DE69931109T2

DE69931109T2 - Leistungsschalter mit hoher elektrodynamischer Festigkeit und Ausschaltleistung

Info

Publication number: DE69931109T2
Application number: DE69931109T
Authority: DE
Inventors: Marc Rival; Marc Blancfene; Claude Grelier
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: CN1168114C; FR2781921A1; CN1253371A; JP4278787B2; DE69931109D1; EP0977233A1; US6018284A; JP2000106075A; EP0977233B1; ES2262299T3; FR2781921B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltmechanismus eines mehrpoligen Niederspannungs-Leistungsschalters mit hoher elektrodynamischer Festigkeit, der einen Leistungsstromkreis mit zwei kompensierten Kontaktstücken pro Pol umfasst, die durch elektrodynamische Kompensation der Rückstoßkräfte in der Einschaltstellung gehalten werden.
Ein Mechanismus der genannten Art ist in der Druckschrift EP-A-222.645 der Anmelderin beschrieben und umfasst ein Kniehebelsystem, das einem Auslösehebel und einer Ausschaltfeder zugeordnet ist, um den beweglichen Kontakt in eine Ausschaltstellung zu überführen, wenn der Auslösehebel von einer Gespannt-Stellung in eine Ausgelöst-Stellung verbracht wird, eine mit dem Kniehebelsystem gekoppelte Isolierstoffschaltwelle, die quer zum Chassis angeordnet ist und eine Drehachse umfasst, auf der die beweglichen Kontaktstücke aller Pole montiert sind, eine Ausschaltklinke, die mit dem Auslösehebel zusammenwirkt, um in der verriegelten bzw. der entriegelten Stellung der genannten Klinke das Spannen bzw. Auslösen des Schaltmechanismus' zu gewährleisten, sowie eine Rastsperre, die über ein Auslöseorgan gesteuert wird, um die Ausschaltklinke in die entriegelte Stellung zu überführen. Die elektrodynamische Festigkeit des Leistungsschalters resultiert aus der Einwirkung der Kontaktdruckfedern auf die Mehrfachkontaktfinger sowie aus der Verwendung kompensierter Kontaktstücke, deren Gelenkachse starken mechanischen Reaktionskräften ausgesetzt ist. Der Mechanismus ist in der Lage, diese Reaktionskräfte bei einem Maximalwert des Kurzschlussstroms aufzunehmen. Oberhalb dieses Wertes können die Reaktionskräfte bestimmte Achsen oder Übertragungselemente des Mechanismus' beschädigen und eine Erhöhung der Auslösekraft in der Schaltstufe bewirken, die den Auslösehebel, die Ausschaltklinke und die Rastsperre umfasst. Das Ansprechen des unverzögerten Kurzschlussauslösers zur Betätigung des Schaltmechanismus' erfolgt erst nach einer bestimmten Ansprechzeit von etwa 10 ms, wobei ein solcher Wert zu hoch ist, wenn der Leistungsschalter eine hohe elektrodynamische Festigkeit und ein Ausschaltvermögen von mehr als 130 kA aufweisen muss.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die bei der elektrodynamischen Kompensation kompensierter Kontaktstücke erzeugten mechanischen Kräfte zu nutzen, um eine automatische Auslösung zu bewirken (siehe Druckschrift EP-A-0 789 380). Die Ausschaltklinke umfasst entklinkbare Betätigungsmittel, die eine Selbstentriegelung der Rastsperre bei Auftreten eines Kurzschlussstroms bewirken, der einen bestimmten, durch Federmittel definierten Einstellwert überschreitet, wobei die genannte Selbstentriegelung durch mechanische Reaktionskräfte gesteuert wird, die durch die elektrodynamische Kompensation erzeugt werden und eine ultraschnelle Drehung der Rastsperre zur Entriegelung der Ausschaltklinke vor dem Ansprechen des Auslöseorgans bewirken.
Der so erhaltene Leistungsschalter weist eine sehr hohe elektrodynamische Festigkeit auf, da die Selbstentriegelung in der Praxis für sehr hohe Ströme, insbesondere für Scheitelwerte über 180 kA ausgelegt ist. Um ein ausreichendes Ausschaltvermögen zu erreichen, ist es allerdings erforderlich, den Pol und seine Lichtbogenlöschkammer sehr großzügig zu dimensionieren, was zu Lasten der Gesamtabmessungen und des Preises geht.
