DE2029252A1

DE2029252A1 - Elektrischer Schalter

Info

Publication number: DE2029252A1
Application number: DE19702029252
Authority: DE
Inventors: B Berberich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-06-13
Filing date: 1970-06-13
Publication date: 1971-12-23
Also published as: YU151871A; NL7107779A; NL157741B; NO130846C; ZA713802B; AT311477B; FI51138B; YU33607B; LU63325A1; DE7022279U; ES392170A1; DK136284B; CA940986A; PL72308B1; SE377508B; CH521017A; NO130846B; SU503561A3; DE2029252B2; BE768395A

Description

Elektrischer Schalter. · · .

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schalter, insbesondere für Niederspannungskreise, mit beweglichen Schaltkon~ takten, die in einem Löschbleche enthaltenden Löschkanal angeordnet "sind, der senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schaltkontakte durch Isolierstoffkörper abgeschlossen ist. In der Bewegungsrichtung der Schaltkontakte ist die Löschkammer durch Laufschienen aus elektrisch leitendem Material begrenzt.

Hochspannungsschalter für Wechselstrom schalten im allgemeinen im StroBinulldurchgang. Ihre Löschkammern sind so gestaltet, daß eine Rtickzündung des Lichtbogens nach dem Stromnulldurchgang verhindert wird. Solche Schalter sollen nicht besonders schnell schalten wegen der dadurch möglichen Spannungsspitzen und deren BFetzrückwirkung.

Kfieäerspannungs schalt er sind dagegen so gestaltet, daß sie den Schaltlichtbogen in möglichst kurzer Zeit löschen können. Diese Schalter lösen deshalb die allgemeine Aufgabe, die Lichtbogenspannung Über die treibende Spannung zu erhöhen. Dies erreicht man durch Verlängerung oder durch Kühlung des Lichtbogens. Niederspannungsschalter können auch so aufgebaut sein, daß sie beide Maßnahmen zugleich erfüllen. Durch magnetische Beblasung oder auch durch Luftbeblasung wird der Lichtbogen zwischen den Schaltkontakten weggeblasen und dadurch verlängert. Zu diesem Zweck sind bekannte Schalter mit sogenannten Blasspulen versehen, die ein Premdmagnetfeld erzeugen, das auf den Lichtbogen einwirkt» Die Anordnung solcher Blasspulen verteuert die Schalter unter Umständen erheblich. Durch besondere Gestaltung der Schalter kann deshalb der Lichtbogen auch durch das Eigenmagnetfeld, das durch den Lichtbogen selbst gebildet wird, zwischen den Kontakten· weggeblasen werden. ·

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Es ist bekannt,' den Lichtbogen durch zusätzliche Zwischenwände zu verlängern, die unmittelbar über den Schaltkontakten angeordnet sind. Solche Schalter enthalten deshalb keine Löschkammer, und die auf den Lichtbogen einwirkenden treibenden Kräfte sind verhältnismäßig gering.

Aus der deutschen Patentschrift 1006 928 ist ein Schalter mit einer Löschkammer für den Öffnungslichtbogen bekannt, deren Seitenwand zum Teil aus elektrischen Widerständen besteht, die durch den wandernden Lichtbogen.in den Stromkreis eingeschaltet werden. Die Widerstände sind hörnerartig gebogen und erleichtern durch ihre Form das Abwandern des Lichtbogens von den ' Schaltkontakten, ferner enthält die Löschkammer unmittelbar über den Schaltkontakten oder etwas zurückversetzt zwischen den Widerständen lamellenartige Löschbleche in ähnlicher Form wie die an der Kammerwand liegenden Widerstände. Dieser Gestaltung der Löschkammer liegt die Aufgabe zu Grunde, die Blasluftströmung einzuhalten und die Kühlung und Entionisierung des Kammerraumes zu begünstigen. Die Zwischenwände oder Stege in solchen Schaltern können auch keilförmig in die Löschkammer ragen und aus Keramik bestehen. In solchen sogenannten Keilkammern erreicht man eine Löschfeldstärke von etwa 5 "bis 10 V/cm.

