DE2600306A1

DE2600306A1 - Vakuumschalter mit zahlreichen parallel geschalteten kontaktstueckpaaren

Info

Publication number: DE2600306A1
Application number: DE19762600306
Authority: DE
Inventors: Donald Reah Kurtz; Joseph Carl Sofianek
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-02-03
Filing date: 1976-01-07
Publication date: 1976-08-05
Also published as: CA1066333A; US3969598A; JPS51101872A; ES444774A1; BR7600693A; FR2299714A1; GB1536880A

Description

Vakuumschalter mit zahlreichen parallel geschalteten Kontaktstückpaaren.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Vakuumschalter und insbesondere auf einen Vakuumschalter, der zahlreiche im \bstand angeordnete und trennbare Kontaktstückpaare aufweist, die elektrisch parallel geschaltet sind, um einen hohen Strom durch den geschlossenen Leistungsschalter zu führen.

Bei den meisten Leistungsschaltern ändert sich die erforderliche Kraft, um zwei Kontaktst'icke während des Führens eines hohen Stromes in Eingriff zu halten, direkt mit dem Quadrat des Stromes. Es wurde erkannt, dass diese Kraft herabgesetzt werden kann, indem zahlreiche Kontaktstückpaare elektrisch parallel geschaltet werden, um den gesamten durch den Schalter fliessenden Strom aufzuteilen. Aber diese Lösung beinhaltet

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viele Probleme. Wenn beispielsweise das bewegbare Kontaktstück von jedem Paar auf dem üblichen langen, schlanken Kontaktstab angebracht ist und diese Kontaktstäbe Seite an Seite angeordnet sind, versuchen die bei einem Stromfluss zwischen den Kontaktstäben entwickelten Magnetkräfte die Stäbe zusammenzudrücken, wodurch es schwierig wird, die Stäbe richtig zu führen und zu betätigen. Ein anderes Problem bei parallel geschalteten Kontaktstiicken besteht darin, dass es bei Unterbrechungsvorgängen schwierig ist, die Lichtbogen an allen Kontaktstückpaaren gleichmässig zu entwickeln, um den gesamten Lichtbogenstrom durch den Unterbrecher aufzuteilen. Wenn nicht an allen Kontaktstückpaaren Lichtbogen entwickelt werden, führen das oder die lichtbogenführenden Paare übermässig hohe Ströme über ihre entsprechenden Lichtbogen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb im wesentlichen darin, einen Leistungsschalter mit zahlreichen parallelen Kontakstückpaaren zu schaffen, bei dem der gesamte Lichtbogenstrom während der Stromunterbrechung gleichmässig auf alle parallelen Kontaktstückpaare verteilt wird.

Ein Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung umfasst eine evakuierte Umhüllung und zahlreiche ^üaare trennbarer Kontaktstücke, die innerhalb der Umhüllung angeordnet sind und die jeweils ein bewegbares Kontaktstück aufweisen. Die bewegbaren Kontaktstücke sind auf entsprechende Weise auf zahlreichen langgestreckten Leiterstäben angebracht, die Seite an Seite angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind. Die Kontaktstäbe erstrecken sich zwischen dem Aussenraum und dem Innenraum der evakuierten Umhüllung und sind axial bewegbar, um eine Trennung der Kontaktstücke eines jeweiligen Paares zu bewirken. Die Kontaktstäbe sind auf entsprechende Weise von zahlreichen langgestreckten Röhren aus gut leitendem Metall umgeben, wobei jede Röhre von ihrem zugehörigen Kontakt- " stab radial beabstandet ist. Diese Röhren sind in einer festen Relation in Bezug auf die Umhüllung und Seite an Seite neben-

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einander angebracht, so dass die Röhren den Fluss steuernde Abschirmungen um die Kontaktstäbe herum bilden, in denen Wirbelströme induziert werden, um den in den Innenraum von jeder Röhre eindringenden Magnetfluss von jedem benachbarten Kontaktstab zu verkleinern. Die Kontaktstücke sind wenigstens bei geschlossenem Schalter aussenseitig von den Röhren angeordnet. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, um eine im wesentlichen gleichzeitige Kontakttrennbewegung der Kontaktstäbe herbeizuführen. Über jedem Kontaktstab ist eine Dichtung vorgesehen, um eine Axialbewegung der Kontaktstäbe zu gestatten, ohne dass das Vakuum innerhalb der Umhüllung beeinträchtigt wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht von einem Ausführungsbeispiel eines Vakuumschalters gemäss der Erfindung. Einige Teile des Schalters sind der einfachheithaiber weggelassen.

Figur 2 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 2-2 in Figur 1.

Figur 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Figur 1. Einige Teile sind in dieser Figur der einfachheithalber weggelassen.

