DE2947090C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Ein derartiger Vakuumschalter ist aus der US-PS 41 17 288 bereits bekannt. Bei der bekannten Ausführungsform wird bereits durch magnetische Kräfte derart auf den Lichtbogen eingewirkt, daß dieser um die Kontaktoberfläche herumge­ trieben wird. Auch sonst weist dieser Vakuumschalter gegen­ über älterem Stand der Technik viele Vorteile auf. Gleichwohl hat sich gezeigt, daß der bekannte Vakuumschalter noch verbessert werden kann, insbesondere hinsichtlich der noch stärkeren Auswärtsauslenkung des Lichtbogens an den Rand der Kontaktflächen und damit in einen Bereich, in dem mehr Kontaktfläche pro Umfangswinkel zur Verfügung steht und daher Errosionserscheinungen weniger stark die Oberfläche belasten, außerdem aber auch hinsichtlich der mechanischen Festigkeit der Gesamtanordnung, die insbesondere bei hohen zu schalten­ den Strömen eine wesentliche Rolle spielt.

Aufgabe der Erfindung ist es demzufolge, einen Vakuumschalter der eingangs genannten Art mit in der o. g. Weise verbesser­ ten Merkmalen zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptan­ spruchs, also dadurch, daß die ringförmige Stützeinrichtung mit der Basisplatte identisch ist (was die Herstellungskosten verringert und die Zuverlässigkeit erhöht), daß durch die von der Ringform der Basisplatte gebildete zentrale Öffnung die Kontaktstange sich hindurcherstreckt, daß die Kontaktstange mit einem ebenen zentralen Nabenteil mit Radialarmen, die jeweils im wesentlichen hochleitfähig sind, in Verbindung steht (dies verbessert u. a. die Magnetfeldwirkung, da bei der bekannten Einrichtung durch die aus hoch leitfähigem Material bestehende Basisplatte durch Wirbelstrombildung das Magnetfeld geschwächt wird), daß von den Radialarmen sich die einen Enden der Teilwindungsspulenteile wegerstrecken, daß die Stützelemente niedriger Leitfähigkeit von der Basisplatte ausgehende Stützpfosten sind (erhöht die Stabilität in der Gesamtanordnung, insbesondere bei hohen Strömen, die zu starken Magnetkräften führen), und daß die Lichtbogenelek­ trode eine Lichtbogenoberfläche aufweist, in der der Zentral­ teil eingesenkt ist (das fördert die Entstehung des Licht­ bogens nahe dem Randbereich, wo mehr Kontaktfläche zur Verfügung steht und daher Errosionserscheinungen den Schalter weniger stark belasten).

Die Merkmalskombination führt somit zur Lösung der erfin­ dungsgemäßen Aufgabe, wobei einzelne Merkmale für sich genommen an sich bereits bekannt sind. So ist das Merkmal der von einem zentralen Nabenteil ausgehende Radialarme, von denen sich Teilwindungsspulen wegerstrecken, aus der DE-AS 24 43 141 an sich bekannt. Bei dem Gegenstand dieser Druck­ schrift fehlen aber wesentliche Merkmale des Kennzeichenteils des Hauptanspruchs: So fehlt es insbesondere an der zusätz­ lichen Abstützung der Radialarme durch eine Basisplatte, wobei erfindungsgemäß Basisplatte wie auch das die Radialarme tragende zentrale Nabenteil an der gleichen Kontaktstütz­ stange befestigt sind und dadurch eine besonders innige, kraftschlüssige wie auch elektrisch wirksame Verbindung bilden.

Aus der US-PS 37 64 764 ist an sich bekannt, durch schlecht leitende Stützteile erhöhte mechanische Stabilität zu er­ reichen. Doch fehlt es auch hier an der Vorwegnahme der Kombination von Merkmalen, wie sie im Hauptanspruch enthalten sind.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht auf einen Vakuumschalter, der einen Kontakt mit einer axialen Felderzeugungsspule aufweist, die Teil der Kontaktstruktur und elektrisch in Serie mit dem Lichtbogenteil des Kontaktes geschaltet ist;

Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Dar­ stellung von einem der in Fig. 1 dargestellten identischen Kontakte und eine Darstellung von Teilen der Kontaktstruktur vor dem Zusammenbau; und

Fig. 3 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Kontaktstruktur.

