DE2924129A1

DE2924129A1 - Elektrischer schalter, insbesondere gleichstrom-hochleistungsschalter

Info

Publication number: DE2924129A1
Application number: DE19792924129
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr Niemeyer
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1979-05-18
Filing date: 1979-06-15
Publication date: 1980-11-27
Also published as: FR2457007A1; FR2457007B1; IT1130427B; CH647353A5; IT8022115A0; GB2052869A; GB2052869B

Description

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Elektrischer Schalter, insbesondere Gleichstrom-Hochleistungsschalter

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter, insbesondere Gleichstrom-Hochleistungsschalter mit einer aus mindestens zwei Isolierstoffwänden gebildeter Schaltkammer/in welcher eine bewegliche Kontaktbrücke angeordnet ist sowie mit wenigstens zwei in einem bestimmten Abstand zueinander angeordneten, festen Kontakten, wobei die Kontaktflächen der festen Kontakte sowie der beweglichen Kontaktbrücke wenigstens annähernd symmetrisch zur Bewegungsrichtung der Kontaktbrücke angebracht sind und wobei im eingeschalteten Zustand die Kontaktstellen zwischen den beiden festen Kontakten und der Kontaktbrücke in Serie geschaltet sind.

Zum Schutz elektrischer Stromnetze, Generatoren und Transformatoren etc. vor Überlasten oder Kurzschlüssen müssen sehr schnell schaltende Geräte eingesetzt werden. Da es sich hierbei um meist grosse Schaltleistungen handelt^ sind entsprechend hohe Anforderungen an die Schalterkonstruktion zu stellen.

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Es sind Doppelunterbrechungskontakte für Schnellschalter bekannt (vgl. DOS 27 23 624), bei welchen ein Brückenkontakt durch eine Betätigungsstange bewegt wird und dadurch entsprechende Kontaktstellen wahlweise geöffnet oder ge-. schlossen werden. Diese Anordnungen weisen ein relativ schwaches, magnetisches Blasfeld auf, wodurch der Schaltlichtbogen im Kontaktbereich eine relativ lange Verharrzeit erfährt und entsprechender Kontaktabbrand verursacht wird. Im weiteren wirken sich im Fall von hohen Kurzschlusströmen die geringen dynamischen Abstosskräfte zwischen festen und bewegten Kontakten nachteilig aus, was einerseits eine langsame Kontakttrennung und andererseits eine zusätzliche Erhöhung der Verharrzeit des Schaltlichtbogens im Bereich der Kontakte verursacht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu beheben und einen elektrischen Schalter zu schaffen, bei dem der Lichtbogen schnell und mit einfachen technischen Mitteln gelöscht wird und somit die Lebensdauer des Schalters erhöht.

Ein nach Anspruch 1 aufgebauter Schalter bewirkt durch den parallel geschalteten, niederohmigen Strompfad (Leitung) sofort nach der Kontakttrennung eine Verstärkung des magnetischen Blasfeldes.

Die erfindungsgemasse Lösung erfordert gegenüber dem Bekannten keinen oder nur einen geringen Aufwand an zusätzlichen Leitern und bewirkt keine zusätzlichen, durch einen Spannungsabfall über dem Schalter feststellbaren ohmschen Verluste bei Nennstrom-Betrieb. Die vorgenannten Effekte werden jedoch bereits kurz nach der ersten Kon-

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takttrennung wirksam; der Strom kommutiert dabei infolge der Lichtbogenspannung vollständig in den durch den Leiter gebildeten Nebenpfad.

In den nachfolgenden Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.

Ein nach Anspruch 2 ausgebildeter Schalter bewirkt eine rasche Verlagerung des Schaltlichtbogens in Richtung Löschkammer und erleichtert das Überspringen des Bogenfusspunktes in die Löschkammer.

Die Ausführungsform nach Anspruch 3 erlaubt eine gezielte, beschleunigte Aufweitung des Lichtbogens durch eine nahezu beliebige Formgebung der magnetischen Blasschleife.

