Elektrischer Schnellschalter, namentlich für Gleichstrom. Bei Kurzschlüssen in Gleiehstroinnetzen steigt der Kurzsehlussstrom nach einer Expo- nentialkurve, wobei die Anfangsgesehwindig- keit des Stromanstieges von der Grössenord nung<B>106</B> bis<B>2.107</B> Amp./Sek. ist, und der stabilisierte Wert des Kurzsehlussstromes, das, ist der Strom, der im Kurzschlusskreis in eini gen Hundertstelsekunden entstehen würde,
.sieh gewöhnlich in den Grenzen Voll 20.103 bis<B>100.103</B> Amp. bewegt <B>,</B> Die Hauptaufgabe der Sehnellsehalter für Gleiehstroin besteht in der Begrenzung dieser Ströme mit einer solchen Schnelligkeit, dass die höchsten Merte des Aussehaltstronies einige Male niedriger sind als der stabilisierte Wert.
Das bedeutet, dass der Schalter so rasch wirken muss, dass der Widerstand des Liehtbogens, weleher den Kurzsehlussstrom begrenzt, in den Stromkreis bereits zu einer Zeit einggesehaltet wird, die durch die Steil heit des Stromanstieges gegeben ist.
Diese Verhältnisse sind zwecks besserer Anschaulich keit der Beschreibung auf Bild<B>1.</B> der bei- ,geschlossenen Zeichnung abgebildet; die ange" führten Vorgänge sind in der Abbildung in ihrer zeitlichen Entwiehlung veranschaulicht.
Die horizontale Aelise <B>1</B> ist die Zeitaehse, die vertikale Aehse ist die Stromaehse. Der Ver lauf des nicht abgeschalteten Kurzschluss- stromes ist durch die Linie<B>3</B> veranschaulicht-, sie weist eine anfängliche Steigerung gemäss der Neigung von Tangente 4 und den stabili- sierten Wert<B>5</B> auf. Gemäss Linie<B>3</B> würde der Strom verlaufen, wenn im Stromkreis kein Schalter vorhanden wäre.
Befindet sieh im Stromkreis ein Schalter, folgt der Strom der Kurve<B>3</B> bloss bis züm Punkte<B>6,</B> das heisst bis zum Augenblick des Trennens der Kon takte und des Entstehens des Lichtbogens.
Von diesem Punkte an ist der Strom im Schalter dureh den Liehtbogen immer mehr begrenzt und verläuft entsprechend der Kurve <B>7</B> bis zum Punkte<B>8,</B> wo der Liehtbogen er- liseht und der Stromkreis definitiv unter- broehen ist. In Abb. 2 ist der Verlauf der Spannung im gleichen Zeitmassstab veran- schaulieht. Vom Augenblicke<B>6</B> an, das heisst von der Zeit der gegenseitigen.
Entfernung der Kontakte, steigt die Liehtbogenspannung bis zum Augenblick<B>8</B> gemäss Kurve<B>10</B> auf die stabilisierte Spannung, die durch die Linie<B>11</B> gegeben ist. Bestrebt wird, den Spitzenwert des Kurzsehlussstromes, gegeben durch die Ordinate<B>9,</B> Abb. <B>1.,</B> züi verringern, denn dieser Stromwert ist entscheidend für die dynamische und thermiselle Belastung des Kurzsehlussstromkreises. Die Wichtigkeit der Verringerung dieses Stromes ergibt sieh ganz besonders, wenn in Erwägung gezogen wird,
dass die dynamische und thermisehe Belastung des Schalters dem Quadrat des Strolnes pro portional ist.
Aus Abb. <B>1</B> geht hervor, dass die einzige Möglichkeit zur Verringerung des Kurzschluss- stromes die Verkürzung der Verzögerungszeit <B>n</B> des Aussehaltens ist. Gleichzeitig sehen wir auch, dass es keinen Sinn hätte, im Gegenteil schädlich wirken würde, die Brenndauer des Lielltbogens durch Verwendung intensiverer Lösehmittel zu verkürzen, da hierdureh bloss ein ungünstiger Verlauf der Lichtbogenspan- nung hervorgerufen würde.
