DE3707312A1 - Hochgeschwindigkeits-kontakttreiber fuer einen elektrischen schalter - Google Patents

Description

Das Aufkommen von Festkörper-Strombegrenzungsschaltern hat eine synergistische Beziehung zwischen den Schalterkontaktstücken und dem Kontaktbetätigungsmechanismus hervorgebracht. Durch Verwen­ den eines Festkörperschalters parallel zu den Kontaktstücken wird der Strom unmittelbar nach Kontakttrennung von den Kontakt­ stücken weg abgeleitet, um die Lichtbogenenergie wesentlich zu verkleinern und somit die nachteilige Wirkung des Lichtbogens auf die Kontaktstücke im wesentlichen zu eliminieren. Dadurch wiederum können die Kontaktstücke viel kleiner gemacht werden, so daß deren thermische Masse und ihre Trägheitsmasse verkleinert werden. Durch die Verkleinerung der Trägheitsmasse können die Kontaktstücke schneller getrennt werden und dadurch kann der Stromkreis während der ersten bzw. frühen Stufen der Stromkurve unterbrochen werden. Die kleinere Kontaktträgheitsmasse gestattet die Verwendung eines Brückenkontaktes zwischen zwei feststehen­ den Kontaktstücken, wie es in der deutschen Patentanmeldung P 35 44 649.8 angegeben ist. Die Brückenkontaktanordnung sorgt für eine weitere Verkleinerung der Masse der Kontaktstücke, so daß eine noch schnellere Kontakttrennung erreicht werden und die Stromunterbrechung bei den entsprechend früheren Stufen der Stromkurve auftreten kann.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochgeschwindigkeits-Kon­ takttreiber zum schnellen Trennen der Brückenkontakte von zwei feststehenden Kontaktstücken.

Die US-PS 32 15 796 beschreibt die Idee, einen Leitungsstrom zu verwenden, um einen Strom in einer Stromschleife mit in engem Abstand angeordneten parallelen Leitern zu induzieren, um die Leiter auseinander zu drücken und bewegbare Kontaktstücke von zugeordneten feststehenden Kontaktstücken zu trennen.

Die US-PS 31 68 626 beschreibt eine Sicherung, die die Abstoßungs­ kräfte verwendet, die durch Fehlerströme entwickelt werden, die in entgegengesetzten Richtungen durch eng beabstandete, parallele Sicherungsverbindungen fließen, um eine oder beide Verbindungen zu trennen und somit den fehlerhaften Stromkreis zu unterbrechen.

In der US-PS 30 02 065 ist die Verwendung übermäßiger Leitungs­ ströme, die in entgegengesetzten Richtungen durch aufeinanderfol­ gende Säulen fließen, zum Abstoßen einer der Säulen und somit zur Bildung eines Shunt- bzw. Parallelpfades beschrieben, um ein Meßgerät zu schützen.

Die US-PS 17 20 566 beschreibt eine Steuervorrichtung, die eine magnetische Kraft ausnutzt, um die elektromagnetische Trennung eines Brückenkontaktes von zwei feststehenden Kontaktstücken zu verstärken.

In der US-PS 40 39 983 ist ein Hochgeschwindigkeits-Schalter be­ schrieben, der sowohl Hauptkontaktstücke als auch Lichtbogen­ kontaktstücke aufweist. Die Hauptkontaktstücke verwenden einen Brückenkontakt zur Betätigung und die Lichtbogenkontaktstücke verwenden elektrodynamische Kräfte, um die Lichtbogenkontakt­ stücke geschlossen zu halten für eine kurze Zeitperiode nach Trennung des Brückenkontaktes von dem Hauptkontakt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Hochgeschwindigkeits-Kontakt­ treiberanordnung zu schaffen, bei der ein hoher Stromimpuls ver­ wendet wird zum elektrodynamischen Abstoßen von zwei Leitern, die als ein Kontaktträger für einen Brückenkontakt dienen, der über zwei Kontaktstücken in einer zu schützenden Schaltung für eine extrem schnelle Stromkreisunterbrechung auf Befehl angeord­ net sind.

