DE3750514T2 - Schaltvorrichtung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät für eine elektrische Schaltung und insbesondere ein selbstlöschendes Schaltgerät, das einen Magneten zum Erzeugen eines Wechselmagnetflusses gegen einen elektrischen Lichtbogen hat, um den Lichtbogen bei Trennung der Kontakte zu treiben.
• Fig. 1 ist eine teilweise Vertikalschnittansicht des getrennten Zustand eines herkömmlichen Schaltgeräts, das in der offengelegten JP-Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 59-77742 beschrieben ist, und Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1.
• In den Figuren bezeichnet 1 eine erste Anschlußplatte, 2 ist ein ortsfester Kontakt, der einer von einem Paar von Kontakten ist, die an der ersten Anschlußplatte 1 angebracht sind, 3 ist ein beweglicher Kontakt, der der andere Kontakt ist, um mit dem ortsfesten Kontakt 2 in Eingriff zu gelangen und sich von diesem zu trennen, 4 ist ein Kollektor, der mit dem beweglichen Kontakt 3 in Gleitkontakt ist, 5 ist eine zweite Anschlußplatte, die an dem Kollektor 4 angebracht ist, 6 ist ein ortsfester äußerer Zylinder, der an einem Ende an der ersten Anschlußplatte 1 befestigt ist und am anderen Ende eine Öffnung hat, und 7 ist eine Isolierdüse, die an der Öffnung des ortsfesten äußeren Zylinders 6 befestigt ist und aus einem Isoliermaterial besteht, wobei in der Isolierdüse ein Durchgangsloch 7a so gebildet ist, daß der bewegliche Kontakt 3 eingeführt wird und daran entlang gleitend bewegbar ist.
• 8 bezeichnet einen ringförmigen Magneten, der in der Isolierdüse 7 angeordnet ist, 9 ist eine Speicherkammer, die von dem ortsfesten äußeren Zylinder 6 gebildet ist, um ein elektrisch isolierendes Lichtbogenlöschgas zu speichern, 9a ist eine Speicherkammeröffnung, durch die das isolierende Lichtbogenlöschgas in die und aus der Speicherkammer strömt, 10 ist ein elektrischer Lichtbogen, der dann erzeugt wird, wenn sich der bewegliche Kontakt 3 von dem ortsfesten Kontakt 2 trennt, 11 ist ein Zylinder, der an einem Ende an der Außenfläche des ortsfesten äußeren Zylinders 6 angebracht ist, 12 ist ein Kolben, der an dem beweglichen Kontakt 3 angebracht und mit der Innenfläche des Zylinders 11 in Gleitkontakt ist, und 13 ist eine Unterdruckkammer, die zwischen dem Kolben 12 und der Bodenfläche des ortsfesten äußeren Zylinders 6 definiert und gebildet wird, wenn sich der bewegliche Kontakt 3 in die Richtung eines Pfeils A bewegt.
• Nachstehend wird der Betrieb beschrieben.
• Wenn bei diesem Schaltgerät in seinem geschlossenen Zustand, in dem der Strom von der ersten Anschlußplatte 1 zu dem ortsfesten Kontakt 2 und von dem beweglichen Kontakt 3 zu der zweiten Anschlußplatte 5 durch den Kollektor 4 fließt, der bewegliche Kontakt 3 von einem Betätigungsmechanismus (nicht gezeigt) in die Richtung des Pfeils A getrieben wird, trennt sich der bewegliche Kontakt 3 von dem ortsfesten Kontakt 2, und ein elektrischer Lichtbogen wird zwischen den beiden Kontakten erzeugt.
• Andererseits liefert der ringförmige Magnet 8 eine Antriebskraft, die dem Produkt der Intensität des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds und dem Wert der Lichtbogenstromstärke proportional ist, gegen den Lichtbogen 10. Der Lichtbogen 10 wird durch diese Antriebskraft gedreht und durch die Fliehkraft in die Speicherkammer 9 hinein verlängert.
• Wenn die Stromphase des Lichtbogens, der bei der Unterbrechung erzeugt wird, in dem Bereich der Stromspitze ist, strömt das umgebende isolierende Lichtbogenlöschgas, das von dem Lichtbogen 10 erhitzt wird, durch die Speicherkammeröffnung 9a in die Speicherkammer 9 und wird darin gespeichert, so daß die Temperatur und der Druck des isolierenden Lichtbogenlöschgases in der Speicherkammer 9 erhöht werden.
