DE2815059C2 - Schaltstückanordnung für Niederspannungs-Vakuumschütze - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

45

Die Erfindung betrifft eine Schaltstückanordnung für Niederspannungs-Vakuumschütze mit einem Nennstrombereich bis etwa 630 A, die eine sehr hohe Schaltstücklebensdauer aufweisen soll. Derartige Vakuumschütze werden hauptsächlich zum Schalten von Motoren und ähnlichen Verbrauchern eingesetzt.

Im Gegensatz zu einem Vakuum-Leistungsschalter, der eine um Größenordnungen kleinere elektrische und mechanische Lebensdauer aufweist, aber um Größenordnungen höhere Ströme, d. h. Kurzschlußströme, zu beherrschen hat, besteht das Hauptkriterium eines Niederspan'nungs-Vakuumschützes im Erreichen einer sehr hohen Schaltstücklebensdauer ohne Wartung und Auswechslung der Schaltstücke bzw. der Vakuumschaltkammer. .

Charakterstik der bekannten technischen
Lösungen

Niederspannungs-Vakuumschütze erreichen diese hohe Schaltstücklebensdauer insbesondere durch Ausnutzen der hierfür besonders günstigen Eigenschaften des spezifischen Vakuum-Lichtbogens (Typ A), (nach Recce. M. P.: The vacuum switch, part I, Proc. IEE 110, 1963, H. 4, S. 793—802). Dieser spezifische Vakuum-Lichtbogen (Typ A) weist an der Katode eine in erster Näherung dem zu schaltenden Strom proportionale Anzahl paralleler Katodenfußpunkte auf, einen jedem Katodenfußpunkt zugeordneten kegelförmigen Entladußgskanal und besitzt einen diffusen Anodenansatz ohne eine Kontraktion des Anodensatzes und damit ohne ausgeprägten AnodenfußpunkL Hierdurch tritt ein sehr niedriger Matßrialabbrand an der Ka ode und ein Materialgewinn an der Anode auf, der die Schaltstücklebensdauer wesentlich beeinflußt Der Existenzbereich des spezifischen Vakuum-Lichtbogens (Typ A) wird dabei neben der Stromhöhe vor allem durch die Auswahl eines geeigneten Schaltstückmaterials, dem Ausnutzen des maximal möglichen Kammerinnendrukkes und der Schaltstückdimensionierung bestimmt

Nach bekannten Untersuchungen sinkt der Abbrand an der Katode bzw. in den parallelen Katndenfußpunkten des spezifischen Vakuum-Lichtbogens (Typ A) mit steigendem Druck (DD-PS 1 08 407). Unter dem Gesichtspunkt einer höheren Lebensdauer wäre es sinnvoll, den Druck im Kontaktspalt während der Lichtbogendauer zu erhöhen. Hierfür sind aber die für Niederspannungs-Vakuumschütze bekannten scheibenförmigen Schaltstückanordnungen nicht geeignet

Weiter kommt es darauf an, die parallelen Katodenfußpunkte mit ihren Teilentladungskegeln zwischen beiden Elektroden zu behalten und den Austritt vom Schaltstückmaterialdampf aus dem Kontaktspalt vollkommen zu verhindern, zumindest aber auf ein ungefährliches Maß herabzusetzen, um einen großen Anteil des verdampften Schaltstückmaterials für weitere Schaltungen zurückzugewinnen und die Isolierstrekke der Vakuumschaltkapsel vor einer Belegung durch Metalldampf zu schützen. Nach ausführlichen Untersuchungen tritt etwa 50% des an der Katode verdampften Schaltstückmaterials aus dem Kontaktspalt der bekannten scheibenförmigen Schaltstückanordnung heraus, kondensiert an dem Schirm bz¹«. anderen Innenflächen der Schaltkammern und geht damit für weitere Schaltvorgänge verloren bzw. führt zu einer Belegung und damit Überbrückung der Isolierstrecke.

Für Hochspannungs-Vakuum-Leistungsschalter sind bereits Schaltstückanordnungen bekannt, die von der üblichen Scheibenform der Schaltstücke abweichen. Diese Schaltstücke sind jedoch ihrem spezifischen Verwendungszweck nach für Vakuumschaltkammern zum Schalten von Kurzschlußströmen (Strom 5 kA, Vakuum-Lichtbogen Typ B) geeignet, bei denen der spezifische Vakuum-Lichtbogen (Typ A) nicht mehr existiert. Der sich dann einstellende und dem Hochdruckbogen ähnliche Vakuum-Lichtbogen (Typ B) mit ausgeprägtem Einzelanoden- und Katodenfußpunkt verlangt eine andere Ausbildung und Dimensionierung der Schaltstückanordnung. Bei diesen Strömen und dieser Form des Vakuum-Lichtbogens ist es unbedingt erforderlich, ein Verharren des ausgeprägten Anoden-und Katodenfußpunktes bzw. der ausgeprägten Lichtbogensäule zu verhindern, eine schnelle Bewegung dieses Bogens zu erzwingen, ihn von der eigentlichen Kontaktstelle zu entfernen, um damit die Abschältfähigkeit zu erhalten und einen zu großen Materialabbrand zu vermeiden, der wiederum zu einem Versagen der Abschaltung und zu einem Wiederzündr des Lichtbogens durch eine zu hohe Metalldampldichte führen würde.

