DE2557174C2

DE2557174C2 - Vakuumschalter

Info

Publication number: DE2557174C2
Application number: DE2557174A
Authority: DE
Inventors: Joseph G. Murrysville Pa. Gorman; Richard L. Wilkinsburg Pa. Hundstad; Roy E. New Alexandria Pa. Voshall; Paul O. Montour Falls N.Y. Wayland
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-01-10
Filing date: 1975-12-18
Publication date: 1985-03-28
Also published as: US4149050A; CH600535A5; DE2557174A1; GB1528777A; JPS59161233U; JPS5195280A

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit einem hochevakuierten rohrförmigen, einen Isoliermantel aufweisenden Gehäuse und einem koaxial innerhalb des jsoliermantels angeordneten Kontaktstückpaar, dessen Kontaktslücke relativ zueinander zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung axial verschiebbar sind und von denen wenigstens ein Kontaktstück eine flache runde Basis aufweist, von welcher aus sich unter Ausbildung eines kreiszylindrischen Innenraumes eine mit der Basis einstückige axial verlaufende Seitenwand erstreckt, in welche mit der Längsachse des Vakuumschalters einen Winkel bildende gerade verlaufende Schlitze eingeschnitten sind, wobei die dem Gegenkontakt zugewandte Stirnfläche der Seitenwand mit einer ringförmigen cinschnittsfreien Kontaktauflage versehen ist, welche eine zusammenhängende, ebene Konlaklfliiche bildet.

Im Vakuumschalter fließt der Strom normalerweise über zwei Kontaktstücke, die innerhalb eines hochevakuierten Gehäuses angeordnet sind. Diese Kontaktstükke können miteinander in Berührung gebracht auseinander gezogen werden, so daß sich zwischen den beiden Kontaktstücken ein Spalt ergibt, in dem sich beim Abschalten des Stromkreises ein Lichtbogen ausbildet. Der Strom fließt solange weiter, bis der Lichtbogen erlischt, was bei Wechselstrom normalerweise im Bereich des ersten Nulldurchganges für den Strom der Fall ist. Die s Oberfläche der Kontaktstücke muß in der Lage sein, den sich vom ersten Augenblick des Trennens der Kontaktstücke ausbildenden Lichtbogen bis zum Erlöschen zu halten. Unter der Einwirkung des Lichtbogens werden die Kontaktstücke lokal sehr stark erhitzt Die

ίο Lichtbogenenergie bewirkt eine Schmelzerosion und eine generelle Schädigung der Kontaktoberflächen. Um diese Schädigung der Kontaktoberfläche zu verringern, ist es üblich, den Lichtbogen auf der Kontaktoberfläche -/andern zu lassen. Ein solcher wandernder Lichtbogen verringert den Anteil der durch den Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe und Metallteile. Das Wandern des Lichtbogens wird durch selbstinduzierte magnetische Felder erzielt wie dies durch die US-PS 30 89 936 und die US-PS 34 17 216 beschrieben wird.

•μ Cf tet *»tts*K αΐηο LonnenfÄrmina Δ iicWilsiiina' pinpc

iV ■-·* »·»·■ «*ιλ^»· Wt(I¹W nu(/pviuvi iiitgv » ι«^!·ν»..(, <*■*!·■»

KontaktstOckes durch die DE-OS 23 21 753 bekannt das mit einem lippenfönmig nach innen weisenden Rand versehen ist Dieser Kontakt ist mit durch die Seitenwände und den lippenförmigen Rand verlaufenden schrägen Schlitzen versehen. Es wurde festgestellt daß derartig ausgebildete Kontaktstücke Schwierigkeiten bereiten, wenn sie neu eingesetzt werden, und diese Schwierigkeiten nur durch eine verhältnismäßig lange Einbrennzeit bzw. Einlaufzeit überwunden werden kön-

nen.

Ein Vakuumschalter der eingangs erwähnten Art ist durch die DE-OS 17 65 263 bekannt Aus dieses mit einem Hüllkörper aus Kupfer überzogene Kontaktstück ist scharfkantig und bedarf daher einer Einbrennzeit.

Es ist jedoch wünschenswert derartige Vakuumschalter mit der Fähigkeit zu versehen, verhältnismäßig hohe Ströme auch im Neuzustand abschalten und großen Spannungen widerstehen zu könne?, ohne daß sie eine Einlaufzeit bzw. eine Alterungszeit durchlaufen müssen.

