DE1640256C3 - Vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumschalter mit relativ zueinander bewegbaren Kontaktstücken, welche eine im wesentlichen scheibenförmige Form aufweisen, eine kreisringförmige konzentrisch angeordnete Kontaktfläche besitzen und außerhalb der Kontaktfläche zur Erzeugung einer Lichtbogenrotation mit mehreren spiralförmig verlaufenden Schlitzen versehen sind.

Ein derartiger Vakuumschalter ist bereits aus der US-PS 31 58 719 und aus der US-FS 31 82 156 bekannt. Wenn bei der Unterbrechung eines Stromkreises mit Hilfe eines solchen Vakuumschalters an der kreisringförmigen Kontaktfläche ein Lichtbogen entsteht, dann wird dieser unter dem Einfluß von Magnetkräften radial nach außen getrieben. Mit Hilfe der spiralförmigen Schlitze in den Kontaktstücken wird eine Rotation des Lichtbogens erreicht. Es hat sich gezeigt, daß bei einem solchen Vakuumschalter ein Haften des Lichtbogens am inneren Ende eines Schlitzes auftreten kann. Dieses Haften führt zu einer übergroßen Erwärmung des Kontaktmaterials, so daß ein starker Abbrand des Materials an dieser Stelle auftritt. Die maximal mögliche Stärke des Stroms, der mit Hilfe eines der bekannten Schalter unterbrochen werden kann, wird dadurch begrenzt. Der auftretende Abbrand des Kontaktmaterials setzt auch die Lebensdauer der bekannten Vakuumschalter herab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumschalter der eingangs angegebenen Art derart auszugestalten, daß zur Erhöhung seiner Lebensdauer und seiner Abschaltleistung die Lichtbogenhaftung an den Schlitzinnenenden verhindert wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Kontaktfläche jedes Kontaktstückes von einem knopfförmigen Kontaktteil gebildet ist, welches zentral am Kontaktstück befestigt ist und die Schlitze im Bereich ihrer inneren Enden überdeckt.

Ein beim Unterbrechen eines Stromkreises mit Hilfe des erfindungsgemäßen Schalters entstehender Lichtbogen geht nach seinem Entstehen an der kreisförmigen Kontaktfläche unmittelbar auf einen Bereich des Kontaktstücks über, an dem die Enden der Schlitze von dem nach außen wandernden Lichtbogen nicht erreicht werden können. Die Enden der Schlitze liegen vielmehr zur Mitte des Kontaktstücks hin unter dem knopfförmigen Kontaktteil, an dem der Lichtbogen entsteht. Ein Haften des Lichtbogens an den Innenenden der Schlitze kann daher nicht mehr auftreten, so daß auch eine übermäßige Erwärmung und ein daraus resultierender ίο starker Abbrand des .Kontaktmaterials an den Innenenden der Schlitze nicht mehr auftreten können. Auf diese Weise können eine höhere Abschaltleistung und eine längere Lebensdauer des Vakuumschalters erzielt werden.

Vorzugsweise erstrecken sich die Schlitze in dem außerhalb des knopfförmigen Teils liegenden Bereich der Kontaktstücke durch die gesamte Dicke und bis zum äußeren Rand derselben. Das knopfförmige Kontaktteil ist vorteilhafterweise aus einer gegen Verschweißen widerstandsfähigen Legierung hergestellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines Vakuumschalters nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht längs der Linie ?-2 von Fig. 1 und

Fig.3 eine der Schnittansicht von Fig. 1 ähnliche Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Vakuumschalters nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein elektrischer Vakuumschalter dargestellt, der mit einer auf einen Druck von 10"⁴Torr oder niedriger evakuierten abgedichteten Umhüllung 10 versehen ist. Diese Umhüllung besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 11 aus Isoliermaterial und aus zwei Endkappen 12 und 13, die mit Hilfe von Vakuumdichtungen 14 mit den Enden des Gehäuses 11 verbunden sind.

In der Umhüllung 10 sind zwei relativ bewegliche Kontaktstücke 17 und 18 angebracht, die in Fig. 1 mit ausgezogenen Linien in ihrer getrennten Lage dargestellt sind. Das obere Kontaktstück 17 ist ein ortsfester Kontaktkörper, der an einer Leiterstange 17a befestigt ist, die an ihrem oberen Ende mit der oberen Endkappe 12 verbunden ist. Das untere Kontaktstück 18 ist ein beweglicher Kontaktkörper, der an einer leitenden Betätigungsstange 18a befestigt ist, die vertikal beweglich angebracht ist. Eine Bewegung des Kontaktstücks 18 nach oben aus seiner mit ausgezogenen Linien dargestellten Lage in seine mit gestrichelten Linien dargestellte Lage bringt die Kontaktslücke in Berührung miteinander, so daß der Schalter geschlossen wird. Eine nach unten erfolgende Bewegung trennt die Kontaktstücke, so daß der Schalter geöffnet wird. Die Betätigungsstange 18a ragt frei durch eine

