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Vakuum-Ausschalter mit Kontakten, die ein axiales Magnetfeld erzeugen
Die Erfindung betrifft einen Uakuum-Ausschalter, insbesondere mit Kontakten, die
so ausgebildet sind, dass beim Vorhandensein eines Lichtbogens ein axiales Magnetfeld
erzeugt wird.
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Der übliche Vakuum-Ausschalter besitzt einen Mantel aus einem geeigneten
Isoliermaterial, beispielsweise Glas, Keramik oder dergleichen. Dieser Mantel umschließt
eine Vakuumkammer, in der zwei voneinander trennbare Kontakte oder Elektroden angeordnet
sind. Bei geschlossenem Schalter ist zwischen dessen Kontakten eine direkte elektrische
Verbindung und daher ein durch den Ausschalter fuhrender, ununterbrochener Leitweg
vorhanden. In der Offenstellung des Schalters sind die Kontakte im Abstand voneinander
angeordnet, so dass sich eine Lichtbogenstrecke zwischen ihnen ausbildet. Im Betrieb
wird der Stromkreis unterbrochen, indem die relativ beweglichen Kontakte voneinander
getrennt werden. Dabei tritt
tritt zwischen ihnen ein Lichtbogen
auf, der die Lichtbogenstrecke überbrückt und bewirkt, dass ein Teil des metallischen
Kontaktwerkstoffes verdampft. Diese Teilchen werden ionisiert und tragen zur Aufrechterhaltung
des Lichtbogens bei, durch den ein Strom fließt, bis der Lichtbogen gewöhnlich bei
einem Nullstromdurchgang des Wechselstroms gelöscht und dadurch der Stromfluß unterbrochen
wird. Nach dem Nullstromdurchgang beginnt ein Aufbau von Wiederkehrspannungen zwischen
den auseinandergehenden Kontakten. Wenn die Lichtbogenstrekke eine so hohe dielektrische
Durchschlagsfestigkeit hat, dass sie den Wiederkehrspannungen gewachsen ist, findet
kein Durchschlag statt, so dass der Lichtbogen auch nicht erneut gezündet wird,
sondern der Stromkreis vollständig unterbrochen bleibt. Die Kontaktfläche ist dem
Lichtbogen während einer Zeitspanne ausgesetzt, die mit der Trennung der Kontakte
beginnt und mit dem Löschen des Lichtbogens, etwa beim Nullstromdurchgang,endet.
Unter der Einwirkung des Lichtbogens werden die Kontakte sehr stark erhitzt. Die
Lichtbogenenergie bewirkt eine Schmelzerosion und allgemein eine Schädigung der
Kontaktoberfläche. Um die Schädigung der Kontaktflächen zu verringern, kann man
die Tatsache ausnutzen, dass ein mit dem Lichtbogenstrom gleichphasiges, axiales
Magnetfeld die Lichtbogenspannung und damit auch den beim Ausschalten in dem Vakuum-Ausschalter
auftretenden Leistungsverlust herabsetzt. Es ist bekannt, dass durch die Erzeugung
von mit dem Lichtbogenstrom phasengleichen, axialen Magnetfeldern die Ausschaltleistung
von Vakuum-Ausschaltern erhöht werden kann. Bisher sind diese Magnetfelder durch
Spulen erzeugt worden, die in dem Kontaktträger angeordnet waren, oder durch aussen
angeordnete Feldspulen. In beiden Fällen fließt durch diese Spulen auch bei geschlossenen
Kontakten ein Strom, so dass die Spulen infolge der durch sie hervorgerufenen Wirbeletröme
einen ständigen Energieverlust verursachen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Kontakts,
der beim Vorhandensein eines Lichtbogens ein mit dem Lichtbogenstrom gleichphasiges,
axiales Magnetfeld erzeugt. Insbesondere 8011 ein Vekuum-Ausschalter mit zwei Kontakten
geschaffen werden, die ein axiales Magnetfeld auslösten, wenn beim Ausschalten ein
Lichtbogen vorhanden ist
ist, und die bei geschlossenen Kontakten
des Vakuum-Auaschalters kein axiales Magnetfeld erzeugen.
