EP0243980A2 - Kontaktanordnung für strombegrenzende Niederspannungs-Leistungsschalter - Google Patents

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EP0243980A2 EP87106355A EP87106355A EP0243980A2 EP 0243980 A2 EP0243980 A2 EP 0243980A2 EP 87106355 A EP87106355 A EP 87106355A EP 87106355 A EP87106355 A EP 87106355A EP 0243980 A2 EP0243980 A2 EP 0243980A2
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H77/00—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting
    • H01H77/02—Protective 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
    • H01H77/10—Protective 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
    • H01H77/102—Protective 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

Definitions

  • the invention relates to a contact arrangement according to the preamble of claim 1.
  • DE-AS 1 638 154 which describes a self-switch in which at least one movable contact arm is pivoted by the other contact arm under the influence of short-circuit currents and their electro-dynamic forces.
  • One end of a tension spring which can be moved via a dead center acts on the movable contact arm, while the other end is fastened to a pivotable auxiliary lever.
  • the contact arm also has a pin for driving the auxiliary lever, which engages in an L-shaped recess in the auxiliary lever.
  • the object of the invention is therefore to provide a contact arrangement in which the moments of inertia of the movable contact arms are reduced using technically simple means.
  • the contact arrangement according to the invention has a particular advantage of a faster rise in the arc voltage and a better current limitation. This results in a lower short-circuit stress on the system parts to be protected and the switch itself, which also leads to a smaller switch volume.
  • the above-mentioned proportional factor c contains the reciprocal of the mass m or the moment of inertia ⁇ .
  • the springs shown are compression springs, the function of which can optionally also be carried out by appropriately arranged leaf springs or torsion springs.
  • end sections 3, 4 of pivotable contact arms 5, which may also be contact arms of bridge contacts or of c-shaped fixed contacts 6, can thus be rotated close to contact piece 1, 2 to contact arm 5 , 6 attached that the mass moments of inertia of the end sections 3, 4 are as small as possible.
  • the end sections 3, 4 are supported at points 7, 8 in such a way that a rotary movement is only possible in the opening direction.
  • the end sections are held in their stretched normal position by springs 9, 10, the spring forces being matched so that their force is equal to or greater than the required contact force.
  • the smaller moments of inertia of the end sections 3, 4 are first accelerated and moved in the opening direction. Because of the small turning radius of the end sections 3, 4 compared to the larger radius of the pivotable contact arm 5, the end sections 3, 4 quickly form a relatively large angle to one another.
  • the perpendicular to the contact areas escaping plasma jets will facilitate the formation of the base in the direction of the desired arc movement when rotated prematurely on the counter contact piece and will finally be directed into the space which lies between the end sections and an arc quenching chamber (not shown).
  • the plasma rays contain almost no more neutral particles, but mainly electrons and ions, i.e. charge carriers, which prepare the arc column, as it were, the way from the contact space to the arc quenching chamber.
  • the contact arm 5 has also moved clearly upwards due to the repulsive current forces in the approximately parallel current paths of the contact arm 5 and the c-shaped fixed contact 6.
  • the further movement can, as with contact arrangements with rigid contact arms and rigid c-shaped fixed contacts expire.
  • the pivotable end sections 13, 14 with the contact pieces 1, 2 are designed as rockers, the pivot points 15 of which form the ends of the contact arm 5 and the c-shaped fixed contact 6.
  • the parts 18, 19 opposite the contact-carrying parts 16, 17 of the end sections 13, 14 are insulated from one another at least up to the pivot points 15 in such a way that arcing between them is made impossible because the parts 18, 19 are still relative even after the opening movement has started stay in touch for a long time or in closer proximity.
  • Springs 20, 21, which are supported on the one hand on the end sections 13, 14 and on the other hand on a spring bearing 22 of the movable contact arm 5 or on a spring bearing 23 fixed to the housing, are tuned so that the end sections 13, 14 are approximately also in the closed normal state the contact arm 5 or the upper part of the c-shaped fixed contact 6 are aligned.