Eine bessere Wirkung der Luftbeblasung erhält man durch eine düsenförmige Gestaltung der Löschkammer. Aus der deutschen Patentschrift 735 603 ist ein Schalter mit Lichtbogenlöschung durch Gase oder Dämpfe bekannt, dessen bewegliche Schaltkontakte in einem Blasrohr angeordnet sind, das oberhalb der Schaltkontakte die Löschkammer darstellt. Die Wandung des Blasrohres, dessen unteres Ende geschlossen ist, gibt durch die Lichtbogenwärme Gas ab, das durch den Lichtbogen auf hohen Druck gebracht wird und zur Löschung des Lichtbogens dient. Die Druckwelle des Gases wird am Boden des Blasrohres reflektiert und trifft dann wieder auf den Lichtbogen, der somit mehreren Gasströmungen ausgesetzt ist. Für den Durchtritt der reflektierten Druckwelle ist der Querschnitt der Kammer zwischen den Schaltkontakten in der Bewegungsrichtung der Druckwelle düsenförmig gestaltet. Eine weitere Ausführungsform des bekannten Schalters enthält im Blasrohr oberhalb der Schalifkontakte einen Isolierstoffkörper,

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der so ausgebildet ist, daß an "beiden Seiten jeweils eine düsenartige Durchtrittsstelle entsteht. Durch diese Anordnung wird der Durchtritt der Luftdruckwelle erleichtert und das Wegblasen des Lichtbogens von den Schaltkontakten günstig beeinflußt.

Aus dem Artikel "Die -Technik der Niederspannungsschaltgeräte" in der Festschrift "Die Entwicklung der Starkstromtechnik bei den Siemens-Schuckertwerken" 1953» Seiten 263 bis 276, insbesondere Fig.4b, ist eine Ausführungsform eines Niederspannungsschalters bekannt, dessen Kammer in der von den Schaltkontakten abgewandten Richtung eine konvergierende Düse bildet. In dieser¹ Kammer, die Mitte der dreißiger Jahre entwickelt worden ist, wird der Lichtbogen durch seine Berührung mit den Kammerwänden gekühlt. Die Kammer wird mit zunehmender Entfernung von den Schaltkontakten enger und läuft nach dem Ende zu in einem engen Spalt in Form einer Düse aus. Am Ende der Kammer, an deren engster Stelle, kommt der Lichtbogen zum Stehen. In dieser Ausführungsform wird die Vergrößerung der Lichtbogenspannung durch Erhöhung des Spannungsgradienten mit der intensiven Kühlung durch die Kammerwände erreicht. Mit solchen Düsenkammern erreicht man eine Löschfeldstärke von etwa 20 bis 30 V/cm.

Eine bessere Wirkung auf den Lichtbogen erhält man durch die Anordnung von Löschblechen am Ende der Kammer, wie schon im Jahre 1912 von Dobrowolsky vorgeschlagen worden ist. Mit solchen Löschblechen aus elektrisch leitendem Material wird der Spannungsabfall des Lichtbogens zusätzlich durch den Spannungsverlust der Bogenfußpunkte an den einzelnen Blechen erhöht, die als Zwischenelektroden wirken. Die Kammern enthalten im allgemeinen Schaltkontakte, deren einander zugewandte Oberflächen die bekannte Hörnerform aufweisen können. Durch diese Hörnerform wird das Hochtreiben des Lichtbogens und damit sein Einlaufen in die Kammer erleichtert, deren Wand in Bewegungsrichtung der Kontakte aus elektrisch leitendem Material, sogenannten Laufblechen oder Laufschi unen, besteht . Der Lichtbogen läuft in der Kammer an den Laufschienen entlang und wird dort beschleunigt und trifft deshalb mit großer Geschwindigkeit auf die in der Bewegungsrichtung

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des Bogens angeordneten Bleche.. Mit einer möglichst großen Durchbiegung des Lichtbogens zwischen den einzelnen Löschble.chen wird jeder Teillichtbogen und damit auch der gesamte Lichtbogen entsprechend verlängert. Durch eine besondere Ausbildung der Löschbleche erreicht man eine Schleifenbildung der Teillichtbögen zwischen den einzelnen Löschblechen. Solche Schalter sind bekannt aus der deutschen Offenlegungsschrift 1905 588. Die Schleifenbildung ist aber nur möglich mit" einem gewissen Mindestabstand der einzelnen Löschbleche. Solche Löschkammern haben deshalb einen verhältnismäßig großen Raumbedarf und. erfordern durch die besondere Bearbeitung der Bleche einen großen Aufwand.

