SI9300215A - Priprava s kontaktno vzmetjo za rele za prevajanje in preklapljanje velikih tokov - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

Priprava s kontaktno vzmetjo za rele za prevajanje in preklapljanje velikih tokov

Izum se nanaša na pripravo s kontaktno vzmetjo za rele za prevajanje in preklapljanje velikih tokov z vsaj eno kontaktno vzmetjo, ki nosi kontaktni kos in je razsežna ter sodeluje z nasprotnim kontaktnim elementom, ki miruje in prav tako nosi kontaktni kos, in z vsaj enim togim priključnim krakom za kontaktno vzmet, ki poteka približno vzporedno z le-to, pri čemer tvori vzmetno režo na strani, ki leži nasproti kontaktnemu kosu, in dovaja preklapljani tok v smeri, ki je nasprotna kontaktni vzmeti.

Za priključitev priprav v gospodinjstvu in industriji na omrežno napetost se uporabljajo tako imenovani releji instalacijskega stikala, ki obvladujejo pri sorazmerno majhni izvedbi z vzmetnimi kontakti polne obremenitve, ki pri teh uporabah nastopajo, do področja 50 A. Za večje tokove se praviloma uporablja zaščite, ki so za področja njihove uporabe že vnaprej opremljene z drugače izvedenimi kontaktnimi elementi in ustrezno močnejšimi pogonskimi sistemi, temu ustrezno pa tudi bistveno večje po razsežnostih, kot so imenovani releji.

Pogosto pa obstoji želja, da se uporabi tako imenovane releje zaradi njihove majhne razsežnosti v tehniki velikih instalacij, torej v instalacijskih pripravah v pisarniških *>

p zgradbah, klinikah in industrijskih zgradbah. Za tokove, ki se pojavljajo v normalnem obratovanju preklapljanja, so ti releji tudi brez nadaljnjega primerni. Težave pa se pojavijo v primeru kratkega stika v sistemu vodov ali v električnih uporabnikih, kajti tudi v teh primerih se kontakti releja ne smejo zvariti, dokler predhodno nameščeni varovalni sistem ali organ, npr. zaščitno stikalo voda ali talilna varovalka, ne odklopi. V takšnih primerih nastopajoči t.i. predvideni tokovi kratkega stika ležijo v območju od 1000 do 1500 A in tečejo do sprožitve navedenega varovalnega sistema do časov od 3 ms do 5 ms preko sklenjenih kontaktov vpletenega releja. Po drugi strani pa se lahko tudi zgodi, da mora takšen rele priključiti na kratek stik navedene vrste. Pri tovrstni obremenitvi obstoji pri kontaktnih sistemih z vzmetjo običajne zgradbe velika nevarnost, da se kontaktni kosi zvarijo. Po eni strani pri takšnih relejih sile magnetnega sistema ne zadoščajo, da bi se povzročilo dovolj veliko kontaktno silo za nastopajoče tokove. Po drugi strani pa pri vzporednih kontaktnih vzmeteh z nasprotno pritekajočim tokom delujejo elektrodinamske sile pogonskemu sistemu nasproti, tako da se s tem kontaktno silo dodatno zmanjša. Premajhna kontaktna sila vodi vsled sile v tokovnih ožinah v povezavi z izparevanjem kontaktnega materiala v prevročih področjih dotikanja kontaktov do začasnega dvigovanja kontaktov in do tvorjenja obločnega loka in ustrezno do zvaritve pri ponovni staknitvi kontaktov.

Da bi se omenjene elektrodinamične sile izkoristilo ne za zmanjševanje, temveč za povečevanje kontaktne sile, se je v DE 40 26 425 C že predlagalo konstrukcijo, pri kateri odsek, ki daje kontakt, kontaktne vzmeti objema ustrezen odsek druge kontaktne vzmeti. S silami tokovne zanke, ki pri tem nastanejo, se lahko prepreči odpiranje kontakta pri kratkem stiku. Vsekakor pa ima objemajoča zanka pomanjkljivost, da učinkuje električen potencial, ki ga je treba preklopiti, med drugimi približanimi odseki vzmeti; pri tem lahko pride do preskoka obločnih lokov v normalnem preklopnem obratovanju in do uničenja kontaktnih vzmeti.

