DE19503347A1 - Shielding element surrounding the contact point of a vacuum switch - Google Patents
Shielding element surrounding the contact point of a vacuum switchInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein die Kontaktstelle eines Vakuumschal ters konzentrisch umgebendes, zylindrisches Abschirmelement nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to the contact point of a vacuum scarf ters concentrically surrounding, cylindrical shielding element the preamble of claim 1.
Vakuumschaltkammern umfassen in der Regel einen oder mehrere Hohlkörper aus Keramik, die vakuumdicht abgeschlossen sind und in die von ihren Stirnseiten ausgehend Kontaktstengel hinein greifen, an deren inneren Enden Kontaktstücke angeordnet sind. Dabei ist die Verbindung zwischen dem beweglichen Kontaktstengel und dem Hohlkörper aus Keramik über einen Faltenbalg bewirkt, der eine Bewegung des beweglichen Kontaktstengels mit dem beweg lichen Kontaktstück bezogen auf das feste Kontaktstück gestat tet.Vacuum interrupters usually include one or more Hollow bodies made of ceramic, which are sealed vacuum-tight and into the contact stem starting from their front sides grip, at the inner ends of contact pieces are arranged. Here is the connection between the movable contact stem and the hollow body made of ceramic via a bellows, a movement of the movable contact stem with the moving Permitted contact piece based on the fixed contact piece tet.
Bei einer Kontakttrennung zündet insbesondere unter Kurz schlußbedingungen ein Lichtbogen, der unter anderem Metalldampf zwischen den Kontaktstücken erzeugt. Damit sich der Metalldampf nicht auf der Keramik niederschlägt und deren Isolationsfestig keit verringert, werden zylindrische Schirme meist aus einem me tallischen Werkstoff verwendet, die die Kontaktstücke umgeben und dieses Niederschlagen des Metalldampfes auf der Keramik ver hindern. Daher kondensiert der Metalldampf vorwiegend auf den "kalten" Schirmen oder Abschirmelementen. In the event of a contact separation, it ignites particularly briefly closing conditions an arc that includes metal vapor generated between the contact pieces. So that the metal vapor does not deposit on the ceramic and its insulation strength reduced, cylindrical shades are usually made from one me used metallic material that surround the contact pieces and this deposition of the metal vapor on the ceramic ver prevent. The metal vapor therefore condenses predominantly on the "cold" screens or shielding elements.
Beim Trennen der Kontaktstücke in einer Vakuumschaltkammer ins besondere unter Kurzschlußbedingungen bildet sich, wie oben dar gestellt, der Lichtbogen, der ein heißes Metalldampfplasma ist. Dieses Plasma enthält Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen und Photonen, wobei im Plasma vor allem ionisierter Metalldampf vor liegt. Wenn sich dieser Metalldampf auf dem Abschirmelement nie derschlägt, dann wird dessen Oberfläche glatt spiegelnd und diese glatte und blanke Oberfläche reflektiert die Wärmestrah lung des Bogens in diesen zurück und leistet so einen uner wünschten Beitrag zum Bogenerhalt. Mit anderen Worten: die Re flexion der Photonen an der blanken und glatten Metallschirm oberfläche vergrößert die Lebensdauer des Plasmas. Die Spie geleigenschaft, die das jungfräuliche Schirmelement schon von der Produktion her hat, wird verstärkt durch den aufdampfenden Metallfilm. Dadurch werden die Photonen der Licht- und Wärme strahlung an der blanken und glatten Metallschirmoberfläche in den Lichtbogen zurück reflektiert, so daß dadurch die Lebens dauer des Plasmas verlängert wird. Darüberhinaus besteht das Problem, daß im Kurzschlußfall die hohe Energiedichte des Licht bogens die Oberflächentemperatur des glatten Abschirmelementes so hoch treibt, daß dieses ebenfalls Metall verdampft.When separating the contact pieces in a vacuum interrupter especially under short-circuit conditions, as shown above posed, the arc, which is a hot metal vapor plasma. This plasma contains atoms, molecules, ions, and electrons Photons, with mainly ionized metal vapor in the plasma lies. If this metal vapor is never on the shielding element strikes, then its surface becomes smooth and reflective this smooth and bare surface reflects the heat beam of the bow in this back and thus achieves an un wanted contribution to the preservation of sheets. In other words: the Re flexion of the photons on the bare and smooth metal screen surface increases the life of the plasma. The game property that the virgin shade element already from the production has, is reinforced by the evaporating Metal film. This makes the photons of light and heat radiation on the bare and smooth metal screen surface in the arc reflects back, so that the life duration of the plasma is extended. Furthermore, there is Problem that in the event of a short circuit the high energy density of the light arc the surface temperature of the smooth shielding element drives so high that this also evaporates metal.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Abschirmelement der eingangs genannten Art so zu verändern, daß der Beitrag des Abschirmele ments zur Verlängerung der Lebensdauer des Lichtbogens ver kleinert wird.The object of the invention is the shielding element of the entry to change the type mentioned so that the contribution of the shielding to extend the life of the arc is shrunk.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die den Kontaktstücken zugewandte Innenfläche des Abschirmelementes am Innenumfang Vertiefungen und/oder Erhöhungen aufweist, welche auftreffende Strahlung, Wärme- oder Lichtstrahlung in unter schiedliche Richtungen reflektiert.This object is achieved in that the Contact pieces facing inner surface of the shielding element on Has inner circumference depressions and / or elevations, which incident radiation, heat or light radiation in under different directions reflected.
