DE60029919T2

DE60029919T2 - Pol für einen elektrischen leistungsschalter, der eine lichtbogenlöschkammer mit dielektrischen abschirmungen umfasst

Info

Publication number: DE60029919T2
Application number: DE60029919T
Authority: DE
Inventors: Laurent 38050 Grenoble Aureyre; Jeremy 38050 Grenoble Dorn; Lucas 38050 Grenoble Pellegrin; Marc 38050 Grenoble Rival
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2020-12-08
Also published as: JP2001216881A; EP1115132B1; FR2803686A1; US6348666B2; CN1304149A; JP4493859B2; ES2267482T3; US20010007318A1; EP1115132A1; DE60029919D1; FR2803686B1; CN1187774C

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtbogenlöschkammer für einen Niederspannungs-Leistungsschalter mit hohem Nennstrom.
In der Druckschrift EP 0 306 382 wird ein Mehrpol-Leistungsschalter mit Isolierstoffgehäuse beschrieben, in dem ein mit einer Schaltwelle gekoppelter Schaltmechanismus angeordnet ist, der die Aus- und Einschaltung aller Pole des Leistungsschalters gewährleistet. Jeder Pol umfasst ein feststehendes Kontaktstück, ein bewegliches Kontaktstück und eine Lichtbogenlöschkammer. Das feststehende Kontaktstück umfasst einen leitenden, feststehenden Stromzuführungsanschluss, der am Boden des Gehäuses aufliegt, feststehende Hauptkontakte und einen feststehenden Lichtbogenkontakt. Der feststehende Anschluss ist frontseitig ausgeführt. Anders ausgedrückt, besteht er aus einer mehr oder weniger rechteckigen Metallschiene, die den über sie fließenden Strom nicht zur einer gekrümmten Bahn zwingt und daher jegliche Wirkung einer elektromagnetischen Stromschleife auf den bei der Abschaltung entstehenden Lichtbogen verhindert. Das bewegliche Kontaktstück umfasst einen leitenden feststehenden Stromzuführungsanschluss, der ebenfalls am Boden des Gehäuses aufliegt, sowie ein Kontaktsystem mit mehreren identischen Hauptkontakten, die in zwei Gruppen mit gleicher Anzahl zu beiden Seiten eines beweglichen Lichtbogenkontakts angeordnet sind, welcher sich in Längsrichtung in der Mittelachse des Pols erstreckt. Der Lichtbogenkontakt ragt in die Lichtbogenlöschkammer hinein und erlaubt so den Eintritt des Lichtbogens in die Löschkammer. Die Lichtbogenlöschkammer ist oberhalb des ersten Anschlusses angeordnet und umfasst Seitenwände, an denen ein Stapel von aus Lichtbogenlöschblechen bestehenden Trennstegen befestigt sind, wobei in jedem Blech ein V-förmiger Ausschnitt ausgebildet ist. Ein unteres Lichtbogenhorn und ein oberes Lichtbogenhorn umgreifen den Löschblechstapel der Lichtbogenlöschkammer. Das obere Lichtbogenhorn umfasst zwei seitliche Ansätze, die in Richtung des feststehenden Kontaktstücks umbogen sind und den oberen Eintrittsbereich der Löschkammer teilweise überdecken. In der Trennzone der Kontakte, in der Verlängerung jeder der beiden Seitenwände ist je eine seitliche Wange zur Lichtbogenführung ausgebildet. Die beiden Wangen stehen aus der Ebene der jeweiligen Seitenwände hervor und sind einander zugewandt. Die Wangen sind annähernd trapezförmig ausgebildet und im unteren Bereich der Löschkammer in der Nähe des feststehenden Kontaktstücks angeordnet. Sie begrenzen im unteren Bereich, in der Nähe des unteren Lichtbogenhorns die Zugangsöffnung zur Löschkammer. Beim Öffnen der Kontakte erlauben die Führungswangen eine Zentrierung des Lichtbogenfußpunkts längs des unteren Lichtbogenhorns.
Eine solche Lichtbogenlöschkammer eignet sich besonders gut für Leistungsschalter mit einem hohem Nennstrom von etwa 3000 A, der verhältnismäßig geringe Ströme von etwa dem fünf- bis zehnfachen Nennstrom bei einer verhältnismäßig hohen Spannung von etwa 600 V einphasig abschalten muss. Sie ist jedoch nicht gut geeignet für die Abschaltung sehr hoher Fehlerströme im Bereich von 100 kA bei einer mittleren Spannung von 480 V. Bei sehr hohen Abschaltströmen ist nämlich der Durchmesser des Lichtbogenquerschnitts sehr groß, so dass der Lichtbogen praktisch von Anfang an auf sämtlichen Kontaktfingern abbrennt und sofort das gesamte verfügbare Volumen der Löschkammer ausfüllt. Die Löschkammer ist dadurch einem sehr hohen Druck und einer sehr hohen Temperatur ausgesetzt. Dabei verstärkt die Gasabgabe der Wangen diesen Druck noch weiter. Die Anordnung der Wangen und des oberen Lichtbogenhorns trägt jedoch dazu bei, die Eintrittsöffnung der Löschkammer zu verringern, so das es zu einer Verzögerung beim Druckausgleich im Gehäuse des Schaltgeräts kommt, wodurch der Schalter explodieren kann.
