DE1640262A1

DE1640262A1 - Stromunterbrecher

Info

Publication number: DE1640262A1
Application number: DE1967G0051510
Authority: DE
Inventors: Heft Eldon Bertel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-11-07
Filing date: 1967-11-02
Publication date: 1970-05-27
Also published as: US3483343A; ES346499A1; DE1640262B2; JPS4313566B1; BR6793852D0; GB1196796A

Description

Dipl.-Ing. Lothar Mj

Patentar

Franjtftfrt/Main 1
Wach 3011

Dr. Hörst Schüler

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main 1

Taunusstr. 20 Postfach 3011

Dr. Erharf t

PatentapWalt 6 F

ostfcch 3011

75O-41D-32

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y.,USA Stromunterbrecher

Die Erfindung bezieht sich auf Stromunterbrecher mit Möglichkeiten zur prompten"Schaffung eines Lichtbogens und zum Auseinanderziehen dieses Lichtbogens mit so hoher Geschwindigkeit, daß eine echte Strombegrenzung eintritt.

Der Begriff "mit Strombegrenzung arbeitender Stromunterbrecher" bezieht sich auf einen elektrischen Stromunterbrecher, der die

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Fähigkeit besitzt, einen ansteigenden elektrischen Strom zu .unterbrechen, so daß der Strom nicht den Viert erreicht, den er erreicht hätte, wenn der Stromunterbrecher in den Schaltkreis geblieben wäre, aber im geschlossenen Zustand; dieser letztere Strom ist als "maximaler Kurzschlußstrom'' bekannt. Mit anderen Worten, der maximale tatsächliche Strom oder "Spitzendurchlaß-Strom" ist während einer öffnung des Stromunterbrechers geringer als der maximale KuTZschlußstrom. Bei einem echten, mit Strombegrenzung arbeitenden Stromunterbrecher wird außerdem eine Lichtbogenspannung erzeugt, die wesentlich größer als die Netzspannung ist und ihr dadurch entgegensteht, den Lichtbogen unterhält und den Strom schnell gegen Null reduziert.

Eine wichtige Anforderung an einen echten,mit Strombegrenzung arbeitenden Stromunterbrecher ist, daß der Lichtbogen sehr kurze Zeit nach Auftreten des Kurzschlusses erzeugt wird. Daher muß der bewegbare Kontakt innerhalb sehr kurz«? Zeit bewegt und sehr stark beschleunigt werden. Der Lichtbogen muß nicht nur in außerordentlich kurzer Zeit nach Hingang des Unterbrechungssignals erzeugt werden, sondern er muß auch sofort erheblich auseinandergezogen werden, so daß der Netzspannung eine beträchtliche Lichtbogenspannung entgegensteht. Daher muß der bewegbare Kontakt nicht nur innerhalb außerordentlich kurzer Zeit nach Auftreten des Kurzschlusses bewegt werden, sondern er muß außerdem mit sehr

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hoher Geschwindigkeit von seiner normalerweise geschlossenen Stellung hinweggetrieben werden, um den ursprünglich gebildeten Lichtbogen auseinanderzuziehen.

Bei bekannten Stromunterbrechern wurden beispielsweise Magnetspulen verwendet, um bewegbare Kontakte zu öffnen; ferner wurden magnetische Vorrichtunpen in Form von Blasspulen verwendet, um Lichtbogen zu begünstigen und sie auseinanderzuziehen.

Solche Blasspulen mit ihren Eisenkernteilen und solche Magnetspulen tragen erheblich zu der Größe und den Kosten von Stromunterbrechern bei.

Ziel der Erfindung ist die Schaffunp eines mit Strombegrenzung arbeitenden Stromunterbrechers mit Vorrichtunpen, die direkt auf das bewegbare Kontaktstück einwirken, so daß es bei Eintreten bestimmter Stromverhältnisse in die öffnunpsrichtung bewegt wird.

Die Erfindung beinhaltet einen elektrischen Stromunterbrecher mit zwei feststehenden Kontakten, die durch ein bewegbares Kontaktstück miteinander verbünde» und überbrückt sind. Das bewegbare Kontaktstück weist ein im allgemeinen U-förmiges, starres Bauteil mit Kontaktflachen an den Enden der Schenkel des U auf.

