DE697572C - Magnetischer Schnellausloeser oder Schnellrelais - Google Patents

Description

In Hochspannungsnetzen der üblichen Frequenz fällt die Aufgabe, einen Fehler im Netz schnell abzutrennen, beispielsweise einen Kurzschluß, den Hochspannungs schaltern zu, die den in Mitleidenschaft gezogenen Zweig des Netzes überwachen. Es ist daher von wesentlicher Bedeutung, daß der Hochspannungsschalter den kranken Netzteil möglichst schnell, höchstens innerhalb einiger weniger Perioden abtrennt, damit die Stabilität des ganzen Netzes nicht gestört wird. Diese Abschalttätigkeit eines Hochspannungsöl schalters kann man in mehrere Abschnitte unterteilen: i. Freigabe des Auslösemechanismus infolge eines auftretenden Fehlers, 2. Einleitung der Öffnungsbewegung des Schaltermechanismus, 3. Öffnungsbewegung der Kontakte zugleich mit der Lichtbogenlöschung.

Die vorliegende Erfindung betrifft im wesentlichen den ersten dieser Abschnitte und hat einen magnetischen Schnellauslöser oder Schnellrelais zum Gegenstand, welcher geeignet ist, die Auslösezeit gegenüber dem bisher. Erreichbaren erheblich herabzusetzen. Besonders, groß sind dabei die Schwierigkeiten, wenn es sich um Netze handelt, die sehr große Energiemengen führen, wie beispielsweise in den V. St. A. das Netz der Boulder-Dam-Anlage, das mit 287,5 kV arbeitet. Schnellschalter für ein derartiges Netz erfordern so große Öffnungs- und Schließungskräfte, daß praktisch eine besondere Betätigung jedes Schalterpoles nicht zu umgehen ist, d. h. für jede Phase muß ein einpoliger Schalter verwendet werden. Der Auslöser eines jeden solchen Schalters benötigt einen

Auslösestrom in der Größenordnung von ungefähr 40 A Gleichstrom. Infolgedessen werden für ein dreiphasiges Netz 120 A Auslösestrom benötigt. Die bis jetzt bekannten Schutzrelais und Schnellrelais sind aber iM. derartig hohe Ströme nicht bemessen. WoilteY man sie jedoch für derartige Stromstärken in wirtschaftlich tragbarer Weise bauen, so würde dies wieder auf Kosten der Schaltgeschwindigkeit geschehen.

Der magnetische Schnellauslöser oder Schnellrelais nach der Erfindung erfüllt nun die Forderungen an Auslöser und Relais, die für derartige Schalteranlagen benötigt werden, in hervorragender Weise. Er gehört zu der an sich bekannten Art von Auslösern oder Relais, bei denen ein Anker normalerweise von einem von Dauermagnetismus durchfluteten Halteelektromagnet gegen eine Federkraft in der Schlußstellung gehalten wird und der mit einer Jochspule versehen ist, die bei Erregung durch den Auslöse- (Ansprech-) Gleichstrom den Magnetfluß des Jochs teils durch den Haltemagnet treibt und dessen magnetisehen Fluß verstärkt, teils als Auslösefluß durch den Anker treibt und dessen magnetischen Fluß so schwächt, daß der Anker abgerissen wird. Nach der Erfindung wird ein derartiger* Schnellauslöser oder -relais so ausgebildet, daß der -Haltemagnet aus einem permanenten Magnetkörper mit sehr hohem, und zwar annähernd magnetischem Widerstand besteht, während der Jochkörper, die Polfortsätze, die Polschuhe und der Anker aus weichem, zweckmäßig lamelliertem Eisen von sehr geringem magnetischem Widerstand hergestellt sind. Vorzugsweise wird für den permanenten Magnetkörper eine Legierung mit Ausscheidungshärtung, wie Nickel-Eisen-Aluminium-Legierungen mit oder ohne Kobaltzusatz, gewählt.

Zum besseren Verständnis soll die Erfin-'dung im nachstehenden an Hand einiger in der Zeichnung abgebildeter Ausführungsbeispiele erläutert werden. Abb. 1 stellt eine schematische Wiedergabe eines Auslösesystems für einen Schnellschalter nach der Erfindung dar. Abb. 2 gibt einen vereinfachten Stromlauf eines Teiles der Vorrichtung nach Abb. 1 wieder. Abb. 3 zeigt Einzelheiten des Auslösemagnets, wie er in großen Zügen in Abb. 1 dargestellt ist. Abb. 4 ist eine perspektivische Ansicht dieses Magnets. Die Abb. 5 bis 9 zeigen Kurven, die für die Eigenschaften des Auslösemagnets von Bedeutung sind und die Faktoren angeben, die in erster Linie für die Berechnung der Stromkreise von Wichtigkeit sind. Abb. 10 gibt schematisch eine Auslöseanordnung ähnlich derjenigen der Abb. 1 wieder, jedoch für ein mehrphasiges Netz. Die Abb. 11, 12 und 13 endlich zeigen konstruktive Einzelheiten eines Schnellrelais nach der Erfindung.

Die Schnellauslösevorrichtung gemäß Abb. 1 umfaßt einen elektrischen Ausschalter 1 für den ',^jHochspannungskreis 2, wobei der Ausschalter Hiäurch einen magnetischen Schnellauslösers gesteuert wird, der seinerseits wieder durch ein Schnellrelais 4 und ein von einem Stromwandler 5 gepeistes Überstromrelais 13 beeinflußt wird. Die Wirkung ist im großen ganzen ähnlich dem üblichen Auslösen der Schalter, d. h. unter dem Einfluß einer Betriebsstörung in der Hochspannungsleitung 2, beispielsweise einem Kurzschluß, erregt der Stromwandler 5 über das Überstromrelais 13 das Schnellrelais 4. Dies erregt seinerseits die Auslösevorrichtung 3, welche die Öffnung des Schalters 1 bewirkt.

