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Vakuumunterbrecher
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Die Erfindung betrifft einen verbesserten Vakuumunterbrecher, insbesondere
eine Vakuumkammer eines Vakuumunterbrechers, der mit Elektroden versehen ist, die
für die Verwendung einer hohen Spannung geeignet sind.
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Es ist bekannt, daß bei einem Vakuumunterbrecher der Strom dadurch
unterbrochen wird, daß ein Paar trennbarer Elektroden in einem hohen Vakuum von
mindestens unter 10 4 Torr, das eine ausgezeichnete Isolationseigenschaft und eine
ausgezeichnete Bogen-Löscheigenschaft besitzt, getrennt werden.
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Fig. 1 zeigt einen üblichen Vakuumunterbrecher, bei welchem die offenen
Enden eines Isolationszylinders 1 durch Endplatten 2 und 3 abgeschlossen sind, so
daß eine luftdichte Kammer entsteht.
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Die Luft in der Kammer wird abgesogen, um ein Vakuum von weniger als
10 Torr zu schaffen. In der Vakuumkammer ist an einer feststehenden Stange 5 eine
feststehende Elektrode 4 angeordnet, die von der Endplatte 2 gehalten ist, während
eine bewegliche Elektrode 6 vorgesehen ist, die der feststehenden Elektrode
4
gegenüberliegt. Die bewegbare Elektrode 6 ist an einer bewegbaren Stange 7 befestigt,
die mit einer nicht dargestellten Betätigungsvorrichtung verbunden ist. Ferner ist
ein Metallbalg 8 vorgesehen, der mit einem Ende an der bewegbaren Stange 7 luftdicht
befestigt ist, während das andere Ende an der Endplatte 3 befestigt ist, so daß
der Vakuumunterbrecher in der Kammer arbeitet, in der ein geeignetes Vakuum aufrechterhalten
wird.
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Eine elektrostatische Abschirmung 9 ist am Zylinder 1 befestigt und
umgibt die Elektroden 4 und 6 in der Vakuumkammer. Die Abschirmung dient dazu, eine
Verringerung der Isolationsfestigkeit der inneren Oberfläche des Zylinders 1 zu
verhindern, die durch die Ablagerung von Metalldampf hervorgerufen werden kann,
der aufgrund des Lichtbogens erzeugt wird, der während der Stromunterbrechung entsteht.
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In einem solchen Vakuumunterbrecher berühren sich die Elektroden 4
und 6 im geschlossenen Zustand des Schalters. Wenn die bewegbare Stange 7 nach abwärts
bewegt wird (Fig. 1), und zwar unter der Wirkung der Betätigungsvorrichtung, wird
die bewegbare Elektrode 6 von der feststehenden Elektrode 4 getrennt, und es wird
zwischen den Elektroden ein Lichtbogen erzeugt. Der Lichtbogen wird durch Metalldampf
aufrechterhalten, der von einer Kathode, beispielsweise der Elektrode 6, erzeugt
wird. Wenn der Strom auf Null abnimmt, wird die Erzeugung von Metalldampf unterbrochen.
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Es wird somit unmöglich, den Lichtbogen aufrechtzuerhalten, und es
wird der Stromkreis unterbrochen.
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Wenn ein großer Strom unterbrochen werden soll, wird zwischen den
Elektroden 4 und 6 ein unstabiler Lichtbogen erzeugt, und n^ Z » a a fk A
zwar
durch das Zusammenwirken eines magnetischen Feldes, das durch den Lichtbogen selbst
erregt wird, und eines magnetischen Feldes, das durch einen äußeren elektrischen
Kreis erzeugt wird.
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Aus diesem Grunde bewegt sich der Lichtbogen über die Elektrodenfläche
zu beiden Enden oder dem Umfang der Elektrode und überhitzt örtlich die Enden oder
den Umfang, und da eine große Menge an Metalldampf erzeugt wird, wird das Vakuum
in der Kammer erniedrigt, wodurch auch die Unterbrechungsfähigkeit verringert wird.
Es wird angenommen, daß diese nachteiligen Erscheinungen dadurch bewirkt werden,
daß der Metalldampf oder der ionisierte Metalldampf aus den Elektroden austritt
und für die Unterhaltung des Lichtbogens erforderlicheIonen während der Erzeugung
des Lichtbogens unzureichend werden, wodurch der Lichtbogen unstabil wird.
