CH667940A5

CH667940A5 - ELECTRIC SWITCH.

Info

Publication number: CH667940A5
Application number: CH365085A
Authority: CH
Inventors: Gernot Gessinger; Wolfgang Widl
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1985-08-23
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1988-11-15
Also published as: DE3532963A1

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Schalter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. The invention is based on an electrical switch according to the preamble of claim 1.

Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von elektrischen Schaltern Bezug, wie er etwa in der DE-A-2 527 326 beschrieben ist. Ein nach dem Stand der Technik ausgeführter, elektrischer Schalter weist zwei längs einer Achse miteinander in oder ausser Eingriff bringbare Ab-brandkontaktstücke auf, von denen zumindests eines in koaxialer Anordnung einen längs der Achse erstreckten Kontaktträger mit einer auf dem Kontaktträger befestigten, kohlenstoffhaltigen Lichtbogenelektrode enthält. Durch eine solche kohlenstoffhaltige Lichtbogenelektrode wird der Kontaktabbrand des betreffenden Abbrandkontaktstückes gegenüber einem metallischen Abbrandkontaktstück verringert. Die beim Ein- und Ausschalten eines elektrischen Schalters auftretenden mechanischen Kräfte vermag ein Abbrandkontaktstück mit einer kohlenstoffhaltigen Lichtbogenelektrode jedoch nur sehr bedingt aufzunehmen. With this preamble, the invention relates to a prior art of electrical switches, such as is described in DE-A-2 527 326. An electrical switch designed according to the prior art has two fire contact pieces which can be brought into or out of engagement with one another along an axis, at least one of which contains, in a coaxial arrangement, a contact carrier extending along the axis with a carbon-containing arc electrode attached to the contact carrier. By means of such a carbon-containing arc electrode, the contact erosion of the relevant erosion contact piece is reduced compared to a metallic erosion contact piece. However, the erosion contact piece with a carbon-containing arc electrode can absorb the mechanical forces which occur when an electrical switch is switched on and off to a very limited extent.

Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen elektrischen Schalter der gattungsge-mässen Art anzugeben, dessen Abbrandkontaktstücke unter Beibehaltung eines geringen Kontaktabbrandes eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen. The invention, as characterized in the claims, achieves the object of specifying an electrical switch of the generic type, the erosion contact pieces of which have a high mechanical strength while maintaining low contact erosion.

Der erfindungsgemässe elektrische Schalter zeichnet sich bei einem geringen Kontaktabbrand durch eine hohe Schlagfestigkeit und ein pseudoplastisches Bruchverhalten seiner Abbrandkontaktstücke aus. Hierdurch ist es möglich, die Abbrandkontaktstücke mit hoher Geschwindigkeit miteinander in oder ausser Eingriff zu bringen, ohne dass Beschädigungen der miteinander kontaktierten oder voneinander getrennten, lichtbogentragenden Teile der Abbrandkontaktstücke zu befürchten sind. The electrical switch according to the invention is notable for low contact erosion due to its high impact strength and pseudoplastic fracture behavior of its erosion contact pieces. This makes it possible to bring the erosion contact pieces into or out of engagement with one another at high speed, without fear of damage to the parts of the erosion contact pieces that are contacted or separated from one another and carry the arcing contact pieces.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten und die Erfindung nicht beschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Further properties and advantages of the invention are explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing and not restricting the invention.

Hierbei zeigt die einzige Figur eine Aufsicht auf eine axial geschnittene Ausführungsform eines als Druckgasschalter ausgeführten und in Hochspannungsschaltanlagen verwendeten, er-findungsgemässen elektrischen Schalters, wobei in der linken Hälfte der Zustand in der Einschaltposition und in der rechten Hälfte der Zustand während des Ausschaltens dargestellt sind. Here, the single figure shows a top view of an axially sectioned embodiment of an electrical switch according to the invention, designed as a pressure gas switch and used in high-voltage switchgear, the state in the switched-on position being shown in the left half and the state during the switch-off in the right half.

