DE942455C - Elektrischer UEberstromselbstschalter fuer Wechselstrom - Google Patents

Description

An den Schaltstücken von Überstromselbstschaltern treten beim Durchgang von Kurzschlußströmen elektrodynamische Kräfte auf, die im Sinne einer Kontaktabhebung wirken, d. h., die be-S weglichen Schaltstücke entgegen dem Kontaktfederungsdruck von den festen abheben oder, wenn keine vollständige Abhebung eintritt, zum mindesten den Übergangswiderstand an der Kontaktstelle auf ein Vielfaches des normalen erhöhen, ίο Hierdurch kann eine Verschweißung der Schaltstücke eintreten, die das Ausschalten des'Schalters verhindert. Besonders sind Wechsel- und Drehstromschalter gefährdet, weil bei diesen die Kontaktabhebungen mit der doppelten Frequenz des Wechselstromes, also bei 50 Hz hundertmal in der Sekunde auftreten. Da die Zeit vom Auftreten des Kurzschlusses bis zum Auslösen des Schalterschlosses und zur Einleitung der Ausschaltbewegung der Schaltstücke meistens ein Mehrfaches von V₁₀₀ Sekunde beträgt, so werden während dieser Zeit die Schaltstücke abwechselnd abgehoben und wieder geschlossen, (»Schnattern«), wobei der bei jeder Abhebung zwischen den abgehobenen Schaltstücken auftretende Kurzschlußlichtbogen die Schaltstücke durch starken Abbrand schädigt und das Zusammenschweißen des beweglichen Schalt--Stückes mit dem festen beim Wiederauftreffen auf letzteres begünstigt.

Es sind zahlreiche Vorschläge bekannt, um-die elektrodynamische Kontaktabhebung von Überstromschaltern zu beheben oder unschädlich zu machen. Zum Beispiel hat man die Schaltstücke «ils Solenoid-Kontakt ausgebildet, deren gegenseitige elektromagnetische Anziehungskraft die ' elektrodynamische Abh.ebekr.aft aufheben soll. Zu demselben Zweck hat man an den beweglichen Schaltstücken Magnetanker angeordnet, die von ihren

ίο gegenüberliegenden, an den festen Schaltstücken angeordneten und durch den Kurzschlußstrom erregten Magnetschenkeln angezogen werden. Diese und ähnliche Mittel wirken jedoch nur bis zu einer gewissen nicht sehr großen Stromstärke; darüber hinaus versagen sie, weil sie entweder nicht ausreichen, um den Kontaktdruck aufrechtzuerhalten, oder aber, selbst wenn sie hierzu in der Lage sind, nicht verhindern können, daß bei noch größeren Stromstärken die an der Kontaktstelle erzeugte

ao Wärme so groß wird, daß die Schaltstücke trotzdem zusammenschweißen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine Kompensation der elektrodynamischen Abhebekräfte durch zusätzliche entgegenwirkende elektromagnetische Kräfte, nicht oder nur in be-. · schränktem Maße zum Ziele führt und daß es statt dessen richtiger ist, dafür zu sorgen, daß die abgehobenen Schaltstücke verhindert werden, sich wieder auf ihre Gegenschaltstücke aufzulegen und dadurch eine Verschweißung herbeizuführen oder durch wiederholte Abhebungen starken Kontaktabbrand zu verursachen. Gemäß der Erfindung werden daher vom Kurzschlußstrom erregte Elekfcromagnete vorgesehen, durchderen'Ansprechen bei oder vor Erreichung der -elektrodynamischen Abhebestromstärke Kontaktsperrglieder betätigt werden, die die beweglichen Schaltstücke in abgehobener Lage vor der endgültigen Ausschaltstellung gegen Rückgang in die Einschaltlage sperren. Bei Anwendung dieser Maßnahme auf Wechsel- und Drehstromschalter ist es besonders vorteilhaft, wenn dafür gesorgt wird, daß beim Auftreten eines Kurzschlusses diese Sperrglieder bereits bei der ersten Kontaktabhebung wirksam' werden, damit jede Schnatterbewegung der Kontakte verhindert wird und überhaupt keine Wiederberührung des bei einem bestimmten Wert der ersten Halbwelle des Kurzschlußstromes abgehobenen Schaltstückes mit dem festen Schaltstück eintreten kann. Zu diesem Zweck werden alle durch die elektromagnetische Wirkung des Kurzschlußstromes unmittelbar oder mittelbar betätigten, an der Sperrbewegung beteiligten Glieder in ihren Maßen und Trägheitsmomenten so klein gehalten, daß die hierfür erforderliche hohe Geschwindigkeit des Einsetzens der Sperrung gewährleistet ist. Durch diese schnelle Bewegung kommen die Sperrglieder unter Umständen den Schaltstücken in deren Bewegung zuvor und üben eine zusätzlich abhebende Kraft auf die Schaltstücke aus. Dies ist für die Sicherheit und die Geschwindigkeit des Abschaltvorganges von großem Vorteil, denn dadurch werden nicht nur etwa im Entstehen begriffene Schweißstellen schlagartig getrennt, sondern auch die Schältgeschwindigkeit erhöht, so daß die elektrodynamische und thermische Beanspruchung aller Teile der Kurzschlußstrombahn verringert wird..

