DE3318226C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit Doppel­ unterbrechung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß Reihenschaltungen von Vakuumschaltern die Spannungsfestigkeit und die Verfügbarkeit der Lei­ stungsschalter verbessern. Ein derartiger Vakuumschalter, bei dem 2 Unterbrechungsstellen in einem Gehäuse unterge­ bracht sind, ist aus der USA-Patentschrift 34 05 245 be­ kannt. Nach dieser Druckschrift sind zwei Vakuumschalt­ strecken in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse unter­ gebracht, wobei entweder zwei bewegliche, mit Metallfalten­ balgen abgedichtete Kontakte von beiden Stirnseiten des Ge­ häuses mit einem auf einer starren Platte in Gehäusemitte angeordneten, koaxialen ortsfesten Kontakt, oder nur ein beweglicher, mit Metallfaltenbalgen abgedichteter Kontakt von einer Stirnseite des Gehäuses mit einem in Gehäusemitte an einer flexiblen Trennwand befestigten koaxialen Kontakt und mit einem an der anderen Stirnseite des Gehäuses ange­ brachten ortsfesten Kontakt zusammenwirken.

Weiter ist bekannt, daß das Schaltvermögen und die Lebens­ dauer von Vakuumschaltern durch die Verwendung eines so­ genannten axialen Magnetfeldes, dessen Feldlinien parallel zur Lichtbogenachse verlaufen, deutlich verbessert werden kann, weil das axiale Magnetfeld auch bei sehr großen Kurz­ schlußströmen eine Kontraktion des Lichtbogens verhindert. Dieser brennt vielmehr diffus bei einer Brennspannung von etwa 20 V bis 30 V und belastet den Schalter und dessen Kontakte thermisch vergleichsweise gering. Zur ausführlichen Erläuterung wird beispielsweise auf den Aufsatz
"Vacuum arc under an axial magnetic field and its interrupting ability", Verfasser: S-Yanabu, B. Eng, Ph.D., Mem. I.E.E.E., S. Souma, B. Eng., T. Tamagawa, B. Eng., S. Yamashita, B. Eng., Mem. I.E.E.E., and T Tsutsumi, B. Eng; PROC.IEE, Vol. 126, No. 4, APRIL 1979 verwiesen.

Eine andere Ausführung von Vakuumschaltern mit einem axialen Magnetfeld ist aus der Anmeldung EP 00 52 371 bekanntgeworden, bei der die Erzeugung des axialen Ma­ gnetfeldes durch eine besondere Ausbildung der Schaltkon­ takte im Inneren des Schalters hervorgerufen wird. Jeder Kontakt besteht dabei aus mehreren geschlitzten oder mit aufwendiger Formgebung hergestellten aufeinandergeschich­ teten Scheiben, um auf diese Weise Spulenteile zu formen. Nachteilig sind dabei die geringe mechanische Stabilität der Kontakte und ihre hohen Herstellungskosten.

Vakuumschalter mit Doppelunterbrechung sind auch in der älteren Patentanmeldung DE-OS 33 02 939 beschrieben. Sie weisen zwei bewegliche, in Bewegungsrichtung miteinander ausgerichtete, durch Metallfaltenbalge abgedichtete Kon­ takte auf, sowie zwei ortsfeste Metallkontakte, welche je­ weils mit dem ihm zugeordneten beweglichen Kontakt ein Kontaktpaar bilden. Die beiden ortsfesten Kontakte sind da­ bei zwischen den beweglichen Kontakten angeordnet und von einem Träger in einer beiden Kontaktpaaren gemeinsamen Va­ kuumkammer gehalten. Zwischen den beiden ortsfesten Kontak­ ten ist ein spulenförmiger Verbindungsleiter vorgesehen, der gleichzeitig zur Kontaktgabe verwendet wird.

