DE3544864C2 - Schaltvorrichtung mit Isolierplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit Isolierplatte, die einerseits zwei Kontaktteile, die zwischen einem geschlossenen Zustand, in dem die Kontakte sich berühren, und einem offenen Zustand, in dem die Kontakte getrennt sind, zueinander beweglich sind, und andererseits eine Isolierplatte besitzt, die schnell zwischen die Kontakte tritt, indem sie aus einer Ausgangsstellung eine Bewegung zu einer Arbeitsstellung hin ausführt, während der der bei der Kontaktöffnung auftretende Lichtbogen durch eine aktive Kante der Isolierplatte entlang leitenden Ableitelementen, die hinter den Kontakten als Verlängerungen an den Kontaktteilen angeordnet sind, bewegt wird, und an deren Ende der Lichtbogen an Gehäusewänden vollständig abgequetscht wird.

Es sind bereits elektrische Schalter bekannt, bei denen Vorrichtungen zum Abquetschen des Lichtbogens vorgesehen sind, die die Form von Hörnern haben, die in Nähe der Kontakte auf den freien Enden der Kontaktteile angeordnet sind und die bezüglich der Hauptrichtung dieser Teile abgewinkelt sind, so daß die natürliche Entwicklung des Lichtbogens unter der Wirkung der elektrodynamischen Abstoßkräfte die Füße dieser Lichtbögen auf diese Hörner bringt und dadurch ihr Stehenbleiben auf den Kontakten verhindert.

Die Richtungen, Krümmungen, Formen oder Stellungen dieser Hörner beruhen im wesentlichen auf der Annahme, daß der in dem Lichtbogen fließende Strom so hoch ist, daß diese Entwicklung des Lichtbogens, d. h. sein Wandern auf die Hörner, ermöglicht wird. Dieselben Maßnahmen können ergriffen werden, wenn die Entwicklung bzw. die Ausdehnung des Lichtbogens durch das Vorhandensein eines permanenten oder induzierten örtlichen Magnetfelds unterstützt wird, das so ausgerichtet ist, daß es die Schnelligkeit der Bewegung begünstigt.

Bei diesen bekannten Anordnungen ergibt sich die gewünschte Erhöhung der Lichtbogenspannung aus der Ausdehnung des Lichtbogens, während dadurch, daß sich die Füße der Lichtbögen auf den Hörnern niederlassen, ein Kontaktabbrand vermieden wird. Bei diesen bekannten Anordnungen sind die Abbrandhörner im allgemeinen gespreizt.

Wenn man, um eine Begrenzung des Lichtbogenstroms zu erreichen, anstrebt, dessen Länge nicht in starkem Maße zu erhöhen, beispielsweise weil man dem beweglichen Kontakt keine Bewegung mit großer Amplitude erlauben kann oder weil der Lichtbogenstrom, den man begrenzen möchte, nicht die Größe erreicht, ab der das Vorhandensein der elektromagnetischen Abstoßungskräfte ohne weiteres ausgenutzt werden kann, oder wenn die Ausgestaltung bzw. der Aufbau der Schaltkammer oder der benachbarten Leiter eine freie Ausdehnung des Lichtbogens bzw. seine Aufteilung auf Löschbleche verhindert, muß man künstliche Mittel für die Abquetschung des Lichtbogens benutzen. Eine Isolierplatte, die schnell zwischen zwei Kontakte geschoben wird, die sich soeben geöffnet haben, stellt eines von ihnen dar und besitzt zahlreiche Vorteile, sofern Änderungen anderer Merkmale des Lichtbogens als seine Länge vorgenommen werden, die auch eine Erhöhung seiner Spannung bewirken.

Da festgestellt wurde, daß wichtige Faktoren für das Löschen des Lichtbogens eine hohe Geschwindigkeit der aktiven Kante der Isolierplatte und eine Abquetschung dieses Lichtbogens an einer Gehäusewand sind, muß berücksichtigt werden, daß die Kontakte nicht die Zeit haben, sich um eine beträchtliche Strecke voneinander zu entfernen, wenn die Isolierplatte sich zwischen sie bewegt, und daß der Lichtbogen in der Nähe der Kontakte durch Gehäusewände eingegrenzt ist.