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Um solche nachteiligen Erscheinungen zu verhindern, ist es bekannt,
auf die Elektrodenfläche ein Magnetfeld einwirken zu lassen. Als Beispiel für die
Aufbringung des Magnetfeldes gemäß dem bekannten Stand der Technik, kann 1) eine
Spule 100 um den Aussenumfang des Isolationszylinders 1 des Vakuumunterbrechers
angeordnet werden, wobei der zu unterbrechende Strom die Spule 100 durchsetzt und
ein Magnetfeld erzeugt, das vertikal zur Elektrodenfläche (Fig. 1) gerichtet ist,
oder es kann 2) die Anordnung der Elektrode abgewandelt werden, um ein starkes axiales
Magnetfeld zu erzeugen, und zwar durch die Elektrode selbst, wie es in den Fig.
2(a) bis 2(c) dargestellt ist, ohne daß der Vakuumunterbrecher vergrößert wird.
Die tatsächliche Konstruktion der Elektrode, wie sie in den Fig. 2(a) bis 2(c) dargestellt
ist, wird im folgenden anhand der Fig. 4(a) und 4(b) beschrieben.
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Da aber in dem Beispiel 1) die Spule 100 einen beträchtlichen Abstand
von den Elektroden 4 und 6 hat, ist es schwierig, ein ausreichend starkes axiales
Magnetfeld auf der Elektrodenfläche zu erzeugen. Um ein ausreichend wirksames Magnetfeld
zu erhalten, muß die Spule vergrößert werden, wodurch die gesamte Konstruktion des
Vakuumunterbrechers vergrößert wird. Bei dem Beispiel 2) ist es zwar nicht erforderlich,
die ganze Konstruktion des Vakuumunterbrechers zu vergrößern, wie es bei dem Beispiel
1) notwendig ist, jedoch ist es für einen Vakuumunterbrecher, der für hohe Spannung
verwendet werden soll, notwendig, die Elektroden 4 und 6 ausreichend weit voneinander
zu entfernen, um ein starkes axiales Magnetfeld aufzubringen.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Vakuumunterbrechers,
der für hohe Spannungen geeignet ist, wobei die Elektroden des Unterbrechers ein
starkes Magnetfeld für den erzeugten Lichtbogen erzeugen können.
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Gemäß der Erfindung wird ein Vakuumunterbrecher geschaffen, der aus
einem Vakuumgefäß und einem Paar in diesem Gefäß angeordneter, trennbarer Hauptelektroden
besteht, wobei wenigstens eine dieser Hauptelektroden mit einer Spulenelektrode
versehen ist, die ein axiales Magnetfeld erzeugt. Gemäß der Erfindung ist zwischen
den Hauptelektroden wenigstens eine flache, ringförmige Zwischenelektrode angeordnet,
die an ihrem Zentrum mit einer Öffnung versehen ist, durch die eine der Hauptelektroden
hindurchragt.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1: einen bekannten
Vakuumunterbrecher mit einer Spule zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes, in
einem vertikalen Sc Initt, Fig.2(a): einen bekannten Vakuumunterbrecher, der mit
Elektroden für die Erzeugung eines axialen Magnetfeldes versehen ist, in einem vertikalen
Schnitt, Fig.2(b): Draufsichten auf eine der in Fig. 2(a) gezeigten und 2(c) Elektroden,
Fig.3(a): ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vakuum-und 3(b) unterbrechers
im geschlossenen bzw. offenen Zustand, jeweils in einem vertikalen Schnitt, Fig.4(a),:
Einzelheiten von flachen Hohlelektroden nach den 4(b),5(a), 5(b)+5(c) Fig. 3(a)
und 3(b),und Fig.6(a),: Einzelheiten von flachen Hohlelektroden eines anderen 6(b)+6(c)
Ausführungsbeispiels nach den Fig. 5(a) bis 5(c).
