-
Die
Erfindung betrifft eine Lichtbogenlöschkammer für einen Niederspannungs-Leitungsschalter
mit hohem Nennstrom. Bei solchen Leistungsschaltern trifft man auf
eine besondere Schwierigkeit, wenn bei einer verhältnismäßig hohen
Spannung von etwa 600 Veff in Einphasensystemen oder 1000 Veff in
Dreiphasensystemen ein relativ kleiner Strom von etwa dem fünf- bis
zehnfachen Nennstrom des Leistungsschalters abgeschaltet werden
soll.
-
In
der Druckschrift
EP 0 306 382 wird
ein dieser Anforderung entsprechender Mehrpol-Leistungsschalter mit Isolierstoffgehäuse beschrieben,
in dem ein, mit einer Schaltwelle gekoppelter Schaltmechanismus
angeordnet ist, der die Abschaltung und Einschaltung aller Pole
des Leistungsschalters gewährleistet.
Jeder Pol umfasst ein feststehendes Kontaktstück, ein bewegliches Kontaktstück und eine
Lichtbogenlöschkammer.
Das feststehende Kontaktstück umfasst
einen feststehenden Stromzuführungsanschluss,
der am Boden des Gehäuses
aufliegt, feststehende Hauptkontakte und einen feststehenden Lichtbogenkontakt.
Das bewegliche Kontaktstück umfasst
einen feststehenden Stromzuführungsanschluss,
der ebenfalls am Boden des Gehäuses
aufliegt, sowie ein Kontaktsystem mit mehreren identischen Hauptkontakten,
die in zwei Gruppen mit gleicher Anzahl zu beiden Seiten eines beweglichen Lichtbogenkontakts
angeordnet sind, welcher sich in der Mittelachse des Pols in Längsrichtung
erstreckt, wobei die Länge
des beweglichen Lichtbogenkontakts größer ist als die Länge der
beweglichen Hauptkontakte. Die Lichtbogenlöschkammer ist oberhalb des
ersten Anschlusses angeordnet und umfasst einen Stapel von aus Lichtbogenlöschblechen
bestehenden Trennstegen, wobei jedes Blech eine V-förmige Kerbe
aufweist. Ein Paar aus einem unteren und einem oberen Lichtbogenhorn
umgreift den Löschblechstapel
der Lichtbogenlöschkammer.
Das untere Lichtbogenhorn ist fest mit der Oberseite des ersten
Anschlusses verbunden, wobei zwischen ihnen eine Isolierstoffabschirmung
mit drei Schrauben befestigt ist, die den Stromübergang zwischen Lichtbogenhorn
und Anschluss gewährleisten.
Die drei Schrauben sind an den Eckpunkten eines gleichschenkligen
Dreiecks angeordnet, wobei eine der Schrauben in der Mittelachse
des Pols, in der Nähe eines
Rands der Isolierstoffabschirmung sowie einer Gasaustrittswand zur
Evakuierung der Löschgase und
die beiden anderen Schrauben in der Nähe der feststehenden Hauptkontakte
angeordnet sind. Die Breite des unteren Lichtbogenhorns nimmt in
Richtung der Lichtbogenwanderung zur mittleren Schraube hin ab,
und die beiden anderen Schrauben sind auf beiden Seiten des feststehenden
Lichtbogenkontakts sowie in der Nähe der zugehörigen feststehenden
Hauptkontakte angeordnet. Bei der Abschaltung der Kontakte entsteht
der Lichtbogen in der Trennzone der Lichtbogenkontakte, welche längs der
Polmittelachse angeordnet ist und sich anschließend in den Mittelabschnitt
der Löschkammer
fortsetzt. Der Lichtbogen wandert in Richtung der mittleren Schraube, die
den Lichtbogenfußpunkt
stabilisiert. Am Ende des Ausschalthubs wird der Abstand zwischen
den Lichtbogenkontakten größer als
der Abstand zwischen den Hauptkontakten und bewirkt eine Neuzündung des
Lichtbogens an den Hauptkontakten, auf einer beiden Seiten der Löschkammer.
Der Lichtbogen entwickelt sich dann auf einer zweiten unterschiedlichen
Bahn, entlang einer der Seiten der Löschkammer, wobei er sich nach
und nach wieder zentriert und auf seiner Bahn auf kalte Teile trifft,
an denen eine wirksame Energieaufnahme stattfindet, die die Lichtbogenlöschung begünstigt.
-
In
einer solchen Anordnung wird ein großer Teil der Löschkammer
zur Lichtbogenlöschung
genutzt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass eine der Seiten
der Löschkammer
weitgehend ungenutzt bleibt, da nach der Neuzündung des Lichtbogens dieser
sich nur auf einer Seite der Lichtbogenlöschkammer ausbreitet. Die Tiefe
der Löschkammer,
d.h. ihre Längsausdehnung
zwischen dem Eingang der Löschkammer
und der Gasaustrittswand muss daher ausreichend groß sein,
um das zur Lichtbogenlöschung
erforderliche Energieaustauschvolumen zu gewährleisten. Es wird jedoch andererseits
bei einem Leistungsschalter mit bestimmten Betriebskennwerten angestrebt,
die Tiefe der Lichtbogenlöschkammer zu
verkleinern und die Breite gleichzeitig konstant zu halten, weil
diese in der Praxis einem vorgeschriebenen Installations-Normmaß entspricht.
-
Des
Weiteren ist in der Druckschrift
FR
2 604 026 ein Leistungsschalter beschrieben, dessen unteres
Lichtbogenhorn von seinem vorderen Abschnitt in der Nähe der Kontakte
zu seinem hinteren Abschnitt in der Nähe des Löschkammerbodens hin breiter wird.
