DE3614866C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Strombegrenzende Niederspannungs-Leistungsschalter haben die Aufgabe, im Kurzschlußfall möglichst schnell eine hohe Lichtbogenspannung zu erzeugen, um eine gute Strombegrenzung zu erreichen. Dadurch wird die dynamische Beanspruchung (gegeben durch das Stromquadrat I²) und die thermische Belastung (gegeben durch ∫i²dt) des Kurzschlußstromkreises einschließlich des Leistungsschalters selbst klein gehalten. Nur so ist es möglich, solche Leistungsschalter klein und wirtschaftlich zu bauen.

Es ist bekannt, hohe Lichtbogenspannungen durch große Kontaktöffnungen herbeizuführen, weil die Länge des Lichtbogens einen wesentlichen Einfluß auf seine Spannung hat. So gibt es schwenkbare Kontaktarme mit Brückenkontakten, bei denen das Ziel einer großen Kontaktöffnung mit der technisch vorteilhaften, aber teuren Doppelunterbrechung verbunden wird, wie sie beispielsweise in einem Prospekt der Firma Sace beschrieben sind. Weiterhin sind Festkontakte mit schwenkbaren Kontaktarmen, vorzugsweise C-förmig ausgebildet, aus dem Prospekt der Firma Westinghouse bekannt, die das gleiche Ziel anstreben.

Besonders bei den schwenkbaren Kontaktarmen wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei großen Kurzschlußströmen und hohen Stromsteilheiten (abhängig von Leistungsfaktor des Kurzschlußstromkreises und vom Zeitpunkt des Kurzschlusses) die Stromkräfte an der Kontaktstelle (Stromenge- und Schleifenkraft) innerhalb sehr kurzer Zeiten, u. U. in Bruchteilen von Millisekunden, die Kontaktschließkraft übersteigen und damit die Kontakte dynamisch öffnen, lange bevor ihre Öffnung durch magnetische Auslöser über das Schaltschloß bewirkt wird.

In diesem Zusammenhang ist auf die US-PS 35 34 305 hinzuweisen, die einen strombegrenzenden Leistungsschalter der eingangs genannten Art beschreibt, bei welchem der bewegliche Kontaktarm unterteilt ist und der das Kontaktstück tragende Abschnitt in der Anfangsphase des elektrodynamischen Öffnens gegen die Kraft einer Druckfeder einen öffnenden Schwenkwinkel bildet. Diese Kontaktanordnung führt im Kurzschlußfall zwar auch zu einem anfänglich schnelleren Öffnen der Kontaktstücke, hat aber den Nachteil, daß dieses Öffnen gegen die Druckfeder erfolgen muß und daß das Gegenkontaktstück nicht zur schnellen Vergrößerung des Öffnungswinkels beiträgt.

Die DE-AS 16 38 154 beschreibt einen Selbstschalter, bei welchem mindestens der eine bewegliche Kontaktarm unter dem Einfluß von Kurzschlußströmen und deren elektrodynamischen Kräften von dem anderen Kontaktarm verschwenkt wird. An dem beweglichen Kontaktarm greift das eine Ende einer über einen Totpunkt bewegbaren Zugfeder an, während das andere Ende an einem schwenkbaren Hilfshebel befestigt ist. Der Kontaktarm weist ferner zum Antrieb des Hilfshebels einen Zapfen auf, der in einer L-förmigen Aussparung des Hilfshebels eingreift. Bei Auftreten eines Kurzschlußstromes treten in beiden parallel zueinander liegenden Kontaktarmen elektrodynamische Kräfte auf, die die Kontaktarme in entgegengesetzte Richtungen auseinandertreiben. Die Drehung der Kontaktarme im Schwenkzapfen bewirkt, daß die Zugfedern von der einen Übertotpunktlage in die andere Übertotpunktlage gebracht werden (Schnappeffekt) und die Kontaktarme in der offenen Position halten. Diese Kontaktanordnung führt zwar auch zu einer raschen Öffnung der Kontakte im Kurzschlußfall, erfordert jedoch einen großen technischen Aufwand.

