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Kontaktanordnung für Vakuumschalter
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter
mit relativ zueinander beweglichen Topfkontakten, deren hohlzylindrischer, schräggeschlitzter
Kontaktträger mit dem Kontaktboden verbunden ist. Die Kontaktauflagefläche bildet
einen geschlossenen Kontaktring.
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Als Schalter für Mittelspannungsanlagen von beispielsweise 7 bis 36
kV und hohen Stromstärken von vorzugsweise wenigstens einigen kA werden zunehmend
sogenannte Vakuumschalter verwendet, bei denen nach der Trennung der Schaltkontakte
ein Metalldampflichtbogen entsteht.
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Die Gestaltung der relativ zueinander beweglichen Kontakte wird so
gewählt, daß die eigenmagnetischen Kräfte des abzuschaltenden Stromes an den Kontaktauflageflächen
eine Kraftkomponente in azimutaler Richtung bilden, die den Lichtbogen in eine rotierende
Bewegung versetzt. Durch diese Rotation wird bekanntlich der Abbrand der Schaltstücke
vermindert. Die Lichtbogenfußpunkte
bewegen sich während der Rotation
auf Lichtbogenlaufflächen, die zugleich die Auflageflächen der Kontakte bilden können.
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Es sind Kontaktanordnungen für Vakuumschalter mit relativ zueinander
beweglichen Kontakten bekannt, deren Kontaktträger als offener Rotationshohlkörper
in der Form sogenannter Topfkontakte gestaltet sind. Der ringförmige Topfrand bildet
die Auflagefläche der Kontakte.
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Der Kontaktträger ist mit radialen und gegenüber der Rotationsachse
geneigten Schlitzen versehen. Die dadurch entstehenden, etwa spiralförmig verlaufenden
Wandteile ergeben eine Stromrichtung, deren Lorentzkraft den entstehenden Lichtbogen
zwischen den Kontakten rotieren läßt. In einer besonderen Ausführungsform der Kontaktanordnung
können die Kontaktträger auch aus konzentrischen Ringen bestehen (DE-PS 1 196 751).
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Bei dieser bekannten Gestaltung des Kontaktes kann der Lichtbogen
durch Ungleichmäßigkeiten des Abbrandes oder durch Stauchung der Kontakte auch am
Innenrand des Kontaktringes entstehen. Durch die hierbei auftretende Stromverteilung
erhält er eine Kraftkomponente, die radial nach innen gerichtet ist und den Bogen
in die Mittenausdrehung laufen läßt. Somit besteht die Gefahr, daß durch den Wärmestau
das verdampfte Kontaktträgermaterial zum Zeitpunkt des Stromnulldurchganges sich
noch nicht wieder niedergeschlagen hat. Die Folge ist eine Wiederzündung des Lichtbogens.
Bildet sich der Lichtbogen am Außenrand der Kontaktauflagefläche, so wirkt durch
die Stromverteilung in den angrenzenden Bereichen des Kontaktträgers auf den Lichtbogenfußpunkt
eine Lorentzkraft, die radial nach außen gerichtet ist und den Lichtbogenfußpunkt
auf den Außenmantel des Kontaktträgers treiben kann. Die Folge ist eine erhöhte
Einwirkung des Lichtbogens auf den Dampfschirm, der im
allgemeinen
in einem vorbestimmten Abstand um die Kontakte koaxial zur Rotationsachse angeordnet
ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumschalter
zu schaffen, bei dem diese ungünstigen Wirkungen vermieden werden. Insbesondere
sollen die Lichtbogenfußpunkte nur auf den Kontaktauflageflächen rotieren können.
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Es ist ferner ein Vakuum-Schaltkontakt bekannt, der als flacher Topf
gestaltet ist, dessen Topfrand die Kontaktauflagefläche bildet. Der Topfrand ist
geschlitzt und kann außen oder innen mit einem Flansch versehen sein, der radial
nach außen bzw. nach innen mit einer Abschrägung versehen ist und Jeweils als Abbrandbereich
dient (GB-PS 1 098 862).
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Die genannte Aufgabe wird nun bei einer Kontaktanordnung der eingangs
erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens eine der einander zugewandten
Kontaktringoberflächen radial nach innen und/oder nach außen mit einer Abschrägung
versehen sind. Im allgemeinen ist der Rand der Topfkontakte mit einem besonderen
Kontaktring versehen, der aus einem Material mit hoher Temperaturbeständigkeit und
hoher Abbrandfestigkeit sowie hoher mechanischer Festigkeit besteht.