Der breitere hintere Abschnitt bildet einen Auffangbereich, dessen
Oberfläche
kleiner ist als der Querschnitt des Lichtbogenfußpunktes eines Lichtbogens,
der bei konstanter Stromdichte entsprechend dem Nenn-Ausschaltstrom
erzeugt wird. Das Ziel besteht hier darin, den Lichtbogen in den
Auffangbereich zu lenken und ihn dort zu stabilisieren. Der stabilisierte
Lichtbogen brennt dann hauptsächlich
im Mittelabschnitt der Lichtbogenlöschkammer. Ein solche Anordnung
ist nicht wirksam, wenn die Längsabmessung
der Löschkammer,
d.h. ihre Tiefe zwischen dem Bereich des feststehenden Kontakts und
der zur Löschgasableitung
dienenden Rückwand der
Löschkammer
groß ist.
Die Breite der Löschkammer
kann klein sein, da sie zur Lichtbogenlöschung nicht genutzt wird.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten
eines Niederspannungs-Mehrpolleistungsschalters mit hohem Nennstrom,
insbesondere eines Leistungsschalters zu verbessern, der zur Abschaltung
eines Nennstroms über
1000 Aeff bei einer hohen Spannung von etwa 600 Veff pro Phase ausgelegt
sein muss. Sie zielt insbesondere darauf ab, das zur Abschaltung
eines Stroms bei hoher Spannung erforderliche Löschkammervolumen durch Verringerung
der Löschkammertiefe
bei fester Breite zu verringern. Genauer gesagt zielt sie darauf
ab, das Volumen der Löschkammer vollständig zu
nutzen, wenn die Kammer eine große Breite und eine geringe
Tiefe und/oder eine geringe Höhe
aufweist.
-
Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
einen Pol für
einen elektrischen Leistungsschalter erfüllt, der ein Gehäuse und
einen Schaltmechanismus umfasst, der von einer Einschaltstellung in
eine Ausschaltstellung übergehen
kann, welcher Pol
- – ein aus einem Leiterwerkstoff
bestehendes feststehendes Kontaktstück mit einer Kontaktzone,
- – ein
bewegliches Kontaktstück
mit einem oder mehreren Kontaktfingern aus einem Leiterwerkstoff,
welches bewegliche Kontaktstück
dazu dient, an den genannten Schaltmechanismus angekoppelt zu werden
und von einer Einschaltstellung, in der eine Kontaktverbindung zwischen dem
Kontaktfinger bzw. den Kontaktfingern und der Kontaktzone des feststehenden
Kontaktstücks
besteht, in eine Ausschaltstellung überzugehen, in der die beiden
Kontaktstücke
getrennt sind, und
- – eine
Lichtbogenlöschkammer
mit
- – zwei
parallel zueinander angeordneten Isolierstoffseitenwänden, die
in gleichem Abstand von einer geometrischen Längsmittelebene der Löschkammer
angeordnet sind, welche Längsmittelebene
auf diese Weise zwei seitliche geometrische Halbräume begrenzt,
die jeweils eine der Seitenwände
enthalten,
- – einer
Rückwand,
in der eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen ausgebildet sind,
- – als
Metallplatten ausgebildeten Trennstegen, die von einer Seitenwand
bis zur anderen sowie annähernd
senkrecht zur Längsmittelebene
verlaufen,
- – einer
vorderen Öffnung,
die in der Nähe
der Kontaktzone des feststehenden Kontaktstücks angeordnet ist und der
Rückwand
gegenüberliegt,
- – sowie
einem unteren Lichtbogenhorn aus einem Leiterwerkstoff, der elektrisch
mit dem feststehenden Kontaktstück
verbunden ist, welches Lichtbogenhorn
- – einen,
in der Nähe
der Rückwand
angeordneten hinteren Abschnitt mit einem Rand,
- – einen
Zwischenabschnitt, der die Kontaktzone und den hinteren Abschnitt
miteinander verbindet,
- – einen
Isolierstoffboden und
- – ein
oberes Lichtbogenhorn aus einem Leiterwerkstoff umfasst, wobei die
Trennstege zwischen dem unteren Lichtbogenhorn und dem oberen Lichtbogenhorn
angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass - – der
hintere Abschnitt eine, parallel zu einer senkrecht zur Längsmittelebene
verlaufenden Achse gemessene Breite aufweist, die größer ist als
die Breite des parallel zur gleichen Achse gemessenen Zwischenabschnitts,
- – in
jedem der seitlichen Halbräume
der hintere Abschnitt des Lichtbogenhorns mindestens einen Punkt
aufweist, der in Bezug zu der im jeweiligen Halbraum enthaltenen
Seitenwand in einem Abstand angeordnet ist, welcher kleiner ist
als ein Viertel des Abstands zwischen den beiden Seitenwänden,
- – der
Abstand zwischen dem hinteren Abschnitt und jeder der Seitenwände kleiner
ist als der halbe Abstand zwischen jeder der Seitenwände und der
Mittelebene und dass
- – der
Boden einen Absatz einem gasenden Material aufweist, der zwischen
dem Rand des hinteren Abschnitts und den Seitenwänden angeordnet ist.
-
Bei
einer Anordnung dieser Art zeigt sich nach einem Versuch zur Abschaltung
eines Stroms unter dem Zehnfachen des Nennstroms bei einer Nennwechselspannung
von 600 Veff in einem Einphasensystem, dass das untere Lichtbogenhorn
in den beiden äußersten
Seitenbereichen des hinteren Endabschnitts in gleichem Maße beansprucht
wird. Daraus lässt
sich ableiten, dass trotz des Fehlens einer vollständigen theoretischen
Erklärung
die beiden seitlichen Bereiche der Löschkammer in sehr ähnlichem
Verhältnis
zur Aufnahme der vom Lichtbogen entwickelten Energie, und damit
zu dessen Löschung beitragen.
Es ist nämlich
schwierig zu bestimmen, ob die festgestellten Spuren auf das Vorhandensein
von zwei gleichzeitig in der Löschkammer
brennenden Lichtbögen
oder auf eine schnelle seitliche Bewegung des Lichtbogens von einer
Seite des hinteren Endabschnitts des Lichtbogenhorns zur anderen
zurückzuführen sind.
In jedem Fall erlaubt eine solche Anordnung bei Verwendung einer
Lichtbogenlöschkammer
geringer Tiefe die vollständige
Nutzung der verfügbaren
Löschkammerbreite
und damit die Abschaltung eines Lichtbogens bei einer hohen Spannung
von mehr als 600 Veff in der Phase.