Falls keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden, ergibt sich daraus die Gefahr, daß der Lichtbogen, der nun bestrebt ist, einen Weg mit kleinstmöglicher Länge zu durchlaufen, übermäßig auf diesen Kontakten stehen bleibt und dadurch deren Beschädigung verursacht, was für die Qualität einer späteren Kontaktschließung nachteilig ist.

Aus der DE-OS 19 57 620 ist eine Schaltvorrichtung bekannt, bei der eine Isolierplatte zwischen zwei Kontakte geschoben wird und diese dabei trennt, wobei der bei der Kontakttrennung entstehende Lichtbogen durch die sich bewegende Kante der Isolierplatte zwischen den Kontakten verschoben und schließlich an einer isolierenden Querwand abgequetscht wird. Nachteilig ist hier, daß keine Ableitelemente vorgesehen sind, so daß die Verschiebung des Lichtbogens im Bereich der Kontakte des Schalters erfolgt.

Ziel der Erfindung ist es, an einer Schaltvorrichtung der eingangs erwähnten Art Verbesserungen vorzunehmen, durch die der Verschleiß der Kontakte beträchtlich verringert wird, und zwar insbesondere dann, wenn die Baugröße der Schaltvorrichtung oder die Höhe der zu unterbrechenden Fehlströme den Einsatz anderer Einrichtungen schwierig macht.

Nach der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß die Ableitelemente so ausgerichtet oder geformt sind, daß für jedes Paar von Stellungen der Kontakte während ihrer Öffnungsbewegung und der Kante der Isolierplatte während ihres Durchgangs zwischen den Kontakten zwischen zwei Punkten der beiden Ableitelemente ein möglicher Lichtbogenweg besteht, der über einen Punkt dieser Kante läuft und kürzer ist als der Weg, der zu eben diesem Zeitpunkt über Punkte, die auf den Kontakten liegen, und diesen Punkt der Kante läuft.

Auch wenn die Verwendung von Ableitelementen bzw. Hörnern zum Begünstigen der Ausdehnung der Lichtbögen und der Bewegung ihrer Fußpunkte an sich bekannt ist, steht die ihen erfindungsgemäß verliehene Ausgestaltung grundlegend im Gegensatz zu dem, was bei herkömmlichen Schaltvorrichtungen als zweckmäßig angesehen wird.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind besonders zweckmäßig, wenn sie auf eine Schaltvorrichtung angewendet werden, deren Baugröße nicht sehr hoch ist. Dieselben Maßnahmen sind jedoch auch im Rahmen von Vorrichtungen mit größeren Baugrößen geeignet, bei denen eine Erhöhung der beweglichen Massen infolge des Vorhandenseins der Ableitelemente keine Gefahr darstellt, wenn man die geringen Hubbewegungen berücksichtigt, die einerseits von der Isolierplatte und andererseits von dem beweglichen Kontakt der Schaltvorrichtung ausgeführt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Ebene, in der die beiden Kontaktteile einer Schaltvorrichtung im geschlossenen Zustand liegen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Beispiels der Bewegung des Lichtbogens in einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.

Eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 1 (Fig. 1) besitzt ein erstes Kontaktteil 2, das im vorliegenden Fall feststehend ist und somit einen feststehenden Kontakt 4 trägt, ein bewegliches Kontaktteil 3, das im vorliegenden Fall von einem um eine Achse 9 schwenkbaren und einen beweglichen Kontakt 7 tragenden Hebel 5 gebildet wird, Kraftspeicher 6, die den erforderlichen Kontaktdruck liefern, einen biegsamen Stromzuführungsleiter 11, eine mechanische Einrichtung 10, die die Durchführung der Öffnung der Kontakte gestattet, eine dünne Isolierplatte 17, die in einem isolierenden Gehäuse 12, beispielsweise längs Nuten 13 dieses Gehäuses geführt ist, um eine wirksame Isolierung zwischen diesen beiden entgegengesetzten Flächen herzustellen, und eine Quernut 14, die an einer Wand 15 des Gehäuses 12 vorgesehen ist, mit einem Entspannungskanal 19 verbunden ist und sich in Nähe der Kontaktteile befindet, um die Kante 16 der Isolierplatte aufnehmen zu können, wenn diese sich von einem Ausgangs- oder Ruhepunkt O aus in Fig. 1 nach links zu einem Endpunkt oder Arbeitspunkt 8 hinbewegt.