So sind Schaltstückanordnungen bekannt (SU-PS 19 659), bei denen der Lichtbogen von der eigentlichen

Enstehungs- bzw KontnWtsielle durch ein Magnetfeld aus einem konisch auseinanderlaufenden Zylinder in einen geschlossenen Zylinder getrieben und zur Rotation gezwungen wird.

Ähnliches bezweckt die bekannte Anordnung nach der US-PS 33 56 818, bei der der Lichtbogen besonders von der eigentlichen Kontaktstelle durch nicht näher beschriebene Mittel fortbewegt wird und zwischen den Wänden der erst zylinder- und dann kegelförmig ausgebildeten und ineinandergreifenden Schaltstücke brennt

Dies gi!' ebenso für die Schaltstückanordnung nach der DD-PS 9oöüi, die zum Abschalten sehr großer Ströme geeignet ist und bei der ebenfalls durch verschiedene Maßnahmen die ausgeprägte Lichtbogensäule des Vakuumbogens (Typ B) zwischen den Wänden mit zwei koaxial ineinander geschachtelten Topfschaltstücken brennen sollen.

In weiterer Verbesserung dieser Anordnung sind durch die DD-PS 1 17 140 weitere Maßnahmen bekannt, mit denen der Lichtbogen von dem sogenannten Nennstrombereich, der den Boden des Schaltstücktopfes bildet, in die zwischen den Topfwänden liegenden Abbrandbereiche getrieben wird.

Dem gleichen Zweck dient die Schaltstückanordr.ung für Vakuumlöschkammern nach der DE-OS 22 54 807. Auch bei dieser für Vakuumleistungsschalter vorgesehenen Schaltstückanordnung sind die beiden Schaltstücke jeweils als annähernd hohlzylindrische koaxial ineinandergreifende Töpfe ausgebildet, von denen der Außendurchmesser des ersten Topfes kleiner ist, als der Innendurchmesser des zweiten Topfes und ein zentrischer Teil der äußeren Bodenfläche des ersten Topfes die eine und ein zentrischer Teil der inneren Bodenfläche des zweiten Topfes die andere Kontaktfläche bilden. Beim Öffnen der Schaltstücke, wobei der erste Topf in axialer Richtung um den Schalthub verschoben wird, wird der bei größeren Strömen entstehende kontrahierte Vakuumbogen (Typ B) durch die schleifenförmige Führung des Stromes aus dem Kontaktspalt nach außen getrieben und wandert auf den zylindrischen Topfwänden aufwärts zu den Topfrändern. Zum Erreichen dieser gewünschten Wirkung bestehen die die Kontaktfläche bildenden Te-Ie der Topfböden aus einem anderen Material als die Topfwände, die aus einem dem Lichtbogen gute Laufeigenschaften garantierenden Werkstoff bestehen. Diese Anoidnungen bringen noch keine dem Gedanken der Erfindung nützliche Lösung, da diese Anordnungen zum Schalten sehr großer Kurzschlußströme vorgesehen sind, in ihnen der Lichtbogen durch verschiedene Mittel aus dem Kontaktspalt herausgetrieben wird, der Schaltstück-Materialdampf sich in der Kammer in einem für hohe Schaltzahlen unzulässigen Maße ausbreiten kann und für Schaltstückanordnungen für Niederspannungs-Vakuumschütze für den vorgesehenen Strombereich zu aufwendig sind und nicht die gewünschte L. bensdauererhöhung bringen können oder nur Vorkehrungen für eine wesentlich höhere statische Spannungsfestigkeit aufweisen und den Metalldampf umlenken, damit er nicht auf die Isolierstrecke gelangen kann.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung tier Schaltstücklebcnsilauer als bestimmender Faktor für die Lebensdauer des genannten Vakuumschützcs.

Darlegung dei Wesens der Erfindung

Der Erfindung Ywsi die Aufgabe -rn^f.muc, die

Sohaltstücke derart auszubilden, daß tier Austritt von Mi:i.a'dampf aus dem Kontaktspalt weitestgehend verringert wird und das verdampfte Kontaktmaterial !.;·■:';■ vierter an den Schaltstücken anlagert

Diese Aufgabe wird bei topfförmig ineinandergreifenden Schaltstücken erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen den beiden Zylinderwänden der beiden Schaltstücke gleich oder kleiner als der maximaie Schahhub ist und dab das jeweilige Maieria! für die Zylinderwände und die Kontaktflächen so gewählt ist, daß bei maximalem Schalthub die Lichtbogenspannung zwischen den Zylinderwänden größer ist als zwischen den Kontaktflächen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Ausführungsbeispiel

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung z( &ΐ

F i g. i die Schaitstückanordnung im Sennit:,

F i g. 2 die Abkröpfung der inneren Schaltstückwandung,

Fig.3 u. 4 Ausbildungen der äußeren Schaltstückwandung.