-
Bezüglich der
Volumenreduzierung ist die Erfindung besonders wirksam, wenn in
jedem durch die Längsmittelebene
begrenzten Teil der Löschkammer
der genannte Punkt auch in Bezug zur Rückwand in einem Abstand angeordnet
ist, der kleiner ist als ein Viertel des Abstands zwischen den beiden Seitenwänden. Auf
diese Weise ist gewährleistet, dass
der Lichtbogen das gesamte Materialvolumen der Trennstege nutzt.
-
Die
Erfindung kommt vorzugsweise in einem verhältnismäßig langen Pol zum Einsatz,
insbesondere in einem Pol, bei dem der Abstand zwischen der Kontaktzone
des feststehenden Kontaktstücks
und der Rückwand
der Löschkammer
kleiner ist als der Abstand zwischen den Seitenwänden der Löschkammer. Des weiteren wird
sie in einem Pol eingesetzt, dessen unteres Lichtbogenhorn eine
in der Längsmittelebene
gemessene Länge
aufweist, die kleiner ist als die, in einer senkrecht zur Längsmittelebene
verlaufenden Achse gemessene größte Breite
des hinteren Abschnitts des Lichtbogenhorns.
-
Vorzugsweise
weisen die Metallplatten der Trennstege einen vorderen Rand mit
einem asymmetrischen Ausschnitt auf, der zur einen oder zur anderen
Seitenwand gerichtet ist.
-
Der
Absatz steht vorzugsweise aus dem hinteren Abschnitt des Lichtbogenhorns
in Richtung des Innenraums der Löschkammer
hervor oder schließt bündig mit
dem hinteren Abschnitt des Lichtbogenhorns ab. Die hervorstehende
Absatz erlaubt eine starke Entgasung, die erheblich zur Erzeugung
der gewünschten
Wirkung, nämlich
der Bildung von zwei parallelen Lichtbögen bzw. eines zwischen den
beiden Seitenbereichen der Löschkammer
hin- und herspringenden Lichtbogens beiträgt.
-
Nach
einer Ausgestaltung wird vorgesehen, dass
- – jeder
seitliche Halbraum einen Teil der Trennstege umfasst, welcher Teil
der Trennstege einen geometrischen Massenmittelpunkt aufweist,
- – in
jedem seitlichen Halbraum der Abstand zwischen dem ersten Endabschnitt
und der im jeweiligen Halbraum enthaltenen Seitenwand kleiner ist
als der Abstand zwischen dem im gleichen Halbraum angeordneten Massenmittelpunkt
und der genannten Seitenwand.
-
Mehrere
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile und Merkmale näher
erläutert.
Dabei zeigen
-
1 eine
Ansicht eines Pols eines Schaltgeräts nach einer ersten Ausgestaltung
der Erfindung mit einer Schnittdarstellung gemäß einer Längsmittelebene einer Lichtbogenlöschkammer
dieses Pols,
-
2 eine
explodierte Ansicht eines Teils des Pols aus 1 mit insbesondere
der Darstellung der Lichtbogenlöschkammer,
-
3 eine
Draufsicht des Pols aus 1,
-
4 eine
Ansicht eines Pols eines Schaltgeräts nach einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung mit einer Schnittdarstellung gemäß einer Längsmittelebene einer Lichtbogenlöschkammer
dieses Pols,
-
5 eine
explodierte Ansicht eines Teils des Pols aus 4 mit insbesondere
der Darstellung der Lichtbogenlöschkammer,
-
6 eine
Draufsicht des Pols aus 4.
-
Die 1 bis 3 zeigen
einen Niederspannungs-Mehrpolleistungsschalter 10 mit einem Isolierstoffgehäuse 12,
in dem ein Schaltmechanismus 14 bekannter Art angeordnet
ist, der eine quer verlaufende, allen Polen gemeinsam zugeordnete und
in, im Gehäuse 12 ausgebildeten
Lagern drehbar gelagerte Schaltwelle 16 umfasst. Jeder
Pol umfasst ein feststehendes Kontaktstück 20, ein bewegliches Kontaktstück 22 und
eine, in der Nähe
des feststehenden Kontaktstücks 20 angeordnete
Lichtbogenlöschkammer 24.
-
Das
feststehende Kontaktstück 20 umfasst einen
Stromzuführungsanschluss 26,
der am Boden des Gehäuses 12,
teilweise unterhalb der Lichtbogenlöschkammer 24 montiert
ist. Das feststehende Kontaktstück 20 umfasst
darüber
hinaus zwei direkt am Stromzuführungsanschluss 26 befestigte
Hauptkontaktstege 28 (siehe 2) sowie
einen mittig angeordneten Lichtbogenkontakt 30. Der Lichtbogenkontakt
ist in einem Zwischenbereich zwischen den Stegen 28 und
der Löschkammer 24 am
Stromzuführungsanschluss 26 befestigt.
Der Lichtbogenkontakt 30 ist durch ein leitendes, unteres
Lichtbogenhorn 34, welches weiter unten näher beschrieben
wird, bis in die Löschkammer 24 hinein
verlängert
Der Stromzuführungsanschluss 26,
die Stege 28, der Lichtbogenkontakt 30 und das
Lichtbogenhorn 34 bestehen aus unterschiedlichen metallischen
Leiterwerkstoffen und liegen auf gleichem Potential. Der Lichtbogenkontakt 30 und
die Stege 28 bilden zusammen eine Kontaktzone 36,
die dazu dient, die elektrische Kontaktverbindung mit dem beweglichen
Kontaktstück 22 zu
gewährleisten.
-
Das
bewegliche Kontaktstück 22 umfasst seinerseits
einen feststehenden Stromzuführungsanschluss 40,
einen auf einer ortsfest zum Gehäuse 12 ausgebildeten
Achse 44 schwenkbar gelagerten Trägerkäfig 42 sowie mehrere
Hauptkontaktfinger 46 (siehe 3), die
zu beiden Seiten eines mittig angeordneten Lichtbogenkontaktfingers 48 angeordnet sind.
