DE3144598A1

DE3144598A1 - Elektrische schalteinrichtung

Info

Publication number: DE3144598A1
Application number: DE19813144598
Authority: DE
Inventors: Clive William Pittsburgh Pa. Kimblin
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1980-11-13
Filing date: 1981-11-10
Publication date: 1982-07-15
Also published as: US4426560A; IT1139706B; IT8125034A0; FR2494032B1; JPS57109226A; IN154972B; GB2087651A; FR2494032A1; CA1177865A; GB2087651B

Description

3U4598

DH.-ING. Ernst stratmann

l> ATENTAN WAU
D-4OOO DÜSSELDORF I · SCI IADOWPI-AT/ 9

VNR: 109126

Düsseldorf, 9. Nov. 1981

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Elektrische Schalteinrichtung

'Die Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung und insbesondere die Steuerung des Betriebsdruckes einer derartigen Einrichtung, um Kontaktbeschädigungen und Erosion während der Kontakttrennung möglichst klein zu machen.

Die vorliegende Erfindung ist bei einer großen Anzahl verschiedenartiger elektrischer Schalter anwendbar, die von Niederspannungswechselstromschaltkontakteinrichtungen oder Schaltkreistrennern, die bei Spannungen bis etwa 11o bis 45o Volt Wechselstrom arbeiten, bis zu hochspezialisierten Niedervoltgleichspannungsnebenschlußschaltereinrichtungen für elektrochemische Zellen reichen.

Bei Schaltern der Niederspannungswechselstrombauart, die zur Elekfromotorversorgung und Elektromotorsteuerung dienen können, ist das vorzugsweise Kontaktmaterial eine Legierung, die erhebliche Anteile von Silber enthält, das als Edelmetall hohe Kosten verursacht. Diese Art von Schalter ist typischerweise offen .gegenüber der unter atmosphärischem Druck stehenden Umgebungsluft. Silber wird als Kontaktmaterial benutzt, weil Silber

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eine leitende Oxydschicht bildet, die hohe elektrische Leitfähigkeit und wirksamen Stromdurchfluß durch die geschlossenen Schalterkontakte sicherstellt. In jüngerer Zeit aufgetretene Lieferschwierigkeiten bei Materialien wie Silber haben die Kosten derartiger Kontakte drastisch erhöht und es ist offensichtlich wünschenswert, die Notwendigkeit von kostspieligen Edelmetallkontaktbestandteilen zu beseitigen oder möglichst klein zu machen. Bei Gleichstromnebenschlußschaltern der Niederspannungsbauart für elektrochemische Zellen, die typischerweise bei weniger als 1o Volt Gleichspannung und bei ununterbrochenen Strombelastungen von etwa 6000 Ampere für einen einzigen Schalter betrieben werden, stellt der Schalter typischerweise eine hermetisch abgedichtete, unter Hochvakuum stehende Einrichtung dar. Die Kontakte bestehen typischerweise aus Kupfer oder aus Kupferwismuth, hochleitfähige Materialien, die bei Schalteröffnung entsprechende Verschweißungs- und Zündfunkenunterbrechungseigenschaften besitzen. Das Oxyd von Kupfer ist ein schlechter Leiter und der Vakuumzustand innerhalb des Schalters verhindert eine Oxydation der Kupferkontakte.

Wenn Schalterkontakte voneinander entfernt werden, um den Stromfluß zu unterbrechen, bildet sich zwischen den sich voneinander trennenden Kontakten ein Lichtbogen mit lokalisierter Erhitzung und Erosion, bis der Lichtbogen verlöscht.

Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat früher schon berichtet, daß die Erosionsrate eines Vakuumlichtbogens - an der Kathode um mehr als eine Größenordnung verringert werden kann, wenn der Umgebungsdruck erhöht wird, siehe den Aufsatz "Cathode Spot Erosion and Ionisation Phenomena In Transition From Vacuum To Atmospheric Pressure Arcs", Journal of Applied Physics, Volume 45, Nr. 12, Seiten 5235 bis 5244 (1974) und den Aufsatz "Anode Phenomena In Vacuum And Atmosperic Pressure Ares", Volume PS-2, Seite 31o bis 319, Dezember 1974.