Damit wird das glatte Abschirmelement aus Metall durch ein pro
filiertes Abschirmelement ersetzt, wodurch Plasmaenergie disi
piert wird und damit die Lichtbogenbrennzeit verkürzt wird. Auch
das Restplasma zwischen den Kontaktstücken im Nulldurchgang des
Stromes wird in gleicher Weise beeinflußt mit der Folge einer
schnellen Wiederverfestigung. Dem Metalldampf steht nämlich eine
vergrößerte Oberfläche gegenüber, die die Kondensationswärme
schneller abführt und somit lokal den Dampfdruck erniedrigt. Me
talldampf wird also weniger reflektiert und die Keramik vor Be
dampfung besser abgeschirmt. Darüberhinaus vergrößert sich bei
gleicher Zylindermantelinnenfläche die nutzbare Oberfläche des
profilierten Abschirmelementes entsprechend der Form. Diese grö
ßere Oberfläche streut und absorbiert auch die Photonen aus dem
Volumen zwischen den Kontakten. Insgesamt bestehen die Vorteile
im wesentlichen im folgendem:
Das metallische profilierte Abschirmelement entzieht dem Plasma
aufgrund seiner größeren Wärmeübertragungsfläche entsprechend
dem sog. Formfaktor mehr Energie bei im übrigen gleichen Abmes
sungen. Aufgrund der vergrößerten Oberfläche schlägt sich auch
mehr Metalldampf nieder und darüberhinaus ist als weiterer Vor
teil festzuhalten, daß der kondensierte Metalldampf das Streu
verhalten bzw. Reflexionsverhalten im wesentlichen nur geringfü
gig oder überhaupt nicht beeinflußt. Bei einer geeigneten Ober
flächengeometrie, d. h. bei einem geeigneten Profil, werden die
aus dem Lichtbogen abgestrahlten Photonen im wesentlichen nicht
mehr zum Lichtbogen hin reflektiert, so daß Strahlungsenergie
aus dem Bereich zwischen den Kontakten entfernt wird. Darüber
hinaus kann auch gesagt werden, daß das metallische profilierte
Abschirmelement dem Plasma aufgrund der großen nutzbaren kalten
Oberfläche Ladungsträger entzieht, die in Schirmnähe rekombinie
ren und das Plasma schwächen.The smooth shielding element made of metal is thus replaced by a shielded shielding element, as a result of which plasma energy is dissipated and the arc burning time is shortened. The residual plasma between the contact pieces at the zero crossing of the current is also influenced in the same way, with the result of rapid re-solidification. The metal vapor is opposed by an enlarged surface, which dissipates the heat of condensation faster and thus lowers the vapor pressure locally. Metal vapor is therefore less reflected and the ceramic is better shielded from vaporization. In addition, the usable surface of the profiled shielding element increases in accordance with the shape with the same inner cylinder surface. This larger surface also scatters and absorbs the photons from the volume between the contacts. Overall, the main advantages are as follows:
The metallic profiled shielding element removes more energy from the plasma due to its larger heat transfer area in accordance with the so-called form factor. Due to the increased surface area, more metal vapor is deposited and moreover, as a further part, it should be noted that the condensed metal vapor behaves in the litter or reflects behavior essentially only slightly or not at all. With a suitable surface geometry, ie with a suitable profile, the photons emitted from the arc are essentially no longer reflected towards the arc, so that radiation energy is removed from the area between the contacts. In addition, it can also be said that the profiled metallic shielding element removes charge carriers from the plasma due to the large usable cold surface, which recombine near the screen and weaken the plasma.
Neben der Reduzierung der Plasmabogenzeit wird durch die erfin dungsgemäße Ausgestaltung der Innenfläche des Abschirmelementes auch die Bedampfung der Isolatorteile verringert.In addition to reducing the plasma arc time, the inventor design of the inner surface of the shielding element according to the invention also reduced the vaporization of the insulator parts.
