DE2431224A1 - Vakuum-unterbrecher bzw. -schutzschalter - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE HENKEL—KERN — FEILER — HÄNZEL—MÜLLER

DR. PHIL. DIPL.-ING. DR. RER. NAT. DIPL.-ING. DIPL.-ING.

i,, ⁰Z₁ ²J! J⁰J₀Af^, F, EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 bayerische Hypotheken- und

TELEFON: (08 11) 66 3197, 66 30 91-92 ο nnn **ν*χτ/->ττ·ηχτ nn WECHSELBANK MÜNCHEN NR. 318-85 IH

TELEGRAMME; ELLIPSOID MÜNCHEN - D-8 000. MUNCIlEN 90 POSTSCHECK: MCHN 162147 —

lokyo Shibaura Electric Co., Ltd.
. Kawasaki-shi, Japan _.

β..W 1974

Vakuum-Unter brecher "bzw. -Schutzschalter

Die Erfindung betrifft einen Vakuum-Ünterbrecher bzw. -Schutzschalter mit einem Vakuumgehäuse, zwei unter luftdichter Abdichtung aus dem Gehäuse herausgeführten, stromführenden Stäben, die zur Ermöglichung eines elektrischen Hauptstromflusses durch sie mit einem äußeren elektrischen Strompfad verbunden sind, zwei jeweils am Vorderende der stromführenden Stäbe angebrachten Elektrodeneinheiten, deren Elektrodenflächen einander zugewandt sind und die jeweils eine den Durchgang des elektrischen Hauptstroms ermöglichende Hauptelektrode aufweisen, und mit einer Betätigungs- -oder Steuereinrichtung, durch welche mindestens eine der Elektrodeneinheiten in oder außer Berührung mit der anderen Elektrode verlagerbar ist, so daß der elektrische Stromfluß ermöglicht oder unterbrochen wird.

Wenn ein elektrischer Strom einen Vakuum^Unterbrecher durchfließ tj, werden im allgemeinen zwei Haupt elektroden in Kontakt miteinander gehalten. Wenn dabei die Hauptelektroden durch eine zweckmäßige Betätigungseinrichtung'auseinander verlagert werden, tritt zwischen ihnen ein Lichtbogen auf, der durch ein von einer Kathode emittiertes Plasma aufrechterhalten wird. Im Normalfall wird das Auftreten des Plasmas zu dem Zeitpunkt unt^erorochen, an dem der elektrische Strom auf Null abfällt.

Mg/Bl/Ro ' -

40988370440

Infolgedessen kann dann der Lichtbogen nicht mehr aufrechterhalten werden, so daß der elektrische Strom unterbrochen ist. Wenn die Vorrichtung aber von einem großen elektrischen Strom durchflossen wird, tritt ein intensiver Lichtbogen auf. Dabei wirkt aber das resultierende Magnetfeld, das sich aus einem durch den Lichtbogen selbst erzeugten Hagnetfeld sowie aus den von anderen Stromkreisen, z.B. von den äußeren Leitungen, an welche die beiden stromführenden Stäbe angeschlossen sind, erzeugten Magnetfeldern ergibt, auf den Lichtbogen selbst ein, so daß dieser instabil wird. Infolgedessen konzentriert sich der Lichtbogen am Außenumfang der Elektrodenfläche oder in dessen Nähe, wodurch die betreffende Elektrodenfläche lokal überhitzt wird und eine große Plasmamenge abgibt. Hierdurch wird das im Gehäuse herrschende Vakuum vermindert und mithin die Unterbrechungsfähigkeit beeinträchtigt.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist bereits versucht worden, die Oberfläche einer Hauptelektrode zu vergrößern und dadurch die Dichte des elektrischen Stroms herabzusetzen, oder in der Oberfläche der Hauptelektrode Spiraleinschnitte vorzusehen, um den Lichtbogen sich längs der Spiralnut auswärts verlagern zu lassen. Im erstgenannten Pail besteht jedoch immer noch die Möglichkeit dafür, daß sich der Lichtbogen an der Umfangsfläche der Hauptelektrode konzentriert, während der Lichtbogen im zweitgenannten Pail nicht gleichmäßig über die Gesamtflache der Hauptelektrode verteilt werden kann. In jedem Pail ist es dabei unmöglich, einen stabilen, gleichmäßig verteilten Lichtbogen zu erzeugen.

