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Elektrisches Schaltgerät für hohe Ströme Es sind bereits elektrische
Schalter bekannt, die zwei in Reihe geschaltete Kontaktvorrichtungen aufweisen,
welche nacheinander schließen und in der umgekehrten Reihenfolge öffnen. Der Zweck
solcher Kontaktvorrichtungen ist im allgemeinen der, zu verhindern, daß das Kontaktpaar,
das im stationären Zustand den wesentlichen Teil der Stromzuleitung zu übernehmen
hat und daher zur Herabsetzung des Kontaktwiderstandes aus einem edleren, also auch
teureren Metall als die Abbrennkontakte besteht, beim Ausschalten durch den auftretenden
Lichtbogen beschädigt wird oder durch Verdampfen bzw. Abschmelzen Materialverluste
erleidet. Es sind auch Schalteinrichtungen bekannt, bei denen der umgekehrte Weg
beschritten wird, wobei für die Abbrennkontakte ein besonders abbrandfestes hochwertiges
Material zur Verwendung kommt. Bei Flüssigkeitsschaltern, wie z. B. bei Wasserschaltern,
kann eine Anordnung mit zwei in Reihe geschalteten Kontaktpaaren dazu dienen, das
Verdampfen von Schaltflüssigkeit beim Einschalten zu verhindern.
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Es ist auch bereits ein Schalter für große Schaltströme mit einer
Lichtbogenlöscheinrichtung mittels Blasspulen bekannt, bei dem ein Hohlkontakt vorgesehen
ist, der aus segmentförmig unterteilten, unter Federwirkung stehenden Kontaktelementen
besteht, die den Stromübergang zwischen den festen und beweglichen Schalterkontakten
vermittelt. Es ist weiterhin eine Kontaktanordnung für einen elektrischen Hochleistungsschalter
bekannt, bei dem eine Anzahl von im Kreis angeordneten, durch eine oder mehrere
Ringfedern an einen runden Gegenkontakt angedrückten, schmalen, hochkant stehenden
Lamellen vorhanden ist. Es ist weiterhin ein federnder Abbrennkontakt bekannt, dessen
Abbrennschaltstücke an mindestens zwei nebeneinander angeordneten und elektrisch
parallelgeschalteten Trägern befestigt sind.
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Bei Leistungsschaltern, insbesondere solchen für große Ströme, bereitet
zuweilen das Einschalten größere Schwierigkeiten an den Kontakten als das Ausschalten.
Die Einschaltgeschwindigkeit der Kontaktbrücke darf nicht zu niedrig liegen, da
sonst der unvermeidliche Einschaltlichtbogen, der durch den Durchschlag des Mediums,
in dem die Kontakte arbeiten, entsteht, bei zu niedriger Kontaktgeschwindigkeit
zu lange brennt, so daß ein Verschweißen der Kontakte möglich ist. Wird die Kontaktgeschwindigkeit
zu hoch gewählt, entstehen beim plötzlichen Abbremsen der Kontaktbrücke beim Auftreffen
auf die festen Kontakte in Verbindung mit den verschiedenen federnden Elementen
Schwingungen, die zu Kontaktabhebungen beim Einschalten entsprechend großer Ströme
zu Kontaktverschweißungen führen können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schalteinrichtung zu schaffen,
mit der es möglich ist, große Ströme einzuschalten, ohne daß ein Verschweißen der
Kontakte durch Kontaktprellungen auftreten kann, die außerdem in der Lage sein soll,
große überströme, wie diese bei Kurzschlüssen auftreten können, zu führen, ohne
daß Kontaktabhebungen auftreten. Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät
für hohe Ströme mit zwei verschieden in Reihe geschalteten Kontaktpaaren, von denen
das eine Kontaktpaar zur übernahme der Einschaltarbeit und das andere Kontaktpaar
zur Übernahme der Ausschaltarbeit vorgesehen ist.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin,
daß das eine den Einschaltvorgang durchführende Kontaktpaar als an sich bekannter
prellfrei schließender Keilreibkontakt und das zweite Kontaktpaar als mit einer
an sich bekannten Lichtbogenlöscheinrichtung versehener Ausschaltkontakt ausgebildet
ist und daß die beiden Kontaktpaare durch eine Steuereinrichtung, die aus einem
Gestänge besteht, das mit einem Kolben eines mit Druckluft oder einem anderen verdichteten
Druckmittel beaufschlagten Zylinders verbunden ist, mittels zwischen ihren Drehpunkten
nicht verschiebbar mit dem Schalterchassis verbundenen Klinken und auf dem Gestänge
fest angeordneten Tellern axial beweglich angeordneten Federn so gesteuert sind,
daß der Keilreibkontakt beim Einschaltvorgang vor dem Ausschaltkontakt schließt
und beim Ausschalten nach diesem öffnet.
