DE2048506C3 - 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 Abbrennkontaktstükke jeweils aus elektrisch gut leitendem Material aufweisen und bei dem magnetische Mittel vorgesehen sind, um einen Hochstromlichtbogen von den Hauptkontaktstücken auf die Abbrennkontaktstücke zu verlagern.

Es ist bekannt, zur Unterstützung der Löscheigenschaften von Vakuumschaltern die Wirkung von magnetischen Feldern 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 (deutsche Auslegeschrift 10 88 580) 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 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 Antischweißzusatz erforderlich ist.

Weiterhin ist ein Vakuumschalter mit einer Elektrodenkonstruktion bekannt (deutsche Auslegeschrift 10 88 132), 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 Beschleunigun-

h5 gen des Schaltvorganges sowie durch dynamische Stromkräfte beim Ausschalten des Hochstromes verbiegen können. Dadurch wird im geöffneten Zustand des Schalters die Kontaktschaltstrecke verkleinert, so daß

an dieser Stelle Überschläge auftreten können.

Durch die deutsche Auslegeschrift 12 26 693 ist ein elektrischer Schalter bekannt, dessen feststehender Kontaktteil und dessen beweglicher Kontaktteil jeweils im Abstand von einer elektrisch mit dem Kontaktteil verbundenen ringförmigen feststehenden Lichtbogenführung umgeben sind. Der bewegliche Kontaktteil ist becherförmig ausgebildet mit einem mit dem feststehenden Kontakt kontaktgebenden Boden und einer von der Kontaktstelle nach rückwärts verlaufenden Rohrwandung. Beide Kontaktteile haben rückwärts der Kontaktstelle jeweils eine Ausnehmung, die einen Einsatz aus einem Material mit gegenüber dem benachbarten Werkstoff der Kontaktstelle hohen spezifischen Widerstand enthält Die bewegliche Elektrode hat eine feststehende Lichtbogenführung in Form eines den beweglichen Kontaktteil umgebenden Ringes. Dieser Ring ist mittels eines rohrförmigen Leiters auf der unteren Stirnkappe montiert. Die Verbindung zwischen dem rohrförmigen Leiter und zu dem Lichtbogenführungsring ist am Innenumfang des Lichtbogenführungsringes vorgesehen. Der bewegliche Kontaktteil ist in Vertikalrichtung innerhalb des Lichtbogenführungsringes frei beweglich.

Weiterhin ist durch die deutsche Auslegeschrift 12 78 590 ein Vakuumschalter mit einem zylindrischen Gehäuse und mit während des Schaltvorganges die Schaltleistung kurzzeitig übernehmenden Hilfskontakten bekannt, bei dem ein Kontakt fest angebracht ist, während der andere, durch einen metallischen Balg hermetisch abgedichtet, axial in Richtung des festen Kontaktes auf diesen zu- bzw. von diesen wegbewegt wird. An beiden Kontaktbolzenteilen sind schraubenfederartige Leiter befestigt. Die Hilfskontakte weisen mit ihren Berührungsflächen in geöffnetem Zustand des Schalters einen kleineren Abstand voneinander auf als die Hauptkontakte. Die beiden Hilfskontakte sind ringförmig ausgebildet und über die schraubenfederartigen Leiter mittels dielektrischer Teile am Kontaktteil gleitend angebracht. Beim Hineindrücken des Kontaktbolzenteils in den Schalter werden die schraubenfederartigen Leiter zusammengedrückt, wodurch sich der Anpreßdruck der Hilfskontakte erhöht. Beim öffnen des Schalters wird der Strom unterbrochen und auf einen Parallelpfad, der durch die schraubenfederartigen Leiter gebildet wird, verlagert. Die schraubenfederartigen Leiter haben die Aufgabe, daß sie beim öffnen und Schließen des Schalters die Hauptlast übernehmen. Die schraubenfederartigen Leiter weisen den gleichen Wickelsinn auf.

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 Koniakte 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 Kontaktschaltstrecke verkleinert, so daß an dieser Stelle Überschläge auftreten können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und für Vakuumschalter der eingangs genannten Art 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 Schaltsirecke zu erreichen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die spiral- oder wendeiförmigen Abbrennkontaktstücke auf einem Träger aus elektrisch schlecht 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 B:H wie 1 :2 bis 1 :10 ist.

