DE102016108246A1

DE102016108246A1 - Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern

Info

Publication number: DE102016108246A1
Application number: DE102016108246.5A
Authority: DE
Inventors: Gerd Schmitz; Marcel Uedelhoven; Johannes Meissner; Michael Wohlang; Oliver Kreft; Kai Schröder
Original assignee: Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2017-11-09
Also published as: WO2017190915A1; EP3453044A1; EP3453044B1; PL3453044T3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Doppelkontakt-Schalter mit einer ersten und einer zweiten röhrenförmig ausgebildeten Vakuumschaltkammer (1, 3), die als Teilschaltkammern einer Schaltröhre ausgebildet sind, einer in der Schaltröhre feststehenden, zwischen der ersten und zweiten Vakuumschaltkammer angeordneten Elektrode (4) mit einem ersten, in die erste Vakuumschaltkammer (1) hineinragenden Festkontakt und einem zweiten, in die zweite Vakuumschaltkammer (3) hineinragenden Festkontakt, einer in der ersten Vakuumschaltkammer (1) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen ersten Elektrode (11) mit einem, einen Kontakt (12) tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der ersten Vakuumschaltkammer (1) gasdicht abgesperrt ist, einer in der zweiten Vakuumschaltkammer (3) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen zweiten Elektrode (31), mit einem, einen Kontakt (32) tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der zweiten Vakuumschaltkammer (3) gasdicht abgesperrt ist, wobei die gasdichte Absperrung (13‘) des den Kontakt (12) tragenden Bereichs der ersten Elektrode (11) derart unterschiedlich zur gasdichten Absperrung (33‘) des den Kontakt (32) tragenden Bereichs der zweiten Elektrode (31) ausgebildet ist, dass das Öffnen des ersten Festkontakts (41) und des Kontakts (12) der ersten Elektrode (11) und das Öffnen des zweiten Festkontakts (42) und des Kontakt (32) der zweiten Elektrode (31) zeitlich versetzt erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern und ein Hybrid-Schaltgerät mit einem derartigen Doppelkontakt-Schalter.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 114 260 A1 ist ein Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern beschrieben, bei welchem die mechanische Schaltkomponente eine Doppel-Vakuumschaltkammer mit zwei in axialer Richtung angeordneten Kontaktpaaren aufweist, die sich unabhängig voneinander betätigen lassen.
Weiterhin ist in der DE 10 2013 114 260 A1 ein Hybrid-Schaltgerät mit diesem Doppelkontakt-Schalter beschrieben, bei dem ein Halbleiterschalter, basierend auf einem IGBT-Leistungshalbleiter (Insulated Gate Bipolar Transistor), elektrisch parallel zu einem der beiden Kontaktpaare des Doppelkontakt-Schalters angeordnet ist. Dieses Hybrid-Schaltgerät ist vor allem zum Schalten von Gleichströmen oder niederfrequenten Strömen geeignet.
Mit dem Öffnen eines ersten Kontaktpaares des Doppelkontakt-Schalters kann ein Laststrom sofort auf den IGBT kommutieren, wo er innerhalb weniger Millisekunden zu Null geführt wird. Mit dem zweiten Kontaktpaar des Doppelkontakt-Schalters kann dann, nachdem der Laststrom durch den IGBT gleich null ist, die galvanische Trennung im Hybrid-Schaltgerät herbeigeführt werden.
Idealerweise öffnet sich das für die galvanische Trennung zuständige zweite Kontaktpaar (Trennkontakte) mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung nach dem Öffnen des ersten Kontaktpaars (Kommutierungskontakte). Dadurch wird vermieden, dass bei gleichzeitigem oder verfrühtem Öffnen der Trennkontakte sich dort kurzzeitig d.h. für den Zeitraum, in der der Laststrom noch durch den IGBT geführt wird, ein Vakuumlichtbogen ausbildet. Insbesondere im Fall von hohen Strömen bedeuten solche kurzzeitigen Vakuumbögen nach zahlreichen Schaltungen unter Last wie z.B. bei Schützen einen allmählichen Kontaktabbrand und damit eine entsprechende Verringerung der elektrischen Lebensdauer.