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Solche Eigenschaften haben beispielsweise Sinterwerkstoffe, die Chrom
und Kupfer als wesentliche Bestandteile enthalten.
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Wird dieser Kontaktring mit einer radial nach innen verlaufenden Abschrägung
versehen, so kann der Lichtbogenfußpunkt nicht mehr am inneren Rand des Kontaktträgers
entstehen, und eine radial nach innen gerichtete Komponente auf den Lichtbogen wird
weitgehend vermieden.
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Vorzugsweise erhält der Kontaktring eine Abschrägung
sowohl
nach innen als auch nach außen, damit beim Abheben der Kontakte bereits eine etwa
symmetrische Stromverteilung in den angrenzenden Bereichen der Kontaktträger gebildet
wird. Mit dieser Stromverteilung rotiert der Lichtbogen auf der Kontaktauflagefläche.
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Außerdem erhält man mit dieser Ausfihrungsform einen erhöhten Kontaktdruck
durch die gegenüber der Breite des Kontaktträgers entsprechend verminderte Auflagefläche.
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In einer weiteren Ausführungsform der Topfkontakte, deren Kontaktträger
mit gegenüber der Achsrichtung der Kontakte geneigten Schlitzen versehen sind, ist
die Neigung der Schlitze so gewählt, daß sich die axialen Segmentstirnflächen Jeweils
des gleichen Segments nicht überlappen. Durch diese Gestaltung ist sichergestellt,
daß eine Komponente des Stromes bei seinem Durchtritt durch das Segment vom Kontaktboden
zum Kontaktring in axialer Richtung ausgeschlossen ist.
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Der Kontaktring kann vorzugsweise aus einer metallgetränkten Metallmatrix
bestehen. In Verbindung mit diesem Material des Kontaktringes wird dann ein Material
für den Kontaktträger gewählt, das wenigstens im wesentlichen aus dem Tränkmetall
des Kontaktringes besteht. In dieser Ausführungsform kann beispielsweise der Kontaktring
aus einer Chrom-Kupfer-Matrix und der Kontaktträger aus Kupfer bestehen.
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In einer besonderen Ausführungsform des Kontaktes ist die elektrische
Leitfähigkeit des Kontaktringes wesentlich geringer, vorzugsweise um mindestens
den Faktor 3, als die Leitfähigkeit des Kontaktträgers. Der Kontaktring kann auf
dem Kontaktträger mit einem Hartlot befestigt werden, das beispielsweise aus einem
Silber-Kupfer-Eutektikum bestehen kann.
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Eine abweichende, einfach herzustellende AusfUhrungsform des Kontaktes
mit den gleichen Eigenschaften erhält man dadurch, daß der Kontaktträger mit dem
Kontaktring im gleichen Arbeitsgang durch sogenanntes Hintergießen hergestellt wird.
Anschließend wird der Kontaktring mit dem Kontaktträger mit dem genannten Hartlot
auf dem Kontaktboden befestigt. Die Hartlotschicht befindet sich dann zwischen dem
Boden des Topfkontaktes und dem Kontaktträger. Der hohlzylindrische Kontaktträger
entsteht dadurch, daß beim Tränken des Matrix-Metalls Chrom des Kontaktringes mit
dem Tränkmetall Kupfer gleichzeitig wenigstens teilweise auch der Kontaktträger
aus dem Tränkmetall Kupfer durch das Hintergießen hergestellt wird. Eine Widerstandserhöhung
des Kontaktringes im Vergleich zum Kontaktträger erhält man auch durch einen erhöhten
Gehalt des Kontaktringes an geeigneten Zusätzen, beispielsweise Eisen bis zu etwa
15 % oder Kobalt bis zu etwa 20 % oder auch einen Zusatz von Eisen und Kobalt.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in deren Figur 1 eine Kontaktanordnung nach dem Stand der Technik schematisch
veranschaulicht ist. Die Figuren 2 und 3 zeigen Jeweils einen Schnitt durch eine
Ausführungsform der Kontaktanordnung nach der Erfindung.