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Außerdem werden Stronzuleitunnen und - ab Ie i tun gen an die feststehenden Kontakte derart herangeführt, so daß sie praktisch parallel zu dem Steg des U-förmigen Bauteils verlaufen. Diese Leitungen sind innerhalb des Raumes angeordnet, der einerseits vom Steg des bewegbaren KontaktStückes und andererseits von einer Linie zvrischen den feststehenden Kontakten begrenzt wird. Nach der erfindungsgeräßen Ausbildung verlaufen die Stromwege durch die Stromzuleitungen praktisch parallel zueinander und in der gleichen Richtung. Zwischen den feststehenden Kontakten und durch den Steg des U-förmipen Kontaktstückes fließt der Strom in der entgegengesetzten Richtung. Aufgrund dieser Ausbildung ist die Wechselwirkung der Magnetfelder zwischen den Zuleitungen und dem Strom in der bewegbaren Kontaktbrücke so geartet, daß die Kontaktbrücke aus der Schließstellung herausgedrückt wird.

Wenn die zwei kurzen Lichtbogen zwischen den feststehenden Kontakten und den bewegbaren Kontakten zusammenfallen und einen einzigen Lichtbogen bilden, der direkt zwischen den feststehenden Kontakten brennt^ wirkt das Magnetfeld.der Zuleitungen derart,auf das Magnetfeld des Lichtbogens ein_t daß der Lichtbogen von seiner ursprünglichen Stellung hinweggetrieben wird. Dadurch wird die Lichtbogenspannung höher.

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Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung jnit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Fig. 1 ist eine zum Teil schematische Seitenansicht eines Stromunterbrechers nach der Erfindung.

. 2 ist eine Seitenansicht und zeigt einen Teil des Stromunterbrechers nach Fi«, 1, worin die Zuleitungen zum Teil weggelassen sind, so daß das Innere der Lichtbogenkammer sichtbar wird; der bewegbare Kontakt ist in teilweise geöffneter Stellung gezeigt.

Fig. 3 ähnelt der Ansicht nach Fig. 2 und:.zeigt den bewegbaren Kontakt in völlig geöffneter Stellung.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der feststehenden Kontakte mit ihren Lichtbogenhörnern,der Stromzuleitungen und des bewegbaren Kontaktstückes, wobei deren Ausbildung und allgemeine Anordnung der Erfindung entspricht. ^

Fig. 5·ist eine schematische Darstellung und zeigt den Zusammenhang zwischen dein Stromfluß in den Stromzuleitungen und dem bewegbaren Kontaktstück und die zugehörigen Magnetfelder zu dem Zeitpunkt, wenn sich die Teile in der Stellung nach Fig. 1 und befinden.

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und Fig. 6 ist eine schematische Darstellung zeigt den Zusammen-

• hang zwischen dem Strorafluß in den Stromzuleitunrcen und dem Lichtbogen und die zugehörigen Magnetfelder zu dem Zeitpunkt, wenn siehjdie Teile in der Stelluno; nach Fi». 3 befinden.

Fig. 7 ist eine fragmentarische Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels und

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung, die Teile des Stromweges durch den erfindun^sgemäßen Stromunterbrecher während des Unterbrechunjrsvorganges zei«*t.

Fig. 1 zeigt, wie die Erfindung auf einem elektrischen Schalter einschließlich eines im allgemeinen kastenförmigen Isoliergehäuses mit einer Grundplatte 10 und einer Abdeckplatte 11 angewendet wird. An einem Ende der isolierenden Grundplatte ist eine Netzklemme 12 und am anderen Ende eine Verbraucherklemme 13 vorgesehen. Innerhalb der Grundplatte 10 sind zwei beabstandete, ebene, feststehende Kontakte 14 und 15 auf Winkel 16,17 bzw. Lichtbogenhörnern 18 und 19 befestigt. Die Lichtbogenhörner 18 und 19 sind in einem Lichtbogenlöschkammer-gehäuse 20 mit einem Deckel 21 befestigt. Die inneren Seitenwände des Gehäuses 20 bestehen insbesondere im Gebiet der feststehenden Kontakte 14 und 15 vorzugsweise aus einem Acetalharz, z.B. Polyoxymethylen. Ein

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solcher Kunststoff auf AcetaJ-basis ist z.B. unter dem Handelsnamen "Celeon" erhaltlich und wird von der Celanese Plastic Company, Newark, N.J., USA vertrieben. Das Gehäuse 20 hat gegenüber den Lichtbo^enhörnern 18 und 19 einen im allgemeinen glokkenförmigen Teil 2OA. Die feststehenden Kontakte 14 und 15 werden durch verlängerte Leiter 23,24 an die Verbraucher- und Netzklemmen 13 und 12 angeschlossen. Diese Leiter werden wiederum mit den Kontaktfahnen 25 bzw 26 verbunden. Der Leiter 26 verbindet den Leiter 24 mit der Netzklemme 12, während die Leiter 25 und 28 den Leiter 23 mit der Verbraucherklemme 13 verbinden.

