DE1191461B - Elektrischer Vakuumschalter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H02c

Deutsche KL: 21c-35/09

Nummer: 1191461

Aktenzeichen: E 23110 VIII d/21 c

Anmeldetag: 28. Juni 1962

Auslegetag: 22. April 1965

Unter den Vakuumbedingungen in elektrischen Vakuumschaltern besteht ein kräftiger Lichtbogen aus mehreren getrennten und zu gleicher Zeit existierenden Lichtbogenkanälen, von denen jeder einen Strom bis zu ungefähr 100 bis 200 Ampere führen kann. Diese Lichtbogenkanäle suchen sich unter der Wirkung ihrer gegenseitigen magnetischen Felder bezüglich ihrer Lage zu verändern und sich nach den äußersten verfügbaren Bereichen der Kontaktoberflächen hin zu bewegen. Aus diesem Grunde kommt praktisch jeder Punkt der Kontaktoberflächen als Fußpunkt einer Lichtbogenentladung in Betracht. Da andererseits durch die Lichtbogenbildung Gas aus den Kontaktoberflächen freigegeben wird, die das Vakuum zerstören würden, ist es erforderlich, bei Vakuumschaltern die Gesamtoberfläche der Kontakte zu entgasen, um diese praktisch gasfrei zu machen. Diese Entgasung erfolgt durch Glühen der Kontakte auf die höchstmögliche Temperatur vor dem Abschmelzen des Vakuumgefäßes. Es befeitet aber erhebliche Schwierigkeiten, die bei Vakuürtischaltern hoher Leistung verhältnismäßig großen Kontaktoberflächen auf die erforderliche hohe Temperatur zu bringen, insbesondere deshalb, weil die Erwärmungsgeschwindigkeit sehr groß sein muß, damit nicht infolge Wärmeleitung entfernt liegende Stellen des Schalters auf unzulässig hohe Temperaturen erhitzt werden.

Es ist bekannt, die Oberflächen der Kontakte vor der Evakuierung dadurch zu erhitzen* daß sie den in Betrieb auftretenden Strom- bzw. Lichtbogenbedingungen ausgesetzt werden. Hierdurch wird zwar der Vorteil erlangt, daß die Erhitzung kurzzeitig und mit der für die Kontaktentgasung notwendigen Intensität erfolgt, es setzt dies jedoch wiederum die Anwendung außerordentlich hoher Ströme voraus, da die gesamte Oberfläche den Lichtbogenbedingungen ausgesetzt werden muß, denn es muß damit gerechnet werden, daß in Betrieb die an sich bezüglich ihres Durchmessers kleineren Lichtbogen an irgendweichen nicht definierten Stellen der Kontaktoberfläche ausgingen und über die Kontaktoberfläche wanderten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Oberflächenbehandlung zur Entgasung der Schaltkontakte dadurch zu vereinfachen, daß der Bereich auf den Kontaktoberflächen, auf denen ein Lichtbogen zünden und stehen kann, vermindert wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem elektrischen Vakuumschalter mit einer Vakuumkammer, die zwei Schaltelektroden beherbergt, von denen Öberflächenabschnitte so behandelt sind, daß sie dem Einfluß Elektrischer Vakuumschalter

Anmelder:

The English Electric Company Limited, London

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt, München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:

John Norman Chubb, Stafford (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 30. Juni 1961 (23 647) - -

von Lichtbögen standhalten können, und mit einer metallischen StabiÜsierungselektrode, die von den Schältelektroden elektrisch isoliert ist, dadurch erreicht, daß die Stabilisieruögselektrode aus einem

as Werkstoff besteht, dessen Bogenentladungsspannung größer als die halbe maximale Efltladungsspannung ist, die zwischen den Schaltelektroden auftreten kann, und daß die Stabilisierungselektrdde gegenüber den Schaltelektroden derart angeordnet ist, daß die Lichtbogenbildung begrenzt wird und nur zwischen den behandelten Oberflächenabschnitten der Schaltelektroden auftreten kann.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Stabilisierungselektrode werden bestimmte Oberflächeöabschnitte der Schaltkontakte oder andere Teile des Vakuumschalters gegen Lichtbogenkanäle sicher geschützt, so daß die Lichtbogenbildung auf jene Oberflächenabschnitte der Schaltelektroden begrenzt bleibt, die einer Behandlung unterzogen worden sind.