Die Kontaktfinger 46, 48 verschwenken um eine gemeinsame,
in Bezug zum Trägerkäfig 42 ortsfeste geometrische
Achse 50 und werden durch Kontaktdruckfedern 52 in
Richtung des feststehenden Kontaktstücks beaufschlagt. Eine Koppelstange 54 dient zur
Verbindung des Trägerkäfigs 42 des
beweglichen Kontaktstücks 22 mit
einem Hebel 56 der Schaltwelle 16 des Schaltmechanismus' 14. Jeder
Hauptkontaktfinger 46 umfasst ein Kontaktplättchen 58,
das dazu dient, in der Einschaltstellung des Schaltgeräts gemäß 1 die
elektrische Kontaktverbindung mit dem zugehörigen Kontaktsteg 28 des
feststehenden Kontaktstücks 20 zu
gewährleisten,
sowie einen aus dem Kontaktplättchen
in Richtung der Lichtbogenlöschkammer 24 hervorstehenden
Vorsprung 60. Der Lichtbogenkontaktfinger umfasst seinerseits
einen beweglichen Lichtbogenkontakt 62, der dazu dient,
in der Einschaltstellung des Schaltgeräts gemäß 1 die elektrische
Kontaktverbindung mit dem zugehörigen
feststehenden Lichtbogenkontakt 30 des feststehenden Kontaktstücks 20 zu
gewährleisten,
sowie einen aus dem Kontaktplättchen
in Richtung der Lichtbogenlöschkammer 24 hervorstehenden
Vorsprung 64, der die gleiche Form aufweist, wie die Vorsprünge 60.
Die Kontaktfinger 46, 48 sind über flexible Leitungsbänder 49 mit
dem Stromzuführungsanschluss 40 elektrisch
verbunden.
-
Die
Lichtbogenlöschkammer 24 umfasst zwei
Isolierstoffseitenwände 68,
die parallel zur Schnittebene aus 1, in gleichem
Abstand zu dieser Ebene verlaufen, derart dass die Schnittebene eine
geometrische Längsmittelebene 70 der
Löschkammer 24 und
des Pols bildet. Im hinteren Bereich der Löschkammer ist senkrecht zu
den Seitenwänden 68 eine
Rückwand 72 zur
Evakuierung der Löschgase
angeordnet. In dieser Rückwand 72 sind eine
oder mehrere Löschgas-Austrittsöffnungen 74 ausgebildet.
In der Nähe
der Kontaktzone 36 ist eine vordere Öffnung 76 ausgebildet,
die der Rückwand 72 gegenüberliegt.
Zwischen der vorderen Öffnung 76 und
der Rückwand 72 sind
senkrecht zur Längsmittelebene 70 verlaufende,
aus ebenen Metallplatten bestehende Trennstege 78 angeordnet.
Der relative Abstand zwischen den einzelnen Trennstegen 78 ist
so bemessen, dass eine Gasströmung
zwischen der vorderen Öffnung 76 und
der Rückwand 76 stattfinden
kann. Die Trennstege werden seitlich durch die Seitenwände 68 gehalten.
An jeder Platte 78 ist eine vordere Kante 80 zum
Auffangen des Lichtbogens ausgebildet, die annähernd in der Ebene der Platte
U- oder V-förmig
ausgebildet ist und einen schmaleren, unsymmetrisch angeordneten
Ausschnitt 82 aufweist. Die Trennstege 78 sind
so zu einem Stapel zusammengesetzt, dass sich eine abwechselnde
Anordnung der Aussparungen 82 auf der einen und der anderen
Seite der Lichtbogenlöschkammer 24 ergibt.
-
Das
untere Lichtbogenhorn 34, das dazu dient, den Lichtbogenfußpunkt aufzunehmen,
wenn sich der Lichtbogen vom feststehenden Lichtbogenkontakt 30 in
den Innenraum der Lichtbogenlöschkammer 24 ausbreitet,
umfasst einen im Inneren der Löschkammer
angeordneten hinteren Abschnitt 84 sowie einen Zwischenabschnitt 85,
der den hinteren Abschnitt mit dem feststehenden Lichtbogenkontakt 30 verbindet.
Die Breite des hinteren Abschnitts 84, d.h. seine in einer
senkrecht zur Längsmittelebene 70 der
Löschkammer
liegenden Achse gemessene größte Abmessung
ist im Vergleich zum schmaleren Zwischenabschnitt 85 groß dimensioniert.
Der hintere Abschnitt 84 umfasst zwei seitliche Flächen, die Aufnahmeflächen 86 für den Fußpunkt eines
sich in der Löschkammer 24 ausbreitenden
Lichtbogens darstellen.
-
Der
Abstand zwischen der Aufnahmefläche 86 und
der im gleichen, durch die Längsmittelebene 70 begrenzten
Halbraum liegenden Seitenwand ist kleiner als der halbe Abstand
zwischen der Seitenwand 68 und der Mittelebene 70 und
damit auch kleiner als ein Viertel der zwischen den Seitenwänden 68 gemessenen
Breite der Löschkammer.
Die Aufnahmeflächen 86 liegen
außerdem
verhältnismäßig nah an
der Rückwand 72 der
Löschkammer.
Anders ausgedrückt
umfasst das untere Lichtbogenhorn 34 in seinem hinteren
Abschnitt 84 auf jeder Seite der Löschkammer mindestens einen
Punkt, der in einem Abstand von weniger als einem Viertel der Breite
der Löschkammer 24 zu
der auf der gleichen Seite der Löschkammer
angeordneten Seitenwand sowie in einem Abstand von weniger als einem
Drittel oder einem Viertel der Breite der Löschkammer 24 zur Rückwand 72 angeordnet
ist.
-
Das
untere Lichtbogenhorn 34 ist an einem Boden befestigt,
der aus einer Isolierstoffplatte 90, im vorliegenden Fall
aus einem Polyamid 6.6 mit 30%igem Glasfaseranteil besteht. Der
nicht vom Lichtbogenhorn überdeckte
Teil der Bodenplatte 90 erstreckt sich bis zu den Seitenwänden 68 und
zur Rückwand 72.
