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Die
Erfindung betrifft einen strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalter.
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In
der Druckschrift
US 5 694 098 ist
ein strombegrenzender Leistungsschalter beschrieben, dessen Pole
ein feststehendes Schaltstück
und ein am Eingang einer Lichtbogenlöschkammer angeordnetes bewegliches
Schaltstück
umfassen. Die Schaltstücke
werden seitlich von den Schenkeln eines U-förmigen Magnetkreises umrahmt,
der dazu dient, ein magnetisches Feld zu erzeugen, dessen Wirkung
darauf gerichtet ist, das stromdurchflossene bewegliche Schaltstück in eine
Trennstellung zu überführen. Zwischen
dem U-förmigen Magnetkreis und
den Schaltstücken
ist eine Isolierstoffabschirmung angeordnet. Die Seitenwände der
Isolierstoffabschirmung bilden einen Führungskanal zwischen der Kontaktzone
und der Eintrittsöffnung
der Lichtbogenlöschkammer.
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Bei
Schaltgeräten
dieser Art zeigen sich in Versuchen Probleme bei der Abschaltung
von Kurzschlussströmen
bei verhältnismäßig hohen
Spannungen, beispielsweise Ströme
von 100 kA bei einer Spannung von etwa 600 V. Dies liegt darin begründet, dass
es bei solchen strombegrenzenden Schaltgeräten für hohe Nennströme schwierig
ist, eine hohe Lichtbogenspannung mit einem Scheitelwert von etwa
600 bis 700 V auf kleinem Raum zu erzielen. Die Anzahl und die Breite
der Kontaktfinger ergeben sich nämlich
aus der Größe des Schaltgeräts, d.h. dem
Nennwert des zulässigen
Stroms, für
den das betreffende Schaltgerät
ausgelegt ist. Daraus folgt, dass bei einem Schaltgerät mit hohem
Nennstrom die Seitenwände
des Pols in einem verhältnismäßig großen Abstand
voneinander angeordnet sind und keinen optimalen Wärmeaustausch
mit dem Lichtbogen ermöglichen.
Dieser Nachteil wird durch Längung
des Lichtbogens, d.h. Vergrößerung des
Abstands zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Schaltstück, sowie
durch größere Abmessungen
der Lichtbogenlöschkammer
ausgeglichen. Dadurch nehmen die Abmessungen des Schaltgeräts zu.
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In
der Patentschrift
US 2 555 993 wird
ein Schalter beschrieben, der dazu dient, die Stromversorgung einer
zum Steuerstromkreis eines Leistungsschalters gehörenden Spule
abzuschalten, welche Spule von einem Gleichstrom von etwa 200 A durchflossen
wird. Der Schalter umfasst ein feststehendes Schaltstück, ein
bewegliches Schaltstück, eine
Expansionskammer mit einer Einlassöffnung, aber ohne Auslassöffnung,
sowie einen Abströmschacht,
der zwischen den Schaltstücken
und dem Eingang der Löschkammer
angeordnet ist. Die Schaltstücke
sind in einem Kanal angeordnet, dessen Breite von der Kontaktzone
zum Löschkammereintritt
hin abnimmt. Die Wände
dieses Kanals bestehen aus einem Isolierstoff, der aus phosphoryliertem Asbest
auf einem 90%igen Zirkonträger
zusammengesetzt ist. Die Seitenwände
des Kanals werden seitlich durch zwei als Teil eines U-förmigen Magnetkreises
ausgebildete Metallplatten begrenzt, wobei der Magnetkreis so durch
eine Wicklung erregt wird, dass die Kraft des von ihm erzeugten
Magnetfeldes darauf gerichtet ist, den Lichtbogen in Richtung der
Löschkammer
zu drücken.
Beim Öffnen
der Kontakte wird der Lichtbogen durch die Wirkung des Magnetfeldes schnell
in Richtung der Lichtbogenlöschkammer
getrieben. Bei Passieren der Verengung des Kanals wird der Lichtbogen
aufgrund der Wechselwirkung mit den Wänden des Kanals eingeschnürt und abgekühlt. Die
dabei erzeugten ionisierten Heißgase
entweichen über
den Abzugsschacht und behindern nicht die Ausbreitung des Lichtbogens
in Richtung der Lichtbogenlöschkammer,
so dass die Flammen in dieser Löschkammer
eingeschlossen bleiben und nicht in die Atmosphäre gelangen. Die Ausdehnung in
der Expansionskammer trägt
dazu bei, den Lichtbogen zu kühlen
und seine Löschung
herbeizuführen.
Nach der Löschung
des Lichtbogens entweichen die in der Lichtbogenlöschkammer
angesammelten Gase über
den Abströmschacht.
Dadurch soll die Lichtbogenspannung erhöht werden, bis sie die Spannung
an den Klemmen der Spule überschreitet. Das
Abschaltvermögen
des Schaltgeräts
ist sehr gering und hängt
direkt von der Anwendung ab, da der Lichtbogenstrom den Anfangswert
von 200 A niemals überschreitet
und die maximale Verlustenergie der in der Spule gespeicherten Energie
entspricht. Darüber
hinaus lässt
sich der Aufbau dieses Schaltgeräts
nicht auf einen strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalter übertragen,
da insbesondere die heißen
Gase durch den Abströmschacht entweichen.
Die in dieser Druckschrift beschriebenen Vorteile lassen sich daher
offensichtlich nicht auf strombegrenzende Niederspannungs-Leistungsschalter
der oben beschriebenen Art übertragen.
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In
der Patentschrift
DE 728 612 ist
ein elektrischer Schalter beschrieben. Dieser Schalter umfasst ein
feststehendes Schaltstück
und ein bewegliches Schaltstück,
die in einer Lichtbogenlöschkammer
mit einem die Kontakte umgebenden Raum und einem anschließenden engen
Spalt angeordnet sind, welcher auf der dem Kontaktraum abgewandten
Seite in einen offenen äußeren Raum
mündet.
