DE1040666B - Selbstschalter fuer Niederspannungsanlagen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

In vielen modernen Selbstschalteranordnungen wird von den festen Kontakten, ihren Zuleitungen und dem beweglichen Kontaktarm eine Leiterschleife gebildet, wobei das bewegliche Kontaktstück die Schleife abschließt. In solchen Anordnungen werden, wenn durch den Stromkreis hohe Ströme fließen, große magnetische Kräfte erzeugt, welche auf alle Teile der Schleife wirken. Die mechanischen Kräfte, die sich aus den magnetischen Kräften ergeben, sind so gerichtet, daß sie die Schleife vergrößern wolllen; sie üben auf das bewegliche Kontaktstück also eine Kraft in Öffnungsrichtung aus. Wird ein solcher Schalter auf einen Stromkreis geschaltet, in dem hohe Ströme, z. B. 100 000 A, fließen, so ist nach der ersten Berührung der Kontakte eine sehr hohe Antriebsenergie nötig, um den Schalter vollends zu schließen.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß der magnetische Fluß so in der -Phase gegen den Strom verschoben werden kann, daß er diesem um mehr als 15° nacheilt. Auf diese Weise wird eine leichte Verzögerung im Aufbau des Flusses erzielt, die einer Verringerung des Stromes um etwa 18% im Falle einer symmetrischen (sinusförmigen) Stromwelle entspricht. Dieses Ergebnis wird dadurch erreicht, daß mit dieser Leiterschleife des Selbstschalters ein elektrisch leitender Körper induktiv gekoppelt ist. Fließt, nachdem sich während eines Schließvorganges die Kontakte berührt haben, durch den Schalter ein Wechselstrom, so induziert der dann um die Stromschleife herum vorhandene magnetische Fluß in dem leitfähigen Körper Wirbelströme, wobei der magnetische Fluß, der von den Wirbelströmen erzeugt wird, gegen den von dem Hauptstrom erzeugten Fluß in der Phase verschoben ist. Daraus ergibt sich eine Gegenwirkung, welche den Aufbau des magnetischen Flusses in der Hauptstromschleife verzögert und den Fluß dazu zwingt, hinter dem Anwachsen des Stromes zurückzubleiben. Die magnetische Kraft, die nach der ersten Berührung der Kontakte dem weiteren Schließen des Schalters entgegenwirkt, wird dadurch stark vermindert. Bei einem Schalter nach der Erfindung ist daher auch ein Schließen und Verriegeln der Kontakte gegen hohe Fehlerströme mit geringem Kraftaufwand möglich.

Ein Schalter nach der Erfindung wird seinem Aufbau und seiner Arbeitsweise nach im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 stellt einen senkrechten Schnitt durch einen Schalter dar, der die Elemente der Erfindung enthält;

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm eine symmetrische Stromkurve und die Phasenverdrehung des Flusses, die durch den erfindungsgemäßen Einbau eines Körpers hoher elektrischer Leitfähigkeit in die Schleife erzeugt wird;

Selbstschalter für Niederspannungsanlagen

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 14. März 1955

Harry J. Lingal, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 3 zeigt schematisch die verschiedenen Bahnen der innerhalb des Schalters erzeugten magnetischen Flüsse.

Der in Fig. 1 dargestellte Selbstschalter besitzt mehrere jeweils die Elemente eines Schalterpols enthaltende Einheiten, von denen jede eine besondere Kontakteinrichtung, die insgesamt mit 11 bezeichnet ist, und eine Überstromauslösevorrichtung 13 enthält. Da sämtliche Einheiten untereinander gleich sind, ist nur eine Einheit des Schalters, d. h. ein Pol, dargestellt und im folgenden beschrieben.