Der Strom im Liehtbogen wäre so nämlich genötigt, sehnel- ler zu sinken, z. B. gemäss Kurve 1.2, und 1110111it müsste auch das magnetische Feld, wel- elles mit diesem Strom verkettet ist, innerhalb kürzerer Zeit wirksam sein. Dies ist jedoch bloss durch Erhöhung der Lichtbogenspan- nung möglich, so dass Überspannungen, gemäss Kurve<B>15</B> (Abb. 2), entstehen.
Diese besehlei-i- iLiate Lösehun- des Liehtboggens hat jedoeii, ,vie ersichtlich, einen Einfluss auf den Si i' <B>7</B> ..eiiwert des Kurzschlussstromes. Eine Ver- ringerung des Spitzenwertes des Stromes I#ann, wie aus dem Angeführten bei-vorgeht,
bloss durch Kürzung des ersten Teils (les Absehaltvor-angges herbeigeführt werden, das <B>C</B> heisst der Zeit vom Entstehen des Kurz- sehlusses bis zur Trennung der Kontakte # mechanische Verzöl-gerungszeit). Die bisher bekannten Sehnellsehalter ermöglichen meella- nisehe Verzögerungszeiten.
voll ungefähr t' 3.10-3 Sek., wobei diese Zeit im wesentlichen unabhängig voll der Grösse des Abschall- stromes und der l-,elliie-Iligl#eit der Änderim-, fiesselben war.
Ge,-enstand der Erfindun- ist ein el.elz- iriseher Schnellsellalter, der das Erreieben. von mechanischen Verzögerungszeiten in der Grössenordnung voll 1.1.0-4 Sek., bei grossen. am Anfang mit einer Gresehwindigkeit ##on z.
B.<B>107</B> Anip./Sek. steigenden Kurzschluss- -,trömen ermöglicht, das heisst gerade in len, wo ohne Absehaltung sehr hohe Kurz- sehlussströme entstellen würden, und die Be grenzung dieser Ströme von ganz wesentlicher Wichtigkeit ist. Bei langsamer ansteigender Strömung ist die Sehnelligkeit des Aussellal- tens entsprechend kleiner, was jedoch keines falls ein Nachteil ist.
Die Wirkungsweise Jes Antriebes des erfindlingsgemässen Sehnell- sehaltmeehanismus beruht auf der Kraftwir- kung zwischen zwei voll Stroni. durehflossenen zn Spuleil. Bekanntlich stossen sieh zwei gleich achsige, z.
B. seheibenförinige, nebeneinander angeordnete, von Strömen eiitf.),eueilgesetzter 1'%iehtun,-,- durehflossene Spulen gecgenseitigab. Bei entspreeliend grossen Strömen können ,sehr -rosse Kräfte. und Besehleunigungen und <B>C</B> C dadurch eine rasche Selialtung der Kontakte erreicht werden.
Erfindungs,--emäss wird eine der Spulen in einen Stromkreis eingeschaltet, desseil S'peisi n -ing von der Selinelligkeit der Änderung des Stronies im Hauptstroinkreis des Sehalters abhängig ist.
Die Konstruktion kann noch dadurell ver- einfaeht werden, dass die bewegliche Spule als volle leitende Scheibe auisgeführt wird.
Ein Beispiel des Sehalters nach der Erfin- c lung ist auf Abb. <B>3</B> veransehaulieht.
Der Strom verläuft durch die Drossel spule<B>16</B> von einer Windung, mit einem Eisen kern<B>17,</B> durch den (41eitkontakt <B>18</B> in deu A-Iisehaltbolzen <B>1.9,</B> weiter durch den festste henden Stirnkontakt<B>20</B> in die Ableitung<B>'21.</B> Alli Sehaltbolzen <B>19</B> sitzt eine leitende Seheibe 22 fest, die eine Spule #,on einer einzigen kurzgesehlossenen Wiiidtin,#., bildet.
Gleich- aehsi-- mit der Scheibe 22 ist die feste Spule <U>9</U> in einem Gehäuse 24 ani Rahmen des Selialters befestig., welelier der Übersichtlielt- keit hallber auf der Abbildun- nicht in allen Details veransehauliellt. ist.
Die Zuleitungen <B>215</B> und 2-16 der ',Spule sind all die Drosselspule <B>16</B> vor und hinter den-1 Kern.<B>17</B> an,-esehlossen.
