DE3231593A1

DE3231593A1 - Kontaktanordnung fuer vakuumschalter

Info

Publication number: DE3231593A1
Application number: DE19823231593
Authority: DE
Inventors: Bernt Dipl.-Phys.Dr. 8520 Erlangen Paul
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-08-25
Filing date: 1982-08-25
Publication date: 1984-03-01
Also published as: EP0104384B1; DE3374486D1; JPS5960829A; EP0104384A1; US4532391A; JPH0322007B2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 P 3 2 5 8 DE

Kontaktanordnung für Vakuumschalter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial zueinander angeordneten Kontakten, die jeweils einen mit Schlitzen versehenen Kontaktträger und einen zentralen Stützkörper aus elektrisch schlecht leitendem Material enthalten.

Die maximale Abschaltleistung von Vakuumschaltern ist bekanntlich gegeben durch die maximalen Werte des Stromes während der Lichtbogenphase und der wiederkehrenden Spannung nach dem Abreißen des Lichtbogens und kann durch ein zur Richtung des Lichtbogenstromes paralleles Magnetfeld günstig beeinflußt werden. Eine Kontraktion des Lichtbogens, die zum Ansteigen der Lichtbogenspannung und des mit dieser Spannung verbundenen Leistungsumsatzes führt, kann durch ein koaxiales Magnetfeld im Bereich des Lichtbogens zwischen den geöffneten Kontakten verhindert werden. Zu diesem Zweck kann bei diesen sogenannten Axialfeldkontakten eine die Schaltkammer zylindrisch umschließende Spule vorgesehen sein. Sie liegt mit den Schaltkontakten elektrisch in Reihe und baut ein vom Strom abhängiges axiales Magnetfeld auf, das den Spalt zwischen den koaxialen Kontakten in Achsrichtung durchsetzt. Zur Erhöhung der Feldstärke im Kontaktspalt kann die Spule auch doppellagig aufgebaut und die Windungen können schraubenförmig hin- und rückläufig ausgeführt sein. Die Herstellung solcher Vakuumschalter erfordert aber einen verhältnismäßig großen Aufwand (DE-OS 29 11 706). 35

Kin 2 Koe / 19.8.1982

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Es sind ferner Hohlkontakte bekannt, deren zentrale Kontaktfläche von einer Lichtbogenlauffläche konzentrisch umgeben ist. Die Stromzuführung ist sowohl mit der zentralen Kontaktfläche als auch mit dem äußeren Rand der Lichtbogenlauffläche derart verbunden, daß ein ringförmiger Hohlraum entsteht. Die zentrale Kontaktfläche ist von der Lichtbogenlauffläche durch einen ringförmigen Spalt getrennt. Dieser Gestaltung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ungleichmäßigen Abbrand der Kontaktflächen dadurch zu vermeiden, daß abwechselnd radial nach außen und nach innen wirkende magnetische Kräfte auf den Lichtbogen ausgeübt werden (DE-AS 23 52 540).

Es ist ferner eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit Radialfeldkontakten bekannt, bei der nach dem öffnen der Kontakte zwischen den ringförmigen Kontaktauflageflächen ein Lichtbogen gezogen wird, der durch azimutale magnetische Kräfte zwischen den Kontakten rotieren soll. Zu diesem Zweck sind die Kontaktträger der koaxial zueinander angeordneten Topfkontakte mit gegensinnig verlaufenden Schlitzen versehen. Mit dieser Kontaktform erhält man zwischen den geöffneten Kontakten ein Magnetfeld, das im wesentlichen senkrecht zur Achse der Kontakte und damit senkrecht zum Lichtbogen gerichtet ist. Mit einer besonderen Ausführungsform der Kontaktanordnung kann die Stärke des Magnetfeldes und damit die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtbogens noch dadurch erhöht werden, daß innerhalb der hohlzylindrischen Kontaktträger jeweils ein Kern aus ferromagnetischem Material angeordnet ist (DE-AS 11 96 751).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktanordnung mit Axialfeldkontakten anzugeben, die zwischen den geöffneten Kontakten eine derartige Fluß-

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dichte erzeugen, daß eine Kontraktion des Lichtbogens und damit eine thermische Überlastung, insbesondere der jeweiligen Anode, vermieden und die Schaltleistung entsprechend erhöht wird. Zugleich sollen die Kontakte niederohmig, induktionsarm und unempfindlich gegen einen hohen Kontaktdruck im geschlossenen Zustand des Vakuumschalters sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Gestaltungsmerkmalen des Anspruchs 1. Damit erhält man Kontakte, deren Widerstand ein /U;Q nicht wesentlich überschreitet. Der zwischen Kontaktträger und Stützkörper entstehende ringförmige Hohlraum ist auf der dem jeweils anderen Kontakt zugekehrten Seite geschlossen, so daß eine Hohlkathodenentladung während der Lichtbogenphase nicht auftreten kann. Diese Kontaktanordnung kann in einfacher Weise hergestellt und ohne zusätzliche konstruktive Änderungen in übliche Vakuumschaltröhren eingesetzt werden.