Er weist einen Absatz 92 auf, der eine Schulter bildet,
welche in die Lichtbogenlöschkammer
hineinragt und bündig
mit dem Außenrand
des hinteren Abschnitts 84 des Lichtbogenhorns abschließt. Der
Absatz 92 kann auch bis in eine Höhe in die Löschkammer hineinragen, die
größer ist
als die Höhe
des hinteren Abschnitts des Lichtbogenhorns. Der Absatz 92 weist
einen C-förmigen
abgerundeten Verlauf auf, der sich an die Form des Randes des hinteren
Abschnitts 84 und insbesondere der Aufnahmeflächen 86 anschmiegt,
derart dass eine Trennung zwischen dem hinteren Abschnitt 84 und
der Rückwand 72 der
Lichtbogenlöschkammer
einerseits und zwischen dem hinteren Abschnitt 84 und den
Seitenwänden 68 andererseits
gebildet wird. Der hintere Abschnitt 84 des Lichtbogenhorns
ist nur über
den Lichtbogenkontakt 30 mit dem Anschluss 26 elektrisch
verbunden, und die Platte 90 bildet vom hinteren Abschnitt 84 bis
zum Anschluss 26 einen durchgängigen festen Isolierstoffkörper.
-
Ein
oberes Lichtbogenhorn 96, das dazu dient, in der Endphase
des Ausschalthubs des beweglichen Kontaktstücks 22 den Lichtbogenkopf
aufzunehmen, besteht aus einer Metallplatte, die senkrecht zur Längsmittelebene 70 angeordnet
und an den Seitenwänden 68 befestigt
ist. Das obere Lichtbogenhorn 96 verläuft in seinem hinteren Bereich
annähernd
parallel zu den Trennstegen 78 und weist in seinem vorderen
Bereich einen Überstand 98 auf, der
die im oberen Bereich der Löschkammer
angeordneten Trennstege 78 zumindest teilweise umgreift.
-
Die
Funktionsweise der Anordnung nach der ersten Ausgestaltung der Erfindung
ist nachstehend beschrieben.
-
In
der Einschaltstellung hält
die durch den Schaltmechanismus 14 verriegelte Schaltwelle 16 den
Trägerkäfig 42 in
der in 1 gezeigten Stellung. Die Federn 52 gewährleisten
den Kontaktdruck zwischen den Kontaktplättchen 58 der Hauptkontaktfinger 46 und
den Kontaktstegen 28 einerseits sowie zwischen dem Kontakt 62 des
Lichtbogenkontaktfingers 48 und dem feststehenden Lichtbogenkontakt 30 andererseits.
-
Bei
Erfassung eines kleinen Überstroms
beaufschlagt ein elektronischer Auslöser den Schaltmechanismus 14,
der daraufhin die Abschaltung bewirkt. Durch die Drehung der Schaltwelle 16 verschwenkt
der Trägerkäfig 42 um
seine Drehachse 44. Die Hauptkontaktfinger 46 verschwenken
durch Einwirkung der Kontaktdruckfedern 52, gemäß 1 im Gegenuhrzeigersinn
geringfügig
um die Drehachse 50, ohne jedoch die Kontaktverbindung
mit den Kontaktstegen 28 zu unterbrechen. Anschließend gelangen
sie an einen Anschlag des Trägerkäfigs 42 und werden
vom Käfig 42 im
Uhrzeigersinn drehwirksam um die Drehachse 44 mitgeführt, so
dass sie sich von den Kontaktstegen 28 trennen. Die Bewegung
des Lichtbogenkontaktfingers 48 ist vom Prinzip her ähnlich,
erfolgt jedoch aufgrund der räumlich
versetzten Anordnung der Kontaktstege 28 in Bezug zum feststehenden
Lichtbogenkontakt 30 zeitlich verzögert. Wenn sich also die Hauptkontaktfinger 46 trennen, besteht
immer noch die elektrische Kontaktverbindung zwischen dem Lichtbogenkontaktfinger 48 und dem
feststehenden Lichtbogenkontakt 30. Der gesamte über die
Anschlüsse 26, 40 fließende Strom verläuft dann über die
Lichtbogenkontakte 30, 62. In einer zweiten Phase
gelangt der Lichtbogenkontaktfinger 48 im Verlauf seiner
Bewegung an einen Anschlag des Trägerkäfigs 42, der ihn zusammen
mit dem Käfig 42 bei
dessen Drehung um die Drehachse 44 im Uhrzeigersinn mitnimmt,
derart dass es zur Trennung des Lichtbogenkontaktfingers 48 vom
feststehenden Lichtbogenkontakt 30 kommt. In diesem Augenblick
entsteht ein Lichtbogen zwischen den Lichtbogenkontakten 30.
Aufgrund der Stromschleife im Anschluss 26 und in der Platte 34 wandert
der Lichtbogenfußpunkt
schnell in Richtung des Bodens der Lichtbogenlöschkammer 24, während der
Lichtbogenkopf auf dem Vorsprung 64 des Kontaktfingers 48 weiterbrennt.
Wenn der Schaltmechanismus in die Ausschaltstellung gelangt, befinden
sich die Kontaktfinger 46, 48 in der Nähe des Überstands 98 des
oberen Lichtbogenhorns. Der Lichtbogenkopf springt dann auf das
obere Lichtbogenhorn 96 um, und es entsteht ein zweiter
Lichtbogen, der in Reihe zum ersten zwischen dem Überstand 98 und
dem Vorsprung 64 des Lichtbogenkontaktfingers 48 brennt. Der
in die Löschkammer 24 eintretende
Lichtbogen teilt sich beim Kontakt mit den Trennstegen 78 in mehrere
Teillichtbögen
auf, wobei jeder Teillichtbogen eine serielle elektrische Verbindung
zwischen zwei aneinandergrenzenden Trennstegen 78 oder zwischen
dem jeweiligen Lichtbogenhorn 84, 96 und dem diesem
gegenüberliegenden
Trennsteg 78 darstellt.