In Fig. 1 ist ein Vakuumschalter 10 dargestellt, der einen hermetisch abgedichteten evakuierten Kolben 12 umfaßt. Der Kolben 12 besitzt einen zylindrischen isolierenden Körper 14, sich gegenüberliegende leitfähige Endplatten 16 a, 16 b, die an den Enden des zylindrischen isolierenden Körpers 14 abdichtend angebracht sind, und zwar mittels ringförmiger Abdichteinrichtungen 18 a, 18 b. Eine leitfähige Kontaktstange 20 ist durch die Endplatte 16 a abgedichtet hindurchgeführt und stützt die fixierte Kontaktanordnung 22 a. Eine andere leitfähige Kontaktstange 21 ist in beweglicher Weise abge­ dichtet durch die Endplatte 16 b mittels Balgenabdichtein­ richtungen 24 hindurchgeführt. Die Kontaktstange 21 hält die bewegliche Kontaktanordnung 22 b.

Mehrere Lichtbogenabschirmungen A sind innerhalb des Kolbens angeordnet, um von der Lichtbogenfläche der Kontakte aus­ gehendes Material abzufangen. Somit ist eine im wesentlichen zylindrische Zentralabschirmung 26 vorgesehen, außerdem überlappende ringförmige Endabschirmungen 28 a, 28 b, die verdampftes Material daran hindern, auf die Isolierkörper oder die Abdichtgebiete aufzutreffen. Eine im wesentlichen becherförmige Abschirmung 30 ist über den Balg 24 angeord­ net, um ihn vor verdampftem Kontaktmaterial zu schützen. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besitzt der isolierende Körper 14 ein Stützglied 25, das sich von dem Isolierkörper nach innen erstreckt, um die zentrale Abschir­ mung 26 zu halten.

Die feste Kontaktanordnung 22 a und die bewegliche Kontakt­ anordnung 22 b sind gleichartig aufgebaut, wie noch mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben werden wird. Jede dieser Kontaktanordnungen 22 a, 22 b sind mit dem jeweiligen heraus­ stehenden Ende der zugehörigen leitenden Stützstange 20, 21 gehalten und mit diesen elektrisch verbunden.

Die Kontaktanordnungen 22 a, 22 b umfassen jeweils eine ver­ hältnismäßig wenig leitfähige Stützbasisplatte 32. Eine zentrale Öffnung 34 ist durch diese Basisplatte 32 hindurch vorgesehen, wobei das Endteil 35 der Stützstange 20 oder 21 mit reduziertem Durchmesser durch diese Öffnung 34 hindurch­ führen und an diese Öffnung angepaßt sind. Die Erzeugungs­ einrichtungen 36 für ein axiales Magnetfeld werden von der Basisplatte 32 gehalten.

Die Erzeugungseinrichtung 36 für das axiale Magnetfeld läßt sich als eine einzige Windung einer im wesentlichen planaren Spule ansehen, die aus einer Vielzahl von Spulenteilwin­ dungen gebildet wird, welche mit der leitfähigen Stützstange in Serie geschaltet sind, so daß der gesamte durch den Schalter fließende Strom durch die Einrichtung 36 hindurch­ läuft. Die Einrichtung 36 umfaßt einen kreisförmigen zentra­ len Nabenteil 38 mit einer Öffnung 40, innerhalb der das vorspringende Ende der entsprechenden Stützstange 20, 21 endet und mit welchem diese durch Löten elektrisch verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform werden zwei Halbwindungen benutzt, jedoch könnten leicht auch Drittel- oder Viertel­ windungsteile zur Bildung einer wirksamen einzigen Spulen­ windung herangezogen werden. Beim vorliegenden Ausführungs­ beispiel erstrecken sich jedoch lediglich zwei Radialarme 42 a, 42 b von der zentralen Nabe 38 aus. Gebogene, in Um­ fangsrichtung gerichtete Teilwindungen 44 a, 44 b erstrecken sich entsprechend von den radialen Armen 42 a, 42 b. Die vorspringenden Enden 46 a, 46 b der Teilwindungen erstrecken sich in Richtung auf die scheibenförmigen Lichtbogenkontakt­ elektrode 48 und sind an im Abstand zueinander liegenden Umfangsteilen der Lichtbogenkontaktelektrode 48 a beispiels­ weise mittels Verlöten der punktiert gezeichneten Endteile elektrisch verbunden. Der Nabenteil 38 und die radialen Arme 42 a, 42 b sind mit der stützenden Basisplatte 32 verlötet, wie durch das Schattieren auf der Platte 32 in Fig. 2 ange­ deutet ist.