Die Erhöhungen und/oder Vertiefungen können auf unterschiedliche Weise erzielt werden.The elevations and / or depressions can be different Way can be achieved.
Gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 2 sind die Erhöhungen und/oder Vertiefungen durch Rillen gebildet, die in bevorzugter Weise am Umfang umlaufen. According to the characterizing features of claim 2, the Ridges and / or depressions formed by grooves that in preferably circulate around the circumference.
Die Form der Rillen kann unterschiedlich sein. Einerseits können die Rillen einen dreieckigen Querschnitt aufweisen, wobei sie so dicht beieinanderliegen können, daß die Seitenflanken in einer Spitze enden. Die Rillen können auch einen viereckigen, bei spielsweise einen rechteckigen, quadratischen oder trapezförmi gen Querschnitt aufweisen. Die Rillen können abgerundet sein, wobei auch die Bereiche zwischen den Rillen, also die Rillen spitzen abgerundet sein können.The shape of the grooves can be different. On the one hand can the grooves have a triangular cross-section, being so can be close together that the side flanks in one Tip end. The grooves can also be a square, at for example a rectangular, square or trapezoidal shape have a cross-section. The grooves can be rounded, the areas between the grooves, ie the grooves pointed can be rounded.
Zur Herstellung können die Rillen schraubenförmig eingebracht sein, so daß dadurch die Fertigung erleichtert wird; die Rillen können auch durch Faltung eines Blechzylinders hergestellt sein.The grooves can be made helically for manufacture be, so that the production is facilitated; the grooves can also be made by folding a sheet metal cylinder.
Das Abschirmelement besteht aus einem gut wärmeleitenden metal lischen Werkstoff, vorzugsweise aus OFE-Kupfer; es kann auch sintermetallurgisch hergestellt sein, z. B. mit einer Sinterle gierung aus Kupfer und Chrom. Das gesinterte Material kann dabei porös gesintert sein, so daß die Porösität zusätzlich noch zur Verbesserung des Verhaltens des Abschirmelementes beiträgt. Als Material kommen weiter in Frage Legierungen mit Kupfer, z. B. CuBe, CuCrV, CuCrTi, CuCrZr, CuCrMo, CuCrFe, CuCrCo, CuAl oder Werkstoffkombinationen von diesen Elementen.The shielding element consists of a good heat-conducting metal mical material, preferably made of OFE copper; it can also be sintered metallurgically, e.g. B. with a sinter copper and chrome alloy. The sintered material can be porous sintered, so that the porosity in addition to Improves the behavior of the shielding element. As Material can also be used. Alloys with copper, e.g. B. CuBe, CuCrV, CuCrTi, CuCrZr, CuCrMo, CuCrFe, CuCrCo, CuAl or Material combinations of these elements.
Die Innenfläche kann auch so gestaltet sein, daß sie einer Fei lenhuboberfläche entspricht. Dadurch sind Erhöhungen und/oder Vertiefungen vorhanden, welche das Licht bzw. die Photonen so reflektieren, daß die Photonen nicht mehr zum Lichtbogen zurück gelangen können.The inner surface can also be designed so that it is a Fei lenhubfläche corresponds. This increases and / or Wells are present, which are the light or the photons reflect that the photons no longer return to the arc can reach.
Das gleiche kann auch erreicht werden, wenn die innere Oberflä che mit kegelförmigen Vertiefungen oder Einsenkungen bzw. Erhö hungen versehen ist. Diese können beispielsweise dadurch herge stellt werden, daß das aus Blech bestehende Abschirmelement in einer entsprechenden Werkzeugform geformt wird. The same can be achieved if the inner surface surface with conical depressions or depressions or ridges is provided. This can be done for example are that the shielding element made of sheet metal in a corresponding tool shape is formed.
Wenn das Abschirmelement durch Faltung aus einem Blechwerkstoff hergestellt wird, dann kann OFE-Kupfer, ein niedrig legiertes Kupfer oder auch ein Stahlwerkstoff verwendet werden.If the shielding element is folded from a sheet metal material then OFE copper, a low alloy Copper or a steel material can be used.
Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Er findung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.Using the drawing in which some embodiments of the Er are shown invention, the invention and others advantageous refinements and improvements of the invention and further advantages are explained and described in more detail.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine Vakuumschalt kammer in schematischer Darstellung, Fig. 1 is a sectional view through a vacuum interrupter chamber in a schematic representation;
Fig. 2 bis 4 unterschiedliche beispielhafte Ausführungen der Innenfläche des Schirmes im Bereich der Einzelheit X. FIGS. 2 to 4 show different exemplary embodiments of the inner surface of the screen in the area of detail of X.