Die Kontakteinrichtung 11 und die Auslösevorrichtung 13 für jeden Pol ist auf einer besonderen isolierenden Grundplatte 15 aufgebaut, welche durch Schrauben 19 starr an einem Metallgerüst 17 befestigt ist. Die Kontakteinrichtung 11 enthält feste Hauptkontakte 23, einen festen Zwischenkontakt 24 und einen festen Lichtbogenkontakt 25., die sämtlich an dem inneren Ende der als Stromzuführung dienenden Durchführung 27 befestigt sind, welche durch entsprechende ausgesparte öffnungen in der Grundplatte 15 und dem Gerüst 17 hindurchragt. Mit den festen Haupt-, Unterbrechungs- und Lichtbogenkontakten 23, 24 und 25 arbeiten bewegliche Hauptkontakte 29, ein beweglicher Unterbrechungskontakt 30 und ein beweglicher Lichtbogenkontakt 31 zusammen. Die festen Hauptkontakte 23 sind begrenzt beweglich befestigt und werden in der geschlossenen Stellung des Schalters gegen die beweglichen Hauptkontakte gepreßt. Der feste Lichtbogenkontakt ist in bekannter Weise ebenfalls begrenzt beweglich befestigt und wird in der geschlossenen Stellung gegen den beweglichen

80S 657/34«

Lichtbogenkontakt gedrückt. Die mit den festen Kontakten 23, 24, 25 zusammenarbeitenden beweglichen Kontakte 29, 30 und 31 sind an einem beweglichen Schalterteil 35 befestigt, der in einem Bolzen 37 und einer Gabel 39 drehbar gelagert ist. Die Gabel 39 ist durch eine Schraube 41 an der Innenseite der unteren Durchführung43 befestigt. Dadurch, daß die Kontaktteile 45 durch Federn zusammengedrückt werden, ist eine sichere, gleitende Kontaktgabe zwischen dem beweglichen Schalterteil 35 und den festen Teilen 45 ge- ίο währleistet. Eine Feder 47, die zwischen dem Federsitz 49 auf der Grundplatte 15 und dem beweglichen Schalterglied 35 liegt, ist im geschlossenen Zustand des Schalters gespannt und öffnet den Schalter nach Auslösung und Freigabe der Verriegelungseinrichtung.

Der bewegliche Kontaktarm 35 wird durch eine Antriebseinrichtung in der geschlossenen Stellung gehalten, die insgesamt mit 61 bezeichnet ist. Sie ist in einem U-förmigen Rahmen befestigt, der aus unterteilten Seitenteilen 65 und einem verbindenden Querträger 67 besteht. Die U-förmige Plattform 69 ist an den Seiten jedes Pols mit den Seitenteilen 71 verbunden. Diese sind wiederum an den Außenseiten der äußeren Pole an dem Gerüst 17 starr befestigt. Die Plattform erstreckt sich über die ganze Breite des Schalters.

Die Antriebseinrichtung enthält einen Hebel 73, der beweglich in einem Lagerzapfen 75 gelagert ist, welcher seinerseits an den Seitenteilen 65 des Rahmens befestigt ist. Der Hebel 73 besteht aus zwei Seitenteilen, die miteinander durch ein Querstück 77 verbunden sind. Eine Stange 79, die sich durch alle Pole des Schalters erstreckt, ist kraftschlüssig mit dem beweglichen Schalterteil 35 durch ein isolierendes Zwischenstück 81 und einen Drehzapfen 82 verbunden. Das Zwischenstück 81 ist in jedem Pol vorhanden und verbindet die allen Polen gemeinsame Stange 79 mit den beweglichen Kontaktarmen der einzelnen Pole, so daß bei entsprechender Bewegung der Stange 79 die Kontakte aller Pole gleichzeitig geöffnet oder geschlossen werden.

Das Antriebsgestänge hält normalerweise über die gelenkig miteinander verbundenen Hebel 83 und 85 den Hebel 73 und damit die beweglichen Kontakte in der geschlossenen Stellung. Es dient auch zur Bewegung der beweglichen Kontakte in die Ein- und Aus-Stellung. Der Hebel 83 ist mit dem Hebel 73 über einen Drehzapfen 89 beweglich verbunden. Ebenso ist der Hebel 85 über den Bolzen 91 mit dem Hebel 83 und über den Bolzen 93 mit dem Arm 87 beweglich verbunden. Der Arm 87 ist um den Bolzen 97 drehbar, der in dem Rahmenteil 65 gelagert ist, und besitzt einen Mitnehmer 95.

Die Anordnung aus den Hebeln 83, 85, 87 enthält zwei Gelenke, von denen eines, 83, 85, zur Auslösung und das andere, 85, 87, zum Schließen des Schalters dient. Das Auslösegelenk liegt normalerweise leicht unterhalb einer Geraden, die durch die Bolzen 89 und 93 gezogen werden kann, während das Schließgelenk 85, 87 wenig unter einer Geraden durch die Bolzen 91 und 97 liegt.