Die Lichtbogenlöschkammer
wird seitlich durch Keramikwände
begrenzt, die in Höhe
des die Kontakte umgebenden Raums verhältnismäßig weit voneinander entfernt
sind und deren Abstand sich anschließend immer weiter verkleinert,
so dass sie in der Einführungszone
des Spalts eine Verengung bilden und anschließend über die gesamte Länge des
Spalts parallel zueinander verlaufen. Zwei Lichtbogenhörner erstrecken
sich von dem die Kontakte umgebenden Raum in Richtung des gegenüberliegenden
Spaltendes und laufen dabei immer weiter auseinander. Seitlich angeordnete
Blasbleche umrahmen die keramischen Seitenwände und bilden einen Magnetkreis zur
Beblasung des Lichtbogens. Beim Öffnen
der Schaltstücke
wird der Lichtbogen magnetisch in den Spalt geblasen. Die Anordnung
mit auseinanderstrebenden Lichtbogenhörnern ist wesentlich für die Kompensation
oder gar Überkompensation
des abnehmenden Abströmquerschnitts
für die
Löschgase. Die
Ausbreitung der Lichtbogens im Inneren der Löschkammer wird auf diese Weise
nicht durch einen Druckanstieg behindert. Während seiner Ausbreitung im
Inneren des Spalts trifft der Lichtbogen immer wieder auf neue Keramikflächen, die
einen guten Wärmeaustausch
ermöglichen.
Durch die schnelle Bewegung des Lichtbogens bis zu seiner Löschung kann eine
unzulässige örtliche
Beanspruchung der Kammer vermieden werden. Die Abmessungen dieses Schaltgeräts sind
jedoch erheblich. Die Länge
des Spalts von der Trennstelle der Kontakte bis zur gegenüberliegenden Öffnung nach
außen
muss nämlich
ausreichend groß bemessen
sein, damit der Lichtbogen gelöscht
werden kann, bevor er das Ende der Löschkammer erreicht. Der Abstand
zwischen den Lichtbogenhörnern
in der Nähe
der nach außen führenden Öffnung ist
ebenfalls sehr groß,
da sie sich aus dem stetigen Auseinanderlaufen der Lichtbogenhörner ergibt,
die zur Kompensation des Druckanstiegs durch den abnehmenden Querschnitt
erforderlich ist. In der Praxis hat dies einen Öffnungswinkel von etwa 120° zwischen
den Lichtbogenhörnern
zur Folge. Diese Technologie lässt
sich daher nicht mit der Anforderung nach kompakten Abmessungen
bei gleichzeitig hohem Abschaltvermögen vereinbaren.
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In
der Patentschrift
US 2 970 197 ist
ein Schalter mit einem feststehenden Schaltstück beschrieben, das einen feststehenden
Hauptkontakt, einen feststehenden Hilfskontakt und einen feststehenden
Lichtbogenkontakt umfasst und das mit einem beweglichen Schaltstück zusammenwirkt,
welches auf dem gleichen Schwenkarm einen beweglichen Hauptkontakt,
einen beweglichen Hilfskontakt und einen beweglichen Lichtbogenkontakt
trägt.
Eine Lichtbogenlöschkammer
mit Trennstegen ist zwischen den Seitenschenkeln eines U-förmigen Magnetkreises
angeordnet. Die Schaltstücke
sind in einem Kanal angeordnet, der sich in Richtung der Löschkammer
stetig verengt. Der Magnetkreis wird durch eine Spule gespeist,
die in Reihe zwischen den feststehenden Hauptkontakt und das untere
Lichtbogenhorn geschaltet ist. Das Abschaltung erfolgt in zwei Phasen.
In einer ersten Phase trennen sich die in einem verhältnismäßig großen Abstand
von der Lichtbogenlöschkammer
angeordneten Hauptkontakte und zwingen den Strom zum Umspringen
auf die Hilfskontakte, die näher
an der Löschkammer
liegen. In einer zweiten Phase trennen sich die Hilfskontakte ebenfalls
und zwingen den Strom zum Umspringen auf die, in der Nähe der Lichtbogenlöschkammer
angeordneten Lichtbogenkontakte. Bei der Trennung der Lichtbogenkontakte
entsteht zwischen diesen ein Primärlichtbogen. Dieser Lichtbogen
verlängert
sich und gelangt auf das untere Lichtbogenhorn, wobei er sich in
zwei hintereinander geschaltete Sekundärlichtbögen aufteilt, und zwar einen
ersten Sekundärlichtbogen
zwischen dem feststehenden Kontakt und dem unteren Lichtbogenhorn
und einen zweiten Sekundärlichtbogen
zwischen dem unteren Lichtbogenhorn und dem beweglichen Lichtbogenkontakt.
Sobald der erste Sekundärlichtbogen
zwischen dem feststehenden Lichtbogenkontakt und dem unteren Lichtbogenhorn
abbrennt, wird die Erregerspule des Magnetkreises mit Strom versorgt.
Da die Spulenwicklung einen kleineren Widerstand aufweist als der
erste Sekundärlichtbogen,
erlischt dieser Lichtbogen, so dass der gesamte Strom über die Spule
fließt
und zwischen den Seitenschenkeln des U-förmigen Magnetkreises einen
magnetischen Fluss erzeugt. Das resultierende Magnetfeld treibt den
zweiten Sekundärlichtbogen
in Richtung der Löschkammer.
In der Löschkammer
trifft der Lichtbogen auf Trennstege, die ihn abkühlen bis
er schließlich
erlischt. Die allmähliche
Wanderung des Lichtbogens in die Löschkammer dauert bei dieser
Anordnung zu lange und ist nicht mit den Anforderungen an das Betriebsverhalten
eines strombegrenzenden Leistungsschalters vereinbar. Außerdem ist
der Mechanismus aufgrund der großen Anzahl der Kontakte sehr
kompliziert.