Der durch das Relais 4 gesteuerte Schnellauslöser 3 besteht aus einem Weicheisenanker 20. Dieser Anker wird durch einen Sperrhebel 22 getragen, welcher um die Achse 22' schwenkbar ist und unter der Zugwirkung einer Federkraft 23 steht, die den Anker vom Magnet abzureißen sucht. Der Sperrhebel 22 weist an seinem freien oberen Ende eine Sperrnase 24 auf, durch dia er, wie in der Zeichnung schematisch angedeutet, die Schaltstange 1' des Ausschalters in ihrer Schlußstellung hält. Normalerweise ist die magnetische Kraft des permanenten Magnets 17 auf den Anker 20 so groß, daß er ihn gegen die Federkraft 23 in der Schluß stellung hält.

Der Auslösemagnet 3 weist eine Auslöse- oder Jochspule T auf, die zwischen den Polschuhen 18 und 19 so angeordnet ist, daß sie bei Erregung durch die Steuerstromquelle 12 einen magnetischen Fluß erzeugt, der sich in zwei Teile verzweigt, die verschiedene Teile des Auslösemagnetkreises durchfließen. Der eine Zweig durchsetzt den Anker und ist dem hier durch den permanenten Magnet 17 erzeugten Fluß entgegengesetzt. In der Zeichnung ist dieser Teilfluß der Spule Γ durch die Pfeile 38 angedeutet, der entgegengesetzte Fluß des permanenten Magnets im Anker durch die Pfeile 17'. Die Verhältnisse zwischen diesen beiden entgegengesetzten Flüssen sind so gewählt, daß die Erregung der Joch- hq spule T die auf den Anker 20 ausgeübte Haltekraft derart"; schwächt, daß die Abreißfeder 23 den Sperrhebel 22 entgegen dem Uhrzeiger herumschwenkt, wobei dieser die Schaltstange 1' freigibt und das Öffnen des Schalters ι gestattet..

Der andere Teilfluß der Jochspule T ist durch die Pfeile39 angedeutet und verläuft im gleichen Sinne im permanenten Magnet wie dessen eigener Fluß 17'.

Wenn der Ausschalter 1 in der Schließstellung ist, so kann die Erregung der Joch-

. spule T dadurch bewirkt werden, daß der Schalter S des "Relais 4 geschlossen wird. ■Der so geschlossene Steuerkreis umfaßt die Steuerstromquelle 12, den Relaisschalter S₁ einen Hilfsschalter 25 an der Schaltstange 1'. Dieser Hilfsschalter wird durch den Hochspannungsschalter ι derart gesteuert, daß er bei eingeschaltetem Schalter geschlossen ist. Der Steuerkreis umfaßt weiter die Jochspule T, einen Hilfsschalter 26, der durch den Sperrhebel 22 derart gesteuert ist, daß der Hilfsschalter geschlossen ist, wenn der Sperrhebel sich in der Haltestellung befindet. Endlich gehört zu dem Steuerkreis noch ein Reihen widerstand R₁ der, wie weiter unten beschrieben, auf die sonstigen Eigenschaften des Auslösekreises abgestimmt ist. Ein Kondensator C₁ ebenfalls auf die Eigenschaften des Auslösekreises abgestimmt, liegt parallel zu der Jochspule T₁ wenn der Relaisschalter .S" geschlossen ist, wie dies aus der Abb. 2 zu erkennen ist.

Unmittelbar nach dem Entsperren des Sperrhebels 22, infolge eines Auslöseimpulses, wird der von diesem Hebel gesteuerte Schalter 26 geöffnet und dadurch die Jochspule T entregt. Ebenso verursacht der Schalter 1 beim Übergang in die Aus-Stellung ein Offnem des Hilfsschalters 25. Der Schalter 26 arbeitet offenbar beträchtlich schneller als der Hilfsschalter 25, da er von dem Sperrhebel und nicht von dem Schalter 1 selbst gesteuert wird. Infolgedessen ist der Hilfsschalter 25 mehr als doppelte Sicherung dafür zu be-

trachten, daß der Jochspulenkreis bei offenem Schalter 1 auch sicher offen ist. Falls erwünscht, kann der permanente Magnet 17 mit einer Magnetisierungswicklung 34 versehen sein, die nur momentan von der Steuerstromquelle 12 mittels des Hilfsschalters 35 erregt wird. Dies geschieht, indem die Schalt-" stange 1' beim Übergang in die Ein-Stellung den Kontakt 35 momentan schließt. Dadurch wird der permanente Magnet sozusagen auf seine ursprüngliche magnetomotorische Kraft wieder aufgeladen.

Die Rückführung des Sperrhebels 22 beim Wiedereinschalten des Schalters 1 kann auf irgendeine geeignete Weise ausgeführt werden, beispielsweise durch der Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung nicht dargestellte mechanische Verbindungen zwischen dem Mechanismus des Schalters 1 und dem Sperrhebel 22. Da das Schnellrelais 4, wie im nachstehenden erörtert werden wird, unmittelbar nach dem Ansprechen des Schalters 1 in seine Bereitschaftsstellung (Schließstellung) zurückgeführt wird, der Kontakt 6" also wieder geöffnet ist, kann trotz Schließen des Hilfsschalters 26 bei Rückführung des Sperr,hebels 22 eine neue Erregung der, Jochspule T erst stattfinden, wenn das Schnellrelais 4 erneut anspricht. Die JEntsperrung des Sperrhebels 22 kann natürlich auch von Hand erfolgen, falls dies gewünscht ist.