• Wenn weiterhin die Stromphase im Bereich eines Stroms Null ist, ist der Druck des Lichtbogens 10 niedrig, und das isolierende Lichtbogenlöschgas wird umgekehrt aus der Speicherkammer 9 auf den Lichtbogen 10 geblasen, was zum Löschen des Lichtbogens führt.
• Wenn der Effektivwert des Lichtbogenstroms klein ist, ist der Druckanstieg in der Speicherkammer 9 nicht ausreichend, so daß der Druck des isolierenden Lichtbogenlöschgases in der Druckkammer 9 niedrig und die Lichtbogenlöschfähigkeit infolgedessen ungenügend ist.
• Um dem zu begegnen, ist bei der herkömmlichen Vorrichtung eine Unterdruckkammer 13 vorgesehen, in der der Druck bei dem Unterbrechungsbetrieb des beweglichen Kontakts 3 sinkt, so daß ein erzwungener Gasstrom von der Speicherkammer 9 durch den Lichtbogen 10 und die Isolierdüse 7 zu der Unterdruckkammer 13 erzeugt wird, und ein Magnetfeld wird an den Lichtbogen 10 angelegt, um ihn zu drehen, so daß eine relative Strömungsbewegung zwischen dem isolierenden Lichtbogenlöschgas und dem Lichtbogen erzeugt und somit der Lichtbogen 10 bei einer Unterbrechung im Fall eines kleinen Stroms gelöscht wird.
• Da bei der herkömmlichen Vorrichtung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, kein ordnungsgemäßes Treiben des Lichtbogens aufgrund des Lichtbogenstromwerts erreicht werden kann, da die Wirkung des Permanentmagneten ungenügend ist, ergibt sich das Problem, daß eine Unterdruckerzeugungseinrichtung hinzugefügt werden muß. Da der Magnet ringförmig ausgebildet ist und da ein herkömmlicher gegossener Magnet, wie etwa ein Alnico-Magnet, eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat, wird außerdem der Magnet durch den Wirbelstrom, der aus dem Fließen des Stroms durch das Schaltgerät resultiert, erwärmt und schnell verschlechtert.
• Da bei dem herkömmlichen Schaltgerät, das wie oben beschrieben aufgebaut ist und arbeitet, der Magnet 8 in der Axialrichtung magnetisiert wird, ist jedoch die radiale Komponente des Magnetflusses (Φ) an der Öffnung 9a der Gasspeicherkammer klein, und die Magnetkraft in dieser Richtung ist schwach. Daher ist die Lichtbogenantriebskraft in der Umfangsrichtung, die an der Öffnung 9a der Gasspeicherkammer auf den Lichtbogen 10 wirkt, klein, so daß der Heizeffekt des isolierenden Lichtbogenlöschgases in der Öffnung 9a der Gasspeicherkammer klein ist. Daher ist der Druckanstieg des isolierenden Lichtbogenlöschgases in der Speicherkammer 9 gering, und das Blasen des isolierenden Lichtbogenlöschgases gegen den Lichtbogen 10 ist schwach, so daß sich das Problem ergibt, daß keine ausreichende Lichtbogenlöschwirkung erzielt werden kann.
• Außerdem ist bei dem herkömmlichen Schaltgerät, das wie oben beschrieben aufgebaut ist, der Gasheizeffekt durch den Lichtbogen bei einer Unterbrechung im Falle eines kleinen Stromes gering, so daß der Gasdruckanstieg in der Gasspeicherkammer 9 gering ist. Da der erste Kontakt, der aus einem Fingerkontakt besteht, eine Vielzahl von Schlitzen hat, die sich in Axialrichtung von seiner Spitze aus erstrecken, ist es ferner schwierig, den Schenkel des Lichtbogens 10 an dem ersten Kontakt 2 durch den von dem Magneten 8 erzeugten Magnetfluß (Φ) zu bewegen, so daß sich das Problem ergibt, daß der Gasstrom relativ zu dem Schenkel des Lichtbogens 10 schwach ist, so daß nur eine ungenügende Lichtbogenlöschwirkung erhalten wird.
• Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges Schaltgerät einfacher Konstruktion bereitzustellen, bei dem kein Wirbelstrom durch den Magneten fließt und der Magnet somit nicht erhitzt wird und bei dem der Lichtbogen nach Maßgabe des Lichtbogenstromwerts ordnungsgemäß getrieben wird.
• Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltgerät bereitzustellen, dessen Lichtbogenlöschfähigkeit bei einer Unterbrechung im Fall eines kleinen Stroms verbessert ist.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltgerät bereitzustellen, das eine stabile Unterbrechungsleistung selbst während einer Unterbrechung im Fall eines kleinen Stroms bietet.
• Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltgerät bereitzustellen, das hinsichtlich seiner Lichtbogenlöschfähigkeit bei einer Unterbrechung im Fall eines kleinen Stroms verbessert ist und selbst bei einer Lichtbogenerzeugung im Fall eines großen Stroms frei von thermischer Verschlechterung des Magneten ist.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltgerät bereitzustellen, bei dem die Wirbelstromverluste in dem Magneten gesenkt werden, um das Erhitzen des Magneten zu verringern, so daß die Stabilität und die Betriebslebensdauer des Magneten verbessert werden.
• Die Erfindung besteht aus einem Schaltgerät, das in einem Lichtbogenlöschgas enthaltenden Gehäuse folgendes aufweist:
• - einen ortsfesten Kontakt;
• - einen beweglichen Kontakt, der fähig ist, mit dem ortsfesten Kontakt in Kontakt zu gelangen und sich von diesem zu trennen, wobei der bewegliche Kontakt und der ortsfeste Kontakt zwischeneinander einen Lichtbogenbereich bilden, in dem ein elektrischer Lichtbogen erzeugt wird, wenn die Kontakte getrennt werden;
• - eine Einrichtung, die eine Gasspeicherkammer um den ortsfesten Kontakt herum bildet und die mit dem Lichtbogenbereich in Verbindung steht, um das Lichtbogenlöschgas, dessen Druck durch die von dem Lichtbogen erzeugte Wärme erhöht ist, zu speichern;
• - eine Isolierdüse, die an der Gasspeicherkammer angebracht ist und eine Öffnung bildet, durch die sich der bewegliche Kontakt in beweglicher Weise erstreckt und durch die das Lichtbogenlöschgas strömt; und
• - Magneteinrichtungen, die ein Magnetfeld in der Öffnung der Gasspeicherkammer erzeugen, um den elektrischen Lichtbogen, der bei der Stromunterbrechung zwischen dem ortsfesten Kontakt und dem beweglichen Kontakt erzeugt wird, zu drehen und zu verlängern;
• und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtungen aus einem ringförmigen äußeren Magneten, der um die Gasspeicherkammer herum angeordnet ist und einem inneren Magneten, der in der Gasspeicherkammer angeordnet ist, und aus einem magnetischen bzw. magnetisierbaren Material bestehen, das den inneren Magneten mit dem äußeren Magneten verbindet, um den Magnetpfad dazwischen kurzzuschließen.
• Die Öffnung der Gasspeicherkammer kann mit konischer Gestalt ausgebildet sein, die zu der Speicherkammer hin divergiert.
• Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen gemäß der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; die Zeichnungen zeigen in:
• Fig. 1 eine teilweise Vertikalschnittansicht des herkömmlichen Schaltgerätes;
• Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1;
• Fig. 3 eine teilweise Vertikalschnittansicht eines Schaltgerätes gemäß der Erfindung in dem Zustand mit offenen Kontakten; und
• Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht, aber zur Erläuterung einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung.
