DE10027198A1

DE10027198A1 - Vakkumschalter mit windmühlenradförmigen Elektroden

Info

Publication number: DE10027198A1
Application number: DE10027198A
Authority: DE
Inventors: Toshinori Kimura; Kenichi Koyama; Hiromi Koga; Atsushi Sawada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: CN1210743C; DE10027198B4; TW457505B; CN1276613A; US6479778B1

Abstract

Es wird ein Vakuumschalter angegeben, der ein Paar von windmühlenradförmigen Elektroden (1) innerhalb eines Vakuumrohres (21) aufweist, die windmühlenradförmige Bereiche (4) und Kontaktbereiche (3) besitzen. Die windmühlenradförmigen Elektroden (1) sind jeweils so angeordnet, daß eine Komponente des Magnetflusses, die parallel zu einer Kontaktoberfläche liegt und als Lichtbogenantriebskraft bezüglich eines Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient, die mit dem Kontaktbereich des Schenkelbereiches des Lichtbogens in Kontakt steht, eine Magnetflußdichte besitzt, die größer oder gleich 0,01 Tesla bezüglich einer elektrischen Stromstärke von 1 kA an jeder Stelle auf der Kontaktoberfläche ist. Das Verhältnis des Innendurchmesers (Di) des Kontaktbereiches (3) zu dem Außendurchmesser (D) der windmühlenradförmigen Elektroden (1) kann größer oder gleich 0,4 sein. Die Differenz (h) der Dicke zwischen den windmühlenradförmigen Bereichen (4) und den Kontaktbereichen (3) kann kleiner oder gleich 5 mm sein; jede der windmühlenradförmigen Elektroden (1) kann mit einer jeweiligen Elektrodenstange eines Paares von Elektrodenstangen (6) verbunden sein. Das Verhältnis des Durchmessers (d) des Verbindungsbereiches (7) der Elektrodenstange (6) zum Innendurchmesser (Di) des Kontaktbereiches (3) kann kleiner oder gleich 0,6 sein. Die windmühlenradförmigen Elektroden (1) bestehen aus einem Cu-Cr-Material, das 20 bis 60 Gewichtsprozent Cr enthält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit darin angeord neten windmühlenradförmigen Elektroden.

Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung des Gesamt aufbaus eines Vakuumschalters, der ein Paar von Kontakten auf weist, die hermetisch dicht abgeschlossen in einem Vakuumbe hälter mit Hochvakuum angeordnet sind. An einem Isolierzylin der 21 sind an den gegenüberliegenden Enden stirnseitige Plat ten 22a und 22b angebracht, um einen Vakuumbehälter 23 zu bil den, in dessen Innenraum ein Hochvakuum ausgebildet ist.

Innerhalb des Vakuumbehälters 23 sind einander gegenüberlie gend eine stationäre Elektrode 1a und eine bewegliche Elek trode 1b angeordnet. Die stationäre Elektrode 1a ist an der Spitze einer stationären Elektrodenstange 24a befestigt, die sich durch eine stirnseitige Platte 22a erstreckt, während die bewegliche Elektrode 1b an der Spitze einer beweglichen Elek trodenstange 24b befestigt ist, die sich durch die ander stirnseitige Platte 22b erstreckt.

Ein Federbalg 25 ist um die bewegliche Elektrodenstange 24b und die stirnseitige Platte 22b herum angeordnet. Der Feder balg 25 ermöglicht es der beweglichen Elektrodenstange 24b, die mit einer nicht dargestellten Betätigungseinrichtung ver bunden ist, daß sie angetrieben werden kann, um die bewegliche Elektrodenstange 24b in axialer Richtung zu bewegen.

Diese Bewegung der beweglichen Elektrodenstange 24b bewirkt, daß die Elektrode 1a auf der stationären Seite und die Elek trode 1b auf der beweglichen Seite in und außer elektrischen Kontakt miteinander gebracht werden können.

Um zu verhindern, daß Metalldampf, der von dem Lichtbogen ver teilt wird, welcher zwischen den Elektroden 1a und 1b erzeugt wird, sich auf der Innenwandoberfläche des Vakuumbehälters 23 abscheidet, ist eine Abschirmung 26 an der Innenwandoberfläche des Isolierzylinders 21 mit einem Abschirmungsträger 27 ange bracht.

Die Elektroden 1a und 1b eines derartigen Vakuumschalters ha ben die gleiche Konfiguration und sind von einem windmühlen radförmigen Typ mit Nuten, die in der Elektrode ausgebildet sind. Durch das Vorsehen dieser Nuten ist die elektrische Bahn in der Elektrode begrenzt, um einen elektrischen Pfad mit einer hin- und hergehenden schleifenförmigen Gestalt zu bil den, der sich in Umfangsrichtung erstreckt.

Dadurch wird der Lichtbogen von einem Magnetfeld angetrieben und bewegt sich längs des Umfanges der Elektrode. Somit wird der Lichtbogen daran gehindert, daß er an einer Stelle bleibt, so daß man ein lokales Schmelzen der Elektrode vermeidet. Da durch wird das Leistungsvermögen bei der Stromunterbrechung verbessert.

