DE3302884C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen
Leistungsschalter, mit einem feststehenden Kontaktträger
mit festem Kontaktstück und einem beweglichen
Kontaktträger mit beweglichem Kontaktstück, welches dem
feststehenden Kontaktstück gegenübersteht und zusammen mit
diesem das Öffnen und Schließen eines Stromkreises
bewirkt, mit einem im Bereich des festen und des
beweglichen Kontaktträgers angeordnetem
Entionisierungsgitter zum Löschen des beim Abheben des
beweglichen Kontaktstücks vom festen Kontaktstück
auftretenden Lichtbogens, sowie mit einem nahe dem festen
Kontaktträger angeordneten und mit diesem mechanisch und
elektrisch verbundenen Lichtbogenführungsstück zur
Übernahme des Lichtbogens, welches im wesentlichen
L-förmigen Querschnitt besitzt, und das einen ersten, zum
Entionisierungsgitter hinweisenden Abschnitt und einen
zweiten, rechtwinklig angesetzten, ungefähr in der Ebene
des festen Kontaktstücks und parallel zu diesem
angeordneten zweiten Abschnitt mit einer das feste
Kontaktstück aufnehmenden Ausnehmung aufweist, so daß das
Lichtbogenführungsstück zumindest von zwei Seiten nahe an
das feste Kontaktstück heranreicht, von diesem jedoch
durch einen Luftspalt elektrisch isoliert ist.
Derartige Leistungsschalter werden dazu verwendet, die
Zufuhr von elektrischer Energie zu- bzw. abzuschalten.
Wegen der hohen, über die beiden Kontakte fließenden
Ströme ist es von besonderer Wichtigkeit, den bei der
Trennung der Kontakte entstehenden Lichtbogen schnell zu
löschen, um stabile Abschalteigenschaften zu erhalten.
Ein elektrischer Leistungsschalter der in Rede stehenden
Art ist bereits aus der DE-OS 28 03 249 bekannt. Dieser
vorbekannte Leistungsschalter weist einen freien ersten
Schenkel und einen dazu parallel verlaufenden zweiten
Schenkel auf, welcher wiederum rechtwinklig an einen
senkrecht stehenden Schenkel angesetzt ist. Der senkrechte
Schenkel weist in seinem unteren Teil eine Öffnung auf,
durch die ein Ansatz am freien Schenkel hindurchtritt. Die
Öffnung befindet sich auf einem derartigen Niveau, daß der
Ansatz hindurchtreten kann, ohne jedoch aufgrund des
vorgesehenen Spieles mit ihr in Kontakt zu treten. Der
freie Schenkel ist mit dem senkrechten Schenkel also nicht
direkt über den Ansatz elektrisch verbunden, sondern
lediglich über die beiden Stege und den zum freien ersten
Schenkel parallelen zweiten Schenkel. Nach Abheben des
beweglichen Kontaktstücks wird ein Lichtbogen zwischen
diesem und der Oberfläche des oberen der beiden parallelen
Schenkel des Löschgliedes gezogen. Mit wachsender
Entfernung des beweglichen Kontaktteils vom Löschglied
wandert der löschgliedseitige Fußpunkt des Lichtbogens
über dessen senkrecht angeordneten Schenkel in Richtung
der Löschfläche. Dabei bedingt der gezogene Lichtbogen
einen Strom, der ausgehend vom Lichtbogenfußpunkt entlang
des senkrecht stehenden Schenkels nach unten zum Gehäuse
hin abfließt. Der Strom nimmt zwangsläufig diesen Weg des
geringsten Widerstands, da zwischen dem senkrecht
stehenden Schenkel und dem dazu rechtwinklig und zum
beweglichen Kontaktstück parallelen freien Schenkel des
Löschglieds keine direkte leitende Verbindung besteht.
