DE2048506A1 - Vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit mindestens zwei, in einem evakuierbaren und durch Endplatten hermetisch abgeschlossenen Isoliergehäuse, in der gleichen Achse angeordneten relativ zueinander beweglichen Elektroden, die an den sich gegenüberstehenden Enden ihrer Elektrodenschafte ring- oder zylinderförmige Hauptkontaktstücke und diese umgebende spiral- oder wendeiförmige Abbrennkontaktstücke jeweils aus elektrisch gut leitendem Material aufweisen und bei dem magnetische Mittel vorgesehen sind, um einen Hochstromlichtbogen von den Hauptkontaktstücken auf die Abbrennkontaktstücke mit einer Wanderungsgeschwindigkeit zu verlagern.

Es ist bekannt, zur Unterstützung der Löscheigenschaften von Vakuumschaltern die Wirkung von magnetischen Peldern auszunutzen, wobei die Felder sowohl durch den Lichtbogenstrom als auch durch externe Stromkreise erzeugt werden können. Ebenfalls ist es bekannt, zur Schonung der Schaltkontakte diese in Haupt- und Abbrennkontakte aufzuteilen. So ist ein Leistungsschalter mit Hauptkontaktstücken und ringförmigen Abbrennkontaktstücken bekannt, bei dem der zwischen den Abbrennringen gezogene Lichtbogen unter dem Einfluß der Magnetfelder zweier von dem Lichtbogenstrom gegensinnig durchflossener Spulen innerhalb eines kühlenden Mediums rotiert. Jede Spule ist als bei geschlossenem Schalter ebene Spirale ausgebildet, wobei jeweils das Hauptkontaktstück im Zentrum und der Abbrennring am Umfang der Spirale angeordnet ist. Bei dieser bekannten Schalterform haben die Spulen bei geöffnetem Schalter eine schwach gewölbte Form, wobei ihre konkaven Seiten einander zugekehrt sind. Diese bekannte

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Kontaktform bedingt jedoch einen großen Kontakthub. Beim Schließen des Schalters berühren sich zunächst die äußeren Ringe und können daher bei Anwendung dieser Kontaktanordnung verschweißen, so daß ein Antischweißzuaatz erforderlich ist.

Weiterhin ist ein Vakuumschalter mit einer Elektrodenkonstruktion bekannt, welche nebeneinanderliegende erste und zweite Elektrodenbereiche von verschiedener Leitfähigkeit besitzt. Zur Bewegung der Fußpunkte eines Hochstromlichtbogens sind die Kontakte mit Schlitzen versehen, die vom Umfang jeder Kontaktscheibe des zweiten Elektrodenbereiches nach innen verlaufen. Diese Schlitze haben einen im ganzen spiralförmigen Verlauf und enden am Umfang der Kontaktscheibe des ersten Elektrodenbereiches. Durch diese Schlitze werden in der Kontaktscheibe Segmente gebildet, die sich an ihren äußeren Enden bei hohen Beschleunigungen des Schaltvorganges sowie durch dynamische Stromkräfte beim Ausschalten des Hochstromes verbiegen können. Dadurch wird im geöffneten Zustand des Schalters die Kontaktschaltatrecke verkleinert, so daß an dieser Stelle Überschläge auftreten können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und für Vakuumschalter der bekannten Bauart eine Kontaktform zu entwickeln, die es ermöglicht, den Lichtbogen unter der Wirkung größerer Radialmagnetfelder schneller rotieren zu lassen und ein schnelleres Kondensieren der Metalldämpfe und eine schnellere Wiederverfestigung der Schaltstrecke zu erreichen.

Die Erfindung besteht darin, daß die spiral- oder wendeiförmigen Abbrennkontaktstücke auf einem Träger aus elektrisch schlecht leitendem Material angeordnet sind -und daß der Windungsabstand (B) und die Windungedicke (H) der Spiralen bzw. Wendeln der Abbrennkontaktetücke so bemessen sind, daß das Verhältnis BiH wie 1:2 bis 1:10 ist.