In Figur 1 ist ein Vakuumschalter gemäss dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, der eine stark evakuierte Umhüllung 10 aufweist, die ein rohrförmiges Gehäuse 11 und zwei im Abstand angeordnete metallische Endkappen 12 und 13 aufweist, die an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses angeordnet und mit diesem durch übliche Dichtungen 14 abgedichtet sind. Das Gehäuse 11 umfasst zahlreiche rohrförmige Abschnitte 15 aus Isoliermaterial wie beispielsweise

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Glas und röhrenförmige Metallabschnitte 16, die die Isolierabschnitte 15 unter Bildung einer Abdichtung mechanisch miteinander verbinden.

Die untere Endkappe 13 enthält eine grosse mittig angeordnete Kreisöffnung 20. Mit dieser öffnung fluchtend und axial nach innen in die Umhüllung hineinführend ist ein Metallrohr 22 angeordnet, das in geeigneter Weise unter Bildung einer Abdichtung mit der Endkappe 13 verbunden ist. über das obere Ende des Rohres 22 erstreckt sich eine kreisförmige Querplatte 24, die abgedichtet mit dem Rohr 22 verbunden ist. Die Querplatte 24 enthält vier im Abstand angeordnete Öffnungen 25, die auf einem Kreisring um die Mitte der Platte 24 herum angeordnet sind.

Durch die Mittelöffnung 20 in der Endkappe 13 hindurch und mit den Öffnungen 25 in der Platte 24 fluchtend sind zahlreiche Röhren 26 aus gut leitendem Metall angeordnet, das beispielsweise Kupfer sein kann. Diese Röhren sind an ihren Innenenden mit der Platte 24 durch geeignete Lot- bzw. Schweissverbindungen verbunden, die eine vakuumdichte -Abdichtung zwischen jedem Rohr 26 und der Platte 24 bilden.

Der Leistungsschalter umfasst ferner zahlreiche Paare trennbarer Kontaktstücke, die elektrisch parallel geschaltet sind. In dem dargestellten \usfuhrungsbeispie1 sind vier derartige Kontaktstückpaare vorgesehen, die jeweils ein feststehendes Kontaktstück 32 und ein bewegbares Kontaktstück 34 aufweisen. Jedes bewegbare Kontaktstück 34 ist auf und in elektrischer Verbindung mit einem langgestreckten leitfähigen Kontaktstab 36 angebracht, der sich durch eine der Metallröhren 26 hindurch zwischen dem Inneren und dem Äusseren der Umhüllung erstreckt. Zur Bildung einer Dichtung zwischen jedem Kontaktstab 36 und der Umhüllung ist ein langgestreckter Faltenbalg 40 aus Metall vorgesehen, der innerhalb der Röhre 36 den Kontaktstab umgibt. Dieser Faltenbalg 40 ist an seinem oberen Ende mit dem Kontaktstab 36 und an seinem unteren Ende mit der

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Röhre 26 durch eine geeignete vakuumdichte Verbindung verbunden.

Um jeden Kontaktstab 36 für die Führung auf einer im wesentlichen gerad,—linigen Bewegung entlang seiner Längsachse zu unterstützen, ist eine rohrförmige Führung 42 vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material innerhalb jeder Röhre vorgesehen, die innerhalb des zugehörigen Faltenbalges 40 angeordnet ist. Das untere Ende dieser Führung 42 ist auf geeignete Weise am unteren Ende der zugehörigen Röhre 26 befestigt. Am oberen Ende von jeder Führung ist eine Laufbuchse 45 vorgesehen, die vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen (Teflon) besteht und an der Führung befestigt ist und den Kontaktstab 36 gleitend aufnimmt. Eine weitere Laufbuchse 47, die in der noch zu beschreibenden feststehenden Platte 50 gehaltert ist, umgibt den Kontaktstab 36 nahe seinem unteren Ende und sorgt für eine, zusätzliche Führung für eine im wesentlichen geradlinige Bewegung des Kontaktstabes.

Um die äusseren oder unteren Enden der Röhren 26 gegen eine Bewegung in Bezug zueinander abzustützen, ist zwischen ihnen eine dicke Platte 50 aus Isoliermaterial vorgesehen. Es werden Zapfen 51, die vom unteren Ende von jeder Röhre durch Öffnungen in der Platte 50 hindurchragen, verwendet, um die Platte am unteren Ende von jeder Röhre 26 festzuklemmen.