Die Lichtbogenkontaktelektroden 48 a, 48 b sind Scheiben, die den gleichen Durchmesser besitzen, wie er von den Teilwin­ dungen der Einrichtung zur Erzeugung des Axialfeldes gebil­ det wird. Eine Mehrzahl von Stützpfosten mit niedriger Leitfähigkeit, in diesem Falle vier symmetrisch im Abstand angeordnete identische Pfosten 50, erstrecken sich zwischen der Stützbasisplatte 32 und der Rückseite der Lichtbogen­ kontakte. Die Stützpfosten sind an jedem Ende verlötet, um die Lichtbogenkontaktelektrode wirksam zu halten. Eine Mehrzahl von symmetrisch im Abstand angeordneten Einsenkun­ gen 55 können in der Oberfläche der Stützplatte 32 vorge­ sehen sein, in die die Stützpfosten 50 zum Zwecke der Aus­ richtung während der Herstellung, bei der die Pfosten an Ort und Stelle festgelötet werden, entsprechend passen. Ein vergrößerter Kopf 52 ist an einem Ende der Stützpfosten vorgesehen und paßt in eine Einsenkung 54, die in der Rück­ seite der Lichtbogenkontaktelektrode vorgesehen ist. Die vordere oder lichtbogenerzeugende Oberfläche 56 der Licht­ bogenkontaktelektrode besitzt einen zentralen eingesenkten Teil 58, so daß der anfängliche Lichtbogen, der zwischen den Kontakten auftritt, wenn sie voneinander weg bewegt werden, entfernt vom Zentrum der Lichtbogenkontaktelektrode ent­ steht. Die Lichtbogenkontaktelektrode wird aus hochleit­ fähigem Material wie Kupferchromkontaktmaterial hergestellt.

Die Einrichtungen 36 zur Erzeugung eines axialen Feldes werden aus hochleitfähigem Material wie Kupfer hergestellt. Die Basisplatte 32 und die Stützpfosten 50 dagegen aus einem Material mit hoher Festigkeit und relativ niedriger Leit­ fähigkeit, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Das verhältnismäßig große Leitfähigkeitsverhältnis zwischen rostfreiem Stahl und Kupfer stellt sicher, daß der wesent­ lichere Teil des Stromes durch die axiale Felderzeugungs­ einrichtung fließt, die mit den Stützpfosten und dem Licht­ bogenkontakt elektrisch in Serie liegt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind der Stützpfosten, die Basisplatte und die Einrichtung zur Erzeu­ gung eines Axialfeldes gleichartig aufgebaut, wie in der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2. Bei der Ausführungs­ form gemäß Fig. 3 ist die Lichtbogenkontaktelektrode 60 modifiziert, indem sie aus einer verdünnten Scheibe 62 aus hochleitfähigem Material mit hoher Festigkeit und niedriger Leitfähigkeit wie rostfreiem Stahl besteht, wobei die Stütz­ scheibe 64 auf der Rückenfläche der Scheibe aus hochleit­ fähigem Material befestigt ist. Die Rücken- oder Stütz­ scheibe 64 besitzt einen Durchmesser, der kleiner als der der Lichtbogenkontaktelektrode ist, um die vorspringenden Enden der Teilwindungsteile an dem Umfangsteil der Licht­ bogenkontaktelektrode befestigen zu können. Die Lichtbogen­ kontaktelektrode 62 besitzt eine Vorder- oder Lichtbogen­ fläche 65, die einen ringförmigen angehobenen Teil 66 auf­ weist, der jeweils im Abstand zwischen dem Zentrum und dem Randteil liegt. Die Stützpfosten 68 aus rostfreiem Stahl sind hier als Rohrglieder dargestellt, die sich zwischen der aus rostfreiem Stahl bestehenden Stützbasisplatte 32 und der Rücken- oder Stützscheibe 64 erstrecken.

Die verminderte Masse der aus hochleitfähigem Material bestehenden Lichtbogenkontaktelektrode stellt sicher, daß das axiale magnetische Feld diese durchdringt und das not­ wendige Magnetfeld zwischen den Kontakten erzeugt, während sich der Lichtbogen bildet. Es ist wichtig, daß das Magnet­ feld durch die Lichtbogenkontaktelektrode hindurchtritt und sofort wirksam wird, während sich der Lichtbogen bildet, um den Lichtbogen diffus zu halten und die Bildung eines inten­ siven Lichtbogens zu vermeiden. Wenn die Lichtbogenkontakt­ elektrode eine hohe Leitfähigkeit besitzt, wird die An­ stiegszeit des Magnetfeldes zwischen den Kontakten über eine längere Zeitperiode verzögert. Die Rückenscheibe aus rost­ freiem Stahl verstärkt den verdünnten Kontakt, und mit dieser verringerten Leitfähigkeit durchdringt das Magnetfeld schneller den Kontakt, um die Bildung von intensiven Licht­ bogenpunkten während des Auseinanderbewegens der Kontakte zu verhindern.