Der lange Lichtbogen wird durch die Bleche zusätzlich gekühlt und nimmt wegen seiner dadurch verminderten Leitfähigkeit eine entsprechend höhere Spannung auf. Es ist bekannt, daß die Löschblechkammer um so wirksamer ist, je mehr Bleche sie enthält. Dagegen wird durch einen größeren Blechabstand das Einlaufen des Lichtbogens in die Bleche erleichtert. Insbesondere bei einem Gleichstromlichtbogen ist es bei größerer Stromstärke möglich, daß der Bogen ohne sich aufzuteilen, an den Löschblechunterkanten stehen bleibt und die Kammer zerstört, sobald ein vorbestimmter Mindestabstand der Bleche unterschritten wird. Aus diesen einander widersprechenden Forderungen hat sich bei den bekannten Schaltern ein Blechabstand von wenigstens etwa 3 mm ergeben. Mit solchen Löschblechkammern für Schalter mit einem Nennstrom von etwa 1000 bis 10.000 A erhält man eine Löschfeldstärke bis zu etwa 60 V/cm,· wie aus Franken "Niederspannungs-Leistungsschalter", ■ Springer-Verlag 1970-, Seite 61 zu entnehmen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die bekannten Schalter mit Löschblechkammern zu verbessern. Sie beruht auf der Überlegung, daß man mit einer hohen Lichtbogengeschwindigkeit beim Einlaufen des Lichtbogens in die Löschbleche eine entsprechend weite Ausdehnung der Teillichtbögen zwischen den Löschblechen erhalten kann und daß mit einer sehr hohen Lichtbcgengeschwindigkeit auch ein Einlaufen des Bogens in Löschbleche mit einem sehr geringen Abstand möglich ist. Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß der Lichtbogen in der Kammer zusätzlich aerodynamisch beschleunigt werden kann. Neben

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der Luftbeblasung ist auch die magnetische Beblasung des Lichtbogens bekannt. Bei der magnetischen Beblasung wird die Komponente der Lorentz-Kraft in Laufrichtung des Bogens durch die Blasspule beeinflußt. Die Erfindung wendet demgegenüber aus der Gasdynamik bekannte Maßnahmen zur Beschleunigung des Plasmas an.

Die genannte Aufgabe wird' erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Querschnitt wenigstens eines Teils des Löschkanals zwischen den Schaltkontakten und den Löschblechen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schaltkontakte düsenförmig gestaltet ist. Für sehr hohe Laufgeschwindigkeiten über Mach 1 kann der Querschnitt vorteilhaft als Laval-Düse gestaltet sein. In einer solchen Löschkammer wird der Bogen ohne Fremdmittel aerodynamisch beschleunigt lind läuft mit hoher Geschwindigkeit auch in Bleche mit einem geringen Abstand ein und nimmt dort auch ohne Schleifenbildung eine hohe Spannung auf. Mit solchen Schaltern sind Löschfeldstärken von 200 V/cm und mehr erreichbar.

In einem Schalter nach der Erfindung ohne Schleifenbildung des Lichtbogens kann deshalb der Abstand zwischen den Blechen verkleinert werden.

Mit der Schleifenbildung bei den bekannten Schaltern erhält man eine erhöhte Spannung der Teillichtbögen, die zusätzlich'zur Spannungserhöhung durch die Kühlwirkung der Bleche auftritt. Bei den Schaltern nach der Erfindung spielt die Kühlwirkung der Bleche ebenfalls eine Rolle; sie wird durch den geringen Abstand der Bleche bis zu weniger als.1 mm, der wesentlich geringeren Länge der Teillichtbögen und durch die hohe Auftreffgeschwindigkeit des Lichtbogens auf die Bleche sogar noch gesteigert. Die Spannungserhöhung durch die Schleifenbildung wird bei dem Schalter nach der Erfindung kompensiert durch eine zusätzlich zur Kühlung durch die Bleche wirkende intensive aerodynamische Kühlung, die im allgemeinen mit steigender Auftreffgesehwindigkeit anwächst. Das Einlaufen des Bogens in Bleche mit solch einem geringen Abstand wird durch die erhöhte Laufgeschwindigkeit ermöglicht. Die Zahl der Bleche und damit die Zahl der Teillichtbögen kann bei gleicher Kannnerbreite entsprechend- erhöht werden. Damit erhält man eine entsprechend erhöhte Löschspannung. Durch

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Durch die sprungartig erhöhte Lichtbogenspannung beim Einlaufen in die Löschbleche erhält man entsprechend verminderte Löschzeiten und somit geringe Schältzeiten des Schalters.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Schalters nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Pig.1 zeigt einen Querschnitt eines Schalters mit einem Löschkanal in Bewegungsrichtung der Schaltkontakte und Pig.2 einen Schnitt durch den Löschkanal senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schaltkontakte. In Pig.3 ist eine besondere Ausführungsform-der Löschkammer dargestellt. . ■■,."."■■