  • the two described arrangements accelerate relatively small moments of inertia, particularly due to the current forces, and already in the initial phase of the contact opening a relatively large angle of the contact surfaces against one another, which favors the movement of the arc base points and the ionization of the space between contact pieces and arc quenching chambers by the plasma rays.

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Abstract

Kontaktanordnung für strombegrenzende Niederspannungs-Leistungsschalter mit einem beweglichen Kontaktstück (1), welches mit einem feststehenden Kontaktstück (2) zusammenwirkt, bei der eine große Beschleunigung der Kontaktstücke am Beginn der Kontaktöffnung einen schnellen Anstieg der Lichtbogenspannung bewirkt. Die Kontaktöffnung wird am Beginn der Kontaktbewegung dadurch beschleunigt, und der Winkel zwischen beiden Kontaktflächen dadurch schnell vergrößert, daß die die Kontaktstücke tragenden Endabschnitte der Kontaktarme (3, 4) schwenkbar und federbelastet an den Kontaktarmen (5, 6) gelagert sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung nach dem Ober­begriff des Anspruchs 1.
  • Strombegrenzende Niederspannungs-Leistungsschalter haben die Aufgabe, im Kurzschlußfall möglichst schnell eine hohe Licht­bogenspannung zu erzeugen, um eine gute Strombegrenzung zu erreichen. Dadurch wird die dynamische Beanspruchung (gegeben durch das Stromquadrat I²) und die thermische Belastung (ge­geben durch ∫i²dt) des Kurzschlußstromkreises einschließlich des Leistungsschalters selbst klein gehalten. Nur so ist es möglich, solche Leistungsschalter klein und wirtschaftlich zu bauen.
  • Es ist bekannt, hohe Lichtbogenspannungen durch große Kon­taktöffnungen herbeizuführen, weil die Länge des Lichtbogens einen wesentlichen Einfluß auf seine Spannung hat. So gibt es schwenkbare Kontaktarme mit Brückenkontakten, bei denen das Ziel einer großen Kontaktöffnung mit der technisch vor­ teilhaften, aber teuren Doppelunterbrechung verbunden wird wie sie beispielsweise in einem Prospekt der Firma Sace beschrieben sind. Weiterhin sind Festkontakte mit schwenk­baren Kontaktarmen, vorzugsweise C-förmig ausgebildet, aus dem Prospekt der Firma Westinghouse bekannt, die das gleiche Ziel anstreben.
  • Besonders bei den schwenkbaren Kontaktarmen wird die Tat­sache ausgenutzt, daß bei großen Kurzschlußströmen und hohen Stromsteilheiten (abhängig von Leistungsfaktor des Kurz­schlußstromkreises und vom Zeitpunkt des Kurzschlusses) die Stromkräfte an der Kontaktstelle (Stromenge- und Schleifen­kraft) innerhalb sehr kurzer Zeiten, u. U. in Bruchteilen von Millisekunden, die Kontaktschließkraft übersteigen und damit die Kontakte dynamisch öffnen, lange bevor ihre Öffnung durch magnetische Auslöser über das Schaltschloß bewirkt wird.
  • In diesem Zusammenhang ist auf die DE-AS 1 638 154 hinzuweisen, die einen Selbstschalter beschreibt, bei welchem mindestens der eine bewegliche Kontaktarm unter dem Einfluß von Kurzschluß­strömen und deren elektro-dynamischen Kräften von dem anderen Kontaktarm verschwenkt wird. An dem beweglichen Kontaktarm greift das eine Ende einer über einen Totpunkt bewegbaren Zug­feder an, während das andere Ende an einem schwenkbaren Hilfs­hebel befestigt ist. Der Kontaktarm weist ferner zum Antrieb des Hilfshebels einen Zapfen auf, der in einer L-förmigen Aus­sparung des Hilfshebels eingreift. Bei Auftreten eines Kurz­schlußstromes treten in beiden parallel zueinander liegenden Kontaktarmen elektro-dynamische Kräfte auf, die die Kontakt­arme in entgegengesetzte Richtungen auseinander treiben. Die Drehung der Kontaktarme im Schwenkzapfen bewirkt, daß die Zug­federn von der einen Übertotpunktlage in die andere Übertot­punktlage gebracht werden (Schnappeffekt) und die Kontaktarme in der offenen Position halten. Diese Kontaktanordnung führt zwar auch zu einer raschen Öffnung der Kontakte im Kurzschluß­fall, erfordert jedoch einen großen technischen Aufwand.
