DE1071241B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei elektrischen Kontaktanordnungen,- die vorübergehend oder auch dauernd Ströme von IOOOOA und mehr führen müssen, z. B. bei Großgleichrichtern, treten, erhebliche dynamische Kräfte auf, die eine abhebende Wirkung auf die Schaltstücke ausüben. Dies hat als erstes zur Folge, daß der Kontaktwiderstand infolge des abnehmenden Kontaktdruckes höher wird; dadurch steigen die Verluste und insbesondere die so wichtige Kontaktspannung. Erreicht diese die sogenannte Schmelzspannung des Kontaktmaterials, bei Silber z. B. 0,35 V, so tritt ein Verschweißen der Kontakte auf. Es kann aber auch vorkommen, daß die Schaltstücke durch die abhebenden Kräfte geöffnet werden, wobei darm ein Lichtbogen entsteht. Durch die explosionsartige Verdampfung von Kontaktmaterial und Erhitzung der Luft zwischen den Schaltstücken treten zusätzliche abhebende Kräfte auf, so daß in solchen Fällen die Kontaktflächen der Schaltstücke meist vollständig zerstört werden.

Es sind bereits eine Reihe von Vorschlägen bekanntgeworden, um die kontaktabhebenden Kräfte zu verringern. So wird beispielsweise bei Trennschaltern für große Stromstärken die Leitungsführung so gewählt, daß eine Schlei fen wirkung vermieden ist. Bei Niederspannungsschaltern hat man durch den zu unterbrechenden Strom zusätzliche magnetische Kräfte auf die Schaltbrücke erzeugt. Die bei Starkstromschaltern angewandten Maßnahmen sind aber für Schaltpatronen nicht geeignet, da entweder der Aufbau der Patrone dadurch wesentlich komplizierter und teurer wird oder, was noch schwerwiegender ist, sich die bewegte Masse erhöht.

Die Erfindung zeigt eine andere Lösung der gestellten Aufgabe. Sie betrifft eine Kontakteinrichtung für mechanische Großgleichrichter mit zwei feststehenden Kontaktschienen und einer diese Schienen abwechselnd verbindenden bzw. trennenden, also beweglichen Schaltbrücke, die mit einem Magnetanker mechanisch verbunden ist. Sie ist gekennzeichnet durch ein ruhendes, die Kontaktschienen und die Schaltbrücke umgebendes Magnetsystem, das auf den mit der Schaltbrücke fest verbundenen Magnetanker eine magnetische Zugkraft und auf die stromdurchflossene Schaltbrücke eine elektrodynamische Zugkraft ausübt, derart, daß die Summe aus magnetischer und elektrodynamischer Zugkraft über den ganzen Strombereich eine so hohe resultierende anpressende Kraft ausübt, daß die Kontaktspannung innerhalb dieses Strombereiches kleiner als die Schmelzspannung 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 Schaltstücke und 3 das bewegliche Schaltstück, das beispielsweise wie beim Kontakteinrichtung für mechanische Großgleichrichter

Anmelder: FKG Fritz Kesselring Gerätebau A. G._r Bachtobel, Weinfelden (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Bardchaus₁ Patentanwalt, Erlangen, Eichenweg 10

Beanspruciite Priorität: Sdiweiz vom 26. Januar 1954

Otto Jensen, Malvern, Pa. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

,' 2

Kontaktumformer 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 dargestellt; die Berührung an den Kontaktstellen erfolgt nun niemals über die ganze Fläche, sondern nur mehr oder weniger punktförmig. Im vorliegenden Fall ist angenommen, daß die eigentliche Berührung an den Stellen 5 und 6 erfolge. Für die abhebende Kraft F_a, bezogen auf beide Kontaktstellen 6 und 7, ergibt sich dann in Näherung nachstehende Beziehung:

C 5

F_a = S . P. IO-⁸ a» — · J² · 10-8 (kg).
η η

Die Größe C_a hängt zwar noch von dem Kontaktdruck, der Härte und dem spezifischen Widerstand des Kontaktmaterials ab, liegt jedoch für S über kontakte bei Anpreßdrücken von 10 ... 20 kg in der Größe von etwa 5 kg/A² je Doppelkontakt, η bedeutet die Zahl der Berührungspunkte je Unterbrechungsstelle. Infolge der nach außen gebogenen Stromschleife ergibt sich im allgemeinen noch eine Zusatzkraft, da sich die Induktivität 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 K₁ tritt eine Kontakttrennung mit den eingangs geschilderten Auswirkungen auf. Es kann jedoch bereits viel früher zu einer Schädigung der Kontaktanordnung kommen,

909 689/476

Claims (1)

nämlich dann, wenn der Kontaktdruck so weit herabgesetzt wird, daß an den Stellen 6 und 7 die Schmelzspannung des Kontaktmaterials erreicht wird, da dann die Schaltstücke an den Berührungsstellen verschweißen. Man könnte nun daran denken, eine anpressende Kontaktkraft .Fs in an sich bekannter Weise durch Ausbildung der Stromschleife gemäß Fig. 2 zu erzeugen. Unter entsprechenden Annahmen, wie sie bei Fig. 1 gemacht wurden, ergibt sich die Schließungskraft Fs gemäß nachstehender Beziehung: Ps = Cs-P- IO-»~o,5 ■ Z2· IO-8 (kg), wobei Cs bei Schaltpatronen kaum größer als 0,5 kg/A2 gemacht werden kann. Die abhebende Kraft ist praktisch von gleicher Größe wie in Fig. 1. Man erkennt daher, daß bei nur einem Berührungspunkt je Unterbrechungsstelle die abhebenden Kräfte rund zehnmal größer sind als die anpressenden. Die Maßnahme gemäß Fig. 2 bedeutet somit keine wesent- ao liehe Verbesserung. Maa könnte nun die Zahl der Berührungspunkte«, je Unterbrechungsstelle so weit erhöhen, daß wenigstens die abhebenden Kräfte nicht größer werden als die anpressenden. Im vorliegenden Fall müßte man auf jeder Seite zehn feststehende, jedoch etwas nachgiebige Kontaktfinger anordnen und zudem noch die Abkröpfung der Zuleitungsschienen, wie in Fig. 2 angedeutet, in Kauf nehmen. Beide Maßnahmen lassen sich jedoch bei Schaltpatronen praktisch nicht verwirklichen. Wesentlich günstiger liegen nun die Verhältnisse, wenn man in dem beweglichen Schaltstück 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 an, daß es insbesondere bei Kurzschluß infolge der dann vorhandenen großen treibenden Amperewindungen möglich ist, eine Querinduktion von etwa 12000 Gauß zu erzeugen, so ergibt sich unter den gleichen Annahmen wie bisher ein Kraftgesetz von nachstehendem Aufbau: F/« C/■/· 10-3 « 1 ·/· IO-« (kg), d. h., bei 7 = 10000A entsteht ein zusätzlicher Anpreßdruck von etwa 10 kg. In Fig. 4 ist der Verlauf der verschiedenen Kräfte Fa, Fs, Fs' und der magnetischen Zugkraft Fm aufgetragen, so wie er sich für eine 2000-A-Schaltpatrone etwa ergibt. Dabei wurde angenommen, daß die Zahl der Berührungspunkte je Unterbrechungsstelle η = 3 sei. Die abhebende Kraft Fa entsprechend Fig. 1 und 2 nimmt quadratisch mit dem Strom zu und erreicht bei etwa 27 kA bereits die magnetische Zugkraft Fm. Bei größerem Strom würde somit bei einer Anordnung nach Fig. 1 eine Kontakttrennung auftreten. Die SchliefiungskraftFs entsprechend der Anordnung nach Fig. 2 nimmt ebenfalls quadratisch zu, ist aber kleiner als F0. Die Differenz zwischen den Kurven Fa und Fs verringert somit