EP2901466B1 - Gleichstrom-schalter mit einer vorrichtung zur stromrichtungsunabhängigen lichtbogenlöschung - Google Patents

Gleichstrom-schalter mit einer vorrichtung zur stromrichtungsunabhängigen lichtbogenlöschung Download PDF

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EP2901466B1
EP2901466B1 EP13770454.0A EP13770454A EP2901466B1 EP 2901466 B1 EP2901466 B1 EP 2901466B1 EP 13770454 A EP13770454 A EP 13770454A EP 2901466 B1 EP2901466 B1 EP 2901466B1
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EP
European Patent Office
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switch
arc
current
arcs
magnetic field
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EP13770454.0A
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EP2901466A1 (de
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Axel Britz
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Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
Original Assignee
Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts
    • H01H1/2041—Rotating bridge
    • H01H1/2058—Rotating bridge being assembled in a cassette, which can be placed as a complete unit into a circuit breaker
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/18—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet
    • H01H33/182—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet using permanent magnets
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/44—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet
    • H01H9/443—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet using permanent magnets

Definitions

  • the invention relates to a DC switch with a device for current direction independent arc extinguishing.
  • a well-known principle for extinguishing arcs in load disconnectors and circuit breakers for alternating currents is to drive an arc by means of its own magnetic field in a specially provided quenching chamber, where it is divided and cooled by the arrangement of quenching plates in several small arcs. This cooling causes a voltage increase, which ultimately leads to the shutdown of the stream. Helpful in this case is the natural zero crossing of the current at an applied AC voltage source.
  • a switch which is suitable for a polarity-independent multipolar DC operation and has at least two switching chambers.
  • Each of the switching chambers has two extinguishing chambers with quenching plates for extinguishing arcs occurring in the respective switching chamber between contact areas.
  • Two magnets generate a magnetic field in the region of the switching contacts of all switching chambers such that arcs are driven independently of the current direction in the arc in the direction of one of the extinguishing chambers of the switching chambers.
  • This switch has a fast, reliable, and independent of the current direction erase behavior and therefore prevents polarization-induced installation errors and is suitable for applications where switches are required for both current directions.
  • An underlying idea of the present invention is to provide differently oriented magnetic fields for deflecting arcs resulting from the disconnection of a DC switch with a plurality of switching units. As a result, regardless of the current direction of the direct current to be switched, a deflection into extinguishing devices for extinguishing arcs is always effected.
  • the arrangement of the means for generating the magnetic fields for deflecting arcs in quenching can be selected according to the invention so that arcs are deflected by generated magnetic fields in some switching units in erasing devices and other switching units opposite, for example, against a switching shaft of a DC switch. For example, deflecting arcs against rotating double breaker switching shafts from e.g.
  • thermoset of rotary double breakers used as switching units can cause an extension and simultaneous cooling of the arc, without the surrounding components are destroyed. Therefore, the inventive principle of aligning magnetic fields for deflecting arcs in switching units of a DC switch may result in the voltage increase desired to separate the DC and arc breaks, and thus also contribute to the separation of small and critical currents at high voltages, for example can occur in the initially described cases.
  • a fault current occurs, for example when using a DC switch in a photovoltaic system, which is opposite in its current direction to the operating current; can nevertheless be deleted by the present invention reliably occurring arcs, as is deleted according to the invention, regardless of the direction of current flow through a DC switch.
  • the arrangement and orientation of magnetic fields for deflecting arcs can be distributed in principle according to the invention in principle.
  • the advantage is a uniform distribution as possible, so that in reversible current flow directions about similar extinguishing conditions are present and the switch can safely shut off the current flow regardless of polarity.
  • the invention is suitable to use switching devices for AC applications by technically less expensive modifications for switching DC currents.
  • the invention now relates to a DC switch with a device for current-independent arc extinguishing comprising at least two interconnected switching units, each switching unit having at least one current path with a breaker gap and each current path at least two switching contact elements for forming the breaker gap, at least one arc quenching device, the one or more Current paths of the switching units is assigned, and one or more magnetic field generating means, each generated magnetic field associated with a breaker distance of different switching units and aligned so that its field lines are substantially transverse to the respective interruption distance, and wherein the deflection forces of at least two magnetic fields generated in a predetermined current flow direction through the current paths opposite to extending along the respective interruption distance arcs w so that at least one arc is deflected in the direction of the arc quenching device and another arc is deflected away from the arc quenching device.
  • the devices for magnetic field generation may comprise, for example, electromagnets, permanent magnets and / or coil.
  • the switching units are rotary double breakers and an arc deflected away from the arc quenching device is directed to the switching shaft or a switching shaft segment of a double breaker.
  • the switching shaft or the switching shaft segment can serve to cool a directed thereon arc so that it breaks off or goes out.
  • a rotary double breaker has two interrupting paths, and the four switching contact element are each closed by a rotation separated, for example, two switching contact elements coupled to the switching shaft and thus movably mounted and two other switching contact element are fixed.
