CH643971A5

CH643971A5 - Elektrischer vakuumschalter.

Info

Publication number: CH643971A5
Application number: CH1240278A
Authority: CH
Inventors: Bertus Griesen
Original assignee: Hazemeijer Bv
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-12-05
Publication date: 1984-06-29
Also published as: FR2410874B1; USRE32116E; GB2010587B; NO145933C; AU511598B2; NL7713436A; AU4217378A; FR2410874A1; JPS5486782A; BE872501A; GB2010587A; DE2852414C2; IT7869771A0; NO145933B; NO784063L; SE7812519L; US4271340A; NL168361B; DE2852414A1; IT1109689B

Description

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und einen Vakuumschalter anzugeben, bei dem diese unerwünschte Verlustwärme vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Schalter der eingangs genannten Art erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Wenn ein Strom durch die Kontaktstücke fliesst und ein Magnetfeld um die Kontaktstücke herum erzeugt, fliesst ein grosser Teil dieses Magnetfeldes als Magnetfluss durch die Joche. Wegen des Teiles niedriger Permeabilität, der in jedem Magnetkreis vorhanden ist, welcher durch ein Joch um ein Kontaktstück gebildet wird, tritt ein grosser Teil der Flusslinien zu dem auf der entgegengesetzten Seite der Tangentialebene zwischen den Kontaktstücken gelegenen Joch über, wenn der Abstand zwischen diesen genügend klein ist. Zwischen den Kontaktstücken wird daher auf diese Weise ein hauptsächlich axial gerichtetes Magnetfeld erzeugt, das die gleiche Wirkung hat, wie das Magnetfeld, welches bei dem bekannten Schalter durch die Spulen erzeugt wird.

Der erste Teil der Joche ist vorzugsweise U-förmig, so dass sie auf die Leiter- oder Anschlussstäbe des Schalters aufgeschoben werden können. Der Abstand zwischen den Schenkeln solcher Joche ist dann vorteilhafterweise gleich dem Aussendurchmesser der Leiterstäbe.

Der zweite Teil niedriger Permeabilität eines Joches wird durch den Luftspalt zwischen den freien Enden der Schenkel des Joches gebildet. Dieser Teil kann auch vorteilhafterweise mit einem elektrisch gut leitfähigen Material ausgefüllt werden, was die Bogenlöschwirkung weiter verbessert.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Schnittansicht eines Vakuumschalters gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit aufgeschnittenem Gehäuse;

Figur 2 eine Seitenansicht von Kontaktstücken, die mit U-förmigen Jochen versehen sind;

Figur 3 eine Darstellung eines scheibenförmigen Kontaktstückes, gesehen in Richtung der Pfeile III-III in Figur 2;

Figur 4 eine graphische Darstellung der Magnetfeldstärke oder magnetischen Indukton zwischen den scheibenförmigen Kontaktstücken in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Mitten der Kontaktstücke und

Figur 5 eine graphische Darstellung der Strom/Span-nungs-Kennlinie eines Schalters gemäss einer Ausführungsform der Erfindung.

Der in Figur 1 dargestellte Vakuumschalter hat ein evakuiertes Gehäuse aus einem zylindrischen Metallteil 5, dessen beide Enden durch scheibenförmige Isolatoren 6 und 7 geschlossen sind. In dem evakuierten Gehäuse befinden sich zwei scheibenförmige Kontaktstücke 1 und 2, die an Kontaktoder Leiterstäben 3 bzw. 4 angebracht sind. Der Leiterstab 3 ist fest mit dem Isolator 7 verbunden, während der Leiterstab 4 mit dem Kontaktstück 2 mit dem Isolator 6 durch einen flexiblen Balgen 8 verbunden ist, so dass er auf das Kontaktstück 1 zu und von ihm weg beweglich ist. In Figur 1 ist der Schalter in Schliessstellung dargestellt, bei der sich die Kontaktstücke 1 und 2 in einer Tangentialebene 9 berühren.

