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Die Erfindung betrifft eine Kontaktscheibe für ein Vakuumschaltrohr, insbesondere eine Kontaktscheibe mit Schlitzen zur Verminderung von Wirbelströmen in der Kontaktscheibe.
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Kontakte von Vakuumschaltröhren müssen für unterschiedliche Bedingungen geeignet sein. Bei Offenstellung eines Schaltgerätes ohne Stromfluss können z. B. Blitzstoßspannungen auftreten. Der Eintrag sehr hoher Spannungen verursacht in einem Vakuumschaltrohr örtlich sehr hohe elektrische Feldstärken. Diese müssen durch konstruktive Maßnahmen soweit reduziert werden, dass keine Durchschläge erfolgen können. Dieselben Maßnahmen müssen ergriffen werden, damit am Ende eines Ausschaltvorgangs durch die wiederkehrende Netzspannung keine Rückzündungen auftreten.
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Wahrend einer Ausschaltung treten für den Zeitraum mehrerer ms Lichtbögen auf. Bei sogenannten Axialmagnetfeld(AMF)-Kontakten wird mit Hilfe von Magnetfeldern der Energieumsatz im Lichtbogen verringert und die damit zusammenhängende Kontakterosion vermindert. Die Magnetfelder werden durch Leiterelemente erzeugt, die den Stromfluss in Kontaktnähe durch eine Art Spule zwingen. Zur Verhinderung nachteiliger Wirbelströme müssen massive Leiterteile entsprechend geschlitzt werden. Dies gilt im speziellen auch für die Kontaktstücke oder Kontaktscheiben in Vakuumschaltgeräten.
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Um hohe lokale elektrische Feldstärken, welche zu Durchschlägen und Störlichtbögen führen können, in Schaltanlagen zu vermeiden, werden üblicherweise Kanten an Leitern von Mittel- und Hochspannungsanlagen vermieden. Stattdessen werden diese Bereiche mit großen Radien abgerundet, denn die Feldstärke nimmt mit zunehmendem Radius ab.
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Die Kontaktscheibe ist i. A. ein massiver Leiter aus Kupfer, in dem durch Stromfluss mit Netzfrequenz kreisförmige Wirbelströme erzeugt werden. Diese vermindern das vom darunter liegenden Kontaktstück erzeugte Magnetfeld, das für einen diffus brennenden Lichtbogen benötigt wird. Zur Verminderung der Wirbelströme ist die Kontaktscheibe geschlitzt. Im eingeschalteten Zustand des Schalters stehen sich zwei gleichartige Kontakte ohne Abstand gegenüber. Während eines Ausschaltvorgangs wird der Abstand auf einige Millimeter bis cm zunehmen. Infolge der anliegenden Spannungen treten an der Oberfläche der Kontakte in der Achse Feldstärken bis in den Bereich > 10 kV/mm auf. Selbst bei Abrundung mit großen Radien am Außenrand nimmt die Feldstärke auf Werte bis 30 kV/mm zu. Auch die Kanten der Schlitze müssen verrundet sein. Trotz der Abrundungen treten an Kontaktscheiben immer noch hohe Feldstärken auf, vor allem lokal überhöhte Felder.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kontaktscheibe für ein Vakuumschaltrohr anzugeben, mit der das oben genannte Problem vermindert wird. Insbesondere lokale Feldüberhöhungen sollen bei Verwendung der Kontaktscheibe verringert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kontaktscheibe für ein Vakuumschaltrohr mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Kontaktscheibe für ein Vakuumschaltrohr weist wenigstens einen Schlitz zur Verminderung von Wirbelströmen in der Kontaktscheibe auf. Der oder die Schlitze liegen vollständig innerhalb der Kontaktscheibe. Mit anderen Worten reichen die Schlitze nicht wie bei bekannten Kontaktscheiben für Vakuumschaltrohre bis zum Rand, sondern beginnen und enden innerhalb der Kontaktscheibenfläche. Der Rand der Kontaktscheibe bildet daher – zumindest soweit es die Schlitze zur Verminderung von Wirbelströmen betrifft – insbesondere einen ununterbrochenen Kreis. Mit dem Rand ist in diesem Zusammenhang der Umfang der Scheibe gemeint.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass lokale Feldüberhöhungen vor allem an den Übergangsbereichen von den Rändern eines der Schlitze zum Rand der Kontaktscheibe auftreten. Dies passiert, obwohl sowohl die Ränder der Schlitze als auch der Rand der Kontaktscheibe abgerundet sind. Vorteilhaft vermeidet die erfindungsgemäße Kontaktscheibe diese Feldüberhöhungen, da die Übergänge der Schlitze zum Rand der Kontaktscheibe gar nicht erst vorhanden sind.
