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Die
Erfindung betrifft einen Leistungsschalter mit mindestens einer,
aus mehreren parallel geschalteten Polen bestehenden Phase.
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Die
Nenngröße eines
Leistungsschalters, d.h. die Höhe
des Nennstroms des Leistungsschalters hängt bei einen Gehäuse mit
gegebenen Abmessungen von der Auslegung der Pole, d.h. im wesentlichen
von den Abmessungen der dem Pol zugeordneten leitenden Teile ab.
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Es
ist wünschenswert,
eine Leistungsschalter-Baureihe durch die Kombination von Leistungsschaltern
mit einer bestimmen Anzahl von Standardpolen so erweitern zu können, daß zu minimalen Mehrkosten
ein Leitungsschalter mit einem im Vergleich zu den normalen Polen
höheren
Nennstrom hergestellt werden kann. Zu diesem Zweck wurde bereits
in der Druckschrift EP-A-0 320 412 vorgeschlagen, zwei aneinandergrenzende
Pole eines Standard-Leistungsschalters
parallel zu schalten. Mindestens eine Phase des Leistungsschalters
besteht dann aus zwei Polen, wobei jeder Pol einen feststehenden
Kontakt, der durch ein aus dem Gehäuse herausstehendes Anschlußstück verlängert ist,
einen bewegbaren Kontakt, der über
einen flexiblen Leiter mit einem zweiten, aus dem Gehäuse herausstehenden
Anschlußstück verbunden
ist, sowie eine Lichtbogenlöschkammer
umfaßt.
Dabei wird ein Anschlußverbinder
an den Anschlußstücken der
feststehenden Kontakte der beiden Pole und ein weiterer an den Anschlußstücken der
bewegbaren Kontakte befestigt, so daß die Zusammenschaltung der
beiden Pole gewährleistet
wird.
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Die
Erfahrung zeigt jedoch, daß sich
der Lichtbogenstrom bei einer Abschaltung in einer solchen Anordnung
nicht gleichmäßig auf
die beiden Pole aufteilt. Schon nach sehr kurzer Zeit ist der Lichtbogenstrom
nämlich
nur noch in einer der beiden Löschkammern
vorhanden. Ist das dem Leistungsschalter zugeordnete Grenz-Kurzschluß-Ausschaltvermögen genauso
hoch wie das des ursprünglichen
Standard-Leistungsschalters, sind damit keine Nachteile verbunden.
Soll jedoch ein höheres
Ausschaltvermögen
erzielt werden, wird die Lichtbogenenergie für eine einzige Löschkammer
zu hoch. Ein Aufbau mit zwei zusammengeschalteten Polen entsprechend
dem bisherigen Stand der Technik ist also ungeeignet für die Bildung
eines Leistungsschalters, dessen Ausschaltvermögen größer sein soll als das der einzelnen
Leistungsschalter, aus denen er sich zusammengesetzt. Aus diesem
Grund werden in Leistungsschaltern mit hohem Ausschaltvermögen nach
dem bisherigen Stand der Technik keine parallel geschalteten Standardkammern
verwendet.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsschalterbaureihe
mit minimalem Anderungsaufwand so zu erweitern, daß ausgehend
von vorhandenen Leistungsschaltern ein Leistungsschalter gebildet
werden kann, dessen Nennstrom und Ausschaltvermögen höher sind als die entsprechenden
Werte der einzelnen Leistungsschalter, aus denen er aufgebaut ist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, das Ausschaltvermögen eines
Leistungsschalters mit zusammengeschalteten Polen zu erhöhen.
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Diese
Aufgaben werden nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch einen
Leistungsschalter erfüllt,
der mindestens zwei aneinandergrenzende Polabteile umfaßt, die
durch eine Trennwand voneinander getrennt im Innern eines Isolierstoffgehäuses nebeneinander
angeordnet sind und jeweils eine Lichtbogenlöschkammer sowie zwei trennbare
Kontaktstücke
enthalten, wobei jedes Kontaktstück
eines der Abteile mit einem entsprechenden Kontaktstück des jeweils
anderen Abteils elektrisch parallel geschaltet ist, welcher Leistungsschalter
Mittel zur Aufteilung der Lichtbogenenergie auf die beiden Abteile umfaßt, die
mindestens eine in der Trennwand ausgebildete Verbindungsöffnung zwischen
den beiden aneinandergrenzenden Abteilen umfassen. Anders ausgedrückt zeigt
ein Vergleich der Abschalteigenschaften der parallel geschalteten
Abteile mit und ohne Verbindungsöffnung,
daß die
Energieverteilung zwischen den beiden Abteilen mit Öffnung wesentlich gleichmäßiger ist
als ohne Offnung.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung werden die genannten Aufgaben
durch einen Leistungsschalter erfüllt, der mindestens zwei aneinandergrenzende
Polabteile umfaßt,
die durch eine Trennwand voneinander getrennt im Innern eines Isolierstoffgehäuses nebeneinander
angeordnet sind und jeweils eine Lichtbogenlöschkammer sowie zwei trennbare
Kontaktstücke
enthalten, welcher Leistungsschalter außerdem einen Schaltmechanismus umfaßt, der
mit den trennbaren Kontaktstücken
der beiden Abteile verbunden ist, derart daß deren Trennung gleichzeitig
oder quasi-gleichzeitig erfolgt, wobei die entsprechenden Kontaktstücke beider Abteile parallel
geschaltet sind, so daß sie
einen Einzelpol mit einem Grenz-Ausschaltvermögen von I
cu bei
einer Bemessungsspannung v
cu und einem zugehörigen Leistungsfaktor
k
cu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte
Trennwand mindestens eine Verbindungsöffnung zwischen den beiden
aneinandergrenzenden Abteilen umfaßt, deren Abmessungen und Anordnung
so ausgeführt
sind, daß bei
einem insgesamt über
den Pol fließenden
Strom in Höhe von
50% seines Grenz-Ausschaltvermögens
I
cu bei der Spannung v
cu und
dem Leistungsfaktor k
cu das Verhältnis zwischen
der Lichtbogenenergie in dem weniger beanspruchten Abteil und der
Lichtbogenenergie des anderen Abteils größer als 1/6 ist, wobei die Lichtbogenenergie
für jedes
Abteil über
das Integral
berechnet wird, wobei
- v(t)
- dem Augenblickswert
der Spannung an den Klemmen der Kontaktstücke,
- i(t)
- dem Augenblickswert
des über
die Kontaktstücke
fließenden
Stroms,
- t0
- dem Zeitpunkt, an
dem die Trennung der Kontaktstücke
beginnt, und
- t4
- dem Zeitpunkt, an
dem der über
die Kontaktstücke
fließende
Strom endgültig
zu null
wird, entsprechen.
