DE1075723B - Überstromschnellschalter mit einem betriebsmäßig rotierenden Energiespeicher - Google Patents

Description

Der Wert des Schnellschalters als Schnellöffner von durch Kurzschluß bedrohten Stromkreisen mit extrem kleiner Dämpfung ist unbestritten. So wäre heute ein geordneter Betrieb z. B. in den Gleichstrombahnanlagen ohne Schnellschalter nicht durchführbar. Solche Anlagen besitzen eine geringe Dämpfung mit beispielsweise einem di/dt = 2 · 10⁶ A/sec im Kurzschlußfalle. Zur Abschaltung eines derartig harten Kurzschlusses muß die Öffnung des Kreises mit äußerster Geschwindigkeit erfolgen, damit die vom Schalter geforderte Schaltleistung noch zu beherrschen ist. Besitzt ein solcher Schalter beispielsweise eine Eigenzeit von 5 ms und öffnet einen Kurzschluß mit einem di/dt von 2 · 10⁶ A/sec, so liegt die Schaltleistung im öffnungszeitpiunkt immer noch bei 2 · 10⁶ · 0,005 = 10 000 A. In /der Entwicklung solcher Schnellschalter hat man verschiedene Richtungen verfolgt. Alte Bauformen zeigen einen Schalthebel mit Klotzkontakten, der betriebsmäßig von einem Magnetanker gegen die Wirkung einer sehr starken Schraubenfeder in EIN-Steilung gehalten wird. Im Grenizstromfalle hört die Haltekraft des Magnetankers auf, so daß die stark gespannte Schraubenfeder nunmehr den Schalthebel in die AUS-Stellung zieht. Der Bewegungsvorgang des Schalthebels, der, von der Geschwindigkeit Null ausgehend, beschleunigt werden muß, besitzt hierbei eine Charakteristik, die den Erfordernissen der Lichtibogenaiusweiiung wenig gerecht wird, da die öffnungsgeschwindigkeit zunächst klein ist und am Ende der Hebelbewegung eine Größe annimmt, die technisch wegen der Schwierigkeit der Wiederabfangung nicht erwünscht ist.

In anderer Weise arbeitet der Schnellschalter mit Schlaganker. Hier wird der Schalthebel von einer relativ schwachen Schraubenfeder in EIN-Stellung gehalten, die Schraubenfeder erzeugt dabei nur den erforderlichen Kontaktdruck. Vor dem Schalthebel ist in etwa 2 mm Abstand ein Magnetonker von geringer Masse gelagert, der an einem Magnet anliegt, der vom Haupt-strom des Schalters erregt wird und sonst noch von schwachen Federn gegen die Pole des Haltemagneten gezogen wird. Dieser Haltemagnet ist bei Nennstrom des Schalters bereits gesättigt. Gegenüber den Polflächen liegt ein zweiter stärkerer Magnet, der ebenfalls vom Hauptstrom des Schalters erregt wird. 4-5 Im Grenzstromfall bekommt der stärkere Auslösemagnet das Übergewicht und reißt den Magnetanker von den Polflächen des Haltemagneten ab und beschleunigt ihn gegen die eigenen Polflächen. Auf diesem Wege trifft der Anker auf den Schalthebel und schlägt ihn gegen die Wirkung der Kontaktdruckfeder aus seiner EIN-Stelktng heraus. Der Schalthebel öffnet hierbei zuerst schnell und wird dann allmählich langsamer. Die Bewegungscharakteristik ist also der-

mit einem betriebsmäßig rotierenden

Energiesp eicher

Anmelder:

LICENTIA Patentverwaltungs-G.m.b.H._r Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Wilhelm Herden, Berlin-Hermsdorf,
ist als Erfinder genannt worden

jenigen des vorerwähnten Schalters genau entgegengesetzt. Dies ist von Vorteil, da für die Lichtbogenausweitung vornehmlich der erste Teil der Hebelbewegung maßgeblich ist.

