DE102014100720A1

DE102014100720A1 - Schaltgerät zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichstrom

Info

Publication number: DE102014100720A1
Application number: DE102014100720.4A
Authority: DE
Inventors: Karsten Gerving; Volker Lang; Johannes Meissner; Ralf Thar
Original assignee: Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
Current assignee: Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Schaltgerät zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichstrom, mit zumindest einem Kontaktpaar, welches einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt aufweist, wobei zumindest der zweite Kontakt zum ersten Kontakt beweglich ist und mit einem Gehäuse, wobei mindestens ein erster Abschnitt des Gehäuses aus einem Isolierstoff besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichstrom, mit zumindest einem Kontaktpaar, welches einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt aufweist, wobei zumindest der zweite Kontakt zum ersten Kontakt beweglich ist und mit einem Gehäuse, wobei mindestens ein erster Abschnitt des Gehäuses aus einem Isolierstoff besteht.
Es ist bekannt, dass man zum dauerhaften Trennen von Gleichströmen, anders als bei Wechselströmen, in entsprechenden Schaltgeräten einen magnetischen Blasmechanismus vorsieht, der den beim Öffnen der Schaltkontakte entstehenden Schaltlichtbogen aufgrund der auf ihn wirkenden Lorentz-Kraft von den Schaltkontakten weg in Richtung einer Lichtbogenlöschvorrichtung treibt, wo dieser bei Erreichen der treibenden Spannung schließlich verlischt. Die magnetische Blaswirkung wird dabei entweder über eine im Schaltgerät integrierte Blasfeldspulenanordnung, durch die der zu trennende Laststrom fließt, erzielt oder aber durch ein statisches magnetisches Blassystem, bestehend aus einem oder mehreren Permanentmagneten, gegebenenfalls in Zusammenwirkung mit einer geeignet ausgelegten magnetischen Polplattenanordnung.
Neben dem bekannten Lichtbogenlöschprinzip der Erhöhung der Lichtbogenspannung bis zum Erreichen der treibenden Spannung durch Vervielfältigung der Lichtbogenspannung beim Aufteilen des von den Schaltkontakten weggetriebenen Schaltlichtbogens in mehrere Teillichtbögen in sogenannten Deion-Löschkammern, lässt sich die elektrische Spannung auch durch eine gezielte Längung des Lichtbogens, beispielsweise beim Durchlaufen einer divergierenden Lichtbogen-Laufschienenanordnung erreichen. Eine besonders effiziente Lichtbogenlöschung lässt sich erzielen, indem statt Luft als Schaltumgebung eine Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem stark wasserstoffhaltigen Gasgemisch gewählt wird, welches in einer hermetisch gekapselten Schaltanordnung eingeschlossen ist. Wasserstoffmoleküle bewirken auf Grund ihrer im Vergleich zu Luftmolekülen wesentlich höheren Teilchengeschwindigkeit eine sehr effiziente Kühlung und Deionisation der Schaltstrecke. Im Ergebnis lässt sich beim Schalten in einer Wasserstoffatmosphäre an einem frei brennenden Lichtbogen ein mehrfaches der mit der gleichen Schaltanordnung in Luft erzielbaren Lichtbogenspannung erreichen. In der Praxis bedeutet dies, dass über eine gezielte Längung des Schaltlichtbogens, hervorgerufen durch ein magnetisches Blasfeld im Schaltmedium Wasserstoff oder auch einem geeigneten wasserstoffhaltigen Gasgemisch eine höhere Brennspannung aufbaut werden kann, als durch die Aufteilung des Lichtbogens in mehrere Teillichtbögen in Form einer klassischen Löschblechanordnung.
Ein gekapseltes, wasserstoffgefülltes Schaltgerät ist beispielsweise in Form eines kompakten Relais in der US 5 519 370 A beschrieben. Bei geeigneter Auslegung können mit einem solchem Schaltprinzip Ströme von mehreren hundert Ampere bei Schaltzahlen im Bereich einiger hundert bis eintausend Schaltungen getrennt werden.
