DE1203349B - Vakuumschalter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIh

Deutsche Kl.: 21 c - 35/09

G 36883 VIII d/21 c
21.Januar 1963
21. Oktober 1965

Die Erfindung bezieht sich auf Vakuumschalter zur Unterbrechung von Wechselströmen mit Schaltkontakten aus einem nicht schwer schmelzbaren, von absorbierten Gasen und Verunreinigungen praktisch freien Material und mit einem die Schaltstrecke umgebenden Metallschirm.

Der übliche Vakuumschalter besteht aus einem Paar trennbarer Schaltkontakte innerhalb einer Vakuumkammer. Die Stromunterbrechung erfolgt durch Trennen dieser Kontakte um eine bestimmte Strecke, in der ein Lichtbogen brennt. Der Lichtbogen verdampft Material der Kontakte und erzeugt so eine örtliche Raumladungswolke, über die der Strom so lange fließt, bis der Nulldurchgang erreicht ist. Danach baut sich die einschwingende Wiederkehrspannung zwischen den getrennten Kontakten auf. Soll der Stromkreis bei Stromnulldurchgang unterbrochen werden, so muß diese Strecke eine genügende dielektrische Festigkeit besitzen, um ohne Wiederzündung der Wiederkehrspannung standzuhalten. Ob dies gelingt, hängt in hohem Grade von dem Ausmaß ab, in welcher Zeit die vom Lichtbogen erzeugten Dämpfe aus der Schaltstrecke entfernt werden.

Zur Verbesserung der dielektrischen Verhältnisse sind bereits Vakuumschalter mit Schaltkontakten aus einem nicht schwer schmelzbaren, von absorbierten Gasen und Verunreinigungen praktisch freien Material und mit einem die Schaltstrecke umgebenden Metallschirm bekanntgeworden. Dabei ist der Metallschirm entweder als Zylinder oder flache Scheibe ausgebildet und an einem der Schaltkontakte befestigt. Diese Anordnungen sind aber bei Vakuumschaltern mit sehr großen Nennströmen nicht brauchbar, da deren Lichtbogenstrahlungsleistung sehr hoch ist und daher bei den vorgenannten Anordnungen eine zu starke Aufheizung der Metallschirme und der damit verbundenen Kontakte stattfinden würde, die bei einer Ausschaltung dann zu Rückzündungen durch die einschwingende Wiederkehrspannung führen könnte.

Es wurde gefunden, daß eine wichtige Bedingung dafür, ob die Lichtbogenstrecke während der kritischen Pause von Dämpfen frei gemacht werden kann, von der üblichen Abschirmung, die die Lichtbogenstrecke umgibt, abhängt. Bei Schaltern für niedrige Ströme ist diese Abschirmung nicht besonders wichtig, aber für die Unterbrechung hoher Ströme, z. B. über mehr als 10 000 A, ist die Art der Abschirmung von höchster Bedeutung. Bei hohen Strömen wird ein großer Energiebetrag auf die Abschirmung übertragen, und dieser kann die Temperatur Vakuumschalter

Anmelder:

General Electric Company,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. A. Schmidt, Patentanwalt,

Berlin 33, Hohenzollerndamm 150

Als Erfinder benannt:

Thomas Henry Lee, Media, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. Januar 1962 (168 959)

eines Schirmes auf eine solche Höhe ansteigen lassen, daß seine Fähigkeit, vom Lichtbogen erzeugte Dämpfe zu kondensieren, ernstlich beeinträchtigt wird. Dadurch wird eine größere Anzahl von Teilchen von dem Schirm in die hochbeanspruchte Strecke zwischen den Schaltkontakten reflektiert, und es kann zu einem dielektrischen Zusammenbruch kommen.

Bei Schaltern für niedrige Ströme sind andere Faktoren maßgebend für die Begrenzung des zu unterbrechenden Stromes. Bestehen z. B. die Kontakte solcher Schalter aus einem schwer schmelzbaren Metall, wie Wolfram, so ist für diese typisch, daß die Kontakte schon bei 4000 oder 5000 A eine so hohe thermische Emission aufweisen, daß der Schalter keine höheren Ströme erfolgreich unterbrechen kann. Bei solchen Schaltern würde eine Abschirmung, wie sie die Erfindung vorsieht, im Vergleich zu anderen bekannten Abschirmungen keine nennenswerte Erhöhung des Ausschaltvermögens bringen.

