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Vakuumschalter
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Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter, insbesondere für Hochspannungj
mit mindestens einem Schalterpol, in dessen evakuierter Schaltkammer ein in axialer
Richtung beweglicher sowie ein feststehender Schaltkontakt angeordnet ist und bei
dem Maßnahmen getroffen sind, im Bereich der Schaltkontakte ein axial (in Pollängsrichtung)
gerichtetes Magnetfeld zu erzeugen.
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Ein solcher Schalter geht aus der DE-AS 2 707 148 als bekannthervor.
Hier hat man versucht, ein axiales Magnetfeld durch eine Spule zu erzeugen, die
konzentrisch zu den Schaltkontakten angeordnet ist und vom Ausschaltstrom durchflossen
wird. Diese Einrichtung ist aufwendig.
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Ein axiales Magnetfeld wird bei Vakuumleistungsschaltern allgemein
angestrebt. Es führt dazu, daß der Lichtbogen bis zu großen Stromaugenblickswerten
aus zahlreichen parallelen Lichtbögen in Form einer diffusen Entladung mit geringer
Lichtbogenspannung besteht. Dadurch bleibt die Kontakterosion gering, und der Schaltlichtbogen
ist nicht gehindert, die gesamte Schaltkontaktoberfläche auszunutzen.
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Radiale Anteile des Lichtbogens werden außerdem in eine Rotationsbewegung
um die Pollängsachse gezwungen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit einfachen
Mitteln
ein solches axiales Magnetfeld zu erzeugen und störende Magnetfelder benachbarter
Leiter weitestgehend zu vermeiden sowie eine gleichmäßige Abnutzung der Schaltkontaktoberfläche
sicherzustellen.
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Erfindungsgemäß wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
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Die bisher als störend empfundenen Magnetfelder der benachbarten Leiter
und/oder der Stromzuleitungen werden nunmehr in vorteilhafter Weise dafür eingesetzt,
das gewünschte axiale Magnetfeld zu erzeugen.
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Bei einem Schalter mit einem einzigen Pol gelingt dies dadurch1 daß
dessen Stromzuleitungen annähernd quer zur Pollängsachse an gegenüberliegenden Seiten
des Poles vorbeigeführt sind.
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Bei Schaltern mit mehreren Schalterpolen werden deren Pole in parallelen
Ebenen ausgeschwenkt, so daß zwischen benachbarten Längsachsen ein Winkel gebildet
ist. Der beste Erfolg stellt sich hierbei bei einem Winkel von 90 ein, aber auch
schon bei geringeren Anstellwinkeln ist ein axiales Magnetfeld wirksam.
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Es ist zweckmäßig durch besondere Maßnahmen dafür zu sorgen, daß der
Schaltlichtbogen auf der Schaltkontaktoberfläche rotiert. Eine einfache Methode
dies zu erreichen, wird darin gesehen, die Schaltkontakte mit konischen ineinandergreifenden
Flanken, welche in einem Winkel zur Pollängsachse nach außen weggeführt sind, auszustatten.
Hierdurch wird der zwischen den Flanken sich ausbildende Lichtbogen in eine radiale
Ebene getrieben, und die Stromkräfte des axial gerichteten Magnetfeldes bewirken
dann die gewünschte Rotation.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung werden nachfolgend
bei der Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele wiedergegeben.
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In der Fig. 1 ist die Anordnung der Schalterpole eines Drehstromschalters
in Seitenansicht dargestellt. Der Einfachheit halber ist die Darstellung nur auf
die Polanordnung beschränkt; andere Teile des Schalters sind fortgelassen worden.
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Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht der Anordnung nach Fig. 1.
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Es ist zu erkennen, daß die Schalterpole nicht wie üblich achsparallel
nebeneinander angeordnet sind, sondern die Längsachsen der jeweils benachbarten
Pole in einem Winkel zueinander geneigt angebracht sind. So ist der Winkel OC zwischen
den Polen T, S sowie S, R jeweils 900. Die beiden äußeren Pole T und R eines dreiphasigen
Schalters können ihre parallelen Längsachsen beibehalten, wenn nur der mittlere
Pol S ausgeschwenkt ist.
