DE19855413A1 - Axialmagnetfeld-Kontaktanordnung für Vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialmagnetfeld-Kontakt­ anordnung für einen Vakuumschalter, bestehend aus zwei ein­ ander zugeordneten Kontaktstücken und zugehörigen Mitteln zur Generierung eines axialen Magnetfeldes, wobei die Kontakt­ stücke aus topfförmigen Kontaktträgern mit Hohlraum und ring­ förmigen Kontaktscheiben mit Mittelöffnung bestehen, die mit dem dahinterliegenden Hohlraum verbunden ist.

Im Bereich der Energietechnik werden zum Schließen und Tren­ nen elektrischer Verbindungen mechanisch arbeitende Schalter eingesetzt, bei denen zwei Kontaktstücke in einem evakuier­ ten, vakuumdichten Gehäuse (Vakuumschaltröhre) untergebracht sind, wobei wenigstens eines der beiden Kontaktstücke beweg­ lich in Bezug auf das zweite Kontaktstück sein muß. Als spe­ ziellen Schaltfall muß diese Anordnung die im Netz bzw. im Verbraucher im Fehlerfall auftretenden Kurzschlußströme un­ terbrechen können. In diesem Fall verursacht der bei der Kon­ taktöffnung zwischen den beiden Kontaktstücken entstehende Lichtbogen eine starke lokale Erhitzung der Kontaktoberflä­ che, die mit einer erheblichen Freisetzung von Metalldampf verbunden ist. Dieser Metalldampf begrenzt die dielektrische Wiederverfestigung der Schaltstrecke nach einem Stromnull­ durchgang und damit auch den Kurzschlußstrom, der von einer vorgegebenen Anordnung unterbrochen werden kann.

Da sich der Lichtbogen durch das Eigenmagnetfeld bis auf ei­ nen Minimaldurchmesser einschnürt, bei dem sich der Magnet­ felddruck und der hydrodynamische Gasdruck die Waage halten, wird die Schaltleistung von einfachen Plattenkontakten im we­ sentlichen durch das Verhalten des Kontaktmaterials begrenzt und ist nicht beliebig durch Vergrößerung des Kontaktdurch­ messers zu erhöhen.

Zur Erhöhung der Schaltleistung einfacher Plattenkontaktstüc­ ke in Vakuumschaltröhren werden verschiedene Wege beschrit­ ten. Insbesondere hat sich bewährt, den Kontaktstücken im Schaltfall ein axiales Magnetfeld zu überlagern. Das axiale Magnetfeld behindert eine Kontraktion des Lichtbogens auf­ grund des Eigenmagnetfeldes und führt zu dessen Auffächerung. Angestrebt wird, daß dessen Fußpunkte damit möglichst über die gesamte verfügbare Kontaktfläche verteilt werden und so­ mit ein diffuser Lichtbogen entsteht. Auf diese Weise wird die lokale thermische Belastung der Kontaktoberfläche vermin­ dert, womit die Metalldampferzeugung verringert und die Ober­ grenze für den zu unterbrechenden Kurzschlußstrom deutlich erhöht wird.

Ein weiterer Vorteil derartiger Axialmagnetfeldkontakte (sog. AMF-Kontakte) besteht darin, daß keine Metalldampfjets in ra­ dialer Richtung emittiert werden und daß damit angrenzende Strukturelemente der Vakuumschaltröhre nur sehr gering bela­ stet werden.

Beim Stand der Technik ist die für die Erzeugung des axialen Magnetfeldes notwendige Spule häufig in das Kontaktstück in­ tegriert, indem ein Teil der Stromzuführung zur Kontaktplatte als Spulenkörper ausgeformt ist. Eine bekannte Ausführungs­ form eines AMF-Kontaktes sieht dafür topfförmige Kontaktträ­ ger vor, deren Seitenwände spulenförmig geschlitzt sind. Die Schlitzung ist für die beiden sich gegenüberstehenden Kon­ taktstücke gleichsinnig, so daß im Innern der Spule ein im wesentlichen axiales Magnetfeld erzeugt wird. Die Kontakt­ platten sind im allgemeinen mit Schlitzen in radialer Rich­ tung versehen. Dadurch wird der durch die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses in der Kontaktscheibe induzierte Wirbelstrom, der seinerseits das Axialfeld zu verringern trachtet, deutlich herabgesetzt.