Wenn das Plasma aus dem Bereich zwischen den Hauptelektroden nach außen entweicht und kein für die stabile Aufrechterhaltung des Lichtbogens ausreichendes Plasma erzielt wird, wird die Oberfläche der Hauptelektrode lokal überhitzt, was zu einer lokalisierten Verschmelzung führt. Wenn nämlich das zwischen den Hauptelektroden vorhandene Plasma entweicht,

409883/0440

erhöht sich die Licht bo genspannung unter Aufrecht erhaltung des elektrischen Stroms. Da in diesem Fall eine größere Energiemenge an die Hauptelektrode angelegt wird, erfährt letztere eine lokale Überhitzung mit davon herrührender lokaler Verschmelzung.

Zur Vermeidung dieses Zustands' ist es bekannt, ein Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche der Hauptelektrode anzulegen. Es wird vermutet, daß dabei Elektronen, neutrale Atome und ionisierte Atome in einem Verhältnis von etwa 100:10:1 von einem Kathodenfleck des Lichtbogens emittiert werden, wobei "■ luptsäehlich die Elektronen und die ionisierten Atome zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens dienen. Bei einem senkrecht zur Oberfläche der Hauptelektrode angelegten Magnetfeld werden die Elektronen längs dieses Magnetfelds eingeschlossen, so daß sie an einer Auswärtsverteilung aus dem. Bereich zwischen den Elektroden gehindert werden.

Wenn die Elektronen derart zwischen den Hauptelektroden eingeschlossen sind, wird die Zahl der aus dem Bereich zwischen den Hauptelektroden entweichenden Elektronen verringert, so daß der Lichtbogen stabilisiert wird. Durch die Bewegung der Elektronen wird ihr Weg zur Anode verlängert. Während dieser Bewegung der Elektronen zur Anode vergrößert sich die Wahrscheinlichkeit dafür, daß die Elektronen eine Ionisierung von neutralen Atomen verursachen und dabei ein unzureichendes Plasma verstärken und den Lichtbogen stabilisieren. Das Magnetfeld wirkt aueh auf die ionisierten Atome ein, derart, daß diese zwischen den Elektroden eingeschlossen werden. Auf diese Weise wird der Lichtbogen unter dem Einfluß des Magnetfelds zwischen den Elektroden festgelegt oder eingeschlossen.

Zur Anlegung eines Magnetfelds senkrecht zur Oberfläche der Hauptelektrode wird eine Erregerspule um den Außenumfang eines

409883/0440

Vakuumgehäuses herum angeordnet und an den mit der Hauptelektrode verbundenen stromführenden Stab angeschlossen, oder ein Teil des stromführenden Stabs kann innerhalb des Vakuumgehäuses in Form einer Spule gewickelt und an die Hauptelektrode angeschlossen sein. Im zuerst genannten EaIl ist es jedoch schwierig, ein Magnetfeld zu erzielen, das eine ausreichende Wirkung zeigt, da die Erregerspule und die Elektrode weit voneinander entfernt sind. Außerdem ist dabei eine ziemlich große Erregerspule erforderlich, die zu einem aufwendigen, sperrigen und schweren Vakuum-Unterbrecher führt. Im zweitgenannten Pail wird die Konstruktion des stromführenden Stabs kompliziert, so daß er schwierig herzustellen ist. Außerdem wird auch der Innenaufbau kompliziert, so daß der Vakuum-Unterbrecher insgesamt schwer und groß wird.

Der Erfindung liegt damit in erster Linie die Aufgabe zugrunde, einen Vakuum-Unterbrecher oder -Schutzschalter mit hoher Unterbrechungsleöfcung zu schaffen, indem ein zwischen den Hauptelektroden auftretender lichtbogen gleichmäßig und stabil über die Oberflächen der Hauptelektroden verteilt wird.

Dieser Vakuum-Unterbrecher oderf-Schutzschalter soll zudem in einem Vakuumgehäuse eine kleine, kompakt ausgelegte Erregerspule aufweisen, welche ein Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche jeder Hauptelektrode zu erzeugen vermag, so daß ein zwischen den Hauptelektroden erzeugter Lichtbogen gleichmäßig und stabil über deren Oberflächen verteilt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Vakuum-Unterbrecher oder -Schutzschalter mit einem Vakuumgehäuse, zwei unter luftdichter Abdichtung aus dem Vakuumgehäuse herausgeführten, stromführenden Stäben, die zum Hindurchleiten eines elektrischen Stroms an einen äußeren elektrischen Strompfad angeschlossen sind, zwei jeweils am Vorderende des betreffenden stromführenden Stabs angebrachten Elektrodeneinheiten, deren Elektrodenflächen