Bei den Schaltern der ersten Bauform hat man Mängel an Schnelilöffnung dadurch auszugleichen versucht, daß dem System eine sogenannte άί/άί-Έχηρ-findlichkeit, also eine bestimmte Frühauslösewirkung, gegeben wurde. Solche Schalter sprechen nicht mur bei einem einstellbaren Grenzstrom an, sondern öffnen auch dann, wenn der über den Schalter fließende Strom einen Anstieg von bestimmter Steilheit hat. Ist der einstellbare Grenzwinkel di/dt erreicht, so erfolgt die Auslösung bei jedem Strom, der über den Schalter geht, der also auch wesentlich unter dem Nennstroei des Schalters liegen kann. Selbstverständlich steigt nach dem ersten Öffnen des Schalthebels der Strom im Lichtbogen noch an, die Steilheit wird jedoch infolge des Widerstandes im Lichtbogen sofort zurückgehen. Der Kurzschlußstrom erreicht daher nicht die volle Größe. Diese Freiauslösung hat aber auch Nachteile. Es kann sich bei starker ^(^Empfindlichkeit z.B. die Zugbeleuchtung nicht einschalten lassen, wenn ein Streckenschalter von hoher (fi/iii-Empfindlichkeit im Kreise liegt.

Deshalb gab man dem Schnellschalter mit Schlaganker zunächst den Vorzug und glaubte, bei dieser Bauform auf jede di/ifi-EmpfmdlicIikeit verzichten zu können. Im Laufe der Zeit ging man wieder zu dem Hilfsmittel der ifeVcff-Empfindlichkeit auch für Schnellschalter mit Schlaganker über.

Zur Herabsetzung der Eigenzeit der Schnellschalter hat man viele Wege beschriften. Bei einem bekannten Schalter wird der Schalthebel von einem Schlaganker, in dem man auf einem sehr kurzen Anlaufwege eine bestimmte kinetische Energie aufgespeichert hat, herausgeschlagen. Die kinetische Energie des Schlag-

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ankers geht beim Auftreffen auf den Schalthebel auf diesen über und beschleunigt ihn. Der Zeitverlust, der dadurch diesem Vorgang vorangeht, daß der Schlaganker vorerst beschleunigt werden muß, ist bei richtiger Bemessung von Masse und Beschleunigung gering im Vergleich zu dem Zeitgewinn durch die schlagartige Öffnung.

Dennoch geht auch bed diesem Prinzip die Anlaufzeit des Schlagankers in die Eigenzeit des Schalters ein. Ferner kann der Schlaganker nur eine geringe Energie auf den Schalthebel übertragen.

Erwähnt sei auch der bekannte Schnellschalter, bei dem die Kontakte aufgeschossen werden. Neuerdings wird gefordert, daß Schnellschalter auch unter dem Wagenboden eingebaut werden können. In diesem Falle muß sich der Schalthebel in horizontaler Ebene drehen, weil man den Lichtbogen nicht gegen den Wagenboden blasen kann, ferner ist die Lichtbogenkammer in ihren Ausmaßen beschränkt.

Bekanntgeworden ist ein Schnellschalter mit verkürzter Abschaltzeit, der eine rotierende Schwungscheibe in mechanischer Kupplung mit einer Bandbremse verwendet. Bei diesem Schalter treten Zeitverluste auf, die durch die Schaltung von Magnetkern und Bandbremse bzw. durch das Anklappen des Magnetankers am Umfang der Schwungmasse bedingt sind. Der Anker muß einen verhältnismäßig großen Weg zurücklegen, um das Band der Bremse so zu spannen, daß es sich mit der Schwungmasse kuppelt. Diese Kupplung erfolgt nicht augenblicklich, so daß ein weiterer Zeitverlust eintritt. Ferner ist eine mechanische Schnellauslösung für elektrische Schalter mittels Reibungskupplung bekannt, die durch die auslösende elektrische Größe gelöst wird und bei der die Kupplung als Doppelkonuskupplung ausgebildet ist, deren Kupplungshälften durch die auslösende elektrische Größe bewegt werden. Schließlich ist auch eine Schalteinrichtung zur Beeinflussung elektrischer Stromkreise mit durch ein Magnetfeld betätigtem Schaltelement bekannt, bei welcher das Schaltelement derart gelagert ist, daß es bei seiner Betätigung eine Drehbewegung ausführt. Das Schaltelement ist dabei als magnetisierbarer Anker ausgebildet, der zugleich als Strombrücke dient und in der Nähe seiner Enden die beweglichen Schaltstücke trägt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überstromschnellschalter mit einem für die Schnellöffnung der Kontakte betriebsmäßig rotierenden Energiespeicher. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch zwei als Halte- und Überstrommagnet ausgebildete U-förmige Magnete, die sich mit ihren Polflächen in geringem Abstand gegenüberstehen, zwischen denen ein für beide Magnete gemeinsamer Anker gelagert ist, der im AusgangS23UStand des Schalters am Haltemagnet haftet, während der Energiespeicher zwischen den Schenkeln des Überstrommagnets angeordnet ist.

