EP1926112A1 - Electric contact-system for an electric switching device - Google Patents

Abstract

A spring, leaf spring or spring element (13) is provided to exert a contact force so that contact force act between two contact units (10,20) when an electrical contact is made. First contact unit (10) can be disconnected from the second contact unit (20). Bimetallic strips generate a thermal expansion effect such as bimetallic effect, which results in an increase in the contact force acting between the contact units as the temperature rises. An independent claim is included for the electrical switching device configured as circuit breaker.

Description

Translated fromGerman

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Schaltgerätetechnik, insbesondere bezieht Sie sich auf ein elektrisches Kontaktsystem zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes in einem elektrischen Schaltgerät und auf ein elektrisches Schaltgerät gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to the field of switching device technology, in particular relates to an electrical contact system for producing an electrical contact in an electrical switching device and to an electrical switching device according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Schalter mit elektrischen Kontaktsystemen werden allgemein genutzt, um den Energiefluss in einem Energieversorgungsnetz zu unterbrechen und wiederherzustellen. Solche Schalter werden auf allen Spannungsebenen des Energienetzes eingesetzt. Während des Normalbetriebes muss der Widerstand des Schalters möglichst niedrig sein, um entsprechende Leistungsverluste niedrig zu halten. Im Schaltfall muss der Schalter grosse Ströme im Normalbetrieb und sogar noch grössere Ströme im Kurzschlussfall schalten können. Aus dem Stand der Technik sind nun Schalter bekannt, bei denen die Kontakte mit einer dünnen SchichtElectrical switches with electrical contact systems are commonly used to interrupt and restore the flow of energy in a power grid. Such switches are used at all voltage levels of the power grid. During normal operation, the resistance of the switch must be as low as possible in order to keep corresponding power losses low. In the event of a switch, the switch must be able to switch large currents in normal operation and even larger currents in the event of a short circuit. Switches are now known from the prior art, in which the contacts with a thin layer

Silber oberflächenbeschichtet sind und bei denen der Kontakt und der Gegenkontakt des Schalters federnd aufeinander gepresst werden, um eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit im Kontaktbereich zu erreichen. Aus derEuropäischen Patentschrift EP0844631 ist ein schaltbares elektrisches Kontaktsystem für einen Erdungsschalter bekannt, welches einen Kontaktstift und einen tulpenförmigen Gegenkontakt aufweist. Zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes wird der Gegenkontakt mit seinen federnden Kontaktfingern auf den Kontaktstift geschoben, wobei die einzelnen Kontaktfinger federnd auf den Kontaktstift drücken.Silver are surface-coated and in which the contact and the mating contact of the switch are resiliently pressed against each other in order to achieve an increase in the electrical conductivity in the contact area. From the European Patent EP0844631 For example, there is known a switchable electrical contact system for a grounding switch having a contact pin and a tulip-shaped mating contact. To produce an electrical contact of the mating contact is pushed with its resilient contact fingers on the contact pin, wherein the individual contact fingers press resiliently on the contact pin.

Bei diesem und anderen elektrischen Kontaktsystemen ist die elektrische Kontaktierung zwischen Kontakt und Gegenkontakt verbesserungswürdig. Bei beispielsweise verschmutzten oder oxidierten Kontakten ist der Kontaktwiderstand erhöht und damit ist die elektrische Leitfähigkeit nicht optimal, was zu Verschleisserscheinungen und einer unerwünschten Erwärmung an den Kontakten führt. Durch den Betrieb des Schalters weisen die Kontakte auch oft Abrieb im Oberflächenbereich auf, was beispielsweise bei oberflächenbeschichteten Kontakten oder Kontakten welche in einer SF₆ Gasatmosphäre arbeiten, zur Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit beiträgt und damit ebenfalls zu einer unerwünschten Erwärmung im Kontaktbereich führt. Ein verkürzte Lebensdauer und ein hoher Wartungsaufwand des Schaltgerätes sind sie Folge.In this and other electrical contact systems, the electrical contact between contact and mating contact is in need of improvement. For example, in dirty or oxidized contacts, the contact resistance is increased and thus the electrical conductivity is not optimal, resulting in wear and unwanted heating of the contacts. By the operation of the switch, the contacts also often wear in the surface area, which for example in surface-coated contacts or contacts which work in a SF₆ gas atmosphere, contributes to reducing the electrical conductivity and thus also leads to undesirable heating in the contact area. A shortened life and a high maintenance of the switching device are her consequence.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die vorliegende Erfindung versucht zumindest einige der oben genannten Probleme zu mindern. Die Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Kontaktsystem und durch ein elektrisches Schaltgerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.The present invention seeks to alleviate at least some of the above problems. The object is achieved by an electrical contact system and by an electrical switching device having the features of the independent claims.

Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Kontaktsystem eines elektrischen Schaltgerätes vorgeschlagen, das eine erste und eine zweite Kontakteinheit aufweist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Kontakteinheit bei elektrischem Kontakt eine Kontaktkraft wirkt. Weiterhin sind Mittel zur Ausübung der Kontaktkraft vorhanden, d. h. im Falle des elektrischen Kontaktes wird mit den Mitteln eine Kraft von der ersten Kontakteinheit auf die zweite Kontakteinheit oder von der zweiten Kontakteinheit auf die erste Kontakteinheit oder von beiden Kontakteinheiten gegeneinander ausgeübt. Die erste Kontakteinheit ist von der zweiten Kontakteinheit trennbar, indem der Abstand zwischen beiden Kontakteinheiten vergrössert wird. Die Kontakttrennung erfolgt dabei nicht über die Mittel zur Ausübung der Kontaktkraft. Im getrennten Zustand gibt es keinen elektrischen Kontakt zwischen der ersten und der zweiten Kontakteinheit. Das erfindungsgemässe elektrische Kontaktsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ausübung der Kontaktkraft einen thermischen Ausdehnungseffekt aufweisen, welcher eine Erhöhung der Kontaktkraft mit steigender Temperatur der Mittel bewirkt, d.h. bei Wärmezufuhr kommt es zur Wärmedehnung in den Mitteln, welche sich über den Ausdehnungskoeffizienten der Mittel und die Temperaturänderung in den Mitteln beschreiben lässt. Dabei ist es völlig unerheblich, auf welche Art den Mitteln Wärme zugeführt wird. Eine Verbesserung des elektrischen und mechanischen Kontaktes im Kontaktbereich kann bei unterschiedlichsten Bedingungen, bei hoher als auch niedriger Kontaktkraft erzielt werden. Die selbsttätige Kontaktkräfterhöhung mit steigender Temperatur während des Betriebes des Schalters führt vorteilhaft zu einer Erniedrigung des Kontaktwiderstandes und damit zu einer erhöhten Leitfähigkeit im Kontaktbereich. Weiterhin wird beim Einschaltvorgang vorteilhaft der Abrieb im Kontaktbereich der Kontakteinheiten des Schalters durch die geringere Kontaktkraft vermindert, wodurch die Lebensdauer der Kontakteinheiten des Schalters deutlich erhöht wird.According to one aspect of the invention, an electrical contact system of an electrical switching device is proposed, which has a first and a second contact unit, wherein a contact force acts between the first and the second contact unit upon electrical contact. Furthermore, means for exerting the contact force are present, ie, in the case of electrical contact, a force is exerted by the first contact unit on the second contact unit or by the second contact unit on the first contact unit or by both contact units against each other. The first contact unit is separable from the second contact unit by the distance between the two contact units is increased. The contact separation does not take place via the means for exercising the contact force. In the disconnected state, there is no electrical contact between the first and the second contact unit. The inventive electrical contact system is characterized in that the means for exerting the contact force have a thermal expansion effect, which causes an increase in the contact force with increasing temperature of the means, ie when heat is applied to the thermal expansion in the means, which is about the expansion coefficient of the means and describe the temperature change in the media. It is completely irrelevant in what way the means heat is supplied. An improvement of the electrical and mechanical contact in the contact area can be achieved in a wide variety of conditions, with high and low contact force. The automatic increase in contact pressure with increasing temperature during operation of the switch advantageously leads to a reduction of the contact resistance and thus to an increased conductivity in the contact region. Furthermore, during the switch-on process, the abrasion in the contact region of the contact units of the switch is advantageously reduced by the lower contact force, whereby the service life of the contact units of the switch is markedly increased.

Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Schaltgerät, insbesondere ein Leistungsschalter vorgeschlagen. Das elektrische Schaltgerät umfasst ein elektrisches Kontaktsystem und weist die im vorangegangenen Abschnitt bzw. im Anspruch 1 beschriebenen Merkmale auf.According to a further aspect of the invention, an electrical switching device, in particular a circuit breaker is proposed. The electrical switching device comprises an electrical contact system and has the features described in the preceding section or inclaim 1.

Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.Further advantages, features, aspects and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the figures.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1

zwei Ansichten einer erfindungsgemässen Kontakteinheit bei unterschiedlichen Temperaturen; in gestrichelter Darstellung: Kontakteinheit bei erhöhter Temperatur;

Fig. 2a, b

jeweils eine Ansicht einer Kontakteinheit mit Bimetallfeder bei unterschiedlicher Temperatur;

Fig. 3

eine Ansicht einer Kontakteinheit s deren Kontaktfinger ein Bimetallkontaktfinger ist;

Fig. 4

eine Ansicht eines Kontaktsystems mit ringförmig angeordneten erfindungsgemässen Kontaktfingern und einem zylinderförmigen Gegenkontakt;

Fig. 5

Ansicht einer Kontakteinheit mit Bimetallkontaktfeder und Bimetallgegenkontaktfeder;

Fig. 6

Ansicht eines Kontaktsystems, bei dem die ringförmig angeordneten Kontakte von Bimetallfedern gehalten werden;

Fig. 7

Berechnete Kontakttemperatur-Kraft Kurve für zwei Kontaktfinger aus unterschiedlichem Bimetallmaterial.

In the following, the subject invention will be explained in more detail with reference to preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings. They show schematically:

Fig. 1

two views of a contact unit according to the invention at different temperatures; in dashed line: contact unit at elevated temperature;

Fig. 2a, b

in each case a view of a contact unit with bimetallic spring at different temperatures;

Fig. 3

a view of a contact unit s whose contact finger is a Bimetallkontaktfinger;

Fig. 4

a view of a contact system with annularly arranged according to the invention contact fingers and a cylindrical mating contact;

Fig. 5

View of a contact unit with bimetallic contact spring and Bimetallgegenkontaktfeder;

Fig. 6

View of a contact system in which the annularly arranged contacts are held by bimetallic springs;