Aus der US-amerikanischen Patentschrift US 4 650 938 ist darüber hinaus eine Lichtbogenlöschkammer für Leistungsschalter bekannt, die Trennstege zur Anordnung in der Nähe der Kontakte sowie zwei Seitenwände umfasst, die zu beiden Seiten einer in Längsrichtung verlaufenden Mittelebene angeordnet sind und dazu dienen, die Trennstege zu tragen. In jeder Seitenwand ist ein länglicher Steg ausgebildet, der in Richtung der gegenüberliegenden Seitenwand heraussteht. Die beiden Stege erstrecken sich über die gesamte Höhe der Lichtbogenlöschkammer, senkrecht zu den Trennstegen, und sind einander zugewandt. Sie sind zwischen den Trennstegen und den Kontaktstücken angeordnet, derart dass die Breite der Eintrittsöffnung der Lichtbogenlöschkammer über die gesamte Höhe der Löschkammer gleichmäßig eingeschränkt wird. Bei der Öffnung der Kontakte verändern diese Stege die Gasströmung in der Löschkammer und schützen den Bereich der die Trennstege tragenden Seitenwände vor heißen Gasen. Eine solche Ausführung eignet sich für einen Leistungsschalter mit niedrigen Betriebsanforderungen, um die Beschädigung der Seitenwände durch heiße Gase zu verhindern. Sie erlaubt jedoch keine vollständige Ausnutzung des Volumens der Lichtbogenlöschkammer zur Kühlung der Gase. Die zur Ableitung der Energie eines Lichtbogens bestimmter Leistung erforderlichen Abmessungen sind daher größer. Darüber hinaus erfordert ein Leistungsschalter dieses Typs Vorkehrungen zur Erleichterung des Lichtbogeneintritts in die Löschkammer und insbesondere eine U-förmige Führung des feststehenden Kontaktstücks unter der Unterseite des Lichtbogenlöschkammer, um eine elektromagnetische Schleifenwirkung zu erzielen, die den Eintritt des Lichtbogens in die Löschkammer begünstigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten eines mit einem oberen Lichtbogenhorn ausgestatteten Niederspannungs-Mehrpolleistungsschalters mit hohem Nennstrom zu verbessern. Sie hat insbesondere zur Aufgabe, die Abschaltung von Lichtbögen mit großem Durchmesser zu ermöglichen, die durch sehr hohe Fehlerströme bei mittleren Spannungen erzeugt werden, sowie gleichzeitig die Gefahr einer Explosion der Löschkammer zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Pol für einen elektrischen Leistungsschalter erfüllt, der ein Gehäuse und einen Schaltmechanismus umfasst, der von einer Einschaltstellung in eine Ausschaltstellung übergehen kann, wobei der genannte Pol

– ein feststehendes Kontaktstück mit einer Kontaktzone,
– ein bewegliches Kontaktstück, das an den genannten Schaltmechanismus angekoppelt werden und von einer Einschaltstellung, in der eine elektrische Kontaktverbindung zwischen dem beweglichen Kontaktstück und der Kontaktzone des feststehenden Kontaktstücks besteht, in eine Ausschaltstellung übergehen kann, in der die beiden Kontaktstücke getrennt sind,
– sowie eine Lichtbogenlöschkammer mit
– zwei Isolierstoffseitenwänden, die in gleichem Abstand von einer Längsmittelebene der Löschkammer parallel zueinander angeordnet sind,
– Trennstegen, die von einer der Seitenwände zur anderen, annähernd senkrecht zur Längsmittelebene verlaufen,
– einer vorderen Öffnung, die in der Nähe der Kontaktzone des feststehenden Kontaktstücks angeordnet ist,
– einem unteren Lichtbogenhorn aus einem Leiterwerkstoff, der elektrisch mit dem feststehenden Kontaktstück verbunden ist,
– einem oberen Lichtbogenhorn aus einem Leiterwerkstoff, wobei die Trennstege zwischen dem unteren Lichtbogenhorn und dem oberen Lichtbogenhorn angeordnet sind,
– zwei seitlichen dielektrischen Abschirmungen umfasst, die in Richtung der Mittelebene hervorstehen und die vordere Öffnung der Löschkammer seitlich begrenzen,

– jede seitliche dielektrische Abschirmung so angeordnet ist, dass sie in der Ausschaltstellung seitlich zwischen die Trennstege und das bewegliche Kontaktstück ragt, und dass
– die zwei seitlichen dielektrischen Abschirmungen so angeordnet sind, dass die senkrecht zur Längsmittelebene gemessene Öffnungsweite der Lichtbogenlöschkammer in der Nähe des oberen Lichtbogenhorns deutlich kleiner ist als in der Nähe des unteren Lichtbogenhorns.

