DE1640226C3 - Vakuumschalter - Google Patents

Description

20

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit einem hochevakuierten Gehäuse, in dem eine dünnwandige, rohrartig ausgebildete Abschirmung aus Metall angeordnet ist welche die Schaltkontakte umgibt und von diesen elektrisch isoliert ist.

In bestimmten Arten von Vakuumschaltern sind in Gebieten hoher elektrischer Feldstärken die Kanten von röhrenförmigen Metallkörpern (sogenannten Kondensationsschirmen) angeordnet. Nun hat sich gezeigt, daß man die Feldstärken in der Nähe dieser Kanten dadurch herabsetzen kann, daß man diese Metallkörper in der Nähe ihrer Kanten torusförmig mit einem ver hältnismäßig großen Krümmungsradius ausbildet Um diese Metallkörper derart zu verformen, sind verhält ■ nismäßig kostspielige Verarbeitungsschritte erforderlieh. Darüber hinaus wird für die Formgebung eine beträchtliche Menge von an sich überflüssigem Metall benötigt, und der entstehende Torus nimmt verhältnismäßig viel Raum ein, der sonst innerhalb des Vakuumschalters für andere Zwecke verwendet werden könnte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Durchschlagsfestigkeit eines Vakuumschalters 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.

Diese Aufgabe wird bei einem Vakuumschalter der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die kreisringförmigen Kanten der Abschirmung durch Lichtbogenschmelzen abgerundet und geglättet sind.

Hierdurch wird eine recht erhebliche Steigerung der Durchschlagsfestigkeit erreicht ohne daß hierzu wie bisher ein zusätzliche/ Raumbedarf erforderlich ist.

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

F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Vakuumschalter, der eine Ausfuhrungsform der Erfindung ist;

F ig. 2 zeigt einen Verfahrensschritt zur Bearbeitung eines Teils des Schalters aus F i g. 1;

F i g. 3 ist ein Querschnitt durch einen Teil des Schalters aus F i g. 1 in vergrößertem Maßstab.

In der F i g. 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 \Q~* 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. ....

Innerhalb des Gehäuses 10 sind zwej scheibenförmige Kontakte 17 und 18 angeordnet die sich voneinander trennen lassen. Der obere, feststehende Kontakt 17 ist an einem feststehenden Kontaktstab 17a befestigt Der Kontaktstab 17a ist vakuumdicht durch die obere Endkappe |2. hindurchgeführt Der untere, bewegbare Kontakt 18 ist mit einer bewegbaren Schakstange 18a verbunden. 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. Schaltergehiuses zu beeinträchtigen, ist ein metallischer Federbalg 20 vorgesehen, der auf der einen Seite mit der Endkappe 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 geöffnet, indem man den unteren Kontakt 18 wieder in die Stellung zurückzieht die in F i g. 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. Solange 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 rohrförmige Metallabschirmung 30 vorgesehen. Diese rohrförmige Metallabschirmung ist um die beiden Kontakte herum angeordnet und innerhalb des 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 rohrförmige Endstutzen 34 und 35 vorgesehen, die ebenfalls als Abschirmungen dienen und an den Endkappen 12 und 13 befestigt sind. Diese beiden rohrförmigen 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 liegen die Kraftlinien des elektrischen Feldes so dicht nebeneinander, daß in diesen Gebieten Bedingungen herrschen, die Überschläge begünstigen.

Die Erfindung beinhaltet 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 Bearbei-

tung der Kanten der Abschirmungen innerhalb des Vakuumschalters erreicht Bevor der Vakuumschalter zusammengesetzt wird, wird an der Kante der Abschirmung ein elektrischer Lichtbogen hervorgerufen, derart, daß der Lichtbogen genau auf der Kante der Abschirmung endet Die F i g. 2 zeigt einen solchen Lichtbogen 49, der an der ringförmigen Kante 41 der zentralen Abschirmung 30 brennt Das eine Ende dos Bogens 49 brennt an der Kante der Abschirmung, während das andere Cnde des Bogens von einer hitzebeständigen Elektrode ausgeht die den hohen Temperaturen im Lichtbogen widerstehen 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 abbrenn», jedoch klein genug, um das Material an der Kante 41 zum Schmelzen zu bringen, das vom Lichtbogen berührt wird. Sowie der Bugen aus einem bestimmten Gebiet herausläuft erstarrt das geschmolzene Metall und bildet längs der Kante einen Wulst