Um die bewegbaren Kontaktstäbe 36 miteinander zu koppeln, ist ein gemeinsamer Kreuzkopf 54 vorgesehen. Dieser Kreuzkopf ist durch eine Betätigungsstange 55 mit einem geeigneten Betätigungsmechanismus (nicht gezeigt) verbunden. Zwischen dem Kreuzkopf und jedem Kontaktstab befindet sich ein Schaltmechanismus 56 mit üblichem '\ufbau, wie er beispielsweise in der US-PS 3 180 960 beschrieben ist. Jeder Schaltmechanismus 56 umfasst einen rohrförmigen Käfig 57, der an dem Kreuzkopf befestigt ist und in dem ein Kolben 58 und eine Druckfeder zwischen dem Kolben und der unteren Käfigwand angeordnet ist. Der Käfig umfasst ferner eine nach innen verlaufende Schulter

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60 auf der oberen Seite des Kolbens. Eine Öffnung des Schalters wird dadurch herbeigeführt, dass der Kreuzkopf 54 und die Käfige 57 nach unten bewegt werden. Nach einer kurzen derartigen Abwärtsbewegung greift die Schulter 60 auf jedem Käfig an dem zugehörigen Kolben 58 an und dieser Käfig wird anschliessend über einen Öffnungshub nach unten bewegt. Während des SchliessVorganges wird jeder Käfig aus seiner vollständig geöffneten Position nach oben bewegt, wobei Antriebskraft auf seinen zugehörigen Kontaktstab über eine Feder 59 übertragen wird. Nachdem die Kontaktstücke 32,34 am Ende des Schliesshubes im Eingriff gekommen sind, bewegt sich der Käfig 57 noch ein weiteres kleines Stück nach oben. Die Schaltmechanismen 56 sind so eingestellt, dass sie während eines Öffnungsvorganges eine im wesentlichen gleichzeitige Abwärtsbewegung der Kontaktstäbe 36 erzeugen.

Zur Befestigung der feststehenden Kontaktstücke 32 der vier Kontaktpaare sind vier feststehende Stabelektroden 62 vorgesehen, und zwar jeweils eine für jedes feststehende Kontaktstück. Die vier Stabelektroden 62 haben Längsachsen, die im allgemeinen parallel zu der mittleren Längsachse 64 von der röhrenförmigen Umhüllung 11 verlaufen, und sie sind in einem Kreisring um die Achse 64 herum angeordnet.

Wie aus Figur 2 deutlich wird, sind die Stabelektroden radial von der Achse 64 beabstandet und ihre Längsachsen sind im Winkel von etwa 90 auf einem Bezugskreis 69 beabstandet, dessen Mitte mit der Achse 64 zusammenfällt. Die Stabelektroden 62 sind an ihren oberen Enden an einer querverlaufenden kreisförmigen Grundplatte 65 aus leitendem Metall befestigt. Die Grundplatte 65 wird von einem Metallrohr 67 gehalten, das durch eine Öffnung in der oberen Endkappe 12 hindurchführt. Die Verbindungen zwischen dem Rohr 67 und der Grundplatte 65 und zwischen dem Rohr 67 und der Endkappe 13 sind vakuuradich-. te Verbindungsstellen, die vorzugsweise durch Löten bzw. Schweissen hergestellt sind.

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Die Kontaktstücke 32 sind an den unteren oder entfernten Enden der Stabelektroden 62 durch leitende Balken bzw. Querstücke befestigt, die jeweils von der Längsachse ihrer zugehörigen Stabelektrode 62 radial nach innen in Richtung auf die Bezugsachse 64 verlaufen. Das Kontaktstück hat eine kurze Verlängerung 71 auf seiner oberen Stirnfläche, die auf geeignete Weise an der unteren Oberfläche des Querstückes 70 nahe seines radial inneren Endes angeschweisst bzw. angelötet ist. Aus den Figuren 1 und 2 wird deutlich, dass jedes feststehende Kontaktstück 32 zwischen der Längsachse der zugehörigen Stabelektrode 32 und der Bezugsachse 64 angeordnet ist. Die Bedeutung dieser Kontaktstückanordnung wird aus der folgenden Beschreibung noch deutlicher.

Die Stabelektroden 62 sollen als einsatz von Stabelektroden in einer verschachtelten bzw. sich überlappenden Stabelektrodenanordnung dienen, wie sie in der US-PS 3 679 474 beschrieben ist. Die Stabelektroden des anderen Satzes sind bei 72 gezeigt, wobei deren untere Enden an der querverlaufenden Leiterplatte 24 befestigt sind. Die Stabelektroden 72 haben Längsachsen, die im allgemeinen parallel zu der mittleren Bezugsachse 64 mit radialem Abstand dazu verlaufen und die im wesentlichen auf im gleichen Bezugskreis 69 angeordnet sind wie die Stabelektroden 62. Die Stabelektroden 72 sind mit den Stabelektroden 62 verschachtelt und in Umfangsrichtung mit im wesentlichen gleichen Abständen von benachbarten Stabelektroden 62 beabstandet.

Während einer Stromkreisunterbrechung treten Lichtbogenprodukte von Lichtbogen, die zwischen den Kontaktstücken 31,32 entwickelt werden, in die Räume zwischen den Stabelektroden und 72 ein, wodurch diese Räume oder Funkenstrecken elektrisch überschlagen und somit diffuse Lichtbogen zwischen den benachbarten Paaren von Stabelektroden 62 und 72 bilden. Diese diffusen Lichtbogen verlaufen im allgemeinen in Umfangsrichtung der Umhüllung und können relativ hohe Ströme ohne Bildung von Anodenpunkten führen, wie es in der vorgenannten US-PS 3 679 474 erläutert ist.

