DE1189611B - Synchronschalter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H02c

Deutsche Kl.: 21c-35/07

Nummer: 1189 611

Aktenzeichen: S 70157 VIII d/21 c

Anmeldetag: 31. August 1960

Auslegetag: 25. März 1965

Es sind bereits zahlreiche Vorschläge bekannt, Wechselstromschalter derart synchron zu steuern, daß die Kontakttrennung kurz vor dem Stromnulldurchgang erfolgt. Dabei hat man ausnahmslos sogenannte Synchronrelais oder Synchronauslöser benutzt, die zunächst ein Kommando erteilen, worauf dann Kraftspeicher freigegeben werden, die die beweglichen Kontakte antreiben. Sowohl das Ansprechen des Synchronrelais als auch das anschließende Ingangsetzen des Kraftspeichers beanspruchen Zeit.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronschalter mit wenigstens einem beweglichen Schaltstück. Sie besteht darin, daß das bewegliche Schaltstück durch ein elektrodynamisches System angetrieben wird, das aus einem vom abzuschaltenden Strom (Primärstrom) erregten lamellierten Magnetsystem mit Luftspalt und einer in diesem Luftspalt sich bewegenden stromdurchflossenen Spule besteht, die mechanisch auf das bewegliche Schaltstück einwirkt derart, daß bei fallendem Primärstrom in der beweglichen Spule ein Sekundärstrom induziert wird, der zusammen mit der vom Primärstrom erzeugten Induktion im Luftspalt eine in Ausschaltrichtung wirkende Kraft, bei ansteigendem Strom jedoch eine in Einschaltrichtung wirkende Kraft ergibt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, ein transformatorartig wirkendes Induktionssystem, bei dem eine Spule im Luftspalt eines Magnetkreises beweglich angeordnet ist, so kräftig auszubilden, daß es ein bewegliches Schaltstück unmittelbar antreiben kann. Infolge des Wegfalles des Synchronrelais werden Steuerzeiten vermieden, da mit der Bewegung der Spule der Schaltkontakt ohne jede Verzögerung mitbewegt wird. Ein wesentlicher Vorteil besteht ferner darin, daß bei nicht zustande gekommener synchroner Abschaltung der Schalter selbsttätig wieder geschlossen wird, da bei Wiederansteigen des Stromes die Kraft auf die Spule ihr Vorzeichen ändert.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Drehspulsysteme mit Wechselstromerregung als Vorauslöser für Synchronschalter zu verwenden, durch die z. B. Klinken, Ventile, Preßgasdrehschieber od. dgl. betätigt werden. Hierbei genügt es, wenn die Drehspule ein Drehmoment von beispielsweise 0,1 cmkp erzeugt.

Theoretische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß das Drehmoment eines Wechselstrom-Drehspulsystems sehr viel schneller als linear mit den Abmessungen des Systems wächst. Beispielsweise kann mit einer rechteckförmigen Drehspule Synchronschalter

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Fritz Kesselring, Küsnacht, Zürich;

Ernst Gisiger, Zürich (Schweiz)

aus Kupfer von 3 · 7 cm bei Speisung des Systems durch einen Kurzschlußstrom von 10000 A ein Drehmoment von etwa 200 cmkp erzeugt werden. Diese großen Drehmomente gestatten es, im Sinne der Erfindung das bewegliche Schaltstück eines Synchronschalters unmittelbar anzutreiben.

Außer zum Abschalten eines symmetrisch oder asymmetrisch verlaufenden Wechselstromes ist der Synchronschalter nach der Erfindung auch zum Unterbrechen eines Rückstromes in einer Gleichstromanlage geeignet.

Meistens wird es zweckmäßig sein, die Kontakttrennung nur bei fallendem Strom herbeizuführen, wobei es sich um einen symmetrisch oder asymmetrisch verlaufenden Wechselstrom handeln kann oder auch um einen Rückstrom in einer Gleichstromanlage.

In den Fig. 1 bis 6 sind einige beispielsweise Ausführungsformen von Synchronschaltern wiedergegeben.

F i g. 1 und 2 zeigen einen Synchronschalter mit Doppelsystem in Längs- und Querschnitt, für ruhendes Löschmittel,

Fig. 3 und 4 einen Niederspannungsschalter im Schnitt und Grundriß und

F i g. 5 und 6 einen Preßgasschalter mit Parallelwiderstand in Längs- und Querschnitt.