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Der Träger kann z.B. so aufgebaut sein, daß er aus einer äußeren Hingscheibe aus elektrisch schlecht leitendem Material besteht, in die eine innere Ringscheibe aus elektrisch gut leitendem Material fest eingepaßt ist und daß der äußere Durchmesser der inneren Ringscheibe so bemessen ist, daß sie mit dem Anfang der von innen nach außen verlaufenden Spirale des AbbrennkontaktStückes in elektrischem Kontakt steht.

Um der beweglichen Elektrode eine möglichst geringe Masse zu verleihen, kann der Elektrodenschaft der beweglichen Elektrode, an dem das Hauptkontaktstück befestigt ist, vorteilhafterweise in einem, durch die untere Endplatte geführten und an dieser befestigten, Rohr aus elektrisch gut leitendem Material beweglich angeordnet sein, wobei der Elektrodenschaft mit dem Rohr mindestens | an einer Stelle elektrisch verbunden ist und die innere Ringscheibe des Trägers für das Abbrennkontaktstück am oberen Ende des Rohres befestigt ist, derart, daß das spiralförmige Abbrennkontaktstück das Hauptkontaktstück umfaßt.

Der Windungsquerschnitt der Spiralen des AbbrennkontaktStückes kann z.B. trapezförmig sein und von Windung zu Windung von innen nach außen abnehmen. Der Windungsquerschnitt der Spiralen des Abbrennkontaktstückes kann z.B. auch ellipsenförmig sein.

Bei der Verwendung wendeiförmiger Abbrennkontaktstücke ist es vorteilhaft, diese auf der Innenwand eines elektrisch schlecht leitenden zylinderförmigen Trägers anzubringen, wobei der Träger g am äußeren Umfang des ringförmigen HauptkontaktStückes der unbeweglichen Elektrode befestigt ist, derart, daß das zylinderförmige Hauptkontaktstück der beweglichen Elektrode und das Hauptkontaktstück der unbeweglichen Elektrode von dem wendeiförmigen Abbrennkontaktstück konzentrisch umfaßt ist. In einer weiteren Ausbildung kann auch am Hauptkontaktstück der beweglichen Elektrode ein zylinderförmiger Träger vorgesehen sein, auf dessen Außenwand

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ein zusätzliches wendeiförmiges Abbrennkontaktstück angebracht ist in der Weise, daß die wendeiförmigen Abbrennkontaktstücke der beweglichen und der unbeweglichen Elektrode sich konzentrisch gegenüberstehen. Die Wendeln beider Abbrennkontaktstücke müssen dabei dieselbe Wickelrichtung aufweisen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt des Vakuumsehaltergehäuses mit Elektroden,

Fig. 2 einen Längsschnitt der Elektroden mit trapezförmigen Abbrennkontaktetücken,

Fig. 3 einen Längsschnitt einer Elektrode mit ellipsenförmigem Kontaktstück,

Fig. 4, 5 und 6 Längsschnitte der Elektroden mit wendeiförmigen Abbrennkontaktstücken.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt des Vakuumschaltergehäuses mit Elektroden. Ein zylinderförmiges, evakuierbares Isoliergefäß 1, das z.B. aus Glas oder Keramik ausgeführt sein kann, ist an seinen beiden Endflächen durch zwei Endplatten 2 hermetisch abgeschlossen. Die Endplatten 2 sind mit zu dem Isoliergefäß 1 im Ausdehnungskoeffizienten passenden Metalldrückteilen 3 verbunden. Durch die Endplatte 2 ist jeweils eine Elektrode vakuumdicht zentral hindurchgeführt. Die eine Elektrode 4 ist feststehend, während die andere Elektrode 5 beweglich ist. Die Elektroden 4 und 5 sind in der gleichen Achse angeordnet und sind relativ zueinander beweglich. Der Elektrodenschaft 6, der auch als Stromzuführung für die feststehende Elektrode 4 dient, weist an seinem Fuß ein ringförmiges Hauptkontaktstück 7 auf, das von einem spiralförmigen Abbrennkontaktstück 8 umfaßt ist. Das Hauptkontaktstück kann z.B. aus einer Kupfer-Wismut-Legierung oder aus einer Wolfram-Kupfer-Legierung bestehen. Das spiralförmige Abbrennkontaktstück 8, das z.B. aus Kupfer hergestellt sein kann, ist auf einem Träger 9 befestigt. Der Träger 9 ^st aus einer äußeren Ringscheibe 10 aus elektrisch schlecht leitendem Material, z.B.

