-
Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät mit einem Kontaktsystem aus einem Bewegkontakt und einem Festkontakt sowie einer Lichtbogenlöschvorrichtung.
-
Schaltgeräte mit einem Kontaktsystem aus einem Bewegkontakt und einem Festkontakt sowie einer Lichtbogenlöschvorrichtung sind aus dem landläufigen Stand der Technik bekannt, beispielsweise im Bereich der Niederspannung als Schalter mit einem Festkontakt und einem drehbar gelagerten Bewegkontakt, wobei eine Lichtbogenlöschvorrichtung in Form von Löschblechen vorgesehen ist. Im Mittelspannungsbereich sind Schaltgeräte beispielsweise als Vakuumschaltröhren bekannt, welche einen aus einem vakuumdichten Gehäuse vakuumdicht beweglich herausgeführten Bewegkontakt sowie einen ebenfalls vakuumdicht aus dem Vakuumgehäuse herausgeführten Festkontakt aufweisen, welche ein Kontaktsystem innerhalb des Vakuumgehäuses bilden, wobei die Lichtbogenlöschvorrichtung durch Schlitze in den Kontakten des Kontaktsystems gebildet ist, welche Schlitze zur Erzeugung eines Magnetfeldes vorgesehen sind und zur Aufweitung bzw. Rotation eines Lichtbogens führen, welcher bei einem Stromnulldurchgang gelöscht wird.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltgerät auszubilden, welches über verbesserte Lichtbogenlöscheigenschaften verfügt.
-
Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch ein Schaltgerät mit einem Kontaktsystem aus einem Bewegkontakt, welcher entlang einer Bewegungsrichtung beweglich ist, und einem Festkontakt, sowie einer Lichtbogenlöschvorrichtung mit einer Anordnung zur Erzeugung eines in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgebildeten Magnetfeldes und einer Elektrodenanordnung aus einer ersten, mit dem Bewegkontakt leitend verbundenen Elektrode und einer zweiten, mit dem Festkontakt leitend verbundenen Elektrode, wobei die erste und die zweite Elektrode derart angeordnet sind, dass ein elektrisches Feld zwischen der ersten und der zweiten Elektrode senkrecht zur Bewegungsrichtung und senkrecht zum Magnetfeld ausbildbar ist.
-
Ein derartiges Schaltgerät weist verbesserte Lichtbogenlöscheigenschaften auf, weil durch die Anordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes und die Elektrodenanordnung ein im Falle eines Kurzschlussstromes bei getrenntem Kontaktsystem auftretender Lichtbogen, welcher als Plasma elektrisch leitfähige Teilchen aufweist, und da das in der Anordnung zur Erzeugung des Magnetfeldes ausgebildete Magnetfeld in der Elektrodenanordnung aus erster und zweiter Elektrode ein elektrisches Feld erzeugbar ist, weil sich die geladenen, elektrisch leitfähigen Teilchen des Plasmas des Lichtbogens bedingt durch die Bewegung im Magnetfeld zu den Elektroden bewegen, und dort ein elektrisches Feld aufbauen, das zur Erzeugung eines Gegenstromes führt, welcher der äußeren angelegten Spannung entgegengesetzt ausgebildet ist und somit der Lichtbogenbrennspannung entgegenwirkt und die Lichtbogenlöschung bewirkt bzw. unterstützt. Besonders vorteilhaft bei einem derartigen Schaltgerät ist, dass es sowohl für Gleichspannungsbetrieb wie auch für Wechselspannungsbetrieb einsetzbar ist, weil das durch die Magnetfelderzeugungsanordnung und die Elektrodenanordnung ausgebildete elektrische Feld bei Gleichspannungsbetrieb zur Lichtbogenlöschung ausreicht und bei Wechselspannungsbetrieb derselbe Effekt während einer Halbwelle des Wechselstromes ebenfalls ausreicht, um der Lichtbogenbrennspannung entgegenzuwirken und die Lichtbogenlöschung zu unterstützen. Das zu Grunde liegende Prinzip ist dabei das eines an und für sich bekannten magnetohydrodynamischen Generators, bei dem die Bewegung eines Stromes von leitfähigen Partikeln in einem Magnetfeld bedingt durch die Kraft des Magnetfeldes auf die leitfähigen Partikel an einer Elektrodenanordnung ein elektrisches Feld erzeugt und zum DC Stromfluss führt. Dieses in der Elektrodenanordnung erzeugte elektrische Feld ist bei dem erfindungsgemäßen Schaltgerät vorteilhafterweise der äußeren anliegenden Spannung und damit der Lichtbogenbrennspannung entgegengesetzt ausgerichtet und bewirkt bzw. unterstützt damit in vorteilhafter Weise die Lichtbogenlöschung.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anordnung zur Erzeugung des Magnetfeldes einen U-förmigen Eisenkern, dessen Basis zwischen dem Festkontakt und einer eine Stromschleife bildenden elektrischen Anschlussleitung des Festkontaktes angeordnet ist und dessen beide Schenkel sich entlang des Kontaktsystems um dieses erstrecken.
