Beschreibung
Verfahren zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit und zur Beschleunigung des dynamischen Kontaktöffnens von Leistungs- Schaltern und zugehöriges Schaltgerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit und zur Beschleunigung des dynamischen Kontaktöffnens von Leistungsschaltern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auf ein zugehöriges Schaltgerät, mit wenigstens einem Festkontakt und wenigstens einem Bewegkontakt und mit einer Laufschiene und zugehörigen Löschblechen.
Solche Schaltgeräte haben im Allgemeinen eine translatorische Kontaktöffnungsbewegung, wobei die Kontakte auf einer Kontaktbrücke angeordnet sind und zur Translationsbewegung ein Brük- kenträger und eine Kontaktkraftfeder vorhanden sind. Daneben können aber Schaltgeräte eine rotatorischer Kontaktöffnungs- bewegung haben, worauf sich die Erfindung ebenfalls bezieht.
An elektrische Schaltgeräte zum Schutz elektrischer Anlagen, aber auch zum Betrieb elektrischer Verbraucher, wird die Anforderung gestellt, elektrische Ströme bis zu einer vorgege- benen Höhe störungsfrei zu führen, und höhere Ströme, z.B. Kurzschlussströme, in möglichst kurzer Zeit auszuschalten. Dazu besitzen sie einen Schaltgeräteantrieb (mechanisches Schaltschloss und/oder Magnetantrieb) , welcher die Kontakte mit einer vorgegebenen Kontaktkraft schließt und Auslöseorga- ne (z.B. n-Auslöser oder elektronisch betätigte Aktoren), welche ein schnelles Öffnen der Schaltkontakte und daher den schnellen Aufbau einer strombegrenzenden Bogenspannung bewirken.
Da bei sehr hohen, prospektiven Kurzschlussströmen (z.B. I = 50 kA) die dynamischen Stromkräfte früher wirksam werden, als der Impulsübertrag des Auslöseorgans auf den Bewegkontakt,
lässt sich das Kurzschlussschaltverhalten durch Optimierung der antreibenden Magnetfelder verbessern. Die von der Stromhöhe abhängige Magnetfeldstärke kann jedoch schon im Betriebsstrombereich, z.B. bei Motoranlaufströmen, zu einer Schwächung der Kontaktkraft und dadurch zu einer Störung des Stromtragverhaltens führen. Um diese Problem zu beseitigen, kann die vom Schaltgeräteantrieb gelieferte Kraft erhöht werden. Dies führt jedoch zu größer dimensionierten Antrieben, wodurch die Gerätekosten und das Bauvolumen ansteigen. Beides ist aus Wirtschaftlichkeitsgründen unerwünscht, weshalb eine Lösung benötigt wird, welche die genannten Nachteile ausschließt.
Zur Nutzung der dynamischen Öffnungskräfte in elektrischen Schaltgeräten wird die Strombahn zwischen Beweg- und Festkontakt in Form einer engen Schleife geführt und/oder es wird das Magnetfeld um den stromdurchflossenen Bewegkontakt durch ferromagnetische Anordnungen (z.B. Slotmotor) so verzerrt, dass starke Lorenzkräfte wirken.
Aus der DE 42 16 080 AI ist bereits eine Anordnung zur Kontaktkraftverstärkung bei Relaiskontakten bekannt, bei der die Strombahn zum Bewegkontakt schleifenförmig geführt ist, um die Schleifenkraft als zusätzliche Kontaktkraft auszunutzen. Dabei ist der Strombahn zusätzlich ein Eisenblech in geringem Abstand zugeordnet, um eine weitere Magnetkraft zur Kontakt- kraftverstärkung zu erhalten. Weiterhin ist aus der DE 199 12 713 AI bekannt, bei stromdurchflossenen Schaltkontakten ein Sperrglied mit guter elektrischer Leitfähigkeit vorzusehen. Durch parallele, elektrische Teilströme im Sperrglied und im Bewegkontakt wird eine Bewegung so lange verhindert, bis Strom und Magnetkraft einen vorgegebenen Mindestwert überschreiten. Schließlich werden in der Biographie „Grundlagen der Schaltgerätetechnik" (Springer-Verlag Berlin 1975), insbesondere Seiten 257 bis 274, ISBN 3-540-06075-8 allgemeine Eigenschaften von Schaltgeräten, insbesondere auch von Schützen, beschrieben.