Die Isolierplatte 17 kann beispielsweise zum Zeitpunkt des Auftretens eines Überstroms J durch den Mechanismus 10 vorgetrieben werden, wenn dieser durch die Wirkung einer Spule 26 freigegeben wird, die in dem Stromkreis 18 in Reihe geschaltet ist, der ferner einen Leiter 27 zwischen den Anschlüssen 24 und 25 besitzt. Bei einer ersten Abwandlung kann die Isolierplatte durch einen zuvor gespannten Kraftspeicher 29 vorgetrieben werden, der seinerseits durch einen Anker in Art eines Kerns oder eines Schlagbolzens 30, der mit der Spule 26 verbunden ist, oder durch den Mechanismus 10 freigegeben wird.

Nicht dargestellte Rückstelleinrichtungen können den beweglichen Kontakt und die Isolierplatte nach einer automatischen Öffnung wieder in die in Fig. 1 gezeigte Ruhestellung zurückbringen.

Bei einer bevorzugten Arbeitsweise dieser Schaltvorrichtung gelangt die Kante der Isolierplatte mit einer hohen Geschwindigkeit zwischen die beiden Kontakte, sobald diese um einen Abstand voneinander getrennt sind, der etwas größer als ihre Dicke e ist. Sie bewirkt anschließend eine Abquetschung des Lichtbogens zu dem Zeitpunkt, an dem sie an der Wand 15 in Anschlag kommt oder wenn die vordere Kante der Isolierplatte in die Quernut 14 eintritt, wenn diese vorgesehen ist.

Bei einer Schaltvorrichtung, die die erwähnten Elemente nicht aufweisen würde, würde die Bewegung der Isolierplatte bei einem gegebenen Lichtbogenstrom eine Verformung des Lichtbogens verursachen, während der die Füße der Lichtbögen auf den Kontakten stehenbleiben würden, während sein Strang allmählich von der Kante der Isolierplatte bis zu der Quernut vorgeschoben werden würde.

Um dieses Stehenbleiben der Lichtbogenfüße auf den Kontakten zu vermeiden, wurden die Kontaktteile mit leitenden Verlängerungen bzw. Ableitelementen 20, 21 versehen, die sich in Richtung der Bewegung Q der Isolierplatte erstrecken und deren einander gegenüberliegende Flächen 22, 23 im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen der Hörner im wesentlichen nicht divergieren, und zwar zumindest in den Bereichen, die diesen Kontakten unmittelbar benachbart sind.

Die Länge und die Krümmung dieser Flächen 22, 23 sind so gewählt (Fig. 2), daß für jedes Paar von Stellungen der beweglichen Teile der Schaltvorrichtung und der Isolierplatte zwischen zwei Punkten A und B dieser Flächen und einem Punkt C der Kante der Isolierplatte ein Weg von einer möglichen Minimumlänge T₁ besteht, so daß der Lichtbogen eher bestrebt sein wird, diesen Weg zu wählen, als sich auf einem hypothetischen, längeren Weg T₂ niederzulassen, der durch die Punkte MCF läuft, wobei die Punkte M und F sich auf den Kontakten befinden.

Dieser hypothetische Weg T₂, der zwischen den Punkten M und F eine Lichtbogenspannung V₂ herstellen würde, die größer als die Spannung V₁ ist, die im anderen Fall auftritt, kann sich nicht realisieren, da er einen zusätzlichen Energieaufwand erfordern würde. Dies wird durch Versuche bestätigt, deren Ergebnisse auf der Grundlage einer Gleichung vorhergesagt werden können, die die Lichtbogenspannung mit ihren geometrischen Abmessungen verbindet:

wobei L die Länge des Lichtbogens, S sein Querschnitt, σ seine Konduktivität und J die Stärke des durch ihn fließenden Stroms ist.

Bei einer interessanten Anwendung der Erfindung, bei der das Gehäuse 12 eine automatische Modulschaltvorrichtung enthält, der Nennbaugröße relativ niedrig ist, hat die Schaltkammer 28 und damit der Ausschlag des beweglichen Kontakts eine geringe Höhe.

Die praktischen Anordnungen, mit denen das gewünschte Ergebnis, nämlich das Vorhandensein eines möglichen Wegs von einer Minimumlänge T₁ gemäß vorstehender Definition realisierbar ist, ergeben sich insbesondere aus einer genauen Untersuchung oder einer experimentiellen Ermittlung der Relativbewegungen des beweglichen Kontakts und der Isolierplatte, wobei die Auswirkung der elektrodynamischen Abstoßungskräfte und damit des Lichtbogenstroms berücksichtigt werden muß.