-
Mit anderen Worten ist durch den U-förmigen Eisenkern in der Anordnung gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung eine Art SLOT-Motor gebildet, bei welchem beim Auftreten eines ausreichend hohen Stromes zwischen den Schenkeln des U-förmigen Eisenkernes ein Magnetfeld erzeugt wird, welches eine Kraft auf den Bewegkontakt des Kontaktsystems ausübt, die zum Öffnen des Kontaktsystems führt. Weiterhin ist durch diese Anordnung des U-förmigen Eisenkernes und das dadurch erzeugte Magnetfeld auch eine Kraft auf die elektrisch leitfähigen Partikel bzw. Teilchen des Plasmastromes gewährleistet, welche zum Aufbau des Gegenfeldes an der Elektrodenanordnung ausnutzbar ist.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die erste Elektrode seitlich vom Bewegkontakt in Richtung des Festkontaktes und die zweite Elektrode seitlich vom Festkontakt in Richtung des Bewegkontaktes derart, dass sich bei unterbrochenen Kontaktsystem die erste Elektrode und die zweite Elektrode um einen zwischen dem Bewegkontakt und dem Festkontakt gebildeten Zwischenraum entlang desselben erstrecken. Durch eine derartige Anordnung von erster Elektrode und zweiter Elektrode ist ein geometrisch einfacher Aufbau realisiert, mit dem eine Ausbildung des elektrischen Feldes zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegkontaktes und senkrecht zum Magnetfeld ermöglicht ist entsprechend dem Kreuzprodukt aus Stromrichtung und Magnetischer Feldrichtung.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Bewegkontakt elektrisch isoliert mit einem Antrieb mechanisch gekoppelt und mittels eines ersten Gleitkontaktes mit einem ersten elektrischen Anschluss des Schaltgerätes leitend verbunden. Anstelle eines Gleitkontaktes kann auch ein flexibler Leiter zur Verbindung dienen. Ein derartiger Gleitkontakt oder flexibler Leiter stellt eine einfache Möglichkeit dar, einen ersten elektrischen Anschluss des Schaltgerätes mit dem Bewegkontakt elektrisch leitend zu verbinden und gleichzeitig die Bewegung des Bewegkontaktes zum Öffnen bzw. Schließen des Kontaktsystems des Schaltgerätes zu gewährleisten.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Elektrode über einen zweiten Gleitkontakt mit dem ersten elektrischen Anschluss des Schaltgerätes leitend verbunden. Anstelle des zweiten Gleitkontaktes kann auch ein zweiter flexibler Leiter zur Verbindung dienen. Ein zweiter Gleitkontakt oder ein zweiter flexibler Leiter zur elektrisch leitenden Verbindung der ersten Elektrode mit dem ersten elektrischen Anschluss des Schaltgerätes ermöglicht ebenfalls in einfacher Weise eine elektrisch leitende Verbindung bei gleichzeitiger Gewährleistung der Beweglichkeit des Bewegkontaktes.