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In
der Druckschrift EP-A-0887832 ist der Pol eines Leistungsschalters
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lichtbogenspannung eines
strombegrenzenden Leistungsschalters mit hohem Nennstrom bei kleinen Abmessungen
mit Hilfe einer einfachen Anordnung zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Pol für
einen strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalter mit einem
Ausschaltmechanismus gelöst,
welcher Pol
- • ein Unterteil,
- • ein
erstes feststehendes Schaltstück
mit einer Kontaktzone,
- • ein
zweites Schaltstück
mit
• einem
beweglichen Träger,
der dazu ausgelegt ist, mit dem Ausschaltmechanismus verbunden zu
werden, und der in Bezug zum Unterteil zwischen einer Einschaltstellung
und einer Ausschaltstellung verschoben werden kann,
• mindestens
einem beweglichen Kontaktfinger, der parallel zu einer Längsmittelebene
des Pols verschoben werden kann und dazu ausgelegt ist, in Bezug
zum beweglichen Träger
in der Einschaltstellung eine Kontaktstellung, in welcher der Kontaktfinger
in Kontakt mit der Kontaktzone des ersten Schaltstücks steht, sowie
eine Trennstellung einzunehmen, in welcher der Kontaktfinger vom
ersten Schaltstück
getrennt ist,
• sowie
einem elastischen Rückstellmittel,
das dazu ausgelegt ist, den beweglichen Kontaktfinger in Richtung
seiner Kontaktstellung zu beaufschlagen, wenn sich der bewegliche
Kontaktfinger in der Nähe
seiner Kontaktstellung befindet,
- • eine
Lichtbogenlöschkammer
mit einer Auslassöffnung,
die den Abströmweg
aller beim Abschaltvorgang entstehenden Gase bildet, einer zwischen
der Kontaktzone und der Auslassöffnung angeordneten
Einlassöffnung,
im Inneren der Lichtbogenlöschkammer
angeordneten Mitteln zur Aufnahme der Lichtbogenenergie sowie Seitenwänden zur
seitlichen Begrenzung der Lichtbogenlöschkammer, wobei der senkrecht
zur Längsmittelebene
zwischen den Seitenwänden gemessene
Abstand eine Breite der Lichtbogenlöschkammer definiert,
- • einen
Magnetkreis, der dazu ausgelegt ist, durch einen über die
Schaltstücke
fließenden
Strom erregt zu werden, welcher Magnetkreis zwei Seitenschenkel
umfasst, die parallel zur Längsmittelebene,
zu beiden Seiten derselben verlaufen und die Kontaktzone umrahmen,
und welcher Magnetkreis dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld zu erzeugen,
das bestrebt ist, den stromdurchflossenen Kontaktfinger in die Trennstellung
zu verschieben,
- • und
eine Isolierstoff-Abschirmung mit zwei, zwischen den Seitenschenkeln
und den Schaltstücken
angeordneten Isolierstoff-Seitenwänden umfasst, wobei die Isolierstoff-Seitenwände der Isolierstoff-Abschirmung
einen Kanal zwischen der Kontaktzone und der Einlassöffnung der Löschkammer
bilden,
dadurch gekennzeichnet, dass
- • die
Isolierstoff-Seitenwände
der Isolierstoff-Abschirmung in einem Abstand zueinander angeordnet
sind, der in der Nähe
der Einlassöffnung
der Lichtbogenlöschkammer
kleiner ist als in der Nähe
der Kontaktzone, und der in der Nähe der Einlassöffnung der
Lichtbogenlöschkammer
kleiner ist als die Breite der Lichtbogenlöschkammer, so dass der Kanal
eine Verengung zwischen der Kontaktzone und dem beweglichen Schaltstück einerseits
und der Lichtbogenlöschkammer
andererseits bildet, welche Verengung seitlich zumindest teilweise
von den Seitenschenkeln des Magnetkreises umrahmt wird,
- • der
Pol darüber
hinaus eine erste Aufnahmefläche
zur Aufnahme des Fußpunktes
eines Lichtbogens aufweist, die zwischen der Kontaktzone und der
Verengung angeordnet und elektrisch mit dem ersten Schaltstück verbunden
ist.
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Die
Isolierstoff-Seitenwände
der Abschirmung bilden einen Schutz des Magnetkreises gegenüber dem
Lichtbogen. Sie bilden darüber
hinaus eine wirksame Wärmeaustauschfläche, die
zur Kühlung des
Lichtbogens beiträgt.
Die Verengung des Kanals in der Nähe der Löschkammer verbessert diesen Wärmeaustausch
weiter und begünstigt
die Einschnürung
des Lichtbogens. Die Kombination dieser beiden Effekte trägt dazu
bei, die Erhöhung
der Lichtbogenspannung und eine starke Strombegrenzung zu erzielen.
