EP0199668A2 - Strombegrenzende Schalteinheit mit einer Kontaktbrückenanordnung - Google Patents

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EP0199668A2
EP0199668A2 EP86730061A EP86730061A EP0199668A2 EP 0199668 A2 EP0199668 A2 EP 0199668A2 EP 86730061 A EP86730061 A EP 86730061A EP 86730061 A EP86730061 A EP 86730061A EP 0199668 A2 EP0199668 A2 EP 0199668A2
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EP
European Patent Office
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contact
arrangement
carrier
switching unit
force
Prior art date
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EP86730061A
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English (en)
French (fr)
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EP0199668A3 (en
EP0199668B1 (de
Inventor
John M. Brown
David P. Mcclellan
Gustave E. Heberlein, Jr.
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP0199668A3 publication Critical patent/EP0199668A3/de
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H77/00Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting
    • H01H77/02Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism
    • H01H77/10Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening
    • H01H77/102Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening characterised by special mounting of contact arm, allowing blow-off movement
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00Contacts
    • H01H1/12Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20Bridging contacts
    • H01H1/2083Bridging contact surfaces directed at an oblique angle with respect to the movement of the bridge
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H73/00Protective overload circuit-breaking switches in which excess current opens the contacts by automatic release of mechanical energy stored by previous operation of a hand reset mechanism
    • H01H73/02Details
    • H01H73/04Contacts
    • H01H73/045Bridging contacts

Definitions

  • the invention relates to a current-limiting switching unit with a contact bridge arrangement which can be part of a circuit breaker or which can be connected as a separate unit in series with an existing circuit breaker.
  • Circuit breakers are widely used to protect electrical distribution systems against damage from overload or fault currents. Over the years, as the performance of power grids has increased, it has become necessary to increase the switching capacity of the circuit breakers to adequately protect an electrical distribution system. In order to provide this level of protection in an economical manner, current limiting circuit breakers have been developed which limit the amount of fault current to a much lower level than the current source can provide.
  • Circuit breakers require sufficient contact force to reduce the resistance between the contacts and the resistance heating in the normally closed state to such an extent that the required heating limits are observed.
  • This contact force is generally obtained by tension or compression springs which are arranged on the contact members or otherwise in such a way that they exert a force on the contact members.
  • the contacts open independently of other parts of the drive mechanism in order to achieve the current-limiting effect and stretch or compress the springs in relation to their normal position in the course of the process. The force provided by these springs thus has an inhibiting effect on the current-limiting effect by considerably reducing the acceleration of the contact elements and the extent of the current limitation.
  • US-A-4 409 573 describes a circuit breaker with a current limiting device.
  • the current-limiting contacts open due to a fault current and are blocked in the open position.
  • the switch is then reset using the operating handle.
  • a higher current limitation can be achieved in that current-dependent opening contacts are connected in series with the circuit breaker.
  • This arrangement is described in US-A-4,458,224.
  • the current-dependent opening contacts are designed so that they close automatically under the action of bias springs, which also provide the required contact force.
  • the current-dependent opening force is obviously a function of the size of the current and the length of parallel current paths. Therefore, the opening force in this arrangement is limited by the size of the circuit breaker housing. It would therefore be desirable to create a large opening force in order to separate the contacts more quickly due to a fault current, without increasing the dimensions of the switch housing.
  • US-A-3 991 391 and US-A-4 132 968 describe a current-limiting circuit breaker with a magnetic drive arrangement (slot motor). With this arrangement, the response threshold of the fault current which causes a current limitation is raised, while the degree of current limitation is maintained at high overcurrents by arranging a thin saturable magnetic steel plate at the open end of the magnetic drive arrangement. In the event of an overcurrent above a threshold value, the plate shunts most of the magnetic flux and prevents the generation of a magnetic dynamic force on the contact arm.
  • the overcurrent generates a magnetic flux sufficient to saturate the plate and thereby brings an additional magnetic flux into the air gap, where it interacts with the contact arm and pulls it into the slot to effect the current limitation in the usual way.
  • This arrangement changes the normal response to low level fault currents. Accordingly, it would be desirable to provide a circuit breaker whose contacts respond equally quickly to low or high level fault currents.
  • US-A-4 001 738 describes a circuit breaker with an electrodynamically acting repulsion arrangement.
  • the circuit breaker has a magnetic circuit excited by the flowing current and an induction plate movable with the movable contact of the switch.
  • the sudden increase in the fault current causes secondary currents in the induction plate, the induction plate being in the air gap of the magnetic circuit when the contacts are closed.
  • the secondary currents endeavor to displace the induction plate from the gap and thereby forcefully push the movable contact away from the magnetic circuit. This increases the repulsive forces for a given current and consequently causes the contacts to open quickly.
  • the contacts form a double loop current path, i. H.
  • the object of the invention is to design a current-limiting switching unit in such a way that it responds quickly to residual currents of relatively low level as well as to residual currents of relatively high level while maintaining a sufficient contact force in the closed state.
  • the switching unit should have a space-saving and reliable construction with a high switching capacity.
  • the arrangement for reducing the pretensioning force provides a device for abruptly reducing the pretensioning force after passing through a certain part of the opening path of the Movable contact bridge arrangement and at least one armature arrangement for reducing the contact force depending on the current flowing through the switching unit.
  • This current-dependent component can be dimensioned such that it is particularly effective at relatively low fault currents.
  • the step characteristic is advantageous because it ensures rapid contact opening even when the current forces alone do not result in a very high speed of the contacts.
  • the abrupt behavior of the switching unit can be achieved in an advantageous manner in that the above-mentioned device attaches at least one contact carrier to a contact bridge orderly cam surface, at least one carrier roller guided on the contact carrier and at least one spring biasing the carrier roller against the cam surface, the cam surface being inclined to the direction of movement of the contact bridge arrangement during opening and closing.
  • the movement behavior of the contact bridge can be specifically influenced by the choice of the angle of inclination.
  • the device for achieving the abrupt movement sequence can comprise two carrier rollers which engage the carrier in a symmetrical arrangement and are mounted on roller shafts, the roller shafts being displaceably guided in recesses in a carrier frame transversely to the direction of movement of the contact bridge arrangement when opening and closing and by two symmetrically on both sides of the carrier rollers arranged coil tension springs are biased against each other.
  • Such an arrangement can be carried out equally robustly and with low friction.
  • the armature arrangement mentioned can be pivotably mounted on a support frame and, with its free end, can be arranged opposite one another at least one magnetic part which can be excited by the current flowing through the fixed contact arrangement.
  • the resulting current-dependent force of the armature arrangement can be used in a suitable manner to reduce the force acting on the contact carrier, advantageously in particular in that the pivot bearing of the armature arrangement is arranged near the carrier roller and the armature arrangement has a forked end section for engaging behind the carrier shaft for the purpose of relieving the carrier roller from the pretensioning force as a function of the current flowing through the switching unit.
  • a spring acting in the direction of the closed position of the contacts can be arranged between a housing of the switching unit and the contact bridge arrangement. In this way, a restoring force is also provided in the case. that the aforementioned second cam surface is designed with very little or no inclination to the direction of movement of the contact bridge arrangement.
  • At least one spacer block can be arranged in the housing of the switching unit, which has a groove for guiding the contact carrier and sections which surround the armature arrangement at a distance, one of which is located between the contact carrier and the armature arrangement.
  • the spacer block thus performs the functions of guiding and protecting components of the switching unit.
  • FIG. 1 shows a current-limiting switching unit 10 which can be designed as an integral part of a low-voltage circuit breaker or which can form a unit which can be attached to an existing low-voltage circuit breaker in order to increase the breaking capacity of the circuit breaker.
  • the current-limiting switching unit 10 contains a fixed contact arrangement 12, a movable contact bridge arrangement 14 with a contact bridge 15 and a carrier arrangement 16.
  • a double arrow 17 denotes the direction of movement of the contact bridge 15 when opening and closing.
  • An arc chamber 18 serves to extinguish the arc in the known manner.
  • the carrier arrangement 16 exerts a closing force on the contact bridge arrangement 14, which brings the movable and stationary contacts into their closed position, in which the contacts touch one another.
  • armature arrangements 36 and 38 reduce the biasing force acting in the sense of closing. the carrier arrangement 16 on the contact bridge arrangement and enable a quick and reliable opening due to a low fault current. With a high fault current, the magnetic repulsion is sufficient to separate the contacts. When the contacts are separated, the arcs are conducted into the arcing chamber 18 and extinguished there.
  • the fixed contact arrangement 12 contains an input arm 20, an output arm 22, an input contact 24, which is attached to the end of the input arm 20, and an output contact 26, which is attached to the end of the output arm 22.
  • the input arm and the output arm are encased in an encapsulation material 28 that electrically isolates the contact arms from each other.
  • a first magnetic part 30 and a second magnetic part 32 are embedded in the encapsulation material, which are insulated from one another and from each of the contact arms by the encapsulation material 28.
