HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Struktur einer
spiralförmigen Elektrode, die es erlaubt, das Betriebsverhalten
eines Vakuum-Leistungsschalters zu verbessern, wobei die
spiralförmige Elektrode auch als Elektrode vom Windmühlentyp
bezeichnet wird.
Beschreibung des Stands der Technik:
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Eine bekannte spiralförmige Elektrodenstruktur ist
beispielsweise in der Beschreibung der JP-OS Nr. 30174/1980 angegeben.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine feststehende Elektrode in
dieser Elektrodenstruktur, und Fig. 2 zeigt eine bewegliche
Elektrode derselben. Die feststehende Elektrode ist von vorn
betrachtet eine Rechtsspirale, während die bewegliche
Elektrode eine Linksspirale ist. Die feststehende und die
bewegliche Elektrode haben Kontakte 1 und 1a, die miteinander in
Kontakt gebracht und voneinander getrennt werden können,
Lichtbogen-Leitbleche 2 und 2a, spiralförmige Kanäle 4 und
4a, die an den jeweiligen Kontakten 1 und 1a enden und die
Lichtbogen-Leitbleche 2 und 2a trennen. Jedes Lichtbogen-
Leitblech 2 oder 2a ist mit dem Umfangsbereich der
entsprechenden Elektrode an seinem distalen Ende 3 oder 3a in
Berührung. Es wird eine beliebige Zahl von Lichtbogen-Leitblechen
verwendet. Jede Elektrode ist integral aus einer Legierung
geformt, die beispielsweise Cu-Bi oder Cu-Cr enthält.
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Nachstehend wird der Betrieb der spiralförmigen Elektroden
nach den Fig. 1 und 2 erläutert, die einen Kurzschlußstrom
von 12,5 bis 50 kA in einem Wechselstromkreis unterbrechen.
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Zuerst wird an den Kontakten 1 und 1a ein Lichtbogen gezogen,
wenn das Paar von Elektroden sich zu öffnen beginnt. Wenn die
Zeit nach dem Trennen der Elektroden verstreicht, bewegt sich
der zwischen den Elektroden gezogene Lichtbogen aus der
Position zwischen den Kontakten 1 und 1a zwischen die jeweiligen
Lichtbogen-Leitbleche 2 und 2a, und dann zwischen die
distalen Enden 3 und 3a der jeweiligen Lichtbogen-Leitbleche.
Während dieser Zeit wird in dem Raum zwischen den Elektroden in
deren Radialrichtung ein Magnetfeld erzeugt aufgrund der
Charakteristiken der spiralförmigen Elektrodenstruktur. Die
Richtung, in der das Magnetfeld gebildet wird, ist zu der
Richtung senkrecht, in der der Lichtbogen gezogen ist, so daß
dieses erzeugte Magnetfeld als ein Quermagnetfeld bezeichnet
wird. Die Bewegung des Lichtbogens an den Elektroden wird
durch den Treibereffekt des Quermagnetfeldes beschleunigt.
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Wenn bei den bekannten spiralförmigen Elektroden ein
Lichtbogenstrom mehrere kA oder mehr erreicht, wird eine Vielzahl
von Kathoden der Lichtbogen gebündelt, so daß ein
Lichtbogenmodus zu einem Bündelungslichtbogen gemacht wird. In der
Bündelungslichtbogen-Betriebsart steigt die Stromdichte lokal an
und erhöht die Lichtbogenspannung auf 100 V oder darüber und
verstärkt dadurch den magnetischen Treibereffekt durch das
Quermagnetfeld. Daher sind die spiralförmigen Elektroden zum
Unterbrechen bzw. Ausschalten des Nenn-Kurzschlußstroms eines
Vakuums-Leistungsschalters sehr wirkungsvoll.
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Wenn jedoch ein übermäßig hoher Kurzschlußstrom unterbrochen
werden soll, arbeitet der oben beschriebene magnetische
Treibereffekt zu gut: Die Kathode des Lichtbogens erreicht jedes
der distalen Enden 3 oder 3a der Lichtbogen-Leitbleche, bevor
der Kurzschlußstrom auf Null entladen ist, und bleibt dort.