Dadurch kann erreicht werden, daß die Fläche auf der Sehaltelektrode, die entgast werden muß, ganz klein gehalten werden kann, so daß die Herstellung wesentlich verbilligt wird und keine aufwendigen Behandlungsanlageß erforderlich sind. Zur Efitgasung der verhältnismäßig kleinen Flächen, die nach der Erfindung erforderlich sind, genügen Anlagen mit verhältnismäßig geringen Stromstärken.

Es sind zwar bereits metallische Stabilisierungselektroden bekanntgeworden* die bei Vakuumschal- tem im Bereich der Schaltkontakte angeordnet wurden, jedoch handelt es sich hier lediglich um Schirme zur Beeinflussung des elektrischen Feldes bzw. des

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Überschlagabstandes, auch hatten diese bekannten Stabilisierungselektroden auf die Lage der Lichtbogenkanäle keinen Einfluß.

Zweckmäßigerweise kann die Lichtbogenbildung durch die Stabilisierungselektrode dadurch begrenzt werden, daß diese gegenüber sämtlichen nicht behandelten Oberflächenabschnitten des Schalters derart angeordnet ist, daß sämtliche Geraden zwischen jeder Schaltelektrode und einem nicht behandelten Abschnitt des Schalters entgegengesetzter Polarität die Stabilisierungselektrode schneidet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt einer Ausführungsform eines Vakuumschalters in geöffneter Schaltstellung, wobei Teile des Gehäuses, die nicht Gegenstand der Erfindung sind, weggelassen wurden,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittansicht mit geschlossenen Schaltkontakten,

F i g. 3 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Vakuumschalters mit geöffneten Schaltkontakten.

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, weist der Schalter zwei stumpf gegeneinander wirkende Schaltkontakte 10, U auf. Der Kontakt 10 ist ortsfest angeordnet und der Kontakt 11 ist auf diesen Kontakt 10 zu bzw. von diesem weg beweglich. Die Kontakte weisen abgeflachte flanschartige Köpfe 10 a, 11a auf, die mit flachen kreisrunden Kontaktoberflächen 10 b, Ub versehen sind. Außerhalb dieser Kontaktoberflächen sind die Köpfe abgeschrägt und bilden zwei ringförmige Oberflächen 10c, lic in Gestalt eines Kegelstumpfes, wobei die Abschrägungen voneinander weg gerichtet sind. Wenn die Kontaktoberflächen 10b, Hb aneinanderstoßen, verbleibt ein Ringraum 12 zwischen den Oberflächen 10c, lic der keilförmig im Querschnitt gestaltet ist und in Radialrichtung nach außen divergiert.

Die Köpfe der beiden Kontakte umgebend, ist im Abstand zu diesen eine Stabilisierungselektrode 13 zylindrischer Form angeordnet, die einen inneren flachen Ringsteg 13 a aufweist, der mit dieser fest verbunden ist und von der Innenwand des Zylinders in den Raum zwischen die Oberflächen 10c und lic einsteht.

