaltrelais) eine Möglichkeit, die Schaltleistung zu erhöhen.

Die Fig. 2, 3 zeigen die Anwendung des Erfindungsgedankens auf einen Hochspannungsschalter für ein Dreiphasenleitersystem im Aufriß und im Grundriß. Auf einer Grundplatte 10 stehen drei Schaltersäulen 11,12, 13, die bekannte Schaiteinrichtungen enthalten mögen, z. B. Druckgasschalter. Die Säule 14 stellt die zusätzliche Unterbrechungsstelle vor (z. B. ebenfalls ein Schalter bekannter Art), welche bevorzugt betätigt

Claims (4)

i 051 wird und ζ. Β. in der Phase R liegt. In die Betätigungsleitung 15, die den Schaltvorgang auslöst oder durchführt und die ein Gestänge oder eine Druckmittelleitung sein kann, ist eine Verzögerungseinrichtung 16 eingeschaltet, mit dem Zweck, die beiden in den Schaltersäulen 11,14 befindlichen Schalter vor jenen der Schaltersäulen 12,13 in Tätigkeit zu setzen. Die Fig. 4 erläutert die Anwendung der Erfindung auf einen Dreiphasennockenschalter, der pro Phase eine doppelt unterbrechende Schaltbrücke aufweisen möge, doch ist nur die die Vierfachunterbrechung (entsprechend den Schaltbrücken 1, 4, der Fig. 1) besorgende Stufe gezeigt; der Schalter kann insgesamt an sich bekannter Art sein. Auf einer Kantwelle 20 sitzt außer den Nocken, welche den Schaltbrücken 2 und 3 der Fig. 1 zugeordnet sind, noch ein Nocken 21 mit zwei Kanten 25. welche die Hubbewegung der Stößel 22 und der mit ihnen verbundenen Schaltbrücken 24 steuern. In bekannter Weise wirken dabei die Nocken über Rollen 26 auf die in Führungen 27 so gleitenden Stößel, die entgegen der Wirkung von im Schaltergehäuse (nicht dargestellt) abgestützten Druckfedern 28 angehoben werden und dadurch die Kontaktstellen 30 öffnen. Die beiden Brücken 24 liegen durch eine Leitung 31 in Serie. Da angenommen ist, daß der Schalter durch eine im Pfeilsinne erfolgende Drehung der Kantwelle 20 öffnet, so müssen, damit die Brücken 24 vor den restlichen Brücken öffnen, die Steuerkanten 33 der diesen restlichen Brücken zugeordneten Nocken gegenüber den Steuerkanten 25 nacheilen. Demnach ist ersichtlich, daß die Erfindung bei Schaltern der in Fig. 4 gezeigten Bauweise (s. auch für den Aufbau solcher Schalter die österreichische Patentschrift 173 497) einfach dadurch verwirklicht wird, daß man die eine der bei Dreiphasenschaltern bisher frei gebliebenen Führungen 27 mit einer vierten Brücke 24 versieht und den Steuernocken dieses Brückenpaares gewissermaßen relativ zu den restlichen Nocken um ein geringes Maß verdreht anwendet. Es ist hier an jenen auch in der genannten österreichischen Patentschrift gezeigten Aufbau gedacht, gemäß welchem die Schaltbrücken symmetrisch zu einer die Schalterachse einschließenden Mittelebene angeordnet sind; die vier insgesamt erforderlichen, mit Doppelunterbrechung arbeitenden Schaltbrücken sind also paarweise auf je einer Seite der Mittelebene angeordnet. Das in Fig. 5 dargestellte Schütz besitzt eine bewegliche Schaltbrücke 40 mit federnd ausgeführten Kontakten 41, 42, 43 und 44. Die Gegenkontakte sind mit 41', 42', 43' und 44' bezeichnet, und es sind die Kontakte 43' und 44' durch eine Serienverbindung 45 (entsprechend 31 in Fig. 4) hintereinandergeschaltet. Bei geschlossenem Stromkreis berühren sich die beiden Kontaktsätze. Wenn nun die Schaltbrücke 40 zwecks öffnung des Stromkreises durch das (nicht gezeichnete) Magnetsystem längs der Führungssäulen 46 nach aufwärts verschoben wird, öffnen zuerst die Kontakte 43' und 44' dadurch, daß diese gegenüber den Kontakten 41 und 42 um einen geeignet bemessenen Betrag a bewußt zurückversetzt sind. Die Bemessung der Strecke a oder des Voreilwinkels bei Nockenschaltern ist nicht kritisch. Ob beim Schließen der Schalter die beim öffnen zuerst betätigte Brücke auch zuerst geschlossen wird, ist, wie sich mathematisch beweisen läßt, gleichgültig, dies unter anderem auch aus dem Grund, weil in elektrischen Schaltgeräten Probleme elektrischer Natur vorwiegend bei der Unterbrechung, nicht aber bei der Schließung des Stromflusses auftreten. Im vorhergehenden wurde gesagt, daß die gewünschte A^erteilung der Schaltleistung auf die beiden mit Zeitabstand öffnenden Kontaktgruppen eintritt, wenn in einer Phase doppelt so viele Kontakte vorhanden sind wie in jeder der restlichen Phasen. Diese Forderung ist nicht genau zu nehmen; es würde beispielsweise bei Fünfzehnfachunterbrechung in der einen Phase und je Achtfachunterbrechung in den anderen Phasen, d. h. bei nur ungefährer Verdopplung der UnterbreclTungsstellen der einen Phase gegenüber jeder der anderen, ebenfalls eine wesentliche Verbesserung der Kontaktausnutzung eintreten. Dies ist wesentlich, wenn der Aufbau des Schalters, auf Grund des von ihm verlangten Schaltprogramms, für die Unterbringung von beispielsweise fünfzehn Unterbrechungsstellen in der einen Phase geeignet ist, die Unterbringung einer sechzehnten jedoch bedeuten würde, daß eine zusätzliche Kontakteinheit nur dieses einen Kontaktes wegen vorgesehen werden müßte. Die Schaltleistung einer bevorzugt geöffneten Kontaktstelle ist N_ 2 ' ni ' wobei m1 die Anzahl der Kontaktstellen in der betrachteten, bevorzugt geöffneten Phase ist. Nach obigem wird nun die Schaltleistung der in den restlichen Phasen vorhandenen Unterbrechungsstellen N_ 1 2 2·μ2 sein, wobei m2 die Anzahl der Kontaktstellen in jeder dieser Phasen ist. Wenn 2 m2 = m1 wird, ergeben sich ideale Verhältnisse; wird m1 verschieden von 2 m2, so verschlechtert sich die Ausnutzung der Kontakte proportional mit dieser Verschiedenheit. Die Auswirkung dieser Verschlechterung ist jedoch relativ um so geringer, je größere Zahlen m1 bzw. m2 sind. Für das obige Beispiel würde sich bei der bestmöglichen Kontaktausnutzung von 16 : 16 = 1 eine Verschlechterung auf 16 : IS = 1,065, d. h. eine ungefähr 6,5%ige Überlastung der Kontakte in der bevorzugt öffnenden Phase gegenüber jenen in jeder anderen Phase ergeben. Im Gegensatz zu älteren Ausführungen bleibt dann immer noch der Vorteil bestehen, daß derartige Ungleichheiten in der Ausnutzung der Kontakte immer in ein und derselben, vorliegendenfalls in der bevorzugt öffnenden Phase auftreten. Da die Erfindung auf jedes elektrische Schaltgerät anwendbar ist, sofern dieses ein Dreileiterwechselstromsystem schaltet, erlaubt sie viele konstruktive Verwirklichungen. In der Regel wird man so vorgehen, daß der grundsätzliche Aufbau der Schaltgerätetype nicht verändert wird, sondern daß dem Gerät ein zusätzliches Schaltorgan einer bereits vorhandenen oder in Aussicht genommenen Art hinzugefügt wird und Vorkehrungen getroffen werden, daß dieses zusätzliche Schaltorgan mit Sicherheit früher unterbricht als die restlichen in dem Gerät vorhandenen Schaltorgane. Patentansprüche:

1. Elektrisches Schaltgerät zur Verwendung in Dreiphasenwechselstromsystemen, das in einer Phase doppelt so viele Unterbrechungsstellen aufweist wie in jeder der anderen Phasen und mit vorzeitiger Unterbrechung des Stromflusses in der die doppelte Anzahl von Unterbrechungsstellen

aufweisenden Phase, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltvorgang in der die doppelte oder ungefähr doppelte Anzahl von Unterbrechungsstellen aufweisenden Phase, welcher Vorgang vom Öffnen der Kontakte bis zum Erlöschen des Lichtbogens dauert, als Ganzes vor den Schaltvorgang in den beiden restlichen Phasen vorverlegt ist und mithin in diesen Phasen erst nach Beendigung des Schaltvorganges in der erstgenannten Phase erfolgt.

2. Schaltgerät nach Anspruch 1, das als Nockenschalter ausgeführt ist, in welchem für jede Phase doppelt unterbrechende, von gekuppelten Nocken betätigte Schaltbrücken vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverlegung des Schaltzeitpunktes der für eine Phase vorgesehenen bevorzugten Unterbrechung durch eine Voreilung der Steuernanke des diesen Unterbrechungsstellen zugeordneten Nockens oder Nocken gegenüber den Steuerflanken des den restlichen Unterbrechungs-

stellen zugeordneten Nockens oder Nocken erzwungen wird.

3. Nockenschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einhaltung der bekannten Bauweise mit symmetrisch zu einer Mittelebene angeordneten Schaltbrückenpaaren die insgesamt erforderlichen, mit Doppelunterbrechung arbeitenden Schaltbrücken paarweise auf je einer Seite der Mittelebene des Schalters angeordnet sind.

4. Schaltgerät nach Anspruch 1, das als Schütz mit federnd aufeinanderliegenden, von einer Brücke getragenen Kontakten ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbewegungen der zusammenwirkenden Kontaktpaare jeder Phase für die bevorzugt und doppelt zu schaltende Phase kleiner sind als für die restlichen Phasen, wobei der Zeitunterschied der Unterbrechungszeitpunkte durch federnde Ausbildung wenigstens der bevorzugt betätigten Kontakte erreicht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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