DE1613974A1 - Leistungsschalter - Google Patents

Description

Associated Electrical Industries Limited,London,SoW₀I/England

Leistungsschalter

Die Erfindung bezieht sich auf leistungsschalter und "befaßt sich insbesondere mit schnellschaltenden Lei^tungsschaltern, deren Schaltstücke beim Auftreten eines Auslösesignals so schnell wie möglich voneinander- getrennt werden sollen, um bei Überlastung oder anderen Störungserscheinungen Hochleistungsgleichstromanlagen zu schützen·

Bei den bekannten schnellschaltenden Leistungsschaltern, beispielsweise bei dem in der britischen Patentschrift934 210 beschriebenen Leistungsschalter, tritt eine gewisse Verzögerung beim Freigeben eines mechanischen Riegels, oder einer Sperre im Schaltermechanismus auf und die Beschleunigung des beweglichen Schaltstücks beim Trennen von dem feststehenden Schaltstück wird durch die Massenträgheit eines ver-. hältnismäßig schweren angelenkten Arms begrenzt, auf dem das bewegliche Schaltstück angeordnet ist_o

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, die SehaltStücktrennung schneller durchzuführen und vor allem die Verzögerung nach dem Auftreten des Auslösesignals so klein wie möglich zu halten. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine bekannte physikalische Erscheinung herangezogen, daß nämlich bei einer plötzlich auftretenden Stromänderung in einer elektromagnetischen Spule ein nahe bei der Spule koaxial angeordneter leitender Ring oder eine leitende

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Scheibe von der Spule abgestoßen werden»

Ausgehend von einem Leistungsschalter mit zwei voneinander trennbaren Sehaltstücken, wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das eine Schaltstück zum Zurückziehen gegenüber dem anderen Schaltstück an einer elektromagnetischen Spule oder an einem leitenden Ring bzw. einer leitenden Scheibe einer Rückziehvorrichtung befestigt, ist und daß sich diese beiden Bauteile der Rückziehvorrichtung beim Auftreten eines aufgrund eines Auslösesignals in der Spule hervorgerufenen Stromstoßes voneinander abstoßen und dabei das rückziehbare Schaltstück in seiner Rückziehrichtung beschleunigen.

Bei dem am beweglichen Schaltstück befestigten Bauteil handelt es sich vorzugsweise um den leitenden Ring oder die Scheibe ο Die Spule wird festgehalten, und zwar zumindest in der vom Ring weglaufenden Richtung₀ Diese Anordnung gewährleistet, daß die träge Masse der mit dem beweglichen Schaltstück verbundenen Teile so klein wie möglich ist» Ferner kann die Spule einfach angeschlossen werden,. Vorzugsweise wird auf den Ring oder die Scheibe eine Rückhaltekraft ausgeübt, die die Abstoßbewegung des Ringes oder der Scheibe von der Spule während einer sehr kurzen.Zeitspanne unterbindet, die etwa der unvermeidbaren Zeitverzögerung zum Aufbau der elektromagnetischen Energie in der Spule entspricht. Durch dieses Zurückhalten wird die dem Ring oder der Scheibe mitgeteilte Beschleunigungsenergie um ein Vielfaches erhöht. Das Zurückhalten der Abstoßbewegung kann man mit einer auf den Ring oder die Scheibe einwirkenden Vorspannkraft erreichen, die den Ring gegen die Spule drückt und die die Gegenkraft übertrifft, die durch den Kontaktdruck des anderen Schaltstücks auf den Ring oder die Scheibe ausgeübt wird. Eine derartige

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Vorspannkraft vermindert unter der Voraussetzung, daß sie nicht übermäßig groß ist, nicht die zur Beschleunigung des beweglichen Schaltstücks verfügbare Kraft, wie man es anneh-' men sollte. Es tritt sogar eine wesentlich höhere Kraft aufο

Bei einem geradlinig bewegbaren Schaltstück, bei dem man in einfachster Weise eine möglichst niedrige träge Masse erreichen kann, wird die Stromzuführung zu diesem Schaltstück während der normalen Betriebsweise und während der Beseitigung von Störungen vorzugsweise über ein oder mehrere Gleitkontakt e vorgenommene

Da die Abstoßkraft nur vorübergehend auftritt, wird die Vorspannkraft versuchen, die Schaltstücke wieder in ihre geschlossene Stellung zu bringen, wenn nicht eine Einrichtung, beispielsweise eine Sperrvorrichtung, vorgesehen ist, die die Schaltstücke in ihrer getrennten Lage hält. Eine derartige Vorrichtung kann entfallen, wenn das andere Schaltstück vor der Rückkehr des erstgenannten beweglichen Schaltstücks weggezogen wird. Abweichend davon kann das zurückziehbare Schaltstück zurückgehalten v/erden und gleichzeitig das andere Schaltstück weggezogen werden, so daß sich ein größerer Trennabstand zwischen den Schaltstücken ergibt. Das Y/egziehen des anderen Schaltstücks kann durch einen Auslösemechanismus eingeleitet werden, der von einem unabhängigen elektrischen Auslöser oder von einem auf die Bewegung des zurückziehbaren Schaltstücks ansprechenden mechanischen Auslöser betätigt wird«,

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand von-Figuren beschrieben werden,.