Das zweite Ausführungsbeispiel des Vakuumschalters, das in F i g. 3 dargestellt ist, weist einen äußeren Ringkontakt 16 und einen inneren massiven zylindrischen Kontakt 17 auf. Der äußere Kontakt wird von einer Betätigungsstange 18 getragen, die in Längsrichtung beweglich ist, um den äußeren Kontakt 16 zur Anlage an den inneren Kontakt 17 zu bringen. Die Innenwand des äußeren Kontaktes 16 weist eine zylindrische Kontaktoberfläche 166 und kegelstumpfförmige Oberflächen 16 c auf, die nach außen von den gegenüberliegenden Enden der Oberfläche 166 abgeschrägt sind. In gleicher Weise hat der innere Kontakt 17 eine zylindrische Kontaktoberfläche 17 b, die mit der Oberfläche 16b in Berührung kommt. Ferner weist der Innenkontakt 17 kegelstumpfförmige Oberflächen 17 c auf, die nach der Achse des Kontaktes hin von den beiden gegenüberliegenden Enden der Oberfläche 176 her abgeschrägt oder sich verjüngend ausgebildet sind. So werden zwei Ringräume 19 zwischen gegenüberliegenden Kontaktoberflächenpaaren 16 c, 17 c gebildet, die im Querschnitt keilförmig ausgebildet sind. Benachbart zu gegenüberliegenden Enden der Kontakte 16, 17 sind scheibenförmige Stabilisierungselektroden 20, 20' angeordnet, die senkrecht zur Achse des Kontaktes 17 liegen und je mit einem Ringflansch 20 a ausgestattet sind, der mit diesem aus einem Stück besteht und koaxial zur Achse des Kontaktes 17 liegt. Jeder Flansch 20 a steht von der Scheibe in den benachbarten Raum 19 zwischen die Oberflächen 16 c, 17 c der Kontakte ein.

ίο Die Elektrode 20' hat eine Mittelöffnung, durch welche eine Stange 21 im Abstand dazu durchsteht. Die Stange trägt den Kontakt 17.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der beiden Kontakte betrachtet:

Unter Vakuum wird eine Lichtbogenentladung mit einem ziemlich genau definierten Wert der Lichtbogenspannung aufrechterhalten, der bei vollständig behandelten Kontakten aus Kupfer zwischen 21 Volt bei niedrigen Strömen und ungefähr 30 Volt bei

ao Lichtbogen schwankt, deren Ströme einige Kiloampere betragen.

Die geometrischen Anordnungen der Kontakte 10,11 (Fig. 1 und 2) und 16,17 (Fig. 3) sind derart getroffen, daß ein Lichtbogen nur zwischen jenen Teilen der konischen Kontaktoberflächen entstehen kann, die an gegenüberliegenden Seiten der Stabilisierungselektrodenabschnitte 13 a oder 20 a liegen, wenn überhaupt ein Lichtbogen zwischen diesen Teilen und der Stabilisierungselektrode, wie bei A

zo in F i g. 1 angedeutet, aufrechterhalten werden kann. Wenn keine äußere elektrische Verbindung zu der Stabilisierungselektrode hergestellt wird, die in der Lage ist, den Minimallichtbogenstrom für das betreffende Elektrodenmaterial aufrechtzuerhalten, dann muß der Strom für den Lichtbogen zwischen einem Kontakt und der Stabilisierungselektrode dadurch aufrechterhalten werden, daß ein Lichtbogen von der Stabilisierungselektrode zu dem anderen Kontakt gebildet wird. Unter der Annahme, daß der Werkstoff der Stabilisierungselektrode der gleiche ist wie der Werkstoff der Kontakte, ist die zur Aufrechterhaltung dieser Entladungen erforderliche Spannung wenigstens zweimal so groß wie die Minimalspannung, die erforderlich ist, um einen Lichtbogen zwischen einem einzelnen Kontaktpaar aufrechtzuerhalten. Das Auftreten einer solchen Spannung ist ein Phänomen, welches bei Versuchs- bzw. Prüfbedingungen mit Strömen bis zu einigen 1000 Ampere nicht auftritt.

Es ist klar, daß der Werkstoff der Stabilisierungselektrode eine Lichtbogenentladungsspannung haben muß, die größer ist als die halbe maximale Lichtbogenentladungsspannung, die zwischen den Kontakten auftreten kann. Wenn die Schaltkontakte z. B.

aus Kupfer bestehen, könnte die Stabilisierungselektrode aus Wolfram oder Molybdän hergestellt werden. Statt dessen kann die Stabilisierungselektrode auch aus einem Getter-Werkstoff, z. B. Tantal, Zirkonium oder Titan, hergestellt sein oder derartige Elemente enthalten, so daß unter dem Einfluß der Vakuumbogenentladung und in der Nachbarschaft davon dieses Material das Gas chemisch aus dem Umgebungsraum absorbiert. In diesem Falle kann die Oberfläche der Stabilisierungselektrode gewellt sein, um die aktive Oberfläche zu vergrößern.