Weiterhin kann es beim Einschaltvorgang von herkömmlichen rein mechanischen Schaltgeräten wie auch bei Hybrid-Schaltgeräten zu mechanischen Prellvorgängen kommen. Geschieht dies unmittelbar nach dem Schließen des zweiten Kontaktpaars, kann es im Moment des Zurückprellens aufgrund des fließenden Laststroms kurzzeitig zur Ausbildung eines Vakuumlichtbogens kommen, was mit einem lokalen Anschmelzen von Kontaktmaterial verbunden ist. Bei einer anschließenden Rekontaktierung besteht dann prinzipiell die Gefahr einer dauerhaften Kontaktverschweißung, wodurch für ein Hybrid-Schaltgerät, insbesondere -Schütz die Eigenschaft der galvanischen Trennung verlorengeht.
Auch bei nur geringfügigen Verschweißungen, die häufig auch als „Verpappungen“ bezeichnet werden, die vom Antrieb eines Schaltgeräts an sich mühelos wieder aufgebrochen werden, besteht insbesondere bei Schützen weiterhin die Gefahr, dass es durch zahlreiche Gleichstrom-Schalthandlungen unter Last aufgrund sich wiederholender lokaler Anschmelzungen von Kontaktmaterial auf einem der beiden Kontaktpaare zu einer Materialwanderung kommt, in der Weise, dass sich auf einem der Kontakte allmählich eine lokale Anhäufung von Kontaktmaterial ausbildet, wodurch die effektive Trennstrecke mit der Zeit reduziert wird. Langfristig kann dies ebenfalls das Wegfallen der galvanischen Trennfähigkeit bedeuten.
Bei Doppelkontakt-Vakuumschaltkammern in zylindrischer Anordnung mit beweglichen Elektroden an den Stirnseiten, wie bei der in 1 dargestellten aus der DE 10 2013 114 260 A1 bekannten Ausführungsform, kann in der Regel davon ausgegangen werden, dass die durch die Druckdifferenz Vakuum – Luft bedingten Kontaktdruckkräfte für beide Kontaktpaare der Schaltröhre in etwa gleich groß sind. Da bei Vakuumschaltgeräten in der Regel eine der Elektroden der Vakuumschaltröhren direkt mit dem mechanischen Schaltantrieb, und die andere Elektrode fest mit dem Gehäuse des Schaltgeräts verbunden ist, ist die erwünschte zeitliche Differenz beim Öffnen der beiden Kontaktpaare ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen häufig derart gering, dass bei den Trennkontakten prinzipiell die Möglichkeit einer Verschweißung sowie auch einer allmählichen Migration von Kontaktmaterial besteht.
In der DE 10 2013 114 260 A1 ist ein Hybrid-Schaltgerät mit der in 1 gezeigten Ausführung einer Doppelkontakt-Vakuumröhre beschrieben, bei dem Kontaktdruckfedern mit unterschiedlich hohen Federkonstanten eingesetzt werden, um zu erreichen, dass bei einem Ausschaltvorgang zunächst die Kommutierungskontakte einer Teilschaltkammer der Vakuumröhre öffnen, während der Körper der Vakuumröhre durch die auf ihn einwirkende Kontaktdruckfeder mit der größeren Federkonstante zunächst noch in der Einschaltposition gehalten wird und damit die Trennkontakte noch geschlossen bleiben. Erst durch das Entspannen dieser Feder mit der größeren Federkonstante kommt allmählich die Wirkung der Kontaktdruckfeder mit der kleineren Federkonstante zum Tragen, wodurch der Röhrenkörper in axialer Richtung bis zum Erreichen eines mechanischen Anschlags bewegt wird. Bei diesem Bewegungsvorgang des Röhrenkörpers öffnen sich dann zeitlich verzögert die Trennkontakte der rechten Teilschaltkammer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern vorzuschlagen, der einen geringeren Bauraum als die aus der DE 10 2013 114 260 A1 bekannte Lösung zum zeitlich versetzten Öffnen der Kontaktpaare benötigt.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegender Gedanke besteht darin, einen kompakten Doppelkontakt-Schalter mit als Teilschaltkammern einer Schaltröhre ausgebildeten Vakuumschaltkammern vorzuschlagen, der konstruktiv derart ausgebildet ist, dass beim Abschalten eines über den Schalter fließenden Laststroms die beiden Kontaktpaare in der Schaltröhre mit einem zeitlichen Versatz geöffnet werden, der zumindest größer bemessen ist als eine typische Stromflusszeit durch einen zu einem Kontaktpaar parallel geschalteten Halbleiterschalter. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass gasdichte Absperrungen der die Kontakte tragenden Bereiche der beweglichen Elektroden derart unterschiedlich ausgebildet sind, dass das Öffnen der Kontakte der beiden Kontaktpaare zeitlich versetzt bzw. verzögert erfolgt. Hierdurch ist der erfindungsgemäße Doppelkontakt-Schalter vor allem für den Einsatz in einem Hybrid-Schalter geeignet, bei dem ein Leistungshalbleiter-Schalter parallel zu dem sich zeitlich zuerst öffnenden ersten Kontaktpaar geschaltet ist. Beim Öffnen des ersten Kontaktpaars kann durch Durchschalten des Leistungshalbleiter-Schalters verhindert werden, dass sich zwischen dem zeitlich zuerst öffnenden Kontaktpaar ein Lichtbogen ausbildet. Durch Sperren des Leistungshalbleiter-Schalters während des Öffnens des ersten Kontaktpaares kann der auf den Leistungshalbleiter-Schalter kommutierte Laststrom zu Null geführt werden, insbesondere bevor das zweite Kontaktpaar geöffnet wird. Dadurch kann der Laststrom nahezu ohne Ausbildung eines Lichtbogens abgeschaltet werden. Die Erfindung ermöglicht eine besonders kompakte Ausbildung eines Doppelkontakt-Schalters mit Vakuumschaltkammern.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun Doppelkontakt-Schalter mit einer ersten und einer zweiten röhrenförmig ausgebildeten Vakuumschaltkammer, die als Teilschaltkammern einer Schaltröhre ausgebildet sind, einer in der Schaltröhre feststehenden, zwischen der ersten und zweiten Vakuumschaltkammer angeordneten Elektrode mit einem ersten, in die erste Vakuumschaltkammer hineinragenden Festkontakt und einem zweiten, in die zweite Vakuumschaltkammer hineinragenden Festkontakt, einer in der ersten Vakuumschaltkammer angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen ersten Elektrode mit einem, einen Kontakt tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der ersten Vakuumschaltkammer gasdicht abgesperrt ist, einer in der zweiten Vakuumschaltkammer angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen zweiten Elektrode, mit einem, einen Kontakt tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der zweiten Vakuumschaltkammer gasdicht abgesperrt ist, wobei die gasdichte Absperrung des den Kontakt tragenden Bereichs der ersten Elektrode derart unterschiedlich zur gasdichten Absperrung des den Kontakt tragenden Bereichs der zweiten Elektrode ausgebildet ist, dass das Öffnen des ersten Festkontakts und des Kontakts der ersten Elektrode und das Öffnen des zweiten Festkontakts und des Kontakt der zweiten Elektrode zeitlich versetzt erfolgt. Durch diese Konstruktion benötigt der Doppelkontakt-Schalter relativ wenig Bauraum, so dass er vor allem zum Aufbau kompakter Schaltgeräte geeignet ist. Zudem ist der Teilebedarf für die konstruktive Realisierung der zeitlich versetzten Kontaktpaar-Öffnung vergleichsweise gering, wodurch der Produktionsaufwand im Vergleich zu mechanischen Konstruktion mit mehreren Bauteilen geringer ist.
Insbesondere sind die gasdichte Absperrung des den Kontakt tragenden Bereichs der ersten Elektrode und die gasdichte Absperrung des den Kontakt tragenden Bereichs der zweiten Elektrode jeweils durch einen flexiblen Faltenbalg, insbesondere Metallfaltenbalg gebildet. Durchmesser, Wandstärken, Wellenzahlen und/oder Steifigkeiten der Faltenbälge können unterschiedlich sein, insbesondere um unterschiedliche auf die Kontaktpaare wirkende Kräfte zu bewirken, welche die zeitliche Verzögerung beim Öffnen der Kontaktpaare in der Schaltröhre verursachen.