Erfindungsgemäß wird ein Hochgeschwindigkeits-Kontakttreiber ge­ schaffen, bei dem ein Brückenkontakt durch eine Auslegerfeder federnd gehalten und durch zwei in engem Abstand angeordnete, elektrische Leiter gehalten ist. Der Brückenkontakt ist durch eine Kontaktfeder in einen elektrischen Kontakteingriff mit zwei stationären Kontaktstücken vorgespannt. Ein Stromimpuls, der den Leitern zugeführt wird, hat die elektrodynamische Abstoßung der Leiter und das Anheben des Brückenkontaktes von den stationären Kontaktstücken weg entgegen der Vorspannung der Kontaktfeder zur Folge.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht des Hochgeschwindigkeits-Kontakttreibers gemäß der Erfindung.

Fig. 2A und 2B zeigen den Kontakttreiber gemäß Fig. 1 vor und nach der Erregung.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Brücken­ kontakt-Trennkraft relativ zu der Trennstrec­ ke zwischen dem Brückenkontakt und den fest­ stehenden Kontaktstücken.

Fig. 4 ist eine teilweise geschnittene Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des Hoch­ geschwindigkeits-Kontakttreibers gemäß Fig.1.

Fig. 5A-5C sind vergrößerte Draufsichten auf die Magnet­ platten, die zur Ausbildung des Magnetfeldes verwendet werden, das in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Hochgeschwindigkeits- Kontakttreibers 10 gemäß der Erfindung, der zwei stabile Leiter 11, 12 aufweist, die jeweils ein feststehendes Kontaktstück 13, 14 tragen, die durch einen Brückenkontakt 15 verbunden sind, ge­ zeigt. Der Brückenkontakt wird von zwei Leitern 20, 21 getragen, die an dem einen Ende an dem Brückenkontakt befestigt sind, so daß der Brückenkontakt die zwei Leiter elektrisch in Reihe ver­ bindet. Die entgegengesetzten Enden der zwei Leiter sind auf entsprechende Weise mit zwei Anschlußkontaktgliedern 22, 23 durch zwei Anschlußschrauben 24, 25 in Reihe verbunden. Eine elektrische Verbindung mit den zwei Leitern wird dadurch hergestellt, daß eine Stromquelle mit den Anschlußschrauben verbunden wird. Ein Block aus Isoliermaterial 16 einer vorbestimmten Masse M ₁ ist an dem einen Ende einer Auslegerfeder 18 durch eine Schraube 19 befe­ stigt, wobei die Feder an dem entgegengesetzten Ende durch eine getrennte Schraube an einer Stütze 17 befestigt ist. Die Masse M ₂ des Brückenkontaktes 15 ist so gewählt, daß sie sehr klein in bezug auf die Masse M ₁ des Isoliermaterials ist. Eine Kontakt­ feder 26 ist mit ihrem einen Ende an dem Brückenkontakt befe­ stigt und mit ihrem anderen Ende an einer Halterung 27 fest an­ gebracht. Der durch die Kontaktfeder 26 ausgeübte Zug ist so ein­ gestellt, daß er den Brückenkontakt in einer guten elektrischen Verbindung mit den feststehenden Kontaktstücken entgegengesetzt zu der Kraft hält, die durch die Auslegerfeder 18 auf den Brüc­ kenkontakt über die Zugkraft der Leiter 20, 21 ausgeübt wird. Die Auslegerfeder 18 kompensiert Längenänderungen der Leiter und kann eliminiert und durch ein starres Halteteil ersetzt werden, wenn die Länge der Leiter sorgfältig gesteuert wird. Ferner kann die Kontaktfeder 26 eliminiert werden, indem die Steifig­ keit der Leiter selbst verwendet wird, um die Haltekraft auf die Kontaktstücke auszuüben. Wenn der Kontakttreiber 10 in einem Schalter verwendet wird, fließt der Kreisstrom I ₂ zwischen den starren Leitern 11, 12 in der angegebenen Richtung, durch die feststehenden Kontaktstücke 13, 14 und durch den Brückenkontakt 15, wie es in der eingangs genannten deutschen Patentanmeldung P 35 44 649.8 angegeben ist. Die Länge l ₁ der Leiter 20, 21 und die Trennstrecke d ₁ wird so eingestellt, daß ein vorbe­ stimmter gesteuerter Stromimpuls I ₁ in den angegebenen Richtun­ gen eine ausreichende elektrodynamische Abstoßung zwischen den zwei Leitern erzeugt, um die Vorspannung, die durch die Kontakt­ feder 26 ausgeübt wird, zu überwinden und den Brückenkontakt schnell von den feststehenden Kontaktstücken innerhalb eines Zeitinkrements von 10 bis 100 Mikrosekunden vom Beginn des Strom­ impulses I ₁ zu trennen.