Fig. 7

Calculated contact temperature-force curve for two contact fingers made of different bimetallic material.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.The reference numerals used in the drawings and their meaning are listed in the list of reference numerals. Basically, the same or equivalent parts are provided with the same or similar reference numerals in the figures. For the understanding of the invention non-essential parts are not shown in part. The described embodiments are exemplary of the subject invention and have no limiting effect.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht einen Kontaktfinger 12, eine Blattfeder 13 und einen Dehnungskörper 15 einer Kontakteinheit 10, 20 welche Teile eines nicht weiter dargestellten elektrischen Kontaktsystems sind. Die Blattfeder 13, die sich im Wesentlichen entlang der Länge des Kontaktfingers 12 erstreckt, ist an einem Ende fest mit einem Ende des Kontaktfingers 12 verbunden. Der Dehnungskörper 1 5 befindet sich zwischen Blattfeder 13 und Kontaktfinger 12. Er kann beispielsweise zwischen Blattfeder 13 und Kontaktfinger 12 eingeklemmt sein. Wird der Kontakteinheit 10, 20 Wärme zugeführt, z.B. verursacht durch elektrischen Stromfluss oder durch das Medium welches die Kontakteinheit umgibt, kommt es in besonderem Masse zu einer volumenmässigen Ausdehnung des Dehnungskörper, welcher beispielsweise aus einer Aluminium-Bronze Legierung besteht und gegenüber dem Material des Kontaktfingers 12 und der Blattfeder 13, beispielsweise einer Stahllegierung, einen vergleichsweise grossen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Die Wärmezufuhr und damit die Temperaturerhöhung des Dehnungskörpers führt somit zu einer Spreizung von Kontaktfinger 12 und Blattfeder 13 (Strich-Punkt Darstellung). Mittels der durch Wärmezufuhr verursachten Aufspreizung wird die Kontaktkraft, die vom Kontaktfinger 12 auf einen nicht weiter dargestellten Gegenkontakt ausgeübt wird, erhöht.Fig. 1 shows a schematic view of acontact finger 12, aleaf spring 13 and anexpansion body 15 of acontact unit 10, 20 which are parts of an electrical contact system not shown. Theleaf spring 13, which extends substantially along the length of thecontact finger 12, is fixedly connected at one end to one end of thecontact finger 12. Theexpansion body 1 5 is located between theleaf spring 13 andcontact fingers 12. It can be clamped, for example betweenleaf spring 13 andcontact fingers 12. If heat is supplied to thecontact unit 10, 20, eg caused by the flow of electrical current or by the medium surrounding the contact unit, the volume of expansion of the expansion body, which consists, for example, of an aluminum-bronze alloy and the material of the contact finger, is particularly high 12 and theleaf spring 13, for example a steel alloy, has a comparatively large expansion coefficient. The heat supply and thus the increase in temperature of the expansion body thus leads to a spread fromcontact finger 12 and leaf spring 13 (dash-dot representation). By means of the spreading caused by heat supply, the contact force, which is exerted by thecontact finger 12 on a mating contact, not shown, increased.

Figuren 2a und 2b zeigen jeweils eine Ansicht einer Kontakteinheit 10, 20 eines nicht dargestellten Kontaktsystems, welches aus einer Bimetallfeder 14 und einem Kontaktfinger 12 besteht. Die Bimetallfeder 14 ist an einem ihrer Enden halbkreisförmig gebogen und drückt an diesem Ende auf den Kontaktfinger 12. Der Kontaktfinger 12 ist beispielsweise aus Metalliamellenstapeln aufgebaut und damit elastisch verformbar. Der Kontaktfinger 12 kann aber genauso gut einstückig geformt sein und eine Elastizität aufweisen. Figur 2b zeigt die Kontakteinheit 10, 20 nachdem ihr Wärme zugeführt wurde. Auf Grund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der zwei Metalle der Bimetallfeder 14, kommt es zur Formänderung in der Feder 14. Der gebogene Bereich der Feder 14 wird aufgeweitet und erhöht damit die Federkraft, mit welcher die Feder 14 den Kontaktfinger 12 drückt auf einen nicht dargestellten Gegenkontakt drückt. Bei Abgabe der aufgenommenen Wärme der Kontakteinheit 10, 20 verringert sich die Federkraft der Bimetallfeder 14 und Kontaktfinger 12 und Feder 14 kehren in ihren Ausgangszustand, wie in Fig.2a dargestellt, zurück.Somit zeichnet sich die in Fig. 2a, 2b dargestellte Kontakteinheit 10 dadurch aus, dass das Mittel 14, welches eine Bimetallfeder ist, einen thermischen Ausdehnungseffekt aufweist, der zu einer Erhöhung der Kontaktkraft führt.Figures 2a and 2b respectively show a view of acontact unit 10, 20 of a contact system, not shown, which consists of abimetallic spring 14 and acontact finger 12. Thebimetal spring 14 is bent semicircularly at one of its ends and presses at this end on thecontact finger 12. Thecontact finger 12 is constructed for example of Metalliamellenstapeln and thus elastically deformable. However, thecontact finger 12 can just as easily be formed in one piece and have an elasticity. FIG. 2b shows thecontact unit 10, 20 after it has been supplied with heat. Due to the different expansion coefficients of the two metals of thebimetallic spring 14, there is a change in shape in thespring 14. The bent portion of thespring 14 is widened and thus increases the spring force with which thespring 14 presses thecontact finger 12 presses on a mating contact, not shown , Upon delivery of the absorbed heat of thecontact unit 10, 20, the spring force of thebimetallic spring 14 andcontact fingers 12 andspring 14 return to their initial state, as shown in Fig.2a, zurück.Somit characterized in Fig. 2a, 2b contact unit 10th in that themeans 14, which is a bimetallic spring, has a thermal expansion effect, which leads to an increase in the contact force.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kontakteinheit 10, 20 bei welcher der selbst federnde Kontaktfinger 18 aus Bimetall ist. Somit sind beide Funktionen, die des elektrischen Kontaktierens und die der Erhöhung der Kontaktkraft durch eine Bimetallfeder in dem einzigen Element, dem Kontaktfinger 18 vereinigt. Der Bimetallkontaktfinger 18 ist somit selbst ein Mittel zur Erhöhung der Kontaktkraft. Wird der selbst federnde Kontaktfinger 18 als einseitig eingespannter Balken angesehen, lassen sich auf einfache Weise die wirkende Kraft F des Fingers sowie seine Auslenkung s aus der Ruhelage für eine gegebene Geometrie berechen. Die Auslenkung s des Fingers aus der Ruhrlage ergibt sich auf Grund unterschiedlicher thermischen Ausdehnung im Bimetall wie folgt:$$L=L_0\left(1+\alpha \cdot \mathrm{\Delta }T\right)=L_0+s,$$