Durch die Federn 47 wird auf das Auslösegelenk 83, 85 eine Kraft ausgeübt, die das Gelenk einzuknicken, also die beweglichen Kontakte der verschiedenen Pole des Schalters in die offene Stellung zu bewegen sucht. Das Auslösegelenk 83, 85 wird durch ein Hauptverriegelungsglied 99 am Einknicken gehindert, das sich um einen Bolzen 100 dreht und durch den Hebel 101 mit dem Bolzen 91 des Auslösegelenkes verbunden ist. Mit dem Verriegelungsglied 99 ist der Hebel 101 durch den Drehzapfen 103 verbunden.

Das Hauptverriegelungsglied 99 wird durch einen Hebel 105 in der verriegelten Stellung gehalten, welcher in einem Drehzapfen 107 gelagert ist, der seinerseits in den Rahmenteilen 65 liegt. Der Hebel 105 trägt eine Rolle 111, die mit dem Hauptverriegelungsglied 99 zusammenarbeitet und letzteres in der geschlossenen Stellung hält. An seinem unteren Ende trägt der Hebel 105 ein Verriegelungsglied 113, das normalerweise mit einem Riegel 115 gekuppelt ist, welcher auf einem U-förmigen Teil 117 befestigt ist, der sich um einen an dem Rahmen 65 befestigten Zapfen 119 drehen kann. Der Arm 105 und der Teil 117 werden in ihrer verriegelten Stellung durch eine Feder 121 gehalten, die zwischen ihnen in der dargestellten Weise befestigt ist. An dem entgegengesetzten Ende des Teiles 117 ist ein Querträger 123 befestigt, der sich durch alle Poleinheiten des Schalters hindurch erstreckt und für jeden Pol des Schalters einen isolierenden Arm 125 trägt. Jeder der Arme 125 enthält eine Schraube 127, die mit der Auslösevorrichtung 13 der betreffenden Poleinheit zusammenarbeitet.

Solange das Hauptverriegelungsglied 99 in der verriegelten Stellung durch die beschriebene Einrichtung gehalten wird, wird das Auslösegelenk 83, 85 durch den Arm 101 in der gezeigten Stellung gehalten, in der die Kontakte des Schalters geschlossen sind. Das Schließgelenk 85, 87 wird durch einen mit einer Schulter versehenen Hebel 131 am Einknicken gehindert, der in dem Zapfen 107 drehbar gelagert ist und durch eine Feder 133 gegen den Bolzen 93 des Schließgelenkes gedrückt wird.

Mit der Frontplatte oder dem Querträger 67 des Rahmens ist ein Ausleger 135 starr verbunden, in dem eine Antriebsstange 137 drehbar gelagert ist. An deren äußerem Ende ist eine Betätigungsstange 139 befestigt. Mit dem inneren Ende der Antriebsstange ist eine Scheibe 141 verbunden, an der eine Rolle 143 exzentrisch befestigt ist. Die Rolle 143 hat zwei Aufgaben, nämlich bei Handauslösung des Schalters auf die Bewegung der Betätigungsstange hin den U-förmigen Teil 117 nach unten zu drücken und bei Bewegung der Betätigungsstange 139 in der entgegengesetzten Richtung zum Schließen des Schalters den Mitnehmer 95 an dem Hebel 87, der zu dem Schließgelenk 85, 87 gehört, anzuheben.

Bei einer Bewegung des Schalters in die ausgeschaltete und verriegelte Stellung drückt durch Drehen der Betätigungsstange in die entsprechende Richtung die Rolle 143 auf den U-förmigen Teil 117 und löst das Verriegelungsglied 113 von dem Riegel 115. Die von der zusammengedrückten Feder 47 auf die Schalterarme 35 ausgeübte Druckkraft wird durch die isolierenden Verbindungsstücke 81, die Stange 79 und den Hebel 73 auf das Auslösegelenk 83, 85 übertragen, das dadurch nach oben einknickt und die Kontakte aller Schalterpole öffnet.