Aus der DD-PS 2 25 237 ist zu entnehmen, daß für strombegrenzende Leitungsschutzschalter die Öffnungsgeschwindigkeit eines mittels eines Schlagankers angetriebenen Schaltkontaktes dadurch erhöht wird, daß der Schaltkontaktarm mittig im Bereich des Massenschwerpunktes drehbeweglich gelagert wird. Dadurch wird das Massenträgheitsmoment herabgesetzt. Der Schaltkontakt wird in diesem Schalter durch den Schlaganker eines magnetischen Auslösers bewirkt.

Die oben erwähnte Schleifenkraft kann durch relativ aufwendige Magnetsysteme, wie den Slot-Motor von Westinghouse, CGE u. a., verstärkt werden. Sie ändern aber nichts am grundsätzlichen Verlauf der Lichtbogenspannung, die am Anfang nur sehr langsam ansteigt. Das ist u. a. damit zu begründen, daß selbst bei hohen Stromsteilheiten die Kontaktöffnung nur relativ langsam beginnt, weil die für die Lichtbogenspannung wesentliche Länge L des Lichtbogens erst nach zweimaliger Integration der Beschleunigung b bzw. der Winkelbeschleunigung ε bei Drehbewegungen von Schwenkarmen erreicht wird.

b = c · i²
v = ∫bdt
L = ∫vdt
ε = c · i²
ω = ∫εdt
α = ∫ωdt

worin c ein Proportionalitätsfaktor ist, der u. a. durch ein Magnetsystem beeinflußt werden kann, ω die Winkelgeschwindigkeit und α den Drehwinkel angeben.

Die Stromengekräfte, die im Augenblick der Kontakttrennung noch die Beschleunigung beeinflussen, werden durch solche Magnetsysteme nicht verstärkt. Gerade in diesem Zeitpunkt ist aber eine hohe Beschleunigung im Hinblick auf eine schnelle Kontaktöffnung wünschenswert.

Die relativ langsam beginnende Kontaktöffnung hat noch eine weitere Folge:

Unmittelbar nach der Kontakttrennung ist auch bei schwenkbaren Kontakten noch kaum eine Drehbewegung festzustellen; die Kontaktflächen entfernen sich, scheinbar parallel zueinander und geradlinig voneinander. Die aus den Lichtbogenfußpunkten austretenden Plasmastrahlen haben die Tendenz, senkrecht auf den Kontaktflächen zu stehen, aus denen sie austraten. Die Spitzen der Plasmastrahlen, die auf der gegenüberliegenden Kontaktfläche neue Lichtbogenfußpunkte erzeugen und damit eine Fußpunktbewegung einleiten könnten, treffen die Gegenkontaktfläche nur in einem relativ eng begrenzten Umkreis um den jeweils gegenüberliegenden Lichtbogenfußpunkt. Die Fußpunkte bewegen sich also auf nur sehr kleinem Raum; eine Bewegung in der gewünschten Richtung zur Ablaufkante oder zum Ablaufhorn hin ist bei kleinen Kontaktöffnungen nicht zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kontaktanordnung zu schaffen, bei der die Kontaktöffnung am Beginn der Kontaktbewegung beschleunigt und der Winkel zwischen beiden Kontaktflächen möglichst schnell vergrößert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Kontaktanordnung nach der Erfindung weist als besonderen Vorteil einen schnelleren Anstieg der Lichtbogenspannung sowie eine bessere Strombegrenzung auf. Dadurch wird eine geringere Kurzschlußbeanspruchung der zu schützenden Anlagenteile und des Schalters selbst erzielt, was auch zu einem kleineren Schaltervolumen führt.

Dabei wird von folgender Überlegung ausgegangen: Der oben erwähnte Proportionalfaktor c beinhaltet den Reziprokwert des Massenträgheitsmomentes ‴. Die Gleichung für die Dreh-Beschleunigung stellt sich dann folgendermaßen dar:

ε = 1/‴ · K · i²

wobei K ein neuer Proportionalitätsfaktor für die Stromquadrat- Kraft-Umrechnung ist. Das heißt, die Drehbeschleunigung verändert sich umgekehrt proportional zu den Massenträgheitsmomenten der beweglichen Kontaktteile. Je kleiner diese Massenträgheitsmomente sind, desto größer ist die Beschleunigung bei gegebenen Stromkräften. Die im Augenblick der Kontakttrennung noch wirksamen Stromengekräfte können die kleineren Massenträgheitsmomente der Kontaktwippen stärker beschleunigen und somit eine sehr schnelle Anfangsöffnung bewirken.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1a bis 1c eine Ausführung mit einer Wippe an den Enden des beweglichen Kontaktarmes bzw. eines c- förmigen Festkontaktes.