409883/044 0

einander gegenüberliegend angeordnet sind, und die jeweils eine Hauptelektrode zum Hindurchleiten eines elektrischen Haupt Stroms aufweisen, wobei mindestens eine der Elektrodeneinheiten mittels einer zweckmäßigen Betätigungseinrichtung in und außer Berührung mit der anderen Elektrodeneinheit verlagerbar ist, so daß ein elektrischer Stromfluß ermöglicht oder unterbrochen wird, und mit einer an mindestens einer Elektrodeneinheit angebrachten Erregerspule, bestehend aus mehreren Erregerspuleneinheiten, die dicht nebeneinander in einer praktisch parallel zur Oberfläche der Hauptelektrode liegenden Ebene angeordnet und am einen Ende mit dem leitenden Stab verbunden und am anderen Ende mit der Hauptelektrode parallelgeschaltet sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Erregerspule mehrere erste Arme, die parallel zur Oberfläche der Hauptelektrode und radial zum stromführenden Stab "verlaufend mit letzterem verbunden sind und sich unter einem Winkel erstrecken, mehrere mit der Hauptelektrode verbundene zweite Arme, die dicht an den jeweiligen ersten Armen angeordnet sind und sich unter Überlappung durch diese parallel zu ihnen erstrecken, sowie mehrere kreisbogenförmige Abschnitte aufweist, die unter materialeinheitlicher Verbindung bogenförmig vom Vorderende des ersten Armes zum Vorderende des zweiten Armes bis dicht an den nächsten ersten Arm. heran verlaufen, wobei sich die magnetomotorischen Kräfte, welche durch die ersten und zweiten Arme durchfließende elektrische Zweigströme erzeugt werden, praktisch gegenseitig aufheben und durch die die jeweiligen Bogenabschnitte durchfließenden elektrischen Zweigströme in einer senkrecht zur Oberfläche der Hauptelektrode verlaufenden Ebene liegende Magnetfelder erzeugt werden.

Die durch die einzelnen Erregerspulen erzeugten Magnetfelder wirken auf die Oberfläche der Hauptelektrode als ein Magnetfeld ein, welches die gesamte Oberfläche der Hauptelektrode umfaßt. Die jeweiligen Magnetfelder verhindern nicht nur einen Austritt

409883/0440

bzw. ein Entweichen des Lichtbogens durch Einschluß eines Plasmas zwecks Aufrechterhaltung des zwischen den Hauptelektroden auftretenden Lichtbogens, vielmehr veranlassen sie auch die im Plasma vorhandenen Elektronen, sich zu einer Anode zu verlagern, wobei eine Möglichkeit dafür besteht, daß neutrale Atome durch die Elektronen ionisiert werden, wodurch die Plasmabildung begünstigt wird. Infolgedessen wird der Lichtbogen stabilisiert und gleichmäßig über die Oberfläche der Hauptelektrode verteilt. Erfindungsgemäß wird somit ein Vakuum-Unterbrecher oder -Schutzschalter mit hoher Unterbrechungsleistung erzielt, bei dem keine Überhitzung oder thermische Verschweißung infolge der Konzentration des Lichtbogens auf die Umfangsflache der Hauptelektrode oder in der Nähe dieser Umfangsflache auftritt.

Durch Vergrößerung oder Verkleinerung der Zahl der Erregerspuleneinheiten kann die Stärke des über die Gesamtfläche der Erregerspulenanordnung hinweg erzeugten Magnetfelds entsprechend erhöht oder vemngert werden. Wenn das über die Elektrodenoberfläche erzeugte Magnetfeld so eingestellt wird, daß sein Wert nahezu auf dem für die Stromunterbrechung zweckmäßigsten Wert liegt, kann ein Vakuum-Unterbrecher mit hoher Unterbrechungsleistung gewährleistet werden, ohne daß die Vorrichtung zu groß wird. Hierbei ist das Magnetfeld der Erregerspule praktisch gleich einem- Magnetfeld, das dadurch erzeugt wird, daß ein durch jede Erregerspuleneinheit fließender elektrischer Zweigstrom durch eine imaginäre Spule mit einer Windung hindurcngeleitet wird, die durch Verbindung der betreffenden Bogenabschnitte erhalten wird.

Wenn am Vorderende der Hauptelektrode ein Kontakt angebracht ist, der einen vergleichsweise hohen Dampfdruck besitzt und der schwierig verschweißbar ist, wird der Lichtbogen auf dem Kontakt in der Nähe eines Nullpunkts des Lichtbogenstroms kon-

409883/0440

zentriert, und der Lichtbogen kann unter dem Einfluß eines Magnetfelds praktisch gleichmäßig über die Kontaktfläche verteilt werden.