Die vom Stand der Technik bekannten Anordnungen sind jedoch nicht in der Lage, die gewünschten hohen, dynamischen Stromkräfte zu liefern, ohne die Kontaktkraft bei großen Betriebsströmen (Motoranlaufström) empfindlich zu schwächen. Dadurch müssen der Antrieb und die Kontaktkraft größer dimensioniert werden.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit und zur Beschleunigung des dynamischen Kontaktöffnens vorzuschlagen und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, welche die Kontaktkraft bei Betriebsströmen nicht unzulässig schwächt.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 5 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens einerseits und der zugehörigen Vorrichtung andererseits sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt vorteilhafterweise zur Magnetkraftverstärkung u-förmige Joche aus ferromagnetischem Material aus, vorzugsweise aus gewöhnlichem Stahlblech. Dabei lässt man die Magnetkraft auf den Bewegkontakt beim Anstieg von kleinen Strömen (Nennbetrieb) bis zu sehr hohen Strömen (Kurzschlussbetrieb) gezielt das Vorzeichen wechseln. Dies bedeutet konkret, dass bei kleinen Strömen eine kontaktkraft- verstärkende Wirkung und bei hohen Strömen eine kontaktkraft- schwächende Wirkung erzeugt wird, wodurch sich eine dynamische Ö fnungskraft ergibt. Durch geeignete Dimensionierung der ferromagnetischen Bauteile kann ein das Vorzeichen wechselnder oder ein beinahe ausgeglichener Magnetkraftverlauf bei kleinen Strömen eingestellt werden.
Zur gerätemäßigen Realisierung der Erfindung werden als Mag- netjoche ein erstes, u-förmiges Blech für die Erzeugung der magnetischen Schließkraft und ein zweites, u-förmiges Blech für die Erzeugung der magnetischen Öffnungskraft verwendet,
die in geeigneter Weise an der Kontaktanordnung positioniert sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Figur 1 ein Schaltgerät mit einer Schaltbrücke und zugehöri- gern Antrieb,
Figur 2 einen Ausschnitt aus Figur 1 zur Verdeutlichung der beiden der Schaltbrücke zugeordneten Eisenjoche,
Figur 3 perspektivisch die jeweilige Orientierung der beiden u-förmigen Eisenjoche, Figur 4 eine Kontaktanordnung mit einer Schaltbrücke und dieser zugeordneten TeilJochen und
Figur 5 eine Kontaktanordnung mit daran angebrachten TeilJochen und zwei den TeilJochen zugeordneten Blechen.
In Figur 1 sind die Funktionskomponenten eines bekannten
Schützes schematisch dargestellt: Das Schütz besteht im Wesentlichen aus einer Schaltkammer 1 mit den darin vorhandenen Schaltkomponenten und einem Magnetantrieb 10, mit dem elektromagnetisch aktiviert eine mechanische Bewegung der Schalt- kontakte erfolgt.
In Figur 1 sind in der Schaltkammer Festkontakte 3a und 3b auf Festkontaktträgern 2a und 2b angeordnet und sind diesen zugeordnete Bewegkontakte 5a und 5b auf einer beweglichen Schaltbrücke 4 vorhanden. Der Kontaktanordnung mit den einander gegenüberstehenden Kontakten 3a, 5a und 3b, 5b sind in bekannter Weise Löschbleche 9a und 9b zugeordnet, die üblicherweise Teil von Löschblechanordnungen mit einer Lauf- oder Leitschiene 32 sind. Die bewegliche Schaltbrücke 4 ist über eine Kontaktkraftfeder 7 relativ bewegbar mit einem Brückenträger 8 gekoppelt, der mit dem Anker 13 vom Magnetantrieb 10 in die Einschalt- oder Ausschaltposition bewegt wird.
Im Brückenträger können weitere, relativ bewegliche Elemente enthalten sein, die über Aktoren angetrieben auf die Schaltbrücke einwirken und eine Brückenbewegung auslösen können.