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Diese Aufgabe ist für einen Vakuum-Ausschalter erfindungsgemaß gelöst
durch einen hochevakuierten, rohrfdrmigen Isoliermantel, durch einen in dem Isoliermantel
angeordneten, ersten Kontakt und durch einen in dem Isoliermantel angeordneten,
zweiten Kontakt, der relativ zu dem ersten Kontakt zwischen einer Schließstellung,
in der er an dem ersten Kontakt angreift, und einer Offenstellung bewegbar ist,
in der er von dem ersten Kontakt getrennt ist und mit ihm eine Lichtbogenstrecke
begrenzt, die beim Ausschalten durch einen Lichtbogen überbrückt werden kann, wobei
der erste Kontakt so ausgebildet ist, dass der durch ihn fließende Strom beim Vorhandensein
eines Lichtbogens eine magnetische Kraft erzeugt, die trachtet, einen beim Ausschalten
gebildeten Lichtbogen in der ringförmigen Lichtbogenstrecke in einer vorherbestimmten
Umfangsrichtung zu bewegen, und wobei der zweite Kontakt so ausgebildet ist, dass
der durch ihn fließende Strom beim Vorhandensein eines Lichtbogens eine magnetische
Kraft erzeugt, die trachtet, einen während des Ausschaltens vorhandenen Lichtbogen
in einer Umfangsrichtung zu bewegen, die der Richtung entgegengesetzt ist, in welcher
die magnetische Kraft, die von dem durch den ersten Kontakt fließenden Strom erzeugt
wird, den Lichtbogen zu bewegen trachtet.
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Der Vakuum-Ausschalter besitzt zweckmäßig zwei relativ zueinander
bewegliche Kontakte4 wobei der erste Kontakt so ausgebildet ist, dass der durch
ihn fließende Strom eine magnetische Kraft erzeugt, die einen während des Ausschaltens
vorhandenen Lichtbogen in der Umfangarichtung um die Kontaktfläche herum zu bewegen
trachtet, und wobei der zweite Kontakt so ausgebildet ist, dass der durch den Kontakt
fließende Strom eine magnetische Kraft erzeugt, die einen während des Ausschaltens
vorhandenen Lichtbogen in einer Umfangsrichtung zu bewegen trachtet, die der Richtung
entgegengesetzt ist, in welcher der durch den ersten Kontakt fließende Strom den
Lichtbogen zu bewegen trachtet. Der erste Kontakt ist daher derart ausgebildet,
dass der durch ihn fließende Strom beim Vorhandensein eines Lichtbogens ein Magnetfeld
erzeugt, das eine radiale
radiale Komponente und eine axiale Komponente
besitzt, und der zweite Kontakt ist eo ausgebildet, dass der durch ihn fließende
Strom beim Vorhandensein eines Lichtbogens ein Magnetfeld erzeugt, das eine rediale
Komponente hat, die der radialen Komponente des von dem Stromfluß durch ersten Kontakt
erzeugten Magnetfeldes entgegenwirkt, und eine axiale Komponente, welche die Wirkung
der axialen Komponente des von dem Stromfluß durch den ersten Kontakt erzeugten
Magnetfeldes unterstützt. Diese Kontakte können in der Mitte entweder einen erhöhten
Kontaktteil oder eine Vertiefung haben. Die Lichtbogenanschlußflächen der Kontakte
können spiralförmig sein, d.h., dass sie sich in einer radialen Richtung und einer
Umfangsrichtung erstrecken. In diesem Fall erstrecken sich die Spiralen einander
gegenüberliegender Kontakte in einander entgegengesetzten Umfangsrichtungen. In
dieser Ausführungsform der Erfindung wird beim Vorhandensein eines Lichtbogens ein
mit dieeem gleichphasiges, axiales Magnetfeld erzeugt, während der in der normalen
Schließstellung fließende Strom kein axiales Magnetfeld erzeugen.
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Die Kontakte der Vakuum-Ausschalter gemäß der Erfindung können so
ausgebildet sein, dass ein Teil des beim Vorhandensein eines Lichtbogens durch einen
Kontakt fließenden Strome relativ zu dem Lichtbogen in einer gegebenen Umfangerichtung
fließt, und der beim Vorhandensein eines Lichtbogens durch den zweiten Kontakt fließende
Strom in derselben Umfangsrichtung fließt wie der durch den ersten Kontakt fließende
Strom, so dass ein axiales Magnetfeld erzeugt wird, das die Lichtbogenstrecke überbrückt.
