DE10027198B4

DE10027198B4 - Elektrode für eine paarweise Anordnung in einem Vakuumrohr eines Vakuumschalters

Info

Publication number: DE10027198B4
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: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: CN1210743C; TW457505B; DE10027198A1; 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 eine Elektrode für eine paarweise Anordnung in einem Vakuumrohr eines Vakuumschalters, wobei die Elektrode windradförmig ausgebildet ist und folgendes aufweist:

– einen inneren Nabenbereich,
– einen äußeren Blattbereich, wobei die jeweiligen Blätter als Kontaktbereiche ausgebildet sind, und
– eine Vielzahl von spiralförmigen Nuten, die sich von einem zentralen Bereich zu einem

12 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung des Gesamtaufbaus eines Vakuumschalters, der ein Paar von Kontakten aufweist, die hermetisch dicht abgeschlossen in einem Vakuumbehälter mit Hochvakuum angeordnet sind. An einem Isolierzylinder 21 sind an den gegenüberliegenden Enden stirnseitige Platten 22a und 22b angebracht, um einen Vakuumbehälter 23 zu bilden, in dessen Innenraum ein Hochvakuum ausgebildet ist.
Innerhalb des Vakuumbehälters 23 sind einander gegenüberliegend eine stationäre Elektrode 1a und eine bewegliche Elektrode 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 Elektrodenstange 24b befestigt ist, die sich durch die andere stirnseitige Platte 22b erstreckt.
Ein Federbalg 25 ist um die bewegliche Elektrodenstange 24b und die stirnseitige Platte 22b herum angeordnet. Der Federbalg 25 ermöglicht es der beweglichen Elektrodenstange 24b, die mit einer nicht dargestellten Betätigungseinrichtung verbunden 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 Elektrode 1b auf der beweglichen Seite in und außer elektrischen Kontakt miteinander gebracht werden können.
Um zu verhindern, daß Metalldampf, der von dem Lichtbogen verteilt wird, welcher zwischen den Elektroden 1a und 1b erzeugt wird, sich auf der Innenwandoberfläche des Vakuumbehälters 23 abscheidet, ist eine Abschirmung 26 an der Innen wandoberfläche des Isolierzylinders 21 mit einem Abschirmungsträger 27 angebracht.
Die Elektroden 1a und 1b eines derartigen Vakuumschalters haben die gleiche Konfiguration und sind von einem windradförmigen 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 bilden, 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. Dadurch wird das Leistungsvermögen bei der Stromunterbrechung verbessert.
Um eine starke magnetische Antriebskraft zu erhalten, unmittelbar nach dem die Lichtbogenerzeugung erfolgt ist, wird eine Struktur verwendet, bei der die Lichtbogenlauffläche und die Kontaktfläche einander entsprechend ausgebildet sind.

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

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

Die windradförmige Elektrode 1 besteht integral aus einer Hilfselektrode 31 und einer ringförmigen Elektrode 32. Die Hilfselektrode 31 weist folgendes auf: einen mittleren Bereich 33, der an einem Endbereich der Elektrode 24 angebracht ist, eine Vielzahl von Armen 34, die an dem mittleren Bereich 33 in einer windradartigen Weise oder nach Art eines Buddhistenkreuzes angeordnet sind und sich in einem Bogen von dem mittleren Bereich 33 zu dem äußeren Umfangsbereich hin erstrecken; und einen Verbindungsbereich 35, der an den jeweiligen 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 Elektrode 32 mit den Verbindungsbereichen 35 verbunden ist.

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

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

Wenn ferner der Lichtbogen an einer Stelle erzeugt wird, die nicht auf den Verbindungsbereichen 34 liegt, beispielsweise an der Stelle E in den 16 und 17, dann wird beispielsweise auch eine magnetische Antriebskraft in der Umfangsrichtung 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 windradförmigen Elektrode 1 ein Lichtbogen an der ringförmigen Elektrode 32 erzeugt, und der Lichtbogen wird unmittelbar nach der Lichtbogenerzeugung magnetisch angetrieben. Infolgedessen steigen die lokalen Temperaturen an den windradförmigen 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 windradförmigen Elektrode 1 des oben beschriebenen herkömmlichen Vakuumschalterrohres tritt folgende Situation auf: wenn ein elektrischer Lichtbogen beispielsweise an einer Stelle E1 in 17 erzeugt wird, also zwischen den benachbarten 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.