In den Figuren wurden die Elemente zur Stromübertragung auf die die Kontakte tragenden Wippenteile, z. B. Strombolzen, Flexbänder u. ä., wegen der Übersichtlichkeit weggelassen.

In der Ausführungsform gemäß den Fig. 1a bis 1c besteht die Kontaktanordnung aus einem beweglichen Kontaktarm mit dem Hauptabschnitt 5 und der Kontaktwippe 13 sowie aus einem c-förmigen Festkontaktarm mit dem Hauptabschnitt 6 und der Kontaktwippe 14.

Die Kontaktwippen 13, 14 tragen an ihren äußeren Enden 16, 17 die Kontaktstücke 1, 2 und an den inneren Enden 18, 19 eine Spreizlagerung 24. Sie sind in ihren Drehpunkten 15 an den freien Enden der Hauptabschnitte 5, 6 der Kontaktarme gelagert und mit Druckfedern 20, 21 belastet, die sich beim beweglichen Kontaktarm an einem Federlager 22 und beim Festkontaktarm an einem gehäusefesten Federlager 23 abstützen. Die inneren Enden 18, 19 der Kontaktwippen 13, 14 sind bis zum jeweiligen Drehpunkt 15 gegeneinander elektrisch so isoliert, daß eine Lichtbogenbildung zwischen ihnen verhindert wird.

Die Fig. 1a zeigt die Kontaktanordnung im geschlossenen Normalzustand. Die auf den Hauptabschnitt 5 des beweglichen Kontaktarmes wirkende Schloßkraft drückt die Kontaktwippen 13, 14 an den Kontaktstücken 1, 2 und an der Spreizlagerung 24 zusammen, wobei der erforderliche Kontaktdruck auf die Kontaktstücke 1, 2 aufgebracht wird. Die Federn 20, 21 sind so aufeinander abgestimmt, daß die Kontaktwippen 13, 14 in diesem Betriebszustand mit den Hauptabschnitten 5, 6 der Kontaktarme fluchten.

Übersteigen im Kurzschlußfall die Stromkräfte und besonders die Stromengekräfte den Kontaktdruck, spreizen sich die Kontaktwippen 13, 14 wie in Fig. 1b dargestellt auf, wobei die Federkräfte die Öffnung der äußeren Enden 16, 17 noch unterstützen. Bis zum Erreichen der größten Spreizlage der beiden Kontaktwippen 13, 14 stützen sie sich an einem ballig ausgeführten Berührungspunkt 24 ab und tragen damit noch zur Verstärkung der Öffnungskraft auf den beweglichen Kontaktarm bei.

Wegen des kleinen Drehradius des äußeren Endes 16 gegenüber dem Radius des schwenkbaren Hauptabschnittes 5 und dem Schwenken der Kontaktwippe 14 bilden die Kontaktwippen 13, 14 schnell einen relativ großen Winkel zueinander. Die senkrecht zu den Kontaktflächen der Kontaktstücke 1, 2 austretenden Plasmastrahlen werden bei der frühzeitigen Drehung mit ihren Fußpunkten auf dem jeweiligen Gegenkontaktstück schnell in Richtung der gewünschten Lichtbogenbewegung wandern. Ab einem bestimmten Öffnungswinkel haben die Plasmastrahlen keinen Fußpunkt mehr auf dem jeweiligen Gegenkontaktstück und sind in den Raum gerichtet, der zwischen den Kontaktstücken 1, 2 und einer nicht dargestellten Lichtbogenlöschkammer liegt. Die Plasmastrahlen enthalten fast keine neutralen Teilchen mehr, sondern hauptsächlich Elektronen und Ionen, also Ladungsträger, die der Lichtbogensäule gleichsam den Weg aus dem Kontaktraum zur Lichtbogenlöschkammer vorbereiten.