Energiereiche Gleichstrom-Schaltlichtbögen bedeuten auf Grund der extrem hohen Lichtbogentemperaturen insbesondere bei längerer Brenndauer jedoch eine starke thermische Belastung der Schaltkammer, was im Ergebnis die Lebensdauer des Schaltgeräts spürbar begrenzt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine polaritätsunabhängige Schaltkammer, insbesondere für hohe Gleichströme, vorzuschlagen, die gleichermaßen hohe elektrische Schaltleistungen sowie eine hohe Gesamtschaltzahl ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Schaltgerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Das erfindungsgemäße Schaltgerät zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichstrom weist zumindest ein Kontaktpaar auf, welches einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt umfasst, wobei zumindest der zweite Kontakt zum ersten Kontakt beweglich ist. Mit nur einem Kontaktpaar wird der Gleichstrom an einer Stelle unterbrochen, indem der zweite Kontakt von dem ersten Kontakt entfernt wird. Bei dieser einfachunterbrechenden Anordnung entsteht genau ein Lichtbogen zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt. Bei einer doppeltunterbrechenden Anordnung sind zwei Kontaktpaare vorgesehen, die den Gleichstrom zeitgleich an zwei Stellen trennen, so dass sich zwei Lichtbögen bilden, nämlich jeweils zwischen den ersten Kontakten und den zweiten Kontakten der zwei Kontaktpaare. In der folgenden Beschreibung wird in der Regel nur auf ein Kontaktpaar eingegangen. Alle beschriebenen Merkmale können jedoch ebenso auf eine doppeltunterbrechende Anordnung mit zwei Kontaktpaaren übertragen werden.
Das erfindungsgemäße Schaltgerät weist weiterhin ein Gehäuse auf, wobei mindestens ein erster Abschnitt des Gehäuses aus einem Isolierstoff besteht, worunter grundsätzlich jeder geeignete, nicht oder sehr schwach Strom leitende Feststoff zu verstehen ist, insbesondere Keramik.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste Kontakt einen ringförmigen Abschnitt aufweist, wobei der ringförmige Abschnitt mit dem ersten Abschnitt des Gehäuses verbunden ist, wobei der erste Kontakt einen zweiten Abschnitt des Gehäuses bildet, und wobei der zweite Kontakt innerhalb des ringförmigen Abschnitts des ersten Kontakts angeordnet ist.
Neben Maßnahmen zur Reduzierung der Lichtbogenbrenndauer, wie beispielsweise die Wahl von Wasserstoff als Schaltmedium, lässt sich die destruktive Wirkung eines energiereichen Lichtbogens vorteilhaft auch dadurch minimieren, dass der Lichtbogen kontinuierlich in Bewegung gehalten wird. Auf diese Weise verteilt sich die thermische Energie des Bogens auf einen größeren Bereich der Schaltkammer, so dass jeder gegebene Teilbereich nur für einen kurzen Zeitraum der unmittelbaren thermischen Einwirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Schaltgeräts besteht darin, dass der ringförmige Abschnitt des ersten Kontakts es erlaubt, den Lichtbogen fortlaufend im Kreis herum zu führen, mit dem zweiten Kontakt innerhalb des ringförmigen ersten Kontakts. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Gehäuse neben einem ersten Abschnitt aus Isolierstoff, den ersten Kontakt als einen zweiten Gehäuseabschnitt aufweist. Diese zwei Gehäuseabschnitte können im einfachsten Fall zu einem abgedichteten, insbesondere gasdichten Gehäuse zusammengefügt sein, so dass das erfindungsgemäße Schaltgerät vorteilhaft eine gekapselte Atmosphäre aus Wasserstoff einschließen kann.
Bevorzugt weist der erste Kontakt eine becherartige Form auf, wobei der ringförmige Abschnitt durch einen Bodenabschnitt einseitig verschlossen ist. Weiterhin bevorzugt ist der erste Abschnitt des Gehäuses ringförmig ausgebildet und abdichtend mit einer Stirnseite des ringförmigen Abschnitts verbunden, wodurch sich eine vorteilhaft kompakte und leicht gasdicht abzuschließende Form des Gehäuses ergibt.
Unter Lichtbogeneinwirkung werden Kontaktpartikel im Bereich der Kontakte emittiert, welche den Isolierstoff belegen können und so zu einem allmählichen Verlust der Isolationsfähigkeit und damit zum vorzeitigen Ausfall der Schaltkammer führen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Abschnitt des Gehäuses abdichtend mit einem äußeren Teilbereich der Stirnseite des ringförmigen Abschnitts verbunden ist, wobei ein verjüngtes Ende des ringförmigen Abschnitts in den ersten Abschnitt des Gehäuses hineinragt und von diesem durch einen umlaufenden Spalt getrennt ist. Die Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein im Bereich des Spalts liegender Teil des ersten Gehäuseabschnitts aus Isolierstoff durch den in den ersten Abschnitt hineinragenden Teil des ersten Kontakts abgeschattet wird, wodurch eine Belegung durch emittierte Partikel in diesem Bereich vorteilhaft verhindert wird.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der erste Abschnitt des Gehäuses einen ringförmigen Steg aufweist, welcher sich nach innen erstreckt. Auch dieser Steg erfüllt vorteilhaft den Zweck, einen Teilbereich des ersten Abschnitts des Gehäuses aus Isolierstoff vor einer Belegung mit emittierten Kontaktpartikeln abzuschatten, um dessen isolierende Eigenschaften zu erhalten.
