Schalterschutzbetrieb (Betriebs- und Auslösezeit)
Die primäre Funktion eines Stromkreisschalters besteht darin, die Kontakte, die den Strom leiten, zu öffnen und zu schließen. Obwohl dies sehr einfach erscheint, sollten wir uns bewusst sein, dass ein Stromkreisschalter den Großteil seines Lebens in geschlossener Position verbleibt. Nur selten ist es erforderlich, einen Stromkreisschalter zu betätigen, um seine Kontakte zu öffnen oder zu schließen.
Daher muss der Betrieb des Stromkreisschalters sehr zuverlässig ohne Verzögerungen oder Trägheit erfolgen. Um diese Zuverlässigkeit zu erreichen, wird das Betriebsmechanismus des Stromkreisschalters komplexer, als es ursprünglich gedacht war.
Der Öffnungs- und Schließweg zwischen den Kontakten sowie die Geschwindigkeit der beweglichen Kontakte während des Betriebs sind die wichtigsten Parameter, die bei der Konstruktion eines Stromkreisschalters berücksichtigt werden müssen.
Der Kontaktabstand, die Reisedistanz der beweglichen Kontakte und ihre Geschwindigkeit werden durch die Art des Bogenlöschmediums, die Strom- und Spannungsbewertung eines Stromkreisschalters bestimmt.
Im folgenden Diagramm ist eine typische Betriebscharakteristik eines Stromkreisschalters dargestellt.
Hier im Diagramm stellt die X-Achse die Zeit in Millisekunden und die Y-Achse den Abstand in Millimetern dar.
Nehmen wir an, dass zum Zeitpunkt T0 der Strom durch die Schließspule fließt. Nach der Zeit T1 beginnt der bewegliche Kontakt, sich auf den festen Kontakt zuzubewegen. Zum Zeitpunkt T2 berührt der bewegliche Kontakt den festen Kontakt. Zum Zeitpunkt T3 erreicht der bewegliche Kontakt seine geschlossene Position. T3 – T2 ist die Überlastperiode dieser beiden Kontakte (beweglicher und fester Kontakt). Nach der Zeit T3 springt der bewegliche Kontakt etwas zurück und kehrt dann nach der Zeit T4 wieder in seine endgültige geschlossene Position zurück.
Nun kommen wir zur Auslöseoperation. Nehmen wir an, dass zum Zeitpunkt T5 der Strom durch die Auslösespule des Stromkreisschalters fließt. Zum Zeitpunkt T6 beginnt der bewegliche Kontakt, sich rückwärts zu bewegen, um die Kontakte zu öffnen. Nach der Zeit T7 löst sich der bewegliche Kontakt endgültig vom festen Kontakt. Die Zeit (T7 – T6) ist die Überlappungsperiode.
Zum Zeitpunkt T8 kommt der bewegliche Kontakt in seine endgültige offene Position, aber hier ist er nicht in Ruheposition, da es einige mechanische Oszillationen des beweglichen Kontakts vor dem Erreichen seiner endgültigen Ruheposition gibt. Zum Zeitpunkt T9 kommt der bewegliche Kontakt endgültig in seine Ruheposition. Dies gilt sowohl für Standard- als auch für Fernsteuer-Stromkreisschalter.
Anforderungen an die Öffnungsoperation des Stromkreisschalters
Der Stromkreisschalter sollte so schnell wie möglich in die offene Position gebracht werden. Dies ist notwendig, um die Erosion der Kontakte zu begrenzen und den fehlerhaften Strom so schnell wie möglich zu unterbrechen. Allerdings wird die gesamte Reisedistanz des beweglichen Kontakts nicht nur durch die Notwendigkeit der Unterbrechung des fehlerhaften Stroms bestimmt, sondern vielmehr durch den Kontaktabstand, der erforderlich ist, um die normalen dielektrischen Spannungen und Blitzimpuls-Spannungen, die über den Kontakten auftreten, wenn der Stromkreisschalter offen ist, zu widerstehen.
Die Notwendigkeit, den ständigen Strom zu führen und einen bestimmten Zeitraum mit einem Bogen im Stromkreisschalter zu überstehen, macht es erforderlich, zwei parallele Kontaktsätze zu verwenden. Der eine ist der Hauptkontakt, der immer aus hoch leitfähigen Materialien wie Kupfer hergestellt wird, und der andere ist der Bogenkontakt, der aus bogenbeständigen Materialien wie Wolfram oder Molybdän hergestellt wird, die eine viel geringere Leitfähigkeit als die Hauptkontakte haben.
Während der Öffnungsoperation des Stromkreisschalters, öffnen die Hauptkontakte vor den Bogenkontakten. Aufgrund der Unterschiede in der elektrischen Widerstandsfähigkeit und der Induktivität der elektrischen Wege der Haupt- und Bogenkontakte, ist jedoch eine endliche Zeit erforderlich, um den vollständigen Stromwechsel zu erreichen, d.h. von den Haupt- oder Hauptkontakten zur Bogenkontaktverzweigung.
Wenn also der bewegliche Kontakt von der geschlossenen in die offene Position wandert, nimmt der Kontaktabstand allmählich zu und nach einer gewissen Zeit wird eine kritische Kontaktposition erreicht, die den minimalen Leitabstand angibt, der erforderlich ist, um eine erneute Bogenbildung nach dem nächsten Nullpunkt des Stroms zu verhindern.
Der Rest des Weges ist nur erforderlich, um eine ausreichende dielektrische Festigkeit zwischen den Kontakten und für die Verlangsamung zu gewährleisten.
Anforderungen an die Schließoperation des Stromkreisschalters
Während der Schließoperation des Stromkreisschalters sind folgende Anforderungen zu beachten,
Der bewegliche Kontakt muss mit ausreichender Geschwindigkeit auf den festen Kontakt zubewegen, um das Vorauftreten von Bögen zu verhindern. Da der Kontaktabstand reduziert wird, kann der Bogen bereits entstehen, bevor die Kontakte endgültig geschlossen sind.
Während der Schließung der Kontakte wird das Medium zwischen den Kontakten ersetzt. Daher muss während dieser Stromkreisschalter-Operation ausreichend mechanische Energie bereitgestellt werden, um das dielektrische Medium in der Bogenkammer zu komprimieren.
Nach dem Auftreffen auf den festen Kontakt kann der bewegliche Kontakt aufgrund der abstoßenden Kraft zurückfedern, was gar nicht erwünscht ist. Daher muss ausreichend mechanische Energie bereitgestellt werden, um die abstoßende Kraft infolge der Schließoperation bei Fehlern zu überwinden.
Bei der Feder-Feder-Mechanik wird in der Regel die Auslöse- oder Öffnungsfeder während der Schließoperation geladen. Daher muss auch ausreichend mechanische Energie bereitgestellt werden, um die Öffnungsfeder zu laden.
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