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Elektrischer Vakuumschalter
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Gegenstand und Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft
elektrische Vakuumschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 für das Uffnen
und Schließen elektrischer Stromkreise in elektrischen Netzen.
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Insbesondere gilt die Erfindung solchen Vakuumschaltern, bei denen
der Schaltlichtbogen zwischen den Schaltstücken bis hin zum Nenn- Kurzschluß- Ausschalt-
und Einschaltstrom durch ein lichtbogenparalleles Magnetfeld im diffusen Zustand
gehalten wird.
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Stand der Technik und Kritik Ein derartiger Vakuumschalter ist bekannt
geworden aus der Druckschrift DE-OS 28 52 414.
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Bei seiner Konstruktion sind "Leiterstäbe 3,4 zum Teil von mindestens
einem Joch 10,11 umgeben, das ein Material hoher magnetischer Permeabilität enthält".
Die Joche an den Leiterstäben sind gegeneinander um etwa 180 Grad versetzt.
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Dadurch liegt dem Bogen des Joches an dem einen Leiterstab die Oeffnung
des Joches an dem anderen Leiterstab gegenüber, während sich die Jochschenkel überlappen.
In einer solchen Anordnung entsteht im stromdurchflossenen Zustand der Leiterstäbe
zwischen den Schenkeln der Joche an beiden Schaltstücken ein magnetisches Streufeld.
Seine Feldlinien verlaufen mindestens teilweise parallel zu dem Lichtbogen zwischen
den Kontaktstücken 1,2 und bewirken eine diffuse Entladung.
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Die Jochform bedingt jedoch grundsätzlich eine ungleichmäßige Verteilung
des magnetischen Feldes über Kontaktflächen und Schaltraum: Im Bereich zwischen
den Jochschenkeln sind die Feldlinien am dichtesten; im Bereich zwischen den Jochöffnungen
und Jochbögen sind sie am schüttersten.
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Die Folge ist eine ungenügende Ausnutzung der inherenten Stromunterbrechungsfähigkeit
einer bestimmten Schaltstückgröße.
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Der Anschaulichkeit halber zeigt die Fig.1 die Joche oder zumindest
einen Randstreifen derselben in einer Abwicklung.
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Dabei präsentiert sich das untere Joch als langgestrecktes rechteckiges
Prisma 1. Das obere Joch ist in der Mitte aufgeschnitten. Die Teiljoche 2,3 sind
über dem unteren Joch so angeordnet, daß sein Jochbogen - das ist jetzt der mittlere
Bereich des Rechtecks 1 - und der Uffnungsbereich 4 des oberen Joches übereinander
liegen.
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Die obere Jochbogenabwicklung ist in einen äußeren Jochkörper 6 eingesetzt;
um ihn zu errregen, trägt das Außenjoch eine Wicklung 7 wie es Fig. 6 zeigt. Fließt
der Strom i in dieser Wicklung gemäß der eingezeichneten Richtung, dann entsteht
ein magnetischer Fluß , der den Raum zwischen den abgewickelten Jochschenkeln mit
wechselnder Richtung durchquert. In die Jochöffnungen 4,5 kann ein elektrisch gut
leitender Körper eingesetzt werden zur Dämpfung des magnetischen Flusses, der sich
sonst zwischen den Schenkeln eines Joches voll entwickeln und im Raum zwischen den
Schaltstücken fehlen würde.
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Aufgabe der Erfindung Das magnetische Feld parallel zu dem Schaltlichtbogen
soll gleichmäßig über Kontaktflächen und Schaltraum verteilt werden. Dadurch soll
die spezifische Strombelastung dieser Gebiete reduziert und bei konstantem Schaltstückdurchmesser
ein größerer Ausschaltstrom beherrscht werden. Die magnetischen Leitkörper sollen
einfach herstellbar und montierbar sein.
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Lösung der Aufgabe Die gestellte Aufgabe löst die Erfindung mit Hilfe
der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mittel. Sie bestehen
allgemein darin, daß die Stromleiterbolzen der Schaltstücke anschließend an die
stirnseitigen Kontaktkörper von je einem Ringkörper aus einem Material hoher magnetischer
Permeabilität umgeben sind. Die Ausdehnung dieser Ringkörper in axialer Richtung,
ihre Höhe also, verändert sich entlang des Ringumfangs, und zwar derart, daß einem
Bereich abnehmender axialer Ausdehnung des Ringkörpers an dem einen Schaltstück
ein Bereich zunehmender axialer Ausdehnung des Ringkörpers an dem anderen Schaltstück
zugeordnet ist. Nach dieser Lehre geformte Ringkörper bewirken, daß das magnetische
Feld sich über Kontaktflächen der Schaltstücke und dazwischen liegenden Schaltraum
weitgehend gleichmäßig verteilt.