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Der
Magnetkreis seinerseits erfüllt
zwei Funktionen und zwar einerseits die einer starken Strombegrenzung,
die in Verbindung mit den elastischen Rückstellmitteln gewährleistet
wird, insofern als das Magnetfeld auf die im stromdurchflossenen beweglichen
Kontakt vorhandenen beweglichen Ladungsträger Kräfte erzeugt, die bestrebt sind,
unabhängig
von einem Ausschaltbefehl die Trennung der Kontakte oberhalb eines
durch die elastischen Rückstellmittel
definierten Schwellwerts zu bewirken, und andererseits die einer
Verschiebung des Lichtbogens in die Löschkammer unter Überwindung
des durch die Verengung gebildeten Hindernisses. Diese zweite Funktion
wird teilweise durch den in der Nähe der Kontaktzone angeordneten
Abschnitt des Magnetkreises, speziell aber auch durch den die Verengungsstelle
umgebenden Teil des Magnetkreises gewährleistet. Je größer dieser
zu beiden Seiten der Verengung angeordnete Abschnitt ist, desto
ausgeprägter
ist die erzielte Wirkung. Mit Hilfe dieser Anordnung ist es möglich, einen
Teil eines Lichtbogens mit großem
Querschnitt, wie er bei der Abschaltung eines hohen Stroms in einem
strombegrenzenden Leistungsschalter auftritt, schnell in die Löschkammer
zu leiten und gleichzeitig beim Passieren der Engstelle eine Einschnürung des
Lichtbogens und einen Wärmeaustausch
mit den Isolierstoff-Seitenwänden
zu bewirken. Die Wirkung des Magnetkreises hält bis zur Löschung des
Lichtbogens an, so dass ein Teil des Lichtbogens während des
gesamten Abschaltvorgangs in der Löschkammer bleibt, während der
Lichtbogenfußpunkt
zumindest teilweise auf der ersten Aufnahmefläche verharrt. Der Lichtbogen nimmt
also die ganze Zeit über
die gesamte Strecke der Verengung ein und hält die Lichtbogenspannung auf
einem hohen Wert, bis der Lichtbogen gelöscht ist. Im Gegensatz zum
Ansatz nach dem bisherigen Stand der Technik, der darauf gerichtet
ist, den Lichtbogen so schnell wie möglich in die Lichtbogenlöschkammer
zu treiben, zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, den Lichtbogen
dazu zu zwingen, bis zu seiner Löschung
in einer Zwischenstellung, im Bereich einer Verengung zu verharren.
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Mit
einer solchen Anordnung wird es möglich, bei gegebenen Kenndaten
den Abstand zwischen den Kontaktfingern des beweglichen Schaltstücks und
dem feststehenden Schaltstück
in der Trennstellung zu verringern.
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Der
Pol umfasst vorzugsweise ein unteres Lichtbogenhorn, das elektrisch
mit dem ersten Schaltstück
verbunden und an dem die genannte erste Aufnahmefläche zur
Aufnahme des Fußpunktes eines
Lichtbogens sowie eine Verlängerung
ausgebildet ist, die in den Innenraum der Lichtbogenlöschkammer
ragt, welche Verlängerung
eine zweite Aufnahmefläche
zur Aufnahme eines Lichtbogenfußpunktes
bildet, deren Breite in einer senkrecht zur Längsebene des Pols gemessenen
Achse kleiner ist als die Breite der ersten Aufnahmefläche. Die
zweite Aufnahmefläche
nimmt bei sehr hohen Kurzschlussströmen einen Teil des Lichtbogenfußpunkts
auf. Darüber
hinaus erlaubt sie eine Ableitung der an der ersten Aufnahmefläche erzeugten
Wärme.
Des Weiteren erlaubt die zweite Aufnahmefläche die Abschaltung kleiner
Ströme,
indem sie in diesem Fall den vollständigen Eintritt des Lichtbogenfußpunktes
in die Löschkammer
begünstigt.
Die Breite der zweiten Aufnahmefläche muss jedoch kleiner sein
als der Durchmesser eines Lichtbogenfußpunktes unter Kurzschlussbedingungen,
denn in diesem Fall will man verhindern, dass der Lichtbogen vollständig in die
Löschkammer
eintritt. In der Praxis ist die größte Breite der zweiten Aufnahmefläche kleiner
oder gleich dem Abstand zwischen den Wänden der Isolierstoff-Abschirmung
in Höhe
der Verengung.
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Nach
einer Ausgestaltung umfasst der Pol darüber hinaus ein oberes Lichtbogenhorn
mit einem, in der Trennstellung in der Nähe des beweglichen Schaltstücks angeordneten
freien Ende, das in den Innenraum der Löschammer ragt. Der Kopf des Lichtbogens
springt auf das obere Lichtbogenhorn um und bildet einen, in Reihe
zum ersten Lichtbogen liegenden Sekundärlichtbogen zwischen dem oberen Lichtbogenhorn
und dem beweglichen Schaltstück. Der
Kopf des Hauptlichtbogens wandert auf der Bahn des oberen Lichtbogenhorns
schneller in den Innenraum der Löschkammer,
wodurch die Löschkammer ihre
Funktion der Energieabsorption erfüllen kann.
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Die
Seitenschenkel des Magnetkreises weisen vorteilhaft einen Luftspalt
auf, der im Bereich der Verengung schmaler ist als im Bereich der
Kontaktzone. Während
die Breite des Luftspalts des Magnetkreises in dessen vorderem Bereich,
dort, wo er die Kontaktfinger umgibt, von der Breite der Kontaktfinger
und damit von der Nenngröße des Leistungsschalters
abhängt,
kann die vordere Verengung des Einlasskanals in die Löschkammer
vorteilhaft genutzt werden, um den Luftspalt in dem am nächsten zur Löschkammer
liegenden Bereich zu verringern und so das Magnetfeld in diesem Bereich,
in dem die Bewegung des Lichtbogens durch die Verengung behindert
wird, zu verstärken.
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Nach
einer Ausgestaltung ist der Magnetkreis U-förmig ausgebildet, wobei der
Mittelschenkel unter der Kontaktzone des feststehenden Schaltstücks verläuft. Die
U-förmige
Ausbildung ist ein guter Kompromiss zwischen der zur Bildung des
Magnetkreises erforderlichen Metallmasse und der Konzentration des
erzeugten Magnetfelds. Es sind jedoch auch andere Formen denkbar.
Insbesondere kann der Magnetkreis einen O-förmigen
Querschnitt aufweisen, wodurch sich eine noch stärkere Konzentration des Magnetfeldes
erzielen lässt.