Die zur Betätigung der Sperrglieder dienenden Elektromagnete können gegebenenfalls zugleich als Kurzsehlußauslöser oder auch als Lichtbogenblasmagnete oder beides· ausgebildet sein.

Die weitere Ausbildung der Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Fig. 1 und 2.erläutert.

Fig. ι zeigt einen Überstromselbstschalter, z. B. in dreipoliger Ausführung für Drehstrom, von der Seite gesehen in der normalen Einschaltstellung;

Fig. 2 stellt die für die Erfindung wesentlichen ' Teile unmittelbar nach dem Auftreten eines Kurz-· Schlusses im Augenblick der Kontakttrennung, nach dem Ansprechen der -elektromagnetischen Sperrglieder dar, ehe die Auslösung des Schalterschlosses erfolgt ist.

Die ankommende Kontaktschiene c des allein sichtbaren rechten Schalterpoles -ist als Erregerwindung um einen Magnetkern b herumgeführt, wobei ihr linker Teil das feste Schaltstück c bildet. Das bewegliche Schaltstück d ist um' seinen Lagerpunkt p in einem U-förmig gebogenen Kontakttragbügel i schwenkbar befestigt, der seinerseits um die Achse 0 drehbar ist. Die Achse 0 ist mit ihren Enden in zwei zu beiden Seiten-des Schalters angeordneten Lagerplatten η drehbar gelagert, von denen nur die rechte sichtbar ist. Das bewegliche Schaltstück d ist gegen den Kontakttragbügel i durch eine Kontaktdruckfeder g abgefedert, die auf einem in dem Bügel i befestigten Federbolzen h aufgewickelt ist. Der Schalter wird durch Schwenken des Schaltergriffes r geschaltet, der über ein nicht dargestelltes Schaltschloß mit Freiauslösung die Welle m dreht, die ihrerseits über Kniehebel k, j die Kontakttragbügel i der drei Schalterpole beim Einschalten im Uhrzeigersinne dreht.

Beim Durchgang von Kurzschlußströmen wirken auf die beweglichen Schaltstücke d der vom Kurz-Schluß betroffenen Schalterpole elektrodynamische Kräfte ein, die den Kontaktdruck verringern und zu einer Abhebung der beweglichen Schaltstücke d von den festen c unter Zusammendrückung der Kontaktdruckfeder g um einen im allgemeinen geringen Betrag führen können.

Um die möglichen Auswirkungen dieser kontaktabhebenden Kräfte unschädlich zu machen, ist der Magnetkern b beiderseits mit Magnetschenkeln χ versehen, an denen ein um die Achse w drehbarer Magnetanker ν angelenkt ist. Ein Sperrstift/ ist in dem Anker ν einerseits und in einem Steg y andererseits längs verschiebbar gelagert" und mit einer Druckfeder μ umwickelt, die sich einerseits -gegen den Steg y, andererseits gegen einen am Sperrstift f festen Kragen ζ abstützt.

