DE3614866A1 - Kontaktanordnung fuer strombegrenzende niederspannungs-leistungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Strombegrenzende Niederspannungs-Leistungsschalter haben die Aufgabe, im Kurzschlußfall möglichst schnell eine hohe Licht­ bogenspannung zu erzeugen, um eine gute Strombegrenzung zu erreichen. Dadurch wird die dynamische Beanspruchung (gegeben durch das Stromquadrat I ²) und die thermische Belastung (ge­ geben durch ∫i²dt) des Kurzschlußstromkreises einschließlich des Leistungsschalters selbst klein gehalten. Nur so ist es möglich, solche Leistungsschalter klein und wirtschaftlich zu bauen.

Es ist bekannt, hohe Lichtbogenspannungen durch große Kon­ taktöffnungen herbeizuführen, weil die Länge des Lichtbogens einen wesentlichen Einfluß auf seine Spannung hat. So gibt es schwenkbare Kontaktarme mit Brückenkontakten, bei denen das Ziel einer großen Kontaktöffnung mit der technisch vor­ teilhaften, aber teuren Doppelunterbrechung verbunden wird wie sie beispielsweise in einem Prospekt der Firma Sace beschrieben sind. Weiterhin sind Festkontakte mit schwenk­ baren Kontaktarmen, vorzugsweise C-förmig ausgebildet,aus dem Prospekt der Firma Westinghouse bekannt, die das gleiche Ziel anstreben.

Besonders bei den schwenkbaren Kontaktarmen wird die Tat­ sache ausgenutzt, daß bei großen Kurzschlußströmen und hohen Stromsteilheiten (abhängig von Leistungsfaktor des Kurz­ schlußstromkreises und vom Zeitpunkt des Kurzschlusses) die Stromkräfte an der Kontaktstelle (Stromenge- und Schleifen­ kraft) innerhalb sehr kurzer Zeiten, u. U. in Bruchteilen von Millisekunden, die Kontaktschließkraft übersteigen und damit die Kontakte dynamisch öffnen, lange bevor ihre Öffnung durch magnetische Auslöser über das Schaltschloß bewirkt wird.

Die oben erwähnte Schleifenkraft kann durch relativ aufwen­ dige Magnetsysteme wie den Slot-Motor von Westinghouse, CGE u.a. verstärkt werden. Sie ändern aber nichts am grundsätz­ lichen Verlauf der Lichtbogenspannung, die am Anfang nur sehr langsam ansteigt. Das ist u.a. damit zu begründen, daß selbst bei hohen Stromsteilheiten die Kontaktöffnung nur re­ lativ langsam beginnt, weil die für die Lichtbogenspannung wesentliche Länge L des Lichtbogens erst nach zweimaliger Integration der Beschleunigung b bzw. der Winkelbeschleuni­ gung ε bei Drehbewegungen von Schwenkarmen erreicht wird:

b = c*i² v = ∫ b dt L = ∫ v dt ε = c*i² ω = ∫ ε dt α = ∫ ω dt

worin c ein Proportionalitätsfaktor ist, der u.a. durch ein Magnetsystem beeinflusst werden kann, Ω die Winkelgeschwin­ digkeit und α den Drehwinkel angeben.

Die Stromengekräfte, die im Augenblick der Kontakttrennung noch die Beschleunigung beeinflussen, werden durch solche Magnetsysteme nicht verstärkt. Gerade in diesem Zeitpunkt ist aber eine hohe Beschleunigung im Hinblick auf eine schnel­ le Kontaktöffnung wünschenswert.

Die relativ langsam beginnende Kontaktöffnung hat noch eine weitere Folge:

Unmittelbar nach der Kontakttrennung ist auch bei schwenk­ baren Kontakten noch kaum eine Drehbewegung festzustellen; die Kontaktflächen entfernen sich, scheinbar parallel zuein­ ander und geradlinig voneinander. Die aus den Lichtbogenfuß­ punkten austretenden Plasmastrahlen haben die Tendenz senk­ recht auf den Kontaktflächen zu stehen, aus denen sie aus­ treten. Die Spitzen der Plasmastrahlen, die auf der gegen­ überliegenden Kontaktfläche neue Lichtbogenfußpunkte erzeugen und damit eine Fußpunktbewegung einleiten könnten, treffen die Gegenkontaktfläche nur in einem relativ eng begrenzten Umkreis um den jeweils gegenüberliegenden Lichtbogenfußpunkt. Die Fußpunkte bewegen sich also auf nur sehr kleinem Raum; eine Bewegung in der gewünschten Richtung zur Ablaufkante oder zum Ablaufhorn hin ist bei kleinen Kontaktöffnungen nicht zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kontaktanordnung zu schaf­ fen, bei der die Kontaktöffnung am Beginn der Kontaktbewegung beschleunigt und der Winkel zwischen beiden Kontaktflächen möglichst schnell vergrößert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Kontaktanordnung nach der Erfindung weist als besonderen Vorteil einen schnelleren Anstieg der Lichtbogenspannung sowie eine bessere Strombegrenzung auf. Dadurch wird eine geringere Kurzschlußbeanspruchung der zu schützenden Anlagenteile und des Schalters selbst erzielt, was auch zu einem kleineren Schaltervolumen führt.

Dabei wird von folgender Überlegung ausgegangen: Der oben erwähnte Proportionalfaktor c beinhaltet den Reziprokwert der Masse m bzw. des Massenträgheitsmomentes R. Die Gleichun­ gen für die geradlinige und die Dreh-Beschleunigung stellen sich dann folgendermaßen dar:

b = 1/M* K*i² bzw. ε = 1/R* K*i²

wobei K ein neuer Proportionalitätsfaktor für die Strom­ quadrat-Kraft-Umrechnung ist. D. h.: Beschleunigung und Dreh­ beschleunigung (beide im weiteren als "Beschleunigung" bezeich­ net) verändern sich umgekehrt propotional zu den Massen bzw. zu den Massenträgheitsmomenten (beide im weiteren als "Masse" bezeichnet) der beweglichen Kontaktteile. Je kleiner diese Massen sind, desto größer ist die Beschleunigung bei gegebenen Stromkräften. Die im Augenblick der Kontakttrennung noch wirk­ samen Stromengekräfte können die kleineren Kontaktmassen stär­ ker beschleunigen und somit eine sehr schnelle Anfangsöffnung bewirken.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1a ... 1c eine Ausführungsform mit Schwenkhebel an den Enden eines beweglichen Kontakt­ armes und

Fig. 2a ... 2c eine Ausführung mit einer Wippe an den Enden des beweglichen Kontaktarmes bzw. eines c-förmigen Festkontaktes.

In allen Figuren wurden die Elemente zur Stromübertragung auf die die Kontakte tragenden Schwenkhebel bzw. Wippenteile, z.B. Strombolzen, Flexbänder u. ä., wegen der Übersichtlichkeit weggelassen.

Die dargestellten Federn sind Druckfedern, deren Funktion gegebenenfalls auch von entsprechend angeordneten Blattfedern oder Drehfedern ausgeführt werden kann.

Die in den Fig. 1a-1c mit Kontaktstücken 1, 2 versehenen Endabschnitte 3, 4 schwenkbarer Kontaktarme 5, wobei dies auch Kontaktarme von Brückenkontakten oder von c-förmigen Festkontakten 6 sein können, werden so dicht am Kontaktstück 1, 2 drehbar zum Kontaktarm 5, 6 angebracht, daß die Massen- Trägheitsmomente der Endabschnitte 3, 4 so klein wie möglich werden. Die Endabschnitte 3, 4 sind so in den Punkten 7, 8 gelagert, daß eine Drehbewegung nur in Öffnungsrichtung mög­ lich ist. Die Endabschnitte werden durch Federn 9, 10 in ihrer gestreckten Normallage gehalten, wobei die Federkräfte so abgestimmt sind, daß ihre Kraft gleich oder größer als die erforderliche Kontaktkraft ist.

Die Fig. 1a zeigt die Kontaktanordnungen im geschlossenen Nor­ malzustand.

Die Kraft der Druckfedern 9, 10 ist so groß, daß sie unter der Wirkung der auf den Kontaktarm 5 wirkenden Schlosskraft die Endabschnitte 3, 4 in gestreckter Lage hält. Die Feder 9 stützt sich an einem Lagerbock 11 am Kontaktarm 5 und einem Lagerbock 11 a am Endabschnitt 3 und die Feder 10 an dem End­ abschnitt 4 und einem festen Gegenlager 12 ab.