-
Das Kontaktsystem und die Lichtbogenlöschvorrichtung können unterschiedlich angeordnet sein, beispielsweise in einem luftisolierten Gehäuse. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Kontaktsystem und die Lichtbogenlöschvorrichtung in einem vakuumdichten Gehäuse angeordnet, wobei ein Bewegkontaktanschlussbolzen vakuumdicht beweglich aus dem Vakuumgehäuse herausgeführt ist. Die Anordnung des Kontaktsystems und der Lichtbogenlöschvorrichtung in einem vakuumdichten Gehäuse ist besonders vorteilhaft, wenn das Schaltgerät im Bereich der Mittelspannung eingesetzt werden soll, weil in einer derartigen Vakuumschaltröhre ein Lichtbogen in Form eines Metalldampfplasmas mit extrem hoher Leitfähigkeit beim Unterbrechen des Kontaktsystems bedingt durch einen Kurzschlussstrom entsteht. Weiterhin ist der Kurzschlussstrom, welcher unterbrochen werden soll, im Bereich der Mittelspannung hoch, so dass durch die Anordnung zur Erzeugung des Magnetfeldes ein großes Magnetfeld erzeugbar ist. Bei einer gleichzeitig relativ geringen Lichtbogenspannung des Lichtbogens in der Vakuumschaltröhre ist das zwischen der Elektrodenanordnung erzeugbare elektrische Feld ausreichend, um die Löschung des Lichtbogens zu bewirken bzw. zu unterstützen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes mit geschlossenem Kontaktsystem;
-
2 eine schematische Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schaltgerätes; und
-
3 eine weitere schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Schaltgerätes mit unterbrochenem Kontaktsystem.
-
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Schaltgerätes 1 mit einem ersten elektrischen Anschluss 2 und einem zweiten elektrischen Anschluss 3 zum Verbinden mit beispielsweise einer Schaltanlage im Bereich der Energieverteilung. Das Schaltgerät 1 ist vorgesehen zum Unterbrechen der Energieverteilung der Schaltanlage beispielsweise im Falle eines vorliegenden Kurzschlusses, welcher von einer figürlich nicht dargestellten Steuerungseinrichtung detektierbar ist und zum Einleiten einer Antriebsbewegung in einen figürlich ebenfalls nicht dargestellten Antrieb des Schaltgerätes 1 führt, wodurch ein Kontaktsystem 4 des Schaltgerätes 1 unterbrochen werden kann. Das Kontaktsystem 4 umfasst einen Festkontakt 5, welcher ortsfest angeordnet ist und über eine Stromschleife 6 mit dem zweiten elektrischen Anschluss 3 leitend verbunden ist, sowie einen Bewegkontakt 7, welcher mittels einer elektrischen Leitung 8 und einem ersten Gleitkontakt 9 mit dem ersten elektrischen Anschluss 2 leitend verbunden ist und mittels einer Antriebsstange 10, welche elektrisch isolierend ausgebildet ist, mit dem figürlich nicht dargestellten Antrieb des Schaltgerätes 1 mechanisch gekoppelt ist. Anstelle des Gleitkontaktes 9 kann auch ein flexibler Leiter, beispielsweise in Form eines Strombandes oder dergleichen, zur leitenden Verbindung dienen. Ein Lager 11 ist an der Antriebsstange 10 vorgesehen, um eine geführte Bewegung der Antriebsstange zu gewährleisten und eventuell auftretende Querkräfte aufzunehmen. Der Bewegkontakt 7 wird beim Einleiten einer Antriebsbewegung und Entklinken der im Normalbetrieb