DE958219C - Schnellschalter fuer hohe Schaltleistungen - Google Patents

Description

Der Schnellschalter gehört zu den kompliziertesten Schaltgeräten der Starkstromtechnik. Er stellt eine besondere Sicherheitsvorrichtung dar, um verheerende Wirkungen der gefährlichen Kurz-Schlüsse in Starkstromanlagen zu verhindern. Wird z. B. eine Gleichstrommaschine allgemein üblicher Bauart weit über ihre normale Leistungsfähigkeit stoßweise belastet, so tritt Bürstenfeuer auf. Die Stromstöße erreichen oft den vielfachen Normalwert der Maschine. Hierbei können die Bürsten, der Kollektor oder auch die Ankerwicklung beschädigt werden. Die Folge ist eine längere Betriebsunterbrechung. Das Rundfeuer der Maschinen ist in den Anlagen besonders gefährlich, die mit einem geerdeten Pol arbeiten, wie Bahnanlagen, Bagger- und Abraumanlagen. In diesen Anlagen sind große Beschädigungen sehr leicht möglich, weil der Lichtbogen unter Umständen auf das Gestell überspringt und dadurch verheerende Zerstörungen anrichten kann.

Die Maschinen werden allgemein durch Überstromselbstschalter geschützt, die gewöhnlich Auslösezeiten von 0,1 bis 0,2 Sekunden haben. In dieser Zeit hat sich aber das Rundfeuer über mehrere Polteilungen verbreitet, so daß durch das öffnen des Hauptstromkreises das Rundfeuer noch verstärkt werden kann. Es liegt daher sehr nahe, Einrichtungen zu schaffen, die in einer bedeutend kürzeren Zeit die Abschaltungen vornehmen. Diese Aufgaben haben die Schnellschalter zu erfüllen.

Wenn eine gemeinsame Sammelschiene durch mehrere Stromerzeuger gespeist wird, so kann bei einem Kurzschluß des einen Generators die gesamte Maschinenleistung der anderen Generatoren in die Kurzschlußstelle hineinarbeiten. Die Zuleitung von der Sammelschiene zur Kurzschluß-

stelle führt dann einen Rückstrom, der das ganze Netz einschließlich aller Verbraucher erheblich in Mitleidenschaft ziehen kann. Für diese Fälle, die bei Parallelbetrieb immer eintreten können, werden in der Hauptsache Rückstromschnellschalter eingebaut, die bei einem derartigen Kurzschluß möglichst schnell abschalten müssen, bevor alle anderen Auslösevorrichtungen des Netzes ansprechen.

ίο Es kommt also bei Schnellschaltern ganz besonders auf die zeitlich kurze Auslösemöglichkeit und auf die schnelle Stromherabsetzung an. Der Anstieg des Kurzschlußstromes kann allgemein mit io⁴ bis io⁶ Amp./Sek. angenommen werden, d. h. in einer Millisekunde etwa 10 bis 1000 Amp. Jede Zeitverzögerung bedeutet somit eine erhöhte Schaltarbeit des Schnellschalters und eine Gefährdung der Anlage.

Die erforderlichen kurzen Schaltzeiten lassen sich keineswegs durch den üblichen Schaltmechanismus eines Überstromselbstschalters erreichen. Die Schnellschalter haben daher andere Auslösevorrichtungen, die es ermöglichen, bei Nennströmen für 400 bis 1000 Amp. in einer Zeit von 0,005 bis 0,01 Sekunde die ganze Abschaltung vorzunehmen. Hierbei kommt es ganz besonders auf die Eigenzeit eines Schalters an. Bedeutend schwieriger werden die Verhältnisse, wenn es sich um größere Stromstärken handelt, weil die Masse der bewegten Teile nicht so schnell in Bewegung gesetzt werden kann. Wenn auch hier für Stromstärken bis zu 3000 Amp. Nennstrom noch annähernd befriedigende Resultate erzielt worden sind, so treten bei noch größeren Stromstärken, z. B. 4000 bis 10 000 Amp., bedeutend größere Schwierigkeiten auf. Sie sind hauptsächlich in der trägen Massenbeschleunigung am Anfang des Schaltvorganges zu suchen. Die Bemühungen, diese Massen klein zu halten, sind außerordentlich vielseitig, sie lassen sich jedoch mit Rücksicht auf den erforderlichen Querschnitt eines Stromleiters für einen bestimmten Nennstrom nicht weiter verringern. Für die Lösung des Problems müssen somit größere Ausschaltkräfte zweckmäßig angesetzt werden.

