DE1169014B - Strombegrenzender Niederspannungs-Leistungsselbstschalter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 02 d

Deutsche Kl.: 21c-68/01

Nummer: 1169 014

Aktenzeichen: L 40831 VIIIb /21c

Anmeldetag: 21. Dezember 1961

Auslegetag: 30. April 1964

Für strombegrenzende Ausschaltungen von stromstarken Kurzschlüssen in Drehstromnetzen von Niederspannungsanlagen sind Leistungsschalter bekanntgeworden, die mit Hilfe einer in jedem der drei Pole liegenden Leiterschleife die Schaltstücke gegen eine bestehende Federkraft elektrodynamisch öffnen. Die Öffnung wird zumeist während der ersten Halbwelle (Stoßkurzschlußstrom) eines Kurzschlußstromes angestrebt, um das Auflaufen des vollen Stoßkurzstromes zu verhindern.

Leistungsschalter, deren Schaltstücke in jeder Polbahn beispielsweise mit Hilfe antiparalleler Leiter in Abhängigkeit vom Kurzschlußstrom öffnen, können nur dann strombegrenzend arbeiten, wenn ihre Kontaktstücke in weniger als 5 ms getrennt werden. Je nach Art des auftretenden Kurzschlußstromes — voll symmetrisch oder voll asymmetrisch — wird hierbei eine mehr oder weniger starke Strombegrenzung erzielt.

Strombegrenzende Niederspannungs - Leistungs-Selbstschalter, die nach dem beschriebenen Prinzip arbeiten, öffnen ihre Schaltstücke nach etwa 3 ms; die Gesamtausschaltzeit beträgt 8 bis 10 ms.

Für sehr leistungsstarke Anlagen, bei denen der Effektivwert des Kurzschlußstromes bis 100 kA betragen kann, ist mit bekannten strombegrenzenden Leistungsschaltern eine Strombegrenzung in der ersten Halbwelle nur noch schwer erzielbar. Berücksichtigt man, daß bei einem voll asymmetrischen Kurzschluß für einen Leistungsfaktor cos Φ = 0,3 der Scheitelwert des Stoßkurzschlußstromes bereits 200 kA beträgt und die Stromflanke der ersten Halbwelle eine Stromanstiegsgeschwindigkeit von mehr als 35 kA/ms besitzt, so wird deutlich, daß nach einer Kontaktöffnungszeit von 3 ms der Strom bereits auf mehr als 100 kA aufgelaufen ist. Rechnet man unter Zugrundelegung von Erfahrungswerten bis zur endgültigen Begrenzung für den Durchlaßstrom im Lichtbogen noch weitere 50% hinzu, so beträgt schließlich der Durchlaßstrom 15OkA. Setzt man Ό = 500 V voraus, so ist während der Ausschaltung in einer Phase

Strombegrenzender Niederspannungs-Leistungsselbstschalter

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,

Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt:

Heinz Fehling, Einfeld,

Dipl.-Ing. Ortwin Küster, Kelkheim (Taunus)

Uph

500

= 290 V,

das sind im Schaltaugenblick etwa 43,5 MVA.

Diese hohe Leistung müßte in der Lichtbogenlöschkammer zumindest in einer Polbahn umgesetzt werden. Der Aufwand für eine derartige Lichtbogenlöschkammer wäre zu groß und unwirtschaftlich, die Dimensionierung für einen Niederspannungs-Leistungsschalter vermutlich untragbar. Außerdem wäre bei einem Durchlaßstrom von mehr als 100 kA, der von einem strombegrenzenden Leistungsschalter erwartete Schutz der gestörten Anlagenteile gegen Einwirkung elektrodynamischer Kräfte nicht mehr gegeben.

Außer den angegebenen Nachteilen wird bei strombegrenzenden Leistungsschaltern der herkömmlichen Bauart von einer zumeist schon bei 7 bis 10 · /„ liegenden Kurzschlußstromhöhe ab die dynamische Festigkeit des Kontaktsystems überschritten. Entweder wird in diesem Bereich bereits die Auslösung des Schalters mittels eines auf alle drei Polbahnen wirkenden und in jeder einzelnen Polbahn eingebauten magnetischen Auslösers eingeleitet oder mit Hilfe der Stromschleife durch Lösen einer mechanischen Verriegelung bewirkt.