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Edelstahl, aufgebaut, in die eine innere Ringscheibe 11 aus elektrisch gut leitendem Material, z.B. Kupfer, fest eingepaßt ist und die an dem Elektrodenschaft 6 oberhalb des Hauptkontaktstückes 7 befestigt ist. Der äußere Durchmesser der inneren Ringscheibe 11 ist so bemessen, daß der Anfang der Spirale des von innen nach außen verlaufenden spiralförmigen Abbrennkontakt-Stückes 8 mit ihr noch in elektrischem Kontakt steht. Der Windungsabstand B der einzelnen Windungen der Spiralen des Abbrennkontaktstückes 8 ist 2 mm und die Windungsdicke H 12 mm. Das Verhältnis B:H ist somit 1:6.

Einen ähnlichen Aufbau besitzt die bewegliche Elektrode 5 mit dem Unterschied, daß der Träger 9 mit der spiralförmigen Abbrennelektrode 8 nicht an ihrem Elektrodenschaft 12 direkt befestigt ist, sondern am oberen Ende eines durch die untere Endplatte 2 ge führten und an dieser befestigten Rohres 13, z.B. aus Kupfer, durch das der Elektrodenschaft 12 beweglich geführt ist. Die bewegliche Elektrode 5 erhält dadurch eine geringe Masse. Der Elektrodenschaft 12 hat über Kontaktmittel 14 und 15, z.B. Kupfer leitungen und Kupferstücke, mit dem Rohr 13 elektrischen Kontakt. Die bewegliche Elektrode 5 kann sich vermöge der Ausdehnung eines Metallbalges 16, dessen oberes Ende am unteren Ende des Rohres 13 angebracht ist, bewegen. Ein Schirm 17 schützt das Gefäß 1 vor Metallbedampfung. Der Doppelpfeil 18 gibt die Bewegungsrichtung der beweglichen Elektrode 5 wieder.

Der Windungsquerschnitt des spiralförmigen AbbrennkontaktStückes hängt vom maximalen Schaltstrom ab und sollte z.B. für 10 kA nicht unterhalb 0,5 cm² liegen. Die Zahl der Windungen für die Spirale soll mindestens eine sein, wobei der Windungsverlauf in den zwei sich gegenüberstehenden Kontakten von einer Seite aus betrachtet gleich sein sollte, so daß die Magnetfelder in den einzelnen Spiralen sich gegenseitig unterstützen.

Der Lichtbogen L brennt bei kleinen Sehaltströmen, z.B. unterhalb 2000 A, auf den HauptkontaktstUcken 7· Bei höheren Sehaltströmen

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wird der Lichtbogen dagegen durch die Magnetschleife 19 radial nach außen gedrückt und gelangt auf die apiralförmigen Abbrennkontaktstücke 8, die in einem festen Abstand, je nach angelegter Nennspannung) einander gegenüberstehen. Durch die Spiralen, die, in einer Achsrichtung betrachtet, gleichen Umlaufsinn haben müssen, entsteht ein zusätzliches Magnetfeld während des Lichtbogenstromes, das den Lichtbogen durch die entstehende Kraftkomponente auf der Spirale entlang treibt. Durch die erfindungsgemäße Dimensionierung der Spirale wird eine schnellere Wiederverfestigung der Schaltstrecke gegenüber ebenen Kontaktscheiben erreicht. Die durch den Lichtbogen freigesetzten Metalldämpfe können schnell in den Spalten zwischen den einzelnen Spiralwindungen kondensieren.

Zusätzlich kann die schnelle Wiederverfestigung der Schaltstrecke verbessert werden, indem die Höhe der äußeren Spiralwindung gegenüber der inneren Windung etwas kleiner ist.