  • the first magnetic part 30 is preferably arranged between the input arm 20 and the output arm (22) and is located in the middle between them, so that it is located between the input contact 24 and the output contact 26, which project out of the encapsulation material 28 for proper contact with the contact bridge arrangement 14 are arranged. An edge or surface of the magnetic part 30 protrudes through the encapsulation material 28. If the second magnetic part 32 is also used, it is preferably arranged below the input arm 20. The second magnet part 32 receives its place on the bottom of the fixed contact arrangement 12.
  • the output arm 22 has an opening 34 of a size which is sufficient to accommodate a part of the input arm 20.
  • the output contact 26 is attached to one end of the contact arm 22, while the other end of the contact arm 22 has a configuration suitable for connection to the circuit breaker by means of a flexible conductor or other means.
  • the end of the output arm 22 to which the output contact 26 is attached extends upwards at an angle. With this arrangement, the contact 26 protrudes from the encapsulation material 28 in the installed state.
  • the input contact 24 is attached to one end of the input arm 20.
  • the other end of the input arm is designed for connection to an input line.
  • the input arm is formed from a flat piece of metal and has three bends. The first bend extends downward from the horizontal, the second bend returns the metal to the horizontal position, and the third bend extends the metal upward so that the contact 24 is approximately on the same horizontal plane as the connector portion of the contact arm 20.
  • the three bends divide the contact arm 20 into two sections, namely a horizontal connecting section and a substantially U-shaped section, on one leg of which the input contact 24 is fastened.
  • the section of the input arm 20 having this contact 24 is narrower than the rest of the input arm.
  • the switching unit 10 has a first armature arrangement 36 and a second armature arrangement 38, which are connected at one end to the carrier arrangement 16, the other end extending downward in the vicinity of the fixed contact arrangement 12.
  • Each of the armature arrangements 36 and 38 has a leaf spring 40 and 42, which is provided for biasing the armature arms in the direction of the fixed contact arrangement 12.
  • the free end of each armature assembly extends near the magnetic parts 30 and 32 of the fixed contact assembly 12.
  • a magnetic field exists in the vicinity of these magnetic parts during an overcurrent or a fault current. This magnetic field attracts the free end of each armature assembly towards the fixed contact assembly 12, which, as will be explained in detail, reduces the closing force and thereby enables the contacts to open more quickly under the influence of low fault currents.
  • the contact carrier assembly 16 has a contact carrier 44 which is gripped by carrier rollers 46 and 48, which are supported by carrier shafts 50 and 52, respectively.
  • the ends of the carrier shafts are guided in elongated holes 55 of a support frame 54 such that they can be displaced transversely to the direction of movement of the contact bridge 15 and its contact carrier 44 (arrow 17).
  • the support frame 54 is formed from a steel part in such a way that the central part of the metal has a U-shaped design, feet extending from the legs of the "U" for anchoring the support frame to the housing 11 of the switching unit 10 or a circuit breaker.
  • the support frame 54 has an opening in the bottom of the U-shaped part of such a size and design that it is sufficient to receive the contact carrier 44.
  • the support frame 54 also has slots 55 or other openings in the legs of the U-shaped part of such size and design that they are sufficient to receive the ends of the carrier shafts 50 and 52.
  • the carrier rollers 46 and 48 are attached centrally to the carrier shafts 50 and 52. In a symmetrical arrangement on both sides of the carrier rollers 46 and 48, the carrier shafts 50 and 52 are prestressed against one another by coil tension springs 56 and 58.
  • the contact carrier 44 is located between the carrier rollers 46 and 48 and is under the action of the coil tension springs 56 and 58.
  • the carrier rollers 46 and 48 strive to pull each other.
  • the contact carrier 44 has a first cam surface 60 and a second cam surface 62.
  • the cam surfaces 60 and 62 are inclined differently inwards to the direction of movement (arrow 17) of the contact carrier 44 such that the carrier rollers 46 and 48 take the smallest distance from each other when the contacts are in the closed position shown in the figure.
  • the carrier rollers 46 and 48 are removed from one another when the contacts come into the open position. In the illustrated closed position of the switching unit 10, the carrier rollers 46 and 48 bear against the cam surfaces 60 with the greater inclination and exert the required contact force on the contact carrier 44.
  • the contact carrier 44 In the open position, the contact carrier 44 is displaced vertically upward in the drawing to such an extent that the carrier rollers 46 and 48 bear against the respectively assigned second cam surface 62. In this position of the parts, only a very slight force is exerted on the contact carrier in the direction of the closed position due to the lower inclination of the cam surfaces 62. The reduction in the action of force on the contact carrier 44 occurs abruptly when the carrier rollers 46 and 48 cross the transition region between the cam surfaces 60 and 62.
  • the second cam surface 62 can be vertical, i. H. can be arranged without inclination to the direction of movement of the contact bridge 15.
  • the contact carrier 44 can have a recess 64 for the engagement of a return spring 66, which is arranged between the contact carrier 44 and the housing 11 of the switching unit.
  • This spring can be used optionally and is useful for providing a restoring force on the contact carrier 44 after the contacts have been opened due to a fault current.
  • the spring can complement it by the carrier rollers and the second cam surfaces 62 generated force, or it can be used alone in cases where the cam surfaces 62 are made without inclination to the direction of movement.
  • the spring 66 ensures that the pretensioning force in the closing direction is present regardless of influences such as dirt, foreign bodies or other causes.
  • Each of the armature arrangements 36 and 38 extends with its free end into the area of the fixed contact arrangement 12 and is attracted by the magnetic parts 30 and 32 due to fault currents.
  • Both anchor assemblies are formed by a flat steel part that is bent at two points to form a stepped shape at one end.
  • the free end of each armature arrangement can be provided with an extension piece 37 or 39 in order to improve the response to the magnetic field formed by the magnetic parts 30 and 32.
  • the anchor arrangements are angled twice in opposite directions, the first angle pointing towards the center line of the arrangement.
  • the upward end portion 36a or 38a of each anchor assembly is bifurcated by a groove.
  • a groove 36b can be seen in FIG.
  • each anchor arrangement overlaps the associated support roller 46 and 48.
  • the coil tension springs 56 and 58 are positioned next to the fork prongs of the end sections 36a and 38a.
  • each bifurcated end section 36a and 38a engages behind the associated support shaft 50 and 52. This is created the possibility that each anchor arrangement due to its cutting-like mounting on the support frame 54 near the associated support roller can lift the latter from the contact carrier or reduce the force acting on the contact carrier 44. Since the armature arrangements 36 and 38, in conjunction with the magnet parts 30 and 32, already respond to low-level fault currents, rapid contact opening is ensured even with * low fault currents.
  • left and right spacer blocks 68 and 70 are arranged in the housing 11 of the switching unit 10, which are made of a solid insulating material, e.g. are made of polyester resin with glass fiber reinforcement and act as guide parts for the contact carrier 44 during the opening and closing movement and for maintaining the separation between the magnetic parts 30 and 32 and the armature arrangements 36 and 38.
  • the spacing blocks 68 and 70 are the same, but only the left block 68 will be described for ease of description.
  • the spacer block 68 has essentially the cross-sectional shape of an I, similar to the cross-sectional shape of an I-steel.
  • the head and foot legs of the I are the same, but the vertical middle part of the I is shifted to the right, so that the space remaining between the head and foot legs is larger on the left side than on the opposite side. Furthermore, the right side of the middle part has a groove 69.
  • the spacer block 68 is arranged in the housing of the switching unit 10 between the armature arrangement 36 and the contact carrier 44, so that the contact carrier 44 can slide in the groove 69 of the spacer block 68. In this way, the groove 69 guides the contact carrier 44 during its upward and downward movement when opening and closing.
  • the armature arrangement 36 extends through the space between the wall of the housing 11 of the switching unit 10 and the vertical middle part of the I-shape. This area can be viewed as a large groove which guides the armature arrangement laterally and which has the further important function of preventing the armature from contacting the magnet parts 30 and 32. These functions are important because the contact carrier 44 is produced as a relatively thin metal part that can be tilted when it comes into contact with the rollers, which would greatly change the opening and closing characteristics of the switch.
  • the spacer block 68 or 70 thus represents a means for guiding the contact carrier 44, and thereby improves the response accuracy of the switching unit.
  • the force exerted by the coil springs 56 and 58 tends to pull the carrier rollers 46 and 48 towards the center line of the carrier assembly 16. Since the armature assemblies 36 and 38 are engaged with the support shafts 50 and 52, a force acts on each armature assembly that would like to pull the bifurcated end 36a and 38a toward the center of the support assembly. This force is noticeable due to the cutting-like mounting of the armature arrangements below the forked end sections 36a and 38a in the sense of a removal of the lugs 37 and 39 from the magnetic parts 30 and 32. A leaf spring 40 or 41 attached to each of the armature arrangements 36 and 38 exerts a slight force in the sense of the pretensioning of the armature arrangements to the center line of the contact carrier.