Infolgedessen wird an jedem der distalen Enden 3a oder 3 der
Lichtbogen-Leitbleche der Elektrode (auf einer Anodenseite),
die der Elektrode zugewandt sind, an der die Kathode des
Lichtbogens gebildet ist, übermäßig viel Wärme erzeugt. Das
kann zu einem Ausschalt-Versagen führen, wobei die Anode zum
Abschmelzen gebracht wird, was anomal ist. Wenn die
beschädigte Elektrode später untersucht wird, wird deutlich, daß
das Ausmaß des Schadens oder des Abschmelzens an jedem der
distalen Enden 3a oder 3 der Lichtbogen-Leitbleche am größten
ist, an einem Bereich jedes der Lichtbogen-Leitbleche 2a oder
2, der nahe dem entsprechenden spiralförmigen Kanal 4a oder 4
liegt, am zweitgrößten ist und an dem Kontakt 1a oder 1 am
drittgrößten ist. Außerdem wird deutlich, daß ein Bereich von
jedem der Lichtbogen-Leitbleche 2a oder 2, der von dem
jeweiligen spiralförmigen Kanal 4a oder 4 getrennt ist, nicht
stark oder überhaupt nicht beschädigt oder abgeschmolzen ist.
Dieses Experiment oder diese Beobachtung führt dazu, daß bei
den bekannten spiralförmigen Elektroden ein
Ausschalt-Versagen häufig auftrat, ohne daß 100 % der Gesamtflächen der
gegenüberstehenden Elektroden genutzt wurden.
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Die Unfähigkeit, einen übergroßen Kurzschlußstrom
auszuschalten, wurde vorstehend beschrieben. Ein Ausschalt-Versagen
tritt außerdem auf, nachdem bei einem Test der
Nenn-Kurzschlußstrom eine große Anzahl von Malen unterbrochen wurde,
so daß sich die Lebensdauer der Elektroden ihrem Ende nähert.
In diesem Fall zeigt die Untersuchung der Elektroden nach dem
Test ebenfalls, daß die Elektrode häufig auf ähnliche Weise
beschädigt ist wie in dem Fall, in dem die Elektrode
beschädigt wird, wenn die Unfähigkeit auftrat, den übergroßen Nenn-
Kurzschlußstrom auszuschalten, d. h. daß der Bereich von
jedem der Lichtbogen-Leitbleche 2a oder 2, der von dem
entsprechenden spiralförmigen Kanal 4a oder 4 getrennt ist, weniger
stark beschädigt oder abgeschmolzen ist.
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Im allgemeinen ist die Potentialdifferenz an den
Umfangsbereichen der Elektroden am größten, wenn die Elektroden
vollständig getrennt sind. Nachdem die distalen Enden der
Lichtbogen-Leitbleche auf anomale Weise abgeschmolzen sind, nimmt
die Unregelmäßigkeit der distalen Enden zu, so daß die
Potentialdifferenz an den Umfangsbereichen bis auf einen Punkt
zunimmt, an dem diese Bereiche einer dynamischen Stehspannung
nicht standhalten können, die unmittelbar nach der Abnahme
des Kurzschlußstroms auf Null erzeugt wird, so daß sie den
Kurzschlußstrom nicht ausschalten können.
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Bei den bekannten spiralförmigen Elektroden können die
Gesamtflächen der Elektroden nicht wirkungsvoll genutzt werden,
um einen Kurzschlußstrom auszuschalten. Daher muß die
Elektrode etwas größer als notwendig gemacht werden, um einen
vorbestimmten Nenn-Kurzschlußstrom auszuschalten. Es ist
daher schwierig, eine kleine Elektrode und dementsprechend
einen kleinen Vakuumbehälter vorzusehen und so einen
kostengünstigen Vakuum-Leistungsschalter herzustellen.