Unterhalb dieses und im wesentlichen von den Bauelementen (Kontaktkraftfeder, Stromschleife, Schaltstücke u. dgl.) des Schalters abhängigen Bereiches ist mit einem kritischen Gebiet zu rechnen, in dem die Schaltstücke weder elektrodynamisch noch magnetisch öffnen, aber bereits ihre elektrodynamische Festigkeit durch teilweises Aufheben der Kontaktkraft (Schleifenwirkung) verlieren. Dieses kritische Gebiet kann beispielsweise Anlaß zur Verschweißung der Schaltstücke geben.

Für viele Schutzaufgaben in Niederspannungsanlagen ist es unerläßlich, Leistungsselbstschalter in den Abzweigen hinter dem einspeisenden Transformator selektiv zu staffeln. Eine Staffelbarkeit nur mit strombegrenzenden Leistungsschaltern der herkömmlichen Bauart zu erzielen, ist technisch kaum denkbar, da ein ausreichender Auslöse-Zeitunterschied zwischen zwei in einem Leitungszug liegenden Begrenzern nicht vorhanden ist. Es ist bisher notwendig gewesen, beispielsweise den Transformatorschalter als staffelbaren Leistungsschalter teilweise mit

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noch zusätzlichen Verzögerungsgliedern zu versehen. Um den wirtschaftlichen Nachteil zweier Schalterbaureihen zu vermeiden, sind Leistungsselbstschalter vorgeschlagen worden, die mit Hilfe auswechselbarer (mechanischer) Koppelglieder oder mit Hilfe auswechselbarer Leiterstücke in den Polbahnen sowohl für strombegrenzende als auch für staffelbare Aufgaben herangezogen werden können. In beiden Fällen ist der Eingriff innerhalb der Polbahnen uner-

stromauslöser eingeleiteter Schloßentriegelung kann der Schalter eine für staffelbare Aufgaben geeignete Verzögerungszeit von mehreren 100 ms erhalten.

Die elektrodynamische Festigkeit des Kontaktsystems ist im Ausführungsbeispiel durch die als enge Stromschleife ausgebildete Lamellenkontaktanordnung gewährleistet, die sich in der Praxis bewährt hat. Der im unteren Teil der Strombahn zu-

mit dem beweglichen Kontakthebel fest verbundenen Mitnehmerstiftes das Kontaktsystem in geschlossener Stellung.

Das im unteren Teil der Strombahn befindliche 5 Auslöseaggregat besteht einerseits aus dem bekannten, für Überstrom- und Kurzschlußausschaltung benötigten magnetisch arbeitenden Schnellauslöser, der gemäß dem Stand der Technik zumeist als kompletter Baustein ausgebildet ist und sowohl mecha-

läßlich, wenn die eine oder andere Art der Schalter- io nisch wirkende Glieder für Kurzzeitverzögerungen funktion gewünscht wird. als auch thermisch wirkende Glieder (Bimetallaus-

Durch die Erfindung werden die den Einsatz der löser) für Langzeitverzögerungen enthalten kann, bekannten strombegrenzenden Leistungsschalter be- Durch ihn wird im Störungsfall (Kurzschluß durch schränkenden Nachteile beseitigt, und außerdem Überstrom) die Entriegelung des Schaltschlosses 17 kann gemäß der Erfindung ein solches Gerät ohne 15 bewirkt. Bei Einschalten von Verzögerungsgliedern Umbauten sowohl für strombegrenzende als auch für oder nur mittelbarer, beispielsweise über Arbeitsstaffelbare Aufgaben herangezogen werden.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß
der von den Auslöseeinheiten und der Schaltermechanik beeinflußte, bewegliche Teil eines Kontakt- 20
systems hoher dynamischer Festigkeit, dessen im
festen Kontaktteil untergebrachte Kontaktkraftfedern
durch die dynamische Wirkung des Stromes unterstützt werden, derart verrastet ist, daß im Zustand
der Verrastung die Stromkräfte eine Kontaktkraft- 25 sätzlich angeordnete und hauptstromdurchflossene verstärkung, nach der Freigabe aber eine Kontakt- elektrodynamische Schnellauslöser besteht aus der

Spule 7 und dem Kurzschlußring 7'. Der Kurzschlußring ist mit Hilfe eines Augenbolzens 18 an den Schwenkhebel 19 gekoppelt, der seinerseits im Dreh-30 punkt 20 gelagert ist.

Eine Verriegelungsklinke 21 kann zur Sperrung oder Freigabe des Schwenkhebels 19 herangezogen werden, je nachdem, ob die Stellung II oder I der Verriegelungsklinke gewählt wird.
35 Die Funktion des oben beschriebenen Selbstschalters ist im Kurzschlußfall folgende:

J. Stellung I der Verriegelungsklinke 21

Der über die Polbahn fließende Kurzschlußstrom

über weitere vorhandene Auslöser und die Schalt- 40 bewirkt eine enge magnetische Kopplung zwischen

schloßmechanik erfolgt. der Hauptstromspule 7 und dem Kurzschlußring T.

