DE3817361A1

DE3817361A1 - Gasdichtes schaltglied

Info

Publication number: DE3817361A1
Application number: DE3817361A
Authority: DE
Inventors: Takehiko Toguchi; Mamoru Tateno; Kiwamu Shibata; Hiromichi Inoue
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-05-25
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1988-12-08
Also published as: IT8847996A0; KR880014611A; DE3817361C2; GB8810819D0; FR2616008B1; KR910002261B1; GB2206238B; FR2616008A1; JPS6452348A; JPH0622087B2; IT1221812B; US4866227A; GB2206238A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein gasdichtes Schaltglied und spezieller auf eine Vorrichtung, bei der sich eine feststehende Elektrode mit einem feststehenden Kontakt in einem hermetisch geschlossenen, mit einem elektrisch nicht leitenden Gas gefüllten Behälter befindet, und bei der sich ein beweglicher Kontakt einer beweglichen Elektrode zu dem feststehenden Kontakt hin- und von diesem wegbewegen kann, um die Kontakte EIN- und AUS-zuschalten

Derartige gasdichte Schaltglieder können bestens in Einrich tungen zur Leistungsschaltung, wie elektromagnetischen Schaltern, Relais und ähnlichem, verwendet werden.

Grundsätzlich können Schaltglieder nach Gesichtspunkten ihres Schaltstrombereiches eingestuft werden, und zwar solche für sehr geringe Ströme unter 1 A (sogenannte trockene Stromkreise), solche zur Schaltung von ohmscher Last von etwa 1 bis 5 A, solche zur Verwendung bei Leistungslast von etwa 5 bis 30 A, d. h. kleiner kapazitiver und induktiver Last und solche zur Verwendung bei mittleren und großen kapazitiven oder sonstigen speziellen Lasten. Bei diesen Schaltgliedern lag die größte Anforderung in der Leistungs belastung, womit verschiedene Probleme hinsichtlich der Haltbarkeit und der Betriebssicherheit auftreten, z. B. der Lichtbogen, der bei Schaltvorgängen entsteht und die Kontakte zusammenschweißt oder ein hoher Verschleiß der Kontakte und dergleichen.

In diesem Zusammenhang wurde eine wirksame Verbesserung bezüglich der Lichtbogenvermeidung in Betracht gezogen, um das Schaltglied recht dauerhaft zu machen bzw. seine Lebens dauer zu verlängern. Ein Beispiel für solch eine erreichte Verbesserung ist in Quecksilberrelais zu sehen, die in der US-PS 34 31 377 und in der US-PS 38 31 118 vorgeschlagen wurden. Bei diesen Relais wurde eine Anordnung verwendet, bei der die Kontakte mit Quecksilber durch die Kapillarkräfte benetzt sind, um eine Kontaktstabilität zu erreichen, oder auch eine Anordnung, bei der die Lichtbogenunterdrückung durch die Verwendung der des Kühlvermögens eines Wasserstoff gases hoher Reinheit mit einem hohen Druck von 13,6 bis 17,0 atm (200 bis 250 PSI) verbessert wurde. Mit diesem Quecksilber relais kann zwar das Vermögen der Lichtbogenunterdrückung zur Erhaltung einer längeren Lebensdauer verbessert werden, aber wenn der Schaltstrom 5 A übersteigt, vergrößert sich die Verdunstungsmenge des Quecksilbers beim Ein- und Aus schalten der Kontakte und verursacht dadurch eine ungenügende Quecksilberbenutzung der Kontakte. Außerdem besteht noch das Problem fort, daß ein Kontaktverbrauch eintritt oder ein Zusammenschweißen erfolgt. Die Lebensdauer wird merklich verkürzt, wenn das Quecksilberrelais als Schaltglied für eine Leistungsbelastung im Stromunterbrechungsbereich von 5 bis 30 A eingesetzt wird.

Zur Behebung des obengenannten Problems ist in der offen gelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 61-78016 ein gasdichtes Schaltglied empfohlen, bei dem ein elektrisch isolierendes Gas, wie Wasserstoffgas, mit hohem Druck in einem hermetischen Behälter eingeschlossen ist, sich ein Paar Kontakte zum Ein- und Ausschalten in dem hermetischen Behälter befinden und ein Permanentmagnet außen am Behälter befestigt ist, um eine magnetische Kraft auf einen Lichtbogen wirken zu lassen, der im Behälter beim Ein- und Ausschalten der Kontakte entsteht. Mit diesem gasdichten Schaltglied wird der so erzeugte Lichtbogen zu seiner Löschung schnell gekühlt, und das Schaltglied hat ausgezeichnete Eigenschaften hinsicht lich der Lichtbogenunterdrückung. Nach der obengenannten offengelegten Patentanmeldung kann zwar das Vermögen zur Löschung des Lichtbogens hinreichend verbessert werden; die Kraft zur Trennung der beiden Kontakte beim Kontaktöffnungs vorgang ist aber von dem Druck des Wasserstoffgases im Behälter abhängig, so daß die Trennkraft mit fortschreitender Alterung und temperaturabhängig geändert werden muß, so daß der Kontaktvorgang instabil wird. Daraus ergeben sich als ungelöste Probleme, daß die verminderte Kontaktöffnungs geschwindigkeit die Lichtbogenstandzeit verlängert und ein Kontaktverschleiß ermöglicht wird oder daß die Kontakt öffnungskraft der Kontakte außergewöhnlich ansteigt und diese nicht vollständig geschlossen werden können, so daß sich der Kontaktübergangswiderstand vergrößert.