Der Magnetantrieb 10 besteht im Einzelnen aus einem Magnetjoch 11 mit Magnetspule 12 und einem dem Joch zugeordneten Magnetanker 13, der mit dem Brückenträger 8 über eine Trägerplatte 14 verbunden ist. Auf das Magnetjoch 11 wirkt eine Öffnungsfeder 15, die im Ausschaltzustand des Magnetantriebs 10 die Offenstellung der Schaltbrücken gewährleistet.
Beim vorstehend beschriebenen Schaltgerät sind zur Steuerung der Kontaktkraft ferromagnetische Teile und zwar insbesondere in der Schaltkammer zwei Eisenjoche 20 und 30 vorhanden, auf deren Funktion weiter unten im Einzelnen eingegangen wird. Ersichtlich ist in Figur 1 nur das Eisenjoch 30, das mit der Lauf- oder Leitschiene 32 verbunden ist.
Aus Figur 2 ergibt sich die Zuordnung der beiden Magnetjoche 20 und 30 zu der Kontaktanordnung aus Festkontakten und Kontaktträger sowie Bewegkontakten und Schaltbrücke. Die Dimensionierung der Magnetjoche 20 und 30, die beide als u-förmige Bleche ausgebildet sind, ergibt sich aus der Verbindung der Figuren 1 bis 3. Insbesondere Figur 3 zeigt die für eine Magnetisierung maßgeblichen Geometrie-Unterschiede der beiden Joche.
Entsprechend der in Figur 2 dargestellten Anordnung reagiert das die Kontaktkraft erzeugende u-förmige Blech 20 durch seine Geometrie und Positionierung an der Schaltbrücke 4 empfindlicher auf den elektrischen Strom in der Schaltbrücke, als das die Öffnungskraft erzeugende u-förmige Blech 30. Dies bedeutet konkret, das u-förmige Blech 20 wird wegen seiner kompakten Abmessungen schneller aufmagnetisiert als das u- förmige Blech 30 und geht wegen seiner geringen Blechdicke frühzeitig in die magnetische Sättigung.
Das öffnungskrafterzeugende u-förmige Blech 30 überdeckt dagegen mit seiner gesamten Länge den beweglichen Kontakt bzw. die bewegliche Schaltbrücke 4 mit Kontakten 5a und 5b nahezu oder vollständig und besitzt eine größere lichte Weite sowie eine größere Blechdicke. Im Vergleich zum kontaktkrafterzeu- genden u-förmigen Blech 20 wird seine magnetische Sättigung daher erst bei höheren elektrischen Strömen erreicht.
Im Fall eines mechanischen Schaltgeräteantriebs ist das kon- taktkrafterzeugende u-förmige Blech 20 entweder an einer Schaltschlosskomponente oder am Schaltergehäuse befestigt. Im Fall eines magnetischen Antriebs entsprechend Figur 1 ist das kontaktkrafterzeugende u-förmige Blech 20 am Brückenträger 8 befestigt und umgreift die Schaltbrücke 4, wobei der Brückenträger die Schaltbrücke entsprechend Figur 1 mit dem dort dargestellten Antrieb 10 koppelt.
Die Möglichkeiten zur Positionierung und Befestigung des kon- taktkrafterzeugenden u-förmigen Bleches 20 sind nicht auf diese beiden Fälle begrenzt, wie in einem weiteren Beispiel gezeigt wird.
Das öffnungskrafterzeugende u-förmige Blech 30 ist in beiden Fällen zweckmäßigerweise an der Schaltkammer 1, am Gehäuse oder an einer im Gehäuse befindlichen ruhenden, mechanischen Komponente befestigt.
In den vorstehend beschriebenen Figuren 1 und 2 führt die Schaltbrücke eine translatorische Bewegung aus, wobei bei entsprechendem Aufbau des Schaltgerätes aber auch eine rota- torische Bewegung möglich ist. Im Fall der rotatorischen Bewegung einer Schaltbrücke sind zu beiden Seiten der Drehachse, entsprechend einer punktsymmetrischen Anordnung, jeweils ein u-förmiges Blech 20 bzw. 20 λ und ein u-förmiges Blech 30 bzw. 30 der Schaltbrücke zugeordnet. Die beiden u-förmigen Bleche 30, 30 Λ sind dazu fest mit dem Gehäuse bzw. mit einer
im Gehäuse ruhenden mechanischen Komponente verbunden. Die beiden u-förmigen Bleche 20, 20 können ebenfalls fest mit dem Gehäuse verbunden sein, oder mit einem Schaltbrückenträger, der mit dem Schaltgeräteantrieb (mechanischer und/oder elektromagnetischer Antrieb) im kraftschlüssigen Eingriff steht und sich beim Ausschaltvorgang mit der Schaltbrücke in Ausschaltstellung dreht.