Das Schnellrelais 4 ist ganz ähnlich gebaut wie der Auslöser 3. Es weist einen permaneAten Magnet 6 mit Polfortsätzen 7 aus weichem Eisen und einem Weicheisenanker 8 auf, der von einem schwenkbar gelagerten Kontaktarm 9 getragen wird. Der Anker 8 steuert die Kontakte des Relaisschalter^.. Auch hier hält die magnetische Kraft des permanenten Magnets 6 den Anker in der Schließstellung gegen die Wirkung der Feder if> 10. Läßt jene nach, so überwiegt die Federkraft 10, und der Schalter 5" wird geschlossen. Die Steuerung der Ankerauslösung erfolgt auch hier durch eine Jochspule 11, die von der Gleichstromsteuerquelle 12 gespeist werden kann. Bei ihrer Erregung verursacht sie Schwächung der Haltekraftlinien,' daher Loslassen des Ankers 8 und Schließen des Schalters 6". Bei Auftreten einer bestimmten Überlastung in der Hochspannungsleitung 2 betätigt der. Strom in dem Wandler^ das Überstromrelai's 13 und schließt dadurch die Kontakte 14 im Steuerkreis der Jochspule 11. Dieser Kreis umfaßt auch hier noch einen Reihenwiderstand 15 und einen Kondensator 16, der parallel zur Jochspule 11 geschaltet ist, wenn sich die Kontakte 14 schließen. Das Auftreten einer Überlast im Relais 13 bewirkt also das Ansprechen des Schnellrelais 4, damit das Schließen des Kontaktes 6" und damit wiederum das Ansprechen des' Schnellauslösers 3 und das Ausschalten des Schalters i. Das Schnellrelais 4 trägt auf dem Joch' außer der Jöchspule ΐϊ noch eine Rückholspule 30, in deren an die Steuerspannung 12 angeschlossenen Erregerkreis zwei Hilfskontakte 29 des Hochspannungsschalters ι liegen, sowie die Kontakte 31 eines Solenoides 32, das seinerseits über einen von dem Sperrhebel 22 gesteuerten Hilfsschalter 33 an der Steuerstromquelle 12 liegt. Infolgedessen verursacht das Auslösen des Sperrhebels 22 die Schließung des Hilfsschalters 33, damit die Erregung des Solenoids 32 und infolgedessen die Schließung des Rückholspuknstrom- 11 ο kreises bei Kontakt 31. Ist daher dieser letztere Stromkreis mit Hilfskontakt 29 ebenfalls geschlossen, d, h; der Schalter 1 offen, so wird die Rückführungsspule 30 von der Steuerstromquelle 12 her erregt. Infolgedessen wird der Anker 8 in die gezeichnete Haltestellung zurückgeführt. In dieser Stellung aber ist der Relaisschalter S wieder offen.

Kehren wir nun nochmals genauer zu dem Schnellauslöser 3 zurück, wobei betont wird,, >a<> daß die folgenden Ausführungen sinngemäß auch für.das Schnellrelais 4 Gültigkeit haben.

Der permanente Magnetkörper 17 besteht zweckmäßig aus einer an sich bekannten magnetischen Legierung mit Ausscheidungshärtung, vorzugsweise aus einer Legierung von Eisen-Nickel-Aluminium, und hier insbesondere aus einer solchen mit Kobaltgehalt. Die Polschuhe 18 und 19 (Abb. 3 und 4) bestehen aus lameliiertem Weicheisen und sind so bemessen, daß sie den magnetisehen Kraftfluß des permanenten Magnets in dem Weicheisenanker konzentrieren. Dieser Fluß ist, wie bereits erwähnt, in Abb. 3 durch die Pfeile 17' bezeichnet.

Die Jochspule T₁ die einen iamellierten Weicheisenkern 36 aufweist, der von den Polschuhen 18 und 19 durch unmagnet'ische Zwischenlagen 37 getrennt ist, liegt parallel zu dem vorgenannten Magnetanker 2. Der von ihr erzeugte Fluß verzweigt sich, wie bereits früher erörtert, derart, daß der eine Teil den Kraftlinien 17' des Körpers 17 in diesem gleichgerichtet ist, während der andere Teil 38 dem Kraftfluß im Anker 20 entgegengesetzt ist. Die Jochspule bewirkt also bei Erregung eine Verstärkung des permanenten Magnetismus und eine Schwächung des Haltemagnetismus.

Bei Bemessung des magnetischen Weges im Ankerkreis ist zunächst die Kraft in Rechnung zu setzen, die zur Bewegung des Sperrhebels 22 nötig ist. Im vorliegenden Falle, wo der Sperrhebel für die Auslösung eines großen Hochspannungsschalters dient, ist die Feder 23 für eine Zugkraft von ungefähr 150 bemessen. Dementsprechend muß der Magnet in der Haltestellung einen darüber hinausgehenden Zug, d. h; etwa 250 kg, .ausüben. Nach Kenntnis dieses erforderlichen Ankerzuges wird die magnetische Kraft und die Größe des permanenten Magnets bemessen und der Ankerquerschnitt für den günstigsten Zug in Übereinstimmung mit bekannten Rechnungsmethoden ermittelt (vgl. Abb. 5 und 6)> Da die magnetomotorische Kraft des permanenten Magnetmaterials genau bekannt ist, werden die Iamellierten Weicheisenpolschuhe 18 und 19 so berechnet, daß sie die naturgemäß geringe Flußdichte in dem benachbarten Querschnitt der magnetischen Le-50. gierung zusammenfassen und auf eine vergleichsweise kleine Fläche sehr hoher Flußdichte im Anker konzentrieren. Diese ist durch die Formel F = const. B²A (0,14B²A) bestimmt, wobei F die Kraft in Kilogramm, A den Ankerquerschnitt in cm² und B die Flußdichte in Kilogauß bedeutet. In Abb. 5 ist die B-H- oder Sättigungskurve für das Ankereisen wiedergegeben. Kennt man den wirksamsten Arbeitspunkt auf der Sättigungskurve, so kann der günstigste Ankerquerschnitt für maximale Zugkraft leicht berechnet werden. Abb. 6 stellt die Bezeichnung zwischen dem wirksamen Ankerzug und dem Ankerquerschnitt dar,