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In den Fig. 3(a) und 3(b) ist mit 1 ein Isolierzylinder bezeichnet,
der eine Vakuumkammer bildet und der aus einem isolierenden Material besteht. Die
Luft oder das Gas, das sich in der Rammer befindet, ist in ausreichendem Maße abgesogen,
so daß ein hohes Vakuum geschaffen und aufrechterhalten wird.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind in der Vakuumkammer
ein Paar trennbarer Hauptelektroden 4 und 6 angeordnet, und es sind ferner flache,
scheibenförmige Ringelektroden 10a, 1Ob und 10c koaxial und parallel zu den Hauptelektroden
angeordnet.
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Eine der Hauptelektroden, z.B. bei dem dargestellten Ausführungr beispiel
die Elektrode 4, ist an dem unteren Ende einer feststehenden
Stange
5 befestigt, und es enthält diese Elektrode 4 eine Spulenelektrode 4a und eine Kontaktelektrode
4b, wie sie in den Fig. 4(a) und 4(b) gezeigt sind. Die Spulenelektrode 4a enthält
Arme 20a, 20b, 20c und 20d, die sich radial von einem zentralen Ringteil 19 erstrecken,
gewölbte Teile 21a, 21b, 21c und 21d, deren eine Ende an den äußeren Enden der Arme
20a bis 20d befestigt sind, und Vorsprünge 22a, 22b, 22c und 22d, die an der Unterseite
des anderen freien Endes der gekrümmten Teile 21a bis 21d angeordnet sind. Die Kontaktelektrode
4b besteht aus einem geeigneten Elektrodenmaterial für die Unterbrechung eines großen
Stromes, und sie ist mit mehreren radialen Schlitzen versehen, welche eine Verringerung
der Magnetfeldstärke durch einen Wirbelstrom verhindern sollen. Die Vorsprünge 22a
bis 22d der Spulenelektrode 4a berühren die Kontaktpunkte 23a, 23b, 23c und 23d
der Kontaktelektrode 4b.
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Die Elektrode 10a, die an der untersten Stelle der scheibenförigen,
hohlen Zwischenelektroden 10c, 10b und 10a angeordnet ist, hat eine Konstruktion,
die derjenigen der feststehenden Elektrode 4 ähnlich ist. Insbesondere ist bei der
Elektrode 10a eine Spulenelektrode 10a2 mit einer Kontaktelektrode 10a1 verbunden,
so daß Strom zu der Elektrode 10a2 in der gleichen Richtung fließt wie derjenige
in der Elektrode 4a. Die Spulenelektrode 10a2 ist an dem oberen Ende einer Haltevorrichtung
13 befestigt, dessen unteres Ende in einen Tragflansch 14 eingesetzt ist, der über
einen Tragzylinder 11 und Tragelemente 15 und 12 mit der bewegbaren Stange 7 verbunden
ist. Es ist somit die Elektrode 10a mit der bewegbaren Stange 7 (Fig. 3(a) und 3(b))
elektrisch- leitend verbunden.
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Die bewegbare Elektrode 6, die an der bewegbaren Stange 7 befestigt
ist, enthält eine flache Elektrode, deren Kontaktfläche die Kontaktelektrode der
feststehenden Elektrode 4 berührt, besteht aus einem Kontaktmaterial, das für die
Unterbrechung eines großen Stromes geeignet ist.
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Die Konstruktion der scheibenförmigen und ringförmigen Zwischenelektroden
10b und 10c ist in den Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) gezeigt. Da beide Elektroden 10
b und 10 c die gleiche Konstruktion haben, wird im folgenden nur die Elektrode 10
c beschrieben.
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Die Zwischenelektrode 10c enthält Kontaktelektroden 10C1 und 10c3
und eine Spulenelektrode 10c2, die dazwischen angeordnet ist, wobei die Kontaktelektroden
mit zentrisch angeordneten ringförmigen Teilen 101 versehenesind, durch die die
bewegbare Elektrode hindurchführt. An der unteren Fläche der Elektrode 10c1 sind
Kontaktpunkte 29a, 29b, 29c und 29d angeordnet, die mit der Spulenelektrode 10c2
in Verbindung stehen, und es sind auf der oberen Fläche der Elektrode 10c3 Kontaktpunkte
33a, 33b, 33c und 33d angeordnet.
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Die Spulenelektrode 10c2 enthält gekrümmte Elektroden 30a, 30b, 30c
und 30d und axiale Vorsprünge 31a, 31b, 31c und 31d sowie 32a, 32b, 32c und 32d,
die jeweils an beiden Enden der jeweiligen gekrümmten Elektroden angeordnet sind,
die die Kontaktpunkte 29a, 29b, 29c und 29d bzw. 33a, 33b, 33c und 33d berühren.
