DE19910148C2 - Vakuumschaltkammer mit ringförmigem Isolator - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauele­ mente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung von Vakuum­ schaltkammern anzuwenden, deren Gehäuse zwei kappenartige Me­ tallteile und einen ringförmigen Isolator aufweist und für Schaltzwecke im unteren Wechselspannungsbereich (bis zu 1000 V) vorgesehen sind.

Bei einer bekannten Vakuumschaltkammer dieser Art sind die beiden kappenartigen, aus Kupfer bestehenden Metallteile, von denen das eine den eigentlichen Schaltraum für das festste­ hende und das axial bewegbare Kontaktstück bildet, am Ende des rohrförmigen Wandbereiches jeweils mittels einer Schnei­ denlötung mit dem ringförmigen Isolator vakuumdicht verbun­ den. Um mit dieser bekannten Vakuumschaltkammer bei möglichst kleinen axialen und radialen Abmessungen Kurzschlußströme im Bereich von 50 bis 100 kA sicher schalten zu können, ist ein Faltenbalg mit seinem einen Ende in unmittelbarer Nähe zum bewegbaren Kontaktstück an dessen Kontaktbolzen angelötet und wird vom ringförmigen Isolator konzentrisch umgeben; ein kap­ penförmiger Schutzschild am Boden des bewegbaren Kontaktstüc­ kes schützt dabei den Faltenbalg gegen elektrische Belastun­ gen. - Diese Schaltröhre weist keine besondere Abschirmung zum Schutz der vom ringförmigen Isolator gebildeten inneren Isolierstrecke auf, da eine relativ breit ausgebildete Stirn­ fläche des ringförmigen Isolators dem Kontaktbereich abge­ wandt ist. - Die Stromanschlüsse dieser bekannten Vakuum­ schaltkammer sind - wie üblich - als Bolzen ausgeführt, die durch das jeweilige kappenartige Metallteil axial hindurchge­ führt sind. - Die beiden Kontaktstücke sind im übrigen als Topfkontakte ausgeführt; doch kommen auch andere bekannte Kontaktformen in Betracht (DE 44 22 316 A1). - Eine andere bekannte Kontaktform bieten beispielsweise sogenannte Spiral­ kontakte (engl.: spiral petal contacts) mit insbesondere fla­ chen, plattenartigen Kontaktelektroden, die mit vom äußerem Umfang nach innen verlaufenden Schlitzen versehen sind. Diese Schlitze können jeweils aus einem geradlinigen Abschnitt und einer die Kontaktfläche durchbrechenden Bohrung bestehen (EP 0 532 513 B1).

Als Schaltelemente für Niederspannungsschütze sind bereits Vakuumschaltröhren bekannt, bei denen der Faltenbalg einen Teil der äußeren Oberfläche des Gehäuses bildet und hierbei einerseits mit dem Stromanschluß des bewegbaren Kontaktbol­ zens und andererseit stirnseitig mit einem kurzen rohrförmi­ gen Isolator vakuumdicht verlötet ist (DE 37 09 585 C2). Der Faltenbalg kann dabei sowohl mit dem Isolator als auch mit dem Stromanschluß des bewegbaren Kontaktbolzens durch eine Schneidenlötung verbunden sein (DE 195 10 850 C1).

Für den Nebenschlußbetrieb von Gleichstromelektrolysezellen sind weiterhin Vakuumschalter bekannt, die bei einer Schaltspannung von etwa 4 Volt einen Strom von etwa 4000 A zu schalten haben und bei denen zylindrische Kontakte in planare leitende Endplatten eingelassen sind, um eine elek­ trische Verbindung des Schalters mit elektrischen Anschluß­ schienen zu ermöglichen. Dabei ist jeder Kontakt über eine gewellte, scheibenförmige Membran mit einem konzentrisch zur Schaltstrecke angeordneten Isolierring vakuumdicht verlötet. In die mittels eines axialen Ringflansches als Schneidenlö­ tung ausgeführte Lötverbindung zwischen den Membranen und dem Isolierring ist in dem einen Fall eine Halterung für eine als kurzes Rohrstück ausgebildete Abschirmung einbezogen (US 4,216,360 A, DE 29 44 286 A).