Die Lichtbogenhörner tragen dazu bei, den Eintritt des Lichtbogens in die Löschkammer zu gewährleisten, sobald der Kopf des Hauptlichtbogens auf das obere Lichtbogenhorn umspringt, und zwar selbst dann, wenn die Anschlüsse fontseitig ausgeführt sind und der Lichtbogen keiner elektromagnetischen Schleifenwirkung ausgesetzt ist. Die dielektrischen Abschirmungen ihrerseits erlauben in der Ausschaltstellung eine Längung sowie eine Krümmung des Lichtbogens zwischen dem beweglichen Kontakt und den Trennstegen, derart dass sie das Umspringen des Lichtbogens auf das obere Lichtbogenhorn begünstigen. Durch die Verjüngung der dielektrischen Abschirmungen im unteren Bereich der Löschkammer, in der Nähe des feststehenden Kontaktstücks, lässt sich eine breite Öffnung des Löschkammereingangs erzielen, wodurch der Druckausgleich zwischen der Löschkammer und dem vorderen Polraum begünstigt wird. Ein schneller Druckanstieg in der Löschkammer würde nämlich den Eintritt und das Halten des Lichtbogens in der Löschkammer stark beeinträchtigen. Außerdem könnte er die Explosion der Löschkammer zur Folge haben. Die Kombination der entsprechend geformten dielektrischen Abschirmungen mit den Lichtbogenhörnern begünstigen die Längung des Lichtbogens in der Löschkammer bei gleichzeitiger Druckkontrolle.
Das obere Lichtbogenhorn umfasst vorzugsweise ein freies Ende, das in der Ausschaltstellung in der Nähe des beweglichen Kontaktstücks angeordnet ist und zwischen die Trennstege und das in der Ausschaltstellung stehende bewegliche Kontaktstück ragt. Der obere Abschnitt jeder seitlichen dielektrischen Abschirmung ragt zwischen die Trennstege und das freie Ende des oberen Lichtbogenhorns. Diese Anordnung des oberen Lichtbogenhorns erlaubt ein optimales Umspringen des Lichtbogens auf das obere Lichtbogenhorn. Die dielektrischen Abschirmungen stellen ein Hindernis für den Lichtbogen dar. Der Lichtbogen ist gezwungen, die Abschirmungen zu umgehen, um zu den Trennstegen zu gelangen, wodurch sich seine Längung erzielen lässt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung bestehen die seitlichen dielektrischen Abschirmungen aus einem wenig gasenden Material, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen oder einem Polyamid 6.6 oder 4.6 mit hohem Füllstoffanteil. Auf diese Weise tragen die Abschirmungen nicht zu einer Druckerhöhung in der Löschkammer bei. Außerdem erzeugen sie keinen Gasstrom, der den Eintritt des Lichtbogens in die Löschkammer behindern könnte.
Nach einer Ausgestaltung umfasst jede dielektrische Abschirmung einen oberen Teil, sowie einen im Vergleich zu diesem wesentlich schmaleren unteren Teil. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den unteren Teil ganz wegzulassen.
Nach einer Ausgestaltung umfasst jede dielektrische Abschirmung einen vorderen Abschnitt, wobei die vorderen Abschnitte der beiden dielektrischen Abschirmungen die Kontaktzone zumindest teilweise umgreifen. Die vorderen Abschnitte der Abschirmungen wirken als Schutzblende für die Seitenwand des Pols.
Zum besseren Verständnis ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine Ansicht eines Pols eines Schaltgeräts nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung mit einer Schnittdarstellung gemäß einer Längsmittelebene einer Lichtbogenlöschkammer dieses Pols,
2 eine explodierte Ansicht eines Teils des Pols aus 1 mit insbesondere der Darstellung der Lichtbogenlöschkammer,
3 eine Draufsicht des Pols aus 1,
4 Kennlinien mit dem Verlauf des Stroms und der Lichtbogenspannung in Abhängigkeit von der Zeit bei einem erfindungsgemäßen Leistungsschalter sowie bei zwei anderen Leistungsschaltern zum Vergleich,
5 Kennlinien mit dem Verlauf des Drucks in Abhängigkeit von der Zeit bei einem erfindungsgemäßen Leistungsschalter sowie bei zwei weiteren Leistungsschaltern zum Vergleich.