  • Each switching unit can each have at least one device for magnetic field generation.
  • a separate magnetic field can be generated for each switching unit, as a function of the predetermined current flow direction through the at least current path of a switching unit For example, can be determined by appropriate adjustment of the magnetic field, in which direction a resulting arc is deflected.
  • the parts of the switching units may be made of a material that causes cooling of an arc, in particular of a thermosetting plastic. It has been shown that a thermoset for cooling arcs is particularly well-suited without arcing damage to the thermoset occur.
  • the devices for magnetic field generation have permanent magnets, this has the advantage that no separate supply of electrical energy is required for generating a magnetic field.
  • the implementation with permanent magnets compared to electromagnets or coils is less expensive and less prone to failure.
  • the DC switch may be a four-phase AC switch, which is designed to switch direct current by appropriately interconnecting the individual switching units.
  • the in Fig. 1 shown in itself for the switching of 4-phase AC load switch 10 has four basically identical switching units 12, 14, 16 and 18 for each phase N, L1, L2 and L3.
  • the switching units 12, 14, 16 and 18 used are rotary double breakers, each having two current paths and two interrupting paths, which are connected together in series, in order to achieve the required high total arc voltage and thus an externally applied, counteract driving network voltage and extinguish the power as soon as possible.
  • Each double interrupter 12, 14, 16 and 18 also includes a thermoswitch switching shaft segment 38 which is coupled to and rotates with a selector shaft (not shown) to disconnect the contacts 28, 30 and 29, 31 of the interrupter legs 24 and 26 or connect.
  • Fig. 2 shows a double breaker in a side view.
  • the first flow path 20 has a first interrupter gap 24 with a lower fixed contact 28 and a contact piece with an upper loose contact 30.
  • the switching piece with the upper loose contact 30 is coupled via a switching contact arm 40 with the switching shaft segment 38 and can be moved by a rotation of the segment 38, so that the interruption path 24 can be opened or closed.
  • the second current path 22 has a second breaker gap 26 with an upper fixed contact 31 and a switching piece with a lower loose contact 29, which is also coupled via the switching contact arm 40 with the segment 38.
  • the Losête 29 and 30 are therefore moved synchronously over the switching shaft segment 38, so that the two interrupter lines 24 and 26 are opened and closed synchronously.
  • two extinguishing chambers each formed by packets with arc extinguishing plates 32 and 34, are arranged in each of the four double interrupters 12, 14, 16 and 18 in the area of the interrupter lines 24 and 26, respectively.
  • the arc quenching plate packages 32 and 34 are in this case arranged so that they extinguish arcs, which are directed in a predetermined direction away from the thermoset switching shaft segment 38 in the quenching plates 32 and 34, respectively.
  • each double interrupter 12, 14, 16 and 18 each has an array of permanent magnets 36 around at least one of their interrupter legs 24 and 26 (in FIGS Fig. 1 arrangements of permanent magnets 36 are shown only around the second interrupter lines 26, although permanent magnets could also be arranged around the first interrupter line 24).
  • the arrangement of permanent magnets 36 generates a magnetic field in the region of the surrounding interrupting path 26, the field lines of which extend essentially transversely to the interruption path 26 that is surrounded.
  • the magnetic fields of the permanent magnet assemblies are poled to produce at a given current flow direction through the current paths 20 and 22 on arcs deflecting forces that deflect the arcs in a predetermined direction, typically either to the arc splitter stack
  • at least two of the generated magnetic fields are poled so that at operating current direction an arc occurring at a breaker distance to the arc quenching package 34 and an arc occurring at another interruption distance to the thermoset switching shaft segments 38th is distracted.
  • at least one arc is always deflected to the arc splitter stack 34 and another arc to the thermoset switching shaft segments 38.
  • the arrangement of the permanent magnets is now chosen so that in a current flow direction through the current paths of the double circuit breaker 12, 14, 16 and 18 in the operating current arcs through the permanent magnetic field at the first and second double breaker 12 and 14 in the respective arcing chamber and arcs at the other two double interrupters 16 and 18 opposite to the respective switching shaft segments made of thermoset of the double breaker 16 and 18 are deflected, as indicated by the bold arrows in Fig. 1 is indicated.
  • the distraction arcing against the double breaker switch shaft segment made of thermosetting plastic that is rotating as it opens into the double breaker causes an extension and simultaneous cooling of the arc without destroying surrounding components.
  • Fig. 3 For example, in a double breaker shown in a side view, due to the arrangement of permanent magnets 36, a flex bend 44 deflected to the thermoset switching shaft segment 38 and an arc 46 deflected in the opposite direction are shown in the reverse current flow direction.
  • Fig. 4 shows a double breaker in side view with arc quenching packs 32 and 34 and deflected arcs 44 and 46. It can clearly be seen how the arc 46 is directed into the arc splitter stack 34, from which it is cooled and interrupted. Similarly, the deflected to the thermoset switching shaft segment 38 Lichbogen 44 is cooled so that its resistance increases, resulting in the demolition of the arc 44.