Die Einrichtung wirkt wie folgt:. Durchfließt ein · Kurzschlußstrom gefährlicher Größe den Schalter, so werden in den betroffenen Schalterpolen die Anker υ sehr schnell· angezogen und übertragen ihre Bewegung auf die zugehörigen Sperrstifte /, so daß

diese gegen die Kraft der Druckfedern u nach links getrieben werden. Die in der ersten oder einer späteren Abhebung begriffenen oder bereits abgehobenen beweglichen Schaltstücke d werden dabei von den Sperrstiften / auf ihrem Hin- oder Rückweg getroffen und gegebenienfall's unter Weiterbewegung nach links in die Stellung d' der Fig. 2 bewegt, wobei am Ende dieser Bewegung die Anker ν durch die Sperrklinkenhebel t in der anlo' gezogenen Lage gesperrt werden. Damit sind die beweglichen Schaltstücke d an der Rückkehr in die Einschaltstellung gehindert. Der Schalter wird sodann in der bei Überstromselbstschaltern gebräuchlichen Weise durch Auslösen des Schalter-Schlosses infolge des Ansprechens der eingebauten Kurzschlußauslöser ausgelöst und alle drei beweglichen Kontakte d in die gestrichelt angedeutete Ausschaltstellung d" bewegt.

Werden die Trägheitsmomente der bewegten Teile f, ν klein genug gehalten, so gelingt es, die Ansprechgeschwindigkeit der Sperrglieder so zu steigern, daß die Rückkehr der beweglichen Schaltstücke bei Wechselstrom bereits bei der ersten Kontaktabhebung nach Einsetzen des Kurzschlusses verhindert wird, zumal wenn man den Elektromagneten b, χ, ν so bemißt und einstellt, daß er bereits bei einer Stromstärke anspricht, die um einen gewissen. Betrag unterhalb der elektrodynamisch gefährlichen Stromstärke liegt.

Man kann gemäß der weiteren Erfindung den Hauptstromelektromagneten so ausbilden, daß er auch als Kurzschlußauslöser bei geringeren Kurzschlußströmen wirkt und bei seinem Ansprechen das Schalterschloß auslöst, z. B. indem ein zusammen mit dem Sperrklinkenhebel t bewegter Auslösehebel ί auf eine Auslöseklinke q des' Schalterschlosses trifft und dieses auslöst. Hierdurch werden in bekannter Weise die Kniehebel k, j zum Einknicken gebracht und die Kontakttragbügel i gegen den Uhrzeigersinn geschwenkt, wobei sie nach Auftreffen auf die beweglichen Schaltstücke d diese in die gestrichelte Stellung d" mitnehmen. Durch Verlängerung der Magnetschenkel χ nach links ist es ferner möglich, die Schenkel zu Lichtbogenblaspolen e auszubilden.