wobei α der Ausdehnungskoeffizient für z.B. Kupfer, Aluminium-Bronze, und Zink ist:$${\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{Cu}}\mathrm{=}\mathrm{16.5}{\mathrm{10}}^{\mathrm{-}\mathrm{6}}\mathrm{1}\mathrm{/}\mathrm{K}$$

$${\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{Al}-\mathrm{Bronze}}\mathrm{=}\mathrm{24.0}{\mathrm{10}}^{\mathrm{-}\mathrm{6}}\mathrm{1}\mathrm{/}\mathrm{K}$$

$${\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{Zn}}\mathrm{=}\mathrm{30.2}{\mathrm{10}}^{\mathrm{-}\mathrm{6}}\mathrm{1}\mathrm{/}\mathrm{K}$$

und L₀ die Länge des Bimetallbalkens sowie ΔT seine Temperaturdifferenz. Mit Werten für ΔT =60 K und L₀ = 72mm ergibt sich für die Längenänderung L bzw. die Auslenkung s des Balkens:$$L_{\mathit{Cu}}=72\mathit{mm}\left(1+16\frac{1}{K}\cdot {10}^{-6}.60K\right)=72\mathrm{mm}+0.07\mathrm{mm}$$

$$L_{\mathit{Al}\mathit{-}\mathit{Bronze}}=72\mathit{mm}\left(1+24\frac{1}{K}\cdot {10}^{-6}.60K\right)=72\mathrm{mm}+0.10\mathrm{mm}$$

$$L_{\mathit{Zn}}=72\mathit{mm}\left(1+30.2\frac{1}{K}\cdot {10}^{-6}.60K\right)=72\mathrm{mm}+0.13\mathrm{mm}$$

Figure 3 shows another embodiment of thecontact unit 10, 20 in which the self-resilient contact fingers 18 is made of bimetal. Thus, both functions, the electrical contacting and the increase of the contact force by a bimetallic spring in the single element, theContact finger 18 united. Thebimetallic contact finger 18 is thus itself a means for increasing the contact force. If the self-resilient contact finger 18 is regarded as a cantilevered beam, the acting force F of the finger as well as its deflection s from the rest position can be easily calculated for a given geometry. The deflection s of the finger from the Ruhr layer is due to different thermal expansion in the bimetal as follows:$$L={\mathrm{<figure-callout\; label="L"\; filenames="imgf0004.png"\; state="\{\{state\}\}">L</figure-callout>}}_0\left(1+\alpha \cdot \mathrm{\Delta }T\right)={\mathrm{<figure-callout\; label="L"\; filenames="imgf0004.png"\; state="\{\{state\}\}">L</figure-callout>}}_0+s.$$

where α is the expansion coefficient for eg copper, aluminum bronze, and zinc:$${\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{Cu}}\mathrm{=}\mathrm{16.5}{\mathrm{10}}^{\mathrm{-}\mathrm{6}}\mathrm{1}\mathrm{/}\mathrm{K}$$

$${\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{al}-\mathrm{bronze}}\mathrm{=}\mathrm{24.0}{\mathrm{10}}^{\mathrm{-}\mathrm{6}}\mathrm{1}\mathrm{/}\mathrm{K}$$

$${\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{Zn}}\mathrm{=}\mathrm{30.2}{\mathrm{10}}^{\mathrm{-}\mathrm{6}}\mathrm{1}\mathrm{/}\mathrm{K}$$

and L₀ the length of the bimetallic bar and ΔT its temperature difference. With values for ΔT = 60 K and L₀ = 72 mm, the length change L or the deflection s of the beam results for the following:$$L_{\mathit{Cu}}=72\mathit{mm}\left(1+16\frac{1}{K}\cdot {10}^{-6}.60K\right)=72\mathrm{mm}+\mathrm{12:07}\mathrm{mm}$$

$$L_{\mathit{al}\mathit{-}\mathit{bronze}}=72\mathit{mm}\left(1+24\frac{1}{K}\cdot {10}^{-6}.60K\right)=72\mathrm{mm}+\mathrm{12:10}\mathrm{mm}$$

$$L_{\mathit{Zn}}=72\mathit{mm}\left(1+30.2\frac{1}{K}\cdot {10}^{-6}.60K\right)=72\mathrm{mm}+\mathrm{12:13}\mathrm{mm}$$

Die wirkende Kraft F auf den einseitig gespannten Bimetallbalken wie in Figur 3 dargestellt, ergibt sich aus dem Produkt seines Elastizitätsmoduls E mit dem axialen Flächenträgheitsmoment J_a und seiner Auslenkung s, sowie dem Quotienten aus seiner Länge L₀:$$F=\frac{8{\mathit{EJ}}_a}{{L_0}^3}\cdot s$$

The acting force F on the cantilevered bimetal beam as shown in FIG. 3 results from the product of its modulus of elasticity E with the axial area moment of inertia J_a and its deflection s and the quotient of its length L₀ :$$F=\frac{\mathrm{8th}{\mathit{EJ}}_a}{{{\mathrm{<figure-callout\; label="L"\; filenames="imgf0004.png"\; state="\{\{state\}\}">L</figure-callout>}}_0}^3}\cdot s$$

Als Flächenträgheitsmoment Ja für eine rechteckige Geometrie des Fingers ergibt sich:$$J_a=\frac{{\mathit{bh}}^3}{12}{J}_a=\frac{2.5\mathit{mm}\cdot {\left(10\mathit{mm}\right)}^3}{12}=208{\mathrm{mm}}^4$$

