DE3407858A1 - Electrical vacuum switch - Google Patents

Electrical vacuum switch

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Abstract

In the case of vacuum switches, especially for high continuous and short-circuit currents, the following problems, inter alia, exist: a) switching element heating in the vacuum and heat dissipation from the vacuum, b) electrodynamic repulsion of the switching elements, c) high contact pressure - contact welding - particle formation, d) high contact pressure - increased drive energy. The following design measures are used to solve these problems: Outer switching elements (25, 27) are arranged parallel to the inner switching elements (6, 7) of the vacuum switch housing (15), in order to relieve the stress on the said inner switching elements (6, 7). At the same time, a special coupling device (30, 31, 33, 36) ensures that the inner switching elements always close first during switching on and that the outer switching elements always open first during switching off. In the switched-off state, the insulating space between the outer switching elements has at least the same dielectric strength as the insulating space between the inner switching elements, which enables mutually independent switching element stroke movements. As a result of these measures according to the invention, the vacuum switch becomes a completely conventional switch, but having excellent switching properties. <IMAGE>

Description

Elektrischer VakuumschalterElectric vacuum switch

Die Erfindung betrifft elektrische Vakuumschater'gemäß dem Oberbegriff.The invention relates to electrical vacuum switches according to the preamble.

des-Patentanspruchs 1.des-claim 1.

Schaltstücke von Vakuumschaltern führt man wegen des Partikel-Problems als Stumpfkontakte aus. Auf Kontakte solcher Form wirken im stromdurchflossenen Zustand abstoßende Kräfte ein. Bei großen Kurzschlußströmen erreichen diese Kräfte Werte bis zu einigen Tausend N. Um trotzdem ein schädliches Abheben des bewegbaren Kontakts zu vermeiden, muß eine Gegenkraft mechanisch erzeugt werden. Damit verbinden sich jedoch verschiedene Probleme : Einmal vergrößert sich dadurch die Antriebsenergie für Vakuumschalter mit großen Kurzschluß-Schaltströmen erheblich, und ihr großer Vorteil, nur eine. kleine Antriebsenergie zu benötigen, verkleinert sich.Contact pieces of vacuum switches are used because of the particle problem as butt contacts. Contacts of this type have an effect in the current-carrying area State repulsive forces. These forces reach high short-circuit currents Values up to a few thousand N. In order to avoid a damaging lifting of the movable To avoid contact, a counterforce must be generated mechanically. Connect with it However, there are various problems: On the one hand, this increases the drive energy for vacuum switches with large short-circuit switching currents considerably, and their large Advantage, only one. Requiring small drive energy is becoming smaller.

Dann stehen die Kontakte dauernd unter dem hohen mechanischen Anpreßdruck, auch wenn er während der Führung von Betriebsströmen, das heißt während der längsten Betriebszeit , gar nicht gebraucht wird. Unter diesem hohen Druck kann es zu einem Kaltverschweißen der Kontakte kommen; be-.Then the contacts are constantly under the high mechanical contact pressure, even if it is during the conduct of business streams, that is, during the longest Operating time, is not needed at all. Under this high pressure it can become one Cold welding the contacts come; loading.

günstigt wird das durch die Kontakterwärmung.Beim Ausschalten bricht die Verschweißung auf. Partikel können entstehen und die Spannungsfestigkeit der Vakuumschaltstrecke herabsetzen: CIGRE 1982, Report 13-08.This is favored by the contact heating. When switched off, breaks the weld on. Particles can arise and the dielectric strength of the Reduce vacuum switching distance: CIGRE 1982, Report 13-08.

Hohen Flächenpressungen sind besonders die Kontakte der Vakuumschalter mit kontrahiertem und daher zu bewegendem Lichtbogen ausgesetzt. Solche Kontaktflächen müssen dem Lichtbogen als Laufschienen dienen, und diese unverzichtbare Nebenfunktion verbietet eine großflächige Konstruktion.The contacts of the vacuum switches are particularly high surface pressures exposed with a contracted and therefore moving arc. Such contact areas must serve as rails for the arc, and this indispensable secondary function prohibits a large-scale construction.