-
Bei
Erreichen des hinteren Bereichs der Lichtbogenlöschkammer 24 neigt
der Lichtbogenfußpunkt
dazu, in Richtung einer der beiden seitlichen Aufnahmeflächen 86 des
unteren Lichtbogenhorns zu wandern. Bei Erreichen einer dieser seitlichen Aufnahmeflächen 86 bewirkt
der Lichtbogenfußpunkt ein
Abbrennen des Rands des aus einem gasenden Material bestehenden
Absatzes 92 mit Freisetzung einer großen Gasmenge, insbesondere
von Wasserstoff. Diese Freisetzung des Gases in unmittelbarer Nähe des Lichtbogenfußpunkts
bewirkt eine Einschnürung
des Lichtbogens und hindert diesen daran, sich endgültig auf
der betreffenden seitlichen Aufnahmefläche 86 zu stabilisieren.
-
Wie
die anschließende
Phase der Ausbreitung und Löschung
des Lichtbogens verläuft,
ist nicht vollständig
bekannt, da die Beobachtungsmöglichkeiten
begrenzt sind und mit einer theoretischen Betrachtung des Vorgangs
die beobachteten Ergebnisse nicht vollständig erklärt werden können. Nach der Löschung des
Lichtbogens lässt
sich nämlich
feststellen, dass die beiden seitlichen Aufnahmeflächen 86 im
hinteren Abschnitt 84 des Lichtbogenhorns ähnliche
Spuren sowie eine deutlich stärkere
Abnutzung aufweisen als die übrigen
Bereiche des Lichtbogenhorns 34. Daraus lässt sich
ableiten, dass die beiden seitlichen Aufnahmeflächen besonders stark und beide
in sehr ähnlichem
Ausmaß dem
Lichtbogen ausgesetzt sind. Es lassen sich zwei Hypothesen aufstellen:
Nach einer ersten Hypothese wird der auf einer der Aufnahmeflächen 86 abbrennende
Lichtbogenfußpunkt
aufgrund der Gasabgabe des Absatzes 92 abgedrängt und
wandert seitlich bis zur anderen Aufnahmefläche 86, wo sich der
gleiche Vorgang wiederholt, so dass eine Hin- und Herbewegung des Lichtbogenfußpunkts
zwischen den beiden seitlichen Aufnahmeflächen 86 stattfindet.
Nach einer anderen Hypothese bewirkt die Gasabgabe eine Einschnürung des
Lichtbogenfußpunkt,
derart dass es zu einer Neuzündung
im Bereich der anderen Aufnahmefläche 86 kommt und die
beiden Lichtbögen
anschließend
gleichzeitig in der Löschkammer
fortbestehen. Da das gleichzeitige Vorhandensein von zwei parallelen
Lichtbögen
in der Löschkammer
im Allgemeinen eine sehr instabile vorübergehende Erscheinung ist,
die durch die Löschung
eines der Lichtbögen
beendet wird, geht man davon aus, dass im vorliegenden Fall eine
bezüglich
der Stromdichten gegenphasig Hin- und
Herbewegung der beiden Lichtbögen, insbesondere
unter Einwirkung der Gasabgabe in der Nähe jedes Lichtbogens erfolgt,
die dazu neigt, den Lichtbogen mit der höheren Stromdichte stärker einzuschnüren.
-
Da
eine optische Prüfung
mit einer ultraschnellen Kamera nicht durchgeführt werden kann, ist es nicht
möglich,
die Richtigkeit einer der beiden Hypothesen mit Sicherheit zu bestätigen. Der entscheidende
Punkt dabei ist, dass aufgrund der Kombination der beiden seitlichen
Aufnahmeflächen 86 mit
einem gasenden Absatz 92 die gesamte Raum der Lichtbogenlöschkammer
genutzt und eine gleichmäßige Energieverteilung
zwischen den beiden seitlichen Ausnahmeflächen 86 erreicht wird.
-
Es
sei besonders hervorgehoben, dass diese Erscheinung nur bei der
Abschaltung von kleinen Strömen
bei hohen Spannungen ausgeprägt
ist. Bei der Abschaltung von hohen Strömen bei niedriger Spannung
nimmt der Lichtbogen auf herkömmliche Weise
den gesamten Raum der Löschkammer
ein.
-
In 4 bis 6 ist
ein Leistungsschalterpol nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.
Zur Vereinfachung der Beschreibung sind für analoge Teile die gleichen
Bezugszeichen verwendet worden wie bei der Beschreibung der ersten Ausgestaltung.
-
Der
Leistungsschalter 10 ist in einem Gehäuse 12 enthalten und
umfasst wie im vorhergehenden Fall einen Schaltmechanismus 14 mit
einer quer angeordneten Schaltwelle 16, die als allen Polen
des Leistungsschalters gemeinsam zugeordnete schwenkbare Welle ausgebildet
ist. Jeder Pol umfasst ein feststehendes Kontaktstück 20,
ein bewegliches Kontaktstück 22 und
eine Lichtbogenlöschkammer 24.
-
Dieser
Leistungsschalter unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen
im Wesentlichen nur durch das Fehlen der Lichtbogenkontakte. Der
feststehende Stromzuführungsanschluss
26 umfasst
einen einzigen Kontaktsteg
36a, der mit Kontaktfingern
46a des
beweglichen Kontaktstücks
40 zusammenwirkt,
die alle ähnlich
ausgeführt
sind. Das in der Nähe
der Drehachse
50 angeordnete Ende der Kontaktfinger
46a umfasst
eine Steuerkurve
47, die mit einem Federkraft-Energiespeicher
52a zusammenwirkt,
welcher sich am Trägerkäfig
42 abstützt, derart dass
ein bistabiler Mechanismus gebildet wird, der die Kontaktfinger
46a entweder
in Richtung des feststehenden Anschlusses
26 oder in entgegengesetzter
Richtung beaufschlagen kann. Eine genauere Beschreibung der bistabilen
Anordnung kann der französischen
Patentanmeldung mit der Registriernummer
FR 9905276 entnommen werden. Die Kontaktfinger
46a sind über ein
flexibles Leitungsband mit dem Stromzuführungsanschluss
40 elektrisch
verbunden.