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Eine weitere Lösung der gestellten Aufgabe besteht gemäß der Erfindung
darin, daß das eine, den Einschaltvorgang durchführende Kontaktpaar als an sich
bekannter, prellfrei schließender Keilreibkontakt
und das zweite
Kontaktpaar als mit einer an sich bekannten Lichtbogenlöscheinrichtung versehener
Ausschaltkontakt ausgebildet ist und daß die beiden Kontaktpaare durch eine Steuereinrichtung,
die aus einem Gestänge besteht, das mit einem Kolben eines mit Druckluft oder einem
anderen verdichteten Druckmittel beaufschlagten Zylinders verbunden ist, mittels
zwischen ihren Drehpunkten nicht verschiebbar mit dem Schalterchassis verbundenen
Klinken und auf dem Gestänge fest angeordneten Tellern axial beweglich angeordneten
Federn so gesteuert sind, daß der Keilreibkontakt beim Einschaltvorgang vor dem
Ausschaltkontakt schließt und beim Ausschalten vor diesem öffnet.
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Als Keilreibkontakte sollen dabei Schaltstücke bezeichnet werden,
deren einander zugekehrte Kontaktberührungsfiächen in bezug auf ihre beim Schalten
verlaufende Bewegungsrichtungen geneigt sind, so daß die Kontaktstücke nach dem
Einschalten derart miteinander verbunden sind, daß die in den Berührungspunkten
aus den elektrodynamisch kontaktabhebenden Kräften herrührenden Komponenten kleiner
sind als die ihr entgegengerichtete, in der Bewegungsrichtung der Schaltstücke verlaufende
Einschaltkraft.
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Der Aufbau eines solchen Leistungsschalters soll anschließend an Hand
der Zeichnungen erläutert werden. In der F i g. 1 ist ein Schalter dargestellt,
der in Reihenschaltung für das Einschalten eine Kontaktbrücke 23 mit den festen
Kontakten 27 und für das Ausschalten eine Kontaktbrücke 12 mit festen Kontakten
11 besitzt.
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In der anschließenden Beschreibung sollen alle Bewegungen, die in
Richtung auf die Achse des Gestänges hin erfolgen mit »nach innen« und die entgegengesetzten
Bewegungen mit »nach außen« bezeichnet werden. Die Bewegungen des Kolbens 2 und
der mit diesem verbundenen Teile bei Beaufschlagung mit Druckkraft soll entsprechend
der Anordnung in der Zeichnung mit »nach unten« und die entgegengesetzten mit »nach
oben« bezeichnet werden. Das Ein- und Ausschalten des Schalters erfolgt folgendermaßen:
Zum Einschalten wird in dem Zylinder 1 der Kolben 2 gegen die Kraft einer Feder
3 durch Einströmen eines verdichteten Mediums, z. B. Druckluft, durch die Öffnung
39 in eine Bewegung senkrecht nach unten versetzt. Dadurch werden über das Gestänge
2 zuerst die Kontaktbrücke 12 und später die Kontaktbrücke 23 nach unten bewegt.