Eine Ausgestaltung nach Anspruch 4 bewirkt ein erhöhtes Magnetfeld und verstärkt damit die Blaswirkung.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in Anspruch 5 beschrieben, hierdurch wird das Blasmagnetfeld gleichmässig in die Löschkammer konzentriert.

Eine Ausgestaltung nach Anspruch 6 ergibt den Vorteil einer einseitig verzögerten Kontaktöffnung, wobei sich das magnetische Blasfeld in der Leitung vollständig aufbaut, bevor die zweite Kontaktstelle geöffnet ist.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 7 lässt sich besonders wirtschaftlich realisieren.

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Eine nach Anspruch 8 realisierte Ausführung bewirkt ebenfalls eine einseitig verzögerte Kontaktöffnung und erfordert lediglich eine sehr einfache Form der Kontaktbrücke.

Eine vorteilhafte Ausführungsform nach Anspruch 9 nutzt die in der Leitung auftretende elektrodynamische Kraft in Form eines mechanischen Impulses zur Anfangsbeschleunigung der zu öffnenden Kontaktbrücke.

Die Ausführungsform nach Anspruch 10 ergibt eine besonders zweckmässige Leitungsführung zur beschleunigten Kontaktstellenoffnung.

Anhand von Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 einen Gleichstrom-Schnellschalter mit einer aus-5 serhalb der Schaltkammer geführten als Blasschleife ausgestalteten Leitung, im ausgeschalteten Zustand,

Fig. 2 den Gleichstrom-Schnellschalter Fig. 1 in einem Teilschnitt, im eingeschalteten Zustand,

Fig. 3 eine Variante eines Gleichstrom-Schnellschalters mit einer Kontaktbrücke, welche mit einem Teil eines Kontaktblattes in Richtung zwischen die mit der parallel geschalteten Leitung überbrückten Kontakte hineinragt,

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Pig. 4 den Gleichstrom-Schnellschalter Pig. 3 ohne Löschkamin von oben betrachtet und

Pig. 5 eine Variante eines Gleichstrom-Schnellschalters mit einem elektrisch leitenden Hebel in der Leitung zur beschleunigten Öffnung einer Kontaktstelle.

Gemäss Fig. 1 sind zwei feste Kontaktblöcke 1 symmetrisch zu einer beweglichen Kontaktbrücke 2 angeordnet. Die Kontaktblöcke 1 weisen auf ihren einander zugewandten Seiten je einen trapezförmigen Vorsprung 3 mit Kontaktflächen 4 auf. Die Kontaktbrücke 2 ist an ihrer den trapezförmigen Vorsprüngen 3 zugewandten Seite mit abgeschrägten Kontakflächen 5 versehen, die den Kontaktflächen 4 der Vorsprünge 3 angepasst sind. Die Kontaktbrücke 2 ist mittels einer Schaltstange 6 mit einer nicht näher dargestellten, an sich bekannten Schalt-Einrichtung S-E verbunden. An den festen Kontaktblöcken 1 sind in Höhe der Kontaktbrücke 2 Kontaktblätter 7, 7' aus Kupfer mittels Schrauben 8 befestigt. Die Kontaktblätter 7, 7' haben die gleiehe Form wie die Vorsprünge 3 und sind in geringem, überall gleichen Abstand zu diesen angeordnet. An den jeweils den Kontaktblöcken 1 zugewandten Seiten der Kontaktbrücke 2 sind Kontaktblätter 9, 9' mittels Schrauben 8 befestigt. Die Kontaktblätter 9, 9¹ erstrecken sich parallel und in geringem Abstand zu den Kontaktflächen 5 der Kontaktbrücke 2 weiter nach oben. Die Kontaktblätter 7, 7^! und 9, 9^f sind an den sich jeweils gegenüberliegenden schräg verlaufenden Flächen mit Kontaktplattchen 11a, 11'a aus einer stark silberhaltigen Silber-Cadmium-Oxyd-Legierung versehen. In den freien Räumen zwischen der