Um die unterschiedlichen Kräfte auf die Kontaktpaare bereitzustellen, können die Aussendurchmesser der Faltenbälge unterschiedlich groß sein. Dadurch können die aufgrund des Vakuumdrucks auf die Kontaktpaare wirkende Kräfte unterschiedlich eingestellt werden, so dass sich das Öffnen der Kontaktpaare aufgrund der unterschiedlichen Kräfte eine zeitliche Verzögerung ergibt. Beispielsweise kann der Radius R₁ des Faltenbalgs der ersten Vakuumschaltkammer kann um etwa ein Viertel kleiner als der Radius R₂ des Faltenbalgs der zweiten Vakuumschaltkammer sein. Hierdurch können um einen Faktor von etwa 1,8 unterschiedlich große Kräfte eingestellt werden, die auf die Kontaktpaare in der Schaltröhre wirken.
Unterschiedliche auf die Kontaktpaare wirkende Kräfte können auch dadurch realisiert werden, dass der Faltenbalg der ersten Vakuumschaltkammer eine größere Wellenzahl und/oder eine kleinere Wandstärke als der Faltenbalg der zweiten Vakuumschaltkammer aufweist. Hierdurch wird eine unterschiedliche Federsteifigkeit der beiden Faltenbälge bewirkt, was unmittelbar zu einer zeitlich verzögerten Öffnung der Kontaktpaare führen kann.
Um den Doppelkontakt-Schalter insbesondere als Bauteil in einem Schaltgerät einsetzen zu können, kann die erste Elektrode mit einem Schaltantrieb koppelbar und die zweite Elektrode mit einer Schaltergehäusewand verbindbar sein. Beispielsweise kann die erste Elektrode mit einem Anschluss für einen Schaltantrieb versehen sein, und die zweite Elektrode kann so ausgebildet sein, dass die an einer Schaltergehäusewand befestigt werden kann, beispielsweise durch eine Verschraubung.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Hybrid-Schaltgerät mit einem ersten und einem zweiten Stromanschluss, einem Doppelkontakt-Schalter nach der Erfindung und wie hierin beschrieben, einem Schaltantrieb mit einem elektromechanischen Antrieb zum Bewegen von Schaltkontakten in Richtung der Achse der Vakuumschaltkammern des Doppelkontakt-Schalters, und einem parallel zu einem sich zeitlich zuerst öffnenden Kontaktpaar des Doppelkontakt-Schalters geschalteten Leistungshalbleiter-Schalter mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss des Leistungshalbleiter-Schalters und die erste bewegliche Elektrode des Doppelkontakt-Schalters mit dem ersten Stromanschluss des Hybrid-Schaltgeräts verbunden sind und die erste bewegliche Elektrode fest mit einer Gehäusewand des Hybrid-Schaltgeräts verbunden ist, wobei die feststehende Elektrode des Doppelkontakt-Schalters mit dem zweiten Anschluss des Leistungshalbleiter-Schalters verbunden ist, wobei die zweite bewegliche Elektrode des Doppelkontakt-Schalters mit einem beweglichen Teil des Schaltantriebs elektrisch verbunden ist, und wobei die Schaltröhre des Doppelkontakt-Schalters verschiebbar entlang seiner Längsachse bis zu einem Anschlag in dem Gehäuse des Hybrid-Schaltgeräts gelagert ist.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
Die Zeichnungen zeigen in
1 eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung eines Doppelkontakt-Schalters mit Vakuumschaltkammern gemäß dem Stand der Technik;
2 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Hybrid-Schaltgeräts gemäß dem Stand der Technik;
3 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Doppelkontakt-Schalters mit Vakuumschaltkammern gemäß der Erfindung, der insbesondere zum Einsatz in dem Hybrid-Schaltgerät von 2 geeignet ist; und
4 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Doppelkontakt-Schalters mit Vakuumschaltkammern gemäß der Erfindung, der insbesondere zum Einsatz in dem Hybrid-Schaltgerät von 2 geeignet ist.
In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Doppelkontakt-Schalter mit einer Vakuumschaltröhre, die eine rotationssymmetrische, zylindrische Gestalt mit zwei separaten Teilschaltkammern 1, 3, insbesondere von ähnlichem oder identischem Aufbau, für mechanische Kontaktpaare 10, 30 des Schalters besitzt. Beide Teilschaltkammern 1, 3 können dabei entweder als völlig getrennte Vakuumkammern ausgeführt sein oder auch partiell miteinander verbunden sein, so dass sie über ein gemeinsames Vakuum verfügen.