Das Hauptanliegen der vorliegenden Erfindung ist daher, ein gasdichtes Schaltglied zu schaffen, bei dem die Schaltkontakte in einem hermetischen Behälter bei stabilen Kenndaten arbeiten können und bei dem eine optimale Kontaktöffnungs geschwindigkeit bei dem geeigneten Kontaktdruck erreicht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen gasdichten Schaltglied ist ein elektrisch isolierendes Gas in einem gasdichten Raum eines hermetischen Behälters eingeschlossen; ein fester Kontakt mit einer festen Elektrode ist in dem gasdichten Raum ange ordnet und ein beweglicher Kontakt einer beweglichen Elektrode kann mit dem festen Kontakt in Berührung gebracht und von diesem getrennt werden. Die bewegliche Elektrode ist mindestens teilweise im gasdichten Raum aufgenommen und darin vor- und zurückbeweglich. Ein Dauermagnet ist in einer Ebene angeordnet, die eine Richtung rechtwinklig schneidet, in der die beiden Kontakte sich schließen und öffnen. Ein Joch umgibt den Magneten außen. Ferner sind zumindest teil weise dehnbare Mittel vorgesehen, um die bewegliche Elektrode luftdicht abgeschlossen zu halten und zugleich die erzwungene Bewegung der beweglichen Elektrode vorwärts und zurück zu ermöglichen.

Insbesondere ist die Lösung der gestellten Aufgabe im kenn zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteil hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Zeichnung stellt bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht des gasdichten Schaltgetriebes in einer Ausführungsform der Erfindung, geschnitten entlang der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Schaltgetriebes nach Fig. 1, geschnitten entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische und vergrößerte Teilansicht der beweglichen Elektrode und des beweglichen Kontaktes im Schaltglied nach Fig. 1,

Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem elektrisch isolierenden Gas und der Lichtbogen standzeit in dem Schaltglied nach Fig. 1 dar stellt,

Fig. 5 ein Diagramm, das das Verhalten verschiedener im Schaltglied nach Fig. 1 verwendbarer Gase hin sichtlich ihrer thermischen Leitfähigkeit dar stellt,

Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und der elektrischen Feld stärke der positiven Lichtbogensäule in den verschiedenen Gasen bei Atmosphärendruck darstellt,

Fig. 7 eine Schnittansicht des Schaltgetriebes in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, geschnitten entlang der Linie VII-VII in Fig. 8,

Fig. 8 eine Schnittansicht des Schaltgliedes von Fig. 7, geschnitten entlang der Linie VIII-VIII,

Fig. 9 eine perspektivische, leicht vergrößerte Teil ansicht der beweglichen Elektrode im Schaltglied nach Fig. 7,

Fig. 10 eine Seitenansicht einer Anordnung, bei der das Schaltglied nach Fig. 7 und 8 einem diesbezüglichen Betätigungsmittel zugeordnet ist,

Fig. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Kontaktabstand im Schaltglied in der Lage von Fig. 10 und der Gegenkraft darstellt,

Fig. 12 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffanteil und der Lichtbogenstandzeit im Schaltglied nach Fig. 10 wiedergibt,

Fig. 13 einen Plan einer Versuchsschaltung, der für das gasdichte Schaltglied gemäß der Erfindung ver wendbar ist,

Fig. 14 ein Diagramm, das die mit dem Schaltglied nach Fig. 10 experimentell ermittelte Beziehung zwischen der Lichtbogenstandzeit und dem elektrischen Strom darstellt,

Fig. 15 ein Diagramm, das entsprechend die Beziehung zwischen der Lichtbogenstandzeit und der elektri schen Spannung zeigt und

Fig. 16 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zahl der Kontaktspiele und der Durchbruchsspannung im Schaltglied in der Ausführung, wie sie in Fig. 11 verwendet wird, darstellt.