die magnetische Zugkraft, so daß die resultierende Kraft Fr' bei 45 kA praktisch gleich Null ist. Längst vorher tritt jedoch bereits eine schädigende Wirkung auf die Schaltstücke auf. Demgegenüber ist der Verlauf der Schließungskraft Fs wesentlich günstiger. Sie steigt annähernd linear an, wobei angenommen werden kann, daß bei sehr großem Strom die Konstante Cs noch etwas zunimmt, da bei geeigneter Formgebung des magnetischen Kreises Induktionen von über 12000 Gauß erzeugt werden können. Schon bei mäßigem Überstrom tritt eine Erhöhung des Kontaktdruckes über den Wert Fm auf, der dann sehr bald rund den doppelten Wert von Fm erreicht. Damit ist aber die Gewähr gegeben, daß die Kontaktanordnung bis zum vollen Kurzschlußstrom von 50 kA einwandfrei arbeitet. Aus den vorstehenden Darlegungen ergibt sich, daß es durch geringfügige Abwandlung des die magnetische Zugkraft erzeugenden Magnetsystems möglich ist, zugleich auch noch eine elektrodynamische Zugkraft auf die stromdurchflossene Schaltbrücke auszuüben. Durch das Zusammenwirken der beiden Zugkräfte wird ohne jede Vergrößerung der beweglichen Masse erreicht, daß eine Kontaktabhebung auch bei den größten Strömen vermieden ist. 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 Fig. 5 darstellt. 11 und 12 sind die Stromzuführungsschienen mit den elastisch nachgiebigen Kontaktfingern 11' und 12'. 13 ist das bewegliche Schaltstück, 14 der damit fest verbundene Anker, 15 das Magnetjoch, das an dem Isolierstück 16 befestigt 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 Zusatzwicklungen, beispielsweise für Vormagnetisierung und Impulserregung der Schaltpatrone. Bei normalem Betrieb schließt sich der magnetische Fluß über den Anker 14 (strichpunktierte Linie, Fig. 6), wobei durch die magnetische Zugkraft das bewegliche Schaltstück 13 gegen die Kontaktfinger 11' und 12' gepreßt wird (KraftFm 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 ausgezogenen Linie (Fig. 6) quer durch das bewegliche Schaltstück 13, wobei eine zusätzliche Zugkraft Fs' entsteht, die das Schaltstück 13 gegen die Kontaktfinger 11' und 12' anpreßt. Infolge der Sättigungserscheinungen der Polschuhe des Joches 15 kann angenommen werden, daß die Induktion über die ganze Höhe des Schaltstückes 13 einigermaßen konstant ist und im Mittel mindestens einen Wert von 12000... 15000 Gauß aufweist, sofern der Querschnitt des Joches 15 unmittelbar hinter den Polschuhen ein Vielfaches des von der Querinduktion durchsetzten Querschnittes des beweglichen Schaltstückes ist. Selbstverständlich können die Schaltstücke und der magnetische Kreis auch noch auf andere Art angeordnet und erregt werden. So ist es z. B. möglich, die Spule 21 an einen vom Hauptstrom oder von einem Teil des Hauptstromes durchfiossenen Stromwandlers anzuschließen oder mit einer Hilfsstromquelle zu verbinden. Patentansprüche:

1. Kontakteinrichtung für mechanische Großgleichrichter mit zwei feststehenden Kontaktschienen und einer diese Schienen abwechselnd verbindenden bzw. trennenden, also beweglichen Schaltbrücke, die mit einem Magnetanker mechanisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein ruhendes, die Kontaktschienen und die Schaltbrücke umgebendes Magnetsystem vorhanden ist, das auf den mit der Schaltbrücke fest verbundenen