Wenn in der Hauptelektrode mehrere Schlitze vorgesehen sind, die nicht-geradlinig von einer Stelle nahe dem Zentrum, der Hauptelektrode ausgehen und die sich an ihrem Außenumfang öffnen, verlagert sich der Lichtbogen längs dieser Schlitze in Auswärtsrichtung, wobei ein an der Hauptelektrode durch das Magnetfeld der Erregerspule erzeugter Streustrom verringert

Ii

wird. Infolgedessen kann der Lichtbogen weiter stabilisiert und infolge des Vorhandenseins des Eontakts sowie unter dem Einfluß des Magnetfelds gleichmäßiger verteilt werden.

Wenn ein durch die Erregerspule erzeugtes Magnetfeld vergleichsweise schwach auf den Mittelbereich des Kontakts einwirkt und der Lichtbogen in diesem Bereich lokalisiert ist, wird im Mittelbereich des Kontakts eine Durchgangsbohrung zur Verhinderung einer lokalen Konzentration des Lichtbogens vorgesehen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine im. Schnitt gehaltene Seitenansicht zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Vakuum-Unterbrechers oder -SchutzSchalters mit Merkmalen nach der Erfindung,

Pig. 2 eine, in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansicht einer beim erfindungsgemäßen Vakuum-Unterbrecher verwendeten Elektrodeneinheit,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Elektrodeneinheit,

409883/0440

Pig. 4 eine Aufsicht auf eine mit Kontakt versehene Hauptelektrode, in der mehrere Schlitze ausgebildet sind,

Pig. 5 eine Seitenansicht der Hauptelektrode gemäß Pig. 4,

Ig₀ 6 eine Aufsicht auf eine der Elektrode gemäß Pig. 4 ähnelnde Hauptelektrode, deren Kontakt mit einer Durchgangsbohrung versehen ist, und

Pig. 7 eine Seitenansicht der Hauptelektrode gemäß Pig. 6.

Pig. 1 ist eine der Erläuterung dienende Darstellung, welche schematisch den Aufbau eines Yakuum-Unterbrechers bzw. -SchutzschaIters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Ein Vakuumgehäuse der Vorrichtung weist einen durch Endkappen 14 und 16 verschlossenen, zylindrischen Isolierkörper 12 auf. "Das G-ehäuse 10 enthält zwei einander ähnelnde Elektrodeneinheiten 18, 20, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Diese Elektrodeneinheiten 18 und 20 sind jeweils an den Enden von stromführenden Stäben 22 bzw. 24 montiert. Der Stab 24 und mithin die Elektrodeneinheit sind durch eine nicht dargestellte Betätigungseinheit hin- und hergehend aufwärts und abwärts bewegbar. Der Yakuum-Unterbrecher wird dabei durch die Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung des stromführenden Stabs 24 geschlossen bzw. geöffnet. Zur Ermöglichung der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des stromführenden Stabs 24 unter luftdichter Abdichtung ist ein Balgen 26 vorgesehen. Die Elektrodeneinheiten 18 und 20 sind von einer Abschirmung 28 umschlossen.

Die Elektrodeneinheit 18 weist eine Hauptelektrode 30 und eine Erregerspule 34 auf, während die Elektrodeneinheit 20 eine Hauptelektrode 32 und eine Erregerspule 36 aufweist. Wenn die Elektrodeneinheiten 18 und 20 in Kontakt miteinander stehen,

409883/0440

ist der Vakuum-Unterbrecher geschlossen, "bzw. durchgeschaltet, so daß ein elektrischer Hauptstrom den stromführenden Stab 22, die Elektrodeneinheit 18, die Elektrodeneinheit 20 sowie den stromführenden Stab 24 durchfließen kann. Um den Hauptstromfluß zu unterbrechen, wird der eine stromführende Stab und die zugeordnete, an ihm. montierte Elektrodeneinheit vom anderen Stab nebst seiner zugeordneten Elektrodeneinheit wegbewegt, so daß die Hauptelektroden 30 und 32 voneinander entfernt sind. Der Hauptstrom durchfließt dabei die Erregerspulen 34 und. 36 und erzeugt in ihnen ein Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche der Hauptelektroden 30 und 32.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht der am stromführenden Stab 22 angebrachten Elektrodeneinheit 18. Die Elektrodeneinheit 20 ist identisch aufgebaut, so daß im folgenden nur die.Elektrodeneinheit 18 näher erläutert zu werden braucht.

IPig. 3 veranschaulicht die Erregerspule 34 und die Hauptelektrode 30. der Elektrodeneinheit 18. Dabei ist zur Erleichterung des Verständnisses der Zwischenraum, zwischen der Erregerspule 34 und der Hauptelektrode übertrieben groß dargestellt.