Auf dieses Ziei ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gerichtet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an dem dem Gegenkontakt zugewandten Ende der Seitenwand ein sich nach innen erstreckender ebenfalls von den Schlitzen durchsetzter lippenförmiger Randteil ausgebildet ist und sich die Kontaktauflage von der äußeren Umfangslinie der Seitenwand über den gesamten lippenförmigen Randteil hinweg nach innen erstreckt und im Bereich des Innendurchmessers des lippenförmi-

so gen Randteils dessen axiale Länge überdeckend nach innen vorwölbt, wobei die dem kreiszylindrischen Innenraum zugewandte Oberfläche des Ringwulstes gerundet ist. Durch die Maßnahmen der Erfindung wird in vorteil hafter Weise die Notwendigkeit des Einbrennens bzw. Alterns von fabrikneuen Vakuumschaltern vermieden, wobei gleichzeitig die Vakuumschalter in,der Lage sind, einen sehr großen Strom zu unterbrechen. Bekannte Vakuumschalter mit kappenförmigen Kontaktstücken wurden bisher üblicherweise für mittlere Ströme in der Größenordnung von etwa 25 kA und weniger sowie Spannungen in der Größenordnung von etwa 15 kV und weniger verwendet. Mit den Vakuumschaltern gemäß der Erfindung ist es möglich, Ströme bis zu 50 KA und Spannungen bis zu 38 kV zu verarbeiten, wobei der Vakuumschalter nach wie vor verhältnismäßig klein bleibt. Durch die Ausgestaltung des Vakuumschalters wird infolge des fließenden Stromes ein Magnetfeld erzeugt

mit einer Feldstärke, die in einer solchen Weise auf den Lichtbogen einwirkt, daß dieser im Kreis wandert Durch die ringförmige zusammenhängende Kontaktauflage aus e.inem geeigneten Material mit besonderen elektrischen Eigenschaften erreicht man, daß der Lichtbogen zwischen den ebenen ringförmigen Kontaktflächen bleibt und nicht über Schlitze in der Kontaktfläche springen muß. Dadurch wird vermieden, daß der Lichtbogen an einer scharfen Kante oder einer Ecke hängen bleibt und an dieser Stelle unerwünschte Änodenansatzpunkte entstehen läßt. Da die Dicke der ringförmigen Kontaktauflage verhältnismäßig klein im Vergleich zur Dicke des lippenföraiigen Randteiles ist, wird der Stromfluß in den verschiedenen Segmenten des lippenförmigen Randteils und in der geschlitzten Seitenwand nicht wesentlich durch die Kontaktauflage beeinflußt Indem dk Kontaktauflage dünn gehalten wird, werden die gewünschten magnetischen Kräfte zum Auslösen des Wanderns des Lichtbogens erzeugt, jedoch muß die Kontakuiuflage genügend dick sein, um der Erosion standzuhalten, die während der normalen Lebensdauer des Vakuumschalters auftreten kann.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das aus der Basis, der Seitenwand und dem sich nach innen erstreckenden lippenförmigen Randteil bestehende Kontaktstück aus Kupfer hergestellt ist und die die ebene Kontaktfläche bildende Kontaktauflage aus einer Chrom-Kupferlegierung besteht. Durch eine derartige Kontaktauflage werden besonders gute Eigenschaften für das Trennen von hohen Strömen geschaffen, wobei der Rest des Kontaktstükkes aus einem Material bestehen kann, das gute stromleitende Eigenschaften wie z. B. Kupfer hat

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 einen Vakuumschalter;

F i g. 2 ein'- Draufsicht auf ein Kontaktstück;

F i g. 3 eine Seitenansicht des Kontaktstückes gemäß Fig. 2;

F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV aer F i g. 2.