  • leaf springs compensate for differences in tolerance in the arrangement and ensure that the armature arrangements 36 and 38 are biased in the direction of the pole faces of the magnetic parts 30 and 32. It should be noted that the switching unit described can be manufactured economically because of manufacturing tolerances can be compensated for by the use of leaf springs 40 and 41. Even if the surface of the carrier rollers and the surfaces of the roller shafts and the forked end of the armature assemblies were made as precision parts, there could still be dimensional deviations. for example due to dirt or foreign bodies, which could cause a greater than the desired distance of the extensions 37 and 39 of the armature arrangements from the magnetic parts 30 and 32. The leaf springs ensure that the armature arrangements respond properly to low fault currents, while at the same time avoiding noise.
  • the switching unit 10 is switched on, the fixed contact arrangement 12 and the bridge contact arrangement 14 being in contact with one another.
  • a sufficient contact force exerted on the contacts minimizes the contact resistance and the contact heating due to the resistance when the current flows.
  • the contact force is applied by coil springs 56 and 58 which exert a force on the carrier shafts 50 and 52 and the rollers 46 and 48 which in turn exert a force on the contact carrier 44 by acting on the cam surfaces 60. This force maintains the required contact force in order to ensure the lowest possible heating due to the contact resistance.
  • the normal current flows through the input arm 20, the input contact 24 and the bridge contact arrangement 14 as well as through the output contact 26 and the output arm 22. This creates a unidirectional current flow in the encapsulated part of the fixed contact arrangement 12.
  • the input arm and the output arm flow in the Current in the same direction. This results in twice the magnetic field for a current of a given size.
  • the contact bridge arrangement 14 Through the contact bridge arrangement 14, the storm flows in the opposite direction as in the fixed contact arms 20 and 22. This generates an electromagnetic repulsive force. which, at sufficiently high currents, lifts the movable contact bridge arrangement 14 from the fixed contact arrangement 12.
  • the current flowing through the switch increases, the current flowing through the fixed contact arrangement 12 excites the magnetic parts 30 and 32 to a sufficient extent to generate a magnetic field which attracts the armature arrangements 36 and 38.
  • the magnetic parts and the air gap between the magnetic parts and the armature assemblies are calculated so that the armature moves toward the magnetic parts at a predetermined level of current.
  • the forked end portions 36a and 38a are pivoted from the center line of the support assembly against the force of the coil springs 56 and 58. This reduces the downward biasing force on the carrier 44 and thus the force acting on the movable contact bridge arrangement 14. This also reduces the magnetic repulsive force that is required to separate the fixed and movable contacts.
  • the current-limiting switching unit closes automatically after the interruption of a fault current due to the combined action of the tension springs 56 and 58 and the shape of the second cam surfaces 62, if the second cam surface 62 has an inclination that deviates from the vertical.
  • the transition region between the first cam surface 60 and the second cam surface 62 at this point the downward force on the contact carrier 44 is suddenly greatly increased and the contacts are closed with the correct contact force.
  • a return spring 66 can also be used to also provide a downward biasing force that biases the contacts to the closed position.
  • Each of the two versions is applicable and sufficient; both can also be used in combination.
  • the armature assemblies are attracted during a low level fault current and act to reduce the downward force. Due to a high fault current, however, the circuit is opened before the armature arrangements can take effect. However, the armatures are attracted by the short current flow that creates a magnetic field, although the circuit is open before the armature assemblies have the opportunity to move.
  • the anchors respond to this and reduce the downward biasing force acting on the contact carrier 44 through the coil tension springs. This reduced force persists until the attractive force of the anchor arrangements is released. This force is a function of the size of the fault current. Thus, the higher the fault current, the longer the attractive force. This prevents the switch from closing before the fault current stops.
  • the circuit breaker to be used in conjunction with the current limiting switch unit was rated for operation at 600 A.
  • the breaking capacity of the current-limiting switching unit according to the invention was above 100,000 A at 480 V AC.
  • the bridge contact arrangement for interrupting this extremely high current has a considerable weight, which hinders easy lifting of the bridge contact arrangement 14.
  • the contacts would normally open at about 8000 A for a low level fault current, but the magnet arrangement causes the level to decrease to about 6000 A.

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Abstract

Eine strombegrenzende Schalteinheit (10) weist eine bewegbare Kontaktbrückenanordnung (14) mit einer Kontaktbrücke (15) auf, die mit einer feststehenden Kotnaktanordnung (12) zusammenwirkt. Zur Öffnung des Kontakte unter dem Einfluß von Fehlerströmen enthält die feststehende Kontaktanordnung gleichsinnig durchflossene parallele Kontaktarme (20, 22). Die Kontaktbrücke (15) ist mittels eines Trägers (44) verschiebbar geführt (17), der Nockenflächen (60, 62) mit unterschiedlicher Neigung zur Bewegungsrichtung des Trägers besitzt, an denen mit einer Federkraft (56, 58) beaufschlagte Trägerrollen (46, 48) angreifen. Nach Durchlaufen eines bestimmten Teiles des Öffnungsweges wird die in der Richtung der geschlossenen Stellung der Kontakte wirkende Kraft sprungartig verringert. Ferner ist die durch die Trägerrollen (46, 48) auf den Träger (44) ausgeübte Kraft durch Ankeranordnungen (36, 38) zu verringern, deren freie Enden mit Magnetteilen (30, 32) zusammenwirken, die Bestandteil der feststehenden Kontaktanordnung (12) sind. Die Schalteinheit ist als selbständige Einheit in Reihenschaltung mit einem Niederspannungs-Leistungsschalter oder als integraler Bestandteil eines solchen Leistungsschalters verwendbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine strombegrenzende Schalteinheit mit einer Kontaktbrückenanordnung, die Bestandteil eines Leistungsschalters sein kann oder die als selbständige Einheit in Reihe mit einem vorhandenen Leistungsschalter geschaltet werden kann.
  • Leistungsschalter werden in großen Umfang benutzt, um elektrische Verteilungssysteme gegen Schäden durch Überlastung oder Fehlerströme zu - schützen. Im Laufe der Jahre wurde es in dem Maß, wie die Leistungsfähigkeit der Energienetze zunahm, erforderlich, das Schaltvermögen der Leistungsschalter zu vergrößern, um ein elektrisches Verteilungssystem angemessen zu schützen. Um diesen Pegel von Schutz auf wirtschaftliche Art bereitzustellen, wurden strombegrenzende Leistungsschalter entwickelt, die das Maß des Fehlerstromes auf einen wesentlich niedrigeren Pegel begrenzen, als ihn die Stromquelle zur Verfügung stellen kann.
  • Leistungsschalter benötigen eine ausreichende Kontaktkraft, um den Widerstand zwischen den Kontakten und die Widerstandserwärmung bei normalem geschlossenem Zustand soweit zu verringern, daß die geforderten Erwärmungsgrenzen eingehalten werden. Diese Kontaktkraft wird im allgemeinen durch Zug-oder Druckfedern erhalten, die an den Kontaktgliedem oder anderweitig so angeordnet sind, daß sie eine Kraft auf die Kontaktglieder ausüben. Je höher der Nennstrom des Leistungsschalters ist, desto höher muß im allgemeinen die erforderliche Kontaktkraft sein. Bei strombegrenzenden Leistungsschaltem öffnen sich die Kontakte unabhängig von anderen Teilen des Antriebsmechanismus, um die strombegrenzende Wirkung zu erzielen und strecken oder komprimieren im Verlauf des Vorganges die Federn gegenüber ihrer Normalstellung. Die durch diese Federn bereitgestellte Kraft wirkt sich somit hemmend auf die strombegrenzende Wirkung aus, in dem sie die Beschleunigung der Kontaktgliedder und das Maß der Strombegrenzung erheblich verringert. Dies gilt insbesondere für Leistungsschalter mit hohem Nennstrom. Dementsprechend wäre es erwünscht, die Kontaktkraft so weit zu verringern, daß sich während der stromabhängigen Trennung ein Maximum von Beschleunigung für die Kontaktglieder ergibt. Gleichzeitig jedoch muß im geschlossenen Zustand eine ausreichende Kontaktkraft aufrechterhalten werden, um die widerstandsbedingte Erwärmung der Schaltkontakte gering zu halten.
  • In der US-A-4 409 573 ist ein Leistungsschalter mit einer strombegrenzenden Einrichtung beschrieben. Die strombegrenzenden Kontakte öffnen sich aufgrund eines Fehlerstromes und werden in der geöffneten Stellung gesperrt. Der Schalter wird dann durch Benutzung des Bedienungshandgriffes zurückgestellt. Obwohl dieser Schalter eine strombegrenzende Wirkung ausübt, kann eine höhere Strombegrenzung dadurch erreicht werden, daß stromabhängig öffnende Kontakte in Reihe mit dem Leistungsschalter geschaltet werden. Diese Anordnung ist in der US-A-4 458 224 beschrieben. Die stromabhängig öffnenden Kontakte sind so ausgebildet, daß sie selbsttätig unter der Wirkung von Vorspannfedern schließen, die auch die benötigte Kontaktkraft liefern. Die stromabhängige Öffnungskraft ist hierbei offensichtlich eine Funktion der Größe des Stromes und der Länge paralleler Strompfade. Daher ist die Öffnungskraft bei dieser Anordnung durch die Größe des Gehäuses des Leistungsschalters begrenzt. Es wäre daher erwünscht, eine größe Öffnungskraft zwecks rascherer Trennung der Kontakte aufgrund eines Fehlerstromes zu schaffen, ohne die Abmessungen des Schaltgehäuses zu vergrößern.