Diese praktischen Anordnungen sollten derart ausgelegt sein, daß die Flächen, auf denen sich die Lichtbogenfüße bewegen, vorzugsweise bis in die Nähe der Quernut des Gehäuses erstrecken, in die das Ende der Isolierplatte eintritt, und daß die Winkelbewegung, die der bewegliche Kontakt ausführt, wenn er von einem verschwenkbaren Hebel getragen wird, nicht zu groß ist, damit nicht bei einer gewissen Relativstellung von Isolierplatte und Hebel ein Weg entsteht, der kürzer ist als der Weg, der bei einer unmittelbar vorausgehenden Relativstellung besteht.

In Fig. 2, in der davon ausgegangen wird, daß der um die Achse O verschwenkbare Hebel L den beweglichen Kontakt M und eine fluchtende Verlängerung P trägt, und in der der Träger G des feststehenden Kontakts F seinerseits durch ein radiales Ableitelement D verlängert wird, ist gezeigt, wie ein Lichtbogen ABC kurzer Länge, (wobei angenommen wird, daß seine Füße zu den Flächen, an denen sie haften, senkrecht stehen) hergestellt und zwangsweise bewegt werden kann, ohne daß seine Füße die Kontakte in Anspruch nehmen, wenn eine Kante E der Isolierplatte S nach Öffnung der Kontakte zwischen diese tritt. Vorausgesetzt wurde hier, daß den dargestellten Paaren von Stellungen der Isolierplatte und des beweglichen Kontakts konstante Geschwindigkeiten zugrundeliegen, so daß sie gleichzeitig jeweils die Punkte 1, 2, 3 . . . 7 passieren. Aus diesem vereinfachten Beispiel einer möglichen Arbeitsweise geht deutlich hervor, daß der durch ABC laufende Lichtbogen zwangsläufig kürzer als der durch MCF laufende Lichtbogen ist und daß die Punkte M und F somit nicht vom Lichtbogen getroffen werden.

Wenn sich dagegen der bewegliche Kontakt infolge seiner Öffnungsgeschwindigkeit und seiner Ausschlagsamplitude zu dem Zeitpunkt, an dem das Ende der Isolierplatte noch nicht in die Quernut R eingeführt ist, am Punkt H befände, würde der kürzeste Lichtbogenweg T_h über den beweglichen Kontakt laufen. Dieses Beispiel zeigt, daß mit einer im wesentlichen radialen und zu der Richtung des Hebels parallelen Verlängerung, kombiniert mit einer begrenzten Öffnung der Kontakte, das gewünschte Ziel erreicht werden kann. Wie Fig. 2 zeigt, würde eine Verlängerung P_m, die mit der Richtung des Hebels L einen zu großen Winkel α bildet, der in Öffnungsrichtung gerichtet ist, ebenfalls einen Lichtbogenfuß während der Öffnung auf dem beweglichen Kontakt M halten. Dieselben Erscheinungen treten natürlich auch dann auf, wenn beide Kontakte beweglich sind, wobei sie sich beispielsweise bezüglich der Ebene der Isolierplatte symmetrisch bewegen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2, bei der der Drehpunkt O des Hebels L der Bewegungsebene der Isolierplatte benachbart ist, liefert eine Verlängerung P, die im wesentlichen durch diesen Punkt läuft, befriedigende Ergebnisse, wenn der Hub des beweglichen Kontaktes am Punkt t₇ endet.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Asuführungsform, bei der der Drehpunkt 9 des Hebels 3 oberhalb der Bewegungsebene der Isolierplatte 17 liegt, bildet die Verlängerung 21, die zum Zeitpunkt der Öffnung im wesentlichen parallel zu dem dem feststehenden Kontakt 4 benachbarten Bereich 22 verläuft, einen Winkel β mit der allgemeinen Richtung des Hebels, die durch die Punkte 9 und 7 verläuft, während das Ableitelement 20 seinerseits eine Fläche 22a besitzt, die einen Winkel δ mit der Hauptrichtung des leitenden Trägers 2 bildet, der seinerseits zu der Isolierplatte parallel ist. Die Winkelbewegung des Hebels ist in diesem Fall ebenfalls relativ gering, was die Verwendung eines Mechanismus 10 mit geringem Volumen gestattet.