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Figo 1 stellt einen nach, der Erfindung aufgetauten Schnellschaltenden Leistungsschalter dar_o

Pig. 2 und 3 zeigen abgeänderte Ausführungsformen«,

Der in den Zeichnungen dargestellte Leistungsschalter geht auf einen in der britischen Patentschrift 934 210 beschriebenen Schalter zurück« Das feststehende Schaltstück ist dabei allerdings nach der Erfindung durch ein zurückziehbares Schaltstück ersetzt worden. In der folgenden Beschreibung wird dieses Schaltstück 2 als das "schnelle" Schaltstück und das normal bewegbare Schaltstück 4 als das "langsame" Schaltstück bezeichnet»

Das langsame Schaltstück 4 wird von einem Sehaltstückarm 6 getragen, der an einem festen Punkt 8 angelenkt ist und der zum Wegbewegen des Schaltstücks 4 aus der geschlossenen Schalterstellung eine Antriebsvorrichtung 10 aufweist, die in der britischen Patentschrift 934 210 beschrieben ist«, Ferner ist eine Auslösevorrichtung vorgesehen, bei der es sich um ein Sperrwerk 12 handeln kann, wie es im Zusammenhang mit Fig. 1 der britischen Patentschrift 849 658 beschrieben ist. Der eine Walze 16 tragende Arm 14 ist dabei allerdings herumgedrehte Das Sperrwerk 12 kann vom Anker 17 eines elektromagnetischen Auslösers 18 ausgelöst oder entsperrt werden, der über eine Stange oder einen Draht 24 mit einem 0-förmigen Sperrglied 22 verbunden isto Der elektromagnetische Auslöser 18 kann auf einen Überstrom ansprechen, der ihm .über eine Leitung 20 und den Schaltstückarm 6 sowie den Drehzapfen an der Stelle 8 zugeführt wird_o

Bei geschlossener Schalterstellung drückt das langsame

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Schaltstück 4 gegen das schnelle Schaltstück 2, dessen Ende mit einem koaxial angeordneten Stab 26 verbunden ist. Der Stab 26 ist gleitend in einem Anschlagkörper 28 gelagerte Der Anschlagkörper 28 ist an dem an der Stelle 29 teilweise gezeigten Rahmen des Leistungsschalters befestigt. Hinter dem Anschlagkörper befindet sich eine elektromagnetische Spule 30, durch die der Stab 26 ebenfalls hindurchgeht und die, wie der Anschlagkörper 28, am Rahmen des Leistungsschalters befestigt ist. Am anderen Ende des Stabe» 26 ist ein koaxial angeordneter Kupferrring 32 mit einer Schraube und einer Klemmplatte 36 befestigte Die Klemmplatte weist einen Plansch 36A auf, gegen den eine Spiralfeder 38 drückte Das andere Ende der Spiralfeder 38 liegt an einem feststehenden Vorsprung 40 des Leistungsschalterrahmens an_o Die leder kann beispielsweise eine Kraft von etwa 75 Kilopond ausüben und drückt das schnelle Schaltstück gegen die Spule 30 nach links wie es durch einen Pfeil 42 angedeutet ist ο Eine Hauptstromleitung 44 ist über den Anschlagkörper 28 und mehrere in Radialrichtung federnd angeordnete Finger 46 mit dem schnellen Schaltstück 2 verbunden» Die federnd angeordneten Finger 46 ermöglichen es, daß dieser Strompfad auch bei zurückgezogenem Schaltstück 2 geschlossen bleibt.

Die Schaltstücke und die Antriebsvorrichtung 10 sind derart eingestellt, daß das langsame Schaltstück etwa mit einer Kraft von 50 Kilopond gegen das schnelle Schaltstück drückt, wie es durch einen Pfeil 48 angedeutet ist. Das schnelle Schaltstück muß daher eine Kraft von etwa 25 Kilopond überwinden, wenn es zurückgezogen werden soll. Im folgenden wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels die Arbeitsweise des Leistungsschalters nach der Erfindung beschrieben.

