Die Erfindung betrifft eine Abbrandschaltanordnung insbesondere für Leistungsschalter, wie sie in Kraftwerken, Umspannwerken und anderen Einrichtungen der Elektroenergieversorgung zum Ein- und Ausschalten von Betriebs- und Ueberströmen eingesetzt werden.
Aus der EP-B-0 177 714 ist eine gattungsgemässe Abbrandschaltanordnung bekannt, bei welcher das erste Schaltstück als Kontakttulpe mit mehreren längeren, über den Umfang derselben verteilten parallelen Kontaktfingern ausgebildet ist. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Anordnung bei hohen Strömen anfällig für Beschädigungen ist, da die Kontaktfinger in geringem Abstand parallele Ströme führen und daher durch elektromagnetische Kräfte sehr stark gegeneinander gezogen werden. Dies kann zum Verbiegen und Abdrehen der Kontaktfinger führen. Auch die Reibungskräfte zwischen Schaltstift und Kontaktfingern können dadurch sehr hohe Werte erreichen, so dass grosse Antriebskräfte nötig sind und starker Abrieb am Schaltstift und den Kontaktfingern auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abbrandschaltanordnung anzugeben, bei welcher die Schaltstücke auch bei hohen Strömen mechanisch nicht überlastet werden und kein überhöhter Anpressdruck entsteht.
Dies wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Durch dieselben wird sichergestellt, dass die Strompfade durch die Kontaktelemente nicht in geringer Entfernung voneinander parallel geführt sind, sondern von der Kontaktzone aus rasch auseinanderlaufen und allenfalls anschliessend in grösserem Abstand parallel geführt werden, so dass keine übergrossen Kräfte auf die Kontaktelemente wirken. Die Anziehungskräfte brauchen dagegen nicht völlig unterbunden zu werden, sie können im Gegenteil durch entsprechende Führung der Strompfade so eingestellt werden, dass sie einen Beitrag zum nötigen Kontaktdruck zwischen den Kontaktelementen und dem Schaltstift leisten und vorzugsweise die Kontaktabhebekräfte gerade etwa kompensieren.
In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt, die lediglich der Erläuterung der Erfindung dienen. Es zeigen
Die in Fig. 1 dargestellte Abbrandschaltanordnung gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist um eine Schaltachse 1 annähernd rotationssymmetrisch ausgebildet. Längs der Schaltachse 1 ist ein Schaltstift 2 mit einer Spitze 3 aus abbrandresistentem Material wie z. B. WCu, Graphit, CFC, Graphit/Cu oder CFC/Cu zwischen der links gezeigten Einschaltstellung und der rechts gezeigten Ausschaltstellung mittels eines nicht dargestellten Schaltantriebs verschiebbar. Ein erstes Schaltstück umfasst einen Kranz von um die Schaltachse 1 herum angeordneten, radial gegen dieselbe gerichteten Kontaktelementen, die als längliche Kontaktfinger 4 ausgebildet sind, welche an ihren Enden Abbrandköpfe 5 aus abbrandresistentem Material tragen.
Die Kontaktfinger 4 bilden zusammen ein etwa kreisringförmiges Kontaktteil, wobei die gegen die Schaltachse 1 gerichteten Kontaktflächen der Abbrandköpfe 5 eine in der Einschaltstellung an der Aussenseite des Schaltstiftes 2 anliegende Kontaktzone darstellen. Vom Abbrandkopf 5 abgesehen ist jeder Kontaktfinger 4 einstückig mit einem um ca. 90° in Einschaltrichtung abgebogenen, also mit dem Kontaktfinger 4 einen rechten Winkel einschliessenden Steg 6 aus hochleitendem federelastischem Material hergestellt und fest an einem Gehäuseteil 7 verankert, über das der Steg 6 mit einem ersten elektrischen Anschluss verbunden ist. Der Schaltstift 2 bildet dagegen ein zweites Schaltstück, das z. B. über eine flexible Leitung oder eine Gleittulpe mit einem zweiten elektrischen Anschluss verbunden ist.