Um eine starke magnetische Antriebskraft zu erhalten, unmit telbar nach dem die Lichtbogenerzeugung erfolgt ist, wird eine Struktur verwendet, bei der die Lichtbogenlauffläche und die Kontaktfläche einander entsprechend ausgebildet sind.

Die Fig. 13 bis 16 zeigen den Aufbau einer windmühlenrad förmigen Elektrode eines herkömmlichen Vakuumschalterrohres, wie es beispielsweise in der JP-OS-4-368734 angegeben ist. Da bei zeigen die Fig. 13 und 15 Draufsichten, während die Fig. 14 und 16 Seitenansichten zeigen.

Gemäß diesen Fig. 13 bis 16 sind in der Elektrodenstange 24, also der stationären Elektrodenstange 24a oder der beweg lichen Elektrodenstange 24b windmühlenradförmige Elektroden 1 ausgebildet, nämlich die Elektrode 1a auf der stationären Seite oder die Elektrode 1b auf der beweglichen Seite.

Die windmühlenradförmige Elektrode 1 besteht integral aus einer Hilfselektrode 31 und einer ringförmigen Elektrode 32. Die Hilfselektrode 31 weist folgendes auf: einen mittleren Be reich 33, der an einem Endbereich der Elektrode 24 angebracht ist, eine Vielzahl von Armen 34, die an dem mittleren Bereich 33 in einer windmühlenradartigen Weise oder nach Art eines Buddhistenkreuzes angeordnet sind und sich in einem Bogen von dem mittleren Bereich 33 zu dem äußeren Umfangsbereich hin er strecken; und einen Verbindungsbereich 35, der an den jeweili gen Enden oder Spitzen der Vielzahl von Armen 34 ausgebildet ist.

Die ringförmige Elektrode 32 hat eine anulusförmige Gestalt, wobei ihre Breite im wesentlichen gleich der Breite der Arme 34 der Hilfselektrode 31 ist und wobei die ringförmige Elek trode 32 mit den Verbindungsbereichen 35 verbunden ist.

Wenn bei einer derartigen Anordnung die windmühlenradförmigen Elektroden 1, also die Elektrode 1a auf der stationären Seite und die Elektrode 1b auf der beweglichen Seite voneinander ge trennt werden, dann wird ein elektrischer Lichtbogen an der Kontaktfläche der ringförmigen Elektrode 32 erzeugt.

Wenn der Lichtbogen an der Stelle A in Fig. 15 und 16 erzeugt wird, dann fließt beispielsweise ein elektrischer Strom I1 durch die Arme 34 der Hilfselektrode 31 und erzeugt eine ma gnetische Antriebskraft F in der Umfangsrichtung der ringför migen Elektrode 32, so daß der Lichtbogen angetrieben wird, um entlang dem Außenumfang der ringförmigen Elektrode 32 zu ro tieren.

Wenn ferner der Lichtbogen an einer Stelle erzeugt wird, die nicht auf den Verbindungsbereichen 34 liegt, beispielsweise an der Stelle E in den Fig. 16 und 17, dann wird beispiels weise auch eine magnetische Antriebskraft in der Umfangsrich tung der ringförmigen Elektrode 32 erzeugt, und zwar von einem elektrischen Strom I2, der von den Armen 34 der Hilfselektrode 31 in die ringförmige Elektrode 32 fließt. Somit wird der Lichtbogen längs der ringförmigen Elektrode 32 zum Rotieren gebracht.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, wird bei der herkömmlichen windmühlenradförmigen Elektrode 1 ein Licht bogen an der ringförmigen Elektrode 32 erzeugt, und der Licht bogen wird unmittelbar nach der Lichtbogenerzeugung magnetisch angetrieben. Infolgedessen steigen die lokalen Temperaturen an den windmühlenradförmigen Elektroden 1 aufgrund der Tatsache, daß der Lichtbogen an dieser Stelle bleibt, bevor er nach der Lichtbogenerzeugung magnetisch angetrieben wird, um dadurch das Unterbrechungs-Leistungsvermögen zu verbessern.

Bei der windmühlenradförmigen Elektrode 1 des oben beschriebe nen herkömmlichen Vakuumschalterrohres tritt folgende Situa tion auf: wenn ein elektrischer Lichtbogen beispielsweise an einer Stelle E1 in Fig. 17 erzeugt wird, also zwischen den be nachbarten Verbindungsbereichen 35, fließt zusätzlich zu dem Strom I2, der durch die Arme 34a in den Bogen fließt, ein elektrischer Strom I3 aus dem Arm 34b.