Auch wenn ein Teil des abfließenden Stromes nicht direkt
nach unten zum Gehäuse hin abfließt, sondern durch den
unteren, parallel zum ersten freien Schenkel des
Löschglieds verlaufenden zweiten Schenkel, ist der dann
stromführende Schenkel des Löschglieds so weit vom
Lichtbogen entfernt, daß das durch den Strom
hervorgerufene magnetische Feld keinen nennenswerten
Einfluß auf den zwischen dem Ende des beweglichen
Kontaktstücks und dem senkrecht stehenden Schenkel des
Löschglieds haben kann. Dieses aus dem Stand der Technik
bekannte Löschglied unterstützt daher die Wanderung des
Lichtbogens auf die Löschfläche nur in unzureichender
Weise.
Aus der DE-OS 14 15 944 ist ferner ein Kontaktträger mit
einem festen Kontaktstück bekannt, welcher L-förmig
ausgebildet ist und gleichzeitig als
Lichtbogenführungsstück dient.
Angesichts dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, einen elektrischen
Leistungsschalter so zu verbessern, daß der zu löschende
Lichtbogen schnell und sicher in Richtung auf das
Entionisierungsgitter getrieben wird.
Bei der Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einem
elektrischen Leistungsschalter der eingangs erwähnten Art;
gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß der in der Ebene des
festen Kontaktteils liegende zweite Abschnitt des
Lichtbogenführungsstückes an dessen zu dem
Entionisierungsgitter hinweisenden ersten Abschnitt
einstückig angeformt ist, so daß dann, wenn sich der
Lichtbogenfußpunkt auf dem ersten Abschnitt befindet, der
Strom des zu löschenden Lichtbogens von diesem ersten
Abschnitt zum vorderen, mit dem feststehenden
Kontaktträger elektrisch leitend verbundenen Ende des
Lichtbogenführungsstücks abgeleitet wird.
Der erfindungsgemäße elektrische Leistungsschalter besitzt
also ein Löschglied, dessen beiden rechtwinklig zueinander
angeordneten Abschnitte einstückig miteinander verbunden
sind, was eine elektrisch hervorragend leitende Verbindung
der beiden Abschnitte ergibt. Hierdurch fließt der
Lichtbogenstrom, ausgehend vom Lichtbogenfußpunkt auf dem
ersten Abschnitt, durch den oberen Abschnitt des
Lichtbogenführungsstücks antiparallel und in nächster Nähe
zum gezogenen Lichtbogen. Das durch diesen fließenden
Strom erzeugte magnetische Feld ist deshalb dem Lichtbogen
so nahe, daß dieser infolge der senkrecht einwirkenden
Kraft in Richtung der Löschbleche schnell und sicher nach
oben getrieben wird. Hierdurch wird der Lichtbogen
wesentlich schneller gelöscht; der Leistungsschalter
zeichnet sich durch hervorragende Abschaltleistungen aus.
Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen des
elektrischen Leistungsschalters gemäß der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1A-1F das Entstehen und die Wanderung eines
gezogenen Lichtbogens innerhalb eines
Leistungsschalters;
Fig. 2A, 2B Lichtbogenführungsstück und Kontaktträger
einer ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Leistungsschalters, in einer
Draufsicht bzw. einem Vertikalschnitt entlang
der Linie B-B′;
Fig. 3 Lichtbogenführungsstück und Kontaktträger
einer zweiten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Leistungsschalters, in einem
Vertikalschnitt,
Fig. 4 Lichtbogenführungsstück und Kontaktträger
einer weiteren Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Leistungsschalters,
ebenfalls in einem Vertikalschnitt;
Fig. 5A, 5B das Lichtbogenführungsstück gemäß Fig. 4, in
einer Draufsicht bzw. einem Vertikalschnitt
entlang der Linie C-C′ in Fig. 5A;
Fig. 6A, 6B eine weitere Ausführungsform des feststehenden
Kontaktteils des erfindungsgemäßen
Leistungsschalters, in einer Draufsicht bzw.
einem Vertikalschnitt entlang der Linie D-D′
in Fig. 6A;
Fig. 7A, 7B das Lichtbogenführungsstück gemäß den Fig. 5A
und 5B, in einer Draufsicht, bzw. einem
Vertikalschnitt entlang der Linie E-E′ in
Fig. 7A; und
Fig. 8A, 8B das Lichtbogenführungsstück einer weiteren
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Leistungsschalters, in einer perspektivischen
Ansicht bzw. in einem Schnittbild entlang der
Linien G-G′ oder H-H′ in Fig. 8A.