Da erfindungsgemäß der Magnet 17 aus einer magnetischen Legierung von vergleichsweise sehr hohem magnetischem Widerstand 'besteht, so wird der Teil 39 des Jochspulenflusses sehr schwach, während der für die Ankerfeldschwächung wirksame Teil 38 des Spulenflusses sehr groß wird, weil hier der magnetische Widerstand möglichst gering ist. Die Leitfähigkeiten der in den beiden Zweigen liegenden magnetischen Stoffe verhalten sich etwa wie 2:1 000 bis 2 : 2000 (Luft = i). Diese Verhältnisse des magnetischen Widerstandes laufen darauf hinaus, daß für den Jochspulenfluß der Kreis des Teils 39 praktisch offen ist, während der umlenkende Fluß 38 den größten Teil des Ge- samtflu^ses der Jochspule darstellt. Diese Verteilung stellt sicher, daß der umlenkende Fluß im Anker sehr schnell auf den Auslösewert ansteigt.

Ein sehr erheblicher Anteil in der Steigerung der Auslösegeschwindigkeit gegenüber früheren Auslösern wird ferner durch die besondere Bemessung der Jochspule T erreicht. Bisher wurde eine vergleichsweise sehr große Zahl von Amperewindungen auf der Jochspule für einen guten Auslöseeffekt für wünschenswert gehalten. Man nahm nämlich an, daß ein sehr starker Auslösefluß sehr wirksam sei. Beispielsweise wird bei üblichen Auslösern mit Gleichstromspeisung die Jochspule für ungefähr 500 Windungen berechnet. Es hat sich jedoch .herausgestellt, daß man durch beträchtliche Herabsetzung der Windungszahl und gleichzeitiges Einschalten eines induktionsfreien äußeren Widerstandes in den Jochspulenkreis den für die Auslösung erforderlichen Fluß viel schneller aufbauen kann, d.h. der Anker20 wird durch die Feder 23 in viel kürzerer Zeit abgerissen, wenn erfindungsgemäß die Jochspule nach vor- i°5 stehendem bemessen wird.

Die Abb. 7 und 8 stellen graphisch die verbesserte Wirkung dar, wenn die Jochspule gemäß der Erfindung bemessen wird. Der Wert von H oder die Zahl der Amperewindüngen, ausgedrückt in der erforderlichen Kraft für die Ankerauslösung, ist schon bekannt. Diese ist nämlich die Differenz zwischen der magnetischen Zugkraft und der Federkraft 23, d.h. etwa 100kg in obigem Bei- "5 spiel. Bei einer gegebenen Gleichstromquelle und einem festgelegten zeitlichen Endwert des Auslösespulenstromes kann man, wie sich herausgestellt hat, durch einen zur Spule in Reihe geschalteten, nicht induktiven Widerstand, dessen Größe im richtigen Verhältnis zu ihrer reduzierten Windungszahl, steht,

nicht nur einen neuen Endwert des Auslösestromes, sondern auch eine beträchtliche Verkürzung der Auslösezeit erzielen. Wie aus Abb. 7 ersichtlich, gibt es hierbei ein Optimum der Windungszahlen.

Abb. 7 zeigt das Optimum für eine Jochspule der üblichen Windungszahl, z. B. 400 bis 500 Windungen, wobei der Auslösestrom, obwohl er nur einen kleinen Teil des zeitliehen Endwertes des Jochspulenstromes beträgt, nichtsdestoweniger 0,003 ^sec· benötigt, um den Auslösefiuß auf seinen wirksamen Betrag zu bringen. Hat jedoch die Spule 80 Windungen, so ist ,sie, obwohl sie einen höheren Prozentsatz des zeitlichen Endwertes des Auslösespulenstromes benötigt, doch imstande, die Auslösung des Ankers in weniger als 0,001 see. zu bewirken. Das heißt aber, durch die beträchtliche Herabsetzung der

ao Windungszahl in zweckmäßiger Abstimmung auf die weiter oben erörterten Faktoren wird eine erhebliche Steigerung der Auslösege-■ schwindigkeit erreicht.

Die Beziehungen zwischen Auslösezeit und Windungszahl der Spule T ist ih Abb. 8 deutlich sichtbar. Für die Windungszahl gibt es ein Optimum. Bei Über- oder Unterschreitung desselben wächst · die Auslösezeit wieder. Erfindungsgemäß wird also die Windungszahl für die Jochspule und damit die Selbstinduktion in der Spule reduziert und ein äußerer, nicht induktiver Widerstand in Reihe mit der Spule geschaltet, wobei Windungszahl und Widerstand zur Erreichung des Bestwertes gemäß Abb. 8 aufeinander abgestimmt sind.

Bei dieser Gelegenheit möge noch hervorgehoben werden, daß der vom Sperrhebel 22 gesteuerte Hilfsschalter 26 beim Auslösen praktisch momentan arbeitet. Dadurch begrenzt er den Strom der Jochspule etwa auf den Auslösewert, d. h. auf etwa 70 v. H.. des zeitlichen Endwertes (vgl. Abb. 7).

Die Auslösegeschwindigkeit des Schnellauslösers 3 kann noch weiter dadurch gesteigert werden, daß eine Kapazität C parallel zur Jochspule T gelegt wird, wie es schema-• tisch die Abb. 2 darstellt. Dabei liegt der Kondensator C einerseits an der Spulenseite des Hilfsschalters 26, andererseits an der Stromquellenseite des Schalters 5. Wird daher beim Auslösevorgang der Schalter 26 geöffnet, um den Strom in der Spule T zu unterbrechen, so verhindert das Vorhandensein des Kondensators das Auftreten hoher induktiver Überspannungen, indem er als ein Reservoir für die in der Jochspule T aufgespeicherte Energie wirkt.