Der zweite Kontakt weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf, wobei ein Lichtbogen zwischen einer äußeren Mantelfläche des zylindrischen zweiten Kontakts und einer inneren Oberfläche des ringförmigen Abschnitts des ersten Kontakts führbar ist. Dementsprechend ist der erste Kontakt in seinem ringförmigen Bereich mit einer entsprechenden Wandstärke auszuführen. Der zweite zylinderförmige Kontakt, liegt innerhalb des ersten Kontakts und ist der größten Beanspruchung durch die Lichtbogenwirkung ausgesetzt. Dieser kann jedoch vorteilhaft als Vollzylinder entsprechend widerstandsfähig ausgeführt sein. Der Fachmann erkennt, dass ähnliche, von der Zylinderform abweichende Varianten ebenso verwendbar sind, wie beispielsweise ein Ring, eine Kugel oder ein linsenförmiger Kontakt.
Die äußere Mantelfläche des zylindrischen zweiten Kontakts und/oder die innere Oberfläche des ringförmigen Abschnitts des ersten Kontakts sind vorzugsweise zumindest in Bereichen, die von Fußpunkten des Lichtbogens unmittelbar überstrichen werden, mit einem abbrandfesten Material ausgestattet.
Zur Führung des Lichtbogens ist es vorzugsweise vorgesehen, dass Bereiche, die von Fußpunkten des Lichtbogens unmittelbar überstrichen werden, eine wulstartige Erhöhung aufweisen.
Der zweite Kontakt ist insbesondere von einer geöffneten Position des mindestens einen Kontaktpaars in eine geschlossene Position und zurück bewegbar, wobei der zweite Kontakt in der geschlossenen Position den ersten Kontakt berührt. In der geöffneten Position des mindestens einen Kontaktpaars ist der zylindrische zweite Kontakt vorzugsweise konzentrisch zu dem ringförmigen Abschnitt des ersten Kontakts angeordnet. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft in Schaltgeräten anwendbar, in denen der oder die Lichtbögen mehr als eine halbe Umdrehung um den zweiten Kontakt ausführen, bevor sie verlöschen. Insbesondere bei besonders hohen Stromstärken und bei hohen induktiven Anteilen kann es zu mehrfachen Umläufen des Lichtbogens kommen, bevor dieser verlischt. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der Lichtbogen unabhängig von seiner Position stets gleich lang und wird vorwiegend durch das kontinuierliche Bewegen durch die Wasserstoffatmosphäre gelöscht.
Bei Gleichströmen mit geringem induktiven Anteil wird der Lichtbogen in der Regel innerhalb einer halben Umdrehung verlöschen. In diesem Fall ist ein Schaltgerät gemäß einer alternativen Ausführungsform von Vorteil, bei dem in einer geöffneten Position des mindestens einen Kontaktpaars der zylindrische zweite Kontakt außermittig zu dem ringförmigen Abschnitt des ersten Kontakts angeordnet ist. Insbesondere ist der zweite Kontakt näher an der Kontaktstelle mit dem ersten Kontakt, als an dem der Kontaktstelle gegenüberliegenden Teil des ringförmigen ersten Kontakts, so dass der an der Kontaktstelle entstehende Lichtbogen aufweitet, je weiter er zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt voranschreitet. Die größtmögliche Längung erreicht der Lichtbogen somit nach einer halben Umdrehung und soll somit spätestens dort gelöscht sein. Besonders bevorzugt ist die geöffnete Position des zweiten Kontakts einstellbar, so dass das Schaltgerät besonders vorteilhaft dem zu schaltenden Gleichstrom entsprechend einstellbar ist.