  • Aus der DD-PS 225 237 ist zu entnehmen, daß für strombegrenzen­de Leitungsschutzschalter die Öffnungsgeschwindigkeit eines mittels eines Schlagankers angetriebenen Schaltkontaktes da­durch erhöht wird, daß der Schaltkontaktarm mittig im Bereich des Massenschwerpunktes drehbeweglich gelagert wird, Dadurch wird das Massenträgheitmoment herabgesetzt. Der Schaltkontakt wird durch in diesem Schalter durch den Schlaganker eines mag­netischen Auslösers bewirkt.
  • Die Stromengekräfte, die im Augenblick der Kontakttrennung noch die Beschleunigung beeinflussen, werden durch solche Magnetsysteme nicht verstärkt. Gerade in diesem Zeitpunkt ist aber eine hohe Beschleunigung im Hinblick auf eine schnel­le Kontaktöffnung wünschenswert.
  • Die relativ langsam beginnende Kontaktöffnung hat noch eine weitere Folge:
  • Unmittelbar nach der Kontakttrennung ist auch bei schwenk­baren Kontakten noch kaum eine Drehbewegung festzustellen; die Kontaktflächen entfernen sich, scheinbar parallel zuein­ander und geradlinig voneinander. Die aus den Lichtbogenfuß­punkten austretenden Plasmastrahlen haben die Tendenz senk­recht auf den Kontaktflächen zu stehen, aus denen sie aus­treten. Die Spitzen der Plasmastrahlen, die auf der gegen­überliegenden Kontaktfläche neue Lichtbogenfußpunkte erzeugen und damit eine Fußpunktbewegung einleiten könnten, treffen die Gegenkontaktfläche nur in einem relativ eng begrenzten Umkreis um den jeweils gegunüberliegenden Lichtbogenfußpunkt. Die Fußpunkte bewegen sich also auf nur sehr kleinem Raum; eine Bewegung in der gewünschten Richtung zur Ablaufkante oder zum Ablaufhorn hin ist bei kleinen Kontaktöffnungen nicht zu erreichen.
  • Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Kontaktanordnung zu schaffen, bei der mit technisch einfachen Mitteln die Massen­trägheitsmomente der beweglichen Kontaktarme herabgesetzt werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
    Die Kontaktanordnung nach der Erfindung weist als besonderen Vorteil einen schnelleren Anstieg der Lichtbogenspannung sowie eine bessere Strombegrenzung auf. Dadurch wird eine geringere Kurzschlußbeanspruchung der zu schützenden Anlagenteile und des Schalters selbst erzielt, was auch zu einem kleineren Schaltervolumen führt.
  • Dabei wird von folgender Überlegung ausgegangen: Der oben erwähnte Proportionalfaktor c beinhaltet den Reziprokwert der Masse m bzw. des Massenträgheitsmomentes ϑ. Die Gleichun­gen für die geradlinige und die Dreh-Beschleunigung stellen sich dann folgendermaßen dar:
    b = l/M* K*i² bzw. ε = l/ϑ * K*i²
    wobei K ein neuer Proportionalitätsfaktor für die Strom­quadrat-Kraft-Umrechnung ist. D. h.: Beschleunigung und Dreh­beschleunigung (beide im weiteren als "Beschleunigung" bezeich­net) verändern sich umgekehrt propotional zu den Massen bzw. zu den Massenträgheitsmomenten (beide im weiteren als "Masse" bezeichnet) der beweglichen Kontaktteile. Je kleiner diese Massen sind, desto größer ist die Beschleunigung bei gegebenen Stromkräften. Die im Augenblick der Kontakttrennung noch wirk­samen Stromengekräfte können die kleineren Kontaktmassen stär­ker beschleunigen und somit eine sehr schnelle Anfangsöffnung bewirken.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt.