Überschreiten bei einem Kurzschlußstrom die Stromkräfte die Kontaktkraft, werden zunächst die kleineren Massenträgheits­ momente der Endabschnitte 3, 4 beschleunigt und in Öffnungs­ richtung bewegt. Wegen des kleinen Drehradius der Endabschnitte 3, 4 gegenüber dem größeren Radius des schwenkbaren Kontakt­ armes 5 bilden die Endabschnitte 3, 4 schnell einen relativ großen Winkel zueinander. Die senkrecht zu den Kontaktflächen austretenden Plasmastrahlen werden bei der frühzeitigen Drehung auf dem Gegenkontaktstück die Fußpunktbildung in Richtung der gewünschten Lichtbogenbewegung erleichtern und endlich in den Raum gerichtet, der zwischen den Endabschnit­ ten und einer nicht dargestellten Lichtbogenlöschkammer liegt. Die Plasmastrahlen enthalten fast keine neutralen Teilchen mehr, sondern hauptsächlich Elektronen und Ionen, also La­ dungsträger, die der Lichtbogensäule gleichsam den Weg aus dem Kontaktraum zur Lichtbogenlöschkammer vorbereiten.

In Fig. 1b ist dieses Verhalten bei einem Kurzschluß darge­ stellt, bei dem die Stromkräfte und besonders die Stromkräfte sn der Kontaktstelle die Federkräfte übersteigen. Noch lange bevor der vergleichsweise lange Kontaktarm 5 mit seinem gros­ sen Massenträgheitsmoment seine Bewegung in Öffnungsrichtung beginnt, können die kurzen Endabschnitte 3, 4 durch die Strom­ engekräfte geöffnet werden und den gewünschten großen Winkel zueinander bilden.

Gleichzeitig dazu erfolgt die Bewegung des gesamten Kontaktarmes 5 mit der durch die größeren Massen-Trägheitsmomente bedingten geringeren Geschwindigkeit bis zum vollen Öffnungswinkel in bekannter Weise als Folge der Stromkräfte (Schleifenkraft, Abstoßungskraft bei Parallelführung der Kontaktarme).

Gemäß Fig. 1c hat sich auch der Kontaktarm 5 deutlich nach oben bewegt aufgrund der abstossenden Stromkräfte in den an­ nähernd parallel geführten Strombahnen des Kontaktarmes 5 und des c-förmigen Festkontaktes 6.

Die Stromengekräfte an den Kontakten 1, 2 nehmen ab und die Endabschnitte 3, 4 können wieder in die gestreckte Lage zurück­ gehen infolge der Kräfte der Federn 9, 10.

Die weitere Bewegung kann wie bei Kontaktanordnungen mit starren Kontaktarmen und starren c-förmigen Festkontakten ablaufen.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß den Fig. 2a-2c sind die schwenkbaren Endabschnitte 13, 14 mit den Kontakt­ stücken 1, 2 als Wippe ausgebildet, deren Drehpunkte 15 die Enden des Kontaktarmes 5 und des c-förmigen Festkontaktes 6 bilden. Die den kontakttragenden Teilen 16, 17 gegenüber­ liegenden Teile 18, 19 der Endabschnitte 13, 14 sind mindestens bis zu den Drehpunkten 15 so gegeneinander isoliert, daß eine Lichtbogenbildung zwischen ihnen unmöglich gemacht wird, weil die Teile 18, 19 auch nach Beginn der Öffnungsbewegung noch relativ lange in Berührung oder in größerer Nähe zueinander bleiben. Federn 20, 21, die sich einerseits auf den Endab­ schnitten 13, 14 und andererseits sn einem Federlager 22 des beweglichen Kontaktarmes 5 bzw. an einem gehäusefesten Feder­ lager 23 abstützen, sind so abgestimmt, daß auch hier im ge­ schlossenen Normalzustand die Endabschnitte 13, 14 annähernd mit dem Kontaktarm 5 bzw. dem oberen Teil des c-förmigen Fest­ kontaktes 6 fluchten.

Übersteigen im Kurzschlußfall die Stromkräfte und besonders die Stromengekräfte den Kontaktdruck, spreizen sich die End­ abschnitte 13, 14, wie in Fig. 2b dargestellt, auf, wobei die Federkräfte die Öffnung der kontakttragenden Teile 16, 17 noch unterstützen. Bis zum Erreichen der größten Spreizlage der beiden Endabschnitte 13, 14 stützen sie sich an einem ballig ausgeführten Berührungspunkt 24 ab und tragen damit noch zur Verstärkung der Kraft auf den beweglichen Kontakt­ arm 5 bei.