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Weitere Erfindungsmerkmale definieren die nachfolgenden Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele sind anhand der Zeichnungen erläutert.
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Ausführungsbeispiele Fig.1 : Jochstreukernanordnung in abgewickelter
Darstellung, mit Ersatzerrregung.
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Fig.2 : Ringstreukernanordnung, unteres Schaltstück, Sicht auf Kontaktfläche.
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Fig.3 : Ringstreukernanordnung, Höhe des Magnetringes periodisch veränderlich,
unteres Schaltstück, Ansicht.
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Fig.4 : Ringstreukernanordnung, Höhe des komplementären Magnetringes
periodisch veränderlich, oberes Schaltstück, Ansicht.
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Fig.S : Ringstreukernanordnung, oberes Schaltstück, Sicht auf Kontaktfläche.
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Fig.6 : Ringstreukernanordnung mit periodisch veränderlicher Magnetringhöhe
in abgewickelter Darstellung, Ersatzerregung.
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Fig.7 : Ringstreukernanordnung, unteres Schaltstück, Sicht auf Kontaktfläche.
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Fig.8 : Ringstreukernanordnung, Höhe des Magnetringes monoton veränderlich,
unteres Schaltstück, Ansicht.
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Fig.9 : Ringstreukernanordnung, Höhe des komplementären Magnetringes
monoton veränderlich, oberes Schaltstück, Ansicht.
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Fig.10: Ringstreukernanordnung, oberes Schaltstück, Sicht auf Kontaktfläche.
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Fig.11: Ringstreukernanordnung mit monoton veränderlicher Magnetringhöhe
in abgewickelter Darstellung, Ersatzerrregung.
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Die Fig. 2 bis 5 zeigen in ein nicht dargestelltes Vakuumschaltgefäß
eingebaute Schaltstücke 10,11, von denen eines bewegbar ist. Ihre Stromleiterbolzen
12,13 sind umgeben von je einem Ringstreukern 14,15 aus einem Material hoher magnetischer
Permeabilität. Damit wird im Schaltraum zwischen den Kontaktkörpern 16,17 ein Magnetfeld
erzeugt, dessen durch Pfeile angedeutete Feldlinien im wesentlichen parallel zu
einem nicht dargestellten Lichtbogen verlaufen.
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Die Ringstreukerne müssen eine bestimmte Form haben und einander in
einer bestimmten Weise zugeordnet sein.
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Der Ringstreukern an dem unteren Schaltstück, Fig.3, besitzt an der
dem Betrachter am meisten zugewandten Umfangsvertikalen die größte Höhe. Diesen
Bereich verlassend nimmt die Ringhöhe nach beiden Umfangsrichtungen ab. An der entgegengesetzten
Umfangsvertikalen wird die geringste Höhe errreicht.
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Zur weiteren Verdeutlichung der Form der Ringstreukerne sind links
von der Mittellinie die Schaltstücke im Schnittbild zu sehen, Fig.3 und 4.
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Bei dem oberen Schaltstück nach Fig.4 liegen die Verhältnisse gerade
umgekehrt. Gegenüber der größten axialen Ausdehnung des unteren Ringstreukerns befindet
sich dort die kleinste axiale Ausdehnung. Nach einem Umlauf um 180 Grad entlang
des Ringumfangs hat dann der untere Ringstreukern die kleinste und der obere die
größte Ausdehnung.
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Ringstreukerne mit solcher Geometrie und Anordnung lassen sich einfach
herstellen. Den Ausgangskörper bildet ein Sinterring aus einem Material hoher magnetischer
Permeabilität, dessen Höhe konstant und gleich der maximal vorgesehenen ist.
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Diese Ringscheibe wird durch eine schräge Ebene geschnitten.
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Der Schnitt setzt tangential an der Oberkante des Ringes an und tritt
an der entgegengestezten Unterkante tangential aus.
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Die Schnittergebnisse, die Teilring, werden auf die Stromleiterbolzen
aufgeschoben, und zwar derart, daß die horizontalen Oberflächen der Schnittkörper
an den überstehenden kreisringförmigen Oberflächen der Kontaktkörper aufliegen und
damit verlötet werden können.
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In der Lage auf den Schaltstücken bleibt die Summe der Radialquerschnittsflächen
der aus dem Schrägschnitt hervorgegangenen Ringteile über den Umfang konstant. Jedoch
liegt nun ein Raum geringer magnetischer Permeabilität dazwischen; im geschlossenen
Zustand der Schaltstücke bilden ihn die Kontaktkörper ; während einer Ausschaltung
kommt der Vakuum-Schaltraum hinzu.