    Es zeigen
    • Figuren 1a ... 1c eine Ausführungsform mit Schwenkhebel an den Enden eines beweglichen Kontakt­armes und
    • Figuren 2a ... 2c eine Ausführung mit einer Wippe an den Enden des beweglichen Kontaktarmes bzw. eines c-förmigen Festkontaktes.
  • In allen Figuren wurden die Elemente zur Stromübertragung auf die die Kontakte tragenden Schwenkhebel bzw. Wippenteile, z.B. Strombolzen, Flexbänder u. ä., wegen der Übersichtlichkeit weggelassen.
  • Die dargestellten Federn sind Druckfedern, deren Funktion gegebenenfalls auch von entsprechend angeordneten Blattfedern oder Drehfedern ausgeführt werden kann.
  • Die in den Fig. 1a - 1c mit Kontaktstücken 1, 2 versehenen Endabschnitte 3, 4 schwenkbarer Kontaktarme 5, wobei dies auch Kontaktarme von Brückenkontakten oder von c-förmigen Festkontakten 6 sein können, werden so dicht am Kontaktstück 1, 2 drehbar zum Kontaktarm 5, 6 angebracht, daß die Massen-­Trägheitsmomente der Endabschnitte 3, 4 so klein wie möglich werden. Die Endabschnitte 3, 4 sind so in den Punkten 7, 8 gelagert, daß eine Drehbewegung nur in Öffnungsrichtung mög­lich ist. Die Endabschnitte werden durch Federn 9, 10 in ihrer gestreckten Normallage gehalten, wobei die Federkräfte so abgestimmt sind, daß ihre Kraft gleich oder größer als die erforderliche Kontaktkraft ist.
  • Die Fig. 1a zeigt die Kontaktanordnungen im geschlossenen Nor­malzustand.
    Die Kraft der Druckfedern 9, 10 ist so groß, daß sie unter der Wirkung der auf den Kontaktarm 5 wirkenden Schlosskraft die Endabschnitte 3, 4 in gestreckter Lage hält. Die Feder 9 stützt sich an einem Lagerbock 11 am Kontaktarm 5 und einem Lagerbock 11a am Endabschnitt 3 und die Feder 10 an dem End­abschnitt 4 und einem festen Gegenlager 12 ab.
  • Überschreiten bei einem Kurzschlußstrom die Stromkräfte die Kontaktkraft, werden zunächst die kleineren Massenträgheits­momente der Endabschnitte 3, 4 beschleunigt und in Öffnungs­richtung bewegt. Wegen des kleinen Drehradius der Endabschnitte 3, 4 gegenüber dem größeren Radius des schwenkbaren Kontakt­armes 5 bilden die Endabschnitte 3, 4 schnell einen relativ großen Winkel zueinander. Die senkrecht zu den Kontaktflächen austretenden Plasmastrahlen werden bei der frühzeitigen Drehung auf dem Gegenkontaktstück die Fußpunktbildung in Richtung der gewünschten Lichtbogenbewegung erleichtern und endlich in den Raum gerichtet, der zwischen den Endabschnit­ten und einer nicht dargestellten Lichtbogenlöschkammer liegt. Die Plasmastrahlen enthalten fast keine neutralen Teilchen mehr, sondern hauptsächlich Elektronen und Ionen, also La­dungsträger, die der Lichtbogensäule gleichsam den Weg aus dem Kontaktraum zur Lichtbogenlöschkammer vorbereiten.