Dieser Strom I3 erzeugt eine Kraft F3 in der Richtung, die eine Rotation des Lichtbogens verhindert, so daß die Zeit von der Lichtbogenerzeugung bis zu der Entstehung des magnetischen Antriebs des Lichtbogens nicht klein gemacht werden kann, so daß das Stromunterbrechungsvermögen nicht verbessert werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Vakuum schalter anzugeben, bei dem die oben erörterten Probleme des herkömmlichen Vakuumschalters nicht auftreten. Aufgabe der Er findung ist es daher, einen Vakuumschalter anzugeben, bei dem ein elektrischer Lichtbogen unmittelbar nach der Erzeugung des Lichtbogens in starkem Maße magnetisch angetrieben werden kann, und zwar unabhängig von der Position auf der Kontaktflä che zwischen der Elektrode auf der stationären Seite und der Elektrode auf der beweglichen Seite, an der der Lichtbogen er zeugt wird, so daß das Unterbrechungs-Leistungsvermögen in ho hem Maße verbessert wird.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe in zufriedenstellender und vorteilhafter Weise gelöst.

Gemäß der Erfindung wird ein Vakuumschalter angegeben, der folgendes aufweist: ein Paar von windmühlenradförmigen Elek troden, die in einem Vakuumrohr angeordnet sind und in denen jeweils eine Vielzahl von spiralförmigen Nuten ausgebildet sind, die sich von einem mittleren Bereich zu einem Umfangsbe reich erstrecken, und die windmühlenradförmige Bereiche, die voneinander durch die Nuten getrennt sind, sowie eine Vielzahl von Kontaktbereichen aufweisen, die von den Nuten getrennt sind und die eine Dicke aufweisen, die größer als die des windmühlenradförmigen Bereiches ist.

Die windmühlenradförmigen Elektroden sind dabei derart ange ordnet, daß die Kontaktbereiche in Kontakt miteinander ge bracht werden, wenn das Paar von windmühlenradförmigen Elek troden geschlossen wird. Ein elektrischer Lichtbogen wird auf den Kontaktbereichen erzeugt, wenn das Paar von windmühlenrad förmigen Elektroden voneinander getrennt wird. Ein magneti scher Fluß wird von einem elektrischen Strom erzeugt, der aus dem windmühlenradförmigen Bereich in den elektrischen Lichtbo gen fließt.

Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß eine Komponente des Magnetflusses, die parallel zu einer Kontaktfläche verläuft und die als Lichtbogenantriebskraft bezüglich eines Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient, die mit dem Kon taktbereich des Schenkelbereiches des Bogens in Kontakt steht, eine Magnetflußdichte besitzt, die größer oder gleich 0,01 Tesla bezüglich einer elektrischen Stromstärke von 1 kA ist.

Das Verhältnis des Innendurchmessers Di des Kontaktbereiches zu dem Außendurchmesser D der windmühlenradförmigen Elektroden kann zweckmäßigerweise größer oder gleich 0,4 sein.

Die Differenz zwischen der Dicke der windmühlenradförmigen Be reiche und der Dicke der Kontaktbereiche kann zweckmäßiger weise kleiner oder gleich 5 mm sein.

Jede von den windmühlenradförmigen Elektroden kann mit der je weiligen Elektrodenstange von dem Paar von Elektrodenstangen verbunden sein, wobei das Verhältnis des Durchmessers d des Verbindungsbereiches der Elektrodenstange zu dem Innendurch messer Di des Kontaktbereiches zweckmäßigerweise kleiner oder gleich 0,6 sein kann. Die windmühlenradförmigen Elektroden können zweckmäßigerweise aus einem Cu-Cr-Material bestehen, das 20 bis 60 Gewichtsprozent Cr enthält.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Struktur einer windmühlenradförmigen Elektrode des erfindungsgemäßen Vakuumschalters;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Struktur der windmühlenrad förmigen Elektrode des erfindungsgemäßen Vakuum schalters;

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Line A-A' in Fig. 2;

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu sammenhanges zwischen der erzeugten Magnetflußdichte B und der Zeit t, zu der der Lichtbogen eine Rota tion mit hoher Geschwindigkeit einleitet;

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu sammenhanges zwischen der erzeugten Magnetflußdichte B und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip;

Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu sammenhanges zwischen dem Wert von Di/D (Di = Innendurchmesser des Kontaktbereiches, D = Außendurchmesser der Elektrode) und dem Strom unterbrechungsvermögen Ip;

Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu sammenhanges zwischen der Differenz h zwischen der Dicke des Kontaktbereiches und der Dicke des wind mühlenradförmigen Bereiches (vorstehende Höhe des Kontaktbereiches) und dem Stromunterbrechungsvermö gen Ip;

Fig. 8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu sammenhanges zwischen dem Wert d/Di (d = Durchmesser des Verbindungsloches, Di = Innendurchmesser des Kontaktbereiches) und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip;

Fig. 9 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Struktur einer windmühlenradförmigen Elektrode eines Vakuum schalters gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 eine Draufsicht zur Erläuterung des Aufbaus einer windmühlenradförmigen Elektrode eines Vakuumschal ters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin dung;

Fig. 11 eine Schnittansicht längs der Linie A-A' in Fig. 10;

Fig. 12 eine Darstellung zur Erläuterung des Gesamtaufbaus eines Vakuumschalters;

Fig. 13 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer windmühlenradförmigen Elektrode bei einem herkömmlichen Vakuumschalter;

Fig. 14 eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung des Aufbaus einer windmühlenradförmigen Elektrode bei einem herkömmlichen Vakuumschalter;

Fig. 16 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung der Wirkungsweise der windmühlenradförmigen Elektrode des herkömmlichen Vakuumschalters;

Fig. 17 eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung der Probleme bei einer windmühlenradförmigen Elektrode eines herkömmlichen Vakuumschalters; und in

Fig. 18 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Ab hängigkeit der Magnetflußdichte von dem Abstand von der Elektrodenoberfläche.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer windmühlenradförmigen Elektrode eines Vaku umschalters gemäß der Erfindung; Fig. 2 zeigt eine Draufsicht davon, und Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht längs der Linie A-A' in Fig. 2.