Wenn der Schalter geschlossen ist, werden die feststehenden Kontakte 14 und 15 durch ein« im allgemeinen ü-förmiges, bewegbares Kontaktstück 30 miteinander verbunden; das Kontaktstück 30 weist einen U-förmifren Körper mit einem Steg 31· und parallelen Schenkeln 32. 33 auf; jeder Schenkel trägt am Ende einen winkelig angeordneten_} bewegbaren Kontakt 34. bzw. 35. Das bewegbare Kontaktstück 30 bewegt sich in dem glockenförmigen Teil 20A des Gehäuses 20 zwischen der geöffneten und der geschlossenen Schaltstellung.

Der Stromweg durch den in Fig. 1 gezeigten Stromunterbrecher in der geschlossenen Stellung verläuft daher wie folgt: von der Netzklemme 12 durch den Leiter 26 in den Leiter 24, zum Ansatz des Lichtbogenhorn 19A, zu dem feststehenden Kontakt 15,

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zu dem bewegbaren Kontakt 35, zu der U-förmigen bewegbaren Kontaktstück 30 zu dem bewegbaren Kontakt 34, zu dem feststehenden Kontakt 14 . zu dem Ansatz des Lichtbogenhorn 18A, zu dem Leiter 23 . zu dem Leiter 25 und von dort durch den Leiter 28 zu der Verbraucherklemme 13.

Nach Fig. 1 kann das bewegbare Kontaktstück 30 auch von Hand bewegt werden. Für diesen Fall ist eine vereinfachte Betätigungsvorrichtung gezeigt die ein Betätigungsglied 42, das durch den Stift 43 auf der Isolierplatte 10 schwenkbar gelagert ist, aufweist. Das Betätigun.psglied 42 hat einen länglichen Schlitz 44j mit einem Stift 45, der zur Obertragung der Bewegung auf eine Betätigungsstange 40 dient. Die Stange 40 wird durch die öffnung in dem Gehäuse 2OA und durch ein Lager 38 geführt und bewept sich geradlinig.

Das Betätigunsglied 42 wird durch eine Spannfeder 50 zwischen zwei Stellungen bewegt \ die der geöffneten und der geschlossenen Stellung des bewegbaren Kontaktstückes entsprechen; das eine Ende der Feder 50 ist mit den Stift 45 und das andere mit einem Handgriff 52 verbundenj der in einer bogenförmigen Spur 53 im Gehäuse bewegt wird. Das Betätigungsglied kann auch durch andere geeignete Mittel bewegt werden.

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Wenn sich der Handgriff 52 in der "BΠΓ'-Steilung befindet, wie in Fig. 1 in durchgezogenen Linien gezeigt, wirkt die Spannfeder 50 auf den Stift 42A des Betätigungsgliedes und bewegt es im Uhrzeigersinn um seinen Drehpunkt 43. Dadurch wird das bewegbare Kontaktstück 30 über die Stange 40 nach

links in die geschlossene Stellung geschoben. Wenn der Handin

griff 52 der "AUS'-Stellung steht> wie in Fig. 1 in gestrichelten Linien gezeigt> wirkt die Spannfeder 50 über den Drehzapfen 43 auf das Betätigungsglied 42 ein und lenkt es entgegen dem Uhrzeiger-Sinn ab. Dadurch wird die Stange 40 und das bewegbare Kontaktstück nach rechts geschoben. Die Stange 40 wird durch das Lager 38 und die öffnung 2OA des Gehäuses der Lichtbogenlöschkammer geführt.