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Die
durch die Öffnung
in der Trennwand zwischen den beiden Abteilen erzeugten physikalischen Abläufe sind
komplex. Das Vorhandensein der Öffnung
hat zunächst
eine thermodynamische Wirkung. Die heißen, unter hohem Druck stehenden
ionisierten Gase, die in dem Abteil mit dem stärkeren Lichtbogen erzeugt werden,
strömen
in das andere Abteil. Diese Teilchenbewegung hat mehrere Wirkungen, deren
Richtungsverhalten teilweise erwünscht
und teilweise unerwünscht
ist. Aus energetischer Sicht können
sich die abströmenden
heißen
Gase an den Trennwänden
kälteren
Kammer abkühlen,
was vorteilhaft ist. Aus elektrischer Sicht kann es in dem Abteil,
in dem der Lichtbogen schwächer
wird oder erlischt, durch die ionisierten Gase zur Neuzündung kommen.
Aus aerodynamischer Sicht hingegen können die sich von einem zum
anderen Abteil ausbreitenden Gasströme sowie gegebenenfalls die
Druckwellen einen Einfluß auf
den Verlauf des Lichtbogenfußpunkts
und die Verlängerung
des Lichtbogens in jedem Abteil haben, was mit der Gefahr verbunden ist,
daß die
Verschiebung des Lichtbogens in Richtung der Löschkammer durch die elektrodynamischen
Kräfte
behindert wird. Diese als Beblasung bezeichnete elektrodynamische
Wirkung ist jedoch zur Durchführung
der Abschaltung von wesentlicher Bedeutung, und ihre Einschränkung ist
nicht wünschenswert.
Auch hinsichtlich der Druckentwicklung in den beiden Abteilen erscheint
die Öffnung
kontraproduktiv. Es kommt nämlich
zu einer Druckabnahme in dem Abteil mit dem stärkeren Lichtbogen und zu einer
Druckerhöhung
im jeweils anderen Abteil. Theoretisch begünstigt ein hoher Druck die
Verringerung des Querschnitts der Lichtbogensäule und damit eine Erhöhung ihres
elektrischen Widerstand sowie der Lichtbogenspannung. Dies ist übrigens
einer der Hauptgründe
für die
Verwendung von Lichtbogenlöschkammern,
die durch Einschluß des
Lichtbogens eine wesentlichen Erhöhung des auf den Lichtbogen wirkenden
Drucks ermöglichen.
Eine Druckminderung in dem Abteil, in dem der Lichtbogen am stärksten ist,
entspricht daher einer Verringerung der Lichtbogenspannung, was
dessen Aufrechterhaltung begünstigt.
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Grundsätzlich hat
sich durch Versuche gezeigt, daß es
möglich
ist, die Öffnung
so anzuordnen und zu bemessen, daß es während der Abschaltung zu gegenseitigen
Neuzündungen
der beiden Lichtbögen
kommt, wodurch die Lichtbogenenergie in hohem Verhältnis auf
die beiden Kammern aufgeteilt werden kann und allgemein ein größeres Absorptionsvermögen gewährleistet
wird. Selbstverständlich ist
die Energieverteilung nicht vollkommen symmetrisch, aber es kommt
hauptsächlich
darauf an, daß die
freigesetzte Energie in jedem Abteil etwa die gleiche Größenordnung
aufweist, d.h. ihr Verhältnis günstiger
als 1/10 ist. In der Praxis beträgt
das Verhältnis
etwa 1/3 bis 2/3. Dies reicht aus, um den am stärker durch den Lichtbogen beanspruchten
Pol zu entlasten und das Ausschaltvermögen der aus den beiden Abteilen
bestehenden Anordnung im Vergleich zu einem Einzelabteil zu erhöhen.