Ist der Schalter 1 geschlossen, so ist dies auch . der Hilfsschalter 26, während der Schnellrelaisschalter S geöffnet ist. Das Schließen dieses Schalters bewirkt dann nicht nur ein Schließen des Steuerstromkreises für die Jochspule T₁. sondern auch des Parallelschaltungskreises, .der die Kapazität C und . die Jochspulenwicklung T enthält. Da bei ge- _ öffnetem Schalter S der Kondensator C auf die Spannung der Steuerstromquelle aufgeladen wird, bedeutet die Schließung dieses Schalters· eine schnelle Entladung durch die Jochspule, wodurch der Anstieg des Auslösestroms beschleunigt wird, mit anderen Worten, die parallel zu der Steuerstromquelle geschaltete Kapazität wirkt wie ein Batterieverstärker, der die Erregung der Jochspule T ⁷S beschleunigt.

. Die verbessernde Wirkung des Kondensators C wird durch folgende Überlegung leicht verständlich. Ist der neue_: stationäre Stromwert nach Schließung von ο* erreicht, so gilt für die Stromstärke / = EjR + r, wobei r den inneren Widerstand der Jochspule T darstellt. Die Spannung am Kondensator ist dann von dem Betrag £ abgefallen auf den Wert ErJ(R + r); infolgedessen ist seine Ladung von Q₁ = CE auf Q₂ = r CEj(R + r) abgesunken. Die Differenz dieser beiden La-,

düngen, d.h. Q₁-Q₂ = CERf(R-J-r) oder, t

was dasselbe ist, i · dt, dient dazu, den

Jochspulenstrom schneller aufzubauen, was sich schließlich in einer wesentlichen Verbesserung der Auslösegeschwindigkeit auswirkt.

In bildlicher Darstellung ist diese verbessernde Wirkung des Kondensators C in der Abb. 9 ersichtlich. Hier -stellt die- Kurve a den' Stromanstieg ohne Kapazität und die Kurve b den Stromanstieg mit Kapazität dar.

Man sieht, daß der Auslösestromwert auf '°° der' Kurve b in wesentlich geringerer Zeit erreicht wird als im Falle der Kurve a.

Es ist übrigens klar, daß die vorstehend beschriebenen Verbesserungen des Jochspulenstromkreises auch auf einen Auslösemagnet anwendbar sind, bei dem die magnetomotorische Kraft auf elektromagnetischem Wege und nicht durch permanenten Magnetismus erzeugt wird. Ferner sind alle die genannten Verbesserungen sinngemäß bei dem Schnellrelais 4 anwendbar, so daß die Schließung von dessen Kontakt 6* praktisch ohne Verzögerung beim Auftreten einer Störung in der Leitung 2 stattfindet.

Die Abb. 11 bis 13 geben eine Ausführungsform des Schnellrelais 4 wieder, und zwar zeigt die Abb. 11 die Anordnung von vorn gesehen; Abb. 12 ist eine Seitenansicht teilweise im Schnitt und Abb. 13 eine Ansicht von oben. Der Anker 110 hat den günstigsten Querschnitt für maximale Anstiegskraft. Er wird in der angezogenen Stellung gegen die

Wirkung der Federn in gehalten. Der Haltemagnet weist den permanenten Magnetkörper 112, ferner Polfortsätze 113 aus weichem Eisen und die Polschuhe 114 aus dem gleichen Werkstoff auf. Die Bemessung und Formgebung dieser Teile ist so, daß sie zusammen mit der günstigsten Form des Ankers ein Maximum an Zugkraft entwickelt. Dadurch, daß der, Magnetkörper 112 erfinto dungsgemäß ein permanenter Magnet ist, werden Verluste, wie sie durch die Dauererregung eines Elektromagnetes bedingt sind, sowie Erwärmungsschwierigkeiten durch den Magnetisierungsstrom vermieden, auch wird eine besondere Gleichstromquelle für die Erregung überflüssig. Um ein Maximum an Koerzitivkraft bei kleinstem Raum zu erzielen, ist der Magnetkörper 112 aus einer an sich bekannten Aluminium-Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung hergestellt.

Der Anker 110 ist an einem schwenkbaren Arm 115 befestigt, der am unteren Ende auf der Achse 125 gelagert ist und an seinem oberen Ende einen Kontakt 116 trägt. Dieser arbeitet mit einem leicht zugänglich montierten und verstellbaren Gegenkontakt 117 zusammen. Die beiden Kontakte 116, 117 werden unter der Wirkung der sich gegen das obere Ende des Armes 115 stützenden Druckfedern in geschlossen, wenn die Zugkraft am Anker 110 nachläßt. Natürlich könnte statt einer Kontaktsehließung auch eine Kontaktöffnung vorgesehen sein. Um .eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit des Relais zu erzielen, ist der Kontaktweg sehr klein in der Größenordnung von 0,8 mm und gleichzeitig die Kraft der Federn 111 groß gehalten. Dementsprechend muß natürlich die Kraft des Haltemagnetes auch ziemlich groß bemessen sein, insbesondere, um den Anker aus der Abreißstellung wieder anzuziehen.