In den Fig. 1A bis 1F ist die Entstehung bzw. das Wandern
des Lichtbogens innerhalb eines elektrischen
Leistungsschalters dargestellt. Dabei zeigt Fig. 1A die
beiden Kontaktstücke 11 a und 13 a in geschlossener
Stellung. Beim Abheben des beweglichen Kontaktstücks 11 a
vom feststehenden Kontaktstück 13 a (vgl. Fig. 1B) wird
zwischen diesen ein Lichtbogen 23 gezogen. Bei zunehmendem
Abstand der beiden Kontaktstücke 11 a und 13 a voneinander
wächst dieser Lichtbogen 23. Seine beiden Enden werden
rasch auf eine Kommutatorelektrode 22 und ein
Lichtbogenführungsstück 13 b übergeben ( Fig. 1C). Dabei
wird der Lichtbogen 23 von dem durch die Kontaktträger 11
und 13 fließenden elektrischen Strom getrieben. Auf den
Lichtbogen 23 wirkt dabei ein infolge des fließenden
elektrischen Stromes hervorgerufenes, starkes Magnetfeld.
Dieses Magnetfeld hat eine Kraft zur Folge, die den
Lichtbogen 23 vom Kontaktstück 11 a auf eine Elektrode 22
hinüberschiebt, wobei die Form der Kommutatorelektrode
diesen Übergang begünstigt. Da das Lichtbogenführungsstück
13 b aus magnetischem Material hergestellt ist, wird der
Lichtbogen 23 zu diesem hingezogen, wobei der Endpunkt des
Lichtbogens 23 vom festen Kontaktstück 13 a schnell auf das
Lichtbogenführungsstück 13 b übergeben wird. In Fig. 1D ist
der Lichtbogen 23 bereits weiter vorwärtsgetrieben und
aufgeweitet. Er nimmt anschließend die in Fig. 1E gezeigte
Position ein. Schließlich wird der Lichtbogen 23 im
Deionisierungsgitter 21 gelöscht, wie in Fig. 1F gezeigt,
wodurch der Abschaltvorgang beendet ist.
Die Fig. 2A, 2B, 3 und 4 zeigen verschiedene
Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere
das Lichtbogenführungsstück 13 b, des
elektrischen Leistungsschalters.
Nach Fig. 2A und 2B weist das vordere Ende eines
Lichtbogenführungsstücks 13 b einen Ausschnitt 13 j auf und
ist mit seinem unteren Ende bei B am untersten Abschnitt
des U-Bogens des feststehenden Kontaktträgers 13 hart
angelötet. Bei dieser Konstruktion fließt Strom durch das
Lichtbogenführungsstück 13 b in der durch den Pfeil in
Fig. 2A angedeuteten Richtung, wodurch der Lichtbogen 23 zum
Deionisierungsgitter 21 hin getrieben wird. Damit werden
stabile Abschalteigenschaften erzielt.
Gemäß Fig. 3 ist bei einem zweiten Beispiel der vordere
Endabschnitt des Lichtbogenführungsstückes 13 b, das in der
Längsschnittdarstellung U-förmig ist, auf der Unterseite
des ebenfalls U-förmigen feststehenden Kontaktträgers 13
im Bereich C hart verlötet.