Die Einrichtung zur Erzeugung eines Axialfeldes 36 sollte in geeigneter Weise dimensioniert werden, so daß ein axiales Magnetfeld von ausreichender Stärke in dem Lichtbogenvolumen zwischen den Kontakten bei deren Auseinanderbewegung erzeugt wird, um den Lichtbogen diffus zu halten. Ein axiales Feld von zumindest etwa 4 × 10^-3 Tesla hat sich als wirkungsvoll erwiesen. Das axiale Magnetfeld sollte verhältnismäßig symmetrisch und gleichförmig sein, und aus diesem Grunde sind die entsprechenden Kontakte 22 a und 22 b um 90° zuein­ ander gedreht, so daß die Radialarme 42 a, 42 b des einen Kontaktes transversal zu den radialen Armen des entgegen­ gesetzten Kontaktes liegt. Dies stellt sicher, daß die Spalte in den Spulenwindungen zwischen den Endteilen 46 a, 46 b und den radialen Armen einer jeden Spule von entgegen­ gesetzten Kontakten derart versetzt sind, daß sich keine zueinander ausgerichteten Niedrigfeldbereiche ergeben, in denen sich ein intensiver Lichtbogen formen könnte. Die Spulenwindungen der entgegengesetzten Kontakte sind in die gleiche Umfangsrichtung gerichtet, um ein additives Axial­ feld zu liefern, das parallel zum Lichtbogenweg liegt.

Der Vakuumschalter ermöglicht hohe Betriebsnennströme. Beispielsweise ergibt sich die in Fig. 1 und 2 dargestellte Einrichtung mit einem 11,4 cm-Kontakt Betriebsnennwerte von etwa 11,5 kV und 48 kA RMS. Bei dieser Einrichtung beträgt die axiale Feldstärke ungefähr 9 × 10^-3 Tesla pro kA. Die stromführende Kapazität der Einrichtung kann erhöht werden, indem Wärmeübertragungseinrichtungen vorgesehen werden, die mit den leitfähigen Stützstangen außerhalb des Kolbens der Einrichtung in Verbindung stehen.

Es wurde auch gefunden, daß ein Vakuumschalter mit ver­ besserten Hochspannungseigenschaften dadurch erreicht werden kann, daß die mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Axialfeldes ausgestatteten Kontakte der vorliegenden Erfin­ dung benutzt werden. Die Kontakte können bis zu einem viel größeren Abstand zwischen den Kontakten geöffnet werden, wie beispielsweise bis zu einem Abstand von 2,5 cm, um auf diese Weise hohe Spannungsfestigkeit zu erreichen. Ein derartiger Spalt ist mehr als doppelt so groß, wie der übliche Abstand zwischen den Kontakten von herkömmlichen Vakuumschaltern. Durch das axiale Magnetfeld wird ein größerer Abstand zwi­ schen den geöffneten Kontakten ohne Bildung von intensiven Lichtbögen möglich, die sonst zwischen derartig weit im Abstand angeordneten Kontakten zu erwarten sind.

Das axiale Magnetfeld kann dadurch erzeugt werden, daß ein Einzelkontakt (siehe Fig. 2) mit der in Serie als Teil des Kontaktes angeschlossenen Felderzeugungsspule versehen wird, während der entgegengesetzte Kontakt ein herkömmlicher Scheibenkontakt darstellt. Der mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Axialfeldes ausgestattete Kontakt würde vorzugsweise der feste Kontakt sein, während der einfache Anlagekontakt der bewegliche Kontakt wäre, da dadurch der Betriebsmechanismus wesentlich leichter vereinfacht werden kann. Das von einem mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Axialfeldes versehenen Einzelkontakt erzeugte Magnet­ feld erzeugt immer noch in dem Spalt zwischen den Kontakten ein axiales Feld, jedoch besitzt dieses Feld eine größere radiale Feldkomponente in der Nähe des einfachen Scheiben­ kontaktes. Der Scheibenkontakt würde einen Durchmesser aufweisen, der ungefähr gleich dem der Lichtbogenkontakt­ elektrode des mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Axialfeldes ausgestatteten Kontaktes wäre.

