DE2524270A1

DE2524270A1 - Vakuumschalter

Info

Publication number: DE2524270A1
Application number: DE19752524270
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Amsler
Original assignee: Sprecher und Schuh AG
Current assignee: Rockwell Automation Switzerland GmbH
Priority date: 1974-06-13
Filing date: 1975-05-31
Publication date: 1976-01-02
Also published as: US4010338A; FR2275015B3; AT338369B; GB1496042A; ATA301575A; CH566070A5; JPS5110370A; FR2275015A1

Description

Sprecher & Schuh AG, Aarau (Schweiz)

Vakuumschalter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumschalter mit einem Gehäuse axial angeordneten Schaltstücken und fest eingebauten Blechelektroden_} zwischen deren axial ausgerichteten Blechen Spalte freigelassen sind und deren einander zugekehrten Elektrodenstirnflächen der Aufnahme von Lichtbogenfusspunkten dienen.

Solche aus Blechen bestehende Lichtbogenelektro-■den sind im Schweiz. Hauptpatent 528 548 und Zusatzpatent 5 31 7 8U behandelt und haben gegenüber üblichen an Schaltstücken angeordneten ringförmigen, z.3. geschlitzten Umlaufbahnen den Vorteil, dass zv7ischen zwei derselben der Schaltlichtbogen auch oberhalb von etwa 10 kA Abschaltstrom diffus brennt. Beim Ausschalten mit Lichtbogen, auch mit zerstreuten Lichtbogen, entstehen Metalldämpfe, die nach dem Löschen des Lichtbogens möglichst schnell aus der Schaltstrecke zu entfernen sind, um ein Durchschlagen der Schaltstrecke z.B. bei wiederkehrender Spannuni zu verhindern. Zur Wiederherstellung des elektrischen Zustandes wird in Vakuumschaltern der Metalldampf an Wandungen des Schaltelementes kondensiert, wobei für eine ausreichend rasche Kondensation dafür zu sorgen ist, dass die'Kondensationsflächen nahe an die Dampfaustrittsstellen zu liegen'kommen. So ist z.B. in

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der deutschen Auslegeschrift Hr. 1 207 989 ein Vakuumschalter für Wechselstrom bekannt, in welchem an einen festen und einen beweglichen Schaltstück je eine geschlitzte ringförmige Umlaufbahn als Lichtbogenelektrode und zwischen den Umlaufbahnen der Schaltstücke ein an beiden Stirnseiten geschlitzter Hing vorgesehen ist. Die Schaltstücke sind hierbei so ausgebildet, dass der Lichtbogen durch magnetische Wirkung nach aussen auf die Umlaufbahnen getrieben wird, wobei der Zwischenring sir.e Aufteilung des Lichtbogens in Teillichtbögsn bewirkt. Wegen des Verhältnismässig geringen Abstandas der Schaltstücke von den Umlaufbahnen und dem Zwischenring sowie des Zwischenringes von de: Umlaufbahnen cind hier für eine schnelle Kondensation der über die Schaltstrecke verteilten Metalldampfe günstige Voraussetzungen geschaffen. Bei Blechelektroden entsprechend den vorstehend genannten Schweiz. Patentschriften ist die Kondensation der Metalldämpfe besonders gut, aber selbst bei diesen Blechelektroder. können noch", geringe/!engen. Metalldampf zurück in die. Trennstre.ck gelangen, was u.U. eine Wiederzündung des Lichtbogens herbeiführen kann. Um dies zu verhindern, wird zusätzlich zu den Blechen in der Lichtbogenelektrode noch ein Kondensator zur Kondensation der Metalldämpfe vorgesehen, wie dies in der Schweiz.