  • the arrangement of the permanent magnets 36 can also be distributed in any other way.
  • the permanent magnet arrangements should only possible be evenly distributed, so in reversible current flow direction similar extinguishing conditions are present and the device thus polarity-independent switching off the current flow safely.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Breakers (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Schalter mit einer Vorrichtung zur stromrichtungsunabhängigen Lichtbogenlöschung.
  • Ein bekanntes Prinzip zum Löschen von Lichtbögen in Lasttrenn- und Leistungsschaltern für Wechselströme besteht darin, einen Lichtbogen mit Hilfe seines eigenen Magnetfeldes in eine eigens hierfür vorgesehen Löschkammer zu treiben, wo er durch die Anordnung von Löschblechen in mehrere kleine Lichtbögen unterteilt und gekühlt wird. Diese Kühlung bewirkt eine Spannungserhöhung, die letztendlich zur Abschaltung des Stromes führt. Hilfreich ist hierbei auch der natürliche Nulldurchgang des Stromes bei einer angelegten Wechselspannungsquelle.
  • Das Löschen von Lichtbögen beim Schalten von Gleichströmen ist dagegen wesentlich problematischer, da vor allem bei hohen Gleichspannungen von beispielsweise bis zu 1500 Volt und relativ zum Nennstrom kleinen (und von der vorliegenden Schaltergeometrie abhängigen) Strömen wie beispielsweise etwa 5...50A nur ein geringes Eigenmagnetfeld des Lichtbogens vorherrscht, das in der Regel nicht ausreicht, um den Lichtbogen in eine Löschkammer zu treiben. Ein weiteres Problem besteht darin, das bei Gleichströmen kein natürlicher Nulldurchgang existiert, was die Löschung von Lichtbögen zusätzlich erschwert.
  • Im Extremfall kann daher beim Schalten eines Gleichstroms ein Lichtbogen zwischen den geöffneten Kontakten eines Schalters stehen bleiben, nicht verlöschen und unter Umständen den Schalter zerstören, vor allem die Schaltkontakte beschädigen. Andere übliche Schutzorgane wie beispielsweise Leistungsschalter führen ebenfalls nicht zum Abschalten des Stromes, da dieser in der Regel unterhalb des Nennstromes liegt, also für diese Schutzorgane ein Betriebsstrom vorliegt, der ein Abschalten verhindert.
  • Aus der EP 2 061 053 A2 ist es bekannt, bei der Herstellung eines Schaltgeräts für Gleichstromanwendungen auf das Gehäuse eines Schaltgeräts für Wechselstrom-Anwendungen zurückzugreifen und dieses Gehäuse mit geringem Aufwand für Gleichstrom-Anwendungen anzupassen, indem es um einen insbesondere an der Außenseite des Gehäuses angeordneten Permanentmagneten ergänzt wird. Hierdurch wird das Gleichstrom-Schaltvermögen konventioneller Wechselstrom-Schaltgeräte wesentlich erhöht, da durch das Permanentmagnetfeld Lichtbögen von Kontaktstellen des Schaltgeräts weg in Löschkammern bewegt werden. Als Vorteil der Lehre der EP 2 061 053 A2 wird zudem gesehen, dass nicht jeder Trennstrecke und jeder Löscheinrichtung jeweils ein einzelner Magnet zugeordnet zu sein braucht, wie dies bei bekannten Gleichstrom-Schaltgeräten der Fall ist.
  • Aus der WO2012/076606A1 ist ein Schalter bekannt, der für einen polaritätsunabhängigen mehrpoligen Gleichstrombetrieb geeignet ist und mindestens zwei Schaltkammern aufweist. Jede der Schaltkammern besitzt zwei Löschkammern mit Löschblechen zum Löschen von in der jeweiligen Schaltkammer zwischen Kontaktbereichen auftretenden Lichtbögen. Zwei Magnete erzeugen ein magnetisches Feld im Bereich der Schaltkontakte aller Schaltkammern derart, dass Lichtbögen unabhängig von der Stromrichtung im Lichtbogen in Richtung einer der Löschkammern der Schaltkammern getrieben werden. Dieser Schalter besitzt ein schnelles, zuverlässiges und von der Stromrichtung unabhängiges Löschverhalten und beugt daher polungsbedingten Einbaufehlern vor und ist für Anwendungen geeignet, wo Schalter für beide Stromrichtungen benötigt werden.