Die 1 bis 3 zeigen einen Niederspannungs-Mehrpolleistungsschalter 10 mit einem Isolierstoffgehäuse 12, in dem ein Schaltmechanismus 14 bekannter Art angeordnet ist, der eine quer angeordnete, allen Polen gemeinsam zugeordnete und in Lagern, die im Gehäuse 12 ausgebildet sind, drehbar gelagerte Schaltwelle 16 umfasst. Jeder Pol umfasst ein feststehendes Kontaktstück 20, ein bewegliches Kontaktstück 22 und eine, in der Nähe des feststehenden Kontaktstücks 20 angeordnete Lichtbogenlöschkammer 24.
Das feststehende Kontaktstück 20 umfasst einen Stromzuführungsanschluss 26, der am Boden des Gehäuses 12, teilweise unterhalb der Lichtbogenlöschkammer 24 befestigt ist. Das feststehende Kontaktstück 20 umfasst darüber hinaus zwei direkt am Stromzuführungsanschluss 26 befestigte Hauptkontaktstege 28 (siehe 2) sowie einen mittig angeordneten Lichtbogenkontakt 30, welcher auf einer Metallplatte 32 angebracht ist, die aus den feststehenden Kontaktstegen 28 hervorsteht. Die Metallplatte 32 ist in einem Zwischenbereich zwischen den beiden Stegen 28 und der Löschkammer 24 am Stromzuführungsanschluss 26 befestigt. Sie wird in Richtung des Innenraums der Löschkammer 24 durch ein leitendes unteres Lichtbogenhorn 34 verlängert. Der Stromzuführungsanschluss 26, die Stege 28, der Lichtbogenkontakt 30 und das Lichtbogenhorn 34 bestehen aus unterschiedlichen metallischen Leiterwerkstoffen und liegen auf gleichem Potential. Der Lichtbogenkontakt 30 und die Stege 28 bilden zusammen eine Kontaktzone 36, die dazu dient, die elektrische Kontaktverbindung mit dem beweglichen Kontaktstück 22 zu gewährleisten.
Das bewegliche Kontaktstück 22 umfasst seinerseits einen feststehenden Stromzuführungsanschluss 40, einen auf einer ortsfest zum Gehäuse 12 ausgebildeten Achse 44 schwenkbar gelagerten Trägerkäfig 42 sowie mehrere Hauptkontaktfinger 46 (siehe 3), die zu beiden Seiten eines mittig angeordneten Lichtbogenkontaktfingers 48 angeordnet sind. Die Kontaktfinger 46, 48 verschwenken um eine gemeinsame, in Bezug zum Trägerkäfig 42 ortsfeste geometrische Achse 50 und werden durch Kontaktdruckfedern 52 in Richtung des feststehenden Kontaktstücks beaufschlagt. Eine Koppelstange 54 dient zur Verbindung des Trägerkäfigs 42 des beweglichen Kontaktstücks 22 mit einem Hebel 56 der Schaltwelle 16 des Schaltmechanismus' 14. Jeder Hauptkontaktfinger 46 umfasst ein Kontaktplättchen 58, das dazu dient, in der Einschaltstellung des Schaltgeräts gemäß 1 die elektrische Kontaktverbindung mit dem zugehörigen Kontaktsteg 28 des feststehenden Kontaktstücks 20 zu gewährleisten, sowie einen aus dem Kontaktplättchen in Richtung der Lichtbogenlöschkammer 24 hervorstehenden Vorsprung 60. Der Lichtbogenkontaktfinger umfasst seinerseits einen beweglichen Lichtbogenkontakt 62, der dazu dient, in der Einschaltstellung des Schaltgeräts gemäß 1 die elektrische Kontaktverbindung mit dem zugehörigen feststehenden Lichtbogenkontakt 30 des feststehenden Kontaktstücks 20 zu gewährleisten, sowie einen aus dem Kontaktplättchen in Richtung der Lichtbogenlöschkammer 24 hervorstehenden Vorsprung 64, der die gleiche Form aufweist, wie die Vorsprünge 60. Die Kontaktfinger 46, 48 sind über flexible Leitungsbänder 49 mit dem Stromzuführungsanschluss 40 elektrisch verbunden.