Die Kontakte können napffdrmig sein, wobei in den Seitenwänden Schlitze ausgebildet
sind, die in den einander gegenüberliegenden Kontakten in einander entgegengesetzten
Richtungen geneigt sind, so dass beim Vorhandensein eines Lichtbogens ein axiales
Magnetfeld erzeugt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt Fig. 1 im Schnitt einen Vakuum-Ausschalter
; Fia. 2
Fig. 2 in einer isometrischen Darstellung zwei Kontakte
mit Spiralflächen; Fig. 3 in einer Seitenansicht zwei napfförmige Kontakte; Fig.
4 in einer Draufsicht einen Kontakt, der Spiralflächen besitzt und zusammen mit
einem ebenso ausgebildeten Gegenkontakt verwendet werden kann; Fig. 5 einen Schnitt
längs der Linie V-V in Fig. 4; Fig. 6 in einem Vertikallängsschnitteinen dem Kontakt
gemäß der Fig. 5 ähnlichen Kontakt, der jedoch in der Mitte einen erhöhten Kontaktteil
besitzt; Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der Herabsetzung der Lichtbogenspannung
in einem Vakuum-Ausschalter, der mit erfindungsgemäß ausgebildeten Kontakten versehen
ist.
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Der in Fig. 1 gezeigte Vakuum-Ausschalter 10 besitzt einen hochevakuierten,
rohrförmigen Isoliermantel 12 aus Glas oder Keramik und zwei metallische Endkappen
14 und 16, welche den Isoliermantel 12 an beiden Enden abschließen. Zwischen den
Endkappen 14 und 16 einerseits und dem Isoliermantel 12 andererseits sind Dichtungsmittel
vorgesehen, damit das Innere des Isoliermantels 12 vakuumdicht abgeschlossen ist.
Unter normalen Bedingungen herrscht im Innern des Isoliermantels 12 ein Druck 4
von weniger als lo Torr, damit gewährleistet ist, dass die mittlere freie Weglänge
für Elektronen nicht grösser ist als die mögliche Durchschlagstrecke im Innern des
Isoliermantels 12. Im Innern des Isoliermantels 12 sind zwei relativ zueinander
bewegliche Elektroden oder Kontakte 18 und 20 angeordnet. Bei einer Trennung der
Kontakte 18 und 20 voneinander ist zwischen ihnen eine Lichtbogenstrecke 30 vorhanden.
Der untere Kontakt 18 ist ortsfest und an einer leitenden Stange 32 auf geeignete
eignete
Weise befestigt, beispielsweise durch Schweißen oder Hartlöten. Der obere Kontakt
20 ist beweglich und mit einer leitenden Oetätigungsstange 34 verbunden, die zweckmäßig
so gelagert ist, dass sie längs der Längsachse des Isoliermantels 12 bewegbar ist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel durchsetzt die Betätigungsstange 34 eine
Öffnung 36 in der Endkappe 16. An der Betätigungsstange 34 und der Endkappe 16 sind
die entgegengesetzten Enden eines Metallbalges 38 dicht befestigt. Der biegsame
Metallbalg 38 bewirkt eine Abdichtung der Betätigungsstange 34, so dass diese bewegbar
ist, ohne dass das Vakuum in dem Isoliermantel 12 beeinträchtigt wird.
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Mit dem Ende der Betätigungsstange 34 ist eine geeignete, nicht gezeigte
Betätigungseinrichtung verbunden, die dazu dient, den beweglichen Kontakt 20 bis
zur Anlage an dem ortsfesten Kontakt 18 zu bewegen und dadurch den Ausschalter 10
zu schließen. Zum Ausschalten kann die Betätigungseinrichtung den beweglichen Kontakt
20 auch wieder in seine Offenstellung zurückstellen.
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Wenn sich beim Ausschalten die Kontakte 18 und 20 voneinander trennen,
kann in der Lichtbogenstrecke 30 zwischen den Kontakten ein Ljchtbogen 54 auftreten.
Der zwischen den Kontakten 18 und 20 vorhandene Lichtbogen 54 verdampft etwas Kontaktmaterial.