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Die Stabelektroden 72 des unteren Ringes sind vorzugsweise aus einem Eisenmaterial, das eine hohe Härte und Duktilität besitzt. Beispielsweise kann einer der Stähle verwendet werden, die in der US-PS 3 769 538 beschrieben sind. Jede Stabelektrode 62 aus dem anderen Satz weist eine äussere zylinderförmige Ummantelung 62a auf, die ebenfalls aus einem derartigen Stahl bestehen kann, aber ein Kern 62b innenseitig von der Ummantelung besteht aus einem stark leitenden Metall, vorzugsweise Kupfer, um zu ermöglichen, dass die Stabelektrode (über ihren einen kleinen Widerstand aufweisenden Kern) hohe kontinuierliche Ströme ohne Überhitzung führt. Ein derartiger Kern ist in den unteren Stabelektroden nicht erforderlich, da diese nur während eines Abschnittes der kurzen Lichtbogenperiode Strom führen.

Die gegenüberliegenden Anschlussklemmen des Leistungsschalters sind in Figur 1 schematisch bei 75 und 76 gezeigt. Der Anschluss 75 ist elektrisch mit der Röhre 67 im oberen Ende der Kappe 12 verbunden, und der Anschluss 76 steht elektrisch mit den vier Kontaktstäben 36 und der unteren Endkappe 13 in Verbindung.

Wenn der Schalter geschlossen ist, wie es in Figur 1 gezeigt ist, fliesst Strom zwischen den Anschlüssen 75 und 76 über vier beabstandete elektrisch parallele Pfade. Der eine Pfad verläuft der Reihe nach über einen der Kontaktstäbe 36, das zugehörige Paar von Kontaktstücken 34,32, die das Kontaktstück halternde Teile 61,70 und 62, die Platte 65 und die Röhre 67„ Die anderen drei Pfade verlaufen in entsprechender Weise über die übrigen drei Kontaktstäbe 36 und die Kontaktstrukturen, die auf entsprechende Weise zu diesen Kontaktstäben gehören.

Ein Hauptgrund zur Bildung zahlreicher paralleler Kontaktpaare besteht darin, die erforderliche Gesamtkraft herabzusetzen, um die Kontaktstücke bei hohen Augenblicksströmen geschlossen zu halten, die bei gewissen Applikationen Spitzen-

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werte von 150000 Ampere überschreiten können. In einem typischen Vakuumschalter variiert die erforderliche Kraft, um jedes Kontaktstückpaar geschlossen zu halten, direkt mit dem Quadrat des hindurchfliessenden Stromes. Indem der Strom durch jedes Kontaktpaar um einen Faktor 4 herabgesetzt wird, wie es der Fall ist, wenn der Gesamtstrom zwischen vier Kontaktpaaren in gleicher Weise aufgeteilt wird, wird die erforderliche Kraft an jedem Paar um etwa 1⁷IG ihres ursprünglichen Wertes vermindert und die Gesamtkraft wird auf etwa 1/4 ihres ursprünglichen Wertes herabgesetzt. Aber diese Lösung mit mehreren parallelen Kontaktpaaren ist nicht ohne eigene Probleme, von denen ein Problem, das bereits in der Einleitung erwähnt wurde, im folgenden näher ausgeführt wird.

Wenn hohe Ströme durch den Unterbrecher über die parallel geschalteten Kontaktstäbe 36 fliessen, werden erhebliche Magnetkräfte entwickelt, die die schlanken Kontaktstäbe gegeneinander zu drücken versuchen. Die stark leitenden Röhren 26, die die einzelnen Kontaktstäbe 36 umgeben, dienen zur Begrenzung dieser lateralen Kräfte auf die Kontaktstäbe auf vernünftige Werte selbst bei extrem hohen Strömen. Genauer gesagt wirken diese Röhren als den Fluss steuernde \bschirmungen, in denen hohe Wirbelströme durch den Fluss von benachbarten Kontaktstäben induziert werden. Der Wirbelstrom in jeder Röhre entwickelt ein kompensierendes Magnetfeld, das dem Eintritt von Fluss aus den benachbarten Kontaktstäben in den Raum innerhalb der Röhre entgegensteht. Durch eine starke Begrenzung dieses eintretenden Flusses ist die Lateralkraft auf die bewegbaren Kontaktstäbe stark begrenzt.

Durch diese Begrenzung der lateralen Magnetkräfte auf die Kontaktstäbe 36 kann verhindert werden, dass die Kontaktstäbe aufgrund derartiger Kräfte in einem wesentlichen Umfang gebogen werden, und es kann sichergestellt werden, dass die Kontaktstäbe in ihren Führungslagern bzw. Laufbuchsen 45 glatt und gleichmässig arbeiten, ohne dass ein Fressen oder eine andere Beeinträchtigung der Öffnungs- und Schliessbewegung

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auftritt.