Zwischen den Polschuhen 114 ist der Jochkörper 118 aus weichem Eisen angeordnet, der durch die Windungen 119 und 120 erregt werden kann. Dabei ist die Wicklung 119 die Auslösewicklung, d.h. beim Durchfließen des Steuerstromes wird durch ihren Kraftfluß die auf den Anker 110 ausgeübte Haltekraft geschwächt, so daß er abgerissen wird. Wird durch die Wicklung 120 ein Strom geschickt, so addiert sich der durch sie erzeugte magnetische Fluß in den Polschuhen zu dem hier durch den permanenten Magnet 112 erzeugten derart, daß der abgerissene Anker 110 entgegen der Spannung der Federn 111 wieder in die Anzugsstellung gebracht wird. Die Wicklung 120 ist daher zweckmäßig als Rückführungswicklung zu bezeichnen.

Die Weicheisenpolschuhe 114 und der Ankern ο sind, wie in Abb. 11 angedeutet, lamelliert, um einen schnelleren Aufbau und Abbau der magnetischen Felder zu erzielen. Die Windungszahl der Auslösewicklung 119 ist gemäß dem weiter oben Gesagten so bemessen, daß sie die optimale Windungszahl darstellt. Der zusätzliche Ohmsche Außenwiderstand ist in Form der Wicklung 127 mit der Auslösewicklung in Reihe geschaltet.

Der vorstehend beschriebene Magnetkörper ist durch Bolzen 121 zusammengespannt. Die oberen und unteren Tragwinkel 122 und 123 dienen zur Befestigung des Magnets auf der Grundplatte 124. Die Achse 125 für den Schwenkarm 115 ist an einer Tragplatte 126 befestigt, die auf der Unterseite des Magnets mit dem unteren Polfortsatz 113 verschraubt ist. Die Widerstände 127 sind auf dem unteren Tragwinkel 123 befestigt. Der verstellbare Kontakt 117 ist unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht an dem oberen Polfortsatz 113 befestigt, während ein Quersteg 130' am Schwenkarm 115 sich gegen die vorderen Enden der Federn 111 legt und gleichzeitig als Träger für den beweglichen Kontakt 116 dient, welcher in geeigneter Weise isoliert ist. Von dem beweglichen Kontakt 116 führt ein biegsamer Leiter 128 zu einer Anschlußklemme 129, die ebenfalls auf dem oberen Polfortsatz 113 isoliert angeordnet ist. Die beiden Federn 111 sind auf einer verstellbar an dem Tragwinkel 122 angeordneten Tragplatte 130 befestigt.

Bei der mehrpoligen Schaltanlage gemäß Abb. 10 ist jeder der Leiter 132 des Hochspannungsnetzes an einen einpoligen Hoch-Spannungsschalter 123 geführt. Jeder dieser Schalter besitzt seinen eigenen unabhängigen Auslösemechanismus. Der Aufbau dieser Schalter, die zweckmäßig als Schnellschalter ausgebildet sind, ist an sich im vorliegenden «oi> Zusammenhang gleichgültig, wesentlich ist nur, daß jeder Schalter einen Sperrhebel 134 aufweist, der die Schaltstange bzw. Schaltbrücke gegen Federkraft in der Schlußstellung verriegelt und in dieser Stellung durch einen Schnellauslöser gemäß den Abb. 1 bis 4 gehalten wird. In der Abb. 10 sind die Schnellauslöser mit 103 bezeichnet, ihr an dem Sperrhebel 134 angelenkter Anker mit 150, · der permanente Magnet mit 151 und die Pol- 11» schuhe mit 152. Das Joch mit der Jochspule für die Auslösung ist durch die Windungen 135 angedeutet. .Auf demselben Joch sitzen außerdem ähnliche Auslösewicklungen 135', deren Bedeutung weiter unten erläutert werden wird. Jeder der einpoligen Schalter ist mit Hilfskontakten 136, 136', 137, 137' ausgerüstet, die geschlossen· sind, solange der betreffende Schalter geschlossen ist, und gleichzeitig mit ihm in die Offenstellung gehen. iao Ferner weist jeder Schalter Kontakte 138 und 138' auf, die offen sind, wenn der Schal-

ter geschlossen ist, und umgekehrt. Es ist notwendig, daß keiner der Kontakte 138 geschlossen werden kann, bevor die Kontakte 136 und 137 des gleichen Schalters offen sind. Um alle Jöchspulen 135 gleichzeitig zu erregen, so daß sämtliche Schalter 133 gleichzeitig herausfallen, liegen die Spulenwicklungen 135 parallel an dem einen Pol der Steuerstromquelle 112, in der Zeichnung beispielsweise an dem positiven Pol, und zwar über die Hilfskontakte 136 ihrer zugehörigen Hochspannungsschalter. An dem negativen Pol der Steuerstromquelle sind die Jochspulen' über die Kontakte 116, 117 eines Schnellrelais 104 gelegt, daß von der eingangs beschriebenen Art ist (vgl. Abb. 1, 11, 12, 13).. Die Auslösewicklung 119 des Jochs dieses Schnellrelais liegt einerseits über die sämtlichen Hilfskontakte 137 am Pluspol der Steuerstromquelle, andererseits über die Kontakte 140 eines Überstromrelais 141 oder über die parallel dazu liegenden Kontakte 142 eines von· Hand oder sonstwie betätigten Schalters 143 und den Widerstand 127 an der anderen negativen Schiene des Steuerstromkreises. Das Überstromrelais 141 kann beliebiger Art sein, und eine beliebige''Anzahl derartiger Überstromrelais kann mit ihren Kontakten in Parallelschaltung oder sonst in -3o geeigneter Weise geschaltet sein. Der Einfachheit halber ist in der Abb. 10 nur ein Überstromrelais dargestellt, das über den Stromwandler 144 in einer Phase der Leiter 132 liegt. Der Widerstand 127 ist ein Ohmscher Widerstand, auf den die Windungszahl der Wicklung 119, wie weiter oben an Hand des Schnellauslösers 3 beschrieben, zwecks Erreichung einer möglichst kleinen Zeitkonstante abgestimmt ist. Das Schnellrelais 104 ist also erfindungsgemäß für das -Optimum der Ansprechgeschwindigkeit bemessen. Ebenfalls ist parallel zu der Jochwick-.lung 119 ein Kondensator 145 geschaltet, der dem Kondensator C der Abb. 2 entspricht.