Der in F i g. 1 dargestellte Vakuumschalter 16 besteht aus einem hochevakuierten Gehäuse mit einem rohrförmigen Isolisrmante! J8 aus Glas oder Keramik und zwei Endkappen 20 und 22, mit denen der Isoliermantel 18 an den beiden Enden verschlossen ist. Zwischen den Endkappen 20 und 22 und dem Isoliermantel 18 sind Dichtungen 24 vorgesehen, urr« das Innere des Vakuumschalters vakuumdicht zu machen. Der Druck im Gehäuse beträgt im normalen Arbeitsbetrieb weniger als 10~⁴Torr um sicherzustellen, daß die mittlere freie Weglänge für Elektronen größer als die mögliche Durchschlagstrecka im Innern des Isoliermantels 18 ist. Innerhalb des Isoliermantels 18 sind zwei relativ zueinander verschiebbare Elektroden oder Kontaktstücke 26 und 28 angeordnet, die in Fig. 1 in offener Stellung dargestellt sind. Beim Trennen der Kontaktstücke 26 und 28 entsteht ein Spalt 30. in dem beim Trennen eines Stromkreises ein Lichtbogen entsieht. Das obere Kontaktstück 26 ist stationär an einem Elektrodenschaft 32 beispielsweise durch Schweißen oder Hartlöten befestigt. Das untere Kontaktstück 28 ist zusammen mit dem Elektrodenschaft 34 längs der Längsachse des Isoliermantels 18 verschiebbar. Dieser Elektrodenschaft 34 ragt durch eine öffnung 36 in der unteren Endkappe 22. Ein Metallbalg 38 ist einerseits an dem Elektrodenschaft 34 und andererseits an der öffnung 36 befestigt und bewirkt somit eine Abdichtung in diesem Bereich des Vakuumschalter Aufgrund der Flexibilität des Metal? balges 38 kann der Elektrodenschaft 34 verschoben werden, ohne daß dadurch das Vakuum im Innern des Gehäuses beeinträchtigt wird.

Mit dem Elektrodenschaft 34 ist ferner eine nicht dargestellte Betätigungseinrichtung verbunden, die dazu dient, das bewegliche Kontaktstück 28 zur Anlage an dem stationären Kontaktstück 26 zu bringen, um den

ίο Vakuumschalter 16 zu schließen. Die geschlossene Position ist in Fig. 1 mit einer gestrichelten Linie 29 angedeutet Mit Hilfe der Betätigungseinrichtung kann das Kontaktstück 28 wieder außer Eingriff mit dem Kontaktstück 26 gebracht werden, um den Schalter zu öff-

nen. ]■;■

Beim öffnen des Schalters, d. h. jjeim Trennen der Kontaktstücke 26 und 28 entsteht im;Spa!t 30. wenn der Schalter unter Last steht, ein Lichtbogen 54, durch dessen Einwirkung Kontaktmaterial verdampft, das in Form von Materialdämpfen und h^tallteilchen vom Lichtbogenspalt 30 weg in Richtung aut d-:n Isoliermantel 18 dispergiert Um den Isoliermantel 18 vor einer Kondensation der von dem Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe und Metallteilchen zu schützen, ist eine rohrförmige Abschirmung 40 aus Metall vorgesehen. Diese Abschirmung 40 bewirkt, daß von dem Lichtbogen erzeugte Metalldämpfe und Metallteilchen aufgefangen bzw. kondensiert werden, bevor sie den Isoliermanlei 18 erreichen können. Um zu verhindern, da3 Metalldämpfe bzw. Metallteilchen durch Umgehen der Abschirmung 40 trotzdem zum Isoliermantel 18 gelangen, sind Abschirmkappen 42 und 44 vorgesehen, die an gegenüberliegenden Enden der Metallabschirmung 40 über diese übergreifen. Die Geschwindigkeit, mit welcher die während der Lichtbogenbildung entstehenden Metalldämpfe beseitigt werden, bestimmt die Betriebsbedingungen im eingeschwungenen Zustand während der Lichtbogenbildung und ebenfalls die Erholungseigenscl>aften des Vakuumschalter 16. Wenn die Dämpfe nicht rasch beseitigt werden, können hohe Ausgleichsspannungen ein erneutes Zünden auslösen, was unerwünscht ist. Ein häufiger Ausfall von bekannten Vakuumschaltern besteht in der Tatsache, daß sich ein Lichtbogen zwischen der Metallabschirmung 40 und einem Kontaktstück ausbildet, womit die Metallabschirmung durchschmelzen kann.

In den F i g. 2,3 und 4 ist der Aufbau eines Metallstükkes 28 gemäß der Erfindung dargestellt. Dieses Metallstück 28 ist in seiner grundsätzlichen Formgebung kappenförmig ausgebildet und mit einem üppenförmigen nach innen weisenden Randteil 47 versehen. Dieser Randteil ist mit einer ringförmigen Kontaktaufluge 46 überzogsn. Die Kontaktfläche dieser Kontaktauflage liegt in einer Ebene, die senkrecht zu der Seitenwand 48 des kappenförmigen Kontaktstückes 28 verläuft. Der lippenförmige Randteil 47 ist in eine Vielzahl von Einzelflächen 50 unterteilt, in dem Schlitze 52 in den Randteil 47 und die Seitenwand 48 des Kontaktstückes 28 eingeschnitten sind. Diese Schlitze 52 verlaufen unter