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Die GB-PS 1 161 442 zeigt eine Elektrodenstruktur für einen
Vakuum-Leistungsschalter mit einem Paar von trennbaren
spiralförmigen Elektroden, wobei die spiralförmigen Elektroden
folgendes aufweisen: einen Elektrodenstab, einen Kontakt, der
an dem Elektrodenstab befestigt ist, und eine Vielzahl von
Lichtbogen-Leitblechen, die von dem Kontakt in seiner
Radialrichtung spiralförmig nach außen verlaufen, wobei jedes der
Lichtbogen-Leitbleche eine Lichtbogen-Leitblechoberfläche
hat, die von den angrenzenden Lichtbogen-Leitblechen durch
erste Kanäle getrennt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen
Vakuum-Leistungsschalter anzugeben, der das Problem einer
ungleichmäßigen Beschädigung der vorstehend beschriebenen spiralförmigen
Elektrode lösen kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht in der Schaffung eines Vakuum-Leistungsschalters, der
ein anomales Abschmelzen der Umfangsbereiche der Elektroden,
wie etwa der distalen Enden der Lichtbogen-Leitbleche, die
die größte Potentialdifferenz haben, zu verhindern, indem die
Gesamtflächen der gegenüberstehenden Elektroden wirkungsvoll
genutzt werden, und der eine längere Lebensdauer aufgrund der
stabilen dynamischen Stehspannung hat. Noch eine weitere
Aufgabe
der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Vakuum-Leistungsschalters, der gegenüber dem bekannten geringe
Größe hat und billiger ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Elektrodenstruktur
für einen Vakuum-Leistungsschalter mit einem Paar von
trennbaren spiralförmigen Elektroden angegeben, wobei die
spiralförmigen Elektroden folgendes aufweisen: einen
Elektrodenstab, einen Kontakt, der an dem Elektrodenstab befestigt ist,
und eine Vielzahl von Lichtbogen-Leitblechen, die von dem
Kontakt in seiner Radialrichtung spiralförmig nach außen
verlaufen, wobei jedes der Lichtbogen-Leitbleche eine
Lichtbogen-Leitblechoberfläche hat, die von den angrenzenden
Lichtbogen-Leitblechen durch erste Kanäle getrennt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß jede der Lichtbogen-Leitblechoberflächen
der Lichtbogen-Leitbleche wenigstens einen darin
ausgebildeten zweiten Kanal hat, der von den ersten Kanälen getrennt
ist, um einen Schenkel eines elektrischen Lichtbogens von
jedem der ersten Kanäle auf den zweiten Kanal zu ziehen.
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An Stellen, die von der Achse der Elektrode in deren
Radialrichtung gleichbeabstandet positioniert sind, ist der
Krümmungsradius (r2) des Randbereichs von jedem der zweiten
Kanäle kleiner als derjenige (r1) von jedem der ersten
Kanäle, und die Tiefe (d2) von jedem der zweiten Kanäle ist
kleiner als diejenige (d1) von jedem der ersten Kanäle. Jeder
der zweiten Kanäle ist mindestens in den
Lichtbogen-Leitblechen der spiralförmigen Elektrode vorgesehen. Bevorzugt ist
er im wesentlichen parallel zu und gesondert von dem
jeweiligen ersten Kanal ausgebildet. In der Nähe des Umfangsbereichs
der Elektrode kann er im wesentlichen parallel zu dem
Außenumfangskreis gebildet sein und ist von dem
Lichtbogen-Leitblech getrennt.
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An Stellen, die von der Elektrode in ihrer Radialrichtung
gleichbeabstandet positioniert sind, kann, da der
Krümmungsradius des Randbereichs von jedem der zweiten Kanäle kleiner
als derjenige des ersten Kanals ist (obwohl der zweite Kanal
flacher als der erste Kanal ist), die Potentialdifferenz (E2)
an dem Randbereich von jedem der zweiten Kanäle größer als
diejenige (E1) des ersten Kanals gemacht werden, so daß der
entlang dem Randbereich von jedem der bekannten ersten Kanäle
erzeugte Lichtbogen in Richtung zu dem Randbereich von jedem
der zweiten Kanäle gezogen werden kann. Der an dem
Randbereich von jedem der zweiten Kanäle erzeugte Lichtbogen wird
stärker gebündelt und kann wirkungsvoller als an dem ersten
Kanal magnetisch getrieben werden.
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Da außerdem die Tiefe von jedem der zweiten Kanäle kleiner
als diejenige des ersten Kanals ist, ist die Wärmekapazität
von jedem der zweiten Kanäle größer als diejenige des ersten
Kanals. Daher steigt die Temperatur der zweiten Kanäle nicht
so stark wie die der ersten Kanäle an, so daß der Umfang der
an der Elektrode bewirkten Beschädigung verringert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine von einem Paar von
spiralförmigen Elektroden für einen bekannten
Vakuum-Leistungsschalter;
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Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die andere der
spiralförmigen Elektroden für den Vakuum-Leistungsschalter;
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Fig. 3 ist eine Draufsichtt auf eine spiralförmige
Elektrodenstruktur für den Vakuum-Leistungsschalter
gemäß der Erfindung;
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Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie IV-IV von Fig. 3;
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Fig. 5 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines
Teils der spiralförmigen Elektrode, wobei im
einzelnen erste und zweite Kanäle von Fig. 4 gezeigt
sind;
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Fig. 6 ist eine Draufsicht auf die spiralförmige
Elektrodenstruktur, wobei eine zweite Ausführungsform der
Erfindung gezeigt ist;
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Fig. 7 ist ein Schnitt entlang der Linie VII-VII von Fig.