Die Schaltgrenze wird bei solchen Systemen dann erreicht, wenn ein Teilbereich eines Kontaktstückes so stark erhitzt wird, daß eine heftige Metalldampfentwicklung einsetzt. Die dadurch erhöhte Stoßrate führt zu einem Anstieg von Dampf- und Plasmadichte, welcher eine Kontraktion der Bogensäule aufgrund des Eigenmagnetfeldes trotz vorhandenem Axialmagnet­ feld zur Folge hat. In der Praxis zeigt sich, daß beim Schal­ ten im Grenzlastbereich besonders der zentrale Teil der Kon­ takte gefährdet ist, thermisch überlastet zu werden, und daß dies gewöhnlich zu einer Begrenzung des Kurzschlußausschalt­ vermögens von AMF-Kontaktanordnungen führt.

Eine Erhöhung des Schaltvermögens kann naturgemäß durch Ver­ größerung des Kontaktdurchmessers erreicht werden. Damit wachsen jedoch auch Baugröße und Kosten von Schaltröhre und Schaltgerät. Bei Kontaktanordnungen mit axialem Magnetfeld wurde auch bereits vorgeschlagen, den zentralen, thermisch am stärksten belasteten Bereich der Kontaktscheibe zu entfernen. Es entsteht so eine Mittelöffnung im Kontaktstück mit einem dahinterliegenden Hohlraum. Solche Kontaktanordnungen werden beispielsweise in der DE-A-40 02 933 und der DE-A-41 21 685 beschrieben und hinsichtlich der Wirkung der Mittelöffnung auf das thermische Verhalten der Anordnung erläutert. Aus diesen Druckschriften sind jedoch keine Angaben zur Dimensio­ nierung von Mittelöffnung und Hohlraum entnehmbar, mit der eine nachweisbare Erhöhung der Schaltleistung abgeleitet wer­ den könnte. Schaltversuche haben allerdings gezeigt, daß die Schaltleistung empfindlich von der richtigen Dimensionierung von Mittelöffnung und Hohlraum abhängt und daß bei ungünsti­ gen Dimensionierungen sogar Verschlechterungen der Schaltlei­ stung auftreten können. Insbesondere war bisher nicht be­ kannt, daß und auf welche Weise der durch die Einführung ei­ nes Mittellochs entstehende Hohlraum die Spannungsfestigkeit einer solchen Anordnung beeinflußt.

Von obigem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Er­ findung, die Dimensionierung der Mittelöffnung und des sich daran anschließenden Hohlraumes in der Weise zu vorzusehen, daß das Schaltvermögen einer AMF-Kontaktanordnung verbessert wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Durchmesser der Mittelöffnung im Bereich zwischen 20 und 40% des Durchmessers der ringförmigen Kontaktscheibe liegt. Vor­ zugsweise liegt der Durchmesser der Mittelöffnung im Bereich zwischen 25 und 35% des Durchmessers der Kontaktscheibe. Insbesondere wird ein Optimum bei etwa 30% des Durchmessers der Kontaktscheibe erreicht.

Bei der Erfindung ist der hinter der Kontaktscheibe durch die Mittelöffnung zugängliche Hohlraum in seiner Tiefe begrenzt. Vorzugsweise entsprechen sowohl der Durchmesser des Hohlrau­ mes als auch dessen axiale Gesamttiefe, die sich als Summe aus der Dicke der ringförmigen Kontaktscheibe und der Länge der Hohlraumbegrenzung ergibt, etwa dem Durchmesser der Mit­ telöffnung.