so einem Winkel zur Oberfläche 50 und sind etwas in Umfangsrichtung geneigt ausgerichtet. Die Seitenwand 48 ist verhältnismäßig dünn ausgeführt verglichen mit der Dicke des Randteils 47, so daß die magnetischen Kräfte, welche durch den St-omfluß ausgelöst werden, von der

f>5 Kontaktauflage 46 nur unwesentlich beeinträchtigt werden. Auf diese Weise wird jeder Lichtbogen 54, der sich zwischen den Kontaktstücken 26 und 28 beim Öffnen des Schalters ausbildet, auf einer in Umfangsrichtung

radial nach innen verlaufenden Kurve in Richtung auf das Innere des Kontaktstückes verschoben. Dadurch entsteht eine Tendenz den Lichtbogen 54 in das Innere des Lichtbogenspaltes 30 zu verschieben, so daß ein Überschlag zur Metallabschirmung 40 vermieden wird. Der Winkel, unter welchem die Schlitze 52 in das kappenförmige Kontaktstück 28 eingeschnitten werden, sowie der Anteil, mit welchem der lippenförmige Randteil 47 und die Kontaklauflage 46 radial nach innen weisen, kann dazu benutzt werden, die Winkelgesch windigkeil und die radiale Position des Lichtbogens 54 zu bestimmen. Wenn die Schlitze 52 im Kontaktstück 26 entgegengesetzt zu dem im Kontaktstück 28 verlaufen, für den Fall, daß beide Koniaktstücke im Vakuumschalter gcgcncinanderschauend gemäß Fi g. 1 angeordnet sind, dann wird eine Tendenz geschaffen, den Lichtbogen in derselben Richtung zu verschieben.

ι ο

is lage sind beide Kontaktstücke in gleicher Weise versehen. Damit ereignet sich der Lichtbogen zwischen zwei weichen Oberflächen der Kontaktauflage 46. so daß die Wurzeln des Lichtbogens nicht über Unterbrechungen in der Oberfläche springen müssen. Ferner kann der Lichtbogen nicht an einer scharfen Kante oder einer Spitze hängenbleiben, wodurch die Erzeugung von unerwünschten Anodenansatzpunkten ausgelöst wird. Die Dicke dieser Kontaktauflage ist verhältnismäßig klein im Vergleich zur Dicke des lippenförmigen Randteils 47. so daß der über die verschiedenen Oberflächensegmente des lippenförmigen Randteils 47 und die Seitenwand 48 fließende Strom im wesentlichen unbeeinflußt von der Kontaktauflage ist, und damit auch die gewünschten magnetischen Kräfte nicht beeinträchtigt und die Lichibogenwanderung in der gewünschten Weise ausgelöst wird. Die Kontakte können in der Weise hergestellt

Die KomakiMÜC-kc 26 und 28 sind so angeordnet, daß werden, daß die Schütze zunächst durch die Obcrflä

die geschlitzten Oberflächen 50 jeweils gegeneinander gerichtet sind und aufgrund ihrer Konstruktion eine ungleich gewichtige Magnetfeldverteilung auslösen, wodurch eine starke magnetische Kraft entsteht, die den Lichtbogen in einer bestimmten vorgegebenen Richtungverschiebt.

Der Strom fließt im Kontaktstück 28 über die Seitenwand 48 und eines der Oberflächenteile 50 zur Kontaktauflage 46 und dann in den Lichtbogen 54. Beim Trennen eines Stromkreises, wenn sich der Lichtbogen 54 zwischen den Kontaktstücken 26 und 28 aufbaut, wird der Lichtbogen radial nach innen getrieben und dreht sich schnell längs der inneren Peripherie 58 der Kontaktauflage 46. bis er schließlich auslöscht, was bei Wechselstrom etwa beim ersten Nulldurchgang der Fall ist. Wegen der Schnitte in dem lippenförmigen Randteil 47 und der Seitenwand 48 erzeugt der fließende Strom magnetische Felder, die den Lichtbogen dazu bringen, längs der Basis der Kontaktauflage oder inneren Oberfläche der Kontaktauflage 46 zu wandern.