Während die lateralen Magnetkräfte auf die Kontaktstäbe bei hohen Strömen stark vermindert werden, sind die Röhren 26 selbst hohen lateralen Magnetkräften ausgesetzt. Diese Kräfte können jedoch einfach aufgenommen werden, indem starke Abstützungen zwischen den Röhren gebildet werden. Die metallische Querplatte 24 wirkt als eine derartige \bstiitzung an den oberen Enden der Röhren und die Isolierplatte 50 wirkt als eine derartige Abstützung an-den unteren Enden der Röhren.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Röhren 26 die Kontaktstäbe 36 auf nahezu ihrer gesamten Länge umgeben und in die Umhüllung hinein bis in einen Bereich unmittelbar unterhalb der bewegbaren Kontaktstücke 94 ragen. Nur ein kurzer \bschnitt von jedem Kontaktstab ragt über sein zugehöriges Rohr hinaus und ist im wesentlichen dem vollen Fluss von den benachbarten Kontaktstäben ausgesetzt.

Wenn die Röhren 26 als aus einem stark leitenden Material hergestellt bezeichnet werden, so ist ein Material gemeint, das eine Leitfähigkeit besitzt, die wenigstens so hoch ist wie die von Aluminium.

Ein weiteres Merkmal, das die magnetischen Querkräfte auf die Kontaktstäbe zu begrenzen hilft, ist die Tatsache, dass die Kontaktstäbe im allgemeinen symmetrisch um die Mittelachse 64 herum angeordnet sind. Dies gleicht die Induktivitäten der vier parallelen Pfade über die Kontaktstäbe aus, wenn der Schalter in seiner geschlossenen Position gemäss Figur 1 ist, wodurch der Ausgleich der Ströme über die Kontaktstäbe unterstützt wird. Wenn die Ströme gleich sind, ist die maximale

Querkraft auf einen der Kontaktstäbe vermindert. Weiterhin ist die erforderliche Gesamtkraft, um die Kontaktstücke bei hohen Augenblicksströmen geschlossen zu halten, vermindert, wenn der Strom auf die vier Kontaktstäbe gleich verteilt ist. Weiterhin trägt zur Gleichheit der Induktivitäten der

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vier Strompfade durch den Leistungsschalter die Tatsache bei, dass die vier Kontaktpaare 32,34 und die Halterungsstäbe 62 auch symmetrisch um die Mittelachse 64 herum angeordnet sind.

Wie bereits ausgeführt wurde, wird eine Schalterunterbrechung dadurch herbeigeführt, dass die vier Kontaktstäbe 36 aus ihrer Position gemäss Figur 1 durch die Offnungskraft nach unten gedruckt werden, die durch den Kreuzkopf 54 und die Schaltvorrichtungen 56 übertragen wird. Die Kontaktstäbe bewegen sich im wesentlichen gleichzeitig nach unten, wodurch die Kontaktstücke von jedem Paar im wesentlichen, wenn auch nicht präzise, gleichzeitig getrennt werden. Diese im wesentlichen gleichzeitige Kontakttrennung führt gewöhnlich zu einer gleichzeitigen Lichtbogenbildung an allen vier Kontaktstiicksätzen während der Unterbrechungsvorgänge von hohen Strömen.

Es gibt mehrere Merkmale, die zu der Fähigkeit des Schalters beitragen, dass eine Lichtbogenbildung bei der Unterbrechung von hohen Strömen gleichzeitig an allen vier Kontaktpaaren auftritt. Ein derartiges Merkmal besteht darin, dass die vier Kontaktpaare relativ sehr nahe zueinander angeordnet sind und sich radial innen von dem Bezugskreis 69 befinden, auf dem die Elektroden 62 und 72 angeordnet sind. Diese grosse Nähe führt zu einer besseren Kommunikation zwischen den Lichtbogenfunkenstrecken zwischen den Kontaktstücken und vergrössert somit die Zugänglichkeit von irgendeiner η ichtjübergeschlagenen Funkenstrecke für Lichtbogenprodukte von irgendeiner dann übergeschlagenen Funkenstrecke, wodurch die Wahrscheinlichkeit vergrössert wird, dass ein Lichtbogen an der nichtfübergeschlagenen Funkenstrecke gezündet wird. Die Tatsache, dass die Kontaktpaare aussenseitig von den Röhren 26 angeordnet sind, wenigstens im geschlossenen Zustand und während des grössten Teiles der Lichtbogenperiode, trägt ebenfalls zu der gewünschten freien Kommunikation zwischen den Funkenstrecken unter den Kontaktstücken bei.