Eine Vakuumschaltkammer, von der in Fig. 1 lediglich Teile ge zeigt sind, besitzt einen festen Kontaktstengel 10, an dessen innerem Ende ein festes Kontaktstück 11 befestigt ist. Dem fe sten Kontaktstengel bzw. dem festen Kontaktstück 11 gegenüber befindet sich ein bewegbarer Kontaktstengel 12, an dessen inne rem Ende ein bewegbares Kontaktstück 13 befestigt ist. Das be wegbare Kontaktstück 13 und der bewegbare Kontaktstengel 12 kön nen sich zur Durchführung einer Schalthandlung gemäß Doppel pfeilrichtung S bewegen, wobei sich zwischen dem nicht gezeigten Keramikhohlkörper, welcher die in Fig. 1 dargestellten Teile um gibt, und dem bewegbaren Kontaktstengel ein Faltenbalg befindet (ebenfalls nicht dargestellt), der eine Abdichtung des Innenvo lumens zum Keramikkörper bewirkt und die Bewegung des bewegbaren Kontaktstengels 12 zuläßt.A vacuum interrupter, of which only parts are shown in FIG. 1, has a fixed contact stem 10 , at the inner end of which a fixed contact piece 11 is attached. The fe most contact stem or the fixed contact piece 11 is opposite a movable contact stem 12 , at the inner end of a movable contact piece 13 is attached. The movable contact piece 13 and the movable contact stem 12 can move to carry out a switching operation according to the double arrow direction S, with a bellows between the ceramic hollow body, not shown, which gives the parts shown in FIG. 1, and the movable contact stem ( also not shown), which seals the Innenvo lumen to the ceramic body and allows the movement of the movable contact stem 12 .
Die Kontaktstengel 10, 12 und die beiden Kontaktstücke 11 und 13 sind von einem zylinderförmigen Abschirmelement 14 umgeben, wel ches in an sich bekannter, hier ebenfalls nicht näher darge stellter Weise im Inneren des Keramikhohlkörpers unverschieblich festgelegt ist. Mit 15 ist der Vakuumraum bezeichnet, in dem sich die in Fig. 1 gezeigten Komponenten befinden.The contact stem 10 , 12 and the two contact pieces 11 and 13 are surrounded by a cylindrical shielding element 14 , which is fixed immovably in the interior of the ceramic hollow body in a manner known per se, also not shown here. 15 denotes the vacuum space in which the components shown in FIG. 1 are located.
Bei einer Schalthandlung entsteht zwischen den beiden Kontakt stücken 11 und 13 ein Lichtbogen 16, der Wärmestrahlung 17 nach außen abstrahlt und von dem auch Metalldampf 18 nach außen ge trieben wird. Natürlich werden Metalldampf und Wärmestrahlung auch gemäß Pfeilrichtung 17 und 18 in andere Richtungen abge strahlt bzw. getrieben und zur Verdeutlichung ist auch ein Pfeil 19 eingezeichnet, der zeigt, daß vom Lichtbogen 16 aus auch quer durch den Raum Wärmeenergie abgestrahlt und Metalldampf getrie ben werden.In a switching operation arises between the two contact pieces 11 and 13, an arc 16 , which radiates heat radiation 17 to the outside and from which metal vapor 18 is also driven outwards. Of course, metal vapor and heat radiation are also radiated or driven in other directions according to arrow directions 17 and 18 , and for clarification an arrow 19 is also shown, which shows that from the arc 16 thermal energy is also radiated across the room and metal steam is driven.