Pri znanih pripravah s kontaktno vzmetjo uvodoma omenjene vrste, pri katerih priključni krak za kontaktno vzmet poteka na strani, ki leži nasproti kontaktnega kosa, povzročijo elektrodinamske sile sicer določen odbojni učinek, ki preko vzmeti vodi do povečanja kontaktne sile. V vseh teh znanih primerih, npr. pri releju po EP 0 425 780 A, učinek, ki se ga lahko doseže pri tukajšnjih dimenzioniranjih, ne zadošča, da bi se pri kratkostičnih tokovih navedene vrste preprečilo zvarjenje kontaktnih kosov.

Namen izuma je, da se za takšno pripravo s kontaktno vzmetjo uvodoma navedene vrste poda dimenzioniranje, s katerim se lahko zanesljivo prepreči zvarjenje kontaktnih kosov tudi pri nastopu največjih kratkostičnih tokov.

Ta cilj se po izumu doseže s tem, da se vzmetna špranja vsaj približno razteza preko celotne dolžine kontaktne vzmeti od njenega mesta pritrditve do kontaktnega kosa in da razmeije dolžine proti razdalji v vzmetni špranji zadošča pri sklenjenem kontaktu nekako naslednjemu pogoju:

L/D > 2tt/p_o.H_s, pri čemer pomenijo

L = dolžino vzmetne špranje,

D = srednjo razdaljo v vzmetni špranji, μ_θ = 1,256. lO^Vs/Am,

H_s = mejno segrevno vzdržnost ali zmožnost prevajanja toka kontaktnega materiala [kA²/N].

Ta formula temelji na poenostavljeni predpostavki za mehansko obnašanje opisane priprave s kontaktno vzmetjo. Za kratek čas delovanja kratkostičnega impulza (< 5 ms) se npr. vzmet obravnava kot togo telo. S tem se pozitiven učinek v poskusu začne že pri nekako 2/3 teoretične vrednosti L/D.

Po izumu se torej vzmetno špranjo, ki je stvoijena med kontaktno vzmetjo in njenim priključnim elementom, tako dimenzionira, da so odbojne sile, ki jih stvori tokovna zanka in ki težijo k temu, da bi sklenile kontakt, ki se nahaja na nasprotno ležeči strani vzmeti, tudi pri največjih kratkostičnih tokovih večje od nasproti delujočih sil, ki skušajo kontakte razpreti. Ugotovilo se je, da obstoji preprosta odvisnost od t.i. mejne vzdržnosti ali zmožnosti prenašanja toka, kije po svoje definirana kot količnik iz mejnega toka [kA²] zvaritve in kontaktne sile [Ν] in je za določen material konstanta. Za definiranje teh pojmov glej knjigo Keil, Meri, Vinaricky: Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe, Springer-Verlag, 1984, ISBN 3-540,12233-8.

Za srebro in srebrove zlitine, ki za tukaj obravnavane uporabe prvenstveno prihajajo v poštev, znaša mejna segrevna vzdržnost H_s = 0,165 kA²/n. Od tod se za razmerje dolžine do razdalje v vzmetni špranji teoretično izračuna vrednost okoli 30. Če je torej dolžina vzmeti v špranji vsaj 30-krat tako velika kot srednja razdalja, se pri velikih kratkostičnih tokovih prepreči zvarjenje kontaktov. S poskusi se je ugotovilo, da učinek deluje že od vrednosti 20 naprej.

