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Schaltstückanordnung für Vakuumschalt er
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Gegenstand der Erfindung Die Erfindung bezieht sich auf Schaltstückanordnungen
für elektrische Vakuumschalter, mit denen auch grosse Kurzschlußströme unterbrochen
werden können.
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Insbesondere betrifft sie solche Vakuumschalter, an deren Schaltkontakten
sich der Schaltlichtbogen bei großen Stromstärken kontrahiert und deshalb zur Vermeidung
starker örtlicher Eontakterwärmung elektrodynamisch in-eine Bewegung entlang vonLaufschienenanordnungen
versetzt werden muß.
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Stand der Technik Je nach der Zuordnung von Kontakt- und Strombereichen
lassen sich die Schaltstückanordnungen für Lichtbogenbewegung im Magnetfeld in Einbereichs-
und Zweibereichskontakte gliedern.
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Einbereichskontakte Einbereichskontakte sind Kontakte, die sowohl
den galvanischen Dauerstrom als auch den Lichtbogenstrom bei Strominitiierung und
Stromunterbrechung führen.
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Gemäß einer in DE-AS 12 26 693 vorgeschlagenen Ausführungsform werden
diese Kontakte von einander gegenüberstehenden flachen Becherwänden gebildet, in
die schräg verlaufende Schlitze eingearbeitet sind. Dadurch entsteht entlang der
Becherwand eine Anzahl von Stegen, die aufeinander unter einen bestimmten Winkel
zulaufen. Ströme, die über diese Stege fließen, bilden jeweils Stromschleifen, und
bei einer Kontaktöffnung entsteht an zwei Stegenden ein Schaltlichtbogen Der Strom
in diesem Plasma-Abschnitt des Schaltstücksystems ist der Wirkung eines von ihm
selbst erzeugten magnetischen Feldes ausgesetzt. Unter seiner Einwirkung vergrößert
sich die Lichtbogenschleife bis sie auf die folgenden Stegenden üb erwechselt.
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Das magnetische Treibfeld kann sich jedoch wegen der relativ kurzen
Stege und insbesondere wegen der mangelnden Parallelität nur unvollkommen ausbilden.
Hinderlich auf den Bogenumlauf wirkt sich auch aus, daß seine Fußpunkte auf dem
geschlitzten Becherrand die Spalte zwischen den Stromzuführungsstegen überspringen
müssen.
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Diesen Nachteil versuchte man dadurch zu lindern, daß die Schlitze
nicht mehr bis zum Becherrand durchgängig gemacht werden, DEAS 11 96 751.
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Dem Lichtbogen bietet sich dann eine Lauffläche ohne Sprungstellen
an.
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In einer Variante wurden die Schlitze zwar durchgehend belassen, jedoch
durch eine Kappe mit Kreisring-Querschnitt abgedeckt, DE-AS 17 65 265.
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In fertigungstechnischer Hinsicht erfordert dieses aus schräg zur
Schaltstückachse angeordneten offenen oder abgedeckten Stegen gebildete Kontaktsystem
einen beträchtlichen Aufwand.
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Was das mechanische Betriebsverhalten betrifft, so kann ein Becher-
oder Kronen-Kontaktsystem empfindlich sein gegen Stöße wie sie beim Einschalten
auftreten.
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Der gemeinsame elektrische Nachteil aller bekannten Einbereichs-tontaktanordnungen
liegt darin, daß die Kontaktflächen bei jeder Schaltung unter Strom der erodierenden
Wirkung des Lichtbogens bei seinen Umläufen ausgesetzt sind, was. sich ungünstig
auf die Dauerstromtragfähigkeit im geschlossenen Zustand auswirkt.
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In einem gewissen Ausmaß läßt sich dieser negative Effekt des Schaltlichtbogens
auf die Einbereichs-Kontaktflächen durch eine Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit
und dadurch verkleinerte Erosion abschwächen.
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Dies ermöglichen sogenannte Karussell-Kontakte, das sind Einbereichskontakte
in orm paralleler gekrümmter Schienen für einen schnellen Lichbogenumlauf.
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Dabei müssen allerdings die relativ langen Laufschienen mechanisch
zuverlässig stabilisiert werden;
Zweib ereichskontakte Zweibereichskontakte
sind Schalt stücke mit zwei gegeneinander abgegrenzten Kontaktflächen für zwei unterschiedliche
Aufgaben.
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Die eine Kontaktfläche führt hauptsächlich den Dauerstrom.
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An ihr entsteht beim Schalten ein Lichtbogenfußpunkt, der sich anschließend
über die andere Kontaktfläche weiterbewegen soll.
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Bekannte Zweibereichskontaktanordnungen, z.B. in DE-PS 1088 132, bestehen
im Prinzip stets aus einem zentralen meist kreisringförmigen Druckkontakt, von dem
Verlängerungen ausgehen, die oft wie Teile einer Spirale aussehen.