Die Erfindung hat daher zum Ziel, einen Leistungsschalter mit hoher elektrodynamischer Festigkeit und hohem Ausschaltvermögen zu schaffen, der nur eine geringe Auslösekraft und eine kurze Auslösezeit bei Auftreten eines hohen Kurzschlussstroms benötigt, wobei die genannten Eigenschaften bei geringen Abmessungen und zu geringen Kosten erreicht werden müssen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch einen Niederspannungs-Leistungsschalter mit hoher elektrodynamischer Festigkeit gelöst, der ein Chassis, einen oder mehrere Pole mit zwei Kontaktstücken, die ein bewegliches Kontaktstück und ein anderes Kontaktstück umfassen, wobei das bewegliche Kontaktstück einen in Bezug zum Chassis zwischen einer Ausschaltstellung und einer Einschaltstellung bewegbaren Träger sowie einen oder mehrere in Bezug zum Träger zwischen einer Kontaktstellung mit dem anderen Kontaktstück und einer zurückgezogenen Stellung bewegbare Kontaktfinger umfasst, wobei jeder Pol darüber hinaus elektromagnetische Kompensationsmittel umfasst, um den bzw. die Kontaktfinger mit elektromagnetischen Kräften zu beaufschlagen, die darauf gerichtet sind, den bzw. die Kontaktfinger in Kontakt mit dem anderen Kontaktstück zu halten, wobei der Leistungsschalter darüber hinaus eine Ausschaltfeder, die dazu ausgelegt ist, sich durch Übergang von einer Gespannt-Stellung in eine Entspannt-Stellung zu entspannen, eine kinematische Kette, die mit der Ausschaltfeder und mit den zwei Kontaktstücken so zusammenwirkt, dass durch die Entspannung der Ausschaltfeder der Träger in seine Ausschaltstellung verbracht wird, welche kinematische Kette ein kinematisches Kopplungselement zur Verbindung mit dem Träger umfasst, einen Ausschaltmechanismus mit einer Ausschaltsperre, die dazu ausgelegt ist, eine Verriegelungsstellung einzunehmen, in der sie die Entspannung der Ausschaltfeder verhindert, und die Ausschaltfeder durch Verlassen der Verriegelungsstellung freizugeben, sowie Betätigungsmittel umfasst, die mit dem beweglichen Kontaktstück und mit der Ausschaltsperre zusammenwirken, um den ultraschnellen Übergang der Ausschaltsperre in ihre Entriegelungsstellung zu bewirken, wenn die Resultierende der vom Träger auf das kinematische Kopplungselement ausgeübten Kräfte einen bestimmten, der ultraschnellen Abschaltung zugeordneten Ansprechwert überschreitet. Der Pol bzw. die Pole umfassen darüber hinaus elektromagnetische Begrenzungsmittel, um den bzw. die Kontaktfinger mit elektromagnetischen Kräften zu beaufschlagen, die darauf gerichtet sind, den bzw. die Kontaktfinger in ihre zurückgezogene Stellung zu bringen. Die elektromagnetischen Kompensationsmittel und die elektromagnetischen Begrenzungsmittel sind so ausgebildet, dass der bzw. die Kontaktfinger in Kontakt mit dem anderen Kontaktstück gehalten werden, wenn der über die zwei Kontaktstücke fließende Strom unter einem so genannten Begrenzungs-Schwellwert liegt, und dass oberhalb des genannten Schwellwerts der bzw. die Kontaktfinger in ihre zurückgezogene Stellung überführt werden. Schließlich ist die Anordnung so ausgebildet, dass die Resultierende der durch den Träger auf das kinematische Verbindungsglied ausgeübten Kräfte unterhalb des Ansprechwerts der ultraschnellen Abschaltung liegt, wenn der Wert des über das bewegliche Kontaktstück fließenden Stroms den Begrenzungs-Schwellwert erreicht. Die Trennung der Kontakte erlaubt die Begrenzung des über den Pol fließenden Kurzschlussstroms während der für die Abschaltung des Stromkreises durch die Betätigungsmittel erforderlichen Zeit. Auf diese Weise erlaubt der Leistungsschalter die Abschaltung wesentlich größerer unbeeinflusster Ströme als zuvor. Der Begrenzungs-Schwellwert erlaubt die Aufrechterhaltung der geforderten hohen elektrodynamischen Festigkeit. Die Betätigungsmittel ihrerseits erlauben die Abschaltung in sehr kurzer Zeit, noch bevor der herkömmliche Auslöser anspricht.
Die Betätigungsmittel umfassen vorzugsweise Federmittel, durch die der genannte Ansprechwert der ultraschnellen Abschaltung definiert wird. Dadurch erfolgt die Aktivierung der Betätigungsmittel beim Überschreiten des Ansprechwerts der ultraschnellen Abschaltung nicht unverzögert. Die Feder muss nämlich einen bestimmten Weg zurücklegen, bevor sie die ultraschnelle Freigabe der Ausschaltsperre bewirkt. Anders ausgedrückt müssen die elektromagnetischen Kräfte eine bestimmte Energie in Form von mechanischer Arbeit zur Kompression der Federn liefern, bevor der Befehl zur ultraschnellen Abschaltung übertragen wird. Es gibt also eine extrem kurze Zeitverzögerung, bevor es zur Abschaltung kommt. Diese Verzögerung wird besonders effektiv genutzt, wenn die Federmittel so eingestellt sind, dass die ultraschnelle Abschaltung erfolgt, nachdem der begrenzte Strom seinen Maximalwert erreicht hat. Aus diesem Grund erfolgt die Entriegelung der Ausschaltsperre nach dem Überschreiten des Stromhöchstwerts, auch wenn der über den Pol fließende begrenzte Strom dann schon wieder dabei ist zu sinken. Die auf die Endanschläge des Ausschaltmechanismus' ausgeübten Kräfte sind daher klein, wodurch die Zuverlässigkeit der Anordnung erhöht wird.