Die Induktivität der Drosselspule<B>16</B> ist viel höher als die der festen Spule<B>23.</B>
Da der Ohnisehe Widerstand der festen Spule<B>23</B> un-, vielles grösser gewählt ist als der Ohinsehe Widerstand der Drosselspule<B>16,</B> wird die "Spule <B>'223</B> bloss ein unbedeutender Teil des gesamten Betriebsstromes (Gleit- i#:roiii # fliessen. In der beweglichen Spule 22 wird daher kein nennenswerter Strom indu ziert, so dass in dieser keine Kraft wirksain wird.
Im Au-enbliek des Kurzschlusses be-innt der Strom jäh nach Kurve<B>3</B> (Abb. <B>1)</B> anzu steigen. Der steigende Strom dureltläuft den Weg kleinster Induktivität, das heisst, er <B>23.</B> in der beweg durchfliesst die feste spule liehen Spule 22 wird ein Strom entgegenge setzter Riehtum, induziert und beide Spuleii stossen sieh gegenseitig ab. Dabei nimmt die bewegliche Spule '222 auch den Sehaltbolzen <B>19</B> mit, der mit ihr verbunden ist.
Es entsteht ein elektrischer Liehtbogen zwischen den Kontakten<B>19</B> und 20, der unter der Einwirkung des magnetischen Feldes, einer Stromsebleife, gebildet. durch die Zu- leituug zur Drosselspule<B>16</B> und die Ableitini#g- 21 entlano- den Abbrennhörnern <B>27, 28</B> in die Löselikanimer hinaufgetrieben wird.
Eine ähnliche Wirkung können wir auch durch eine andere Lösung erzielen, wenn wir r)aell Abb. 4 anstatt der 1)ro".",selsputle <B>16</B> eineij Transformator, dessen Primärwieklung <B><U>29</U></B> einen Teil des Hauptstroinkreises bildet ulld dessen Sekundärwieklung- <B>31</B> an die feste Spule<B>23</B> ange-,#ehlossen ist., verwenden.
So- lang.c durch den Schalter Gleichstrom lii-i- durchfliesst, wird in der Sekundärwieklung kein Strom induziert. Sobald es zu einer plötz- liehen Änderun- des Primärstromes komi)it, Wird an der Sekundärseite ein Strom indu- e 7iert, der durch die feste Spule<B>23</B> fliesst Dadurch wird ein Strom in der bewe-Iielien Scheibe 22 induziert, wodurch eine absto ssende Kraft entsteht.
In Abb. 4 ist<B>29</B> die Stromzuleitung und gleichzeitig die Primärseite des Transforma tors von einer einzigen Windun,- dureb. (iiii Eisenkern<B>30</B> dureh-ehend -ebildet.
Die weiteren Bestandteile sind die "-leiche?j wie in Abb. <B>3.</B>
Für das richtige Funktionieren des erfin dungsgemässen Schalters ist es von Wieliti-o-- keit, dass die magnetische Leitfähigkeit des Kernes<B>17</B> der Drosselspule, Abb. <B>3,</B> bzw. <B>30</B> rli hst gro\ Cies Transformators, Abb. 4, mö± <B>c</B> ist.
Wenn wir den ina,-netisehen Kreis v(#ll aus Eisenbleell ausführen würden., wäre das Eisen schon bei einem verhältnismässig klei nen Betriebsstroin gesättigt, das heisst der Arbeitspunkt wäre im Bereiche oberhalb des Knies der 'Magnetisierkurve und die weite ren maanetischen Kraftlinien, die beim Kauz- schluss entstehen, würden dann genötigt, <B>C</B> durch die Luft zu verlaufen.
Aus diesem, Grunde ist es vorteilhaft, in dem Kern<B>17</B> der Drosselspule<B>16</B> bzw. im Kern<B>030</B> des Trans formators einen Luftspalt vorzusehen, %vo- durch erreicht wird, dass der Arbeitspunkt auf der Magnetisierkurve tief unter dem Knie züi liegen kommt.