Vakuumschalter mit diffuser Entladung sind dank ihrer großflächiger.Vacuum switches with diffuse discharge are thanks to their larger area.

Elektroden etwas besser gestellt.Electrodes a little better off.

Außerdem gehen von ihren Schaltstückanordnungen zur Erregung eines achsialen Magnetfeldes anziehende Kräfte aus. Dagegen stoßen sich die Schaltstückanordnungen zur Erregung eines radialen magnetischen Feldes, wie es zur Rotation eines kontrahierten Lichtbogens benötigt wird, ab.Also go from their contact assemblies to excite a axial magnetic field. On the other hand, the contact piece arrangements collide for exciting a radial magnetic field as it is for the rotation of a contracted one Arc is required.

Hinzugefügt sei noch, daß zur Verschweißung die Kontakte besonders neigen beim Einschalten großer Kurzschlußströme unter hohem Kontaktdruck.It should also be added that the contacts are special for welding tend when switching on large short-circuit currents under high contact pressure.

Wenn anschließend stromlos ausgeschaltet wird, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Partikel bildung.If the power is then switched off, the probability increases particle formation.

Um den hohen permanenten Kontaktdruck mit seinen nachteiligen Folgen auf die Vakuumschalter zu vermeiden, ist bereits vorgeschlagen worden, die elektrodynamische Kontakt-Abhebekraft elektrodynamisch zu kompensieren: US-Patent 4,025,886.About the high permanent contact pressure and its negative consequences To avoid the vacuum switch, it has already been proposed to use the electrodynamic Electrodynamically compensating contact lifting force: US Patent 4,025,886.

Solche Kompensationssysteme sind jedoch kompliziert, und wohl hauptsächlich aus diesem Grund praktisch nicht angewendet worden.Such compensation systems, however, are complex, and arguably major for this reason has not been practically applied.

Damit läßt sich also das Kontakt-Abstoßproblem bei den bisher bekannten Vakuumschaltern.zufriedenstellend nicht lösen.Thus, the contact repulsion problem with the previously known Vacuum switches. Do not loosen satisfactorily.

Der hohe Kontaktdruck wirft jedoch noch ein Problem ganz anderer Art auf: Kontaktabstoßung und hoher Gegendruck wirken sich auf das Schaltgehäuse als Zugkraft aus; dagegen muß es verstärkt werden oder man kann es durch Zugstäbe aus Isolierstoff entlasten: DE-OS 33 15 378. Mit diesen zusätzlichen Konstruktionselementen gibt es dann Probleme elektrischer Natur.However, the high contact pressure poses a problem of a very different kind on: Contact repulsion and high back pressure affect the switch housing as Pulling force off; on the other hand it has to be reinforced or it can be made from tension rods Relieve insulating material: DE-OS 33 15 378. With these additional construction elements then there are problems of an electrical nature.

Stumpfkontakte sind Fingerkontakten auch hinsichtlich der Stromtragfähigkeit unterlegen, denn man hat nicht soviel Spielraum für eine Vergrösserung von Kontakt- Druck und Fläche. Die Folge ist eine starke Erwärmung der Stumpfkontakte. Das Vakuum läßt aber Wärme nur als Strahlung durch. Doch dieser Wärmetransport durch Strahlung ist auch bei einer relativ hohen Kontakttemperatur von z.B. 100 Grad C wegen seiner T4-Abhängigkeit noch nicht sehr groß. Daher muß bei Vakuumschaltern der größte Teil der Stromwärme über den Stromleiterbolren und Schaltstückträger aus dem Schaltgehäuse herausgebracht werden.Butt contacts are finger contacts also in terms of current carrying capacity inferior, because there is not so much leeway for increasing contact Pressure and area. The consequence is strong heating of the butt contacts. The vacuum but lets heat through only as radiation. But this heat transport through radiation is also at a relatively high contact temperature of e.g. 100 degrees C because of its T4 dependency is not yet very great. Therefore, the largest part of vacuum switches the current heat via the conductor bar and contact piece carrier from the switch housing be brought out.