Gemäß Pig. 2 weist die Elektrodeneinheit 18 die Erregerspule 34 und die Hauptelektrode 30 auf, wobei an der Hauptelektrode 30 ein Kontakt 38 vorgesehen ist, der aber auch weggelassen werden kann, wenn dies die Stromunterbrechungserfordernisse zulassen. Die Erregerspule 34 weist einen ersten und einen zweiten Spulenleiter 40 bzw. 42 sowie ein Zwischenglied 44 und einen zwischen den beiden Spulenleitern 40 und 42 angeordneten Verbindungsleiter 46 auf, welcher die beiden Spulenleiter 40 und 42 auf Abstand voneinander miteinander verbindet..

Wenn der stromführende Stab 22 vom elektrischen Hauptstrom

40988 3/0440

durchflossen wird, fließt dieser Strom vom Stab 22 über den ersten Spulenleiter 40, den Verbindungsleiter 46 und den zweiten Spulenleiter 42 zur Hauptelektrode 30 und sodann unmittelbar oder über einen Lichtbogen zur anderen Hauptelektrode 32. Wenn der elektrische Hauptstrom die Erregerspule 34 durchfließt, wird infolge der magnetomotorischen Kraft des elektrischen Stroms ein senkrecht zur Oberfläche der Hauptelektrode 30 liegendes Magnetfeld erzeugt. Das zwischen den beiden Spulenleitern 40 und 42 angeordnete Zwischenglied 44 dient dazu, diese beiden Spulenleiter in ihrem Zentrum in elektrisch voneinander getrenntem, aber mechanisch miteinander verbundenem Zustand zu halten.

Bei der in Pig. 3 dargestellten Erregerspule 34 weist der erste Spulenleiter 40 einen ersten zentralen Leiter 48 auf, der auf den stromführenden Stab 22 aufgesetzt ist und von dem vier auf gleiche Winkelabstände verteilte Arme 50 mit jeweils gleicher Länge radial in einer senkrecht zum Stab 22 liegenden Ebene abgehen, wobei vom Vorderende jedes dieser Arme ein kreisbogenförmiger Abschnitt 54 in Richtung auf das Vorderende des benachbarten Arms abgeht, derart, daß dieser Abschnitt einen Kreisbogen beschreibt und zwischen seinem freien Ende sowie dem Vorderende des benachbarten Arms einen zweckmäßigen Luftspalt festlegt. Die ersten Bogenabschnitte 54 erstrecken sich jeweils vom Vorderende des zugeordneten Arms in die gleiche Richtung. Gemäß Pig. 3 verlaufen die Bogenabschnitte 54, von oben gesehen, im Uhrzeigersinn. Der zweite Spulenleiter 42 ist in seinem Zentrum mit einem zweiten zentralen Leiter 56 versehen, der über das Zwischenglied 44 mit dem ersten zentralen Leiter 48 verbunden ist. Das Zwischenglied 44 besteht üblicherweise aus einem Metall hoher Festigkeit, z.B. aus rostfreiem Stahl. Das Zwischenglied 44 kann aber auch aus einem steifen Isoliermaterial bestehen. Vom zweiten zentralen Leiter 56 gehen vier weitere Arme 58 ab, die von den ersten

409883/0440

Armen 50 mit Abstand von diesen überlappt v/erden und deren Länge derjenigen der ersten Arme 50 entspricht. Von den Vorderenden der zweiten Arme 58 erstrecken sich zweite Bogenabschnitte 62 jeweils - von der Oberseite der Pig. 3 her gesehen - entgegen dem. Uhrzeigersinn unter Überlappung durch die ersten Bogenabschnitte 54 mit Abstand von diesen parallel zu ihnen, wobei jeweils zwischen dem freien Ende des Bogenabschnitts und dem Vorderende des zugeordneten zweiten Arms ein zweckmäßiger luftspalt 60 festgelegt wird. Die ersten und zweiten Bogenabschnitte 54 bzw. 62 sowie der Verbindungsleiter 46 zwischen ihnen sind materialeinheitlich miteinander verbunden, so daß sie leitfähig sind.

Die Hauptelektrode 30, an deren Ende gewünschtenfalls ein Kontakt 38 befestigt sein kann, ist am. zweiten Spulenleiter 42 angebracht.

Im folgenden sei nunmehr der Fall betrachtet, in welchem ein elektrischer Stromfluß durch Verlagerung der Hauptelektrodeneinheit 20 von der Hauptelektrodeneinheit 18 hinweg unterbrochen wird.