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Kontaktbrücke 2 und den unteren Teilen der festen Kontaktblöcke 1 sind in Höhe der Schrauben 8 Isolierplatten 12 angeordnet. Die oberen Stirnseiten der festen Kontaktblöcke 1 sind durch weitere Isolierplatten 12' abgedeckt. Darüber befindet sich eine Löschkammer 13, welche einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist und als Kamin

15 ausgebildet ist. In der Löschkammer 13 befinden sich Löschbleche 14» welche zur Teilung eines bei einer Ein- oder Ausschaltung entstehenden Lichtbogens dienen. Aus dem Kamin 15, welches an seiner Frontseite durch ein perspektivisch gezeichnetes Seitenwandteil 1 5a dargestellt ist, tritt ein durch eine elektrische Verbindungs-Leitung

16 zwischen dem Kontaktblatt 7' und der beweglichen Kontaktbrücke 2 gebildeter Strompfad heraus und weist hierzu entsprechende AbkrÖpfungen 16a auf. Die Leitung 16 ist mit einem darüberliegenden Löschblech 14 verbunden.

Die Leitung \& ist aus einzelnen geraden Kupferschienen gefertigt und besitzt entsprechende galvanische Verbindungen; die bewegliche Kontaktbrücke 2 ist durch zwei mittels Schrauben gebildete Litzenbefestigungen 10 mit einer beweglichen Litze 17 aus Kupfer galvanisch verbunden. . -

In den nachfolgenden Figuren sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.

Fig· 2 zeigt den vorstehend beschriebenen Schalter in einem Teilschnitt im geschlossenen Zustand. Das Seitenwandteil 15a ist nicht eingezeichnet, dementsprechend ist die räumliche Form der Leitung 16 mit ihren AbkrÖpfungen 16a deutlich ersichtlich. Ebenfalls eingezeichnet sind deren galvanische Verbindungen 18.

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Fig. 3 zeigt einen Gleichstrom-Schnellschalter des gleichen Typs wie in den Pig. 1 und 2 jedoch mit unterschiedlich ausgestalteter beweglicher Kontaktbrücke 2¹. Auf einer Kontaktfläche 5¹ der Kontaktbrücke 2' liegt das Kontaktblatt 9 formschlüssig auf, d.h. es kann nicht federn. Demgegenüber ist das Kontaktblatt 9¹ federfähig montiert und ragt mit seinem Endteil in die Richtung der linken Kontaktfläche 4-, welche wie in den Pig. 1 und 2 mit einem Ende der Leitung 16 verbunden ist.

Dieses verlängerte Kontaktblatt 9' übernimmt einerseits den bei der Schaltfunktion entstehenden Lichtbogen, unterstützt die Kommutierung auf den Nebenpfad und erlaubt dessen gezieltes Ablaufen in die Richtung der Löschkammer 13.

Bei abgenommener Löschkammer 13 können in der Ansicht von oben gemäss Pig. 4 die einzelnen Teile in ihrer Breiten-Ausdehnung eingesehen werden. Deutlich ersichtlich ist dabei die Abkröpfung 16a der Leitung 16. Als weitere Variante zu vorstehend beschriebenen Beispielen ist hier gestrichelt die Leitung 16' eingezeichnet, welche als zweite zweilagige Blasspule ausgestaltet ist.

Die geometrische Führung der Leitung 16 kann grundsätzlich frei optimiert werden in bezug auf eine maximale Blaswirkung, da es sich dabei lediglich um einen Nebenstrompfad handelt, welcher vorteilhafterweise vorwiegend ausserhalb der Lichtbogenkammer geführt wird. Diese Leitung 16 kann somit experimentell in ihrer geometrischen Form dem jeweiligen Schalter angepasst werden. Diese Form ist derart festzulegen, dass der Lichtbogen möglichst

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rasch in die Löschkammer 13 getrieben wird. Als besonderer Vorteil erweist sich dabei die hohe mögliche Stromdichte, da die Leitung 16 lediglich für die kurze Zeit der impulsartig erfolgenden Kontakttrennung und nachfolgenden Kommutierung des Lichtbogens dimensioniert werden muss.