Für Vakuumschalter, die als Vakuumschütze für Niederspannung Verwendung finden, ist es weiterhin bekannt, als federndes, eine Bewegung des beweglichen Kontaktstückes zulassendes Verschlußteil der Schaltkammer anstelle eines Faltenbalges auch eine Membran zu verwenden, die mit zwei tiefen, konzen­ trisch angeordneten Wellungen versehen ist. Im mittleren, e­ ben ausgebildeten Bereich der Membran sind die beiden Teile des quergeteilten Stromanschlußbolzens des bewegbaren Kontak­ tes mit diesem Bereich der Membran verlötet (DE 27 05 092 A1).

An sich ist weiterhin ein Vakuumschalter für kleine Leistun­ gen bekannt, bei dem das feststehende Kontaktstück als Kup­ ferstab ausgebildet ist, welcher zugleich den Stromanschluss bildet, und bei dem das bewegbare Kontaktstück über eine mit einer konzentrischen Wellung versehene Membran elektrisch mit dem anderen, ebenfalls als Kupferstab ausgebildeten Stroman­ schluss verbunden ist. Das bewegbare Kontaktstück ist dabei mechanisch mit einer Stromschleife gekoppelt, die auf den be­ wegbaren Kontakt einen elektrodynamischen Rückstoß ausüben kann (DE 36 29 040 A1).

Ausgehend von einer Vakuumschaltkammer mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 (DE 44 22 316 A1) liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Bauform der bekannten Vakuumschaltkammer weiter zu verkleinern und dabei gleichzei­ tig das Schaltvermögen zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Stromanschluß des feststehendes Kontaktstückes als Platte ausgebildet ist, daß das die beiden Kontaktstücke um­ gebendem Metallteil rohrförmig ausgebildet und stirnseitig mit der Platte verbunden ist und daß die federelastische me­ tallische Sperrwand aus einer mit konzentrischen Wellungen versehenen, scheibenförmigen Membran besteht, die einerseits mit dem als Bolzen ausgebildeten Stromanschluß des bewegbaren Kontaktstückes und andererseits über einen axial verlaufenden Ringflansch mit dem ringförmigen Isolator verlötet ist.

Eine derartige Ausgestaltung der Vakuumschaltkammer führt zu einer flachen Bauform mit im Vergleich zu herkömmlichen Vaku­ umschaltröhren deutlich verringerter Bauhöhe. Hierzu trägt zum einen die Ausgestaltung des einen Stromanschlusses als Platte anstelle eines bisher üblichen zylindrischen Bolzens bei, wobei diese Platte zugleich einen stirnseitigen Deckel der an sich zylindrischen Schaltkammer bildet. Zum anderen trägt hierzu die Verwendung einer gewellten Membran anstelle eines sonst üblichen Faltenbalges bei.

Um bezüglich der unüblichen Verwendung einer Membran für eine Vakuumschaltkammer, die in einem Niederspannungs-Wechsel­ stromversorgungsnetz eingesetzt wird, die erforderliche Schalthäufigkeit (mindestens 10.000) bei einem Schalthub von etwa 3 bis 5 mm zu gewährleisten, bedarf es einer geeigneten Dimensionierung der Anzahl und der Tiefe der Wellungen für die Membran. Hierzu ist als weitere Ausgestaltung der Erfin­ dung vorgesehen, daß die Membran bei einer Wanddicke zwischen 0,1 und 0,2 mm und einer Wellungstiefe von etwa dem halben Schalthub eine Anzahl Z von Vollwellungen aufweist, die grö­ ßer als 1 + Ganzzahl der dritten Wurzel aus äußerem Mem­ brandurchmesser D_A minus Stromanschlußbolzendurchmesser D_B multipliziert mit der Wanddicke s der Membran, mindestens aber 3 ist, wobei die einzelnen Maße in mm einzusetzen sind. Die vorstehend erwähnte Randbedingung lautet als mathematisch formulierte Beziehung:

Z ≧ 1 + Ganzzahl ([(D_A - D_B) . s]), mindestens 3.

Bei einer derartigen Ausgestaltung der Membran kann die Wel­ lung so gewählt werden, daß der Krümmungsradius etwa dem Schalthub und der einzelne Wellenbauch einem Kreisbogen mit einem Umfangswinkel von etwa 90° entspricht. Die Wellung kann aber auch sinusartig mit geradlinigen Flanken ausgestaltet sein.