Zur Erzeugung eines magnetischen Blasfelds ist vorzugsweise ein Permanentmagnet vorgesehen, der insbesondere in dem becherförmigen ersten Kontakt angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Permanentmagnet von zylindrischer Form. Bei zwei Kontaktpaaren sind dementsprechend zwei solche Permanentmagnete vorgesehen, wobei diese vorzugsweise hierbei so angeordnet sind, dass die Magnetfeldlinien im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse der dann etwa zylindrischen Form des Gehäuses des Schaltgeräts verlaufen. Beispielsweise ist ein erster Permanentmagnet in dem becherförmigen Kontakt des ersten Kontaktpaars angeordnet und ein zweiter Permanentmagnet in dem becherförmigen Kontakt des zweiten Kontaktpaars angeordnet, wobei der magnetische Nordpol des ersten Permanentmagneten dem magnetischen Südpol des zweiten Permanentmagneten gegenüberliegt. Durch diese Anordnung verlaufen die magnetischen Feldlinien zwischen den beiden Permanentmagneten in vorteilhafter Weise weitgehend parallel zu der Längsachse des Gehäuses. Weiterhin ist bevorzugt, dass der Permanentmagnet durch eine Vorsatzplatte aus thermisch resistentem Material, wie beispielsweise Keramik geschützt ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform weist, wie zuvor bereits angegeben, zwei Kontaktpaare auf, wobei die zwei ersten Kontakte jeweils mit ersten Abschnitten des Gehäuses verbunden sind und zwei gegenüberliegend angeordnete, zweite Abschnitte des Gehäuses bilden. Die ersten Abschnitte des Gehäuses können dabei ein einteiliges Bauteil bilden. Alternativ kann zwischen den ersten Abschnitten des Gehäuses noch mindestens ein mittiger Abschnitt des Gehäuses angeordnet sein, welcher nicht notwendigerweise isolierend sein muss. Vielmehr kann der mittlere Abschnitt aus Metall, beispielsweise aus einer Kupferlegierung bestehen.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass durch die beschriebenen Abschnitte des Gehäuses eine geschlossene Kammer definiert wird, wobei die einzelnen Teile vorzugsweise miteinander verlötet sind. Weiterhin bevorzugt hat das Gehäuse eine im wesentlichen zylindrische Form, insbesondere bestehend aus den zwei massiv ausgeführten, becherförmigen, feststehenden ersten Kontakten an den Stirnseiten, die Teil des Gehäuses sind und deren innen liegende Flächen vorteilhaft dazu geeignet sind, gleichermaßen als feststehende Schaltkontakte und als Lichtbogenlaufanordnung zu dienen.
Des Weiteren ist in dem Gehäuse vorzugsweise eine Schaltbrücke zum Stromführen bei geschlossenen Kontaktpaaren vorgesehen, wobei die zwei zweiten Kontakte an gegenüberliegenden Enden der Schaltbrücke angeordnet sind, die dadurch insbesondere eine mit einer Hantel vergleichbare Form aufweist.
Die Schaltbrücke ist vorzugsweise mit einem Schaltstößel verbunden, wobei ein von der Schaltbrücke entferntes Ende des Schaltstößels außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dazu ist vorzugsweise ein abgedichteter Durchtritt für den Schaltstößel durch einen mittigen Abschnitt des Gehäuses vorgesehen, wobei der Durchtritt eine in dem mittigen Abschnitt angeordnete Öffnung und einen einerseits um die Öffnung herum befestigten Faltenbalg aufweist, wobei der Faltenbalg andererseits mit einem Kragen des Schaltstößels verbunden ist. Besonders bevorzugt ist der Kragen in Form einer Hülse ausgeführt, wobei eine Wand der Hülse den Faltenbalg teilweise aufnimmt, um diesen vorteilhaft vor der Einwirkung der Lichtbögen zu schützen.
Gemäße einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Gehäuse mit einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem stark wasserstoffhaltigen Gasgemisch gefüllt ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
Es zeigen
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltgeräts;
2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltgeräts;
3 noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltgeräts.
Der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts wird mit Bezug auf die 1 beschrieben. In den 2 und 3 sind weitere vorteilhafte Ausführungen dargestellt. Das in der 1 dargestellte Schaltgerät zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichstrom weist zwei Kontaktpaare auf, welche durch jeweils einen ersten Kontakt 11, 12 und einen zweiten Kontakt 41, 42 gebildet werden. Die zweiten Kontakte 41, 42 sind zum Trennen und Schließen des Gleichstromkreises zu den ersten Kontakten 11, 12 beweglich. In der dargestellten Position der zweiten Kontakte 41, 42 ist der Stromkreis getrennt. Ein Gehäuse 1 des Schaltgeräts weist zwei erste Abschnitte 31, 32 auf, die aus einem Isolierstoff bestehen. Die ersten Kontakte 11, 12 weisen jeweils einen ringförmigen Abschnitt 14, 15 auf, wobei die ringförmigen Abschnitte 14, 15 mit den ersten Abschnitten 31, 32 des Gehäuses 1 verbunden sind und so jeweils zweite Abschnitte des Gehäuses 1 bilden. Die zweiten Kontakte 41, 42 sind jeweils innerhalb der ringförmigen Abschnitte 14, 15 der ersten Kontakte 11, 12 angeordnet. Die ersten Kontakte 11, 12 weisen insgesamt jeweils eine becherartige Form auf, wobei die ringförmigen Abschnitte 14, 15 durch jeweils einen Bodenabschnitt 16, 17 einseitig verschlossen sind.