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Die
Isolierstoff-Abschirmung umfasst ein gasabgebendes Material mit
einer hohen Lichtbogenfestigkeit. Die Verdampfung der Beschichtung
ist ein stark endothermer Vorgang, der die Kühlung des Lichtbogens unterstützt. Der
durch die Verdampfung im Bereich der Verengung erzeugte Druckgefälle, das
die Bewegung des Lichtbogens in Richtung der Löschkammer behindern könnte, wird
durch eine entsprechende Dimensionierung des Magnetkreises, insbesondere
in seinem vorderen Bereich kompensiert. Darüber hinaus muss das gewählte Material eine
ausreichende Lichtbogenfestigkeit aufweisen, um seine Funktion des
Seitenschutzes des Magnetkreises erfüllen zu können. Nach einer Ausgestaltung umfasst
die Isolierstoff-Abschirmung ein glasfaserverstärktes Polyamid. In der Praxis
beträgt
der Glasfaseranteil nicht mehr als 30%, um zu verhindern, dass die
Glasfasern nach einigen Abschaltungen an die Oberfläche des
Materials gelangen. Alternativ oder in Ergänzung umfasst die Isolierstoff-Abschirmung
ein mineralstoffverstärktes
Polyamid, wobei der Mineralstoffanteil 30% betragen oder überschreiten
kann. Alternativ kann auch die Verwendung keramischer Stoffe erwogen
werden, jedoch haben diese Materialien den Nachteil, von den Kontakten
stammende Metallablagerungen zu begünstigen, die schnell zu einer
Verschlechterung ihrer Betriebseigenschaften führen.
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Die
im Innenraum der Lichtbogenlöschkammer
angeordneten Mittel zur Absorption der Lichtbogenenergie umfassen
Trennstege, die senkrecht zur Längsmittelebene
verlaufen.
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Nach
einem anderen Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auch auf einen
strombegrenzenden Niederspannungs-Leistungsschalter mit einem Ausschaltmechanismus
und mindestens einem Pol der zuvor beschriebenen Art, dessen beweglicher Träger mit
dem Ausschaltmechanismus verbunden ist.
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Mehrere
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile und Merkmale näher
erläutert.
Dabei zeigen
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1 eine
perspektivische Ansicht eines strombegrenzenden Leistungsschalters
nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
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2 eine
Ansicht eines Pols des Leistungsschalters aus 1 in
der Einschaltstellung in einem Längsschnitt
gemäß der Ebene
II-II aus 3,
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3 eine
Schnittansicht gemäß der Ebene III-III
aus 2,
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4 einen
Längsschnitt
des Pols aus 2 in der Trennstellung,
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5 einen
Längsschnitt
des Pols aus 2 in der Ausschaltstellung,
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6 eine
zweite Ausgestaltung der Erfindung in einer Ansicht, die der Ansicht
der ersten Ausgestaltung aus 3 entspricht.
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Die 1 bis 5 zeigen
einen, in einem Isolierstoffgehäuse
angeordneten strombegrenzenden Leistungsschalter mit vier Polen 10, 12, 14, 16 und
einem Ausschalt- und
Einschalt-Steuermechanismus 18. Der Steuermechanismus 18 mit
bekanntem Aufbau umfasst einen Betätigungshebel 20, eine Ausschalt-
und Einschaltfeder 22 sowie eine Polwelle 24,
die in Lagern verschwenkt werden kann, welche in Zwischenwänden des
Gehäuses
angeordnet sind. Das Gehäuse
umfasst ein Unterteil 26 und einen Deckel 28,
der in 1 nicht dargestellt, in 2 jedoch erkennbar
ist.
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Jeder
Pol umfasst ein mit einem ersten Anschluss 32 verbundenes
feststehendes Schaltstück 30,
ein mit einem zweiten Anschluss 36 verbundenes bewegliches
Schaltstück 34 sowie
eine Lichtbogenlöschkammer 38.
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Das
bewegliche Schaltstück 30 umfasst
ein halbschleifenförmig
umbogenes Metallteil 40, auf dem ein, eine Kontaktzone
definierendes Kontaktplättchen 42 befestigt
ist, und das durch ein unteres Lichtbogenhorn 44 aus Metall
bis in den Innenraum der Lichtbogenlöschkammer verlängert ist,
welches Lichtbogenhorn auf dem gleichen Potential liegt wie das
feststehende Schaltstück 30.
Das Lichtbogenhorn 44 umfasst eine Aufnahmefläche 45 (3),
die in der Nähe
der Kontaktzone eine große
Breite aufweist und am Einlassbereich der Löschkammer 38 schmaler
ist. Es ist im Innenraum der Löschkammer durch
eine Zunge verlängert,
die eine Aufnahmefläche 47 bietet
(3). Das Lichtbogenhorn 44 ist auf der
einen Seite in der Nähe
des Kontaktplättchens auf
dem feststehenden Schaltstück
durch zwei Schrauben 46 und auf der anderen Seite im Innenraum
der Lichtbogenlöschkammer
durch eine Schraube 48 befestigt, deren Kopf durch eine
Kunststoffhülse 50 gegenüber dem
Schaltstück
isoliert ist (3). Neben diesem unteren Lichtbogenhorn 44 umfasst
die Lichtbogenlöschkammer
ein oberes Lichtbogenhorn 52 sowie ebene Trennstege 54,
die zwischen dem unteren Lichtbogenhorn 44 und dem oberen
Lichtbogenhorn 52, senkrecht zu der Schnittebene II-II
aus 2 angeordnet sind, die einen Längsmittelebene des Pols darstellt.
Das obere Lichtbogenhorn 52 weist ein umbogenes hinteres Ende 56 auf,
dessen Rand teilweise eine Einlassöffnung der Lichtbogenlöschkammer 58 begrenzt.
Die Löschkammer
wird seitlich durch Seitenwände 59 begrenzt.
Darüber
hinaus umfasst die Lichtbogenlöschkammer
eine Auslassöffnung 60 mit
einem Gitter 62, wobei die Einlassöffnung 58 zwischen
der durch das feststehende Kontaktplättchen 42 gebildeten
Kontaktzone und der Auslassöffnung 60 angeordnet
ist.