Die Stromschleife, die zwischen der Anschlußschraube 24, dem Leiter 21, dem Brückenkontakt 15, dem Leiter 20 und der Anschluß­ schraube 24 gebildet wird, ist in Fig. 2A ohne Stromfluß durch die Schleife gezeigt. Das Magnetfeld, das durch das Rechteck 30 dargestellt ist und aus dem Stromfluß durch die Leiter resul­ tiert, kann durch die Verwendung von Magnetmaterial, wie bei­ spielsweise 3% Silizium enthaltenden Stahl, verstärkt werden. Der Zusatz eines Permanentmagneten oder einer Hilfswicklung zu der magnetischen Struktur kann ferner eine Magnetfeldkomponente hervorrufen, die von dem Strom in den Leitern unabhängig ist. Die wesentliche Vergrößerung der elektrodynamischen Abstoßungs­ kräfte, die auf die Leiter ausgeübt werden, durch den Zusatz des Magnetfeldes wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 3 näher erläutert.

Die Wirkung der elektrodynamischen Kräfte, die mit F ₁ und F ₁′ in den angegebenen Richtungen dargestellt sind, ist in Fig. 2B im Vergleich zu Fig. 2A gezeigt. Es ist hervorzuheben, daß die Trennstrecke bzw. der Abstand d ₂ zwischen den zwei Leitern bei einer elektrodynamischen Abstoßung wesentlich größer ist als die anfängliche Trennstrecke d ₁ und daß der Brückenkontakt 15 von dem feststehenden Kontaktstück 13 durch ein Inkrement dl ₁ getrennt ist. Der große Abstand d ₂ ist die Wirkung der Abstoßungs­ kraft F ₁, die proportional zu dem Produkt des Stromes I ₁ und der magnetischen Feldstärke ist, die durch das Magnetfeld 30 er­ zeugt wird. Die Kraft auf den Brückenkontakt ist durch den Kraft­ vektor F ₂ dargestellt, der in der angegebenen Richtung gerichtet ist, wobei eine Kraft F ₂′ gleicher Größe in entgegengesetzter Richtung auf den Block 16 ausgeübt wird. Da die Masse M ₂ des Brückenkontaktes 15 viel kleiner ist als die Masse M ₁ des Blockes 16, erzeugen gleiche Kräfte F ₂ und F₂′ eine viel größere Be­ schleunigung des Brückenkontaktes 15 als des Blockes 16. Somit bleibt in dem zeitlichen Rahmen von 100 Mikrosekunden der Block 16 im wesentlichen stationär.

Die Änderung der Kraft F ₂ auf den Brückenkontakt 15 als Funktion der Trennstrecke zwischen dem Brückenkontakt und den feststehen­ den Kontaktstücken 13, 14 in dem Magnetfeld 30 ist durch die Kur­ ve 28 in Fig. 3 dargestellt. Daraus geht hervor, daß die Kraft F ₂ auf den Brückenkontakt zunächst sehr hoch ist, in der Größen­ ordnung von 500 N (100 US-Pounds), um für eine starke Beschleu­ nigung zu sorgen, wenn der Stromimpuls I ₁ zu Anfang zugeführt wird, und sie fällt rasch ab, wenn der Brückenkontakt 15 von den feststehenden Kontaktstücken 13, 14 getrennt wird und die Trennstrecke bzw. der Abstand von Null auf wenige tausendstel Zentimeter anwächst. Die Wirkung der Verstärkung des Magnet­ feldes 30 ist durch die Kurve 29 gezeigt, um die Kraft zu ver­ größern, die bei größeren Kontakttrennstrecken auf den Brücken­ kontakt ausgeübt wird.