In Fig.1 sind die Schaltkontakte 2 eines elektrischen Schalters, beispielsweise für einen Gleichstrom von etwa 300 big 3OOO A und einer Spannung von 320 V, mit 2, die den Löschkanal begrenzende Laufschiene für den Lichtbogen mit 4 und die Löschbleche mit 6 bezeichnet. Die Bewegungsrichtung der Schaltkontakte 2, yron denen im allgemeinen einer fest und der andere beweglich sein kann, ist durch einen Doppelpfeil angedeutet. Die Laufschienen 4 liegen jeweils mit dem zugeordneten Schaltkontakt 2 auf gleichem Potential. Die Schaltkontakte sind jeweils an eine Gleichstromklemme angeschlossen, die mit P und N bezeichnet sind. Die Löschbleche können jeweils aus 1 mm dickem Eisenblech bestehen und mit gleichem Abstand von etwa 0,5 bis .2,5 mm, vorzugsweise etwa 0,7 bis 2 mm, insbesondere etwa 0,8 bis 1,2 mm, über die Breite b des Löschkanals von beispielsweise etwa 30 mm verteilt sein. Die maximale Höhe h der Löschbleche kann etwa 35 mm betragen.

Eine günstige Wirkung auf das Einlaufen des Lichtbogens in die Löschbleche erhält man in bekannter Weise dadurch;, daß das untere, d.h. den Schaltkontakten zugewandte Ende der Löschbleche 6 ungleich gestaltet ist* Zu diesem Zweck kann beispielsweise jedes zweite Blech um einige Millimeter₉ vorzugsweise etwa 5 mm₉ zurückversetzt sein.» Die seitlichen Laufschienen 4 können zweckmäßig aus Kupfer oder aus verkupferten Schienen bestehen»

Das Profil der Löschbleche 6 und .die düsenförmige Gestaltung we- \ nigstens eines Teils des Löschkanals 5 zwischen den Schaltkon-

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takten 2 und den Löschblechen 5 wird nach Pig.2 quer zur Bewe-" gungsrichtung der Schaltkontakte 2 von Isolierstoffplatten 8 begrenzt. Die Düsenform im Löschkanal wird durch Einsätze 10 aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise einer bearbeitbaren Keramik, oder Kunststoff gebildet. Die den Mittelpunkt des Löschkanals zugewandte Oberfläche der Teile 10 kann für besonders hohe Laufgeschwindigkeiten, insbesondere über Mach 1, das Profil einer Laval-Düse haben. Das Einlaufen des Lichtbogens in die Löschbleche 6 wird in bekannter Weise durch Ausschnitte 12 begünstigt.

Abweichend von der Ausführungsform nach Pig.2 mit Einsätzen'10 zur Bildung des Düsenprofils können die Kammerwände 8 und die Einsätze 10 auch aus einem Stück hergestellt sein. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, nicht den gesamten Kammerraum zwischen den Schaltstücken 2 und den Löschblechen 6 als Düse zu gestalten. Endet die Düse 10 bereits in einem vorbestimmten Abstand unterhalb der Löschbleche 6, so ist zwischen dem Düsenmund und den Löschblechen 6 immer noch die aerodynamische Beschleunigung des Lichtbogens durch die Düse 10 wirksam. Pur den Effekt der Düse 10 ist es auch nicht erforderlich, daß diese am oberen Ende der Schaltstücke 2 beginnt.

Mit der düsenförmigen Gestaltung des Löschkanals nach der Erfindung erhält man geringe Schaltzeiten. Die Schaltzeit wird wesentlich bestimmt durch die Lichtbogendauer, das ist die Zeit vom Beginn des Öffnens der Schaltstücke 2 bis zum Ende des Stromflusses. Mit dem im Ausführungsbeispiel dargestellten Gleichstromschalter für etwa 300 bis 3000 A Nennstrom mit einer lichten Weite c der Kammer von beispielsweise etwa 10 mm und einem geringen Abstand der Löschbleche kann der Düsendurchmesser an der engsten Stelle a der Düse 10 etwa 0,5 bis 3 nun, vorzugsweise etwa 0,8 bis 2 mm, insbesondere etwa 1 mm, betragen. Mit dieser Gestaltung der Kammer erhält man eine Löschspannung von etwa '300 bis 400 V und'eine Löschfeldstärke von etwa 100 bis 150 V/cm. Zur löschung eines Gleichstromes von etwa 2000 A benötigt dieser Schalter mir etwa· 0,5 msec.