Der Träger kann z. B. so aufgebaut sein, daß er aus einer äußeren Ringscheibe 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 Enoplatte 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, daß das wendeiförmige Abbrennkontaktstück auf der Innenwand des elektrisch schlecht leitenden zylinderförmig ausgebildeten Trägers angebracht ist, daß der Träger am äußeren Umfang des ringförmigen Hauptkontaktstückes der unbeweglichen Elektrode befestigt ist und das zylinderförmige Hauptkontaktstück der beweglichen Elektrode und das Hauptkontaktstück der unbeweglichen Elektrode von dem wendeiförmigen Abbrennkontaktstück konzentrisch umfaßt sind.

In einer weiteren Ausbildung kann auch am Hauptkontaktstück der beweglichen Elektrode ein zylinderförmiger Träger vorgesehen sein, auf dessen Außenwand ein zusätzliches wendeiförmiges Abbrennkontaktstück angebracht ist in der Weise, daß die wendell'örmigen Abbrennkontaktstücke der beweglichen und der unbeweglichen Elektrode sich konzen-

M) trisch gegenüberstehen. Die Wendeln beider Abbrennkontaktstücke müssen dabei dieselbe Wickelrichtung aufweisen.

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

μ F i g. 1 einen Längsschnitt des Vakuumschaltergehäuses mit Elektroden,

Fig. 2 einen Längsschnitt der Elektroden mit trapezförmigen Abbrennkontaktstücken,

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 Lndplatten 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 Eiektrodenschaft 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 7 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 ist aus einer äußeren Ringscheibe 10 aus elektrisch schlecht leitendem Material, z. B. 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 Abbrennkontaktsiückes 8 mil ihr noch in elektrischem Kontakt steht. Der Windungsabstand B der einzelnen Windungen der Spiralen des Abbrennkontaktstückes 8 ist 2 mm und die Windungsdicke H ist 12 mm. Das Verhältnis B .· Hist 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 geführten 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 Eiektrodenschaft 12 hat über Kontaktmittel 14 und 15, z.B. Kupferleitungen 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 Schaltströmen, z. B. unterhalb 2000 A, auf den Hauptkontaktstücken 7.

Bei höheren Schaltströmen wird der Lichtbogei dagegen durch die Magnetschleife 19 radial nach außei gedrückt und gelangt auf die spiralförmigen Abbrenn kontaktstücke 8, die in einem festen Abstand, je nacl angelegter Nennspannung, einander gegenübersteher Durch die Spiralen, die, in einer Achsrichtuni betrachtet, gleichen Umlaufsinn haben müssen, entsteh ein zusätzliches Magnetfeld während des Lichtbogen stromes, das den Lichtbogen durch die entstehend-

to Kraftkomponente auf der Spirale entlang treibt. Durcl die erfindungsgemäße Dimensionierung der Spiral· wird eine schnellere Wiederverfestigung der Schalt strecke gegenüber ebenen Kontaktscheiben erreich) Die durch den Lichtbogen freigesetzten Metalldampf können schnell in den Spalten zwischen den einzelne: Spiralwindungen kondensieren.

Zusätzlich kann die scnneiie wiederverfestigung de Schaltstrecke verbessert werden, indem die Höhe de äußeren Spiralwindung gegenüber der inneren Win dung etwas kleiner ist.

Fig.2 zeigt im Längsschnitt die feststehend* Elektrode 4 und die bewegliche Elektrode 5 jeweils mi spiralförmigen Abbrennkontaktstücken 8, bei denen de Windungsquerschnitt der Spiralen trapezförmig ist um von Windung zu Windung von innen nach außei abnimmt. Mit 7 sind wieder die ringförmigen Hauptkon taktstücke, mit 10 die äußere Ringscheibe und mit 11 dii innere Ringscheibe des Trägers 9 bezeichnet. Da Abbrennkontaktstück 8 der beweglichen Elektrode 5 is wieder am oberen Ende eines Rohres 13 befestigt.

Fig. 3 zeigt im Längsschnitt eine Elektrode 4 mi einem spiralförmigen Abbrennkontaktstück 8, wöbe der Windungsquerschnitt der Spiralen ellipsenförmi] ist. Das Abbrennkontaktstück 8 ist auf dem Träger !

befestigt, der aus einer äußeren Ringscheibe 10 um einer inneren Ringscheibe 11 besteht, und umgibt da Hauptkontaktstück 7.

In den Fig.4 bis 6 sind weitere bewegliche um feststehende Elektroden jeweils in Längsschnitte!

dargestellt.