Eine weitere Ausführungsform zeigt die Fig. 4. Bei dieser
ist am Vorderende auf der Oberseite des feststehenden
Kontaktträgers 13 das vordere Ende eines
Lichtbogenführungsstücks 13 b im Bereich D hart angelötet.
Statt des Hartlötens sind auch andere Verbindungstechniken
brauchbar, wie Verschrauben.
Die Ausführungsformen wurden bisher in Verbindung mit einem
Leistungsschalter beschrieben, der für die Steuerung des
Schaltvorgangs einen Magneten verwendet, doch sind sie auch
bei anderen Leistungsschaltern, wie Schaltern mit
Preßstoffgehäusen, einsetzbar. Diese Art von
elektromagnetischen Schaltvorrichtungen bietet einen
stabilen Abschaltvorgang, weist jedoch folgendes Problem
auf: Es sei angenommen, daß der eine Endpunkt eines
Lichtbogens sich am Punkt P auf dem
Lichtbogenführungsstück 13 b eines elektromagnetischen
Schalters mit einem Aufbau gemäß Fig. 5A befindet. In
diesem Fall verläuft der Lichtbogen vertikal zur
Zeichenebene, ausgehend vom Punkt P, während das andere
Bogenende sich an der Kommutatorelektrode 22 befindet. Wie
durch Pfeile in Fig. 5A dargestellt, sind die von dem
Lichtbogenführungsstück 13 b in den Bogen fließenden Ströme
so, daß sie von den Punkten A und B auf dem Führungsstück
13 b zum Punkt P hin verlaufen. Der Strom zwischen den
Punkten A und P sei mit i 1, der zwischen den Punkten B
und P mit i 2 bezeichnet. Da der Abstand zwischen den
Punkten A und P kleiner als der Abstand zwischen den
Punkten B und P ist, ist i 1<i 2. F 1 und F 2
bezeichnen die durch die Ströme i 1 und i 2
hervorgerufenen Kräfte, die den Lichtbogen treiben,
während F die Resultierende aus den Kräften F 1 und F 2
ist. Da nun i 1<i 2 ist, ist auch F 1<F 2. Der
Lichtbogen wird durch die resultierende Kraft F getrieben,
die in je eine in Fig. 5A nach rechts und nach oben
gerichtete Kraftkomponente zerlegbar ist. Die nach oben
gerichtete Kraftkomponente treibt den Bogen zum Rand 13 c
des Lichtbogenführungsstücks 13 b, so daß es sich dann
entlang dieses Randes 13 c bewegt. Nahe diesem Rand 13 c
verläuft eine Wand der Bogenlöschkammer 19, die nun durch
die vom Lichtbogen an dieser Stelle ausgehende Hitze
beschädigt werden kann. Nach mehreren Abschaltvorgängen
besteht deshalb die Möglichkeit, daß in die
Lichtbogenkammer ein Loch eingebrannt wird, bei dem dann
zwischen benachbarten Phasen keine Isolation mehr besteht
und ein Phasenkurzschluß eintreten kann.
Bei weiteren Ausführungsformen der feststehenden
Kontaktträger mit ihren Lichtbogenführungsstücken sind
derartige Fehlerscheinungen vermieden. Zu diesem Zweck
verjüngt sich das Lichtbogenführungsstück 13 b des
Ausführungsbeispiels nach den Fig. 6A und 6B mit
zunehmender Entfernung von seinem Befestigungspunkt am
feststehenden Kontaktstück. Es sei wieder angenommen, daß
sich der eine Endpunkt des Lichtbogens im Punkt P
befindet, und der Bogen von dieser Stelle sich senkrecht
zur Zeichenebene erhebt, so daß er mit seinem anderen Ende
zur Kommutatorelektrode 22 gelangt. Der Verlauf der Ströme
im Lichtbogenführungsstück von den Punkten A und B zum
Punkt P hin ist wiederum durch Pfeile angedeutet, die die
Ströme i 1 bzw. i 2 kennzeichnen. Da der Abstand
zwischen den Punkten A und P kürzer als zwischen den
Punkten B und P ist, gilt i 1<i 2. Dadurch ist auch
F 1 (die durch i 1 hervorgerufene Kraft) größer als F 2
(die durch i 2 hervorgerufene Kraft). Obgleich der durch
die resultierende Kraft F beeinflußte Lichtbogen in
Fig. 6A nach rechts und nach oben und damit an den Rand 13 c des
Lichtbogenführungsstücks 13 b getrieben wird, wird die
Bogenlöschkammerwand weniger erhitzt, da sich der Bogen
beim Weiterlaufen von der Wand der Bogenlöschkammer 19
entfernt.