Fig. 2 zeigt, daß der Strom in dem Steg 31 des bewegbaren Kontaktstückes 30 in entgegengesetzter Richtung zu dem Strom in den Leitern 23 und 24 fließt» wenn sich das bewegbare Kontaktstück 30 in der geschlossenen Stellung befindet und stromführend ist. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Nach Fig. 5 wird der Steg 31 des bewegbaren Kontaktstückes 30 durch die Wirkung der Magnetfelder des Stromes in den Leitern 23 und 24 abgestoßen. Bei Auftreten eines Kurz·' Schlusses wird diese Wirkung so groß, daß die Spannung der Feder 50, welche die Kontakte in der geschlossenen Stellung hält, überwunden wird. Nun wird das bewegbare Kontaktstück außer-

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ordentlich schnell in die öffnungrichtung geschoben. Daraus ergibt sich die strombegrenzende Wirkung. Dieses öffnen des Kontaktstuckes erfolgt sogar, wenn der Handgriff in der "EXN"-Stellung steht. So wird das untere Ende der Feder 50, wie gezeigt, nach rechts bewegt, und der Griff wird im Uhrzeigersinn verschoben.

Eine weitere wichtige Aufgabe der Leiter 23 und 24 besteht darin, die Umwandlung von zwei kurzen Lichtbögen "55,56 in einen einzigen langen Lichtbogen 57 zu unterstützen, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt. Diese Umwandlung erfolgt aufgrund der abstoßenden Wirkung zwischen den Magnetfeldern der Leiter 23^24^ die stets in einer Richtung verlaufen» und den Magnetfeldern der Lichtbögen SS^ 56 die in der entgegengesetzten Richtung verlaufen. So werden die Lichtbögen 55, 56 durch die Wirkung der Mangetf eider nach links verschoben, wie in den Abbildungen gezeigt. Diese abstoßende Wirkung der Magnetfelder sowie der Einfluß der Gase die in der geschlossenen Kammer, in der sich die bewegba- en Kontakte befinden^ erzeugt werden, und die ionenaussendende Wirkung beider Lichtbögen führen dazu, daß die beiden kurzen Lichtbögen in sehr kurzer Zeit in einen einsigen längeren Lichtbogen umgewandelt werden. Die Auswertung von Oszillogrammen tatsächlich erfolgter Unterbrechungen zeigt, daß die Zeitspanne zwischen dem Zünden der beiden kurzen Licht-

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bögen und ihrer Umwandlung in einen einzigen längeren Lichtbogen nur etwa 0 000350 s bei Unterbrechung eines Kurzschluß-Stromes in einem Schaltkreis mit 100000 α vorhandenem Kurzschlußstrom beträgt.

Fig. 3 zeigt die Bauteile in der Stellung, die sie einnehmen, wenn der bewegbare Kortakt ganz geöffnet ist. Nun haben die beiden ursprünglichen Lichtbogen 55 und 56 einen einzigen Bogen 57 direkt zwischen den Lichtbogenhömem 18 und 19 gebildet. Der Strom in den Leitern 23 und 24 fließt jetzt in entgegengesetzter Richtung zu dem Strom in dem Lichtbogen 57. Dieser Zustand ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Die Magnetfelder der Ströme in den Leitern 23 und 24 stoßen jetzt den Lichtbogen 57 ab, der entlang den Lichtbogenhörnern wandert und eine sehr schnelle strowbegrenzende Unterbrechung gewährleistet.

Die Leiter 23 und 24 sind so ausgebildet, daß ihre Magnetfelder die folgenden Funktionen haben_;

1) das prompte mechanische öffnen der Kontakte herbeizuführen ( und das bewegbare Kontaktstück in uffnunrrsrichtung zu bebewegen.

2) die beiden ursprünglichen kurzen Lichtbogen in eine Richtung zu treiben so daß sie einen einzigen Lichtbogen bilden und

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3) den auseinandergezogenen Lichtbogen entgegen der Kontaktöffnungsrichtung entlang den Lichtbogenhörnern zu treiben.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform verbindet das bewegbare Kontaktstück 30' die beiden feststehenden Kontakte 14* und IS¹ praktisch direkt. Wenn sich das bewegbare Kontaktstück in der geschlossenen Stellung befindet, führt die Wirkung des Stromes in den Leitern 23* und 24' dazu» daß es in die "SCHLIESS"-Richtung bewegt wird. Bei dieser Ausführungform kann eine separate Vorrichtung, z.B. ein Magnet benutzt werden, um die Kontakte bei Auftreten eines Kurzschlusses zu öffnen. Eine derartige Anordnung ist bereits vorgeschlagen worden. Der Einfluß der Magnetfelder der Leiter 23, 24 ist jedoch auch in diesem Falle wünschenswert, da er dazu beiträgt, ausreichenden Kontaktdruck sicherzustellen, bis der tatsächliche Öffnungsvorgang stattfindet. Die Magnetfelder gewährleisten also den gewünschten "Schnapp-Öffnunpsvorgang".