öffnung in der unteren Endkappe 13. Die Dichtung um die Betätigungsstange 18a wird von einem biegsamen Metallbalg 20 gebildet, der eine Vertikalbewegung der Betätigungsstange ohne eine schädigende Beeinflussung des Unterdrucks in der Umhüllung 10 erlaubt. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Metallbalg mit seinen Enden dicht mit der Betätigungsstange 18a bzw. mit der unteren Endkappe 13 verbunden.

Jedes der dargestellten Kontaktstücke 17 und 18 ist scheibenförmig ausgeführt, und es besitzt eine gegen das andere Kontaktstück gerichtete Hauptfläche. Jedes Kontaktstück besitzt ein in der Mitte angebrachtes knopfförmiges Kontaktteil 25, das durch Hartlöten am Rest des Kontaktstücks befestigt ist. Diese Kontaktteile

besitzen eine in der Mitte angebrachte Ausnehmung 27, so daß die Berührung zwischen den Kontaktteilen an einer ringförmigen Kontaktfläche 30 erfolgt, wenn die Kontaktstücke ihre in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Berührungslage einnehmen. Diese ringförmigen Kontaktflächen 30 besitzen einen solchen Durchmesser, daß der durch den geschlossenen Kontakt fließende Strom einen radial nach außen gebogenen, schleifenförmigen Weg L folgt, der in Fig. 1 mit einer strichpunktierten Linie dargestellt ist. Die magnetische Wirkung des längs dieses schleifenförmigen Weges L fließenden Stroms versucht in bekannter Weise, die Schleife zu verlängern. Als Folge davon treibt die magnetische Wirkung des längs der Schleife fließenden Stroms einen Lichtbogen radial nach außen, der beim Trennen der Kontaktstücke zwischen den Kontaktflächen 30 entsteht.

Wenn sich die Enden des Lichtbogens gegen den Außenumfang der Kontaktstücke 17 und 18 bewegen, unterliegt der Lichtbogen einer in Umfangsrichtung wirkenden magnetischen Kraft, die ihn um die Mittelachse der Kontaktstücke in Drehung versetzt. Diese in Umfangsrichtung wirkende magnetische Kraft wird von mehreren Schlitzen 32 erzeugt, die in jedem der Kontaktstücke so angebracht sind, daß diese in mehrere Finger 33 aufgeteilt werden, die von zwei angrenzenden Schlitzen begrenzt werden. Die Schlitze verlaufen vom Außenumfang der Kontaktstücke längs Bahnen radial nach innen, die sich sowohl in Umfangsrichtung als auch radial zu den Kontaktstücken erstrecken, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Schlitze 32 zwingen den zu oder von einem Lichtbogen fließenden Strom, auf dem geschlitzten Abschnitt des Kontaktstücks zu fließen, damit er einer Bahn folgt, die in der Nähe des Lichtbogens eine in Umfangsrichtung zu den Kontaktstücken verlaufende Komponente besitzt. Diese in Umfangsrichtung verlaufende Komponente des längs des Wegs L fließenden Stroms bewirkt, daß eine reine, in Umfangsrichtung wirkende Kraft entsteht, die den Lichtbogen um die Mittelachse der Kontaktstücke in Drehung zu versetzen versucht.

Diese in Umfangsrichtung wirkende Kraftkomponente ist stark genug, jedes Ende des Lichtbogens über die Schlitze 32 zu treiben, so daß eine kontinuierliche Drehbewegung des Lichtbogens auf der Kontaktfläche entsteht. Diese kontinuierliche Drehbewegung des Lichtbogens erlaubt eine Unterbrechung größerer Ströme, da dadurch offensichtlich die vom Lichtbogen verursachte Kontaktabnützung verringert wird, so daß auch die Menge der erzeugten Metalldämpfe verringert wird. Dadurch können die Metalldämpfe vollständiger kondensieren wenn kein Strom fließt.