In einer früheren Arbeit durch andere Autoren, "Arc Cathodes of Low Current Density at High Amperage" Journal of Applied

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Physics, Vol. 13, Februar 1942, Seiten 113 bis 116 wurde berichtet, daß Lichtbogen mit niedrigerer Stromdichte an Kathoden bei einem umgebenden Gas von niedriger Dichte gebildet werden können, um die Zerstörung der Elektrodeneberfläche zu verringern,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer elektrischen Schalteinrichtung, die bei gleichen Belastungsdaten verringerte Kathodenerosion aufweist.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs, also durch eine elektrische Schalteinrichtung für wirtschaftlichen ununterbrochenen Hochstrombetrieb, die einen Körperteil umfaßt, welcher ein Volumen definiert, innerhalb dem der Schaltstrom oder der Lichtbogen unterbrochen wird, wobei der Körperteil einen flexiblen Teil mit zumindest einem beweglichen elektrischen Kontakt umfaßt, der von dem flexiblen Körperteil gestützt wird und mit diesem in eine elektrische Kontaktstellung mit einem gegenüberliegenden elektrischen Kontakt hinein beweglich und aus dieser Kontaktstellung heraus beweglich ist, wobei der Umgebungsdruck innerhalb des von dem Körperteil

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definierten Volumens auf einen Wert von 1o bis 1o Torr gehalten oder während der Kontaktöffnung auf diesen Wert reduzierbar ist, um so die Kontakterosion möglichst klein zu machen. Auf diese Weise kann die kostspielige Verwendung von Silberoder Edelmetallkontakten möglichst klein gemacht oder ganz beseitigt werden.

Die Erfindung umfaßt auch einen hermetisch abgedichteten elektrischen Schaltermodul für Betrieb bei hohem ununterbrochenen Gleichstrom niedriger Spannung und dessen Unterbrechung, welcher Schalter zum Nebenschluß einer elektroIytischen Zelle geeignet is·*-, wobei dieser Schaltermodul einen ringförmigen isolierenden Kolbenteil sowie ringförmige flexible gewellte Diaphragmaglieder umfaßt, die sich transversal von dem ringförmigen isolierenden Kolbenteil nach innen zu zylindrisch leitenden Kontaktgliedern erstrecken, wobei der hermetisch abgedichtete Schaltermodul einen reduzierten atmosphären Druck aufweist, der zwischen

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etwa 1o bis 1o Torr gehalten wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt

Fig. 1 in einer Seitenansicht, teilweise geschnitten, einen elektrischen Schalter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung der Veränderung der Kathodenerosionsrate in Gramm pro Coulomb, aufgetragen über dem Druck des umgebenden Stickstoffs in Torr, und zwar für Kupferkathoden und Lichtbogenströme von 1oo Ampere bzw. 1ooo Ampere;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schalters gemäß einer zweiten Ausführungsform; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schalters gemäß einer dritten Ausführungsform.

In Figur 1 ist ein elektrischer Schalter 1o dargestellt, der die Basisstruktur eines hermetisch abgeschlossenen Nebenschlußschalters für Gleichströme niedriger Spannung aufweist, wie in der US-Patentschrift 4 216 361 beschrieben. Bei hermetisch abgedichteten Schaltern gemäß dem Stand der Technik wird ein

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hohes Vakuum von etwa 1o Torr oder besser innerhalb des Schalters aufrechterhalten. Bei Vakuumnebenschlußschaltern für elektrochemische Zellen wird der Schalter meist für weniger als 1o Volt Gleichspannung und für ununterbrochene Ströme von etwa 6ooo Ampere ausgelegt.

Dieser Nebenschlußschalter 1o umfaßt einen ringförmigen isolierenden Körperteil 12, von welchem Körperteil sich ringförmige flexible gewellte Diaphragmaglieder 14a, 14b transversal zu

zylindrisch leitenden Kontakten 16a, 16b erstrecken. Eine hermetische Abdichtung ist zwischen den inneren und äußeren Erstrekkungen des Diaphragmagliedes und dem Körperteil 12 und den Kontakten 16a, 16b gebildet, um ein Schaltervolumen zu bilden. Ein Paar von im Abstand zueinander im Winkel angeordnete, ringförmige Lichtbogenabschirmeinrichtungen, eine innere Lichtbogenabschirmung 18 bzw. eine äußere Lichtbogenabschirmung 2o, sind innerhalb dieses Schaltervolumens um die Kontakte 16a, 16b angeordnet, um heißes, erodiertes Material von den Kontakten während der Lichtbogenunterbrechung aufzufangen.