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Ein weiteres Merkmal, das zum gleichzeitigen Auftreten eines Lichtbogens an allen Funkenstrecken während der Unterbrechung von hohen Strömen beiträgt, ist darin zu sehen, dass eine radial nach innen wirkende Kraft auf jeden Lichtbogen besteht. Wenn an allen Kontaktstiicken ein Lichtbogen auftritt, drücken diese radial nach innen gerichteten Kräfte die Lichtbogen und die Lichtbogenprodukte in den die Achse 64 umgebenden mittleren Bereich. Wenn aber an einem bestimmten Kontaktstückpaar kein Lichtbogen besteht, werden die Lichtbogenprodukte über den mittleren Bereich hinaus in Richtung auf die nichtubergeschlagenen Kontaktstücke getrieben, wodurch ein elektrischer Überschlag und eine Lichtbogenbildung über diesen Satz von Kontaktstücken beschleunigt wird. Diese radial nach innen wirkende Kraft auf die Lichtbogen resultiert teilweise aus der radial verlaufenden Orientierung des Strompfades unmittelbar neben den Kontaktstücken. Diese radial verlaufende Orientierung ist eine Folge des radial verlaufenden Leiterbalkens 70, der Strom in einer im allgemeinen radialen Richtung zwischen der Stabelektrode 62 und dem Lichtbogen führt. Somit besteht effektiv ein radial nach innen verlaufender Bogen in dem Strompfad, der eine magnetische Wirkung hat, den Bogen in bekannter Weise zu verlängern, indem der Lichtbogen radial nach innen gedrückt wird.

Diese radial nach innen gerichtete Biegung im Strompfad und auch die grosse Nähe zwischen den vier Kontaktpaaren können deshalb erreicht werden, weil bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Kontaktstäbe 36 relativ nahe beieinander und radial innen von dem Bezugskreis 69 angeordnet sind, auf dem sich die Halterungsstäbe 62 befinden. Weiterhin können die Kontaktstäbe 36 aufgrund der oben beschriebenen magnetischen Abschirmung nahe beieinander angeordnet werden, die durch die stark leitenden Röhren 26 erzeugt wird. Die Abschirmung begrenzt stark die magnetischen Querkräfte auf die Kontaktstäbe trotz deren grosser Nähe. Somit trägt das Vorhandensein der leitfähigen Röhren 26 effektiv zu einer gleichmässigeren Stromverteilung zwischen den Kontaktstäben

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während des Bestehens eines Lichtbogens bei.

Ein weiteres Merkmal, das zur gleichzeitigen Ausbildung eines Lichtbogens an allen Funkenstrecken des Leistungsschalters beiträgt, ist die Tatsache, dass die Kontaktpaare im allgemeinen symmetrisch um die mittlere Bezugsachse 64 herum angeordnet sind. Somit sind alle Funkenstrecken für Lichtbogenprodukte aus den anderen Funkenstrecken zugänglich, selbst wenn der Lichtbogen an einer oder mehreren Funkenstrecken unter dem Einfluss der oben beschriebenen magnetischen Vorspannung radial nach innen wandert.

Die ionisierten Lichtbogenprodukte aus den zwischen den Kontaktstücken 32 und 34 entwickelten Lichtbögen werden schnell in die Funkenstrecken zwischen den Stabelektroden 62 und ausgebreitet. Wie bereits ausgeführt wurde, wird dadurch die dielektrische Festigkeit dieser Funkenstrecken zwischen den Elektroden gesenkt, so dass diese elektrisch überschlagen und dadurch diffuse Lichtbögen zwischen benachbarten Stabelektroden 62 und 72 bilden. Diese diffusen Lichtbögen verlaufen im allgemeinen in Umfangsrichtung in Bezug auf den Bezugskreis 69, auf dem die Stabelektroden angeordnet sind, und weiterhin können diese diffusen Lichtbögen relativ hohe Ströme führen, ohne dass Anodenpunkte gebildet werden, wie es bereits erläutert wurde.

Aus Figur 1 wird deutlich, dass die Funkenstrecken zwischen den Stabelektroden 62 und 72 in freier Verbindung mit den zwischen den Kontaktstücken gebildeten Funkenstrecken stehen, und dies führt zu einer schnellen Bildung der bereits beschriebenen Entladungen über den Funkenstrecken zwischen den Elektroden nach der Ausbildung der Lichtbögen zwischen den Kontaktstücken. In einer Reihe von Versuchen, die mit einer Vorrichtung durchgeführt wurden, welche im allgemeinen dem beschriebenen lusführungsbeispiel entsprachen, waren nur etwa eine Millisekunde erforderlich für den Beginn eines Stromüberganges auf die Funkenstrecken zwischen den Elektroden und

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etwa 5,5 Millisekunden für einen im wesentlichen vollständigen Stromübergang. Obwohl in einigen Versuchen Strom auch weiterhin über die Funkenstrecken zwischen den Kontaktstücken floss, nachdem Lichtbogen zwischen den Stabelektroden gebildet worden waren, betrug dieser Strom zwischen den Kontaktstücken typischerweise weniger als 15 % des Gesamtstromes und verhinderte nicht eine Unterbrechung zu Beginn eines Nullstromes. Es sei darauf hingewiesen, dass die abschirmenden Röhren 26, die unterhalb der Funkenstrecken zwischen den Kontaktstücken angeordnet sind, die gewünschte freie Kommunikation zwischen den Funkenstrecken zwischen den Kontaktstücken und den Funkenstrecken zwischen den Elektroden nicht beeinträchtigen.

