DE19934909C1

DE19934909C1 - Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltröhre

Info

Publication number: DE19934909C1
Application number: DE19934909A
Authority: DE
Inventors: Johannes-Gerhard Banghard; Klemens Fieberg; Michael Hahn; Werner Hartmann; Roman Renz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: JP2003505841A; DE50001992D1; EP1198812B1; US6674039B1; EP1198812A1; WO2001008186A1

Abstract

Bei einer Vakuumschaltröhre für Leistungsschalter soll die Kontaktdruckkraft reduziert werden. Hierzu werden die Kontakte (1, 2) der Vakuumschaltröhre so ausgestaltet, daß innerhalb eines äußeren, der Lichtbogenlöschung dienenden Kontaktbereiches (7) ein innerer Kontaktbereich (9) angeordnet ist, der aus mereren auf einem Teilkreis nebeneinander angeordneten, federnden Kontaktzungen (11) besteht.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauele mente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung von Vakuum schaltröhren anzuwenden, bei denen wenigstens einer der bei den Kontakte einen inneren Kontaktbereich aufweist, der einen äußeren, der Lichtbogenlöschung dienenden Kontaktbereich axial überragt.

Vakuumschaltröhren mit Kontaktanordnungen der genannten Art sind bekannt. Hierbei sind die beiden Kontakte, von denen in aller Regel nur der eine axial zum anderen bewegbar ist, mit kreis- oder leicht kegelförmigen Kontaktflächen ausgestattet, die einander zugewandt sind. Kontakte, die als sogenannte "Flügelradelektroden" bzw. "Spiralkontakte" ausgebildet sind, weisen einen inneren, für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehenen Kontaktbereich und einen äußeren, den inneren Kontaktbereich konzentrisch umgebenden, für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehenen und als Lauffläche für ei nen rotierenden Lichtbogen dienenden Kontaktbereich auf. Da bei überragt der innere Kontaktbereich den äußeren Kontaktbe reich um einen gewissen, nicht sehr großen Betrag (US 3,158,719, US 3,809,836).

Es sind auch Vakuumschaltröhren bekannt, bei denen der für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehene Kontaktbereich identisch mit dem für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehene Kontaktbereich ist. Diese Kontakte sind topfartig ausgebildet, wobei die Wandung des Topfes und gegebenenfalls auch der auf dem Topfrand aufgebrachte Kontaktring mit mehre ren Schlitzen versehen sind, die schräg zur Längsachse der Kontaktanordnung verlaufen. Durch diese Schlitze kann die Kontaktfläche in mehrere Kontakt-Teilflächen unterteilt sein (DE-OS 23 21 753, DE 29 12 823 A1).

Um bei Vakuumschaltröhren verschweißte Kontaktbereiche leich ter voneinander trennen zu können, ist es bekannt, jedem Kon takt eine größere Anzahl von Kontaktflächen zu geben und die se elastisch an einem Hauptkontaktkörper zu haltern. Hierzu kann man einen rohrförmigen Hauptkontaktkörper mit radial nach innen ragenden Tragarmen für die Kontaktflächen versehen (US 3,869,589).

Für in Luft schaltende Leistungsschalter im Niederspannungs bereich ist es weiterhin an sich bekannt, den bewegbaren Kon takt in mehrere parallel zu einander angeordnete Kontaktfin ger aufzuteilen, um die Kontaktandruckkraft zu verringern (US 5,210,385 A).

Bei Vakuumschaltröhren für Leistungsschalter, insbesondere für Leistungsschalter im Niederspannungsbereich (z. B. US 5,661,281 A), treten aufgrund der hohen Ströme hohe Kräfte an den Kontakten auf, die die Kontakte voneinander abzuheben versuchen. Diese Stromkräfte müssen durch geeignete Maßnahmen kompensiert werden, um ein Abheben der Kontakte mit der Ge fahr der Verschweißung der Kontakte untereinander zu vermei den. Bei mit Vakuumschaltröhren ausgestatteten Schaltern hat man dieses Problem bisher dadurch gelöst, daß zusätzlich zu einer permanent aufgebrachten statischen Kontaktandruckkraft eine zusätzliche Stromschleife eingesetzt wird, mit deren Hilfe kurzzeitig, d. h. insbesondere während des Auftretens von Kurzschlußströmen, hohe dynamische Magnetfeldkräfte er zeugt werden, die kontaktkraftverstärkend wirken. Dadurch muß nicht die gesamte, nur kurzzeitig benötigte Kontaktandruckkraft mechanisch aufgebracht werden. Wegen der relativ hohen Kosten solcher Stromschleifen ist die permanent mechanisch aufzubringende Kontaktkraft jedoch nach wie vor relativ groß und kann insbesondere bei hohen Strömen von mehr als 50 kA mehrere kN pro Schaltpol betragen. Dies erfordert einen ent sprechend hohen mechanischen Aufwand im Schaltgerät.