In diesen Figuren der Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 6 eine Elektrodenstange aus Kupfer auf der stationären Seite oder auf der beweglichen Seite, und an der Elektrodenstange 6 ist eine windmühlenradförmige Elektrode befestigt, die nach stehend einfach als Elektrode 1 bezeichnet ist.

Die Elektrode 1 ist ein flaches scheibenförmiges Teil mit einem kreisförmigen Verbindungsloch 7, das sich durch ihren mittleren Bereich erstreckt, wobei die Elektrode 1 an der Elektrodenstange 6 in der Weise befestigt ist, daß der Spit zenbereich oder Endbereich 6a mit reduziertem Durchmesser der Elektrodenstange 6 in das Verbindungsloch 7 eingesetzt ist. Ein elektrischer Strom wird von außen in die Elektrode 1 in nerhalb des Vakuumbehälters (nicht dargestellt) durch die Elektrodenstange 6 eingeleitet.

Die Elektrode 1 besteht aus einem Kontaktmaterial, nämlich einem Cu-Cr-Material, das 20 bis 60 Gewichtsprozent Cr ent hält. Das Kontaktmaterial in Form eines Cu-Cr-Materials, das 20 bis 60 Gewichstprozent Cr enthält, ist in seinem Strom unterbrechungsvermögen herausragend und überlegen, und die Verbesserungen des Stromunterbrechungsvermögens durch Verwen dung dieses Materials sind beabsichtigt.

In der Elektrode 1 sind vier im wesentlichen spiralförmige Schlitze 2 ausgebildet, die sich von ihrem mittleren Bereich zu dem Umfangsbereich erstrecken und von ihrer vorderen Ober fläche zu ihrer rückseitigen Oberfläche verlaufen. Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Anzahl der Schlitze nicht auf vier begrenzt ist und daß auch eine andere größere Anzahl von Schlitzen verwendet werden kann, solange die Flußdichte die geforderte Bedingung erfüllt.

Die Elektrode 1 weist vier Kontaktbereiche 3 auf, die sich an dem Peripheriebereich in Umfangsrichtung befinden und von den Nuten 2 voneinander getrennt sind und eine große Dicke besit zen; ferner weist die Elektrode 1 einen zentral angeordneten Windmühlenradbereich 4 auf, der von den Nuten 2 in vier Berei che geteilt ist und eine geringe Dicke besitzt. Die Anordnung ist so getroffen, daß dann, wenn die Elektrodenstange 6 auf der stationären Seite und die Elektrodenstange 6 auf der be weglichen Seite dicht zueinander gebracht werden, ihre Kon taktbereiche 3 in Kontakt miteinander gebracht werden.

Auf der rückseitigen Oberfläche der Elektrode 1 ist eine Ver stärkungsplatte 5 aus rostfreiem Stahl vorgesehen, um die Elektrode 1 mechanisch zu verstärken. Ferner ist ein Abstands halter 8 aus rostfreiem Stahl zwischen dem Schulterbereich der Elektrodenstange 6 und der Verstärkungsplatte 5 eingesetzt, und die Elektrodenstange 6, die Verstärkungsplatte 5 und der Abstandshalter 8 sind in einer integralen Struktur durch Hart löten aneinander befestigt.

Der Abstandshalter 8 ist vorgesehen, um dem Verbindungsbereich der Elektrode 1 und der Elektrodenstange 6 Festigkeit zu ver leihen und besteht aus rostfreiem Stahl mit einem elektrischen Widerstand, der größer als der der Elektrodenstange 6 ist, die aus Kupfer besteht, um den Stromfluß innerhalb des Durchmes sers des Verbindungsbereiches, also des Verbindungsloches 7 zu begrenzen.

In Fig. 3 ist der Außendurchmesser der Elektrode 1 mit D be zeichnet, der Innendurchmesser des Kontaktbereiches 3 ist mit Di bezeichnet, die Höhe der Elektrode 1 ist mit H bezeich net, die Differenz hinsichtlich der Dicke von dem Verbindungs bereich 3 und dem windmühlenradförmigen Bereich 4, also der Vorsprungshöhe des Kontaktbereiches 3, ist mit h bezeichnet, und der Durchmesser des Verbindungsloches 7 ist mit d bezeich net.