Die Kontakte bestehen im wesentlichen aus drei Teilen, erstens dem auf den Kontaktboden aufgesetzten Kontaktträger aus elektrisch gut leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, der mit zur Achse der Kontakte geneigten, vorzugsweise schraubenförmig verlaufenden Schlitzen versehen ist und damit den Spulenteil für das radiale Magnetfeld darstellt, zweitens dem im wesentlichen säulenförmigen Stützkörper aus unmagnetischem Material, beispielsweise einem Chrom-Nickel-Stahl, der wenigstens an seinem dem anderen Kontakt zugewandten Ende vorzugsweise bis auf etwa den Innendurchmesser des Kontaktträgers erweitert ist und somit in dieser Ausführungsform den Hohlraum an der Stirnfläche des Kontakts abschließt, drittens der mit ihrem Randbereich auf dem Kontaktträger und mit ihrem zentralen Bereich

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auf dem Stützkörper aufliegenden Kontaktscheibe, die vorzugsweise mit der Stirnfläche des Kontaktträgers unlösbar verbunden, insbesondere verlötet, sein kann.

Der mechanische Druck im geschlossenen Zustand des Schalters wird von dem der Stromzuführung dienenden Kontaktbolzen über den Kontaktboden und den Stützkörper sowie die Kontaktscheibe auf geradem Weg an den gegenüberliegenden Kontakt übertragen, während der Strom sowohl im geschlossenen Zustand des Schalters als auch während der Lichtbogenphase im wesentlichen durch den Kontaktträger fließt. Er erzeugt im Raum zwischen den Elektroden ein axiales Magnetfeld in der Größenordnung von etwa 5 /uT/A.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 eine Kontaktanordnung nach der Erfindung in einer zum Teil geschnittenen Seitenansicht dargestellt ist. Figur 2 zeigt eine besondere Ausführungsform der Kontaktscheibe.

In der Kontaktanordnung nach Figur 1 sind zwei Kontakte 2 und 4 mit einander zugewandten Stirnflächen koaxial zueinander angeordnet. Diese Kontakte bestehen jeweils aus einem hohlzylindrischen Kontaktträger 6 bzw. 8, der über einen Kontaktboden 10 bzw. 12 mit einer als Bolzen gestalteten Stromzuführung 14 bzw. 16 verbunden ist. Die Stirnflächen der Kontaktträger 6 und 8 sowie jeweils eines Stützkörpers 18 bzw. 22 sind jeweils mit einer Kontaktscheibe 26 bzw. 28 versehen, die an ihren Rändern jeweils mit einer Abschrägung 27 bzw. 29 versehen sind, so daß jeweils ein zentraler Teil der Kontaktscheiben 26 und 28 die Kontaktauflagefläche der Kontakte 2 und 4 bildet.

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Die Stützkörper 18 und 22 können an ihrer der Kontaktscheibe 26 bzw. 28 zugewandten Stirnfläche jeweils mit einem zur Zentrierung der Kontaktscheibe 26 bzw. 28 dienenden Fortsatz 19 bzw. 23 versehen sein. In einer besonderen Ausführungsform der Kontaktanordnung sind auch die jeweils dem Kontaktboden 10 und 12 zugewandten Stirnflächen der Stützkörper 18 bzw. 22 jeweils mit einem Fortsatz 20 bzw. 24 versehen. Diese Fortsätze 20 und 24 können vorzugsweise wesentlich größer sein als die Fortsätze 19 und 23, damit sie eine günstige Wirkung auf den Stromübergang von der Stromzuführung 14 bzw. 16 über den Kontaktboden 10 bzw. 12 auf den zugeordneten Kontaktträger 6 bzw. 8 ausüben. Die Stützkörper 18 und 22 sind jeweils als Rotationskörper gestaltet, deren Enden in einer besonderen Ausführungsform der Kontaktanordnung zweckmäßig derart erweitert werden können, daß der Querschnitt der Stützkörper 18 und 22 jeweils etwa das Profil eines Doppel-T-Trägers bildet. Die Enden können dabei zweckmäßig soweit erweitert sein, daß der Durchmesser der Stirnflächen der Stützkörper 18 und 22 etwa gleich dem inneren Durchmesser d. der Kontaktträger 6 und 8 ist.