Wie in 1 gezeigt ist, sind beide Teilschaltkammern 1 und 3 in der Mitte der Vakuumschaltröhre durch eine Trennwand 4 getrennt, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und zwei mittig angeordnete, feststehende Schaltkontakte 41, 42 der mechanischen Kontaktpaare 10 bzw. 30 trägt, deren Stirnflächen jeweils dem Innern einer der Schaltkammern zugewandt sind.
Ebenso kann die Trennwand in einer Geometrie ausgeführt sein, dass sie selbst als Doppelkontaktanordnung dient. Die Kontaktfläche der Trennwand kann dabei so ausgeführt sein, dass sie aus einem abbrandarmen Werkstoff mit gleichzeitig guter Verschweißresistenz besteht. Bei Verwendung in einem völlig lichtbogenfrei arbeitenden Hybridschütz ist der Einsatz eines abbrandarmen Kontaktwerkstoffs nicht zwingend erforderlich; in diesem Fall ist ein Werkstoff von guter elektrischer Leitfähigkeit und hinreichender Verschweißresistenz zweckmäßig.
Das Öffnen und Schließen der Schaltkontakte erfolgt über axial bewegliche Kupferelektroden 11, 31, an deren inneren Stirnseiten Schaltkontakte 12, 32 der mechanischen Kontaktpaare 10 bzw. 30 aus einem geeigneten Werkstoff, v.a. von hinreichender Verschweißresistenz und guter elektrischer Leitfähigkeit, angebracht sind. Die die Schaltkontakte tragenden Bereiche der beiden beweglichen Elektroden 11, 31 sind gegenüber dem Äußeren der jeweiligen Schaltkammer jeweils über einen flexiblen Metallfaltenbalg 13, 33 versiegelt. Jeder Metallfaltenbalg 13, 33 ist insbesondere über zwei umlaufende, vakuumdichte Lotverbindungen zum einen mit der jeweiligen Elektrode 11 bzw. 31, zum anderen mit einem jeweiligen Deckel 14 bzw. 34 stirnflächig verlötet, der die jeweilige Teilschaltkammer 1, 3 verschließt.
Die Faltenbälge 13, 33 bilden hierbei gasdichte Absperrungen der die Schaltkontakte 12, 32 tragenden Bereiche der Elektroden 11, 31 gegenüber dem Äußeren der Teilschaltkammern 1, 3, so dass ein Vakuum in diesen Kammern erhalten bleibt.
Den beiden beweglichen Elektroden 11, 31 gegenüber steht eine gemeinsame feststehende Elektrode in Form der erwähnten scheibenförmigen Schaltkammer-Trennwand 4, welche entlang ihrer gesamten Umfangseite mit der Wand der jeweiligen Teilschaltkammer 1, 3 entweder als separates Teil verbunden ist oder vorzugsweise im Umfangsbereich selber einen Teil der Schaltkammerwand 43 darstellt.
Zur Führung des Laststroms besitzt die feststehende Elektrode 4 eine entsprechend bemessene, ausreichende Wandstärke. Zur elektrischen Isolation gegenüber den beiden beweglichen Elektroden 11, 31 ist die feststehende Elektrode 4 an ihren umfangseitigen Stirnflächen 43 in Richtung ihrer jeweiligen Schaltkammer 1, 3 mit einem ringförmigen Isolierstoffring 15, 35, beispielsweise aus Keramik, vakuumdicht verbunden.