Bei großen Dauerströmen von z.B. 2500 A bedingt dieser Umstand schon sehr kräftige Stromleiterbolzen und außerdem muß das Temperaturgefälle groß sein zwischen den Kontakten und den Schalteranschlußklemmen. Zu diesem Zweck müssen große aufwendige Kühl körper angebaut werden: DE-OS 33 15 378 und European Patent Application 82300257.1.In the case of large continuous currents of e.g. 2500 A. very strong current conductor bolts and also the temperature gradient must be large between the contacts and the switch terminals. To do this you need great complex heat sinks can be attached: DE-OS 33 15 378 and European Patent Application 82300257.1.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die vorstehend dargelegten Probleme bei den Vakuumschaltern technisch einfach und wirtschaftlich tragbar zu lösen.The object of the invention is now to meet the requirements set out above Problems with vacuum switches are technically simple and economically feasible to solve.

Die Lösung besteht darin, daß die Schaltstücke im Vakuum des Schaltgehäuses nur noch Betriebs- und Kurzschlußströme schalten, also nur noch Schaltaufgaben haben. Das Führen des Dauerstroms und fallweise des Kurzschlußstroms wird neu eingeführten Schaltstücken zugewiesen, die außerhalb des Schaltgehäuses angeordnet sind. Durch diese Maßnahme werden die Kontakte im Vakuum mechanich und thermisch entlastet. Wird diese Entlastung zudem noch bei Schaltgehäusen mit diffusen Schaltströmen vorgenommen, so geht die Erosion der Kontaktoberfläche sehr stark zurück und die Entwicklung kann sich ausschließlich auf ihre Schalt- und Elektrodenfunktion konzentrieren.The solution is that the contact pieces in the vacuum of the switch housing only switch operating and short-circuit currents, i.e. only have switching tasks. The carrying of the continuous current and occasionally the short-circuit current is newly introduced Assigned contact pieces that are arranged outside the switch housing. By This measure relieves the contacts mechanich and thermally in the vacuum. If this relief is also carried out in switch housings with diffuse switching currents, so the erosion of the contact surface decreases very strongly and the development can concentrate exclusively on their switching and electrode functions.

Das notwendige Nacheilen der Schaltkontakte gegenüber den Dauerstromkontakten beim Ausschalten und das Voreilen beim Einschalten, sowie unterschiedliche Schalthübe inner- und außerhalb des Schaltgehäuses ermöglicht ein angepaßtes Antriebssystem.The necessary lag of the switching contacts compared to the permanent current contacts when switching off and leading when switching on, as well as different switching strokes Inside and outside of the switch housing enables an adapted drive system.

Alle spezifischen Merkmale der Erfindung sind.im ersten Patentanspruch sowie in den nachstehenden Patentansprüchen definiert. Ein Ausüuhrungsbeispiel erläutert sie zusätzlich.All the specific features of the invention are in the first claim as well as defined in the following claims. An Ausüuhrungsbeispiel explained they in addition.

Für das Ausführungsbeispiel ist ein Vakuumschalter mit metallischem Schaltgefäß und Einfach-Isollerdurchführung gewählt worden. Das Schaltstücksystem kann beliebig sein, das heißt, entweder ein radiales oder ein achsiales Magnetfeld erzeugen; sicherlich vorteilhafter ist das achsiale Magnetfeld. Bestimmt ist der Vakuumschalter für den-Eìnbau in eine metallgekapselte gasisolierte, Schaltanlage; die Abmessungen seiner Isolier-Durchführung sind daher reduziert gemäß DE-PS 33 47 741.For the exemplary embodiment is a vacuum switch with a metallic Switching vessel and single insulation bushing have been selected. The contact system can be anything, that is, either a radial or an axial magnetic field produce; The axial magnetic field is certainly more advantageous. Definitely it is Vacuum switch for installation in a metal-enclosed, gas-insulated switchgear; the dimensions of its insulating bushing are therefore reduced in accordance with DE-PS 33 47 741.