Wird z. B. der elektrodynamische Auslöser mecha- Die Kraftkomponenten beider magnetischen Felder

nisch verriegelt (gesperrt), so arbeitet der erfindungs- stoßen einander ab und erteilen dem Kurzschlußring

gemäße Leistungsselbstschalter ohne Strombegren- eine hohe Beschleunigung. Geschwindigkeit und zung in stafielbarer Ausführung. Ein und dasselbe 45 Kraftimpuls, die dem Ring vermittelt werden, sind

Gerät ist also in der Lage, ohne Auswechselung elek- abhängig von der Steilheit der Stromflanke in der

irischer oder mechanischer Teile wahlweise strom- ersten Halbwelle, der Kurzschlußstromhöhe und der

begrenzende oder selektive Staffelungsaufgaben zu Windungszahl der Hauptstromspule. Befindet sich

übernehmen. der Schwenkarm in nicht verriegeltem Zustand, so

In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Erfin- 50 schnellt der Kurzschlußring in Pfeilrichtung bis zur

dungsgegenstandes gezeigt. Begrenzung 22. Auf diesem Wege wurden bereits

Bei geschlossenem Schalter fließt der Betriebs- über den als Hebelbalken wirkenden Schwenkarm 19 strom über das feste Anschlußstück 1 zu den in mit Hilfe des Koppelgliedes 11 und 12 die Klinke 13 Schleifenform angeordneten und federnd gelagerten gehoben und die beweglichen Kontakthebel freige-Lamellenkontakten 2 und 3, wird vom beweglichen 55 geben. Gleichzeitig trifft der Auslösehebel 11 auf das Kontakthebel 4 mit Abreißstück 5 übernommen und Schlagstück 23, womit eine beschleunigte Öffnungsüber einen Strombolzen 9 zum Auslöseaggregat mit bewegung des beweglichen Schalthebels erzielt wird, den Hauptstromspulen 6 und 7 und dem unteren Die Kombination »Entriegelung und Schlagimpuls festen Anschlußstück 8 geführt. Der bewegliche unmittelbar auf den Kontakt« ist für die Kurzzeitig-Schalthebel 4 ist schwenkbar auf dem Strombolzen 9 60 keit der Kontaktöffnung besonders wichtig. Die in gelagert, der außerdem auf seinen beiden, mit ab- der angegebenen Kombination erzielten Verzugsriebfesten Buchsen versehenen Lagerzapfen die zeiten liegen bereits bei einem Stromwert von 20 kA Schaltarme 10 und 10' trägt. unter 3 ms bei voll asymmetrischem Kurzschlußver-

Um den Drehpunkt 9 ist ebenfalls der Auslöse- lauf. Bei voll symmetrischem Kurzschlußverlauf hebel 11 gelagert, der mit der Zugstange 12 und einer 65 kann wegen der steilen Stromflanke am Kurzschlußauf dem Schaltarm 10, 10' schwenkbar angeordneten beginn die Kontaktöffnungszeit in der beschriebenen Klinke 13 gekoppelt ist. Die Klinke 13 hält am Anordnung um eine weitere Millisekunde herabge-Klinkenpunkt 14 durch knappe Überdeckung eines setzt werden. In dieser Ausführung ist eine strom-

öffnung bewirken und daß die Verrastung durch einen mit jedem einzelnen Pol in Reihe geschalteten, sehr schnell arbeitenden, vorzugsweise elektrodynamischen Auslöser aufgehoben wird.

Es wird also die elektrodynamische Wirkung des Stromes sowohl zur Kontaktkraftverstärkung als auch zur Kontaktöffnung ausgenutzt, die Kontaktöffnung kann aber erst dann erfolgen, wenn der elektrodynamische Auslöser das zuläßt.

Weiterhin kann durch Sperrung der elektrodynamischen Auslösung, beispielsweise durch ein Stellglied, bewirkt werden, daß dieser Auslöser nicht wirksam ist und daß die Kontaktöffnung dann erst

begrenzende Ausschaltung bei hohen Kurzschlüssen gesichert.