• In Fig. 3, in der eine Ausführungsform gemäß der Erfindung dargestellt ist, bezeichnen die Bezugszeichen 1 bis 10 gleiche oder ähnliche Komponenten wie diejenigen, die vorher beschrieben worden sind, mit Ausnahme eines kombinierten Magneten 25. Der kombinierte Magnet 25 weist folgendes auf: einen ringförmigen äußeren Permanentmagneten 26, der in der Axialrichtung magnetisiert ist; einen stabförmigen inneren Permanentmagneten 27, der in der entgegengesetzten Axialrichtung magnetisiert ist; und ein magnetisches bzw. magnetisierbares Material, wie zum Beispiel eine Eisenplatte 28, welche die Magnetpfade für den von dem inneren Permanentmagneten 27 und dem äußeren Permanentmagneten 26 erzeugten Magnetfluß an der Öffnung der Gasspeicherkammer und der entgegengesetzten Seite kurzschließt, wobei in dem magnetischen Material 28 ein Verbindungsloch 29 gebildet ist, um es zu ermöglichen, daß das isolierende Lichtbogenlöschgas in die Gasspeicherkammer 9 strömt, sowie eine Auslaßöffnung 30 gebildet ist, um ein Hochtemperaturgas von dem Lichtbogen 10 durch den ortsfesten Kontakt 2 zur Außenseite der Lichtbogenlöschkammer austreten zu lassen.
• In der ersten Anschlußplatte 1 ist eine Auslaßöffnung 31 vorgesehen, durch die ein Hochtemperaturgas, das von dem Lichtbogen 10 erwärmt und aus der Auslaßöffnung 30 abgegeben wird, zur Außenseite der Lichtbogenlöschkammer abgelassen wird.
• Wenn der bewegliche Kontakt 3 durch einen Unterbrechungsbefehl in Richtung des Pfeils A nach unten gezogen wird, wobei ein Strom durch die geschlossenen Kontakte 2 und 3 fließt, wird über die Kontakte 2 und 3 ein elektrischer Lichtbogen gezogen, und das von dem Lichtbogen 10 erhitzte isolierende Lichtbogenlöschgas wird in der Darstellung der Figur nach unten durch die Isolierdüse 7 und auch durch die Auslaßöffnung 31 zur Außenseite der Lichtbogenlöschkammer abgegeben, wobei ein Teil des Lichtbogenlöschgases durch die Öffnung 9a der Gasspeicherkammer 9 in diese eintritt.
• Das isolierende Lichtbogenlöschgas in der Gasspeicherkammer 9 wird von dem in die Gasspeicherkammer 9 eintretenden Gas erhitzt, und auch der Druck wird erhöht.
• Wenn der Lichtbogenstrom sich dem Nulldurchgangspunkt nähert, wird dagegen der Druck im Lichtbogenbereich gesenkt, und das unter Druck stehende isolierende Lichtbogenlöschgas in der Gasspeicherkammer 9 wird gegen den Lichtbogen 10 geblasen, so daß der Lichtbogen abgekühlt wird, um eine Unterbrechung zu erzielen.
• Der Druck des isolierenden Lichtbogenlöschgases, das in der Gasspeicherkammer 9 gespeichert ist, wird mit kleiner werdendem Lichtbogenstrom kleiner, so daß die Lichtbogenlöschfähigkeit ungenügend wird. Das von dem kombinierten Magneten 25 gemäß der Erfindung erzeugte Magnetfeld in der Radialrichtung im Bereich der Öffnung 9a der Gasspeicherkammer treibt den Lichtbogen 10 in die Umfangsrichtung, und wenn diese Antriebskraft ausreichend stark ist, wird der Lichtbogen durch die Fliehkraft in das Innere der Gasspeicherkammer 9 ausgedehnt. Somit wird also die Energie des Lichtbogens 10 in der Gasspeicherkammer 9 wirksam gespeichert, so daß ein ausreichender Druckanstieg selbst bei einem kleinen Lichtbogenstrom erhalten wird, und daher kann eine stabile Unterbrechungsfähigkeit erzielt werden.
• In diesem Falle wird die Drehkraft für den Lichtbogen 10 und daher die Fliehkraft dafür nur von der radialen Komponente des Magnetfeldes geliefert. Daher kann, wenn der Magnet so angeordnet ist, daß er ein Magnetfeld in der Radialrichtung hauptsächlich im Bereich der Öffnung 9a der Gasspeicherkammer 9 erzeugt, das Magnetfeld wirksam beim Löschen des Lichtbogens 10 genutzt werden, selbst wenn der Absolutwert des Magnetfeldes klein ist.