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Die Öffnung ist
vorzugsweise in der Nähe
der Zone angeordnet, in der der Lichtbogen bei Trennung der Kontaktstücke gezogen
wird. Eine solche Anordnung bietet den Vorteil, die Gefahr einer
Beschädigung
der Kontaktstücke
am besten zu begrenzen. Sie gewährleistet
nämlich,
daß die
Aufteilung der Lichtbogenenergie bereits sehr früh in der Ausschaltphase der
Kontaktstücke
wirksam wird. Darüber
hinaus ist hervorzuheben, daß die
Entionsierungsbleche bei der Ausbreitung des Lichtbogens in der
Löschkammer
starken elektromagnetischen Kräften
ausgesetzt sind, die senkrecht zur Hauptebene der Bleche wirken,
so daß die
Gefahr ihrer Verformung besteht. Diese Erscheinung stellt ein Hindernis
für die
Verbreiterung der Lichtbogenlöschkammer
dar. In der Praxis sind die in breiten Lichtbogenlöschkammern
verwendeten Bleche biegesteifer – und somit bei gegebenem Material
dicker – und
in größerem Abstand
voneinander angeordnet, um bei ihrer Verformung eine gegenseitige
Berührung
zu verhindern. Dies hat zur Folge, daß die Höhe der Löschkammer mit zunehmender Bereite
ebenfalls zunimmt. Nach dieser vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung,
d.h. bei Dimensionierung der Verbindungsöffnung derart, daß die Trennwand
ihre Stützfunktion
beibehält,
kann die Kammer breiter ausgebildet werden, ohne die übrigen Abmessungen ändern zu
müssen.
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Nach
einer vorzugsweisen Ausgestaltung weist die Lichtbogenlöschkammer
in jedem der aneinandergrenzenden Abteile einen Fangtrichter auf, der
sich zu den Kontaktstücken
hin öffnet,
welcher Fangtrichter an einem seiner Ränder durch ein unteres Lichtbogenhorn
begrenzt ist, das dazu dient, den Lichtbogenfußpunkt bei seinem Eintritt
in die Kammer aufzunehmen, wobei die Öffnung so angeordnet und dimensioniert
ist, daß sich
die unteren Lichtbogenhörner
in den aneinandergrenzenden Abteilen auf beiden Seiten der Offnung
direkt einander gegenüber liegen. Mit einer solchen Anordnung lassen
sich äußerst zufriedenstellende
Ergebnisse erzielen. Gemäß einer
ergänzenden
Anordnung ist der sich in Richtung der Kontaktstücke öffnende Fangtrichter der Lichtbogenlöschkammer
in jedem der aneinandergrenzenden Abteile an einem, dem unteren
Lichtbogenhorn gegenüber
liegenden Rand durch ein oberes Lichtbogenhorn begrenzt, wobei die Öffnung so
angeordnet und dimensioniert ist, daß die Bereiche zwischen dem
unteren Lichtbogenhorn und dem oberen Lichtbogenhorn jedes Abteils
auf beiden Seiten der Öffnung
direkt einander gegenüber
liegen.
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Gleichermaßen ergibt
sich eine gute Energieaufteilung, wenn die Öffnung in jedem Abteil in der Nähe der Kontaktzone
der trennbaren Kontaktstückpaare
angeordnet ist.
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Nach
einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung sind die Abmessungen
der Öffnung
so ausgebildet, daß der
Abschnitt des bewegbaren Kontaktstücks jedes Abteils, an dem sich
bei der Trennung der Kontaktstücke
der Lichtbogenkopf ausbildet, dem entsprechenden Abschnitt des bewegbaren Kontaktstücks im anderen
Abteil gegenüber
liegt, und zwar sowohl in der Einschaltstellung als auch in der
Ausschaltstellung.
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Bei
Leistungsschaltern, in denen die trennbaren Kontaktstückpaare
ein feststehendes Kontaktstück
umfassen, kann es vorteilhaft sein, die Öffnung so anzuordnen, daß sie in
der Nähe
des feststehenden Kontaktstücks
in jedes Abteil mündet.
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Die
Wände der Öffnung weisen
vorzugsweise immer eine hohe dielektrische Festigkeit auf.
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Zum
besseren Verständnis
sind mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter
Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
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• 1 eine
perspektivische explodierte Ansicht eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters;
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• 2 einen
Längsschnitt
des Leistungsschalters aus 1 in einer
Mittelebene eines Parallelpols des Leistungsschalters;
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• 3 eine
explodierte Ansicht einer Lichtbogenlöschkammer eines Pols des erfindungsgemäßen Leistungsschalters;
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• 4 eine
perspektivische, teilweise explodierte Ansicht eines hinteren Abteils
des Leistungsschalters aus 1, mit genauerer
Darstellung einer Verbindungsöffnung
zwischen zwei erfindungsgemäßen zusammengeschalteten
Polen;
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• 5 eine
Querschnittsansicht von zwei zusammengeschalteten Polen;
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• 6 eine
Versuchsanordnung zur Bestimmung der Lichtbogenenergie beim Abschalten
der zusammengeschalteten Pole;
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• 7 verschiedene
Abschaltkennlinien.
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Die 1 und 2 zeigen
einen sechspoligen Leistungsschalter 10 mit einem Isolierstoffgehäuse, das
aus einem hinteren Sockel 12, einem Zwischengehäuse 14 mit
offenem Boden sowie einer Vorderseite 16 zusammengesetzt
ist, die zu beiden Seiten einer vorderen Trennwand 18 des
Zwischengehäuses 14 ein
hinteres Abteil bzw. ein vorderes Abteil begrenzen. Im vorderen
Abteil ist ein Schaltmechanismus 20 des Leistungsschalters 10 gelagert, der
auf eine allen Polen des Leistungsschalters gemeinsam zugeordnete
Schaltwelle 22 wirkt. Dieser Mechanismus 20 ist
auf der vorderen Trennwand 18 des Zwischengehäuses 14 montiert.
Das hintere Abteil ist durch Zwischentrennwände 24, 25 (siehe 4)
weiter in mehrere Einzelabteile des Zwischengehäuses 14 unterteilt.
In jedem Einzelabteil ist ein Pol des Leistungsschalters gelagert.
