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Kontaktarordnung für Vekuumschalter.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter
gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Eine derartige Kontaktanordnung ist
aus der E-PS 0 017 076 bekannt.
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Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht
darin, den Lichtbogen am Verlassen der Kontaktfläche zu hindern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kontaktanordnung nach
dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß beim Stand der Technik
der hochchmige Ringbereich den Strom zwar aufteilt, daß aber die Magnetfelder des
aufgeteilten Stromes trotzdem zu einem Abgleiten des Lichtbogens nach außen oder
inner führen. Die Nagnetfeldverteilung unterscheidet sich nicht wesentlich von der
für Topfkontakte ohne eie innere Zone geringerer Leitfähigkeit bekannten Verteilung
der Induktionslinien, die heicpielsweise aus der Zeitschrift Siemens Energietechnik
3(1981), Beiheft: "Vakuumschalttechnik für mittelspannung", S. 11 zu entnehmen ist.
Dort ist in Bild 7 die azimutale Komponente der magnetischen Flußdichte Bp, bezogen
auf den Strom I, als Funktion der Ortskoordinate x für den abgebidleten Topfontakt
angegeben. dort ergeben positive Werte B#/I eine radial nach außen, negative Werte
eine radial nach innen gerichtete Kraft auf den Lichtbogen.
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Die Zündung eines Lichtbogens im Bereich der negativen Werte wird
dort durch eine Abschrägung vermieden, so daß stets eine nach außen gerichtete Kraft
auf en Lichtbogen wirt.
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Gemäß einer Erkenntnis, die der vorliegenden Efindung zugrundeliegt,
gibt es beim Vorhandensein der erfindungsgemäßen koaxialen zone geringer Leitfähigkeit
einen 3ereich um diese Zone herum, in den sich die Vorzeichen von B# und damit die
Richtung der kraft auf den Lichtboger umdreht. Dadurch wird der Lichtbogen an keiner
Stelle dieses Bereiches nach außen gedrängt, sondern vielmehr nach innen und somit
zwischen den Kontaktflächen der beiden Kontakte des Vakuumschalters gehalten.
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Dieser Bereich läßt sich messen, beispielsweise mit einem sogenannten
"Phantom". Unter einem "Phantom" wird eine Meßsonde verstanden, die zwischen die
beiden Kontakte eines Schalters gebracht wird, beide Kontakte an einander in axialer
Richtung gegenüberliegenden Punkten verbindet und den Strom um die eigentliche Meßsonde
herumführt. So läßt sich das auf den Lichtbogen wirkende Magnetfeld ohne Beeinflussusng
durch den Lichtbogen selbst messen. Für zwei typische Kontaktformen sind die Messungen
in den Figuren 2 und 3 veranschaulicht.
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Erst durch die zwei verschiedenen koaxialen hochohmigen Ringbereiche
von Patentanspruch 1 wird der Strom so geführt, daß der gewünschte Feldverlauf erzwungen
wird.
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Dabei ist wesentlich, daß der schmalere Ringbereich bis in die Kontaktfläche
hineinreicht, wobei die Kontaktfläche hier als mathematische Flache ohne endliche
Dicke aufgefaßt wird.
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Vorteilhaft ist der schmalere Pangbereich als spalt ausgebildet, an
den zwei kontaktringe angrenzen. Diese Ausführungsform gewährleistet einen sehr
hohen Widerstand zv zwischen den beiden Kontaktringen. ::ommt es jedoch mehr auf
eine hoße Festigkeit des Kontaktes an, dann empfiehlt sich eine Ausführungsform,
in der der schmalere Ringbereich aus einem Metall mit einer anderen Zusammensetzung
als der übrige Kontaktring besteht. Vorteilhafte Abbrandeigenschaften werden erreicht,
wenn der Kontaktring aus einem
Chrom-Kupfer-Verbundmet2ll besteht
und im Bereich geringerer elektrischer Leitfähigkeit ein höherer Chromanteil vorliegt.
Vorteilhaft kann im Bereich der geringeren elektrischen Leitfähigkeit im Chrom-Kupfer
zumindest ein weiteres, die Leitfähigkeit verkleinerndes Metall vorhanden sein.