Patentschrift Nr- . ·. :. (Annieldungsnummer. 12 61Ξ/73) beschrie

ben ist.- Bei einem derart aufgebauten Vakuum-Schaltelement mit einem vakuumdichten Gehäuse, einem festen Schaltstück am einen Gehäusedeckel und einem beweglichen Schaltstück am anderen Gehäusedeckel ist dann jedes Schaltstück beispielsweise von einer aus radial ausgerichteten Blechen bestehenden Lichtbogenelektroc umgeben, deren Bleche z.B. in einem am Gehäusedeckel befestigten als Elektrodenträger dienenden Rohrstück angeordnet sind und bsi welcher der Innenraum des Rohrstückes zwischen Gehäusececkel und Elektrodenbleche mit z.B. Metallschwämm oder Metallspäne als Kondensator ausgefüllt ist. Die strenge Einteilung in Schalt"-stücke und Lichtbogenelektroden ermöglicht es , beide entsprech-

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end ihrer Funktion optimal auszubilden und für ihre Herstellung Werkstoffe (Legierungen) verwenden zu können, durch die bei den" Kontaktstücken eine. Verschweissung weitgehendst verhindert und bei. den Lichtbogenelektroden eine rasche Löschung gewährleistet ist, was bekanntlich mit einem" Werkstoff nicht erreicht wird.

Bei einen Vakuum Schaltelement ist die schaltbare Stromstärke im wesentlichen durch die Ausbildung der Schaltstücke und die Spann.ungsfestigkeit durch deren Trenndistanz bestimmt. Hit zunehmender Trenndistanz nimmt die Spannungsfestigkeit (höhe der Ueberschlagssparmung) jedoch nicht proportional, sondern weniger schnell zu, so dass schon aus praktischen und betrieblichen Gründen die Spannungsfastigkeit eines Vakuum-Schaltelementes nicht beliebig hoch gemacht v/erden kann. Zum Schalten von Hochspannungen werden daher im allgemeinen gleiche Schaltelemente in Reihe geschaltet, wobei der Reihe Schaltelemente Steuerelemente (V/iderstande, Kondensatoren) parallelgeschaltet., werden ,. um die ,Einschwings.pannung . gleichmä.ssig^ auf die einzelnen Teilstrecken zu verteilen. Eine solche Hintereinafiderschaltung von Schaltelementen ist jedoch aufwendig und unwirtschaftlich teuer. Es wurden deshalb (z.B. Schweiz. Patent Nr. 409 056) in einem vakuurndichten Gehäuse mehrere Kontaktpaare · in Form einer-Säule angeordnet und für·die Betätigung der ■ beweglichen Kontakte.ein gemeinsamer Keramikschaft vorgesehen,, wobei zwischen den einzelnen Kontaktpaaren bildende Leitbleche vorgesehen wurden, die nur eine Oeffnung zur Durchführung des Keramikschaftes' aufwiesen, um den Durchgang von Metalldampf von einer Kammer in die andere zu verhindern. Hierzu sind verschiedene Ausführungsvarianten bekannt. So z.B. Hochspannungs-Vakuumschalter mit serienweise angeordneten Kontaktelementen, die in Schliessstellung des Schalters einen über alle Kontaktelemente führenden Leitungsweg und die Offenstellung des Schalters eine Reihe von Unterbrechungsräumen bilden, wobei (deutsche Offenle-