  • Ferner ist in der US-A-3 991 391 und der US-A-4 132 968 ein strombegrenzender Leistungsschalter mit einer magnetischen Antriebsanordnung (slot motor) beschrieben. Bei dieser Anordnung wird die Ansprechschwelle des Fehlerstromes, der eine Strombegrenzung bewirkt, angehoben, während das Maß der Strombegrenzung bei hohen Überströmen durch Anordnung einer dünnen sättigbaren Magnetstahlplatte am offenen Ende der magnetischen Antriebsanordnung aufrechterhalten wird. Bei einem Überstrom oberhalb eines Schwellwertes bildet die Platte einen Nebenschluß für den größten Teil des Magnetflusses und verhindert die Erzeugung einer magnetdynamischen Kraft auf den Kontaktarm. Oberhalb des Schwellwertes erzeugt der Überstrom einen zur Sättigung der Platte ausreichenden Magnetfluß und bringt hierdurch einen zusätzlichen Magnetfluß in den Luftspalt, wo er mit dem Kontaktarm zusammenwirkt und diesen in den Schlitz hineinzieht, um die Strombegrenzung in üblicher Weise zu bewirken. Diese Anordnung verändert das normale Ansprechen auf Fehlerströme geringer Höhe. Dementsprechend wäre es erwünscht, einen Leistungsschalter zu schaffen, dessen Kontakte gleichermaßen rasch auf Fehlerströme mit geringem oder hohem Pegel ansprechen.
  • Aus den vorstehenden Erläuterungen geht hervor, daß ein rasches Öffnen der Kontakte für einen erfolgreichen Betrieb und die Lebensdauer der strombegrenzenden Kontakte wesentlich ist. Für einen gegebenen Strom können die stromabhängigen Öffnungskräfte wirkungsvoll durch Verringerung der Schließkräfte der Kontakte vergrößert werden, was aber nicht wirklich erwünscht sein kann, weil die Kontaktkraft aus den geschilderten Gründen aufrechterhalten werden muß, oder durch Vergrößerung des magnetischen Feldes.
  • In der US-A-4 001 738 ist ein Leistungsschalter mit einer elektrodynamisch wirkenden Abstoßungsanordnung beschrieben. Hierbei besitzt der Leistungsschalter einen vom fließenden Strom erregten magnetischen Kreis sowie eine mit dem bewegbaren Kontakt des Schalters bewegliche Induktionsplatte. Der plötzliche Anstieg des Fehlerstromes ruft in der Induktionsplatte Sekundärströme hervor, wobei sich die Induktionsplatte bei geschlossenen Kontakten in dem Luftspalt des Magnetkreises befindet. Die Sekundärströme sind bestrebt, die Induktionsplatte aus dem Spalt zu verdrängen und hierdurch den beweglichen Kontakt kraftvoll von dem magnetischen Kreis fortzustoßen. Dies vergrößert die Abstoßungskräfte für einen gegebenen Strom und bewirkt infolgedessen ein rasches Öffnen der Kontakte. In einer anderen Ausführungsform bilden die Kontakte einen Strompfad mit zweifacher Schleife, d. h. der Strom tritt in einen ersten Leiter ein und fließt in einer ersten Richtung, tritt dann durch den beweglichen Kontakt in der entgegengesetzten Richtung hindurch und fließt durch den zweiten feststehenden Leiter weiter. Diese Anordnung mit zweifacher Schleife verdoppelt die magnetischen Abstoßungskräfte. Eine Anordnung mit einer zweifachen Stromschleife ist auch in dem US-A-4 118 681 beschrieben. Dabei wird auch ein Verzögerungsglied benutzt, das mechanisch mit der bewegbaren Kontaktanordnung verbunden ist, um das Zurückfallen in den geschlossenen Zustand zu verzögern und um ein erneutes Schließen vor einer Auslösung des Leistungsschalters zu verhindern. Obwohl Leistungsschalter dieser Bauart aufgrund hoher Fehlerströme rasch ansprechen, besteht dennoch ein Bedarf an Leistungsschaltern, die aufgrund niedriger Fehlerströme rasch und zuverlässig öffnen.
  • Der Erfindung liegt ausgehend hiervon die Aufgabe zugrunde, eine strombegrenzende Schalteinheit so auszubilden, daß sie unter Beibehaltung einer ausreichenden Kontaktkraft im geschlossenen Zustand sowohl auf Fehlerströme relativ geringer Höhe als auch auf Fehlerströme relativ großer Höhe rasch anspricht. Zugleich soll die Schalteinheit bei hohem Schaltvermögen einen raumsparenden und betriebssicheren Aufbau aufweisen.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:
    • Eine feststehende Kontaktanordnung mit zwei Kontakten;
    • eine zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegbare Kontaktbrückenanordnung mit einer Kontaktbrücke, die in der geschlossenen Stellung in Berührung mit der feststehenden Kontaktanordnung steht;
    • ein mit der Kontaktbrücke verbundener Kontaktträger zur Führung der Kontaktbrücke beim Öffnen und Schließen der Kontakte; und
    • eine Anordnung zur Verringerung der auf die Kontakte in der Richtung der geschlossenen Stellung wirkenden Vorspannkraft in Abhängigkeit von der Bewegung der Kontaktbrücke in der Richtung der geöffneten Stellung.
  • Auf diese Weise kann in der normalen geschlossenen Stellung ein für den erwünschten verlustarmen Stromübergang angemessene Kontakkraft aufrecht erhalten werden, die jedoch im Verlaufe eines geringen Öffnungsweges wesentlich verringert werden kann. Hierdurch kommt es zu einer beschleunigten Öffnung der Kontakte. Während dieser Vorgang gleichermaßen günstig für die selbsttätige Kontaktöffnung bei niedrigen und hohen Fehlerströmen ist, kann insbesondere das Ansprechen auf niedrige Fehlerströme noch dadurch verbessert werden, daß die Anordnung zur Verringerung der Vorspannkraft eine Einrichtung zur sprungartigen Verringerung der Vorspannkraft nach Durchlaufen eines bestimmten Teiles des Öffnungsweges der beweglichen Kontaktbrückenanordnung sowie wenigstens eine Ankeranordnung zur Verringerung der Kontaktkraft in Abhängigkeit von dem die Schalteinheit durchfliessenden Strom aufweist. Diese stromabhängige Komponente läßt sich so bemessen, daß sie insbesondere bei relativ niedrigen Fehlerströmen wirksam ist. Hierfür ist gleichzeitig die Sprungcharakteristik vorteilhaft, weil sie auch dann eine rasche Kontaktöffnung sicherstellt, wenn die Stromkräfte allein noch keine sehr hohe Geschwindigkeit der Kontakte ergeben.
  • Das sprungartige Verhalten der Schalteinheit ist in vorteilhafter Weise dadurch zu erreichen, daß die erwähnte Einrichtung wenigstens eine an einem eine Kontaktbrücke tragenden Kontaktträger angeordnete Nockenfläche, wenigstens eine an dem Kontaktträger geführte Trägerrolle sowie wenigstens eine die Trägerrolle gegen die Nockenfläche vorspannende Feder umfaßt, wobei die Nockenfläche zu der Bewegungsrichtung der Kontaktbrückeanordnung beim Öffnen und Schließen geneigt angeordnet ist. Durch die Wahl des Neigungswinkels läßt sich das Bewegungsverhalten der Kontaktbrücke gezielt beeinflussen. In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, den Kontaktträger anschließend an die erste Nockenfläche mit einer zweiten Nockenfläche zu versehen, die eine gegenüber der ersten Nockenfläche geringere Neigung zur Bewegungsrichtung der Kontaktbrückenanordnung beim Öffnen und Schließen besitzt. Durch eine geeignete Wahl der Lage des Übergangsbereiches zwischen der ersten Nockenfläche und der zweiten Nockenfläche läßt sich erreichen, daß die erwünschte sprungartige Öffnung der Kontakte nach dem Durchlaufen eines genau festgelegten Teiles des Öffnungweges stattfindet.
  • Die Einrichtung zur Erzielung des sprungartigen Bewegungsablaufes kann zwei an dem Träger in symmetrischer Anordnung angreifende Trägerrollen umfassen, die auf Rollenwellen angebracht sind, wobei die Rollenwellen in Ausnehmungen eines Tragrahmens quer zur Bewegungsrichtung der Kontaktbrückenanordnung beim Öffnen und Schließen verschiebbar geführt und durch zwei symmetrisch beidseitig der Trägerrollen angeordnete Schraubenzugfedem gegeneinander vorgespannt sind. Eine solche Anordnung läßt sich gleichermaßen robust und reibungsarm ausführen.