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Ein Überstrom, der den elektromagnetischen Auslöser 18 betätigt und dabei das langsame Schaltstück 4 aus dem Sperrwerk 12 freigibt, wirkt auch auf eine empfindliche schnell ansprechende-Schaltvorrichtung ein, beispielsweise ein empfindliches Heiais, ein Thyratron oder einen Thyristor. Diese schnell ansprechende Schaltvorrichtung löst die Entladung eines vorgeladenen Kondensators über die Spule 30 aus. Durch die Druckkraft der feder 38 wird der Ring 32 zunächst nahe bei der Spule 30 gehalten, bis nach einer Verzögerungszeit ρ die weniger als 0,1 Millisekunde sein kann und die durch die Zeitkonstante der die Induktivität der Spule 30 und die Kapazität des Kondensators enthaltenden LC-Schaltung bestimmt ist, eine derart große · Abstoßkraft zwischen der Spule und dem Ring entsteht, daß sich dar Ring mit einer hohen Beschleunigung, die beispielsweise 1000g betragen kann, von der Spule wegbewegtο Dabei ist die Gesamtverzögerung zwischen dem Auftreten des Auslösesignals und dem Trerinbeginn der beiden Schaltstücke sehr klein und die Abstandszunähme zwischen den beiden Schaltstücken sehr großo Das langsame Schaltstück 4 versucht zuerst, dem schnellen Schaltstück 2 unter der Einwirkung der durch die Antriebsvorrichtung 10 auf das Schaltstück ausgeübten Kraft zu folgen» Aufgrund der Massenträgheit des Armes 6 bewegt sich jedoch das langsame Schaltstück wesentlich langsamer als das schnelle Schaltstücke Bevor das schnelle Schaltstück jedoch von seiner Auslenkung zurückkehrt, was 15 Millisekunden dauern kann, ist bereits unter der Einwirkung der Antriebsvorrichtung 10, deren Sperrwerk 12 vom Auslöser 18 ausgelöst wurde, das langsame Schaltstück 4 aus der geschlossenen Schalterstellung in die offene Stellung bewegt worden, so daß eine erneute Kontaktgabe' oder ein Schließen des Schalters vermieden wird. Vorzugsweise

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werden zur Auslösung des schnellen und langsamen Sehaltstücks unabhängig voneinader arbeitende elektrische Auslösevorriehtungen verwendet, insbesondere wenn schnell ansteigende tiberströme unterbrochen werden sollen. Die Auslösezeitpunkte brauchen dabei nicht unbedingt gleich zu sein, da nach dem Beginn der Rückziehbewegung des schnellen Schaltstücks zunächst ein Lichtbogen gezogen wird," dessen Strom noch wesentlich über dem Auslösestrom der Auslösevorrichtungen liegt»

Eine durch "Verschleiß oder Abbrennen hervorgerufene Kontaktabnutzung, die normalerweise durch Nachstellen des feststehenden Schaltstücks ausgeglichen wird, wird im vorliegenden IPaIl von dem langsamen Schaltstück ausgeglichen, dessen Stellung sich in Abhängigkeit von der Abnutzung bei geschlossenem Schalter änderte Eine Nachstellung des schnellen Schaltstücks kann nicht erfolgen, da der mit dem schnellen Schaltstück verbundene Abstoßring 32 bezüglich der Spule 30 in einer vorgegebenen Lage gehalten und außerdem ein vorgegebener Anpreßdruck aufrechterhalten werden muß.

Der Leistungsschalter kann noch eine Sperre aufweisen, die in das schnelle Schaltstück 2 oder in eines der mit dem schnellen Schaltstück 2 verbundenen Teile am Ende des Rückziehweges eingreift, so daß dieses Schaltstück erst in seine normale Stellung zurückkehren kann, wenn diese Sperrung aufgehoben wirdo

In Pig. 2 ist eine derartige Sperrvorrichtung..gezeigt_o Dei? Stab 26 des schnellen Schaltstücks 2 weist eine Verlängerung 26a auf, die durch den feststehenden Anschlag 40' hindurchragt und dahinter auch noch durch eine kegelförmige Bohrung 5OA in einem anderen feststehenden Bauteil 50 hindurchgeht *

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Der Durchmesser der kegelförmigen Öffnung 5OA wird dabei in Richtung der Rückkehrbewegung des Stabes 26 kleiner, also entgegen der durch einen Pfeil 52 angedeuteten Rückziehrichtung des schnellen Schaltstücks. Ein aus Stahlkugeln 54 gebildeter Ring, der den Stab 26A innerhalb der Öffnung 5OA umgibt, wird von einer leichten Feder 56 in die kegelförmige oder konische Öffnung 5OA zwischen dem Stab und dem Bauteil 50 gedrückte Der Stab 26A kann sich daher in Richtung des Pfeils 52 frei bewegen, wird jedoch von den Kugeln 54 festgehalten, sobald er seine Bewegungsrichtung umkehren willo Dieser Vorgang wird von irgendwelchen Spannungsänderungen, die während der Bewegung des schnellen Schaltstücks auftreten und beispielsweise die Ladespannung des Kondensators betreffen können, nicht beeinflußt.