Wenn der Vakuumschalter geschlossen ist, dann stehen der Kon taktbereich 3 der Elektrode 1 auf der stationären Seite und der Kontaktbereich 3 der Elektrode 1 auf der beweglichen Seite in Kontakt miteinander; wenn der Strom unterbrochen werden soll, dann werden die Kontaktbereiche 3 der Elektroden 1 von einander getrennt, so daß ein elektrischer Lichtbogen zwischen den jeweiligen Kontaktbereichen 3 erzeugt wird. Dieser Licht bogen kann an jeder Stelle auf den Kontaktbereichen 3 erzeugt werden; Fig. 2 zeigt ein Beispiel, wo zwei Lichtbogen 9 und 9' an zwei Stellen erzeugt werden.

Der elektrische Strom I1, der durch die Elektrode 6 fließt, fließt in die Elektrode 1 durch den Spitzenbereich oder Endbe reich 6a, der in das Verbindungsloch 7 eingesetzt ist, und fließt in den Lichtbogen 9 auf dem Kontaktbereich 3 durch den windmühlenradförmigen Bereich 4, welcher dem Kontaktbereich entspricht, auf welchem der Lichtbogen sitzt.

Der Stromfluß ist als Strom I2 in Fig. 2 dargestellt. Der Lichtbogen 9 ist einer Antriebskraft in der radialen Richtung ausgesetzt, und zwar aufgrund der radialen Komponente des Stromes I2, und der Lichtbogen 9 ist einer Antriebskraft in der Umfangsrichtung ausgesetzt, und zwar wegen der Umfangs richtungskomponente des Stromes I2.

Infolgedessen wird beispielsweise der Lichtbogen 9 zu der Stelle des Lichtbogens 9' bewegt, und der Lichtbogen 9' wird zu dem nächsten Kontaktbereich 3 im Uhrzeigersinn gemäß Fig. 2 bewegt. Daher wirkt die Antriebskraft auf den Lichtbogen so fort nachdem er auf dem Kontaktbereich 3 erzeugt worden ist, um die Rotation des Lichtbogens einzuleiten, und diese Rota tion des Lichtbogens dauert an, während der Lichtbogen auf rechterhalten bleibt.

Es wurde eine Vielzahl von Elektroden 1 hergestellt, die ver schiedene Dimensionen für die Werte von D, Di, H, h und d be sitzen, und es wurde die Zeit t gemessen, die benötigt wird, damit bei dem erzeugten Lichtbogen die Hochgeschwindigkeitsro tation eingeleitet wird; ferner wurde das Stromunterbrechungs vermögen gemessen, und es wurde die Magnetflußdichte des ma gnetischen Flusses berechnet, die von den Elektroden 1 erzeugt wird.

Die Berechnung des Magnetflusses wurde unter Verwendung der dreidimensionalen Stromanalyse-Software Eddy-TM von Pho ton Co. Ltd. durchgeführt. Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Magnetflußdichte erhalten wurde als Komponente paral lel zu der Kontaktfläche des Magnetflusses, die als Lichtbo genantriebskraft bezüglich des Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche der Elektrode dient, auf der der Lichtbogen schenkelbereich außerhalb des Magnetflusses bleibt, der als Antriebskraft im Hinblick auf den Lichtbogen dient, der von einem Strom erzeugt wird, der durch den windmühlenradförmigen Bereich von einer der Elektroden fließt.

Dabei wurde eine Leitfähigkeit von 5,0 × 10⁷ Ohm^-1 m^-1 verwen det. Als Ergebnis der Berechnung wurde bestimmt, daß die Ma gnetflußdichte variiert, und zwar in Abhängigkeit von der Po sition auf der Kontaktoberfläche, und daß sie am niedrigsten an der Stelle ist, die dem Elektrodenzentrum am nächsten liegt, also der Position 9 in Fig. 2, und daß sie am höchsten an dem Endbereich ist, also der Position 9' in Fig. 2. Die An triebseigenschaften des Lichtbogens wurden mit einer Hochge schwindigkeitskamera untersucht.

Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Magnetflußdichte B bei einem Strom von 1 kA, der in dem Schenkelbereich des Lichtbogens 9 von dem Strom I1 und dem Strom I2 erzeugt wird und als Lichtbogenantriebskraft bezüglich des Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient.

Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Magnetflußdichte hier ein Wert ist, der von dem Strom erzeugt wird, der durch die Elektrode fließt, mit der der Schenkelbereich des zu mes senden Lichtbogens in Kontakt gebracht wird, und die Zeit ist die oben erläuterte Zeit t. Fig. 5 zeigt hierbei den Zusammen hang zwischend der Magnetflußdichte B und dem Stromunterbre chungsvermögen Ip.

Wie von dem japanischen Institute of Electic Engineering, Ge neral Conference, 1998, 1501 angegeben worden ist, beginnt bei der windmühlenförmigen Elektrode der elektrische Lichtbogen sich langsam innerhalb von 1 ms nach dem Zünden an dem Kon taktbereich zu bewegen (Stagnationsmodus) und wird rasch be schleunigt (Beschleunigungsmodus) und dann mit hoher Geschwin digkeit gedreht, während Metalldampf emittiert wird (Hochgeschwindigkeitsmodus). Es ist auch bekannt, daß das Un terbrechungsvermögen sehr stark von der Zeit abhängt, bis der Eintritt in den Hochgeschwindigkeitsmodus erfolgt.