Die Magnetfeldverstärkung wird durch eine magnetische Struktur 36 erreicht, die in Fig. 5A gezeigt ist. Sie besteht aus einem Stapel dünner Metallbleche 37 aus Siliziumstahl mit einem recht­ winkligen Schlitz 38, durch den die Leiter 20, 21 hindurchführen. Magnetische Flußlinien 39 zeigen die Bahn des Magnetflusses in den Blechen. Es sei darauf hingewiesen, daß die magnetischen Flußlinien etwa um die Mitte der Drähte konzentriert sind und im Verhältnis zum Abstand von der Mitte kleiner werden. Wenn den Leitern ein hoher Stromimpuls zugeführt wird, liegt der in den Metallblechen induzierte Magnetfluß in der Größenordnung von mehreren tausend Gauss, so daß die breiten Metallbleche im Vergleich zu dem kleinen Durchmesser der Leiter sicherstellen müssen, daß das Metall bei dem Magnetfluß nicht in den Sätti­ gungsbereich kommt. Bei Verwendung der magnetischen Struktur, wie sie bei 40 in Fig. 5B gezeigt ist und die aus einem Stapel von Metallblechen 41 mit einem kreuzförmigen Schlitz 42 be­ steht, der einen größeren rechtwinkligen Schlitz 43 in dem Be­ reich der Metallbleche zwischen den Leitern und einen schmaleren Schlitz, wie beispielsweise dem Schlitz 44, um den Leiter 21 herum und einen schmaleren Schlitz 45 um den Leiter 22 herum aufweist, wird die Metallmenge innerhalb der Bleche verkleinert. Die magnetischen Flußlinien 46 erzeugen die gleiche Magnetkraft wie die Flußlinien 39 in der magnetischen Struktur 36 in Fig. 5A. Wenn ein Stromimpuls extrem kurzer Dauer, wie beispielsweise weniger als 1 Millisekunde, den Leitern zugeführt wird, ändert sich der in den Metallblechen induzierte Magnetfluß schnell. Um den Spitzenfluß in dem Spaltbereich zwischen den Leitern zu verkleinern, ist ein metallischer Einsatz 50 in dem Schlitz 49 angeordnet, wie es in der Magnetstruktur 47 gemäß Fig. 5C ge­ zeigt ist. Das Metallblech 48 hat eine ähnliche Breite wie das­ jenige mit dem Schlitz 43, das in Fig. 5B gezeigt ist. Der Me­ talleinsatz 50 aus Aluminium, Kupfer oder irgendeinem anderen leitfähigen, nicht-magnetischen Metall, erzeugt Wirbelströme bei der schnellen Änderung des Magnetflusses. Die Wirbelströme ihrerseits wirken der Flußänderung entgegen, wodurch der magne­ tische Spitzenfluß in dem Spaltbereich zwischen den Leitern auf wirksame Weise verkleinert wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Hochgeschwindigkeits-Kon­ takttreibers 10 gemäß Fig. 1 ist in Fig. 4 gezeigt. Die Strom­ schleife ist zwischen dem Leiter 20, dem Brückenkontakt 15 und dem Leiter 21 gebildet. Eine Plattform 35 aus Isoliermaterial, die durch zwei Stützen 17, 31 ebenfalls aus Isoliermaterial ge­ tragen wird, hat eine Öffnung 36 für den Durchtritt der zwei Leiter. Ferner dient sie zur Halterung einer Schraubenfeder 33, die den Brückenkontakt entgegen der Vorspannung der Kontaktfeder 26 in ähnlicher Weise vorspannt wie die Auslegerfeder 18, die in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Die Plattform 35 und die starren bzw. massiven Leiter 11, 12 sind an den Stützen 17, 31 durch Schrauben 19 befestigt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die Leiter 20, 21 sind als eine Sekundärwicklung mit einer einzigen Windung um einen toroidförmigen Kern 32 herum ange­ ordnet, wobei die viele Windungen aufweisende Primärwicklung 34 mit einer externen Schaltungsanordnung durch Verbindungsglieder 22, 23 und Anschlußschrauben 24, 25 verbunden ist. Der Toroid­ kern ist an dem Isolierblock 16 befestigt und vergrößert die Masse des Blockes 16 in der vorteilhaften Relation zwischen die­ ser Masse und der den Brückenkontakt bildenden Masse, wie es vorstehend bereits beschrieben wurde. Ein den Verbindungsan­ schlüssen 22, 23 zugeführter Stromimpuls wird durch die Trans­ formatorwirkung durch den Kern verstärkt und wird in den Leitern 20, 21 induziert, um den vorbestimmten Strom I ₁ zu erzeugen, der in den angegebenen Richtungen fließt, um die Leiter zu trennen.