In Fig. 1 ist ein gasdichtes Schaltglied 10 in einem Aus führungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem das Schaltglied 10 ein allgemein zylindrisches Gehäuseteil 11 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Keramik, trägt, bei dem Endscheiben 12 und 13 aus metallischem Werkstoff, wie sauerstofffreiem Kupfer, 42er Legierung oder ähnlichem an beiden axialen offenen Enden des Gehäuseteils 11 aufgesetzt sind und bei dem dieses Gehäuseteil 11 und die Endscheiben 12 und 13 einen hermetischen Behälter bilden. In der Mitte der unteren Endscheibe befindet sich eine Führungsöffnung 13 a, und ein feststehender Schaft 15, der an seinem oberen Ende einen festen Kontakt 14 trägt, sitzt in dem Zylinder teil 11 und ist mit dem unteren Ende des festen Schaftes 15 in der Öffnung 13 a geführt. Der feststehende Kontakt 14 ist aus Metall in Scheibenform gefertigt, mit Ausnahme eines abgeflachten Teils am Umfang, der die Oberfläche des festen Kontaktes 14 bildet. Der feststehende Schaft 15 ist eben falls aus Metall und mit einer isolierenden Hülse 16 aus isolierendem Material, wie etwa Keramik, bedeckt, wobei der feststehende Kontakt 14 und der Schaft 15 eine feststehende Elektrode bilden.

An der unteren Endscheibe 13 ist ferner ein Gasrohr 17 außen befestigt, durch das ein elektrisch isolierendes Gas mit hoher thermischer Leitfähigkeit wie Wasserstoffgas, wie eine Gasmischung aus Wasserstoff- und Stickstoffgas oder etwas ähnliches in dem hermetischen Behälter über die kleinen Öffnungen 13 b rund um das Mittelloch 13 a eingebracht und eingeschlossen wird, nachdem ein gasdichter Raum 18 darin abgegrenzt wurde. Der Fülldruck liegt bei 2 bis 3 Atmosphären über dem Atmosphärendruck. Nach der Gasabdichtung wird das Gasrohr 17 quetschend zusammengedrückt, um die kleinen Löcher 13 b nach Fig. 2 abzudichten, um die Gasdichtigkeit des Raumes 18 zu erhalten und außerdem eine Anschlußklemme für einen Anschlußdraht 19 nach dem Zusammendrücken zu bilden. Inner halb der Endscheibe 13 ist ferner ein Isolierteil 20 aus keramischem Isoliermaterial mit einem axialen Durchgangsloch 20 a für den feststehenden Schaft 15 am unteren Ende des Gehäuseteils 11 befestigt, wobei der äußere Rand am Teil 11 anliegt, und einen abwärts gerichteten Vorsprung bildet, der zum Durchgangsloch 20 a weiterführt.

Im gasdichten Raum 18 befindet sich ferner ein beweglicher Kontakt 21, der in Berührung mit dem feststehenden Kontakt gebracht und von diesem getrennt werden kann. Eine isolierende Scheibe 22 aus dem gleichen Material wie das isolierende Teil 20 ist auf der Innenseite der oberen Endscheibe 12 befestigt. Der feststehende und der bewegliche Kontakt 14 und 21 sind auf diese Weise im luftdichten Raum 18 in einer isolierten Kammer aus dem Zylinderteil 11, dem Isolierteil 20 und der Isolierscheibe 22 eingeschlossen. Der bewegliche Kontakt 21 ist am Ende eines beweglichen Schaftes 23 befe stigt, der sich vorwärts und zurück aus dem luftdichten Raum 18 durch die Öffnung 12 a und 22 a der entsprechenden End scheibe 12 und Isolierscheibe 22 bewegt. Dieser bewegliche Kontakt 21 und der Schaft 23 sind ebenfalls aus einem metallischen Material wie sauerstofffreies Kupfer, Kupferlegierungen oder ähnlichem hergestellt und bilden eine bewegliche Elektrode. Der bewegliche Kontakt 21 selber hat die Form einer Scheibe mit dünnen Scheibenteilen 21 a und 21 b aus isolierendem Material, wie Keramik, auf beiden flachen Seiten. Ein unterer Teil am Umfang des beweglichen Kontaktes 21 ist ebenso abgeflacht, um auf die ebenfalls abgeflachte Seite des feststehenden Kontaktes 14 zu treffen. Eine der abgeflachten Seiten der feststehenden und beweglichen Kontakte 14 und 21 kann entfallen, aber auf alle Fälle sollten die beiden Kontakte 14 und 21 so geformt sein, daß sie eher einen linienförmigen als einen Punktkontakt bilden. Am anderen Ende des beweglichen Schaftes 23 ist ein Anschlußglied 24 befestigt und ein Verbindungsdraht 25 mit diesem Anschluß glied 24 verbunden. Auf der Außenseite der oberen Endscheibe 12 ist ein Haltezylinder 26 mit obenliegendem Boden und einem Innenraum 26 a zur Durchführung des beweglichen Schaftes 23 befestigt, und zwar mit seinem unteren offenen Ende mit dem äußeren Rand des Durchgangsloches 12 a der Scheibe 12, und ein Faltenbalg 27 aus z. B. drei dünnen gewellten Ni- Cu-Ni-Schichten ist im Haltezylinder 26 untergebracht. Ein Ende des Faltenbalges 27 ist an einem unteren Teil des beweglichen Schaftes 23 in der Nähe des beweglichen Kontaktes 21 und das andere obere Ende des Balges 27 an der inneren oberen Endfläche des Zylinders 26 befestigt. Eine Führungshülse 28 ist außen am oberen Ende des Zylinders 26 rings um ein Mittelloch am oberen Ende befestigt, und der obere Teil des beweglichen Schaftes 23 befindet sich in diesem Führungszylinder 26, wird von dem Zylinder 26 geführt und aus diesem herausgeschoben. Mit dieser Anordnung des Führungszylinders 26 und des Faltenbalges 27 ist die Dichtigkeit des gasdichten Raumes 18 ausreichend gewährleistet, wobei sich der bewegliche Schaft 23 unter Wahrung des gasdichten Einschlusses vorwärts zum und zurück vom Raum 18 bewegen kann.