Dabei wirken die verschiedenen, in der Zeichnung dargestellten Federn und Hebel
in folgender Weise mit: Der Rotationskörper 6, der im folgenden als Mitnehmer bezeichnet
werden soll, drückt auf den Teller 7, so daß die Feder 9 und die Feder 10, die an
der unbeweglichen Abstützung 8 anliegen, zusammengedrückt werden. Die zwischen den
beiden Federn 9 und 10 angeordnete Kontaktbrücke 12 wird damit senkrecht nach unten
bewegt und berührt nach Zurücklegen eines gewissen Weges die beiden fest angeordneten
Kontaktstücke 11. Beim weiteren Bewegen des Kolbens 2 nach unten werden die Federn
9 und 10 weiter zusammengepreßt und damit die Kontaktbrücke 12 mit einem der Differenz
der Federkräfte 9 und 10 entsprechenden Kraft gegen die festen Kontaktstücke 11
gepreßt.
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Während der Bewegung des Gestänges 4 wandern der Mitnehmer 6 und der
Teller 7 nach unten. Die beiden Klinken 14 werden dabei durch die beiden Druckfedern
13 nach innen bewegt, und zwar so lange, bis die Nasen 15 der Klinken 14 den Teller
7 in der tiefsten Lage des Kolbens 2 erfassen und festhalten.
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Durch die Bewegung des Gestänges 4 nach unten wird auch der Mitnehmer
16 nach unten bewegt. Die Drehpunkte 18 der beiden Klinken 17 sind fest mit dem
unbeweglichen Teil des Schalters verbunden. Die Klinken 17 werden durch Druckfedern
18 so nach innen gedrückt, daß sie mit ihren Klauen 20 den Teller 21 festhalten
können. Der Teller 21 ist über das Rohr 22, das beweglich über dem Gestänge 4 angeordnet
ist, mit der konischen Kontaktbrücke 23 verbunden. Da der Teller 21 von den beiden
Klauen 20 der Klinken 17 festgehalten wird, wird beim Abwärtsbewegen des Gestänges
die Feder 25 zusammengedrückt. Hat nun der Mitnehmer 16 einen bestimmten Weg nach
unten zurückgelegt, so trifft er auf die Nasen 24 der Klinken 17 und drückt damit
die Klinken 17 so weit auseinander, daß die Klauen 20 den Teller 21 loslassen, so
daß dieser und die mit diesem verbundene Kontaktbrücke 23 durch das Entspannen der
Feder 25 kräftig nach unten geschleudert werden, so daß die konische Kontaktbrücke
23 mit einer Geschwindigkeit, die die des Gestänges 4 übersteigt, auf die festen
Kontakte 27 auftrifft.
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Kurz vor dem Aufschlag der Kontaktbrücke 23 auf den festen Kontakt
27 berührt die Fläche 28 der Kontaktbrücke 23 ein Rohr 29, das ebenfalls beweglich
auf dem Gestänge 4 angeordnet ist und mit dem konischen Teller 36 fest verbunden
ist. Das Rohr 29 drückt gegen eine Feder 30, die gegen einen Teller 31, der mit
dem Gestänge 4 fest verbunden,ist, abgestützt ist. Beim Aufschlagen der Kontaktbrücke
23 auf das Rohr 29 wird die Feder 30 gespannt und damit der Aufschlag der Kontaktbrücke
23 gedämpft. Durch die Feder 25 wird die Kontaktbrücke 23 mit dem erforderlichen
Druck gegen die festen Kontakte 27 angepreßt.
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Weiter sind drehbar um die fest angeordneten Drehpunkte 38 Hebel 32
vorgesehen, die von den Federn 33 nach innen gedrückt werden. Beim Einschalten wandert
der Teller 31 nach unten, so daß die Nasen 34 frei werden und nach innen wandern.