Es kann außerdem erwünscht sein, die Oberfläche

der Stabilisierungselektrode einer Strombehandlung auszusetzen, und zu diesem Zweck kann eine elek-

irische Verbindung von der Stabilisierungselektrode nach der Außenseite des Vakuumschalters vorgesehen werden, so daß der Lichtbogen zwischen der Stabilisierungselektrode und jedem Kontakt während des Behandlungsverfahrens anfänglich gezogen werden kann.

Bei einem Vakuumschalter mit stumpf gegeneinander wirkenden Kontakten, wie dieser z. B. in F i g. 1 und 2 dargestellt ist, begrenzt eine einzige ringförmige Stabilisierungselektrode den Bereich der Lichtbogenentladung auf die behandelte Kontaktfläche, die durch die öffnung in der Elektrode definiert wird. In gleicher Weise begrenzen zwei einander gegenüberliegende Stabilisierungselektroden bei einem Vakuumschalter mit einem äußeren Ringkontakt gemäß Fig. 3 den Bereich der Bogenentladung auf den zylindrischen Raum, der definiert ist durch die Kontaktoberflächen, die zwischen den Ebenen liegen, welche die Innenenden der Stabilisierungselektroden enthalten. Der zylindrische Abschnitt der Stabilisierungselektrode 13 und der scheibenförmige Abschnitt der Stabilisierungselektroden 20,20' weisen eine solche Größe auf, daß sie alle geraden Linien zwischen den Schaltelektroden und unbehandelten Teilen des Schalters entgegengesetzte Polarität schneiden und dadurch einen »Sichtlinien«-Lichtbogen auf solchen unbehandelten Teilen verhindern. Zu diesem Zweck kann es erforderlich sein, die Stabilisierungselektrode so auszubilden, daß sie eine größere Abschirmwirkung hervorruft. Im Falle der Elektrode 13 können die entgegengesetzten Enden des Zylinders leicht nach den Schaltstangen der Schaltelektrode hin konvergieren.

Wenn bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 die Oberflächen 10c und lic vollständig einer Strombehandlung ausgesetzt wurden, kann der Abschnitt 13 α der Stabilisierungselektrode wegfallen.

Die beschriebene Anordnung ist besonders zweckmäßig für einen einwandfreien Betrieb bei Vakuumschaltern der Bauart mit rotierendem Lichtbogen, um die Ströme zu unterbrechen, die den Gesamtstromgrenzwert bei einfachen Schaltkontakten, die aufeinander zu bewegt werden, übersteigen.

In Verbindung mit der Anwendung auf einen Vakuumschalter mit rotierendem Lichtbogen ist es möglich, daß die Lichtbogenspannungen größer als die doppelte minimale Normallichtbogenspannung werden, wenn sehr hohe Ströme auftreten. In diesem Fall können mehrere Stabilisierungselektroden benutzt werden, da die oben beschriebene Stabilisierungstechnik, die an Hand einer einzigen Stabilisierungselektrode zwischen entgegengesetzten Kontaktoberflächen erläutert wurde, auch bei einem Mehrfachelektrodensystem anwendbar ist.

Ein weiterer Vorteil aus der Anwendung des beschriebenen Stabilisierungsverfahrens besteht darin, daß die Stabilisierungselektrode oder die Stabilisierungselektroden benutzt werden können, um einen Ausgleich des Spannungsgradienten zwischen den Elektroden bei Schaltern mit sehr hoher Spannung zu unterstützen.

Wenn die Stabilisierungselektrode zwei oder mehrere Elektrodenabschnitte aufweist, werden diese so im Abstand und elektrisch isoliert voneinander an- 6g geordnet, daß der Spannungsabfall über jedem Spalt zwischen einem Schaltkontakt und einem benachbarten Elektrodenabschnitt und zwischen benach

barten Elektrodenabschnitten im wesentlichen der gleiche ist.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Vakuumschalter mit einer Vakuumkammer, die zwei Schaltelektroden beherbergt, von denen Oberflächenabschnitte so behandelt sind, daß sie dem Einfluß von Lichtbogen standhalten können, und mit einer metallischen Stabilisierungselektrode, die von den Schaltelektroden elektrisch isoliert ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungselektrode (13; 20) aus einem Werkstoff besteht, dessen Bogenentladungsspannung größer als die halbe maximale Entladungsspannung ist, die zwischen den Schaltelektroden (10, 11; 16, 17) auftreten kann, und daß die Stabilisierungselektrode gegenüber den Schaltelektroden derart angeordnet ist, daß die Lichtbogenbildung begrenzt wird und nur zwischen den behandelten Oberflächenabschnitten der Schaltelektroden auftreten kann.