Eine Elektrode der eingangs genannten Art ist aus der WO96/09637 bekannt. Dort ist eine Vakuumschalter-Kontaktanordnung angegeben, bei der zwei beweglich zueinander angeordnete Elektroden vorgesehen sind. Die Elektroden können dort wegen mehrerer Nuten, die sich von innen nach außen winden, als windradförmig aufgefaßt werden, ohne daß diese Formulierung in der genannten Veröffentlichung verwendet ist. Allerdings finden sich in der Druckschrift keinerlei Angaben darüber, wie die Gestaltung der Elektrode in ihrer Tiefenrichtung auszubilden ist, um im Betrieb für eine wirksame Führung des Lichtbogens zu sorgen. Damit ist bei der herkömmlichen Anordnung eine Optimierung des den Lichtbogen treibenden Magnetfeldes nur in sehr engen Grenzen möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für eine paarweise Anordnung in einem Vakuumrohr eines Vakuumschalters anzugeben, bei der Schäden an den Elektroden durch einen Lichtbogen minimiert werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Elektrode für eine paarweise Anordnung in einem Vakuumrohr eines Vakuumschalters anzugeben, wobei die Elektrode windradförmig ausgebildet ist und die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Elektrode sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der erfindungsgemäßen Elektrode wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Elektrode kann der Lichtbogen irgendwo auf den Blättern der Elektroden entstehen und sich dort bewegen, jedoch wird durch die magnetische Mindestflußdichte am Ansatzbereich der Blätter der Lichtbogen praktisch sofort nach seiner Entstehung in eine Rotationsbewegung getrieben, so daß er in vorteilhafter Weise nicht in die Elektrode einbrennen kann. Damit werden die Schaltzuverlässigkeit und die Langlebigkeit der Elektrode erheblich erhöht.

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

Die Differenz zwischen der Dicke der windradförmigen Bereiche und der Dicke der Kontaktbereiche kann zweckmäßigerweise kleiner oder gleich 5 mm sein.