Fig. 2 zeigt Im Längsschnitt die feststehende Elektrode 4 und die bewegliche Elektrode 5 jeweils mit spiralförmigen Abbrennkontaktstücken 8, bei denen der Windungsquerschnitt der Spiralen trapezförmig ist und von Windung zu Windung von innen nach außen abnimmt. Mit 7 sind wieder die ringförmigen Hauptkontaktetücke, mit 10 die äußere Ringscheibe und mit 11 die innere Hingeoheibe des Trägers 9 bezeichnet. Das Abbrennkontaktetück θ der beweglichen Elektrode 5 ist wieder am oberen Sude eines Rohres 13 befestigt.

Fig, 5 zeigt im Längeschnitt eine Elektrode 4 mit einem spiralförmigen Abbrennkontaktstück Θ, wobei der Windungsquersohnitt der Spiralen ellipeenföraig ist. Daa Abbrennkontaktetück 3 ist auf dem Träger 9 befestigt, der aus einer äußeren Ringscheibe 10 und einer inneren Ringscheibe 11 besteht, und umgibt das Hauptkontaktetück 7.

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In den Figuren 4- bis 6 sind weitere Ausbildungen der Erfindung aufgezeigt. Jeweils in Längsschnitten sind die bewegliche und die feststehende Elektrode dargestellt.

G-emäß Pig. 4 ist das Haupt kontakt stück 7 der feststehenden Elektrode 4 wiederum ringförmig ausgebildet und ist am Fuß des Elektrodenschaftes 6 angebracht. Das Hauptkontaktstück 22 der beweglichen Elektrode 5 ist im Gegensatz zum Hauptkontaktstück der feststehenden Elektrode 4 überwiegend zylinderförmig ausgeführt und zwar derart, daß der Elektrodenschaft 12 der beweglichen Elektrode 5 fast über seine gesamte Länge vom Zylindermantel umgeben ist. Am äußeren Umfang des ringförmigen Hauptkontaktstückes 7 der feststehenden Elektrode 4 ist ein zylinderförmiger Träger 21 aus elektrisch schlecht leitendem Material, z.B. Edelstahl, befestigt. Auf der Innenwand des Trägers 21 ist ein wendelförmiges Abbrennkontaktstück 20 angebracht in der Weise, daß es die Hauptkontaktstücke 7 und 22 konzentrisch umfaßt. Bei hohen Schaltströmen wird der Lichtbogen L durch die Magnetschleife 19 radial nach außen getrieben und auf die Wendel des Abbrennkontaktstückes 20 geführt. Der Lichtbogenstrom erzeugt in der Wendel ein Magnetfeld, dessen Kraftkomponente den Lichtbogen L um das überwiegend zylinderförmige Hauptkontaktstück rotieren läßt. Gleichzeitig folgt der Lichtbogen L dem Lauf der Wendel in axialer Richtung. Dadurch steht dem Lichtbogen eine größere Oberfläche zur Verfügung.

In Pig. 5 ist gezeigt, daß, abweichend von der Ausführungsform nach Fig.4, das zylinderförmige Hauptkontaktstück 22 der beweglichen Elektrode 5 nur einen kleinen Teil des Elektrodenschaftes 12 umfaßt. Im übrigen entspricht der Aufbau dem, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Der Lichtbogen L wird von der Magnetschleife 19 radial nach außen getrieben und auf die Wendel des Abbrennkontaktstückes 20 geführt und rotiert um das Hauptkontaktstück 22.

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Pig. 6 zeigt eine weitere Ausbildung der Ausführungsform nach Pig. 4. In das Hauptkontaktstück 22 der beweglichen Elektrode ist ein Hohlzylinder 23, z.B. aus Edelstahl, eingelassen, auf dessen äußeren Oberfläche eine zweite Wendel 24 angebracht ist Der Elektrodenschaft 12 der Elektrode 5 wird auf fast seiner gesamten Länge von der Wendel 24 umgeben. Der übrige Aufbau entspricht dem in Pig. 4.

Die beiden Wendeln 20 und 24 stehen gich konzentrisch zueinander gegenüber und müssen die gleiche Wickelrichtung haben. Die Wickelrichtung, ob Uhrzeiger- oder Gegenzeigerrichtung, kann beliebig sein, da der Lichtbogen L auch unabhängig von der Stromrichtung immer vom Zündungsbeginn nach unten getrieben wird.