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Das magnetische Feld, das in der geschilderten Anordnung bei 0 einem
Polwinkel von 90° auf den jeweiligen Nachbarpol einwirkt, ist in Fig. 3 gezeigt.
Man erkennt, daß im Zwischen raum zwischen den geöffneten Schalterkontakten des
Poles R ein annähernd homogenes axiales Magnetfeld entsteht.
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Die gegenseitige Beeinflussung der außenliegenden Pole R und T kann
vernachlässigt werden.
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Bei der gezeigten Anordnung besteht auch bei kleinen Polabständen
nicht die Gefahr einer einseitigen starken Schaltkontakterosion, die ein vermindertes
Ausschaltvermögen bewirkt, da der Lichtbogen nicht an der Rotation gehindert wird.
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Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 4 eine schädliche Kraftwirkung K auf
den Lichtbogen L bei bekannter achsparalleler Anordnung der Schalterpole. Hier wird
der Lichtbogen nach außen gedrängt und an einer Rotation gehindert. Mit I ist die
Richtung des Stromes angedeutet.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat auch dielektrische Vorteile. Die
Entfernung zwischen den metallischen Deckeln an beiden Enden.einer Vakuumröhre wird,
wie Figur 1 zeigt wesentlich größer als bei achsparalleler Anordnung. Dadurch wird
die Überschlagspannung zwischen zwei Polen größer, und es sind deshalb engere Polabstände
möglich. An der engsten Stelle zwischen zwei benachbarten Polen wird die im allgemeinen
benutzte Luftisolation verstärkt durch die beiden Gehäuse, die meist aus Porzellan
hergestellt sind, und die Vakuumräume der beiden Vakuumröhren selbst.
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Die Erfindung ermöglicht es also, aus Gründen des größeren Ausschaltvermögens
und der größeren Spannungsfestigkeit wesentlich kleinere Polaittenabstände zu wählen
als bei achsparalleler Anordnung der Polteile.
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Beim dreipoligen Kurzschluß im Drehstromnetz ist das axiale Magnetfeld
gemäß der Erfindung um 1200 elektrisch gegenüber dem zu beeinflussenden Lichtbogenstrom
phasenverschoben.
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Dies gilt für die erstlöschende Phase. Der dreipolige Kurzschluß geht
dann kurzfristig über in einen zweipoligen Kurzschluß, bei dem dann kein Phasenunterschied
mehr vorhanden ist und deshalb die Wirkung des axialen Magnetfeldes maximal ist.
Für die beiden letztlöschenden Phasen ist deshalb die Erosionswirkung besonders
gering, und die Löschbedingungen sind besonders günstig. Dies ist vorteilhaft, weil
für die beiden letztlöschenden Phasen die Lichtbogenarbeit größer und deshalb eine
ausbleibende Lichtbogenlöschung, d.h. ein Versagen des Schalters bei zu hohem Ausschaltstrom,
eher möglich ist als bei der erstlöschenden Phase.
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Bei einpoligen Vakuumschaltern kann erfindungsgemäß ein axiales Magnetfeld
dadurch erzeugt werden, daß die Stromzu führungen in einem Winkel zur Längsachse
der Vakuumröhre in der Nähe dieser Röhre vorbeigeführt werden. Optimal ist auch
hier ein Winkel von 900. Figur 5 zeigt als Beispiel eine solche Anordnung. Der Pol
ist hier in Richtung der Längsachse gezeichnet. Die beiden Stromzuführungsleiter
1, 2 zu beiden Seiten der Röhre sind so angeordnet, daß sie etwa in der gleichen
Ebene wie der Zwischenraum zwischen den geöffneten Kontakten liegen.
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Allgemein ist zu empfehlen,Stromzuführungen bei ein- und mehrpoligen
Vakuumschaltern zweckmäßigerweise so zu verlegen, daß ein störender Einfluß des
Magnetfeldes der Zuführungen möglichst vermieden wird. Dazu ist es beispielsweise
erforderlich, bei vertikaler Anordnung der Vakuumröhren den Abstand horizontal verlaufender
Zuführungen von den Elektroden ausreichend groß zu wählen.
