DE2053958A1

DE2053958A1 - Vakuumschalter

Info

Publication number: DE2053958A1
Application number: DE19702053958
Authority: DE
Inventors: Howard C Pittsburgh Pa Ludwig (VStA)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-11-06
Filing date: 1970-10-16
Publication date: 1971-05-19
Also published as: CH522283A; US3683139A

Description

'WESTINGHOUSE 16.10.1970

Electric Corporation
Pittsburgh

Mein Zeichen: . · VPA 70/8471 Sm/Un

Vakuumschalter

Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter, in dem ein Lichtbogen in einem evakuierten Gehäuse gezogen wird. Das eine der Schaltstücke kann an einem Metallbalg befestigt sein und als bewegliches Schaltstück mit dem anderen feststehenden Schaltstück zusammenwirken. In der Einschaltst ellung des Schalters berühren sich die Schalt stücke, damit der Strom übertragen werden kann. Beim Ausschalten wird durch geeignete Mittel das bewegliche Schaltstück vom feststehenden Schaltstück wegbewegt. Hierbei entsteht ein Lichtbogen in dem evakuierten Gehäuse.

Es ist wünschenswert, die Lichtbogenfußpunkte in Bewegung zu halten, um eine Erosion der Schalt stücke zu vermeiden. Eine ständige Bewegung der Lichtbogenfußpunkte auf den zusammenwirkenden Schaltstükken hat ferner das Ergebnis, daß die Schaltstücke verhältnismäßig kühl bleiben gegenüber dem Fall, in dem die Fußpunkte nicht bewegt werden und eine übermäßige örtliche Aufheizung verursachen. Im letzten Fall wird eine beträchtliche Menge verdampften Metalls zusammen mit Elektronen und ionisierten Partikeln in den Lichtbogenraum geschleudert. Zum Bewegen des Lichtbogens wurden bisher Magnet spulen oder Schlitze in den einander zugekehrten Kontaktflächen der Schaltstücke verwendet, damit der zu unterbrechende Strom mit seiner magnetischen Wirkung eine Rotationsbewegung des Lichtbogens verursacht.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind vorzugsweise beide Schaltstücke eines Vakuumschalters im wesentlichen konisch geformt und mit spiralförmig verlaufenden Absätzen versehen, die ständig wachsend einen größeren Durchmesser und zugleich einen größeren Abstand von der Schaltstückspitze annehmen. Daraus ergibt sich, daß die flotation des Lichtbogens um die sich trennenden Schalt stücke herum zu einer Verlängerung des Lichtbogens führt, denn durch das Magnetfeld werden die Fußpunkte längs der Absätze bewegt, so daß sich der Lichtbogen verlängert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine Seitenansicht, z.T. im Schnitt von einem Vakuumschalter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist eine wesentlich vergrößerte perspektivische Darstellung der Schaltstückanordnung nach Fig. 1. .

Die Figuren 3 und 4 zeigen Seitenansicht bzw. Grundriß der Schaltstückanordnung nach Fig. 1.

Die Figuren 5 und 6 zeigen Seitenansicht und Grundriß einer anderen Schaltstückanordnung gemäß der Erfindung.

Die Figuren 7 und 8 zeigen noch eine andere Schaltstückanordnung laß der Erfindung.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der theoretischen Grundlagen der Erfindung.

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Fig. 10 ist eine graphische Darstellung der induzierten Magnetkräfte als Funktion der speziellen Ausbildung des Absatzes.

In Fig. 1 ist ein Vakuumleistungsschalter mit einem Gehäuse 10 dargestellt, das auf einen Druck τοη 10"*^ mm Quecksilbersäule oder weniger evakuiert ist. Das Gehäuse 10 umfaßt ein Rohr 11 aus Isoliermaterial und metallische Endkappen 12 und 13, die an gegenüberliegenden Enden des flohres 11 mit vakuumdicht en Verbindungen 14 befestigt sind.