Izum bo v nadaljanjem podrobneje pojasnjen s pomočjo risbe na izvedbenih primerih. Pri tem prikazujejo sl. 1 in 2 rele s kontaktnimi elementi, ki so izoblikovani po izumu, v dveh prerezih, sl. 3 predstavitev konstrukcijskega principa po izumu na shematični prikazani pripravi s kontaktno vzmetjo, sl. 4 nadaljnjo izvedbeno obliko izuma z večkrat preganjano kontaktno vzmetjo in sl. 5 shematično predstavitev običajne priprave s kontaktno vzmetjo v releju za pojasnitev različnih načinov delovanja glede na izum.

Na sl. 1 in 2 je prikazan rele za uporabo pri velikih tokovih, katerega razmestitev kontaktov je izvedena po izumu. V osnovnem telesu 1 je od zgoraj nameščen magnetni sistem s tuljavo, z jedrom 3, z dvema jarmoma 4, s trajnim magnetom 5 in trepetajočo kotvo 6. Prožilni prst 7 kotve proži preko stikala 8 kontaktno vzmet, ki je v tem primeru razcepljena v glavni krak 10 vzmeti in v začetni krak 11. Nosilec 12 vzmeti poteka od svojega priključnega čepa 12a do trdilnega mesta 12b za kontaktno vzmet približno vzporedno z le-to, s čimer se stvori vzmetno špranjo 13. Kontaktni kosi 14 in 15 kontaktne vzmeti se nahajajo nad priključnim čepom 12a na strani, ki je nasprotna nosilcu 12 vzmeti. Sodelujeta z ustreznimi kontaktnimi kosi 16 in 17 elementa 18 nasprotnega kontakta, ki je tako kot nosilec 12 vzmeti zasidran z vtaknitvijo v špranjo osnovnega telesa in ima priključni čep 18a.

Nosilec 12 vzmeti je v področju med kontaktnim kosom 14 in mestom 12b pritrditve nameščen tako blizu kontaktne vzmeti 9, da je dolžina vzmetne špranje 13 več kot 30-krat, vendar vsaj 20-krat tako velika kot srednja razdalja med nosilcem 12 vzmeti in kontaktno vzmetjo 9. S tem postane odbojna sila med nosilcem 12 vzmeti in kontaktno vzmetjo 9 pri velikih kratkostičnih tokovih tako velika, da se prepreči kratkotrajni dvig kontaktnega kosa 14 od kontaktnega kosa 16 se prepreči zvaritev kontakta. Nasprotni kontaktni element 18 je v tem primeru nameščen prečno na nosilec 12 vzmeti. S tem ne stojijo premični kontaktni vzmeti nasproti kakšni kovinski deli z veliko površino, ki bi lahko vodili do pojava sil zaradi vrtinčnih tokov. Takšne sile zaradi vrtinčnih tokov bi lahko krnile želeno odbijanje tokove zanke.

Fizikalni premisleki za določanje razsežnosti omenjene tokovne zanke med nosilcem 12 vzmeti in kontaktno vzmetjo 9 bodo sedaj opisani podrobneje s pomočjo slik 3 in 5 v primerjavi s stanjem tehnike.

Na sl. 5 je prikazan običajen stavek s preklopno kontaktno vzmetjo 21 in nasprotno kontaktno vzmetjo 22, ki sklenejo tokovni krog vsakič preko kontaktnih kosov 23 oz.

24. Ko je treba sedaj preko takšnih kontaktnih vzmeti voditi velik kratkostični tok, pride do naslednjega efekta: če kontaktne sile ne dosegajo vnaprej določene vrednosti, se sklenjeni kontakti vsled sil tokovnih ožin v povezavi z izparevanjem kontaktnega materiala v prevročih področjih dotikanja kontaktov in vsled razvijanja velikih ravneh pritiskov kratkotrajno razmaknejo; pri tem se potegne obločni lok z ustrezno veliko jakostjo i_K toka, pri čemer se površine kontaktov na velikih površinah stalijo. Končno se kontakt ponovno sklene v talino lastne snovi in se zvari.