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Der Durchmesser der Spulenelektrode 10c2 ist natürlich gleich demjenigen
Durchmesser der Kontaktelektroden 10c1 und 10c3. Es werden somit die scheibenförmigen
Ringelektroden 10b und 10c dadurch
gebildet, daß die Vorsprünge
31a bis 31d die Kontaktpunkte 29a bis 29d berühren und die Vorsprünge 32a bis 32d
die Kontaktpunkte 33a bis 33d berühren. Die Zwischenelektroden 10b und 10c werden
durch die einen Enden der Tragelemente 17 und 16 gehalten, deren andere Enden an
der Innenfläche des Isolierzylinders 1 befestigt sind. Abschirmungen 9b und 9c sind
an den Zwischenteilen der Tragelemente 17 und 16 so befestigt, daß die Endplatten
2 und 3 und die Zwischenelektroden 1Ob und 10c voneinander isoliert sind.
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Obwohl in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei Zwischenelektroden
angeordnet sind, können die Zahl der Zwischenelektroden und die Abstände D1, D2,
D3 ... zwischen benachbarten Zwischenelektroden entsprechend der Spannungshöhe eingestellt
werden, für die derßchalter verwendet wird. Außerdem ist es möglich, den erzeugten
Lichtbogen zu den Zwischenelektroden 10c, 10b und 10a zu übertragen, indem das Metallelement
12 der Metallelemente 12 und 15 eine Reaktanz erhält, die etwas größer als die Gesamtreaktanz
des Tragelementes 13, des Tragflansches 14, des Tragzylinders 11 und des Elementes
15 ist, oder es kann die Übertragung des Lichtbogens durch Einsatz beispielsweise
einer Drosselspule erfolgen, deren Reaktanz größer ist als die obengenannte Gesamtreaktanz.
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Der so aufgebaute Vakuumunterbrecher nimmt im normalen Zustand die
geschlossene Stellung ein, und es fließt Strom in eine äussere Leitung durch die
feststehende Stange 5, die Spulenelektrode 4a, die Kontaktelektrode 4b, die bewegbare
Elektrode 6 und die bewegbare Stange 7. Um den Kreis zu öffnen, wird die bewegbare
Stange
7 zusammen mit der bewegbaren Elektrode 6 von der feststehenden Elektrode 4 getrennt,
und zwar nach abwärts, wie es in Fig. 3(a) dargestellt ist, und es wird dann zwischen
der Kontaktelektrode 4(b) und der bewegbaren Elektrode 6 ein Lichtbogen gezogen.
Der Lichtbogen bewegt sich von dem Mittelteil der Elektrode weg, und zwar durch
die Wirkung einer Spule, die außen angeordnet ist, oder durch die Magnetkraft, die
durch den Lichtbogen selbst erzeugt wird, und es werden im Endzustand durch die
Zwischenelektroden 10c, 1Ob und 10a Lichtbogen 50, 51 und 52 gebildet, wie es in
Fig. 3(b) gezeigt ist.
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Wenn die Lichtbogen zwischen der feststehenden Elektrode und den Zwischenelektroden
10c, 10b und 10a erzeugt werden, fließt ein Strom in den gekrümmten Elektroden,
so daß dazwischen axiale Magnetfelder erzeugt werden. Die Lichtbogen werden durch
die erzeugten Magnetfelder getrieben. Infolgedessen kann ein Schmelzen der Elektroden
verhindert werden, indem die Magnetfelder angewendet werden, die eine ausreichende
Größe haben, um die Lichtbogen zu löschen.
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In dem in den Fig. 6(a), 6(b) und 6(c) gezeigten anderen Ausführungsbeispiel
können Vorteile erreicht werden, die denjenigen, wie sie oben beschrieben worden
sind, ähnlich sind.