In Fig. 2 ist noch ein Auslöser für diese Sperrvorrichtung gezeigt» Bei der Bewegung des dem langsamen Schaltstück zuge-

arms
ordneten Schaltstück/ 6 in die offene Schalterstellung trifft dieser Arm 6 auf einen Stift 60, der an einer Yerbindungsstange 62 befestigt ist.. Dadurch wird die Yerbindungsstange 62 in Richtung eines Pfeils 64 bewegt» Die durch die Bewegung der Stange 62 hervorgerufene Kraft wirkt über einen an der Stelle 68 angelenkten Hebel 66 auf einen rohrförmigen Körper 70 ein, der entgegen der Kraft der Feder b6 auf den aus Kugeln gebildeten Ring 5-4 drückt. Dadurch wird die Sperrkraft der Kugeln 54 zwischen dem Stab 26A und dem feststehenden Bauteil 50 aufgehoben, so daß das schnelle Schaltstück 2 in seine der geschlossenen Schalterstellung entsprechenden lage zurückkehren kann ο

Eine weitere Maßnahme, -die der Leistungsschalter aufweisen kann,

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ist eine Hebeianordnung, die auf die Bewegung des schnellen Schaltstücks 2 anspricht und derart angeordnet ist, daß sie das Sperrwerk 12 des langsamen Schaltstücks 2 "bei einem vorgegebenen Punkt in der Bewegungsbahn des schnellen Schaltstücks 4 auslöste Der elektromagnetische Auslöser 18 kann dann entfallen- Da die Beschleunigung des schnellen Schaltstücks sehr groß ist, würde eine derartige Hebelanordnung ruck— oder stoßartig belastet werden»

In Pig. 3 ist eine solche Hebelanordnung gezeigt» Ein gabelförmiger Winkelheber 80 ist hierzu an der Stelle 82 angelenkt,, Das gabelförmige Hebelende 8OA, von dem die Figo 3 nur die eine Gabel zeigt, ist derart geformt, daß es von dem Flansch 36A betätigt wird, gegen den die Feder 38 drückte Beim Zurückziehen des schnellen Schaltstücks 2 wird der Hebel 80 im Uhrzeigersinn gedreht, wie es durch einen Pfeil angedeutet ist. Das andere Hebelende ist über einen Bowdenzug oder eine andere Vorrichtung mit einem Auslösehebel 17A am Anker 17 verbunden, so daß die Bewegung des Gabelhebels 80 die Rückzugbewegung des langsamen Schaltstücks 4 auslöst«

Die Entladung des Kondensators wird vorzugsweise über einen Thyristor vorgenommen. Die Zündschaltung des Thyristors spricht dabei auf ein Signal an, das vom Strom in der Hauptleitung, in der sich der leistungsschalter befindet, abhängt, so daß beim Überschreiten eines vorbestimmten Wertes die Zündschaltung zum Zünden des Thyristors einen Zündimpuls abgibt* \1erm. der Leistungsschalter zum Schutz einer Gleichstromanlage dient, dann kam man ein derartiges Signal am Ausgang eines Gleichstromwandlers abnehmen, der in die Gleichstromschaltung eingebaut ist« Die Verzögerung zwischen dem Erreichen des Auslösewertes und dem Zünden des Thyristors kann sehr kurz sein, vorzugsweise weniger als eine Mikrosekunde,

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Claims (1)

1. - ίο -

   Patentansprüche

   1. Leistungsschalter mit zwei voneinaüer trennbaren Schaltstücken, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Schaltstück (2) zum Zurückziehen gegenüber den anderen Schaltstück (4) an einer elektromagnetischen Spule (50) oder an einem leitenden Ring bzw. einer leitenden Scheibe

   (52) einer Rückziehvorrichtung befestigt ist und daß sich diese beiden Bauteile der Rückziehvorrichtung beim Auftreten eines aufgrund eines Auslösesignals in der Spule (30) hervorgerufenen Stromstoßes voneinander abstoßen und dabei das rückziehbare Schaltstück (2) in seiner Rückziehrichtung beschleunigen,,

   2. Leistungsschalter nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet , daß eine Rückhaltevorrichtung (58) auf den Bauteil (50 oder 52) eine Rückhaltekraft ausübt, die während einer Verzögerungszeit die Rückziehbewegung des rückziehbaren SchaltStücks (2) so lange sperrt, bis die Rückziehkraft die Rückhaltekraft übersteigt, wodurch sich eine wesentlich höhere Rückziehkraft aufbaut als ohne Sperrung.