In einem relativ kleinen Abstand von dieser Tangentialebene 9 sind auf beiden Seiten dieser Tangentialebene U-för-mige Joche 10 und 11 auf den Leiterstäben 3 und 4 angeordnet. Die Joche 10 und 11 bestehen aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Mittelteil der Joche jeweils

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näherungsweise die Form eines breiten Ringes und kann beispielsweise aus Weicheisen bestehen. Die Joche können massiv oder laminiert sein, letzteres wird im Falle von Wechselstrom bevorzugt. Jeder Jochring hat einen Innendurchmesser, der etwas grösser ist als der betreffende Leiterstab 3 bzw. 4. Der Aussendurchmesser der Joche ist bei diesem Ausführungsbeispiel gleich dem Aussendurchmesser der scheibenförmigen Kontaktstücke 1 und 2. Die Joche 10 und 11 haben ferner jeweils einen Luftspalt 12 bzw. 13 zwischen ihren Schenkeln. Der Luftspalt hat zwischen der Aussenseite und der Innenseite eine konstante Breite, die gleich dem Innendurchmesser des Ringes ist. Die Joche sind auf den zugehörigen Kontaktstab aufgeschoben bis sie an diesem anliegen.

Die Joche liegen in im wesentlichen parallelen Ebenen (siehe auch Figur 2) so nahe wie möglich bei der Tangentialebene 9 und sie liegen an den scheibenförmigen Kontaktstük-ken 1 und 2 an. Die Richtung des offenen Endes der Schenkel des ersten Joches ist vorzugsweise der Richtung der Schenkel des zweiten Joches entgegengesetzt. Mit anderen Worten gesagt, soll in Axialrichtung gesehen der massive oder durchgehende Teil des ersten Joches zumindest teilweise die Öffnung zwischen den Enden der Schenkel des zweiten Joches überlappen.

In den Figuren 1 bis 3 sind ferner die magnetischen Flusslinien dargestellt, die auftreten, wenn ein elektrischer Strom durch den Schalter fliesst. Das von dem den Schalter durch-fliessenden Strom erzeugte Magnetfeld wird wegen der hohen magnetischen Permeabilität der Joche 10 und 11 zum Teil in diesen konzentriert. In Kombination mit den Luftspalten 12 und 13 zwischen den offenen Enden der Schenkel bilden die Joche 10 und 11 auf den jeweiligen Seiten der Tangentialebene jeweils einen Magnetkreis, der zum Teil um den Kontaktstab verläuft. Die Luftspalte 12 und 13 haben, zumindest solange die Kontaktstücke einander berühren, eine grössere Weite als der Abstand zwischen den Jochen auf den beiden Seiten der Tangentialebene 9, gerechnet in axialer Richtung. Die magnetischen Flusslinien werden daher eher zu dem Joch auf der anderen Seite der Tangentialebene übergehen als zum gegenüberliegenden Schenkel des eigenen Joches. Diese Verhältnisse sind in Figur 1 deutlich zu sehen. Der Übergang der Flusslinien tritt nicht nur am Ort des Luftspaltes ein, vielmehr wird der überwiegende Teil der Flusslinien wegen des anfänglich kleinen Abstandes zwischen den Jochen deren parallelen Schenkeln verlaufen, die entgegengesetzt gerichtet sind und einander axial gegenüberliegen. Diese Verhältnisse sind insbesondere in Figur 3 dargestellt. Die Punkte und Kreuze bezeichnen Flusslinien, die senkrecht zur Zeichenebene verlaufen. Wie ersichtlich, tritt nur ein kleiner Teil der Flusslinien am Ort der Luftspalte selbst über, der durch die gestrichene Achse angedeutet ist. Die Kreuze rechts in Figur 3 bedeuten Flusslinien, die in die Zeichenebene hineingerichtet sind, während die Punkte auf der linken Seite Flusslinien bedeuten, die aus der Zeichenebene austreten. Die Richtung der Flusslinien ist auch in Figur 2 dargestellt, in der die Kontaktstücke in einer Lage dargestellt sind, in der sie sich bereits um eine gewisse Strecke voneinander getrennt haben.

Figur 4 zeigt graphisch den Verlauf der Dichte des Magnetfeldes, das durch die Joche am Ort der Tangentialebene erzeugt wird, wenn der Strom in Richtungen fliesst, welche in Figur 3 durch Pfeile I, II bzw. III dargestellt sind. In Figur 4 ist längs der Abszisse der Abstand von der Mitte der scheibenförmigen Kontaktstücke in Millimeter und längs der Ordinate die magnetische Induktion in Tesla aufgetragen. Offensichtlich ist die Dichte des Magnetfeldes am höchsten im Bereich entsprechend dem Pfeil I. Dies entspricht den Erwartungen, da der Einfluss der Teile niedriger Permeabilität in diesem Bereich am geringsten ist. Die Messungen wurden mit einem Wechselstrom von 1800 Ampere durchgeführt.