Das Gehäuse 1 ist vorzugsweise hermetisch dicht gekapselt und insbesondere in einer im Wesentlichen zylindrischen Anordnung mit den zwei feststehenden Anschlusselektroden oder ersten Kontakten 11, 12, vorzugsweise aus Kupfer, an den Stirnseiten ausgeführt. Ein äußerer, massiv ausgeführter Teil 18 der Elektroden dient dem Anschluss von nicht dargestellten Stromleitern. Die ringförmigen Abschnitte 14, 15 der ersten Kontakte 11, 12 sind bevorzugt als Kupfer-Hohlkörper mit ausreichend dicker Wandstärke ausgeführt, da diese zum einen den Laststrom führen müssen und zum anderen jeweils einen zweiten Abschnitt des Gehäuses 1, einer hermetisch dichten Schaltkammer, darstellen, in deren Innerem 20 sich das Schaltgas, insbesondere in Form einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem stark wasserstoffhaltigen Gasgemisch, befindet. Zur elektrischen Isolierung der beiden Anschlusspole gegeneinander befindet sich an den stirnseitigen inneren Enden der Kupfer-Hohlkörper der ringförmigen Abschnitte 14, 15 jeweils der ebenfalls ringförmige ausgeführte erste Abschnitt 31, 32 des Gehäuses 1 aus Isolierstoff, vorzugsweise aus Keramik, welcher an der jeweiligen Stirnfläche vorzugsweise über eine Lotverbindung gasdicht mit den Kupferteilen der ersten und zweiten Kontakte 11, 12 verbunden ist. Die jeweils anderen Stirnseiten der beiden Isolierstoffringe 31, 32 sind mit einem mittleren Abschnitt 35 des Gehäuses 1, vorzugsweise einem metallenen Rohr, insbesondere aus Kupfer oder Edelstahl, ebenfalls gasdicht verbunden, so dass auf diese Weise insgesamt ein etwa zylindrisches, hermetisch verschlossenes Gehäuse 1 als Schaltkammer entsteht.
Um bei Schaltvorgängen eine ganzflächige Belegung von Innenseiten der Isolierstoffringe 31, 32 durch unter Lichtbogeneinwirkung emittierte Kontaktpartikel zu verhindern, welche zu einem allmählichen Verlust der Isolationsfähigkeit der ersten Abschnitte 31, 32 des Gehäuses 1 und damit zum vorzeitigen Ausfall des Schaltgeräts führen würde, sind die ersten Abschnitte 31, 32 aus Isolierstoff gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an ihren Innenflächen zu umlaufenden schmalen Stegen 33 senkrecht zur Innenfläche verlängert, so dass auf diese Weise vorteilhaft ein Teil der inneren Keramikflächen der ersten Abschnitte 31, 32 gegen eine Belegung abschattet ist.
Ein vergleichbarer Effekt lässt sich erzielen, indem, wie in 3 dargestellt, die ringförmigen Abschnitte 14, 15 der Anschlusselektroden 11, 12 entlang der Innenfläche in der Weise durch je ein verjüngtes Ende 21 der ringförmigen Abschnitte 14, 15 verlängert sind, dass jeweils ein ringförmiger Spalt 19 zwischen den Kupferwänden der ringförmigen Abschnitte 14, 15 und zumindest einer Teilfläche des sich dort jeweils unmittelbar anschließenden Isolierrings 31, 32 entsteht.
Zum Schalten und Stromführen befindet sich in dem Gehäuse 1 eine Schaltbrücke 40, deren äußere Enden als zylindrische oder walzenförmige zweite Kontakte 41, 42 ausgebildet sind. Daraus ergibt sich eine insbesondere rotationssymmetrische, hantelförmige Anordnung, deren Rotationsachsen parallel zu einer Längsachse des im Wesentlichen zylindrischen Gehäuses 1 verlaufen. Die beiden walzenförmigen zweiten Kontakte 41, 42 sind vorzugsweise einstückig durch eine zylindrische Verbindungsachse 45 miteinander verbunden. Die Beweglichkeit der hantelförmigen Schaltbrücke 40 mit den zweiten Kontakten 41, 42 innerhalb des gasdichten Gehäuses 1 wird dadurch hergestellt, dass diese vorzugsweise einstückig mit einem Schaltstößel 46 verbunden ist, welcher senkrecht zu der Rotationsachse der Schaltbrücke 40 verläuft, wobei sich das eine Ende des Schaltstößels 46 im Innern des Gehäuses 1 befindet und das andere Ende außerhalb der Schaltkammer liegt. Der gasdichte Durchtritt des Schaltstößels 46 durch das Gehäuse erfolgt hierbei vorzugsweise durch den mittigen Gehäuseabschnitt 35, vorzugsweise mittig durch dessen Umfang. Die Gasdichtigkeit wird hierbei über einen beweglichen Faltenbalg 50, vorzugsweise aus Edelstahl, sichergestellt, in der Weise, dass dessen zur Schaltkammermitte gerichtete Stirnseite vorzugsweise über eine über den gesamten Umfang verlaufende Lotverbindung mit einem tellerförmigen Kragen 47 des Schaltstößels 46 verbunden ist.