Aufgrund der extrem hohen Geschwindigkeit des Ausschaltvorgangs ist es vorteilhaft, Mittel in die Anordnung zu integrieren, die in der Rückzugsphase der Kontaktfinger eine starke Begrenzung des Kurzschlussstroms gewährleisten. Zu diesem Zweck umfassen der Pol bzw. die Pole eine Lichtbogenlöschkammer und einen Magnetkreis zur Erzeugung eines Magnetfelds, dessen Stärke von dem über das andere Kontaktstück fließenden Strom abhängt und das so gerichtet ist, dass es auf den bei Trennung der Kontaktstücke entstehenden Lichtbogen Kräfte ausübt, die versuchen, den Lichtbogen in die Lichtbogenlöschkammer zu leiten.
Nach eine vorzugsweisen Ausgestaltung umfassen der Pol bzw. die Pole eine Lichtbogenlöschkammer und einen Magnetkreis zur Erzeugung eines Magnetfelds, dessen Stärke von dem über das andere Kontaktstück fließenden Strom abhängt und das so gerichtet ist, dass es auf den bei Trennung der Kontaktstücke entstehenden Lichtbogen Kräfte ausübt, die versuchen, den Lichtbogen in die Lichtbogenlöschkammer zu leiten. Auf diese Weise wird der Kurzschlussstrom stark begrenzt.
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 schematische Ansicht eines Pols eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters mit einem Schaltmechanismus in der Einschaltstellung und Kontaktstücken in der Kontaktstellung;
2 eine zu 1 analoge Ansicht mit Darstellung des Mechanismus' in der Einschaltstellung und der Kontaktstücke in der zurückgezogenen Stellung;
3 eine zu 1 analoge Ansicht mit Darstellung des Mechanismus' in der Ausschaltstellung;
4 eine Schnittansicht gemäß der Achse A-A aus 1;
5 eine Ansicht einer Ausschaltklinke des Leistungsschalters aus 1 in der Verriegelungsstellung;
6 eine analoge Ansicht der Ausschaltklinke aus 3 während der Selbstentriegelung der Rastsperre;
7 eine schematische Ansicht der auf die Kontaktstücke ausgeübten Kräfte;
8 die zeitliche Änderung des Stroms I, der Spannung U und des Abstands X zwischen den Kontaktstücken bei einer kurzschlussbedingten Abschaltung, gemessen zwischen einem beweglichen Plättchen und einem feststehenden Plättchen dieser Kontaktstücke.
Die 1 bis 4 zeigen einen Schaltmechanismus 10 eines Mehrpol-Leistungsschalters, welcher Mechanismus in einem Chassis 12 montiert ist und ein Kniehebelsystem 14 mit zwei an eine Drehachse 20 angelenkten Übertragungshebeln 16, 18 umfasst. Der untere Übertragungshebel 16 ist mechanisch mit einer Isolierstoffschaltwelle 22 gekoppelt, die senkrecht zu den Seitenwänden des Chassis 12 angeordnet ist. Die Schaltwelle 22 ist allen Polen gemeinsam zugeordnet und als Drehachse ausgebildet, die zwischen einer Ausschaltstellung und einer Einschaltstellung der Kontaktstücke des Leistungsschalters verdreht werden kann. Der Leistungsschalter ist für hohe Ströme ausgelegt und weist eine hohe elektrodynamische Festigkeit auf.
An jedem Pol ist eine Koppelstange 24 ausgebildet, die einen Kurbelarm 25 der Schaltwelle 22 mit einem Isolierstoffträger 26 eines beweglichen Kontaktstücks 28 verbindet. Das bewegliche Kontaktstück 28 wirkt in der Einschaltstellung mit einem feststehenden Kontaktstück 30 zusammen und ist über ein flexibles Leitungsband 32 mit einem ersten Anschluss 34 verbunden. Das feststehende Kontaktstück 30 ist direkt auf dem zweiten Anschluss 36 montiert. Der Pol umfasst eine Lichtbogenlöschkammer 35, deren Eingang in der Nähe der Kontaktstücke 28 und 30 angeordnet ist.
Der Träger 26 ist auf einer ersten Achse 40 montiert und kann auf dieser zwischen der Einschaltstellung gemäß 1 und der Ausschaltstellung gemäß 3 verschwenkt werden, und das bewegliche Kontaktstück 28 umfasst mehrere parallel zueinander angeordnete Kontaktfinger 41, die an eine zweite Achse 42 des Trägers angelenkt sind und zwischen einer in 1 gezeigten Kontaktstellung und einer in 2 gezeigten zurückgezogenen Stellung verschwenkt werden können. Auf jedem Kontaktfinger ist ein Kontaktplättchen 43 angebracht, das in der Stellung aus 1 mit einem Kontaktplättchen 45 des feststehenden Kontaktstücks 30 zusammenwirkt. Zwischen dem Träger 26 und der Oberseite der Kontaktfinger 41 sind Kontaktdruckfedern 38 angeordnet.