Bei der Dimensionierung der Leitung 16 ist darauf zu achten, dass deren Widerstand R₃ kleiner ist als Au / i, wobei: ^u = Bo genfus spunkt spannung an der entsprechenden Kontaktstelle 11a, 11b und ϊ = maximaler Strom bei Kontakttrennung

bedeuten.

Als praktisches Beispiel sei angenommen, dass die Bogenfusspunktspannung Δ u = 25 Volt sei und der Strom 1 = 10 kA betrage. Daraus ergibt sich ein Widerstand R₃ von 2,5 ΐΛ ,was einer Kupfer-Leitung 16 von 25 mm2 Querschnitt und einer Länge von 3 m entspricht.

Die in Fig. 5 schematisch dargestellte Schalter-Anordnung entspricht in ihrer Punktion im wesentlichen den vorstehend beschriebenen Figuren. Die Kontakttabletten sind mit A, A¹, B,-B¹ bezeichnet. Anstelle fester Kontaktblöcke sind Lichtbogenhörner 19 und 20 getreten; die Stromzuführungen und Anschluss-Schienen für den Pluspol eines Gleichstrom-Netzes sind mit 21 und 22 bezeichnet« Die Stromrichtung ist mit I im Hauptpfad und mit i im Nebenpfad bezeichnet. Ein vom Kontaktblatt 9' zum Lichtbogenhorn 20 i"b er springend er Lichtbogen ist ferner mit 30 bezeichnet. Die schlingenförmige bewegliche Kontaktbrücke 2" weisü eine Aufschlagstelle 24 auf für einen Anschlag

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23 eines in einem Drehpunkt 25 beweglich gelagerten Hebels 16b in der Leitung 16. Im Bereich einer Endseite des Hebels 16b ist eine Rückstellfeder 26 mit zwei Wegbegrenzungen angebracht. Ausserdem sind im Bereich der Kontakte A-B Löschbleche 14' angeordnet.

Die Funktionsweise dieser Anordnung ist folgende:

Zunächst wird durch Betätigung der Schaltstange 6 die Kontaktbrücke 2" bewegt, wobei die Kontakte A, B der linken Kontaktstelle öffnen. An der rechten Kontaktstelle ist durch die diesem eigene Federkraft im Kontaktblatt 9' gewährleistet, dass die Kontakte A¹, B' noch geschlossen bleiben. Jetzt kann der Strom i über die Leitung 16 zunächst durch den Bogen 16c fliessen, wobei eine Blasschleifenwirkung entsteht. Parallel und in gleicher Richtung wie der Strom I in der Anschluss-Schiene 22 fliesst der Strom i. Dieser Strom i wird anschliessend über eine Litze 17 auf einen beweglichen Hebel 16b übertragen, der um einen Drehpunkt 25 drehbar gelagert ist. Dieser Hebel 16b wird durch die Rückstellfeder 26 gegen die untere Wegbegrenzung gezogen, so dass dieser im geschlossenen Zustand des Schalters mit seinem Anschlag 23 zur Aufschlagstelle 24 beabstandet ist. Vom Hebel 16b wird der Strom jetzt über die Litze 17' abgenommen und auf die Kontaktbrücke 2" übertragen. Hiermit ist erreicht worden, dass zusätzlich zur Blasschleife, Leitung 16c eine Strecke geschaffen worden ist, welche zweimal vom selben Strom durchflossen wird, einmal durch den Hebel 16b in der einen und einmal über die Kontakte B', A' durch den zum Hebel 16b parallelen Teil der Anschluss-Schiene 22 in der anderen Richtung. Dies hat zur Folge, dass diese bei-

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den Leiterbahnen von einander abgestossen werden und der Hebel 16b impulsartig mit seinem Anschlag 23 auf die Anschlagstelle 24 aufschlägt, wodurch die Federvorspannungskraft im Kontaktblatt 9' überwunden wird und die Kontakte A¹, B' schnell geöffnet werden.