Wie bereits ausgeführt wurde und aus Figur 2 deutlich wird, sind die Stabelektroden 62 und 72 ebenfalls im allgemeinen symmetrisch um die mittlere Bezugsachse 64 herum angeordnet. Diese im allgemeinen symmetrische Anordnung der Stabelektroden zusammen mit der im allgemeinen symmetrischen Anordnung der Kontaktstücke relativ zueinander ermöglichen eine wirkungsvollere Ausnutzung des Raumes innerhalb des Leistungsschalters in dem Sinne, dass eine maximale Anzahl von Stabelektroden und Kontaktstücken mit einer gegebenen Grosse in dem Gehäuse 11 von gegebenem Durchmesser mit gegebenen minimalen Spielräumen zwischen Teilen entgegengesetzter Polarität untergebracht werden kann.

In einem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Kontaktstäbe 36, die Röhren 26 und die Teile 13, 22, 24, 70, 65, 67 und 12 aus Kupfer, die Stäbe 72 sind aus Stahl, die Stäbe 62 haben einen Aussenmantel aus Stahl und einen Kern aus Kupfer und die Kontaktstücke 32,34 sind aus Beryllium.

Zum Schutz des Isoliergehäuses 11 vor einem Überzug mit durch Lichtbögen erzeugten Metallteilchen sind zahlreiche rohrförmige Metallabschirmungen 80, 81 und 82 vorgesehen, die elektrisch voneinander und von den Endkappen 12 und 13 isoliert sind. Diese Abschirmungen dienen in bekannter Weise dazu,

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durch Lichtbögen erzeugte Metalldämpfe abzufangen und zu kondensieren, bevor diese das Isoliergehäuse 11 erreichen können.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Öffnungshub der bewegbaren Kontaktstücke 34 genügend lang, um die bewegbaren Kontaktstücke in die Öffnungen 25 in der Platte 24 zu tragen, und die öffnungen sind gross genug, um die Kontaktstücke frei aufzunehmen. Wenn die Kontaktstücke 34 sich in ihren vollständig geöffneten Positionen befinden, wie sie in gestrichelten Linien dargestellt sind, sind ihre oberen Stirnflächen gerade unterhalb der oberen Fläche der Platte 24 angeordnet, so dass die Platte 24 als eine elektrostatische Abschirmung für die Kontaktstücke 34 wirken kann, wenn diese in oder nahe ihren vollständig geöffneten Positionen sind. Dieser Abschirmungseffekt, der dem in der US-PS 3 210 505 beschriebenen Effekt ähnlich ist, vermindert die Wahrscheinlichkeit für einen dielektrischen Durchbruch von irgendeinem der Kontaktstücke 34, wenn sie sich in diesem Bereich befinden. Während eines OffnungsVorganges ist die Unterbrechung normalerweise abgeschlossen, bevor die bewegbaren Kontaktstücke ihre in gestrichelten Linien dargestellten Positionen innerhalb der Öffnungen 25 erreicht haben.

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Claims

Patentansprüche

Vakuumschalter mit einer evakuierten Umhüllung und zahlreichen Paaren trennbarer Kontaktstücke innerhalb der Umhüllung, wobei jedes Paar ein bewegbares Kontaktstück mit einer Oberfläche aufweist, die bei geschlossenem Vakuumschalter an einer Oberfläche des anderen Kontaktstückes angreift, gekennzeichnet durch zahlreiche langgestreckte leitfähige Kontaktstäbe (36), auf denen die bewegbaren Kontaktstücke (34) elektrisch leitend angebracht sind und die räumlich Seite an Seite angeordnet und elektrisch parallel zueinander verbunden sind, sich weiterhin zwischen dem Inneren und dem Ä'usseren der evakuierten Umhüllung (10) erstrecken und axial bewegbar sind für eine Trennung der Kontaktstücke (32,34) des zugehörigen Kontaktpaares,

zahlreiche langgestreckte Röhren (26) aus gut leitendem Metall, die auf entsprechende Weise die Kontaktstäbe (36) umgeben und jeweils von dem zugehörigen Kontaktstab radial beabstandet sind, wobei die in Eingriff stehenden Oberflächen der Kontaktpaare bei vollständig geschlossenem Vakuumschalter aussenseitig von den Röhren (26) angeordnet sind,