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gungsschrift Nr. 2 163 900) durch Anbringung von Abschirmniiteln an den Kontaktelementen die Unter^brechungsr^uue voneinander getrennt sind und die Ausdehnung von Feldlinien über mehr als einen Unterbrechungsraum verhindert ist. Nachteilig bei solchen oder ähnlichenHochspannungs-Vakuumschaltern ist, dass din die Lichtbogenfusspunkte aufnehmenden Elektroden auch als Kontaktstücke dienen und dar.it, entsprechend den vorstehenden Ausführungen nicht gleichzeitig eine gute Lichtbogenlöschung erzielt und Verschweissen der Kontaktstücke erschwert werden kann, weil die zur Verhinderung von Schweissen notwendigen Massr.ar.-en die Lichtbogenlöscheigenschaften verschlechtern. Es kann daher vorkommen, dass u.U. mehrere Kontakte verscnweissen, und aufgrüne dieser Möglichkeit müsste auf jeden Fall eine Verhältnisses ξ ig grosse Antriebsenergie vorgesehen v/erden, um die verschwaissrer. Kontakte trennen zu können. Dies bedingt insbesondere bei Schaltern für starke Ströme Kompromisslösungen, bei der.er. auch bei nicht op'ti.ma'len LSscneigenschaften durch verscrr.ve'iss te Kontakte' bedingte Betriebsstörungen nicht ausgeschlossen werden können, so dass der bei solchen Schaltern für den Antrieb gegebene Vorteil einer kurzen Trennstrecke wesentlich an Bedeutung verliert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Vakuumschalter für hohen Abschaltstrom und hohe Spannung zu schaffen, der oiihe' dxir Erfdrdernas eines Kompromisses 'sowohl "befriedigende ■· ··■ Löscheigenschaften mit rascher Wiederherstellung des dielektrischen Zustandes nach der Lichtbogenlöschung wie auch gute Trenneigenschaften mit wesentlich herabgesetzter Gefahr von Kontaktverschweissung aufweist.

Der erfindungsgemässe Vakuumschalter zeichner sich dadurch aus, dass in den Schaltergehäuse mehrere Blechelektroden in Form einer Säule mit einander gegenüberliegend^- Elektrodenstirnflächen angeordnet sind und die Blechelektrcden in dem Schaltergehäuse Kammern bilden, die durch in der. einzelnen Blechelektroden vorhandene Metallspanschichter. voneinander

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getrennt sind, wobei sich die Trennstrecke der Schaltstücke durc: die Kammern hindurch über die Höhe der Elektrodensäule erstreckt Mit diesen Massnahinen v/ird erreicht, dass die Schaltstücke für sich allein zum verschweissungsfreien Abschalten eines Abschaltstromes beliebig vorgegebener Stromstärke und ebenso die Blechelektroden für sich allein für das Erhalten diffuser Lichtbögen bei bekanntlich kleine;:; Abbrand, und rasches, zuverlässiges Löschen derselben ausgebildet werden können, wobei für jede vorgegebene Spannungshöhe Spannungsfestigkeit durch Vorsehen einer ausreichenden Anzahl Kammern in dem Schaltergehäuse erreicht wird und in j cd ei:: Falle durch die die Kammern voneinander trennenden Hetallspanschichten die rasche Wiederherstellung des dielektrischen Zustandes des Schalters nach der Lichtbogenlöschung sichergestellt ist. Die Vakuumschalter nach der Erfindung könne:; zudem in einfacher und robuster Bauweise hergestellt v/erden.

Einige Ausführungsbeispiele des erfindur.gsge-

inässen Vakuumschalters werden nachstehend anhand der Zeichnung "näher, beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt einen Vakuumschalter mit vier Blechelektroden und rohrförmigen Schaltstücken, Fig. · 2 einen Querschnitt des Vakuu:r,sehalters der Fig.. I_- .

längs der Linie II ... II,

die Fig. 3, U 5 Blechelektroden mit radialen Elektrodenblechen, die Fig. 6,7 8 Blechelektroden mit parallelen Elektrodenblechen,

Der in Fig. 1 irr· Längsschnitt und in Fig. 2 im

Querschnitt dargestellte Vakuumschalter weist ein vakuumdichtes Gehäuse 1 init einem zylindrischen Teil 2 aus elektrisch isolierendem Material und den beiden Metalldeckeln 3 und 4 auf. Der in der Zeichnung obere .'!etalldeckel 3 trägt auf seiner Aussenseite einen Ansatz b für den einen Schalteranschluss und auf seiner Innenseite ein festes Schaltstück 6 in Form eines kurzen Rohrabschnittes. Für die dem festen Schaltstück δ zugehörige Blechelektrode 7 ist auf der Innenseite des lietalldeckels 3 fer-