Aus den Fig. 4 und 5 läßt sich entnehmen, daß durch Verwen dung der Position, an welcher die erzeugte Magnetflußdichte pro 1 kA Stromstärke größer oder gleich 0,01 Tesla (100 Gauss) am Kontaktbereich 3 ist, an welchem der Lichtbogen erzeugt wird, die oben erwähnte Zeit t deutlich verkürzt werden kann und dementsprechend das Stromunterbrechungsvermögen Ip größer wird.

Wie bereits erläutert, ist gemäß der Erfindung die Anordnung so getroffen, daß der Lichtbogen an dem Kontaktbereich 3 er zeugt wird und die Magnetflußdichte des Magnetflusses, der dazu beiträgt, den Schenkelbereich des Lichtbogens anzutreiben (0,5 mm Bereich von der Kontaktoberfläche), größer oder gleich 0,01 Tesla pro 1 kA Stromstärke ist, so daß die Zeit, die der Lichtbogen von seiner Erzeugung bis zur Einleitung der Hochge schwindigkeitsdrehung benötigt, verkürzt werden kann und ein hohes Stromunterbrechungsvermögen erzielt werden kann.

Ferner sind die Nuten 2 so ausgebildet, daß sie sich zu dem äußeren Umfangsbereich der Elektrode 1 erstrecken, so daß kein eintretender Strom von dem benachbarten Kontaktbereich vorhan den ist und die Lichtbogenantriebskraft nicht verringert wird.

Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Magnetflußdichte, die als Lichtbogenantriebskraft dient, größer ist an einer Po sition, die näher bei der Elektrodenoberfläche liegt, und kleiner ist an einer Position, die weniger nahe bei der Ober fläche ist. Fig. 18 zeigt, wie die Magnetflußdichte, die an der Position, die dem Elektrodenzentrum am nächsten liegt, von dem durch eine der gegenüberliegenden Elektroden fließenden Strom erzeugt wird, von dem vertikalen Abstand von der Elek trodenoberfläche abhängt.

Daher ist die Flußdichte, die auf den Lichtbogen wirkt, wenn die stationäre Elektrode und die bewegliche Elektrode in eine gegenüberliegende Relation gebracht werden, größer als die Ma gnetflußdichte von einer der Elektroden, und das Flußdichten- Verteilungsprofil an dem Spalt zwischen den Elektroden ver läuft konvex nach unten, wobei sich der kleinste Wert im Zen trum des Spaltes befindet.

Da weiterhin die Spaltlänge zwischen der stationären Elektrode und der beweglichen Elektrode sich während der Unterbrechung mit dem Zeitablauf ändert, ändert sich auch die Magnetfluß dichte, die an dem Schenkelbereich des Lichtbogens von dem Strom erzeugt wird, der durch die beiden Elektroden fließt, ebenfalls in Abhängigkeit von der Zeit.

Gemäß der Erfindung ist der Beitrag der Elektrode, mit der der Lichtbogenschenkel in Kontakt gebracht wird, mit 0,01 Tesla oder mehr pro 1 kA Stromstärke definiert, so daß eine klare Definition der erforderlichen Magneflußdichte gegeben ist. So mit kann unabhängig davon, wo der Lichtbogen auf der Kon taktoberfläche erzeugt wird, die Funktion eines starken An treibens des Lichtbogens unmittelbar nach dem Zünden erzielt und eine Verkürzung der Lichtbogenstagnationszeitdauer er reicht werden.

Es folgt nun eine Beschreibung der verschiedenen Dimensionen der Elektrode 1, um ein gutes Stromunterbrechungsvermögen zu erzielen, und zwar im Hinblick auf die Parameter D, Di, h und d. Zunächst erfolgt die Betrachtung der Konstellation Di ≧ 0,4 D. Fig. 6 zeigt einen Graphen zur Erläuterung des Zu sammenhanges zwischen Di/D und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip, erhalten bei Experimenten mit einer Vielzahl von Elektro den 1 mit zahlreichen verschiedenen Dimensionen.

Aus dem Graphen ergibt sich, daß dann, wenn man Di/D größer oder gleich 0,4 macht, also Di ≧ 0,4 D gilt, das Stromunter brechungsvermögen signifikant verbessert wird. Wenn diese Be dingung erfüllt ist, dann ist die Magnetflußdichte des Magnet flusses, der zum Antreiben des Lichtbogenschenkelbereiches beiträgt (der 0,5 mm Bereich von der Kontaktoberfläche) größer oder gleich 0,01 Tesla pro 1 kA Stromstärke.

Ferner ist h kleiner oder gleich 5 mm. Fig. 7 zeigt einen Gra phen zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen h und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip, erhalten aus Testergebnissen mit der vorstehend beschriebenen Vielzahl von Elektroden 1, die zahlreiche unterschiedliche Dimensionen besitzen.