Im allgemeinen wird der Schnellschalter mit Freiauslösung durch Kraftantrieb eingeschaltet, dabei kann der erforderliche Kontaktdruck erzeugt werden a) durch einen Haltemagnet oder b) durch eine federnde Verklinkung. Die Ausschaltung des Schalters erfolgt allgemein c) durch Verkleinerung des magnetischen Halteflusses und Vergrößerung des magnetischen Flusses eines Ausschaltmagnets, oder d) durch Federkraft nach Lösung einer Sperrung. Die Flußumlenkung zwischen dem Halte- und Ausschaltmagnet ist sehr gebräuchlich und hat viele Sonderausführungen geschaffen. Sie alle weisen aber den einen Mangel auf, daß ein Anker, der an den zwei Polen des Haltemagnets so lange anliegt, bis der Magnetfluß des Ausschaltmagnets die Kräftegleichheit hergestellt hat, einem Spiel der beiderseitigen Kräfte unterworfen ist, so daß die Zugkraft des Ausschaltmagnets nur allmählich ansteigt. Die Zugkraft des Ausschaltmagnets beginnt also nach der Kräftegleichheit mit dem Wert Null und steigt nur stetig an. Hieraus ergibt sich nun die Unvollkommenheit des Systems, die darin besteht, daß die Zugkraft gerade am Anfang klein ist, wo sie zweckmäßig mit Rücksicht auf den Beginn der Massenbeschleunigung am größten sein sollte. Hierdurch tritt eine wesentliche Zeitverzögerung für den Abschaltevorgang ein, die bei Schnellschaltern für große Stromstärken mit großen beweglichen Massen beinahe die Schnellschaltung in Frage stellen könnte. Hinzu kommt noch die Tatsache, daß die langsamere Anfangstrennung der Hauptkontakte einen großen Kontaktabbrand verursacht, der wiederum durch seine Metalldämpfe die Leitung des Stromes in Luft fördert und somit die schnelle Löschung des Lichtbogens verzögert. Diese Unvollkommenheit kann durch die Verwendung eines Schlagankers beseitigt werden, der nach einem Leeranlauf den Kontakthebel schlagartig für einen kleinen Hub trennt. Allerdings sind diese Schnellschalter nur für Stromstärken bis 3000 Amp. verwendbar, weil die Schlagwirkung bei größeren Massen wenig verlustlos erfolgt. Dieser Schalter mit Schlagankerprinzip kann sich bei kurzer Löschdauer sofort wieder selbst einschalten, wenn die mechanische Verklinkung nicht rechtzeitig ausgelöst worden ist. Alle Schalter, die für eine größere Schalthäufigkeit bestimmt sind, müssen eine Einrichtung haben, durch die es möglich ist, den Lichtbogen oberhalb der Kontakttrennflächen zu ziehen. Diese Maßnähme ist bei den kleineren Schnellschaltern wenig berücksichtigt worden. Der Kontakthebel besteht hier allgemein aus einem Stück und ist ohne beweglichen Vor- oder Abreißkontakt ausgeführt, so daß der Lichtbogen an der engsten Stelle, also unterhalb der Kontaktflächen, nach oben laufen muß, wodurch Oxydbildung und eine Verschmutzung durch Brandstellen der Lichtbogenfußpunkte eintreten kann. Der Lichtbogen durchläuft nach seiner Entstehung einen engen Kanal von der unteren Kontaktkante bis zum Erreichen der Funkenhörner, ohne daß er sich nennenswert verlängern kann, wobei die Lichtbogenspannung auch klein bleibt, was zur Folge hat, daß der notwendige Wärmeentzug zur Löschung sehr spät einsetzt. Die schnelle Abschaltung wird hierdurch zeitlich verzögert, weil dem Lichtbogen eine schnelle Verlängerung in dem engen Kontaktraum genommen ist. Zweckmäßig ist es daher, einen beweglichen Wälzkontakt auf dem oberen Teil des Kontakthebels anzubringen, der als Hauptkontakt eine genügende Wärmekapazität haben muß.