Die Löschbleche 14' dienen der Unterstützung der Löschung des bei der Öffnung der linken Kontaktstelle entstehenden Lichtbogens.

Selbstverständlich können die einzelnen Varianten beliebig miteinander konstruktiv kombiniert werden; die am Beispiel eines Gleichstrom-Schnellschalters geführten Überlegungen gelten auch für Wechselspannungs-Schalter. Ausserdem könnte die induktive Leitung 16 resp. die entsprechende Blasspule auch zur lokalen Verstärkung des Magnetfeldes mit einem Eisenkern ausgerüstet werden.

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Claims

BBC Aktiengesellschaft Fk/vf

Brown, Boveri & Cie.

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Patentansp r ü c h e

f 1.\ Elektrischer Schalter, insbesondere Gleichstrom-Hoch- ^— ^y leistungsschalter mit einer aus mindestens zwei Isplierstoffwänden gebildeter Schaltkammer,in welcher eine bewegliche Kontaktbrücke angeordnet ist sowie mit wenigstens zwei in einem bestimmten Abstand zueinander angeordneten, festen Kontakten, wobei die Kontaktflächen der festen Kontakte sowie der beweglichen Kontaktbrücke wenigstens annähernd symmetrisch zur Bewegungsrichtung der Kontaktbrücke angebracht sind und wobei im eingeschalteten Zustand die Kontaktstellen zwischen den beiden festen Kontakten und der Kontaktbrücke in Serie geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Kontaktstellen (11a, 11b) durch eine parallel geschaltete und ausserhalb der Schaltkammer verlaufende Leitung (16) überbrückt ist, deren Widerstand grosser ist als der übergangswiderstand an der Kontaktstelle (11a, 11b).
2. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke (2) schlangenförmig ausgebildet ist und mit einem Teil in Richtung auf die

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mit der parallel geschalteten Leitung (16) überbrückte Kontaktstelle (11a, 11b) zwischen die festen Kontakte (11a, 11'a) hineinragt.
3· Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) in Form einer magnetischen Blasschleife ausgebildet ist.
4· Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) als ein- oder mehrlagige magnetische Blasspule ausgebildet ist.
5· Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) in Form von zwei seitlich der Kontaktzone und ausserhalb der Schaltkammer und einander gegenüberliegenden parallel geschalteten magnetischen Blasspulen ausgebildet ist.
6. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke (2) eine asymmetrische Andruck-Federung aufweist, welche im Bereich einer Kontaktstelle (11'a, 11 *Td) höher ist als im Bereich der anderen gegenüberliegenden Kontaktstelle (11a, 11b).
7. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kontakt (11b) der Kontaktbrücke (2) als Feder (9¹) ausgebildet ist.
8. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke (2) gelenkartig und asymmetrisch mit einer Schalt-Einrichtung (S-E) verbunden ist.

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9· Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) einen um einen Drehpunkt (25) drehbar gelagerten Hebel (16b) aufweist, der mit einem Anschlag (23) versehen ist, welchem eine Aufschlagstelle (24) auf der Kontaktbrücke (2) zugeordnet ist.
10. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich einer Anschluss-Schiene (22) ein schwenkbarer beweglicher Hebel (16b) angeordnet ist, welcher einerseits mit der leitung (16) und andererseits mit der Kontaktbrücke (2) galvanisch verbunden ist und dessen äusseres schwenkbares Ende mit einem Anschlag (23) versehen ist, welchem eine Aufschlagstelle (24) auf der Kontaktbrücke (2) zugeordnet ist.

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