  • Die erwähnte Ankeranordnung kann an einem Tragrahmen schwenkbar gelagert und mit ihrem freien Ende wenigstens einem Magnetteil gegenüberstehend angeordnet sein, das durch den die feststehende Kontaktanordnung durchfließenden Strom erregbar ist. Die auf diese Weise entstehende stromabhängige Kraft der Ankeranordnung läßt sich in geeigneter Weise zur Verringerung der auf den Kontaktträger wirkenden Kraft ausnutzen, in vorteilhafter Weise insbesondere dadurch, daß das Schwenklager der Ankeranordnung nahe der Trägerrolle angeordnet ist und die Ankeranordnung einen gegabelten Endabschnitt zum Hintergreifen der Trägerwelle zwecks Entlastung der Trägerrolle von der Vorspannkraft in Abhängigkeit von dem die Schalteinheit durchfließenden Strom aufweist.
  • Für den Toleranzausgleich wirkt es sich in einer noch zu beschreibenden Weise günstig aus, wenn die Ankeranordnung durch eine Federkraft in Richtung auf das Magnetteil der feststehenden Kontaktanordung vorgespannt ist.
  • Zwischen einem Gehäuse der Schalteinheit und der Kontaktbrückenanordnung kann eine in Richtung der geschlossenen Stellung der Kontakte wirkende Feder angeordnet sein. Hierdurch wird eine Rückstellkraft auch in dem Fall bereitgestellt. daß die erwähnte zweite Nockenfläche mit sehr geringer oder fehlender Neigung zu der Bewegungsrichtung der Kontaktbrückeanordnung ausgebildet ist.
  • In dem Gehäuse der Schalteinheit kann wenigstens ein Abstandsblock angeordnet sein, der eine Nut zur Führung des Kontaktträgers sowie die Ankeranordnung mit Abstand umgreifende Abschnitte aufweist, von denen sich der eine zwischen dem Kontaktträger und der Ankeranordnung befindet. Der Abstandsblock nimmt somit die Funktionen der Führung und des Schutzes von Bauteilen der Schalteinheit war.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
    • Die Figur 1 zeigt eine strombegrenzend wirkende Schalteinheit in einem Längsschnitt.
    • Die Figur 2 ist ein Längsschnitt im wesentlichen entlang der Linie II-II in der Figur 1, zur genaueren Darstellung bestimmter Bauteile.
    • Die Figur 3 ist ein Schnitt im wesentlichen entlang der Linie 111-111 in Figur 1 zur genaueren Darstellung weiterer Bauteile.
    • - Die Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Kontaktträgeranordnung in isometrischer Darstellung.
    • Die Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht einer feststehenden Kontaktanordnung in isometrischer Darstellung.
    • In der Figur 6 ist ein Längsschnitt der feststehenden Kontaktanordnung entlang der Linie VI-VI in Figur 5 gezeigt.
    • Die Figur 7 ist ein Querschnitt entlang der Linie Vll-Vll in Figur 6.
    • Die Figur 8 ist eine Draufsicht auf einen Eingangsarm der feststehenden Kontaktanordnung.
    • In der Figur 9 ist eine Seitenansicht des Eingangsarmes gemäß der Figur 8 gezeigt.
    • Die Figur 10 ist eine Draufsicht auf einen Ausgangsarm der feststehenden Kontaktanordnung.
    • In der Figur 11 ist eine Seitenansicht des Ausgangsarmes der feststehenden Kontaktanordnung gemäß der Figur 10 dargestellt.
  • In der Figur 1 ist eine strombegrenzende Schalteinheit 10 gezeigt, die als integraler Bestandteil eines Niederspannungs-Leistungsschalters ausgebildet sein kann oder die eine an einen vorhandenen Niederspannungs-Leistungsschalter anfügbare Einheit bilden kann, um das Abschaltvermögen des Leistungsschalters zu vergrößern. Die strombegrenzende Schalteinheit 10 enthält eine feststehende Kontaktanordnung 12, eine bewegbare Kontaktbrückenanordnung 14 mit einer Kontaktbrücke 15 und eine Trägeranordnung 16. Mit einem Doppelpfeil 17 ist die Bewegungsrichtung der kontaktbrücke 15 beim Öffnen und Schließen bezeichnet. Eine Lichtbogenkammer 18 dient zur Lichtbogenlöschung in der bekannten Art. Die Trägeranordnung 16 übt eine Schließkraft auf die Kontaktbrückenanordnung 14 aus, welche die bewegbaren und feststehenden Kontakte in ihre geschlossene Stellung bringt, in der die Kontakte einander berühren. Aufgrund eines niedrigen Fehlerstromes verringern Ankeranordnungen 36 und 38 die im Sinn des Schließens wirkende Vorspannkraft . der Trägeranordnung 16 auf die Kontaktbrückenanordnung und ermöglichen ein rasches und zuverlässiges Öffnen aufgrund eines niedrigen Fehlerstromes. Bei einem hohen Fehlerstrom ist die magnetische Abstoßung ausreichend zur Trennung der Kontakte. Beim Trennen der Kontakte werden die Lichtbögen in die Lichtbogenkammer 18 geleitet und dort gelöscht.
  • Gemäß den Figuren 5 bis 11 enthält die feststehende Kontaktanordnung 12 einen Eingangsarm 20, einen Ausgangsarm 22, einen Eingangskontakt 24, der am Ende des Eingangsarmes 20 angebracht ist, sowie einen Ausgangskontakt 26, der an dem Ende des Ausgangsarmes 22 angebracht ist. Der Eingangsarm und der Ausgangsarm sind in ein Kapselungsmaterial 28 eingeschlossen, das die Kontaktarme voneinander elektrisch isoliert. Ferner sind in das Kapselungsmaterial ein erstes Magnetteil 30 und ein zweites Magnetteil 32 eingebettet, die gegeneinander und gegenüber jedem der Kontaktarme durch das Kapselungsmaterial 28 isoliert sind. Das erste Magnetteil 30 ist vorzugsweise zwischen dem Eingangsarm 20 und dem Ausgangsarm (22) angeordnet und befindet sich mittig dazwischen, so daß es sich zwischen dem Eingangskontakt 24 und dem Ausgangskontakt 26 befindet, die zur ordnungsgemäßen Kontaktgabe mit der Kontaktbrückenanordnung 14 aus dem Kapselungsmaterial 28 herausragend angeordnet sind. Eine Kante oder Fläche des Magnetteils 30 ragt durch das Kapselungsmaterial 28 hindurch. Wird auch das zweite Magnetteil 32 benutzt, so ist es vorzugsweise unterhalb des Eingangsarmes 20 angeordnet. Das zweite Magnetteil 32 erhält hierbei seinen Platz am Boden der feststehenden Kontaktanordnung 12.
  • Wie die Figuren 8 und 9 zeigen, besitzt der Ausgangsarm 22 eine Öffnung 34 einer zur Aufnahme eines Teiles des Eingangsarmes 20 ausreichenden Größe. Der Ausgangskontakt 26 ist an einem Ende des Kontaktarmes 22 befestigt, während das andere Ende des Kontaktarmes 22 eine zur Verbindung mit dem Leistungsschalter mittels eines biegsamen Leiters oder anderer Mittel geeignete Gestaltung aufweist. Das Ende des Ausgangsarmes 22, an dem der Ausgangskontakt 26 angebracht ist, erstreckt sich winklig nach oben. Durch diese Anordnung ragt der Kontakt 26 im eingebauten Zustand aus dem Kapselungsmaterial 28 heraus..
  • Aus den Figuren 10 und 11 geht hervor, daß der Eingangskontakt 24 an einem Ende des Eingangsarmes 20 angebracht ist. Das andere Ende des Eingangsarmes ist zur Verbindung mit einer Eingangsleitung ausgebildet.. Der Eingangsarm ist aus einem flachen Metallstück geformt und besitzt drei Biegungen. Die erste Biegung erstreckt sich abwärts von der Horizontalen, die zweite Biegung bringt das Metall zur horizontalen Stellung zurück und die dritte Biegung erstreckt das Metall winklig nach oben, so daß der Kontakt 24 annähernd auf derselben horizontalen Ebene liegt, wie der Anschlußteil des Kontaktarmes 20. Die drei Biegungen teilen den Kontaktarm 20 in zwei Abschnitte, und zwar einen horizontalen Anschlußabschnitt und einen im wesentlichen U-förmigen Abschnitt, an dessen einem Schenkel der Eingangskontakt 24 befestigt ist. Der diesen Kontakt 24 aufweisende Abschnitt des Eingangsarmes 20 ist schmaler als der übrige Teil des Eingangsarmes gestaltet. Hierdurch kann der schmalere Teil des Eingangsarmes 20 durch die Öffnung 34 des Ausgangsarmes 22 eingeführt werden. Beide Kontakte 24 und 26 können somit dieselbe horizontale Ebene einnehmen. Aufgrund dieser Konstruktion wird ein zweifacher Stompfad geschaffen, derart, daß der in den Eingangsarm 20 eintretende Strom den Eingangsarm bis zum Kontakt 24 durchfließt, vom Kontakt 24 durch die Kontaktbrückenanordnung 14 hindurchtritt und dann durch den Kontakt 26 zu dem Ausgangsarm 22 und zu dem Leistungsschalter übergeht. Der Stromfluß in dem Eingangsarm erfolgt ebenso wie in dem Ausgangsarm nach rechts in den Zeichnungsfiguren, während der Stromfluß in der Kontaktbrückenanordnung 14 in der entgegengesetzten Richtung verläuft. Infolgedessen erzeugt der Strom in jedem der Kontaktarme eine im Sinn der Öffnung wirkende Stromkraft. Die kombinierte Stromkraft beträgt dann das doppelte der üblichen Öffnungskraft für einen gegebenen Strom. Beim Fließen des Stromes durch die Kontaktarme 20 und 22 wird außerdem ein magnetisches Feld um die Magnetteile 30 und 32 herum gebildet.
