DE2852414C2 - Elektrischer Vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Vakuumschalter, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

Aus der DE-OS 19 65 827 ist ein derartiger, koaxial aufgebauter Vakuumschalter bekannt, dessen in einer Achse liegende Leiterstäbe auf ihren einander zugewandten Seiten tellerförmige Kontaktstücke tragen, die durch axiale Verschiebung eines der beiden Leiterstäbe zum Schließen des Schalters zusammendrückbar und zum öffnen des Schalters auseinander bewegbar sind. Auf der Vorderseite sind die beiden Kontaktstücke jeweils mit einem erhöhten umlaufenden Rand ausgebildet, über welchen der Kontaktschluß erfolgt. Auf der Rückseite jedes Kontaktstückes sind mehrere spiralförmige ferromagnetische Körper um den jeweiligen Kontaktstab herum angeordnet, die beim Trennen der Kontaktstücke (Öffnen des Vakuumschalters) das durch den Schalterstrom hervorgerufene Magnetfeld so verformen, daß es quer zur Lichtbogenachse verläuft und den sich zwischen den Kontaktstücken ausbildenden Lichtbogen nach außen auf die verstärkten Ränder der KontaktstQcke ableitet

Ein Vakuumschalter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art ist auch aus der NL-OS 76 Ot 084 bekannt Hier wird in der Trennstrecke zwischen den Kontaktstücken jedoch kein radiales, sondern ein axiales Magnetfeld erzeugt, das eine erhebliche Verbesserung des Abschaltvermögens bringt Das axiale Magnetfeld wird erzeugt durch zwei spiralförmige Spulen, die mit den Korrtaktstücken

ίο elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Spulen liegen beiderseits der Berührungsebene der Kontaktstücke und sind im Sinne der Erzeugung des gewünschten axialen Magnetfeldes in dieser Berührungsebene gewikkelt wenn sie vom Schalterstrom durchflossen werden.

is Dieser Schalterstrom erzeugt aber infolge des Spulen-Widerstandes ständig Wärme, und durch diese Wärme wird der maximal zulässige Dauerstrom begrenzt welcher durch den Schalter fließen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zur Ausbildung eines axialen Magnetfeldes zwischen den Kontaktstücken eines derartigen Schalters anzugeben, bei welchen keine unerwünschte Verlustwärme infolge des Schalterstroms erzeugt wird. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Weiterbildungen und spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet Bei dem Vakuumschalter gemäß der Erfindung ist

also auf beiden Seiten der Berührungsebene zwischen den Kontaktstücken in der Nähe dieser Tangentialebene jeder eines der Kontaktstücke tragende Leiterstab teilweise von mindestens einem etwa ringförmigen Körper aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität umgeben; jeder dieser Körper enthält außerdem einen Teil geringer magnetischer Permeabilität und die beiden Körper sind so orientiert, daß diese Teile sich gerade an entgegengesetzten Stellen befinden. Die Anordnung ist insbesondere so getroffer., daß jeder Körper beim Fließen eines Stromes durch den

-to Schalter magnetisiert wird und die avs jedem Körper in Richtung auf die Berührungsebene zwischen den Kontaktstücken austretenden Flußiinien im wesentlichen hinüber zu dem gegenüberliegenden Körper verlaufen. Wenn ein Strom durch die Kontaktstücke fließt und ein Magnetfeld um sie herum erzeugt, dann fließt ein großer Teil dieses Magnetfeldes als Magnetfluß durch die hochpermeablen Körper. Wegen des Teiles niedriger Permeabilität in jedem durch einen dieser Körper um ein Kontaktstück gebildeten Magnetkreises tritt dann ein großer Teil der Flußlinien zu dem auf der entgegengesetzten Seite der Berührungsebene zwischen den Kontaktstücken gelegenen Körper über, wenn der Abstand zwischen diesen Körpern genügend klein ist. Zwischen den Kontaktstücken wird daher auf diese Weise ein hauptsächlich axial gerichtetes Magnetfeld erzeugt, das die gleiche Wirkung hat, wie das im bei dem bekannten Falle durch die Spulen erzeugte axiale Magnetfeld.
Die Körper sind vorzugsweise U-förmig, so daß sie auf die Leiter- oder Anschlußstäbe des Schalters aufgeschoben werden können. Der Abstand zwischen den Schenkeln solcher U-förmiger Körper ist dann vorteilhafterweise gleich dem Außendurchmesser der Leiterstäbe.