Die Lichtbogenlöschkammer 24 umfasst zwei Isolierstoffseitenwände 68, die parallel zur Schnittebene aus 1, in gleichem Abstand zu dieser Ebene verlaufen, derart dass die Schnittebene eine geometrische Längsmittelebene 70 der Löschkammer 24 und des Pols bildet. Im hinteren Bereich der Löschkammer ist senkrecht zu den Seitenwänden 68 eine Rückwand 72 zur Evakuierung der Löschgase angeordnet. In dieser Rückwand 72 sind eine oder mehrere Löschgas-Austrittsöffnungen 74 ausgebildet. In der Nähe der Kontaktzone 36 ist eine vordere Öffnung 76 ausgebildet, die der Rückwand 72 gegenüberliegt. Zwischen der vorderen Öffnung 76 und der Rückwand 72 sind senkrecht zur Längsmittelebene 70 verlaufende, aus ebenen Metallplatten bestehende Trennstege 78 angeordnet. Der relative Abstand zwischen den einzelnen Trennstegen 78 ist so bemessen, dass eine Gasströmung zwischen der vorderen Öffnung 76 und der Rückwand 76 stattfinden kann. Die Trennstege werden seitlich durch die Seitenwände 68 gehalten. An jeder Platte 78 ist eine vordere Kante 80 zum Auffangen des Lichtbogens ausgebildet, die annähernd in der Ebene der Platte U- oder V-förmig ausgebildet ist und einen schmaleren, unsymmetrisch angeordneten Ausschnitt 82 aufweist. Die Trennstege 78 sind so zu einem Stapel zusammengesetzt, dass sich eine abwechselnde Anordnung der Aussparungen 82 auf der einen und der anderen Seite der Lichtbogenlöschkammer 24 ergibt.
Das untere Lichtbogenhorn 34, das dazu dient, den Lichtbogenfußpunkt aufzunehmen, wenn sich der Lichtbogen vom feststehenden Lichtbogenkontakt 30 in den Innenraum der Lichtbogenlöschkammer 24 ausbreitet, umfasst einen im Inneren der Löschkammer angeordneten hinteren Abschnitt 84 sowie einen Zwischenabschnitt 85, der den hinteren Abschnitt mit dem feststehenden Lichtbogenkontakt 30 verbindet. Die Breite des hinteren Abschnitts 84, d.h. seine in einer senkrecht zur Längsmittelebene 70 der Löschkammer liegenden Achse gemessene größte Abmessung ist im Vergleich zum schmaleren Zwischenabschnitt 85 groß dimensioniert. Der hintere Abschnitt 84 umfasst zwei seitliche Flächen, die Aufnahmeflächen 86 für den Fußpunkt eines sich in der Löschkammer 24 ausbreitenden Lichtbogens darstellen.
Das untere Lichtbogenhorn 34 ist an einem Boden befestigt, der aus einer Isolierstoffplatte 90, im vorliegenden Fall aus einem Polyamid 6.6 mit 30%igem Glasfaseranteil besteht. Der nicht vom Lichtbogenhorn überdeckte Teil der Bodenplatte 90 erstreckt sich bis zu den Seitenwänden 68 und zur Rückwand 72. Er weist einen Absatz 92 auf, der eine Schulter bildet, welche in die Lichtbogenlöschkammer hineinragt und bündig mit dem Außenrand des hinteren Abschnitts 84 des Lichtbogenhorns abschließt.
Ein oberes Lichtbogenhorn 96, das dazu dient, den Lichtbogenkopf aufzunehmen, wenn dieser den Lichtbogenkontaktfinger 48 verlässt, besteht aus einer Metallplatte, die senkrecht zur Längsmittelebene 70 angeordnet und an den Seitenwänden befestigt ist. Das obere Lichtbogenhorn 96 verläuft in seinem hinteren Abschnitt annähernd parallel zu den Trennstegen 78 und weist im vorderen Abschnitt einen Überstand 98 auf, der den oberen Teil der Löschkammer teilweise umschließt und zwischen die Vorderkanten der im oberen Bereich der Löschkammer angeordneten Trennstege 78 und die Außenseite der Löschkammer ragt. Am Überstand 98 ist eine Seite 99 ausgebildet, die in der Ausschaltstellung des beweglichen Kontaktstücks (in 1 gestrichelt dargestellt) in unmittelbarer Nähe der Vorsprünge 60, 64 der Kontaktfinger 46, 48 angeordnet ist.
Zwei in Bezug zur Längsmittelebene symmetrisch angeordnete seitliche dielektrische Abschirmungen 100 begrenzen die vordere Öffnung der Löschkammer. Die dielektrischen Abschirmungen 100 bestehen aus einer nicht oder nur wenig gasenden Isolierstoffplatte, vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) oder Polyamid 6.6 oder 4.6 mit hohem Füllstoffanteil oder auch aus einem Duroplast oder einem Polyester. Jede dielektrische Abschirmung umfasst einen flachen vorderen Abschnitt, der in der Verlängerung der Seitenwände der Löschkammer außerhalb der Kammer verläuft, sowie einen hinteren Abschnitt, der zur Löschkammer und zur Mittelebene hin gebogen ist und sich an das Profil der Trennwände anschmiegt. Die vorderen Abschnitte der beiden dielektrischen Abschirmungen 100 bilden zu beiden Seiten der feststehenden Kontaktstege angeordnete Wangen, die sich über eine ausreichende Höhe erstrecken, um zu gewährleisten, dass die Kontaktplättchen 58 in der Ausschaltstellung des Leistungsschalters ebenfalls zwischen den Wangen liegen. Der hintere Abschnitt jeder dielektrischen Abschirmung umfasst seinerseits einen oberen Teil, der verhältnismäßig tief in die Löschkammer hineinragt, sowie einen, schmaleren unteren Teil. Der der Lichtbogenlöschkammer 24 zugewandte Rand 102 der dielektrischen Abschirmungen 100 hat einen schrägen Verlauf und bildet einen Ausschnitt im Eintrittsbereich 76 der Löschkammer. Anders ausgedrückt wird die Breite der Öffnung 76 der Löschkammer im unteren Bereich, in der Nähe des feststehenden Kontaktstücks leicht und die Breite der vorderen Öffnung 76 der Löschkammer im oberen Bereich, in der Nähe des oberen Lichtbogenhorns 96 stärker durch die dielektrischen Abschirmungen 100 verringert. Der obere Teil des hinteren Abschnitts der dielektrischen Abschirmungen 100 ragt zwischen den Überstand 98 des oberen Lichtbogenhorns 96 und die im oberen Bereich der Löschkammer angeordneten Trennstege 78.