In einer Oeffnung des Gehäuseteils 7 ist ein Stützkörper 8 aus elektrisch isolierendem Material befestigt, dessen zylindermantelförmige Aussenseite eine Stützfläche 9 bildet, an der die Stege 6 in der Ausschaltstellung anliegen. In der Einschaltstellung sind dagegen die Kontaktfinger 4 durch den Kontakt der Abbrandköpfe 5 mit der Umfangsfläche des Schaltstiftes 2 radial nach aussen ausgelenkt unter elastischer Deformation der Stege 6, welche von der Stützfläche 9 abgehoben sind. Die anfängliche Auslenkung kann dabei wegen der hohen Elastizität der Stege 6 ziemlich gross gewählt werden, so dass eine grosse Abbrandreserve zur Verfügung steht. In der Mitte weist der Stützkörper 8 eine Oeffnung auf, welche eine die Schaltachse 1 umgebende Düse 10 bildet, in welche in der Einschaltstellung die Spitze 3 des Schaltstiftes 2 ragt.
Kommutiert im Verlauf einer Ausschaltung der Strom von einer nicht dargestellten Nennstromschaltanordnung auf die Abbrandschaltanordnung, so fliesst der Strom im Anschluss an die Kontaktzone in radialer Richtung durch die Kontaktfinger 4. Erst in grösseren Abstand R von der Schaltachse 1 wird er in eine zu derselben parallele Richtung umgelenkt und fliesst über eine Strecke L durch die parallelen Stege 6.
Die radial nach aussen gerichteten Teile der Strompfade in den Kontaktfingern 4 üben eine verhältnismässig geringe elektromagnetische Kraft aufeinander aus und auch die Einwirkung des durch den Schaltstift 2 verlaufenden Abschnitts des Strompfades auf dieselben kann vernachlässigt werden. Die anschliessenden parallelen Strompfade durch die Stege 6 ziehen einander zwar an, doch ist die radiale Komponente der Anziehung wegen des verhältnismässig grossen Abstandes zur Schaltachse 1 nicht so gross, dass Beschädigungen oder ein zu grosser Druck der Kontaktfinger 4 gegen den Schaltstift 2, der übermässigen Abrieb der Abbrandköpfe 5 und Behinderungen der Schaltstiftbewegung zur Folge haben könnte, zu befürchten wären.
Der Abstand R des Steges 6 von der Schaltachse 1 und die Länge L desselben können im Gegenteil so eingestellt werden, dass die gegenseitige Anziehung der Kontaktfinger 4 bei den üblicherweise zu erwartenden Stromstärken den aufgrund der elastischen Auslenkung der Kontaktfinger 4 von denselben gegen den Schaltstift 2 ausgeübten Kontaktdruck auf erwünschte Weise verstärkt und insbesondere die zwischen diesen Teilen wirksamen Kontaktabhebekräfte ungefähr kompensiert. Eine derartige Kompensation bleibt über alle Schwankungen der Stromstärke erhalten, da Kontaktabhebekräfte und Anziehungskräfte in gleicher Weise von derselben abhängen. Bei der weiteren Bewegung des Schaltstiftes 2 wird derselbe aus dem Kranz der Kontaktfinger 4 gezogen und die Abbrandköpfe 5 derselben bewegen sich gegen die Schaltachse 1, bis die Stege 6 an der Stützfläche 9 anliegen. Weitere radiale Bewegung der Kontaktfinger 4 gegen die Schaltachse 1 unter dem Einfluss der gegenseitigen Anziehung der Strombahnen durch die Stege 6 ist damit unterbunden.
Zwischen den Abbrandköpfen 5 und der Spitze 3 des Schaltstiftes 2 entsteht, sobald der letztere aus dem Kranz der Kontaktfinger 4 gezogen wird, ein Lichtbogen 11. Er wird z. B. mittels nicht dargestellter Blaskolben beblasen, wobei das Gas durch die Düse 10 abfliesst, so dass er beim nächsten Stromnulldurchgang gelöscht wird.