Wenn die Hauptelektrodeneinheit 20 mittels einer nicht dargestellten Betätigungseinrichtung von der Hauptelektrodeneinheit 18 weg verlagert wird, entsteht zwischen den Hauptelektroden 30 und 32 ein Lichtbogen. Der Lichtbogenstromfluß vom stromführenden Stab 22 zum. stromführenden Stab 24 ist nachfolgend anhand von Fig. 3 erläutert. Der Lichtbogenstrom fließt vom Stab 22 in den ersten zentralen Leiter 48, von wo aus er, wie durch den Pfeil A angedeutet, durch die vier ersten Arme fließt, d.h. in vier Richtungen verzweigt wird. Der Zweigstrom fließt dabei auf die durch die Pfeile A, B, C, D und E angedeutete Weise durch eine Erregerspuleneinheit 64 mit einer Windung, welche aus dem ersten Arm 50, dem ersten Bogenabschnitt 54,

409883/0440

dem Verbindungsleiter 46, dem zweiten Bogenabschnitt 62 und dem zweiten Arm 58 besteht, worauf der Strom an zweiten zentralen Leiter 56 ankommt und von der Hauptelektrode 30 über einen Lichtbogen zur anderen Elektrodeneinheit 20 überspringt. Jeder vom Zweigstrom durchflossene elektrische Strompfad besteht üblicherweise aus einem. Material niedrigen Widerstands, beispielsweise aus Kupfer oder einer Zupferlegierung. Im Gegensatz dazu besteht das Zwischenglied 44 aus einem Material mit hohem Widerstand. Infolgedessen fließt nur ein kleiner Stromanteil über das Zwischenglied 44, während der größte Teil des Stroms über die Erregerspuleneinheit 64 fließt.

In einer neben der Spuleneinheit 64 angeordneten Erregerspuleneinheit 66 fließt der Zweigstrom in die durch die Pfeile ϊ¹, G-, H, I und J angedeutete Richtung, wobei ein Magnetfeld in derselben Richtung wie dasjenige der Erregerspuleneinheit 64 erzeugt wird.

Alle Spuleneinheiten der Erregerspule 34 erzeugen somit ein senkrecht zur Oberfläche der Hauptelektrode 30 verlaufendes Magnetfeld. Da jede Erregerspuleneinheit erste und zweite, sich gegenseitig überlappende Arme 50 bzw. 58 aufweist, heben sich die an den ersten und zweiten Armen erzeugten magnetomotorischen Kräfte praktisch auf, während die an den vier leitfähigen Bogenabsehnitten, die jeweils aus den Bogenabschnitten 54 und 62 sowie dem Verbindungsleiter 46 bestehen, erzeugten magnetomotorischen Kräfte zur Erzeugung des genannten Magnetfelds beitragen. Das Magnetfeld der Erregerspule 34 entspricht praktisch einem Magnetfeld, das dann erzeugt wird, wenn ein durch jede Erregerspuleneinheit fließender Zweigstrom durch eine imaginäre Spule mit einer einzigen Windung hindurchgelei-feb wird, welche durch Zusammenschalten der jeweiligen Bogenabschnitte erhalten wird.

409883/0440

Je eine Erregerspule 34 ist sowohl an der Elektrodeneinheit 18 als auch an der Elektrodeneinheit 20 vorgesehen. Falls jedoch ein schwaches Magnetfeld zulässig ist, wird die Erregerspule nur an einer der "beiden Elektrodeneinheiten 18 oder 20 vorgesehen.

Gemäß Pig. 3 besteht die Erregerspule 34 aus vier Erregerspuleneinheiten 64 und 66. Wenn die Erregerspuleneinheiten in Zahlen von 2, 3, 6 ... η vorgesehen sind, erreicht der durch jede Spuleneinheit- fließende Zweigstrom 1/2, 1/3, 1/6 .... 1/n des Lichtbogenstroms, während das induzierte Magnetfeld eine Intensität entsprechend 4/2, 4/3, 4/6 ... 4/n im Vergleich zur Intensität des bei der Anordnung gemäß Fig. 3 erzeugten Magnetfelds erreicht. Die Querschnittsfläche der einzelnen Erregerspuleneinheiten 64 und 66 wird in Abhängigkeit von der Größe des Zweigstroms entsprechend gewählt. Die Stärke des Magnetfelds kann durch Ausbildung der Erregerspule 34 auf vorstehend genannte Weise variiert werden.