In der untersten Lage des Gestänges 4 halten dadurch die Klauen 35 der Hebel 32
den Teller 29 und damit das Gestänge 4 fest.
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über die Ausführung der Keilkontakte ist noch folgendes auszuführen:
Der bewegliche und der bzw. die festen Kontakte sind aus massivem Werkstoff hergestellt.
Bei einer außermittigen Lage des Konuskontaktes 23 gegenüber dem festen Kontakt
27 wird der erstere durch die konische Form in die Mittellage geführt, wobei ein
Stromfiuß erst dann zustande kommt, wenn die Kontaktbrücke 23 an den beiden festen
Kontakten 27 anliegt.
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Ist der bewegliche Konus in den konischen Sitzflächen der Gegenkontakte
eingedrungen, dann vermögen auch hohe Kurzschlußströme wegen der hohen Reibungskomponente,
die bis zur Selbsthemmung gewählt werden kann, keine Lockerungen der Kontaktverbindungen
hervorzurufen. Dies wäre auch dann nicht möglich, wenn die beiden festen Kontaktklötze
aus ihrer Lage in Richtung der Kontaktkraftkomponente um kleinste Beträge verschoben
würden, weil der bewegliche Konuskontakt sofort
nachgeschoben wird.
Demgegenüber ist bei Lamellenkontakten bei hohen Kurzschlußströmen infolge der Kontaktkräfte
an den Berührungspunkten zwischen Federzunge und Kontaktbolzen eine Abhebung möglich,
weil die Rückstellkraft der Kontaktzunge verhältnismäßig gering ist.
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Das Ausschalten des Schalters erfolgt auf folgende Weise: Bei einer
Entspannung der Druckluft bewegt die Feder 3 den Kolben 2 nach oben und nimmt das
Gestänge 4 mit. Dabei wird der Mitnehmer 6 gegen die Halteklinken 14 gedrückt, so
daß diese gegen die Kraft der Federn 13 die Verklinkung des Tellers 7 durch die
Nasen 15 der Klinken 14 aufheben. Dadurch öffnet die Ausschaltfeder 10 die Kontaktbrücke
12. Durch die magnetische Blasung eines bei 40 angedeuteten Blasmagneten unterstützt,
wird der Lichtbogen nach beiden Seiten zwischen der Kontaktbrücke 12, die mit Funkenhörnern
41 versehen sein können, und den festen Kontakten nach außen geblasen. Zu diesem
Zeitpunkt ist die Kontaktstelle 23, 27 noch geschlossen. Dies wird durch die bereits
beschriebene Zusammenarbeit der Teile 31, 32, 33, 34, 35, 36 sichergestellt.
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Erst zu einem Zeitpunkt, zu dem der Lichtbogen an dem Kontakt 11,
12 sicher gelöscht hat, berührt der Teller 31, der mit dem Gestänge 4 fest verbunden
ist, die Nasen 34 der Klinken 32, so daß die Klauen 35 entgegen der Kraft der Federn
33 nach außen bewegt werden und damit der Teller 36 freigegeben wird und die gespannte
Feder 30 das Rohr 29 kräftig nach oben beschleunigt. Die Fläche 37 des Rohres 29
schlägt somit kräftig und mit erheblicher Geschwindigkeit gegen die Fläche 28 der
beweglichen Kontaktbrücke 23, so daß diese schnell nach oben bewegt und damit der
Keilreibkontakt 23, 27 geöffnet wird.
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Die Anordnung kann auch so getroffen sein, daß der konische Teller
16 bei seiner Aufwärtsbewegung die Hebel 17 mittels der Nasen 24 auseinanderdrückt.
Dabei gelangt der Teller 21 in eine Höhe, die ein Zugreifen der Klauen 20 der Hebel
17 gestatten. Die Hebel 17 werden durch die Feder 19 so zusammengedrückt, daß der
Teller 21 festgehalten wird. Damit ist der Schalter wieder einschaltbereit.