Die in Fig. 2 dargestellte Abbrandschaltanordnung gemäss einer zweiten Ausführungsform der Erfindung entspricht, was das erste Schaltstück betrifft, vollständig der ersten Ausführungsform. Das zweite Schaltstück umfasst jedoch zusätzlich zum Schaltstift 2 eine Abbrandkontaktanordnung, die wiederum genau dem ersten Schaltstück entspricht mit Kontaktfingern 4' mit Abbrandköpfen 5', die in der Einschaltstellung mit ihren eine zweite Kontaktzone bildenden Innenflächen gegen die Umfangsfläche des Schaltstiftes 2 drücken, wobei die Kontaktfinger 4' wiederum an Stege 6' um ca. 90° abgewinkelt anschliessen und über dieselben und ein Gehäuseteil 7' mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbunden sind, so dass die Kontaktfinger 4' zugleich die Funktion einer Gleittulpe wahrnehmen. Die Stege 6' liegen in der Ausschaltstellung wiederum an einer Stützfläche 9' an, die von der Aussenseite eines Stützkörpers 8' gebildet wird, welcher zugleich eine die Schaltachse 1 umgebenden Düse 10' bildet.
Bei der Ausschaltung kommutiert, sobald der Schaltstift 2 aus dem Kranz der Kontaktfinger 4' gezogen wird, der Lichtbogen 11 von dessen Spitze 3 auf die Abbrandköpfe 5' der Kontaktfinger 4', so dass er dann zwischen denselben und den Abbrandköpfen 5 der Kontaktfinger 4 des ersten Schaltstücks brennt. Bei der Beblasung des Lichtbogens 11 fliesst das Gas durch beide Düsen 10, 10' ab, was seine rasche Löschung begünstigt.
Die Abbrandschaltanordnung gemäss der in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsform der Erfindung entspricht sonst vollständig derjenigen gemäss der zweiten Ausführungsform, doch sind den Kontaktfingern 4, 4' jeweils Abbrandringe 12, 12' vergeordnet. Sie bilden Teile von topfförmigen Abschirmungen 13, 13', die, mit den Stegen 6 bzw. 6' elektrisch leitend verbunden, jeweils die übrigen Teile der Schaltstücke umgeben und vollständig abschirmen. Bei der Ausschaltung kommutiert der Lichtbogen 11 rasch von den Abbrandköpfen 5 der Kontaktfinger 4 auf den Abbrandring 12, während er von der Spitze 3 des Schaltstiftes 2 im wesentlichen auf den Abbrandring 12' kommutiert, was den Abbrand der Kontaktfinger 4, 4' verringert und somit ihre Lebensdauer erhöht.
Die in Fig. 4 dargestellte Abbrandschaltanordnung gemäss einer vierten Ausführungsform der Erfindung entspricht in ihrem grundsätzlichen Aufbau derjenigen nach der ersten Ausführungsform, doch sind die Kontaktfinger 4, aus denen das erste Schaltstück besteht, so ausgerichtet, dass sie mit der Schaltachse 1 in Einschaltrichtung gesehen einen Winkel α von ca. 65° einschliessen. Sie bestehen, mit Ausnahme der verhältnismässig langen Abbrandköpfe 5, aus federelastischem hochleitendem Material, sind gerade und direkt bis an das Gehäuseteil 7 geführt und an demselben verankert, so dass sie zusammen ein etwa trichterförmiges Kontaktteil bilden.
Auch hier ist dadurch, dass die Strompfade von der Kontaktzone, d. h. den den Schaltstift 2 berührenden Innenseiten der Abbrandköpfe 5 ausgehend rasch auseinanderstreben, die gegenseitige Anziehung der Kontaktfinger 4 reduziert. Sie lässt sich wiederum über die Länge R' der radialen Komponente ihrer Erstreckung und des Radius R0 des Schaltstiftes 2 sowie die Länge L' der axialen Komponente ihrer Erstreckung so einstellen, dass sie nicht zu Beschädigungen der Kontaktfinger, überhöhten Abrieb der Abbrandköpfe 5 oder Behinderungen der Schaltstiftbewegung führt, aber einen Beitrag zur Aufbringung eines ausreichenden Kontaktdruckes, insbesondere eine Kompensation der Kontaktabhebekräfte leistet. Der Stützkörper 8 bildet in diesem Fall eine kegelstumpfmantelförmige Stützfläche 9, welche mit Abstand unterhalb der Kontaktfinger 4 liegt und deren Beweglichkeit gegen die Schaltachse 1 begrenzt. Der Verlauf einer Ausschaltung entspricht dem im Zusammenhang mit der Abbrandschaltanordnung gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung geschilderten.