Die u-förmigen Bleche 20 bzw. 20 und 30 bzw. 30 λ sind in vorgegebenem Abstand zueinander positioniert, damit ein magnetischer Kurzschluss zwischen dem u-förmigen Blech 20 und dem u-Blech 20 x bzw. zwischen dem u-förmigen Blech 30 und dem u-förmigen Blech 30 vermieden wird. Als Abstand wird etwa die lichte Weite des jeweiligen u-Spaltes vorgegeben.
Bei einem einfachunterbrechenden, rotatorischen Bewegkontakt sind nur 1 u-Blech 20 und 1 u-Blech 30 dem Bewegkontakt zugeordnet, wobei wie bei der Figur 2 und/oder der Figur 3 durch geeignete Anordnung der beiden u-förmigen Bleche je eine kon- taktöffnende und eine kontaktschließende Magnetkraft auf den stromdurchflossenen Bewegkontakt erzeugt wird, deren resultierende Kraft beim Übergang von kleinen Strömen bis zu hohen Kurzschlussströmen das Vorzeichen wechseln kann.
Beim dynamischen Kontaktöffnen infolge großer Stromkräfte bewegt sich der Bewegkontakt bzw. die bewegliche Kontaktbrücke aus dem Spalt des kontaktkrafterzeugenden u-förmigen Blechs heraus und taucht in den Spalt des öffnungskrafterzeugenden u-Blechs 30 hinein. Dadurch verschwindet die Kraftwirkung des ersten u-Blechs 20 und die Öffnungskraft des zweiten u-Blechs 30 wirkt ohne Einbuße.
Im Übergangsbereich der dynamischen Kontaktöffnungsbewegung, d.h. bevor der Bewegkontakt bzw. die bewegliche Schaltbrücke den Spalt des u-förmigen Bleches 20 verlassen kann, kann der auf den Bewegkontakt treffende magnetische Fluss als Flussdifferenz Φ2 - Φi des zweiten und ersten u-Blechs betrachtet
werden. Aufgrund der unterschiedlichen Blechdicken werden sich die Sättigungsflüsse etwa in der Relation der Blechdicken einstellen. Beträgt die Blechdicke des kontaktkrafter- zeugenden u-förmigen Blechs 20 etwa (10 bis 20 %) derjenigen des öffnungskrafterzeugenden u-förmigen Blechs 30, so wird für den Übergangsbereich das resultierende magnetische Feld etwa auf 80 bis 90 % des Feldanteiles des zweiten u-Blechs 30 reduziert. In gleicher Weise wird die zum Kontaktöffnen beitragende, resultierende Magnetkraft reduziert.
In der Figur 3 ist angedeutet, dass das zweite u-förmige Blech 30 Teil einer bei derartigen Schaltgeräten üblicherweise vorhandenen Lauf- oder Leitschiene 32 sein kann. In nachfolgender Tabelle ist ein Dimensionierungsbeispiel für die u-förmigen Bleche 20 und 30 angegeben. Die Maße können in vorgegebenem Bereich variieren, wobei es im Wesentlichen auf die gegenseitige Abstimmung ankommt.
Aus der Tabelle ergibt sich, dass der kontaktkrafterzeugende Anteil bis zum Erreichen der magnetischen Sättigung des ersten u-Blechs 20 nur geringfügig größer ist als der öffnungs- krafterzeugende Anteil.
