DE1640226A1 - Hochvakuumschalter - Google Patents

Description

Dr. ürb.r-r] Ziogl

PcLontanwait "'PH/ig. Lothar Miaaelis ι r / η ? 9 c

Frankfurf/Main 1 Patentanwalt T 640226

Postfach 3011 ^{6 Fr}°nkiurf/Main 1 7O4-11D-2766

Pffh 3011

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y.,USA

Hochvakuumschalter

Die Erfindung betrifft HOchvakuumschalter für hohe Spannungen und beinhaltet im besonderen Maßnahmen, mit denen man die Feldstärken innerhalb solcher Schalter steigern kann, ohne daß Überschläge innerhalb des Schalters auftretest

In bestimmten Arten von Hochvakuumschaltern sind in Gebiete* hoher elektrischer Feldstärken die Kanten von röhrenförmigen Metallkörpern^ageordnet. Nun hat sich gezeigt, daß man die Feldstärken in der Nähe dieser Kanten dadurch herabsetzen kann, daß man diese Metallkörper in der Nähe ihrer Kante torusförmig mit eiaem verhältnismäßig großen Krümmungsradius ausbildet. Um diese Metallkörper derart zu verformen, sind verhältnismäßig kostspielige Verarbeitungsschritte erforderlich. Darüber hinaus wird ^r diese Formgebung eine beträchtliche Menge von an sich überflüssigem Metall benötigt, und der entstehende Torus nimmt ver-V?.,''inismäßig viel Raum ein, der sonst innerhalb des V& mts für andere Zwis-ke verwendet werden könnt©ο

009&22/0762

Das Ziel der Erfindung besteht daher darin, die Durchschlagsfestigkeit eines Hochvakuumschalters in der NÄhe der Kante eines solchen röhrenförmigen Metallkörpers durch Maßnahmen zu erhöhen, die nur geringe Kosten verursachen, nur wenig oder gar kein zusätzliches Material erfordern und praktisch nichts von dem anderweitig verwendbaren Raum innerhalb des Schalters beanspruchen.

^ Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in einem neuen Verfahren zur Bearbeitung der Kante eines solchen röhrenförmigen Körpers zu dem Zweck, die Durchschlagsfestigkeit des Schalters in dem Gebiet neben dieser Kante zu erhöhen.

Die Erfindung wird auf einen Hochvakiiumschalter angewendet, der ■;■--.\.i iiochsvakuiertes Schaltergehäuse aufweist, in dem ein röhrenförmiger Metallkörper angeordnet ist, dessen Enden auf beiden Seiten Kreisringe dastellen. Ein solcher Schalter ist dadurch gekennzeichnet, daß der röhrenförmige Metallkörper in dünnwandigen Kreisringen endet, deren Außenkanten mit ringförmigen Wulsten aus im Lichtbogen geschm^I^nem Metall versehen sind, die konzentrisch zu ösn Krsisrin^n angeordnet sind, daß diese Wülste du Λ Sxtliches Lisktbogenschsalaen der Außenkanten der Kreisringe hergestellt sind, und £aß die Wülste sine glatte _s runde äuß@?s oberfläche s-r eisen, die in solche Gebietes irjierhsüb des Schalter? angeordnet sind, in d<sE«n hehe Feldstärken h©"-v-3che&j wenn der S^3.;i.v9r «mteT Stro^ ««!■:>^t.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

ig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Vakuumschalter, der eine Ausführungsfora der Erfindung ist.

Fig. 2 zeigt einen Verfahrensschritt zur Bearbeitung eines

Teils des Schalters aus Fig. 1. ä

Fig. 3 ist ein Querschnitt durch einen Teil des Schalters aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

In der Fig. 1 ist ein Hochvakuumschalter dargestellt, mit dem hohe Spannungen geschaltet werden sollen. Dieser Vakuumschalter weist ein vakuumdichtes Schaltergehäuse 10 auf, das bis auf einen Druck von 1O~ torr oder weniger evakuiert ist. Das Gehäuse 10 weist ein Isolierrohr 11 auf, das an seinen Enden durch zwei metallische Endkappen 12 und 13 verschlossen ist. Die beiden Endkappen sind mit dem Isolierrohr durch geeignete vakuumdichte Glas-Metall-Verschmelzungen 14 verbunden.

