[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Schnellschalter, vorzugsweise
mit einem selbstschließenden Kontaktsystem, der in Reihe mit einem Leistungsschalter
angeordnet ist und dessen relativ zueinander angeordneten beweglichen Kontakte wenigstens
eine Schaltstrecke bilden. Dem beweglichen Kontakt ist ein Magnetantrieb mit einem
U-förmigen Magnetjoch zugeordnet, dessen Schenkel einen Schlitz bilden, in dem der
bewegliche Kontakt angeordnet ist. Der mittlere Schenkel des Magnetjoches ist mit
einer Magnetspule versehen.
[0002] Elektromechanische Schnellschalter mit einem selbstschließenden Kontaktsystem (Limiter)
können bekanntlich als "back-up" Schutz in elektrischen Verteilungen eingesetzt werden,
um die Verfügbarkeit elektrischer Netze zu erhöhen. Bei der Verwendung herkömmlicher
Schmelzsicherungen, beispielsweise Hausanschlußsicherungen, fällt das elektrische
Netz im Störungsfall einige Zeit, unter Umständen einige Stunden, aus. Ein anderes
Anwendungsbeispiel ist die Kombination, im allgemeinen die Reihenschaltung, dieses
Limiters mit einem Leistungsschalter. Das Kurzschlußschaltvermögen dieser Schalterkombination
ist wesentlich größer als das Schaltvermögen des Leistungsschalters, beispielsweise
eines Schutzschalters oder Schützes. Die Kontaktöffnungskraft kann durch den Kurzschlußstrom
und die jxB-Kräfte des Magnetfeldes erzeugt werden.
[0003] Eine bekannte Ausführungsform eines solchen elektromechanischen Schnellschalters
mit einem selbstschließenden Kontaktsystem enthält einen Magnetantrieb für den beweglichen
Schaltkontakt mit einem Magnetjoch, dessen Schenkel einen Schlitz bilden, in dem der
bewegliche Schaltkontakt angeordnet ist. Der mittlere Schenkel ist mit einer Magnetspule
versehen. Der Magnetantrieb ist in einer Schaltkammer angeordnet, die Löschbleche
enthält. Die Schaltstrecke ist außerhalb des Magnetjoches für den Magnetantrieb angeordnet.
Dieser Magnetantrieb hat somit praktisch keinen Einfluß auf die Bewegung des Lichtbogens.
Die Magnetspule ist in Reihe mit der Schaltstrecke angeordnet und führt den Hauptstrom.
Bei dem entsprechend großen Querschnitt der Windungen benötigt diese Spule somit verhältnismäßig
viel Platz und hat eine hohe Verlustleistung (DE-AS 23 60 439).
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Schalter so auszubilden,
daß er bei höherer Stromstärke eine kürzere Ausschaltzeit hat; insbesondere soll der
Hagnetantrieb auch zur Beschleunigung der Lichtbogenbewegung herangezogen werden.
[0005] Es ist bekannt, daß bei einem elektromechanischen Schnellschalter mit einem selbstschließenden
Kontaktsystem, der in Reihe mit einem Leistungsschalter angeordnet ist, ein Blassystem
vorgesehen sein kann, dessen Spule dem Kontaktsystem parallelgeschaltet ist. Diese
bekannte Ausführungsform enthält zwei Blasmagneten, die in Reihe geschaltet sind
und von denen einer für das Kontaktsystem des Limiters und das andere für das Kontaktsystem
des Leistungsschalters vorgesehen ist. Diese Reihenschaltung der Blasmagneten ist
dem Limiter parallelgeschaltet. In dieser zur Lösung von Gleichstrom vorgesehenen
Ausführungsform enthalten die Blasmagneten eine große Windungszahl von wenigstens
500 Windungen und ihre Induktivität ist entsprechend groß. Die Zeitkonstante für den
Feldaufbau ist deshalb ebenfalls verhältnismäßig groß und liegt zwischen 5 und 25
ms. Eine kurze Abschaltzeit ist mit dieser Ausführungsform somit nicht möglich (4.
Internationales Symposium für "Switching ARC Phenomena), 22. bis 24. Sept. 1981,
Lodz, Seiten 151 bis 155).
[0006] Die erwähnte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1. In dieser Ausführungsform des Schnellschalters bewirkt der Magnetantrieb
sowohl eine schnelle Bewegung des beweglichen Kontaktes als auch eine zusätzliche
Beschleunigung des Lichtbogens in Richtung auf im allgemeinen vorgesehene Lichtbogenlaufschienen
und Löschbleche.
[0007] In Verbindung mit einem Schnellschalter, dessen bewegliches Kontaktstück als doppelunterbrechende
Brücke ausgebildet ist, können die Stromzuführungen zu den Festkontakten vorzugsweise
als U-Kontaktstücke gestaltet sein, die derart angeordnet sind, daß der Strom in dem
an den Kontakt angrenzenden Leiterteil die entgegengesetzte Richtung zum Strom in
der Kontaktbrücke hat. Durch diese Stromschleife wird die Lichtbogenbewegung nach
dem Öffnen der Kontakte entsprechend unterstützt.