Durch Dimensionierung der Länge und der lichten Weite der u- förmigen Bleche 20 und 30, sowie durch die gewählte Überdeckung der Schaltbrücke kann die kontaktkrafterzeugende und die öffnungskrafterzeugende Magnetkraftkomponente über einen größeren Bereich eingestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform entsprechend Figur 4 werden anstelle des kleinen Jochs 20, das im Schaltbrückenträger 8 an geeigneter Stelle eingebettet ist, zwei kleine Joche 21 und 22 seitlich neben dem Schaltbrückenträger 8 an einer ruhenden Komponente der Schaltkammer 1 oder dem Schaltergehäuse kraftschlüssig angebracht. Diese beiden Joche sind jeweils zwischen dem Schaltbrückenträger 8 und den Schaltkontakten 3a, 5a sowie 3b, 5b positioniert. Durch ihren vorgegebenen Abstand im Millimeter- bzw. Submillimeter-Bereich zum Schaltbrückenträger 8 behindern die beiden Joche 21 und 22 die translatorische Bewegung des Schaltbrückenträgers 8 nicht.
Bei Ersatz des Joches 20 durch die beiden Joche 21 und 22 sind die beiden Joche 21 und 22 so zu positionieren, dass in Schließstellung der Schaltkontakte 3a, 3b und 5a, 5b der Bewegkontaktträger 4 in die u-Spalte der beiden Joche 21 und 22 vollständig oder teilweise eintaucht. Dafür sind die Joche 21 und 22 angeeigneter Stelle an einer ruhenden Komponente der Schaltkammer 1 oder des Gehäuses kraftschlüssig angebracht.
Bei letzterer Abwandlung stützt sich die von den beiden kleinen Jochen 21 und 22 erzeugte Magnetkraft - im Gegensatz insbesondere zu Figur 2 - nicht am Magnetantrieb des Schaltgerä- tes ab. Dadurch kann der Antrieb in seiner Funktion nicht beeinträchtigt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entsprechend Figur 5 sind anstelle der beiden kleinen Joche zwei Bleche 25, 26 vorgesehen, die mit ihrer Flachseite etwa die Lage und die Position der Querschenkel der Joche 21, 22 der Figur 4 einnehmen und die dementsprechend an einer ruhenden Komponente der Schaltkammer 1 oder des Gehäuses kraftschlüssig angebracht sind.
In Schließstellung der Schaltkontakte 3a, 5a bzw. 3b, 5b be- sitzt der bewegliche Kontaktträger einen kleinsten, vorgegebenen Abstand zu den beiden Blechen 25, 26, d.h. ein Abstand im Bereich Submillimeter bis Millimeter. Am beweglichen Kontaktträger sind zwei u-förmige Bleche 28, 29 angebracht, die mit ihren Seitenschenkeln jeweils auf eines der beiden Bleche 25, 26 zeigen, so dass zwei magnetische Kreise gebildet werden, die vom elektrischen Strom im beweglichen Kontaktträger aufmagnetisiert werden, wodurch eine magnetische Haltekraft auf den beweglichen Kontaktträger erzeugt wird.
Die Joche bzw. u-förmigen Bleche 20 oder 21, 22 bzw. die Bleche 25, 26 mit zugeordneten u-förmigen Blechen 28, 29 bestehen jeweils aus ferromagnetischem Material und erzeugen eine dem großen Joch 30 aus ferromagnetischem Material entgegengesetzt gerichtete, magnetische Schließkraft auf die Schaltbrü- cke 4.
Die anhand der einzelnen Figuren beschriebene Erfindung wird insbesondere in einem Schaltgerät mit translatorischer Bewegung des Bewegkontaktes realisiert. Dies kann wie im Beispiel der Figur 1 ein Schütz sein. Die Erfindung kann jedoch ohne Einschränkung auch für Leistungsschalter mit mechanischem oder mit mechanischem/elektrischem Antrieb realisiert sein.
Wie oben erwähnt, kann die Erfindung aber auch bei einem Schaltgerät mit rotatorischer Schaltbewegung zum Tragen kommen, wobei in diesem Fall das erste Joch bzw. u-förmige Blech 20 den beweglichen Drehkontakt von der dem Kontaktstück
zugewandten Vorderseite des Kontaktträgers umgreift, während das zweite Joch bzw. u-förmige Blech 30 den Öffnungsbereich des Drehkontaktes an der Rückseite des Kontaktträgers umgreift.