Weiter ist es möglich, daß folgende weitere Schwierigkeit
auftritt. Es soll dazu auf die Fig. 7A und 7B Bezug
genommen werden. Beim Abschalten des Laststroms entsteht
ein Lichtbogen, der mit seinem einen Ende auf dem
feststehenden Kontaktstück 13 a endet. Durch das
Magnetfeld, das der durch den Kontaktträger 13 und den
bewegbaren Kontaktträger 11 fließende Strom erzeugt, wird
das Bogenende weggetrieben und dabei auf das
Lichtbogenführungsstück 13 b übertragen. Das Bogenende
läuft dann über die Flächen 13 d und 13 e des
Lichtbogenführungsstückes 13 b und wird dann abgetrennt.
Dadurch wird durch die Bogenwärme das Bogenführungsstück
einseitig erhitzt, während die Unterseiten 13 f und 13 g
nicht aufgeheizt werden. Das führt zum Verbiegen des
Bogenführungsstücks in der durch die Pfeile B und C
angedeuteten Richtung. Nach mehreren Wechselspielen,
während denen die Verbiegungen akkumulieren, kommt das
Lichtbogenführungsstück 13 b mit dem Gitter 21 in
Berührung, was einen Fehler in der Vorrichtung bedeutet.
Um diesen Mangel zu beseitigen, kann ein
Lichtbogenführungsstück gemäß Fig. 8A und 8B verwendet
werden. In gleicher Weise, wie oben beschrieben, läuft das
Lichtbogenende über die Oberflächen 13 d und 13 e des
Lichtbogenführungsstückes, das an den Schnittstellen G-G′
bzw. H-H′ in Fig. 8A eine Querschnittsgestaltung
entsprechend Fig. 8B hat. Danach zeigen die Oberflächen
13 d und 13 e ausgeprägte Rippen. Wenn diese Oberflächen des
Lichtbogenführungsstückes durch die Lichtbogenhitze
erwärmt werden, sorgt die durch die ausgeprägten Rippen
13 h erzielte Versteifung des Lichtbogenführungsstückes 13 b
dafür, daß es sich nicht verbiegt. Das
Lichtbogenführungsstück 13 b kommt folglich nicht mit dem
Gitter in Berührung, so daß Fehler ausgeschlossen sind.
Weiter wird durch die ausgeprägten Rippen 13 h bewirkt, daß
der Lichtbogen auf diesen und nicht an den Außenrändern
13 j des Lichtbogenführungsstücks entlang läuft, so daß
auch die Möglichkeit zu thermischen Beschädigungen der
Bogenlöschkammerwand 19 vermindert ist.
Die ausgeprägten Rippen 13 h können auch einen U-förmigen
Querschnitt oder andere Formen haben, wenn damit nur die
oben erwähnten Vorteile erreicht werden. Anstelle der mit
dem Lichtbogenführungsstück 13 b einstückig durch Prägen
hervorgerufenen Rippen 13 h können auch Rippen oder
Vorsprünge in Form separater Teile aus demselben Material
wie das Lichtbogenführungsstück angebracht sein, womit
dieselben Vorteile erzielbar sind.
