DE3750482T2 - Schaltvorrichtung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät für eine elektrische Schaltung und insbesondere ein selbstlöschendes Schaltgerät, das einen Magneten zum Erzeugen eines Wechselmagnetflusses gegen einen elektrischen Lichtbogen hat, um den Lichtbogen bei Trennung der Kontakte zu treiben.
• Fig. 1 ist eine teilweise Vertikalschnittansicht des getrennten Zustandes eines herkömmlichen Schaltgeräts, das in der offengelegten JP-Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 59-77742 beschrieben ist, und Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1.
• In den Figuren bezeichnet 1 eine erste Anschlußplatte, 2 ist ein ortsfester Kontakt, der einer von einem Paar von Kontakten ist, die an der ersten Anschlußplatte 1 angebracht sind, 3 ist ein beweglicher Kontakt, der der andere Kontakt ist, um mit dem ortsfesten Kontakt 2 in Eingriff zu gelangen und sich von diesem zu trennen, 4 ist ein Kollektor, der mit dem beweglichen Kontakt 3 in Gleitkontakt ist, 5 ist eine zweite Anschlußplatte, die an dem Kollektor 4 angebracht ist, 6 ist ein ortsfester äußerer Zylinder, der an einem Ende an der ersten Anschlußplatte 1 befestigt ist und an dem anderen Ende eine Öffnung hat, und 7 ist eine Isolierdüse, die an der Öffnung des ortsfesten äußeren Zylinders 6 befestigt ist und aus einem Isoliermaterial besteht, wobei in der Isolierdüse ein Durchgangsloch 7a so gebildet ist, daß der bewegliche Kontakt 3 eingeführt wird und daran entlang gleitend bewegbar ist.
• 8 bezeichnet einen ringförmigen Magneten, der in der Isolierdüse 7 angeordnet ist, 9 ist eine Speicherkammer, die von dem ortsfesten äußeren Zylinder 6 gebildet ist, um ein elektrisch isolierendes Lichtbogenlöschgas zu speichern, 9a ist eine Speicherkammeröffnung, durch die das isolierende Lichtbogenlöschgas in die und aus der Speicherkammer strömt, 10 ist ein elektrischer Lichtbogen, der dann erzeugt wird, wenn sich der bewegliche Kontakt 3 von dem ortsfesten Kontakt 2 trennt, 11 ist ein Zylinder, der an einem Ende an der Außenfläche des ortsfesten äußeren Zylinders 6 angebracht ist, 12 ist ein Kolben, der an dem beweglichen Kontakt 3 angebracht und mit der Innenfläche des Zylinders 11 in Gleitkontakt ist, und 13 ist eine Unterdruckkammer, die zwischen dem Kolben 12 und der Bodenfläche des ortsfesten äußeren Zylinders 6 definiert und gebildet wird, wenn sich der bewegliche Kontakt 3 in die Richtung eines Pfeils A bewegt.
• Nachstehend wird der Betrieb beschrieben.
• Wenn bei diesem Schaltgerät in seinem geschlossenen Zustand, in dem der Strom von der ersten Anschlußplatte 1 zu dem ortsfesten Kontakt 2 und von dem beweglichen Kontakt 3 zu der zweiten Anschlußplatte 5 durch den Kollektor 4 fließt, der bewegliche Kontakt 3 von einem Betätigungsmechanismus (nicht gezeigt) in die Richtung des Pfeils A getrieben wird, trennt sich der bewegliche Kontakt 3 von dem ortsfesten Kontakt 2, und ein elektrischer Lichtbogen wird zwischen den beiden Kontakten erzeugt.
• Andererseits liefert der ringförmige Magnet 8 eine Antriebskraft, die dem Produkt der Intensität des von dem Magneten erzeugten Magnetfeldes und dem Wert der Lichtbogenstromstärke proportional ist, gegen den Lichtbogen 10. Der Lichtbogen 10 wird durch diese Antriebskraft gedreht und durch die Fliehkraft in die Speicherkammer 9 hinein verlängert.
• Wenn die Stromphase des Lichtbogens, der bei der Unterbrechung erzeugt wird, in dem Bereich der Stromspitze ist, strömt das umgebende isolierende Lichtbogenlöschgas, das von dem Lichtbogen 10 erhitzt wird, durch die Speicherkammeröffnung 9a in die Speicherkammer 9 und wird darin gespeichert, so daß die Temperatur und der Druck des isolierenden Lichtbogenlöschgases in der Speicherkammer 9 erhöht werden.
• Wenn weiterhin die Stromphase im Bereich eines Stromes Null ist, ist der Druck des Lichtbogens 10 niedrig, und das isolierende Lichtbogenlöschgas wird umgekehrt aus der Speicherkammer 9 auf den Lichtbogen 10 geblasen, was zum Löschen des Lichtbogens führt.
• Wenn der Effektivwert des Lichtbogenstromes klein ist, ist der Druckanstieg in der Speicherkammer 9 nicht ausreichend, so daß der Druck des isolierenden Lichtbogenlöschgases in der Druckkammer 9 niedrig und die Lichtbogenlöschfähigkeit infolgedessen ungenügend ist.