Zur weiteren Ausgestaltung der neuen Schaltkammer können kon­ struktive Maßnahmen herangezogen werden, wie sie bereits in der älteren deutschen Patentanmeldung 198 02 893.8 vorge­ schlagen sind. Danach kann die flache Bauform der neuen Vaku­ umschaltkammer noch stärker ausgeprägt sein, wenn man die Kontaktstücke als Spiralkontakte, insbesondere als flache Spiralkontakte, ausbildet. Die Verwendung von Spiralkontakten führt außerdem zu einer besseren Lichtbogenführung, woraus ein besseres Schaltvermögen resultiert. So können bei Verwen­ dung von flachen Spiralkontakten mit einem Durchmesser von etwa 90 mm Kurzschlußströme bis zu etwa 130 kA geschaltet werden. - Unabhängig vom Durchmesser der Spiralkontakte em­ pfiehlt es sich, zwischen dem bewegbaren Kontaktstück und dem zugehörigen Stromanschlußbolzen eine scheibenförmige Dampf­ sperre anzuordnen, die beispielsweise aus einem Chrom-Nickel- Stahl besteht und die bei Vakuumschaltkammern mit kleinem Schaltvermögen gegebenenfalls zur mechanischen Verstärkung des in seiner Dicke reduzierten bewegbaren Spiralkontaktes herangezogen werden kann.

Die neuartige Ausgestaltung der Vakuumschaltkammer ermöglicht auch eine unmittelbare Anbindung des feststehenden Kontakt­ stückes an den zugehörigen plattenartigen Stromanschluß, wo­ durch bei Verwendung eines Anschlußbolzens mit großem Durch­ messer für das bewegbare Kontaktstück eine optimale Wär­ meableitung gewährleistet ist. Die insgesamt kompakte Bauform erübrigt eine spezielle Führung des Anschlußbolzens für das bewegbare Kontaktstück, wie es bisher bei Vakuumschaltröhren für Leistungsschalter unter Verwendung einer Kunststoffbuchse üblich ist. Dadurch ist eine höhere thermische Belastung der Vakuumschaltkammer möglich.

Der neuartige Aufbau der Vakuumschaltkammer ermöglicht es weiterhin, alle Einzelteile - ausgenommen den ringförmigen Isolator - selbstzentrierend zu konstruieren, so daß alle Einzelteile in einem einzigen Arbeitsgang (Verschlußlötung) ohne Verwendung teurer und aufwendiger Lötformen miteinander verlötet werden können. Hierzu empfiehlt es sich, das fest­ stehende Kontaktstück über einen kurzen Zentrierstutzen mit dem plattenartigen Stromanschluß zu verbinden, während das bewegbare Kontaktstück über den Kontaktbolzen mit der gewell­ ten Membran zentriert verbunden ist.

Die Farm des die beiden Kontaktstücke - insbesondere in ihrer Ausbildung als flache Spiralkontakte - umgebenden rohrförmi­ gen Teiles hängt von dem jeweils vorgesehenen Schaltvermögen ab. Bei kleinem Schaltvermögen von etwa 40 bis 60 kA kann dieses Teil als Hohlzylinder ausgebildet sein. Bei größerem Schaltvermögen, d. h. bei größeren Kontaktdurchmessern, emp­ fiehlt es sich, das rohrförmige Teil an dem dem ringförmigen Isolator zugewandten Ende mit einer kegeligen Verjüngung zu versehen; dies ermöglicht die Verwendung eines Isolators und einer gewellten Membran mit deutlich geringerem Durchmesser als dem der Spiralkontakte. - Unabhängig von der Formgebung des vorzugsweise aus Kupfer bestehenden rohrförmigen Teiles empfiehlt es sich, dieses auf der Innenwand im Bereich der Schaltstrecke mit einer lichtbogenfesten Auskleidung zu ver­ sehen, beispielsweise durch Verwendung von Blechteilen aus einem Chrom-Kupfer-Verbundwerkstoff oder durch eine galvani­ sche Beschichtung mit Chrom.