Mit der Erfindung ist erstmals eine Lehre zur vorteilhaften Dimensionierung der Mittelöffnung in der Kontaktscheibe und des Hohlraums im topfförmigen Kontaktträger und damit zur ge­ zielten Auswahl von AMF-Kontaktstücken aus dem Stand der Technik gegeben. Daraus ergibt sich überraschenderweise, daß aus dem Stand der Technik vorbekannte Kontaktgeometrien mit Mittelöffnung nicht zwingend vorteilhaft sind. So überwiegt bei zu großer Mittelöffnung die mit der Verringerung der Kon­ taktoberfläche verbundene Herabsetzung des Schaltvermögens den positiven Effekt der Öffnung, was durch Schaltversuche belegt wurde. Bei zu kleiner Öffnung verringert sich der po­ sitive Effekt dagegen auf eine vernachlässigbare Größe. Be­ sonders empfindlich ist die Hohlraumdimensionierung. Es zeigt sich, daß bei den aus dem Stand der Technik bekannten Hohl­ raumgeometrien die radiale Abmessung des effektiv wirksamen Hohlraums dessen Tiefe und/oder den Durchmesser der Mittel­ öffnung deutlich übertrifft. Der Erfindung zugrunde liegen­ den Untersuchungen haben hingegen gezeigt, daß solche Geome­ trien unvorteilhaft für das Schaltvermögen sind. Da der Hohl­ raum bei einer Kurzschlußausschaltung ebenso wie der Kon­ taktzwischenraum mit Metalldampf gefüllt ist, kann es nach erfolgter Abschaltung nach einem Stromnulldurchgang aufgrund des raschen Anstiegs der Wiederkehrspannung zum bevorzugten Zünden einer Gasentladung im Bereich der Hohlräume kommen. Diese sogenannten Hohlkathodenentladungen führen dann zu ei­ nem Versagen der Schaltröhre bzw. des Schaltgerätes.

Demgegenüber ergibt sich durch die erfindungsgemäße Auswahl eine überraschende Verbesserung insbesondere des Ausschalt­ vermögens gegenüber einer geschlossenen Kontaktscheibe von bis zu 10%. Wesentlich für die Steigerung des Ausschaltver­ mögens der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung ist die Ausge­ staltung des hinter den Kontaktscheiben bestehenden Hohlrau­ mes, insbesondere dessen Durchmessers im Vergleich zum Durch­ messer der Öffnung in der Kontaktscheibe sowie dessen Tiefe.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispie­ len anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Patentan­ sprüchen. Es zeigen

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Axialmagnetfeld- Kontaktanordnung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 und Fig. 3 in Aufsicht und Seitenansicht ein erfin­ dungsgemäßes Kontaktstück mit Mittelöffnung in der Kontaktscheibe und sich daran anschließendem Hohlraum sowie

Fig. 4 und Fig. 5 Ergebnisse von experimentellen Untersu­ chungen zur verbesserten Kontaktanordnung.

In den Figuren haben gleiche bzw. gleichwirkende Teile glei­ che bzw. sich entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

In Fig. 1 ist eine Kontaktanordnung dargestellt, die in ei­ ner nicht im einzelnen dargestellten Vakuumschaltröhre einge­ baut wird und bei der üblicherweise das eine Kontaktstück als Festkontakt und das andere Kontaktstück als Bewegkontakt mit­ tels eines Federbalges zur Gewährleistung des Schalthubes be­ weglich ausgebildet ist. Im einzelnen bedeuten 1 und 1' die Stromzuführungsbolzen und 2 bzw. 2' die zugehörigen Kontakt­ stücke, die entsprechend dem Stand der Technik topfförmige Kontaktträger 20 und 20' aufweisen. Dabei sind die Wände der Kontaktträger 20 und 20' als Teil der Stromzuführung für die Kontaktscheiben 30 bzw. 30' durch Schlitze 21 bzw. 21' als Spulenkörper ausgeformt. Die Schlitzung ist für die beiden gegenüberstehenden Kontaktstücke gleichsinnig, so daß im In­ nern der Spule ein im wesentliches axiales Magnetfeld erzeugt wird. Die Kontaktscheiben 30 bzw. 30' sind im allgemeinen mit Schlitzen 32 bzw. 32' in radialer Richtung versehen, um Wir­ belströme zu unterdrücken.

In den Fig. 2 und 3 ist ein einzelner Topfkontakt aus Fig. 1 derart modifiziert, daß im zentralen Bereich der Kon­ taktscheiben aus Fig. 1 eine Öffnung 36 vorhanden ist. Statt der geschlossenen Kontaktscheibe 30 in Fig. 1 ist also in Fig. 2 und 3 eine ringförmige Kontaktscheibe 31 mit einer Mittelöffnung 36 vorhanden.