Der Teil niedriger Permeabilität dieser Körper wird durch den Luftspalt zwischen den freien Enden der Schenkel der U-förmigen Körper gebildet. Dieser Teil kann auch vorteilhafterweise mit einem elektrisch gut

leitfähigen immagnetisehen Material, wie Kupfer, ausgefüllt werden, was die Bogenlöscbwirkung weiter verbessert. Dies läßt sich durch Wirbelströme erklären, die durch das Magnetfeld in dem Kupferstück erzeugt werden und ihrerseits ein Magnetfeld entstehen lassen, das dem ursprünglichen Feld entgegengesetzt gerichtet ist

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Schnittansicht eines Vakuumschalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit aufgeschnittenem Gehäuse;

F i g. 2 eine Seitenansicht von Kontaktstücken, die mit U-förmigen Jochen versehen sind;

Fig.3 eine Darstellung eines scheibenförmigen Kontaktstückes gesehen in Richtung der Pfeile III-II1 in F ig. 2;

Fig.4 eine graphische Darstellung der Magnetfeldstärke oder magnetischen Induktion zwischen den scheibenförmigen Kontaktstücken in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Mitten der Kontaktstücke und

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Strc:n/Spannungs-Kennlinie eines Schalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Der in F i g. 1 dargestellte Vakuumschalter hat ein evakuiertes Gehäuse aus einem zylindrischen Metallteil 5, dessen beide Enden durch scheibenförmige Isolatoren 6 und 7 geschlossen sind. In dem evakuierten Gehäuse befinden sich zwei scheibenförmige Kontaktstücke 1 und 2, die an Kontakt- oder Leiterstäben 3 bzw. 4 angebracht sind. Der Leiterstab 3 ist fest mit dem Isolator 7 verbunden während der Leiterstab 4 mit dem Kontaktstück 2 mit dem Isolator 6 durch einen flexiblen Balgen 8 verbunden ist, so daß er auf das Kontaktstück 1 zu und von ihm weg beweglich ist. In F i g. 1 ist der Schalter in Schließstellung dargestellt, bei der sich die Kontaktstücke 1 und 2 einer Tangentialebene 9 berühren.

In einem relativ kleinen Abstand von dieser Tangentialebene 9 sind auf beiden Seiten dieser Tangentialebene U-förmige Joche 10 und 11 auf den Leiterstäben 3 und 4 angeordnet. Die Joche 10 und 11 bestehen aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Joche jeweils näherungsweise die Form eines breiten Ringes und körnen beispielsweise aus Weicheisen bestehen. Die Joche können massiv oder laminiert sein, letzteres wird im Falle von Wechselstrom bevorzugt Jeder Jochring hat einen Innendurchmesser, der etwas größer ist als der betreffende Leiterstab 3 bzw. 4. Der Außendurchmesser der Joche is' bei diesem Ausführungsbeispiel gleich dem Außendurchmesser der scheibenförmigen Kontaktstükke 1 und 2. Die Joche 10 und U haben ferner jeweils einen Luftspalt 12 bzw. 13 zwischen ihren Schenkeln. Der Luftspalt hat zwischen der Außenseite und der Innenseite eine konstante Breite die gleich dem Innendurchmesser des Ringes ist Die Joche sind auf den zugehörigen Kontaktstab aufgeschoben bis sie an diesem anliegen.

Die Joche liegen in im wesentlichen parallelen Ebenen (siehe auch F i g. 2) so nahe wie möglich bei der Tangentialebene 9 und sie liegen an den scheibenförmigen Kontaktstücken 1 und 2 an. Die Richtung des offenen Endes oder der Schenkel des ersten Joches ist vorzugsweise der Richtung der Schenkel des zweiten Joches entgegengesetzt. Mit anderen Worten gesagt, soll in Axialrichtung gesehen der massive oder durchgehende Teil des ersten Joches zumindest teilweise die öffnung zwischen den Enden der Schenke! des zweiten Joches überlappen.