Die beim Unterbrechen großer Ströme beobachtete Neigung des Lichtbogens, am inneren Ende der Schlitze zu verweilen oder zu haften, konnte dadurch wesentlich verringert werden, daß die Schlitze 32 radial nach innen unter den Außenrand des knopfförmigen Kontaktteils 25 verlängert wurden. Dies ist in Fig. 2 am besten zu erkennen, wo dargestellt ist, daß sich das knopfförmige Kontaktteil 25 überdeckend über das innere Ende jedes Schlitzes 32 erstreckt. Der am weitesten innen liegende ^_n Punkt jedes Schlitzes 32 ist mit 32a bezeichnet. Wenn sich ein Endpunkt eines auf der Hauptflächc des Kontaktstückes auftretenden Lichtbogenendpunktes der Überschneidungsstelle eines Schlitzes 32 mit dem Außenumfang des Kontaktteils 25 nähert, tritt eine nicht völlig erklärbare magnetische Abstoßwirkung auf, die dem Lichtbogen eine kontinuierliche Bewegung aufzwinet. so daß er nicht an dieser bestimmten Stelle verweilen kann. Es sind zahlreiche gemäß dem in F i g. 2 dargestellten Aufbau hergestellte K^ntaktstücke nach wiederholten Abschaitvorgängen großer Ströme untersucht worden. Diese Untersuchungen haben einen weit geringeren Abbrand an dieser bestimmten Stelle ergeben, als er bei ähnlichen Kontaktstücken typisch ist, deren Schlitze am Außenumfang der Kontaktteile enden. Dies ist der Fall gewesen, obwohl mit den gemäß F i g. 2 aufgebauten Kontaktstücken größere Ströme, z.B. 25 000 Ampere, als bei den Kontaktstücken abgeschaltet worden sind, deren Schlitze am Außenumfang ihrer Kontaktteile enden.

Die Größe der Lichtbogenrotationskraft, die an einem Lichtbogen entwickelt wird, der sich in der Nähe des Außenumfangs eines Kontaktstücks 17 oder 18 befindet, ändert sich direkt mit der wirksamen Länge der Finger 33. Der Durchmesser des Kontaktstücks kann zur Vergrößerung der wirksamen Länge der Finger vergrößert werden, aber gewöhnlich sind es andere Konstruktionsüberlegungen, die den maximal möglichen Durchmesser der Kontaktstücke begrenzen. An dem Kontaktstück werden dadurch Finger mit einer vergrößerten Länge geschaffen, daß die Schlitze über den Außenumfang des Kontaktteils 25 hinaus nach innen verlängert werden.

Vor dem Entwurf gemäß F i g. 2 wurde die Verwendung eines Kontaktteils 25 mit kleinerem Durchmesser an den Kontaktstücken zur Erzeugung längerer Finger in Erwägung gezogen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß infolge des kleineren Durchmessers die Geschwindigkeit beträchtlich herabgesetzt wird, mit der der Lichtbogen nach seiner Auslösung radial nach außen getrieben wird. Mittels einer über den Außenumfang des Kontaktteils 25 hinaus erfolgenden radialen Verlängerung der Schlitze nach innen kann ein Kontaktteil mit dem großen Durchmesser verwendet werden, der zur Erzielung der gewünschten großen Geschwindigkeit der radial nach außen gerichteten Lichtbogenbewegung erforderlich ist, ohne daß die Länge der Finger verringert wird. Damit die radial nach außen gerichtete Krümmung des Stromwegs L verstärkt wird, wird eine Büchse aus einem Metall mit großem Widerstand, etwa aus rostfreiem Stahl, um jede der Kontaktstangen 17a und 18a dort angebracht, wo diese mit dem Kontaktstückaufbau verbunden sind. Das Vorhandensein dieser Büchse zwingt den größten Teil des Stroms, im Mittelbereich des Kontaktstücks einzudringen, so daß der Strom radial nach außen fließen muß, damit er die Kontaktfläche30 erreicht.

Ein weiterer Vorteil des gemäß F i g. 2 aufgebauten Kontaktstücks ist die zusätzliche mechanische Festigkeit, die den relativ langen und schlanken Fingern 33 von dem zentralen Kontaktteil 25 verliehen wird. Da das Kontaktteil 25 mit allen Fingern und mit dem Mittelbereich des scheibenförmigen Kontaktstücks hartverlötet ist, widersteht es jeder Neigung der Finger, sich aufgrund von mechanischen Kräften zu verbiegen, die bei einem Abschaltvorgang auftreten.

Vorzugsweise besteht das Kontaktteil 25 aus einem Material wie etwa aus Kupfer-Wismut- oder Kupfer-Blei-Legierungen, das sehr widerstandsfähig gegen ein Verschweißen der Kontaktstelle ist, wie in der US-Patentschrift 32 46 979 ausgeführt ist. Der Rest des Kontaktstücks besteht vorzugsweise aus einem anderen, leicht zu bearbeitenden Material wie etwa reinem Kupfer. Obwohl das Kontaktteil 25 vorzugsweise aus einem vom restlichen Kontaktstück verschiedenen Material hergestellt ist, ist es in gewissen Anwendungs-

fällen auch befriedigend, für das ganze Kontaktstück das gleiche Material zu verwenden, so daß das Kontaktteil an das restliche Kontaktstück angeformt ist.