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Bei üblichen Ausführungsformen von Topfkontakten ruft die Azimutalfeldkomponente
eines durch den Kontakt flie-Benden Wechselstromes nicht über die ganze Breite des
Kontaktringes eie elektromotorische Kraft hervor, die auf den schmaleren Ringbereich
mit kleiner Leitfähigkeit hin gerichtet ist. In diesen Fällen ist es vorteilhaft,
wenn die Kontaktflächen der Kontaktringe nicht die volle Ringbreite erfassen und
wenn an die Kontaktflächen im Bereich des achsnahen und des achsfernen Randes der
Kontaktträgerwand gegenüber dem Gegenkontakt zurückgesetzte Ringflächen angrenzen.
Dadurch können die Kontaktflächen so dimensioniert werden, daß sie vollständig in
dem Bereich liegen, in dem die auf den Lichtbogen wirkende Kraft auf den schmaleren
Ringbereich mit geringer Leitfähigkeit hin gerichtet ist. Gleichzeitig ist die Stirnfläche
der Kontaktträgerwand vor Entladungen geschützt. Die zurückgesetzten Ringflächen
können vorteilhaft ein gekrümmtes Schnittprofil aufweisen. Einfach herstellbar ist
eine Ausführungsform, in der die zurückgesetzten Ringflächen kegelstumpfförmig ausgebildet
sind.
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Der Lichtbogen wird bereits in einem ausreichenden Bereich auf den
schmaleren Ring geringer Leitfähigkeit hin gezogen, wenn die Breite des Bereiches
geringerer elekfrischer Leitfähigkeit zumindest Imm und seine elektrische Leitfähigkeit
maximal etwa 10% der Leitfähigkeit der übrigen Teile des Kontaktringes beträgt.
Vorteilhaft sind der Kontaktring bzw. die Kontaktringe so dimensioniert, daß die
gesamtKontaktflächen in dem Bereich liegen, in dem die genannte elektromotorische
Kraft auf den schmaleren Bereich mit der geringeren elektrischen Leitfähigkeit hin
gerichtet ist.
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Vorteilhaft stellt die Kontaktträgerwand einen zumindest teilweise
doppelwandigen Zylinder mit einer Innen- und einer Außenwand dar, wobei eine vom
doppelwandigen Teil umschlossene konzentrische Ringnut von je einem konzentrischen
Kontaktring auf der Innen- bzw. der Außenwand teilweise überdeckt wird und wobei
zwischen den Kontaktringen ein Spalt mit einer Breite von zumindest etwa 1mm freibleibt.
Die Mindestspaltbreite ist erforderlich, damit bei den zu schaltenden Strömen der
Spalt nicht durch das oberflächlich flüssig werdende Metall überbrückt wird.
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Die Spaltbreite liegt dabei vorteilhaft zwischen imm und 3mm, insbesondere
bei etwa 2mm.
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Eine relativ breite und ausgeprägte Zone, in der der Lichtbogen zum
schmaleren Ringbereich hin gezogen wird, ist durch eine Kontaktform gegeben, bei
der die Kontaktträgerwand einen sich zu ihrer Strinfläche hin verjüngenden Querschnitt
aufweist und eine entsprechend geformte Ringnut enthält. Dabei läßt die Ringnut
vorteilhaft eine in axialer Richtung gleichmäßige Wandstärke der Innen-bzw. Außenwand
übrig, wobei die Wandstärke der Innenwand kleiner ist als die der Außenwand. Dadurch
lassen sich die Leitwerte der beiden Strompfade aneinander anpassen, es entsteht
eine gleichmäßige Entladung.
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Wegen der Laufrichtung des Stromes, die nicht der Forndes Leiters,
sondern dem energetisch günstigsten Weg folgt, ist es vorteilhaft, wenn der Kontaktring
ar. die Kontaktfläche angrenzende, zur Achse der Zylinderwand geneigte, konzentrische
Flächen aufweist und wenn der Winkel der Flächen zur Achse des Kontaktringes an
dessen Außenseite größer ist als der Winkel an dessen Innenseite.