  • Wie die Figur 3 zeigt, weist die Schalteinheit 10 eine erste Ankeranordnung 36 und eine zweite Ankeranordnung 38 auf, die an einem Ende mit der Trägeranordnung 16 verbunden sind, wobei das andere Ende sich nach abwärts in die Nähe der feststehenden Kontaktanordnung 12 erstreckt. Jede der Ankeranordnungen 36 und 38 besitzt eine Blattfeder 40 bzw. 42, die zur Vorspannung der Ankerarme in Richtung der feststehenden Kontaktanordnung 12 vorgesehen ist. Das freie Ende jeder Ankeranordnung erstreckt sich in die Nähe der Magnetteile 30 und 32 der feststehenden Kontaktanordnung 12. Wie zuvor erwähnt, besteht während eines Überstromes oder eines Fehlerstromes ein magnetisches Feld in der Umgebung dieser Magnetteile. Dieses Magnetfeld zieht das freie Ende jeder Ankeranordnung in Richtung der feststehenden Kontaktanordnung 12 an, wodurch, wie noch ausführlich erläutert wird, die Schließkraft verringert wird und dadurch die Kontakte in die Lage versetzt werden, unter dem Einfluß niedriger Fehlerströme rascher zu öffnen.
  • - In den Figuren 3 und 4 ist dargestellt, daß die Kontaktträgeranordnung 16 einen Kontaktträger 44 aufweist, der von Trägerrollen 46 und 48 erfaßt ist, die jeweils durch Trägerwellen 50 und 52 gestützt sind. Die Enden der Trägerwellen sind in Langlöchern 55 eines Tragrahmens 54 so geführt, daß sie quer zur Bewegungsrichtung der Kontaktbrücke 15 und ihres Kontaktträgers 44 (Pfeil 17) verschiebbar sind.
  • Der Tragrahmen 54 ist aus einem Stahlteil derart geformt, daß der Mittelteil des Metalls eine U-förmige Gestaltung aufweist, wobei sich von den Schenkeln des "U" Füße erstrecken zur Verankerung des Tragrahmens an dem Gehäuse 11 der Schalteinheit 10 bzw. eines Leistungsschalters. Der Tragrahmen 54 besitzt eine Öffnung in dem Boden des U-förmigen Teiles einer solchen Größe und Gestaltung, daß sie zur Aufnahme des Kontaktträgers 44 ausreicht. Der Tragrahmen 54 besitzt ferner Langlöcher 55 oder andere Öffnungen in den Schenkeln des U-förmigen Teils solcher Größe und Ausgestaltung, daß sie zur Aufnahme der Enden der Trägerwellen 50 und 52 ausreichen. Die Trägerrollen 46 und 48 sind mittig an den Trägerwellen 50 und 52 angebracht. In symmetrischer Anordnung beidseitig der Trägerrollen 46 und 48 sind die Trägerwellen 50 und 52 durch Schraubenzugfedern 56 und 58 gegeneinander vorgespannt.
  • Der Kontaktträger 44 befindet sich zwischen den Trägerrollen 46 und 48 und steht unter der Wirkung der Schraubenzugfedern 56 und 58. welche die Trägerrollen 46 und 48 zueinander zu ziehen bestrebt sind. Wie gezeigt, besitzt der Kontaktträger 44 eine erste Nockenfläche 60 und eine zweite Nockenfläche 62. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Nockenflächen 60 und 62 in unterschiedlichem Maß nach innen zu der Bewegungsrichtung (Pfeil 17) des Kontaktträgers 44 derart geneigt, daß die Trägerrollen 46 und 48 den geringsten Abstand zueinander einnehmen, wenn sich die Kontakte in der in der Figur gezeigten geschlossenen Stellung befinden. Die Trägerrollen 46 und 48 werden voneinander entfemt, wenn die Kontakte in die geöffnete Stellung gelangen. In der dargestellten geschlossenen Stellung der Schalteinheit 10 liegen die Trägerrollen 46 und 48 an den Nockenflächen 60 mit der stärkeren Neigung an und üben auf den Kontaktträger 44 die erforderliche Kontaktkraft aus. In der geöffneten Stellung ist der Kontaktträger 44 in der Zeichnung vertikal nach oben soweit verschoben, daß die Trägerrollen 46 und 48 an der jeweils zugeordneten zweiten Nockenfläche 62 anliegen. In dieser Lage der Teile wird auf den Kontaktträger infolge der geringeren Neigung der Nockenflächen 62 nur eine sehr geringe Kraft in Richtung der geschlossenen Stellung ausgeübt. Die Verinderung der Kraftwirkung auf den Kontaktträger 44 geschieht sprungartig, wenn die Trägerrollen 46 und 48 den Übergangsbereich zwischen den Nockenflächen 60 und 62 überqueren.
  • Die zweite Nockenfläche 62 kann vertikal, d. h. ohne Neigung zur Bewegungsrichtung der Kontaktbrücke 15 angeordnet werden. Ein Vorteil einer nicht vertikalen Stellung besteht darin, daß stets eine Vorspannkraft entsteht, so daß nach Unterbrechung eines Fehlerstromes oder einer anderweitig bewirkten Öffnung der Kontakte eine Kraft zur Rückstellung des Kontaktträgers 44 in die geschlossene Stellung vorhanden ist.
  • Der Kontaktträger 44 kann eine Ausnehmung 64 für den Angriff einer Rückstellfeder 66 aufweisen, die zwischen dem Kontaktträger 44 und dem Gehäuse 11 der Schalteinheit angeordnet ist. Diese Feder kann wahlweise benutzt werden und ist nützlich zur Bereitstellung einer Rückstellkraft auf den Kontaktträger 44, nachdem die Kontakte aufgrund eines Fehlerstromes geöffnet worden sind. Die Feder kann als Ergänzung der durch die Trägerrollen und die zweiten Nockenflächen 62 erzeugten Kraft benutzt werden, oder sie kann allein verwendet werden in Fällen, wo die Nockenflächen 62 ohne Neigung zur Bewegungsrichtung ausgeführt sind. Die Feder 66 stellt sicher, daß die Vorspannkraft in Schließrichtung unabhängig von Einflüssen wie Verschmutzung, Fremdkörpern oder andere Ursachen vorhanden ist.
  • Jeder der Ankeranordnungen 36 und 38 erstreckt sich mit ihrem freien Ende in den Bereich der feststehenden Kontaktanordnung 12 und wird durch die Magnetteile 30 und 32 aufgrund von Fehlerströmen angezogen. Beide Ankeranordnungen sind durch ein flaches Stahlteil gebildet, das an zwei Stellen zur Bildung einer gestuften Gestalt an einem Ende gebogen ist. Das freie Ende jeder Ankeranordnung kann mit einem Ansatzstück 37 bzw. 39 versehen sein, um das An sprechen auf das durch die Magnetteile 30 und 32 gebildete Magnetfeld zu verbessern. An ihrem den Ansatzstücken 37 und 39 gegenüberliegenden Ende sind die Ankeranordnungen zweifach gegensinnig abgewinkelt, wobei die erste Abwinklung zur Mittellinie der Anordnung weist. Der aufwärts gerichtete Endabschnitt 36a bzw. 38a jeder Ankeranordnung ist durch eine Nut oder Rille gegabelt ausgebildet. In der Figur 4 ist eine Nut 36b erkennbar. Aufgrund der gegabelten Ausbildung übergreift jede Ankeranordnung die zugehörige Trägerrolle 46 bzw. 48. Unmittelbar neben den Gabelzinken der Endabschnitte 36a und 38a liegen die Schraubenzugfedem 56 und 58. Zugleich greift jeder gegabelte Endabschnitt 36a und 38a hinter die zugehörige Trägerwelle 50 bzw. 52. Hierdurch ist die Möglichkeit geschaffen, daß jede Ankeranordnung aufgrund ihrer schneidenartigen Lagerung an dem Tragrahmen 54 nahe der zugehörigen Trägerrolle diese von dem Kontaktträger abheben bzw. deren Kraftwirkung auf den Kontaktträger 44 verringern kann. Da die Ankeranordnungen 36 und 38 in Verbindung mit den Magnetteilen 30 und 32 bereits auf Fehlerströme geringer höhe ansprechen, ist eine rasche Kontaktöffnung auch bei* niedrigen Fehlerströmen gewährleistet.