• In Fig. 4, in der eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, bezeichnet das Bezugszeichen 33 einen kombinierten Magneten wie bei der vorherigen Ausführungsform, Aber der ringförmige äußere Permanentmagnet 34 wird auch als ortsfester äußerer Zylinder verwendet, der die Gasspeicherkammer 9 bildet, und die Eisenplatte 35, welche aus magnetischem bzw. magnetisierbarem Material besteht, wird auch als eine der Wände der Gasspeicherkammer 9 verwendet. In anderer Hinsicht ist die Konstruktion ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsform.
• Bei einer solchen Anordnung ist die Anzahl von Teilen verringert, und die Gasströmung in der Gasspeicherkammer 9 ist nicht behindert, so daß ein Schaltgerät mit einfacherer Konstruktion erhalten werden kann, das eine stabile Lichtbogenlöschfähigkeit zeigt.
• Auch wenn das magnetische Material für den Magneten beispielsweise Ferritmetalle, Alnico-Metalle, Samarium-Seltenerdmetalle und Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterialien sein können, bietet ein Magnet mit einer starken Magnetkraft eine größere Lichtbogenlöschwirkung.
• Wie bereits erläutert, ist bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform gemäß der Erfindung der Magnet zum Treiben des Lichtbogens ein kombinierter Magnet, der aus folgendem besteht: einem äußeren Permanentmagneten, der außerhalb der Gasspeicherkammer angeordnet ist und die Gasspeicherkammer ringförmig umgibt, einem inneren Permanentmagneten mit ringförmiger oder zylindrischer Gestalt, der innerhalb der Gasspeicherkammer angeordnet ist, und einem magnetischen bzw. magnetisierbaren Material, das einen Magnetpfad zwischen den Magneten kurzschließt. Somit wirkt der Magnetfluß in der Radialrichtung in wirksamer Weise auf den Lichtbogen, so daß in vorteilhafter Weise ein Schaltgerät bereitgestellt wird, das eine stabile Unterbrechungsfähigkeit im Falle eines kleinen Stromes zeigt.
• Wie in der EP-A-248677 erläutert, kann die Öffnung der Gasspeicherkammer, die durch den unteren Bereich des ortsfesten äußeren Zylinders 6 und den oberen Bereich der Isolierdüse 7 gebildet wird, mit einer konischen Gestalt ausgebildet sein, die zu der Speicherkammer 9 hin mit einem Winkel divergiert, der gleich oder kleiner als 80º relativ zu ihrer Achse ist. Auch wenn somit-der Strom groß ist, gibt es keinen Stagnierungspunkt wie bei der herkömmlichen Bauform, und wenn der Lichtbogen in der radialen Richtung weit hinausgetrieben wird, so wird er sogar noch weiter von dem Permanentmagneten entfernt, so daß die Antriebskraft verringert wird. Somit dringt der Lichtbogen nicht unnötig tief in die Speicherkammer 9 ein, so daß ein lokales Erhitzen des Gases verhindert wird, und außerdem kann beim Blasen des Gases aus der Speicherkammer 9 die Gasströmung ohne Widerstand geleitet werden, was zu einem stabilen Lichtbogenlöschverhalten bei dem großen Strom führt.
• Wenn der Stromwert klein ist, während gleichzeitig die Antriebskraft gleich derjenigen der herkömmlichen Konstruktion ist, wird der Lichtbogen, da die Öffnung der Speicherkammer konisch ist, in das Innere der Gasspeicherkammer 9 hineingetrieben. Daher ist die Wirkung der Gasdruckerhöhung in der Speicherkammer 9 größer als bei der herkömmlichen Konstruktion, was ein stabiles Lichtbogenlöschverhalten ergibt.
• Wenn der Permanentmagnet ringförmig ist, wird ein magnetisches Wechselfeld in dem Permanentmagneten von dem Strom erzeugt, der durch die Kontakte 2 und 3 fließt, wenn die Kontakte geschlossen sind, und bei einem elektrisch leitfähigen Magneten, wie zum Beispiel einem Alnico-Magneten, wird der Magnet von einem Wirbelstrom erhitzt und verschlechtert. Wenn jedoch der Magnet 21 aus einem Material mit elektrischem Widerstand besteht, wie zum Beispiel aus einem Seltenerdmetall-Magnetmaterial, so fließt kein Wirbelstrom und es treten kein Erhitzen und keine Verschlechterung auf.