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Die Erfindung wird nun anhand von vier Figuren näher erläutert.
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Figuren 1 bis 3 zeigen die in den verscbiedenen Kontaktformen erzeugte
Induktion in azimutaler Richtung in .X5-hängigkeit vom Radiusvektor r. Als Bezugssystem
dient
hierbei ein rechtsdrehendes Zylinderkoordinatensystem mit
einer Z-Achse, die in der Rotationsachse des Kontaktstückes liegt. In diesem Koordinatensystem
erhält die aus der zitierten Stelle von Siemens Energietechnik bekannte Flußdichte
B#/I ein negatives Vorzeichen. Zur Verdeutlichung der gefundenen Abhängigkeit wurde
die zugehörige Schnittfläche durch den entsprechenden Kontakt in das Jeweilige Diagramm
eingetragen.
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Fig. 1 zeigt die B#/I-Verteilung in einem normalen Topfkontakt ohne
einen Ringbereich geringerer Leitfähigkeit.
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Die Figur zeigt, daß innerhalb einer Grenzlinie 3, also im achsnahen
Bereich, die auf den Lichtbogen wirkende ra-Ainle Kndt im RSitungzur AMse wirkt,
während sie außerhalb der Grenzlinie 3 von der Achse weggerichtet ist. Bei deser
Kontaktform gibt es also keinen stabilen Bereich, der Lichtbogen wird entweder nach
außen oder nach innen aus dem Spalt zwischen den Kontaktflächen 4 hinausgedrückt,
je nach dem, ob der Bogen innerhalb der Grenzlinie 3, aleo beispielsweise im Punkt
1 oder außerhalb der Grenzlinie 3, also beispielsweise in Punkt 2 angreift. Im Stand
der Technik wird daher versucht, den Bogen am äußeren oder am inneren Rand des Kontaktringes
festzuhalten und ein Überspringen auf außerhalb des Kontaktringes liegende Teile
zu verhindern.
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Fig. 2 zeigt das Diagramm eines erfindungsgemäß ausgebauten Toptkontaktes.
Die Kontaktträgerwand 8 enthält einen koaxialen, hochohmigen Ringbereich 10, welcher
in einen im Kontaktring 6 gelegenen schmaleren Ringbereich 7 übergeht, dessen Leitfähigkeit
geringer ist als die des Kontaktringes 6. Der schmalere Ringbereich 7 hat eine Breite
von zumindest 1mm und weist eine Leitfähigkeit von höchstens 1/10 der Leitfähigkeit
des Kontaktringes6auf.
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Der hochohmige Ringbereich 10 und der schmalere Ringbereich 7 sind
vorteilhaft beide durch Spalte gebildet.
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In diesem Fall treten an die Stelle des Kontaktringes 6 ein äußerer
Kontaktring 6' und eininnerer Kontaktring 6".
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Diese Kontaktform ergibt zwei Grenzlinien 11 und 12 und eine Trennlinie
13, wobei an jeder dieser Grenz- bzw.
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Trennlinien die Induktion B#/I ihr Vorzeichen wechselt.
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Die Trennlinie 13 ist durch die Lage des Ringbereiches 7 kleinerer
elektrischer Leitfähigkeit bestimmt. An dieser Trennlinie 13 springt der B/I-ert
vom negativen in den positiven Bereich. Dies ist die Wirkung des erfindungsgemäßen
Ringbereiches 7 mit kleiner elektrischer Leitfähigkeit. Die Grenzlinie 11 entspricht
in ihrer. Lage in etwa der Grenzlinie 3 der bekannten Ausführungsform gemäß Fig.
1. Innerhalb der Grenzlinie 11 ist also, wie beim Stand der Technik, kein zwischen
den Kontaktflächen stabilisierter Bogen zu erwarten. Durch den sprunghaften Vorzeichenwechsel
an der Trennlinie 13 wird nun die negative, den Lichtbogen nach außen treibende
Kraft Fr gestoppt, an ihre Stelletreten positive B/I-tderte und eine auf die Achse
hin gerichtete Kraft Fr, die bis zur Grenzlinie 12 bestehen bleibt. Die Grenzlinien
11 und 12 definiere also einen den Lichtbogen stabilisierenden Bereich, das heiß
einen Bereich, in dem der Lichtbogen zwischen den Kontaktflächen gehalten wird.