In Fig. 1 bezeichnet 1 ein im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildetes und etwa aus Isolierstoff bestehendes Gehäuse. Dieses Gehäuse 1 ist mit einem Isoliergas, wie etwa Schwefelhe-xafluorid von einigen bar Druck gefüllt. Es enthält zwei längs einer Achse 2 miteinander in oder ausser Eingriff bringbare Schaltstücke 3 und 4. Das Schaltstück 3 ist in elektrisch leitender Weise mit einem nicht dargestellten Stromanschluss verbunden und enthält einen feststehenden Nennstromkontakt 5 sowie ein feststehendes, beispielsweise vollzylindrisch ausgebildetes, Abbrandkontaktstück 6. Das Schaltstück 4 ist ebenfalls in elektrisch leitender Weise mit einem ebenfalls nicht dargestellten weiteren Stromanschluss verbunden und enthält einen beweglichen Nennstromkontakt 7 sowie ein bewegliches, beispielsweise hohlzylindrisch ausgebildetes, Abbrandkontaktstück 8. Der bewegliche Nennstromkontakt 7 trägt auf einem Teil seiner Innenfläche eine Isolierdüse 9, welche die Abbrandkontaktstücke 6 und 8 koaxial umgibt und welche zusammen mit dem beweglichen Abbrandkontaktstück 8 einen Ringkanal 10 begrenzt, durch den beim Ausschalten in einem Druckgasspeicher 11 befindliches und beispielsweise durch Lichtbogenaufheizung oder mechanische Arbeit komprimiertes Isoliergas in die beim Ausschalten zwischen den beiden Abbrandkontaktstücken 6, 8 gebildete Lichtbogenzone 12 (Strömungspfeile in der rechten Hälfte der Figur) gelangt. In Fig. 1, 1 denotes an essentially hollow-cylindrical housing and approximately made of insulating material. This housing 1 is filled with an insulating gas, such as sulfur hexafluoride, of a few bar pressure. It contains two switching elements 3 and 4 which can be brought into or out of engagement with one another along an axis 2. The switching element 3 is connected in an electrically conductive manner to a power connection (not shown) and contains a fixed nominal current contact 5 and a fixed, for example fully cylindrical, erosion contact piece 6 Switch piece 4 is also connected in an electrically conductive manner to a further power connection, also not shown, and contains a movable nominal current contact 7 and a movable, for example hollow-cylindrical, erosion contact piece 8. The movable nominal current contact 7 carries on one part of its inner surface an insulating nozzle 9 which carries the erosion contact pieces 6 and 8 coaxially surrounds and which, together with the movable erosion contact piece 8, delimits an annular channel 10 through which, when switched off, is located in a compressed gas store 11 and, for example, by arc heating or mechani cal work compressed insulating gas into the arcing zone 12 formed between the two erosion contact pieces 6, 8 (flow arrows in the right half of the figure).

An den einander zugewandten und in der Einschaltposition (linke Hälfte der Figur) miteinander in Eingriff befindlichen freien Enden der Abbrandkontakte 6 bzw. 8 sind auf Kontaktträgern 13 bzw. 14 Lichtbogenelektroden 15 bzw. 16 angebracht. Arc electrodes 15 and 16 are attached to contact carriers 13 and 14 at the free ends of the erosion contacts 6 and 8 which face each other and which are in engagement in the switch-on position (left half of the figure).