Die Kontaktträger 6 und 8 sind jeweils mit gegenüber der in der Figur 1 strichpunktiert gezeichneten Rotationsachse der Kontaktanordnung geneigten Schlitzen 7 bzw. 9 versehen, die in den beiden Kontakten 2 und 4 gleichsinnig verlaufen, so daß sich die zwischen den einzelnen Schlitzen 7 und 9 gebildeten Stege jeweils in dem gegenüberstehenden Kontakt in gleichem Drehsinn wiederholen. Die Schlitze 7 und 9 können vorzugsweise eine Schraubenlinie bilden. Solche Schlitze können in einfacher Weise mit einem zylindrischen Fräser hergestellt werden, dessen Durchmesser gleich der Schlitzbreite ist und der wenigstens so lang wie die Wand-

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stärke der Kontaktträger 6 und 8 ist und der radial zur Rotationsachse der Kontakte 2 und 8 mit einem vorbestimmten Steigungswinkel schraubenförmig geführt wird. Durch diese Schneidetechnik lassen sich wesentlieh größere Neigungswinkel als mit ebenen Sägeschnitten herstellen, was zu einer größeren effektiven Windungszahl der hierdurch erzeugten Quasi-Spulenanordnung und damit zu einer höheren magnetischen Flußdichte zwischen den geöffneten Kontakten 2 und 4 während der Lichtbogenphase führt. Der Neigungswinkel der Schraubenlinie der Schlitze 7 und 9 kann vorzugsweise im Bereich von etwa 60 bis 76°, insbesondere etwa 70°, gewählt werden.

Wie in der Draufsicht nach Figur 2 veranschaulicht, können die Kontaktscheiben jeweils mit radial verlaufenden Schlitzen 32 versehen sein, die Wirbelströme verhindern.

Für einen Außendurchmesser d_ = 75 mm der Kontakte 2 und 4 und mit Kontaktträgern 6 und 8 aus OFHC-Kupfer (oxigen-free high-purity copper) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 1,76 · 10" &cm und Stützkörpern 18 und 22 aus Chrom-Nickel-Stahl mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 7,3 · 10 #cm erhält man mit einer Kontaktscheibendicke h_Q von beispielsweise 4,4 mm bei einem Kontakt ab stand a„. von 10 mm nach dem Diagramm der Figur 3 eine spezifische axiale magnetische Flußdichte im Bereich der Rotationsachse von B/l =4,9 /uT/A. Nach diesem Diagramm, in dem die spezifische axiale magnetische Flußdichte B/l in Abhängigkeit vom Kontaktabstand a_R aufgetragen ist, wird ersichtlich, daß bis zu einem in der Praxis maximal angewandten Kontaktabstand von 20 mm die spezifische axiale magnetische Flußdichte im Bereich

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der Rotationsachse mindestens 4 /uT/A erreicht. Das von den Kontaktträgern 6 und 8 bei geöffneten Kontakten 2 und 4 zwischen den Kontakten erzeugte Magnetfeld ist im wesentlichen homogen über den gesamten Kontaktabstand a_R. Dies ist dadurch begründet, daß bei den angegebenen Abmessungen die geschlitzten Kontaktträger wie ein dickes Spulenpaar mit rechteckigem Wicklungsquerschnitt wirken, das so bemessen ist, daß bei einem Kontaktabstand &„ « 9,8 mm, der einem Spulenabstand a_K + 2 hjv » 17,8 mm entspricht, die Helmholtz-Bedingung für optimale Feldhomogenität , nämlich das Verschwinden der zweiten Ableitung d H/dz der axialen Feldstärke in der Achsenmitte ζ β 0 des Spulenpaares, erfüllt ist. Im Diagramm der Figur 3 ist dieser spezielle Kontaktabstand durch einen mit H gekennzeichneten Pfeil angedeutet. Die ausgezogene Linie kennzeichnet die Flußdichte in Achsenmitte bei zeO, d.h. in der Mitte zwischen beiden Kontakten 2 und 4. Bei größerem Kontaktabstand a_K ergibt sich eine geringe Abweichung des Feldes an den Kontaktoberflächen bei ζ a ®%J2· gegenüber dem Feld bei ζ = 0, wie es im Diagramm gestrichelt angedeutet ist.