Da bi se preprečilo ta katastrofičen potek, je potrebno odpiranje kontaktov preprečiti, s tem da se povzroči dovolj velike nasprotne kontaktne sile. V današnjih releji s sorazmerno majhno prostornino magnetnega kroga dosegljive kontaktne sile 100 cN so za kratkostične tokove zgoraj navedenega reda velikosti premajhne, da bi se preprečilo opisano razpiranje kontaktov v kontaktni pripravi po sl. 5. Pri tej namestitvi z nasprotno usmerjenimi tokovnimi progami v vzporednih, sodelujočih kontaktnih elementih, se tvorijo elektrodinamične odbojne sile, ki dodatno delujejo nasproti kontaktni sili. Takšni kontakti se torej pri velikih tokovih odprejo, kar dodatno zvišuje nevarnost zvaritve. Te nastopajoče odbojne sile so odvisne od kvadrata jakosti toka po naslednji zvezi:

F_s = (μ_ο/2π). L/D . i_K ² = 0,2. L/D . i_K ². ΙΟ⁶ [Ν], pri čemer pomeni μ_θ = 1,256.10'⁶ Vs/Am, L = dolžino vzmeti,

D = razmak vzmeti, i_K = kontaktni tok v [Α]

F_s = silo v tokovni zanki v [N].

Sile F_s takšnih konstrukcij po sl. 5 se gibljejo največ v bližini 50 cN, kjer je razdalja D v redu velikosti dvojne višine kontaktnih kosov. Odločujoč geometrijski faktor je pri tem razmeije N/D z vrednostmi pod 10.

Kot je bilo uvodoma omenjeno, je v DE 40 26 425 Cl opisan ukrep, po katerem se izkoristi tokovno zanko, objemajočih kontaktnih vzmeti za povišanje kontaktne sile in se pri tem prepreči odpiranje kontaktov pri kratkih stikih. Pri tam prikazani namestitvi pa se pojavi pomanjkljivost, da tokovno zanko tvorita dva kontaktna elementa, ki sta pri odprtih kontaktih na različnem potencialu in s tem pri normalnem obratovanju povzročata nevarnost obločnega loka.

Oblika tokovne zanke, ki se jo uporablja pri izumu, je na sl. 3 še enkrat shematično predstavljena. Tukaj se tvori tokovno zanko med nosilcem 12 vzmeti in kontaktno vzmetjo 9 za kontaktnim kosom 14, ki preklaplja, pri čemer se uporabljajo dober električni prevodnik kot nosilec 12 vzmeti iz bakra in vzmet, ki je dovolj dimenzionirana za jakost i_K toka, ki ga prevaja, prav tako bakrene zlitine. Na stikalni strani nosi ta vzmet kontaktni kos 14, ki prednostno obstoji iz srebra oz. srebrove zlitine, kot sta AgCdO ali AgSnO₂. Tok teče pri sklenjenem kontaktu v nosilcu 12 vzmeti nasprotno glede na smer toka v kontaktni vzmeti 9. Vzmet in kovinski del (nosilec 12 vzmeti) sta na mestu 12a električno prevodno povezana. V kolikor pa so takšne razmestitve z nosilcem vzmeti in kontaktno vzmetjo v znanem releju tvorile takšno tokovno zanko, ni bilo dimenzioniranje izbrano tako, da bi proizvedena odbojna sila zadoščala za preprečevanje zvaritve pri kratkem stiku.

Za tokovno zanko na sl. 3 velja v primeru kratkega stika naslednja bilanca sil:

K dejanski kontaktni sili F_K releja se prišteva od toka odvisna sila F_s tokovne zanke zaradi toka i_K, ki v njej teče v nasprotni smeri. Če sta ti dve obe sili večji od sile Fj pri prenašanju toka, potem se kontaktna kosa v primeru kratkega stika ne razmakneta in se ne zvarita; če pa sta manjši, potem pride do prej opisanega postopka dvigovanja z nevarnostjo zvaritve kontaktov. V primeru običajnih kratkostiČnih tokov (> 1000

A) se lahko dejansko silo F_K glede na silo F_s v zanki zanemari, tako da se prejšnja zveza poenostavi:

F_S \ Fr

Razen tega velja:

^ = (1/^).^, pri čemer je i_K ²v[kA²] in H_s v [kA²/N].

