-
Vakuumschalter Bei Vakuumschaltern besteht das Problem, daß die Elektroden
bei geschlossenem Schalter dazu neigen, unter dem Kontaktdruck miteinander zu verschweißen.
Es ist daher bei der Öffnung des Schalters erforderlich, in kurzer Zeit eine erhebliche
Energie zur Auftrennung der Schweißverbindung aufzubringen. Zudem arbeiten erfahrungsgemäß
Vakuumschalter nur dann sicher, wenn die durch den Lichtbogen aus den Kontakten
verdampfte Metallmenge möglichst gering ist. Es hat sich daher gezeigt, daß Vakuumschalter
für höhere Stromstärken (über etwa 3000 A) nur in Verbindung mit einer Synchronschaltung
verwendet werden können, d. h., die Kontakttrennung muß kurz vor dem Stromnulldurchgang
erfolgen. Je näher der Öffnungszeitpunkt am Stromnulldurchgang liegt, desto geringer
ist die Energieumsetzung und desto höher die Schaltleistung des Vakuumschalters.
-
Es ist ein Vakuumschalter bekannt, bei dem ein von außen gesteuerter
Schalthebel, an dessen innerem Ende das bewegliche Kontaktorgan federnd gelagert
ist, mit dem Vakuumbehälter durch ein elastisches Wehrohr verbunden ist. Der Kontaktdruck
wird hierbei durch ein von dem zu unterbrechenden Strom durchflossenes Magnetsystem
hergestellt, das bei dem durch Drehung des Schalthebels bewirkten Ausschalten das
bewegliche Kontaktstück so lange festhält, bis annähernd der Stromwert Null erreicht
ist.
-
Bei einem bekanntenThermoschalter für schwache Ströme wird eine Schaltbrücke,
die sich im Vakuum befinden kann, durch Ausdehnung eines Weltrohres bewegt, das
mit einem abgeschlossenen Gasvolumen in Verbindung steht. Bei diesem Schalter können
im Einschaltzustand nur geringe Kontaktdrucke auftreten, da bei der Schaltbewegung
im wesentlichen Gleichgewicht zwischen dem Gasdruck und der Federwirkung des Weltrohres
besteht.
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumschalter, insbesondere
für Synchronschaltung, bei der eine bewegliche, mit zwei festen Kontaktstücken zusammenwirkende
Schaltbrücke mechanisch mit einer den evakuierten Raum abschließenden, unter Gasdruck
stehenden Membran verbunden ist. Sie besteht darin, daß die Schaltbrücke durch den
auf der Membran lastenden äußeren Luftdruck gegen die festen Kontaktstücke gepreßt
wird, daß zur Erzielung eines mechanischen Öffnungsimpulses großer Steilheit ein
elektrodynamisch wirkender Impulserzeuger mit einem festen und einem beweglichen
Leitersystem in enger magnetischer Kopplung vorgesehen ist, wobei das bewegliche
Leitersystem mit der Schaltbrücke mechanisch verbunden ist, und daß ferner ein Speicher
elektrischer Energie vorgesehen ist, der zwecks Öffnung des Schalters über das feste
Leitersystem entladen wird. Bei dem Vakuumschalter nach der Erfindung ist der erforderliche
Kontaktdruck auf einfache Weise durch Ausnutzung des auf der Membran lastenden Außendruckes
erzeugt. Beim Öffnen des Schalters ist dieser Druck in kürzester Zeit zu überwinden
und eventuell gleichzeitig eine Verschweißung zwischen den Kontaktstücken aufzureißen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein elektrodynamisches Impulssystem der gekennzeichneten,
an sich bekannten Art in besonderem Maße geeignet. Ein solches Antriebssystem läßt
sich mit einfachen Mitteln und geringem Aufwand so gestalten, daß seine Ansprechzeit
wesentlich unter einer Millisekunde liegt und daß in Bruchteilen einer Millisekunde
eine Beschleunigung in der Größenordnung des 10 000fachen der Erdbeschleunigung
erzeugt wird.
-
Man kann das bewegliche Leitersystem als in sich geschlossenen Ring
aus elektrsich gut leitendem Material, vorzugsweise Aluminium, ausbilden. Die mit
dem beweglichen Leitersystem verbundene zusätzliche Masse, d. h. im allgemeinen
die Masse des beweglichen Kontaktstückes, soll höchstens so groß sein wie die Masse
des beweglichen Systems selbst. Das feste Leitersystem besteht mit Vorteil aus flachem
Band, dessen breite Seite senkrecht zur Bewegungsrichtung des beweglichen Systems
liegt. Auf diese Weise läßt sich ein geringer mittlerer Abstand der aufeinander
einwirkenden Stromleiter erzielen. Ferner wird man vorzugsweise mit Impulsströmen
kurzer Dauer und hoher Amplitude arbeiten und die Stromdichte möglichst groß, z.
B. in der Größenordnung
von 100 000 A/cm2 und mehr wählen. Zumindest
das feste Leitersystem kann zur Erhöhung seiner mechanischen Festigkeit in Isoliermaterial
vergossen sein.
-
Der bei der Entladung des elektrischen Energiespeichers im festen
Leitersystem auftretende Stromimpuls hat die Form einer hochfrequenten, gedämpften
Schwingung. Das gleiche gilt für den im beweglichen Leitersystem induzierten Strom.