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Der oben beschriebene Schalter besitzt in Reihe geschaltete Unterbrechungsstellen.
Man kann zur Erzielung des gleichen Effektes die Kontaktvorrichtungen aber auch
in bekannter Weise parallel schalten. Während bei Anwendung zweier in Reihe geschalteter
Kontaktvorrichtungen der Ausschaltkontakt 11, 12 eingeschaltet sein muß, bevor der
Keilreibkontakt 23, 27 einschaltet, muß bei parallelen Kontaktstellen zuerst der
Keilreibkontakt 23, 27 geschlossen sein, bevor der Ausschaltkontakt 11, 12 schließt.
Beim Ausschaltvorgang ist bei hintereinandergeschalteten Kontakten zuerst der Ausschaltkontakt
11, 12 und anschließend der Keilreibkontakt 23, 27 zu öffnen. Bei parallelgeschalteten
Kontaktstellen muß zuerst der Keilreibkontakt 23, 27 und dann der Ausschaltkontakt
11, 12 geöffnet werden.
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Die erforderlichen, sich ohne weiteres ergebenden Verbindungen zwischen
den beiden Kontaktvorrichtungen bei einer Parallelschaltung derselben sind nicht
dargestellt.
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Wird ein Schalter benötigt, welcher beim Einschalten kurzschlußfest
sein soll, dann sind Schalter mit in Reihe geschalteten Ausschaltkontakten und Keilreibkontakten
vorzuziehen. Bei parallelgeschaltteten Kontaktstellen wäre im Augenblick der Einschaltung
des Keilreibkontaktes der Ausschaltkontakt - noch nicht eingeschaltet, also zur
übernahme der Schaltleistung noch nicht bereit, und es würde, wenn der Schalter
auf Auslöseorgane sofort anspricht, die Leistung vom Keilreibkontakt abgeschaltet
werden, wodurch er zerstört wird. Wenn aber der Schalter lediglich zur prellfreien
Einschaltung verwendet wird, können die Unterbrechungsstellen auch parallel geschaltet
sein.
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Schalter der geschilderten Art mit parallel angeordneten Kontakten
können in der gleichen Weise wie beschrieben aufgebaut sein, jedoch mit folgendem
Unterschied in der Einstellung: Der Abstand zwischen der Kontaktbrücke 12 und den
festen Kontaktstücken 11 ist im Gegensatz zu der Ausführung mit in Reihe geschalteten
Kontaktvorrichtungen so groß gewählt, daß die Einschaltung an der Kontaktstelle
23, 27 zuerst eintritt und erst danach die Einschaltung der Kontaktvorrichtung 11,
12.
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Beim Einschaltvorgang wird das Gestänge 4 und damit der mit 31 bezeichnete
Teller und mit ihm die Feder 30 sowie das Ausstoßrohr 29 nach unten bewegt. Nachdem
durch diese Bewegung der Abstand zwischen der Aufschlagfläche 37 und der Unterseite
der konischen Kontaktbrücke 23 so groß geworden ist, daß die Einschaltbewegung des
letzteren vor sich gehen kann, ohne dabei die Aufschlagfläche 37 zu berühren, wird
die konische Kontaktbrücke 23 ausgelöst. Diese Auslösung tritt ein nach weiterer
Abwärtsbewegung des Gestänges 4 bis zum Auftreffen des Mitnehmers 16 auf die Nasen
24. Die Klinken 17 werden gegen die Kraft der Federn 19 auseinandergetrieben und
der Arretierungsteller 21 freigegeben, so daß die Schnelleinschaltung der konischen
Kontaktbrücke 23 und damit des Stromkreises erfolgen kann. Bei diesen Schaltvorgängen
hat die Kontaktbrücke 12 den Parallelzweig noch nicht geschlossen, weil der Kontaktabstand
zwischen letzterer und den festen Kontaktstücken 11 so groß gewählt ist, daß auf
jeden Fall der Konuskontakt 23 zuerst einschaltet. Die Kontaktbrücke 12 wird nun
im weiteren Verlauf der Schubbewegung des Gestänges 4 auf die festen Kontaktstücke
11 aufgepreßt. Durch entsprechende Dimensionierung der Feder 25 wird die große Kontaktöffnung
in der Ausgangsstellung, also der ausgeschalteten Stellung der Kontaktstelle
11, 12, ermöglicht. Während des Einschaltvorganges der Kontaktbrücke 12 wird
letztere über die Feder 9 und den Teller 7 mit den Klinken 14 verriegelt.