Mittel zum Befestigen der Röhren (26) in einer festen Relation in Bezug auf die Umhüllung (10) und Seite an Seite nebeneinander derart, dass die Röhren (26) den Fluss steuernde Abschirmungen um die Kontaktstäbe (36) herum bilden, in denen Wirbelströme entwickelbar sind zur Verkleinerung des von einem benachbarten Kontaktstab in den Innenraum jeder Röhre (26) eintretenden Magnetflusses,

Mittel zur Erzeugung einer im wesentlichen gleichzeitigen Kontakttrennbewegung der Kontaktstäbe (36) und Mittel(4O) zur Ausbildung einer Dichtung um jeden Kontaktstab herum, die eine Axialbewegung des Kontaktsta-

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bes ohne Beeinträchtigung des Vakuums innerhalb der Umhüllung (10) gestattet.
2. Vakuumschalter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , dass die Dichtung für jeden Kontaktstab (36) einen flexiblen rohrförmigen Faltenbalg innerhalb der zugehörigen Röhre (26) aufweist, der an seinem einen Ende mit dem Kontaktstab (36) und an seinem anderen Ende mit der Röhre (26) verbunden ist.
3. Vakuumschalter nach Anspruch 1,gekenn zeichnet durch eine Metallplatte (24), die quer zu den Längsachsen der Röhren (26) verläuft und Öffnungen (25) enthält, durch die die Kontaktstäbe (36) hindurchführen,

zahlreiche erste Stabelektroden (62), die auf der Platte (24) angebracht sind, im allgemeinen parallel zu den Achsen der Röhren (26) verlaufen und an in Umfangsrichtung beabständeten Punkten auf einem vorbestimmten Bezugskreis (69) angeordnet sind, Mittel zum elektrischen Verbinden der Platte (24) und der ersten Stabelektroden (62) mit den bewegbaren Kontaktstäben (36),

zahlreiche zweite Stabelektroden (72), die mit den ersten Stabelektroden (62) verschachtelt sind, im allgemeinen parallel zu den ersten Stabelektroden verlaufen und auf dem Bezugskreis (69) angeordnet sind, wobei sie zu benachbarten Elektroden der ersten Stabelektroden in Umfangsrichtung beabstandet sind, Lichtbogen-Funkenstrecken zwischen benachbarten verschachtelten bzw. sich überlappenden Elektroden der ersten und zweiten Stabelektroden, wobei die Funkenstrecken in freier Verbindung mit den Funkenstrecken sind, die zwischen den Kontaktstücken (32,34) nach einer Kontakttrennung gebildet sind, und ein Paar Anschlüssen (75,76) an entgegengesetzten Sei-

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ten der Umhüllung, von denen der eine Anschluss elektrisch mit den ersten Stabelektroden (62) und der andere Anschluss elektrisch mit den zweiten Stabelektroden (72) verbunden ist.
4. Vakuumschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass Mittel zum elektrischen Verbinden des ersten Anschlusses und der bewegbaren Kontaktstücke bei geöffnetem Schalter und Mittel zum Befestigen der anderen Kontaktstücke der Kontaktpaare auf den zweiten Stabelektroden und zum elektrischen Verbinden von jedem anderen Kontaktstück mit seiner zugehörigen zweiten Stabelektrode vorgesehen sind.
5. Yakuumschalter nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , dass die anderen Kontaktstücke nahe den Enden der zweiten Stabelektroden (72) angeordnet sind.
6. Vakuumschalter nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , dass die Kontaktpaare radial innen von dem Bezugskreis (69) angeordnet sind.
7. Vakuumschalter nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , dass die Metallplatte (24) eng benachbart zu den bewegbaren Kontaktstücken angeordnet ist", wenn die bewegbaren Kontaktstücke in ihre vollständig geöffneten Positionen kommen.
8. Vakuumschalter nach Anspruch 7,dad urch gekennzeichnet , dass die bewegbaren Kontaktstücke in die Öffnungen (25) in der Metallplatte (24) eintreten, wenn die Kontaktstücke in ihre vollständig geöffneten Positionen kommen.

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26 00 308
9. Vakuumschalter nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet , dass die Metallplatte (24) ein rohrförmiges Metallteil (22) aufweist, das alle Röhren (26) umgibt und mit seinem Innenende mit der Metallplatte (24) verbunden ist, und die Umhüllung (10) eine metallische Endkappe (13) aufweist, mit der das Aussenende des Metallteiles (22) verbunden ist, wobei die Endkappe (13^ eine Öffnung (20) enthält, durch die die Röhren (26) h-indurchfuhren.
10. Vakuumschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,dadurch gekennzeichnet, dass das gut leitende Metall der Röhren (26) ein Metall mit einer Leitfähigkeit ist, die wenigstens so gut wie diejenige von Aluminium ist.

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