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Dieses einfache Konstruktionsprinzip wird noch deutlicher durch die
Abwicklung in Fig.6. Dazu ist der obere Streuring 15 in Fig. 4 entlang seiner größten
axialen Ausdehnung aufgeschnitten und in die Darstellungsebene aufgebogen worden.
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Dadurch entstehen zwei keilförmige Körper, die mit den Schneiden verbunden
sind. Dieser Körper wird in das Joch 6 aus magnetisch hochpermeablem Material eingesetzt;
eine vom Strom i durchflossene Wicklung 7 erregt im Joch den magnetischen Fluß 0,
der äquivalent ist dem durch die vom auszuschaltenden Strom durchflossenen Stromleiterbolzen
12,13 der Schaltstücke 10,11, Fig.3,4, erzeugten Magnetfluß.
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Der untere Streuring 14 an dem Schaltstück 10 in Fig.3 bleibt bei
der Abwicklung ungeteilt und liegt dem abgewickelten oberen Streuring auf Spaltbreite
gegenüber.
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Man erkennt in der Abwicklung deutlich, daß die Summe der Querschnitte
der hochpermeablen Pfade konstant bleibt; dazwischen liegt der unmagnetische Vakuumspalt
konstanter Höhe bei dieser Momentaufnahme während eines Ausschaltvorganges.
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Der aus dem Erregerjoch 6, Fig.6, in die Ringstreukernabwicklung eingespeiste
magnetische Fluß findet wegen des abnehmenden Querschnitts einen ebenfalls abnehmenden
magnetischen Leitwert vor. Diese kontinuierliche Leitwertabnahme bewirkt, daß der
vom Eisen nicht mehr aufnehmbare magnetische Fluß sich einen Pfad außerhalb des
oberen Ringstreukerns sucht. Seinen neuen Pfad findet dieser magnetische Streufluß
nach der Durchströmung des Vakuumschaltraums in dem diesen Raum begrenzenden unteren
Ringstreukern 14 in Fig.3 bzw. in seiner Abwicklung 14 in Fig.6. Nach einem halben
Umlauf um den Umfang ist der gesamte magnetische Fluß aus dem oberen Streuring 15
in den unteren Streuring i4 eingestreut worden, der nun den größten Querschnitt
besitzt.
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Daran anschließend kehren sich die Verhältnisse um. Wegen des wieder
abnehmenden unteren Streuringquerschnitts streut der magnetische Fluß zurück in
den dafür zunehmenden Querschnitt des oberen Streurings 15.
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Zufolge dieser Geometrie der magnetischen Pfade ergibt sich im Vakuumspalt
ein gleichmäßiges magnetisches Feld mit einer Polarität, die nach jedem Halbumlauf
wechselt.
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Die Linien des magnetischen Feldes sind in den Fig. 3,4 durch Pfeile
zwischen den Schaltstücken 10,11 angedeutet. Entsprechend dem eingezeichneten Stromfluß
i sind diese Feldpfeile links von der Mittellinie nach unten gerichtet und rechts
davon nach oben. Desweiteren sieht man die Feldpfeile beim Verlassen des oberen
Kontaktkörpers 17, Fig.S, durch ihre Spitzen markiert und, wenn sie in den unteren
Kontaktkörper 16, Fig.2, eindringen, durch ihre Enden.
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In der rechten Bildhälfte kehren sich die Pfeile um entsprechend der
geänderten Feldrichtung.
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An der unteren und oberen Abwicklung der Ringstreukerne 14, 15 in
Fig.6 sieht man im Bereich ihrer geringsten axialen Ausdehnung Körper 18,19 eingesetzt,
die aus elektrisch gut leitendem Material bestehen. Diese die Senken der Ringstreukerne
ausfüllenden Körper sollen das Streufeld dämpfen, das sich dort den Senkenbereich
überbrückend ausbildet.
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Solche Maßnahmen erhöhen den magnetischen Fluß, der im Schaltraum
parallel zum Lichtbogen verläuft und ihn im diffusen Zustand hält. Die entsprechenden
Dämpfungskörper an dem unteren 14 und oberen 15 Ringstreukern in den Fig.3 und 4
sind gleicherweise mit 18 bzw. 19 bezeichnet.
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Eine Variante des Ringstreukernprinzips zur Erzeugung eines homogenen
lichtbogenparallelen Magnetfeldes im Schaltraum von Vakuumschaltern ist in den Figuren
7 bis 10 dargestellt.
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In dieser neuen Anordnung behält das Magnetfeld über der Kontaktfläche
seine Richtung bei.