Die Anordnung der Längsachse der Stange 24 in Bezug zur Drehachse 40 des Trägers 26 einerseits und in Bezug zur Schwenkachse der Schaltwelle 22 andererseits ist kennzeichnend für einen Leistungsschalter mit hoher elektromagnetischer Festigkeit. Durch den langen Hebelarm der Stange 24 in Bezug zur Achse 40 sowie den kurzen Hebelarm der Stange 24 in Bezug zur Achse der Schaltwelle 22 lässt sich nämlich gewährleisten, dass der Schaltmechanismus des Leistungsschalters keinen zu großen Kräften ausgesetzt wird, wenn aufgrund hoher Ströme starke Rückstoßkräfte auf die Kontaktfinger wirken. Ein großer Teil dieser Kräfte wird nämlich auf die Stützlager der Schaltwelle übertragen, während das von der Stange 24 auf die Welle 22 ausgeübte Kraftmoment verhältnismäßig klein ist und so die Beanspruchung der übrigen mit der Welle 22 verbundenen Elemente des Mechanismus' 10 begrenzt wird.
Dem Kniehebelsystem 14 ist ein Auslösehebel 44 zugeordnet, der auf einer Hauptachse 46 zwischen einer Gespannt-Stellung und einer Ausgelöst-Stellung verschwenkbar gelagert ist. Die Hauptachse 46 ist fest mit dem Chassis 12 verbunden, und eines der Enden des Auslösehebels 44 ist über eine Achse 48 an den oberen Übertragungshebel 18 angelenkt, während das gegenüberliegende Ende mit einer Ausschaltklinke 50 zusammenwirkt.
Eine Ausschaltfeder 52 ist zwischen einen an der Schaltwelle 22 ausgebildeten Vorsprung 54 und einen ortsfesten Zapfen 56 des Chassis 12 eingesetzt, wobei der genannte Zapfen 56 oberhalb des Kniehebelsystems 14 angeordnet ist. Die Ausschaltklinke 50 besteht aus einem Verriegelungshebel 57, der auf einer Achse 58 zwischen einer Verriegelungsstellung und einer Entriegelungsstellung verschwenkbar gelagert ist. Eine als Halbwelle ausgebildete Rastsperre 60 dient dazu, die Ausschaltklinke 50 in die Entriegelungsstellung zu bringen, um so die Auslösung des Schaltmechanismus' 10 zu bewirken.
Der Rastsperre 60 in Bezug zur Achse 58 gegenüberliegend ist eine auf die Ausschaltklinke 50 wirkende Rückstellfeder 62 angeordnet, welche die Ausschaltklinke 50 im Gegenuhrzeigersinn in Richtung der Verriegelungsstellung beaufschlagt. Zwischen der Achse 58 und der Rastsperre 60 ist am Verriegelungshebel 57 eine Rolle 64 angeordnet, die in der Gespannt-Stellung mit einer am Auslösehebel 44 ausgebildeten Auflagefläche 66 des Auslösehebels 44 zusammenwirkt. In der Auflagefläche 66 des Auslösehebels 44 ist eine Vertiefung ausgebildet, in die die zylindrische Rolle 64 eingreift. Zwischen der Achse 48 und dem Zapfen 56 ist eine Rückholfeder 68 eingesetzt, die den Auslösehebel 44 im Gegenuhrzeigersinn in Richtung der Gespannt-Stellung beaufschlagt, in der die Rolle 64 der Ausschaltklinke 50 in die Vertiefung der Auflagefläche 66 eingreift.
Die Rastsperre 60 der Ausschaltklinke 50 wird durch ein Auslöseorgan 70 gesteuert, um den Verriegelungshebel 57 in die Entriegelungsstellung zu überführen und die Auslösung des Mechanismus' 10 sowie das Öffnen der Kontaktstücke 28, 30 zu bewirken. Die Betätigung des Auslöseorgans 70 kann manuell, insbesondere über einen Drucktaster, oder automatisch, insbesondere über einen magnetothermischen oder elektronischen Auslöser, oder über einen Arbeitsstromauslöser erfolgen, der durch ein Fernwirksignal angesteuert wird.
Wie aus 5 und 6 hervorgeht, umfasst die Ausschaltklinke 50 zwei Wangen 72, auf denen die Achse 58 montiert und die Rolle 64 frei drehbar gelagert ist. Der Ausklinkwert wird mit Hilfe von zwei Druckfedern 74, 76 eingestellt, die zwischen einer fest mit den Wangen 72 verbundenen Führungsplatte 78 und einem an der Achse 58 angelenkten Rückhaltehebel 80 angeordnet sind. Am Ende des Rückhaltehebels 80 ist eine Nase 82 ausgebildet, die dazu dient, in der Verriegelungsstellung der Ausschaltklinke 50 mit der Sperre 60 zu verrasten.