6;
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Fig. 8 ist eine Draufsicht auf die spiralförmige
Elektrodenstruktur, wobei eine dritte Ausführungsform der
Erfindung gezeigt ist;
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Fig. 9 ist ein Schnitt entlang der Linie IX-IX von Fig. 8;
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Fig. 10 ist eine Draufsicht auf die spiralförmige
Elektrode, wobei eine vierte Ausführungsform der
Erfindung gezeigt ist; und
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Fig. 11 ist ein Schnitt entlang der Linie XI-XI von Fig.
10.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend
im einzelnen beschrieben. Die Fig. 3 und 4 sind eine
Draufsicht bzw. eine seitliche Schnittansicht eines Paars von
Elektroden. Die Elektrode hat einen Kontakt 1, Lichtbogen-
Leitbleche 2, distale Enden 3 der Lichtbogen-Leitbleche und
spiralförmige Kanäle 4 (erste Kanäle), die denjenigen der
bekannten Elektrode nach den Fig. 1 und 2 entsprechen und daher
mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Elektrode
hat eine Lichtbogen-Leitblechoberfläche 5, einen
Elektrodenstab 6 und zweite Kanäle 22.
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Wie Fig. 5 zeigt, ist jeder der ersten und zweiten Kanäle so
geformt, daß ein Krümmungsradius r1 des Randbereichs von
jedem der ersten Kanäle größer als ein Krümmungsradius r2 des
Randbereichs von jedem der zweiten Kanäle ist und daß eine
Tiefe d1 von jedem der ersten Kanäle größer als eine Tiefe d2
von jedem der zweiten Kanäle ist.
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Bei einer Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 wurden
Elektroden aus Cu-Bi- und Cu-Cr-Legierungen verwendet, um Vakuum-
Leistungsschalter für 7,2 kV-40 kA bzw. 12 kV-25 kA zu
bilden. Mit jedem Vakuum-Leistungsschalter wurde ein
Kurzschluß-Ausschalttest (nach Maßgabe von JEC - Nr. 4)
durchgeführt, und mit jedem Vakuum-Leistungsschalter wurde ein
Stehspannungstest vor und nach Durchführung des
Kurzschluß-Ausschalttests durchgeführt. Danach wurde der Beschädigungs- und
Abschmelzzustand jeder Elektrode untersucht.
Vakuum-Leistungsschalters mit herkömmlichen spiralförmigen Elektroden,
die die gleiche Größe wie bei dieser Ausführungsform, aber
keine zweiten Kanäle hatten, wurden für Vergleichstests
hergestellt.
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Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der
Kurzschluß-Ausschalttests. Wie aus der Tabelle hervorgeht, zeigten die
Elektrodenstrukturen gemäß der Erfindung, die in den Fig. 3 und 4
dargestellt sind, jeweils eine kürzere durchschnittliche
Lichtbogendauer und eine verringerte Lichtbogenspannung als
die bekannten Elektroden nach den Fig. 1 und 2. Bei jeder
Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung erfolgte eine
wesentliche Erhöhung der Häufigkeit, mit der die Elektroden den
Kurzschlußstrom erfolgreich unterbrachen, bis sie schließlich
ausfielen. Außerdem war die statische Stehspannung, die nach
Beendigung des Kurzschluß-Ausschalttests erhalten wurde, bei
der Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung etwas höher.
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Wie aus der Untersuchung der Elektrodenoberflächen, die nach
dem Test erfolgte, hervorgeht, verlief bei den Elektroden
nach der Erfindung der erzeugte Lichtbogen jeweils in und
entlang jedem der zweiten Kanäle, und sie waren über die
gesamten Elektrodenoberflächen (über die Gesamtflächen) im
wesentlichen gleichmäßig beschädigt. Andererseits wurden die
distalen Enden der Lichtbogen-Leitbleche der bekannten
Elektroden äußerst stark abgeschmolzen.