Im Gehäuse 10 sind zwei trennbare Schalt stücke-17 und 18 untergebracht, die in Fig. 1 die Ausschalt st ellung einnehmen. Das obere Schaltstück 17 ist als feststehendes Schaltstück in geeigneter Weise an einem elektrisch leitenden Schaft 17a befestigt, der an seinem oberen Ende mit der Endkappe 12 verbunden ist. Das untere Schaltstück 18 ist an einer Antriebsstange 18,a angebracht, die vertikale Bewegungen ausführen kann. Eine nach oben gerichtete Bewegung des Schaltstückes 18 bringt die Schaltstücke 17, 18 in Berührung, so daß der Schalter einschaltet. Die entgegengerichtete Bewegung nach unten trennt die Schalt stücke, wobei ein Lichtbogen 15 entsteht. Der Vakuumschalter schaltet aus.

Die Stange 18a erstreckt sich durch eine Öffnung der unteren Endkappe 13, und ein flexibler Metallbalg 20 dichtet die Stange 18a in dieser Öffnung ab, so daß die Vertikalbercegung der Stange ohne Beeinträchtigung des Vakuums im Gehäuse 10 möglich ist. Wie Fig. 1 zeigt, ist der Balg 20 an seinen gegenüberliegenden Enden mit der Antriebsstange 18a bzw. der unteren Endkappe 13 verbunden.

Zum Auffangen von Metalldampfen, die vom Lichtbogen erzeugt werden, dienen Metallschirme 21, 22, 23, 24 und 25. Der rohrförmige Hauptschirm 21 ist zwischen dem Isolierstoffrohr 11 und dem Lichtbogen

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15 angeordnet und umgibt die Lichtbogenstrecke 27. Er verläuft längs des ßohres 11 über einen beträchtlichen Weg über die Lichtbogenstrecke 27 hinaus. Vorzugsweise besitzt der Hauptschirm 21 einen vergrößerten Durchmesser im Bereich der Schalt stücke 17 und 18 gegenüber kleineren Durchmessern in der Nähe seiner Enden. Dadurch erhält man ein zusätzliches Spiel zwischen dem Schirm 21 und den Schaltstücken 17 und 18. Der Hauptschirm 21 wird in geeigneter Weise vom Isolierrohr 11 gehalten. Seine Spannung liegt etwa in der Mitte zwischen der der Schalt stücke 17 und 18, wenn der Schalter ausgeschaltet ist.

In der Umgebung des Hauptschirmes 21 sind an gegenüberliegenden Enden Hilfsschirme 22, 23 angebracht. Diese sind elektrisch mit den Endkappen 12 und 13 verbunden. Sie besitzen mithin das gleiche Potential wie die Schaltstücke 17 und 18.

In radialer Richtung innerhalb des Hauptschirmes 21 sind an gegenüberliegenden Enden weitere Hilfsschirme 24 und 25 gelegen, die ebenfalls im wesentlichen rohrförmig ausgebildet und elektrisch mit den Endkappen 12 und 13 verbunden sind. Mithin hat der obere Hilfsschirm 24 das gleiche Potential wie das obere Schaltstück 17. Der untere Schirm 25 weist das gleiche Potential wie das untere Schaltstück 18 auf. .

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Schaltstücke 17, 18 für einen Vakuumschalter 10, wie ihn Fig. 1 zeigt. Sie kommt jedoch auch für andere Schalter in Frage, in denen die Schaltstückausbildung im Hinblick auf die Abfuhr der Lichtbogenenergie in Abhängigkeit vom Strom in der Lichtbogenhalbwelle eines Wechselstromes und den von diesem induzierten Magnetkräften wichtig ist. Dabei besteht bekanntlich in einer Schleife des Stromes, wenn sich Kathodenflecke von der Achse des Magnetfeldes radial nach außen be-

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wegen, eine Tendenz zur Vergrößerung der Stromschleife.