As area moment of inertia Ja for a rectangular geometry of the finger results:$$J_a=\frac{{\mathit{bra}}^3}{12}{J}_a=\frac{2.5\mathit{mm}\cdot {\left(10\mathit{mm}\right)}^3}{12}=208{\mathrm{mm}}^4$$

Für die Elastitizitätsmodule wurden die folgenden Werte angenommen:$${\mathrm{E}}_{\mathrm{Cu}}\mathrm{=}\mathrm{11.2}\mathrm{*}{\mathrm{10}}^{\mathrm{10}}\mathrm{Pa}$$

$${\mathrm{E}}_{\mathrm{Zn}}\mathrm{=}\mathrm{5}\mathrm{*}{\mathrm{10}}^{\mathrm{10}}\mathrm{Pa}$$

For the elasticity modules the following values were assumed:$${\mathrm{e}}_{\mathrm{Cu}}\mathrm{=}\mathrm{11.2}\mathrm{*}{\mathrm{10}}^{\mathrm{10}}\mathrm{Pa}$$

$${\mathrm{e}}_{\mathrm{Zn}}\mathrm{=}\mathrm{5}\mathrm{*}{\mathrm{10}}^{\mathrm{10}}\mathrm{Pa}$$

Mit einem daraus folgenden Mittelwert von Pa = 8*10⁴ N/mm² ergibt sich für ein Cu-Zn Bimetall bei einem Temperaturunterschied von 60 K eine Kraft von:$$F=\frac{8\cdot 8\cdot {10}^{4}N\cdot 208{\mathit{mm}}^4}{{\left(72\mathit{mm}\right)}^3{\mathit{mm}}^2}\cdot 0.06\mathit{mm}=21.4N$$

With a resulting mean value of Pa = 8 * 10⁴ N / mm² , a Cu-Zn bimetal with a temperature difference of 60 K results in a force of:$$F=\frac{\mathrm{8th}\cdot \mathrm{8th}\cdot {10}^{4}N\cdot 208{\mathit{mm}}^4}{{\left(72\mathit{mm}\right)}^3{\mathit{mm}}^2}\cdot \mathrm{12:06}\mathit{mm}=21.4N$$

Im Vergleich dazu beträgt die reine Federkraft ohne Berücksichtigung eines Bimetalleffektes für einen einseitig eingespannten Kontaktfinger und unter Berücksichtigung der vorgenannten Parameter 34 N.
Somit lässt sich mit einem einseitig eingespannten Kontaktfinger 12, 18, welcher aus Bimetall ist und die oben genannten Parameter hat, im Vergleich zu einem Kontaktfinger ohne Bimetalleffekt die Anpresskraft des Fingers um über 50% erhöhen bzw erniedrigen, wenn der Finger einen Temperaturunterschied von 60 K erfährt.In comparison, the pure spring force without consideration of a bimetallic effect for a cantilevered contact finger and taking into account the aforementioned parameters 34 N.
Thus, with acontact finger 12, 18 which is clamped on one side and which is made of bimetal and has the above-mentioned parameters, the contact pressure of the finger can be increased or decreased by more than 50% compared with a contact finger without bimetallic effect, if the finger has a temperature difference of 60 K. experiences.

Für einen Kontaktfinger 12, der mittels einer beidseitig aufliegenden Bimetallfeder 14, wie in Figur 6 dargestellt, unterstützt wird, berechnet sich die in der Mitte des Fingers wirkende Kraft wie folgt:$$F=0.5\cdot \frac{77{\mathit{EJ}}_a}{l^3}\cdot s$$

For acontact finger 12, which is supported by means of abimetallic spring 14 resting on both sides, as shown in FIG. 6, the force acting in the middle of the finger is calculated as follows:$$F=0.5\cdot \frac{77{\mathit{EJ}}_a}{l^3}\cdot s$$

Unter Berücksichtung der vorhergehend angenommenen Parameter ergibt sich somit für die auf den Gegenkontakt, wirkende Kraft:$$F=0.5\cdot \frac{77\cdot 8\cdot {10}^{4}N\cdot 208{\mathit{mm}}^4}{{\left(72\mathit{mm}\right)}^3{\mathit{mm}}^2}\cdot 0.06\mathit{mm}=103N\mathrm{.}$$

Taking into account the previously assumed parameters, the force acting on the mating contact thus results:$$F=0.5\cdot \frac{77\cdot \mathrm{8th}\cdot {10}^{4}N\cdot 208{\mathit{mm}}^4}{{\left(72\mathit{mm}\right)}^3{\mathit{mm}}^2}\cdot \mathrm{12:06}\mathit{mm}=103N\mathrm{,}$$

Somit ist die durch den Kontaktfinger 12 und die Bimetallfeder 14 hervorgerufene Anpresskraft F im Vergleich zu einem Kontaktfinger mit Federwirkung aber ohne zusätzliche Kraft verursacht durch das Bimetall, um mehr als 300% erhöht.Thus, the contact force F caused by thecontact finger 12 and thebimetallic spring 14 is increased by more than 300% in comparison with a spring-action contact finger but without additional force caused by the bimetal.

Figur 7 zeigt ein Kraft -Temperatur Diagramm mit den berechneten Kraft - Kontakttemperatur Kurven für einen einseitig eingespannten Kupfer-Bronze Bimetallkontaktfinger und einen Kupfer-Zink Bimetallkontaktfinger.Figure 7 shows a force-temperature diagram with the calculated force-contact temperature curves for a cantilevered copper-bronze bimetallic contact finger and a copper-zinc bimetallic contact finger.