Die innere Oberfläche des Abschirmelementes 14 ist mit Rillen 20 versehen, die eine Dreieckform haben, so daß die dazwischen be findlichen Erhebungen 21 ebenfalls dreieckförmig sind, wobei ihre Spitze nach innen zu den Kontaktstengeln 10 und 12 und den Kontaktstücken 11 und 13 und zum Lichtbogen 16 hin gerichtet ist. Dadurch wird die Oberfläche der Innenfläche vergrößert und durch die Flankenwinkel auch eine geeignete Reflexion z. B. von Wärmestrahlung 17 I bewirkt, die - abhängig vom Flankenwinkel der Spitzen 21 - die Wärmestrahlung 17 I aus dem Bereich zwischen den Kontaktstücken 11 und 13 abstrahlt, wie durch den Pfeil 17 II an gedeutet ist. Durch die vergrößerte Oberfläche nimmt auch die Kondensationsenergiedichte des Metalldampfes ab, so daß insge samt der Lichtbogen günstig beeinflußt wird. Die Dreieckform der Rillen gemäß Fig. 1 kann auch durch eine rechteckige Form von Rillen 22 ersetzt werden; hier besteht das Problem, daß Bereiche 23 vorhanden sind, die auftreffende Wärme- oder Lichtstrahlen direkt wieder in den Bereich des Lichtbogens zurückstrahlen. Le diglich diejenigen Wärmestrahlen, die in die Rillen 22 hinein fallen, können in bestimmter Menge dort auch absorbiert bzw. in andere Richtung abgelenkt werden.The inner surface of the shielding element 14 is provided with grooves 20 which have a triangular shape, so that the elevations 21 between them are also triangular, with their tips facing inwards to the contact rods 10 and 12 and the contact pieces 11 and 13 and to the arc 16 is directed towards. As a result, the surface of the inner surface is enlarged and a suitable reflection z. B. caused by heat radiation 17 I , which - depending on the flank angle of the tips 21 - radiates the heat radiation 17 I from the area between the contact pieces 11 and 13 , as indicated by the arrow 17 II . Due to the increased surface area, the condensation energy density of the metal vapor also decreases, so that the arc as a whole is favorably influenced. The triangular shape of the grooves according to FIG. 1 can also be replaced by a rectangular shape of grooves 22 ; here there is the problem that areas 23 are present which radiate incident heat or light rays directly back into the area of the arc. Le diglich those heat rays that fall into the grooves 22 can also be absorbed in a certain amount or deflected in another direction.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 sind Rillen 24 vorgesehen, die im Grunde abgerundet sind; auch die zwischen den Rillen 24 liegen den Erhebungen 25 sind abgerundet, so daß das Reflexionsverhal ten ähnlich ist wie bei der Dreieckform und das Absorptionsver halten für Metalldampf ähnlich ist wie bei der Ausführung nach Fig. 2.In the embodiment according to FIG. 3, grooves 24 are provided which are basically rounded; also between the grooves 24 are the elevations 25 are rounded, so that the Reflexionsverhal th is similar to the triangular shape and the Absorptionsver hold for metal vapor is similar to the embodiment of FIG. 2nd
Die Rillen 20, 22 und 24 können durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt sein, wobei die Rillen auch schraubenförmig angeord net sein können. Die Ausgestaltung nach den Fig. 1, 2 und 3 kann aus Sintermaterial hergestellt sein, beispielsweise aus CuCr und darüberhinaus auch noch porös sein, so daß die Reflexionsfähig keit weiter verringert und die Absorptionsfähigkeit weiter ver bessert wird.The grooves 20 , 22 and 24 can be produced by machining, the grooves can also be helically angeord net. The embodiment according to FIGS. 1, 2 and 3 may be made of sintered material, for example from CuCr and moreover be more porous, so that the reflection capability ness further reduced and the absorption capacity is further improved ver.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, kann als Abschirmelement ein aus Kupfer- oder Stahlblech hergestellter Zylinder 26 verwendet wer den, wobei die Falten 27 die Rillen 28 mit den dazwischen be findlichen Erhebungen 29 bilden. Selbstverständlich kann die Faltung nicht zu dreieckförmigen Rillen, sondern auch zu rechteckförmigen, trapezförmigen Rillen oder zu solchen Rillen wie in der Fig. 3 dargestellt führen.As can be seen from FIG. 4, a cylinder 26 made of copper or steel sheet can be used as the shielding element, the folds 27 forming the grooves 28 with the elevations 29 between them. Of course, the folding cannot lead to triangular grooves, but also to rectangular, trapezoidal grooves or to such grooves as shown in FIG. 3.
Die Wirkung der Anordnung gemäß Fig. 4, bei der dreieckförmige Rillen dargestellt sind, kann auch gebildet werden, in dem die Oberflächenform der Innenfläche mit kegelförmigen Erhebungen versehen sind. Diese kegelförmigen Erhebungen besitzen dann eine der Spitze 29 entsprechende Spitze; darauf auftreffende Photonen werden in ähnlicher Richtung reflektiert wie die Photonen bei dreieckförmigen Rillen.The effect of the arrangement according to FIG. 4, in which triangular grooves are shown, can also be formed by providing the surface shape of the inner surface with conical elevations. These conical elevations then have a tip corresponding to the tip 29 ; photons striking it are reflected in a similar direction as the photons in triangular grooves.
Ebenfalls nicht dargestellt ist eine Feilenhubstruktur, die ei ner Art Sägezahnstruktur entspricht.Also not shown is a file lifting structure, the egg corresponds to a kind of sawtooth structure.
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