Die Funktionsweise der Anordnung ist nachstehend beschrieben.
In der Einschaltstellung ist die Schaltwelle 16 durch den Schaltmechanismus 14 verriegelt und hält den Trägerkäfig 42 in der in 1 gezeigten Stellung. Die Federn 52 gewährleisten den Kontaktdruck zwischen den Kontaktplättchen 58 der Hauptkontaktfinger 46 und den Kontaktstegen 28 einerseits sowie zwischen dem Kontakt 62 des Lichtbogenkontaktfingers 48 und dem feststehenden Lichtbogenkontakt 30 andererseits.
Bei Auftreten eines sehr hohen Fehlerstroms mit einem Scheitelwert von über 100 kA bewirkt ein Auslöser die Freigabe des Schaltmechanismus' 14, der die Abschaltung herbeiführt. Durch die Drehung der Schaltwelle 16 verschwenkt der Trägerkäfig 42 um seine Drehachse 44. Die Hauptkontaktfinger 46 verschwenken durch Einwirkung der Kontaktdruckfedern 52, gemäß 1 im Gegenuhrzeigersinn geringfügig um die Drehachse 50, ohne jedoch die Kontaktverbindung mit den Kontaktstegen 28 zu unterbrechen. Anschließend gelangen sie an einen Anschlag des Trägerkäfigs 42 und werden vom Käfig 42 im Uhrzeigersinn drehwirksam um die Drehachse 44 mitgeführt, so dass sie sich von den Kontaktstegen 28 trennen. Die Bewegung des Lichtbogenkontaktfingers 48 ist vom Prinzip her ähnlich, erfolgt jedoch aufgrund der räumlich versetzten Anordnung der Kontaktstege 28 in Bezug zum feststehenden Lichtbogenkontakt 30 zeitlich verzögert. Wenn sich also die Hauptkontaktfinger 46 trennen, besteht immer noch die elektrische Kontaktverbindung zwischen dem Lichtbogenkontaktfinger 48 und dem feststehenden Lichtbogenkontakt 30. Der gesamte über die Anschlüsse 26, 40 fließende Strom wird dann über die Lichtbogenkontakte 30, 62 geführt. In einer zweiten Phase gelangt der Lichtbogenkontaktfinger 48 im Verlauf seiner Bewegung an einen Anschlag des Trägerkäfigs 42, der ihn zusammen mit dem Käfig 42 bei dessen Drehung um die Drehachse 44 im Uhrzeigersinn mitnimmt, derart dass es zur Trennung des Lichtbogenkontaktfingers 48 vom feststehenden Lichtbogenkontakt 30 kommt. Dadurch entsteht ein Lichtbogen nicht nur zwischen den Lichtbogenkontakten 30, sondern auch zwischen den Kontaktfingern 46 und den Kontaktstegen 28, da der Strom so hoch ist, dass die Oberfläche der Lichtbogenkontakte nicht ausreicht, um den Lichtbogen aufzunehmen. Es sei hier zur Information erwähnt, dass ein offener Lichtbogen einen Scheitelwert des Stroms von 104 A pro cm² Lichtbogenquerschnitt aufweist.
Wenn der Schaltmechanismus in die Ausschaltstellung gelangt, befinden sich die Kontaktfinger 46, 48 in der Nähe des Überstands 98 des oberen Lichtbogenhorns, gemäß der in Figur gestrichelt eingezeichneten Stellung. Der Lichtbogenkopf springt dann auf das obere Lichtbogenhorn 96 über, so dass ein Hauptlichtbogen zwischen dem oberen und dem unteren Lichtbogenhorn abbrennen kann, während sich Sekundärlichtbögen in Reihe zum Hauptlichtbogen zwischen der Seite 99 des Überstands 98 und den Vorsprüngen 60, 64 der Kontaktfinger 46, 48 bilden. Der obere Teil der dielektrischen Abschirmungen zwingt den Lichtbogen auf eine Umgehungsbahn, so dass der Hauptlichtbogen nach und nach auf dem oberen Lichtbogenhorn in Richtung des Löschkammerbodens wandert.