IHnnerhalb des Gehäuses 10 sind zwei scheibenförmige Kontakte 17 und 18 angeordnet, die sich voneinander trennen lassen. Der obere Kontakt 17 ist ein feststehender Kontakt, der an einem feststehenden Kontaktstab 17a befestigt ist. Der KOntaktstab 17a ist vakuumdicht durch die obere Endkappe 12 hindurchgeführt. Der untere Kontakt 18 ist ein bewegbarer Kontakt, der mit einer bewegbaren Schalt-

009822/0752

stange 18a verbunden ist. Die Schaltstange 18a geht frei durch eine öffnung 19 in der unteren Endkappe hindurch. Um die Schaltstange 18a bewegen zu können, ohne das Vakuum innerhalb des Schaltergehäuses zu beeinträchtigen, ist ein metallischer Federbalg 20 vorgesehen, der auf der einen Seite mit der End^vappe 13 und auf der anderen Seite mit der Schaltstange 18a vakuumdicht verbunden ist.

Der Vakuumschalter kann dadurch geschlossen werden, daß der untere Kontakt 18 nach oben in die Stellung 21 geschoben wird, in der er an dem oberen Kontakt 17 anliegt. Die Stellung 21 ist gestrichelt dargestellt. Wenn der Schalter auf diese Weise geschlossen worden ist, kann der Strom über die Schalterteile 17a, 17, 18 und 18a fließen. Der Schalter wird wieder geöffnet, indem man den unteren Kontakt 18 wieder in die Stellung zurückzieht, die in Fig. 1 in ausgezogenen Linien dargestellt ist.

Wenn der Schalter unter Strom geöffnet wird, wird zwischen den beiden Kontakten ein Lichtbogen gezogen. Dieser Lichtbogen wird durch das Vakuum innerhalb des Schalters auf bekannte Weise gelöscht. So lange der .Lichtbogen jedoch brennt, verdampft etwas Metall von den Kontakten, und dieser Metalldampf wird radial nach außen auf das Isolierrohr 11 hin getrieben.

Um diesen Metalldampf aufzufangen, ist eine röhrenförmige Metallabschirmung 30 vorgesehen. Diese röhrenförmige Metallabschirmung ist um die beiden Kontakte herum angeordnet und innerhalb des

009822/0752 BAD ORIGINAL

Isolierrohres 11 mittels der Halterungen 32 montiert. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abschirmung 30 sowohl vom Kontakt 17 als auch vom Kontakt 18 isoliert. Die Abschirmung 30 liegt auf einem Potential, das etwa dem Potential in der Mitte zwischen den beiden Kontakten entspricht, wenn die beiden Kontakte geöffnet sind. Um das Kondensieren der durch den Lichtbogen freigesetzten Metalldämpfe zu unterstützen, sind zwei röhrenförmige Endstutzen 34 und 35 vorgesehen, die ebenfalls als Abschirmungen dienen und an den Endkappen 12 und 13 befestigt sind. Diese beiden röhrenförmigen Stutzen 34 und 35 sind um die beiden Enden der zentralen Abschirmung 30 herum angeordnet.

Wenn der Vakuumschalter geöffnet ist, herrschen in den Gebieten unmittelbar neben den freiliegenden Kanten 40, 41,42 und 43 hohe elektrische Feldstärken. In diesen Gebieten sind die Kraftlinien des elektrischen Feldes so dicht nebeneinander angeordnet, so daß in diesen Gebieten Bedingungen herrschen, die Überschläge begünstigen.

Die Erfindung beinahaltet nun Maßnahmen, die dazu dienen, die an den Schalter anzulegenden Spannungen erhöhen zu können, ohne daß es in diesen Gebieten hoher Feldstärken zu Überschlägen kommt. Dieses wird durch die nachfolgend zu beschreibende Bearbeitung der Kaien der Abschirmungen innerhalb des Vakuumschalters erreicht.Bsvor ds·· VAkwumschalter zusammengesetzt wird, wird an der Kante der Abschirmung ein elektrischer Lichtbogen hervorgerufen, derart, daß der Lichtbogen genau auf der Kante der Ab-