Aus der DE-OS 30 33 632 ist ferner ein Vakuum-Schalter mit einer Schaltstrecke bekannt, bei dem die Stromzuleitung des feststehenden Kontaktstückes mindestens teilweise als eine ein Magnetfeld erzeugende Spule ausgebildet ist und bei dem ferromagnetische Bauteile vor allem am beweglichen Kontakt­ stück so angeordnet sind, daß das Magnetfeld im geöffneten Kontaktspalt eine axiale Richtung annimmt.

Aus der DE-OS 31 30 466 ist außerdem ein Kontakt für Vakuumschalter bekannt, bei dem die Stromübertragung vom Kontaktbolzen auf die Kontaktplatte über einen spiralför­ migen Leiter erfolgt, der gegen letztere isoliert ist. Der Stromübergang erfolgt nur am äußeren Umfang, so daß bei gleicher Stromrichtung in den zwei Spiralen eines zusammen­ gehörenden Kontaktpaares im gesamten Kontaktspalt ein axia­ les Magnetfeld entsteht, dessen Durchflutung allerdings sehr ungleichförmig ist und von innen nach außen abnimmt.

Der bekannte Vakuumschalter nach DE-OS 31 07 155 besitzt zwei miteinander in Verbindung bringbare Schaltkontakte, von denen mindestens einer eine flache, aus zwei Windungs­ armen bestehende Magnetspule zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes aufweist. Die Windungsarme sind dabei in radialer Ebene, von einem gemeinsamen Mittelsteg ausgehend, spiralför­ mig mit gleicher Drehrichtung um eine gemeinsame Achse ge­ führt, wobei die Umfangslänge eines jeden Windungsarmes we­ sentlich mehr als eine halbe Umdrehung beträgt. Auch hier gilt, daß die das axiale Magnetfeld erzeugende Durchflutung von innen nach außen abnimmt.

Auch das Kontaktsystem nach der Patentschrift SU-PS 1 97 714 verwendet in jedem Schaltkontakt zwei spiralförmige Windungs­ arme, die an sich gegenüberliegenden Seiten des Kontakt­ bolzens befestigt sind. Die Richtung der Windungsarme zweier zusammenwirkender Schaltkontakte ist dabei gleich­ sinnig, wodurch in der Lichtbogenstrecke ein radial gerich­ tetes Magnetfeld entsteht, das den konzentrierten Lichtbogen längs der Windungsarme von innen nach außen bewegt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Vakuumschalter mit Doppelunterbrechung für hohe Be­ triebsspannungen und großes Schaltvermögen zu schaffen, bei dem in den beiden Kontaktspalten ein die gesamte Kontakt­ fläche gleichmäßig durchsetzendes axiales Magnetfeld bei minimaler Bauhöhe der Kontaktanordnung erzeugt wird und eine optimale Wärmeableitung von den ortsfesten Kontakten zur Oberfläche des Vakuumschalter stattfindet.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei Vakuumschaltern der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeich­ nenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den beiden spiral­ förmigen Spulenhälften außerhalb des Durchmessers der orts­ festen Schaltkontakte ergibt neben einer besonders geringen Bauhöhe eine gleich große Durchflutung der gesamten Kontakt­ fläche und somit eine gleichmäßige magnetische Feldstärke. Als Wickelraum steht der gesamte Ringspalt zwischen dem Mantelrohr des Schalters und dem Außendurchmesser der Kon­ takte zur Verfügung, so daß eine relativ große Windungs­ zahl eingesetzt werden kann. Die Aufteilung in zwei Teil­ spulen, die jeweils mit einem ortsfesten Kontakt verbun­ den sind, verbessert darüber hinaus deren Wärmeableitung zum metallischen Mantelrohr.

Die Wärmeabgabe kann durch Anbringung von Kühlrippen am Mantelrohr noch weiter erhöht werden.

Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung kann der Stützkörper zwischen den beiden ortsfesten Kontakten, der normalerweise aus Isolierstoff, z. B. Keramik hergestellt ist, auch aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehen, was vor allem bei großen Kontaktdurchmessern die Axial­ komponenten der Magnetfeldstärke im Kontaktspalt weiter vergleichmäßigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen unter Bezugnahme auf den Stand der Technik näher beschrieben. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Schalter,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie C-D der Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie A-B der Fig. 2.