In radialer Richtung bleibt das spezifische Axialfeld bis zu einem Durchmesser von etwa (d_& + d^)/4 näherungsweise konstant und fällt dann nach außen ab. Es ist somit bevorzugt im zentralen Bereich zwischen den geöffneten Kontakten 2 und 4 wirksam, in dem beim Trennen unter Laststrom der Lichtbogen gezündet wird. 30

Die elektrische Parallelschaltung von geschlitztem Kontaktträger 6 bzw. 8 und Stützkörper 18 bzw. 22 ergibt zwischen den als Äquipotentialflächen angenommenen Schnittflächen beispielsweise im gegenseitigen Abstand h_o » d_Q/4 ■ 18,75 mm für einen der Kontakte 2

O α.

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oder 4 einen elektrischen Widerstand R ■ 0,76 /U«ß . Daraus folgt mit gleichem Zahlenwert eine normierte Verlustleistung für jeden der Kontakte 2 und 4 im Bereich seiner Kontaktträger 6 bzw. 8 und der StÜtz-

körper 18 bzw. 22 mit der Höhe h~ von ? 2

P/I_eff «0,76 W/(kA) . Das ergibt eine Verlustleistung bei einer effektiven Stromstärke I_eff « 2500 A für jeden der Kontakte 2 und 4 von P « 4,75 W.

Der ringförmige Hohlraum zwischen dem Stützkörper 18 bzw. 22 und dem Kontaktträger 6 bzw. 8 ist jeweils durch die Kontaktscheibe 26 bzw. 28 oder durch die erweiterten Stirnflächen der Stützkörper 18 bzw. 22 gegen das elektrische Feld zwischen den Kontakten abgeschirmt, so daß eine Hohlkathodenentladung in diesem Raum nicht brennen kann. Die Stützkörper 18 und 22 entlasten außerdem die geschlitzten Kontaktträger 6 und 8, so daß die Schlitze 7 und 9 nicht zusammengequetscht werden können. Da für den Lichtbogen die gesamte Stirnfläche der Deckel 26 und 28 zur Verfügung steht, ist die thermische Belastung der Kontakte 2 und 4 entsprechend gering. Ferner ist der mittlere Raumwinkel, unter dem das Plasma des Lichtbogens aus dem Spalt zwischen den geöffneten Elektroden 2 und 4 herausdiffundieren kann, verhältnismäßig klein. Es wird somit der Schirmstrom weiter vermindert und die spannungserniedrigende Wirkung des Magnetfeldes entsprechend unterstützt.

9 Patentansprüche
3 Figuren

Leerseite

Claims

Patentansprüche

82P3258DE

(I 1J Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial zueinander angeordneten Kontakten (2, 4), die jeweils einen mit geneigten Schlitzen (7, 9) versehenen Kontaktträger (6, 8) und einen aus elektrisch schlecht leitendem Material bestehenden zentralen Stützkörper (18, 22) enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlkontakte (2, 4) vorgesehen sind, deren Kontaktträger (6, 8) mit gleichsinnig geneigten Schlitzen (7, 9) versehen sind und die jeweils auf der dem anderen Kontakt zugewandten Stirnseite verschlossen sind und daß die Stützkörper (18, 22) aus nichtmagnetischem Material bestehen.
2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlkontakte (2, 4) jeweils mit einer Kontaktscheibe (26, 28) versehen sind.
3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine der Kontaktscheiben (26, 28) an ihrem Rand mit einer Abschrägung versehen ist.
4. Kontaktanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktscheiben (26, 28) mit dem zugeordneten Kontaktträger (6 bzw. 8) unlösbar verbunden sind.
5. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktscheiben (26) mit radialen Schlitzen (32) versehen sind (Figur 2).

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6. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils dem anderen Kontakt zugewandten Stirnflächen der Stützkörper (18, 22) in ihrem Querschnitt erweitert sind.
7. Kontaktanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der erweiterten Stirnfläche der Stützkörper (18, 22) wenigstens annähernd gleich dem inneren Durchmesser der Kontaktträger (6, 8) ist.
8. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1, 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß jeweils wenigstens eine der Stirnflächen der Stützkörper (18, 22) mit einem Fortsatz (19, 20, 23, 24) versehen sind.
9. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (Ql) der Schlitze (7, 9) gegenüber der Achse der Topfkontakte (2, 4) zwischen 60 und 76° gewählt ist.