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Das
bewegliche Schaltstück 34 umfasst
einen beweglichen Träger 66 ,
der um eine erste, in Bezug zum Unterteil 26 feststehende,
geometrische Achse 68 verschwenkt, sowie drei Kontaktfinger 70, die
um eine zweite ortsfeste Achse 72 verschwenken, welche
parallel zur ersten Achse, versetzt zu dieser angeordnet ist. Eine
Schaltstange 74 gewährleistet
die Kopplung des Trägers 66 mit
der Polwelle 36. Ein Ende der Kontaktfinger 70 trägt ein Kontaktplättchen 76,
das dazu dient, die Kontaktverbindung mit dem Kontaktplättchen 42 des
feststehenden Schaltstücks 30 zu
gewährleisten.
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Die
Kontaktfinger 70 sind an ihrem anderen Ende als Steuerkurve 78 mit
zwei, zu beiden Seiten eines Kipppunkts angeordneten Schrägen ausgebildet.
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Zwischen
dem Träger 66 und
jedem Kontaktfinger 70 ist ein Federkraft-Energiespeicher 80 mit
einer Feder 81 angeordnet, die in einem Käfig 84 geführt wird
und eine Stange 86 mit einer darauf montierten Rolle 88 aus
dem genannten Käfig
herausdrückt.
Auf diese Weise ist die Rolle ständig
in Kontakt mit der Steuerkurve 78, so dass der Federkraft-Energiespeicher 80 zusammen
mit der Steuerkurve 78 einen bistabilen Kippmechanismus
bildet
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Der
Pol umfasst darüber
hinaus einen U-förmigen
Magnetkreis, der aus einem senkrecht zur Längsmittelebene II-II angeordneten
Transformatorblechpaket besteht. Der Magnetkreis 82 umfasst
ein senkrecht zur Ebene aus 2 angeordnetes
Unterteil 84 sowie zwei Seitenschenkel 86, die
sich annähernd
parallel zur Ebene aus 2 erstrecken. Der umbogene Teil
des Abschnitts 40 des feststehenden Schaltstücks 30 ist
um das Unterteil 84 des Magnetkreises 82 geführt, derart
dass in diesem Unterteil ein magnetischer Fluss induziert wird,
der von dem über das
feststehende Schaltstück 30 fließenden Strom abhängt.
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Ein
hinterer Teil 90 des Magnetkreises umrahmt die durch das
feststehende Kontaktplättchen 42 gebildete
Kontaktzone seitlich. Zwischen der Kontaktzone 42 und der
Löschkammer 38 umfasst
der Magnetkreis 82 einen vorderen Abschnitt 92,
dessen Luftspalt schmaler ist als der des hinteren Abschnitts 90.
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Eine
Abschirmung 94 mit zwei Isolierstoff-Seitenwänden 96 ist
zwischen die Seitenschenkel 86 und der Kontaktzone 42 angeordnet.
Die Isolierstoff-Seitenwände 96 bestehen
aus einem Isolierstoff mit hoher Lichtbogenfestigkeit, vorzugsweise aus
einem gasabgebenden Stoff, hier einem Polyamid mit hohem (etwa 30%igem)
Glasfaseranteil. Im hinteren Bereich, in der Nähe der Kontaktzone 42 verlaufen
die Isolierstoff-Seitenwände 96 der
Isolierstoff-Abschirmung 94 parallel zur Längsmittelebene II-II
des Pols, in sehr geringem Abstand zu den Kontaktfingern. An der
Vorderseite, zwischen der Kontaktzone 42 und dem Löschkammereingang 59 verlaufen
die Isolierstoff Seitenwände 96 der
Isolierstoff-Abschirmung 94 ebenfalls parallel zur Längsmittelebene
II-II des Pols, jedoch in einem geringeren Relativabstand zueinander.
Die Isolierstoff-Seitenwände 96 der
Abschirmung 94 umfassen darüber hinaus einen ebenen, in
Bezug zur Längsmittelebene geneigten
Zwischenabschnitt, der die Verbindung zwischen dem hinteren Abschnitt
und dem vorderen Abschnitt darstellt. Der durch die Isolierstoff-Seitenwände 96 der
Abschirmung 94 gebildete Kanal verengt sich also in Richtung
der Lichtbogenlöschkammer 38 stetig
um ein Drittel oder gar die Hälfte
und bildet so eine am Einlassbereich der Löschkammer mündende Verengung 98.
Die Abschirmung 94 umfasst darüber hinaus vordere und hintere
Wände,
die senkrecht zur Längsmittelebene
angeordnet sind und die vorderen und hinteren Endflächen der
Seitenschenkel des Magnetkreises schützen. Darüber hinaus umfasst die Abschirmung 94 eine
Innenbeschichtung 97 zur Isolation und zum Schutz gegen
direkte Berührung
des Magnetkreises. Die Beschichtung 97 besteht aus einem
Flüssigkristall-Polymer.
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Die
Funktionsweise der Anordnung ist wie folgt:
In der Einschaltstellung
gemäß 2 erlaubt
der Leistungsschalter den Stromfluss über die Schaltstücke 10, 34 und
die Kontaktplättchen 42, 76 zwischen den
beiden Anschlüssen 32, 36.
Der bistabile Kippmechanismus 80 beaufschlagt die Kontaktfinger 70 in
Richtung des feststehenden Kontaktplättchens 42 und gewährleistet
so einen ausreichenden Kontaktdruck.
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Im
Kurzschlussfall ist der Kurzschlussstrom im umbogenen Abschnitt 40 des
feststehenden Schaltstücks 30 sehr
hoch und bewirkt die Induktion eines hohen magnetischen Flusses
im Magnetkreis 82. Der Magnetkreis 82 konzentriert
die Feldlinien zwischen den Seitenschenkeln 86 in der Kontaktzone
und in der während
der Ausschaltbewegung von den Kontaktfingern 70 durchlaufenen
Zone. Die ebenfalls vom Kurzschlussstrom durchflossenen Kontaktfinger 70 sind
vom Magnetfeld ausgeübten Rückstoßkräften ausgesetzt.