  • Wie insbesondere die Figur 2 zeigt, sind linke und rechte Abstandsblöcke 68 und 70 in dem Gehäuse 11 der Schalteinheit 10 angeordnet, die aus einem festem Isolierstoff, z.B. aus Polyesterharz mit Glasfaserverstärkung, hergestellt sind und als Führungsteile für den Kontaktträger 44 bei der Öffnungs-und Schließbewegung und zur Aufrechterhaltung der Trennung zwischen den Magnetteilen 30 und 32 und den Ankeranordnungen 36 und 38 wirken. Die Abstandblöcke 68 und 70 sind einander gleich, jedoch wird zur Erleichterung der Beschreibung nur der linke Block 68 beschrieben. Der Abstandsblock 68 hat im wesentlichen die Querschnittsform eines I, ähnlich der Querschnittsform eines I-Stahles. Die Kopf-und Fußschenkel des I sind gleich, jedoch ist der vertikale Mittelteil des I nach rechts verschoben, so daß der zwischen dem Kopf-und Fußschenkel verbleibende Raum auf der linken Seite größer ist als auch der gegenüberliegenden Seite. Ferner besitzt die rechte Seite des Mittelteiles eine Nut 69.
  • Der Abstandsblock 68 ist in dem Gehäuse der Schalteinheit 10 zwischen der Ankeranordnung 36 und dem Kontaktträger 44 angeordnet, so daß der Kontaktträger 44 in der Nut 69 des Abstandsblockes 68 gleiten kann. Auf diese Weise führt die Nut 69 den Kontaktträger 44 während seiner Aufwärts-und Abwaärtsbewegung beim Öffnen und Schließen.
  • Die Ankeranordnung 36 erstreckt sich durch den Raum zwischen der Wand des Gehäuses 11 der Schalteinheit 10 und dem vertikalen Mittelteil der I-Form. Dieser Bereich kann als eine große Nut betrachtet werden, welche die Ankeranordnung seitlich führt und die weitere wichtige Funktion beinhaltet, den Anker an der Berührung mit den Magnetteilen 30 und 32 zu hindern. Diese Funktionen sind wichtig, da der Kontaktträger 44 als relativ dünnes Metallteil hergestellt ist, der bei der Berührung mit den Rollen verkantet werden kann, was die Öffnungs-und Schließcharakteristik des Schalters stark verändern würde. Der Abstandsblock 68 bzw. 70 stellt somit ein Mittel zur Führung des Kontaktträgers 44 dar, und verbessert hierdurch die Ansprechgenauigkeit der Schalteinheit.
  • Wie man erkennt,hat die von den Schraubenzugfedern 56 und 58 ausgeübte Kraft die Neigung, die Trägerrollen 46 und 48 in Richtung der Mittellinie der Trägeranordnung 16 zu ziehen. Die die Ankeranordnungen 36 und 38 mit den Trägerwellen 50 und 52 im Eingriff stehen, wirkt auf jede Ankeranordnung eine Kraft, die das gegabelte Ende 36a bzw. 38a in Richtung der Mitte der Trägeranordnung ziehen möchte. Diese Kraft macht sich infolge der schneidenartigen Lagerung der Ankeranordnungen unterhalb der gegabelten Endabschnitte 36a bzw. 38a im Sinne einer Entfernung der Ansätze 37 und 39 von den Magnetteilen 30 und 32 bemerkbar. Eine an jeder der Ankeranordnungen 36 und 38 angebrachte Blattfeder 40 bzw. 41, übt eine leichte Kraft im Sinne der Vorspannung der Ankeranordnungen zur Mittellinie des Kontaktträgers aus. Diese Blattfedern gleichen Toleranzunterschiede in der Anordnung aus und stellen sicher, daß die Ankeranordnungen 36 und 38 in Richtung der Polflächen der Magnetteile 30 und 32 vorgespannt sind. Es ist zu bemerken, daß die beschriebene Schalteinheit wirtschaftlich hergestellt werden kann, weil Herstellungstoleranzen durch die Anwendung der Blattfedern 40 und 41 ausgeglichen werden. Selbst wenn die Oberfläche der Trägerrollen und die Oberflächen der Rollenwellen und des gegabelten Endes der Ankeranordnungen als Präzisionsteile hergestellt würden, könnte es dennoch Maßabweichungen geben. beispielsweise aufgrund von Verschmutzung oder Fremdkörpern, was einen größeren als den gewünschten Abstand der Ansatzstücke 37 und 39 der Ankeranordnungen von den Magnetteilen 30 und 32 bewirken könnte. Die Blattfedern sorgen dafür, daß die Ankeranordnungen auf niedrige Fehlerströme ordnungsgemäß ansprechen.Zugleich werden Geräusche vermieden.
  • Obwohl aus der vorstehenden Beschreibung die Wirkungsweise der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausreichend deutlich hervorgeht, sollen die wesentlichen Punkte in der folgenden Zusammenfassung nochmals verdeutlicht werden.
  • Im normalen Betrieb ist die Schalteinheit 10 eingeschaltet, wobei sich die feststehende Kontaktanordnung 12 und die Brückenkontaktanordnung 14 in Berührung miteinander befinden. Eine auf die Kontakte ausgeübte ausreichende Kontaktkraft bringt den Kontaktwiderstand und die Kontakterwärmung auf grund des Widerstandes beim Fließen des Stromes auf ein Minimum. Die Kontaktkraft wird durch Schraubenzugfedem 56 und 58 aufgebracht, die auf die Trägerwellen 50 und 52 und die Rollen 46 und 48 eine Kraft ausüben, die ihrerseits eine Kraft auf den Kontaktträger 44 durch Einwirkung auf die Nockenflächen 60 ausüben. Diese Kraft erhält die benötigte Kontaktkraft aufrecht, um eine möglichst geringe Erwärmung aufgrund des Kontaktwiderstandes sicherzustellen. Der normale Strom fließt über den Eingangsarm 20, den Eingangskontakt 24 und die Brückenkontaktanordnung 14 sowie durch den Ausgangskontakt 26 und den Ausgangsarm 22. Hierdurch wird ein einsinniger Stromfluß in dem eingekapselten Teil der feststehenden Kontaktanordnung 12 gebildet.ln dem Eingangsarm und in dem Ausgangsarm fließt der Strom in derselben Richtung. Dies ergibt für einen Strom gegebener Größe das zweifache Magnetfeld. Durch die Kontaktbrückenanordnung 14 fließt der Storm in der entgegengesetzten Richtung wie in den feststehenden Kontaktarmen 20 und 22. Dies erzeugt eine elektromagnetische Abstoßungskraft. die bei ausreichend hohen Strömen die bewegbare Kontaktbrückenanordnung 14 von der feststehenden Kontaktanordnung 12 abhebt.
  • Nimmt der durch den Schalter fließende Strom zu, so erregt der durch die feststehende Kontaktanordnung 12 fließende Strom die Magnetteile 30 und 32 in einem ausreichenden Maß, um ein die Ankeranordnungen 36 und 38 anziehendes Magnetfeld zu erzeugen. Die Magnetteile und der Luftspalt zwischen den Magnetteilen und den Ankeranordnungen sind so berechnet, daß sich der Anker bei einem vorbestimmten Pegel des Stromes in Richtung der Magnetteile bewegt. Dabei werden die gegabelten Endabschnitte 36a und 38a von der Mittellinie der Trägeranordnung gegen die Kraft der Schraubenzugfedem 56 und 58 geschwenkt. Dies verringert die abwärts gerichtete Vorspannkraft auf den Träger 44 und somit die auf die beweg bare Kontaktbrückenanordnung 14 wirkende Kraft. Dies verringert zugleich die magnetische Abstoßungskraft, die zur Trennung der feste und bewegbaren Kontakte benötigt wird. Diese Vorgänge ermöglichen daher eine Kontaktöffnung aufgrund eines Fehlerstromes relativ geringer Höhe. Sobald im Verlauf des Öffnungsvorganges die Trägerrollen 46 und 48 die erste Nockenfläche 60 überqueren und sich dem Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Nockenfläche 62 nähern, wird die auf den Kontaktträger wirkende abwärts gerichtete Kraft plötzlich und erheblich verringert. Die Kontaktbrückenanordnung wird hierdurch rasch und zuverlässig von der ortsfesten Kontaktanordnung abgehoben und in die Trennstellung bewegt
  • Es kann vorkommen, das anstelle eines Fehlerstromes geringer Höhe ein Fehlerstrom großer Höhe auftritt. In diesem Fall entsteht die magnetische Abstoßungskraft sehr rasch und trennt die Kontakte unmittelbar. Auch bei der stromabhängigen Öffnung öffnen die Kontakte sprungartig rasch und zuverlässig unabhängig von der aufgewandten magnetischen Kraft, wenn die Trägerrollen erst einmal den Übergangsbereich zwischen den Nockenflächen 60 und 62 überquert haben. Während eines Fehlerstromes großer Höhe wirken die magnetischen Abstoßungskräfte sehr rasch und beträchtlich früher als die magnetische Anziehungskraft auf die Ankeranordnungen wirkt. Der Kontaktträger 44 wird in seiner Aufwärts-und Abwärtsbewegung stets durch die Nuten 69 und 71 der Abstandsblöcke 68 und 70 geführt.