Die Lichtbogenelektrode 15 ist als massives zylindrisches Teil ausgebildet und enthält zumindest teilweise Kohlenstofffasern und eine Kohlenstoffmatrix, in welche die Kohlenstofffasern eingebettet sind. Die Lichtbogenelektrode 15 weist eine hohe mechanische Festigkeit auf, wenn die Kohlenstoffasern in alle Raumrichtungen orientiert sind oder wenn eine Schicht 17 von Kohlenstoffasern vorwiegend in Umfangsrichtung um die Achse 2 auf einen Graphitkern 18 gewickelt ist. Die Lichtbogenelektrode 15 kann beispielsweise mittels eines Kupfer- und/ oder Silber-Hochtemperaturlotes mit einem zwischen 1 bis 10 Gewichtsprozent betragenden Gehalt mindestens eines der karbidbildenden Elemente Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Vanadiumm (V), Niob (Nb), Tantal (Ta), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf) auf dem Kontaktträger 13 befestigt werden. Die Lichtbogenelektrode 15 und der Kontaktträger 13 können auch hohlzylindrisch ausgebildet sein. In diesem Fall enthält die Lichtbogenelektrode 15 vorzugsweise lediglich die Schicht 17 aus gewickelten und in eine Kohlenstoffmatrix eingebetteten Kohlenstoffasern. Solche Schichten 17 lassen sich beispielsweise durch Wickeln nach dem filament winding-Verfah-ren oder durch Aufwicklen eines Kohlenstoffaser-Gewebes herstellen. The arc electrode 15 is designed as a solid cylindrical part and at least partially contains carbon fibers and a carbon matrix in which the carbon fibers are embedded. The arc electrode 15 has a high mechanical strength if the carbon fibers are oriented in all spatial directions or if a layer 17 of carbon fibers is wound onto a graphite core 18 predominantly in the circumferential direction about the axis 2. The arc electrode 15 can, for example, by means of a copper and / or silver high-temperature solder with a content of between 1 and 10 percent by weight of at least one of the carbide-forming elements chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf) are attached to the contact carrier 13. The arc electrode 15 and the contact carrier 13 can also be hollow cylindrical. In this case, the arc electrode 15 preferably contains only the layer 17 of wound carbon fibers embedded in a carbon matrix. Such layers 17 can be produced, for example, by winding according to the filament winding process or by winding up a carbon fiber fabric.

Die Lichtbogenelektrode 16 ist ringförmig ausgebildet und enthält längs der Achse 2 erstreckte Kontaktfinger 19. Die Kon-taktfinger 19 enthalten ebenfalls jeweils Kohlenstoffasern und The arc electrode 16 is ring-shaped and contains contact fingers 19 extending along the axis 2. The contact fingers 19 likewise each contain carbon fibers and

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

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65 65

3 3rd

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eine Kohlenstoffmatrix, in welche die Kohlenstoffasern eingebettet sind. Hierbei sind die Kohlenstoffasern der Kontaktfinger 19 vorzugsweise zumindest teilweise radial ausgerichtet, da hierdurch eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit zwecks leichter Abfuhr des Lichtbogenstroms und der Lichtbogenwärme sowie eine besonders hohe mechanische Stabilität der Lichtbogenelektrode 16, insbesondere beim Aufprall während des Einschaltens auf die Lichtbogenelektrode 15, erreicht wird. Solche radial verlaufende Kohlenstoffasern sind beispielsweise in einem Material mit dreidimensional ausgerichteten Kohlenstoffasern vorhanden, können aber auch durch Verwendung eines zweidimensionalen Kohlenstoffaser-Gewebes, dessen erste Faserrichtung radial zur Achse 2 und dessen zweite Faserrichtung axial oder in Umfangsrichtung verläuft, erzielt werden. a carbon matrix in which the carbon fibers are embedded. In this case, the carbon fibers of the contact fingers 19 are preferably at least partially radially aligned, since this results in a high electrical and thermal conductivity for the purpose of easily dissipating the arc current and the arc heat and a particularly high mechanical stability of the arc electrode 16, in particular in the event of an impact during switching on the arc electrode 15. is achieved. Such radially extending carbon fibers are present, for example, in a material with three-dimensionally oriented carbon fibers, but can also be achieved by using a two-dimensional carbon fiber fabric, the first fiber direction of which is radial to the axis 2 and the second fiber direction of which is axial or circumferential.