-
Ein
als leitende Metallplatte ausgebildetes unteres Lichtbogenhorn 34 ist über einen
vorderen Abschnitt am Anschluss 26 des feststehenden Kontaktstücks 20 befestigt.
Der in der Nähe
des Kontaktstegs 36a angeordnete vordere Abschnitt 34a des unteren
Lichtbogenhorns umfasst eine Kontaktfläche zur Herstellung einer elektrischen
Kontaktverbindung mit dem Stromzuführungsanschluss 26 und
ist an diesem Anschluss befestigt. Außerdem umfasst der vordere
Abschnitt einen Querrand 34b, der die Oberfläche des
Kontaktstegs 36 in Richtung der Kontaktfinger 46a nach
oben leicht überragt.
Darüber
hinaus umfasst das untere Lichtbogenhorn 34 einen hinteren
Abschnitt 84, der in den Innenraum der Löschkammer
hineinragt und dessen Breite, d.h. seine in einer senkrecht zur
Längsmittelebene
der Löschkammer
verlaufenden Achse gemessene größte Abmessung
einen großen
Wert aufweist. Der vordere Abschnitt 34a und der hintere
Abschnitt 84 sind über
einen Zwischenabschnitt 85 miteinander verbunden, der eine
geringere Breite aufweist als der hintere Abschnitt. Wie bei der
ersten Ausgestaltung sind im hinteren Abschnitt 84 zwei
seitliche Aufnahmeflächen 86 für einen
Lichtbogen ausgebildet.
-
Der
Boden der Löschkammer
besteht aus einer Isolierstoffplatte 90. In der Platte
ist eine an die Form des unteren Lichtbogenhorns angepasste Vertiefung
ausgebildet, in die das Lichtbogenhorn 34 eingesetzt ist.
Der nicht vom Lichtbogenhorn überdeckte Bereich
der Platte bildet einen aus dem Boden der Vertiefung hervorstehenden
Absatz 92, der bündig mit
dem oberen Rand des hinteren Abschnitts 84 des Lichtbogenhorns 34 abschließt. Dieser
Absatz ist einerseits zwischen dem Rand des Lichtbogenhorns und
der Rückwand
der Lichtbogenlöschkammer
und andererseits zwischen dem Rand des Lichtbogenhorns 34 und
den Seitenwänden
der Löschkammer ausgebildet.
Die gesamte Platte und insbesondere der Absatz 92 bestehen
aus einem gasenden Material, im vorliegenden Fall einem Polyamid
6.6 mit 30%igem Glasfaseranteil.
-
Die
Funktionsweise der Anordnung nach der zweiten Ausgestaltung der
Erfindung ist nachstehend beschrieben.
-
Die
Trennung der Kontakte kann entweder aufgrund einer elektromagnetischen
Abstoßung
der Kontaktfinger 46a, die dadurch in Bezug zum Trägerkäfig 42 im
Uhrzeigersinn über
die Totpunktlage des bistabilen Mechanismus' hinaus bis in eine Endlage verschwenken,
oder aufgrund der Erteilung eines Ausschaltbefehls erfolgen, der
das Öffnen
des Schaltmechanismus' 14,
das Verschwenken seiner Schaltwelle 16 und über die
Koppelstange 54 das Verschwenken des Trägerkäfigs 42 um die zugehörige Achse 44,
gemäß 1 im
Uhrzeigersinn bewirkt, wobei der Käfig die Kontaktfinger 46a mitführt.
-
Die
Kontaktfinger 46a trennen sich gleichzeitig, und es entsteht
ein Lichtbogen zwischen einem der Kontaktfinger 46a und
dem Kontaktsteg 36a. Die elektrodynamische Wirkung aufgrund
der Stromschleife im feststehenden Kontaktstück 20 bewirkt, dass
der Lichtbogenfußpunkt
sofort zum Rand 34b des vorderen Abschnitts des unteren
Lichtbogenhorns wandert und anschließend in die Lichtbogenlöschkammer 24 eintritt.
Beim Passieren des schmaleren Zwischenabschnitts des Lichtbogenhorns
richtet sich der Lichtbogenfußpunkt
erneut zur Mittelebene 70 aus.
-
Der
weitere Verlauf des Abschaltvorgangs ist ähnlich wie bei der ersten Ausgestaltung.
-
Bei
beiden Ausgestaltungen lassen sich also nach dem Abschalten eines
kleinen Stroms bei hoher Spannung an den seitlichen Aufnahmeflächen im hinteren
Abschnitt des unteren Lichtbogenhorns zwei Bereiche mit Spuren eines
Lichtbogenfußpunkts
feststellen, die das Vorhandensein eines Lichtbogens auf beiden
Seiten der Lichtbogenlöschkammer
belegen. Aufgrund der fehlenden theoretischen Erklärung für dieses
reproduzierbare Ergebnis kann die Form des hinteren Abschnitts des
unteren Lichtbogenhorns nur durch empirische Methoden bestimmt werden.
-
Zur
genaueren Bestimmung der relativen Lage des hinteren Abschnitts
des unteren Lichtbogenhorns in Bezug zu den Trennstegen, empfiehlt
es sich, die beiden jeweils in einem durch die Längsmittelebene begrenzten Halbraum
angeordneten Seitenhälften
der Löschkammer
getrennt zu betrachten. Dadurch lässt sich für jeden im betreffenden Halbraum
angeordneten Teil der Trennstege ein Massenmittelpunkt bestimmen.
Aufgrund der durch die U-förmige
Kante der Trennstege gebildeten Ausschnitts liegt jeder betrachtete
Massenmittelpunkt näher
an der Seitenwand des jeweiligen Halbraums als an der Längsmittelebene.