  • Die strombegrenzende Schalteinheit schließt nach der Unterbrechung eines Fehlerstromes selbsttätig aufgrund der kombinierten Wirkung der Schraubenzugfedern 56 und 58 und der Form der zweiten Nockenflächen 62, falls die zweiten Nockenfläche 62 eine von der Vertikalen abweichende Neigung besitzen. Wird bei der Schließbewegung wieder der Über gangsbereich zwischen der ersten Nockenfläche 60 und zweiten Nockenfläche 62 erfaßt, so wird an diesem Punkt die abwärts gerichtete Kraft auf den Kontaktträger 44 plötzlich stark vergrößert, und die Kontakte werden mit der richtigen Kontaktkraft geschlossen. Wie zuvor erwähnt, kann bei anderen Ausführungsformen der Erfindung eine Rückstellfeder 66 benutzt werden, um gleichfalls eine abwärts gerichtete Vorspannkraft bereitzustellen, welche die Kontakte in die geschlossene Stellung vorspannt. Jede der beiden Ausführungen ist für anwendbar und ausreichend; es können auch beide in Kombination miteinander benutzt werden.
  • Wie zuvor erwähnt, werden während eines Fehlerstromes geringer Höhe die Ankeranordnungen angezogen und wirken im Sinne einer Verringerung der abwärts wirkenden Kraft. Aufgrund eines hohen Fehlerstromes wird der Stromkreis jedoch geöffnet, bevor die Ankeranordnungen wirksam werden können. Die Anker werden aber durch den kurzen Stromfluß angezogen, der ein magnetisches Feld erzeugt, obwohl der Stromkreis geöffnet ist, bevor die Ankeranordnungen Gelegenheit zu einer Bewegung haben. Die Anker sprechen darauf an und verringern die auf den Kontaktträger 44 durch die Schraubenzugfedern wirkende abwärts gerichtete Vorspannkraft. Diese verringerte Kraft besteht solange, bis die anziehende Kraft der Ankeranordnungen aufgehoben ist. Diese Kraft ist eine Funktion der Größe des Fehlerstromes. Somit besteht die anziehende Kraft um so länger, je höher der Fehlerstrom ist. Auf diese Weise wird der Schalter am Schließen gehindert, bevor der Fehlerstrom aufhört. In dem Maß, wie der Fehlerstrom abklingt, läßt die Kraft der Anker nach, und die auf den Kontaktträger 44 wirkende abwärts gerichtete Kraft nimmt wieder zu, bis schließlich die Kontakte schließen. Wiederum schließen sich die Kontakte durch eine Schnappbewegung, wenn der Träger 44 erst einmal die Stellung erreicht hat, in der die Trägerrollen 46 und 48 den Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Nockenfläche erfassen.
  • In einem ausgeführten Modell der Erfindung war der in Verbindung mit der strombegrenzenden Schalteinheit zu benutzende Leistungsschalter für den Betrieb bei 600 A bemessen. Das Unterbrechungsvermögen der strombegrenzenden Schalteinheit nach der Erfindung lag oberhalb von 100 000 A bei 480 V Wechselspannung. Die Brückenkontaktanordnung zur Unterbrechung dieses außerordentlich hohen Stromes hat ein beträchtliches Gewicht, was ein leichtes Abheben der Brückkontaktanordnung 14 behindert. Bei diesem Modell würden sich die Kontakte normalerweise bei etwa 8000 A für einen Fehlerstrom geringer Höhe öffnen, die Magnetanordnung bewirkt jedoch eine Verringerung des Pegels auf etwa 6000 A.

Claims (11)

1. Strombegrenzende Schalteinheit (10) mit folgenden Merkmalen:
eine feststehende Kontaktanordnung 812) mit zwei Kontakten (Eingangskontakt 24, Ausgangskontakt
26); eine zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegbare Kontaktbrückenanordnung (14) mit einer Kontaktbrücke (15), die in der geschlossenen Stellung in Berührung mit der feststehenden Kontaktanordnung (12) steht;
ein mit der Kontaktbrücke (15) verbundener Kontaktträger (44) zur Führung der Kontaktbrücke beim Öffnen und Schließen der Kontakte (Pfeil 17);
eine Anordnung zur Verringerung der auf die Kontaktbrücke (15) in der Richtung der geschlossenen Stellung wirkenden Vorspannkraft in Abhängigkeit von der Bewegung der Kontaktbrücke (15) in der Richtung der geöffneten Stellung.
2. Schalteinheit nach Anspruch 1, dadurch ge- . kennzeichnet, daß die Anordnung zur Verringerung der Vorspannkraft eine Einrichtung zur sprungartigen Verringerung der Vorspannkraft nach Durchlaufen eines bestimmten Teiles des Öffnungsweges der beweglichen Kontaktbrückenanordnung (14) sowie wenigstens eine Ankeranordnung (36, 38) zur Verringerung der Kontaktkraft in Anhängigkeit von dem die Schalteinheit (10) durchfließenden Strom aufweist.
3. Schalteinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung wenigstens eine an einem eine Kontaktbrücke (15) tragenden Kontaktträger (44) angeordnete Nockenfläche (60), wenigstens eine an dem Kontaktträger (44) geführte Trägerrolle (46, 48) sowie wenigstens eine die Trägerrolle (46, 48) gegen die Nockenfläche - (60) vorspannende Feder (Schraubenzugfeder 56, 58) umfaßt, wobei die Nockenfläche (60) zu der Bewegungsrichtung (17) der Kontaktbrückenanordnung (14) beim Öffnen und Schließen geneigt angeordnet ist.
4. Schalteinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktträger (44) anschließend an die erste Nockenfläche (60) eine zweite Nockenfläche (62) mit einer gegenüber der ersten Nockenfläche (60) geringeren Neigung zur Bewegungsrichtung (17) der Kontaktbrückenanordnung (14) beim Öffnen und Schließen besitzt.
5. Schalteinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Nockenflächen (60, 62) derart unterschiedlich gewählt ist, daß sich die auf den Kontaktträger (44) wirkende, durch die Trägerrolle (46, 48) übertragene Kraft beim Übergang der Trägerrolle (46, 48) von der ersten Nockenfläche (60) auf die zweite Nockenfläche (62) sprungartig ändert.
6. Schalteinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei an dem Kontaktträger - (44) in symmetrischer Anordnung angreifende Trägerrollen (46,48) vorgesehen sind, die auf Rollenwellen (50, 52) angebracht sind, wobei die Rollenwellen (50, 52) in Ausnehmungen eines Tragrahmens (54) quer zur Bewegungsrichtung (17) der Kontaktbrückenanordnung (14) beim Öffnen und Schließen verschiebbar geführt und durch zwei symmetrisch beidseitig der Trägerrollen (46, 48) angeordnete Schraubenzugfedem (56, 58) gegeneinander vorgespannt sind.
7. Schalteinheit nach anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankeranordnung (36, 38) an einem Tragrahmen (54) schwenkbar gelagert ist und mit ihrem freien Ende wenigstens einem Magnetteil (30, 32) gegenüberstehend angeordnet ist, das durch den die feststehende Kontaktanordnung (12) durchfließenden Strom erregbar ist.
8. Schalteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet. daß das Schwenklager der Ankeranordnung (36, 38) nahe der Trägerrolle (46. 48) angeordnet ist und die Ankeranordnung (36. 38) einen gegabelten Endabschnitt (36a. 38a) zum Hintergreifen der Trägerwelle (50. 52) zwecks Entlastung der Trägerrolle (46. 48) von der Vorspannkraft in Abhängigkeit von dem die Schalteinheit - (10) durchfließenden Strom aufweist.
9. Schalteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Ankeranordnung (36, 38) durch eine Federkraft (Blatterfeder 40, 41) in Richtung auf das Magnetteil (30, 32) der feststehenden Kontaktanordnung (12) vorgespannt ist.
10. Schalteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Wandung eines Gehäuses (11) der Schalteinheit (10) und der Kontaktbrückenanordnung (14) eine in Richtung der geschlossenen Stellung der Kontakte wirkende Feder (Schraubenfeder 66) angeordnet ist.
11. Schalteinheit nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (11) der Schalteinheit (10) wenigstens ein Abstandsblock - (68, 70) angeordnet ist, der eine Nut (69, 71) zur Führung des Kontaktträgers (44) sowie die Ankeranordnung (36, 38) mit Abstand umgreifende Abschnitte aufweist, von denen sich der eine zwischen dem Kontaktträger (44) und der Ankeranordnung befindet.
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