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

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
1 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Struktur einer windradförmigen Elektrode gemäß der Erfindung;
2 eine Draufsicht auf die Struktur der windradförmigen Elektrode gemäß der Erfindung;
3 eine Schnittansicht längs der Line A-A' in 2;
4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der erzeugten Magnetflußdichte B und der Zeit t, zu der der Lichtbogen eine Rotation mit hoher Geschwindigkeit einleitet;
5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der erzeugten Magnetflußdichte B und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip;
6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen dem Wert von Di/D (Di = Innendurchmesser des Kontaktbereiches, D = Außendurchmesser der Elektrode) und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip;
7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Differenz h zwischen der Dicke des Kontaktbereiches und der Dicke des windradförmigen Bereiches (vorstehende Höhe des Kontaktbereiches) und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip;
8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen dem Wert d/Di (d = Durchmesser des Verbindungsloches, Di = Innendurchmesser des Kontaktbereiches) und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip;
9 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Struktur einer windradförmigen Elektrode gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
10 eine Draufsicht zur Erläuterung des Aufbaus einer windradförmigen Elektrode gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
11 eine Schnittansicht längs der Linie A-A' in 10;
12 eine Darstellung zur Erläuterung des Gesamtaufbaus eines Vakuumschalters;
13 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer windradförmigen Elektrode bei einem herkömmlichen Vakuumschalter;
14 eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung des Aufbaus einer windradförmigen Elektrode bei einem herkömmlichen Vakuumschalter;
16 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung der Wirkungsweise der windradförmigen Elektrode des herkömmlichen Vakuumschalters;
17 eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung der Probleme bei einer windradförmigen Elektrode eines herkömmlichen Vakuumschalters; und in
18 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Abhängigkeit der Magnetflußdichte von dem Abstand von der Elektrodenoberfläche.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer windradförmigen Elektrode für einen Vakuumschalter gemäß der Erfindung; 2 zeigt eine Draufsicht davon, und 3 zeigt eine Schnittansicht längs der Linie A-A' in 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 windradförmige Elektrode befestigt, die nachstehend 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 Spitzenbereich 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 innerhalb 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 enthält. Das Kontaktmaterial in Form eines Cu-Cr-Materials, das 20 bis 60 Gewichtsprozent Cr enthält, ist in seinem Stromunterbrechungsvermögen herausragend und überlegen, und die Verbesserungen des Stromunterbrechungsvermögens durch Verwendung 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 besitzen; ferner weist die Elektrode 1 einen zentral angeordneten Windradbereich 4 auf, der von den Nuten 2 in vier Bereiche 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 beweglichen Seite dicht zueinander gebracht werden, ihre Kontaktbereiche 3 in Kontakt miteinander gebracht werden.
Auf der rückseitigen Oberfläche der Elektrode 1 ist eine Verstärkungsplatte 5 aus rostfreiem Stahl vorgesehen, um die Elektrode 1 mechanisch zu verstärken. Ferner ist ein Abstandshalter 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 Hartlöten aneinander befestigt.
Der Abstandshalter 8 ist vorgesehen, um dem Verbindungsbereich der Elektrode 1 und der Elektrodenstange 6 Festigkeit zu verleihen 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 Durchmessers des Verbindungsbereiches, also des Verbindungsloches 7 zu begrenzen.
In 3 ist der Außendurchmesser der Elektrode 1 mit D bezeichnet, der Innendurchmesser des Kontaktbereiches 3 ist mit Di bezeichnet, die Höhe der Elektrode 1 ist mit H bezeichnet, die Differenz hinsichtlich der Dicke von dem Verbindungsbereich 3 und dem windradförmigen Bereich 4, also der Vorsprungshöhe des Kontaktbereiches 3, ist mit h bezeichnet, und der Durchmesser des Verbindungsloches 7 ist mit d bezeichnet.
Wenn der Vakuumschalter geschlossen ist, dann stehen der Kontaktbereich 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 voneinander getrennt, so daß ein elektrischer Lichtbogen zwischen den jeweiligen Kontaktbereichen 3 erzeugt wird. Dieser Lichtbogen kann an jeder Stelle auf den Kontaktbereichen 3 erzeugt werden; 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 Endbereich 6a, der in das Verbindungsloch 7 eingesetzt ist, und fließt in den Lichtbogen 9 auf dem Kontaktbereich 3 durch den windradförmigen Bereich 4, welcher dem Kontaktbereich entspricht, auf welchem der Lichtbogen sitzt.
Der Stromfluß ist als Strom I2 in 2 dargestellt. Der Lichtbogen 9 ist einer Antriebskraft in der radialen Richtung ausgesetzt, und zwar aufgrund der radialen Komponente des Stromes 22, und der Lichtbogen 9 ist einer Antriebskraft in der Umfangsrichtung ausgesetzt, und zwar wegen der Umfangsrichtungskomponente 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 2 bewegt. Daher wirkt die Antriebskraft auf den Lichtbogen sofort, nachdem er auf dem Kontaktbereich 3 erzeugt worden ist, um die Rotation des Lichtbogens einzuleiten, und diese Rotation des Lichtbogens dauert an, während der Lichtbogen aufrechterhalten bleibt.
Es wurde eine Vielzahl von Elektroden 1 hergestellt, die verschiedene Dimensionen für die Werte von D, Di, H, h und d besitzen, und es wurde die Zeit t gemessen, die benötigt wird, damit bei dem erzeugten Lichtbogen die Hochgeschwindigkeitsrotation eingeleitet wird; ferner wurde das Stromunterbrechungsvermögen gemessen, und es wurde die Magnetflußdichte des magnetischen Flusses berechnet, die von den Elektroden 1 erzeugt wird.