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Die Erfindung befasst sich dabei mit der Lösung der widersprüchlichen Anforderungen von der Elektrostatik einerseits und den zeitlich veränderlichen Magnetfeldern andererseits. Eine gewünschte Verringerung der elektrostatischen Feldstärke an der Kontaktoberfläche ließe sich schon durch eine Vergrößerung der Abrundungsradien erzielen. Dadurch würde aber unweigerlich die Kontaktscheibe dicker und die unerwünschten Wirbelströme würden verstärkt. Dieser scheinbar zwangsläufige Widerspruch wird mit der Erfindung vorteilhaft voneinander entkoppelt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weist die Kontaktscheibe einen Randbereich und einen Innenbereich auf, wobei die Dicke der Kontaktscheibe im Innenbereich geringer ist als im Randbereich. Bei einer kreisförmigen Kontaktscheibe sind der Innenbereich und der Randbereich insbesondere auch kreisförmig, wobei der Randbereich dann die Form eines Kreisrings hat. Der im Gegensatz zu bekannten Kontaktscheiben dünnere Innenbereich der Kontaktscheibe hat den Vorteil, die Wirkung von Wirbelströmen im Inneren der Kontaktscheibe zu vermindern. Dann ist es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung möglich dass der äußere Rand der Kontaktscheibe eine Abrundung aufweist, wobei der Radius der Abrundung größer ist als die Dicke der Kontaktscheibe im Innenbereich. Es kann also vorteilhaft gleichzeitig eine Verminderung der Wirkung von Wirbelströmen als auch die Verwendung eines verhältnismäßig großen Abrundungsradius am Außenrand der Kontaktscheibe verwendet werden, was zu einer Verminderung der elektrischen Feldstärken am Rand der Kontaktscheibe führt.
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Die Kontaktscheibe weist wenigstens bevorzugt wenigstens vier Schlitze, insbesondere wenigstens sechs Schlitze zur Verminderung von Wirbelströmen in der Kontaktscheibe auf. Die Schlitze können dabei geradlinig ausgestaltet sein oder in anderer Form, beispielsweise gebogen oder abgewinkelt. Weiterhin können die Schlitze in radialer Richtung angeordnet sein, d. h. ausgehend vom Mittelpunkt der Kontaktscheibe zum Rand hin. Sie können auch in spiralförmiger Weise abweichend von der radialen Richtung angeordnet sein. Die Schlitze sind bevorzugt gleichmäßig über die Kontaktscheibe verteilt. Dabei ist es auch möglich, dass mehrere Reihen von Schlitzen vorgesehen sind, von denen jeweils Teilgruppen gleichmäßig über die Kontaktscheibe verteilt sind.
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Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Dabei zeigen
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1 eine Kontaktscheibe in Draufsicht und
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2 ein Schnittbild der Kontaktscheibe in Seitenansicht.
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1 zeigt die Oberfläche einer Kontaktscheibe 1 von der Seite eines Lichtbogens zu einer weiteren Kontaktscheibe aus gesehen. Es sind beispielhaft vier geradlinige Schlitze 2 eingezeichnet. Die Schlitze 2 sind abweichend von der exakt radialen Richtung ausgerichtet. Der Rand der Kontaktscheibe 1 weist eine Abrundung 3 auf. Die Ränder der Schlitze 2 weisen ebenfalls Abrundungen 4 auf. Die dünnen Linien deuten an, an welcher Stelle die Radien der Abrundungen in die ebene Fläche übergehen.
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Der Unterschied zu bisherigen Kontaktscheiben besteht darin, dass die Schlitze 2 nicht bis zum äußeren Rand der Kontaktscheibe 1 reichen. Vielmehr sind die Schlitze 2 durch einen Abstand 5 vom Rand der Kontaktscheibe 1 getrennt. Ein Übergang von den Schlitzen 2 zum Rand der Kontaktscheibe 1 existiert nicht.
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2 zeigt einen Schnitt durch die Kontaktscheibe 1, der in der Mitte eines Schlitzes 2 verläuft. Oberhalb der Kontaktscheibe 1 befindet sich während eines Ausschaltvorgangs der Lichtbogen zu einer weiteren Kontaktscheibe 1. In 2 wird ersichtlich, dass die Kontaktscheibe 1 einen Randbereich 6 aufweist und einen Innenbereich 7. Der Randbereich 6 ist kreisringförmig und der Innenbereich 7 ist kreisförmig. Die Dicke der Kontaktscheibe 1 ist im Innenbereich 7 geringer als im Randbereich 6.
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Weiterhin ist bei der Kontaktscheibe 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Radius der Abrundung 3 der Kontaktscheibe 1 größer gewählt als die Dicke der Kontaktscheibe 1 im Innenbereich 7. Hierdurch wird gleichzeitig eine Verminderung der Einflüsse von Wirbelströmen als auch eine Verringerung der elektrischern Feldstärken am Außenrand der Kontaktscheibe 1 erreicht.
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Die höchsten Feldstärken treten am äußeren Rand der verrundeten Stirnfläche der Kontaktscheibe 1 auf. Eine zusätzliche Überhöhung tritt dort auf, wo die Abrundung der Schlitze 2 mit der äußeren Abrundung 3 am Umfang an einer Kante zusammen treffen. Mit dem gezeigten Aufbau wird vermieden, dass der Rand der Kontaktscheibe 1 von den Schlitzen 2 überhaupt berührt wird. Die elektrostatische Feldstärke an der Abrundung 3 ist nun am ganzen Umfang der Kontaktscheibe 1 einheitlich. Die lokale Überhöhung entfällt.
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Ein großer Radius der Abrundung 3 am Umfang der Kontaktscheibe 1 erfordert an dieser Stelle eine größere Dicke. Eine größere Dicke ist aber wegen der Wirbelströme nicht erwünscht. Beispielsweise durch Ausdrehen der Kontaktscheibe 1 im Innenbereich 7 kann die Dicke in weiten Grenzen und unabhängig vom Radius der Abrundung 3 verringert werden. Damit kann die Wirkung unerwünschter Wirbelströme im Innenbereich 7 der Kontaktscheibe 1 auf ein Mindestmaß reduziert werden. Zur Zentrierung der Kontaktscheibe 1 kann beispielsweise eine vorstehende Kante in einem Kontaktkörper verwendet werden, die von innen in den ausgedrehten Innenbereich 7 greift.