Man erkennt, daß durch Vorgeben von h mit einem Wert von 5 mm oder weniger das Stromunterbrechungsvermögen signifikant ver bessert wird. Auch wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann ist die Magnetflußdichte des Magnetflusses, der zu dem Antreiben des Lichtbogenschenkelbereiches beiträgt (der 0,5 mm Bereich von der Kontaktoberfläche), größer oder gleich 0,1 Tesla pro 1 kA Stromstärke.

Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung des Aufbaus der windmühlenradförmigen Elektrode des Vakuumschalters gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 9 sind die Komponenten, welche die gleichen Bezugszeichen wie dieje nigen in Fig. 3 tragen, identisch oder ähnlich zueinander.

Bei dieser zweiten Ausführungsform hat die Elektrode 1 kein darin vorgesehenes Verbindungsloch, und der Spitzenbereich oder Endbereich der Elektrodenstange 6, bei dem der Durchmes ser reduziert ist, wird als Verbindungsbereich 10 verwendet, der direkt an der Elektrode 1 oder deren Verstärkungsplatte 5 befestigt ist. Der Durchmesser d des Verbindungsbereiches 10 erfüllt die Bedingung, daß das Verhältnis von d zu Di kleiner oder gleich 0,6 ist.

Andere Konfigurationen der Elektrode 1, wie z. B. die Gestalt der Nuten 2, der Kontaktbereich 3 und der Windmühlenradberei che 4 sind ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform; die Kontaktbereiche 3 stehen vor, so daß eine Komponente des Ma gnetflusses, der parallel zu der Kontaktoberfläche verläuft und als Lichtbogenantriebskraft bezüglich des Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient, die mit dem Kontaktbe reich des Schenkelbereiches des Lichtbogens in Kontakt steht, eine Magnetflußdichte hat, die größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA ist.

Bei der zweiten Ausführungsform besteht kein Erfordernis, das Verbindungsloch 7 und den Abstandshalter 8 gemäß der ersten Ausführungsform zu bearbeiten und zu formen. Ferner ist die Magnetflußdichte, die bei der zweiten Ausführungsform erzeugt wird, im wesentlichen auf dem gleichen Pegel wie bei der er sten Ausführungsform, bei der das Verbindungsloch 7 vorgesehen ist, so daß ein ausreichendes Stromunterbrechungsvermögen ähn lich wie bei der ersten Ausführungsform gewährleistet werden kann. Somit kann bei der zweiten Ausführungsform die Herstel lung der Elektrode in vorteilhafter Weise vereinfacht und zur gleichen Zeit ein hohes Stromunterbrechungsvermögen in vor teilhafter Weise erreicht werden.

Fig. 10 zeigt eine Draufsicht zur Erläuterung des Aufbaus der windmühlenradförmigen Elektrode des Vakuumschalters gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht längs der Line A-A' in Fig. 10. In Fig. 10 und 11 sind diejenigen Komponenten, welche die gleichen Be zugszeichen wie diejenigen in Fig. 3 tragen, identisch oder einander ähnlich. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch eine Anzahl von 6 spiralförmigen Nuten 2 vorgesehen.

Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Kontaktbereiche 3 und die Windmühlenradbereiche 4 der Elektrode 1 die gleiche Basiskonfiguration wie bei der ersten Ausführungsform haben, mit der Ausnahme, daß die Anzahl von Sektionen oder geteilten Bereichen sechs beträgt. Die Kontaktbereiche 3 stehen derart vor, daß eine Komponente des Magnetflusses, die parallel zu der Kontaktoberfläche verläuft und die als Lichtbogenantriebs kraft bezüglich des Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktober fläche dient, die mit dem Kontaktbereich des Schenkelbereiches des Lichtbogens in Kontakt steht, eine Magnetflußdichte be sitzt, die größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA ist.

Wenn die Anordnung so getroffen ist, daß ein Lichtbogen an den Kontaktbereichen 3 erzeugt wird und daß die Magnetflußdichte, die zum Antreiben des Schenkelbereiches des Lichtbogens bei trägt, größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektri sche Stromstärke von 1 kA ist, dann kann die Zeit zwischen der Lichtbogenerzeugung und der Einleitung der Rotation unabhängig von der Anzahl von spiralförmigen Nuten verkürzt werden, so daß dadurch ein hohes Stromunterbrechungsvermögen gewährlei stet wird.

Wie vorstehend erläutert, weist der Vakuumschalter gemäß der Erfindung folgendes auf: ein Paar von windmühlenförmigen Elek troden, die in einem Vakuumrohr angeordnet sind und die je weils eine darin ausgebildete Vielzahl von spiralförmigen Nu ten besitzen, die sich von einem zentralen Bereich zu einem Umfangsbereich erstrecken, und die windmühlenradförmige Berei che, die voneinander durch die Nuten getrennt sind, sowie eine Vielzahl von Kontaktbereichen aufweisen, die durch die Nuten voneinander getrennt sind und die eine größere Dicke haben als die windmühlenradförmigen Bereiche.