+5 Er entlädt sich in die Wicklung 119, wenn die Kontakte 140 des Überstromrelais oder die Kontakte 142 des Handschalters 143 geschlossen sind. Entsprechend wird der Kondensator 154 parallel zu den Auslösespulen 135 der Auslöser 103 durch Schließen der Kontakte 116, 117 gelegt. -Mit 153 ist ein dem Ohmschen Widerstand 127 entsprechender Widerstand bezeichnet, auf den die Wicklungen 135 für das Optimum der Auslösegeschwindigkeit abgestimmt sind.

Um, wie früher erörtert, nach dem Öffnen der Schälter 135 das Schnellrelais 104 wieder in Bereitschaftsstellung zu bringen, d. h. den Anker 110 in die Anzugsstellung und die Kontakte 116, 117 in die Offenstellung, ist das Hilfsrelais 146 vorgesehen,., dessen Kontakte 147 in dem Stromkreis der Rückholwicklung 120 liegen. Dieses Hilfsrelais 146 entspricht dem Relais 32 der Abb. 1. Es liegt mit seiner Wicklung auf der einen Seite über die in Serie geschalteten Hilfskontakte 138 am Pluspol des Steuernetzes, auf der anderen Seite über einen Begrenzungswiderstand 148 . und die Kontakte 116, 11,7 des Schnellrelais 104 an der Minusschiene des Steuernetzes. Infolgedessen kann das Rückholrelais nur ansprechen, wenn alle Hochspannungsschalter 133 vollständig geöffnet haben. In der Ausführung nach Abb, 11 bis 13 ist dieses Relais 146 als ein Klappankerrelais dargestellt, das in geeigneter Weise unterhalb des Schnellrelais auf der Grundplatte 124 angeordnet ist. Es mögen sich alle Teile der Anlage in der Stellung der Abb. 10 befinden und es möge nun im Netz 132 ein Fehler auftreten, der das Überstromrelais 141 in Tätigkeit setzt (statt dessen kann auch der Schalter 143 etwa von Hand betätigt werden), dann wird der Stromkreis der Auslösewicklung 119 über die Kontakte 140 (bzw. 142) geschlossen. Die Wicklung 119 baut nun 'den ablenkenden Fluß mit Rücksicht auf ihre kleine Zeitkonstante und die Hilfsentladung des Kondensators 145 sehr schnell auf und löst dadurch den Anker 110 aus, so daß die Kontakte 116, J17 geschlossen werden. Sobald diese Kontakte sich schließen, werden alle Auslösewicklungen 135 der Schnellauslöser 103 in Parallelschaltung an das Steuernetz gelegt, und zwar über die jetzt geschlossenen Kontakte 136. Gleichzeitig wird der aufgeladene Kondensator 154 parallel zu den Spulen geschaltet. Infolgedessen findet eine sehr schnelle Auelösung der Hochspannungsschalter statt. Sobald diese sämtlich geöffnet - Haben, sind die Hilfskon- i'oo takte 136 geöffnet und haben dadurch die Kreise der Wicklungen 135 geöffnet. Andererseits sind jetzt die Hilfskontakte 138 geschlossen und dadurch auch der Steuerstromkreis des Hilfsrelais 146, da ja auch die Kontakte 116, 117 geschlossen sind. Infolgedessen wird das Hilfsrelais 146 erregt und schließt seine Kontakte 147. Sobald diese geschlossen sind, kann der Strom durch die Rückholwindung 120 fließen. Ihr Fluß steigert die Zugkraft n° des permanenten Magnets 112 und führt den Anker 110 wieder in die Anzugsstellung, womit gleichzeitig die Kontakte 116', 117 wieder geöffnet werden. - Durch diese letztere Kontaktöffnung wird der Stromkreis des Hilfsrelais 146 wieder geöffnet und damit auch die Kontakte 147. Die Rückholwicklung 120 wird dadurch wieder stromlos. Der Anker 110 bleibt in seiner Anzugsstellung unter der Wirkung des von dem permanenten Magnet 112 erzeugten Magnetflusses. Alle Teile der Schaltanlage sind somit in Bereitschaftsstel-

Claims (10)

1. lung für die Wiedereinschaltung der Schalter

   133 von Hand oder auf andere Weise. 'Nachdem diese Einschaltung erfolgt ist, kann eine Auslösung durch ein Überstromrelais (141) oder von Hand (Schalter 143) erneut stattfinden.

   Der Zweck der Hilf sauslösewicklungen 135' ist der, eine gleichzeitige Auslösung sämtlicher Schalter 133 zu erzielen, falls nur ein ίο oder zwei Schalter infolge irgendwelcher Störungen herausfallen, sei es, daß ein Fehler im Schalterschlpß oder an der Verriegelung

   134 o. dgl. auftritt. Zu diesem Zwecke sind in die Stromkreise der Wicklungen 135' die Hilfskontakte 136' geschaltet, ähnlich wie die Hilfskontakte 136 in diejenigen der Wicklungen 135. Ferner liegen die Hilfskontakte 137' und 138' derartig in dem Wicklungskreis des H.ilfsrel%is 155, daß das Relais stromlos ist, solange alle drei Kontakte 137' oder alle drei Kontakte 138' gleichzeitig geschlossen sind. Sind aber diese Kontakte in irgendeiner anderen Kombination geschlossen, d. h. sind nur ein oder zwei der Schalter 133 geöffnet, so erhält die Wicklung des Hilfsrelais 155 Strom. Dadurch werden dessen Kontakte geschlossen und damit die Wicklungen 135' über den Begrenzungswiderstand 153' an die Steuerstromquelle 112 gelegt. Sämtliehe drei Schnellauslöser 103 sprechen an, wobei diejenigen Schalter 133, die noch geschlossen sind, nunmehr ebenfalls fallen. Nunmehr sind wieder drei Hilfskontakte 138' geschlossen, d. h. der Stromkreis des Hilfsrelais 155 ist unterbrochen, das Relais fällt und öffnet die Kontakte 156. Nach Beseitigung etwaiger Fehler, die zum Abschalten der ersten Schalter geführt hatten, können nun die Schalter 133 wieder eingelegt werden, da das Schnellrelais 104 nach wie vor in Bereitschaftsstellung ist.

