SE455449B - Elektrisk kopplingsapparat - Google Patents

Description

455 449 2 där kontaktrörelseriktningen är i huvudsak vinkelrät mot kontaktytan), får låg kontaktseparationshastighet under första delen av kontaktöppnings- fasen. Detta försvårar ljusbågens förflyttning från kontaktstället, efter- som en betydande mångd ljusbàgsgaser innehållande metallånga etc hinner alstras vid kontaktstället innan kontaktgapet når den minimistorlek (ca 1 mm) som erfordras för att en förflyttning av ljusbågen överhuvudtaget skall vara möjlig.

En annan olägenhet vid kända konstruktioner är att torsionsfjädern måste dimensioneras för att kunna lagra relativt stor energi, eftersom fjädern under frånslaget motverkas av en kontakttrycksfjäder eller något annat kontakttrycksalstrande organ. nanoeönatsa FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en elektrisk kopplingsapparat som förutom att kunna leda höga driftströmmar skall kunna effektivt begränsa och eventuellt bryta kortslutningsströmmar. Vid en sådan apparat erfordras att apparatens kontaktsystem skall kunna öppnas på mycket kort tid (< 1 ms) och att den därvid uppkomna ljusbågen snabbt avlägsnas från kontaktytorna. För att ljusbàgen snabbt skall kunna lämna kontakterna krävs en kontaktseparationshastighet på omkring 6 m/s redan inom 0,1 ms från startögonblicket. Detta uppnås enligt uppfinningen med en apparat som uppvisar de i patentkrav 1 angivna kännetecknen.

Genom att låta en och samma torsionsfjäder fungera både som kontakttrycks- och frànslagsfjäder och låta energin för frànslaget överföras till den rörliga kontaktarmen genom ett slag från en på torsionsfjâdern fäst hammare uppnås flera fördelar. Genom hammarslaget kommer kontaktpunkterna att omedelbart få stor separationshastighet och ljusbågen kan snabbt vandra ut på i anslutning till kontaktstället anordnade löpskenor.

Eftersom dessutom kontaktkraften automatiskt försvinner vid öppnandet erfordras med denna lösning liten lagrad fjäderenergi (endast 2-3 J vid en kontaktkraft på 1 kN). Uppfinningen möjliggör dessutom en enkel konstruk- tion med få och robusta detaljer. vilket borgar för hög tillförlitlighet.

Enligt en vidareutveckling av uppfinningen kompletteras apparaten med minst en av högmagnetostriktivt material utförd stav, som anordnas att vid 455 449 kortslutningsström påverka kontaktarmen för ástadkommande av kontakt- öppning redan innan stöten från slaghammaren inträffar. Med denna lösning kan ett ultrasnabbt kontaktsystem åstadkommas, vid vilket öppningstiden, inklusive 1 mm kontaktgap då ljusbågen lämnar kontakten. är mindre än 0.2 ms.

FIGUFBESKRIVNING ~ Uppfinningen skall närmare beskrivas i anslutning till två i bifogade ritning visade utföringsexempel. varvid fig 1 visar schematiskt i perspektiv en första utföringsform av ett kontaktsystem för en enligt uppfinningen utförd strömbegränsare, fig 2 visar på samma sätt en andra utföringsform av ett sådant kontakt- system, och fig 3 visar en kurva över kontaktgapet som funktion av tiden efter det att kortslutningsström detekterats i ett kontaktsystem enligt fig 2.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMEL Den i fig 1 visade kopplingsapparaten har en kontaktarm l som är fast fixerad på en axel 2 i form av ett tjockväggigt rör. Axeln är lagrad i ett genomgående hål i ett fast kontaktblock 3. Kontaktarmen 1, axeln 2 och kontaktblocket 3 är utförda av elektriskt ledande material, exempelvis koppar. Axeln 2 med kontaktarmen 1 är vridbar mellan ett till- och ett frànläge under påverkan av en torsionsstavfjäder U. I tilläget pressas kontaktarmen 1 via kontaktbelägg 5, 6 mot en fast kontaktbärare 7, varvid en ström I kan flyta mellan kontaktbäraren 7 och kontaktblocket 3 enligt de i figuren visade pilarna.