Gemäß den 3?ig. 4 und 5 ist die Hauptelektrode 30 von spiralig verlaufenden Schlitzen durchsetzt. Wenn an der Hauptelektrode ein Kontakt 38 vorgesehen ist, sind diese spiraligen Schlitze so eingestochen, daß sie sich gemäß Pig. 4 durch die Hauptelektrode 30 und den Kontakt 38 hindurch erstrecken. Der spiralige Schlitz läßt den Lichtbogen sich über seine Länge verlagern, und er begrenzt einen an der Hauptelektrode 30 durch das Magnetfeld der Erregerspule erzeugten Wirbel- bzw. Streustrom, so daß ein zweckmäßiges axiales Magnetfeld induziert wird, durch das der Lichtbogen praktisch gleichmäßig über die Fläche der Hauptelektrode 30 hinweg verteilt wird, wodurch eine lokale Überhitzung oder eine Yerschweißung der Hauptelektrode verhindert wird. Ein Versuch hat gezeigt, daß der Lichtbogen bei der Auseinanderbewegung der Hauptelektroden 30 und 32 innerhalb einiger Millisekunden über die Gesamtfläche' der Hauptelektrode 30 verteilt wird.

409883/0440

Der Kontakt 38 wird "beispielsweise aus einer ternären Legierung aus Cu, Te und Se hergestellt, die im Vergleich zur Hauptelektrode 30 einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck besitzt und schwer verschweißbar ist. Der Kontakt 38 gewährleistet, daß der lichtbogen an seiner Fläche an einer Stelle nahe des Nullpunkts des Lichtbogenstroms entsteht, wobei der Lichtbogen unter dem Einfluß des durch die Erregerspule 34 erzeugten Magnetfelds gleichmäßig über die Oberfläche des Kontakts 38 verteilt wird. Auf diese Weise wird der Lichtbogen stabilisiert, während die Oberfläche der Hauptelektrode 30 keine lokale Beschädigung erfährt.

Wenn, gemäß den Fig. 6 und 7 im Zentrum des Kontakts 38 eine Durchgangsbohrung 70 vorgesehen wird, kann eine lokale Überhitzung oder eine Verschweißung der Hauptelektrode 30 in ihrem Mittelbereich verhindert werden. Da der Kontakt 38 aus einem leicht entzündbaren Material besteht und in seinem Zentrum mit der Durchgangsbohrung versehen, ist, wird eine Konzentration des Lichtbogens im Mittelbereich des Kontakts 38 verhindert, wo das Magnetfeld der Erregerspule 34 schwach ist.

Eine noch bessere Wirkung wird erzielt, wenn die gesamte Hauptelektrode 30 aus dem für den Kontakt 38 verwendeten Material besteht. Das Material für den Kontakt 38 ist jedoch üblicherweise hart und spröde und schwierig maschinell zu bearbeiten, und der Kontakt 38 ist Einschränkungen bezüglich seiner Größe und Form unterworfen. Aus diesem Grund wird vorzugsweise einKontakt 38 der zweckmäßigen Größe an der Stirnseite der Hauptelektrode 30 befestigt. Falls es Größe und Form der Hauptelektrode 30 zulassen, kann diese aber auch aus dem gleichen Werkstoff wie der Kontakt 38 hergestellt werden.

Wie erwähnt, ist beim erfindungsgemäßen Vakuum-Unterbrecher eine kleine, starke Erregerspule 34 aus mehreren Erregerspulen-

409883/0440

- 15 -

einheiten 64, 66 hinter mindestens zwei Hauptelektroden 30 und 32 angeordnet, wobei ein Magnetfeld zweckmäßiger Größe senkrecht zur Oberfläche der Hauptelektroden 30 und 32 erzeugt wird, ohne daß dadurch der Vakuum-Unterbrecher schwer und groß wird. Das Magnetfeld verhindert nicht nur ein Entweichen des den Lichtbogen bildenden Plasmas aus dem Bereich zwischen den Hauptelektroden 30 und 32, wenn diese auseinanderbewegt werden, vielmehr begünstigt es auch die Plasmabildung und die Stabilisierung des Lichtbogens, so daß der Lichtbogen gleichmäßig über die Oberfläche der Hauptelektroden 30 und 32 verteilt wird. Die Oberfläche der Hauptelektrode ist somit vor einer lokalen Überhitzung oder Verschweißung infolge einer ungleichförmigen Verteilung des Lichtbogens oder eines übermäßig stark lokal konzentrierten Lichtbogens geschützt, wodurch das Unterbrechungsvermögen des Vakuum-Unterbrechers verbessert wird, Die gleichmäßige Verteilung sowie die Stabilisierung des Lichtbogens wird weiterhin durch die Anbringung des Kontakts 38 an der Oberfläche der Hauptelektroden 30 und 32, durch die Anordnung der spiraligen Schlitze senkrecht zur Oberfläche der Hauptelektroden 30 und 32 sowie durch die Anordnung der Durchgangsbohrung 70 im Zentrum des Kontakts 38 begünstigt. Durch das Zusammenwirken dieser Maßnahmen wird ein Vakuum-Unterbrecher mit hoher Unterbrechungsleistung gewährleistet.