Um Rückprellungen des mit hoher Beschleunigung öffnenden beweglichen Schaltarmes 4 zu vermeiden, trifft der Begrenzungsteller 24' der Haltestange 24 auf einen vorzugsweise aus nichtelastischem Material bestehenden Begrenzungsring 25. Der bewegliche Schaltarm wird damit gleichzeitig in seiner Öffnungsstellung gehalten, so daß bei nachfallendem Schloß eine Wiedereinschaltbarkeit aller drei Polbahnen ge- κ> währleistet ist.

2. Stellung II der Verriegelungsklinke 21

Wird durch die Klinke 21 die Bewegungsmöglichkeit des Schwenkarmes 19 aufgehoben, so unterbleibt die Öffnung der Verklinkungsstelle 14 bis zur Auslösung über die Schloßverriegelung mit Hilfe des magnetischen Auslösers 16.

In dieser Stellung ist also der Leistungsschalter wieder für selektive Staffelungsaufgaben einsetzbar, zumal das kurzschlußfeste Kontaktsystem die Übernahme von Stoßkurzschlußströmen ohne Folgeerscheinungen gestattet.

In F i g. 2 ist die Arbeitsweise des erfindungsgemäß angegebenen Leistungsschalters für Nieder-Spannungsanlagen am Kurzschlußstromverlauf in einer Phase dargestellt. Strombegrenzende Auslösung I bei nichtverriegeltem Schwenkarm und Normalauslösung für staffelbare Aufgaben II bei verriegeltem Schwenkarm.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Strombegrenzender Niederspannungs-Leistungsselbstschalter, bei dem das Kontaktsystem trachtet, sich unter der dynamischen Wirkung des über es fließenden Stromes zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Auslöseeinheiten und der Schaltermechanik beeinflußte, bewegliche Teil eines Kontaktsystems hoher dynamischer Festigkeit, dessen im festen Kontaktteil untergebrachte Kontaktkraftfedern durch die dynamische Wirkung des Stromes unterstützt werden, derart verrastet ist, daß im Zustand der Verrastung die Stromkräfte eine Kontaktkraftverstärkung, nach der Freigabe aber eine Kontaktöffnung bewirken und daß die Verrastung durch einen mit jedem einzelnen Pol in Reihe geschalteten, sehr schnell arbeitenden, vorzugsweise elektrodynamischen Auslöser aufgehoben wird.

2. Strombegrenzender Selbstschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr schnell arbeitende Auslöser außer zur Lösung der Verrastung eines Pols des Kontaktsystems auch noch zum Aufschlagen des Kontaktsystems dient.

3. Strombegrenzender Selbstschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem elektrodynamischen Auslöser noch weitere, z. B. elektromagnetische, bimetallische Auslöser vorgesehen sind, die die Kontaktöffnung über ein Schaltschloß bewirken.

4. Strombegrenzender Selbstschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein den elektrodynamischen Auslöser wahlweise unwirksam oder wirksam machendes Stellglied vorgesehen ist, so daß ohne Umbau oder Auswechselung von elektrisch oder mechanisch aktiven Teilen das Gerät für strombegrenzende Schaltung oder selektive Staffelung eingesetzt werden kann.

5. Strombegrenzender Selbstschalter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein den elektrodynamischen Auslöser wahlweise sperrendes oder freigebendes Stellglied vorgesehen ist.

6. Strombegrenzender Selbstschalter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kontaktsystem aus einer Kombination zweier antiparalleler Leiter besteht, die bei Freigabe durch den Auslöser im Sinne einer elektrodynamischen Kontaktöffnung arbeiten.

7. Strombegrenzender Selbstschalter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodynamisch arbeitende Auslöser in bekannter Weise aus einer oder mehreren hauptstromdurchflossenen Windungen und einem von diesen getrennten Kurzschlußring besteht.

8. Strombegrenzender Selbstschalter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung und Öffnungsbegrenzung des beweglichen Schaltarmes nach der Entklinkung eine mit diesem direkt verbundene, durch den festen Polbahnträger geführte, vorzugsweise aus Isoliermaterial bestehende Schaltstange verwendet wird, die mit ihrem Begrenzungsteller auf ein Gegenlager stößt, das aus nichtelastischem Metall oder Kunststoff bestehen kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 082 971,
073 600;

deutsche Patentanmeldung E 283 VIIIb/21c (bekanntgemacht am 30. 8. 1951);

schweizerische Patentschrift Nr. 294 486;

französische Patentschrift Nr. 1187 184;

Revue generate de l'Electricite, Mai 1958, S. 259 bis 276;

Bull, de la Societe Francaise d'Electricien, 1958, S. 447 bis 458.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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