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•ner ein rohrförmiger Elektrodenträger 11 vorgesehen, der das Schaltstück 6 konzentrisch umgibt. Innerhalb des Elektrodenträgers 11 ist der Metalldecke! 3 mit einer Metallspanschicht 12 bedeckt, die einen Kondensator für Metalldampfe bildet. Die Metallspanschicht 12 besteht zweckmässig aus entgasten Kupferspänen und wird von den Elektrodenblechen 13 geheilten. Die Elektro denbleche 13 sind bei dem hier behandelten Ausführungsbeispiel radial angeordnete und zick-zackförnig gebogene Blechstreifen (Fig.2), die mit ihren äusseren Enden in den entsprechend geschlitzten Elektrodenträger 11 befestigt sind und deren innere Enden bis in das rohrförmige Schaltstück 6 hineinreichen, in dem sie ebenfalls in Schlitzen gehalten sind.

Der untere Metalldeckel 4 trägt auf seiner

Aussenseite einen rohrförmigen Ansatz als zweiten Schalteranschluss 14. Das bewegliche Schaltstück 15 ist in Form eines Rohres ausgebildet, das von dem Schalterantrieb in axialer Richtung zürn Schlicssen des Schalters bis in Kontakt nit dem -festen Schaltstück G vorgeschoben und zum Trennen vor. den festen Schalt stück 6 zurückgezogen wird. Das bewegliche Schaltstück 15 ist, wie üblich, mittels eines Metallbalgs 16 am Metalldeckel 4 gehalten. Auf der Inneseite des Metalldeckels ^ü ist eine Blechelektrode 10 angeordnet, die ebenso ausgebildet ist, wie die Bl-echelektrode 7 am oberen Metalldeckel 3. ·

■ Zwischen den beiden an den Deckeln 3 ,4 angebrachten Blechelektroden 7, 10 befinden sich in cam Schaltergehäuse 1 weitere Blechelektroden 8,9. Diese dazwischenliegenden Blechelektroden 8,9 sind ähnlich aufgebaut, wie die bereits beschriebenen Blechelektroden 7, 10 und bestehen je aus einen ringförmigen Elektrodenträger 11a mit gleichem Innen- und Aussen durchmesser, wie der Elektrodenträger 11 der an den Deckeln befindlichen Blechelektroden. Die ringförmigen Elektrodenträger 11a sind z.B. mittels Ringe 17 an dem zylindrischen Gehäuseteil 2 befestigt, und zwar so, dass alle Elcktrodenträger in Gehäuse

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voneinander im wesentlichen gleichen axialen Abstand haben und koaxial ausgerichtet sind. Die Ringe 17 bilden Trennwände zwischen den einzelnen Kammern. Jeder ringförmige Elektrodenträger llä enthält Elektrodenbleche 13a ir. gleicher Anordnung und Ausführung wie die Elektrodenbleche der Blechelektroden 7, 10 an den Deckeln 3,4 sowie in seiner mittleren Querschnittsebene eine Metallspanschicht 12a. Auf diese V.'eise ist das Schaltergehäuse durch die Blechelektrode 7...10 in Kannern 13 aufgeteilt, die. voneinander durch die lletallspanschichten 12, 12a getrennt sind. Die Llektrcdenbleche 13. 13a der Blechelektroden 7...10 sind miteinander fleuchtend ausgerichtet und das rohrförraige bewegliche Schaltstück 15 enthält Längsschlitze 19 (Fig.2), in denen beim Vorschieben und Zurückziehen des Schaltstückes die inneren Enden der Elektrodenbleche gleiten. Die die Zwischen-Blechelektroden 8,9 haltenden radialen Ringe 17 sind jeweils als Durchführung 17 a ausgebildet und zwischen die Schalteranschlüsse und die Durchführungen 17a sind, wie herkömmlich, die Steuerelemente 20 des Vakuumschalters geschaltet, so dass die Einschwingsspannung gleichmässig auf alle Blechelektroden verteilt ist.

Die Schaltstücke 6 und 15 können ohne Rücksicht

auf Löscheigenschaften aus einem s-chlecht; schweisser.den -Kontaktmaterial hergestellt und zum Schalten einer bestimmten Stromstärke dimensioniert werden. Als Material für die'Schaltstücke kann z.B., Kupfer mit geringen Mengen Wismut, Berylium, Blei oder Zinn verwendet werden.