Gemäß Fig.4 ist das Hauptkontaktstück 7 de festehenden Elektrode 4 wiederum ringförmig ausgebil det und ist am Fuß des Elektrodenschaftes 6 angebrach! Das Hauptkontaktstück 22 der beweglichen Elektrode!

ist im Gegensatz zum Hauptkontaktstück 7 de feststehenden Elektrode 4 überwiegend zylinderförmij ausgeführt, und zwar derart, daß der Elektrodenschaf 12 der beweglichen Elektrode 5 fast über seine gesamti Länge vom Zylindermantel umgeben ist. Am äußerei

so Umfang des ringförmigen Hauptkontaktstückes 7 de feststehenden Elektrode 4 ist ein zylinderförmige Träger 21 aus elektrisch schlecht leitendem Material z. B. Edelstahl, befestigt. Auf der Innenwand des Träger 21 ist ein wendeiförmiges Abbrennkontaktstück 2( angebracht in der Weise, daß es die Hauptkontaktstük ke 7 und 22 konzentrisch umfaßt Bei hohei Schaltströmen wird der Lichtbogen L durch dii Magnetschleife 19 radial nach außen getrieben und au die Wendel des Abbrennkontaktstückes 20 geführt. De

H) Lichtbogenstrom erzeugt in der Wendel ein Magnetfelc dessen Kraftkomponente den Lichtbogen L um da überwiegend zylinderförmige Hauptkontaktstück X rotieren läßt. Gleichzeitig folgt der Lichtbogen L den Lauf der Wendel in axialer Richtung. Dadurch steht den

<>'· Lichtbogen eine größere Oberfläche zur Verfügung.

In F i g. 5 ist gezeigt, daß, abweichend von de Ausführungsform nach Fig.4, das zylinderförmigi Hauptkontaktstück 22 der beweglichen Elektrode 5 nu

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.

Fig.6 zeigt eine weitere Ausbildung der Ausführungsform nach Fig.4. In das Hauptkontaktstück 22 der beweglichen Elektrode 5 ist ein Hohlzylinder 23, z. B. aus Edelstahl, eingelassen, auf dessen äußeren Überfläche 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 F i g. 4.

Die beiden Wendeln 20 und 24 stehen sich 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.

Für 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vakuumschalter mit mindestens zwei in einem evakaierbaren und durch Endplatten hermetisch abgeschlossenen Isoliergehäuse in der gleichen Achse angeordneten relativ zueinander beweglichen Elektroden, die an den sich gegenüberstehenden Füßen ihrer Elektrodenschäfte 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 Abbrennkontaktstükke zu verlagern, dadurch gekennzeichnet, daß die spiral- oder wendeiförmigen Abbrennkontaktstücke (8,20,24) auf einem Träger (9,21,30) aus elektrisch schlecht 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 B: //wie wie 1 :2 bis 1 :10 ist.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (9) aus einer äußeren Ringscheibe (10) aus elektrisch schlecht leitendem Material besteht, in die eine innere Ringscheibe (11) aus elektrisch gut leitendem Material fest eingepaßt ist und daß der äußere Durchmesser der inneren Ringscheibe (11) so bemessen ist, daß die mit dem Anfang der von innen nach außen verlaufenden Spirale des Abbrennkontaktstückes (8) in elektrischem Kontakt 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 Elektrodenschaft (12) mit dem Rohr (13) mindestens an einer Stelle elektrisch verbunden ist und daß die innere Ringscheibe (11) des Trägers (9) am oberen Ende des Rohres (13) befestigt ist, derart, daß das spiralförmige Abbrennkontaktstück (8) das Hauptkontaktstück (7) umfaßt.

4. Vakuumschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Windungsquerschnitt der Spiralen des Abbrennkontaktstückes (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 des elektrisch schlecht leitenden zylinderförmig ausgebildeten Trägers (21) angebracht ist, daß der Träger (21) am äußeren Umfang des ringförmigen Hauptkontaktstücks (7) der unbeweglichen Elektrode (4) befestigt ist und das zylinderförmige Hauptkontaktstück (22) der beweglichen Elektrode (5) und das Hauptkontaktstück (7) der unbeweglichen Elektrode (4) von dem wendeiförmigen Abbrennkontaktstück (20) konzentrisch umfaßt sind.

7. Vakuumschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auch am Hauptkontaktstück (22) der beweglichen Elektrode ein zylinderförmiger Träger (23) vorgesehen ist, auf dessen Außenwand ein zusätzliches wendeiförmiges Abbrennkontaktstück (24) angebracht ist, derart, daß 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 Wickelrichtung aufweisen.