In einer weiteren Ausführungsform nicht dargestellt, sind die Mittel zur Erhöhung der Kontaktkraft das Federelement 14 und das selbst federnde Kontaktelement 18, diejenigen Mittel, welche zum Anpressen des ersten Kontakteinheit 10 an die zweite Kontakteinheit 20 dienen. Sowohl das Federelement 14 als auch das Kontaktelement 18 weisen dabei einen Bimetalleffekt auf. In anderen Ausführungsformen wird zur Erhöhung der Kontaktkraft das Federelement 14 und das selbst federnde Kontaktelement 18 nicht vollständig sondern nur teilweise aus Bimetall gefertigt, d.h. nur ein Abschnitt des Federelementes und/ oder des Kontaktelementes sind aus Bimetall.
Eine Erhöhung der Kontaktkraft mit steigender Temperatur kann aber auch dadurch erreicht werden, dass auf das federnde Kontaktelement 17 und/oder auf das Federelement 12 Material mit geeignetem Ausdehnungskoeffizienten aufgebracht wird, so das mittels dem Aufbringen ein Bimetalleffekt erzielt wird.In a further embodiment, not shown, the means for increasing the contact force, thespring element 14 and the self-resilient contact element 18, those means which serve for pressing thefirst contact unit 10 to thesecond contact unit 20. Both thespring element 14 and thecontact element 18 in this case have a bimetallic effect. In other embodiments, thespring element 14 and the self-resilient contact element 18 is not completely but only partially made of bimetal to increase the contact force, ie only a portion of the spring element and / or the contact element are made of bimetal.
However, an increase in the contact force with increasing temperature can also be achieved by applying material with a suitable coefficient of expansion to the resilient contact element 17 and / or thespring element 12, so that a bimetallic effect is achieved by means of the application.

Das in Figur Fig. 4 dargestellte erfindungsgemässe Kontaktsystem 1 eines elektrischen Schaltgerätes ist das Kontaktsystem 1 für jeweils einen Schalterpol eines Generatorschalters. Das Trenner-Kontaktsystem 1 weist eine zylinderförmige Kontakteinheit 10 und eine als zylinderförmigen Gegenkontakt ausgebildete Kontakteinheit 20 auf, welche axial auf der Längsachse A angeordnet sind. Der elektrische Kontakt zur Gegenkontakteinheit 20 wird über die Kontaktfinger 12 der Kontakteinheit 10 hergestellt, welche ringförmig auf der Mantelfläche der Kontakteinheit 10 angeordnet und durch Schraubverbindungen 19 befestigt sind. Zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit ist die Kontaktfläche 23 der Gegenkontakteinheit 20 mit Silber beschichtet. Im Betrieb des Generatorschalters ist das Kontaktsystem 1 geschlossen und die Kontaktfinger 12 befinden sich in elektrischem Kontakt mit der Kontakteinheit 20, wofür die Kontaktfinger 12 auf die Kontaktfläche 23 der Kontakteinheit 20 geschoben werden. Die Bimetallfedern 14 der Kontaktfinger 12 üben dabei eine Anpresskraft auf, mit der die Kontaktfinger 12 auf die Kontaktfläche 23 der Gegenkontakteinheit 20 drücken. Im Betrieb des Generatorschalters wird die Kontaktkraft der Bimetallfeder 14 dadurch erhöht, dass sich das Kontaktsystem 1 durch den Stromfluss in den Kontakteinheiten 10, 20 und auf Grund des Kontaktwiderstandes zwischen den Kontakteinheiten 10, 20 erwärmt. Die erhöhte Anpresskraft führt wiederum zu einer besseren elektrischen Leitfähigkeit, also einer Verringerung des Kontaktwiderstandes zwischen beiden Kontakteinheiten 10, 20 und damit zu einem Absinken der Temperatur im Kontaktsystem 1. Das Kontaktsystem 1 nimmt dadurch einen stabileren Betriebszustand ein, es stabilisiert sich selbsttätig.
Weiterhin tritt an den Kontaktflächen 16, 23 ein Selbstheilungsprozess auf. Dieser Selbstheilungsprozess besteht darin, dass die durch Oxidation oder durch Alterungseffekte hervorgerufene Vergrösserung des Kontaktwiderstandes selbsttätig erniedrigt wird. Auf Grund des erhöhten Kontaktwiderstandes an den Kontaktflächen 16, 23 kommt es zu einem Temperaturanstieg in den Kontakteinheiten 10, 20 und damit zu einer erhöhten Anpresskraft der Kontaktfinger 1 2 auf die Kontakteinheit 20. Die erhöhte Anpresskraft wiederum verbessert den elektrischen Kontakt zwischen den Kontaktflächen 16, 23 und verringert somit den Kontaktwiderstand. Diese als Selbstheilungseffekt zu verstehende Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit an den Kontaktflächen 16, 23 führt somit ebenfalls zu stabileren Betriebsbedingungen des Kontaktsystems 1.Theinventive contact system 1 of an electrical switching device shown in Figure 4 is thecontact system 1 for each one Schalterpol a generator switch. Theisolator contact system 1 has acylindrical contact unit 10 and a cylindrical counter contact formed as acontact unit 20, which axially on the Longitudinal axis A are arranged. The electrical contact to themating contact unit 20 is made via thecontact fingers 12 of thecontact unit 10, which are arranged annularly on the lateral surface of thecontact unit 10 and secured byscrew 19. To improve the electrical conductivity, thecontact surface 23 of themating contact unit 20 is coated with silver. During operation of the generator switch, thecontact system 1 is closed and thecontact fingers 12 are in electrical contact with thecontact unit 20, for which purpose thecontact fingers 12 are pushed onto thecontact surface 23 of thecontact unit 20. The bimetallic springs 14 of thecontact fingers 12 in this case exert a contact pressure with which thecontact fingers 12 press against thecontact surface 23 of themating contact unit 20. During operation of the generator switch, the contact force of thebimetallic spring 14 is increased by the fact that thecontact system 1 is heated by the current flow in thecontact units 10, 20 and due to the contact resistance between thecontact units 10, 20. The increased contact pressure in turn leads to a better electrical conductivity, ie a reduction of the contact resistance between the twocontact units 10, 20 and thus to a decrease in the temperature in thecontact system 1. Thecontact system 1 assumes a more stable operating condition, it stabilizes automatically.
Furthermore, a self-healing process occurs at the contact surfaces 16, 23. This self-healing process consists in automatically reducing the increase in contact resistance caused by oxidation or aging effects. Due to the increased contact resistance at the contact surfaces 16, 23 there is an increase in temperature in thecontact units 10, 20 and thus an increased contact pressure of thecontact fingers 1 2 on thecontact unit 20. The increased contact force in turn improves the electrical contact between the contact surfaces 16, 23 and thus reduces the contact resistance. This improvement of the electrical conductivity at the contact surfaces 16, 23 to be understood as a self-healing effect thus likewise leads to more stable operating conditions of thecontact system 1.