Die F i g. 3 ist ein vergrößerter Querschnitt und zeigt den Wulst bei 55. Wie aus der F i g. 3 hervorgeht, weist der durch Lichtbogenschmelzen von Metall hergestellte Wulst 55 eine abgerundete, sehr glatte äußere Oberfläche auf. Der Wulst sitzt auf dem dünnwandigen Gebiet der Abschirmung auf, das unmittelbar ru'ben dem Wulst liegt. Die äußere Oberfläche des Wulstes geht glatt und stetig in die zylindrischen Innen- und Außenflächen der daneben liegenden Gebiete der Abschirmung über.

Ein Faktor, von dem man annimmt, daß er wesentlich zur Abrundung und zur Glätte der Wulstoberfläche beiträgt, ist die geringe Wandstärke der unmittelbar daneben liegenden Abschirmungswandung. Da 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 Ausführungsform der Erfindung war die Abschirmung 30 aus Nickel hergestellt und wies eine Wandstärke von etwa 1,27 mm 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 der Durchmesser der Körner groß war. Es zeigte sich beispielsweise, daß die Durchmesser der Körner im Wulst mehr als zwanzig Mal 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 !,inter Argon, durchgeführt Es genügt, wenn die Schutzgasatmosphäre nur an den Stellen der Kante 41 aufrechterhalten wird, an denen der Lichtbogen gerade brennt wenn es auch günstiger ist, 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 so lange 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 Oxiden sowie mögliche Einschlüsse von Oxiden in dem Metall des Wulstes zu verhindern.

Wenn alle Abschirmungen auf die eben beschriebene Weise bearbeitet worden sind, werden sie in dem Vaku-

/5 umschalter 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 Oxide entfernt die sich nach der Herstellung des Wulstes an der Wulstoberfläche gebildet haben können. Oxideinschlüsse dicht unter der Oberfläche des Metallwuistes können durch Ausheizen jedoch nicht entfernt werden, so daß es wesentlich ist, während der Herstellung des Wulstes die Oxidbildung auf ein Minimum zu reduzieren, wie es bereits beschrieben wurde. Auf oder dicht unter den Oberflächen von Teilen, die im Vakuum hohen Feldstärken ausgesetzt werden, sollten auf alle Fälle Verunreinigungen wie beispielsweise Oxide vermieden werden, da solche Verunreinigungen bereits bei sehr niedrigen Spannungen zu Durchschlägen führen können.

Durch die Bearbeitung der Kanten der Abschirmungen auf die oben beschriebene Weise wurde eine bemerkenswerte Erhöhung der Durchbruchfeldstärke erzielt. So wurde beispielsweise bei Vakuumschaltern, die so aufgebaut waren, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, die Durchschlagsfestigkeit für impulsmäßige Belastungen von etwa 9OkV auf etwa 15OkV gesteigert. Als Vergleichsschalter wurden Vakuumschalter der gleichen Bauart verwendet die jedoch nicht mit durch Lichtbogenschmelzen hergestellten Wülsten 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 neu und überraschend angesehen werden.

Rückblickend scheint die außerordentliche Giattheit des im Lichtbogen geschmolzenen Wulstes ein Faktor zu sein, der zu der hohen 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, verglichen mit der Kornstruktur in der restlichen Abschirmung, stark vermindert.
Weiterhin sei bemerkt, daß der durch Lichtbogenschmelzen hergestellte Wulst praktisch kein zusätzliches Material benötigt und auch praktisch keinen zusätzlichen Raum im Vakuumschalter in Anspruch nimmt. Darüber hinaus kann der Verfahrensschritt zur Herstellung des Wulstes schnell und einfach durchgeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   % Vakuumschalter mit einem hochevakuierten Gehäuse, in dem eine dünnwandige, rohrartig ausgebildete Abschirmung aus Metall angeordnet ist, welche die Schaltkpntakte umgibt und von die,«en elektrisch jspljert ist dadurch gekennzeichnet, daß die kreisringförmigen Kanten (41,42) der Abschirmung (30) durch Üchtbogenschmelzen abgerundet und geglättet sind
2. 2. Vakuumschalter; nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngrößen in den abgerundeten und geglätteten Kanten größer als die Korngrößen in der Abschirmung dicht an den Kanten sind.