In den F i g. 1 bis 3 sind ferner die magnetischen Flußlinien dargestellt, die auftreten, wenn ein elektrischer Strom durch den Schalter fließt Das von dem den Schalter durchfließenden Strom erzeugten Magnetfeld wird wegen der hohen magnetischen Permeabilität der

to Joche 10 und 11 zum Teil in diesen konzentriert In Kombination mit den Luftspalten 12 und 13 zwischen den offenen Enden der Schenkel bilden die Joche 10 und 11 auf den jeweiligen Seiten der Tangentialebene jeweils einen Magnetkreis, der zum Teil um den Kontaktstab verläuft Die Luftspalte 12 und 13 haben, zumindest solang die Kontaktstücke einander berühren, eine größere Weite als der Abstand zwischen den Jochen auf den beiden Seiten der Tangentialebene 9, gerechnet in axialer Richtung. Die magnetischen Flußlinien werden daher eher zu dem Joch auf der anderen Seite der Tangentialebene übrrgehen als zum gegenüberliegenden Schenke! des eigenen (oches. Diese Verhältnisse sind in F i g. 1 deutlich zu sehen. Der Übergang der Flußlinien tritt nicht nur am Ort des Luftspaltes ein, vielmehr wird der überwiegende Teil der Flußlinien wegen des anfänglich kleinen Abstandes zwischen den Jochen zwischen deren parallelen Schenkeln verlaufen, die entgegengesetzt gerichtet sind und einander axial gegenüber liegen. Diese Verhältnisse sind insbesondere in F i g. 3 dargestellt. Die Punkte und Kreuze bezeichnen Flußlinien, die senkrecht zur Zeichenebene verlaufen. Wie ersichtlich, tritt nur ein kleiner Teil der Flußlinien am Ort der Luftspalte selbst über, der durch die gestrichene Achse angedeutet ist Die Kreuze rechts in F i g. 3 bedeuten Flußlinien, die in die Zeichenebene hineingerichtet sind während die Punkte auf der linken Seite Flußlinien bedeuten, die aus der Zeichenebene austreten. Die Richtung der Flußlinien ist auch in Fig.2 dargestellt, in der die Kontaktstücke in einer Lage dargestellt sind, in der sie sich bereits um eine gewisse Strecke voneinander getrennt haben.

Fig.4 zeigt graphisch den bei Stromdurchgang Verlauf der Dichte des Magnetfeldes, das durch die Joche am Ort der Tangentialebene erzeugt wird, in Abhängigkeit vom Radius in verschiedenen Ebenen, welcher in Fig.3 durch Pfeile 1, II bzw. III dargestellt sind. In Fig.4 ist längs der Abszisse der Abstand von der Mitte der scheibenförmigen Kontaktstücke in Millimeter und längs der Ordinate die magnetische Induktion in Tesla aufgetragen. Offensichtlich ist die Dichte des Magnetfeldes am höchsten im Bereich einer Position entsprechend dem Pfeil I. Dies entspricht den Erwartungen, da der Einfluß der Teile niedriger Permeabilität in diesem Bereich am geringsten ist. Die Messungen wurden mit einem Wechselstrom von 1800 Ampere durchgeführt. Die römischen Zahiien ohne Akzent bezeichnen Kurven, die mit 3 mm dicken Kontaktstücken gemessen wurden, während die römisehen Zahlen mit Λ kzent Kurven bezeichnen, die mit I mm dicken Kontaktstücken gemessen wurden. Die Dicke der scheibenförmigen Kontaktstücke hai also einen erheblichen Einfluß auf die Stärke do entstehenden magnetischen Feldes. Auch der Ort des Maximums

μ hängt von der Dicke der Kontaktstücke ab.

Die Messungen, d ;ren Ergebnisse in Fig.4 dargestellt sind, wurden mit Jochen durchgeführt, deren Außenseite zylindrisch war. Die Erfindung ist jedoch

nicht auf Joche solcher Formen beschränkt, der Verlauf der Kurven gemäß F i g. 4 wird jedoch auch etwas durch die Form der U-förniigen Joche beeinflußt.