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Beim Ausschaltvorgang muß zuerst die konische Kontaktbrücke 23 geöffnet
werden. Das Gestänge 4 bewegt sich nach oben, und der mit ihr verbundene Federnippel
und Teller 31 spannt die Feder 30 so lange, bis der Teller 31 die Hebel 32 auseinandertreibt.
Die frei gewordene potentielle Kraft der Feder 30 schlägt die konische Kontaktbrücke
23 aus den festen Kontaktstücken 27 heraus. Die konische Kontaktbrücke 23 und der
über das Rohr 22 mit ihm verbundene Teller 21 verriegeln sich mit den Klinken 17.
Der eine Parallelzweig ist damit stromlos geöffnet worden. Beim weiteren Aufwärtsbewegen
des Gestänges 4 berührt der Mitnehmer 6 die Flanken der Klinken 14 und treibt die
letzteren auseinander, so daß der Verriegelungsteller 7 freigegeben wird. Nun unterbricht
die Kontaktbrücke 12
unter dem Einfuß der Ausschaltfeder
10 den zweiten Parallelweg und damit den Strom.
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In der F i g. 1 sind nur die Strombahnen mit den Kontaktstellen sowie
die zum kinematischen Ablauf der Schaltvorgänge erforderlichen mechanischen Bestandteile
schematisch dargestellt. Auf eine Darstellung der isolierenden Teile ist mit Rücksicht
auf die Übersichtlichkeit verzichtet worden.
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Eine besondere Ausbildung der Kontaktbrücke 12 und der festen Kontakte
11, die für das Schaltgerät nach der Erfindung besonders geeignet ist, ist in F
i g. 2 dargestellt. Die beiden festen Kontakte 11 sind hier rahmenartig doppelt
abgekröpft ausgebildet und im oberen Teil (oberhalb der Schnittlinie A-A) wieder
nach außen abgebogen. Die Zu- und Ableitung wird an den in der Mitte des rahmenartigen
Gebildes angebrachten Schrauben 41 angeschlossen. Die Kontaktbrücke 12 ist ebenfalls
auf beiden Seiten doppelt abgekröpft.
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Durch diese Anordnung werden in bekannter Weise an beiden Kontakten
Stromschleifen gebildet, deren elektrodynamische Kräfte sich ganz oder teilweise
aufheben und gegebenenfalls den Kontaktdruck bei größeren Strömen verstärken, so
daß insbesondere bei Kurzschlüssen das bewegliche Kontaktstück 12 durch die dabei
auftretenden elektrodynamischen Kräfte fest gegen die beiden Kontaktstücke 11 angepreßt
wird. Im Gegensatz zu den normalerweise üblichen Kontaktanordnungen entstehen bei
dieser Anordnung keine kontaktabhebenden, sondern kontakterhaltende Kräfte. Die
Anordnung gestattet es damit, den Kontaktdruck lediglich so groß zu wählen, daß
die zulässige Erwärmung der Kontakte nicht überschritten wird. Da eine Rücksichtnahme
auf etwa auftretende kontaktabhebende Kurzschlußkräfte nicht erforderlich ist, führt
die Verriegelung des Kontaktdruckes zu einer günstigeren Dimensionierung des gesamten
Schalterantriebsmechanismus.