Der in die Löschkammer 24 eintretende Lichtbogen teilt sich beim Kontakt mit den Trennstegen 78 in mehrere Teillichtbögen auf, wobei jeder Teillichtbogen eine serielle elektrische Verbindung zwischen zwei aneinander grenzenden Trennstegen 78 oder zwischen dem jeweiligen Lichtbogenhorn 34, 96 und dem diesem gegenüberliegenden Trennsteg 78 darstellt.
Die Druckzunahme in der Löschkammer ist insbesondere aufgrund der großen Breite des unteren Bereichs des Löschkammereintritts, die einen Druckausgleich im gesamten Pol ermöglicht, nicht sehr hoch. Die Wahl eines wenig oder gar nicht gasenden Materials für die dielektrischen Abschirmungen trägt ebenfalls dazu bei, einen Druckanstieg in der Löschkammer zu vermeiden.
Es wurden Vergleichmessungen zwischen einem Leistungsschalter mit frontseitigen Anschlüssen und Lichtbogenhörnern, jedoch ohne dielektrische Abschirmung, einem Leistungsschalter mit Lichtbogenhörnern und dielektrischen Abschirmungen, welche die Breite der Löschkammer-Eintrittsöffnung von oben nach unten gleichmäßig verringern, und einem erfindungsgemäßen Leistungsschalter durchgeführt. In den 4 und 5 ist der Verlauf der Spannungen und Drücke während einer Abschaltvorgangs bei sehr hohem Fehlerstrom dargestellt. Die Kurve UR zeigt die Netzspannung.
Ohne dielektrische Abschirmungen bleibt der Lichtbogen in einer Schrägstellung zur Eintrittsöffnung der Löschkammer und brennt zwischen dem oberen und dem unteren Lichtbogenhorn ab. Die im oberen Abschnitt der Löschkammer angeordneten Trennstege bleiben vollkommen ungenutzt. Der Druck PA in der Lichtbogenlöschkammer ist gering. Die Lichtbogenspannung UA ist nicht hoch genug, um eine Neuzündung des Lichtbogens nach dem Stromnulldurchgang zu verhindern. Die Abschaltung schlägt fehl.
Begrenzen die dielektrischen Abschirmungen die Seitenbereiche des Löschkammereintritts gleichmäßig, steigt der Druck P_B in der Löschkammer sehr schnell an, bis er einen vom Produkt UI abhängigen Höchstwert erreicht. Dieser sehr hohe Druck entsteht hauptsächlich durch das Abbrennen des Materials im unteren Bereich der Löschkammer. Die Spannung U_B steigt sehr früh in der Löschkammer an und bleibt auf einem hohen Wert. Beim Stromnulldurchgang ist die Lichtbogenspannung U_B ausreichend hoch, um eine Neuzündung zu verhindern. Der Strom wird abgeschaltet. Allerdings erfordert der in der Löschkammer erreichte Höchstdruck eine beträchtliche Verstärkung der Löschkammerwände, um eine Explosion des Schalters zu verhindern. Außerdem ist der frühe Anstieg der Lichtbogenspannung U_B bei einem wenig strombegrenzenden Leistungsschalter nicht von Nutzen, da es im wesentlichen darauf ankommt, eine ausreichend hohe Lichtbogenspannung im Augenblick des Stromnulldurchgangs zur Verfügung zu haben.
Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters steigt der Druck P_C ebenfalls schnell an, stabilisiert sich aber früher auf einem im Vergleich zum vorherigen Beispiel niedrigeren Wert. Die Lichtbogenspannung U_C steigt weniger schnell an und erreicht ihren Höchstwert, wenn der begrenzte Strom bereits wieder zu sinken begonnen hat. Der Höchstwert ist jedoch mit dem Wert im vorhergehenden Beispiel identisch und nimmt bis zum Stromnulldurchgang nicht wieder ab, so dass der Lichtbogen in diesem Augenblick endgültig gelöscht wird.
Selbstverständlich sind verschiedene Ausführungsänderungen möglich, ohne dass dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde. Bei der beschriebenen Ausgestaltung bestehen die dielektrischen Abschirmungen aus einem wenig gasenden Material, so dass der Druckanstieg in der Löschkammer beherrscht wird. In bestimmten Fällen kann es jedoch von Nutzen sein, dielektrische Abschirmungen aus einem gasenden Material zu verwenden. Dabei muss ein Kompromiss zwischen dem Grenz-Ausschaltvermögen des Leistungsschalters und seinem Betriebsverhalten unter anderen Ausschaltbedingungen, insbesondere bei hohen Spannungen in Verbindung mit niedrigen Strömen gefunden werden.