Deutlicher geht, der Einfluss des Luftspaltes aus Abb. <B>5</B> hervor, wo die Abhängigkeit des gesamten magnetischen FI-Li,Qses vom (-f'esaiiitstrom i (in Amp.), der mit dein Fluss (P verkettet ist, dargestellt wird. Die Gerade<B>32</B> gilt für die Luft, die Kurve<B>33</B> für einen geschlossenen Eisenkern und die Kurve 34 für einen Eisenkern. mit Luftspalt.
Die magnetische Leitfähigkeit ist gegeben durch die Neigung der betreffenden Kurve im Arbeitspunkt, das heisst dureb
EMI0003.0088
Die liiduktivität erhalten wir dann, wenn wir die magnetische Leitfähigkeit mit. dem Quadrat der _N,#7indungszahl multipli zieren. Es ist ersichtlich, dass die Induktiv!- lät L<B><I>=</I></B> nd Oldi für den Luftspalt konstant ist, hingegen für den übrigen magnetischen Kreis von der Sättigungsstufe des Eisens ab hängig, ist.
Für die Kurve<B>33</B> ist, unter Vor aussetzung eines Erregerstromes, gegeben durch Punkt<B>35,</B> die Induktivität wesentlich niedriger als für den Kreis des Eisens mit Luftspalt, dessen Charakteristik durch die Kurve 34 gegeben ist.
In vielen Fällen, z. B. in Gleiehstromnet- zen, die von mehreren Punkten, gespeist sind, ist es nötig, dass der 'Schalter sowohl bei posi liver wie auch bei neyativer Stromrichtuti- --leieh arbeitet. Dieser Anforderung entspricht der erfindungsgemässe Schalter vollkommen. Anderswo, z.
B. von Sehutzsehaltern für Queeksilbergleiehriehter, wird dagegen ver- e lan-t, dass ihre Empfindlichkeit für StrÖllie <B>C</B> ge#,visser Richtung grösser sei als für Ströme entgegengesetzter Richtung oder auieh, dass der Schalter bloss Ströme einer Richtung und keinesfalls Ströme entgegengesetzter Rieh- tung abschaltet.
Dieser Anforderung en'<B>-</B> spricht eine Ausführung des erfindungs- ZD (leillässen Schalters, bei welcher auf dein Kern .I der Drosselspule bzw. des Transformators, -welcher in diesem Falle ohne Luftspalt aus gebildet ist, eine HilfswieklLing angeordnet wird, die durch Gleichstrom solcher Grösse ge speist wird, dass das Eisen laut den Anfor- dei-angen bis zu einem gewissen.
Punkt der Magnetisierungskurve, fallweise bis zu einem Wert im Bereich oberhalb des Knies dieser Kurve (Abb. <B>5)</B> erregt wird. Die verlangte Empfindlichkeit für eine gewiesse Stromrich tung kann dann so erzielt werden, dass in den Kreig der festen Spule<B>23</B> ein Gleichriel,- ter beliebiger ALisführung eingeschaltet wird.
In diesem Falle wird bei einer plötzlichen #Änderung des Stromes im Hauptstromkreis an den Klemmen der Drosselspule oder der Sekundärwieklung des Transformators (Abb. <B>3</B> bzw. 4) eine Spannung induziert. Der so ent stehende Strom kann aber durch die Spule <B>23</B> bloss in der durch den Gleiehriehter be stimmten Richtung fliessen, so dass der Schal ter bloss bei einer Stromänderung in der ge wünschten Richtung wirken wird, wogegen er bei einer Stromänderung in umgekehrter Rieb- tung nicht abschaltet.
Der Kontakt 20 (Abb. <B>3)</B> kann als Gleit- kontakt ausgeführt werden, bei welchem sieh jedoch die mechanische Verzögerungszeit des Schalters um die Zeit des Herauslaufens, des Absehaltbolzens aus den Gleitkontakten ver- längert. Deswegen wird der Absehaltbolzen <B>19</B> bei dem Schalter nach Abb. <B>6</B> als Stirnkon takt, ausgeführt, welcher durch die Feder<B>37</B> in die Einsehaltstellung gedrückt wird, so dass das Trennen der Kontakte bereits im .Augenblick geschieht,
wo die Abstosskraft der Spulen gerade den Druck der Feder<B>37</B> und die Reibung im Gleitkontakt<B>38</B> überwiegt. Damit der Bolzen<B>19</B> nach Abschaltung nicht in die eingeschaltete Lage zurückkehrt und keinen neuen Kurzschluss hervorruft, weil der Bolzen bei dieser Ausfühi-Lingsform in der ausgeschalteten Lage durch eine Fallklinke <B>39</B> eingefangen, die in den Zahn 40 am Ende des Abschaltbolzens <B>19</B> eingreift.