Die Erosion des Kontaktmaterials kann dadurch verkleinert werden, daß ein Umgebungsdruck innerhalb des Schaltervolumens aufrecht-

-1 2 erhalten wird, der zwischen 1o und 1o Torr liegt. Ein nichtoxydierendes Füllgas, wie Stickstoff, Helium, Argon wird vorzugsweise während der Herstellung des Schalters eingeführt und

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auf den gewünschten Umgebungsdruck von 1o bis 1o Torr abgepumpt, um die Oxydation der Kontakte 16a, 16b möglichst klein zu machen, welche Kontakte beispielsweise aus Kupfer oder Kupferlegierungen oder -mischungen bestehen können.

Die ebenen leitenden Montageplatten 22a, 22b, die mit den zylindrischen Kontakten 16a, 16b außerhalb des Schaltervolumens verbunden sind, erleichtern den Anschluß des Schalters an die Anschlüsse oder Sammeischienenverbinder der elektrochemischen Zelle.

Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform umfaßt der elektrische Schalter 24 einen isolierenden Körperteil 26, ein Endglied 28, durch den sich der feste Kontakt 3o erstreckt, und ein Endglied 32, durch den sich ein beweglicher Kontakt 34 erstreckt. Eine ringförmige Lichtbogenabschirmung 35 ist innerhalb des Schaltervolumens um die Kontakte 3o und 34 angeordnet. Die ringförmige Lichtbogenabschirmung 35 wird vom Endglied 28 gestützt und erstreckt sich von diesem.

Dieser Schalter 27 kann hermetisch abgedichtet und innerhalb des Schalters mit einem Umgebungsdruck gefüllt werden, der "

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von etwa 1o bis 1o Torr reichen kann. Wenn das Schaltervolumen ausreichend klein ist bezüglich des Balgenverschiebungsvolumens, braucht der Schalter nicht hermetisch abgedichtet zu werden, sondern kann die Balgenexpansion bei Kontaktöffnung ausnutzen, um den Druck der umgebenden Atmosphäre auf die vorzugsweisen Werte von 1o bis 1o Torr zu bringen. Wenn der elektrische Schalter 24 hermetisch abgedichtet ist, wird ein inertes Füllgas wie Argon oder Stickstoff mit dem gewünschten Fülldruck von

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1o bis 1o Torr vorgesehen. Die elektrischen Kontakte werden dann vorzugsweise aus sauerstrofffreiem, hochleitfähigem Kupfer hergestellt. Die inerte Gasfüllung stellt sicher, daß diese Kontakte nicht oxydieren, um so den Schließkontaktwiderstand niedrig zu halten und der verringerte Druck minimiert die Kontakterosion.

Die Verwendung von Kupfer- oder Kupferlegierungkontakten anstelle von Edelmetall wie Silber gibt eine deutliche Materialkosteneinsparung .

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3, die jedoch nicht hermetisch abgedichtet ist, sind die sich erstreckenden Enden oder Kontaktoberflächen 36, die zu jedem Kontakt 3ο bzw. 34 gehören, aus einem Edelmetall wie Silber oder einer Legierung mit hohem Silbergehalt oder einer Kompaktanordnung, wie Silberwolfram, Silberkadmiumoxyd. Die Lichtbogenbildung in dem verringerten Druck minimiert die Erosion dieser Kontakte.