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In den Fig. 6(a) bis 6(c) besitzt eine Kontaktelektrode 10c1 einer
scheibenförmigen und ringförmigen Zwischenelektrode 10c eine Konstruktion, die ähnlich
der Kontaktelektrode 10c1 ist, wie sie in Fig. 5(a) gezeigt ist. Die in Fig. 6(a)
dargestellte Kontaktelektrode 10C1 ist mit Kontaktpunkten 29a bis 29d für eine Spulenelektrode
10C2 an der unteren Fläche versehen. Sie weist mehrere
radiale
Schlitze 25 auf, um eine Verringerung des Magnetfeldes aufgrund eines Wirbelstromes
zu verhindern, und ferner ist die Kontaktelektrode mit einem zentralen, ringförmigen
Teil 101 versehen, durch den die bewegbare Elektrode 6 hindurchgeführt werden kann.
Eine Kontaktelektrode 10c3 besitzt eine ähnliche Konstruktion wie diejenige der
Elektrode 10c1. Sie unterscheidet sich aber von dieser dadurch, daß ein ringförmiger
Kontakt 35 nahe dem Mittelteil 101 auf der oberen Fläche der Elektrode 10c3 angeordnet
ist.
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Die Spulenelektrode 10c2 (Fig. 6(b)) ist mit einem zentralen Ringteil
101 versehen, der durch ein ringförmiges Kontaktelement 34 gebildet ist, und mit
Armen 28a, 28b, 28c und 28d, die sich von dem Kontaktelement 34 radial nach auswärts
erstrecken.
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Bogenförmige Elektroden 30a, 30b, 30c und 30d sind jeweils mit einem
Ende an den Außenenden der Arme 28a, 28b, 28c und 28d befestigt, während an den
freien oder anderen Enden der bogenförmigen Elektroden 30a, 30b, 30c und 30d Vorsprünge
31a, 31b, 31c und 31d angeordnet sind, welche die Kontaktpunkte 29a, 29b, 29c und
29d jeweils berühren. Da bei diesem Ausführungsbeispiel der scheibenförmigenund
ringförmigenZwischenelektrode 10c (1 Ob) die Kontaktelektrode 10c3 (10b3) die Spulenelektrode
10c2 (1 Ob2) an dem Teil in der Nähe des Mittelteiles 101 berührt, kann die mechanische
Festigkeit der Konstruktion der Elektrode 10c (1Ob) vergrößert werden wodurch deren
Verformung verhindert wird.
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Wie sich aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich ergibt, ist
wenigstens ein Paar der Hauptelektroden für die Erzeugung
eines
Lichtbogens zwischen den Elektroden als Elektrode ausgebildet, die mit einem Strompfad
versehen ist, der ein axiales Magnetfeld erzeugt. Und es ist wenigstens eine scheibenförmige
und ringförmige Zwischenelektrode vorgesehen, die eine Konstruktion besitzt, die
derjenigen ähnlich ist, wie sie eine der Hauptelektroden aufweist. DieseZwischenelektrode
ist zwischen die Hauptelektroden eingeschaltet, um ebenfalls ein axiales Magnetfeld
zu erzeugen. Es werden somit mindestens zwei in Reihe geschaltete Lichtbögen durch
die Zwischenelektrode erzeugt.
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Aufgrund von Untersuchungen ist festgestellt worden, daß bei einem
Vergleich der Unterbrechungsfähigkeit zwischen einem Fall, indem eine Zwischenelektrode
zwischen die Hauptelektroden zwischengeschaltet ist, um zwei in Reihe geschaltete
Lichtbögen zu erzeugen, und einem Fall, in welchem keine Zwischenelektrode verwendet
ist, wobei in beiden Fällen der Abstand zwischen den Hauptelektroden gleich ist,
die Unterbrechungsfähigkeit im ersten Falle beträchtlich höher ist als im zweiten
Falle. Infolgedessen wird ein Vakuumunterbrecher für die Verwendung für hohe Spannungen,
in welchem ein Lichtbogen in mehrere aufeinanderfolgende Lichtbögen unterteilt ist,
den Kreis wirksamer unterbrechen, ohne daß die oben beschriebenen verschiedenen
Probleme auftreten.
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Es wird noch drauf hingewiesen, daß die vorstehende Beschreibung sich
auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bezieht und daß verschiedene Abwandlungen
und Abänderungen vorgenommen werden können, ohne daß der Erfindungsgedanke, wie
er in den Ansprüchen zum Ausdruck gebracht ist, verlassen wird.
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