Torsionsstavfjädern 4 är i ena änden fast förbunden med kontaktarmen 1 och i den andra med en slaghammare 8. När slaghammarens fria ände utsätts för en kraft Fl spänns fjädern och kontakttrycket uppstår. I tillaget arreteras slaghammaren 8 och den i detta läge spända fjädern U av en spärr 9. När en kortslutning inträffar i den krets i vilken apparaten är in- kopplad, dras spärren 9 omedelbart undan från slaghammarens fria ände, t ex genom elektrodynamisk kraftverkan härrörande från en kondensator- urladdningsström. När slaghemmarens fria ände släpps, omvandlas den i 455 449 L, torsionsstavfjädern lagrade energin till rotationsenergi hos slaghammaren, vilket i figuren antytts genom pilen v och det med streckade linjer visade momentanläget 8' hos slaghammaren. Efter en viss accelerationssträcka stöter slaghammaren mot en på det tjockväggiga rörets 2 fria ände anordnad klack 10, varvid en del av energin överförs till röret. Hur stor del av energin som överförs genom stöten är beroende av förhållandet mellan mas- sorna hos delarna 4, 8 och 1, 2. Genom slaghammarens 8 stöt mot klacken 10 får kontaktpunkterna mellan beläggen 5, 6 omedelbart en stor separatione- hastighet och ljusbågen kan snabbt förflyttas från kontaktstället och vandra ut på löpskenor. exempelvis så som visas i den ovannämnda svenska patentansökningen 8504041-8.

En viktig fördel med denna konstruktion är att man med enkla medel kan uppnå stor kontaktkraft, t ex 2 kN hos en apparat med 1 kA märkström, och trots detta få en mycket snabb kontaktöppning. Detta beror bland annat på att kontaktkraften minskar under slaghammarens rörelse och är i det när- maste noll när stöten mot klacken 10 inträffar. Därigenom behövs endast relativt liten energi för apparatens frånslag. Eftersom man dessutom såsom frànslagsfjäder använder en torsionsstav, som har sin massa liggande nära stavens rotationsaxel och därigenom får litet tröghetsmoment och hög reso- nansfrekvens (t ex av storleksordningen 1 kHz för fjädern tillsammans med slaghammaren), kommer den tid-som går åt för slaghammarens rörelse från det att den frigörs från spärren 9 tills den stöter mot klacken 10 att vara mycket kort (exempelvis 0,2 ms).

Kontaktbelöggen 5, 6 kan lämpligen vara utförda av silver eller silver- legering, vilket tillsammans med den stora kontaktkraften på 1 kN eller mera gör att övergångsresistansen i kontaktstället är relativt liten.

Eftersom i tilläget samma stora kontaktkraft råder mellan axeln 2 och kontaktblocket 3, där kontaktytorna är relativt stora. kommer övergångs- resistansen på detta ställe att vara ännu mindre än mellan kontaktbeläggen 5. 6.

För att undvika att brännskador uppstår i lagerytorna mellan axeln 2 och blocket 3 när kontaktkraften försvinner i samband med kontaktöppnandet, är kontaktarmen 1 förbunden med blocket 3 via en flexibel ledare (ej visad i figuren). Eftersom denna ledare endast behöver leda ström under tiden från kontaktöppnandet tills ljusbågen släckts eller vandrat ut på löpskenor, som anordnats i anslutning till kontakterna, kan denna ledare vara rela- tivt tunn. ' 455 449 Med den i fig 1 visade konstruktionen kan en öppningstid, inklusive 1 mm kontaktgap då ljusbågen lämnar kontaktstället, på 0,4-0,5 ms åstadkommas.

Fig 2 visar en vidareutvecklad konstruktion, vid vilken öppningstiden kan reduceras till mindre än 0,2 ms. Vid denna konstruktion är utförandet enligt fig 1 kompletterat med en konsol 11, som är fast förbunden med axeln 2. I konsolens diagonalt motsatta hörn är två stavar 12 av hög- magnetostriktivt material och med magnetiseringslindningar 13 anordnade på sådant sätt, att stavarnas förlängning leder till en rotationsrörelse hos konsolen och därmed en kontaktöppning. Materialet i stavarna kan vara en legering mellan metallerna terbium och järn, exempelvis av det slag som beskrivs i US-patentskriften Ü 308 474. Med ett sådant material kan genom magnetisk påverkan en förlängning av storleksordningen 1 promille uppnås.

Som mothåll mot stavarnas 12 förlängning är vid varje stavs yttre ände anordnad en massa lü, som pressas mot stavänden med hjälp av en svag fjäderkraft F2.

Fig 3 visar en kurva över kontaktgapet d som funktion av tiden t för kopplingsapparaten enligt fig 2 under den första delen av ett frånslag.