Diese Anordnungen beeinträchtigen nicht das Auftreten der oben erwähnten Erscheinungen, wenn sich die Isolierplatte mit einer Geschwindigkeit bewegt, die an die Öffnungsgeschwindigkeit des beweglichen Kontakts angepaßt ist.

Das Vorhandensein der geneigten Fläche 22a begünstigt außerdem die Abfuhr der Gase, die zum Zeitpunkt der Öffnung auftreten, zu einem Abfuhrkanal 19a.

Versuche haben ergeben, daß die in Fig. 2 gezeigten Anordnungen auf einem Kurzschluß eine automatische Unterbrechung mit hervorragender Qualität gewährleisten, obwohl die Form der von den Leitern 27, 11, 5 und 2 gebildeten Schleife aus Konstruktionsgründen nur unvollkommen ausgebildet ist.

Claims (8)

1. Schaltvorrichtung mit Isolierplatte, die einerseits zwei Kontaktteile, die zwischen einem geschlossenen Zustand, in dem die Kontakte sich berühren, und einem offenen Zustand, in dem die Kontakte getrennt sind, zueinander beweglich sind, und andererseits eine Isolierplatte besitzt, die schnell zwischen die Kontakte tritt, indem sie aus einer Ausgangsstellung eine Bewegung zu einer Arbeitsstellung hin ausführt, während der der bei der Kontaktöffnung auftretende Lichtbogen durch eine aktive Kante der Isolierplatte entlang leitenden Ableitelementen, die hinter den Kontakten als Verlängerungen an den Kontaktteilen angeordnet sind, bewegt wird, und an deren Ende der Lichtbogen an einer Gehäusewand vollständig abgequetscht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitelemente (20, 21; D, P) so ausgerichtet oder geformt sind, daß für jedes Paar von Stellungen der Kontakte (4, 7; F, M), während ihrer Öffnungsbewegung und der Kante (16; E) der Isolierplatte (17; S) während ihres Durchgangs zwischen den Kontakten (4, 7; F, M) zwischen zwei Punkten (A, B) der beiden Ableitelemente (D; P) ein möglicher Lichtbogenweg (T₁) besteht, der über einen Punkt (C) dieser Kante (16; E) läuft und kürzer ist als der Weg, der zu eben diesem Zeitpunkt über Punkte (bei M, bei F), die auf den Kontakten (M, F) liegen, und diesen Punkt (C) der Kante (16; E) läuft.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand (12) eine Quernut (14) aufweist, in die die Isolierplatte (17) am Ende ihrer Bewegung eintritt.

3. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitelemente (P, D) im wesentlichen parallel zueinander ausgebildet sind, wenn die Kontakte (F; M) geschlossen sind.

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktteil als beweglicher Kontakthebel (L) ausgebildet ist, dessen Drehpunkt (O) in der Nähe der Bewegungsebene der Isolierplatte (S) liegt, und dessen Ableitelement (P) sich in der Hauptrichtung des Kontakthebels (L) erstreckt.

5. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktteil als beweglicher Kontakthebel (3) ausgebildet ist, dessen Ableitelement (21) in geschlossener Stellung der Kontakte (4, 7) einen Winkel β mit der Richtung bildet, die durch den beweglichen Kontakt (7) und eine Drehachse (9) dieses Kontakthebels (3) läuft, wobei die Drehachse (9) wesentlich oberhalb der Bewegungsebene der Isolierplatte (17) liegt.

6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Kontaktteil als Träger (2) mit feststehendem Kontakt (4) ausgebildet ist, dessen in der Verlängerung des Trägers (2) angeordnetes Ableitelement (20) in Nähe dieses Kontaktes (4) einen zu der Isolierplatte (17) parallelen Bereich (22) und einen entfernteren Bereich (22a) besitzt, der gegenüber der Bewegungsebene der Isolierplatte (17) geneigt ist (Neigungswinkel (β)).

7. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion (A) der Kante (E) der Isolierplatte (S) nach dem Durchgang dieser Kante (E) zwischen den Kontakten (M, F) zu jedem Zeitpunkt über leitenden Bereichen der Ableitelemente (P, D) liegt.

8. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter zwei bewegliche Kontaktteile besitzt, die zu beiden Seiten der Ebene der Isolierplatte angeordnet sind.