Die Schlitze 32 erstrecken sich vorzugsweise in dem außerhalb des Kontaktteils 25 liegenden Bereich durch die gesamte Dicke ihrer zugehörigen Kontaktstücke, und sie erstrecken sich auch bis zum äußersten Rand der Kontaktstücke, so daß die Finger fast vollständig voneinander getrennt sind. Durch diesen getrennten Aufbau ergibt sich eine stärkere Lichtbogenrotationskraft, da der zu einem Lichtbogenendpunkt fließende Strom auf einen Weg beschränkt ist, der zur Erzeugung der Lichtbogenrotation besonders geformt ist.

Zur Abscheidung der von den Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe sind geeignete dampfabscheidende Schirme 50, 54, 56 und 58 vorgesehen. Der Hauptschirm 50 besteht aus einem Rohrteil, das die Lichtbogenstrecke 52 umgibt und zwischen dem isolierenden Gehäuse 11 und der Lichtbogenstrecke angebracht ist. Dieser Hauptschirm liegt vorzugsweise auf einem Potential, das zwischen den Potentialen der Elektroden bei geöffnetem Schalter liegt. Rohrförmige, mit den Endkappen 12 bzw. 13 verbundene Hilfsschirme 54 umgeben die beiden Enden des Hauptschirms 50. Zusätzlich rohrförmige Hilfsschirme 56, die ebenfalls mit den Endkappen verbunden sind, sind vom Hauptschirm 50 umgeben. Ein geeigneter napfförmiger Schirm 50a ist um den Metallbalg 20 angebracht, damit dieser vor den vom Lichtbogen erzeugten Produkten geschützt wird.

In der Ausführungsform von Fig. 3 kann in jedes Kontaktteil 25 direkt hinter der ringförmigen Kontaktfläche 30 zur weiteren Ausprägung der radial nach außen erfolgenden Krümmung des Stromwegs L ein ringförmiger Einsatz 70 aus einem Material mit hohem Widerstand wie etwa aus rostfreiem Stahl eingefügt werden. Der Einsatz gleicht dem Einsatz, der in der US-Patentschrift 3158 719 beschrieben ist. Zwischen dem Außenumfang des Kontaktteils 25 und dem

ίο Hauptkörper des Kontaktstücks ist ein kleiner Zwischenraum 72 freigelassen, damit der Strom nicht wesentlich durch die Außenumfangsfläche in das Kontaktteil eindringen kann, sondern gezwungen ist, durch den Mittelbereich des Kontaktteils einzudringen.

Der ringförmige Einsatz 70 setzt dem längs einer vertikalen Bahn hindurchfließenden Strom einen hohen Widerstand entgegen, so daß der in das Kontaktteil eindringende Strom zusätzlich veranlaßt wird, durch den Mittelbereich einzudringen. In der abgeänderten Ausführungsform von Fig.3 erstrecken sich die spiralförmigen Schlitze 32 über den ringförmigen Einsatz 70 hinaus radial nach innen. Auf diese Weise überbrücken der Einsatz 70 und der Körper des Kontaktteils 25 die Innenenden der Schlitze 32. Die Außenumfangsfläche des aus rostfreiem Stahl bestehenden Einsatzes 70 ist vorzugsweise ein wenig radial gegen die Außenumfangsfläche des Kontaktteils 25 nach innen versetzt, damit die Möglichkeit verringert wird, daß ein Lichtbogenendpunkt am Einsatz 70 haftet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vakuumschalter mit relativ zueinander bewegbaren Kontaktstücken, welche eine im wesentlichen scheibenförmige Form aufweisen, eine kreisringförmige konzentrisch angeordnete Kontaktfläche besitzen und außerhalb der Kontaktfläche zur Erzeugung einer Lichtbogenrotation mit mehreren spiralförmig verlaufenden Schlitzen versehen sind, d a durch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (30) jedes Kontaktstückes (17, 18) von einem knopfförmigen Kontaktteil (25) gebildet ist, welches zentral am Kontaktstück befestigt ist und die Schlitze (32) im Bereich ihrer inneren Enden (32a) überdeckt.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitze (32) in dem außerhalb des knopfförmigen Teils (25) liegenden Bereich der Kontaktstücke durch die gesamte Dicke und bis zum äußeren Rand derselben erstrecken.

3. Vakuumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das knopfförmige Kontaktteil (25) aus einer gegen Verschweißen widerstandsfähigen Legierung hergestellt ist.