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Als Rohling für die Anfertigung der entsprechenden Ringstreukerne
dient wieder ein Kreisring aus magnetisch hochpermeablen Material. Dieser Ring wird
jetzt durch einen Schnitt entlang einer Wendelfläche in zwei Teile zertrennt. Dieser
Wendelflächenschnitt erfolgt nur über 315 Umfangsgrade. in der Folge ergeben sich
zwei Ringkörper, die in einen gemeinsamen Sockel einmünden. Der untere Teilring
wird zusammen mit dem Sockel von dem oberen Teilring abgetrennt , auf den Stromleiterbolzen
21 des oberen Schaltstücks 23 in Fig.9 aufgeschoben und mit der überstehenden Kreisringfläche
des Kontaktkörpers 28 verlötet; in dieser Position sind Ringstreukern und Sockel
mit 26 bzw. 24 bezeichnet. Der Sockel erstreckt sich bis zum Kontaktflächenbereich
des mit einer entsprechenden Aussparung versehenen Kontaktkörpers. Die Kontaktfläche
setzt sich also aus der relativ nur wenig Strom führenden Sockelfläche und der praktisch
den gesamten Strom führenden Fläche des Kontaktkörpers zusammen.
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Der andere sich aus dem Wendelflächenschnitt ergebende Teilkörper
ist ein zunächst noch offener Ring.
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Dieser Ring wird auf den Stromleiterbolzen 20 des unteren Schaltstücks
22 in Fig.8 so aufgeschoben, daß die horizontale Kreisring-Deckfläche zur überstehenden
Kreisringfläche des Kontaktkörpers 27 aufschließt. Dann wird der offene Ring durch
einen Sockel 29 abgeschlossen, dessen Form identisch ist mit der des oberen Sockels
24.
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Eine Abwicklung der Ringstreukerne zeigt Fig.11. Dabei ist die obere
Ringstreukern-Abwicklung 26 in das Erreger- und Rückschlußjoch 6 eingesetzt. Die
Sockelabwicklungen 24, 29 bilden den magnetischen Rückschluß für den magnetischen
Fluß, der sich über Kontaktflächen und Schaltraum gleichmäßig verteilt. Das Vorziehen
der Sockel bis zu den Kontaktflächen der Schaltstücke in den Figuren 8 und 9 reduziert
den magnetischen Widerstand im Spalt.
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Zur Dämpfung des ringeigenen Streuflusses von den Sockeln zu den Ringabschnitten
mit noch kleinen Querschnitten sind ebenso wie bei den schon vorgestellten Konstruktionen
Dämpfungskörper 30,31 vorgesehen, sowohl an den Schaltstücken 25,26 nach Fig.8,
9 als auch an den Abwicklungen nach Fig.11. Das magnetische Feld ist wieder durch
Feldpfeile angedeutet.
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Zu bemerken wäre noch folgendes: die gestellte Aufgabe lautet, ein
relativ homogenes magnetisches Feld zu erzeugen im Schaltraum zwischen den Kontaktkörpern.
Die Voraussetzung dafür bilden die Ringstreukerne. Um auf dieser Basis ein Optimum
an Homogenität des magnetischen Feldes zu erreichen, kann es notwendig werden, den
Querschnitten der Ringstreukerne einen von den Darstellungen in den Figuren 3, 4,
8, 9 abweichenden stetigen oder auch unstetigen Verlauf entlang des Ringumfangs
zu geben.
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Ergänzend soll noch gezeigt werden, wie die didaktischen Hilfskonstruktionen
gemäß den Figuren 1, 6 und 11 in etwa drei Schritten zu mindestens funktionsfähigen
Vakuumschaltern vervollständigt werden können: 1. Die Dämpfungskörper aus elektrisch
gut leitendem Material, z.B. 4 und 5 in Fig.1, werden so erweitert, daß an der Stirnseite
der magnetischen Leitkörper 1, 2 und 3 zum Schaltraum weisende Kontaktkörper entstehen.
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2. Aus der Erregerwicklung 7 in Fig.6 wird ein das Joch 6 einmal umschlingender
Stromleiterbolzen als Träger des feststehenden Schaltstücks. Dieser Bolzen ist mit
dem Kontaktkörper 4 verbunden und führt über eine nicht dargestellte Isolierdurchführung
aus dem gleichfalls nicht dargestellten Vakuumschaltgefäß heraus.
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3. Der magnetische Leitkörper 1 wird mit einer zentralen Bohrung versehen.
Dann wird der bewegbare Stromleiterbolzen durchgesteckt bis zur Verbindung mit dem
zugehörigen Kontaktkörper.
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Abschließend sind diese Schalt- und Erregerstücke in ein entsprechend
geformtes Schaltgefäß einzubauen und das bewegbare Schaltstück 1,5 muß mit einem
Antrieb gekoppelt werden.