[0008] Die Windungszahl der Magnetspule wird einerseits so bemessen, daß der Strom ein ausreichendes
Magnetfeld für die Lichtbogenbewegung erzeugt. Es werden deshalb vorzugsweise wenigstens
fünf Windungen gewählt. Andererseits wird die Windungszahl nicht zu hoch gewählt,
damit die Zeitkonstante für den Aufbau des Magnetfeldes möglichst klein und dementsprechend
auch die Schaltzeit des Schalters klein wird. Die Windungszahl wird deshalb 20 nicht
wesentlich überschreiten. Der Widerstand der Magnetspule wird so bemessen, daß der
Strom in der Spule im Kurzschlußfall nach dem Erlöschen des Lichtbogens zwischen
den Schaltkontakten nur noch einen geringen Bruchteil des Schalterstromes beträgt.
Dieser verminderte Strom wird vom in Reihe angeordneten Leistungsschalter gelöscht.
[0009] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in
der ein Ausführungsbeispiel eines Schnellschalters gemäß der Erfindung mit einem
selbstschließenden Kontaktsystem schematisch veranschaulicht ist. Figur 1 zeigt einen
Schnellschalter im Längsschnitt und in Figur 2 ist dieser Schalter im Querschnitt
schematisch veranschaulicht.
[0010] In der Ausführungsform gemäß Figur 1 enthält der Schnellschalter ein selbstschließendes
doppelunterbrechendes Kontaktsystem 2 mit zwei Festkontakten 3 und 4 und einer Kontaktbrücke
5, die derart gestaltet sind, daß der Strom 1 jeweils in den Leiterteilen, welche
an die in der Figur nicht näher bezeichneten Kontaktauflagen angrenzen, entgegengesetzte
Richtung hat. Durch die Lorentzkraft dieser Leiterschleifen wird ein nach dem Öfnen
der Kontakte entstehender Lichtbogen in der Schaltkammer entsprechend beschleunigt
und über Laufschienen 6 und 7 bzw. 8 und 9 in Löschbleche 10 bzw. 11 getrieben, die
vorzugsweise noch mit Ausblasöffnungen 12 bzw. 13 versehen sein können. Die Anschlußleiter
14 und 15 des Kontaktsystems 2 sind durch ein Gehäuse 16 elektrisch isoliert hindurchgeführt.
Die Kontaktbrücke 5 ist mit Kontaktfedern 16 und 17 versehen, welche die Kontaktbrücke
5 geschlossen halten. Ihre Federkraft ist nach dem Nennstrom des Schnellschalters
bemessen. Diese Federkraft kann beispielsweise für einen Schnellschalter mit einem
Nennstrom von 100 A beispielsweise 8 N betragen.
[0011] Dem Kontaktsystem 2 ist ein Magnetantrieb 20 zugeordnet, der ein U-förmiges Magnetjoch
enthält, von dem in der Figur der mittlere Schenkel 21 im Schnitt sichtbar ist, der
mit einer Magnetspule 25 mit wenigstens einer, vorzugsweise mehreren Windungen versehen
ist. Die Windungszahl wird so bemessen, daß ein ausreichendes Magnetfeld für die Lichtbogenbewegung
und die Beschleunigung der Kontaktbrücke 5 erzeugt wird. Sie wird deshalb insbesondere
wenigstens fünf Windungen enthalten. Die maximale Windungszahl ist dadurch gegeben,
daß die Zeit des Stromanstiegs begrenzt werden muß. Die Windungszahl wird deshalb
20 nicht wesentlich überschreiten und insbesondere höchstens 10 betragen.
[0012] Zum Magnetantrieb 20 gehört außerdem ein Zusatzantrieb 30 mit einem Blockierstift
32, dessen oberes Ende mit Hilfe einer Positionierfeder 34 gegen die Kontaktbrücke
5 gedrückt wird. Am unteren Ende des Blockierstiftes 32 ist ein Anker 36 aus ferromagnetischem
Material derart angeordnet, daß im geschlossenen Zustand der Kontaktbrücke 5 ein Arbeitsluftspalt
38 zwischen dem Anker 36 und den Festkontakten 3 und 4 gebildet wird.
[0013] Der Anker 36 befindet sich gemäß Figur 2 unterhalb der Enden der seitlichen Schenkel
22 und 23 des Magnetjoches, die parallel zur Bewegungsebene der Kontaktbrücke 5 angeordnet
sind. Die der Kontaktbrücke 5 zugewandte innere Oberfläche des Magnetjoches sowie
die Stirnflächen der seitlichen Schenkel 22 und 23 sind mit einer Beschichtung 39
versehen, die aus einem feuerfesten Material, vorzugsweise einem temperaturbeständigen
Kunststoff, besteht. Die den Festkontakten 3 und 4 zugewandte Oberfläche des Ankers
36 ist ebenfalls mit einer elektrischen Isolierung 37 versehen. In Reihe mit der Magnetspule
25 kann vorzugsweise noch ein Widerstand 28 vorgesehen sein, dessen Widerstandswert
bei einem Schnellschalter für eine Netzspannung von 380 V und einen Nennstrom von