• Um dem zu begegnen, ist bei der herkömmlichen Vorrichtung eine Unterdruckkammer 13 vorgesehen, in der der Druck bei dem Unterbrechungsbetrieb des beweglichen Kontaktes 3 sinkt, so daß ein erzwungener Gasstrom von der Speicherkammer 9 durch den Lichtbogen 10 und die Isolierdüse 7 zu der Unterdruckkammer 13 erzeugt wird, und ein Magnetfeld wird an den Lichtbogen 10 angelegt, um ihn zu drehen, so daß eine relative Strömungsbewegung zwischen dem isolierenden Lichtbogenlöschgas und dem Lichtbogen erzeugt und somit der Lichtbogen 10 bei einer Unterbrechung im Fall eines kleinen Stromes gelöscht wird.
• Da bei der herkömmlichen Vorrichtung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, kein ordnungsgemäßes Treiben des Lichtbogens aufgrund des Lichtbogenstromwertes erreicht werden kann, da die Wirkung des Permanentmagneten ungenügend ist, ergibt sich das Problem, daß eine Unterdruckerzeugungseinrichtung hinzugefügt werden muß. Da der Magnet ringförmig ausgebildet ist und da ein herkömmlicher gegossener Magnet, wie etwa ein Alnico-Magnet, eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat, wird außerdem der Magnet durch den Wirbelstrom, der aus dem Fließen des Stromes durch das Schaltgerät resultiert, erwärmt und schnell verschlechtert.
• Da bei dem herkömmlichen Schaltgerät, das wie oben beschrieben aufgebaut ist und arbeitet, der Magnet 8 in der Axialrichtung magnetisiert wird, ist jedoch die radiale Komponente des Magnetflusses (Φ) an der Öffnung 9a der Gasspeicherkammer klein, und die Magnetkraft in dieser Richtung ist schwach. Daher ist die Lichtbogenantriebskraft in der Umfangsrichtung, die an der Öffnung 9a der Gasspeicherkammer auf den Lichtbogen 10 wirkt, klein, so daß der Heizeffekt des isolierenden Lichtbogenlöschgases in der Öffnung 9a der Gasspeicherkammer klein ist. Daher ist der Druckanstieg des isolierenden Lichtbogenlöschgases in der Speicherkammer 9 gering, und das Blasen des isolierenden Lichtbogenlöschgases gegen den Lichtbogen 10 ist schwach, so daß sich das Problem ergibt, daß keine ausreichende Lichtbogenlöschwirkung erzielt werden kann.
• Außerdem ist bei dem herkömmlichen Schaltgerät, das wie oben beschrieben aufgebaut ist, der Gasheizeffekt durch den Lichtbogen bei einer Unterbrechung im Falle eines kleinen Stromes gering, so daß der Gasdruckanstieg in der Gasspeicherkammer 9 gering ist. Da der erste Kontakt, der aus einem Fingerkontakt besteht, eine Vielzahl von Schlitzen hat, die sich in Axialrichtung von seiner Spitze aus erstrecken, ist es ferner schwierig, den Schenkel des Lichtbogens 10 an dem ersten Kontakt 2 durch den von dem Magneten 8 erzeugten Magnetfluß (Φ) zu bewegen, so daß sich das Problem ergibt, daß der Gasstrom relativ zu dem Schenkel des Lichtbogens 10 schwach ist, so daß nur eine ungenügende Lichtbogenlöschwirkung erhalten wird.
• Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges Schaltgerät mit einfacher Konstruktion bereitzustellen, bei dem kein Wirbelstrom durch den Magneten fließt und der Magnet somit nicht erhitzt wird und bei dem der Lichtbogen in Abhängigkeit von dem Lichtbogenstromwert ordnungsgemäß getrieben wird.
• Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltgerät bereitzustellen, dessen Lichtbogenlöschfähigkeit bei einer Unterbrechung im Falle eines kleinen Stromes verbessert ist.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltgerät bereitzustellen, das eine stabile Unterbrechungsleistung selbst während einer Unterbrechung im Falle eines kleinen Stromes bietet.
• Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltgerät bereitzustellen, das hinsichtlich seiner Lichtbogenlöschfähigkeit bei einer Unterbrechung im Falle eines kleinen Stromes verbessert ist und selbst bei einer Lichtbogenerzeugung im Falle eines großen Stromes frei von thermischer Verschlechterung des Magneten ist.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltgerät bereitzustellen, bei dem die Wirbelstromverluste in dem Magneten gesenkt werden, um das Erhitzen des Magneten zu verringern, so daß die Stabilität und die Betriebslebensdauer des Magneten verbessert werden.
• Die Erfindung besteht aus einem Schaltgerät, das in einem Lichtbogenlöschgas enthaltenden Gehäuse folgendes aufweist:
• - einen ortsfesten Kontakt;
• - einen beweglichen Kontakt, der fähig ist, mit dem ortsfesten Kontakt in Kontakt zu gelangen und sich von diesem zu trennen, wobei der bewegliche Kontakt und der ortsfeste Kontakt zwischen einander einen Lichtbogenbereich bilden, in dem ein elektrischer Lichtbogen erzeugt wird, wenn die Kontakte getrennt werden;
• - eine Einrichtung, die eine Gasspeicherkammer um den ortsfesten Kontakt herum bildet und die mit dem Lichtbogenbereich in Verbindung steht, um das Lichtbogenlöschgas, dessen Druck durch die von dem Lichtbogen erzeugte Wärme erhöht ist, zu speichern;