S prej navedenimi fizikalnimi zakonitostmi in z H_s = 0,165 za srebro kot snov delovnih kontaktov se pride do naslednje predpostavljene povezave za ravnovesje sil:

0,2. L/D. i_K ^{2 >}< 1/0,165 . i_R ² pri čemer je i_K podan v [kA].

V tej enačbi se torej okrajša tok in ostane pogoj:

L/D ^>< 30.

Pri tem je D vzmetna razdalja, ki se jo povpreči v celotni dolžini L vzmetne špranje.

Vidi se, da se pri tem i_K ² kontaktu neodvisno od toka stvori njegova zahtevana kontaktna sila sama, če se geometrijski faktor zanke N/D > 30 konstruktivno zagotovi. L/D mora torej biti velik kar se da. Teoretično bi bil lahko tok i_R poljubno velik, če ne bi bilo omejitve z zmožnostjo prevajanja drugih elementov v kontaktnem krogu, ki prevajajo tok. S tem geometrijskim faktorjem se iz zgornje enačbe pri 1000 A, kar ustreza 1 kA, dobijo sile okoli 6 N, kar ustreza 600 cN. Poskusi so tudi pokazali, da že vrednosti od L/D > 20 pozitivno učinkujejo. Čim višji pa je ta faktor, toliko zanesljiveje se prepreči zvaritev kontaktov ne le pri kratkem stiku preko sklenjenih kontaktov temveč tudi pri priključitvi na kratek stik. Ugodno se odraža pri tem prisilno vodenje premičnega kontaktnega elementa pogonskega sistema releja.

Prednostne izvedbe principa kontaktne zanke nastopijo pri releju, če je vzmet zanke razdeljena v predhodni kontakt z volframovimi kontaktnimi kosi in glavni kontakt s kontaktnimi kosi srebrove zlitine (AgCdO, AgSnO₂). Ta varianta, ki je predstavljena na sl. 1 in na sl. 2, ima prednosti pri vklapljanju cevi s svetlečo snovjo, ki imajo ustrezne tokovne konice. Za vklapljanje v področju nazivnega toka je cenovno ugodnejša dvojna oprema le s kontakti srebrne zlitine. Enojna oprema s kontakti je seveda najcenejša rešitev, ki pa je za mnogo uporab zadovoljiva, kar se tiče življenjske dobe.

V normalnem obratovanju pri izmeničnem toku pride v tokovni zanki do mikronihajnih efektov, ko sta kontakta sklenjena, ki se prednostno pokažejo pri prenosu toka, to se pravi, pri kontaktnem uporu.

Možna je tudi nadaljnja izvedbena oblika v tem načinu, da se kontaktno vzmet pregane harmonikasto, kot je to shematično predstavljena na sl. 4. Tam ima kontaktna vzmet 30 pet izmenjaje nasproti potekajočih odsekov 31, 32, 33, 34 in 35, tako da se skupaj z nosilcem 12 vzmeti tvori pet vzmetnih špranj z ustreznimi srednjimi razdaljami Dl, D2, D3, D4 in D5. Vsota vseh dolžin L zanke mora nato v razmeiju glede na srednjo vrednost vseh razdalj Dl do D5 izpolniti zgoraj omenjene pogoje, torej pri srebrnih kontaktih mora imeti vsaj 20-kratno vrednost srednjega razmaka v špranje. Razmaki Dl do D5 so lahko pri tem enaki in npr. zagotovljeni s tenkimi izolirnimi folijami.