100 A, beispielsweise 200 m , betragen kann.
[0014] Bei geschlossenem Kontaktsystem 2 ist der Spannungsabfall zu klein, er beträgt nicht
wesentlich mehr als 0 V, so daß die Magnetspule 25 praktisch stromlos ist. Das Magnetjoch
wird in diesem Falle praktisch nur durch die Strombahn mit dem Nennstrom I erregt
und erzeugt nur ein geringes Magnetfeld. Dabei wird eine ausreichende Stromtragfähigkeit
bei geschlossenen Kontakten gewährleistet.
[0015] Der Magnetantrieb 20 bildet mit dem Anker 36 des Zusatzantriebs 30 eine zusätzliche
Öffnungshilfe für die Kontaktbrücke 5. Der Anker 36 befindet sich unterhalb der seitlichen
Schenkel 22 und 23 im Streufeld des Magnetjoches und wird im Kurzschlußfall von dem
magnetisierten Magnetjoch angezogen. Durch die Breite des Arbeitsluftspalts 38 kann
der Zusatzantrieb 30 auf einen vorbestimmten Öffnungsstrom eingestellt werden. Außerdem
verhindert dieser Anker 36, daß nach dem Öffnen des Kontaktsystems 2 und der Lichtbogenwanderung
in die Löschbleche 10 und 11 die geöffnete Kontaktbrücke 5 wieder schließen kann,
solange noch ein ausreichend hoher Strom durch die Magnetspule 25 fließt. Damit die
Kontaktfedern 16 und 17 einerseits die Öffnungsbewegung der Kontaktbrücke 5 nicht
behindern, andererseits aber nach der Stromlöschung das Kontaktsystem 2 wieder schließt,
wird beispielsweise eine Kontaktkraft von etwa 3,5 N eingestellt.
[0016] Mit dieser Ausführungsform des Schnellschalters erhält man bei einer Spannung von
240 V einphasig und einem prospektiven Kurzschlußstrom von beispielsweise 40 kA mit
einer Stromamplitude von 57 kA einen Durchlaßstrom von 14 kA. Die Bogenspannung zwischen
den geöffneten Kontakten des Kontaktsystems 2 steigt innerhalb einer ms auf etwa 800
V an und die Stromkommutierung auf die Magnetspule erfolgt in etwa 1,5 ms. In der
Magnetspule 25 wird der Strom I₁ auf etwa 2 kA begrenzt. Dieser Spulenstrom, der
im allgemeinen nur noch höchstens 1/5, insbesondere höchstens 1/10 des Durchlaßstromes,
beträgt, wird vom Leistungsschalter gelöscht.
1. Elektromechanischer Schnellschalter, der in Reihe mit einem Leistungsschalter angeordnet
ist und der mit einem Magnetantrieb mit einem U-förmigen Magnetjoch versehen ist,
dessen Schenkel einen Schlitz bilden, in dem der bewegliche Kontakt angeordnet ist,
und dessen mittlerer Schenkel mit einer Magnetspule versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktsystem (2) zwischen den seitlichen Schenkeln (22, 23) des Magnetjoches
angeordnet ist und daß die Magnetspule (25) dem Kontaktsystem (2) parallelgeschaltet
ist, und daß ein Zusatzantrieb (30) für den beweglichen Kontakt vorgesehen ist, der
einen Magnetanker (36) enthält, der unterhalb der seitlichen Schenkel (22, 23) des
Magnetjoches in dessen Streufeld angeordnet und mit dem beweglichen Kontakt mechanisch
gekoppelt ist.
2. Schnellschalter mit einer doppelunterbrechenden Kontaktbrücke als bewegliches
Schaltstück, deren Schaltstrecken jeweils in einer Schaltkammer mit Lichtbogenlaufschienen
und Löschblechen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkontakte (3, 4) jeweils als U-Kontaktstücke gestaltet sind, die derart
angeordnet sind, daß der Strom I in der Kontaktbrücke (5) und den an die Schaltstrecke
angrenzenden Teile der Festkontakte (3, 4) jeweils eine Stromschleife bildet, deren
Lorentzkraft zu den Löschblechen (10 bzw. 13) gerichtet ist.
3. Schnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der Magnetspule (25) höchstens 20 beträgt.
4. Schnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der Magnetspule (25) 5 bis 10 beträgt.
5. Schnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Magnetspule (25) so bemessen ist, daß im Kurzschlußfall nach
der Lichtbogenlöschung im Kontaktsystem (2) der Strom I₁ in der Magnetspule (25) höchstens
1/5 des Schalterstromes I beträgt.
6. Schnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Magnetspule (25) so bemessen ist, daß im Kurzschlußfall nach
der Lichtbogenlöschung im Kontaktsystem (2) der Strom I₁ höchstens 1/10 des Schalterstromes
I beträgt.