Es ist ferner ein Schnellschalter bekannt, der ebenfalls wie der Gegenstand der Erfindung in zwei Vorgängen einschaltet, bei dem jedoch ein doppelarmiger Kontakthebel, der in seiner ganzen Länge vom Hauptstrom durchflossen wird, allein durch Zugfedern bewegt werden muß, die nicht nur die große Hebelmasse, sondern auch die Masse des Halteankers sowie einen großen Teil der Masse des flexiblen Bandes, die am unteren Ende des Kon-

takthebels angebracht ist, bewegen muß. Durch eine derartige Ausführung werden die Eigenzeit dieses bekannten Schalters sowie die Schaltgeschwindigkeit des Hebels, die zur Erzielung einer schnellen Lichtbogenlöschung gerade in dem ersten Drittel des Öffnungsweges groß sein muß, ungünstig beeinflußt.

Die aufgeführten Mängel der bekannten Schnellschalter werden durch den Gegenstand der Erfindung vermieden. Dies wird dadurch erreicht, daß bei einem Schnellschalter für hohe Schaltleistungen mit Halte- und Ausschaltmagnet eine einzige Hauptstromspule als Träger aller stromführenden Teile des Magnetsystems die magnetischen Kraftflüsse, für Blas-, Halte- und Ausschaltmagnet erzeugt und daß der mit dem Magnetanker und einem beweglichen, abwälzenden Hauptkontakt versehene Kontakthebel an ihrem Ende angelenkt ist, wobei die unterhalb des Drehpunktes des Hauptkontaktes an seinem stromfreien Ende angreifende Federkraft, die in der Einschaltstellung den Kontaktdruck bei gleichzeitiger Möglichkeit der Freiauslösung hei stellt, für die Ausschaltbewegung zusammen mit dem durch die Kraft des Ausschaltmagnets beschleunigter Anker dem Kontakthebel dadurch eine große Geschwindigkeit gibt, daß nach einem einstellbaren Hub der nach oben abwälzende Hauptkontakt mit seinem stromlosen Ende gegen eine Kippvorrichtung schlägt, wodurch der Hauptkontakt schlagartig von seinem festen Gegenkontakt abgerissen wird. Im einzelnen sind die wesentlichen Merkmale der Erfindung aus den Ausführungsbeispielen nach Abb. 1 (Vergleichschema) und 2 erkennbar. In Abb. 1 ist beispielsweise ein Kontakthebelsystem schematisch dargestellt, das technisch einfach und in seiner Funktion betriebssicher ist. Der Kontakthebel H ist in dem Punkt A drehbar im Anfang der Hauptstromspule gelagert. Im Punkt B ist der bewegliche Kontaktteil K₁ angelenkt, dessen oberer Teil den abwälzenden Hauptkontakt bildet und im Betriebszustand gegen den festen Kontakt K₂ gedrückt wird, solange der Magnetanker M₁ an den Polen des Haltemagnets M₂ anliegt. Den Kontaktdruck erzeugt die Feder F₁ die in dem Punkt C des Teiles K₁ angreift. Überwiegt die Federkraft F infolge Fluß verminderung im Teil M₁₂, so bewegt sich zunächst Punkt B in Pfeilrichtung, wobei beide Hauptkantakte noch geschlossen bleiben. Nach einem kurzen Weg schlägt der stromlose Teil des beweglichen Kontaktteiles Zi₁ gegen den Punkt D, die Kontakte K₁, K₂ trennen sich infolge der Kippvorrichtung, der vorhandenen Geschwindigkeit und der großen Hebelübersetzung schlagartig, so daß der Lichtbogen immer oberhalb der Kontaktflächen gezogen und außerordentlich schnell verlängert wird.

Um eindeutige und klare Vergleichswerte über die Wirkung des Ausschaltankers zu erhalten, müssen zwei sonst gleiche Systeme miteinander verglichen werden. Das eine System für 1000 Amp. Nennstrom ist als Schema durch Bild 1 dargestellt. Das zweite System ist eine Abwandlung von Bild 1, das jedoch für einen Nennstrom für 6000 Amp.

proportional vergrößert ist und mit dem Ausschaltanker versehen ist.