Das Schließgelenk 85, 87 knickt bei dem Öffnungsvorgang erst ein, wenn während der Ausklinkbewegung des Teiles 99 ein nicht dargestellter Mitnehmer den Hebel 131 im Uhrzeigersinn um den Bolzen 107 dreht, wodurch der durch die Schulter des Hebels 131 gehaltene Bolzen 93 freigegeben wird. Daraufhin bewegen sich die Hebel 85 und 87 unter ihrem eigenen Gewicht und dem des Ankers des noch zu erläuternden Schließmagneten nach unten. Durch das Einknikken des Schließgelenkes 85, 87 wird das Auslösegelenk 83, 85 in die Ausgangsstellung zurückgedrückt

und ebenso die Verriegelungseinrichtung wieder eingeklinkt. Die gesarate Antriebsvorrichtung ist nunmehr in der Ausgangsstellung für den Einschaltvorgang.

Die automatische Ausschaltung des Schalters erfolgt durch eine Auslösevorrichtung 13 für jeden Pol des Schalters. Sie kann von beliebiger Bauart sein und ist so eingerichtet, daß die Zeit zwischen Ansprechen der Auslösevorrichtung und der Auslösung des Schalters in Hinsicht auf die verschieden großen Überströme in Kurzschlußkreisen einstellbar ist.

Die Kontakte werden entweder von Hand mittels der Betätigungsstange 13,9 oder automatisch durch einen Schließmagneten 145 geschlossen. Wird der Schalter von Hand geschlossen, so erfolgt dies durch Drehen der Betätigungsstange 139 in die dem Einschaltvorgang entgegengesetzte Richtung. Diese Bewegung der Stange drückt die Rolle 143 gegen den Mitnehmer 95 an dem zum Schließgelenk 85, 87 gehörenden Hebel 87 und richtet dieses gerade. Während dieses Vorganges wird das Auslösegelenk 83, 85 in der durchgedrückten Lage durch die Verriegelungseinrichtung festgehalten. Dadurch wird die Stange 101 nach oben gezogen und der Hebel 73 im Uhrzeigersinn gedreht, wodurch die Kontakte des Schalters geschlossen werden. Wenn der Bolzen 93 in seiner oberen Stellung angekommen ist, wird der Hebel 131 durch die Feder 133 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht und hält mit seiner Schulter den Bolzen 93 fest, so daß die Kontakte geschlossen bleiben.

Automatisch wird der Schalter durch Erregung des Schließmagneten. 145 geschlossen, was wiederum von Hand oder automatisch in bekannter Weise erfolgen kann. Der Magnet 145 enthält ein fest angebrachtes U-förmiges Joch 151 und einen Kern 153, der an der Unterseite der Plattform 69 angebracht ist. Ein beweglicher Anker ist an dem unteren Ende der Stange 157 angebracht, die an ihrem oberen Ende in dem Bolzen 93 des Schließgelenkes 85, 87 drehbar gelagert ist. Die Erregerwicklung 159 wird von dem Querträger 161 gehalten, der an dem unteren Teil des U-förmigen Joches 151 durch die Schrauben 163 befestigt ist.

Bei geschlossenem Schalter wird der Anker 155 in der in Fig. 1 gezeigten Lage gehalten. Wenn der Schalter ausgelöst wird, knickt das Schließgelenk 85, 87 nach unten ein, und der Anker bewegt sich in seine untere Lage. Durch Erregung der Spule 159 wird der Anker 155 nach oben gezogen und drückt über die Stange 157 das Schließgelenk 85, 87 in die Einschaltstellung.

Die vom Hauptstrom durchflossenen Teile 27 und 43 des Schalters bilden die Seitenteile einer Schleife, die von dem die beweglichen Kontakte tragenden Schalterteil 35 abgeschlossen wird. Wie schon in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, wird erfindungsgemäß die bei dem Schließen des Schalters auf den Teil 35 ausgeübte Kraft dadurch verringert, daß mit dieser Leiterschleife ein elektrisch leitender Körper 165 induktiv gekoppelt ist, in dem von der Leiterschleife her Wirbelströme induziert werden, durch die der über den Schalter fließende Strom eine derartige zeitliche Phasenverschiebung erfährt, daß die Einschaltkraft des Schalters verringert wird. Der Körper besteht zweckmäßig aus einem Material hoher Leitfähigkeit, z. B. aus Kupfer, und erstreckt sich senkrecht zu der Schleife. Die Wirkung des Körpers 165 wird im folgenden schematisch an Hand der Fig. 3 erläutert.