Nach Erreichen der Endlagen zum beweglichen Kontaktarm 5 bzw. zum c-förmigen Festkontakt 6 endet die Berührung. Der Kontaktarm 5 bewegt sich weiter in Öffnungsrichtung und die Endabschnitte 13, 14 bleiben unter der Wirkung der Federkräfte in der aufgespreizten Stellung entsprechend 2c. Die bei Beginn des Ausschaltvorganges gewonnene Öffnung der Kontakte bleibt praktisch bis zur Wiedereinschaltung und damit bis zum Ende des Ausschaltvorganges erhalten.

Durch die beiden beschriebenen Anordnungen werden relativ kleine Massenträgheitsmomente besonders durch die Stromenge­ kräfte beschleunigt und bereits in der Anfangsphase der Kon­ taktöffnung ein relativ großer Winkel der Kontaktflächen gegeneinander hergestellt, der die Bewegung der Lichtbogen­ fußpunkte und die Ionisation des Raumes zwischen Kontakt­ stücken und Lichtbogenlöschkammern durch die Plasmastrahlen begünstigt.

Es kann gegebenenfalls erforderlich sein, daß die in den Fi­ guren 1 a, 1 b und 1 c dargestellten, dem Drehpunkt 7 bzw. 8 nahen Teile der schwenkbaren Endabschnitte 3, 4 und der Kon­ taktarme 5, 6 bzw. die in den Fig. 2a, 2b und 2c dargestell­ ten, den kontakttragenden Teilen gegenüberliegenden Teile der Kontaktwippen 13, 14 und die dem Drehpunkt 15 nahen Teile der Kontaktarme 5, 6 isoliert sind. Diese Teile sind auch nach der Öffnung der Endabschnitte bzw. der Aufspreizung der Kontakt­ wippen noch einige Zeit in geringem Abstand zueinander (Fig. 1a und 2c) bzw. sogar in Berührung (15, 19 in Fig. 2b). Die Iso­ lation soll die Entstehung eines Lichtbogens an diesen Stellen und in Fig. 2b die Stromführung über die balligen Auflagen 18, 19 verhindern.

Claims (8)

1. Kontaktanordnung für strombegrenzende Niederspannungs- Leistungsschalter mit einem beweglichen Kontaktstück, welches mit einem feststehenden Kontaktstück zusammenwirkt, bei der eine große Beschleunigung der Kontaktstücke am Beginn der Kontaktöffnung einen schnellen Anstieg der Lichtbogenspan­ nung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kontakt­ stücke (1, 2) tragenden Endabschnitte (3, 4, 13, 14) der Kon­ taktarme (5, 6) schwenkbar und federbelastet an den Kontakt­ armen gelagert sind.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte (3, 4, 13, 14) der Kontaktarme (5, 6) gegen eine Federkraft (9, 10, 20, 21) in Öffnungsrichtung der Kontakte (1, 2) schwenkbar sind.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft (9) zwischen senkrecht auf dem beweglichen Kontaktarm (5) und dem zugehörigen Endabschnitt (3) angebrach­ ten Ansätzen (11, 11 a) parallel zum Kontaktarm (5) wirkt.

4. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Endabschnitt (4) am feststehenden Kontaktarm (6) belastende Feder (10) am Ende der Schwenkbewegung annähernd senkrecht auf den Endabschnitt (4) wirkt.

5. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 mit einem als Kontakt­ wippe ausgebildeten Endabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktwippe (13, 14) mittig an den Kontaktarmen (5, 6) gelagert ist, am äußeren Ende (16, 17) die Kontaktstücke (1, 2) trägt und am inneren Ende (18, 19) eine federbelastete Spreiz­ lagerung (24) aufweist.

6. Kontaktanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizlagerung (24) durch isolierende ballige Auflagen an den Endabschnitten (13, 14) gebildet wird.

7. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dem Drehpunkt (7, 8) nahen Teile der schwenkbaren Endabschnitte (3, 4) und der Kontaktarme (5, 6) isoliert ausgebildet sind.

8. Kontaktanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den kontakttragenden Teilen gegenüberliegenden Teile der Kontaktwippen (13, 14) und die dem Drehpunkt (15) nahen Teile der Kontaktarme (5, 6) isoliert ausgeführt sind.