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Bei ausreichender Länge dieser Spiralabschnitte läßt sich ähnlich
wie bei Karussellkontakten ein wirksames magnetisches Treibfeld aufbauen, Nachteilig
wirkt sich jedoch aus, daß bei allen bekannten Ausführungsformen die Geometrie für
den Ubergang des Lichtbogens vom Zentralkontakt zum Laufkontakt elektrodynamisch
ungünstig gestaltet ist. Es besteht dadurch die Gefahr, daß der Bogen statt in die
Laufkontaktanordnung an den Schaltstückrand getrieben wird, dort verharrt und die
Kontaktoberfläche stark erhitzt, was seine Unterbrechung erschwert oder sogar unmöglich
macht.
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Mechanisch sind die nur einseitig mit dem zentralen Druckkontakt verbundenen
sichelförmig ausladenden Laufkontaktarme ebenfalls gegen Stöße beim Einschalten
empfindlich, das heißt sie können sich verbiegen.
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Aufgabe der Erfindung Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, insbesondere
Zweibereichskontaktanordnungen als prinzipiell optimale Kontakt- und Unterbrecheranordnung
für Vakuums chalt er mit kontrahierendem Schaltlichtbogen zu verbessern.
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Dies soll im wesentlichen durch folgende Maßnahmen erreicht werden:
Anordnen der Kontaktflächen so, daß bereits bei der Kontakttrennung eine optimal
wirksame Stromschleife vorhanden ist und auf den Lichtbogen sofort eine elektromagnetische
Antriebskraft einwirkt.
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Sicherstellen, daß der Bogen im selbsterzeugten Magnetfeld stets und
ohne Verzögerung in eine Laufschienenanordnung hineingetrieben wird.
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Der Lichtbogen soll bei seinen Umläufen die Dauerstromkontakte mindestens
teilweise aussparen.
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Mechanische Stabilisierung der Lichtbogen-Laufschienen.
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Vereinfachung von Konstruktion und Fertigung.
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Darstellung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen Anhand
der nachfolgenden Ausführungsbeispiele sollen die wesentlichen Erfindungsmerkmale
erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt ein Zweibereichskontaktpaar mit je zwei Kontaktarmen
in Ansicht und Draufsicht.
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Fig. 2 zeigt einen Zweibereichskontakt mit drei Kontakten und Schienen-Elektroden.
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Fig. 3 stellt einen Zweibereichskontakt mit vier Kontaktarmen dar.
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Zu Fig. 1 An den Profilstäben (1, 2) ist je ein Querträger (3) befestigt,
und daran schließen sich, durch ein auskragendes Verbindungsstück (4) distanziert,
die Kontakte an, die für den Dauerstrom und für die Anfangsphase der Schaltströme
bestimmt sind.
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Ihre Kontaktflächen (5) fallen stetig zu Laufschienen (6) ab, die
sich um die Schaltstückachse winden und mit ihren Enden an der folgenden Lichtbogenlaufschiene
mechanisch fest und elektrisch schlecht leitend oder isolierend befestigt sind.
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Wirkungsweise In dem nicht dargestellten Vakuumschaltgefäß hebt bei
einer Ausschaltung das an dem bewegbaren Profilstab (1) befestigte Schaltstück ab
unter der Wirkung des ebenfalls nicht
dargestellten Schalterantriebes.
Dabei entsteht z.B.
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an der mit (5) bezeichneten Dauerstromkontaktfläche ein in der Zeichnung
nicht sichtbar gemachter Lichtbogen.
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Bereits während des Abhebens der Kontakte befindet sich dieser Bogen
in einer von den Kontakten (5) und. den Distanzstücken (4) gebildeten Stromschleife.
So ist er sofort der elektromagnetischen Kraftwirkung ausgesetzt.
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Diese Kraft sucht die Stromschleife zu vergrößern und treibt dadurch
die Fußpunkte des Bogens über die Kontaktfläche hinweg auf einer erfindungsgemäß
nur wenig gekrrimmten Bahn zwangsläufig in die zueinander parallelen Lichtbogenlaufschienen
hinein.
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Die schnelle Fortbewegung des Lichtbogens und seiner Fußpunkte über
Kontaktflächen und Laufschienen erhitzt das Metall nur wenig. Dementsprechend wird
auch nur wenig Metalldampf erzeugt.
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In weiterer Folge erhöht sich der in einem seiner Nulldurchgänge ausschaltbare
Strom beträchtlich.
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Zu Fig. 2 An dem Hohlzylindrischen Tragbolzen (1) ist eine Ereisringscheibe
(3) befestigt. Auf der Scheibe sind gegen den Außenrand hin radialsymmetrisch versetzt
drei Ansätze (3a) angeordnet. Daran kragt jeweils ein Steg (4) aus, der anschließend
in Kontakte mit den Kontaktflächen (5) übergeht.