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Dieser stabilisierende Bereich kann ohne Schwierigkeiten für jede
Kontantform ausgemessen werden, indem jeweils zwei in axialer Richtung gegenüberliegende
Punkte der Kontaktflächen einer Kontaktanordnung durch eine Magretfeldsonde verbunden
und das auf den Lichtbogen wirkende Magnetfeld in dieser Sonde gemessen wird. Hierfür
geeignete Sonden werden als "Phantom" bezeichnet. Sie enthalten einen Magnetfeldsensor,
insbesondere eine Feldplatte, die innerhalb eines Leiters für den Bodenstrom angeordnet
ist. Als Leiter für den Bogenstrom wird üblicherweise ein Netallzylinder verwendet.
Mit dieser Anordnung kann das auf den Lichtbogen wirkende ifagnetfeld gemessen werden,
ohne daß der Meßwert durch den Lichtbogen selbst beeinflußt wird, sofern der Dadurch
die Sonde fliegende Strom sich über den Zylinder gleichmäßig verteilt.
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Der stabilisierende Bereich 14 ist gemäß Fig. 2 deutlich schmaler
als der Kontaktring 6 bzw. die Summe aus den Kontaktringen 6' und 6" und dem Ringbereich
7. Daher wurden an den Kontaktring 6 bzw. die Kontaktringe 6' und 6" gegenüber der
Kontaktfläche 17 zurückgesetzte Ringflächen 15 und 16 in Form von Abschrägungen
angeordnet. Diese Abschrägungen haben hier nur die Aufgabe, außerhalb des stabilisierenden
Bereiches keinen Lichtbogen entstehen zu lassen. Nur wenn der Lichtbogen außerhalb
des stabilisierenden Bereiches entsteht, besteht die Gefahr, daß er aus den zwischen
den Kontaktflächen liegenden Bereich herausläuft und nach innen oder nach außen
abgleitet.
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In Fig. 3 ist eine Ausführungsform gezeigt, welche eine sich verjüngende
Kontaktträgerwand und einen im Querschnitt an diese Kontaktträgerwand angepaßten
hochohmigen Rmreich27beinhäLtet.Um den elektrischen Widerstand auf dem direkten
Weg durch die Innenwand 18 an den elektrischen Widerstand auf dem weiteren Weg durch
die Außenwand 19 anzupassen, wurde die Außenwand 19 stärker ausgeführt als die Innenwand
18. An die Kontaktflächen 17 grenzen zurückgesetzte Ringflächen 28 bzw. 29 an, die
ein gekrümmtes Schnittprofil aufweisen.
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Die Messung des Bp Wertes an dieser Ausführungsform zeigt eindeutig,
daß der stabilisierende Bereich 14 wesentlich größer ist, als der der Ausführungsform
gemäß Fig. 2. Hier kann die Breite des Kontaktringes voll ausgenützt werden. Außerdem
ist dieser Figur zu entnehmen, daß die Innenwand 18 einen geringeren Winkel zur
Rotationsachse einnehmen kann als die Außenwand 19.
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Fig. 4 zeigt einen Kontaktring der in Fig. 3 beschriebenen Art in
teilweise geschnittener Ansicht. Die Schlitze 20 dienen zur Erzeugung eines rotierenden
Lichtbogens, der hochohmige Ringbereich 21 hat eine relativ einfach herstellbare
Form, da es zur Herstellung genügt, einen
Fräser in drei Richtungen
anzusetzen9 Die dadurch hergestellte Ringnut kann mit elektrisch schlecht leitendem
Material, z.B. Keramik, ausgefüllt werden. Ein ringförmiger Spalt 22 dient als schmalerer
Ringbereich mit kleiner Leitfähigkeit, an den zwei Kontaktringe 23 und 24, vorzugsweise
aus Chrom-Kupfer, angrenzen. Die Kontaktringe 23 und 24 besitzen zur Zylinderachse
geneigte Ringflächen 25 und 26.
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13 Patentansprüche 4 Figuren