Die Einrichtung nach der Erfindung, die für Schalter jeder Polzahl, Stromart, Nennstromstärke und Betriebsspannung geeignet ist, macht nicht nur die kontaktabhebenden Kräfte unschädlich, indem sie die mit jedem starken Kurzschluß ohnedies zwangläufig verknüpften, meistens schädlich wirkenden magnetischen Kräfte in nützliche Bahnen lenkt, sondern bringt auch eine Reine weiterer Vorteile mit sich. Zum Beispiel kann der Kontaktdruck, der bisher bei Überstromschaltern mit Rücksicht auf die elektrodynamischen Kräfte verhältnismäßig sehr hoch gewählt werden mußte, bedeutend ermäßigt werden, und zwar genügt es, bei Schaltern nach der Erfindung den Kontaktdruck nur gerade so groß zu halten, daß die Kontakte sich bei Nennstrom nicht übermäßig erwärmen. Daher können auch die Schloß- und mechanischen Antriebsteile, Einschaltmagnete u. dgl. ebenfalls schwächer gehalten werden. Da infolge der zulässigen Verringerung des Kontaktdruckes die von den Sperrgliedern beim Ansprechen zu überwindenden Kontaktdruckfedern entsprechend schwächer sein können, können andererseits auch die die Sperrung bewirkenden 'Elektromagnete entsprechend kleiner gehalten werden. Die Einrichtung nach der Erfindung läßt sich daher nicht nur mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand ausführen, sondern sie zeichnet sich auch durch besonders schnelles Ansprechen aus, zumal es genügt, die Sperrung der beweglichen Schaltstücke in einem gegenüber Fig. 2 wesentlich verringerten Abstand von z. B. wenigen Millimetern oder gar Bruchteilen eines Millimeters vom festen Schaltstück vorzunehmen, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Dadurch können wiederum der Ankerluftspalt besonders klein gehalten, die An-Sprechzeit verkürzt und der für den Elektromagneten erforderliche Aufwand verringert werden. Fig. 3 zeigt die Wirkungsweise der Einrichtung nach der Erfindung an einem grundsätzlichen Oszillogramm des Kurzschlußstromes. Bei den üblichen Schaltern verläuft der auftretende Kurzschlußstrom zunächst nach der Kurve J bis zum Punkt i. Wenn keine elektrodynamische Kontaktabhebung auftreten würde, würde der Kurzschlußstrom nach der gestrichelten Kurvet weiter verlaufen. Da aber bei der im Punkt 1 erreichten Stromstärke die Kontakte abgehoben werden, verringert sich der Strom um einen kleinen, dem Lichtbogenwiderstand zwischen den abgehobenen Kontakten entsprechenden Betrag, so daß er etwa nach der ausgezogenen Kurve B verläuft. In Punkt 2 des absteigenden Astes der Stromkurve B schließen sich die Kontakte wieder und bleiben bis zur Erreichung des Punktes 3 geschlossen, wo wiederum Kontaktabhebung erfolgt. Bei Punkt 4 schließen sich die Kontakte wieder usw. Wenn beispielsweise durch Ansprechen'der normalen Kurzschlußauslöser und Öffnen des Schalterschlosses die Schaltstücke, falls sie nicht durch ihre Schnatterbewegung zusammengeschweißt sind, nach etwa zwei Halbperioden im Punkt 5 der Stromkurve ihre normale Ausschaltbewegung beginnen, so verläuft der Rest des Kurzschlußstromes als Lichtbogenstrom nach der Kurve D und erlischt beim nächsten Stromnulldurchgang.

Durch die Einrichtung nach der Erfindung erfolgt das Ansprechen der Sperrglieder z. B. nach Abheben der Kontakte im Punkt 7. Die Sperrglieder halten nach ihrer Verklinkung durch den Klinkenhebel t die beweglichen Schaltstücke d in abgehobener Lage, z. B. in sehr geringem Abstand von den festen Schaltstücken c fest und verhindern hierdurch das Wiederauftreffen der beweglichen Schaltstücke auf die festen. Der Kurzschlußstrom fließt also zwischen den abgehobenen Schaltstücken etwa nach der strichpunktierten Kurve E weiter, bis nach Auslösen des Schlosses die übliche Ausschaltbewegung der Schaltstücke d im Punkt 5 einsetzt und der Lichtbogen gleichfalls etwa nach der Kurve D verläuft.

Vorteilhafter ist es jedoch, die Ansprechstromstärke der Sperrglieder bereits in den Punkt 6 zu

verlegen und die durch die Sperrglieder bewirkte Trennstrecke zwischen den Kontakten etwas größer zu bemessen. Es wird dann durch die schlagartig eingeschaltete größere Kontaktöffnungsstrecke der Lichtbogenwiderstand so plötzlich in den Kurzschlußstromkreis eingeschaltet, daß der Höchstwert der Stromkurve bedeutend verringert und der Lichtbogen beim ersten Nulldurchgang des Lichtbogenstromes zum Erlöschen gebracht wird. Der ίο Kurzschlußstrom verläuft also in diesem Falle vom Punkt 6 an nach der punktierten Kurve C.