Ein weiterer die Ausschaltleistung von Vakuumschaltern beeinträchtigender Faktor ist die Gasemission aus den Kontakten während der Lichtbogenzeit. Sofern diese Kontakte nicht bis zu einem hohen Grade von absorbierten Gasen und Verunreinigungen frei sind, werden Gasteilchen während des kritischen Augenblicks der Stromunterbrechung in die Schaltstrecke gelangen und das Unterbrechungsvermögen des Schalters verschlechtern. Auch in einem solchen Falle würde eine Anbringung einer Abschirmung, wie sie die Erfindung vorsieht,

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das Stromunterbrechungsvermögen des Schalters dem. Dies ist sehr wichtig, da durch ein Bombarnicht wesentlich erhöhen. Daher sind bei bekannten dieren der Isolation, durch heiße Lichtbogenpro-Schalterausführungen die Schaltkontakte z. B. aus dukte aus dieser Isolation Gase frei gemacht werden unter Vakuum erschmolzenem reinen Elektrolyteisen könnten, die die Unterbrechungsfähigkeit des Schalhergestellt. 5 ters sehr verschlechtern wurden. Zusätzlich zum Um einen Vakuumschalter für die Unterbrechung Schutz der Isolation hat die Abschirmung jedoch sehr hoher Wechselströme über 10 000 A in einer noch eine andere wichtige Funktion, die weiter unten Stromhalbwelle zu erhalten, muß dieser gemäß der beschrieben wird.

Erfindung so ausgebildet sein, daß der Metallschirm Alle inneren Teile des Schalters sind im wesenteine solche Länge aufweist und in einem solchen io liehen von Oberflächenverunreinigungen frei. Diese Abstand die Schaltstrecke umgibt, daß die von seiner sauberen Oberflächen werden durch geeignete BeOberfläche aufgenommene Lichtbogenstrahlungs- handlung des Schalters oder durch Erhitzen während leistung auf 15,5 kW je cm² bei den schwersten, für der Evakuierung erreicht. So sind besonders die das Ausschaltvermögen des Schalters noch zulässigen Schaltkontakte in hohem Maße frei von absorbierten Abschaltungen begrenzt wird und daß das Metall des 15 Gasen und anderen Verunreinigungen, so daß diese _ , . , , . _. . , „ Ί ΓΈ ,, . . in Gegenwart eines Lichtbogens bei stark angefresse-Schirmes derart beschaffen ist, daß |/_χ kiemer ist _{nen Kontakten in einer} Kammer von 21 Inhalt, die

als 0,55, wobei k die Temperaturleitzahl oder das auf 10 ~⁵ mm Quecksilbersäule evakuiert ist, den vorthermische Diffusionsvermögen des Metalls in herrschenden Druck in der Kammer während V30 Se-Quadratzentimeter je Sekunde und K die Wärme- 20 künde nach dem Lichtbogen nicht über seinen Anleitfähigkeit in Watt je Zentimeter — ° C bei nor- fangswert erhöhen.

maler Raumtemperatur ist und die Wandstärke des Als besonders vorteilhafte Form für die Kontakte

Schirmes wenigstens gleich etwa 12,7 ]/"fc mm ist. erweist sich eine solche, wie sie in F i g. 2 dargestellt

Zweckmäßigerweise wird der Schirm aus Kupfer ist. Die innere Oberfläche ist mit einer Ausbuchtung

hergestellt mit einer Wandstärke von etwa 2,5 mm. 25 29 und einer ringförmigen, kontaktmachenden Fläche

Mit einem so aufgebauten Vakuumschalter können 30 versehen. Mit dieser kontaktmachenden Fläche 30

Ströme bis zu 30 000 A unterbrochen werden, ohne stoßen die Kontakte in der Einschaltstellung anein-

daß die bei diesen hohen Strömen verursachte Auf- ander. Dabei fließt der Strom über den schleifen-

heizung der Abschirmung die Gefahr der Wieder- förmigen Pfad L, der eine magnetische Wirkung in

zündung des Lichtbogens hervorruft. 30 der bekannten Weise der Verlängerung der Schleife

Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung hat. Dadurch wird bei einem Trennen der Kontakte

werden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben, der Lichtbogen radial nach außen gedrängt. Um ein

in der Wandern des Lichtbogens über den Umfang der

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Vakuumschalter, Kontakte 17 und 18 zu erreichen, sind diese mit

F i g. 2 eine Ansicht eines Schaltkontaktes, 35 Schlitzen 32 versehen. Durch diese tangentiale Aus-

Fig. 3 eine graphische Darstellung verschiedener bildung des Strompfades übt die magnetische

Charakteristiken von Schirmen aus verschiedenen Schleife L eine Kraft aus, welche den Lichtbogen in

Materialien und eine rotierende Bewegung versetzt.

F i g. 4 bis 8 verschiedene Formen von Abschir- Bisher wurde die Bedeutung des Schirmes 15 für

mungen zeigen. 40 die Begrenzung der Ströme, die mit einem Vakuum-

Nach F i g. 1 besteht der Schalter aus einem hoch- schalter beherrscht werden können, nicht richtig

evakuierten Gehäuse 10 mit einer Wandung 11 aus erkannt. Wird der Schirm nämlich während der

geeignetem Isoliermaterial und Abschlußkappen 12 Stromunterbrechung zu stark aufgeheizt, so wird

und 13, die mit der Wandung 11 bei 14 gasdicht ver- seine Eigenschaft, die vom Lichtbogen erzeugten

bunden sind. Der normale Druck innerhalb des Ge- 45 Dämpfe zu kondensieren, ernstlich verschlechtert,

häuses beträgt weniger als 10~⁴ mm Quecksilber- Dies kann darauf zurückgeführt werden, daß eine

säule. Innerhalb dieses Gehäuses sind die trennbaren große Anzahl von Metallteilchen vom Schirm in die

Kontakte 17 und 18 angeordnet, wobei der Kontakt Lichtbogenstrecke zurückprallt und hier zu einem

17 fest ist, während der untere Kontakt 18 beweg- dielektrischen Durchbruch führt,

lieh ist und über einen Metallbalgen 20 auf etwa 50 Um dies zu verhindern, muß der Durchmesser des

12,7 mm von dem festen Kontakt 17 entfernt werden Schirmes 15 groß genug gemacht werden, um den

kann. Teil des Schirmes, der die Lichtbogenstrecke um-

Der bei der Trennung der Kontakte erzeugte Licht- gibt, für eine Energieaufnahme von weniger als

bogen verdampft Kontaktmaterial und erzeugt Kräfte, 15,5 kW/cm² der Oberfläche zu begrenzen. Das

die diese Dämpfe nach außen in allen Richtungen in 55 Material des Schirmes ist ebenfalls wichtig und wird

geradlinigen Pfaden treiben. Die innere Oberfläche wie oben beschrieben gewählt. Als solches Material

der Isolierwandung 11 wird gegen die Kondensation kommt beispielsweise Kupfer in einer Wandstärke

der Metalldämpfe durch einen röhrenförmigen metal- von 2,5 mm oder Aluminium von etwa 2,3 mm oder

lischen Schirm 15 geschützt, der an der Wandung 11 Silber von etwa 3,2 mm oder Wolfram von etwa

befestigt ist und vorzugsweise von beiden Abschluß- 60 1,8 mm in Frage.

kappen 12 und 13 isoliert ist. Um die Möglichkeit Mit einem derartigen Schirm läßt sich seine Tem-

des Vorbeiströmens von Dämpfen an diesem Schirm peratur bei der Stromunterbrechung so weit herab-

zu verringern, erstreckt sich dieser Schirm über eine setzen, daß seine Fähigkeit, die Metalldämpfe, die

größere Länge der Wandung 11 und endet in einer auf seine Oberfläche treffen, zu kondensieren, nicht

konischen Form. Außerdem sind noch seine Enden 65 verlorengeht.

durch Abschlußschirme 16 und 16a abgedeckt, um In Fig. 3 der Zeichnung ist die ungefähre opti-

auch nach dieser Richtung hin das Niederschlagen male Wandstärke für Nickel, Aluminium, Kupfer

der Metalldämpfe an der Isolierwandung zu verhin- u. a. sowie für eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung,

die unter der Handelsmarke Inconel verkauft wird, als Kurve aufgetragen.