0Q8822/0752

-o-

schirmung endet. Die Fig. 2 zeigt einen solchen Lichtbogen 49, der an der ringförmigen Kante 41 der zentralen Abschirmung 30 brennt. Das eine Ende des Bogens 49 brennt an der Kante der Abschirmung, während das andere Ende des Bogens von einer hitzebeständigen Elektrode ausgeht, die den hohen Temperaturen im Lichtbogen ifiederstehen kann, ohne zu schmelzen. Sobald der Bogen gezündet hat, wird die Elektrode 50 rasch eine Kreisbahn 52 entlang bewegt, die im wesentlichen mit der ringförmigen Kante 41 übereinstimmt. Die GEschwindigkeit, mit der die Elektrode 50 auf der Kreisbahn 52 entlang bewegt wird, ist so groß, daß von der Kante 41 kein Material abbrennt, jedoch klein genug, um das Material an der Kante 41 zum Schmelzen zu bringen, das vom Lichtbogen berührt wird. Sowie der Bogen aus einem bestimmten GEbiet h/ü ausläuft, er starrt das geschmolzene Metall und bildet längs der Kante einen Wulst.

Die Fig. 3 ist ein vergrößerter Querschnitt und zeigt den Wulst bei 55. Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, weist der durch Lichtbogenschmelzen von Metall hergestellt Wulst 55 eine afc gerundete, sehr glatte äußere Oberfläche auf. Der Wulst sitzt auf dem dünnwandigen Gebiet der Abschirmung auf, das unmittelbar neben dem Wulst liegt. Die äußere Oberfläche des Wulstes geht glatt und stetig in die zylindi„„ch©n Innen- vjid Außenflächen der daneben liegenden Gebiete der Abschirmung über«,

009822/0752 ^₀ original

Ein Faktor, von dem man anämmt, daß erjtaes ent lieh zur Abrundung und zur Glätte der WuIstoberfläche beiträgt, ist die geringe Wandstärke der unmittelbar danebenliegenden Abschirmungswandung. Ds die Wandstärke der Abschirmung an dieser Stelle so dünn ist, kann der Lichtbogen die Kante der Abschirmung über ihre ganze Materialstärke zum Schmelzen bringen. Die dabei entstehende Metallschmelze nimmt*nun offensichtlich ihrer Oberflächenspannung wegen eine Gestalt an, die im Querschnitt etwa einem Halbkreis gleicht. Diese Gestalt wird auch bei der Erstarrung der Schmelze beibehalten. Bei einer praktischen Ausfuhrungsform der ERfindung war die Abschirmung 30 aus Nickel hergestedllt und wies eine Wandstärke von etwa 1,27 ram auf.

Von dem Wulst wurden Schnitte angefertigt und unter dem Mikroskop untersucht, um die Kornstruktur des Metalles innerhalb des Wulstes zu bestimmen. Es zeigte sich, daß die KOrnstruktur im Wulst"verglichen mit der Kornstruktur der ganz dicht daneben liegenden Abschirmungsteile sehr grob war. Es zeigte sich beispielsweise, daß die Durchmesser der Körner grob war. Es zeigte sich beispielsweise, daß die Durchmesser der Körner im Wulst mehr als zwanzig Ifal größer waren als die Durchmesser der Körner in Gebieten, die nur 4 mm oder mehr von der Spitze des Wulstes entfernt lagen.

Dieser eben beschriebene Verfahrensschritt zur Herstellung eines Wulstes wird unter einer Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise unter Argon durchgeführt. Es genügt, wenn die Schutzgasatmosphäre nur

009822/0752

an den Stellen der Kante 41 aufrechterhalten wird, an denen der Lichtbogen gerade brennt, wenn es auch günstiger is£, die gesamte Kante der Abschirmung unter der Schutzgasatmosphäre zu halten. Daher wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der gesamte Wulst in einer mit Argon gefüllten Kammer hergestellt. Auf alle Fälle sollte die Schutzgasatmosphäre solange aufrechterhalten werden, daß sich das geschmolzene Metall des Wulstes verfestigen kann, ohne mit Luft oder Sauerstoff in Berührung zu kommen. Diese Schutzgasatmosphäre dient dazu, die Bildung von Oxyden sowie mögliche Einschlüsse von Oxyden in dem Metall des Wulstes zu verhindern.