  • r Weitere Gleichstromschalter sind aus der DE1140997 B und US2010/126966 A1 bekannt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen weiter verbesserten Gleichstrom-Schalter vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegender Gedanke besteht darin, bei einem Gleichstrom-Schalter mit mehreren Schalteinheiten unterschiedlich ausgerichtete Magnetfelder zur Ablenkung von beim Trennen entstehenden Lichtbögen vorzusehen. Dadurch kann unabhängig von der Stromrichtung des zu schaltenden Gleichstroms immer eine Ablenkung in Löscheinrichtungen zum Löschen von Lichtbögen bewirkt werden. Die Anordnung der Einrichtungen zum Erzeugen der Magnetfelder zum Ablenken von Lichtbögen in Löscheinrichtungen kann nach der Erfindung so gewählt werden, dass Lichtbögen durch erzeugte Magnetfelder bei einigen Schalteinheiten in Löscheinrichtungen und bei anderen Schalteinheiten entgegengesetzt, beispielsweise gegen eine Schaltwelle eines Gleichstrom-Schalters, abgelenkt werden. Das Ablenken von Lichtbögen beispielsweise gegen rotierende Doppelunterbrecherschaltwellen aus z.B. einem Duroplast von als Schalteinheiten eingesetzten rotatorischen Doppelunterbrechern kann eine Verlängerung und gleichzeitige Kühlung des Lichtbogens bewirken, ohne dass umliegende Bauteile zerstört werden. Daher kann das erfindungsgemäße Prinzip der Ausrichtung von Magnetfeldern zum Ablenken von Lichtbögen in Schalteinheiten eines Gleichstrom-Schalters zu der zum Trennen des Gleichstroms und Abreißen von Lichtbögen gewünschten Spannungserhöhung führen, und somit auch zur Trennung von kleinen und kritischen Strömen bei hohen Spannungen beitragen, die beispielsweise in dem eingangs geschilderten Fällen auftreten können. Insbesondere beim Auftreten eines Fehlerstroms, beispielsweise beim Einsatz eines Gleichstrom-Schalters in einer Photovoltaikanlage, der in seiner Stromrichtung dem Betriebsstrom entgegengesetzt ist; können durch die vorliegenden Erfindung dennoch zuverlässig auftretende Lichtbögen gelöscht werden, da nach der Erfindung unabhängig von der Stromflussrichtung durch einen Gleichstrom-Schalter gelöscht wird.
  • Die Anordnung und Ausrichtung von Magnetfeldern zum Ablenken von Lichtbögen kann nach der Erfindung prinzipiell beliebig verteilt werden. Von Vorteil ist eine möglichst gleichmäßige Verteilung, damit bei reversiblen Stromflussrichtungen etwa ähnliche Löschbedingungen vorliegen und der Schalter polaritätsunabhängig den Stromfluss sicher abschalten kann. Vor allem eignet sich die Erfindung dazu, Schaltgeräte für Wechselstrom-Anwendungen durch technisch wenig aufwendige Modifikationen zum Schalten von Gleichströmen einzusetzen.
  • Die Erfindung betrifft nun einen Gleichstrom-Schalter mit einer Vorrichtung zur stromrichtungsunabhängigen Lichtbogenlöschung aufweisend mindestens zwei miteinander verschaltete Schalteinheiten, wobei jede Schalteinheit mindestens eine Strombahn mit einer Unterbrecherstrecke und jede Strombahn mindestens zwei Schaltkontaktelemente zum Bilden der Unterbrecherstrecke aufweist, mindestens eine Lichtbogenlöscheinrichtung, die einer oder mehreren Strombahnen der Schalteinheiten zugeordnet ist, und eine oder mehrere Einrichtungen zur Magnetfelderzeugung, wobei jedes erzeugte Magnetfeld einer Unterbrecherstrecke verschiedener Schalteinheiten zugeordnet und so ausgerichtet ist, dass seine Feldlinien im Wesentlichen quer zur jeweiligen Unterbrecherstrecke verlaufen, und wobei die Ablenkkräfte von mindestens zwei erzeugten Magnetfeldern bei einer vorgegebenen Stromflussrichtung durch die Strombahnen entgegengesetzt auf sich längs der jeweiligen Unterbrecherstrecke erstreckende Lichtbögen wirken, so dass zumindest ein Lichtbogen in Richtung der Lichtbogenlöscheinrichtung abgelenkt und ein weiterer Lichtbogen von der Lichtbogenlöscheinrichtung weggelenkt wird. Die Einrichtungen zur Magnetfelderzeugung können beispielsweise Elektromagneten, Permanentmagneten und/oder Spule aufweisen.
  • Die Schalteinheiten sind rotatorische Doppelunterbrecher und ein von der Lichtbogenlöscheinrichtung weggelenkter Lichtbogen wird auf die Schaltwelle oder ein Schaltwellensegment eines Doppelunterbrechers gelenkt. Die Schaltwelle oder das Schaltwellensegment kann hierbei dazu dienen, einen darauf gelenkten Lichtbogen derart zu kühlen, dass er abreißt bzw. erlischt. Ein rotatorischer Doppelunterbrecher weist zwei Unterbrecherstrecken auf, und die vier Schaltkontaktelement werden jeweils über eine Rotation geschlossen getrennt, indem beispielsweise zwei Schaltkontaktelemente mit der Schaltwelle gekoppelt und damit beweglich gelagert sind und zwei weitere Schaltkontaktelement feststehend sind.