Somit wurde gezeigt, daß eine extrem schnelle Kontakttrennung erreicht werden kann entgegen einer großen Kontakthaltekraft, wie sie durch die Kontaktfeder 26 auf eine kleine Kontaktmasse, wie beispielsweise die Masse M _1, relativ zu einer kleineren Kon­ takttrennkraft ausgeübt wird, wie sie beispielsweise durch die Auslegerfeder 18 auf eine große Masse M ₂ ausgeübt wird. Wenn die elektrodynamischen Kräfte entwickelt werden, um die Kontakt­ trennkraft zu vergrößern, bleibt die große Masse praktisch sta­ tionär, was eine starke Beschleunigung während der anfänglichen Kontakttrennung zur Folge hat, die äußerst erwünscht ist, um die Größe des Schaltstroms zu begrenzen. Selbstverständlich kön­ nen höhere Stromimpulse, wie sie durch die I ₁ dargestellt sind, zusammen mit stärkeren Magnetfeldern verwendet werden, um die Trennkräfte weiter zu vergrößern und für eine noch schnellere Kontakttrennung zu sorgen.

Claims (6)

1. Hochgeschwindigkeits-Kontaktantriebsvorrichtung zum Unterbrechen eines elektrischen Stromkreises, gekennzeichnet durch
zwei elektrische Leiter (20, 21), die an dem einen Ende einer isolierenden Halterung (17) befestigt sind, elek­ trisch in Reihe verbunden sind, Seite an Seite ange­ ordnet sind und nahe zueinander verlaufen, einen Brückenkontakt (15), der von den elektrischen Leitern (20, 21) an einem gegenüberliegenden Ende ge­ tragen und für eine elektrische Verbindung zwischen zwei feststehende Kontaktstücke (13, 14) angeordnet ist,
Mittel (22, 23) zur Zuführung eines vorbestimmten Strom­ impulses zu den Leitern (20, 21) an dem einen Ende für eine elektrodynamische Abstoßung der Leiter voneinander weg, um den Brückenkontakt (15) auf Befehl von den feststehenden Kontaktstücken (13, 14) zu trennen, und
magnetische Mittel (36; 40; 47), die zwischen den Enden der Leiter (20, 21) angeordnet sind für eine Verstärkung der elektromagnetischen Abstoßung der Leiter, wobei die magnetischen Mittel mehrere Metallplatten (37; 41; 48) mit einem Schlitz (38; 43-45; 49) aufweisen und wo­ bei die elektrischen Leiter (20, 21) in dem Schlitz angeordnet sind.

2. Kontaktantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (38) eine rechtwinklige Form aufweist.

3. Kontaktantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (43-45) eine Kreuzform aufweist.

4. Kontaktantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
daß der Schlitz zwei unterschiedliche Breiten aufweist,
wobei die Breite des Schlitzes zwischen den Leitern (20, 21) größer ist als die Breite des Schlitzes um die einzelnen Leiter herum.

5. Kontaktantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein metallischer Einsatz (50) in dem Schlitz (49) zwischen den elektrischen Leitern (21, 22) angeordnet ist.

6. Kontaktantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Einsatz (50) aus einem nicht-mag­ netischen Metall besteht.