Wenn alle Abschirmungen auf die dien beschriebene Weise bearbeitet worden sind₅ werden sie in dem Vakuumschalter eingesetzt. Anschliessend wird der Vakuumschalter auf übliche WEise bei höheren Temperaturen ausgeheizt, um störende Verunreinigungen von den Oberflächen des Vakuumschalters zu entfernen. Bei diesem Ausheizen werden auch leicht-zersetzbare Oxyde entfernt, die sich nach der Herstellung des Wulstes an der Wulstoberfläche gebildet haben können. Oxydeinschlüsse dicht unter der Oberfläche des Metallwulstes können durch Ausheizen jedoch nicht entfernt werden, so daß es wesentlich ist, während der Herstellung des Wulstes die Oxydbildung auf ein Minimum zu reduzieren, wie es bereits beschrieben wurde. Auf oder dicht unter den OBerflachen von Teilen, die im Vakuum hohen Feldstärken ausgesetzt werden, sollten auf alle Fälle Verunreinigungen wie beispielsweise Oxyde vermieden werden, da solche Verunreinigungen bereits bei sehr niedrigen Spannungen zu Durchschlägen führen können.

009822/0752

Durch die Bearbeitung der Kanten der Abschirmungen auf die oben beschriebene WEise wurde eine bemerkensxierte ERhöhung der Durchbruchsfeldstärke erzielt. So wurde beispielsweise bei Vakuumschaltern, die so aufgebaut waren, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, die Durchschlagsfestigkeiten für impulsmäßige Belastungen von etwa 90 kV auf etwa 150 kV gesteigert. Als Vergleichsschalter wurden Vakuumschalter der gleichen Bauart verwendet, die jedoch nicht mit durch Lichtbogenschmelzen hergestellten Wulsten an den Abschirmungsrändern versehen waren. Bei den unterlegenen Schaltern waren die Kanten 40 bis 43 zwar ebenfalls abgerundet, jedoch waren die Kanten rund geschliffen worden. Die Steigerung der Durchschlagsfestigkeit um mehr als 50 % als Ergebnis der Herstellung der Wülste muß als nau und überraschend angesehen we rden.

Rückblickend scheint die außerordentliche Glattheit des im Lishibogen geschmolzenen Wulstes ein Faktor zu seir , der zu -iev mh&n Durchschlagsfestigkeit beiträgt. Ein weiterer Beitrag wird vermutlich durch die grobe Kornstruktur in dem Wulst geliefert, worauf bereits hingewiesen wurde. Korngrenzen können dielektrisch schwache Gebiete sein, und die Anzahl dieser Grenzen wird durch die viel gröbere Struktur im Wulst ¥3rglichsn mit der Kornstruktur in der restlichen Abschirmung stark vermindert.

Weiterhin sei bemerkt, d&ß der durch Lichtbogenschmelza^ hergestellt Wulst praktisch kein zusätzliches Material banötigt und auch praktisch ks-?nen zus2tsllchen Rauai im -Vakuumschalter in Anspruch nimmt. Darüber hinaus kaini der VerfaliieEsscliritt sur Hör- stellung dss Wulstes schnell mna einfach dwyck^führf werden-

Claims (2)

Ansprüche

1. Vakuumschalter zum Schalten hoher Spannungen mit einem hochevakuierten Schaltergehäuse, in das eine röhrenförmige Abschirmung aus Metall eingesetzt ist, deren Ende kreisringförmig ausgebildet ist, dadurch g eic e η η ζ e i c h η e t , daß das Ende der Abschirmung als dünnwandiger Kreisring ausgebildet ist, dessen "ante mit einem durch Bogenschmelzen hergestellten Wulst verseilen ist_? daß der Wulst durch örtliches Schmelzen des ilaterials as: der Außenkante des Kreisringes mit einem elektrischen Licätlogen hergestellt ist, und daß der Wulst eine glatte, abgerundete äußere Oberfläche aufweist und in einem Gebiet angeordnet ist, in dem die elektrischen Feldstärken bei geschaltetem Schalter hoch sind.

2. Vakuumschaltsr nach Anspruch 1, bei dem der Wulst eine bestimmte Kornstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner im Wulst größer als die Körner in dem dünnwandigen K.>*ei«ring sind, die von üsai Wulst einen gewissen Abstand haben.