verklinkten Antriebsstange im Ausführungsbeispiel der 1 in eine Bewegungsrichtung nach oben bewegt bzw. wenn der Kurzschluss beseitigt wurde und das Kontaktsystem bedingt durch einen Steuerungsbefehl wieder geschlossen werden soll, in eine Richtung nach unten bewegt, angedeutet durch den mit 12 bezeichneten Bewegungsrichtungspfeil. Eine Anordnung 13 zur Erzeugung eines Magnetfeldes ist vorgesehen, welche durch einen U-förmigen Eisenkern 14 gebildet ist, von dem in der 1 lediglich die Basis 15 erkennbar ist, welche zwischen dem Festkontakt 5 und der Stromschleife 6 angeordnet ist und deren Schenkel von der Basis hinweg um das Kontaktsystem 4 nach oben erstrecken, wie weiter unten mit Bezug auf die 2 näher erläutert. Die Anordnung 13 zur Erzeugung eines Magnetfeldes ist dabei vorgesehen, im Falle eines auftretenden Kurzschlussstromes ein Magnetfeld zu erzeugen, welches in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegkontaktes ausgebildet wird. Eine erste Elektrode 16 ist über einen zweiten Gleitkontakt 17 mit der elektrischen Leitung 8 und damit mit dem Bewegkontakt 7 bzw. dem ersten elektrischen Anschluss 2 elektrisch leitend verbunden und erstreckt sich vom Bewegkontakt 7 in Richtung des Festkontaktes 5 seitlich. Anstelle des zweiten Gleitkontaktes 17 kann ebenfalls ein flexibler Leiter, beispielsweise in Form eines Strombandes oder dergleichen, zur leitenden Verbindung dienen. Eine zweite Elektrode 18 ist mit der Stromschleife 6 und damit mit Festkontakt 5 bzw. dem zweiten elektrischen Anschluss 3 leitend verbunden und erstreckt sich vom Festkontakt 5 seitlich in Richtung des Bewegkontaktes 7, wobei die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 derart angeordnet sind, dass sie sich um das Kontaktsystem 4 herum erstrecken und das Ausbilden eines elektrischen Feldes zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 senkrecht zur Bewegungsrichtung 12 des Bewegkontaktes 7 wie auch senkrecht zum von der Anordnung 13 zur Erzeugung eines Magnetfeldes erzeugten Magnetfeldes ermöglicht ist.
-
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Schaltgerät 1, wobei in der 2 der Bewegkontakt 7 sowie die Antriebsstange 10 erkennbar sind, sowie die Basis 15 und ein erster Schenkel 19 und ein zweiter Schenkel 20 der Anordnung 13 zur Erzeugung des Magnetfeldes, wobei sich der erste Schenkel 19 und der zweite Schenkel 20 von der Basis 15 nach oben das Kontaktsystem 4 umgebend erstrecken. Die erste Elektrode 16 sowie die zweite Elektrode 18 sind ebenfalls in der 2 erkennbar, wobei die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 sich ebenfalls um das Kontaktsystem 4 derart herum erstrecken, dass ein elektrisches Feld erzeugbar ist, welches senkrecht zur Bewegungsrichtung 12 des Bewegkontaktes 7 und senkrecht zum Magnetfeld der Anordnung 13 ausbildbar ist. In der 2 ist der Bewegkontakt 7 als kreisrunder Kontakt dargestellt, die Funktion des Schaltgerätes 1 mit der Lichtbogenlöschvorrichtung ist aber unabhängig von der geometrischen Form von Festkontakt 5 und Bewegkontakt 7, solange die obigen Bedingungen für die Elektrodenanordnung und die Anordnung zur Erzeugung des Magnetfeldes erfüllt sind.