Beim Stande der Technik wird jedoch die Verteilung der Stromfäden durch Anziehungskräfte zwischen diesen behindert. Die Stromfäden haben vielmehr die Tendenz, sich zusammenzuziehen, wenn der Strom anwächst (pinch-Sffekt). Deshalb führt die Verwendung bekannter Schalt stücke zu einer Änderung der Lichtbogenausbildung, wenn der Strom etwa 3000 Ampere erreicht. Dann kann die Schalt stückfläche beschädigt werden, was zu einsr Verkürzung der Betriebszeit des Schalters führt. Als Kriterium für-die Schalt erlebensdauer wird daher die Summe aller unterbrochenen Ströme angesehen.

' Die vorgenannte Summe der Ströme kann mit der Schaltstückausbildung nach der Erfindung vergrößert werden. Unter Ausnutzung der beschriebenen selbst induziert en Magnetwirkungen und im Hinblick auf die anschließenden Betrachtungen der Eigenbewegung von Kathodenflecken schafft die Erfindung einen Pfad für die Kathodenflecke, der zu einer Verlängerung des Stromkreises führt und den.pinch-Effekt beeinträchtigt, der sonst zu einer Konzentration der Stromfäden durch die Schaltstücke führen würde.

Aus einer Betrachtung der Oberfläche, an der Kathodenflecke aufgetreten sind, ergibt sich, daß sie Pfaden zu folgen pflegen, die keine Unstetigkeiten aufweisen, d.h. die Kathodenflecken überqueren nur mit Schwierigkeiten Schlitze, Kratzer u.dgl. Sie bewegen sich auch nur schlecht über die Kante eines Schaltstückes.

Für den Fall, daß ein steigender Strom 3000 Ampere überschreitet, führen Kathodenflecken, die sich auf Grund der Schaltstückabmoseungen und der Oberfläche nicht über eine größere Fläche ausdehnen können, zu einem pinch-Effekt, der eine wesentliche Veränderung des Lichtbogens, ergibt und die Schaltstückoberflache beschädigt.

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Die Konfigration der Schalt stücke, die zur Beseitigung dieses Problems vorgeschlagen wird, besteht in einer Spirale wie beim "Turm von Babel", wie in den Figuren 2 bis 8 der Zeichnung im einzelnen gezeigt wird.

Die erfindungsgemäße Schaltstückkonfigration ergibt einen ununterbrochenen Pfad für die Bewegung des Kathodenfleckes des Lichtbogens 15 mit einem ständig v/achsenden Hadius und einer stetigen Verlängerung des Lichtbogens zwischen den einzelnen Stadien 15a, 15b, 15c. α Die Form der Schalt stücke bietet, wie gezeigt, einen Pfad für Kathodenflecke, auf dem sich ständig verlängernde Stromschleifen 15, 15a, 15b, 15c entstehen, so daß die Kathodenflecke nach außen fortwachsen und die Bildung der stromkonzentrierten Lichtbogenformen verhindern.

In den Figuren 2 bis 8 soll im folgenden die Beziehung zwiechen der Lichtbogenlänge b und dem Abstand a von der Schaltstückachse untersucht werden, wie schematisch in Fig. 9 angedeutet ist. Wenn man die magnetischen Kräfte berechnet, die die Vergrößerung der Stromschleife bewirken, wie Fig. 9 zeigt, kann man die Größen a und b variieren, um die größte Magnetkraft für einen gegebenen φ Strom zu erhalten. Bei der Berechnung wird die folgende Gleichung verwendet:

100 ^r 3 ^a 4 or 2Oa^ 32a⁴

Dabei ist r der .Radius des Leiters längs a, a.B. 0,1 cm und I ein in der Praxis üblicher Strom, beispielsweise 200 Ampere, d.h. der Bfeximalstrom für einen einzelnen Kathodenfleck. Wenn a sich linear mit b ändert, d.h, wenn b = a - 1,25 ist, wobei 1,25 cm der Hadius der Knntaktfläche in der Einschalt st ellung ist, und wenn 0,5 b = a - 1,25 cm ist, ergeben sich die Kurven χ und y, die in Fig. 10 gezeichnet sind.