Durch Verbindung der in einer Löschkammerhälfte bestimmten
Mittelpunkte ergibt sich eine unterbrochene Linie, auf der alle
Punkte näher
an der entsprechenden Seitenwand als an der Längsmittelebene liegen. Durch
Bestimmung des Massenmittelpunkts der zuvor ermittelten Massenmittelpunkte,
d.h. Bestimmung des Baryzentrums der die Mittelpunkte definierenden
Punkte, jeweils gewichtet nach der Masse des zugehörigen Trennstegs,
erhält
man auch ein Baryzentrum oder einen Gesamt-Massenmittelpunkt der
physikalischen Untermenge, die dem Trennsteganteil entspricht, der
im jeweils betrachteten Halbraum näher an der Seitenwand als an
der Längsmittelebene
liegt.
-
Zur
vollständigen
Nutzung einer Löschkammerhälfte versucht
man auf empirische Weise zu erreichen, dass sich der Lichtbogenfußpunkt in
der Nähe
der zuvor definierten unterbrochenen Linie stabilisiert. Trifft
der Lichtbogen nämlich
auf jeden Trennsteg in der Nähe
seines Massenmittelpunkts auf, so bewirkt er eine verhältnismäßig gleichmäßige Erwärmung des
Trennstegs und damit eine hohe Wärmenergieaufnahme.
-
Der
hintere Abschnitt des Lichtbogenhorns umfasst daher eine Aufnahmefläche für den Lichtbogenfußpunkt,
die aus einer Ausbuchtung besteht, welche annähernd in der Verlängerungsachse
der oben definierten imaginären
unterbrochenen Linie liegt. Dies lässt sich erreichen, indem man
dafür sorgt,
dass eine vom zuvor definierten Gesamt-Massenmittelpunkt ausgehende und senkrecht
zur Ebene der Oberfläche
des Endabschnitts des Lichtbogenhorns verlaufende Gerade im Bereich
der Aufnahmefläche
auf das Lichtbogenhorn trifft.
-
Dem
gleichen Grundgedanken folgend kann man auch dafür sorgen, dass der Abstand
zwischen der Aufnahmefläche
und der im jeweiligen Halbraum enthaltenen Seitenwand kleiner ist
als der Abstand zwischen den Gesamt-Massenmittelpunkt und der Seitenwand.
Es kann auch als zusätzliche
Bedingung definiert werden, dass der Abstand zwischen der Aufnahmefläche und
der Rückwand
der Lichtbogenlöschkammer
größer ist
als der Abstand zwischen dem Gesamt-Massenmittelpunkt und der Rückwand.
-
Empirisch
lässt sich
eine günstige
Anordnung der Aufnahmeflächen
dadurch erreichen, dass der Abstand zwischen der Aufnahmefläche und
der im jeweiligen Halbraum enthaltenen Seitenwand kleiner sein muss
als der halbe Abstand zwischen der Seitenwand und der Mittelebene
und damit auch kleiner als ein Viertel der zwischen den Seitenwänden gemessenen
Breite der Löschkammer.
Anders ausgedrückt
umfasst das untere Lichtbogenhorn in jeder Seitenhälfte der
Lichtbogenlöschkammer
mindestens einen Punkt, der in Bezug zu der in der Seitenhälfte liegenden
Seitenwand in einem Abstand angeordnet ist, welcher kleiner ist
als ein Viertel der Breite der Löschkammer.
Zusätzlich
lässt sich
festlegen, dass dieser Punkt auch in Bezug zur Rückwand der Lichtbogenlöschkammer
in einem Abstand angeordnet ist, der kleiner ist als ein Drittel
oder ein Viertel der Breite der Löschkammer, um auf diese Weise
sicherzustellen, dass der hintere Abschnitt des Lichtbogenhorns
betroffen ist. Allerdings ist der Abstand zwischen dem unteren Lichtbogenhorn
und der Rückwand
der Löschkammer
für sich
genommen weniger kritisch.
-
Außerdem muss
die Bedeutung des schmalen Zwischenabschnitts 85 des unteren
Lichtbogenhorns hervorgehoben werden, der eine Zentrierung des Lichtbogenfußpunkts bei
dessen Wanderung in den hinteren Bereich der Löschkammer erlaubt und anschließend, wenn
der Lichtbogenfußpunkt
den hinteren Abschnitt 84 erreicht hat, dazu beiträgt, dass der
Lichtbogenfußpunkt
nicht in die Kontaktzone zurückkehrt.
-
Selbstverständlich sind
verschiedene Änderungen
möglich.
-
Bei
den beschriebenen Ausgestaltungen entsteht der Lichtbogen immer
in der Nähe
der Kontaktzone und wandert anschließend auf den Lichtbogenhörnern weiter.
Allerdings ist die Erfindung auch auf einen Leistungsschalter anwendbar,
der so ausgelegt ist, dass der Lichtbogen direkt zwischen dem unteren
Lichtbogenhorn und dem Ende der Kontaktfinger abbrennt.
-
Bei
den beschriebenen Ausgestaltungen sind der Löschkammerboden und der gasende
Absatz als einstückiges
gasendes Teil ausgeführt.
Es kann allerdings auch erwogen werden, einen separat ausgeführten Absatz
aus einem gasenden Material auf dem nicht gasenden Isolierstoffboden
zu befestigen. Der Absatz kann bündig
mit dem Rand des hinteren Abschnitts des unteren Lichtbogenhorns
abschließen
oder geringfügig über den
Rand des hinteren Abschnitts des Lichtbogenhorns hinausragen.
-
Sie
ist auch auf nicht strombegrenzende Leistungsschalter anwendbar,
in denen kein Gelenk zwischen einem Trägerkäfig und Kontaktfingern, sondern
ein Kontaktsystem vorhanden ist, das als biegesteife, an den Schaltmechanismus
gekoppelte Einheit ausgebildet ist.
-
Die
Erfindung ist ebenso auf einpolige wie auf mehrpolige Leistungsschalter
anwendbar. Die Form des Schaltmechanismus' kann beliebig sein und eine Schaltwelle
umfassen oder nicht. Wenn eine Schaltwelle vorhanden ist, kann diese
um ihre Längsachse
oder um eine entfernte geometrische Achse verschwenken.