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Um die Rotation des Lichtbogens in einem axialen Magnetfeld hervorzurufen
oder zu verstärken, ist es möglich, an Stelle der üblichen gleichartig geformten
Kontaktpaare einer Vakuumröhre unterschiedlich geformte Kontakte zu verwenden. Günstig
ist es, wenn das eine Kontaktstück einen kleinen und das zweite Kontaktstück einen
größeren Durchmesser hat und so geformt ist, daß der Lichtbogen teilweise in radialer
Richtung verläuft.
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Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der Zwischenraum zwischen den
geöffneten Kontakten konisch ausgebildet ist und nicht, wie bei Vakuumschaltern
sonst üblich, in einer senkrecht zur Längsachse verlaufenden Ebene liegt. Die Formgebung
der beiden Elektrodenoberflächen ist entweder so möglich, daß sich im geschlossenen
Zustand die Konusflächen berühren (Figur 6) oder daß sie sich nicht berühren und
dafür der Stromübergang an zwei Flächen im Zentrum der beiden Elektroden erfolgt
(Figur 7). Im ersten Fall erfolgt die Materialerosion durch den Lichtbogen L an
den gleichen Stellen, an denen der Stromübergang im geschlossenen Zustand der Kontakte
vor sich geht. Im zweiten Fall fließt der Strom über zwei Kontaktflächen, die durch
den Lichtbogen L praktisch nicht erodiert werden, da hier nach dem Öffnen der Abstand
größer ist als im Konusbereich.
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Bei den beiden neuartigen Elektrodenformen liegt der Fußpunkt des
Lichtbogens an der kleineren Elektrode näher an der Mittelachse als der Fußpunkt
dieses Lichtbogens an der größeren Elektrode. Die Stromkräfte eines axial gerichteten
Magnetfeldes bewirken dann, daß der teilweise radial verlaufende Lichtbogen L wie
die Speichen eines Rades um die Mittelachse rotiert. Dadurch wird die Erosion der
Elektrodenoberflächen vergleichmäßigt und insgesamt vermindert.
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Leistungsschalter werden vor allem aus Wartungsgründen häufig fahrbar
auf Schaltwagen verwendet. Durch das Herausfahren wird an den Einfahrkontakten eine
sichtbare Trennstrecke geschaffen. Dadurch ist in den Anlagen dann kein
zusätzlicher
Trennschalter erforderlich. Bei Vakuum-Leistungsschaltern ist die Ausfahrbarkeit
nicht unbedingt notwendig, da die Vakuumröhren praktisch wartungsfrei sind.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung kann eine Trennstrecke auch dadurch
gebildet werden, daß die Vakuumröhren an einem Ende drehgelenkig gelagert sind und
ein am anderen Ende angebrachtes Kontaktstück aus einem feststehenden Gegenkontakt
herausgezogen wird. Figur 8 zeigt eine solche Lösung mit Messerkontakten 3, 4. Die
Isolierstützer und der Antrieb sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeichnet.
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Die Drehbewegung könnte von dem feststehenden Antrieb des Vakuumschalters
durch entsprechende Zusatzeinrichtungen ausgeführt und mechanisch so verriegelt
werden, daß die Trennbewegung nur bei vorher geöffneten Leistungsschalterkontakten
ausführbar ist und bei eingeschaltetem Leistungsschalter der Trenner nicht eingeschaltet
werden kann. In der Trennstellung läßt sich einfach der Elektrodenabbrand der Vakuumröhren
kontrollieren und verbrauchte Röhren könnten durch neue ersetzt werden. In der Figur
7 ist das Drehlager der Schalterpole mit D bezeichnet.
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Die zur Herstellung einer Trennstrecke drehgelenkig angeordneten Vakuumröhren
können nach der Trennbewegung durch eine weitere Drehung auch in einen geerdeten
Gegenkontakt 5, 6 einfahren und dadurch einen Erdungsschalter bilden. Diese Möglichkeit
ist als Beispiel ebenfalls in Figur 8 mit Messerkontakten angedeutet. Je nach der
Anordnung der Stromzuführungen und der Kontakte kann dadurch die Sammelschienenseite
oder der Kabelabgang des Schaltfeldes geerdet werden.