Gemäß der Erfindung wird ein Magnetsystem nach Abb. 2 verwendet, so daß die Ausschaltkraft der Feder F um den Betrag der jeweiligen Zugkraft des Ausschaltmagnets A₁ und A₂ vergrößert und die Geschwindigkeit der Massen wesentlich erhöht wird. Der große Erfolg dieser Maßnahme ist in Abb. 3 in Form von Kennlinien graphisch dargestellt. Hierin bedeutet:

ι. α die Weg-Zeit-Kennlinie eines Schnellschalters für 1000 Amp. Nennstrom mit Schlagankermagnet,

2. b die Weg-Zeit-Kennlinie eines Schnellschalter« für 1000 Amp. Nennstrom mit Haltemagnet entsprechend der Abb. 1,

3. c die Weg-Zeit-Kennlinie eines Schnellschallters nach Abb. 2 für 6000 Amp. Nennstrom mit Halte- und Ausschaltmagnet, wodurch der Gegenstand der Erfindung charakteristisch gekennzeichnet ist.

Obwohl die beweglichen Massen für die Kennlinie c vielfach größer sind als für Kennlinie a und b, ist die Schaltzeit bei 4 mm Ankerweg für den Schnellschalter 6000 Amp. t = 2,75 ms. Dagegen ist bei den beiden Ausführungen für 1000 Amp. t = 3,47 bzw. 3,66ms.

Der vielfach erhobene Einwand, die schnelle Abschaltung eines induktiven Stromkreises erzeuge untragbare Überspannungen, ist keineswegs stichhaltig, weil nach dem heutigen Stand der Technik die Überspannungsspitze durch sachgemäße Ausführung der magnetischen Blaseinrichtung beliebig gestaltet werden kann. Besonders wichtig ist für jeden Abschaltvorgang die große Anfangsbeschleunigung der beweglichen Massen bis zu dem Zeitpunkt, bei welchem der Lichtbogen durch das magnietische Kraftfeld erfaßt wird und unabhängig von der Größe des Kontaktabstandes durch den elektrischen Vorgang zum Erlöschen gebracht wird. Ganz, besondere Sorgfalt ist auf die wirtschaftlichen Belange für Herstellung, Montage, Zuganglichkeit, Einfachheit und geringe Wartung verwendet worden, so daß große Preisunterschiede zwischen Überstromiselbstschalter und Schnellschalter nicht mehr bestehen.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Schnellschalter für hohe Schaltleistungen mit Halte- und Ausschaltmagnet, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Hauptstromspule als Träger aller stromführenden Teile des Magnetsystems die magnetischen Kraftflüsse für Blas-, Halte- und Ausschaltmagnet erzeugt und daß der mit dem Magnetanker (M₁) und einem beweglichen, abwälzenden Hauptkontakt (K₁) versehene Kontakthebel (H) an ihrem Ende angelenkt ist, wobei die unterhalb des Drehpunktes (B) des Hauptkontaktes an seinem stromfreien Ende (Punkt C) angreifende Federkraft (F), die in der Einschaltstellung den Kontaktdruck bei gleichzeitiger Möglichkeit der

   Freiauslösung herstellt, für die Ausschaltbewegung zusammen mit dem durch die Kraft des Ausschaltmagnets beschleunigten Anker dem Kontakthebel dadurch eine große Geschwindigkeit gibt, daß nach einem einstellbaren Hub der nach oben abwälzende Hauptkontakt (K₁) mit seinem stromlosen Ende gegen eine Kippvorrichtung (D) schlägt, wodurch der Hauptkontakt (2C₁) schlagartig von dem festen Gegenkontakt (K₂) abgerissen wird.
2. 2. Schnellschalter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker mit dem drehbaren Kontakthebel (H) fest und unbeweglich verbunden ist.
3. 3. Schnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegossene Hauptstromspule als Träger der stromführenden Teile verwendet wird.
4. 4. Schnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung so ausgebildet ist, daß sie gleichzeitig für beide S tr einrichtungen, also für Vorwärts- oder für Rückstrom, bei dem einstellbaren Auslösestrorn als Schnellschalter wirkt.
5. 5. Schnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung einer Schwachstromspule auf dem Schenkel des Haltemagnets die schnelle Abschaltung durch Rückstrom bei einem einstellbaren Wert erfolgt, der bedeutend kleiner sein kann als der eingestallte Vorwärtsstrom.
6. 6. Schnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftstrecken in dem Magnetsystem für den Ausschalt- und Blasmagnet in Serie geschaltet sind.
7. 7. Schnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippvorrichtung (D) einstellbar ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Druckschrift der Siemens-Schuckertwerke, Bestell-Nr. B 990, 1944.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.