Einer weiteren Ausbildung entsprechend, wird der gleichzeitig als Kontaktbrücke dienende Anker' bei Eintritt des Grenzstromes gegen den rotierenden Energiespeicher getrieben und von diesem mitgedreht. Noch einer weiteren Ausbildung entsprechend, ist die Schwungmasse des Energiespeichers vom Antrieb trennbar. - . - - - - . ■ - · - ■

Nachstehend wird der Gegenstand der Erfindung näher beschrieben. ■ - ■ Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des Schnellschalters, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Schnittebene A-B.

Zwei Magnete, der Auslösemagnet 1 und der Überstrommagnet 2, stehen sich mit ihren- Polflächen in" geringem Abstand gegenüber. Zwischen den Polflächen dieser Magnete 1 und 2 ist der gemeinsame Magnetanker 3 eingelagert. Der Magnetanker 3 ist zugleich auch der Schalthebel des Schalters und trägt aus diesem Grunde an beiden Enden aufgesetzte Kupferkontaktstücke 4. Im dargestellten eingeschalteten Zustand werden die Kontaktstücke 4 mittels der Kontaktdruckfedern 5 an ihre Gegenkontaktstücke 6 (Fig. 2) angedrückt. Der Schalter besitzt also zwei in Reihe geschaltete Öffnungsstellen, zwischen denen der Magnetanker 3 das stromleitende Verbindungsstück bildet. Die öffnung der Kontakte erfolgt durch Drehung des Magnetankers in Pfeilrichtung (Fig. 2). Der Magnetanker 3 besitzt keine feste Drehachse, daher wird eine vollkommen gleichmäßige Kontaktkraftverteilung auf beide Kontaktauflagen erreicht.

Zwischen den Schenkeln des Überstrommagnets 2 ist ein Motor 7 eingebaut, welcher sich betriebsmäßig immer dreht und dabei die Schwungmas se 8 inDrehung hält. Die Schwungmasse8 ist nicht fest auf die Motorwelile aufgekeilt, die Mitnahme erfolgt vielmehr über die Konuskupplung 9 und mit Hilfe der Andrückfeder 10. Betriebsmäßig liegt der Anker 3 an den Polflächen des Auslösemagnets an, gehalten durch die Zugkraft der Haltespulen 11. Der Auslösemagnet 1 besitzt noch das Streujoch 12, das von einer oder zwei Hauptstromwindungen 13 magnetisiert wird.

Der Überstrommagnet 2 besitzt eine größere Zahl Erregerwindungen 14, die vom Hauptstrom durchflossen werden und mit der oder den Streujochwindungen 12 in Reihe geschaltet sand. Der Auslösemagnet 1 ist so bemessen, daß bei ihm bereits bei Nennstrom des Schalters magnetische Sättigung vorliegt, dagegen ist der Überstrommagnet wesentlich höher aufnahmefähig. Die Richtung der magnetischen Kraftlinien ist aus der Zeichnung ersichtlich. Die Richtung der magnetischen Kraftlinien, die ihre Quelle im Streujoch des Auslösemagnets haben, kann wahlweise die gezeichnete sein oder auch umgekehrt, je nachdem, ob der Schalter bei Überstrom oder bei Rückstrom bevorzugt abschalten soll.