Kot magnetni pogonski sistem za opisan kontaktni princip pridejo v poštev vse vrste magnetnih krogov. Prednost pa imajo magnetni sistemi, ki so neobčutljivi na stresanje, predvsem bistabilni magnetni sistemi s kotvo, ki je vležajena na sredini, nekako po izvedbenem primeru s sl. 1. Vključitev sile magnetnega sistema se lahko izvrši v področju med prireditvijo kontaktne vzmeti in kontaktnim kosom, vendar tudi v področju med kontaktnim kosom in prostim koncem vzmeti.

Claims (4)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Priprava s kontaktno vzmetjo za rele za prevajanje in preklapljanje velikih tokov z vsaj eno kontaktno vzmetjo 9, ki nosi kontaktni kos 14, 15 in je razsežna in sodeluje s predstoječim kontaktnim elementom 18, ki prav tako nosi kontaktni kos 16, 17, in z vsaj enim togim priključnim krakom 12 za kontaktno vzmet, ki poteka približno vzporedno z le-to po tvorjenju vzmetne špranje 13 na strani, kije nasprotna kontaktnemu kosu, in ki vodi preklopni tok v smeri, ki je nasprotna kontaktni vzmeti 9, označena s tem, da se vzmetna špranja (13) razteza vsaj približno preko celotne dolžine kontaktne vzmeti od njenega mesta (12b) pritrditve do kontaktnega kosa (14, 15) in da razmerje dolžine (L) proti razdalji (D) v vzmetni špranji pri sklenjenemu kontaktu nekako zadošča naslednjemu pogoju:

   L/D > 2-π·/μ_ο.Η₅, pri čemer so

   L = doložina vzmetne špranje,

   D = srednja razdalja v vzmetni špranji, μ₀ = 1,256. 10⁶Vs/Am,

   H_s = mejna segrevna vzdržnost ali zmožnost prevajanja toka kontaktnega materiala v [kA²/n].
2. 2. Priprava po zahtevku 1, označena s tem, da razmerje dolžine kontaktne vzmeti proti razdalji v področju vzmetne špranje zadošča naslednjemu pogoju:

   L/D > 20 in prednostno L/D > 30.
3. 3. Priprava po zahtevku 1 ali 2, označena s tem, da so s prepogibanjem kontaktne vzmeti (30) v obliki harmonike druga za drugo nanizane vzmetne špranje (36, 37, 38, 39, 40), pri čemer vsota dolžin špranj glede na srednjo širino špranj zadošča naslednji zvezi:

   SL/D > 2ττ/μ_ο.Η₅.
4. 4. Priprava po enem izmed zahtevkov 1 do 3, označena s tem, da je kontaktna vzmet razdeljena v krak (10) glavne vzmeti z glavnim kontaktnim kosom (14) iz srebrove zlitine in v prehodni vzmetni krak (11) s predhodnim kontaktnim kosom (15) iz volframa.

   Za

   SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT:

   PISANI ^Bujani' t/

   22802-IV-93

   IZVLEČEK

   Priprava s kontaktno vzmetjo ima razsežno kontaktno vzmet 9 s togim priključnim krakom 12, ki se razteza približno vzporedno s kontaktno vzmetjo in vodi preklopni tok v smeri, kije nasprotna kontaktni vzmeti. Na strani, kije nasprotna priključnemu kraku 12, ima kontaktna vzmet kontaktni kos 14, ki sodeluje z nasproti nameščenim elementom 18 nasprotnega kontakta s kontaktnim kosom 16. Dvojne sile med priključnim krakom 12 in kontaktno vzmetjo 9 postanejo tako velike, da tudi pri največjih kratkostičnih tokovih ne pride do zvaritve kontaktov, če je pri kontaktnih kosih iz srebra ali srebrove zlitine dolžina špranje, ki je stvorjena med kontaktno vzmetjo 9 in priključnim krakom 12, vsaj 20-krat večja od srednje vzmetne razdalje v špranji.