Pur die Dimensionierung der Wendeln,d.h. für das Verhältnis Windungsabstand B zu Windungsdicke H, gilt die gleiche Dimensionierungsvorschrift, wie oben bereits ausgeführt, daß das Verhältnis B:H wie 1:2 bis 1:10 ist.

7 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims (7)

VPA Patentansprüche

1. Vakuumschalter mit mindestens zwei in einem evakuierbaren und durch Endplatten hermetisch abgeschlossenen Isoliergehäuse in der gleichen Achse angeordneten relativ zueinander beweglichen Elektroden, die an den sich gegenüberstehenden Püßen ihrer Elektrodenschafte ring- oder zylinderförmige Hauptkontaktstücke und diese umgebende spiral- oder wendeiförmige Abbrennkontaktstücke jeweils aus elektrisch gut leitendem Material aufweisen und bei dem magnetische Mittel vorgesehen sind, um einen Hochstromlichtbogen von den Hauptkontaktstücken auf die Abbrennkontaktstücke mit einer Wandβrungsgeschwindigkeit zu verlagern, dadurch gekennzeichnet, daß die spiral- oder wendeiförmigen Abbrennkontaktstücke (8, 20, 24) auf einem Träger (9» 21, 30) aus elektrisch sohlecht leitendem Material angeordnet sind und daß der Windungsabstand (B) und die Windungsdicke (H) der Spiralen bzw. Wendeln der Abbrennkontaktstücke so bemessen sind, daß das Verhältnis BtH wie 1;2 bis 1:10 ist.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (9) aus einer äußeren Hingscheibe (10) aus elektrisch schlecht leitendem Material besteht, in die eine innere Ringscheibe (11) aus elektrisch gut leitenden Material fest eingepaßt ist und daß der äußere !Durohmesser der inneren Ringscheibe (11) so bemessen ist, daß die mit dem Anfang der von innen nach außen verlaufenden Spirale des Abbrennkontakt-Stückes (8) in elektrischen Eontakt steht.

3. Vakuumschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenschaft (12) der beweglichen Elektrode (5) in einem durch die untere Endplatte (2) geführten und an dieser befestigten Rohr (13) aus elektrisch gut leitendem Material beweglich angeordnet ist, daß der Slektrodenachaft (12) mit dem Rohr (13) mindestens an einer Stelle elektrisch ver-

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bunden ist und daß die innere Ringscheibe (11) des Trägers (9) aa oberen Ende des Rohres (13) befestigt ist, derart, daß das spiralförmige Abbrennkontaktstüok (8) das Hauptkontaktstüok (7) umfaßt.

4. Vakuumschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Windungsquerschnitt der Spiralen des AbbrennkontaktstUckes (8) trapezförmig ist und von Windung zu Windung von innen nach außen abnimmt.

5. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,-daß der Windungsquerschnitt der Spiralen des Abbrennkontaktstückes (8) ellipsenförmig ist.

6. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wendeiförmige Abbrennkontaktstück (20) auf der Innenwand eines elektrisch sohlecht leitenden zylinderförmigen Trägers (21) angebracht ist, daß der Träger (21) am äußeren Umfang dee ringförmigen HauptkontaktStückes (7) der unbeweglichen Elektrode (4) befestigt ist, derart, daß das zylinderförmige Hauptkontaktstück (22) der beweglichen Elektrode (5) und das Hauptkontaktstück (7) der unbeweglichen Elektrode (4) Ton dem wendeiförmigen Abbrennkontaktetüok (20) konzentrisch umfaßt sind.

7."Vakuumschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auoh am Hauptkontaktetück (22) der beweglichen Elektrode ein zylinderförmiger Trafer (23) vorgeethen ist, auf dessen Außenwand ein zusätzliches wendeiförmiges Abbrennkontaktstück (24) angebracht ist, derart, dad die wendeiförmigen Abbrennkontaktstücke (20 und 24) der beweglichen und der unbeweglichen Elektrode (5, 4) sich konzentrisch gegenüberstehen und daß die Wendeln der Abbrennkontaktstücke (20 und 24) dieselbe Wickelriohtung aufweisen.

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