Diese durch das Magnetfeld erzeugten Kräfte addieren sich zu den Einschnürkräften an
der Berührungsstelle
der Kontaktplättchen 42, 76,
derart dass die Kontaktfinger 70 gegen die Kraft der Feder 81 verschwenken,
bis sie den Kipppunkt des bistabilen Kippmechanismus' 80 erreichen.
Nach Überwindung
des Kipppunkts setzen die Kontaktfinger 70 unter Einwirkung
der Feder 81 und der elektromagnetischen Kräfte ihre
Bewegung im Uhrzeigersinn bis zum Erreichen der Trennstellung gemäß 4 fort.
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Der
bei Trennung der Kontaktplättchen 42, 76 gezogene
Lichtbogen bewirkt einen sprungartigen Anstieg der Temperatur im
Inneren des Kanals. Die Wände 96 der
Abschirmung bewirken eine Ausbreitung der Gase im hinteren Bereich
sowie im vorderen, verengten Bereich des Kanals, so dass der Druck
im Kanal ansteigt. Der den elektromagnetischen Kräften ausgesetzte
Lichtbogen krümmt
sich in Richtung der Löschkammer 38,
und der Lichtbogenfußpunkt
wandert auf dem breiten Teil des unteren Lichtbogenhorns 44 und
versucht, in die Lichtbogenlöschkammer
einzutreten. Allerdings weist der Lichtbogenfußpunkt einen großen Querschnitt
auf, der vom Wert des Kurzschlussstroms abhängt. Im Abschnitt des Lichtbogenhorns,
der sich bis in den Innenraum der Löschkammer erstreckt, ist die
Aufnahmefläche 47 des
Lichtbogens nicht breit genug, um ein Umspringen des Lichtbogenfußpunkts
in den Innenraum der Löschkammer 38 zu
erlauben. Der Lichtbogenfußpunkt
nimmt daher die gesamte verfügbare
Fläche
zwischen dem Kontaktplättchen 42 und
dem vorderen Ende des unteren Lichtbogenhorns 44, im Inneren
der Löschkammer
ein. Anders ausgedrückt
bleibt ein Teil des Lichtbogenfußpunkts auf der breiten Aufnahmefläche 44 des
unteren Lichtbogenhorns, diesseits der Verengung 98, während ein
anderer Teil des Lichtbogenfußpunkts
auf dem schmaleren Abschnitt 47 des unteren Lichtbogenhorns,
direkt innerhalb der Löschkammer
abbrennt, und zwar solange, bis er gelöscht ist.
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Aufgrund
der durch das Magnetfeld verursachten starken Krümmung des Lichtbogens dringt ein,
zwischen Lichtbogenfußpunkt
und Lichtbogenkopf angeordneter Zwischenabschnitt des Lichtbogens
unmittelbar nach der Trennung der Kontaktplättchen 42, 76 in
die Löschkammer
ein. Dieser Zwischenabschnitt des Lichtbogens passiert die Verengung 98,
wo er aufgrund der Wechselwirkung mit den Isolierstoff-Seitenwänden 96 der
Abschirmung 94 sowohl eine starke Einschnürung als
auch eine starke Kühlung
erfährt.
Diese beiden Wirkungen addieren sich und tragen dazu bei, die Lichtbogenspannung
zu erhöhen
und eine starke Begrenzung des über
den Pol fließenden
Stroms zu bewirken.
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Wenn
die Kontaktfinger 70 die Trennstellung gemäß 4 erreichen,
geht der Kopf des Hauptlichtbogens auf das obere Lichtbogenhorn 52 über, während sich
in Reihe zu diesem Hauptlichtbogen zwischen dem umbogenen Ende 56 des
oberen Lichtbogenhorns und den Kontaktfingern 70 ein Nebenlichtbogen
bildet. Sobald diese Umschaltung erfolgt ist, kann der Lichtbogenkopf
in die Löschkammer
eintreten, so dass ein zu starkes Abbrennen der Gehäusewände in Bereich
des umbogenen Endes 56 des oberen Lichtbogenhorns vermieden
wird.
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Wie
jedoch zuvor beschrieben, verharrt zumindest ein Teil des Lichtbogenfußpunkts
auf dem zwischen dem Kontaktplättchen 42 und
der Verengung 98 angeordneten breiten Abschnitt 45 des Lichtbogenhorns 44.
Die kombinierte Wirkung der Einschnürung und der Kühlung des
Lichtbogens durch die zusammenlaufenden Wände 96 verlängert sich
daher über
die gesamte Ausschaltdauer und gewährleistet so die Aufrechterhaltung
einer hohen Lichtbogenspannung bis zur Löschung des Lichtbogens.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass bei fehlendem Magnetfeld der Lichtbogen
dazu neigen würde, aus
der Löschkammer 38 herauszutreten
und in die Kontaktzone 42 zurückzukehren, um die Verlustenergie
zu minimieren und die Lichtbogenspannung zu verringern. Das durch
den Magnetkreis 82 und insbesondere durch den im Bereich
der Verengung 98 angeordneten Abschnitt des Magnetkreises
induzierte Magnetfeld wirkt ununterbrochen auf den Lichtbogen bis
zu dessen Löschung
und hindert den Lichtbogen daran, in den Bereich der Kontaktplättchen 42, 76 zurückzukehren.
Durch die Verringerung des Luftspalts im Bereich der Verengung 98 und
die entsprechende Zunahme des Magnetfelds wird diese Wirkung weiter begünstigt.
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Während der
gesamten Ausschaltdauer der Kontakte sind die Isolierstoff-Seitenwände 96 der
Abschirmung 94 dem Lichtbogen ausgesetzt, und zwar insbesondere
im Bereich der Verengung 989. Aus diesem Grund muss das
für die
Abschirmung 94 verwendete Material sehr robust ausgeführt sein.