  • Jede Schalteinheit kann jeweils mindestens eine Einrichtung zur Magnetfelderzeugung aufweisen. Hierdurch kann für jede Schalteinheit ein eigenes Magnetfeld erzeugt werden, wodurch abhängig von der vorgegebenen Stromflussrichtung durch die mindestens Strombahn einer Schalteinheit beispielsweise durch entsprechende Einstellung der Magnetfeldes bestimmt werden kann, in welche Richtung ein entstehender Lichtbogen abgelenkt wird.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass etwa bei der Hälfte der Schalteinheiten die Ablenkkräfte der von den Einrichtungen zur Magnetfelderzeugung erzeugten Magnetfelder auf sich längs der jeweiligen Unterbrecherstrecke erstreckende Lichtbögen so wirken, dass bei der vorgegebenen Stromflussrichtung durch die Strombahnen die Lichtbögen in Richtung der Lichtbogenlöscheinrichtung abgelenkt werden, und bei den übrigen Schalteinheiten die Ablenkkräfte der von den Einrichtungen zur Magnetfelderzeugung erzeugten Magnetfelder auf sich längs der jeweiligen Unterbrecherstrecke erstreckende Lichtbögen so wirken, dass bei der vorgegebenen Stromflussrichtung durch die Strombahnen die Lichtbögen in Richtung von Teilen der Schalteinheiten abgelenkt werden, die ein Verlöschen der Lichtbögen begünstigen.
  • Die Teile der Schalteinheiten, beispielsweise Schaltwellensegmente oder Gehäuseteile der Schalteinheiten, können aus einem Material bestehen, das eine Kühlung eines Lichtbogens bewirkt, insbesondere aus einem Duroplast. Es hat sich gezeigt, dass ein Duroplast zur Kühlung von Lichtbögen besonders gut geeignet ist, ohne dass durch Lichtbögen Schädigungen des Duroplasts auftreten.
  • Weisen die Einrichtungen zur Magnetfelderzeugung Permanentmagnete auf, hat dies den Vorteil, dass keine gesonderte Versorgung mit elektrischer Energie zur Erzeugung eines Magnetfelds erforderlich ist. Zudem ist die Implementierung mit Permanentmagneten im Vergleich beispielsweise zu Elektromagneten oder Spulen wartungsärmer und weniger anfällig für Ausfälle.
  • Bei dem Gleichstrom-Schalter kann es sich um einen vierphasigen Wechselstrom-Schalter handeln, der durch entsprechendes Verschalten der einzelnen Schalteinheiten zum Schalten von Gleichstrom ausgebildet ist.
  • Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
  • Die Zeichnungen zeigen in
    • Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasttrennschalters für Gleichstrom mit vier Schalteinheiten und vier Einrichtungen zur Magnetfeldererzeugung;
    • Fig. 2 eine Seitenansicht einer Schalteinheit des Lasttrennschalters von Fig. 1 ohne Magnetfelderzeugungseinrichtung und eines Lichtbogens zwischen Schaltkontakten der Einheit;
    • Fig. 3 die in Fig. 2 gezeigte Schalteinheit mit Permanentmagneten zum Erzeugen eines Magnetfeldes zum Ablenken des Lichtbogens zwischen den Schaltkontakten abhängig von der Stromflussrichtung durch die Strombahnen der Schalteinheit; und
    • Fig. 4 die in Fig. 3 gezeigte Schalteinheit mit Löschblechen zum Löschen eines zu den Löschblechen abgelenkten Lichtbogens.
  • In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
  • Der in Fig. 1 gezeigte an sich für das Schalten von 4-phasigen Wechselstrom vorgesehen Lasttrennschalter 10 weist vier prinzipiell gleich aufgebaute Schalteinheiten 12, 14, 16 und 18 für jede Phase N, L1, L2 und L3 auf. Bei den eingesetzten Schalteinheiten 12, 14, 16 und 18 handelt es sich um rotatorische Doppelunterbrecher mit jeweils zwei Strombahnen und zwei Unterbrecherstrecken, die miteinander seriell verbunden werden, um die erforderlich hohe Gesamtlichtbogenspannung zu erzielen werden und so einer außen anliegenden, treibenden Netzspannung entgegenzuwirken und den Strom schnellstmöglich zu verlöschen.
  • Aufgrund der seriellen Verschaltung der Doppelunterbrecher ist die Stromflussrichtung durch die Strombahnen für jeden der Doppelunterbrecher gleich vorgegeben. Beispielhaft sind beim rotatorischen Doppelunterbrecher 12 in Fig. 1 die zwei Strombahnen mit den Bezugszeichen 20 und 22 und die zwei Unterbrecherstrecken mit den Bezugszeichen 24 und 26 bezeichnet.