In einem Hybridschaltgerät kann dieser Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern – wie in 2 gezeigt – in der Weise eingebunden sein, dass die eine der beiden beweglichen Elektroden, beispielsweise die Elektrode 11 über eine flächige Stromverbindung mit einem Stromanschluss des Hybridschaltgeräts starr verbunden ist. Die feststehende Elektrode 4 der Vakuumschaltröhre ist ebenfalls über eine flächige Stromverbindung mit dem Hybridschaltgerät verbunden, in der Weise, dass die so angeschlossenen mechanischen Kontakte 10 der ersten Teilschaltkammer 1 elektrisch parallel zu einem Leistungshalbleiter-Schalter 20 des Hybridschaltgeräts angeordnet sind. Die zweite bewegliche Elektrode 31 ist über eine weitere flächige Stromverbindung mit dem beweglichen Teil des elektromechanischen Hybridschaltgerät-Antriebs verbunden. Elektrisch sind die mechanischen Kontakte 30 der zweiten Teilschaltkammer 3 dabei in Serie mit der Parallelanordnung aus dem Leistungshalbleiter-Schalter 20 und den mechanischen Kontakten 10 der ersten Teilschaltkammer 1 geschaltet. Bei Schalthandlungen sorgt der elektromechanische Antrieb 40 des Hybridschaltgeräts für eine Bewegung der beweglichen Kontakte in Richtung der Schaltröhrenachse. Der Leistungshalbleiter-Schalter 20 wird über eine Schaltelektronik 50 gesteuert, die wiederum Signale mit dem elektromechanischen Antrieb 40 austauscht. Die Schaltelektronik 50 ist derart konfiguriert, dass sie die zeitlichen Abläufe des Durchschaltens und des Sperrens der Leistungshalbleiter-Schalters 20 abhängig von den Schaltzuständen des Doppelkontakt-Schalters abhängig von entsprechenden Signalen des elektromechanischen Antriebs 40 regelt.
In 3 ist ein Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumröhre dargestellt, in der die Außendurchmesser der Faltenbälge für die beiden Teilschaltkammern 1 und 3 unterschiedlich groß gewählt wurden. Ist beispielsweise der Radius R₁ des Faltenbalgs 13‘ der rechten Teilschaltkammer 1 um 1/4 kleiner als der Radius R₂ des Faltenbalgs 33‘ der linken Teilschaltkammer 3, dann ist die aufgrund des Vakuumdrucks p_Vak auf die Kontakte 32, 4 der linken Teilschaltkammer 3 wirkende Kraft F₂ = p_Vak × πR₂ ² ca. um das 1,8-fache höher als die auf die Kontakte 12, 4 der rechten Teilschaltkammer 1 wirkende Vakuumkraft F₁ = p_Vak × 9/16πR₂ ².
Beim Betätigen des Schaltantriebs zum Öffnen der Kontakte, der beispielsweise mit der Schaltelektrode 31 der linken Teilschaltkammer 3 direkt verbunden ist, wird dann zunächst die auf den Kontakten 12, 4 der rechten Teilschaltkammer 1 lastende Kraft F₁ kompensiert, während die auf den Kontakten 32, 4 der linken Teilschaltkammer 3 lastende größere Kraft F₂ die Kontakte 32, 4 noch geschlossen hält.
Wenn die Schaltelektrode 11 der rechten Teilschaltkammer 1 mit dem Gehäuse des Schaltgeräts mechanisch fest verbunden ist, setzt sich infolgedessen der gesamte Vakuumröhrenkörper in Bewegung, so dass sich die im Hybridschalter für die Kommutierung auf den Leistungshalbleiter vorgesehenen Kontakte 12, 4 als erstes öffnen.
Beim Erreichen eines mechanischen Anschlags durch die Vakuumröhre ist die Endposition des Vakuumröhrenkörpers und damit auch die gewünschte Kontaktöffnungsstrecke für die Kommutierungskontakte 12, 4 erreicht. Mit der weiteren Bewegung des Schaltantriebs wird dann zeitlich verzögert auch die auf den Kontakten 32, 4 der linken Teilschaltkammer 3 lastenden Vakuumkraft F₂ kompensiert, so dass schließlich auch das für die galvanische Trennung des Hybridschalters vorgesehene Kontaktpaar 32, 4 öffnet.
Unterschiedlich hohe Kontaktdruckkräfte in den beiden Teilschaltkammern einer Doppelkontakt-Vakuumschaltröhre lassen sich auch über unterschiedlich hohe Wandstärken der Faltenbälge sowie weiterhin auch über deren Wellenzahl realisieren.
In der 4 ist ein Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumröhre dargestellt, bei welcher der Faltenbalg 33‘‘ der linken Teilschaltkammer 3 eine größere Wandstärke sowie eine geringere Wellenzahl (drei Wellen 36) als der Faltenbalg 13‘‘ der rechten Teilschaltkammer 1 (vier Wellen 37) aufweist. Hierdurch erhält der Faltenbalg 33‘‘ der Teilschaltkammer 3 eine höhere Federsteifigkeit als der Faltenbalg 13‘‘ der Teilschaltkammer 1.