Die Beschichtung 97 gewährleistet
die Isolation des Magnetfelds bei defekter Abschirmung, insbesondere wenn
schmelzende Metalltropfen eine der Wände 96 durchschlagen.
Ihre Funktion besteht in diesem Fall darin, jegliche Gefahr der
Zündung
eines Lichtbogens zwischen dem Magnetkreis 82 und einem
der Schaltstücke
zu verhindern.
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Die
Ausschaltung wird durch einen Ausschaltbefehl des Ausschaltmechanismus' 18 bestätigt, der
den Träger
in die 5 gezeigte Stellung überführt.
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Bei
Abschaltung kleiner Ströme
wird diese durch den Mechanismus 18 eingeleitet. In diesem Fall
findet ein direkter Übergang
von der in 2 gezeigten Stellung in die
in 5 gezeigte Stellung statt, ohne dass dazwischen
die in 4 gezeigte Stellung durchlaufen wird. Das durch
den Magnetkreis 82 induzierte Magnetfeld ist jedoch stark
genug, um den Lichtbogen in die Löschkammer zu treiben. Der Querschnitt
des Lichtbogenfußpunkts
ist nicht sehr groß,
so dass der Lichtbogenfußpunkt
die Verengung 98 passieren und vollständig in die Lichtbogenlöschkammer
eintreten kann, um sich anschließend auf dem im Inneren der
Löschkammer
angeordneten Abschnitt 47 des Lichtbogenhorns zu stabilisieren.
Beim Durchlaufen der Verengung 98 wird der Lichtbogen eingeschnürt und gekühlt. Die
Löschung des
Lichtbogens erfolgt auf herkömmliche
Weise in der Lichtbogenlöschkammer 38.
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Selbstverständlich sind
verschiedene Änderungen
möglich.
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Nach
einer in 6 gezeigten, zweiten Ausgestaltung
weist der Magnetkreis 82 von seinem hinteren Abschnitt
bis in den vorderen Abschnitt einen konstanten Luftspalt auf. Diese
Ausgestaltung ist einfacher als die vorherige und kann für kleinere
Ausschaltvermögen
ausreichend sein.
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Der
Aufbau des strombegrenzenden Leistungsschalters kann anders sein
als im beschriebenen Beispiel. Insbesondere ist es möglich, den
bzw. die Kontaktfinger schwenkbar auf einer am beweglichen Träger montierten
Achse zu lagern. Darüber
hinaus ist es möglich,
einen herkömmlichen
Aufbau zu verwenden, bei dem anstelle der Polwelle und der Träger eine
einzige gemeinsame Schaltwelle für
alle Pole vorhanden ist. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus
auch auf einen Pol, dessen beweglicher Träger des beweglichen Schaltstücks geradlinig
verschoben wird.
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Die
Abschirmung 94 kann mit Mineralstoffteilchen verstärkt werden,
die dazu dienen, dem Teil eine größere Robustheit zu verleihen
ohne seine elektrischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Gute Ergebnisse konnten
zum Beispiel mit Zinkborat mit einem bis zu 35%igem Anteil und mehr
erzielt werden. Die Mineralsstoffteilchen können gegebenenfalls zu den
Glasfasern hinzugegeben werden oder nicht.
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Die
Gasabgabe durch die Wände 96 erhöht den Druck
im Kanal. Dieser Druckanstieg trägt
dazu bei, die Einschnürung
des Lichtbogens zu verstärken und
die Lichtbogenspannung zu erhöhen.
Der Druckanstieg erfolgt jedoch nicht unbedingt gleichmäßig, so
dass aufgrund der Verengung ein Druckgefälle auftreten kann, das der
Bewegung des Lichtbogens durch die Verengung entgegen gerichtet
ist. Daraus lässt
sich ableiten, dass es nicht unbedingt erforderlich ist, ein gasabgebendes
Material zu verwenden. In jedem Fall empfiehlt es sich, ein Material zu
wählen,
das keine allzu starke Gasabgabe bewirkt. Darüber hinaus muss der Magnetkreis
so dimensioniert sein, dass er die Wirkung des Druckgefälles auf
den Lichtbogen kompensiert.
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Die
Beschichtung 97 kann entfallen, wenn die Robustheit und
die Lebensdauer der Abschirmung 94 ausreichen, um zu gewährleisten,
dass es nicht zu einer Lichtbogenzündung am Magnetkreis kommt.
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Die
Länge des
unteren Lichtbogenhorns innerhalb der Lichtbogenlöschkammer
muss nicht unbedingt groß sein.
Unter dem Gesichtspunkt der Abschaltung von Kurzschlussströmen bei
hoher Spannung ist man immer bestrebt, dass ein großer Teil
des Lichtbogenfußpunkts
auf dem, zwischen dem Kontaktplättchen
und der Verengung angeordneten Abschnitt 45 des unteren
Lichtbogenhorns verharrt, da der Lichtbogen auf diese Weise gezwungen
wird, die Verengung 98 während der gesamten Ausschaltdauer
zu durchlaufen.
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Die
Verlängerung
des Lichtbogenhorns im Inneren der Löschkammer ist das Ergebnis
eines Kompromisses, der insbesondere erlaubt, eine Kühlung des
Lichtbogenhorns während
der Abschaltung zu gewährleisten.
Das obere Lichtbogenhorn kann entfallen, wenn die Wände des
Gehäuses
in diesem Bereich verstärkt
sind oder eine gasabgebende Wirkung erwünscht ist, um beispielsweise
das Kontaktplättchen 76 zu
reinigen.
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Die
Höhe der
Verengung, d.h. ihre Ausdehnung in einer senkrecht zur Ebene aus 3 verlaufenden
Achse ist nicht unbedingt von Bedeutung. Die Erfahrung zeigt, dass
der untere, am nächsten
am unteren Lichtbogenhorn angeordnete Bereich der Verengung maßgeblich
ist.