Die zentrale Mittelöffnung 36 ist in vorgegebener Weise di­ mensioniert und hat einen Durchmesser d, der kleiner ist als der äußere Durchmesser D des Kontaktstückes 2 aus Kontaktträ­ ger 20 und ringförmige Kontaktscheibe 31. An die zentrale Mittelöffnung 36 schließt sich im topfförmigen Kontaktträger 20 ein Hohlraum 34 vorgegebener Höhe H an, wobei bei einer Dicke der ringförmigen Kontaktscheibe 31 von M eine Gesamt­ tiefe T = M+H des Hohlraumes 34 vorliegt.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Hohlraum 34 durch einen umlaufenden unmagnetischen Rohrabschnitt 35 begrenzt wird. In einer vorteilhaften Ausführung werden Rohre mit geeignetem Innendurchmesser und einer Wandstärke von 1 bis 2 mm verwen­ det, die gleichzeitig in axialer Richtung mechanisch abstüt­ zend wirken. Für diesen dünnwandigen Rohrabschnitt 35 kann vorzugsweise ein Material verwendet werden, das im Vergleich zum topfförmigen Kontaktträger, der üblicherweise aus einem elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer, be­ steht, nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Ein derartiges Material ist beispielsweise unmagnetischer Stahl. Es sind jedoch auch andere Werkstoffe mit im Vergleich zu Kupfer geringerer Leitfähigkeit verwendbar. Alternativ da­ zu kann der dünnwandige Rohrabschnitt 35 aber auch aus elek­ trisch gut leitendem Material bestehen, sofern er eine geeig­ nete Schlitzung zur Vermeidung von Wirbelströmen aufweist. In diesem Fall muß allerdings durch zusätzliche Maßnahmen, bei­ spielsweise durch isolierende Distanzstücke, vermieden wer­ den, daß durch den Rohrabschnitt 35 ein elektrischer Neben­ schluß der Spulenkörper entsteht.

Die Fig. 4 und 5 geben die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen mit unterschiedlichen Geometrien der Mittel­ öffnung 36 bzw. des sich daran anschließenden Hohlraumes 34 bei Axialmagnetfeld-Kontaktanordnungen wieder: Aufgetragen ist in Fig. 4 auf der Abszisse das Verhältnis von Mittelöff­ nungs- zu Kontaktdurchmesser und in Fig. 5 das Verhältnis Hohlraumdurchmesser zu Kontaktdurchmesser, wobei in beiden Figuren die Randbedingungen bezüglich der übrigen Parameter jeweils konstant gehalten sind. Auf der Ordinate ist in bei­ den Fig. 4 und 5 jeweils das für Standardkontakte normier­ te Ausschaltvermögen aufgetragen, so daß die einzelnen Mes­ sungen vergleichbar sind.

Es zeigt sich, daß eine optimale Spannungsfestigkeit der ge­ samten Anordnung dann erreicht wird, wenn gemäß Fig. 5 so­ wohl der Hohlraumdurchmesser als auch die Hohlraum-Gesamt­ tiefe T, das heißt die Summe aus Kontaktscheibendicke M und Abmessung H der Hohlraumbegrenzung, etwa dem Durchmesser d der Mittelöffnung 36 der Ringförmigen Kontaktscheibe 31 ent­ sprechen. Bezogen auf ein Kontaktstück vom Stand der Technik steigt die Schaltleistung eines erfindungsgemäßen Kontakt­ stückes durch Einbringung der Mittelöffnung mit dem Mittel­ öffnungsdurchmesser bis zu einem Wert von etwa 30% des Kon­ takdurchmessers an und fällt anschließend wieder deutlich ab.

Zur weiteren Verbesserung des Schaltverhaltens ist es vor­ teilhaft, wenn die mit der Mittelöffnung 36 versehenen ring­ förmigen Kontaktscheiben 31 bzw. 31' - wie beim Stand der Technik gemäß Fig. 1 - radiale Schlitze 32 zur Wirbelstrom­ unterdrückung enthalten. Aus fertigungstechnischen Gründen und wegen der mechanischen Festigkeit ist es vorteilhaft, die Radialschlitze 32 mindestens 3 mm, insbesondere 5 mm, außer­ halb des Randes der zentralen Mittelöffnung 36 in der Kon­ taktscheibe 31 enden zu lassen. Die Anzahl n der mit gleichen Winkelabständen eingebrachten radialen Schlitze 32 entspricht vorteilhafterweise der Anzahl n der in Umfangsrichtung einge­ brachten Schlitze 21, 21' im Kontaktträger 20 bzw. 20'.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden sechs äquidistante axialmagnetfelderregende Spulenschlitzungen 21, 21' im Kontaktträger 20, 20' verwendet, wobei die Spulenlänge in axialer Richtung beispielsweise etwa 17 mm beträgt. Der azimutale Umfangswinkel β einer einzelnen Spulenschlitzung 21 sollte minimal etwa 90° betragen: Geeignete Azimutwinkel β liegen zwischen 100° und 140°, womit vorteilhaft Schlitzlän­ gen entsprechend einem jeweiligen Umfangswinkel β definiert sind.