In Fig. 1 sieht man im mittleren Bereich des gesamten Vakuumschalters die beiden ortsfesten Kontaktscheiben 10 und 12, welche von einer scheibenförmigen Trägerplatte 14 gehalten werden, die mit einem aus Metall bestehenden Um­ fangsabschnitt 16 des Vakuumschalters verbunden ist.

Mit den ortsfesten Kontaktscheiben korrespondierend sind bewegliche Kontakte 20 und 22 vorgesehen, welche jeweils mit der ihnen gegenüber angeordneten ortsfesten Kontakt­ scheibe ein Kontaktpaar bilden. Die beweglichen Kontakte 20 und 22 sind an den inneren, einander zugewandten Enden von Stempeln 24 bzw. 26 befestigt, welche in Richtung der Doppelpfeile 24 a und 26 a in ihrer Längsrichtung bewegbar sind.

Die Stempel 24 und 26 sind mit Hilfe von Metallfalten­ balgen 28 und 30 luftdicht mit den beiden Enden 32 bzw. 34 des Vakuumschalters verbunden. An der oberen Stirn­ seite des Vakuumschalters ist ein Pumpstutzen 36 ange­ deutet, welcher zur Evakuierung der gesamten Vakuum­ kammer, welche beide Kontaktpaare und damit beide Trenn­ strecken enthält, dient.

Der seitliche Wandbereich 38 zwischen der oberen Stirn­ fläche 32 und dem metallenen Umfangsbereich 16 und auch der Wandbereich 48 zwischen dem metallenen Umfang 16 und der unteren Stirnfläche 34 des Vakuumschalters besteht aus Keramik, um ein Überschlagen eines Funkens von den leitenden Stempeln 24 bzw. 26 zu dem metallenen Umfangs­ bereich 16 zu verhindern.

Die elektrisch leitenden Stempel 24 und 26 können von einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung gleichzeitig je­ weils gegensinnig, d. h. aufeinander zu bzw. voneinander fort, betätigt werden.

In den Fig. 2 bis 4, tragen gleiche Teile dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1.

Die Kontaktscheiben 10 und 12 sind mit den spiralför­ migen gleichsinnig vom Strom i durchflossenen Leitern 54 und 56 verbunden und werden durch die Trägerplatte 14 am metallischen Umfangsbereich 16 befestigt. Die Flußrichtung des Stromes i ist durch Pfeile und be­ kannte Symbole angegeben.

Wie man in Fig. 2 erkennt, verläuft der Strom i vom oberen, beweglichen Stempel 24 durch den oberen Kontakt 20 über den oberen Lichtbogen 68 zu der Kontaktscheibe 10, durch den spiralförmigen Leiter 54 an der oberen Kon­ taktscheibe, über die elektrisch verbindende Trägerplatte 14 in den spiralförmigen Leiter 56 in die untere Kontakt­ scheibe 12 und den unteren Lichtbogen 68 zu dem beweg­ lichen unteren Kontakt 22 und von dort über den unteren beweglichen Stempel 26.

In dieser Fig. 2 sieht man ferner, daß die beiden Kontakt­ scheiben 10 und 12 eine zentrale Öffnung 18 aufweisen und daß die Trägerplatte 14 kreisringförmig ausgebildet ist, so daß die Kommunikation zwischen den beiden Vakuumschal­ terhälften aufrechterhalten ist. Ferner sieht man in dieser Darstellung besonders gut, daß wegen der erfindungs­ gemäßen Anordnung der die ortsfesten Kontaktscheiben 10 und 12 verbindenden spiralförmigen Leiter 54 und 56 der Vakuum­ schalter nur unwesentlich größer ist als bei herkömmlichen Konstruktionen mit nur einem Schaltkontaktpaar.

In Fig. 3 sieht man die geschnittene Ringfläche eines Zy­ linders 70, welcher die beiden Kontaktscheiben 10 und 12 gegeneinander abstützt. Außerdem sieht man in dieser Figur den spiralförmigen Leiter 56.

Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die obere Kontakt­ scheibe 10 und auf den spiralförmigen Leiter 54. Man erkennt ferner, daß die Ausbildung der Spiralen der Leiter 54 und 56 einen gleichsinnigen Stromfluß er­ zeugen.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 2 bis 4 wird durch die Leiter 54 und 56 zwischen den beiden orts­ festen Kontaktscheiben 10 und 12 ein im wesentlichen axial ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnet­ feld hält auch bei großen Kurzschlußströmen die Licht­ bögen 68 in beiden Trennstrecken in einem diffusen Zu­ stand.

Die beiden Kontaktscheiben 10 und 12 sind über die Trägerplatte 14, die aus wärmeleitendem Material besteht, wiederum mit dem metallenen Umfangsbereich 16 des Vakuum­ schalters wärmeleitend verbunden. Auf diese Weise wird von den Stellen, wo Wärme erzeugt wird, nämlich von den Licht­ bogenbereichen, Wärme zu dem Umfangsbereich 16 der Kammer geleitet und an die Umgebung abgeführt. Im Rahmen der Er­ findung ist ferner vorgesehen, daß Kühleinrichtungen, z. B. Kühlrippen, mit diesem metallenen Umfangsbereich 16 verbunden sind, um eine noch stärkere Wärmeabführung aus der Vakuumkammer zu ermöglichen.

Auf diese Weise wird die Leistungsfähigkeit des erfin­ dungsgemäßen Vakuumschalters erhöht, so daß auch bei rascher Schaltfolge die Kontakterwärmung durch die Licht­ bogeneinwirkung schnell abklingt.

Das zylindrische Teil 70, welches die beiden ortsfesten Kontaktscheiben 10 und 12 miteinander verbindet, kann aus einem ferromagnetischen Material bestehen.

Dadurch wird zwar ein kleinerer Teilstrom nicht über die spiralförmigen Leiter sondern durch diesen Eisen­ körper fließen. Andererseits wird das erzeugte Magnet­ feld durch diesen ferromagnetischen Zylinder 70 ge­ bündelt und auf die Kontaktflächen selber, die bei allen Kontakten dieses Ausführungsbeispiels kreis- oder ring­ förmig sind, fokussiert, so daß die Feldstärke im Gebiet der Lichtbogen-Fußpunkte besonders hoch ist.

Claims (4)

1. Vakuumschalter mit Doppelunterbrechung,

• - mit zwei beweglichen, in Bewegungsrichtung miteinander ausgerichteten, durch Metallfaltenbalge (30) abgedich­ teten Kontakten (20, 22),
• - mit zwei ortsfesten Metallkontakten (10, 12), welche jeweis mit dem ihm zugeordneten beweglichen Kontakt (20, 22) ein Kontaktpaar bilden,
• - wobei die beiden ortsfesten Kontakte (10, 12) zwischen den beweglichen Kontakten (20, 22) angeordnet und von einem Träger (14) in einer beiden Kontaktpaaren ge­ meinsamen Vakuumkammer gehalten sind,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen den beiden ortsfesten Kontakten (10, 12) ein spulenförmiger Verbindungsleiter (54, 56) zur Er­ zeugung eines axialen Magnetfeldes vorgesehen ist,
• - daß die Spule in Form einer archimedischen Spirale in zwei Hälften angeordnet ist, der Träger (14) die beiden Spulenhälften (54, 56) elektrisch miteinander verbindet und aus wärmeleitendem Stoff besteht, und
• - daß der Träger (14) die Kontaktflächen der ortsfesten Kontaktstücke (10, 12) wärmeleitend mit dem aus Metall bestehenden Mantelrohr (16) der Schaltkammer verbindet.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ortsfesten Kontaktstücke (10, 12) durch ein ferromagnetisches zylindrisches Teil (70) miteinan­ der verbunden und abgestützt sind.

3. Vakuumkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem aus Metall bestehenden Mantelrohr (16) der Vakuumkammer wärmeleitende Einrichtungen, z. B. Kühlrippen verbunden sind.