Bei einer Ausführungsform des Sehalters nach der Erfindung für

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einen Kurzschluß-Wechselstrom bis zu etwa 20.000 A mit einer Netzspannung von 220 V und einer Frequenz von 50 Hz und einem geringen Blechabstand von beispielsweise etwa 1 mm und einer geringeren Blechdicke, beispielsweise etwa 0,5 mm, kann de.r engste Düsendurchmesser einer Laval-Düse nach Fig.2 zweckmäßig etwa 1 bis 2 mm, vorzugsweise etwa 1,5 mm, betragen. Mit diesem Schalter erhält man eine Löschspannung von wenigstens 300 V und damit eine Löschfeldstärke von über 150 V/cm. Dieser Schalter löscht den Lichtbogen bei einem Strom von etwa 2000 bis 3000 A in etwa 0,3 bis 0,5 msec. Die Schaltzeit eines Schalters nach der Erfindung ist wegen der verminderten Löschzeit so gering, daß man beim Schalten von Wechselstrom eine strombegrenzende Wirkung erhält.

In einer Ausführungsform eines Schalters mit weniger hohen Anforderungen an die Schaltzeit und somit etwas längerer Liqhtbogendauer genügt eine Lichtbogenlaufgeschwindigkeit beim Eintreffen des Lichtbogens an den Löschblechen von weniger als Mach 1. Für solche Betriebsfälle kann anstelle der im Ausführungsbeispiel gewählten Laval-Düse auch eine normale konvergierende Düse für die aerodynamische Beschleunigung des Lichtbogens ausreichen.

Eine besonders geringe Ausdehnung und kompakte Bauform der Löschkammer 5 erhält man mit einer Düse, deren Mund in den Aus-

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schnittv'hineinragt. In diesem Falle können die Löschbleche 6 einen in der Figur nicht dargestellten zusätzlichen seitlichen Ausschnitt erhalten oder die Bleche können auch jeweils in den oberen Teil der Düsenkörper 10 hineinragen. Ferner können auch die oberen Teile der Düsenkörper mit einem entsprechenden seitlichen Ausschnitt für die Löschbleche versehen sein, wie in Fig.3 veranschaulicht ist. In dieser Ausführungsform sind die Kammerwände 14 zwischen den Löschblechen 6 und den Schaltstükken 2 selbst als Düse gestaltet.

Die Löschspannung des Schalters wird im wesentlichen bestimmt durch die Blechdicke, den Blechabstand und deren Anzahl. Wird bei einer vorgegebenen Kammerbreite die Blechdicke und/oder deren Abstand vermindert, so kann auch die Löschfeldstärke noch»

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entsprechend erhöht werden.

Mit der düsenförmigen Gestaltung des Löschkanalquerschnittes
wird nicht nur die Anstiegszeit der Spannung verkürzt, sondern auch deren Streubreite verringert. Dadurch wird ebenfalls eine Verminderung der Schaltzeit erreicht.

9 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

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1. Elektrischer Schalter, insbesondere für Niederspannungskreise, '■-■" mit beweglichen Schaltkontakten, die in einem Löschbleche enthaltenden Löschkanal angeordnet sind, der senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schaltkontakte durch Isolierstoffkörper abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt wenigstens eines Teils des Löschkanals (5) zwischen den Schaltkontakten (2) und den Löschblechen (6) senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schaltkontakte (2) düsenförmig gestaltet ist.

" 2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Lcschkanals die Form einer Laval-Düse hat.

3. Schalter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechabstand 0,5 bis 2,5 mm, vorzugsweise 0,7 bis 2 mm, beträgt.

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechabstand etwa 0,8 bis 1,2 mm beträgt.

5. Schalter nach einem der Ansprüche 3 und 4 für einen Gleichstrom von etwa 300 bis 3000 A mit einer Kammerbreite von etwa 30 mm, dadurch gekennzeichnet, daß der geringste Düsen-

fc durchmesser etwa 0,8 bis 2 mm beträgt.

6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsendurchmesser etwa 1 mm beträgt.

7. Schalter nach einem der Ansprüche 3 und 4 für einen Kurzschlußwechselstrom bis zu etwa 20.000 A bei einer Spannung von etwa 220 V und einer Frequenz von 50 Hz. mit einer Kammerbreite von etwa "20 mm, dadurch gekennzeichnet, daß der geringste Düsendurchmesser 1 bis 2 mm beträgt.

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8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der geringste Düsendurchmesser etwa 1,5 mm beträgt.

9. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit Löschblechen, deren unterer Rand mit einer Ausnehmung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenmund in die Ausnehmung hineinragt.

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