DE3231593A1 - Kontaktanordnung fuer vakuumschalter - Google Patents
Kontaktanordnung fuer vakuumschalterInfo
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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).
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Kin 2 Koe / 19.8.1982
WA 82 P 32 5 8 DE
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 hQ 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 aR 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
aR. 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
aK + 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 aK 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.
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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 ho » dQ/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/Ieff «0,76 W/(kA) . Das ergibt eine Verlustleistung
bei einer effektiven Stromstärke Ieff « 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
3 Figuren
Leerseite
Claims (9)
- Patentansprüche82P3258DE(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).VPA 82 P 3 2 5 8 DE
- 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.
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