Bei der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform wird sowohl für die Kontakteinheit 10 als auch für die Gegenkontakteinheit 20 ein mit einer Bimetallfeder 14, 22 versehener Fingerkontakt 12, 21 zur elektrischen Kontaktierung verwendet. Im Unterschied zu der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform rührt ein durch die Bimetallfeder hervorgerufene Erhöhung der Anpresskraft also von beiden Bimetallfedern 14 und 22 her, so dass sich die Federkräfte beider Federn 14, 22 addieren.
Figur 6 zeigt das Nennstromkontaktsystem 1 eines Generatorschalters mit einer zylinderförmigen Kontakteinheit 10, einer zylinderförmigen Gegenkontakteinheit 20 sowie einer Mehrzahl Kontaktfinger 12 welche ringförmig um die Kontakteinheit 20 angeordnet sind und durch Bimetallfedern 14 in der umlaufenden Ausnehmung 25 gehalten werden. Jeder Kontaktfinger 12 weist eine Bimetallfeder 14 auf. Die Bimetallfedern 14 liegen beidseitig in der Ausnehmung 25 auf und sind derart geformt, dass ein Vorsprung in der Mitte der Federn 14 in eine Aussparung 26 der Kontaktfinger 12 eingreift. Das punktuelle Ineinandergreifen von Feder 14 und Kontaktfinger 12 gestattet eine Kippenbewegung des Kontaktfingers 12 um seine Befestigungsstelle. Im geschlossenen Zustand des Schalters liegt je ein Ende des Kontaktfingers 12 auf der Kontakteinheit 10 bzw. auf der Gegenköntakteinheit 20 auf. Bei Erwärmung des Kontaktsystems 1 und damit der Erwärmung der Bimetallfedern 14 bewirkt der Bimetalleffekt in den Federn 14 eine Erhöhung der Kontaktkraft zwischen Kontaktfingern 12 und Kontakteinheiten 10, 20.
Die gezeigten Ausführungsformen können weiter variiert werden, ohne dass der in den Ansprüchen definierte Schutzumfang verlassen wird.
Beispielweise können der Kontaktfinger 12 und die Bimetallfeder 14 in Figur 6 auch aus einem Stück bestehen und weisen die Eigenschaften einer Bimetallfeder auf. Weiterhin ist es nicht notwendig, dass die Federelemente 14 oder der Kontaktfinger 12, 18 aus Bimetall bestehen. Sowohl Kontaktfinger 12, 18 als auch Federelemente 14 können aus einem Nichtmetall oder sonstigen Verbundwerkstoff bestehen, welches einen Bimetalleffekt aufweist.In the embodiment shown in FIG. 5, afinger contact 12, 21 provided with abimetallic spring 14, 22 for making electrical contact is used both for thecontact unit 10 and for themating contact unit 20. In contrast to the embodiment illustrated in FIG. 4, an increase in the contact force caused by the bimetallic spring therefore comes from bothbimetallic springs 14 and 22, so that the spring forces of bothsprings 14, 22 add up.
Figure 6 shows the ratedcurrent contact system 1 of a generator switch with acylindrical contact unit 10, a cylindricalmating contact unit 20 and a plurality ofcontact fingers 12 which are arranged annularly around thecontact unit 20 and held bybimetallic springs 14 in thecircumferential recess 25. Eachcontact finger 12 has abimetallic spring 14. The bimetallic springs 14 rest on both sides in therecess 25 and are shaped such that a projection in the center of thesprings 14 engages in arecess 26 of thecontact fingers 12. The selective intermeshing ofspring 14 andcontact fingers 12 allows a tilting movement of thecontact finger 12 about its attachment point. In the closed state of the switch is ever one end of thecontact finger 12 on thecontact unit 10 and on theGegenköntakteinheit 20 on. When heating thecontact system 1 and thus the heating of thebimetallic springs 14 causes the bimetallic effect in thesprings 14, an increase in the contact force between thecontact fingers 12 andcontact units 10, 20th
The illustrated embodiments may be further varied without departing from the scope of the claims as defined in the claims.
For example, thecontact finger 12 and thebimetallic spring 14 in FIG 6 also consist of one piece and have the properties of a bimetallic spring. Furthermore, it is not necessary that thespring elements 14 or thecontact fingers 12, 18 are made of bimetal. Bothcontact fingers 12, 18 andspring elements 14 may consist of a non-metal or other composite material, which has a bimetal effect.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

KontaktsystemContact system

1010

KontakteinheitContact unit

12, 2112, 21

Kontaktfinger, KontaktelementContact finger, contact element

13, 2213, 22

Feder, Blattfeder, FederelementSpring, leaf spring, spring element

1414

Bimetallfederbimetallic

1515

Dehnungskörperexpansion body

16, 23, 2716, 23, 27

Kontaktflächecontact area

1818

BimetallkontaktfingerBimetallkontaktfinger

1919

Schraubverbindungscrew

2020

Kontakteinheit, GegenkontakteinheitContact unit, mating contact unit

2525

Ausnehmungrecess

2626

Aussparungrecess

AA

Achseaxis

Claims (12)