Jeder Pol umfaßt
eine Anordnung mit trennbaren Kontakten sowie eine Lichtbogenlöschkammer 26.
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Das
trennbare Kontaktsystem umfaßt
ein feststehendes Kontaktstück 28,
das direkt auf einem, durch den Sockel 12 des Isolierstoffgehäuses geführten, ersten
Anschluß 30 des
Leistungsschalters montiert ist, sowie ein bewegbares Kontaktstück 32.
Letzteres umfaßt
mehrere parallel zueinander verlaufende Kontaktfinger 34,
die schwenkbar auf einer ersten Querachse 36 eines Trägerkäfigs 38 montiert
sind. Der Fuß jedes
Kontaktfingers ist über
ein flexibles Leitungsband 42 aus einem Leiterwerkstoff
mit einem durch den Sockel 12 geführten zweiten Anschluß 40 verbunden.
Die Anschlüsse 30, 40 dienen
zum Anschluß an
das einspeiseitige oder abgangsseitige Netz, z.B. über eine
Sammelschienenanordnung. Der Käfig 38 weist
auf seiner in der Nähe
des zweiten Anschlusses 40 verlaufenden Seite eine Achse
auf, die in einem fest mit dem Isolierstoffgehäuse verbundenen Lager gelagert
ist, derart daß der
Käfig 38 zwischen
einer Ausschaltstellung und einer Einschaltstellung des Pols um
eine in 2 dargestellte geometrische
Achse 44 verschwenkt werden kann. In einer Aussparung des
Käfigs 38 ist
eine Kontaktdruck-Federanordnung 46 gelagert, welche die
Kontaktfinger 34 im Gegenuhrzeigersinn schwenkwirksam um
die erste Achse 36 herum beaufschlagt. An jedem Kontaktfinger 34 ist
ein Kontaktplättchen 47 ausgebildet,
das in der in 2 gezeigten Stellung mit einem,
am feststehenden Kontaktstück 28 ausgebildeten
Einzelkontaktplättchen 49 in
Berührung steht.
Der Käfig 38 ist über einen Übertragungshebel 48 mit
der Schaltwelle 22 gekoppelt, derart daß die Drehung der Welle 22 ein
Verschwenken des Käfigs 38 um
die Achse 44 bewirkt.
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Der
Aufbau der Lichtbogenlöschkammer 26 ist
in 3 genauer dargestellt. Die Kammer umfaßt ein Paket
aus Löschblechen 50 zur
Entionisierung des Lichtbogens, die auf einem Isolierstoffträger mit zwei
seitlichen Wangen 52 montiert sind. An der Innenseite jeder
Wange 52 sind Aussparungen ausgebildet, die mit entsprechenden
Vorsprüngen
der Bleche zu deren Positionierung zusammenwirken Auf die gleiche
Weise erfolgt die Positionierung eines oberen Lichtbogenhorns 54.
Eine zusammengesetzte Außenwand 56 ist
annähernd
rechtwinklig zu den seitlichen Wangen sowie zu den Löschblechen
angeordnet. Diese Wand bildet einen Rahmen zur Befestigung der Wangen.
Sie weist Auslaßöffnungen
zur Ableitung der Schaltgase sowie ein Paket aus Zwischenfiltern 58 auf,
die dazu dienen, die Umweltbelastung der Umgebung zu begrenzen.
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4 zeigt,
wie die Lichtbogenlöschkammer 26 in
eines der Einzelabteile des Leistungsschalters eingesetzt wird,
im gezeigten Beispiel in ein seitliches Abteil, das durch eine Zwischentrennwand 24 und eine
der äußeren Seitenwände 60 des
Zwischengehäuses 14 begrenzt
werden. Ein solcher Aufbau erlaubt die Überprüfung des Schaltzustand der
Pole des Leistungsschalters sowie den Austausch der Löschkammer 26 mit
wenigen Handgriffen.
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Die
Löschanordnung
wird durch ein unteres Lichtbogenleithorn 62 vervollständigt, das
am Sockel 12 befestigt und elektrisch mit dem feststehenden Kontaktstück 28 des
Pols verbunden ist sowie den Eintrittsbereich der Löschkammer 26 zur
Unterseite hin begrenzt. Das feststehende Kontaktstück 28 weist
in dem Bereich, der dem vorderen Ende der Kontaktfinger 34 des
bewegbaren Kontaktstücks 32 direkt
gegenüber
liegt, einen an das Profil der Kontaktfinger 34 angepaßten Ansatz 64 auf,
dessen Profil in Richtung des Bogens des unteren Lichtbogenhorns 62 hin
ansteigt, um zusammen mit diesem allgemein ein Profil ohne nennenswerte
Steigungssprünge
zu bilden. Durch diesen als Funkenfänger bezeichneten Abschnitt
des feststehenden Kontaktstücks
kann die Gefahr einer Beschädigung
der Kontaktplättchen
vermieden werden. Bei Abschaltung der Kontakte bewirkt nämlich die
anfängliche Schwenkbewegung
des Käfigs 38 um
die Achse 44 – im
Uhrzeigersinn gemäß 2 – ein Verschwenken der
beweglichen Kontaktfinger 34 um ihre Achse 36 in
entgegengesetzter Richtung. In dieser Anfangsphase bewirkt die kombinierte
Bewegung eine Annäherung
des vorderen Bereichs der Kontaktfinger 34 an den Funkenfänger sowie
dessen Berührung,
bevor sich die Kontaktplättchen 47, 49 voneinander
getrennt haben. Bei Trennung der Kontaktplättchen 47, 49 befinden
sich die Kontaktfinger 34 in einer Stellung, die zur Folge
hat, daß der
Abstand zwischen den Plättchen 47, 49 schneller
zunimmt als der Abstand zwischen dem unteren Lichtbogenhorn 62 und den
Fingern 34 des bewegbaren Kontaktstücks 32. Dadurch wird
der Lichtbogen zunächst
zwischen dem Funkenfänger
und dem vorderen Ende der Kontaktfinger 34 gezogen und
wandert sofort weiter, bis er zwischen dem Bogen des Lichtbogenhorns 62 und der
Vorderseite der Kontaktfinger 34 brennt, wobei jede Verschiebung
des Lichtbogens in Richtung der Plättchen 47, 49 bzw.