  • Jeder Doppelunterbrecher 12, 14, 16 und 18 weist zudem ein Schaltwellensegment 38 aus Duroplast auf, das mit einer (nicht dargestellten) Schaltwelle gekoppelt ist und mit dieser rotiert, um die Kontakte 28, 30 und 29, 31 der Unterbrecherstrecken 24 und 26 zu trennen oder zu verbinden.
  • Fig. 2 zeigt einen Doppelunterbrecher in einer Seitenansicht. Hier ist zu erkennen, dass die erste Strombahn 20 eine erste Unterbrecherstrecke 24 mit einem unteren Festkontakt 28 und einem Schaltstück mit einem oberen Loskontakt 30 aufweist. Das Schaltstück mit dem oberen Loskontakt 30 ist der über einen Schaltkontakt-Arm 40 mit dem Schaltwellensegment 38 gekoppelt und kann durch eine Rotation des Segments 38 bewegt werden, so dass die Unterbrecherstrecke 24 geöffnet oder geschlossen werden kann. Entsprechend weist die zweite Strombahn 22 eine zweite Unterbrecherstrecke 26 mit einem oberen Festkontakt 31 und einem Schaltstück mit einem unteren Loskontakt 29 auf, das ebenfalls über den Schaltkontakt-Arm 40 mit dem Segment 38 gekoppelt ist. Die Loskontakte 29 und 30 werden daher über das Schaltwellensegment 38 synchron bewegt, so dass die beiden Unterbrecherstrecken 24 und 26 synchron geöffnet und geschlossen werden.
  • Zum Löschen von Lichtbögen sind bei jedem der vier Doppelunterbrecher 12, 14, 16 und 18 jeweils zwei durch Pakete mit Lichtbogen-Löschblechen 32 bzw. 34 gebildete Löschkammern im Bereich der Unterbrecherstrecken 24 bzw. 26 angeordnet. Die Lichtbogen-Löschblech-Pakete 32 bzw. 34 sind hierbei so angeordnet, dass sie Lichtbögen verlöschen, die in eine vorgegebene Richtung weg vom Duroplast-Schaltwellensegment 38 in die Löschbleche 32 bzw. 34 gelenkt werden.
  • Bei dem in Fig. 2 in Seitenansicht dargestellten Doppelunterbrecher ist ein nicht durch ein Magnetfeld abgelenkter Lichtbogen 42 zwischen den beiden Kontakten 29 und 31 gezeigt.
  • Zum Ablenken der Lichtbögen weist jeder Doppelunterbrecher 12, 14, 16 und 18 jeweils eine Anordnung von Permanentmagneten 36 um wenigstens eine ihrer Unterbrecherstrecken 24 und 26 auf (in den Fig. 1 sind Anordnungen von Permanentmagneten 36 nur um die zweiten Unterbrecherstrecken 26 gezeigt, obwohl auch um die erste Unterbrecherstrecke 24 herum Permanentmagnete angeordnet sein könnten). Die Anordnung von Permanentmagneten 36 erzeugt im Bereich der umgebenen Unterbrecherstrecke 26 ein Magnetfeld, dessen Feldlinien im Wesentlichen quer zur umgebenen Unterbrecherstrecke 26 verlaufen. Weiterhin sind die Magnetfelder der Permanentmagnet-Anordnungen so gepolt, dass sie bei einer vorgegebenen Stromflussrichtung (Betriebsstromrichtung) durch die Strombahnen 20 und 22 auf Lichtbögen wirkende Ablenkkräfte erzeugen, welche die Lichtbögen in eine vorgegebene Richtung ablenken, typischerweise entweder zu den Lichtbogen-Löschblech-Paketen 34 oder zu den Duroplast-Schaltwellensegmenten 38. Erfindungsgemäß sind wenigstens zwei der erzeugten Magnetfelder so gepolt, dass bei Betriebsstromrichtung ein an einer Unterbrecherstrecke auftretender Lichtbogen zu den Lichtbogen-Löschblech-Paketen 34 und ein an einer anderen Unterbrecherstrecke auftretender Lichtbogen zu den Duroplast-Schaltwellensegmenten 38 abgelenkt wird. Dadurch wird unabhängig von der Stromflussrichtung immer wenigstens ein Lichtbogen zu den Lichtbogen-Löschblech-Paketen 34 und ein weiterer Lichtbogen zu den Duroplast-Schaltwellensegmenten 38 abgelenkt.