Die römischen Zahlen ohne Akzent bezeichnen Kurven, die mit 3 mm dicken Kontaktstücken gemessen wurden, während die römischen Zahlen mit Akzent Kurven bezeichnen, die mit 1 mm dicken Kontaktstücken gemessen wurden. Die Dicke der scheibenförmigen Kontaktstücke hat also einen erheblichen Einfluss auf die Stärke des entstehenden magnetischen Feldes. Auch der Ort des Maximums hängt von der Dicke der Kontaktstücke ab.

Die Messungen, deren Ergebnisse in Figur 4 dargestellt sind, wurden mit Jochen durchgeführt, deren Aussenseite zylindrisch war. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Joche solcher Formen beschränkt, der Verlauf der Kurven gemäss Figur 4 wird jedoch auch etwas durch die Form der U-förmi-gen Joche beeinflusst.

Aus Figur 4 ist ferner ersichtlich, dass ein schwaches Magnetfeld nur im Bereich des Pfeiles III (Figur 3) auftritt, d.h. in dem Bereich der Tangentialebene zwischen den Kontaktstücken, der parallel zu dem Zwischenraum zwischen den Schenkeln der Joche verläuft. Im Hauptteil der Tangentialebene und dem Zwischenraum zwischen den scheibenförmigen Kontaktstücken treten Flusslinien und damit ein mehr oder weniger starkes magnetisches Feld auf, wenn die Kontaktstücke in bezug aufeinander bewegt werden. Wie bei dem oben erwähnten bekannten Schalter hat dies eine erhebliche Verbesserung des Abschalt- oder Unterbrechungsvermögens des vorliegenden Schalters zur Folge.

Bei der weiteren Trennung der Kontaktstücke 1 und 2 und damit der Joche 10 und 11 voneinander wird die Stärke des axialen Magnetfeldes zwischen den Jochen und dem entsprechend auch zwischen den scheibenförmigen Kontaktstücken infolge des zunehmenden Abstandes kleiner, während gleichzeitig die Stärke des Feldes zwischen den beiden Schenkeln jedes Joches zunimmt. Die scheibenförmigen Kontaktstücke und die Joche können jedoch leicht derart gebaut und angeordnet werden, dass während des wesentlichen Teiles des Trenn- oder Öffnungsvorganges des Schalters ein ausreichend starkes axial gerichtetes Magnetfeld verbleibt. Dies gilt insbesondere für einen Schalter mit den Abmessungen gemäss Figur 2, die massstabsgerecht gezeichnet ist. Die Leiterstäbe 2 und 4 haben einen Durchmesser von 25 mm und die scheibenförmigen Kontaktstücke haben einen Durchmesser von 60 mm sowie eine Dicke von 2 mm. Selbst wenn der Abstand zwischen den Jochen beim Öffnungsvorgang schon 16 mm beträgt, herrscht zwischen den Jochen 10 und 11 immer noch ein axiales Magnetfeld ausreichender Stärke.

Bei Versuchen mit Schaltern gemäss der Erfindung wurde gefunden, dass die Bogenspannung der vorliegenden Schalter beträchtlich verbessert wird.

In dem Diagramm gemäss Figur 5 sind längs der Ordinate die maximale Bogenspannung in Volt und längs der Abszisse der unterbrochene Strom in Kiloampere aufgetragen. Die Kurve A gilt für einen Schalter ohne longitudinales Magnetfeld während die Kurve B für einen erfindungsgemässen Schalter gilt, bei dem ein longitudinale Magnetfeld durch U-förmige Joche erzeugt wird. Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass man mit dem Schalter gemäss der Erfindung noch Ströme von etwa 30 kA unterbrechen kann, während ein Schalter ohne solche Joche Ströme von mehr als 15 kA nicht mehr zuverlässig zu unterbrechen vermag.

Die Luftspalte 12 und 13 können auch mit einem massiven Stück aus einem elektrisch gut leitfähigen unmagnetischen Material, wie Kupfer, ausgefüllt werden. Es lässt sich zeigen, dass in diesem Falle der magnetische Widerstand noch weiter erhöht werden kann. Dies lässt sich durch Wirbelströme erklären, die durch das Magnetfeld in dem Kupferstück erzeugt werden und ihrerseits ein Magnetfeld entstehen lassen, das dem ursprünglichen Feld entgegengesetzt gerichtet ist.