Bei einer in Fig. 5 dargestellten Abbrandschaltanordnung gemäss einer fünften Ausführungsform der Erfindung entspricht der grundsätzliche Aufbau wiederum dem der Abbrandschaltanordnung gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung. Statt Kontaktfingern sind jedoch als Kontaktelemente Kontaktstücke 4" vorgesehen, die vorzugsweise genau radial verschiebbar in entsprechenden radialen, gegen die Schaltachse 1 offenen Ausnehmungen 14 eines dieselbe umgebenden Halterings 15 gelagert sind, welcher am Gehäuseteil 7 befestigt und über dasselbe mit dem ersten elektrischen Anschluss elektrisch leitend verbunden ist und welcher auch die Düse 10 bildet. Der Haltering 15 ist im übrigen massiv ausgebildet und besteht aus elektrisch leitfähigem Material. An der Innenseite und auch an der in der Ausschaltstellung gegen das Gegenschaltstück, den Schaltstift 2 gerichteten Seite ist er mit einer Verkleidung 16 aus abbrandresistentem Material versehen.
Die Kontaktstücke 4" ragen lediglich mit wenigstens an ihren vorderen Enden abbrandresistenten Spitzen 17 durch entsprechende Oeffnungen in der Verkleidung 16, während dieselbe einen Anschlag für vordere Schultern ihrer breiteren Körper 18 bilden. Der elektrische Kontakt mit dem Haltering 15 ist durch Kontaktlamellen 19 hergestellt. Mittels eines gegen seine Rückseite drückenden Federelements, nämlich einer Spiralfeder 21, welche an einer die Ausnehmung 14 abschliessenden Aussenverkleidung 20 des Halterings 15 abgestützt ist, ist das Kontaktstück 4" jeweils mit einer radial gegen die Schaltachse 1 wirkenden Kraft beaufschlagt.
Auch hier sind die Strompfade von der Kontaktzone, d. h. den den Schaltstift 2 berührenden vorderen Enden der Spitzen 17 der Kontaktstücke 4" weg radial nach aussen geführt, so dass die elektromagnetischen Kräfte, die sie gegeneinander ausüben, keinen nennenswerten Einfluss auf den Anpressdruck haben, mit dem die Kontaktstücke 4" gegen die Umfangsfläche des Schaltstiftes 2 drücken. Der erforderliche Kontaktdruck wird durch die Spiralfeder 21 aufgebracht. Beim Ausschalten kommutiert der zwischen der Spitze 3 des Schaltstifts 2 und den Spitzen 17 der Kontaktstücke 4" gezogene Lichtbogen 11 sofort von den letzteren auf die Verkleidung 16, deren ausschaltseitiger Endbereich somit die Funktion eines den Kontaktstücken 4" vorgeordneten Abbrandrings erfüllt.
Die in Fig. 6 dargestellte Abbrandschaltanordnung gemäss einer sechsten Ausführungsform der Erfindung entspricht weitgehend der vorstehend beschriebenen, doch sind die Ausnehmungen 14 durchgehend ausgebildet und die Körper 18 der Kontaktstücke 4" so lang, dass sie etwas über die Aussenseite des Halterings 15 hinausragen. Als Federelement ist jeweils eine Blattfeder 22 vorgesehen, welche gegen die Rückseite des Kontaktstücks 4" drückt.
Die in Fig. 7 dargestellte Abbrandschaltanordnung gemäss einer siebten Ausführungsform der Erfindung entspricht wiederum der vorstehend beschriebenen, doch sind die Kontaktstücke 4" von gleichbleibendem Durchmesser und jeweils in Gleitführungen 23 geführt, die in den Ausnehmungen 14 angebracht sind. Auch ist der elektrische Kontakt mit dem Haltering 15 hier jeweils über ein flexibles Band 24 aus hochleitendem Material hergestellt, dessen eines Ende mit der Rückseite des Kontaktstücks 4" elektrisch leitend verbunden, insbesondere verschweisst ist, während das andere Ende mit dem Haltering 15 elektrisch leitend verbunden ist.