  • Bei dem in Fig. 1 dargestellten Lasttrennschalter 10 ist die Anordnung der Permanentmagnete nun so gewählt, dass bei einer Stromflussrichtung durch die Strombahnen der Doppelunterbrecher 12, 14, 16 und 18 in Betriebsstromrichtung Lichtbögen durch das Permanentmagnetfeld beim ersten und zweiten Doppelunterbrecher 12 bzw. 14 in die jeweilige Löschkammer und Lichtbögen bei den beiden anderen Doppelunterbrechern 16 und 18 entgegengesetzt gegen die jeweiligen Schaltwellensegmente aus Duroplast der Doppelunterbrecher 16 und 18 abgelenkt werden, wie durch die fetten Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist. Das Ablenken von Lichtbögen gegen das sich beim Öffnen in die Ausstellung der Doppelunterbrecher rotierende Doppelunterbrecher-Schaltwellensegment aus Duroplast bewirkt eine Verlängerung und gleichzeitige Kühlung des Lichtbogens ohne umliegende Bauteile zu zerstören. Dies führt zu der gewünschten Spannungserhöhung und somit auch zur Löschung von kleinen und kritischen Strömen bei hohen Spannungen. In Fig. 3 sind bei einem in einer Seitenansicht gezeigten Doppelunterbrecher aufgrund der Anordnung von Permanentmagneten 36 ein zum Duroplast-Schaltwellensegment 38 abgelenkter Lichbogen 44 und ein in die entgegengesetzte Richtung abgelenkter Lichtbogen 46 bei umgekehrter Stromflussrichtung dargestellt. Fig. 4 zeigt einen Doppelunterbrecher in Seitenansicht mit Lichtbogen-Löschblech-Paketen 32 und 34 und abgelenkten Lichtbögen 44 und 46. Deutlich ist zu erkennen, wie der Lichtbogen 46 in das Lichtbogen-Löschblech-Paket 34 gelenkt wird, von dem er gekühlt und unterbrochen wird. Analog wird der zum Duroplast-Schaltwellensegment 38 abgelenkte Lichbogen 44 gekühlt, so dass sein Widerstand steigt, was zum Abriss des Lichtbogens 44 führt.
  • Kehrt sich die Stromflussrichtung beispielsweise bei Auftreten eines Fehlerfalls um, d.h. die Strombahnen werden entgegen der vorgegebenen Betriebsstromrichtung durchflossen, werden beim Öffnen der Unterbrecherstrecken auftretende Lichtbögen in die durch fette gepunktete Pfeile angedeutete Richtung in Fig. 1 abgelenkt. In einem solchen Fall werden Lichtbögen also bei den Doppelunterbrechern 16 und 18 in die jeweiligen Löschkammern und bei den Doppelunterbrechern 12 und 14 gegen das jeweilige Doppelunterbrecher-Schaltwellensegment aus Duroplast abgelenkt. Der Effekt ist der gleiche wie bei der Stromflussrichtung in Betriebsstromrichtung, da nun die Schaltwellensegmente der Doppelunterbrecher 12 und 14 eine Kühlung der auf sie gelenkten und verlängerten Lichtbögen bewirken.
  • Wesentlich für eine stromrichtungsunabhängigen Lichtbogenlöschung ist, dass wenigstens zwei der von den Anordnungen von Permanentmagneten 36 erzeugten Magnetfelder im Bereich der Unterbrecherstrecken der einzelnen Doppelunterbrecher eine entgegengesetzte Ablenkung von Lichtbögen bewirken.
  • Prinzipiell kann die Anordnung der Permanentmagnete 36 auch beliebig anderweitig verteilt werden. Die Permanentmagnet-Anordnungen sollten nur möglichst gleichmäßig verteilt sein, damit bei reversibler Stromflussrichtung ähnliche Löschbedingungen vorliegen und das Gerät somit polaritätsunabhängig den Stromfluss sicher abschaltet.
  • Die restlichen 4 Kontaktstellen entsprechend der ersten Unterbrecherstrecke 24 der Doppelunterbrecher 12, 14, 16 und 18 sind bei dem in Fig. 1 dargestellten Lasttrennschalter 10 ohne Permanentmagnete ausgestattet (da diese nicht unbedingt für die Löschung von kleinen Kritischen Strömen erforderlich).Dies hat zur Folge, dass ein Lichtbogen bei kleinen Strömen an den Kontaktstellen 28 und 30 durch die oben beschriebene und zu kleine magnetische Wechselwirkung zwischen den Kontaktstellen stehen bleibt und weder in Richtung Lichtbogen-Löschblech-Paket 32 noch gegen das Duroplast-Schaltwellensegment 38 getrieben wird. Fast die gesamte Löscharbeit wir somit bei den kleinen, kritischen Strömen von den Kontaktstellen 29 und 31 der zweiten Unterbrecherstrecke 26 übernommen, die mit Permanentmagneten 36 ausgestattet sind.
  • Bei höheren Strömen (ca. > 50A bis hin zur Überlast; z.B 4facher Nennstrom) werden möglichst viele Löschkammer zur Lichtbogenlöschung (hohe Energieinhalte) benötigt. Da bei solch hohen Strömen zwischen den Kontakten 28 und 30 entstehende Lichtbögen auch ohne Permanentmagneten 36 von den elektromagnetischen Wechselwirkungen in die Löschkammer bzw. das Lichtbogen-Löschblech-Paket 32 getrieben werden, stehen (egal in welcher Stromrichtung) immer 6 Löschkammern (+ 2 Lichtbögen, die gegen die Schaltwellen laufen) zur Verfügung, was zur Verlöschung des Lichtbogens ausreicht.