Bei der gezeichneten Richtung der Streujochlinien ergibt sich, daß jeder Vorwärtsstrom, der über den Schalter geht, die Haltekraft der Haltespulen auf dem Auslösemagnet schwächt, da beide Flüsse entgegengesetzte Richtung haben. Gleichzeitig steigt fast linear mit dem zunehmenden Vorwärtsstrom die Zugkraft des Überstrommagnets. Der Grenzstrom, bei dem der Anker gegen die Pole des Auslösemagnets gezogen wird, liegt also relativ niedrig, auf alle Fälle niedriger, als wenn man die Richtung der Streujochlinien gleichlaufend mit der Richtung der Haltekraftlinien schalten würde. Dann würde nämlich der Vorwärtsstrom die Haltekraft der Haltespulen unterstützen. Eine Auslösung, d. h. ein Übergang des Magnetankers an die Pole des Überstrommagnets aber wunde trotzdem erfolgen, weil nämlich der Auslösemagnet infolge Übersättigung nicht wesentlich an Haltekraft gewinnt, während der Überstrommagnet, der nicht gesättigt ist, fast linear mit dem zunehmenden Betriebsstrom seine Zugkraft zu steigern vermag. Das System besitzt also zwei Grenzströme.

Man kann diese Gegebenheit dahin auswerten, daß der Schalter vorzugsweise gegen Rückströme (Rückzündungen bei Quecksilberdampfgleichrichtern oder Kontaktgleichrichtern) hochempfindlich wirkt, während er bei Vorwärtsstrom erst bei höherem Überstrom öffnen würde.-

Därüber hinaus läßt eich das System auch in bekannter Weise'noch stromanstiegsempfiridlich gestalten. Erreicht der Anstiegswinkel eine'bestimmbare

Größe, so öffnet der Schalter unabhängig von der Größe des Überstroms. Man benutzt eine solche Einrichtung, um einen gefährlichen Überstrom bereits im Entstehen abzuhalten. Besitzt z. B. eine Anlage eine geringe Dämpfung und dementsprechend ein großes dildt, z. B. eine Million Ampere pro Sekunde, so hätte ein Schalter mit einer Eigenzeit von beispielsweise 1 Millisekunde beim öffnen den Strom von 1000 A an den Kontakten, wenn man den normalen Betriebsstrom hier unberücksichtigt läßt. Ein Schalter aber, dessen Eigenzeit höher liegt, müßte dann einen entsprechend höheren Strom aufreißen, weil gemäß dem Stromanstieg der Anlage inzwischen der Kurzschlußstrom höher angestiegen ist. Es kommt daher besonders auf die Eigenzeit des Schnellschalters an. Diese kann man einerseits durch den Aufbau als auch durch eine entsprechende Ä/cZi-Empfindlichkeit beeinflussen. Eine zu hohe Ä/di-Empfindlichkeit ist aber in der Praxis nicht erwünscht, weil solche Schalter gegen jeden Stromstoß, der die Anlage trifft, empfindlich sind und öffnen.

Diesem Mangel wird durch einen eingebauten Energiespeicher begegnet, dessen Energie ständig auf den Schalthebel, beim Gegenstand der Erfindung auf den Magnetanker, übergehen kann. Die Öffnung des Schalters nach der Erfindung vollzieht sich also auf folgernde Weise:

Bei Eintritt des Grenzstromes wird der Magnetanker gegen die Pole des Überstrommagnets gezogen. Vordem rotierte unmittelbar unterhalb des Magnetankers die Schwungmasse 8 als Energiespeicher. Gegen diese wird jetzt der Magnetanker getrieben, mit ihr gekuppelt und mitgedreht, was zur Öffnung der Kontakte führt.

Die Drehung, also Ausweitung der Lichtbogenfußpunkte, geht mit praktisch unverminderter Winkelgeschwindigkeit weiter, bis dieser durch Anschlag an die Gegenhorne 19 Einhalt geboten wird. Eine nicht gezeichnete Abfangvorrichtung hält hier sowohl den Anker als auch die Schwungmasse gefangen, bis durch Handbetätigung oder automatisch das Wiedereinschaltkommando gegeben wird. Die Wiedereinschaltung erfolgt dann vermöge der Zugkraft der Federn 5 automatisch. Die Zugfedern 5 werden während des Öffnungsvorganges zunehmend gespannt, was wiederum der Abbremsung der Restenergie des Energiespeichers zugute kommt.