Der durch die Zuführung 27 des Schalters fließende Hauptstrom erzeugt ein magnetisches Feld 167, das in dem Körper 165 Wirbelströme 169 zur Folge hat, deren Richtung durch die eingetragenen Pfeile gekennzeichnet ist. Die Wirbelströme erregen ein Feld 171, das gegen das von dem Hauptstrom erregte Feld, welches versucht, den beweglichen Schalterteil zu öffnen, bzw. der Schließbewegung des Schalters entgegenwirkt, phasenverschoben ist und dieses Feld schwächt.

Wie in Fig. 2 gezeigt wird, beträgt die Zeit vom Nulldurchgang bis zum Erreichen des Scheitelwertes eines 60-Hz-Stromes 4,165 ms (entsprechend einer Viertelperiode). Wenn die Kontakte während des Schließvorganges in der Zeit von der ersten Berührung der Kontakte bis zu ihrem völligen Schließen und der Verriegelung des Schalters eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 3,05 m/sec haben, so bewegen sie sich mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 5,08 cm in der Periode oder 1,27 cm in der Viertelperiode (entsprechend 4,165 ms). Sind die Lichtbogenkontakte und die Hauptkontakte so angeordnet, daß sie sich von dem Augenblick des ersten Berührens bis zum völligen Schließen um 0,6 bzw. 0,16 cm bewegen, so wird der Schalter also in etwas weniger als einer Achtelperiode, nachdem sich die Kontakte berührt haben, geschlossen sein.

Die Abschwächung des von dem Hauptstrom erregten Flusses durch den Körper 165 entspricht einer Phasenverschiebung des Flusses von etwa 15° el. Dadurch wird ein Zeitgewinn von etwa ³U ms hinsichtlich des Flußaufbaues erzielt, wodurch bei symmetrischer Stromwelle der Strom nochmals um 18 %> verringert wird. Durch das Zusammenwirken der hohen Sehaltgeschwindigkeit mit der Phasendrehung des Flusses wird also der Strom bis zum Schließen des Schalters und seiner Verriegelung nur etwa die Hälfte seiner maximalen Höhe erreicht haben.

Läßt man z. B. maximal einen Strom der Höhe I₁ (s. Fig. 2) zu, bei dem der Schalter geschlossen und verriegelt sein soll, so wird auf Grund der Nacheilung des Flusses tatsächlich nur ein Strom der Größe /, auftreten, der, wie schon erläutert, um 18% geringer ist als der maximal zulässige.

Hieraus ist zu ersehen, daß die Nacheilung des Flusses hinter dem Hauptstrom, die sich aus dem Vorhandensein des Körpers 165 ergibt, die Ströme, gegen die der Schalter geschlossen werden soll, um 18% gegenüber einem Schalter ohne diesen Körper verringert. Bei einem Schalter nach der Erfindung ist also eine geringere Kraft zum Schließen des Schalters erforderlich als bei den bekannten Bauarten.

Claims (4)

Patentansprüche=

1. Selbstschalter für Niederspannungsanlagen, bei dem von den festen Kontakten, ihren Zuleitungen und dem beweglichen Kontaktarm eine Leiterschleife gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dieser Leiterschleife ein elektrisch leitender Körper induktiv gekoppelt ist, indem von der Leiterscbleife her Wirbelströme induziert werden, durch die der über den Schalter fließende Strom eine derartige zeitliche Phasenverschiebung erfährt, daß die Einschaltkraft des Schalters verringert wird.

2. Selbstschalter für Niederspannungsanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Körper sich senkrecht zu der durch die Stromschleife gebildeten Ebene erstreckt.

3. Selbstschalter für Niederspannungsanlagen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Körper aus einem Werkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht.

4. Selbstschalter für Niederspannungsanlagen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem elektrischen Leiter Wirbelströme induziert werden, die eine Phasenverschie-

bung zwischen dem durch die Schleife fließenden Strom und dem von diesem Strom erzeugten Fluß hervorrufen, wodurch die zum Schließen des Selbstschalters erforderliche Kraft verringert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 573 182;
schweizerische Patentschrift Nr. 236 852.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

.©«09 657/34» 9.5S