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Auf den Kontakt folgen nahtlos Lichtbogenlaufschienen (6); sie haben
in der dargestellten Ausführungsform gleiches Niveau mit den Dauerstromkontaktflächen.
Die Enden der Laufschienen sind mit der jeweils folgenden Schiene verbunden.
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Die Verbindung erfolgt so, daß im Verbindungsbereich die Schiene einen
hohen elektrischen Widerstand aufweist.
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Nützlich ist es - insbesondere bei Spalten an den Ubergängen von Schiene
zu Schiene - das feststehende und das bewegbare Schaltstück um einen bestimmten
Winkel gegeneinander zu verdrehen, sodaß die Verbindungsstellen bzw.
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Spalte von jeweils nur einem Lichtbogenfußpunkt überwunden zu werden
brauchen.
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Auch bei der Ausführungsform nach dieser Fig. wird er -findungsgemäß
bereits im geschlossenen Zustand der Schaltstücke eine elektromagnetisch wirksame
Stromschleife gebildet, und der bei einer Kontakttrennung entstehende Schaltlichtbogen
sofort der Treibwirkung des magnetischen Feldes ausgesetzt.
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Dies hat seine unverzügliche Rotation zwischen den Schienenelektroden
zur Folge, was wiederum die Erosion der Kontaktflächen reduziert und das Ausschaltvermögen
erhöht.
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Die Stoßempfindlichkeit bekannter Zweibereichskontakte verhindert
eine Stützeinlage (7) aus elektrisch schlecht leitendem oder isolierendem Material,
die den Raum zwischen Tragscheibe (3) und Kontakt (5) sowie Schienen (6) ausfüllt.
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Vorteilhaft sind stoßdämpfende Qualitäten dieser Stützeinlage.
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Zu Fig. 3 An dem zylindrischen Tragbolzen (1) sind radialsymmetrisch
und außerhalb der Mittellinien vier kurze Träger (3) angeordnet, die mit den auskragenden
selbst nicht Kontakt gebenden Stegen (4) die Kontakte und deren Kontaktflächen (5)
tragen. Diese Kontakte und Kontaktflächen gehen stetig in
Lichtbogen-Schienenelektroden
über.
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Im eingeschalteten Zustand liegen die Kontaktflächen des dargestellten
bewegbaren und des nicht dargestellten feststehenden Schalt stücks in dem gleichfalls
nicht dargestellten Vakuumgefäß unter Druck aneinander und übertragen den Strom
galvanisch.
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Bereits in diesem Zustand bilden die Verbindungsstege (4) mit den
Kontakten (5) eine ausgeprägte Stromschleife.
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Sobald die Schaltstücke sich beim Ausschalten von einander entfernen,
befindet sich der Lichtbogen - der nun bewegbare Abschluß der Stromschleife - in
einem von ihm selbst erzeugten magnetischen Feld. Die daraus resultierende Kraft
treibt den Lichtbogen von den Kontaktflächen in die Schienenelektroden hinein. Dort
erlischt er in einem seiner Nulldurchgänge.
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Weitere Ausführungsmöglichkeiten Die in den Fig. 1, 2, 3, dargestellten
Kontaktanordnungen sind nicht die einzig möglichen Ausfiihrungsformen des Erfindungsgedankens.
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Als weitere Variante kann es z.B. vorteilhaft sein, ein Schaltstiick
mit zwei zueinander symmetrisch angeordneten Dauerstromkontakten statt wie in Fig.
1 geschehen, mit zwei Schienenelektroden, nun mit einer einzigen, Kontakte und Kontaktträger
in einer Windung umschließenden Schienenelektrode auszuführen.
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Dabei läßt es sich durch leichte Kiveauunterschiede der Dauerstromkontaktflächen
erreichen, daß der Schaltlichtbogen stets an der Kontaktfläche entsteht, an die
sich die Schienenelektrode anschließt.
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Für einige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung
bietet sich noch folgende Verbesserungsmöglichkeit an: Damit die Initialstromschleife
möglichst eng und dadurch der elektrodynamische Antrieb schon auf den Initial-Lichtbogen
bei der Kontakttrennung groß ist, soll der Verbindungssteg (4) möglichst flach sein.
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Andererseits darf aus mechanischen Gründen eine bestimmte Steghöhe
nicht unterschritten werden, und auch der Stegerwärmung insbesondere durch den Kurzschlußstrom
ist Rechnung zu tragen.
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Diese widersprüchlichen Anforderungen lassen sich - wie in Fig. 1
exemplarisch gezeigt - durch eine Abstützung (8) des hauptsächlich elektrodynamisch
und thermisch bemessenen Stegs erfüllen.
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Der Stützansatz ist an den Profilstäben (1, 2) befestigt.
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Damit dieser Ansatz (8) dem von ihm gestützten Steg möglichst wenig
Strom entzieht, muß seine elektrische Leitfähigkeit relativ wesentlich kleiner sein.
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