EP0243980B1 - Kontaktanordnung für strombegrenzende Niederspannungs-Leistungsschalter - Google Patents

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EP0243980B1
EP0243980B1 EP87106355A EP87106355A EP0243980B1 EP 0243980 B1 EP0243980 B1 EP 0243980B1 EP 87106355 A EP87106355 A EP 87106355A EP 87106355 A EP87106355 A EP 87106355A EP 0243980 B1 EP0243980 B1 EP 0243980B1
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H77/00—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting
    • H01H77/02—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism
    • H01H77/10—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening
    • H01H77/102—Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening characterised by special mounting of contact arm, allowing blow-off movement

Definitions

  • the invention relates to a contact arrangement according to the preamble of claim 1.
  • DE-AS 1 638 154 which describes a circuit breaker in which at least one movable contact arm is pivoted by the other contact arm under the influence of short-circuit currents and their electro-dynamic forces.
  • One end of a tension spring which can be moved via a dead center acts on the movable contact arm, while the other end is fastened to a pivotable auxiliary lever.
  • the contact arm also has a pin for driving the auxiliary lever, which engages in an L-shaped recess in the auxiliary lever.
  • the relatively slow start of contact opening has another consequence: Immediately after the contact separation, even with swiveling contacts, there is hardly any rotational movement; the contact surfaces move away, apparently parallel to each other and straight from each other.
  • the plasma jets emerging from the arc base have the tendency to be perpendicular to the contact surfaces from which they emerge.
  • the tips of the plasma rays, which generate new arc base points on the opposite contact surface and could thus initiate a base point movement strike the counter contact surface only in a relatively narrowly limited area around the respective opposite arc base point.
  • the base points therefore move in a very small space; a movement in the desired direction towards the drain edge or towards the drain horn cannot be achieved with small contact openings.
  • the object of the invention is therefore to provide a contact arrangement in which the moments of inertia of the movable contact arms are reduced using technically simple means.
  • the contact arrangement according to the invention has a particular advantage of a faster rise in the arc voltage and a better current limitation. As a result, there is less short-circuit stress on the system parts to be protected and achieved by the switch itself, which also leads to a smaller switching volume.
  • the above-mentioned proportional factor c contains the reciprocal of the moment of inertia ⁇ .
  • K is a new proportionality factor for the current square force conversion.
  • the rotational acceleration changes inversely proportional to the mass moments of inertia of the moving contact parts. The smaller these mass moments of inertia, the greater the acceleration at given current forces. The current forces that are still effective at the moment of the contact separation can accelerate the smaller moments of inertia of the contact rockers more strongly and thus cause a very quick opening.
  • the springs shown are compression springs, the function of which can optionally also be carried out by appropriately arranged leaf springs or torsion springs.
  • the contact arrangement consists of a movable contact arm with the main section 5 and the contact rocker 13 and a c-shaped fixed contact arm with the main section 6 and the contact rocker 14.
  • the contact rockers 13, 14 carry the contact pieces 1, 2 at their outer ends 16, 17 and an expansion bearing 24 at the inner ends 18, 19 Compression springs 20, 21 loaded, which are supported on a spring bearing 22 in the movable contact arm and on a spring bearing 23 in the fixed contact arm.
  • the inner ends 18, 19 of the contact rockers 13, 14 are electrically insulated from one another up to the respective pivot point 15 in such a way that arcing between them is prevented.
  • FIG. 1a shows the contact arrangement in the closed normal state.
  • the locking force acting on the main section 5 of the movable contact arm presses the contact rockers 13, 14 together on the contact pieces 1, 2 and on the expansion bearing 24, the required contact pressure being applied to the contact pieces 1, 2.
  • the springs 20, 21 are matched to one another in such a way that the contact rockers 13, 14 are aligned with the main sections 5, 6 of the contact arms in this operating state.
  • the contact rockers 13, 14 quickly form a relatively large angle to one another.