Ein Endanschlag 84 ist fest mit den Wangen 72 verbunden und dient dazu, die Schwenkbewegung der Ausschaltklinke 50 in die Entriegelungsstellung zu begrenzen. An jeder Wange 72 ist im Bereich der Nase 82 des Rückhaltehebels 80 eine Steuerrampe 86 ausgebildet, wobei die Neigung der Rampe 86 so gewählt ist, dass sie die Selbstentriegelung der Rastsperre 60 bewirkt, wenn der Einstellwert der Federn 74, 76 überschritten wird.
Die Ausschaltklinke 50 ist erfindungsgemäß als ausrückbare Anordnung ausgebildet, die eine Selbstentriegelung der Rastsperre 60 erlaubt, wenn ein Kurzschlussstrom auftritt, der einen festgelegten, im folgenden als Ausklinkwert bezeichneten Schwellwert überschreitet.
Die Kontaktstücke 28, 30 und die Anschlüsse 34, 36 bilden eine erste U-förmige Stromkreisanordnung, wobei die zweite Gelenkachse 42 der Kontaktfinger des beweglichen Kontakts 28 in Höhe eines Drittels der Abstandsstrecke zwischen den beiden Anschlüssen 34, 36 angeordnet ist. Die Anordnung 88 eines solchen Stromkreises bildet ein System zur Kompensation der elektrodynamischen Rückstoßkräfte, das in der Lage ist, die Kontaktstücke bei Vorhandensein eines Kurzschlussstroms geschlossen zu halten.
Das feststehende Kontaktstück bildet einen zweite U-förmige Stromkreisanordnung, die so ausgebildet ist, dass ihre Schenkel vom Anschluss 34 weggerichtet sind. Das Kontaktplättchen 45 ist an einem der Schenkel dieser U-Anordnung, auf der Seite des freien Schenkelendes angeordnet. In der Einschaltstellung verlaufen die Kontaktfinger 41 annähernd parallel zu dem U-Schenkel, auf dem das feststehende Kontaktplättchen 45 montiert ist. Fließt ein Strom über den Pol, erzeugen die Ladungen, welche die durch das feststehende Kontaktstück gebildete U-Anordnung zwischen dem Anschluss 36 und dem Kontaktplättchen 45 durchfließen, ein induziertes Magnetfeld. Um das induzierte Magnetfeld im Bereich zwischen den Kontaktplättchen 43, 45 und der Achse 42 erheblich zu verstärken, ist ein U-förmiges Magnetblech 92 in das durch das feststehende Kontaktstück gebildete U eingesetzt. Der Anordnung 90 eines solchen Stromkreises bildet ein Strombegrenzungssystem, das in der Lage ist, die beweglichen Kontaktplättchen 43 vom Kontaktplättchen 45 des feststehenden Kontakts zu trennen, wenn ein Kurzschlussstrom auftritt, der einen bestimmten, durch entsprechende Einstellung der Kontaktdruckfedern 38 definierten Schwellwert überschreitet.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen strombegrenzenden Leistungsschalters 10 ist wie folgt:
In der Einschaltphase des Mechanismus' 10 übt die Auflagefläche 66 des Auslösehebels 44 eine Kraft F auf die Rolle 64 aus und bewirkt die Drehung der Ausschaltklinke 50 im Uhrzeigersinn um die Achse 58 bis zur Blockierung der Nase 82 durch die Rastsperre 60. Der Leistungsschalter befindet sich dann in einer stabilen Einschaltstellung der Kontaktstücke 30, 28.
Fließt ein Strom über den Pol, werden die Kontaktfinger verschiedenen Kräften ausgesetzt, die schematisch in 7 dargestellt sind. Zunächst erzeugt der über die Kontaktplättchen 43 fließende Strom im Bereich dieser Plättchen Einschnür-Rückstoßkräfte F_S, deren auf die Schwenkachse 42 der Kontaktfinger 41 wirkendes Kraftmoment versucht, die Kontaktfinger abzuheben. Zweitens erzeugt auch die zweite U-förmige Stromkreisanordnung 90 ein Kraftmoment, das darauf gerichtet ist, die Kontaktfinger 41 zu öffnen. Die in den Kontaktfingern 41 fließenden elektrischen Ladungen sind nämlich durch das Magnetfeld, das von den über die U-Anordnung des feststehenden Kontaktstücks 30 fließenden Ladungen induziert und durch das U-förmige Magnetblech 92 verstärkt wird, elektromagnetischen Kräften ausgesetzt. Diese Kräfte haben eine Resultierende F_L, deren Angriffspunkt zwischen der Achse 42 und den Kontaktplättchen 43 liegt und die versucht, die Kontaktfinger 42 in Richtung der Trennstellung der Kontaktplättchen 43, 45 um die Achse 42 herum zu verschwenken. Drittens üben die Kontaktdruckfedern 38 eine Kraft F_R auf die Kontaktfinger 41 aus, die von dem über den Stromkreis fließenden Strom unabhängig ist und deren auf die Achse wirkendes Kraftmoment darauf gerichtet ist, die beweglichen Kontaktplättchen 43 an das feststehende Kontaktplättchen 45 anzunähern. Viertens erzeugt auch die erste U-Anordnung 88 ein Kraftmoment, das darauf gerichtet ist, die Kontaktplättchen einander anzunähern. Die in den Kontaktfingern 41 fließenden elektrischen Ladungen sind nämlich elektromagnetischen Kräften durch das Magnetfeld ausgesetzt, das von den Ladungen induziert wird, welche die aus den beiden Anschlüssen und den Kontaktfingern bestehende U-Anordnung 88 durchfließen. Diese Kräfte sind annähernd gleichmäßig entlang der Kontaktfinger 41 verteilt und haben eine Resultierende F_C, deren Angriffspunkt daher etwa in der Mitte des Abschnitts liegt, dessen Enden durch die Kontaktplättchen 43 der Kontaktfinger 41 einerseits und durch die Achse 40 andererseits definiert werden. Da die zweite Gelenkachse 42 der Kontaktfinger des beweglichen Kontakts 28 vorteilhaft auf einem Drittel des Abstands zwischen den beiden Anschlüssen 34, 36 der ersten U-Anordnung angeordnet ist, ergibt sich ein Kraftmoment, das darauf gerichtet ist, die Kontaktplättchen 43, 45 einander anzunähern.