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Für eine exponentielle Beziehung ζγ/ischen a und b mit b = e^a 1,25 cm ergibt sich die Kurve ζ (Fig. 10). Man sieht, daß eine lineare Beziehung zwischen a und b die größten Magnetkräfte bei kleinen Werten von a und b ergibt, während bei höheren Werten von a und b eine exponentielle Beziehung zu größeren Kräften führt. In der Berechung schloß der Wert b nicht den Schalthub zwischen den Schalt stücken 17 und 18 ein, der auf die Vergrößerung durch das andere Schaltstück (Anode) zurückgeht. Für v/eitere Berechnungen werden Datenverarbeitungsmaschinen benötigt, damit die optimalen Werte von a und b festgelegt werden können. Die charakteristische Form der Schalt stücke 17 und 18 ist jedoch als wesentliches Konzept der Erfindung anzusehen.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß das im wesentlichen konische bewegliche Schaltstück 18 einen spiralförmig verlaufenden Absatz 30 besitzt. Der Absatz 30 nimmt einen ständig wachsenden Abstand a von der Achse y-y des Schaltstückes ein und trägt auch zur Verlängerung der Lichtbogenlänge b bei, weil er sich stetig von der äußersten Spitze T des Schaltstückes 18 entfernt.

Die verschiedenen Verhältnisse von Aa als Funktion von Ab sind in der Zeichnung dargestellt.

Für Schalt stücke, die vorteilhaft verwendet werden können, ist D ■= 25 mm. D ist der Durchmesser der Kontaktfläche, die von einer Abflachung der im Querschnitt etwa halbkreisförmigen Schaltstückkappe gebildet wird. Eine typische Abmessung von Ah wäre 6 mm, und /la könnte ebenfalls 6 mm sein.

In Fig. 7 ist Aa. beispielsweise 6 mm und At etwa 25 mm.

Aus der vorstehenden Beschr.eibung geht hervor, daß das spezielle

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Zusammenwirken von zwei im wesentlichen konischen Schalt stücken 17t 18 dazu führt, daß eine Drehbewegung des Lichtbogens 15 durch das selbstinduzierte Magnetfeld erzwungen wird, die zu einer ständig wachsenden Lichtbogenlänge (15a, 15b, 15c) mit einer wachsenden Intensivierung des Magnetfeldes führt. Der Absatz 30 bildet Endpunkte für den Lichtbogen 15. Durch die Yfenderung der Endpunkte entsteht eine ständig wachsende Schleifenwirkung. Dadurch bleiben die Lichtbogenlaufflächen 30 kühler, als es sonst der Fall wäre. Zusätzlich erleichtert die größere Lichtbogenlänge die Lichtbogenlöschung.

10 Figuren
5 Ansprüche .

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Claims

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Pat entanspräche

1/ Vakuumschalt er mit einem evakuierten Gehäuse, das zwei trennbare Schalt stücke enthält, auf denen der beim Ausschalten entstehende Lichtbogen durch die magnetische Wirkung des zu unterbrechenden Stromes zum Laufen gebracht wird, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen konische Form der Schalt stücke mit einem in Spiralform verlaufenden Absatz (30).
2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absatz (30) im Qyerschnitt etwa einen rechten Winkel bildet.
3» Vakuumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absatz (30) an einer im Querschnitt etwa halbkreisförmigen Kappe beginnt.
4.. Vakuumschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des radialen Abstandes (a) des Absatzes (30) von der Schalt stückachse zur axialen Länge (b) des Lichtbogens (15) 0,5 bis 1 beträgt. .
5. Vakuumschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des radialen Abstandes (a) des Absatzes (30) von der Schalt stückachse zur axialen Länge (b) des Lichtbogens C15) der Gleichung b » e^a genügt.

ORIGINAL SMS

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L e e r s e i t e