In F i g. 1 bedeuten 1 und 2 die Anschlußbolzen, die an ihren Enden die feststehenden Schaltstücke 3 und 4 tragen, 5 und 6 sind lamelliert© Eisensysteme, die die Anschlußbolzen 1 und 2 umschließen. Sie weisen zylindrische Bohrungen 7 und 8 auf (s. Fig. 2); konzentrisch dazu sind Kerne9 und 10 angeordnet. In den so entstehenden Luftspalten drehen sich rechteckförmige Drehspulen 11 und 12, deren Achsen sich in den Kugellagern 13, 14 bzw.

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15, 16 drehen. An den verlängerten Achsen 17 und 18 sind die beweglichen Schaltstücke 19 und 20 befestigt, die durch die Drehspulen 11 bzw. 12 gegen die feststehenden Schaltstücke 3 und 4 angepreßt bzw. davon weggeschwenkt werden. Die beiden Hälften 21 und 22 des Isoliergehäuses sind in der Mitte zusammengeflanscht und mit Hilfe des Ringes 23 dicht miteinander verbunden. Der Innenraum ist mit einem Löschmedium, beispielsweise öl oder Schwefelhexafluorid (SF₆), gefüllt. Die Magnetkerne 5 und 6 weisen radiale Luftspalte 24 auf, wobei die Schlitzdicke beim Magnetsystem 5 größer ist als beim Magnetsystem 6; zudem weist das Magnetsystem 5 mehrere Windungen auf. Die Feder 26 hält das Schaltstück 19 normalerweise in der Ausschaltstellung, während die Feder 27 das Schaltstück 20 im normalen Betrieb gegen die feststehenden Schaltstücke 3 und 4 preßt. Durch die Rast 28 wird das bewegliche Schaltstück 20 entgegen der Feder 27 in der Ausschaltstellung fixiert.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist die folgende: Bei mäßigem Überströmen wird in der Drehspule 12 bei fallendem Hauptstrom ein Sekundärstrom induziert, der das Schaltstück 20 in die Ausschaltstellung bewegt. Bei Erreichen des Stromnulldurchganges wird der Lichtbogen gelöscht und das Schaltstück 20 durch die Rast 28 in der Ausschaltstellung festgehalten. Sollte aus irgendeinem Grunde die Lichtbogenlöschung nicht erfolgt sein, so ändert die Luftspaltinduktion im Magnetsystem ihr Vorzeichen. Es entsteht in der Drehspule 12 eine Kraft entgegengesetzter Richtung, durch die das Schaltstück 20 sofort wieder in die gezeichnete Einschaltstellung bewegt wird. Beginnt der Strom erneut zu fallen, so erfolgt die synchrone Unterbrechung nochmals in der beschriebenen Weise.

Tritt hingegen ein Kurzschluß auf, so entsteht in der Drehspule 11 des Magnetsystems S eine große Kraft im schließenden Sinne. Das Schaltstück 19 legt sich mit hohem Druck gegen die feststehenden Schaltstücke 3 und 4. Gleichzeitig wird über den Isolierstift 29 das Schaltstück 20 in die Ausschaltstellung gestoßen und bleibt dort haften, da bei großem Primärstrom das Magnetsystem 6 gesättigt ist; es wird in der Drehspule 12 kein Strom induziert. Bei fallendem Kurzschlußstrom dreht sich die Drehspule 11 in entgegengesetzter Richtung, wodurch der Stromkreis geöffnet und der Lichtbogen unterbrochen wird. Das Schaltstück 19 bleibt dann unter dem Einfluß der Feder 26 in der Ausschaltstellung stehen. Sollte jedoch die Lichtbogenlöschung nicht zustande gekommen sein, so wiederholt sich der Ein- und Ausschaltvorgang. Nach vollzogener Lichtbogenlöschung ist der Schalter ausgeschaltet. Um ihn wieder einzuschalten, muß auf nicht dargestellter Weise die Rast 28 gelöst werden, worauf dann das Schaltstück 20 unter dem Einfluß der Feder 27 wieder in die gezeichnete Eingangsstellung geht. Für das Ausschalten kleiner Ströme muß zusätzlich eine Anordnung vorgesehen werden, mit deren Hilfe die Achse 18 in Ausschaltrichtung gedreht werden kann.