   5. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückhaltevorrichtung (58) bei geschlossenen Schaltstücken auf das zurückziehbare Schaltstück (2) eine Kraft ausübt, die der von dem anderen Schaltstück (4) auf das zurückziehbare Schaltstück (2) einwirkenden Schließkraft entgegengerichtet ist, und daß die Rückhaltekraft die Differenz zwischen der der Schließkraft entgegengerichteten Kraft und der Schließkraft ist.

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   4. Leistungsschalter nach, einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn ζ eichner, daß eine Sperrvorrichtung das zurückziehbare Schaltstück (2) in seiner zurückgezogenen Stellung festhält.

   5. Leistungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Sperrvorrichtung einen Ring aus Kugeln (54) enthält, die in einen konisch zulaufenden Zwischenraum (50A) zwischen einem feststehenden Teil (50) und einem Stab (26,26A), der sich durch das feststehende Teil (50) erstreckt und an dem zurückziehbaren Schaltstück (2) "befestigt ist, gezwängt werden, und daß die in den Zwischenraum« gezwängten Kugeln die Rückkehrbewegung des Stators. (26, 26a) und damit des zurückziehbaren Schaltstücks (2) in die geschlossene Schalterstellung verhindern»

   6· Leistungsschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Beginn der Rückziehbewegung des zurückziehbaren Schaltstücks (2) und, falls keine Sperrvorrichtung zum Festhalten des zurückziehbaren SchaltStücks (2) in der zurückgezogenen Stellung vorhanden ist, vor dem Rückkehren des zurückziehbaren Schaltstücks (2) in die der geschlossenen Schalterstellung entsprechenden Lage eine Antriebsvorrichtung (10,12) das andere Schaltstück (4) aus seiner der geschlossenen Schalterstellung entsprechenden Lage wegzieht»

   7 ο Leistungsschalter nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet , daß eine automatische Preigabevorrich· tung die Sperrwirkung der Sperrvorrichtung aufgrund des Wegziehens des anderen Schaltstücks (4) aufhebt«,

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   8. leistungsschalter nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet , daß die Freigabevorrichtung einen rohrförmigen Körper (70), der den Stab (2bA) umgibt und die Kugeln (54) bei seiner Betätigung von dem feststehenden Teil (50) wegschiebt, so daß sie den Stab (26A) freigeben, und ein Verbindungsgestänge (60 bis 68) enthält, das die Wegbewegung des anderen SehaltStücks (2) in eine den röhrenförmigen Körper (70) verschiebende Kraft umsetzt.

   9. Leistungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Auslöser (18), der ebenfalls auf das Auslösesignal anspricht, die Antriebsvorrichtung (10,12) auslöst.

   10. leistungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Auslöser (80 bis 86), der auf die Rückziehbewegung des zurückziehbaren Schaltstücks (2) anspricht, die Antriebsvorrichtung (10,12) auslöst«

   11. leistungsschalter nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Auslöser und der mechanische Auslöser abwechselnd wirksam werden, um die Antriebsvorrichtung auszulösen

   12. leistungsschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der elektrische Auslöser und der mechanische Auslöser einen gemeinsamen Hebel (17, 17A) enthalten, der die Auslösewirkung zur Antriebsvorrichtung (10,12) überträgt»

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   13» leistungsschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Hing oder die leitende Scheibe (32) der mit dem zurückziehbaren Schaltstück (2) verbundene Bauteil ist und daß die Spule (30) mindestens in der von dem Ring oder von der Scheibe (32) weglaufenden Richtung festgehalten ist.

   14. Leistungsschalter nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß sich das zurückziehbare Schaltstück (2) geradlinig bewegt.

   15. Leistungsschalter nach Anspruch 14, d a d u r e h gekennzeichnet , daß ein oder mehrere Grleitkontaktstücke (46) die elektrische Verbindung zwischen dem zurückziehbaren Schaltstück (2) und einem feststehenden stromführenden Teil herstellen, und zwar sowohl während des Stillstandes als auch während der Bewegung des zurückziehbaren Schaltstüeks (2).

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