Die Vorteile einer solchen kappenförmigen Konstruktion für die Kontaktstücke mit einer kontinuierli- chen ringförmigen Kontaktauflage bzw. Kontaktfläche sind vielfach:

1. wird ein Schmelzen des Kontaktmaterials bei niederen oder mittleren Strömen vermieden, so daß die Ausbildung von Anodenansatzpunkten bis zum Fließen verhältnismäßig hoher Ströme vermieden wird.

2. der Lichtbogen wird radial nach innen verbogen, womit ein Überspringen zur Metallabschirmung 40 und ein Verbrennen derselben vermieden wird;

3. für gegebene Nennströme können kleinere Vakuumschalter als bei der Verwendung anderer Kontaktstücke gebaut werden;

4. eine Vergrößerung sowohl des Nennstromes als auch der Nennspannung bei vorhandenen Model-" len von Vakuumschaltern ist möglich, ohne daß besonders kostenintensive Umbauten und Abänderungen notwendig sind.

chen hindurch eingeschnitten werden. Anschließend werden die Schlitze auf der Oberfläche des lippenförmigen Randteils, von welcher die Lichtbogen ausgehen, durch Verhämmern wieder geschlossen. Die gesamte Oberfläche wird anschließend überschmol/en. möglicherweise in einem Vakuum, indem sie lokal stark erhitzt wird unter Verwendung einer Schweißeinrichtung, eines Elektronenstrahls oder auch eines mit hoher Leistung a; weitenden Laserstrahls. Als Ergebnis erhält man eine Kontaktfläche bzw. Kontaktauflage. die alle erwünschten Eigenschaften hat und in der in F i g. 4 dargestellten Weise aus einem Metallstück aufgebaut ist.

Durch die Maßnahmen der Erfindung werden in vorteilhafter Weise größere Ströme und größere Spannungen bei Vakuumschaltern gegebener Größe möglich und insbesondere ein erster Betrieb mit hohem Strom zulässig, ohne daß zuvor ein zeitraubender Konditionicrungs- bzw. Alterunesbetrieb erforderlich ist.

Die Kontaktauflagc 46 wird aus einem geeigneten Koniuktmalcrial hergestellt und entweder aufgeschweißt, aufgelötet bzw. aufgeschmolzen, jedoch sind auch andere Verfahren möglich, um die Kontaktauflage über dem lippenförmigen Randteil 47 des Kontaktstükkes anzubringen. Die Kontaktauflage 46 ist so ausgebildet, daß sie über die gesamte Oberfläche des lippenförmigen Randteils verläuft Mit einer solchen Kontaktauf-

60

65

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Vakuumschalter mit einem hochevakuierten rohrförmigen, einen isoliermantel aufweisenden Gehäuse und einem koaxial innerhalb des Isoliermantels angeordneten Kontaktstückpaar, dessen Kontaktstücke relativ zueinander zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung axial verschiebbar sind und von denen wenigstens ein Kontaktstück eine flache runde Basis aufweist von welcher aus sich unter Ausbildung eines kreiszylindrischen Innenraumes eine mit der Basis einstückige axial verlaufende Seitenwand erstreckt, in welche mit der Längsachse des Vakuumschalters einen Winkel bildende gerade verlaufende Schlitze eingeschnitten sind, wobei die dem Gegenkontakt zugewandte Stirnfläche der Seitenwand mit einer ringförmigen eiischnittsfreien Kontaktauflage versehen ist, welche eine zusammenhängende, ebene Ken· taktflächebildet, dadurch gekennzeichnet, daß an dem dem Gegenkontakt zugewandten Ende der Seitenwand (48) ein sich nach innen erstreckender ebenfalls von den Schlitzen (52) durchsetzter iippenförmiger Randteil (47) ausgebildet ist und sich die Kontaktauflage (46) von der äußeren Umfangslinie der Seitenwand (48) über den gesamten lippenförmigen Randteil (47) hinweg nach innen erstreckt und im Bereich des Innendurchmessers mit einem Ringwulst versehen ist, der sich entlang des Innendurchmessers des lippenförmigen Randteils (47) dessen axiale Länge überdeckeno nach innen vorwölbt, wobei die dem kreiszylindvischen Innenraum zugewandte Oberfläche des Ringwulstes gerundet ist.
2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Basis, der Seitenwand (48) und dem sich nach innen erstreckenden lippenförmigen Randteil (47) bestehende Kontaktstück (26,28) aus Kupfer hergestellt ist und die die ebene Kontaktfläche bildende Kontaktauflage (46) aus einer Chrom-Kupferlegierung besteht.