Die Verwendung von zwei Magnetsystemen 5 und 6 mit verschieden großen Luftspalten 24 und/ oder höherer Windungszahl hat den Vorteil, daß auch Lastschaltungen noch synchron durchgeführt werden können. Der Kurzschlußkontakt 19 übernimmt andererseits die synchrone Unterbrechung bei hohen Überlastungen und Kurzschlüssen. Der Schalter selbst ist einfach und kann leicht im Zuge der Leitung eingebaut werden.

In den F i g. 3 und 4 bedeutet 31 ein Magnetsystem mit dem Luftspalt 32, in dem sich eine rechteckförmige Spule 33 translatorisch bewegt, die über einen Bügel 34 mit dem beweglichen Schaltstück 35 verbunden ist. Unterhalb der Spule 33 sind federnde Ansätze 36 und 37 vorgesehen, deren untere dreieckförmige Enden in der Ausschaltstellung in Rasten

ίο 38, 39 eingreifen; 40 ist die vom Hauptstrom durchflossene Erregerwicklung. Die hornartigen feststehenden Kontakte 41 und 42 sind auf Isolierplatten 43 und 44 befestigt; 45 ist das fächerartige Löschsystem. Die Handbetätigung erfolgt über den U-förmigen Bügel 46, der unter Zwischenschaltung von Federn 47 mit der isolierenden Brücke 48 verbunden ist; 49 ist eine weitere Feder, die das bewegliche Schaltstück 35 gegen die feststehenden Schaltstücke 41, 42 preßt. Die Stromzuführungen 50 und 51 sind in der Grundplatte 52 befestigt. Die Erregerwicklung 40 liegt zwischen dem Anschluß 50 und dem feststehenden Schaltstück 41, während das Schaltstück 42 unmittelbar mit dem Anschluß 51 verbunden ist; 53 bedeutet das isolierende Gehäuse.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Die Handausschaltung erfolgt durch Niederdrücken des Bügels 46, wobei die Federn 47 so weit gespannt werden, bis sie die Gegenkraft, erzeugt durch die Feder 49, überwinden. In der Ausschaltstellung wird der Schalter in den Rasten 38 und 39 festgehalten. Das Einschalten erfolgt analog durch Heraufziehen des Bügels 46, wobei zunächst der Widerstand in den Rasten 38 und 39 zu überwinden ist, worauf dann das bewegliche System vornehmlich unter dem Einfluß der Feder 49 in die gezeichnete Lage emporschnellt.

Tritt hingegen ein Überstrom auf, so wird in der Spule 33 ein Induktionsstrom erzeugt, der zusammen mit der Luftspaltinduktion eine bei fallendem Strom nach unten gerichtete Kraft auf die Spule 33 ausübt; der Schalter geht in die Ausschaltstellung und wird in den Rasten 38, 39 festgehalten, sofern die Unterbrechung im Stromnulldurchgang zustande gekommen ist. Anderenfalls dreht sich die Kraftwirkung um, der Schalter schließt sofort wieder und öffnet sich erst wieder kurz vor dem nächsten Stromnulldurchgang. Die Lichtbogenlöschung erfolgt in an sich bekannter Weise. Infolge Zwischenschaltung der Federn 47 wird die synchrone Schaltung bei gleichzeitiger Handbetätigung nicht beeinträchtigt. Der Vorteil der Anordnung besteht im einfachen Aufbau und der geringen Schaltarbeit, bedingt durch die Synchronsteuerung des beweglichen Schaltstückes 35. Für viele Fälle wird es genügen, an Stelle des Löschsystems 45 lediglich einen Brückenkontakt mit kleinem Hub, beispielsweise von etwa 0,6 mm, vorzusehen, wobei dann die Lichtbogenlöschung vornehmlich durch axiale Kühlung des Lichtbogens zustande kommt. Es kann hierbei vorteilhaft sein, Kontakte aus Silber—Kadmium zu verwenden.