Das Bild zeigt den Schalter im Längsschnitt; links von der Mittellinie befindet er sich im ausgeschalteten, rechts davon im eingeschalteten Zustand.The picture shows the switch in longitudinal section; left of the center line it is in the switched-off state, to the right of it in the switched-on state.

Das Schaltgefäß (15) nimmt das feststehende (6) und das bewegbare (7) Schaltstück auf. Stromleiterbolzen (4,5) tragen diese Schaltstücke. Der Stromleiterbolzen (5) geht in das Anschlußstück (11) über. An den bewegbaren Stromleiterbolzen (4) schließt sich das Verbindungsstück (29) an; an seiner Stirnseite ist ein Federteller (30) befestigt als Widerlager für die Druckfeder (31). Die vakuumdichte Einführung des bewegbaren Stromleiterbolzen ermöglicht der Faltenbalg (8), der sich partiell in dem Stutzen (18) befindet und an seiner Stirnseite befestigt ist.The switching vessel (15) takes the fixed (6) and the movable one (7) Contact piece on. Conductor bolts (4,5) carry these contact pieces. The conductor bolt (5) merges into the connecting piece (11). On the movable conductor bolt (4) the connecting piece (29) follows; on its front side is a spring plate (30) attached as an abutment for the compression spring (31). The vacuum-tight introduction of the movable conductor bolt allows the bellows (8), which is partially in the nozzle (18) is located and attached to its end face is.

Den Abschluß des Schaltgefäßes auf der anderen Seite bildet eine Scheibe auf der Isolierdurchführung (16), die mit dem äußeren Stromleiter (22) kombiniert ist. Den Scheibenrand besetzen Kontaktfinger(25). Im eingeschalteten Zustand des Schalters stehen sie mit den bewegbaren Kontaktfingern (27) im Eingriff. Die feststehenden Kontaktfinger sind gerundet, um im ausgeschalteten Zustand keine hohe elektrische Feldstärke entstehen zu lassen. Zu demselben Zweck weisen auch die bewegbaren Kontaktfinger an den Enden Rundungen (26) auf. Diese Kontaktfinger sind an einem Tragzylinder befestigt und stehen an seinem Umfang einander in zwei Gruppen symmetrisch gegenüber. Der große Tragzylinder setzt sich in einen kleineren gehäuseartigen Zylinder (32) fort, dessen Abschlußplatte (33) das zweite Widerlager für die Feder (31) bildet. Dauer- und Kurzschlußstrom fließen jedoch nicht mehr durch dieses bereits dem speziellen Antriebsystem zugehörige Bauelement. Diese Ströme werden schon vorher durch das Stromband (34) den hier nur symbolisch angedeuteten Anschlußklemmen (35) zugeleitet.A disk completes the switching vessel on the other side on the insulating bushing (16), which combines with the outer conductor (22) is. Contact fingers (25) occupy the edge of the disc. When the Switch they are in engagement with the movable contact fingers (27). The fixed ones Contact fingers are rounded so that there is no high electrical power when switched off Let field strength arise. The movable contact fingers also have the same purpose at the ends roundings (26). These contact fingers are on a support cylinder attached and are symmetrically opposed to one another in two groups on its circumference. The large support cylinder is placed in a smaller, housing-like cylinder (32) continue, the end plate (33) forms the second abutment for the spring (31). Continuous and short-circuit currents, however, no longer flow through this already special one Drive system associated component. These currents are already through the Power strip (34) fed to the connection terminals (35), which are only indicated symbolically here.

Die zu schaltenden Betriebs- und Kurzschlußströme fließen nach dem Passieren des Schal traumes zwischen den Unterbrecherkontakten von dem bewegbaren Stromleiterbolzen über den Gleitkontakt (28) der Anschlußklemme (35) zu.The operating and short-circuit currents to be switched flow after the Passing the scarf dream between the breaker contacts of the movable Conductor bolt over the sliding contact (28) of the connection terminal (35).