Diese Metalldämpfe und Metallteilchen werden von der Lichtbogenstrecke 30 weg zu
dem Isoliermantel 12 hin dispergiert. Die isolierende Innenwandung des Isoliermantels
12 ist vor einer Kondensation der von dem Lichtbogen erzeugten Metalldä.mpfe und
metallteilchen durch eine rohrförmige Abschirmung 40 aus Metall geschützt. Gemäß
Fig. 1 wird die Abschirmung 40 von dem Isoliermantel 12 getragen und ist die Abschirmung
40 von beiden Endkappen 14 und 15 elektrisch isoliert. Man kann die Abschirmung
40 gegebenenfalls aber auch so anordnen, dass sie von einer der Endkappen 14 und
16 getragen wird bzw. elektrisch mit ihr verbunden ist. Die Abschirmung 40 bewirkt,
dass von dem Lichtbogen erzeugte metalldämpfe und Metallteilchen aufgefangen bzw.
kondensiert werden, bevor sie den Isoliermantel 12 erreichen können. Um die Möglichkeit,
dass Metalldämpfe oder Metallteilchen an der Abschirmung 40 vorbei den Isoliermantel
12 erreichen, weiter herabzusetzen
herabzusetzen, sind auch Abschirmkappen
42 und 44 vorgesehen, welche die Enden der Hauptabschirmung 40 umgeben. An der Betätigungsetange
34 ist eine napfförmige Abschirmung 43 angebracht, die den biegsamen Metallbalg
38 teilweise umgibt, damit dieser nicht mit von dem Lichtbogen erzeugten Metalldämpfen
oder Metallteilchen bombardiert werden kann.
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Beim Ausschalten wird der bewegliche Kontakt 20 von dem ortsfesten
Kontakt 18 getrennt und treten Lichtbögen auf, welche die Lichtbogenstrecke 30 überbrücken.
Diese Lichtbogen bewirken, dass ein Teil des Materials der Kontakte 18 und 20 verdampft.
Die dadurch gebildeten Metalldämpfe und Metallteilchen können den Strom leiten,
bis der Stromfluß unterbrochen wird.
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Die in Fig. 1 gezeigten Kontakte 18 und 20 sind allgemein napfförmig
und besitzen je einen Mantel 19 und einen einspringenden Randteil 21 und sind in
der Mitte offen. Der einspringende Randteil 21 bildet eine ringförmige Kontaktfläche.
In den Mänteln 19 der Kontakte 18 und 20 sind schräge Schlitze 23 ausgebildet. Die
Kontakte 18 und 20 liegen einander in dem Ausschalter 10 so gegenüber, dass die
Schlitze 18 und 20 in einander entgegengesetzten Umfangsrichtungen geneigt sind,
zum Unterschied von einigen bekannten napfförmigen Kontakten, in denen die Schlitze
in beiden Kontakten in derselben Richtung geneigt sind, damit ein starkes Magnetfeld
erzeugt wird, das bewirkt, dass der Lichtbogen in der Umfangsrichtung schnell um
die ringförmige Kontaktfläche herumwandert. In dem in Fig. 1 gezeigten Vakuum-Ausschalter
10 trachtet die von dem Kontakt 20 erzeugte magnetische Kraft, den beim Ausschalten
vorhandenen Lichtbogen in einer Umfangsrichtung zu bewegen, die der Umfangsrichtung
entgegengesetzt ist, in der die von dem Kontakt 18 erzugute magnetische Kraft wirkt.
Wenn die Schlitze in entgegengesetzten Richtungen geneigt sind, wie dies in Fig.
1 gezeigt ist, ergibt sich ein Magnetfeld mit einer starken axialen Komponente.
Dadurch erhält man einen Ausschalter 10, der bessere Funktionseigenschaften als
ein Ausschalter mit der bekannten Kontaktausbildung hat.
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Fiq. 2
Fig. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung auf
spiralförmige Kontakte 48 und 50. Diese sind in einem Vakuum-Ausschalter 10 derart
angeordnet, dass sich die Spiralen 49 in einander entgegengesetzten Umfangsrichtungen
erstrecken. Die Kontakte 48 und 50 mit sich in einander entgegengesetzten Richtungen
erstreckenden Spiralen 49 erzeugen bei einem Stromfluß ein axiales Magnetfeld, wenn
zwischen den Kontakten 48 und 50 ein Lichtbogen vorhanden ist; jedoch erzeugen sie
bei einem Nullstrom kein Magnetfeld. Das axiale Magnetfeld bewirkt, dass die Lichtbogenspannung
herabgesetzt, die Bildung von Anodenflecken verzögert und der Lichtbogen von der
Hauptabschirmung 40 ferngehalten wird.