Zu den auf den Kontaktpaaren 12, 4 und 32, 4 der beiden Teilschaltkammern 1 und 3 lastenden Vakuumkräften, welche aufgrund der gleichen Durchmesser der Bälge 13‘‘ und 33‘‘ in diesem Beispiel gleichgroß ausfallen, kommt somit eine weitere Komponente in Form der Federkräfte der Faltenbälge 13‘‘ und 33‘‘ zum Tragen, welche für die beiden Teilschaltkammern 1 und 3 unterschiedlich hoch ausfällt.
Die effektive Kontaktdruckkraft F_eff setzt sich somit zusammen als F_eff = F_Vak + F_Balg wobei F_Vak die Vakuumkraft und F_Balg die Federkraft eines Balgs bezeichnen.
Für die effektiven Kontaktdruckkräfte in den beiden Teilschaltkammern 1 und 3 des dargestellten Doppelkontakt-Schalters gilt dann F_{eff_1} < F_{eff_3}, so dass aufgrund der unterschiedlich hohen Federkonstante der beiden Faltenbälge 13‘‘, 33‘‘ die Kontaktöffnungsbewegung analog zum in der 3 dargestellten Fall abläuft. Die Kontaktpaare 32, 4 der linken Teilschaltkammer 3 öffnen somit wieder zeitlich verzögert gegenüber den Kontaktpaaren 12, 4 der rechten Teilschaltkammer 1.
Die zeitliche Verzögerung beim Öffnen der Kontaktpaare 32, 4 und 12, 4 kann auch durch eine unterschiedliche Materialwahl bei den Faltenbälgen oder generell den gasdichten Absperrungen bewirkt werden, beispielsweise indem ein Faltenbalg aus einem Federstahl mit einer hohen Federsteifigkeit und ein anderer Faltenbalg aus einem Federstahl mit einer geringen Federsteifigkeit hergestellt wird.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum nahezu Lichtbogen-freien Schalten hoher Gleich- und niederfrequenter Ströme. Schaltvorgänge können nahezu abbrandfrei durchgeführt werden, was zu einer verlängerten Lebensdauer des Schalters führt. Der erfindungsgemäße Doppelkontakt-Schalter kann in Schützen, Leistungsschaltern, Motorschutzschaltern insbesondere zum Schalten von Gleichströmen und niederfrequenten Strömen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: erste Teilschaltkammer
10: mechanische Kontakte (Trennkontakte) erste Teilschaltkammer
11: bewegliche Elektrode erste Teilschaltkammer
12: beweglicher Kontakt erste Teilschaltkammer
13: Faltenbalg
13‘: Faltenbalg mit kleinerem Durchmesser
13‘‘: Faltenbalg mit geringerer Wandstärke
14: Deckel erste Teilschaltkammer
15: Isolierstoffring erste Teilschaltkammer
2: Vakuum-Schaltröhre
20: Leistungshalbleiter-Schalter
3: zweite Teilschaltkammer
30: mechanische Kontakte (Trennkontakte) zweite Teilschaltkammer
31: bewegliche Elektrode zweite Teilschaltkammer
32: beweglicher Kontakt zweite Teilschaltkammer
33: Faltenbalg
33‘: Faltenbalg mit größerem Durchmesser
33‘‘: Faltenbalg mit größerer Wandstärke
34: Deckel zweite Teilschaltkammer
35: Isolierstoffring zweite Teilschaltkammer
36: drei Wellen des Faltenbalgs 33‘‘
37: vier Wellen des Faltenbalgs 13‘‘
4: Trennwand / feststehende Elektrode
40: elektromechanischer Antrieb
41: Festkontakt erste Teilschaltkammer
42: Festkontakt zweite Teilschaltkammer
43: Schaltkammerwand feststehende Elektrode
50: Schaltelektronik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013114260 A1 [0002, 0003, 0008, 0009, 0010]

Claims