Die Berechnung des Magnetflusses wurde unter Verwendung der dreidimensionalen Stromanalyse-Software Eddy-TM von Photon Co. Ltd. durchgeführt. Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Magnetflußdichte erhalten wurde als Komponente parallel zu der Kontaktfläche des Magnetflusses, die als Lichtbogenantriebskraft bezüglich des Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche der Elektrode dient, auf der der Lichtbogenschenkelbereich außerhalb des Magnetflusses bleibt, der als Antriebskraft im Hinblick auf den Lichtbogen dient, der von einem Strom erzeugt wird, der durch den windradförmigen Bereich von einer der Elektroden fließt.
Dabei wurde eine Leitfähigkeit von 5,0 × 10⁷ Ohm^–1 m^–1 verwendet. Als Ergebnis der Berechnung wurde bestimmt, daß die Magnetflußdichte variiert, und zwar in Abhängigkeit von der Position auf der Kontaktoberfläche, und daß sie am niedrigsten an der Stelle ist, die dem Elektrodenzentrum am nächsten liegt, also der Position 9 in 2, und daß sie am höchsten an dem Endbereich ist, also der Position 9' in 2. Die Antriebseigenschaften des Lichtbogens wurden mit einer Hochgeschwindigkeitskamera untersucht.
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 messenden Lichtbogens in Kontakt gebracht wird, und die Zeit ist die oben erläuterte Zeit t. 5 zeigt hierbei den Zusammenhang zwischen der Magnetflußdichte B und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip.
Wie von dem japanischen Institute of Electric Engineering, General Conference, 1998, 1501 angegeben worden ist, beginnt bei der windradförmigen Elektrode der elektrische Lichtbogen sich langsam innerhalb von 1 ms nach dem Zünden an dem Kontaktbereich zu bewegen (Stagnationsmodus) und wird rasch beschleunigt (Beschleunigungsmodus) und dann mit hoher Geschwindigkeit gedreht, während Metalldampf emittiert wird (Hochgeschwindigkeitsmodus). Es ist auch bekannt, daß das Unterbrechungsvermögen sehr stark von der Zeit abhängt, bis der Eintritt in den Hochgeschwindigkeitsmodus erfolgt.
Aus den 4 und 5 läßt sich entnehmen, daß durch Verwendung 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 erzeugt 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 Hochgeschwindigkeitsdrehung 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 vorhanden ist und die Lichtbogenantriebskraft nicht verringert wird.
Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Magnetflußdichte, die als Lichtbogenantriebskraft dient, größer ist an einer Position, die näher bei der Elektrodenoberfläche liegt, und kleiner ist an einer Position, die weniger nahe bei der Oberfläche ist. 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 Elektrodenoberfläche 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 Magnetflußdichte von einer der Elektroden, und das Flußdichten-Verteilungsprofil an dem Spalt zwischen den Elektroden verläuft konvex nach unten, wobei sich der kleinste Wert im Zentrum 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 Magnetflußdichte, 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 Magnetflußdichte gegeben ist. Somit kann unabhängig davon, wo der Lichtbogen auf der Kontaktoberfläche erzeugt wird, die Funktion eines starken Antreibens des Lichtbogens unmittelbar nach dem Zünden erzielt und eine Verkürzung der Lichtbogenstagnationszeitdauer erreicht 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. 6 zeigt einen Graphen zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen Di/D und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip, erhalten bei Experimenten mit einer Vielzahl von Elektroden 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 Stromunterbrechungsvermögen signifikant verbessert wird. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann ist die Magnetflußdichte des Magnetflusses, 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. 7 zeigt einen Graphen 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 verbessert 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.
9 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung des Aufbaus der windradförmigen Elektrode für den Vakuumschalter gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In 9 sind die Komponenten, welche die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in 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 Durchmesser 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 Windradbereiche 4 sind ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform; die Kontaktbereiche 3 stehen vor, so daß eine Komponente des Magnetflusses, der parallel zu der Kontaktoberfläche verläuft und als Lichtbogenantriebskraft bezüglich des Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient, die mit dem Kontaktbereich 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 ersten Ausführungsform, bei der das Verbindungsloch 7 vorgesehen ist, so daß ein ausreichendes Stromunterbrechungsvermögen ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform gewährleistet werden kann. Somit kann bei der zweiten Ausführungsform die Herstellung der Elektrode in vorteilhafter Weise vereinfacht und zur gleichen Zeit ein hohes Stromunterbrechungsvermögen in vorteilhafter Weise erreicht werden.
10 zeigt eine Draufsicht zur Erläuterung des Aufbaus der windradförmigen Elektrode für den Vakuumschalter gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; 11 zeigt eine Schnittansicht längs der Line A-A' in 10. In 10 und 11 sind diejenigen Komponenten, welche die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in 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 Windradbereiche 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 Lichtbogenantriebskraft bezüglich des 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 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 beiträgt, größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische 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 gewährleistet wird.