In den F i g. 5 und 6 bedeutet 61 das feststehende, düsenartige Schaltstück, 62 einen damit elektrisch verbundenen Abreißkontakt, 63 eine vorzugsweise aus elektrisch leitendem Material bestehende Düse, die mit dem metallischen Steg 64 leitend verbunden ist; 65 ist der Abbrennstift, 66 der obere Anschluß, der im Isolierdeckel 67 befestigt ist; 68 ist das bewegliche Schaltstück, in dessen seitlichen Schlitzen

Winkelhebel 69 und 70 eingreifen; 71 ist ein Magnetsystem, in dem die Drehspulen 72 und 73 angeordnet sind, die über ihre Achsen 74 und 75 mit Drehhebeln 76 und 77 verbunden sind. Die Achse 75 trägt an ihrem unteren Ende einen weiteren Hebel 5 78. Der bewegliche Kontakt 68 steht über den Rollenkontakt 79 in leitender Verbindung mit den federnden Kontaktsegmenten 80. Die Rollen 79 sind in einem Käfig 81 untergebracht; 82 ist ein Führungsrohr. Die federnden Segmente 80 stehen in unmittelbarer leitender Verbindung mit dem unteren Anschluß 83, der im Isolierdeckel 84 befestigt ist. 85 ist ein zweites bewegliches Schaltstück, das einerseits mit dem Anschluß 83, andererseits mit dem Düsenkontakt 86 leitend verbunden und an seinem linken Ende an der Isolierstange 87 befestigt ist. Es kann über den Hebel 78 hin und her bewegt werden. Der Schalter ist durch das Gehäuse 88 abgeschlossen, das von den Isolatoren 89 und 90 getragen wird. Das Innere des Isolators 89 steht in Verbindung mit dem Niederdruckbehälter 91, während der Isolator 90 in den Hochdruckkessel 92 einmündet; 93 ist der Sockel, der an der Bedienungswand 94 befestigt ist. Die Achse 75 der Drehspule 72 trägt an ihrem oberen Ende ein schwenkbares Isolierstück 95, das sich in axialer Richtung so weit bewegen kann, daß es sich im ausgeschalteten Zustand des Schalters gegen den Dichtungsring 96 preßt.

Zusätzlich ist ein Widerstand 97 vorgesehen, der einerseits über das Metallrohr 98 mit der Düse 86, andererseits mit der metallischen Kappe 99 verbunden ist, die über die Verschraubung 64 a und den metallischen Steg 64 in leitender Verbindung mit dem Anschluß 66 steht. Das isolierende Widerstandsgehäuse ist mit 100 bezeichnet. 101 ist ein Kolben mit kleinen Bohrungen 102. Er trägt auf seiner Unterseite den Abbrennstift 103, während auf seine Oberseite die Druckfeder 104 einwirkt; 105 und 106 sind Dichtungsringe.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Wird die Isolierstange 87 auf nicht im einzelnen dargestellte Weise über die Zug-Druck-Feder 109 nach links bewegt, so drehen sich über den Hebel 78 die Achse 75 und damit auch der Hebel 76 derart, daß der Winkelhebel 70 im Uhrzeigersinn gedreht wird; hierdurch wird das bewegliche Schaltstück 68 nach unten gedrückt, die Druckluft strömt durch die Düse 61, und der entstehende Lichtbogen wird im Stromnulldurchgang gelöscht. Das Einschalten erfolgt durch Bewegung der Isolierstange 87 nach rechts in entsprechender Weise. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, zwischen den Hebeln 70 und 69 und dem Schaltstück 68 einen gewissen Totgang vorzusehen, damit die Rastung, die durch die Rollen 79 in Einschaltstellung gegeben ist, schlagartig überwunden wird.

Bei Auftreten eines Überstromes werden die Hebel 76 und 77 durch die Drehspulen 72 und 73 mit großer Kraft gedreht, und zwar bei fallendem Strom in Ausschalt-, bei steigendem Strom in Einschaltrichtung. Gleichzeitig wird über den Hebel 78 auch der Schaltstift 85 bewegt, und zwar bei fallendem Strom nach links. Bevor die Unterbrechung zwischen dem Düsenkontakt 86 und dem Schaltstift 85 erfolgt, liegt der Widerstand 97 parallel zur Hauptunterbrechungsstelle, wodurch die Abschaltung im Stromnulldurchgang infolge Herabsetzung des Spannungsanstieges der wiederkehrenden Spannung erleichtert wird. Ist die Unterbrechung zwischen den Hauptkontakten 61 und 68 erfolgt, so trennen sich auch die Kontakte 85 und 86. Es fließt Preßgas unter hohem Druck durch das Widerstandsgehäuse 100 und die obere enge Öffnung 107 zum Niederdruckkessel 91, wobei der durch den Widerstand fließende Reststrom in seinem Nulldurchgang gelöscht wird. Nach vollzogener Unterbrechung legt sich das schwenkbare Isolierstück 95 vor die Öffnung des feststehenden Schaltstückes 61 und wird dann durch den Überdruck gegen die Dichtung 96 gepreßt. Sowie sich der Schaltstift 85 von seiner Dichtung 105 abhebt, wird der Kolben 101 von dem unter Hochdruck stehenden Gas beaufschlagt und verschiebt sich nach rechts, wobei zwischen der Kuppe des Schaltstiftes 85 und dem Abbrennstift 103 ein Lichtbogen entsteht, über den der durch den Widerstand 97 gedämpfte Reststrom fließt. Er wird bei seinem Nulldurchgang gelöscht. Inzwischen steigt innerhalb des Sicherungsgehäuses 100 der Druck an, da die Öffnungen 102 im Kolben 101 einen größeren Querschnitt aufweisen als die Öffnung 107. Dies hat zur Folge, daß der Kolben 101 infolge des annähernd gleichen Druckes auf seine beiden Seiten durch die Feder 104 nach links gedrückt wird, wobei sich der Abbrennstift 103 gegen den Dichtungsring 106 legt, wodurch das Schaltergehäuse 88 auch an dieser Stelle abgedichtet wird. Der Druck entgegen der Feder 104 ist nun gegeben durch den Querschnitt des Abbrennstiftes 103 an seiner Auflage gegen den Dichtungsring 106. Dieser Druck muß kleiner sein als der der Feder 104, damit eine einwandfreie Abdichtung gewährleistet ist.