  • the plasma rays emerging perpendicular to the contact surfaces of the contact pieces 1, 2 will quickly migrate with their base points on the respective counter contact piece in the direction of the desired arc movement during the early rotation. From a certain opening angle, the plasma jets no longer have a base on the respective counter-contact piece and are directed into the space that lies between the contact pieces 1, 2 and an arc quenching chamber, not shown.
  • the plasma rays contain almost no more neutral particles, but mainly electrons and ions, i.e. charge carriers, which prepare the arc column, as it were, the way out of the contact space to the arc quenching chamber.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Strombegrenzende Niederspannungs-Leistungsschalter haben die Aufgabe, im KurzschluBfell möglichst schnell eine hohe Lichtbogenspannung zu erzeugen, um eine gute Strombegrenzung zu erreichen. Dadurch wird die dynamische Beanspruchung (gegeben durch das Stromquadrat I²) und die thermische Belastung (gegeben 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 Kontaktöffnungen 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 vorteilhaften, aber teuren Doppelunterbrechung verbunden wird, wie sie beispielsweise in einem Prospekt der Firma Sace beschrieben sind. Weiterhin sind Festkontakte mit schwenkbaren Kontaktarmen, vorzugsweise C-förmig ausgebildet, aus dem Prospekt der Firma Westinghouse bekannt, die das gleiche Ziel anstreben.
  • Besonders bei den schwenkbaren Kontaktarmen wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei großen Kurzschlußströmen und hohen Stromsteilheiten (abhängig von Leistungsfaktor des Kurzschlußstromkreises und vom Zeitpunkt des Kurzschlusses) die Stromkräfte an der Kontaktstelle (Abstoßungskraft bei Parallelführung der Kontaktarme und Schleifenkraft) 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.
  • In diesem Zusammenhang ist auf die US-PS 35 34 305 hinzuweisen, die einen strombegrenzenden Leistungsschalter beschreibt, bei welchem der bewegliche Kontaktarm unterteilt ist und der das Kontaktstück tragende Abschnitt in der Anfangsphase des elektrodynamischen Öffnens gegen die Kraft einer Druckfeder einen öffnenden Schwenkwinkel bildet. Diese Kontaktanordnung führt im Kurzschlußfall zwar auch zu einem anfänglich schnelleren Öffnen der Kontaktstücke, hat aber den Nachteil, daß dieses Öffnen gegen die Druckfeder erfolgen muß und daß das Gegenkontaktstück nicht zur schnellen Vergrößerung des Öffnungswinkels beiträgt.
  • In diesem Zusammenhang ist auch auf die DE-AS 1 638 154 hinzuweisen, die einen Selbstschalter beschreibt, bei welchem mindestens der eine bewegliche Kontaktarm unter dem Einfluß von Kurzschlußströmen und deren elektro-dynamischen Kräften von dem anderen Kontaktarm verschwenkt wird. An dem beweglichen Kontaktarm greift das eine Ende einer über einen Totpunkt bewegbaren Zugfeder an, während das andere Ende an einem schwenkbaren Hilfshebel befestigt ist. Der Kontaktarm weist ferner zum Antrieb des Hilfshebels einen Zapfen auf, der in einer L-förmigen Aussparung des Hilfshebels eingreift. Bei Auftreten eines Kurzschlußstromes treten in beiden parallel zueinander liegenden Kontaktarmen elektro-dynamische Kräfte auf, die die Kontaktarme in entgegengesetzte Richtungen auseinander treiben. Die Drehung der Kontaktarme im Schwenkzapfen bewirkt, daß die Zugfedern von der einen Übertotpunktlage in die andere Übertotpunktlage gebracht werden (Schnappeffekt) und die Kontaktarme in der offenen Position halten. Diese Kontaktanordnung führt zwar auch zu einer raschen Öffnung der Kontakte im Kurzschlußfall, erfordert jedoch einen großen technischen Aufwand.
  • Aus der DD-PS 225 237 ist zu entnehmen, daß für strombegrenzende Leitungsschutzschalter die Öffnungsgeschwindigkeit eines mittels eines Schlagankers angetriebenen Schaltkontaktes dadurch erhöht wird, daß der Schaltkontaktarm mittig im Bereich des Massenschwerpunktes drehbeweglich gelagert wird, Dadurch wird das Massenträgheitmoment herabgesetzt.
  • Die Stromkräfte, 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 schnelle Kontaktöffnung wünschenswert.
  • Die relativ langsam beginnende Kontaktöffnung hat noch eine weitere Folge:
    Unmittelbar nach der Kontakttrennung ist auch bei schwenkbaran Kontakten noch kaum eine Drehbewegung festzustellen; die Kontaktflächen entfernen sich, scheinbar parallel zueinander und geradlinig voneinander. Die aus den Lichtbogenfußpunktan austretenden Plasmastrahlen haben die Tendenz senkrecht auf den Kontaktflächen zu stehen, aus denen sie austreten. Die Spitzen der Plasmastrahlen, die auf der gegenüberliegenden 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 daher, eine Kontaktanordnung zu schaffen, bei der mit technisch einfachen Mitteln die Massenträgheitsmomente der beweglichen Kontaktarme herabgesetzt werden.
  • 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 Schalte volumen führt.
  • Dabei wird von folgender Überlegung ausgegangen: Der oben erwähnte Proportionalfaktor c beinhaltet den Reziprokwert des Massenträgheitsmomentes ϑ. Die Gleichung für die Dreh-Beschleunigung stellt sich dann folgendermaßen dar:

    ε = 1/ϑ * K * i²
    Figure imgb0001

    wobei K ein neuer Proportionalitätsfaktor für die Stromquadrat-Kraft-Umrechnung  ist. D.h.: die Drehbeschleunigung verändert sich umgekehrt proportional zu den Massenträgheitsmomenten der beweglichen Kontaktteile. Je kleiner diese Massenträgheitsmomente sind, desto größer ist die Beschleunigung bei gegebenen Stromkräften. Die im Augenblick der Kontakttrennung noch wirksamen Stromkräfte können die kleineren Massenträgheitsmomente der Kontaktwippen stärker beschleunigen und somit eine sehr schnelle Anfangsöffnung bewirken.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt.
    Es zeigt
    • Figur 1a ... 1c
    eine Ausführung mit einer Wippe an den Enden des beweglichen Kontaktarmes bzw. eines c-förmigen Festkontaktes.
  • In den Figuren wurden die Elemente zur Stromübertragung auf die die Kontakte tragenden Wippenteile, z.B. Strombolzen, Flexbänder u.ä., wegen der Übersichtlichkeit weglassen.
  • Die dargestellten Federn sind Druckfedern, deren Funktion gegebenenfalls auch von entsprechend angeordneten Blattfedern oder Drehfedern ausgeführt werden kann.
  • In der Ausführungsform gemäß den Fig. 1a - 1c besteht die Kontaktanordnung aus einem beweglichen Kontaktarm mit dem Hauptabschnitt 5 und der Kontaktwippe 13 sowie aus einem c-förmigen Festkontaktarm mit dem Hauptabschnitt 6 und der Kontaktwippe 14.
  • Die Kontaktwippen 13, 14 tragen an ihren äußeren Enden 16, 17 die Kontaktstücke 1, 2 und an den inneren Enden 18, 19 eine Spreizlagerung 24. Sie sind in ihren Drehpunkten 15 an den freien Enden der Hauptabschnitte 5, 6 der Kontaktarme gelagert und mit Druckfedern 20, 21 belastet, die sich beim beweglichen Kontaktarm an einem Federlager 22 und beim Festkontaktarm an einem gehäusefesten Federlager 23 abstützen. Die inneren Enden 18, 19 der Kontaktwippen 13, 14 sind bis zum jeweiligen Drehpunkt 15 gegeneinander elektrisch so isoliert, daß eine Lichtbogenbildung zwischen ihnen verhindert wird.
  • Die Fig. 1a zeigt die Kontaktanordnung im geschlossenen Normalzustand. Die auf den Hauptabschnitt 5 des beweglichen Kontaktarmes wirkende Schloßkraft drückt die Kontaktwippen 13, 14 an den Kontaktstücken 1, 2 und an der Spreizlagerung 24 zusammen, wobei der erforderliche Kontaktdruck auf die Kontaktstücke 1, 2 aufgebracht wird. Die Federn 20, 21 sind so aufeinander abgestimmt, daß die Kontaktwippen 13, 14 in diesem Betriebszustand mit den Hauptabschnitten 5, 6 der Kontaktarme fluchten.
  • Übersteigen im Kurzschlußfall die Stromkräfte und besonders die Stromkräfte den Kontaktdruck, spreizen sich die Kontaktwippen 13, 14 wie in Fig. 1b dargestellt auf, wobei die Federkräfte die Öffnung der äußeren Enden 16, 17 noch unterstützen. Bis zum Erreichen der größten Spreizlage der beiden Kontaktwippen 13, 14 stützen sie sich an einem ballig ausgeführten Berührungspunkt 24 ab und tragen damit noch zur Verstärkung der Öffnungskraft auf den beweglichen Kontaktarm bei.
  • Wegen des kleinen Drehradius des äußeren Endes 16 gegenüber dem Radius des schwenkbaren Hauptabschnittes 5 und dem Schwenken der Kontaktwippe 14 bilden die Kontaktwippen 13, 14 schnell einen relativ großen Winkel zueinander. Die senkrecht zu den Kontaktflächen der Kontaktstücke 1, 2 austretenden Plasmastrahlen werden bei der frühzeitigen Drehung mit ihren Fußpunkten auf dem jeweiligen Gegenkontaktstück schnell in Richtung der gewünschten Lichtbogenbewegung wandern. Ab einem bestimmten Öffnungswinkel haben die plasmestrahlen keinen Fußpunkt mehr auf dem jeweiligen Gegenkontaktstück und sind in den Raum gerichtet, der zwischen den Kontaktstücken 1, 2 und einer nicht dargestellten Lichtbogenlöschkammer liegt. Die Plasmastrahlen enthalten fast keine neutralen Teilchen mehr, sondern hauptsächlich Elektronen und Ionen, also Ladungsträger, die der Lichtbogensäule gleichsam den Weg aus dem Kontaktraum zur Lichtbogenlöschkammer vorbereiten.
  • Nachdem die Kontaktwippen 13, 14 beim Öffnen ihre Endlagen erreicht haben, endet die Berührung der Kontaktwippen an der Spreizlagerung 24. Der Hauptabschnitt 5 des beweglichen Kontaktarmes bewegt sich wegen des größeren Massenträgheitsmomentes mit geringerer Geschwindigkeit in bekannter Weise als Folge der auf ihn einwirkenden Stromkräfte (Schleifenkraft, Abstoßungskraft bei Parallelführung der Kontaktarme) in Öffnungsrichtung und die Kontaktwippen 13, 14 bleiben unter der Wirkung der Druckfedern 20, 21 in der aufgespreizten Stellung entsprechend Fig. 1c. Die bei Beginn des Ausschaltvorganges gewonnene Öffnung der Kontakte bleibt praktisch bis zur Wiedereinschaltung und damit bis zum Ende des Ausschaltvorganges erhalten.
  • Beim Schließen der Kontaktanordnung setzen die Kontaktwippen an der Spreizlagerung 24 auf und schwanken gegen die Kraft der Federn 20, 21 auf Grund der auf den Hauptabschnitt 5 einwirkenden Schloßkraft in ihre parallele Stellung. Bei weiter zunehmender Belastung wird auf die Kontaktstücke 1, 2 ein entsprechender Kontaktdruck aufgebracht.
  • Durch die beschriebene Anordnung werden relativ kleine Massen besonders durch die Stromkräfte beschleunigt und bereits in der Anfangsphase der Kontaktöffnung ein relativ großer Winkel der Kontaktflächen gegeneinander hergestellt, der die Bewegung der Lichtbogenfußpunkte und die Ionisation des Raumes zwischen Kontaktstücken und Lichtbogenlöschkammern durch die Plasmastrahlen begünstigt.
  • Es kann gegebenenfalls erforderlich sein, daß die dem Drehpunkt 15 nahen Teile der Hauptabschnitte 5, 6 und Teile der äußeren Enden 16, 17 elektrisch isoliert sind. Diese Teile sind auch nach der Aufspreizung der Kontaktwippen noch einige Zeit in geringem Abstand zueinander (Fig. 1c) bzw. sogar in Berührung (15, 18, 19 in Fig. 1b). Die Isolation soll die Entstehung eines Lichtbogens an diesen Stellen und in Fig. 1b die Stromführung über die belligen Auflagen der Spreizlagerung 24 verhindern.