Dadurch wird nicht nur die Dauer des Kurzschlußstromes auf einen Bruchteil der normalen herabgesetzt, sondern auch der. Höchstwert des. Stromes und damit seine elektrodynamische Wirkung, die mit dem Quadrat des Stromhöchstwertes steigt, auf einen Bruchteil verringert. In noch höherem Maße werden die Stromwärmewirkungen in allen Teilen der Kurzschlußstrombahn herabgedruckt, da diese von der Größe Ji¹H abhängig sind, und, wie man erkennt, nicht nur die Höhe des Stromes i, sondern auch seine Dauer auf einen Bruchteil der bei normalen Schaltern auftretenden heruntergedrückt werden. Es werden also alle Teile der Strombahn, z. B. auch Stromwandler, Kabelendverschlüsse, Meßinstrumente, Trennschalter und andere kurzschlußempfmdliche Geräte gegen die Kurzschlußwirkungen geschützt und können daher gegebenenfalls schwächer ausgebildet werden. Die Kurzschlußfestigkeit von in der Kurzschlußbahn liegenden Wärmeauslösern wird um «in Vielfaches gesteigert.

Diese erheblichen Vorteile sind schlechthin für alle Überstromselbstschalter von Bedeutung, insbesondere auch für Schalter, die an Stellen eingebaut werden, wo schnellste und sicherste Abschaltung erforderlich ist, wie z. B. in schlagwetter- oder explosionsgefährdete'n Anlagen, wo die Auswirkungen des Kurzschlußlichtbogens an der Kurz-Schluß stelle so gering und kurzzeitig gehalten werden müssen· wie irgend möglich. Natürlich sind die Schalter nach der Erfindung auch dort besonders geeignet, wo aus Selektivitätsgründen besonders schnelle Abschaltung erforderlich ist, z. B. um gegenüber vorgeschalteten Überstromschaltern der üblichen Bauart eine selektive Abschaltung zu erzielen, ohne deren Auslösezeit verlängern zu müssen, oder um das Durchbrennen vorgeschalteter Schmelzsicherungen zu vermeiden usw. Schließlich wird· auch die für den Einbau an einer bestimmten Stelle eines Netzes maßgebende Schaltleistung des Schalters bedeutend gesteigert, da ja nicht nur die Schweißgefahr infolge elektrodynamischer Kontaktabhebung restlos beseitigt ist, sondern auch die Dauer und die Höhe des Kurzschluß stromes gegenüber den bekannten Schaltern auf einen Bruchteil heruntergedrückt sind, so daß hinter einem Schalter 'nach der Erfindung an einer bestimmten Stelle eines Netzes ein Kurzschlußstrom von der Höhe, wie er hinter einem der bekannten Schalter auftreten würde, gar nicht mehr zustande kommen kann.

Die Sperrung der Sperrstifte / und des Auslösehebels j durch die Klinke t wirkt zugleich als Kurzschlußsperre gegen "unmittelbares Wiedereinschalten des Schalters auf den bestehenden Kurzschluß und kann mit einer Kurzschlußanzeigevorrichtung verbunden sein. Soll, zweckmäßig nach Behebung der Kurzschlußursache, -der Schalter wieder eingeschaltet werden, so muß zuvor diese Sperre gelöst werden. Hierzu kann gemäß der weiteren Erfindung eine Entsperrvorrichtung, z. B. in Form eines willkürlich zu betätigenden Hebels, Druckknopfes od. dgl, angeordnet sein, die bei ihrer Betätigung auf einen auf der gemeinsamen Achse des Klinkenhebels t und des Auslösebebels j befestigten Hebel in Pfeilrichtung drückt, so daß die Hebel t und s im Uhrzeigersinn gedreht werden und dadurch dem Anker ν gestatten, unter dem Druck der Feder u in seine Ausgangslage zurückzukehren, sowie durch Druck auf die Auslöseklinke q das Schaltschloß entklinkt halten. Infolgedessen kann der Schalter nicht wieder eingeschaltet, werden, ehe dieser Entsperrdruckknopf losgelassen und die Einrichtung wieder arbeitsbereit ist. Erst dann kann das Schaltschloß wieder einklinken und bei der Einschältbewegung des Schaltergriffes r die beweglichen Kontakte in die Einschaltstellung bringen. Hierdurch wird ein Schutz gegen Pumpen des Schalters, z. B. bei Fernbetätigung, erreicht.