jegliche Zündung
in deren Bereich verhindert werden. Im weiteren Verlauf der Abschaltung
verläuft
der Lichtbogen dann vor der Löschkammer
und tritt anschließend
wie üblich
in diese ein.
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Die
Pole des Leistungsschalters 10 sind paarweise zusammengeschaltet,
so daß drei
Gruppen mit jeweils zwei aneinandergrenzenden Polen gebildet werden.
Als Zusammenschaltung wird die elektrische Parallelschaltung der
feststehenden Kontaktstücke 28 der
beiden Pole einerseits sowie der bewegbaren Kontaktstücke 32 der
beiden Pole andererseits verstanden. In der Praxis erfolgt diese
Zusammenschaltung außerhalb
des Gehäuses
an den freistehenden Enden der Anschlüsse 30, 40 der
miteinander zu verbindenden Kontakte durch Einsetzen von zwei Anschlußverbindern 66 (sichtbar
in 4 an einem der Pole), wobei die beiden Anschlußverbinder
an jedem ihrer Enden auf einem entsprechenden Abschnitt jedes aus
dem Gehäuse
hervorstehenden Anschlusses 30, 40 befestigt werden.
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Die
drei Zwischenwände 24,
die jeweils zwei zusammengeschaltete Abteile voneinander trennen, unterscheiden
sich von den anderen Zwischenwänden 25 dadurch,
daß sie
eine Verbindungsöffnung 68 mit
annähernd
rechteckigem Querschnitt aufweisen, wie dies in 2, 4 und 5 zu
sehen ist. Diese Verbindungsöffnung
ist in der Nähe
der Kontaktzone, in Höhe
des Eintrittsbereichs der Löschkammer ausgebildet.
Sie ist so angeordnet, daß sich
die unteren Lichtbogenhörner 62 der
beiden zusammengeschalteten Pole auf beiden Seiten der Öffnung gegenüber liegen.
In der Höhe,
gemessen in einer rechtwinklig zum Sockel 12 verlaufenden
Achse, erstreckt sich die Öffnung 68 annähernd bis
in Höhe der
oberen Lichtbogenhörner 54.
In der Länge,
rechtwinklig zur vorgenannten Achse sowie zur Schwenkachse 44 des
bewegbaren Kontaktstücks 32 gemessen,
erstreckt sich die Öffnung
zu beiden Seiten der Eintrittszone der Löschkammer 26. Letztlich
sind die Eintrittszonen der beiden Löschkammern 26 durch die
Zwischenwand 24 praktisch nicht voneinander getrennt. Auf
diese Weise kann ein gemeinsamer Eintrittstrichter für die zwei
Löschkammern 26 definiert
werden, was praktisch in einer rechtwinklig zur Längsachse
verlaufenden Querschnittsebene durch eine annähernd rechtwinklige, gemeinsame Öffnung ausgeführt ist,
deren Rand durch den Rand des oberen Lichtbogenhorns 54 eines
der Pole, den Rand des oberen Lichtbogenhorns 54 des parallel
geschalteten Pols, einen Wandabschnitt der öffnungsfreien Zwischentrennwand 25 dieses
parallel geschalteten Pols, den oberen, herausstehenden Rand des
unteren Lichtbogenhorns 62 des parallel geschalteten Pols,
den entsprechenden Rand des unteren Lichtbogenhorns 62 des ersten
Pols sowie einen Wandabschnitt der öffnungsfreien Zwischentrennwand 25 – oder ggf.
der seitlichen äußeren Trennwand 60 – des ersten
Pols definiert ist. Wie insbesondere aus 2 und 4 hervorgeht,
weisen die seitlichen Wangen 52 der Löschkammern 26 einen Ausschnitt 70 entsprechend
der Öffnung 68 auf,
die in der Zwischentrennwand 24 ausgebildet ist, welche die
beiden zusammengeschalteten Pole voneinander trennt. Die der angrenzenden
Zwischentrennwand 24, 25 gegenüber liegende Seite der seitlichen
Wangen 52 jeder Löschkammer 26 liegt
vollflächig
auf dieser Wand auf.
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Der
Leistungsschalter arbeitet wie folgt: Bei Auftreten eines durch
einen Auslöser
erfaßten
Fehlerstroms bewirkt der Schaltmechanismus 20 die Abschaltung
des Leistungsschalters durch Verschwenken der Schaltwelle 22,
wodurch sämtliche
Käfige 38 mit
den bewegbaren Kontaktstücken 32 in
ihre Ausschaltstellung überführt werden.
Die Anfangsphase der Schwenkbewegung der Käfige 38 bewirkt das Verschwenken
der Kontaktfinger 34 in entgegengesetzter Richtung. Zwischen
der Vorderseite der Kontaktfinger 34 und dem Funkenfänger entsteht
ein vorübergehender
Kontakt, bevor es zur Trennung der Kontaktplättchen 47, 49 kommt.