Der zwischen der gewellten Membran und dem rohrförmigen Teil des Gehäuses angeordnete Isolierring kann in bekannter Weise durch entsprechende Gestaltung seiner Querschnittskontur so ausgebildet sein, daß sich die Anordnung einer Abschirmung zum Schutz gegen die Ablagerung von Metalldampfpartikeln er­ übrigt. Wenn der Isolierring dagegen nur die Isolierfunktion erfüllt, kann das rohrförmige Metallteil einen als Dampf­ schirm wirkenden Ansatz aufweisen, wie es an sich in der äl­ teren DE 198 26 766 C1 bereits vorge­ schlagen ist. Bei dieser Doppelfunktion des Metallteiles ist der Übergang von dem zum Gehäuse gehörenden Bereich zu dem als Dampfschirm dienenden Bereich wellenartig gestaltet, so daß das Metallteil die Stirnfläche des Isolierringes nur li­ nienförmig berührt und damit in diesem Bereich eine Art Schneidenlötung ermöglicht.

Zwei Ausführungsbeispiele der neuen Schaltkammer sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Dabei zeigt:

Fig. 1 die Schaltkammer im Querschnitt und

Fig. 2 den plattenartigen Stromanschluß in Draufsicht.

Bei der dargestellten Vakuumschaltkammer besteht das Gehäuse aus einer als Stromanschluß fungierenden, oberen metallenen Platte 1 aus Kupfer, einem daran stumpf angelöteten, hohlzy­ lindrischen Wandteil 3 aus Kupfer, einem ringförmigen Isola­ tor 4, einer koaxial zum ringförmigen Isolator 4 angeordneten gewellten Membran 5 und einem zylindrischen Stromanschlußbol­ zen 2. Dabei ist der ringförmige Isolator gleichartig wie der Isolator gemäß DE 44 22 316 A1, d. h. annähernd quadratisch in Querschnitt sowie mit einer Abschrägung und einer Hinter­ schneidung, ausgebildet. Innerhalb des Gehäuses sind ein feststehender flacher Spiralkontakt 6 und ein bewegbarer, flacher Spiralkontakt 7 angeordnet. Der Spiralkontakt 6 ist über einen kurzen Zentrierstutzen 61, der in eine Zentrier­ bohrung im Spiralkontakt eingreift, mit der Platte 1 verbun­ den. Der Spiralkontakt 7 sitzt auf einem zentrierenden, eine Verengung des Stromflusses bewirkenden Ansatz 21 des Stromzu­ führungsbolzens 2 auf. Dieser ist an seinem anderen Ende im Bereich eines Zentrieransatzes 22 mit der gewellten Membran 5 verlötet. Die Membran 5 ist ihrerseits über den axial verlau­ fenden Ringflansch 51 mit dem Isolator 4 verlötet. Dieser Ringflansch kann einstückig mit der Membran ausgebildet sein. - Zwischen dem bewegbaren Spiralkontakt 7 und dem Stromzufüh­ rungsbolzen 2 ist noch eine Dampfsperre 9 in Form einer fla­ chen Scheibe aus einem mechanisch festen Material wie bei­ spielsweise Chrom-Nickel-Stahl angeordnet. Diese Dampfsperre 9 dient der Abschattung des ringförmigen Isolators 4 gegen­ über beim Schaltvorgang freigesetzten Metallpartikeln der Spiralkontakte 6 und 7.