Die windmühlenradförmigen Elektroden sind so angeordnet, daß die Kontaktbereiche in Kontakt miteinander gebracht werden, wenn das Paar von windmühlenförmigen Elektroden geschlossen ist; ein elektrischer Lichtbogen wird auf den Kontaktbereichen erzeugt, wenn das Paar von windmühlenförmigen Elektroden von einander getrennt wird, und ein Magnetfluß wird erzeugt von einem elektrischen Strom, der von dem windmühlenförmigen Be reich in den elektrischen Lichtbogen fließt.

Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß eine Komponente des Magnetflusses, die parallel zu einer Kontaktfläche verläuft und als Lichtbogenantriebskraft dient bezüglich eines Berei ches von 0,5 mm von der Kontaktfläche, die mit dem Kontaktbe reich des Schenkelbereiches des Lichtbogens in Kontakt steht, eine Magnetflußdichte besitzt, die größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA ist.

Daher kann die Zeit zwischen der Lichtbogenerzeugung und der Einleitung der Rotation verkürzt werden, und zwar unabhängig von der Anzahl von spiralförmigen Nuten 2, so daß ein hohes Stromunterbrechungsvermögen erreicht werden kann.

Das Verhältnis von dem Innendurchmesser Di des Kontakbereiches zu dem Außendurchmesser D der windmühlenradförmigen Elektroden ist größer oder gleich 0,4, so daß die Magnetflußdichte, die zum Antreiben des Schenkelbereiches des Lichtbogens beiträgt, größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA ist, so daß ein hohes Stromunterbre chungsvermögen erreicht werden kann.

Die Differenz der Dicke zwischen den windmühlenradförmigen Be reichen und den Kontaktbereichen ist kleiner oder gleich 5 mm, so daß die Magnetflußdichte, die zum Antreiben des Schenkelbe reiches des Lichtbogens beiträgt, größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA ist, so daß ein großes Stromunterbrechungsvermögen erzielt werden kann.

Das Verhältnis des Durchmessers d des Verbindungsbereiches der Elektrodenstange zu dem Innendurchmesser Di des Kontaktberei ches ist kleiner oder gleich 0,6, so daß die Magnetflußdichte, die zum Antreiben des Schenkelbereiches des Lichtbogens bei trägt, größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektri sche Stromstärke von 1 kA ist, so daß ein hohes Stromunterbre chungsvermögen erreicht werden kann.

Die windmühlenradförmigen Elektroden bestehen aus einem Cu-Cr-Material, das 20 bis 60 Gewichtsprozent Cr enthält, wel ches ein hohes Unterbrechungsvermögen besitzt, so daß ein ho hes Stromunterbrechungsvermögen erzielt werden kann.

Claims

1. Vakuumschalter, der folgendes aufweist:

- ein Paar von windmühlenradförmigen Elektroden (1), die in einem Vakuumrohr (21) angeordnet sind und jeweils mit einer Vielzahl von spiralförmigen Nuten (2) ausgebildet sind, die sich von einem zentralen Bereich zu einem Um fangsbereich erstrecken;
- wobei die windmühlenradförmigen Elektroden (1) wind mühlenradförmige Bereiche (4), die durch die Nuten (2) voneinander getrennt sind, und eine Vielzahl von Kontakt bereichen (3) aufweisen, die durch die Nuten (2) vonein ander getrennt sind und die eine größere Dicke (H) besit zen als die windmühlenradförmigen Bereiche (4);
- wobei die windmühlenradförmigen Elektroden (1) derart angeordnet sind,

daß die Kontaktbereiche (3) in Kontakt miteinander ge bracht werden, wenn das Paar von windmühlenradförmigen Elektroden (1) geschlossen ist,
daß ein elektrischer Lichtbogen (9, 9') auf den Kontakt bereich (3) erzeugt wird, wenn das Paar von windmühlen radförmigen Elektroden (1) voneinander getrennt wird,
daß ein Magnetfluß von einem elektrischen Strom (11, 12) erzeugt wird, der von einem windmühlenradförmigen Bereich (4) von einer der Elektroden (1) in den elektrischen Lichtbogen fließt,
und daß eine Komponente des Magnetflusses, die parallel zu einer Kontaktoberfläche verläuft und die als Lichtbo genantriebskräft bezüglich eines Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient, die mit dem Kontaktbereich des Schenkelbereiches des Lichtbogens in Kontakt steht, eine Magnetflußdichte besitzt, die größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA an jeder Stelle der Kontaktoberfläche ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von dem Innendurchmesser (Di) des Kon taktbereiches (3) zu dem Außendurchmesser (D) der wind mühlenradförmigen Elektroden (1) größer oder gleich 0,4 ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz (h) der Dicken von den windmühlenrad förmigen Bereichen (4) und den Kontaktbereichen (3) klei ner oder gleich 5 mm ist.

4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede von den windmühlenradförmigen Elektroden (1) mit einer jeweiligen Elektrodenstange eines Paares von Elek trodenstangen (6) verbunden ist, wobei das Verhältnis des Durchmessers (d) des Verbindungsbereiches (6a, 7, 10) der Elektrodenstange (6) zu dem Innendurchmesser (Di) des Kontaktbereiches (3) kleiner oder gleich 0,6 ist.

5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die windmühlenradförmigen Elektroden (1) aus einem.