Dieser vorübergehende
Kontakt besteht nach Trennung der Kontaktplättchen 47, 49 ausreichend
lange fort, damit sich der Strom zwischen den Kontaktfingern 34 und
dem Funkenfänger
ausbilden kann. Die fortgesetzte Bewegung des Käfigs 38 bewirkt die
Trennung der Kontaktfinger 34 vom Funkenfänger. Ein
Lichtbogen-Fußpunkt
bildet sich auf dem Funkenfänger
und wandert durch Wirkung der elektrodynamischen Kräfte schnell
weiter zum unteren Lichtbogenhorn 62, während sich der Lichtbogenkopf
an der Vorderseite der Kontaktfinger 34 ausbildet. Am Ende
der Abschaltbewegung des bewegbaren Kontaktstücks 32 springt der
Lichtbogen von den Kontaktfingern 34 des bewegbaren Kontaktstücks auf
das obere Lichtbogenhorn 54 über. In diesem Moment wird
ein Lichtbogen zwischen dem unteren Horn 62 und dem oberen
Horn 54 gezogen. Im parallel geschalteten Pol läuft nicht
derselbe Vorgang gleichzeitig ab. Es kommt nämlich nicht sofort zur Ausbildung
eines ähnlichen
Lichtbogens wie im ersten Pol. Der gesamte Strom fließt daher über den
Lichtbogen in einem der beiden Abteile. Aufgrund der Verbindungsöffnung 68 zwischen
den beiden Abteilen kann der Lichtbogen jedoch durch Durchschlagswirkung
zünden
und sich mit leichter Verzögerung
im unbelasteten Abteil entwickeln. Es kommt daher zu einer Aufteilung
des Stroms und der Lichtbogenenergie auf die beiden Abteile.
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Durch
Vergleichsmessungen (siehe 6 und 7)
läßt sich
die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Anordnung nachweisen. Ein
unbeeinflußter
Strom mit einem Effektivwert von 130 kA (entsprechend ca. 270 kA
Scheitelwert bei asymmetrischer Einschaltung mit einem Leistungsfaktor
von 0,2) wurde zwei parallel geschalteten Polen der Nenngröße 3200A
mit einem Grenz-Ausschaltvermögen
von 100 kA zugeführt.
Entsprechend der Darstellung in 6 wurden
mit Hilfe von Amperemetern 72, 74 die Augenblickswerte
des über
jeden Pol fließenden
Stroms und mit Hilfe eines Voltmeters 76 die Spannung an den
Klemmen der Pole gemessen. Die gemessenen Augenblickswerte wurden
einer Recheneinheit 78 zugeführt, welche die Berechnung
der für
jeden Zweig charakteristischen Energieintegrale erlaubt. 7 zeigt
die Ausschaltkennlinien in Abhängigkeit von
der Zeit t, d.h. den über
die beiden Zweige der Stromkreise A und B fließenden Gesamtstrom iA + iB, die Spannung
v an den gemeinsamen Klemmen der beiden zusammengeschalteten Pole,
den Strom in jedem der beiden Zweige sowie den Abstand d zwischen
dem bewegbaren Kontaktstück
und dem feststehenden Kontaktstück.
Vor dem Zeitpunkt t0 sind die Pole eingeschaltet.
Der Strom war annähernd hälftig auf
beide Pole aufgeteilt, entsprechend einem Scheitelstrom von 135
kA pro Pol. Die Abschaltung erfolgt zum Zeitpunkt t0.
Im ersten Pol A tritt der Lichtbogen zum Zeitpunkt t0 auf
und besteht nach dem Zeitpunkt t1 des Stromnulldurchgangs
weiter fort. Im zweiten Pol B entsteht der Lichtbogen zum Zeitpunkt t0, wird jedoch im Stromnulldurchgang gelöscht. Zwischen
den Zeitpunkten t1 und t2 fließt der Strom
ausschließlich über Pol
A. Der Zeitpunkt t2 markiert die Neuzündung des
Lichtbogens B, so daß in
diesem Zweig des Stromkreises erneut ein Strom auftritt. Zwischen
den Zeitpunkten t2 und t3 besteht
der Lichtbogen gleichzeitig in beiden Polen, die somit beide von
einem Strom durchflossen werden. Zum Zeitpunkt t2 ist
die Lichtbogenspannung leicht abgefallen, bevor ihr Absolutwert
erneut ansteigt. Der Absolutwert des Stroms in Pol B ist während der
ganze Zeit unter dem Stromwert in Pol A geblieben. Das Absinken
des Stroms auf null zum Zeitpunkt t3 in
Pol B belegt die Lichtbogenlöschung
in diesem Abteil. Zum Zeitpunkt t4 ist auch
der Strom in Abteil A zu null geworden, was die Löschung des
entsprechenden Lichtbogens anzeigt. Der Absolutwert der Lichtbogenspannung
ist weiter gestiegen, ohne daß ein
erneuter Stromfluß auftritt.
Die Abschaltung ist in weniger als einer halben Periode erfolgt.
Die durch das Integral W des Produkts aus dem Strom i(t) und der Spannung
v(t) zwischen t0 und t4 ausgedrückte Lichtbogenenergie
in jedem Zweig des Stromkreises zeigt, daß etwa 2/3 der Energie in Abteil
A und 1/3 in Abteil B freigesetzt worden sind. Dieses Ergebnis läßt sich übrigens
direkt an den Kennlinien aus 7 ablesen,
in denen die von den Stromkurven der Zweige A und B begrenzten Flächen annähernd die
Lichtbogenenergie in jedem dieser Zweige abbilden, wenn man berücksichtigt,
daß in
beiden Zweigen die gleiche Lichtbogenspannung besteht und diese Spannung
konstant ist.