Zum gleichen Zwecke lässt sieh auch die Lösung nach Abb. <B>7</B> anwenden. Hier ist ein Kipparm samt Feder 41 verwendet, welche in der einen Endlage den Kontal-,tdr-Liek her- vorruft und den Ansehaltbolzen mit der Scheibe in der eingeschalteten Lage hält. Bei Absehaltung hingegen kippt der Arm über die Totlage um Lind hält den Absehaltbolzen in der ausgeschalteten Lage fest.
In Abb. <B>8</B> ist als Beispiel eine weitere konstruktive Durchführung dargestellt. Hier ist der Abstandsbolzen<B>19</B> wieder durch die Kraft der Feder<B>37</B> in die ein-esehaltete Lage gedrückt. Gegen den Bolzeii'j9 ist der den undern Kontakt bildende Arm 43 angestelit, Jer um den Zapfen 44 drehbar ist und in die Aussehaltlage (gestrielielt angedeutet) durch die Feder 45 gezogen wird. Der Bewe- gang des Armes 43 wird durch ein Schloss ein Hindernis entgegengesetzt.
Am AiWüh- rungsbeispiel nach Abb. <B>8</B> ist das Schloss in einer an sieh bekannten Form durch drei liebe]. 46, 47, 48 gebildet, die den Arm 43 mit der am Rahmen des Schalters gelagerten Ein schaltwelle 49 mechanisch verbinden. In der eingeschalteten Lage des Schalters sind die Hebel. über die Totpunktlage bis zu den An- sehlägen <B>51</B> und<B>52</B> nach oben geknickt, so dass jedwede Bewegung des Armes 43 verhin dert wird. Das Hebelpaar 46 und 47 ist ausser dem in die geknickte Lage noch durch die Feder<B>50</B> gezogen.
Wenn nun das Hebelpaar 46, 47 in einer Weise durehgekniekt wird, wie dies weiter unten erwähnt ist, überwindet der Zug der Feder 45 die Feder<B>50</B> Lind der Arm 43 dreht sich in die Lage ausgeschaltet (gestrichelt angedeutet). Wie ersichtlich, ist das Festhalten des Absehaltbolzens <B>19</B> in der ausgeschalteten Lage hier überflüssig, da, bis der Bolzen wieder in die eingeschaltete Lage zurilekkehrt, der Aussehaltarm 43 schon in seiner Lage ausgeschaltet gekippt ist, so dass es nicht züi einer neuen Einsehaltun- kommt. Durch diese Lösung entsteht die<B>Mög-</B> lichkeit,
den Hub des kurzzeitigen Kontaktes bloss so gross durchzuführen, wie dies das Löschen des Liehtbogens erfordert, so dass die Masse dieses Kontaktes verkleinert und eine Vergrösserung der Absehaltgesehwindigkeit, erzielt wird.
Die Entriegelung des Absehaltarines 43, (las heisst die Lockerung des Schlosses, kann auf mehrere Weisen durchgeführt werden. Das Schloss kann durch ein an sieh bekanntes Übei-.stroiiii#elais gelockert, werden, welches z. B. nach Abb. <B>9</B> als direktes elektromagneti- sehes Relais<B>53</B> ausgebildet ist, dessen magne- tiselier Kreis die eine Zuleitung des Schalters umgibt.
Im Falle eines Kurzsehlusses wird in diesem Relais der Anker 54 angezogen, wel- eher durch einen zweiarmigen Hebel.<B>55</B> getra gen ist, der -um den Zapfen<B>56</B> drehbar ist. Der rechte Arm des Hebels<B>55</B> schlägt dabei auf das Hebelpaar 46, 47 auf und knickt es in der Richtung, nach unten durch. Dadurch ist das Schloss gelockert und der Arm 43 dreht sieh durch die Zugkraft der Feder 45 in die Lage ausgeschaltet .