• - eine Isolierdüse, die an der Gasspeicherkammer angebracht ist und eine Öffnung bildet, durch die sich der bewegliche Kontakt in beweglicher Weise erstreckt und durch die das Lichtbogenlöschgas strömt; und
• - Magneteinrichtungen, die ein Magnetfeld in der Öffnung der Gasspeicherkammer erzeugen, um den elektrischen Lichtbogen, der bei der Stromunterbrechung zwischen dem ortsfesten Kontakt und dem beweglichen Kontakt erzeugt wird, zu drehen und zu verlängern;
• und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtungen einen ersten an der Düse angebrachten Ringmagneten und einen zweiten außerhalb des ortsfesten Kontaktes in der Gasspeicherkammer angeordneten Ringmagneten aufweisen.
• Die Gasspeicherkammer kann mit einer konischen Form ausgebildet sein, die zu der Gasspeicherkammer hin divergiert.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist der Magnet, der an der Düse montiert ist, ein ringförmiger Magnet, der in der radialen Richtung magnetisiert ist.
• Der an der Düse montierte Magnet kann in Umfangsrichtung in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt sein, und ein nicht-magnetisierbares Material ist in Umfangsrichtung zwischen die jeweiligen Magnetabschnitte dazwischengesetzt.
• Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen; die Zeichnungen zeigen in:
• Fig. 1 eine teilweise Vertikalschnittansicht des herkömmlichen Schaltgerätes;
• Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1;
• Fig. 3 eine teilweise Vertikalschnittansicht eines Schaltgerätes der Erfindung in dem Zustand mit offenen Kontakten;
• Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Querschnittsansicht, aber zur Erläuterung des Querschnittes des Magneten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und in
• Fig. 5 eine der Fig. 4 ähnliche Ansicht, aber zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung.
• In Fig. 3 bezeichnen die Bezugszeichen 1 bis 10 gleiche oder ähnliche Komponenten wie bei dem herkömmlichen Gerät.
• Das Bezugszeichen 44 bezeichnet einen stabförmigen oder rohrförmigen Halter aus einem nicht-magnetisierbaren Material, der außerhalb des ortsfesten Kontaktes 2 angeordnet und an seinem einen Ende an der ersten Anschlußplatte angebracht ist. Das Bezugszeichen 45 bezeichnet einen zweiten Magneten, der an dem Endbereich des Halters 44 angebracht ist. Φ1 bezeichnet ein von dem ersten Magneten 8 erzeugtes erstes Magnetfeld, und Φ2 bezeichnet einen von dem zweiten Magneten 45 erzeugten Magnetfluß.
• Der erste Magnetfluß Φ1, der von dem ringförmigen ersten Magneten 8 erzeugt wird, der in der Axialrichtung magnetisiert und an der Düse 7 angebracht ist, und der zweite Magnetfluß Φ2, der von dem ringförmigen zweiten Magneten 45 erzeugt wird, der in der Axialrichtung magnetisiert und an dem Halter 44 angebracht ist, haben die Wirkung, den Magnetfluß in der Radialrichtung an der Öffnung 9a der Gasspeicherkammer 9 zu verstärken.
• Wenn der Lichtbogen 10 über den ortsfesten Kontakt 2 und den beweglichen Kontakt 3 gezogen ist, kreuzt der Lichtbogen 10 den oben genannten Magnetfluß (Φ1 + Φ2), der durch seine beiden Komponenten intensiviert ist. Daher unterliegt der Lichtbogen einer starken Antriebskraft in der Umfangsrichtung durch den intensivierten Magnetfluß (Φ1 + Φ2), so daß er in der Radialrichtung ausgedehnt wird, mit der Folge, daß der Gasdruck innerhalb der Gasspeicherkammer 9 durch die Heizwirkung des Lichtbogens oder des isolierenden Lichtbogenlöschgases erhöht wird, und die Blaswirkung des isolierenden Lichtbogenlöschgases, dessen Druck dadurch erhöht ist, gegen den Lichtbogen wird verstärkt, um die Lichtbogenlöschfähigkeit zu verbessern. Ferner kann eine ähnliche vorteilhafte Wirkung durch Magnetisieren des ersten und des zweiten Magneten 8 und 45 in der radialen Richtung erzielt werden.
• Obwohl das magnetisierbare Material für den Magneten beispielsweise aus Ferrit-Metallen, Alnico-Metallen, Samarium- Seltenerdmetallen und Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterialien bestehen kann, bietet ein Magnet mit einer starken Magnetkraft eine größere Lichtbogenlöschfähigkeit.