An den in einem Vakuumgehäuse angeordneten Elektroden 1; 2 sind das feste Schaltstück 3 und das bewegliche Schaltstück 4 befestigt Die Schaltstücke 3; 4 sind hierbei topfförmig ausgebildet und greifen mit ihren zylindrischen und vorzugsweise parallelen Wänden 5; 6 ineinander. Die Bodenflächen der topfförmigen Schaltstücke 3; 4 bestehen aus dem eigentlichen Schaltstückmaterial, z. B. Cu oder MoCu, und die Wände 5; 6 aus einem billigeren und für den Vakuumlichtbogen ungünstigere Existenzbedingungen aufweisenden Material, d. h. mit höherer Lichtbogenspannung, z. B. Fe, Fe-Ni. Weiterhin ist es vorteilhaft, für die zylindrischen Wände 5; 6 ein Material mit einem guten Kondenscjtionsverhalten für den Schaltstückmaterialdampf einzusetzen. Die zylindrischen Wände 5; 6 sind in einfachster Form djrch Aufschrumpfen an den scheibenförmigen Bodenflächen der Schaltstücke befestigt und weisen einen sehr kleinen Abstand 7, der gleich oder k'einer dem maximalen Schalthub ist, vorzugsweise I—3mm auf.

Eine weitere Verringerung des Materialaustritts aus dem Kontaktspalt 8 wird erreicht, wenn der obere Rand des inneren Schaltstückes 6 nach außen über die Wand des äußeren Schaltstückes 5 abgekröpft ist (F i g. 2) bzw. die Wand 5 des äußeren Schaltstückes 3 Ausbuchtungen 9 im Bereich des Kontaktspaites 8 aufweist (Fig. 3). Das untere Schaltstück 4 kann auch scheibenförmig ausgebildet rein, und die Wand umgreift das scheibenförmige Schaltstück 3 topfförmig und bildet hierbei den Spalt 10. Die topfförmig J zylindrische Wand 5 ist herbei an der Elektrode 2 befestigt (F i g. 4).

Mit der erfindungsgemäßen Schaltslückanordnung wird gegenüber den bekannten und für andere Einsatzzwecke und andere Lichtbogencharakteristike ausgebildete Schaltstückanordnungen erreicht, daß

— die parallelen KatodenfuBpunkte und damit die Teillichtbögen in dem engen Kontaktspalt 8 bleiben und durch den entstehenden größeren Druck in. Kontakispalt wahrend der Entladung ein geringerer Abbrand entsteht, ein wesentlich urnfWrr

Anteil von Schaltstückmaterialdampf nicht mehr siert und damit eine Verbesserung tier Wicderver aus dem Kontaktsp.dt 8 heraustritt, an der festigung der Schiiltstrecke ermöglicht wird.
jeweiligen Anode (Schaltstück 3; 4) niedergeschlagen wird und damit für weitere Schaltungen Insgesamt ist damit eine höhere Schaltstücklcbens wiedergewonnen werden kann; '·■ dauer und somit eine größere Gcsamtlebcnsdauer de durch die größere Kondensationsfläche der Schalt- Vakuumschaltkapscl mit einem geringen Aufwan stückmatcrialdampf ingesamt schneller konden erreichbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltstückanot-dnung für Niederspannungs-Vakuumschütze, bei der die beiden Schaltstücke jeweils als annähernd hol.izylindrische koaxial ineinandergreifende Töpfe ausgebildet sind, von denen der Außendurchmesser des ersten Topfes kleiner ist, als der Innendurchmesser des zweiten Topfes und die äußere Bodenfläche des ersten Topfes die eine und die innere Bodenfläche des zweiten Topfes die andere Kontaktfläche bilden und bei der zum öffnen der Kontakte der ersten Topf in axialer Richtung um den Schalthub verschiebbar ist und die durch axiale Verschiebung des ersten Topfes um den Schalthub voneinander trennbaren Kontaktflächen aus einem anderen Metall bestehen, als die beiden sich jeweils daran anschließenden mit Abstand einander gegenüberliegenden Zylinderwände, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstais J (7) zwischen den beiden Zylinderwänden (5; 6) der beiden Schaltstücke (3:4) gleich oder kleiner als der maximale Schalthub ist und daß das jeweilige Material für die Zylinderwände und die Kontaktflächen so gewählt ist, daß bei maximalem Schalthub die Lichtbogenspannung zwischen den Zylinderwänden größer ist als zwischen den Kontaktflächen.

2. Schaltstückanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Rand der Zylinderwand des ersten Topfes eine Abkröpfung radial nach außen aufweist. jo

3. Schaltstückanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwand (5) des zweiten Topfes hn Bere.ch des Kontaktspaltes (8) zwischen beiden Kontaktflächen eine sich radial nach außen erstreckende / asbuehtung (9) aufweist.

4. Schaltstückanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwände der Schaltstücke aus einem Material mit für den Metalldampf günstigen Kondensationsbedingungen bestehen.