Der allgemeine Zusammenhang zwischen den Leitern 23 und 24 und den Kontakten 14 und 15 ist in Fig. 8 dargestellt. Die Leiter 23 und 24 verlaufen parallel zueinander und bilden mit den Kontakten 14 und 15 eine Anordnung in Form eines dreieckigen Prismas. Außerdem ist jeweils ein Ende der Leiter 23 und 24 mit einem Ende der Kontakte 14 und 15 verbunden und der Lei-

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ter erstreckt sieh vrag von jenem Kontakt in Richtung auf den anderen Kontakt.

Obwohl nur eine vereinfachte Betätigungsvorrichtung und die einpolige Ausführung beschrieben worden sind, kann das bewegbare Kontaktstück natürlich auch über kompliziertere Betätigungsvorrichtungen, die einen höheren Kontaktdruck erzeugen, zwischen der geöffneten und der geschlossenen Stellung hin- und herbewegt werden. Die Benutzung komplizierterer Vorrichtungen und mehrpoliger Ausführungsformen liegt im Bereich der vorliegenden Erfindung. Ebenso kann das U-fÖrmige bewegbare Kontaktstück 30 gegebenenfalls mit einem auf die Kontaktstange 40 wirkenden, separeten Magneten benutzt werden.

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Claims

.Ansprüche

1. Stromunterbrecher mit einem Gehäuse, in dem in einem gewissen Abstand voneinander zwei feststehende Kontaktsttteke und ein bewegbares Kontaktstück gehaltert sind, das zwischen der offenen und der geschlossenen Schaltstellung hin- und herbewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses (10) zwei länglich ausgebildete elektrische Leiter (23,24) angeordnet sind, die in einem gewissen Abstand parallel und in dichtem Abstand parallel zuzfcürzesten Verbindungslinie zwischen den feststehenden Kontakten verlaufen, so daß diese Abstandslinie und die beiden elektrischen Leiter Kanten eines dreieckigen Prismas bilden (Flg. 8), daß die beiden elektrischen Leiter jeweils an einem feststehenden Kontaktstück angeschlossen sind und auf das jeweils andere Kontaktstücke hinragen, so daß in der Schließstellung des Unterbrechers ein Stromweg gebildet 1st, In dem die durch die beiden elektrischen Leiter fliessenden Ströme etwa antiparallel gerichtet sind und ein Hagnetfeld erzeugen, daß ein Lichtbogen, der beim öffnen des Unterbrechers zwischen den festebehenden Kontaktstücken gebildet ist, von den beiden elektrischen Leitern weg gedrückt 1st.

2. Stromunterbrecher nach Anspruch 1* dadurch gekennzeichnet, daß mit den beiden feststehenden

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Kontakfcstüeken (14,15) zwei auseinanderlaufende Lichtbogenhörner (19,18) elektrisch verbunden sind, die in derjenigen Richtung verlaufen, in der der Lichtbogen von den magnetischen Feldern des Stroms in den beiden Leitern weggedrückt ist.

3. Stromunterbrecher nach Anspruch 2, dadurch g e kennzelchnet , daß die beiden In einem bestimmten Abstand voneinander angeordneten feststehenden Kontakte (14,15) In einer Kammer (20) angeordnet sind, die an einer Seite einen glockenförmigen Teil (20A) aufweist, in dem das bewegbare Kontaktstück hin- und herbewegbar ist, und daß die Wände dieser Kammer, die neben der kürzesten Abstandslinie zwischen den feststehenden Kontakten liegen, einen Acetalkunststoff enthalten.

4. Stromunterbrecher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das bewegbare Kontaktstück (30) zwei Kontaktflächen (3*»35) und einen starren Kontaktkörper (31,33) aufweist, an dem die beiden Kontaktflächen starr zueinander befestigt sind, und daß der Kontaktkörper einen geradlinigen Teil (31) aufweist, der parallel zur kürzesten Verbindungslinie und parallel zu den beiden länglich ausgebildeten elektrischen Leitern angeordnet 1st.

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5· Stromunterbrecher nach Anspruch U₃ dadurch gekennzeichnet , daß das bewegbare Kontaktstück (30) als starrer elektrisch leitender U-förmig ausgebildeter Bauteil ausgebildet ist, an dessen Süßeren Enden die beiden Kontaktflächen angeordnet ..sind.

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