Jeder der Kontaktfinger ist auf federnd ausgebildeten Endabschnitten 20 des Kontaktträgers 14 befestigt, so dass in der Einschaltposition (linke Hälfte der Figur) eine gute Kontaktkraft zwischen den Lichtbogenelektroden 15 und 16 besteht. Die Befestigung der Kontaktfinger 19 kann entsprechend der Lichtbogerielektrode 15 durch Hochtemperaturlöten erfolgen, kann aber auch durch Lagerung der Kontaktfinger 19 auf Absätzen 21 bewirkt werden, welche jeweils auf einer der der Achse 2 zugewandten Innenflächen der Endabschnitte 20 des Kontaktträgers 14 angebracht sind. Die Halterung eines Kontaktfingers 19 auf einem der Absätze 21 kann, wie in der linken Hälfte der Figur angegeben ist, beispielsweise durch eine U-förmig gebogene Blattfeder 22 erfolgen, deren einer Schenkel in eine auf der Aussenseite eines der Endabschnitte 20 angebrachten Vertiefung eingeschnappt ist, und deren anderer Schenkel das dem feststehenden Abbrandkontakt 6 zugewandte freie und in Richtung auf die Achse 2 angeschrägte Ende des Kontaktfingers 19 hintergreift. Wie in der rechten Hälfte der Figur angegeben ist, kann die Halterung eines Kontaktfingers 19 auf einem der Absätze 21 aber auch mittels einer Schraube 23 erfolgen, welche etwa in axialer Richtung vom freien Ende des Kontaktfingers 19 in den Absatz 21 geführt ist. Each of the contact fingers is fastened on resilient end sections 20 of the contact carrier 14, so that there is a good contact force between the arc electrodes 15 and 16 in the switch-on position (left half of the figure). The contact fingers 19 can be fastened by high-temperature soldering in accordance with the arc electrode 15, but can also be effected by mounting the contact fingers 19 on shoulders 21, which are each attached to one of the inner surfaces of the end sections 20 of the contact carrier 14 facing the axis 2. A contact finger 19 can be held on one of the shoulders 21, as indicated in the left half of the figure, for example by a U-shaped leaf spring 22, one leg of which is snapped into a recess made on the outside of one of the end sections 20, and whose other limb engages behind the free end of the contact finger 19 which faces the fixed erosion contact 6 and is tapered in the direction of the axis 2. As indicated in the right half of the figure, the holding of a contact finger 19 on one of the shoulders 21 can also be carried out by means of a screw 23 which is guided approximately in the axial direction from the free end of the contact finger 19 into the shoulder 21.

Beim Ausschalten des Druckgasschalters wird das bewegliche Schaltstück 4 durch einen nicht dargestellten Antrieb nach s unten geführt. Der Antrieb kann vergleichsweise schwach ausgebildet sein, da die zu überwindenden Reibungskräfte zwischen den beiden in der Einschaltposition ineinandergefahrenen Abbrandkontaktstücken 6, 8 wegen des geringen Reibungskoeffizienten von Kohlenstoff auch bei hohen Kontaktdrücken ge-lo ring ist. When the compressed gas switch is switched off, the movable contact piece 4 is guided downwards by a drive (not shown). The drive can be designed to be comparatively weak, since the frictional forces to be overcome between the two erosion contact pieces 6, 8 that have moved into one another in the switch-on position are ge-lo ring even at high contact pressures because of the low friction coefficient of carbon.