Claims

Elektrode für eine paarweise Anordnung in einem Vakuumrohr (21) eines Vakuumschalters, wobei die Elektrode windradförmig ausgebildet ist und folgendes aufweist: – einen inneren Nabenbereich (4), – einen äußeren Blattbereich, wobei die jeweiligen Blätter als Kontaktbereiche (3) ausgebildet sind und – eine Vielzahl von spiralförmigen Nuten (2), die sich von einem zentralen Bereich zu einem Umfangsbereich erstrecken und die Blätter voneinander trennen, wobei die Kontaktbereiche (3) dafür ausgebildet sind, in Kontakt mit den Kontaktbereichen (3) einer zweiten Elektrode eines Paares gebracht zu werden und das Paar von windradförmigen Elektroden (1) zu schließen, und wobei sie weiterhin dafür ausgebildet sind, einen elektrischer Lichtbogen (9, 9') auf den Kontaktbereichen (3) zu erzeugen, wenn das Paar von windradförmigen Elektroden (1) voneinander getrennt wird, wobei ein Magnetfluß von einem elektrischen Strom (I1, I2) erzeugt wird, der von dem Nabenbereich (4) der Elektrode oder der zweiten Elektrode aus in den elektrischen Lichtbogen fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (3) eine um eine Differenz (h) größere Dicke (H) aufweisen als der Nabenbereich (4), und daß durch Festlegung einer maximalen Differenz (h), eines minimalen Verhältnisses vom Innendurchmesser (Di) zum Außendurchmesser (D) der Kontaktbereiche (3) und eines maximalen Verhältnisses vom Durchmesser (d) eines zentralen Verbindungsloches (7) des Nabenbereiches (4) zu dem Innendurchmesser (Di) der Kontaktbereiche (3) die Elektrode (1) derart ausgebildet ist, daß bei Trennung des Elektrodenpaares unter Stromfluß ein die Rotation des Lichtbogens auf der Elektrode (1) treibender Magnetfluß in einem Abstand von bis zu 0,5 mm von der Oberfläche der Kontaktbereiche (3) mindestens 0,01 T bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA durch die Elektrode beträgt.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis vom Innendurchmesser (Di) zum Außendurchmesser (D) der Kontaktbereiche (3) größer oder gleich 0,4 ist.
Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz (h) kleiner oder gleich 5 mm ist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) mit einer durch des Verbindungsloch (7) passenden Elektrodenstange (6) verbunden ist, wobei das Verhältnis vom Durchmesser (d) des Verbindungsloches (7) zum Innendurchmesser (Di) der Kontaktbereiche (3) kleiner oder gleich 0,6 ist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Cu-Cr-Material besteht, das 20 bis 60 Gewichtsprozent Cr enthält.