Doppelkontakt-Schalter mit – einer ersten und einer zweiten röhrenförmig ausgebildeten Vakuumschaltkammer (1, 3), die als Teilschaltkammern einer Schaltröhre (2) ausgebildet sind, – einer in der Schaltröhre feststehenden, zwischen der ersten und zweiten Vakuumschaltkammer angeordneten Elektrode (4) mit einem ersten, in die erste Vakuumschaltkammer (1) hineinragenden Festkontakt (41) und einem zweiten, in die zweite Vakuumschaltkammer (3) hineinragenden Festkontakt (42), – einer in der ersten Vakuumschaltkammer (1) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen ersten Elektrode (11) mit einem, einen Kontakt (12) tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der ersten Vakuumschaltkammer (1) gasdicht abgesperrt ist, – einer in der zweiten Vakuumschaltkammer (3) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen zweiten Elektrode (31), mit einem, einen Kontakt (32) tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der zweiten Vakuumschaltkammer (3) gasdicht abgesperrt ist, wobei – die gasdichte Absperrung (13‘; 13‘‘) des den Kontakt (12) tragenden Bereichs der ersten Elektrode (11) derart unterschiedlich zur gasdichten Absperrung (33‘; 33‘‘) des den Kontakt (32) tragenden Bereichs der zweiten Elektrode (31) ausgebildet ist, dass das Öffnen des ersten Festkontakts (41) und des Kontakts (12) der ersten Elektrode (11) und das Öffnen des zweiten Festkontakts (42) und des Kontakt (32) der zweiten Elektrode (31) zeitlich versetzt erfolgt.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdichte Absperrung (13‘; 13‘‘) des den Kontakt (12) tragenden Bereichs der ersten Elektrode (11) und die gasdichte Absperrung (33‘; 33‘‘) des den Kontakt (32) tragenden Bereichs der zweiten Elektrode (31) jeweils durch einen flexiblen Faltenbalg, insbesondere Metallfaltenbalg (13‘, 33‘; 13‘‘ 33‘‘) gebildet sind.
Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser, Wandstärken, Wellenzahlen und/oder Steifigkeiten der Faltenbälge (13‘, 33‘; 13‘‘ 33‘‘) unterschiedlich sind.
Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussendurchmesser der Faltenbälge (13‘, 33‘) unterschiedlich groß sind.
Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius R₁ des Faltenbalgs (13‘) der ersten Vakuumschaltkammer (1) um etwa ein Viertel kleiner als der Radius R₂ des Faltenbalgs (33‘) der zweiten Vakuumschaltkammer (3‘) ist.
Schalter nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Faltenbalg (13‘‘) der ersten Vakuumschaltkammer (1) eine größere Wellenzahl und/oder eine kleinere Wandstärke als der Faltenbalg (33‘‘) der zweiten Vakuumschaltkammer (3) aufweist.
Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (31) mit einem Schaltantrieb (40) koppelbar ist und die erste Elektrode (11) mit einer Schaltergehäusewand verbindbar ist.
Hybrid-Schaltgerät mit – einem ersten und einem zweiten Stromanschluss, – einem Doppelkontakt-Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – einem Schaltantrieb mit einem elektromechanischen Antrieb (40) zum Bewegen von Schaltkontakten in Richtung der Achse der Vakuumschaltkammern (1, 3) des Doppelkontakt-Schalters, und – einem parallel zu einem sich zeitlich zuerst öffnenden Kontaktpaar (12, 41) des Doppelkontakt-Schalters geschalteten Leistungshalbleiter-Schalter (20) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, – wobei der erste Anschluss des Leistungshalbleiter-Schalters (20) und die erste bewegliche Elektrode (11) des Doppelkontakt-Schalters mit dem ersten Stromanschluss des Hybrid-Schaltgeräts verbunden sind und die erste bewegliche Elektrode (11) fest mit einer Gehäusewand des Hybrid-Schaltgeräts verbunden ist, – wobei die feststehende Elektrode (4) des Doppelkontakt-Schalters mit dem zweiten Anschluss des Leistungshalbleiter-Schalters (20) verbunden ist, – wobei die zweite bewegliche Elektrode (31) des Doppelkontakt-Schalters mit einem beweglichen Teil des Schaltantriebs elektrisch verbunden ist, und – wobei die Schaltröhre des Doppelkontakt-Schalters verschiebbar entlang seiner Längsachse bis zu einem Anschlag in dem Gehäuse des Hybrid-Schaltgeräts gelagert ist.