Tabelle 1
Elektrodenstruktur Elektrodendurchmesser Kurzschluß-Ausschaltprüfung (JEC Nr. 4) Spannung Strom Zahl von Malen mittlere Bogendauer Lichtbogenspannung Stehspannungsprüfung vor Prüfung nach Beobachtungen an geprüfter Elektrode Erfindung gemäß Fig. 3 Unterbrechung erfolgte zehnmal und fand beim elften Mal nicht statt gut Die Randbereiche jedes zweiten und ersten Kanals sind gleichmmäßig um den gleichen Betrag abgeschmolzen. Bekannter Typ gemäß Fig. 1 dreimal vierten Die distalen Enden des Lichtbogen-Leitblechs und der Kontakt sind weitgehend abgeschmolzen. neunmal zehnten Der Randbereich jedes zweiten Kanals ist stark abgeschmolzen. Der Randbereich jedes ersten Kanals und der Kontakt sind abgeschmolzen. viermal fünften Die distalen Enden des Leitblechs, der Randbereich jedes ersten Kanals und der Kontakt sind stark abgeschmolzen.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 bis 5 war die Zahl
der zweiten Kanäle die gleiche wie die der ersten Kanäle.
Wenn die Breite von jedem der Lichtbogen-Leitbleche der
Elektrode groß ist, können zwei oder mehr der zweiten Kanäle in
jedem Lichtbogen-Leitblech vorgesehen sein, wie die Fig. 6
und 7 zeigen. In diesem Fall ist die gleiche Auswirkung-auch
dann gegeben, wenn die zweiten Kanäle auf solche Weise
gebildet sind, daß sie über den Kontakt 1 und das entsprechende
Lichtbogen-Leitblech 2 verlaufen. Bei der Ausführungsform
nach den Fig. 3 bis 5 war r1 größer als r2, und d1 war größer
als d2. Die Kanäle können aber auch auf solche Weise gebildet
sein, daß d1 d2 im Bereich des Umfangskreises der Elektrode,
so daß die Wärmekapazität eines Bereichs jedes der zweiten
Kanäle, der nahe dem Umfangskreis der Elektrode liegt,
derjenigen des entsprechenden distalen Endes des
Lichtbogen-Leitblechs angenähert ist. Auf diese Weise können die
Gesamtflächen der Elektroden wirkungsvoller genutzt werden, wenn ein
Kurzschlußstrom zu unterbrechen ist.
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Außerdem war bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 bis 5
der zweite Kanal im wesentlichen parallel zu dem ersten Kanal
in jedem Lichtbogen-Leitblech gebildet. Die Gesamtflächen der
Elektroden können aber weit wirkungsvoller genutzt werden,
wenn jeder zweite Kanal parallel zu dem Außenumfangskreis in
der Nähe des Umfangsbereichs der Elektrode gebildet ist.
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Allerdings darf nicht jeder zweite Kanal parallel zu dem
Außenumfangskreis in der Nähe des Kontakts 1 der spiralförmigen
Elektrode vorgesehen sein, der zweite Kanal darf nicht mit
dem ersten Kanal in Berührung gebracht werden, oder der erste
und der zweite Kanal dürfen einander nicht schneiden. Wenn
der zweite Kanal auf die vorstehend beschriebene Weise
ausgebildet ist, tendiert der Lichtbogen dazu, im zweiten Kanal zu
bleiben, so daß die Elektrode abschmilzt. Es ist also mit
anderen Worten erforderlich, daß jeder zweite Kanal getrennt
von dem ersten Kanal vorgesehen ist. Außerdem wird es
bevorzugt, daß jeder zweite Kanal an einer Stelle an jeder der
entgegengesetzten Oberflächen der Elektroden positioniert
ist, die eine große Wärmekapazität hat. Der zweite Kanal 22
kann auf die in den Fig. 10 und 11 gezeigte Weise gebildet
sein.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß, da
jede der spiralförmigen Elektroden in einem
Vakuum-Leistungsschalter die zweiten Kanäle zusätzlich zu den ersten Kanälen
hat, die die Lichtbogen-Leitbleche trennen, im wesentlichen
sämtliche Flächen der gegenüberliegenden Oberflächen der
Elektroden wirkungsvoll genutzt werden können, um einen
Kurzschlußstrom zu unterbrechen. Die Elektroden wurden weniger
stark beschädigt, ein Ausschalt-Versagen aufgrund von
anomalem Abschmelzen der distalen Enden der Lichtbogen-Leitbleche
wurde vermieden, und die Elektroden-Lebensdauer wurde
verlängert. Infolgedessen kann die Größe der Elektrode kleiner als
die der bekannten Elektrode gemacht werden, um einen
vorbestimmten Nenn-Kurzschlußstrom auszuschalten. Dadurch können
die Größe des Vakuumbehälters und die Herstellungskosten des
Vakuum-Leistungsschalters verringert werden.