Der Aufbau der Vakuumschaltkammer ist so gewählt, daß alle Einzelteile im Rahmen eines einzigen Lötvorganges miteinander verlötet werden können. Die hierzu erforderlichen Entgasungs­ spalte können mit aus dem Stand der Technik bekannten Mitteln im Fügebereich zwischen dem ringförmigen Isolator 4 und dem hohlzylindrischen Wandteil 3 vorgesehen werden.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 sind für das zwischen dem plattenartigen Stromanschluß 1 und dem ringförmigen Isolator 4 angeordnete rohrförmige Metallteil zwei verschiedene Aus­ führungsformen dargestellt. Im linken Teil der Darstellung ist als Wandteil ein rohrförmiges Teil 3 vorgesehen, das mit seinen Enden einerseits mit der metallenen Platte 1 und ande­ rerseits mit der einen Stirnfläche des ringförmigen Isolators 4 verlötet ist; im rechten Teil der Darstellung ist das Wand­ teil 31 einstückig mit einer Abschirmung 32 ausgebildet und im Übergangsbereich vom Wandteil auf die Abschirmung leicht wellenartig gestaltet. Zusätzlich ist im rechten Teil der Darstellung ein Isolierring 41 verwendet, der einen einfa­ chen, rechteckförmigen Querschnitt aufweist. - Weiterhin zeigt Fig. 1 zwei verschiedene Ausführungsformen für die Verbindung der gewellten Membran 5 mit dem Stromanschlußbol­ zen 2. In der linken Darstellung ist eine Schneidenlötung am Umfang des Stromanschlußbolzens 2 vorgesehen, während in der rechtsseitigen Darstellung die gewellte Membran 52 im Bereich einer Zentrierschulter mit dem Stromanschlußbolzen 2 verlötet ist. Weiterhin ist in der linken Darstellung ein mit der Mem­ bran verschweißter Ringflansch 51 vorgesehen, während in der rechtsseitigen Darstellung der Ringflansch einstückig mit der Membran ausgeformt ist.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die als Stromanschluß fun­ gierende Platte 1 der Vakuumschaltkammer gemäß Fig. 1. Durch eine rechteckförmige bzw. quadratische Formgebung der ebenen Platte 1 bleibt genügend Raum für Bohrungen 11, die zur Befe­ stigung des Stromanschlusses an einem entsprechenden Teil ei­ nes zugehörigen Schaltgerätes dienen.

Die in Fig. 1 gezeigte Membran kann beispielsweise folgende Abmessungen aufweisen:
Außendurchmesser D_A: 77 mm
Innendurchmesser (Durchmesser des Stromanschlußbolzens) D_B: 25 mm
Wanddicke s: 0,2 mm
Wellungstiefe (Abstand zwischen Wellenberg und Wellental): t: 2 mm
Anzahl Z der Wellungen: ≧ 3

Claims (3)

1. Vakuumschaltkammer zum Schalten von Kurzschlußströmen im Niederspannungsbereich,
bestehend aus einem feststehenden und einem dazu axial beweg­ baren Kontaktstück mit jeweils einem zugeordneten Stroman­ schluß
und aus einem die Kontakte einschließenden Gehäuse,
wobei der Stromanschluß des bewegbaren Kontaktstückes als zy­ lindrischer Bolzen ausgebildet ist und
wobei das Gehäuse starre Metallteile, einen ringförmigen Iso­ lator und eine federelastische, gasdichte metallische Sperr­ wand aufweist
und diese Gehäuseteile in bestimmter Zuordnung miteinander und mit den Stromanschlüssen der Kontaktstücke gasdicht ver­ bunden sind
und eines der starren Metallteile sowohl das festehende als auch das bewegbare Kontaktstück umgibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stromanschluß des feststehenden Kontaktstückes (6) als Platte (1) ausgebildet ist,
daß das die beiden Kontaktstücke (6, 7) umgebende Metallteil (3) rohrförmig ausgebildet und stirnseitig mit der Platte (1) verbunden ist
und daß die federelastische, metallische Sperrwand aus einer mit konzentrischen Wellungen versehenen, scheibenförmigen Membran (5) besteht, die einerseits mit dem als Bolzen (2) ausgebildeten Stromanschluß des bewegbaren Kontaktstückes (7) und andererseits über einen axial verlaufenden Ringflansch (51) mit dem ringförmigen Isolator (4) verlötet ist.

2. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) bei einem Schalthub von 3 bis 5 mm

• - eine Wanddicke s zwischen 0,1 und 0,2 mm,
• - eine Wellungstiefe t von etwa dem halben Schalthub und
• - eine Anzahl Z von Vollwellungen aufweist, die der Bedin­ gung:
  Z ≧ 1 + Ganzzahl ([(D_A - D_B) . s]), mindestens 3,
  genügt, mit
  D_A = Außendurchmesser der Membran [mm],
  D_B = Durchmesser des Stromanschlußbolzens des bewegbaren Kontaktstückes [mm] und
  s = Dicke der Membran [mm].

3. Vakuumschaltkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke als flache Spiralkontakte (6, 7) ausge­ bildet sind.