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Dieser Effekt lässt sich auf zweifache Weise ausnutzen, man kann nämlich entweder die Breite des Luftspaltes beibehalten und erhält dann das Ergebnis, dass der Magnetfluss zwischen den Jochen auch bei noch grösseren Abständen noch zwischen den Jochen übergeht und ein axiales Feld erzeugt. Oder man kann den magnetischen Widerstand gleich halten, was bedeutet, dass die Breite des Luftspaltes verringert und der aktive Teil der Joche verbreitert werden kann, so dass die Bereiche, in denen ein schwaches Mgnetfeld herrscht, entsprechend kleiner werden.

In Figur 1 sind Einsätze zum Ausfüllen der Luftspalte 12 und 13 strichpunktiert dargestellt.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel lässt sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Elektrischer Vakuumschalter mit zwei Kontaktstücken, die an Leiterstäben angebracht sind, Kontaktflächen haben und in bezug aufeinander in eine Schliessstellung und eine Trennstellung beweglich sind, und mit einer Anordnung zum 5 Erzeugen eines axialen Magnetfeldes zwischen den Kontaktflächen zumindest während des Auftretens eines Lichtbogens beim Öffnen des Schalters, zum Zwecke, dass das erzeugte Magnetfeld den beim Öffnen des Schalters entstehenden Lichtbogen schneller zum Löschen bringt, dadurch gekenn- i« zeichnet, dass beidseits einer Tangentialebene (9) zwischen den Kontaktstücken (1, 2) in Schliessstellung und in der Nähe dieser Tangentialebene beide Leiterstäbe (3, 4) zum Teil von mindestens einem Joch (10, 11) umgeben sind, das einen ersten Teil (10, 11) aus einem Material hoher magnetischer '5 Permeabilität aufweist, dass jedes Joch einen zweiten Teil niedriger magnetischer Permeabilität (12, 13) aufweist, der auf der entgegengesetzten Seite der Achse der Leiterstäbe angeordnet ist wie der zweite Teil niedriger Permeabilität des anderen Joches, und dass die Anordnung und die Abmessun- 20 gen der Joche so gewählt sind, dass der erste Teil jedes Joches beim Fliessen eines Stromes durch den Schalter magnetisiert wird und die aus dem jeweiligen Joch austretenden Flusslinien an der Tangential- und Trennebene zwischen den Kontaktstücken zum grössten Teil zum ersten Teil des jeweils 25 gegenüberliegenden Joches übergehen.
2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil jedes Joches U-förmig ist und dass der zweite Teil niedriger Permeabilität durch einen Luftspalt zwischen den Schenkeln des ersten Teiles gebildet ist. 20
3. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil jedes Joches U-förmig ist und dass der zweite Teil aus einem elektrisch gut leitenden Material (12, 13) besteht, das zwischen den Schenkeln des ersten Teiles angeordnet ist. 35
4. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Joch die Form eines offenen Ringes mit rechteckigem Querschnitt hat.
5. Vakuumschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Schenkeln beim 40 Luftspalt gleich dem Innendurchmesser des Ringes ist.
6. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil der Joche aus Weicheisen besteht.
7. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 45 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil der Joche laminiert ist.

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Die vorliegende Erfinung betrifft einen elektrischen Vakuumschalter gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Vakuumschalter mit diesen Merkmalen ist aus der NL-OS 76 01 084 bekannt. Das in der Trennstrecke erzeugte 55 axiale Magnetfeld ergibt eine erhebliche Verbesserung des Abschaltvermögens. Bei dem bekannten Schalter besteht die Anordnung zum Erzeugen des axialen Magnetfeldes aus zwei spiralenförmigen Spulen, die den Kontaktstücken in Reihe geschaltet sind. Diese Spulen sind beidseits der Tangential- 60 ebene der Kontaktstücke angeordnet und sie haben einen solchen Windungssinn, dass ein axiales Magnetfeld in dieser tangentialen Ebene in situ erzeugt wird, wenn die Spulen durch einen elektrischen Strom erregt werden. Die Art, in der bei dem bekannten Schalter das axiale Magnetfeld erzeugt m wird, hat den Nachteil, dass die Spulen aufgrund ihres elektrischen Widerstandes beim Fliessen eines elektrischen Stromes durch den Schalter dauernd Wärme erzeugen, durch die der maximal zulässige Dauerstrom durch den Vakuumschalter begrenzt wird.