Der ein Umspringen des Lichtbogens begünstigende Überstand 98 des oberen Lichtbogenhorns kann entfallen, wenn die von den beweglichen Kontaktfingern am Ende des Ausschalthubs erreichte Stellung günstig für eine direktes Überspringen des Lichtbogens auf das obere Lichtbogenhorn ist.
Bei der oben beschriebenen Ausgestaltung weisen die Abschirmungen einen vorderen Abschnitt auf, der wie eine Schutzwand zwischen der Kontaktzone, in welcher der Lichtbogen entsteht, und den Seitenwänden des Pols wirkt, welche die Kontaktzone umschließen. Dieser vordere Abschnitt kann gegebenenfalls entfallen, wenn die die Kontaktzone umschließenden Seitenwände des Pols eine ausreichend hohe Lichtbogenfestigkeit aufweisen.
Zur Erzielung der gewünschten Wirkung bei Abschaltung sehr hoher Strömen bei niedrigen Spannungen ist das Vorhandensein spezieller Lichtbogenkontakte, die tiefer in die Lichtbogenlöschkammer eindringen als die Hauptkontakte, nicht erforderlich. Eine solcher Aufbau wurde gewählt, um andere Kennwerte des Leistungsschalters insbesondere bezüglich der Abschaltung hoher Spannungen bei niedrigen Strömen zu gewährleisten. Die Erfindung ist darüber hinaus auch in einem Schaltgerät anwendbar, dessen bewegliches Kontaktstück nur einen Kontaktfinger umfasst.

Claims

Pol für einen elektrischen Leistungsschalter (10) mit einem Gehäuse (12) und einem Schaltmechanismus (14), der von einer Einschaltstellung in eine Ausschaltstellung übergehen kann, welcher Pol – ein feststehendes Kontaktstück (20) mit einer Kontaktzone (36), – ein bewegliches Kontaktstück (22), das an den genannten Schaltmechanismus angekoppelt werden und von einer Einschaltstellung, in der eine elektrische Kontaktverbindung zwischen dem beweglichen Kontaktstück und der Kontaktzone des feststehenden Kontaktstücks besteht, in eine Ausschaltstellung übergehen kann, in der die beiden Kontaktstücke getrennt sind, – und eine Lichtbogenlöschkammer (24) mit – zwei Isolierstoffseitenwänden (68), die in gleichem Abstand von einer Längsmittelebene (70) der Löschkammer parallel zueinander angeordnet sind, – Trennstegen (78), die von einer der Seitenwände bis zur anderen sowie annähernd senkrecht zur Längsmittelebene verlaufen, – einer vorderen Öffnung (76), die in der Nähe der Kontaktzone des feststehenden Kontaktstücks angeordnet ist, – einem unteren Lichtbogenhorn (34) aus einem Leiterwerkstoff, der elektrisch mit dem feststehenden Kontaktstück verbunden ist, – einem oberen Lichtbogenhorn (96) aus einem Leiterwerkstoff, wobei die Trennstege zwischen dem unteren Lichtbogenhorn und dem oberen Lichtbogenhorn angeordnet sind, – und zwei seitlichen dielektrischen Abschirmungen (100) umfasst, die in Richtung der Mittelebene hervorstehen und die vordere Öffnung der Löschkammer seitlich begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass – jede seitliche dielektrische Abschirmung (100) so angeordnet ist, dass sie in der Ausschaltstellung seitlich zwischen die Trennstege und das bewegliche Kontaktstück ragt, und dass – die zwei seitlichen dielektrischen Abschirmungen (100) so angeordnet sind, dass die senkrecht zur Längsmittelebene gemessene Öffnungsweite der Lichtbogenlöschkammer in der Nähe des oberen Lichtbogenhorns deutlich kleiner ist als in der Nähe des unteren Lichtbogenhorns.
Pol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das obere Lichtbogenhorn (96) ein freies Ende (98) umfasst, das in der Ausschaltstellung in der Nähe des beweglichen Kontaktstücks angeordnet ist und zwischen die Trennstege und das in der Ausschaltstellung stehende bewegliche Kontaktstück ragt, – der obere Teil jeder seitlichen dielektrischen Abschirmung zwischen die Trennstege (78) und das freie Ende (98) des oberen Lichtbogenhorns (96) ragt.
Pol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die seitlichen dielektrischen Abschirmungen (100) aus einem wenig gasenden Material, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen oder einem Polyamid 6.6 oder 4.6 mit hohem Füllstoffanteil bestehen.
Pol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede dielektrische Abschirmung (100) einen oberen Teil sowie einen im Vergleich zu diesem wesentlich schmaleren unteren Teil umfasst.
Pol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede dielektrische Abschirmung einen vorderen Abschnitt umfasst, wobei die vorderen Abschnitte der beiden dielektrischen Abschirmungen die Kontaktzone (36) zumindest teilweise umgreifen.