Beim Trennen der Schaltstücke 6, 15 entsteht

zuerst in der ersten Kammer 18 am festen Schaltstück 6 ein ringförmiger Lichtbogen, der dann unter Wirkung des Eigenmagnetfeldes auf die Blechelektroden 7, 8 kommutiert, wobei die Kommutierung infolge der mit ihren inneren Enden in die rohrförmigen Schaltstücke hineinragenden Elektrodenbleche 13, 13a sehr rasch und sicher erfolgt. Die Elechelektroden 7....10 sind unabhängig von den Schaltstücken 6, 15 für schnelle und zuverlässige Licht-

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bogenlöschung ausgebildet. Die Bleche werden hierzu zweckmässig aus Eisen, Nickel, Chrom, Chrom-Nickel, Molybdän, Tantal oder Wolfram hergestellt. Beim weiteren Herauszielien des beweglichen Schaltstückes 15 wird der Lichtbogen dann in der zweiten Karr.~er zwischen den Blechelektroden 8 und 9 und schliesslich in'der dritten Kammer zwischen den Blechelektroden 9 und 10 gelöscht. V/egen der Metallspanschichten 12a können keine Metalldampfe von einer Kammer in die andere gelangen, so dass nach der Lichtbogenlöschung der dielektrische Zustand in der Kaniner sehr schnell wiederhergestellt wird und keine wechselseitige Beeinflussung der einzelnen Kammern auftritt. Mit den in Fig. 2 gezeigten zick-zack-förnig gebogenen Elektrodenblechen 13 wird erreicht, dass weggeschleuderte Metalltröpfchen an den schrägen Blechbereichen haften bleiben.

Für die Schaltstücke und Blechelektroden sind

verschiedene Ausführungsvarianten möglich. Die Fig. 3-7 zeigen hierzu weitere Ausführungsbeispiele, wobei jeweils eine Blechelektrode schematisch in Aufsicht dargestellt ist.

Bei der in Fig. 3 wiedergegebenen Ausführungs-

Variante sind wiederum rohrförnige Schaltstücke 6, 15 verwendet. Die Blechelektroden 7...10 enthalten bene, radiale Bleche 13b, die.nur bis in'die Nähe'der'Schaltstücke reichen.

• ■·. · ".·· ■ · . Fig. U zeigt eine Blechelektrode mit einer Wa- ·■ benartig ausgebildeten Blechanordnung₃ die aus ebenen radialen Blechen 13b und kreisförmig gebogenen, konzentrisch angeordneten Blechen 13c besteht, wobei die Bleche 13b, 13c kammartig ineinander gesteckt sind. Die Schaltstücke 6, 15 sind hier z.B. Rundstäbe.

In der Ausführung nach Fig. 5 enthalten die

Blechelektroden einmal abgewinkelte Elektrodenbleche 13d rät radial ausgerichteten Innen- und schräg dazu verlaufenden Aussenteilen und als Schaltstücke sind wiederum Rundstäbe verwendet.

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Eine Blechelektroden-Ausführung mit ebenen para

lelen Elektrodenblechen l'3e zeigt Fig. 6. Zur Sicherung des Abstandes zwischen den einzelnen Blechen können an diesen sich jeweils am Nachbarblech abstützende Eindrücke 21 vorgesehen sein.

Anstelle von Rundschaltstücken kennen in dem

Vakuumschalter auch Flachschaltstücke verwendet werden. Fig. 7 zeigt ein diesbezügliches Ausführungsbeispiel mit ebene parallel Bleche 13e entahlter.den Blechelektroden und Flachschaltstücken δ 15, deren Enden durch Längsschlitze 19 gebildete parallele Zunge 22 aufweisen, die zwischen Blechen liegen.