Translated fromGerman

Elektrisches Kontaktsystem (1) eines elektrisches Schaltgerätes mit einer ersten Kontakteinheit (10) und einer zweiten Kontakteinheit (20), wobei zwischen der ersten (10) und der zweiten (20) Kontakteinheit bei elektrischem Kontakt eine Kontaktkraft wirkt, wobei Mittel (13,14,15,18) zur Ausübung der Kontaktkraft vorhanden sind, und wobei die erste Kontakteinheit (10) von der zweiten Kontakteinheit (20) trennbar ist,dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (14,15,18) einen thermischen Ausdehnungseffekt aufweisen, welcher eine Erhöhung der Kontaktkraft mit steigender Temperatur der Mittel (14,15,18) bewirkt.An electrical contact system (1) of an electrical switching device having a first contact unit (10) and a second contact unit (20), wherein between the first (10) and the second (20) contact unit with electrical contact, a contact force acts, said means (13,14 , 15, 18) for exerting the contact force, and wherein the first contact unit (10) is separable from the second contact unit (20),characterized in that the means (14, 15, 18) have a thermal expansion effect, which is a Increasing the contact force with increasing temperature of the means (14,15,18) causes.Elektrisches Kontaktsystem (1) nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungseffekt ein Bimetalleffekt ist.Electrical contact system (1) according to claim 1,characterized in that the thermal expansion effect is a bimetallic effect.Elektrisches Kontaktsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, dass die bimetalleffektaufweisenden Mittel (13,14;1 5,18) Bimetalle sind.An electrical contact system (1) according to claim 1 or 2,characterized in that the bimetallic effect means (13, 14; 1, 5, 18) are bimetals.Elektrisches Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 2-3,dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13,15;14,18) zur Erhöhung der Kontaktkraft ein den thermischen Ausdehnungseffekt aufweisendes Bimetallfederelement (14) zum Anpressen eines ersten Kontaktelementes (12) der ersten Kontakteinheit (10) an eine zweite Kontakteinheit (20) umfassen.Electrical contact system (1) according to one of claims 2-3,characterized in that the means (13, 15; 14, 18) for increasing the contact force have a bimetal spring element (14) exhibiting the thermal expansion effect for pressing a first contact element (12) first contact unit (10) to a second contact unit (20).Elektrisches Kontaktsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13,14;15,18) zur Erhöhung der Kontaktkraft ein selbst federndes, den thermischen Ausdehnungseffekt aufweisendes Kontaktelement (18), insbesondere ein Bimetallkontaktelement (18), der Kontakteinheit (10, 20) umfassen.Electrical contact system (1) according to one of the preceding claims,characterized in that the means (13, 14; 15, 18) for Increasing the contact force a self-resilient, the thermal expansion effect exhibiting contact element (18), in particular a bimetal contact element (18), the contact unit (10, 20).Elektrisches Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 4 und 5,dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13,14;15,18) zur Erhöhung der Kontaktkraft sowohl das Federelement (14) gemäss Anspruch 4 als auch das selbst federnde Kontaktelement (18) gemäss Anspruch 5 umfassen.Electrical contact system (1) according to one of Claims 4 and 5,characterized in that the means (13, 14; 15, 18) for increasing the contact force both the spring element (14) according to claim 4 and the self-resilient contact element (18). according to claim 5.Elektrisches Kontaktsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13,14;15,18) zur Erhöhung der Kontaktkraft an der ersten Kontakteinheit (10) und an der zweiten Kontakteinheit (20) vorgesehen sind.Electrical contact system (1) according to one of the preceding claims,characterized in that the means (13, 14; 15, 18) for increasing the contact force are provided on the first contact unit (10) and on the second contact unit (20).Elektrisches Kontaktsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13,14;1 5,18) zur Erhöhung der Kontaktkraft an jedem Kontaktelement (12) der ersten Kontakteinheit (10) und /oder der zweiten Kontakteinheit (20) vorgesehen sind.Electrical contact system (1) according to one of the preceding claims,characterized in that the means (13, 14; 1, 5, 18) for increasing the contact force on each contact element (12) of the first contact unit (10) and / or the second contact unit ( 20) are provided.Elektrisches Kontaktsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheiten (10,20) Nennstromkontakteinheiten und/oder Abbrandkontakteinheiten sind.Electrical contact system (1) according to one of the preceding claims,characterized in that the contact units (10, 20) are rated current contact units and / or consumable contact units.Elektrisches Kontaktsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass auf ein selbstfederndes Kontaktelement (18) und/ oder auf ein Federlement (13) der Kontakteinheit (10,20) Bimetall aufgebracht ist.Electrical contact system (1) according to one of the preceding claims,characterized in that on a self-springing contact element (18) and / or on a Federlement (13) of the contact unit (10,20) bimetal is applied.Elektrisches Kontaktsystem (1) nach einem der Ansprüche 4-6,dadurch gekennzeichnet, dass ein selbstfederndes Bimetallkontaktelement (18) oder ein Bimetallfederelement (14;13,15) der Kontakteinheit (10,20) teilweise oder ganz aus Bimetall besteht.Electrical contact system (1) according to any one of claims 4-6,characterized in that a self-springing bimetallic contact element (18) or a bimetal spring element (14; 13,15) of the contact unit (10,20) consists partially or entirely of bimetal.Elektrisches Schaltgerät, insbesondere Leistungsschalter, umfassend ein elektrisches Kontaktsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Electrical switching device, in particular circuit breaker, comprising an electrical contact system (1) according to one of the preceding claims.

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