Bei kleinen Überlastströmen ist die Summe der durch die Kontaktdruckfedern 38 und durch die erste U-Anordnung 88 erzeugten Kräfte größer als die Summe der durch die Einschnürkräfte auf die Kontaktplättchen 43 und durch die zweite U-Anordnung 90 ausgeübten Kraftmomente. Daher werden die Kontaktplättchen 43, 45 zunächst zusammengehalten. Die Summe der durch die Kontaktdruckfedern und die erste U-Anordnung erzeugten Kräfte nimmt allerdings mit ansteigendem Strom langsamer zu als die Summe der durch die Einschnürkräfte und die zweite U-Anordnung erzeugten Kraftmomente. Aus diesem Grund gibt es einen als Begrenzungs-Schwellwert bezeichneten Wert I_L des über den Pol fließenden Stroms, bei dessen Überschreiten die Summe der durch die Kontaktdruckfedern und durch die erste U-Anordnung erzeugten Kraftmomente kleiner wird als die Summe der durch die Einschnürkräfte und die zweite U-Anordnung erzeugten Kraftmomente.
Sobald der Strom diesen Schwellwert I_L erreicht oder überschreitet, verschwenken die Kontaktfinger 41 um die Achse 42 bis in die in 2 gezeigte Stellung. Das durch das U-förmige Magnetblech im Bereich der Kontaktplättchen der Kontaktstücke verstärkte elektromagnetische Feld begünstigt dabei die Verschiebung des Lichtbogens in Richtung der Lichtbogenlöschkammer, wodurch eine schnelle Begrenzung des über den Pol fließenden Stroms begünstigt wird.
In dieser Phase haben die durch die beiden U-förmigen Stromkreise erzeugten elektromagnetischen Kräfte eine mechanische Gegenkraft F zur Folge, die auf die Achse 42 und den Träger 26 wirkt sowie auf den Mechanismus 10 und schließlich über den Auslösehebel 44 auf die Rolle 64 übertragen wird. In Bezug auf die Schwenkachse 40 des Trägers steht diese Gegenkraft F in linearem Verhältnis zur Summe der Kraftmomente der auf den Träger 26 wirkenden Kräfte und ist damit proportional zur Summe der Werte F_S + F_L + F_C. Die auf die Rolle 64 wirkende Kraft F nimmt mit zunehmendem Wert des über den Leistungsstromkreis fließenden Stroms zu. Die Kraft F bei dem das Verschwenken der Kontaktfinger bewirkenden Schwellwert des über den Pol fließenden Stroms reicht jedoch nicht aus, um ein Verschieben der Ausschaltklinke zu bewirken. Der Kontaktträger verharrt daher in der Einschaltstellung.
Steigt der Strom trotz der durch die Trennung der Kontaktplättchen erzeugten Begrenzungswirkung weiterhin an, nehmen auch die auf den Träger wirkenden elektromagnetischen Kräfte weiter zu, und wenn der über den Pol fließenden Strom einen, über dem ersten Schwellwert liegenden zweiten Schwellwert I_C erreicht, überschreitet die Kraft F den durch die Federn 74, 76 definierten Einstellwert der Ausschaltklinke 50 und beginnt, die Ausschaltklinke 50 im Uhrzeigersinn zu verschwenken.
Zu Beginn der Drehbewegung der Ausschaltklinke bleibt die Nase 82 des Rückhaltehebels 80 im Eingriff mit der Rastsperre 60, jedoch beginnen die Wangen 72 der Ausschaltklinke 50, sich im Uhrzeigersinn um die Achse 58 zu drehen. Ab einer bestimmten Einstellkraft entsprechend dem Selbstentriegelungswert der Rastsperre 60 wirken die Rampen 86 der Wangen 72 der Ausschaltklinke 50 mit der Halbwelle der Rastsperre 60 zusammen und bewirken deren Drehung im Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils F1, derart dass die Rückhaltenase 80 freigegeben und dadurch die Ausschaltklinke in die Entriegelungsstellung (siehe 6) verschoben wird. Durch das Lösen der Rolle 64 wird auch der Auslösehebel 44 freigegeben und bewirkt über die dem Kniehebelsystem 14 zugeordnete Ausschaltfeder 52 das Öffnen der Kontaktstücke 30, 28.