Das Aus- und Einschalten spielt sich folgendermaßen ab: Im eingeschalteten Zustand ist die Feder (31) gespannt und drückt über Federteller (30) und bewegbaren Stromleiterbolzen (4) das daran befestigte Schaltstück (7) an das feststehende Schaltstück (6). Dabei kann der Kontaktdruck sehr klein sein, sodaß keine schädlichen Warm- oder Kaltverschweißungen eintreten, denn das innere Stromleitungs- und Kontaktsystem ist praktisch stromlos. Den Strom führt erfindungsgemäß das äußere Stromleitungs- und Kontaktsystem. Die Kontaktdruckfeder wird durch den Druck des Isoliergases auf die ihm ausgesetzte Außenfläche des bewegbaren Schaltstücks unterstützt; gegebenenfalls kann auf die Feder ganz verzichtet werden, was zur Vereinfachung der Konstruktion beiträgt.Switching on and off takes place as follows: When switched on State is the spring (31) tensioned and presses over the spring plate (30) and movable Conductor bolt (4) attach the contact piece (7) to the stationary contact piece (6). The contact pressure can be very small, so that no harmful heat or cold welds occur, because the internal power line and contact system is practically de-energized. According to the invention, the current is carried by the external power line and contact system. The contact pressure spring is opened by the pressure of the insulating gas the exposed outer surface of the movable contact supports; possibly the spring can be dispensed with entirely, which simplifies the construction contributes.

Im Verlauf einer Ausschaltung öffnen sich bei zunächst noch geschlossenen Unterbrecherschaltstücken (6,7) die Dauerstromschaltstücke (25,27). Dabei kommutiert der Strom auf das innere Kontakt- und Stromleitungssystem.In the course of a switch-off, those that are initially still closed open Interrupter contact pieces (6,7) the continuous current contact pieces (25,27). It commutes the current on the inner contact and power conduction system.

Nachdem der äußere Kontaktabstand ausreichend groß geworden ist, trifft die Mitnehmerscheibe (36) auf den Federteller (30), nimmt den bewegbaren Kontakt mit und öffnet so den Schaltraum.After the outer contact distance has become sufficiently large, hits the drive plate (36) on the spring plate (30) makes the movable contact with and opens the switchgear room.

In dieser Schaltphase findet die Stromunterbrechung statt.The power interruption takes place in this switching phase.

Die Einschwingspannung wird sowohl von dem inneren als auch von dem äußeren Schaltraum gehalten.The transient voltage is determined by both the internal and the outside control room held.

Anschließend öffnen sich die inneren und äußeren Schal träume bis zu ihrer vollen Isolierfähigkeit auch gegen Prüfspannungen.Then the inner and outer scarf dreams open up to their full insulation capability against test voltages.

Die stromunterbrechende Ausschaltung ist damit beendet.The power-interrupting shutdown is thus ended.

Das Einschalten vollzieht sich in der umgekehrten Reihenfolge: Zuerst schließen sich unter Feder- und/oder Gasdruck die Schaltkontakte im Vakuum und übernehmen zunächst den Einschaltstrom.Switching on takes place in the reverse order: First the switching contacts close in a vacuum under spring and / or gas pressure and take over first the inrush current.

Die Dauerstromkontakte folgen nach und überbrücken, praktisch ohne Vorüberschlag, das innere Kontaktsystem.The permanent current contacts follow and bridge, practically without Flash forward, the inner contact system.

Die den Strom einleitende Einschaltung ist damit beendet.The switch-on, which initiated the current, is thus ended.