Nachdem die Kontaktwippen 13, 14 beim Öffnen ihre Endlagen erreicht haben, endet die Berührung der Kontaktwippen an der Spreizlagerung 24. Der Hauptabschnitt 5 des beweglichen Kontaktarmes bewegt sich wegen des größeren Massenträgheitsmomentes mit geringerer Geschwindigkeit in bekannter Weise als Folge der auf ihn einwirkenden Stromkräfte (Schleifenkraft, Abstoßungskraft bei Parallelführung der Kontaktarme) in Öffnungsrichtung, und die Kontaktwippen 13, 14 bleiben unter der Wirkung der Druckfedern 20, 21 in der aufgespreizten Stellung entsprechend Fig. 1c. Die bei Beginn des Ausschaltvorganges gewonnene Öffnung der Kontakte bleibt praktisch bis zur Wiedereinschaltung und damit bis zum Ende des Ausschaltvorganges erhalten.

Beim Schließen der Kontaktanordnung setzen die Kontaktwippen an der Spreizlagerung 24 auf und schwenken gegen die Kraft der Federn 20, 21 auf Grund der auf den Hauptabschnitt 5 einwirkenden Schloßkraft in ihre parallele Stellung. Bei weiter zunehmender Belastung wird auf die Kontaktstücke 1, 2 ein entsprechender Kontaktdruck aufgebracht.

Durch die beschriebene Anordnung werden relativ kleine Massenträgheitsmomente besonders durch die Stromengekräfte beschleunigt und bereits in der Anfangsphase der Kontaktöffnung ein relativ großer Winkel der Kontaktflächen gegeneinander hergestellt, der die Bewegung der Lichtbogenfußpunkte und die Ionisation des Raumes zwischen Kontaktstücken und Lichtbogenlöschkammern durch die Plasmastrahlen begünstigt.

Es kann gegebenenfalls erforderlich sein, daß die dem Drehpunkt 15 nahen Teile der Hauptabschnitte 5, 6 und Teile der äußeren Enden 16, 17 elektrisch isoliert sind. Diese Teile sind auch nach der Aufspreizung der Kontaktwippen noch einige Zeit in geringem Abstand zueinander (Fig. 1c) bzw. sogar in Berührung (15, 18, 19 in Fig. 1b). Die Isolation soll die Entstehung eines Lichtbogens an diesen Stellen und in Fig. 1b die Stromführung über die balligen Auflagen der Spreizlagerung 24 verhindern.

Claims (7)

1. Kontaktanordnung für strombegrenzende Niederspannungs- Leistungsschalter mit einem Kontaktstück an einem beweglichen, geteilten Kontaktarm und einem Gegenkontaktstück an einem festen Kontaktarm, wobei die Teile des beweglichen Kontaktarmes untereinander mit einer Druckfeder belastet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Kontaktarm geteilt ist und die die Kontaktstücke (1, 2) tragenden Endabschnitte der Kontaktarme als zwischen ihren beiden Enden (16, 17; 18, 19) an Hauptabschnitten (5, 6) der Kontaktarme gelagerte, druckfederbelastete Kontaktwippen (13, 14) ausgebildet sind, wobei die auf die Kontaktwippen (13, 14) wirkenden Druckfedern (20, 21) ein elektrodynamisches Öffnen der Kontaktstücke (1, 2) unterstützen, derart, daß die Kontaktwippen (13, 14) mit ihren äußeren Enden (16, 17) einen sich öffnenden Schwenkwinkel gegenüber den Hauptabschnitten (5, 6) der Kontaktarme bilden, wobei sich die Kontaktstücke (1, 2) an den äußeren Enden (16, 17) der Kontaktwippen (13, 14) befinden und die inneren Enden (18, 19) der Kontaktwippen (13, 14) sich aneinander (bei 24) abstützen können.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktwippen (13, 14) mittig an den sich öffnenden Enden der Hauptabschnitte (5, 6) der Kontaktarme gelagert sind.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung der inneren Enden (18, 19) als Spreizlagerung (24) durch elektrisch isolierende ballige Auflagen gebildet wird.

4. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Enden (18, 19) der Kontaktwippen (13, 14) bis zum jeweiligen Drehpunkt (15) elektrisch isoliert ausgeführt sind.

5. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktwippen (13, 14) mit Ausnahme der Bereiche, in denen die Kontaktstücke (1, 2) aufgenommen sind, elektrisch isoliert aufgeführt sind.

6. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Drehpunkt (15) nahen Teile der Kontaktarme (5, 6) elektrisch isoliert ausgeführt sind.

7. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel der Kontaktwippen (13, 14) durch einen Anschlag an den Hauptabschnitten (5, 6) der Kontaktarme begrenzt ist.