Gemäss einer in Fig. 8a-c dargestellten achten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Schaltstück als starrer erster Schaltring 25 aus abbrandresistentem Material ausgebildet, welcher im Gehäuse befestigt und über dasselbe auch elektrisch leitend mit dem ersten elektrischen Anschluss verbunden ist. Das zweite Schaltstück umfasst einen Schaltstift 2, der, über ein in Ausschaltrichtung beschränkt komprimierbares Tellerfedernpaket 26 abgestützt, axial verschiebbar an einer Halterung 27 befestigt ist, die durch einen nicht dargestellten Schaltantrieb längs der Schaltachse 1 verschoben werden kann, sowie ein Kontaktteil, das als Kreisringscheibe 28 aus hochleitfähigem federelastischem Material, z. B. CuBe oder CuCrZr ausgebildet ist. Es weist einen durchgehenden Aussenring 29 auf, der mit dem Gehäuseteil 7 verschraubt ist und sechs durch von der mittigen Oeffnung bis zum Aussenring 29 durchgehende radiale Schlitze 30 getrennte Sektoren 31 als Kontaktelemente. Jeder der Sektoren 31 der Kreisringscheibe 28 trägt an seinem Innenrand einen aus abbrandresistentem Material bestehenden Sektor 32 eines zweiten Schaltrings 33. Ueber das Gehäuseteil 7 ist der Aussenring 29, mit dem zweiten elektrischen Anschluss elektrisch leitend verbunden.
Der Schaltstift 2 weist, gegenüber seiner Spitze um etwa den Abstand zwischen dem ersten Schaltring 25 und dem zweiten Schaltring 33 in Ausschaltrichtung versetzt, eine umlaufende Schulter 34 auf. In der Einschaltstellung liegt die Spitze des Schaltstiftes 2, vom komprimierten Tellerfedernpaket 26 mit einem ausreichenden Kontaktdruck beaufschlagt, an der Frontseite des ersten Schaltrings 25 rundum an, während die Schulter 34 gegen eine Kontaktzone am zweiten Schaltring 33 drückt und die Sektoren 32 desselben unter elastischer Deformation der Sektoren 31 der Kreisringscheibe 28 axial in Einschaltrichtung leicht auslenkt, so dass durch die elastischen Rückstellkräfte der Sektoren 31 auch hier ein ausreichender Kontaktdruck gegeben ist.
Wegen der im wesentlichen radialen Richtung der Teilströme durch die Sektoren 31 treten an der Kreisringscheibe 28 keine elektromagnetischen Kräfte auf, die sich wesentlich auf den Kontaktdruck auswirken könnten. Im Bereich des ersten Schaltstücks besteht wegen der starren Ausbildung des ersten Schaltrings 25 ohnedies keine Gefahr von Deformationen oder sonstigen Beschädigungen durch elektromagnetische Kräfte.
Beim Ausschalten wird zwischen dem ersten Schaltring 25 und der Spitze des Schaltstiftes 2 ein Lichtbogen gezogen. Sobald die Spitze des Schaltstiftes 2 den zweiten Schaltring 33 passiert, springt der Lichtbogenfusspunkt von ersterem auf letzteren über. Der nun den ersten Schaltring 25 und den zweiten Schaltring 33 verbindende Lichtbogen wird seitlich beblasen, wobei das Gas durch die beiden Schaltringe entweicht.
Die in Fig. 9 schematisch dargestellte Abbrandschaltanordnung gemäss einer neunten Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich ausgebildet wie die vorstehend geschilderte.
Allerdings ist hier das erste Schaltstück als vom inneren Rand her geschlitzte erste Kreisringscheibe 35 aus hochleitendem federelastischem Material ausgebildet. Der Schaltstift 2 ist starr an einer nicht dargestellten durch einen Schaltantrieb längs der Schaltachse 1 verschiebbaren Halterung befestigt und über eine Gleittulpe 36 mit dem zweiten elektrischen Anschluss elektrisch leitend verbunden. Die elastische Rückstellkraft der ersten Kreisringscheibe 35, deren Innenrand 37 aus abbrandresistentem Material eine in der Einschaltstellung axial in Einschaltrichtung leicht ausgelenkte Kontaktzone bildet, stellt einen ausreichenden Kontaktdruck sicher. Das zweite Schaltstück umfasst eine mit dem zweiten elektrischen Anschluss elektrisch leitend verbundene starre zweite Kreisringscheibe 38 aus abbrandresistentem Material, deren Innendurchmesser nur geringfügig grösser ist als der Durchmesser des Schaltstiftes 2. Sie wirkt als Abbrandring, auf den beim Ausschalten der eine Lichtbogenfusspunkt vom Schaltstift 2 überspringt.