• Wie in der EP-A-248677 dargelegt, kann die Öffnung der Gasspeicherkammer, die durch den unteren Bereich der Isolierdüse 7 gebildet wird, mit einer konischen Form ausgebildet sein, die zu der Gasspeicherkammer 9 hin mit einem Winkel divergiert, der relativ zu ihrer Achse gleich 80º oder kleiner als 80º ist. Auch wenn daher der Strom groß ist, gibt es keinen Stagnierungspunkt wie bei der herkömmlichen Anordnung, und wenn der Lichtbogen weit in radialer Richtung getrieben wird, so wird der Lichtbogen sogar noch weiter von dem Permanentmagneten entfernt, so daß die Antriebskraft reduziert wird und der Lichtbogen nicht unnötig tief in die Speicherkammer 9 eindringt, mit der Folge, daß ein lokalisiertes Aufheizen des Gases verhindert wird. Weiterhin kann beim Blasen des Gases aus der Speicherkammer 9 die Strömung des Gases ohne Widerstand geführt werden, was zu einem stabilen Lichtbogenlöschverhalten bei großen Strömen führt.
• Wenn ferner der Stromwert klein ist, während gleichzeitig die Antriebskraft gleich der einer herkömmlichen Konstruktion ist, wird der Lichtbogen, da die Speicherkammeröffnung konisch ist, in das Innere der Gasspeicherkammer 9 getrieben. Daher ist die Wirkung der Gasdruckerhöhung innerhalb der Speicherkammer 9 größer als bei der einer herkömmlichen Konstruktion, was ein stabiles Lichtbogenlöschverhalten ergibt.
• Wenn der Permanentmagnet ringförmig ist, wird ein magnetisches Wechselfeld in dem Permanentmagneten von dem Strom erzeugt, der durch die Kontakte 2 und 3 fließt, wenn die Kontakte geschlossen sind, und bei einem elektrisch leitfähigen Magneten, wie zum Beispiel einem Alnico-Magneten, wird der Magnet von einem Wirbelstrom erhitzt und verschlechtert. Wenn jedoch der Magnet aus einem mit elektrischem Widerstand behafteten Material besteht, wie zum Beispiel einem Seltenerdmetall-Magnetmaterial, fließt kein Wirbelstrom und es treten keine Erhitzung und keine Verschlechterung auf. Außerdem kann die Gestalt in jeder gewünschten Konfiguration ausgeführt sein.
• Wie oben erläutert, ist die Wirkung des Permanentmagneten ausreichend für Fälle in einem Bereich von einem kleinen Strom bis zu einem großen Strom, und somit kann ein Schaltgerät mit einfacher Konstruktion bereitgestellt werden, bei dem zusätzliche Lichtbogenlöschmechanismen, wie zum Beispiel ein Blasmechanismus oder ein Unterdruck-Blasmechanismus zum Unterstützen der selbstlöschenden Eigenschaften, nicht erforderlich sind.
• In Fig. 4 und 5 bezeichnen die Bezugszeichen 56, 57, 58 und 59 eine Vielzahl von Segmenten, die Teile eines Magneten 60 oder 61 bilden und an der Düse 7 montiert sind, wobei die Anzahl der Segmente bei dieser Ausführungsform vier ist; das Bezugszeichen 62 bezeichnet einen Abstandshalter, der aus einem nicht-magnetisierbaren Material besteht und zwischen die jeweiligen Magnetsegmente 56 bis 59 dazwischengesetzt ist.
• Während der Magnetfluß in Umfangsrichtung, der durch den Strom eines Lichtbogens mit großem Strom oder während des Stromführens erzeugt wird, sich in dem Magneten konzentriert, der einen kleinen magnetischen Widerstand hat, und die Anzahl der Magnetflüsse erhöht, ist es so, daß wegen der Tatsache, daß der Magnet des Schaltgerätes gemäß der Erfindung den vorstehend beschriebenen Aufbau hat und daß die in Umfangsrichtung unterteilten Magnetsegmente in der Düse angeordnet sind, die aus einem nicht-magnetisierbaren Material besteht, wie zum Beispiel aus Polytetrafluoräthylen, so daß die Segmente nicht miteinander in Kontakt stehen, wie es in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, der magnetische Widerstand in der Umfangsrichtung erhöht ist. Dadurch wird der wert oder die Stärke des Magnetflusses, der durch den Wechselstrom erzeugt wird und der durch den Magneten 61 hindurchgeht, reduziert. Somit werden Wirbelstromverluste reduziert und ein Aufheizen des Magneten verringert, so daß eine stabile Lichtbogenlöschfähigkeit erzielt werden kann, und zwar aufgrund der stabilen Magnetkraft und der langen Lebensdauer des Magneten.
• Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die in Umfangsrichtung geteilten Magnetbereiche 56 bis 59 in die Düse 7 eingebettet, so daß sie nicht miteinander in Kontakt stehen. Es kann jedoch auch ein Abstandshalter 62 fest zwischen den jeweiligen in Umfangsrichtung geteilten Magnetsegmenten 56 bis 59 dazwischengesetzt sein, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5, was ebenfalls eine vorteilhafte Wirkung ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ergibt.
• Das Material für den Abstandshalter 62 kann ein fester Körper aus einem Metall oder auch ein Gas, wie zum Beispiel ein Luftspalt sein, solange es sich dabei um ein nicht-magnetisierbares Material handelt. Diese Materialien können auch miteinander kombiniert sein.