  • In Fig. 1b ist dieses Verhalten bei einem Kurzschluß darge­stellt, bei dem die Stromkräfte und besonders die Stromkräfte an der Kontaktstelle die Federkräfte übersteigen. Noch lange bevor der vergleichsweise lange Kontaktarm 5 mit seinem gros­sen Massenträgheitsmoment seine Bewegung in Öffnungsrichtung beginnt, können die kurzen Endabschnitte 3, 4 durch die Strom­engekräfte geöffnet werden und den gewünschten großen Winkel zueinander bilden.
  • Gleichzeitig dazu erfolgt die Bewegung des gesamten Kontaktarmes 5 mit der durch die größeren Massen-Trägheitsmomente bedingten geringeren Geschwindigkeit bis zum vollen Öffnungswinkel in bekannter Weise als Folge der Stromkräfte (Schleifenkraft, Abstoßungskraft bei Parallelführung der Kontaktarme).
  • Gemäß Fig. 1c hat sich auch der Kontaktarm 5 deutlich nach oben bewegt aufgrund der abstossenden Stromkräfte in den an­nähernd parallel geführten Strombahnen des Kontaktarmes 5 und des c-förmigen Festkontaktes 6.
  • Die Stromengekräfte an den Kontakten 1, 2 nehmen ab und die Endabschnitte 3, 4 können wieder in die gestreckte Lage zurück­gehen infolge der Kräfte der Federn 9, 10.
  • Die weitere Bewegung kann wie bei Kontaktanordnungen mit starren Kontaktarmen und starren c-förmigen Festkontakten ablaufen.
  • In einer weiteren Ausführungsform gemäß den Fig. 2a - 2c sind die schwenkbaren Endabschnitte 13, 14 mit den Kontakt­stücken 1, 2 als Wippe ausgebildet, deren Drehpunkte 15 die Enden des Kontaktarmes 5 und des c-förmigen Festkontaktes 6 bilden. Die den kontakttragenden Teilen 16, 17 gegenüber­liegenden Teile 18, 19 der Endabschnitte 13, 14 sind mindestens bis zu den Drehpunkten 15 so gegeneinander isoliert, daß eine Lichtbogenbildung zwischen ihnen unmöglich gemacht wird, weil die Teile 18, 19 auch nach Beginn der Öffnungsbewegung noch relativ lange in Berührung oder in größerer Nähe zueinander bleiben. Federn 20, 21, die sich einerseits auf den Endab­schnitten 13, 14 und andererseits an einem Federlager 22 des beweglichen Kontaktarmes 5 bzw. an einem gehäusefesten Feder­lager 23 abstützen, sind so abgestimmt, daß auch hier im ge­schlossenen Normalzustand die Endabschnitte 13, 14 annähernd mit dem Kontaktarm 5 bzw. dem oberen Teil des c-förmigen Fest­kontaktes 6 fluchten.
  • Übersteigen im Kurzschlußfall die Stromkräfte und besonders die Stromengekräfte den Kontaktdruck, spreizen sich die End­abschnitte 13, 14, wie in Fig. 2b dargestellt, auf, wobei die Federkräfte die Öffnung der kontakttragenden Teile 16, 17 noch unterstützen. Bis zum Erreichen der größten Spreizlage der beiden Endabschnitte 13, 14 stützen sie sich an einem ballig ausgeführten Berührungspunkt 24 ab und tragen damit noch zur Verstärkung der Kraft auf den beweglichen Kontakt­arm 5 bei.
  • Nach Erreichen der Endlagen zum beweglichen Kontaktarm 5 bzw. zum c-förmigen Festkontakt 6 endet die Berührung. Der Kontaktarm 5 bewegt sich weiter in Öffnungsrichtung und die Endabschnitte 13, 14 bleiben unter der Wirkung der Federkräfte in der aufgespreizten Stellung entsprechend 2c. Die bei Beginn des Ausschaltvorganges gewonnene Öffnung der Kontakte bleibt praktisch bis zur Wiedereinschaltung und damit bis zum Ende des Ausschaltvorganges erhalten.