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Unter
analogen Bedingungen entsteht in einem Leistungsschalter, der sich
nur durch das Fehlen der Öffnung
in der Zwischentrennwand vom vorherigen Schalter unterscheidet,
der Lichtbogen zwar auch in beiden Abteilen, wird aber beim ersten Stromnulldurchgang
in einem Abteil gelöscht.
Anschließend
entwickelt er sich nur in einem der beiden Abteile weiter. Die Lichtbogenlöschung erfolgt
im zweiten Stromnulldurchgang, es kommt jedoch fast ohne Verzögerung zu
einer Neuzündung.
Die Abschaltung ist daher fehlgeschlagen, und der Test hat die Zerstörung des
Pols bewirkt, in dem sich der Lichtbogen weiter entwickeln konnte.
Der Grund hierfür
ist, daß der
zugeführte
Strom über
dem Grenz-Ausschaltvermögen
jedes einzelnen Abteils lag und die Energieverteilung zwischen den
beiden Abteilen sehr ungünstig,
in der Praxis schlechter als 1/10 war.
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Unter
Versuchsbedingungen mit einem Strom unterhalb des Grenz-Ausschaltvermögens des Leistungsschalters
ohne Verbindungsöffnung
zeigt sich erneut ein wesentlicher Unterschied im Verhalten des
Pols. Es wurde folgender Versuch durchgeführt: Als Referenz wurde die
Anordnung mit zwei parallel geschalteten Polabteilen, die im Prinzip
einem einzigen Pol entsprechen und eine Verbindungsöffnung aufweisen
verwendet, und unter Versuchsbedingungen mit einem Strom I von 50%
des Grenz-Ausschaltvermögens
I
cu dieses Pols wurde bei einer Spannung
v
cu und einem Leistungsfaktor k
cu zur Bestimmung
des Grenz-Ausschaltvermögens
I
cu, das Verhältnis
zwischen der Lichtbogenenergie
W
B in dem am weniger beanspruchten Zweig
und der Lichtbogenenergie W
A in dem stärker beanspruchten
Zweig (W
B ≤ W
A) zwischen dem Zeitpunkt t
0,
zu dem die Abschaltung beginnt, und dem Zeitpunkt t
4,
an dem der Strom im letzten Abteil endgültig null wird, gemessen. Bei
einem erfindungsgemäßen Pol
war das in den Versuchen ermittelte Verhältnis in allen Fällen größer als 1/6.
Bei einem Pol aus ähnlichen,
parallel geschalteten, jedoch keine Verbindungsöffnung aufweisenden Abteilen
betrug das gemessene Verhältnis
im günstigsten
Fall etwa 0,1 Dies bedeutet in der Praxis, daß der Lichtbogen zwar in beiden
Abteilen entsteht, jedoch spätestens
beim ersten Stromnulldurchgang in einem der Abteile erlischt und
anschließend
nur noch im anderen Abteil weiter brennt. Unter diesen günstigen
Versuchsbedingungen, d.h. Wahl eines Stroms unterhalb des Grenz-Ausschaltvermögens eines
Einzelabteils, findet die Abschaltung zwar statt, führt jedoch
zu einer außerordentlichen
Belastung des stärker
beanspruchten Abteils.
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Es
wurden Vergleichsmessungen mit Öffnungen
unterschiedlicher Größe und Anordnung durchgeführt. Die
Messungen erfolgten für
einpolige Kurzschlußströme von 130,
150 und 180 kA bei einer Wechselspannung von 508 V und einem Leistungsfaktor
von etwa 0,15.
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Das
Verhältnis
der Lichtbogenenergien,
die zwischen dem Zeitpunkt t
0 entsprechend
dem Beginn des Abschaltvorgangs und dem Zeitpunkt t
4,
an dem der Strom im letzten Abteil endgültig null wird, in beiden Abteilen erzeugt
werden, wurde als Indikator für
die Aufteilung der Lichtbogenenergie auf die beiden Abteile und
die Wirksamkeit der Anordnung benutzt, wobei der Idealwert 1 beträgt.
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Die
Erfahrung zeigt, daß die
Wirksamkeit der Anordnung von der Lage der Öffnung in der Kammer abhängt. Die
Wirksamkeit nimmt mit zunehmendem Abstand der Öffnung von der Kontaktzone
ab. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Verbindungsöffnung erzielt,
die so angeordnet war, daß sich
in der Öffnungsphase
der Kontakte, d.h. zwischen dem Zeitpunkt, an dem sich das bewegbare
Kontaktstück vom
feststehenden Kontaktstück
abhebt, und dem Zeitpunkt, an dem es seine obere Stellung erreicht, mindestens
ein Teil des Lichtbogens, vorzugsweise sein Fußpunkt auf der Seite des feststehenden
Kontaktstücks,
in Höhe
des Öffnungsausschnitts
befand. Dies ist nämlich
der günstigste
Zeitpunkt, damit sich der Druck und der Gasstrom, die vom Lichtbogen
erzeugt werden, in die andere Kammer ausbreiten. Wird die Öffnung weiter
in das Innere der Kammer verlegt, erreicht sie der Lichtbogen erst
mit Verzögerung
und zu einem Zeitpunkt, zu dem er bereits abgekühlt ist, so daß die Wahrscheinlichkeit
eines Durchschlags in das Parallelabteil geringer ist. Außerdem beeinträchtigt eine
solche Anordnung die Festigkeit der Löschkammer. Wird die Öffnung hingegen
in Richtung der Kontaktplättchen
verschoben, besteht die Gefahr, daß der Durchschlag in das andere
Abteil im Bereich der Plättchen
erfolgt, wodurch diese beschädigt
werden können.