In einem Vakuumschalter gemäß Fig. 1 mit Kupferkontakten, die in der Ausschaltstellung auf etwa 12,7 mm Entfernung voneinander getrennt werden, beträgt die ungefähre von dem Schirm aufgenommene Leistung 0,7 I_a · V₁₁, wobei I_1x der Effektivwert des Lichtbogenstromes, V₁₁ der Effektivwert der Lichtbogenspannung ist und 0,7 den Teil der Gesamtlichtbogenenergie darstellt, der auf den Schirm in der unmittelbaren Nähe der Lichtbogenstrecke übertragen wird. Der Rest der Lichtbogenenergie wird durch Wärmeableitung über die Elektroden und andere Teile des Schalters zerstreut. Der kritische Bereich des Schirmes besteht aus einem Band von etwa 50,8 mm Länge um die Lichtbogenstrecke herum. Bei einem für 18000 A ausgelegten Schalter sollte bei einer Strahlungsleistungsaufnahme von unterhalb 15,5 kW/cm² die Schirmfläche bei einem 50,8-mm-Band 66 cm² sein. Dies bedeutet, daß der Schirmdurchmesser größer als 100 mm ist.

Als Erläuterung zu dem Unterbrechungsvermögen eines Schalters nach der Erfindung mag angeführt werden, daß dieser 19 000 A bei 15,5 kV mit einem Kupferschirm mit einer etwas über dem kritischen Wert liegenden Wandstärke unterbrach. Bei einem gleichen Schalter mit einem Schirm aus Nickel statt aus Kupfer war der höchste erreichbare Strom 14 000 A bei 15,5 kV. Dies zeigt, daß der Kupferschirm rund zweimal soviel Strahlungsleistung aufnehmen kann wie der Nickelschirm.

Fig. 4 zeigt einen Schirm 15, bei dem die Leistungsaufnahme je Flächeneinheit durch ringförmige Riffelungen 50 verringert ist, ohne daß die sonstigen Abmessungen des Schirmes vergrößert sind.

Ein anderes Mittel zur Herabsetzung der Strahlungsleistungsaufnahme je Flächeneinheit des Schirmes wird an Hand der F i g. 5 gezeigt. Hier besteht der Schirm aus einem äußeren, undurchlässigen metallischen Rohr 65 und zwei rohrförmigen metallischen Schirmen 60 und 61 innerhalb des äußeren Rohres 65. Letztere sind mechanisch und elektrisch untereinander und mit dem Rohr 65 durch metallische Scheiben 66 und 67 verbunden. Die Schirme 60 und 61 bestehen aus einem Drahtnetz, Vorzugsweise aus Kupfer. Die vom Lichtbogen erzeugten Teilchen, die nicht von dem ersten Schirm 60 aufgenommen werden, gelangen zu dem zweiten Schirm 61, wo sie kondensieren oder, falls sie auch durch dessen öffnungen durchtreten, an das äußere Rohr 65. Auf diese Weise wird die Lichtbogenenergie zwischen einer Reihe von konzentrischen, rohrförmigen Teilchen verteilt, anstatt nur allein von einem einzigen Rohr aufgenommen zu werden.

Ein weiterer Vorteil der Schirmanordnung nach F i g. 5 besteht darin, daß die Teilchen, die von dem zweiten Schirm 61 oder dem Rohr 65 zurückprallen, in einem Bereich sind, der praktisch frei vom elektrischen Feld ist, da der Schirm und das Rohr auf dem gleichen Potential liegen. Solange die zurückprallenden Teilchen nicht durch den ersten Schirm 60 durchdringen, wird ein elektrischer Durchbruch in der Lichtbogenstrecke vermieden. An Stelle eines Drahtnetzes können die Schirme 60 und 61 auch aus Blechrohren mit einer großen Anzahl von dicht nebeneinanderliegenden Löchern bestehen.