Sollte aus irgendeinem Grunde die Löschung beim ersten angesteuerten Nulldurchgang nicht zustande kommen, so wird der Schalter wieder geschlossen, und die synchrone Abschaltung vollzieht sich in der geschilderten Weise beim darauffolgenden Stromnulldurchgang. Soll der Schalter als Umlaufschalter wirken, so wird zweckmäßig zwischen Niederdruckkessel 91 und Hochdruckkessel 92 ein Kompressor 108 angeordnet.

Man erkennt, daß der Aufbau des Schalters einfach ist, indem die Schalterbewegung unmittelbar durch das Induktionssystem erfolgt. Infolge der geringen Lichtbogenenergie können die Schaltkontakte zugleich als Ventile ausgebildet werden, wodurch sämtliche übrigen Ventile in Wegfall kommen. Zudem kann der Schalter auch durch nachträglichen Anbau des Parallelwiderstandes 97 in seinem Schaltvermögen ertüchtigt werden.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Synchronschalter mit wenigstens einem beweglichen Schaltstück, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Schaltstück durch ein elektrodynamisches System angetrieben wird, das aus einem vom abzuschaltenden Strom (Primärstrom) erregten lamellierten Magnetsystem mit Luftspalt und einer in diesem Luftspalt sich bewegenden stromdurchflossenen Spule besteht, die mechanisch auf das bewegliche Schaltstück einwirkt derart, daß bei fallendem Primärstrom in der beweglichen Spule ein Sekundärstrom induziert wird, der zusammen mit der vom Primärstrom erzeugten Induktion im Luftspalt eine in Ausschaltrichtung wirkende Kraft, bei ansteigendem Strom jedoch eine in Einschaltrichtung wirkende Kraft ergibt.

2. Synchronschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Magnetkreis und beweglicher Spule bestehende System als Drehspulsystem ausgebildet ist.

3. Synchronschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Magnetkreis und beweglicher Spule bestehende System als Tauchspulsystem ausgebildet ist.

4. Synchronschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Magnetkreis und be- ίο weglicher Spule bestehende System nach Art eines Wechselstrommotors ausgebildet ist.

5. Synchronschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aus je einem Magnetkreis und einer beweglichen Spule bestehende Systeme vorhanden sind, von denen das eine im Nennstrombereich und das andere im Überstrombereich des Schalters wirksam ist.

6. Synchronschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Systeme je ein ao bewegliches Schaltstück betätigen.

7. Synchronschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem zur willkürlichen Ein- und Ausschaltung vorgesehenen Betätigungsorgan und dem beweglichen Schaltstück ein elastisches Zwischenglied angeordnet ist.

8. Synchronschalter nach Anspruch 1 mit Parallelimpedanz, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Magnetkreis und beweglicher Spule bestehende System zum Antrieb sowohl des Hauptkontaktes als auch des in Reihe mit der Parallelimpedanz liegenden Nebenkontaktes dient.

9. Synchronschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkontakte zugleich als Ventile ausgebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 212 303, 643 774,

797, 928 656;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 011 959,

1 017 247.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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