Vid tiden t = 0 detekteras överström och en strömstöt skickas genom magnetiseringslindningarna 13. Därigenom erhålles den önskade snabba förlängningen av stavarna 12, och redan efter en tid av ca 0,2 ms har ett kontaktgap på 1 mm uppnåtts, vilket är tillräckligt för att ljusbágen skall kunna börja förflytta sig från kontaktstället. Ungefär samtidigt (dvs vid t = 0,2 ms) frikopplas_slaghammaren 8 från spärren 9, och efter ytterligare ca 0,25 ms (dvs vid t = O,U5 ms) slår hammaren 8 mot klacken 10. Den i anslutning till fig 1'beskrivna mekanismen slutför sedan kon- taktöppningen till fullt isolationsavstand på en tid av mindre än 3 ms.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsexemplen utan kan materialiseras på flera olika sätt inom ramen för patentkraven. Exempelvis kan apparaten utföras med två eller flera parallella kontaktarmar 1, varigenom apparatens märkström kan höjas. Kontaktarmarna behöver för övrigt inte vara anordnade vid den rörformiga axelns 2 ena ände utan kan exempelvis sitta mitt på axeln, vars ena ände är utformad med klacken 10 och vars andra ände är fast förbunden med den i axeln anordnade torsions- fjädern 4.

Claims (10)

455 449 PATENTKRAV

1. Elektrisk kopplingsapparat innehållande en kontaktarm (1) som är fixerad på en i ett fast kontaktblock (3) lagrad axel (2) och är vridbar mellan ett till- och ett frànläge under påverkan av en torsionsstavfjäder (4), vilken i sin ena ände är fast förbunden med kontaktarmen (1) eller dess axel (2) och i sin andra ände samverkar med ett spärrdon (9), vilket är anordnat att i tilläget arretera fjädern (4) i spånt tillstånd. varvid kontaktarmen (1) pressas mot en fast motkontakt (7) för slutning av en strömbana genom kontaktarmen (1), k ä n n e t e c k n a d därav. att torsionsstavfjäderns (4) nämnda andra ände är fast förbunden med en slag- hammare (8), vilken är anordnad att vid frånslag av apparaten efter utlös- ning av spärrdonet (9) stöta mot en på kontaktarmen (1) eller dess axel (2) fast anordnad klack (10) för åstadkommande av snabb kontaktöppning.

2. Kopplingsapparat enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att axeln (2) utgöres av ett rör, vilket omsluter torsionsstav- fjädern (ß).

3. Kopplingsapparat enligt patentkrav 2. k ä n n e t e c k n a d därav, att axeln (2) är försedd med nämnda kontaktarm (1) vid sin ena ände och nämnda klack (10) vid sin andra ände.

4. Kopplingsapparat enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att kontaktarmen (1) är anordnad i huvudsak mitt på axeln (2), vilken är försedd med nämnda klack (10) vid sin ena ände och är fast förbunden med torsionsstavfjädern (Ä) vid sin andra ände.

5. Kopplingsapparat enligt något av föregående patentkrav. k ä n n e - t e c k n a d därav, att axeln (2) och kontaktblocket (3) är utförda av material med god elektrisk ledningsförmåga och ingår i nämnda strömbana.

6. Kopplingsapparat enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d därav, att den innehåller minst en av magnetostriktivt ¿ material utförd stav (12), vilken är anordnad att vid kortslutningsström påverka kontaktarmen (1) för åstadkommande av kontaktöppning redan innan slaghammaren (8) slår mot klacken (10). F.) 455 449

7. Kopplingsapparat enligt patentkrav 6. k ä n n e t e c k n a d därav, att på den rörformiga axeln (2) är en konsol (ll) fixerad, och att den magnetostriktiva staven (12) är så anordnad i förhållande till konso- len (11). att en förlängning av staven (12) leder till en rotationsrörelse hos konsolen (ll).

8. Kopplingsapparat enligt patentkrav 7, k H n n e t e c k n a d därav, att som mothåll mot stavens (12) förlängning anordnats en massa (14) som med hjälp av ett fjädrande organ trycks mot stavens från konsolen (11) vända ände.

9. Kopplingsapparat enligt något av föregående patentkrav. k ä n n e - t e c k n a d därav, att kontaktarmen (1) och kontaktblocket (3) är för- bundna via en flexibel ledare.

10. Kopplingsapparat enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d därav. att i anslutning till apparatens kontaktanordning anordnats löpskenor på sådant sätt, att den vid kontaktöppning bildade ljusbågen, under påverkan av det av strömmen alstrade magnetfältet, snabbt föres bort från kontakterna.