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In der bekannten Ausführungsform einer Kontaktanordnung für Vakuumschalter
nach Figur 1 sind zwei Kontakte 2 und 4, die als Topfkontakte ausgeführt und jeweils
mit einem ringförmigen Kontaktträger 6 bzw. 8 versehen sind, koaxial zueinander
angeordnet. An dem Boden der Kontakte ist jeweils ein zylinderförmiger Leiter 10
bzw. 12 befestigt, die zur mechanischen Bewegung der Kontakte 6 und 8 und zur Zu-
und Ableitung des zu schaltenden Stromes dienen. Die Kontaktauflageflächen der Kontakte
2
und 4 werden jeweils von einem geschlossenen Kontaktring 14 bzw. 16 gebildet, die
aus einem Material mit hoher Temperaturbeständigkeit, hoher Abbrandfestigkeit und
hoher mechanischer Festigkeit bestehen. Diese Eigenschaften hat beispielsweise ein
Chrom-Kupfer-Sinterwerkstoff. Demgegenüber besteht der Kontaktträger 6 bzw. 8 mit
dem Boden der Kontakte aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit,
beispielsweise Kupfer. Die Kontaktträger 6 und 8 sind mit Schlitzen 18 bzw. 20 versehen,
die gegenüber der Rotationsachse 22 der Kontakte 2 und 4 geneigt sind und durch
ihre Stromrichtung auf einen zwischen den Kontaktringen 14 und 16 entstehenden Lichtbogen
eine azimutal gerichtete magnetische Kraft bewirken, die den Lichtbogen zwischen
den Kontakten rotieren läßt.
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In dieser bekannten Ausführungsform kann nach dem Abheben der Kontakte
ein Lichtbogen 24 beispielsweise in der Nähe des Innenrandes der Kontaktringe 14
und 16 entstehen. Die Stromzuführung und Stromableitung zu dem Lichtbogen 24 ist
in der Figur durch Pfeile 26 bis 28 bzw. 36 bis 38 angedeutet. Die Stromanteile
27 und 37, insbesondere aber die Stromanteile 28 und 38, bilden jeweils eine Stromschleife.
Eine durch die Stromschleife entstehende Lorentzkraft ist bekanntlich so gerichtet,
daß sie die Stromschleife aufzuweiten versucht. Es entsteht somit eine auf den Lichtbogen
24 wirkende Kraft K, die radial nach innen gerichtet ist und die nicht näher bezeichneten
Fußpunkte des Lichtbogens in die Ausnehmung der Kontakte 2 und 4 treiben kann. Die
Lichtbogenfußpunkte führen dort zu einem erhöhten Abbrand.
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In einer Ausführungsform der Kontaktanordnung nach der Erfindung,
wie sie in Figur 2 dargestellt ist, kann deshalb wenigstens einer der Kontakte 2
und 4, beispielsweise der Kontakt 4, mit einer Abschrägung 40 am inneren
Rand
des Kontaktringes 16 versehen sein. Der abgeschrägte Oberflächenteil des Kontaktringes
16 ist dann nicht mehr als Kontaktauflagefläche wirksam. Nach dem Abheben der Kontakte
2 und 4 kann somit der Lichtbogen 24 nur noch in einem vorbestimmten Abstand vom
inneren Rand der Kontaktträger 6 und 8 entstehen. Mit diesem Abstand des Lichtbogens
24 kann eine radial nach innen gerichtete Kraft auf den Lichtbogen nicht mehr ausgeübt
werden.
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Ein Einlaufen des Lichtbogens 24 in die Ausnehmung der Kontakte 2
und 4 ist somit nicht möglich.