Vergleichbare Ergebnisse erhält man mit Kombinationen aus an­ deren Schlitzzahlen n und entsprechend veränderten Schlitz­ längen derart, daß die Verringerung einer Schlitzzahl n durch entsprechende Erhöhung der Schlitzlänge kompensiert wird und umgekehrt, so daß die resultierende Axialmagnetfeldstärke un­ verändert bleibt. Der Kontaktträger 20, 20' hat in seiner be­ vorzugten Ausführung im Bereich der Axialmagnetfeld-erregen­ den Spulenschlitzungen 21, 21' eine Wandstärke von typisch etwa 1/10 des Kontaktdurchmessers, so daß die ringförmigen Kontaktscheiben 31, 31' nur in einem vergleichsweise schmalen Randbereich auf den Kontaktscheibenträgern 20, 20' aufliegen.

Claims (13)

1. Axialmagnetfeld-Kontaktanordnung für einen Vakuumschalter, bestehend aus zwei einander zugeordneten Kontaktstücken und zugehörigen Mitteln zur Generierung eines axialen Magnet­ feldes, wobei die Kontaktstücke aus topfförmigen Kontaktträ­ gern mit Hohlraum und ringförmigen Kontaktscheiben mit Mittel­ öffnung bestehen, die mit dem dahinterliegender Hohlraum verbunden ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Durchmesser (d) der Mittelöffnung (36) im Bereich zwischen 20 und 40% des Durchmessers (D) der ring­ förmigen Kontaktscheibe (31, 31') liegt.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Durchmesser (d) der Mit­ telöffnung (36) im Bereich zwischen 25 und 35% des Durch­ messers (D) der ringförmigen Kontaktscheibe (31, 31') liegt.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d) der Mittelöffnung (36) bei etwa 30% des Durchmessers (D) der ringförmigen Kontaktscheibe liegt.

4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der hinter der ringförmigen Kontaktscheibe (31) durch die Mittelöffnung (36) zugängliche Hohlraum (34) in seinem Durchmesser und in seiner Tiefe (T) begrenzt ist.

5. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sowohl der Durchmesser des Hohlraumes (36) als auch dessen axiale Gesamttiefe (T), die sich aus der Summe aus der Dicke (M) der ringförmigen Kon­ taktscheibe (31) und der Länge (H) der Hohlraumbegrenzung (35) ergibt, etwa dem Durchmesser der Mittelöffnung (36) ent­ sprechen.

6. Kontaktanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (35) des Hohl­ raumes (34) aus einem dünnwandigen, unmagnetischen Rohrab­ schnitt besteht, der eine im Vergleich zum Kontaktträger (20) schlechte elektrische Leitfähigkeit, besitzt.

7. Kontaktanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der unmagnetische Rohrab­ schnitt (35) aus Stahl besteht.

6. Kontaktanordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wand (35) des Hohlraumes elektrisch gut leitend ist, wobei Wirbelströme durch geeigne­ te Schlitzungen vermieden werden.

9. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ring­ förmige Kontaktscheibe (31) vorzugsweise radial verlaufende Schlitze (32) enthält.

10. Kontaktanordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die radialen Schlitze (32) in der ringförmigen Kontaktscheibe (31) mindestens 3 mm, vor­ zugsweise 5 mm, außerhalb des Randes der Mittelöffnung (36) enden.

11. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der azi­ mutale Umfangswinkel (β) einer einzelnen axialmagnetfeld­ erregenden Spulenschlitzung (21) im Kontaktträger (20) wenig­ stens etwa 90°, vorzugsweise zwischen 100° und 140° bei einer Schlitzzahl von n = 6 beträgt.

12. Kontaktanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der azimutale Umfangswin­ kel (β) größer als 130° ist.

13. Kontaktanordnung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Pro­ dukt aus azimutalem Umfangswinkel (β) und Anzahl (n) der Schlitze (21, 21') 600° bis 840° beträgt.