Nach Öffnen der Nennstromkontaktstücke 5, 7 kommutiert der abzuschaltende Strom auf einen über die Abbrandkontaktstücke 6, 8 verlaufenden Strompfad. Nach dem Trennen der Abbrandkontaktstücke 6, 8 wird ein Schaltlichtbogen gebildet, i5 dessen Fusspunkte sich auf den Lichtbogenelektroden 15, 16 befinden. Wegen der gegenüber Metallelektroden vergleichsweise hohen Abbrandfestigkeit von Kohlenstoff entstehen nur kleine Mengen an schädlichen Zersetzungsprodukten in der Lichtbogenzone 12, wodurch eine Verschlechterung der Lösch-20 eigenschaften des Löschgases — wie etwa durch Metalldampf bei Verwendung von Metallelektroden — ausgeschlossen wird. Der geringe Abbrand der Kohlenstoffelektroden ermöglicht ausserdem eine grössere Anzahl von Kurzschlussabschaltungen ohne Revision des Schalters. Bei Annäherung des abzuschalten-25 den Stromes an einen Nulldurchgang wird dann der Lichtbogen bei entsprechendem Kontaktabstand, wie durch Strömungspfeile angegeben ist, beblasen. After opening the nominal current contact pieces 5, 7, the current to be switched off commutates onto a current path running over the erosion contact pieces 6, 8. After the erosion contact pieces 6, 8 have been separated, a switching arc is formed, the base of which is located on the arc electrodes 15, 16. Because of the comparatively high erosion resistance of carbon compared to metal electrodes, only small amounts of harmful decomposition products arise in the arcing zone 12, thereby preventing the extinguishing properties of the extinguishing gas from deteriorating, for example due to metal vapor when metal electrodes are used. The low erosion of the carbon electrodes also enables a larger number of short-circuit shutdowns without having to overhaul the switch. When the current to be switched off approaches a zero crossing, the arc is then blown at the appropriate contact distance, as indicated by flow arrows.

Beim Einschalten werden die voneinander getrennten Abbrandkontaktstücke 6, 8 durch den nicht dargestellten Antrieb 30 gegeneinander geführt. Im Zuge der Einschaltbewegung können die beiden Lichtbogenelektroden 15, 16 aufeinanderprallen. Ein solches Kontaktprellen ist unschädlich, da wegen der geeigneten Ausrichtung der Kohlenstoffasern deren hohe mechanische Belastbarkeit voll zum Tragen kommt. When switching on, the separate erosion contact pieces 6, 8 are guided against each other by the drive 30, not shown. In the course of the switch-on movement, the two arc electrodes 15, 16 can collide with one another. Such contact bouncing is harmless because the high mechanical strength of the carbon fibers comes into play due to the suitable orientation.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Electrical switch with two erosion contact pieces (6, 8) which can be brought into or out of engagement with one another along an axis (2), of which at least one of the two erosion contact pieces (6, 8) in a coaxial arrangement one along the axis (2) extended contact carrier (13, 14) and a carbon-containing arc electrode (15, 16) attached to the contact carrier (13, 14), characterized in that the arc electrode (15, 16) contains carbon fibers and a carbon matrix in which the carbon fibers are embedded are.

2. Switch according to claim 1, characterized in that a predominant part of the carbon fibers are wound predominantly in the circumferential direction around the axis (2).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Switch according to claim 2, characterized in that the carbon fibers are wound on a graphite core.

4. Switch according to claim 1, characterized in that the arc electrode (for example 16) of contact fingers (19) is formed, which extends along the axis (2) on resilient end portions (20) of the contact carrier (14) and are predominantly in have carbon fibers aligned in the radial direction.

5. Switch according to claim 4, characterized in that the end portions (20) of the contact carrier (14) on their inner surfaces facing the axis (2) each have a shoulder (21) on which one of the contact fingers (19) is mounted.

6. Switch according to claim 5, characterized in that at least one of the contact fingers (19) is held on the shoulder (21) by means of a leaf spring (22) or a screw (23).

7. Switch according to one of claims 1 to 4, characterized in that the arc electrode (for example 15) by means of a copper and / or silver high-temperature solder with a content of between 1 to 10 percent by weight of at least one of the carbide-forming elements Cr, Mo, W , V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf is attached to the contact carrier (eg 13).