Sofern die Ströme im festen und im beweglichen Leitersystem eine Phasenverschiebung
von l80° aufweisen, tritt lediglich eine abstoßende Wirkung auf, die ihren Momentanwert
entsprechend der jeweiligen Größe des Stromes ändert. Weicht jedoch die Phasenverschiebung
von 180° ab, so können Kräfte mit wechselndem Vorzeichen erzeugt werden, derart,
daß zunächst eine abstoßende und anschließend eine anziehendeKraft auftritt. DieAusnutzung
dieser Eigenschaft kann von Interesse sein, wenn es notwendig ist, das schnell bewegte
Element des Impulssystems wieder abzubremsen. Die gewünschte Phasenverschiebung
kann durch passende Wahl der Impedanz des beweglichen Strompfades erzeugt werden;
insbesondere müssen Widerstand und Induktivität des beweglichen Leitersystems entsprechend
aufeinander abgestimmt sein.
-
Die Zeichnung stellt ein Ausführungbeispiel der Erfindung dar.
-
In. der Zeichnung bedeuten 40 ein halbkugelförmiges, metallenes
Gehäuse, in das die Zuleitungen 41 und 42 über Durchführungen 43 und 44 vakuumdicht
eingeführt sind. 45 und 46 sind die feststehenden Kontakte, 47 die
Strombrücke. Die Membran 48 ist mit dem Flansch 49 vakuumdicht verbunden
und weist in der Mitte einen zylindrischen Dom 50 auf, an dessen unterem Ende die
Strombrücke 47 angebracht ist, während an der oberen Stirnfläche über ein Verbindungsstück
51 der Ring 52 befestigt ist. 53 bedeutet die feststehende Impulswicklung;
sie ist in das ringförmige Isolierstück 54 eingegossen, das seinerseits an
dem Flansch 49 befestigt ist. 55 ist ein Stift, der durch die Lager 56 und 57 geführt
ist und in der Ruhestellung durch die Feder 58 gegen den Ring 52 gepreßt wird.
-
Der zu unterbrechende Strom I fließt über die Zuleitung
41, das feste Kontaktstück 45, die Strombrücke 47, das feste Kontaktstück
46 und die Zuleitung 42. Im Zuge der Leitung des Stromes 1 ist eine Drosselspule
30 mit dem Eisenkern 31, der einen Luftspalt 32 aufweist, der Primärwicklung
33 und der Sekundärwicklung 34 angeordnet. Mit 23 ist ein Kondensator bezeichnet,
der über nicht dargestellte Ladewiderstände vom Gleichstromnetz aufgeladen wild.
In Reihe mit dem Kondensator 23 liegen eine Induktivität 24 und eine Funkenstrecke
25 mit den Hauptelektroden 26, 27 und der Hilfselektrode 28. Die Funkenstrecke 25
kann durch einen Betätigungsschalter 29 willkürlich überbrückt werden.
-
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Solange der Strom I
in der Pfeilrichtung fließt, ist der Eisenkern 31 der Drossel 30 gesättigt,
und die Sekundärwicklung 34 daher spannungslos. Geht der Strom gegen Null
und will seine Richtung umkehren, so beginnt infolge des Luftspaltes 32 die Ummagnetisierung
des Kernes 31 der Drossel 30 bereits bei positiven Werten des Stromes 1; dadurch
wird an der Sekundärwicklung 34 eine Spannung induziert, die zur Zündung zwischen
der Hilfselektrode 28 und der Hauptelektrode 26 führt. Nun entlädt sich der Kondensator
23 über die Induktivität 24 und die Wicklung 53, wobei der Verlauf
des Impulsstromes im wesentlichen durch die Größe der Kapazität und der Induktivität
im Impulskreis bestimmt ist. In der Sekundärwicklung 52 wird nun ein den primären
Amperewindungen in der Spule 53 entsprechender, jedoch entgegengesetzt gerichteter
Strom erzeugt, wodurch eine dynamische Abstoßung zwischen der Wicklung
53 und dem Ring 52 auftritt. Es bewegt sich nun die Schaltbrücke 47
entgegen dem auf der Membran 48 lastenden Außendruck nach oben, wodurch die Verbindung
zwischen den Kontaktstücken 45 und 46 unterbrochen wird. Beim Anheben des Ringes
52 legt sich der Stift 55 zwischen die Wicklung 53 und den Ring 52 und verhindert
das Einschalten so lange, bis durch Verschieben der Feder 58 und damit des Stiftes
55 nach links der Ring 52 sich unter dem auf der Membran 48 lastenden Druck wieder
nach unten bewegt, wodurch der Schalter wieder geschlossen wird.
-
Von besonderer Bedeutung ist der Vakuumschalter nach der Erfindung
bei der Anwendung des sogenannten Modulationsprinzips, wobei durch eine Kondensatorentladung
sowohl bei der Abschaltung von Gleich- als auch Wechselstrom ein künstlicher Stromnulldurchgang
erzeugt wird. Es kann dann der für die Erzeugung des künstlichen Stromnulldurchganges
erforderliche Stromimpuls gleichzeitig zur Schalterbetätigung mitbenutzt werden.
Auch in diesem Falle ist es aus technischen und wirtschaftlichen Gründen wünschenswert,
daß die Kontakttrennung in Bruchteilen einer Millisekunde, vorzugsweise etwa 10-4
s nach Einsetzen des Impulsstromes, erfolgt.