Nach F i g. 6 besteht der Schirm aus einem äußeren Rohr 80 und einer größeren Zahl von radial nach innen gerichteten Ringblechen 82, die mit dem äußeren Rohr 80 z. B. verschweißt sind. Der innere Rand der Bleche 82 ist abgerundet, um eine zu starke Konzentration des elektrischen Feldes an dieser Stelle zu vermeiden. Die Räume 83 zwischen den einzelnen Blechen 82 sind praktisch feldfrei. Während der Stromunterbrechung treten Teilchen aus der Lichtbogenstrecke in diese Räume 83 ein und treffen dabei auf die innere Oberfläche 86 der Röhre 80, wo sie kondensieren und anhaften (Fig. 7). Einige dieser Teile werden von dieser Oberfläche abprallen, aber solange sie innerhalb des Raumes 83 bleiben, können sie keinen dielektrischen Durchbruch innerhalb der Lichtbogenstrecke verursachen. Der größte Teil dieser zurückprallenden Teilchen wird durch die Ringbleche 82 kondensiert.

Der rohrförmige Teil 80 gemäß der F i g. 6 kann anstatt mit einer glatten inneren Oberfläche auch mit einer geriffelten inneren Oberfläche versehen werden, um dadurch noch weiter die Strahlungsleistungsaufnahme je Flächeneinheit bei solchen Schaltern zu erniedrigen, die besonders starke Ströme zu unterbrechen haben. Eine Abwandlung des Schirmes nach F i g. 6 kann derart erfolgen, daß die innere Ringfläche 82 aus stumpfkegelig ausgebildeten und sich überlappenden Teilen hergestellt wird, wie in F i g. 8 dargestellt ist. Auch in diesem Fall sind die Räume zwischen den Blechen 82 praktisch feldfrei, wodurch ein großer Prozentsatz der Lichtbogenteilchen, der von diesen Blechen zurückprallt, in den feldfreien Raum gelangt und hier an den metallischen Oberflächen haftenbleibt.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vakuumschalter zur Unterbrechung von Wechselströmen mit Schaltkontakten aus einem nicht schwer schmelzbaren, von absorbierten Gasen und Verunreinigungen praktisch freien Material und mit einem die Schaltstrecke umgebenden Metallschirm, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung von Wechselströmen über 10 000 A in einer Stromhalbwelle der Metallschirm eine solche Länge aufweist und in einem solchen Abstand die Schaltstrecke umgibt, daß die von seiner Oberfläche aufgenommene Lichtbogenstrahlungsleistung auf 15,5 kW/cm² bei den schwersten, für das Ausschaltvermögen des Schalters noch zulässigen Abschaltungen begrenzt wird und daß das Metall des Schirmes derart beschaffen ist,

daß -L— kleiner ist als 0,55, wobei k die Tempe-K

raturleitzahl oder das thermische Diffusionsvermögen des Metalls in Quadratzentimeter je Sekunde und K die Wärmeleitfähigkeit in Watt je Zentimeter — ° C bei normaler Raumtemperatur ist und die Wandstärke des Schirmes wenigstens gleich etwa 12,7 ■ ]/~fc mm ist.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Schirmes so frei von Gasen und Verunreinigungen ist, daß auch bei den schwersten Abschaltungen während Vso Sekunde nach der Stromunterbrechung der Druck innerhalb der Schaltkammer unter 10~⁴ mm Quecksilbersäule liegt und daß alle geradlinigen Pfade aus der Lichtbogenstrecke zur festen Isolation, die nicht durch andere Metall-

teile abgedeckt sind, von dem Schirm unterbrochen werden.

3. Vakuumschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm aus Kupfer besteht und eine Wandstärke von etwa 2,5 mm aufweist.

4. Vakuumschalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm eine geriffelte innere Oberfläche in der Nähe der Lichtbogenstrecke aufweist (Fig. 4).

5. Vakuumschalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm aus einem äußeren undurchlässigen und zwei inneren perforierten rohrförmigen Teilen, die auf elektrisch gleichem Potential liegen und zur Konden-

sation von Metalldampfteilchen dienen, besteht (Fig. 5).

6. Vakuumschalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm mit einer größeren Anzahl von radial nach innen gerichteten Ringblechen versehen ist (Fig. 6).

7. Vakuumschalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm mit einer größeren Anzahl von stumpfkegelig ausgebildeten und sich überlappenden Ringblechen versehen ist (Fig. 8).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 521 377, 593 489;
britische Patentschriften Nr. 291 815, 293 018.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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