-
Die Funktion des Schaltgerätes 1 wird mit Bezug auf die 3 näher erläutert, wobei die 3 das Schaltgerät 1 mit bereits unterbrochenem Kontaktsystem 4 zeigt, wobei ein Zwischenraum 21 zwischen dem Bewegkontakt 7 und dem Festkontakt 5 gebildet ist, da nach Feststellen des Kurzschlussstromes durch eine Steuerungsvorrichtung die Antriebstange 10 entklinkt und der Antrieb eine Antriebsbewegung in die Antriebsstange 10 eingeleitet hat, wobei das Öffnen des Kontaktsystems 4 unterstützt wird durch die Anordnung 13 zur Erzeugung eines Magnetfeldes, welche im Falle eines Kurzschlussstromes zunächst wie ein SLOT-Motor funktioniert und eine Abstoßungskraft zwischen Bewegkontakt und Festkontakt erzeugt, die das Öffnen des Kontaktsystems 4 unterstützt. Im Falle des geöffneten Kontaktsystems 4 wie in der 3 dargestellt, wird ein Lichtbogen 22 im Zwischenraum 21 gezündet, schematisch dargestellt durch die gezackten Pfeile 23 und 24, welcher ein Metalldampfplasma bildet. Im Ausführungsbeispiel der 3 ist der erste elektrische Anschluss 2 mit negativer Polarität versehen und der zweite elektrische Anschluss 3 mit positiver Polarität, dies kann entsprechend eine äußere angelegte Gleichspannung bzw. die Polarität innerhalb einer Halbwelle eines äußeren angelegten Wechselstromes sein. Während diese Polarität derart vorliegt, fließt ein technischer Strom entsprechend den mit i gekennzeichneten Strompfeilen, wobei somit elektrisch positiv geladene Teilchen sich entsprechend der technischen Stromrichtung im Zwischenraum 21 vom Festkontakt 5 zum Bewegkontakt 7 hin bewegen und entsprechend elektrisch negativ geladene Teilchen sich vom Bewegkontakt 7 zum Festkontakt 5 nach unten bewegen. Durch das von der Anordnung 13 erzeugte Magnetfeld, welches sich in der 3 aus der Zeichnungsebene heraus erstreckt und mit B bezeichnet ist, erfahren die sich nach oben bewegenden positiven Ladungsträger eine Kraft nach rechts, welche sie zur ersten Elektrode 16 bewegt, wohingegen die negativen Ladungsträger durch das Magnetfeld eine Kraft nach links erfahren, welche sie zur zweiten Elektrode 18 bewegt, so dass zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 ein elektrisches Gegen-Feld entsteht, welches der äußeren angelegten treibenden Spannung und damit auch der Lichtbogenbrennspannung entgegengesetzt gerichtet ist und innerhalb kürzester Zeit zum Zusammenbrechen bzw. zum Löschen des Lichtbogens im Zwischenraum 21 führt.
-
Figürlich nicht weiter dargestellt, aber besonders vorteilhaft ist die Anordnung des Schaltgerätes 1 in einem vakuumdichten Gehäuse, so dass, mit anderen Worten, eine Vakuumschaltröhre gebildet ist, welche das Kontaktsystem 4, die Anordnung 13 zur Erzeugung des Magnetfeldes und die Elektrodenanordnung aus erster Elektrode 16 und zweiter Elektrode 18 entsprechend im vakuumdichten Gehäuse aufnimmt. Bei den im Bereich der Mittelspannung herrschenden Bedingungen unterstützt eine derartige Anordnung die Lichtbogenlöschung besonders effektiv. Dazu sind sowohl die Antriebsstange 10 als auch die elektrischen Leitungen 8 zum Bewegkontakt und ggf. Zur ersten Elektrode 16 so zu gestalten, dass sowohl die Bewegung als auch der elektrische Anschluss des Bewegkontaktes 7 vakuumdicht beweglich in das vakuumdichte Gehäuse der Vakuumschaltröhre eingeführt wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schaltgerät
- 2
- erster elektrischer Anschluss
- 3
- zweiter elektrischer Anschluss
- 4
- Kontaktsystem
- 5
- Festkontakt
- 6
- Stromschleife
- 7
- Bewegkontakt
- 8
- elektrische Leitung
- 9
- erster Gleitkontakt
- 10
- Antriebsstange
- 11
- Lager
- 12
- Bewegungsrichtung
- 13
- Anordnung
- 14
- U-förmiger Eisenkern
- 15
- Basis
- 16
- erste Elektrode
- 17
- zweiter Gleitkontakt
- 18
- zweite Elektrode
- 19
- erster Schenkel
- 20
- zweiter Schenkel
- 21
- Zwischenraum
- 22
- Lichtbogen
- 23, 24
- Lichtbogenpfeile