In einer vorteilhaften Ausführung kann der Kragen 47 des Schaltstößels 46 auch, wie in den 2 und 3 dargestellt, in Richtung von dessen Längsachse in der Art einer Hülse ausgeführt werden, deren Wand 48, als eine Ummantelung zum Schutz der dünnwandigen Edelstahlhaut des Faltenbalgs 50, diesen vor der unmittelbaren Einwirkung durch die Schaltlichtbögen abschirmt. Eine weitere umlaufende Lotverbindung zwischen der zur Gehäusewand weisenden zweiten Faltenbalgstirnseite und dem um die Durchtrittsöffnung 36 des Schaltstößels 46 herum planflächig ausgeführten Umfangsbereich des mittigen Gehäuseabschnitts 35 sorgen schließlich für den gasdichten Durchtritt des Schaltstößels 46 in das Gehäuse 1.
Die Schaltvorgänge in dem hermetisch abgedichteten Gehäuse 1 erfolgen in der Weise, dass der außerhalb des Gehäuses 1 liegende Teil des Schaltstößels 46 elektrisch isoliert mit einem mechanischen oder elektromechanischen Schaltantrieb (nicht dargestellt) verbunden ist und lineare Schaltbewegungen in Richtung einer Längsachse des Schaltstößels 46 vollführt, was durch den Doppelpfeil in 1 angedeutet ist. In der geöffneten oder ausgeschalteten Position der zweiten Kontakte 41, 42 fällt, wie in 1 dargestellt, die Rotationsachse der hantelförmigen Schaltbrücke 40 mit den zweiten Kontakte 41, 42 mit der Längsachse des Gehäuses 1 zusammen. Im eingeschalteten Zustand bewegt sich der Schaltstößel 46 soweit in das Gehäuse hinein, bis es zu einer Kontaktgabe zwischen den walzenförmigen zweiten Kontakten 41, 42 mit der dem Schaltstößel 46 gegenüberliegenden inneren Schaltkammerwand, gebildet durch die ringförmigen Abschnitte 14, 15 der ersten Kontakte 11, 12, kommt, wodurch eine durchgehend elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Anschlusselektroden der ersten Kontakte 11, 12 entsteht.
Das grundlegende Funktionsprinzip dieser Schaltkammer besteht darin, dass die bei der Ausschaltbewegung des Schaltstößels 46 entstehenden beiden Schaltlichtbögen (nicht dargestellt) durch die Einwirkung eines magnetischen Blasfelds auf Grund der Lorentz-Kraft in eine kontinuierliche Bewegung versetzt werden, in der Weise, dass die Lichtbogenfußpunkte auf den Umfangsseiten der zylindrischen zweiten Kontakte 41, 42, ebenso wie die gegenüberliegenden Fußpunkte auf den Innenseiten der Schaltkammerwand im Bereich der ringförmigen Abschnitte 14, 15 der ersten Kontakte 11, 12 jeweils Kreisbahnen vollführen, deren Rotationsachsen parallel zur Längsachse des Gehäuses 1 verlaufen. Zur Erzeugung des magnetischen Blasfelds ist in den beiden becherförmigen ersten Kontakten 11, 12 je ein Permanentmagnet 61, 62, vorzugsweise von zylindrischer Form, angeordnet. Die Magneten 61, 62 sind insbesondere derart gepolt, dass in einem Fall der magnetische Nordpol, im anderen Fall der magnetische Südpol ins Innere des Gehäuses 1 weist. Durch diese Anordnung verlaufen die magnetischen Feldlinien zwischen den beiden Permanentmagneten weitgehend parallel, so dass die zwischen den walzenförmigen zweiten Kontakten 41, 42 und den ringförmigen Abschnitten 14, 15 der ersten Kontakte 11, 12 laufenden Schaltlichtbögen in eine kontinuierliche Rotationsbewegung versetzt werden. Zum Erzielen einer ausreichend hohen magnetischen Feldstärke können die Magnete 61, 62 vorteilhaft aus Legierungen seltener Erden bestehen.