2. Elektrischer Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungselektrode gegenüber sämtlichen nicht behandelten Oberflächenabschnitten des Schalters derart angeordnet ist, daß sämtliche Geraden zwischen jeder Schaltelektrode und einem nicht behandelten Abschnitt des Schalters entgegengesetzter Polarität die Stabilisierungselektrode schneidet.

3. Elektrischer Vakuumschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Schaltelektroden erste Oberflächenabschnitte aufweisen, die derart behandelt sind, daß ein Lichtbogen zwischen ihnen gezogen werden kann, und die weiter zweite Oberflächenabschnitte aufweisen, die sich von den ersten Oberflächenabschnitten weg erstrecken, wobei der Raum zwischen den zweiten Oberflächenabschnitten mit sich vergrößerndem Abschnitt von der ersten Oberfläche zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Abschnitte der zweiten Oberflächen nicht derart behandelt sind, daß sie dem Lichtbogen widerstehen können, daß sich aber die Stabilisierungselektrode über einen genügenden Abstand in den Raum zwischen den Elektroden erstreckt, um die nicht behandelten Oberflächenabschnitte jeder Elektrode vor Lichtbogenkanälen zu schützen, die sich von dem behandelten Oberflächenabschnitt der gegenüberliegenden Elektrode erstrecken.

4. Elektrischer Vakuumschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Schaltelektroden eine kegelstumpfförmige Gestalt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungselektrode (13) einen Ringabschnitt (13 a) aufweist, der zwischen den kegelstumpfförmigen Oberflächen (10c, lic) der Schaltelektroden (10,11) liegt.

5. Elektrischer Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Schaltelektroden aus einem Zylinder (17) besteht, der an beiden Enden mit sich nach der Achse verjüngenden Abschnitten (17 c) ausgestattet ist, wobei jede der sich verjüngenden Oberflächen die zweiten, nicht behandelten Oberflächenabschnitte bilden, wobei die

zylindrische Oberfläche der Elektrode zwischen den sich verjüngenden Abschnitten den ersten behandelten Oberflächenabschnitt bildet, und daß die zweite Schaltelektrode (16) die Form einer zylindrischen Hülse aufweist, deren innere Oberfläche einen zylindrischen, den behandelten Oberflächenabschnitt der Elektrode bildenden Abschnitt (16 b) definiert, wobei diese Hülse an beiden Enden erweiterte Abschnitte (16 c) aufweist, die den zweiten, nicht behandelten Oberflächenabschnitt bilden, und daß eine Stabilisierungselektrode (20, 200 zylindrischer Gestalt in den Raum zwischen den sich verjüngenden Oberflächenabschnitten der ersten Elektrode und den benachbarten, nach außen erweiterten Oberflächenabschöitten der zweiten Elektrode einsteht

6. Elektrischer Vakuumschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungselektrode oder

jede Stabilisierungselektrode zwei oder mehrere Elektrodenabschnitte aufweist, die derart im Abstand und elektrisch isoliert voneinander sind, daß der Spannungsabfall über jedem Spalt zwi^ sehen einer Schaltelektrode und einem benachbarten Elektrodenabschnitt und zwischen benachbarten Elektrodenabschnitten im wesentlichen gleich ist.

7. Elektrischer Vakuumschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher einen Getterwerkstoff zur Absorption des durch die Lichtbogenbildung freigesetzten Gases aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungselektrode aus Getterwerkstoff hergestellt ist oder solchen Werkstoff enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 603 883, 643 192,
144;
britische Patentschrift Nr. 379 342.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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