Die Auslösung des Mechanismus' 50 durch das Ausrücken der Ausschaltklinke 50 erfolgt ultraschnell und vor dem Ansprechen des Auslöseorgans 70, das mit einer vom Typ des im Leistungsschalter eingesetzten magnetothermischen oder elektronischen Auslösers abhängigen Ansprechzeit behaftet ist. Durch das Vorhandensein der Ausschaltklinke 50 mit Selbstentklinkung der Rastsperre 60 kann der Leistungsschalter mit einer ultraschnell ansprechenden mechanischen Selbstschutzfunktion ausgerüstet werden, ohne dass der unverzögerte Kurzschlussschutz des Auslösers dadurch beeinträchtigt wird.
Die Federn 74, 76 sind so eingestellt, dass der Schwellwert I_C etwa 110% von I_L beträgt. Die ultraschnelle Selbstentriegelung des Mechanismus' 10 erfolgt bei sehr hohen Stromwerten, insbesondere oberhalb von 100 kA. Der Leistungsschalter ist somit unverändert im wesentlichen ein selektiver Leistungsschalter mit hoher elektrodynamischer Festigkeit. Seine Strombegrenzungseigenschaft wird erst oberhalb von 90% seines Selektiv-Ansprechwerts wirksam. Aufgrund dieser Strombegrenzungseigenschaft besitzt er ein ausgezeichnetes Ausschaltvermögen.
Die verhältnismäßig kleine Änderung des Stroms zwischen I_L und I_C entspricht einer großen Änderung der Kraft F, da alle drei Komponenten F_S, F_L und F_C direkt stromabhängig sind. Es ist daher einfach, die Federn 74, 76 auf die gewünschte Federkraft einzustellen und jede Gefahr eines Ansprechens der Selbstentriegelung vor Erreichen des Begrenzungs-Schwellwerts zu verhindern.
8 zeigt beispielhaft den zeitlichen Ablauf eines Ausschaltvorgangs bei Auftreten eines Kurzschlussstroms. Zum Zeitpunkt t₁ fließt der Strom I_L über den Pol: Die Kontaktfinger beginnen sich zu trennen, und es entsteht eine Lichtbogenspannung U_arc, die in erster Näherung mit dem Abstand X zwischen den Kontaktplättchen ansteigt. Zum Zeitpunkt t₂ sind die Kontaktfinger weit genug geöffnet und der Lichtbogen lang genug um zu erreichen, dass der Lichtbogen durch den U-förmigen Magnetkreis in die Lichtbogenlöschkammer gedrückt wird. Von diesem Zeitpunkt an nimmt die Lichtbogenspannung rasch zu. Die Kontaktfinger setzen ihre Rückzugsbewegung fort und erreichen zum Zeitpunkt t₃ ihre maximale Rückzugstellung X_R gemäß 3. Zum Zeitpunkt t₄ erreicht der Strom einen Wert I_C, bei dem sich die Ausschaltklinke in Bewegung setzt. Allerdings ändert sich der Abstand zwischen den Kontaktplättchen nicht eher, bis die zur Kompression der Federn 74, 76 erforderliche mechanische Arbeit geliefert wird. Das Öffnen des Schaltmechanismus' durch Freigabe der Ausschaltsperre 60 erfolgt erst zu dem nach t₄ liegenden Zeitpunkt t₆. Innerhalb der Zeitspanne zwischen t₄ und t₆ steigt die Lichtbogenspannung durch Ausbreitung des Lichtbogens in der Löschkammer weiter an, bis sie zum Zeitpunkt t₅ die Netzspannung erreicht und anschließend überschreitet. Zum Zeitpunkt t₅ erreicht der begrenzte Strom seinen Maximalwert. Das Öffnen des Schaltmechanismus' 10 zum Zeitpunkt t₆ erfolgt also in einer Phase, in der der Strom abnimmt, wodurch eine verhältnismäßig langsame Öffnungsbewegung gewährleistet wird, die die Endanschläge der beweglichen Teile des Mechanismus' 10 schont. Am Ende des Öffnungsvorgangs erreichen die Kontaktplättchen 43 ihre in 3 gezeigte Stellung in einem Abstand X_o vom feststehenden Kontaktplättchen.
Bei der Ausgestaltung nach 1 bis 6 erfolgt die Relativbewegung zwischen den Wangen 72 und dem Rückhaltehebel 80 der Ausschaltklinke 50 durch Drehung um einen kleinen Winkel. Selbstverständlich kann diese Relativbewegung auch durch eine geradlinige Verschiebung in einem Langloch erfolgen.