409883/0440

Claims (5)

Patentansprüche

1.; Vakuum-Unterbrecher oder -Schutzschalter mit einem Vakuum-—-·'' gehäuse, zwei unter luftdichter Atidichtung aus dem Vakuumgehäuse herausgeführten, stromführenden Stäben, die zum Hindurchleiten eines elektrischen Stroms an einen äußeren elektrischen Strompfad angeschlossen sind, zwei jeweils am Vorderende des betreffenden stromführenden Stabs angebrachten Elektrodeneinheiten, deren Elektrodenflächen einander gegenüberliegend angeordnet sind, und die jeweils eine Hauptelektrode zum Hindurchleiten eines elektrischen Hauptstroms aufweisen, wobei mindestens eine der Blektrodeneinheiten mittels einer zweckmäßigen Betätigungseinrichtung in und außer Berührung mit der anderen Slektrodeneinheit verlagerbar ist, so daß ein elektrischer Stromfluß ermöglicht oder unterbrochen wird, und mit einer an mindestens einer Elektrodeneinheit angebrachten Erregerspule, bestehend aus mehreren Erregerspuleneinheiten, die dicht nebeneinander in einer praktisch parallel zur Oberfläche der Hauptelektrode liegenden Ebene angeordnet und am einen Ende mit dem. leitenden Stab verbunden und am anderen Ende mit der Hauptelektrode parallelgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (64, 66) mehrere erste Arme (50), die parallel zur Oberfläche der Hauptelektrode (30, 32) und radial zum stromführenden Stab (22, 24) verlaufend mit letzterem verbunden sind und sich unter einem Winkel erstrecken, mehrere mit der Hauptelektrode (30, 32) verbundene zweite Arme (58), die dicht an den jeweiligen ersten Armen (50) angeordnet sind und sich unter Überlappung durch diese parallel zu ihnen erstrecken, sowie mehrere kreisbogenförmige Abschnitte (54, 46, 62) aufweist, die unter materialeinheitlicher Verbindung bogenförmig vom Vorderende des ersten Arms (50) zum Vorderende des zweiten Arms (58) bis dicht an den nächsten ersten Arm (50) heran verlaufen,

409883/0440

wobei sich die magnetomotorischen Kräfte, welche durch die ersten und zweiten Arme (50 bzw. 58) durchfließende elektrische Zweigströme erzeugt werden, praktisch gegenseitig aufheben und durch die die jeweiligen Bogenabschnitte (54, 46, 62) durchfließenden elektrischen Zweigströme in einer senkrecht zur Oberfläche der Hauptelektrode (30, 32) verlaufenden Ebene liegende Magnetfelder erzeugt werden.

2. Vakuum-Unterbrecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Bogenabschnitte (54, 46, 62) durch mehrere erste Bogenabschnitte (54), die jeweils bogenförmig vom. Vorderende des ersten Arms (50) in der einen Richtung zum Vorderende des nächsten ersten Arms (50) verlaufen und dabei zwischen dem freien Ende des betreffenden ersten Bogenabschnitts (54) und dem Vorderende des nächsten Arms (50) einen Spalt (52) festlegen, mehrere zweite Bogenabschnitte, die jeweils bogenförmig entgegengesetzt zu den ersten Bogenabschnitten (54) vom Vorderende des zweiten Arms (58) zum Vorderende des benachbarten zweiten Arms (58) verlaufen und dabei zwischen dem. freien Ende des betreffenden Bogenabschnitts (62) und dem freien Ende des benachbarten zweiten Arms (58) einen Spalt(60) festlegen, und eine Anzahl von Verbindungsleitern (46) gebildet sind, die jeweils zwischen den ersten und den zweiten Bogenabschnitten (54 bzw, 62) angeordnet und mit diesen elektrisch verbunden sind, so daß sie einen Bogenabschnitt der Erregerspuleneinheit (64, 66) bilden.

3. Vakuum-Unterbrecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der End- oder Stirnfläche der Hauptelektrode (30, 32) ein Kontakt (38) angebracht ist.

4. Vakuum-Unterbrecher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektrode (30, 32) mehrere sie durch-

409883/0440

setzende Schlitze (68) aufweist, die nicht-linear von einer Seite nahe des Zentrums der Hauptelektrode (.30, 32) ausgehen und sich an deren Umfangsfläche öffnen.

5. Vakuum-Unterbrecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt (38) in seinem Zentrum mit einer Durchgangsbohrung (70) zur Verhinderung einer lokalisierten Konzentration des Lichtbogens versehen ist.

409883/0440

Leerseite