Claims (7)
1. Elektrischer Leistungsschalter, mit einem
feststehenden Kontaktträger mit festem Kontaktstück
und einem beweglichen Kontaktträger mit beweglichem
Kontaktstück, welches dem feststehenden Kontaktstück
gegenübersteht und zusammen mit diesem das Öffnen und
Schließen eines Stromkreises bewirkt, mit einem im
Bereich des festen und des beweglichen Kontaktträgers
angeordnetem Entionisierungsgitter zum Löschen des
beim Abheben des beweglichen Kontaktstücks vom festen
Kontaktstück auftretenden Lichtbogens, sowie mit
einem nahe dem festen Kontaktträger angeordneten und
mit diesem mechanisch und elektrisch verbundenen
Lichtbogenführungsstück zur Übernahme des
Lichtbogens, welches im wesentlichen L-förmigen
Querschnitt besitzt, und das einen ersten, zum
Entionisierungsgitter hinweisenden Abschnitt und
einen zweiten, rechtwinklig angesetzten, ungefähr in
der Ebene des festen Kontaktstücks und parallel zu
diesem angeordneten zweiten Abschnitt mit einer das
feste Kontaktstück aufnehmenden Ausnehmung aufweist,
so daß das Lichtbogenführungsstück zumindest von zwei
Seiten nahe an das feste Kontaktstück heranreicht,
von diesem jedoch durch ein elektrisch isolierendes
Medium körperlich getrennt ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß der in der Ebene des festen
Kontaktteils liegende
zweite Abschnitt des Lichtbogenführungsstückes (13 b)
an dessen zu dem Entionisierungsgitter (21)
hinweisenden ersten Abschnitt einstückig angeformt
ist, so daß dann, wenn sich der Lichtbogenfußpunkt
auf dem ersten Abschnitt befindet, der Strom des zu
löschenden Lichtbogens von diesem ersten Abschnitt
zum vorderen, mit dem feststehenden Kontaktträger
(13) elektrisch leitend verbundenen Ende des
Lichtbogenführungsstücks (13 b) abgeleitet wird.
2. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende
Kontaktträger (13) im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt besitzt, wobei dessen einer, das feste
Kontaktstück (13 a) tragende U-Schenkel parallel zu
dem zweiten Abschnitt des Lichtbogenführungsstücks
(13 b), jedoch elektrisch von diesem isoliert,
verläuft, und daß dessen anderer U-Schenkel mit dem
vorderen Ende des Lichtbogenführungsstücks (13 b)
elektrisch leitend verbunden ist.
3. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der parallel zum
Kontaktträger (13) verlaufende Abschnitt des
Lichtbogenführungsstückes (13 b) im Abstand zu dem das
feste Kontaktstück (13 a) tragenden U-Schenkel des
Kontaktträgers (13) angeordnet ist.
4. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende
Kontaktträger (13) im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt besitzt und daß das
Lichtbogenführungsstück (13 b) einen rechtwinklig nach
unten an den zweiten, zum Kontaktträger (13) parallel
verlaufenden Abschnitt angesetzten Zusatzabschnitt
aufweist, dessen Ende mit dem die beiden U-Schenkel
des Kontaktträgers (13) verbindenden Steg elektrisch
leitend verbunden ist.
5. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die das feststehende
Kontaktstück (13 a) aufnehmende Ausnehmung (13 j) im
Lichtbogenführungsstück (13 b) bis in den Bereich der
elektrischen leitenden Befestigung zwischen dem
Lichtbogenführungsstück (13 b) und dem Kontaktträger
(13) erstreckt.
6. Elektrischer Leistungsschalter nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich
das Lichtbogenführungsstück (13 b) in Richtung seines
zum Entionisierungsgitter (21) hinweisenden
Abschnitts verjüngt.
7. Elektrischer Leistungsschalter nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberfläche (13 d, 13 e) des Lichtbogenführungsstücks
(13 b) mit wenigstens einer ausgeprägten Rippe (13 h)
versehen ist.
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