Claims (6)

1. Schaltgerät, das in einem Lichtbogenlöschgas enthaltenden Gehäuse folgendes aufweist:

- einen ortsfesten Kontakt (2);

- einen beweglichen Kontakt (3), der fähig ist, mit dem ortsfesten Kontakt in Kontakt zu gelangen und sich von diesem zu trennen, wobei der bewegliche Kontakt und der ortsfeste Kontakt zwischeneinander einen Lichtbogenbereich bilden, in dem ein elektrischer Lichtbogen (10) erzeugt wird, wenn die Kontakte getrennt werden;

- eine Einrichtung, die eine Gasspeicherkammer (9) um den ortsfesten Kontakt herum bildet und die mit dem Lichtbogenbereich in Verbindung steht, um das Lichtbogenlöschgas, dessen Druck durch die von dem Lichtbogen erzeugte Wärme erhöht ist, zu speichern;

- eine Isolierdüse (7), die an der Gasspeicherkammer angebracht ist und eine Öffnung bildet, durch die sich der bewegliche Kontakt in beweglicher Weise erstreckt und durch die das Lichtbogenlöschgas strömt; und

- Magneteinrichtungen (25), die ein Magnetfeld in der Öffnung der Gasspeicherkammer erzeugen, um den elektrischen Lichtbogen, der bei der Stromunterbrechung zwischen dem ortsfesten Kontakt und dem beweglichen Kontakt erzeugt wird, zu drehen und zu verlängern;

dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtungen (25) aus einem ringförmigen äußeren Magneten (26, 33), der um die Gasspeicherkammer herum angeordnet ist, und einem inneren Magneten (27), der in der Gasspeicherkammer angeordnet ist, und aus einem magnetischen Material (28) bestehen, das den inneren Magneten mit dem äußeren Magneten verbindet, um den Magnetpfad dazwischen kurzzuschließen.

2. Schaltgerät nach Anspruch 1, wobei der äußere Magnet (26) an der Außenoberfläche der Einrichtung angebracht ist, die die Gasspeicherkammer bildet.

3. Schaltgerät nach Anspruch 1, wobei der äußere Magnet (33) die Einrichtung bildet, die die Gasspeicherkammer bildet.

4. Schaltgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der ortsfeste Kontakt rohrförmig ist und eine Gasauslaßöffnung hat.

5. Schaltgerät nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der die Isolierdüse eine glatte innere Übergangsoberfläche bildet, die die Gasspeicherkammer mit der Öffnung verbindet, um eine gleichmäßige Strömung des unter Druck stehenden Lichtbogenlöschgases durch die Öffnung zu ermöglichen.

6. Schaltgerät nach Anspruch 5, wobei die innere Übergangsoberfläche der Isolierdüse eine verjüngte Oberfläche ist, die von der Gasspeicherkammer (9) zur Öffnung konvergiert.