    • Bezugszeichen
    • 10
    Lasttrennschalter für Gleichstrom
    12
    erster rotatorischer Doppelunterbrecher
    14
    zweiter rotatorischer Doppelunterbrecher
    16
    dritter rotatorischer Doppelunterbrecher
    18
    vierter rotatorischer Doppelunterbrecher
    20
    erste Strombahn
    22
    zweite Strombahn
    24
    erste Unterbrecherstrecke
    26
    zweite Unterbrecherstrecke
    28
    Festkontakt
    29
    Schaltstück mit Loskontakt
    30
    Schaltstück mit Loskontakt
    31
    Festkontakt
    32
    Lichtbogen-Löschblech-Paket
    34
    Lichtbogen-Löschblech-Paket
    36
    Permanentmagnet
    38
    Duroplast-Schaltwellensegment
    40
    Schaltkontakt-Arm
    42
    unabgelenkter Lichtbogen
    44
    zum Duroplast-Schaltwellensegment abgelenkter Lichbogen
    46
    zum Lichtbogen-Löschblech-Paket abgelenkter Lichtbogen

Claims (6)

  1. Gleichstrom-Schalter (10) mit einer Vorrichtung zur
    stromrichtungsunabhängigen Lichtbogenlöschung aufweisend mindestens zwei miteinander verschaltete Schalteinheiten (12, 14, 16, 18), wobei jede Schalteinheit mindestens eine Strombahn (20, 22) mit einer Unterbrecherstrecke (24, 26) und jede Strombahn mindestens zwei Schaltkontaktelemente (28, 30) zum Bilden der Unterbrecherstrecke (24) aufweist,
    mindestens eine Lichtbogenlöscheinrichtung (32, 34), die einer oder mehreren Strombahnen der Schalteinheiten zugeordnet ist, und
    eine oder mehrere Einrichtungen zur Magnetfeldererzeugung (36), wobei jedes erzeugte Magnetfeld einer Unterbrecherstrecke verschiedener Schalteinheiten zugeordnet und so ausgerichtet ist, dass seine Feldlinien im Wesentlichen quer zur jeweiligen Unterbrecherstrecke verlaufen, und wobei die Ablenkkräfte von mindestens zwei erzeugten Magnetfeldern bei einer vorgegebenen Stromflussrichtung durch die Strombahnen entgegengesetzt auf sich längs der jeweiligen Unterbrecherstrecke erstreckende Lichtbögen wirken, so dass zumindest ein Lichtbogen in Richtung der Lichtbogenlöscheinrichtung abgelenkt und ein weiterer Lichtbogen von der Lichtbogenlöscheinrichtung weggelenkt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schalteinheiten rotatorische Doppelunterbrecher sind, und ein von der Lichtbogenlöscheinrichtung weggelenkter Lichtbogen auf die Schaltwelle oder ein Schaltwellensegment eines Doppelunterbrechers (38) gelenkt wird.
  2. Gleichstrom-Schalter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede Schalteinheit (12, 14, 16, 18) jeweils mindestens eine Einrichtung zur Magnetfelderzeugung (36) aufweist.
  3. Gleichstrom-Schalter nach Anspruch 2
    dadurch gekennzeichnet, dass
    etwa bei der Hälfte der Schalteinheiten (12, 14) die Ablenkkräfte der von den Einrichtungen zur Magnetfelderzeugung erzeugten Magnetfelder auf sich längs der jeweiligen Unterbrecherstrecke erstreckende Lichtbögen so wirken, dass bei der vorgegebenen Stromflussrichtung durch die Strombahnen die Lichtbögen in Richtung der Lichtbogenlöscheinrichtung abgelenkt werden, und bei den übrigen Schalteinheiten (16, 18) die Ablenkkräfte der von den Einrichtungen zur Magnetfelderzeugung erzeugten Magnetfelder auf sich längs der jeweiligen Unterbrecherstrecke erstreckende Lichtbögen so wirken, dass bei der vorgegebenen Stromflussrichtung durch die Strombahnen die Lichtbögen in Richtung von Teilen der Schalteinheiten abgelenkt werden, die ein Verlöschen der Lichtbögen begünstigen.
  4. Gleichstrom-Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Teile der Schalteinheiten, beispielsweise Schaltwellensegmente oder Gehäuseteile der Schalteinheiten, aus einem Material bestehen, das eine Kühlung eines Lichtbogens bewirkt, insbesondere aus einem Duroplast.
  5. Gleichstrom-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einrichtungen zur Magnetfelderzeugung Permanentmagnete aufweisen.
  6. Gleichstrom-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich um einen vierphasigen Wechselstrom-Schalter handelt, der durch entsprechendes Verschalten der einzelnen Schalteinheiten zum Schalten von Gleichstrom ausgebildet ist.
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