Da die Rotation der Schaltlichtbögen in einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem stark wasserstoffhaltigen Gasgemisch erfolgt, wird dem Lichtbogen zum einen durch die besonders hohe Kühlwirkung der hochbeweglichen Wasserstoffmoleküle stetig Energie entzogen, was zu einem raschen Anstieg der elektrischen Spannung in der Lichtbogensäule führt. Zum anderen durchläuft der Lichtbogen bei seiner kontinuierlichen Rotation stets einen Volumenbereich der Schaltkammer, der noch nicht unmittelbar zuvor durchlaufen wurde und daher weitgehend deionisiert und vergleichsweise kühl ist. Hierdurch wird die Kühlwirkung des Schaltgases auf den Lichtbogen vorteilhaft verstärkt, was eine zusätzliche Erhöhung der Lichtbogenspannung bedeutet, so dass die treibende Spannung, bei deren Erreichen der rotierende Lichtbogen erlischt, früher erreicht wird. Weiterhin bewirkt das Durchlaufen einer weitgehend deionisierten Zone, dass die Wahrscheinlichkeit zur Ausbildung von Rückzündungen, die bei Lichtbögen von hohem Energiegehalt häufig auftreten und einen abrupten Abfall der Lichtbogenspannung bewirken, deutlich vermindert wird. Ebenso wird durch die kontinuierliche Bewegung des Lichtbogens die thermische Einwirkung von Lichtbogensäule und Fußpunkten auf die Schaltkontakte 14, 15, 41, 42 und Schaltkammerwände deutlich reduziert, was im Ergebnis für das Schaltgerät einen spürbaren Zugewinn an elektrischer Lebenserwartung bedeutet.
In einer Schaltkammer in der beschriebenen Form werden im Fall von weitgehend Ohm‘schen Lastkreisen die Schaltlichtbögen in der Regel bereits erlöschen, bevor eine volle Rotation vollzogen ist. Bei Lastkreisen mit einem höheren induktiven Anteil können jedoch auch mehrere Rotationen durchlaufen werden, bis die Lichtbögen durch kontinuierliche Kühlwirkung und Deionisation schließlich soviel Energie verloren haben, dass die treibende Spannung erreicht wird und sie verlöschen.
Die in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaltgeräts sind besonders bevorzugt für Lastkreise mit geringem induktivem Anteil zu verwenden. In der 1 ist eine Kontaktanordnung dargestellt, die im geöffneten Fall im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Längsachse des Gehäuses 1 verläuft, das heißt, dass in einer geöffneten Position der Kontaktpaare der zylindrische zweite Kontakt 41, 42 jeweils konzentrisch zu dem entsprechenden ringförmigen Abschnitt 14, 15 des ersten Kontakts 11, 12 angeordnet ist. Dagegen ist der Kontaktapparat im Fall der 2 und 3 asymmetrisch zur Gehäuseachse angeordnet, das heißt, dass in einer geöffneten Position der Kontaktpaare die zylindrischen zweiten Kontakte 41, 42 außermittig zu den ringförmigen Abschnitten 14, 15 der ersten Kontakte 11, 12 angeordnet sind. Beim Öffnen der Kontaktpaare haben die dabei entstehenden Schaltlichtbögen im Vergleich zur symmetrischen, bzw. konzentrischen Anordnung zunächst eine geringere Lichtbogenlänge, die aber mit dem Einsetzen der durch die Lorentz-Kraft initiierten Rotationsbewegung dann stetig wächst, bis schließlich nach einer halben Umdrehung ein Maximum erreicht wird. Da sich in einer Wasserstoff-Atmosphäre mit einer verlängerten Lichtbogensäule eine deutlich höhere Bogenspannung erzielen lässt, ist es von Vorteil, wenn man konstruktiv dafür sorgt, dass innerhalb einer gegebenen Schaltkammergeometrie möglichst rasch eine möglichst große Lichtbogenlänge erzielt wird, so dass Lichtbögen mit einem für die Schaltkammer ausgelegten Energiegehalt bereits im Verlauf von ca. einer halben Rotation verlöschen.
Die kontinuierliche Rotation der Schaltlichtbögen bedeutet eine vergleichsweise geringe thermischer Einwirkung auf die Schaltkammerwände, so dass die Schaltkammer auch bei längerer Lichtbogenbrenndauer nur moderat belastet wird, was im Vergleich zu an Luft betriebenen Schaltanordnungen mit konventionellen Deion-Löschkammern ebenfalls von Vorteil ist.