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Wesentlich ist für die Schlitze 20 in dieser AusfUhrungsform des Topfkontaktes
das Merkmal, daß sich die in Richtung der Achse 22 bildenden Stirnflächen der Segmente,
die in der Figur beispielsweise für eines der entstehenden Segmente mit S1 und S2
bezeichnet sind, in azimutaler Richtung nicht überlappen. Die Schrägung der Schlitze
wird somit so gewählt, daß beispielsweise ein in der Figur mit 120 bezeichneter
Schlitz an der oberen Stirnfläche des Kontaktträgers 8 unterhalb des Kontaktringes
16 an einer Stelle beginnt, an der, in Achsrichtung von oben nach unten gesehen,
ein weiterer Schlitz 122 durch den Kontaktträger 8 hindurchgeführt ist. Der Schlitz
120 endet an der unteren Stirnfläche des Kontaktträgers 8, das heißt an der Grenzfläche
zum Kontaktboden an einer Stelle, an welcher der Kontaktträger 8 in Achsrichtung
nach oben gesehen mit einem weiteren Schlitz 124 versehen ist, wie es in der Figur
durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet ist. Durch diese Gestaltung des Kontaktträgers
8 ist sichergestellt, daß der vom Kontaktboden 9 beispielsweise durch die Stirnfläche
S1 in das Segment 121 eintretende Strom im Segment eine azimutale Komponente erhält.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Kontaktanordnung nach Figur
3 wird sowohl der innere Rand der Kon-
taktringe 14 und 16 jeweils
mit einer Abschrägung 40 bzw. 42 als auch der äußere Rand mit einer etwa gleichen
Abschrägung 44 bzw. 46 versehen. In dieser AusfUhrungsform der Kontakte kann der
Lichtbogen 24 nur in dem durch die Auflageflächen gebildeten zentralen Teil des
Topfrandes der Kontakte 2 und 4 entstehen und er erhält durch die mit den Pfeilen
51 bis 56 angedeutete, wenigstens annähernd symmetrische Stromverteilung in den
an die Auflageflächen angrenzenden Teilen der Kontaktringe 14 und 16 sowie der Kontaktträger
weder eine maßgebliche Kraftkomponente radial nach innen noch nach außen. Um den
Einfluß einer radialen Stromkomponente im Boden 9 der Kontakte 4 und 6 auf den entstehenden
Lichtbogen 24 zu vermindern, kann die Höhe H der Kontaktträger 6 und 8 wenigstens
so groß wie ihre Breite B gewählt werden.
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In einer besonderen Ausführungsform der Kontaktanordnung nach Figur
3 können die Kontaktträger mit koaxial zur Rotationsachse 22 verlaufenden Schlitzen
61 bis 64 bzw.
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65 bis 68 versehen sein, die auch mit einem Material mit geringer
elektrischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit gefüllt sein können.
In dieser Ausführungsform bestehen somit die Kontaktträger aus koaxial zueinander
angeordneten Hohlzylindern 71 bis 75 bzw. 76 bis 80. Der Verlauf der Stromanteile
51 bis 53 bzw. 54 bis 56 in den Kontaktträgern ist somit wenigstens annähernd parallel
zur Rotationsachse 22. Durch den höheren elektrischen Widerstand des Materials der
Kontaktringe 14 und 16 im Vergleich zum Widerstand des Kontaktträgers sind die Stromanteile
51 und 53 sowie 54 und 56 mit ihrem verhältnismäßig langen Stromweg innerhalb der
Kontaktringe 14 und 16 wesentlich geringer als der Stromanteil 52 bzw. 55, der durch
die Kontaktringe 14 und 16 im wesentlichen senkrecht hindachtritt. Der Lichtbogen
24 hat somit keine Veranlassung, den Raum zwischen den Kontaktauflageflächen zu
verlassen.
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Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, den Kontaktträger 8 mit dem
Kontaktboden 9 aus dem gleichen Material herzustellen. Die Schlitze werden dann
so geführt, daß sie nicht nur den Kontaktträger 8, sondern auch noch wenigstens
einen Teil des Kontaktbodens 9 durchsetzen. In dieser Ausführungsform des Topfkontaktes
ist gewährleistet, daß der Strom beim Durchtritt vom Anschlußleiter über den Kontaktboden
und den Kontaktträger zum Kontaktring eine ausreichende Kraftkomponente in azimutaler
Richtung erhält, die den zwischen den Kontakten beim Öffnen entstehenden Lichtbogen
antreibt und rotieren läßt.
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10 Patentansprüche 3 Figuren
Zusammenfassung Kontaktanordnung
für Vakuumschalter Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter
mit Topfkontakten, deren Kontaktträger mit Schlitzen versehen sind und deren Kontaktauflageflächen
einen geschlossenen Ring bilden. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine der einander
zugewandten Oberflächen der Kontaktringe (14, 16) radial nach innen und/oder nach
außen mit einer Abschrägung (40, 42, 44, 46) versehen. Diese Gestaltung hat den
Vorteil, daß die Lichtbogenfußpunkte auf den Kontaktauflageflächen stabilisiert
werden.
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(Figur 3)
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