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Claims (7)

Patentansprüche 1. Vakuumschalter: mit einem Schaltgehäuse aus elektrisch isolierendem oder elektrisch leitendem Werkstoff; mit im Schaltgehäuse relativ zueinander bewegbar angeordneten Schaltstücken; mit einer oder zwei Isolierdurchführungen für eine bzw. zwei Strom- und Spannungszuleitungen zu den Schalt-.Claims 1. Vacuum switch: with a switch housing made of electrical insulating or electrically conductive material; with in the switch housing relative to each other movably arranged contact pieces; with one or two insulating bushings for one or two current and voltage leads to the switching. stücken in Isoliergehäusen aus elektrisch leitendem Werkstoff; mit einem Faltenbalg zur gasdichten Zuführung der Schaltkraft an das zu bewegende Schaltstück; mit einer Vorrichtung zur Erzeugung der Schaltkraft und ihrer Zuleitung an das Schaltgehäuse; dadurch gekennzeichnet, daß räumlich parallel zu dem feststehenden (6) und dem bewegbaren (7) Schaltstück innerhalb des Schaltgehäuses (15) ein feststehendes (25) und ein bewegbares (27) Schaltstück außerhalb des Schaltgehäuses angeordnet ist, daß beim Einschalten die inneren Schaltstücke zuerst schließen, und daß sie im geschlossenen Zustand von den äußeren Schaltstücken elektrisch kurzgeschlossen werden, daß beim Ausschalten die äußeren Schaltstücke zuerst öffnen, und daß zwischen ihnen im geöffneten Zustand mindestens dieselbe Spannungsfestigkeit besteht wie zwischen den geöffneten inneren Schaltstücken. pieces in insulating housings made of electrically conductive material; with a bellows for the gas-tight supply of the switching force to the switching piece to be moved; with a device for generating the switching force and its supply line to the switch housing; characterized in that spatially parallel to the fixed (6) and the movable (7) Switching piece within the switching housing (15) a fixed (25) and a movable (27) contact piece is arranged outside of the switch housing that when Switching on the inner contact pieces close first, and that they are closed State of the outer contact pieces are electrically short-circuited that when Turn off the outer contact pieces first open, and that between them in the open State is at least the same dielectric strength as between the opened inner contact pieces. 2. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare innere Schaltstück (7) durch das bewegbare äußere Schaltstück (27) mechanisch betätigt wird.2. Vacuum switch according to claim 1, characterized in that the movable inner contact piece (7) through the movable outer contact piece (27) is operated mechanically. 3. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung des bewegbaren inneren Schaltstücks (7) in Abhängigkeit vom Schalthub erfolgt.3. Vacuum switch according to claim 1, 2, characterized in that that the actuation of the movable inner contact piece (7) as a function of the switching stroke he follows. 4. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die mechanische Betätigung des bewegbaren inneren Schaltstücks eine Kupplungsvorrichtung verwendet wird, und daß die Kupplungsvorrichtung aus Mitnehmern (33,36), Federgehäuse t30) und Feder (31) besteht.4. Vacuum switch according to claim 1, 2, 3, characterized in that that a coupling device for the mechanical actuation of the movable inner contact piece is used, and that the coupling device consists of drivers (33,36), spring housing t30) and spring (31). 5. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch.gekennzeichnet, daß das Schaltgehäuse aus Metall angefertigt ist, und daß zwei elektrisch isolierende Hohlkörper für die Strom-und Spannungseinleitung vorhanden sind.5. Vacuum switch according to claim 1, characterized in that the switch housing is made of metal, and that two electrically insulating Hollow bodies for the introduction of current and voltage are present. 6. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgehäuse aus Metall angefertigt ist, und daß ein elektrisch isolierender Hohlkörper für die Strom-und Spannungseinleitung vorhanden ist.6. Vacuum switch according to claim 1, characterized in that the switch housing is made of metal, and that an electrically insulating There is a hollow body for the introduction of current and voltage. 7. Vakuumschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare äußere Schaltstück aus einzelnen, am Umfang des Kontakfingerträgers in mindestens zwei Gruppen angeordneten. Kontaktfingern besteht.7. Vacuum switch according to claim 1, characterized in that the movable outer contact piece from individual ones on the circumference of the contact finger carrier arranged in at least two groups. Contact fingers.
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