Ausgehend von einer Kontaktanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung da her die Aufgabe zugrunde, die Kontaktanordnung so auszubil den, daß die mechanische Kontaktstelle auf mehrere separate Einzelkontakte mit definierter Federkonstante verteilt ist und daß dennoch die Rotation eines Lichtbogens möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der innere Kontaktbereich aus mehreren, auf einem Teil kreis nebeneinander angeordneten Kontakt-Teilbereichen be steht, wobei jeder Kontakt-Teilbereich von dem freien Ende einer federnden, gegen die Achse der Kontaktanordnung geneig ten Kontaktzunge gebildet ist.

Eine derartige Ausgestaltung der Kontaktanordnung ermöglicht es, den für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehenen Kontaktbereich in eine größere Anzahl von etwa drei bis zehn Teilbereichen aufzugliedern, diese Teilbereiche als federnde Kontaktzungen auszubilden, denen jeweils ein Gegenkontakt stück gegenübersteht und die Kontaktzungen durch entsprechen de Dimensionierung der Federkonstante soweit voneinander me chanisch zu entkoppeln, daß im geschlossenen Zustand der Kon taktanordnung alle Teilbereiche eine gleich große Kontaktan druckkraft erfahren. Die federnden Kontaktzungen lassen sich dabei so anordnen, daß beim Öffnen und Schließen das Kontaktsystem eine reibende Bewegung und damit ein Abrieb in Form von metallischen Spänen vermieden wird.

Um für die Dimensionierung der Federkonstanten der Kontakt zungen genügend Gestaltungsraum zu haben, können die Kontakt zungen aus einer flachen, konischen Schale herausgearbeitet sein, indem die Schalenwand mehrfach axial geschlitzt ist. Dabei ist die Federkonstante insbesondere durch die Dicke der Schalenwand und die Anzahl der Schlitze bzw. die Breite der Kontaktzungen variierbar. Ähnliche Verhältnisse sind gegeben, wenn die Kontaktzungen aus einem flachen, hohlen Kegelstumpf durch mehrfache axial verlaufende Schlitzung des Kegelmantels herausgearbeitet sind.

In Anlehnung an die Gestaltung der geschlitzten Kontaktträger von sogenannten Topfkontakten können die Kontaktzungen auch aus einem Rohrstück herausgearbeitet sein, indem dessen Wan dung mit mehreren schräg verlaufenden Schlitzen versehen ist.

Die beschriebene konstruktive Gestaltung der Kontaktzungen läßt sich sowohl bei Spiralkontakten als auch bei Topfkontak ten anwenden. Der für die Kontaktzungen verwendete Körper kann dabei aus dispersionsgehärtetem Kupfer, einer speziellen Kupferlegierung oder aus einem Kupfer-Chrom-Werkstoff mit kleinem Chromanteil bestehen. Er wird gesondert gefertigt und in der Mitte des jeweiligen Kontaktes in einer entsprechenden Ausnehmung angeordnet und mit dem übrigen Kontaktkörper ver lötet.

Mehrere Ausführungsbeispiele von gemäß der Erfindung ausge bildeten Kontaktanordnungen sind in den Fig. 1 bis 7 dar gestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kontakt anordnung, bei der der innere Kontaktbereich von einem schalenförmigen Kontaktkörper ge bildet ist,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Kontaktanordnung ge mäß Fig. 1,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kon taktanordnung mit einem als hohler Kegel stumpf ausgebildeten inneren Kontaktbereich,

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem als geschlitztes Rohrstück ausgebildeten inneren Kontaktbereich,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des inneren Kontaktbereiches gemäß Fig. 4 in Seitenan sicht und

Fig. 6 und 7 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem ebenfalls als geschlitztes Rohrstück ausge bildeten inneren Kontaktbereich.

Die Kontaktanordnung gemäß Fig. 1 besteht aus einem oberen Kontakt 1 und einem unteren Kontakt 2, die längs einer Achse A mit einander zugewandten Kontaktflächen einander axial zu geordnet sind. Der eine Kontakt ist dabei - in nicht näher dargestellter, aber bekannter Weise - axial bewegbar. Jeder der beiden Kontakte 1 und 2 ist mit einer Stromzuführung 3 bzw. 4 versehen.

Gemäß Fig. 2 ist jeder Kontakt als sogenannter "Spiralkon takt" gemäß der Patentschrift EP 532 513 B1 aus gebildet, wobei jeder Schlitz 5 aus zwei Abschnitten besteht, von denen der erste Abschnitt parallel zu einer an den Umfang einer kreisförmigen Ausnehmung 6 gelegten Tangente verläuft und von denen der zweite Abschnitt aus einer Bohrung besteht, die im Bereich des inneren Endes des ersten Abschnittes die Kontaktfläche zwischen dem ersten Abschnitt und der kreisför migen Ausnehmung 6 durchbricht. Der außerhalb der Ausnehmung 6 liegende Bereich des Kontaktes bildet einen äußeren Kon taktbereich 7, der für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehen ist und als Lauffläche für einen rotierenden Lichtbogen dient.