Bei der Kupplung des Magnetankers mit der Schwungmasse wird diese vom Motor abgetrennt, indem die Zugkraft des Auslösemagnets auf dem Wege über den Anker und die Schwungmasse die Feder 10 zusammendrückt. Die Koniuskupplung wird dadurch gelöst, und der Motor kann auch, wenn nach Anschlag des Ankers an die Hörner 6, 19 dieser und die Schwungmasse 8 zum Stehen kommen, weiterdrehen.

Damit der Magnetanker 3, der — wie oben erwähnt wurde—keine Drehachse besitzt, dennoch seine Drehbewegung um seine vertikale Seelenachse beschreibt, sind die Führungswinkel 15 vorgesehen. Die vertikalen Flanken dieser Winkel führen gegen die zentrisch gedrehten Außenseiten des Halses 16 des Auslösemagnets 1.

Das Kupplungselement 17 zwischen Magnetanker 3 und Schwungmasse 8 kann verschiedener Natur sein und ist deshalb im BMe nur andeutungsweise dargestellt. Als Mittel hierfür wenden genannt: Verzahnung mit stampfen Zähnen, Wellscheiben oder glatte Reibscheiben. Die Kupplungskraft ist gegeben durch die Zugkraft des Überstrommagnets mit der Druckkraft der Feder 10 als Gegenkraft.

Die Öffnungsstrecke der beiden Kontakte entspricht dem doppelten Öffnungswinkel zwischen den Hörnern 6 und 19 minus der doppelten Breite eines Kontaktes 4. Sie ist sehr groß, was zu einer sehr schnellen und weiten Austragung der Lichtbogenfußpunkte führt. Darüber hinaus werden die Lichtbogenfußpunkte noch über die Hörner 6 und 19 weitergetragen. Die Ausweitung des Lichtbogens erfolgt durch magnetische Blasung. Diesem Zwecke dienen die vier Blaskerne 20 und die Blasbleche 18. Die Erregung der Blaskerne 20 kann sowohl durch den Betriebsstrom, vorteilhafter jedoch durch Nebenschuß erfolgen, weil hierbei das Blasfeld betriebsmäßig aufgebaut ist und somit zu seinem Aufbau die magnetische Zeitkonstante entfällt, die sonst bei Hauptstromblasung in die Löschzeit des Lichtbogens eingeht.

Wie aus dem Gesamtaufbau hervorgeht, erfolgt hier die Bewegung der Kontakte in waagerechter Ebene, was dem Einbau solcher Schalter unter dem Wagenbaden zugute kommt. Andererseits wird der Platzbedarf für die Funkenlöschung hierbei besonders klein, was durch die Aufteilung in zwei hintereinandergeschaltete Öffnungen erreicht wird und durch die ebenfalls gekoppelte magnetische Blaskraft.

Eine Handabschalteinrichtung besitzt der Schalter nicht. Sie ist auch nicht erforderlich. Die Öffnung des Kreises bei Nullstrom oder Kleinstrom kann bequem durch einen Vorschalter erfolgen. Immerhin läßt sie sich durch Abregung des Auslösemagnets bzw. zusätzliche vorübergehende Anregung des Überstrommagnets erreichen.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Überstromschnellschalter mit einem für die Schnellöffnung der Kontakte 'betriebsmäßig rotierenden Energiespeicher, gekennzeichnet durch zwei als Halte- und Überstrommagnet ausgebildete U-förmige Magnete, die sich mit ihren Polflächen in geringem Abstand gegenüberstehen, zwischen denen ein. für beide Magnete gemeinsamer Anker gelagert ist, der im Ausgangszustand des Schalters am Haltemagnet haftet, während der Energiespeicher zwischen den Schenkeln des Überstrommagnets angeordnet ist.

2. Überstromschnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gleichzeitig als Kontaktbrücke dienende Anker bei Eintritt des Grenzstromes gegen den rotierenden Energiespeicher getrieben und von 'diesem mitgedreht wird.

3. Überstromschnellschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse des Energiespeichers vom Antrieb trennbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 947 812, 558 442,
462 735.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909 730/371· 2.60