Claims (6)

1. Vakuumschalter (10) mit

• - einem abgedichteten und evakuierten Gehäuse (12),
• - einem Paar von relativ zueinander jeweils an einer hochleitfähigen Kontaktstützstange (20, 21) angebrach­ ten beweglichen Kontakten (22 a, 22 b), die dicht durch das Gehäuse (12) hindurchgeführt und in diesem gestützt sind,
• - wobei zumindest einer der Kontakte (22 b) zwischen einer Schließstellung in leitender Ineingriffnahme mit dem anderen Kontakt (22 a) und einer offenen Stellung beweg­ lich ist, bei der ein Abstand zu dem anderen Kontakt (22 a) vorhanden ist, über den sich während der Schalt­ kreisunterbrechung ein Lichtbogen bildet,
• - wobei zumindest einer der Kontakte (22 a, 22 b) eine Einrichtung (36) zur Erzeugung eines axialen Magnet­ feldes zur Aufrechterhaltung eines diffusen Lichtbogens umfaßt, mit einer diese Einrichtung stützenden Basis­ platte (32),
• - wobei der Kontakt (22 a, 22 b) eine hochleitfähige Licht­ bogenkontaktelektrode (48 a) ist, und eine ringförmige Stützeinrichtung (32) mit verhältnismäßig niedriger Leitfähigkeit vorgesehen ist, die im Abstand von der Lichtbogenkontaktelektrode (48 a) angeordnet ist und Stützelemente (50) niedriger Leitfähigkeit besitzt, die sich von der ringförmigen Stützeinrichtung (32) bis zu einer Lichtbogenkontaktelektrode (48 a) erstrecken und zwischen den zueinander ausgerichteten Zentren von ringförmiger Stützeinrichtung (32) und Lichtbogen­ kontaktelektrode (48 a) und deren Rändern angeordnet sind,
• - wobei die Einrichtung (36) zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes zwischen der stützenden Basisplatte (32) und der Lichtbogenkontaktelektrode (48 a) angeordnet ist und im wesentlichen hochleitfähig ist und aus mehreren, an ihrem einen Ende mit der Basisplatte (32) in Verbin­ dung stehenden Teilwindungsspulenteilen (44) besteht, die in eine gemeinsame Umfangsrichtung ausgerichtet sind und mit ihrem anderen Ende (46) mit dem Rand der Lichtbogenkontaktelektrode (48 a) verbunden sind und zusammen eine axiale Magnetfeldspule bilden,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die ringförmige Stützeinrichtung (32) mit der Basisplatte (32) identisch ist,
• - daß durch die von der Ringform der Basisplatte (32) gebildete zentrale Öffnung (34) die Kontaktstange (20) sich hindurcherstreckt,
• - daß die Kontaktstange (20) mit einem ebenen zentralen Nabenteil (38) mit Radialarmen (42), die jeweils im wesentlichen hochleitfähig sind, in Verbindung steht,
• - daß von den Radialarmen (42) sich die einen Enden der Teilwindungsspulenteile (44) wegerstrecken,
• - daß die Stützelemente (50) niedriger Leitfähigkeit von der Basisplatte (32) ausgehende Stützpfosten (50) sind, und
• - daß die Lichtbogenkontaktelektrode (48 a) eine Licht­ bogenoberfläche (56) aufweist, in der der Zentralteil (58) eingesenkt ist.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützpfosten (50) zwischen der stützenden Basisplatte (32) und der Lichtbogenkontaktelektrode (58 a) symmetrisch im Abstand angeordnet sind.

3. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochfeste Stützscheibe (64) mit niedriger Leitfähigkeit auf der Rückenfläche der Lichtbogenkontaktelektrode (60) montiert ist, welche Kontaktelektrode (60) eine reduzierte Dicke aufweist, wobei die Stützscheibe (64) einen Durchmesser besitzt, der geringer als der der Teilwindungsspulen­ teile (36) ist, deren äußere Enden (46) mit der Licht­ bogenkontaktelektrode (60) jenseits der Peripherie der Stützscheibe (64) elektrisch verbunden ist.

4. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei beide Kontakte (22 a, 22 b) identisch sind und Einrich­ tungen (36) zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwin­ dungsteile (44 a, 44 b) eines jeden der Kontakte so ausgerichtet sind, daß ein zusätzliches axiales Magnet­ feld in dem Spalt zwischen den im Abstand befindlichen Kontakten (22 a, 22 b) geliefert wird.

5. Vakuumschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Kontakte (22 a, 22 b) zueinander so gedreht sind, daß die zentralen Naben­ teile (42 a, 42 b) der sich gegenüberliegenden Kontakte (22 a, 22 b) zueinander senkrecht liegen.