   Ι'λ τ ε ν τ λ ν s i' κ ü e u ε :

   i. Magnetischer Schnellauslöser oder Schnellrelais, bei dem ein Anker normalerweise von einem von Dauermagnetismus durchfluteten Haltemagnet gegen eine Federkraft in der Schlußstellung gehalten wird und der mit einer Jochspule versehen ist, die bei Erregung durch den Auslöse- (Ansprech-) Gleichstrom den Magnetfluß des Joches teils durch den Haltemagnet treibt und dessen m-agnetisehen Fluß verstärkt, teils durch den Anker treibt und dessen magnetischen Fluß so schwächt, daß der Anker abgerissen wird, insbesondere für Hochspannungsschalter großer Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltemagnet aus einem permanenten Magnetkörper (6, 17, 112, 151) mit sehr hohem, und zwar annähernd dem der Luft entsprechenden magnetischen Widerstand besteht, vorzugsweise einer Legierung mit Ausscheidungshärtung, wie Nickel-Eisen-Aluminium-Legierungen mit oder ohne Kobalt, während der Jochkörper (36,118), die Polfortsätze (113), die Polschuhe (7, 18, 19,.114, 152) und der Anker (8, 20, 110, 150) aus weichem, zweckmäßig lamelliertem Eisen sehr geringen magnetischen Widerstandes hergestellt sind.
2. 2. Magnetischer Schnellauslöser oder Schnellrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis der Jochspule (T) ein Ohmscher Widerstand (R) vorgesehen ist, der mit der Wicklungszahl der Jochspule (T) so abgeglichen ist, daß beim Einschalten der Steuerspannung die Anstiegsgeschwindigkeit des Steuerstromes, bezogen 'auf den zeitlichen Endwert der Steuerstromstärkej so groß wird, daß die zum Auslösen erforderliche Erregung in etwa der kürzest möglichen Zeit erreicht wird.
3. 3. Magnetischer Schnellauslöser oder Schnellrelais nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Jochspule (11, T, 119, 135) ein Kondensator (16, C, 145,154) derart parallel geschaltet ist, daß er normalerweise an der Steuergleichspannung (12, 112) liegt und sich beim Schließen der Spulenbetätigungskontakte (14, S, 116/117, 140) in Verstärkung des Steuerstromes stoßartig in die Jochspule entlädt.
4. 4. Schnellauslöseanordnung mit Schnellauslöser" und Schnellrelais nach Anspruch 1 bis 3, insbesondere für Hochspannungs- ioo schnellschalter großer Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß das Überstromrelais

   (S) 13) 14; 14Ο) H¹» 144) des Hochspannungsschalters (1,133) den Jochspulenkreis des Schnellrelais (4, 104) steuert, das über seinen Kontakt (S, 116/7) denjochspulenkreis des Schnellauslösers (3, 103) beeinflußt, der seinerseits wieder mittels seines Ankers (20, 150) den Verriegelungshebel (22, 134) der Schaltstange (i') des Schal- no ters (i, 133) steuert.
5. 5. Schneilauslöseanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellrelais (4,104) auf seinem Joch eine von der Steuerspannung (12, 112) gespeiste Rückholspule (30,120) trägt, deren Stromkreis von dem Schalter (1, i'; 133) so gesteuert wird, daß sofort bei Erreichen von dessen Aus-Stellung das Schnellrelais wieder in die Anzugsstellung geht und den Spulenbetätigungskontakt (S, 116/7) öffnet.
6. 6. Schnellauslöseanordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch-gekennzeichnet, daß der Hochspannungsschalter (i, 133) beim Ausschalten· einen Hilfskontakt (26, 136) im Kreis der Schnellauslöserjochspule (T, 135) öffnet, bevor der Kreis der Rückholspule (30, 120) des Schnellrelais geschlossen ist.
7. Jj. Schnellauslöseanordnung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsschalter (133) beim Ausschalten über einen Hilfskontakt (137) den Jochspulenkreis des Schnellrelais (104) Öffnet (Abb. 10). -
8. 8. Schnellauslöseanordnung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsschalter (1, 1') beim Aus- und/oder Einschalten vorübergehend eine Magnetisierungswicklung (34) auf dem permanenten Magnet (17) des Schnellauslösers (3) schließt (Abb. 1 und 3).
9. 9. Schnellauslöseanordnung nach Anspruch 4 bis 8 für mehrpolige Hochspannungsschalter, dadurch gekennzeichnet, daß der aus je einem Phasenschalter (133) mit Schnellauslöser (103) in jeder Phase bestehende Hochspannungsschalter für die Steuerung sämtlicher Schnellauslöser ein gemeinsames Schnellrelais (104) aufweist (Abb. 10).
10. 10. Schnellauslöseanordnung nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellauslöser joche Hilfsauslösespulen (135') tragen, die durch Kopplungskontakte (136', 137', 138') an den Phasenschaltern (133) derart miteinander elektrisch gekoppelt sind, daß beim Auslösen eines Phasenschalters auch die anderen Phasenschalter mitfallen (Abb. 10).

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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