Will man eine solche besondere Betätigung der go Entsperrvorrichtung vermeiden, so kann man die Entsperrvorrichtung auch derart mit dem Schaltergriff r" kuppeln, daß sie durch eine' Bewegung des Schaltergriffes betätigt wird, z. B. durch eine Rückholbewegung des Schaltergriffes vor dem Einschalten oder durch den ersten Teil der Einschaltbewegung selbst. Sollte eine Kurzschlußsperre überhaupt nicht erwünscht sein, so kann man die Entsperrvorrichtung auch so ausbilden, daß sie durch die beim Auslösen des Schalters bewegten Schloß- oder sonstigen Schalterteile betätigt wird. Dann ist der Schalter unmittelbar nach jeder Kurzschlußauslösung wieder einschaltbereit. Der Schutz gegen Pumpen geht dabei allerdings verloren.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrischer Überstromselbstschalter für Wechselstrom mit jzum Schutz gegen die Schweißwirkung kontaktabhebender elektrodynamischer Kräfte vorgesehenen, vom Hauptstrom erregten Magneten, .dadurch gekennzeichnet, daß diesen Magneten. (&, z/). Kontaktsperrgliedef (/) zugeordnet sind, die, durch das Ansprechen der Magnete (b, v) bei oder vor Erreichung der elektrodynamischen Abhebestromstärke betätigt, die beweglichen ■ Schaltstücke (d) -in abgehobener Lage' vor - der endgültigen Ausschaltstellung gegen Rückgang in die Einschaltlage sperren.

2. Elektrischer Überstromselbstschalter nach Anspruch r, gekennzeichnet durch eine derartige

■ Ausbildung undAnordnung der elektromagnetisch . betätigten Sperrglied*-r (/), daß sie auf die beweglichen Schaltstücke (d) in deren Abheberich-

tung unmittelbar auftreffen, sie gegebenenfalls um eine im Verhältnis zu der normalen Ausschaltstrecke kleine Strecke weiterbewegen und in dieser Stellung durch eine Klinke (i) festgehalten werden.

3. Elektrischer Uberstromselbstschalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet·, daß die Trägheitsmomente der bewegten Elektromagnetteile (v) und der von diesen angetriebenen Sperrglieder (/) so gering bemessen sind, daß die Sperrung bei Wechselstrom bereits bei oder vor der ersten Kontaktabhebung eintritt.

4. Elektrischer Uberstromselbstschalter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

iS daß die Elektromagnete (b, v) zugleich als Kurzschlußauslöser ausgebildet sind, die beim Ansprechen die Auslösung des Schalter Schlosses bewirken.

5. Elektrischer Uberstromselbstschalter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete zugleich als Blasmagnete (e) ausgebildet sind.

6. Elektrischer Uberstromselbstschalter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Entsperrung der. Sperrglieder (/) angeordnete Vorrichtung so ausgebildet ist, daß bei ihrer Betätigung das Wiedereinschalten des Schalters erst dann möglich wird, wenn die Sperrglieder (/) und ihre Verklinkungsglieder (i) ihre ansprechbereite Lage wieder eingenommen haben, z. B. in Form eines willkürlich zu betätigenden Entsperrdruckknopfes, der beim Drücken auf einen Entsperrhebel den Klinkenhebel (t) in der Entsperrichtung und den Auslösehebel (s) in der Auslöserichtung bewegt und erst beim Loslassen beide Hebel freigibt.

7, Elektrischer Uberstromselbstschalter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entsperrvorrichtung derart mit dem Schaltergriff (r) gekuppelt ist, daß sie durch eine Bewegung des Schaltergriffes vor dessen Einschaltbewegung, z. B. eine Rückholbewegung, oder zu Beginn der Einschaltbewegung des Schaltergriffes durch diese selbst betätigt wird.

8. Elektrischer Uberstromselbstschalter nach ■ den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entsperrvorrichtung so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie durch die beim Auslösen des Schalters bewegten Teile betätigt wird.

Angezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 368 167, 380 254, 544, 610 224, 702 993;

USA.-Patentschrift Nr. 1 512 064;

SSW Preisliste S. 27,, VII. Teil, April· 1940, S. 5

und

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 703 4.