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Die
Wirksamkeit ändert
sich auch mit der Größe des Öffnungsquerschnitts.
Eine ausreichende Höhe
der Öffnung
entspricht beispielsweise etwa dem halben Abstand zwischen Lichtbogen-Fußpunkt und
Lichtbogenkopf am Ende des Öffnungsvorgangs,
d.h. bei dem im Versuch verwendeten Polaufbau dem halben Abstand
zwischen dem unteren Lichtbogenhorn und dem oberen Lichtbogenhorn.
Allerdings eignet sich diese Anordnung nur für Leistungsschalter mit verhältnismäßig langsamem
Ausschaltvorgang und verhältnismäßig kleinen
Strömen (unter
150 kA). Bei schnelleren Leistungsschaltern und höheren Strömen sollte
die Offnung eine ausreichende Höhe
aufweisen, damit zum Zeitpunkt, an dem das bewegbare Kontaktstück seine
obere Stellung erreicht, Lichtbogen-Fußpunkt und Lichtbogenkopf in
Höhe der Öffnung liegen.
Anders ausgedrückt ist
das Ergebnis besser, wenn der Bereich der bewegbaren Kontaktstücke, in
dem sich der Lichtbogenkopf ausbildet, dem entsprechenden Bereich
des bewegbaren Kontaktstücks
des Parallelabteils während
des gesamten Öffnungshubs
der bewegbaren Kontaktstücke
gegenüber
liegt. Ein Durchschlag mit daraus resultierender Lichtbogenbildung
im Parallelabteil kann nämlich
nur dann erfolgen, wenn die vom Erstlichtbogen entwickelte Energie
sowie der damit verbundene Temperatur- und Druckanstieg ausreichend
groß sind.
Bei extremen Versuchsparametern, insbesondere bei einer sehr hohen
Ausschaltgeschwindigkeit sind diese Bedingungen allerdings erst am
Ende des Aufwärtshubs
der bewegbaren Kontaktstücke
gegeben. Es sei besonders darauf hingewiesen, daß sich der gewünschte Effekt
bei einer Öffnung
mit größerer Höhe, welche über die
maximale Lichtbogenhöhe
hinausgeht, nicht verschlechtert. In der Praxis wird die Höhe der Öffnung durch
das obere Lichtbogenhorn begrenzt, zu dessen Befestigung seitliche
Verankerungen erforderlich sind.
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Hinsichtlich
der Breite der Öffnung
muß berücksichtigt
werden, daß der
Lichtbogen aufgrund der elektrodynamischen Blaswirkung dazu neigt,
sich in Richtung Löschkammer
zu verschieben. Es werden also bessere Ergebnisse erzielt, wenn
die Öffnung
breit genug ist, damit ihr der ganze Lichtbogen während der
gesamten Ausschaltdauer gegenüber liegt.
Als Orientierungswert sollte die Breite nicht geringer sein als
ein Drittel der Höhe.
Zufriedenstellende Ergebnisse werden erzielt, wenn die Breite etwa der
halben Höhe
entspricht. Für
sich genommen wird die gewünschte
Wirkung durch eine größere Breite nicht
beeinträchtigt.
Bei einem Polaufbau gemäß der vorausgehenden
Beschreibung ist die Breite jedoch einerseits durch das Vorhandensein
der Löschkammer,
die seitliche Stützwangen
benötigt,
und andererseits durch das Vorhandensein der Kontaktplättchen begrenzt,
die vor der Gefahr des Überspringens
des Lichtbogens geschützt
werden sollen.
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Selbstverständlich kann
sich bei einem anderen Polaufbau eine etwas andere Anordnung ergeben.
Ist der Pol so dimensioniert, daß der Lichtbogen im Bereich
der Kontaktplättchen
entsteht, bevor er in Richtung Löschkammer
geblasen wird, kann es insbesondere sinnvoll sein, daß sich die
feststehenden Kontaktplättchen
in Höhe
der Öffnung
einander gegenüber
liegen.
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Selbstverständlich können verschiedene Änderungen
mit dem Ziel vorgenommen werden, die Verteilung der Lichtbogenenergie
weiter zu verbessern. So kann beispielsweise erwogen werden, das bewegbare
Kontaktstück
jedes Parallelpols mit dem feststehenden Kontaktstück des anderen
Parallelpols zu verbinden. Außerdem
kann erwogen werden, die Öffnung
mit einer Klappe zu versehen, die nur dann eine Verbindung zwischen
den Kammern erlaubt, wenn eine bestimmte Druckdifferenz überschritten
wird. Man kann auch vorsehen, die Öffnung als Röhre mit
konisch auslaufenden Rändern
auszuführen,
um den Gasstrom günstig
zu beeinflussen. Außerdem
kann es sinnvoll sein, die Ränder
der Öffnung
mit einer Beschichtung zu versehen, die eine hohe dielektrische
Festigkeit aufweist, so daß die Entwicklung
des Lichtbogens nicht beeinträchtigt wird.
Anstelle des rechteckigen Querschnitts der Öffnung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
kann auch eine andere Form gewählt
werden, solange die genannten Abmessungskriterien eingehalten werden.
So kann beispielsweise eine Öffnung mit
länglichem
oder elliptischem Querschnitt erwogen werden, dessen eine Achse
eine Abmessung entsprechend der Breite aus obigem Beispiel und dessen
andere Achse eine Abmessung entsprechend der Höhe aus obigem Beispiel aufweist.