Aus Fig.4 ist ferner ersichtlich, daß ein schwaches Magnetfeld nur im Bereich des Pfeiles III (Fig. 3) auftritt, d. h. in dem Bereich der Tangentialebene zwischen den Kontaktstücken, der parallel zu dem Zwischenraum zwischen den Schenkeln der Joche verläuft. Im Hauptteil der Tangentialebene und dem Zwischenraum zwischen den scheibenförmigen Konlaktstücken treten Flußlinien und damit ein mehr oder weniger starkes magnetisches Feld auf, wenn die Kontaktstiicke in bezug aufeinander bewegt werden. Wie bei dem oben erwähnten bekannten Schalter hat dies eine erhebliche Verbesserung des Abschalt- oder Unterbrechungsvermögens des vorliegenden Schalters zur Folge.

Bei der weiteren Trennung der Kontaktstiicke 1 und 2 und damit der Joche 10 und ti voneinander wird die

und dem entsprechend auch zwischen den scheibenförmigen Kontaktstücken infolge des zunehmenden Abstandes kleiner während gleichzeitig die Stärke des Feldes zwischen den beiden Schenkeln jedes Joches zunimmt. Die scheibenförmigen Kontaktstiicke und die Joche kennen jedoch leicht derart gebaut und angeordnet werden, daß während des wesentlichen Teiles des Trenn- oder Öffnungsvorganges des Schalters ein ausreichend starkes axial gerichtetes Magnetfeld verbleibt. Dies gilt insbesondere für einen Schalter mit den Abmessungen gemäß F i g. 2, die maßstabsgerechtgezeichnet ist. Die Leiterstäbe 2und 4 haben einen ^r> Durchmesser von 25 mm und die scheibenförmigen Kontaktstücke heben einen Durchmesser von 60 mm sowie eine Dicke von 2 mm. Selbst wenn der Abstand zwischen den Jochen beim öffniingsvorgang schon 16 mm beträgt, herrscht zwischen den Jochen 10 und 11

ίο immer noch ein axiales Magnetfeld ausreichender Stärke.

Bei Versuchen mit Schultern gemäß der Erfindung wurde gefunden, daß die Bogenspannung der vorliegenden Schalter beträchtlich verbessert wird.

π In dem Diagramm gemäß Fig. 5 sind längs der Ordinate die maximale Bogenspannung in Volt und längs der Abszisse der unterbrochene Strom in Kiloampere aufgetragen. Die Kurve A gilt für einen Schalter ohne longitudinales Magnetfeld während die

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dem ein longitudinal Magnetfeld durch U-förmige )och erzeugt wird. Aus F i g. 5 ist ersichtlich, daß man mit dem Schalter gemäß der Erfindung noch Ströme von etwa 30 kA unterbrechen kann während ein y, Schalter ohne solche Joche Ströme von mehr als 15 kA nicht mehr zuverlässig zu unterbrechen vermag.

In Fig. I sind Einsätze zum Ausfüllen der Luftspalte 12 und J3 strichpunktiert dargestellt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Vakuumschalter mit zwei an in einer Achse liegenden Leiterstäben angeordneten Kontaktstücken, die zum Schließen und öffnen des Schalters relativ zueinander bewegbar sind und in der Schließstellung eine senkrecht zur Leiterstabachse verlaufende Berührungsebene definieren, und mit beiderseits dieser Berührungsebene bei dem jeweiligen Kontaktstück um die Leiterstäbe herum angeordneten ferromagnetischen hochpermeablen Körpern, welche das durch den Schalterstrom hervorgerufene Magnetfeld zur Beeinflussung des zwischen den Kontaktstücken auftretenden Öffnungslichtbogens verformen, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kontaktstück (1, 2) einer der im wesentlichen ringförmig mit einem durchgehenden sich radial erstreckenden Spalt (12) ausgebildeten ferromagnetischen Körper (10, 11) zugeordnet ist, der im Spaltbereich eine niedrigere Permeabilität aufweist und der zur jeweiligen Leiterstabachse koaxial angeordnet und so ausgerichtet ist, daß der Spaltbereich (12) des einen Körpers (10) einem Bereich hoher Permeabilität des anderen Körpers (11) gegenüberliegt.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt als Luftspalt ausgebildet ist

3. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt mit einem elektrisch gut leitenden Material (12,13) gefüllt ist.

4. Vakuumschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring einen rechteckigen Querschnitt aufweist

5. Vakuumschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite o«.s Spalts gleich dem Innendurchmesser des Ringes ist.

6. Vakuumschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Körper (10,11) aus Weicheisen bestehen.

7. Vakuumschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (10,11) laminiert sind.