Claims (6)

  1. Kontaktanordnung für strombegrenzende Niederspannungs Leistungsschalter mit einem Kontaktstück (1) an einem beweglichen, geteilten Kontaktarm und einem Gegenkontaktstück (2) an einem festen Kontaktarm, wobei die Teile des beweglichen Kontaktarmes untereinander mit einer Druckfeder (20) belastet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Kontaktarm geteilt ist und die die Kontaktstücke (1, 2) tragenden Endabschnitte der Kontaktarme als druckfederbelastete Kontaktwippen (13, 14) ausgebildet sind, wobei die auf die Kontaktwippen (13, 14) wirkenden Druckfedern (20, 21) ein elektrodynamisches Öffnen der Kontaktstücke (1, 2) unterstützen, derart, daß die Kontaktwippen (13, 14) mit ihren äußeren Enden (16, 17) einen sich öffnenden Schwenkwinkel gegenüber den Hauptabschnitten (5, 6) der Kontaktarme bilden, wobei sich die Kontaktstücke (1, 2) an den äußeren Enden (16, 17) der Kontaktwippen (13, 14) befinden und die inneren Enden (18, 19) der Kontaktwippen (13, 14) als druckfederbelastete Spreizlagerung (24) ausgebildet sind.
  2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktwippen (13, 14) mittig an den sich öffnenden Enden der Hauptabschnitte (5, 6) der Kontaktarme gelagert sind.
  3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizlagerung (24) durch elektrisch isolierende ballige Auflagen gebildet wird.
  4. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Enden (18, 19) der Kontaktwippen (13, 14) bis zum jeweiligen Drehpunkt (15) elektrisch isoliert ausgeführt sind.
  5. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktwippen (13, 14) mit Ausnahme der Bereiche, in denen die Kontaktstücke (1, 2) aufgenommen sind, elektrisch isoliert ausgeführt sind.
  6. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Drehpunkt (15) nahen Teile der Kontaktarme elektrisch isoliert ausgeführt sind.
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