Claims (4)

1. Schaltgerät, das in einem Lichtbogenlöschgas enthaltenden Gehäuse folgendes aufweist:

- einen ortsfesten Kontakt (2);

- einen beweglichen Kontakt (3), der fähig ist, mit dem ortsfesten Kontakt in Kontakt zu gelangen und sich von diesem zu trennen, wobei der bewegliche Kontakt und der ortsfeste Kontakt zwischen einander einen Lichtbogenbereich bilden, in dem ein elektrischer Lichtbogen (10) erzeugt wird, wenn die Kontakte getrennt werden;

- eine Einrichtung, die eine Gasspeicherkammer (9) um den ortsfesten Kontakt herum bildet und die mit dem Lichtbogenbereich in Verbindung steht, um das Lichtbogenlöschgas, dessen Druck durch die von dem Lichtbogen erzeugte wärme erhöht ist, zu speichern;

- eine Isolierdüse (7), die an der Gasspeicherkammer angebracht ist und eine Öffnung bildet, durch die sich der bewegliche Kontakt in beweglicher weise erstreckt und durch die das Lichtbogenlöschgas strömt; und

- Magneteinrichtungen (8, 45), die ein Magnetfeld in der Öffnung der Gasspeicherkammer erzeugen, um den elektrischen Lichtbogen, der bei der Stromunterbrechung zwischen dem ortsfesten Kontakt und dem beweglichen Kontakt erzeugt wird, zu drehen und zu verlängern;

dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtungen einen ersten an der Düse angebrachten Ringmagneten (8) und einen zweiten außerhalb des ortsfesten Kontakts in der Gasspeicherkammer angeordneten Ringmagneten (45) aufweisen.

2. Schaltgerät nach Anspruch 1, wobei die Magneteinrichtungen einen ersten an der Düse angebrachten Ringmagneten und einen zweiten, innerhalb des ortsfesten Kontakts in der Gasspeicherkammer angeordneten Ringmagneten aufweisen.

3. Schaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Isolierdüse eine glatte innere Übergangsoberfläche bildet, die die Gasspeicherkammer mit der Öffnung verbindet, um eine gleichmäßige Strömung des unter Druck stehenden Lichtbogenlöschgases durch die Öffnung zu ermöglichen.

4. Schaltgerät nach Anspruch 3, wobei die innere Übergangsoberfläche der Isolierdüse eine verjüngte Oberfläche ist, die von der Gasspeicherkammer zu der Öffnung konvergiert.