Die Entriegelung des Schlosses kann auel). direkt von der beweglichen Spule hergeleitet, merden. In Abb. <B>10</B> ist ein Beispiel, einer sol- ehen Durchführung veranschaulicht. Die be-- weglielle 'Scheibe 22 schlägt auf den Arm des zweiarmigen Hebels<B>56,</B> der um einen festen Zapfen<B>57</B> drehbar ist, auf.
Die Bewegung wird weiter durch einen Isolierhebel<B>58</B> auf einen weiteren zweiarmigen Hebel<B>59</B> übertra gen, dessen zweiter Arm das Schloss in der gleichen Weise durchknickt, wie iiii voran gehenden Absatz beschrieben.
Bei der Ausführung laut Abb. <B>11</B> ist die Entriegelung des Schlosses ebenfalls von der Bewegung des Absehaltbolzeiis <B>19</B> hergeleitet, jedoch in einer andern Weise. Hier wird der Absehaltarin 43 gegen den Bolzen<B>19</B> durch die Feder<B>60,</B> die auf dem mittleren Hebel. des Schlosses angeordnet ist, gedrückt. In diesem Falle weist das Schloss den Arm <B>61</B> auf, der mit dem Hebel 46 gelenkig verb-un- den ist.
Am Arm <B>61</B> gleitet die Hülse<B>62</B> init den Zapfen<B>63,</B> an welchem der Hebel 48 ange hängt ist. Die Hülse<B>62</B> ist mittels Feder<B>60</B> aii den Anschlag 64 angedrüekt. Bei der Ein- s,chziltbewec,un- durch eine Drehung der Welle 49 im Uhrzeigersinn bewegt sieh der Arm 43 in die Lage, wie in Abb. <B>11</B> veranschaulicht, bis er auf den Bolzen<B>19</B> anschlägt. Hier hält ei und die Drehung der Welle 49 ist weiter erst möglich, wenn die Feder<B>60</B> zusammen gedrückt wird, wobei die Hülse<B>62</B> auf dem Arm<B>61</B> gleitet.
Die Kraft der Feder<B>60</B> über windet den Zu-- der Feder 45 und entwickelt noch einen Kontaktdruck zwischen dem Arm 43 und dem Bolzen<B>19.</B> Auf dein Einsehalt- arm 43 befindet sieh ein seitlicher Ausläufer <B>65,</B> der mit der Zugstange<B>66</B> gelenkig ver bunden ist. Die Zugstange gleitet in der Hülse <B>67,</B> die durch. den zweiarmigen Hebel 48 ge tragen ist.
Dieser Hebel ist um den festen Zapfen<B>69</B> drehbar und hat auf der linken Seite einen Anschlag<B>70.</B> Im Falle eines Kurzschlusses im Gleiehstromnetz entgleitet durch die Abstosswirkung zwischen der festen Spule und der beweglichen Scheibe der Zap fen<B>19</B> aus dem Bereiche des Armes 43, so dass dieser Arm durch die Wirkung des Druckes der Feder<B>60</B> sieh gegen den Uhrzeigersinn zu bewegen beginnt.
Dabei schlägt jedoch der Anschlag<B>71</B> des Hebelehens <B>66</B> auf die Hülse <B>67</B> und der Hebel<B>68</B> verdreht sieh, so dass der Anschlag<B>70</B> das Hebelpaar 46,<B>61</B> durch- knickt. In der Folge zieht. die Feder 45 den Arm 43 in die Lage ausgeschaltet .
In Abb. 12 ist eine weitere Alternative des Aussehaltmeehanismus veranschaulicht. In diesem Falle ist die bewegliche Spule 22 mit dem Absehalt.bolzen <B>19</B> nicht fest verbunden. Beim Abschalten wird durch Aufschlag des Bolzens der Spule 22 auf die Hebel<B>73,</B> 74 der Absehaltbolzen <B>19</B> entriegelt, so dass dieser durch die Feder<B>72</B> in di e Lage ausgesehal- tet gedrückt wird.
Die feste Spule<B>23</B> kann entweder von der Drosselspule mit Eisenkern <B>17,</B> wie auf Abb, 12 angedeutet, oder vom Transformator<B>30, 31</B> nach Abb. 4 gespeist, werden.