Vorteilhaft zum Erreichen einer hohen elektrischen Lebensdauer ist weiterhin, wenn die von den Lichtbogenfußpunkten unmittelbar betroffenen Bereiche der Schaltkammer mit abbrandfesten Materialien ausstattet werden, wie in 2 gezeigt, beispielsweise in Form von Auflagen 71, 72 auf den Mantelflächen der zylindrischen zweiten Kontakte 41, 42, ebenso wie an den diesen gegenüberliegenden Bereiche 73, 74 der ringförmigen Abschnitte der ersten Kontakte 11, 12. Letztere können vorteilhaft auch an ihrer dem Lichtbogen zugewandten Seite eine wulstartige Erhöhung 75 aufweisen, um die Lichtbogenfußpunkte entlang eines begrenzten Bereichs geführt rotieren zu lassen. Vorteilhaft ist auch eine dickwandige Ausführung der Kupferwandungen der ersten Kontakte 11, 12, was einen effektiven Abtransport der von den Schaltlichtbögen erzeugten Wärmeenergie aus der Schaltkammer bewirkt. Für die Lebensdauer der Schaltkammer ist weiterhin von Vorteil, die beiden Permanentmagneten 61, 62 vor der unmittelbaren Einwirkung der Schaltlichtbögen durch entsprechende Vorsatzplatten 65 aus einem thermisch resistenten Material, wie beispielsweise Keramik zu schützen. Aus fertigungstechnischen Gründen werden die Permanentmagnete 61, 62 bevorzugt erst nach dem gasdichten Verschluss des Gehäuses 1 von außen magnetisiert.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse, Schaltkammer
11: Erster Kontakt
12: Erster Kontakt
14: Ringförmiger Bereich des ersten Kontakts
15: Ringförmiger Bereich des ersten Kontakts
16, 17: Bodenabschnitte der ersten Kontakte
18: Anschlusselektrode der ersten Kontakte
19: Spalt
20: Innenraum des Gehäuses, Gasatmosphäre
21: Verjüngtes Ende der ringförmigen Abschnitte
31: Erster Abschnitt des Gehäuses, Isolierstoffring
32: Erster Abschnitt des Gehäuses, Isolierstoffring
33: Stege
35: Mittiger Abschnitt des Gehäuses, Verbindungsrohr
36: Öffnung
40: Schaltbrücke
41: Zweiter Kontakt
42: Zweiter Kontakt
45: Verbindungsachse der Schaltbrücke
46: Schaltstößel
47: Kragen
48: Wand, Abschirmung
50: Faltenbalg
61, 62: Permanentmagnete
65: Vorsatzplatten
71, 72: Abbrandfeste Auflage
73, 74: Abbrandfeste Auflage
75: Wulstartige Erhöhung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5519370 A [0004]

Claims

Schaltgerät (1) zum polaritätsunabhängigen Schalten von Gleichstrom, mit zumindest einem Kontaktpaar, welches einen ersten Kontakt (11, 12) und einen zweiten Kontakt (41, 42) aufweist, wobei zumindest der zweite Kontakt zum ersten Kontakt beweglich ist und einem Gehäuse (1), wobei mindestens ein erster Abschnitt (31, 32) des Gehäuses aus einem Isolierstoff besteht; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontakt (11, 12) einen ringförmigen Abschnitt (14, 15) aufweist, wobei der ringförmige Abschnitt mit dem ersten Abschnitt (31, 32) des Gehäuses (1) verbunden ist, wobei der erste Kontakt einen zweiten Abschnitt des Gehäuses bildet, und wobei der zweite Kontakt (41, 42) innerhalb des ringförmigen Abschnitts des ersten Kontakts angeordnet ist.
Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontakt (11, 12) eine becherartige Form aufweist, wobei der ringförmige Abschnitt (14, 15) durch einen Bodenabschnitt (16, 17) einseitig verschlossen ist.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (31, 32) des Gehäuses (1) ringförmig ausgebildet ist und abdichtend mit einer Stirnseite des ringförmigen Abschnitts (14, 15) verbunden ist.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (31, 32) des Gehäuses (1) abdichtend mit einem äußeren Teilbereich der Stirnseite des ringförmigen Abschnitts (14, 15) verbunden ist, wobei ein verjüngtes Ende (21) des ringförmigen Abschnitts in den ersten Abschnitt des Gehäuses hineinragt und von diesem durch einen umlaufenden Spalt (19) getrennt ist.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (31, 32) des Gehäuses (1) einen ringförmigen Steg (33) aufweist, welcher sich nach innen erstreckt.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontakt (41, 42) eine zylindrische Form aufweist, wobei ein Lichtbogen zwischen einer äußeren Mantelfläche des zylindrischen zweiten Kontakts und einer inneren Oberfläche des ringförmigen Abschnitts (14, 15) des ersten Kontakts (11, 12) führbar ist.
Schaltgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer geöffneten Position des mindestens einen Kontaktpaars der zylindrische zweite Kontakt (41, 42) konzentrisch zu dem ringförmigen Abschnitt (14, 15) des ersten Kontakts (11, 12) angeordnet ist.
Schaltgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer geöffneten Position des mindestens einen Kontaktpaars der zylindrische zweite Kontakt (41, 42) außermittig zu dem ringförmigen Abschnitt (14, 15) des ersten Kontakts (11, 12) angeordnet ist.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kontaktpaare vorgesehen sind, wobei die zwei ersten Kontakte (11, 12) jeweils mit ersten Abschnitten (31, 32) des Gehäuses (1) verbunden sind und zwei gegenüberliegend angeordnete, zweite Abschnitte des Gehäuses bilden.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) mit einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem stark wasserstoffhaltigen Gasgemisch gefüllt ist.