Die Ausnehmung 6 ist so tief ausgeführt, daß sie einen zu sätzlichen Kontaktkörper 8 aufnehmen kann, der einen inneren Kontaktbereich 9 bildet. Dieser innere Kontaktbereich 9, der für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehen ist, überragt den äußeren, konzentrisch zum inneren Kontaktbereich angeord neten Kontaktbereich 7 axial um eine gewisse Länge a, die beispielsweise 2 mm beträgt.

Gemäß Fig. 1 und 2 weist der Kontaktkörper 8 die Form einer flachen, konischen Schale auf, deren Schalenwand in axialer Richtung mehrfach geschlitzt ist. Durch diese Schlitzung 12 sind mehrere Kontakt-Teilbereiche 10 gebildet. Der mit dem Kontaktstück 1 bzw. 2 verlötete Boden des schalenförmigen Kontaktkörpers 8 ist nicht geschlitzt, so daß durch die Schlitzung mehrere gegen die Achse A der Kontaktanordnung ge neigte, federnde Kontaktzungen 11 gebildet sind, deren freies Ende jeweils einen Kontakt-Teilbereich 10 bildet.

Bei der Kontaktanordnung gemäß Fig. 3 ist der den inneren Kontaktbereich bildende Kontaktkörper 13 als flacher, hohler Kegelstumpf ausgebildet, dessen Mantel mehrfach axial ge schlitzt ist. Diese Schlitzung geht jedoch nicht bis zur Ba sis des Kegelstumpfes, um den Kontaktkörper als ganzes mit dem jeweiligen Kontaktstück verlöten zu können.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist in die Ausneh mung 6 der Kontakte 1 und 2 als Kontaktkörper für den inneren Kontaktbereich ein Hohlzylinder in Form eines Rohrstückes 14 verwendet, der gemäß Fig. 5 mit schräg zur Achse der Kontak tanordnung verlaufenden Schlitzen 15 versehen ist, wodurch federnde Kontaktzungen 16 gebildet sind. Am oberen Kontakt 1 ist innerhalb des Rohrstückes 14 zusätzlich ein Kontaktstück 17 angeordnet, das im geschlossenen Zustand der Kontakte 1 und 2 eine mechanische Auflage bildet. Bei Betriebsströmen führt dieses Kontaktstück auch den Strom, wodurch sich ge ringste Kontaktwiderstände erzielen lassen. Im Fall von Kurz schlußströmen übernehmen bei beginnender Abhebung des zusätz lichen Kontaktstückes 17, d. h. bei geringfügigem Anstieg des Kontaktwiderstandes, die federnden Kontaktbereiche des rohr stückartigen Kontaktkörpers 14 die Stromführung und verhin dern so ein vollständiges Abheben und Verschweißen des Kon taktsystems.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 6 und 7 zeigt einen Topfkontakt 18, dessen geschlitzte Wandung am Topfrand mit einer ringförmigen Kontaktscheibe 19 abgedeckt ist, wobei diese Kontaktscheibe den äußeren Kontaktbereich des Kontaktes bildet. Innerhalb des Topfkontaktes ist ein Kontaktkörper 20 angeordnet, der ähnlich dem Kontaktkörper 14 gemäß den Fig. 4 und 5 ausgebildet ist und aus einem Rohrstück besteht, dessen Wandung mit mehreren schräg verlaufenden Schlitzen 21 versehen ist. Der Kontaktkörper 20, der den inneren Kontakt bereich des Topfkontaktes 18 bildet, überragt die Kontakt scheibe 19 axial um die Länge b, die etwa 2 mm beträgt.

Claims

1. Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltröhre, bestehend aus zwei axial zueinander bewegbaren Kontakten mit einander zugewandten Kontaktflächen,

- wobei jeder Kontakt einen inneren, für das Schalten von Be triebsströmen vorgesehenen Kontaktbereich und einen äußeren, den inneren Kontaktbereich konzentrisch umgebenden, für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehenen und als Lauf fläche für einen rotierenden Lichtbogen dienenden Kontaktbe reich aufweist
- und wobei der innere Kontaktbereich den äußeren Kontaktbe reich axial überragt,

dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kontaktbereich (9) aus mehreren, auf einem Teilkreis nebeneinander angeordneten Kontakt-Teilbereichen (10) besteht, wobei jeder Kontakt-Teilbereich von dem freien Ende einer federnden, gegen die Achse (A) der Kontaktanord nung geneigten Kontaktzunge (11) gebildet ist.

2. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kontaktbereich aus einer flachen, konischen Schale (8) besteht, deren Schalenwand mehrfach axial ge schlitzt (12) ist.

3. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kontaktbereich aus einem flachen, hohlen Ke gelstumpf (13) besteht, dessen Mantel mehrfach axial ge schlitzt ist.

4. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kontaktbereich aus einem Rohrstück (14) be steht, dessen Wandung mit mehreren schräg verlaufenden Schlitzen (15) versehen ist.

5. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kontaktbereich (7) aus den Armen eines Spiral kontaktes (1, 2) besteht.

6. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kontaktbereich aus der Kontaktfläche (19) ei nes Topfkontaktes (18) besteht.