Die Ausführungsform der Figur 4 ist für Betrieb bei höherer Spannung vorgesehen. Um einen ausreichenden Abstand und Luftspalt zur Verfügung zu haben, um eine erneute Lichtbogenbildung des ausgelöschten Lichtbogens zu verhindern, ist ein Mehrfachlichtbogenweg vorgesehen. Der elektrische Schalter 38 umfaßt einen isolierenden Körperteil 4o, einen zentral angeordneten Kontakt 42 sowie Balgenendglieder 44, 46 an jedem Ende des Körperteils 4o. Bewegliche Kontakte 48, 5o werden entsprechend

von den Balgenendgliedern 44 und 46 gehalten. Ein Paar Serienlichtbogen werden gebildet, wenn entsprechende Kontakte 48 und 5o vom zentralen Kontakt 42 getrennt werden. Wiederum wird der Umgebungsdruck, in dem die Lichtbogen brennen und ausgelöscht

—1 2 werden,so festgelegt, daß er zwischen 1o und 1o Torr liegt.

Wie bei der Ausführungsform der Figur 3 kann dies dadurch erreicht werden, daß ein hermetisch abgedichteter Schalter bis zu dem gewünschten Druck abgepumpt wird, oder indem ausreichende Balgenverschiebung bei Kontakttrennung vorgesehen wird, durch die der gewünschte Umgebungsdruck erreicht wird.

Die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Schalter mit verringertem Druck können bei Wechselstromschaltkreistrennern im Mittelspannungsbereich angewendet werden. Der reduzierte Druck innerhalb des Schalters minimiert Kontakterosion und erlaubt die Verwendung von Kupfer- oder Kupferlegierungskontakten, im Gegensatz zu Silberkontakten, die bisher notwendig waren, wenn die Kontakte atmosphärischem Luftdruck ausgesetzt waren.

ES/sr/jn 4

Claims

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drying. Ernst Stratmann

PATENTANWALT
D-4000 DÜSSELDORF 1 ■ SCHADOWPLATZ 9

VNR: 109126

49,139
8123.

Düsseldorf, 9. Nov. 1981

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

•Patentansprüche :

Elektrische Schalteinrichtung für wirksamen Betrieb bei hoher fortlaufender Stromübertragung, mit einem ein Volumen definierenden Körperteil, in dem der Schaltstrom oder der Schaltlichtbogen unterbrochen wird_f wobei der Körperteil einen flexiblen Teil mit zumindest einem beweglichen elektrischen Kontakt umfaßt, der von dem flexiblen Teil getragen und mit diesem in und aus elektrischem Kontakt mit einem gegenüberliegenden elektrischen Kontakt beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgebungsdruck innerhalb des von dem Körperteil (12; 26; 4o) definierten VoIu-

-1 2 mens auf einen Wert zwischen 1o und 1o Torr gehalten oder während der Kompaktöffnung auf diesen Wert reduzierbar ist, um so die Kontakterosion zu minimieren.
2. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromübertragenden, zueinander liegenden Kontaktoberflächen aus einem hochleitfähigen Metall oder Legierung bestehen, welches Metall kein Edelmetall oder dessen Legierung darstellt.

■ k

μ p —
3. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn2eichnet, daß der Körperteil (12; 26; 4o) ein hermetisch abgedichteter Körper ist.
4. Elektrische Schalteinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Körperteil (12; 26; 4o) definierte Volumen klein genug ist, und die Flexibilität des flexiblen Teils (14) derartig ist, daß die Expansion des Volumens bei Kontaktöffnung ausreicht, um den Umgebungsdruck innerhalb des Volumens auf den gewünschten Druckbereich zu reduzieren.
5. Hermetisch abgedichteter elektrischer Schaltmodul für niedrige Gleichspannung und hohen ununterbrochenen Strombetrieb und Stromunterbrechung, der für den Nebenschluß einer Elektrolysezelle geeignet ist, mit einem ringförmigen isolierenden Kolbenteil und ringförmigen, flexiblen, gewellten Membrangliedern, die sich transversal von dem ringförmigen isolierenden Kolbenteil nach innen zu zylindrischen leitenden Kontaktgliedern erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß der hermetisch abgedichtete Schaltmodul (1o; 24; 38) eine Atmosphäre von reduziertem Druck umfaßt,

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der zwischen Druckwerten von 1o und Io Torr gehalten wird.
6. Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre innerhalb des Moduls ein nichtoxydierendes Füllgas darstellt.

Bes ehr eibung;