Zur Vereinfachung wurde das obige Ausführungsbeispiel anhand der in einem Pol auftretenden Kräfte beschrieben. Bei einem mehrpolig ausgeführten Leistungsschalter hängt die auf die Rollen wirkende Kraft F jedoch von der Beanspruchung aller Pole ab.

Claims

Niederspannungs-Leistungsschalter mit hoher elektrodynamischer Festigkeit, der • ein Chassis (12), • einen oder mehrere Pole mit • zwei Kontaktstücken, die ein bewegliches Kontaktstück (28) und ein anderes Kontaktstück (30) umfassen, wobei das bewegliche Kontaktstück (28) einen in Bezug zum Chassis (12) zwischen einer Ausschaltstellung und einer Einschaltstellung bewegbaren Träger (26) sowie einen oder mehrere in Bezug zum Träger (26) zwischen einer Kontaktstellung mit dem anderen Kontaktstück und einer zurückgezogenen Stellung bewegbare Kontaktfinger (41) umfasst, • elektromagnetischen Kompensationsmitteln (88) zur Beaufschlagung des bzw. der Kontaktfinger mit elektromagnetischen Kräften, die darauf gerichtet sind, den bzw. die Kontaktfinger in Kontakt mit dem anderen Kontaktstück zu halten, • eine Ausschaltfeder (52), die dazu ausgelegt ist, sich durch Übergang von einer Gespannt-Stellung in eine Entspannt-Stellung zu entspannen • eine kinematische Kette, die mit der Ausschaltfeder (52) und mit den zwei Kontaktstücken (28, 30) so zusammenwirkt, dass durch die Entspannung der Ausschaltfeder (52) der Träger (26) in seine Ausschaltstellung verbracht wird, welche kinematische Kette ein kinematisches Kopplungselement (24) zur Verbindung mit dem Träger umfasst, • einen Ausschaltmechanismus (10) mit einer Ausschaltsperre (60), die dazu ausgelegt ist, eine Verriegelungsstellung einzunehmen, in der sie die Entspannung der Ausschaltfeder (52) verhindert, und die Ausschaltfeder (52) durch Verlassen der Verriegelungsstellung freizugeben, • sowie Betätigungsmittel umfasst, die mit dem beweglichen Kontaktstück (28) und mit der Ausschaltsperre (60) zusammenwirken, um den ultraschnellen Übergang der Ausschaltsperre (60) in ihre Entriegelungsstellung zu bewirken, wenn die Resultierende der vom Träger (26) auf das kinematische Kopplungselement (24) ausgeübten Kräfte einen bestimmten, der ultraschnellen Abschaltung zugeordneten Ansprechwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass • der Pol bzw. die Pole elektromagnetische Begrenzungsmittel (90) zur Beaufschlagung des bzw. der Kontaktfinger (41) mit elektromagnetischen Kräften umfassen, die darauf gerichtet sind, den bzw. die Kontaktfinger (41) in ihre zurückgezogene Stellung zu bringen, und dass • die elektromagnetischen Kompensationsmittel (88) und die elektromagnetischen Begrenzungsmittel (90) so ausgebildet sind, dass der bzw. die Kontaktfinger (41) in Kontakt mit dem anderen Kontaktstück (30) gehalten werden, wenn der über die zwei Kontaktstücke (28, 30) fließende Strom unterhalb eines so genannten Begrenzungs-Schwellwerts liegt, und dass oberhalb des genannten Schwellwerts der bzw. die Kontaktfinger (41) in ihre zurückgezogene Stellung überführt werden, und dass • die Resultierende der durch den Träger (26) auf das kinematische Kopplungsglied (24) ausgeübten Kräfte unterhalb des Ansprechwerts der ultraschnellen Abschaltung liegt, wenn der Wert des über das bewegliche Kontaktstück (28) fließenden Stroms den Begrenzungs-Schwellwert erreicht.
Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsmittel Federmittel (74, 76) umfassen, die den genannten Ansprechwert der ultraschnellen Abschaltung definieren.
Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel (74, 76) so eingestellt sind, dass die ultraschnelle Abschaltung erfolgt, nachdem der begrenzte Strom seinen Maximalwert erreicht hat.
Leistungsschalter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pol bzw. die Pole eine Lichtbogenlöschkammer (35) und einen Magnetkreis (92) zur Erzeugung eines Magnetfelds umfassen, dessen Stärke von dem über das andere Kontaktstück (30) fließenden Strom abhängt und das so gerichtet ist, dass es auf den bei Trennung der Kontaktstücke (28, 30) entstehenden Lichtbogen Kräfte ausübt, die versuchen, den Lichtbogen in die Lichtbogenlöschkammer (35) zu leiten.
Leistungsschalter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (26) relativ zum Chassis (12) um eine feststehende Achse (40) gedreht werden kann und dass die Kontaktfinger (41) um eine, mit dem Träger verbundene Achse (42) verschwenken und durch eine oder mehrere, mit dem Träger (26) zusammenwirkende Rückstellfedern (28) in die Kontaktstellung zurückgeführt werden.