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In der Mitte der Elektroden oder in den Elektrodenträgern kann man
Metalleinsätze vorsehen, welche das axiale Magnetfeld konzentrieren.
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In Fig. 7 sind in einem Kurvenbild verschiedene Lichtbogenspitzenspannungen
für verschiedene Lichtbogenströme dargestellt. Die Kurve 54 stellt den Verlauf der
Lichtbogenspannung bei Kontakten mit spiralförmigen Flächen dar, die sich in derselben
Richtung erstrecken, wie dies bekannt ist. Die Kurve 56 stellt den Verlauf der Lichtbogenspannung
bei Kontakten gemäß Fig. 2 dar, deren spiralförmige Flächen sich in einander entgegengesetzten
Umfangsrichtungen erstrecken. Bei Kontakten gemäß Fig. 2 betrug bei hohen Lichtbogenströmen
die Lichtbogenspannung nur etwa 50% der Lichtbogenspannung bei den bekannten Kontakten
mit spiralförmigen Flächen, die sich in derselben Umfangsrichtung erstrekken. Das
erzeugte axiale Magnetfeld ist bei einer hohen Lichtbogenstromstärke vorteilhaft,
weil es das Lichtbogenplasma in dem Bereich zwischen den Elektroden, allgemein in
der Lichtbogenstrecke 30, hält. Dadurch wird die Lichtbogenspannung und damit auch
der Energieverbrauch in dem Vakuum-Ausschalter 10 herabgesetzt. Das axiale Magnetfeld
setzt ferner den Schwellenstrom für die Bildung eines Anodenflecks herab, der zu
einem hohen Dampfdruck und starkem Abschmelzen mit schneller Kontaktverformung führt.
Das Vorhandensein eines axialen Magnetfeldes im Bereich des Lichtbogens setzt ferner
die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines Lichtbogens herab, der an die Metallabschirmung
40 anschließt. Die in Fig. 2 gezeigte Kontaktausbildung führt zu einem axialen Magnetfeld,
wenn die Kontakte auseinandergehen und ein Lichtbogen zwischen ihnen vorhanden
vorhanden
ist. Dagegen sind kein Lichtbogen und kein axiales Magnetfeld vorhanden, wenn diese
Kontakte im normalen Betriebszustand geschlossen sind. Die Kontakte können in der
Mitte entweder gemäß Fig.6 eine Erhöhung 58 oder gemäß Fig. 5 eine Vertiefung 60
haben.
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Fig. 3 zeigt zwei erfindungsgemäß ausgebildete Kontakte 62, 64. Diese
sind allgemein napfförmig und in ihren Mänteln mit Schlitzen 66 ausgebildet. Die
Schlitze 66 des Kontakts 62 und die Schlitze 66 des Kontakts 64 sind in einander
entgegengesetzten Umfangsrichtungen geneigt, so dass ein starkes axiales Magnetfeld
erzeugt wird, wie dies erwünscht ist.
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Man kann axiale Nagnettelder auch mit Hilfe von Abschirmspulen erzeugen,
die durch einen Strom vom Lichtbogen erregt werden. Dies ist vorteilhaft,weil beim
Vorhandensein eines Lichtbogens die Abschirmspulen durch die Elektroden kurzgeschlossen
werden. Man kann die Erfindung auch auf axiale Magnetfelder anwenden, die von den
Abschirmspulen erzeugt werden.
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Zum Erzeugen eines axialen Magnetfeldes während des Ausschaltens kann
man auch verschiedene Ausbildungsmerkmale der Kontake kombinieren. Ferner kann man
die Feldkonzentration im Bereich zwischen den Elektroden erhöhen, in dem man in
der Nähe der Elektrodenflächen und innerhalb des Elektrodenträgers ferromagnetisches
material anordnet. Beispielsweise könnte man die Feldstärke dadurch erhöhen, dass
man in den Elektrodenträgern Stahleinsätze vorsieht, wie dies in einigen bekannten
Ausschaltern bekannt ist. Gewöhnlich verwendet man zum Erzeugen des Magnetfeldes
zwei Elektroden, doch kann man auch eine einzige Wendelelektrode mit einer Abschirmspule
kombinieren.
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Patentansorüche