Wie Fig. 8 wiedergibt, können auch Blechelektro

den mit ebenen, parallelen Blecher, wabenartig ausgebildet sein. Solche Blechelektroden enthalten zusätzlich einen zweiten Satz paralleler Bleche 13f, die auf den Blechen 13e des ersten Satzes senkrecht stehen, wobei die Bleche der beiden SStze z.B. kammartig ineinander gesteckt sind. Solche wabenförir.ige Strukturen sind leicht herzustellen und in sich sehr stabil , so dass sie .leicht in den Elektrodenträger einzusetzen sind, wobei bei jeder Blechelektrode die Metallspanschicht zwischen zwei solchen wabenförmigen Blechstrukturen angeordnet v/erden kann.

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Claims

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Patentansprüche

Iy Vakuumschalter mit einen Gehäuse axial angeordneten Schaltstücken und fest eingebauten Blechelektroden, zv/ischen deren axial ausgerichteten Blechen Spalte freigelassen sind und deren einander zugekehrten Elektrodenstirnflächen der Aufnahme von Lichtbogenfusspunktcn dienen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schaltergehäuse (1) mehrere Blechelektroden (7...10) in Form einer Säule nit einander gegenüberliegenden Elektrodenstirnflächen angeordnet sind und die Blechelektroden (7...10) in deia Schaltergehäuse (1) Kanir.ern (13) bilden, die durch in den einzelnen Blechelektroden vorhandene Metallspar.-schichten (12, 12a) voneinander getrennt sind, v/obei sich die Trennstrecke der Schaltstücke (6,15) durch die Karrr.ern (18) hindurch über die Höhe der Elektrodensäule erstreckt.
2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass in den Blechelektroden (7...10) die Elektrodenbleche (13, 13a, 13b, 13d) radial zur Achse der Schaltstücke (6,15) angeordnet sind.
3. Vakuumschalter nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, dass die · Blechelektroden -(7 . : . 10 ) radiale Elek-' trodenbleche (13b) und kreisförmige, zur Achse der Schaltstücke (6.15) konzentrische Elektrodenbleche (13c) enthalten, die zusammen in jeder Blechelektrode eine v?abenartige Struktur bilden.
4. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Blechelektroden (7...10) die Elektrodenbleche (13e, 13 g) parallel zu einander angeordnet sind.
5. Vakuumschalter nach Anspruch U , dadurch gekennzeichnet, dass die Blechelektroden (7.,.1G) parallele Elektrodenbleche (13e) und diese schneidende und ebenfalls zu einander parallele Elektrodenbleche (13f) enthalten, die zusannen

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in jeder Blechelektrode eine wabenartige Struktur bilden.
6. Vakuumschalter nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstücke (6,15) aus Rundstäben bestehen.
7. Vakuumschalter nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstücke (6,15) Rohre sind.
8. Vakuumschalter nach den Ansprüchen 2 und 7

oder aer. Ansprüchen 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Schaltstücke (6,15) achsparallele Schlitze (19) aufweisen, durch die die Elektrodenbleche (13, 13a) der Blechelektroden (7... 3 0) in die rohrförmigen Schaltstücke (6,15) hineinragen .
9. Vakuumschalter nach den Ansprüchen 4 und 5

dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstücke (6,15) flachsehalt· stücke sind, wobei das bev.*egliche Schaltstück (15) zwischen Elektrodenblechen (13e) der in Trennstrecke liegenden Blechelektroden (8,9,10) zurückziehbar ist.
10. Vakuumschalter nach den Ansprüchen 1-9, da-.

durch gekennzeichnet, dass die erste und die letzte Blechelektrode (7,10) der¹ Elektrodens'iule je an einen Metalldeckel (3,4) des Schaltergehäuses (1) und die dazwischenliegenden Blechelektroden (8,9) an einen die Metal]deckel (3,4) tragenden elektrisch isolierenden Gehäuseircantelteil (2) befestigt sind, wobei die erste Blechelektrode (7) der ElektroSensciule das feste Schaltstück''(6) enthält und das bewegliche Schaltstück (15) von der ersten bis in die letzte Elechelektrode (10) der Elektrodensäule zurückziehbar ist.

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