  • Durch die beiden beschriebenen Anordnungen werden relativ kleine Massenträgheitsmomente besonders durch die Stromenge­kräfte beschleunigt und bereits in der Anfangsphase der Kon­taktöffnung ein relativ großer Winkel der Kontaktflächen gegeneinander hergestellt, der die Bewegung der Lichtbogen­fußpunkte und die Ionisation des Raumes zwischen Kontakt­stücken und Lichtbogenlöschkammern durch die Plasmastrahlen begünstigt.
  • Es kann gegebenenfalls erforderlich sein, daß die in den Fi­guren 1a, 1b und 1c dargestellten, dem Drehpunkt 7 bzw. 8 nahen Teile der schwenkbaren Endabschnitte 3, 4 und der Kon­taktarme 5, 6 bzw. die in den Figuren 2a, 2b und 2c dargestell­ten, den kontakttragenden Teilen gegenüberliegenden Teile der Kontaktwippen 13, 14 und die dem Drehpunkt 15 nahen Teile der Kontaktarme 5, 6 isoliert sind. Diese Teile sind auch nach der Öffnung der Endabschnitte bzw. der Aufspreizung der Kontakt­wippen noch einige Zeit in geringem Abstand zueinander (Fig. 1a und 2c) bzw. sogar in Berührung (15, 19 in Fig. 2b). Die Iso­lation soll die Entstehung eines Lichtbogens an diesen Stellen und in Fig. 2b die Stromführung über die balligen Auflagen 18, 19 verhindern.

Claims (7)

1. Kontaktanordnung für strombegrenzende Niederspannungs-Leistungsschalter mit einem beweglichen Kontaktstück, welches mit einem festen Kontakt­stück zusammenwirkt, bei der die die Kontaktstücke tragenden Kontakt­arme geteilt und mit Federn belastet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kontaktstücke (1, 2) tragenden Abschnitte (3, 4, 13, 14) der Kontaktarme (5, 6) mittels in Schließrichtung der Kontaktstücke (1, 2) wirkenden Druckfedern (9, 10, 20, 21) belastet und derart an den Kontakt­armen (1, 2) schwenkbar angebracht sind, daß eine elektrodynamische Öffnung der Kontaktstücke (1, 2) gegen die Kraft der Druckfedern (9, 10, 20, 21) und unter Schaffung eines Schwenkwinkels gegenüber den Kontakt­armen (1, 2) erfolgt, und daß der Schwenkwinkel nach Aufhören der elektro­dynamischen Kräfte über die Druckfedern (9, 10, 20, 21) aufgehoben wird.
2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft (9) zwischen senkrecht auf dem beweglichen Kontaktarm (5) und dem zugehörigen Endabschnitt (3) angebrachten Ansätzen (11, 11a) parallel zum Kontaktarm (5) wirkt.
3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Endabschnitt (4) am feststehenden Kontaktarm (6) belastende Feder (10) am Ende der Schwenkbewegung annähernd senkrecht auf den Endabschnitt (4) wirkt.
4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 mit einem als Kontaktwippe ausge­bildeten Endabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktwippe (13, 14) mittig an den Kontaktarmen (5, 6) gelagert ist, am äußeren Ende (16, 17) die Kontaktstücke (1, 2) trägt und am inneren Ende (18, 19) eine federbelastete Spreizlagerung (24) aufweist.
5. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizlagerung (24) durch isolierende ballige Auflagen an den Endabschnitten (13, 14) gebildet wird.
6. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Drehpunkt (7, 8) nahen Teile der schwenkbaren Endabschnitte (3, 4) und der Kontaktarme (5, 6) isoliert ausgebildet sind.
7. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den kontakttragenden Teilen gegenüberliegenden Teile der Kontaktwippen (13, 14) und die dem Drehpunkt (15) nahen Teile der Kontaktarme (5, 6) isoliert aus­geführt sind.
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