An zwei einander gegenüberliegenden Teilen an der Außenseite des Zylinderteils 11 sind zwei Dauermagnete 29 und 30 am Zylinderteil 11 angebracht, und zwei Jochbügel 31 führen in Verlängerung der unteren Endscheibe 13 aufwärts, um die Magnete an dem Zylinderteil 11 zu halten. Diese Dauermagnete 29 und 30 liegen in einer Ebene, die rechtwinklig die Richtung schneidet, in die sich der bewegliche Kontakt 21 bewegt, um mit dem feststehenden Kontakt 14 Kontakt zu geben und zu unterbrechen, und zwar auf der gleichen Höhe wie die Lage des Treffpunktes der feststehenden und beweglichen Kontakte 14 und 21. Ferner ist ein Federelement 32 zwischen der oberen Endscheibe des Führungszylinders 26 und dem Anschluß glied 24 vorgesehen, das die bewegliche Elektrode 23 in die trennende Richtung von der feststehenden Elektrode 15 vor spannt. Im gezeigten Beispiel besteht das Federelement 32 aus einer Zylinderdruckfeder z. B. aus Phosphorbronze und ist über dem beweglichen Schaft 23 angeordnet.

Die Funktion des gasdichten Schaltelementes 10 gemäß der Erfindung wird im folgenden erläutert. Wenn der bewegliche Schaft 23 durch irgendein geeignetes Mittel gezwungen wird, sich in die durch einen Pfeil N in Fig. 1 angedeutete Richtung zu bewegen, wird der bewegliche Kontakt 21 gezwungen, den feststehenden Kontakt 14 zu treffen und die Kontakte zu schließen. Wenn eine derartige treibende Kraft auf den beweglichen Schaft 23 nachläßt, wirkt eine zusammengesetzte Kraft aus dem Druck des isolierenden Gases im gasdichten Raum 18 auf die äußere Seite des Faltenbelages 27 und aus der Vorspannkraft des Federelementes 32 auf den beweglichen Schaft 23 in die durch einen Pfeil O in Fig. 1 angedeutete Richtung, und der bewegliche Schaft 23 wird dadurch vom feststehenden Kontakt 14 wegbewegt, um die Kontakte zu trennen brechen.

Wenn beim Öffnen der Kontakte ein Lichtbogen entsteht, wird dieser Lichtbogen durch ein schnelles Abkühlen durch die Kühlfähigkeit eines Gases, wie das im gasdichten Raum 18 mit hohem Druck eingeschlossene Wasserstoffgas, unterdrückt, wobei die magnetische Kraft der Dauermagnete 29 und 30, die auf den kontaktgebenden Teil gerichtet ist, ein wirksames magnetisches Löschen des Lichtbogens und Unterdrücken desselben in kurzer Zeit bewirkt. Die dünnen Isolierscheiben 21 a und 21 b auf den Seitenflächen des beweglichen Kontaktes 21 sind dabei insofern wirksam, als sie verhindern, daß der entstehende Lichtbogen am Rand um den beweglichen Kontakt 21 herumwandert, und der Linienkontakt zwischen dem festen und beweglichen Kontakt 14 und 21 verhindert, daß der elektrische Strom sich auf einen Punkt konzentriert und dadurch die Stromdichte wächst. Mit diesen technischen Merkmalen kann eine lange Lebensdauer der Kontakte erreicht werden.

Es wurde gefunden, daß verschiedene Bedingungen hinsichtlich des elektrisch leitenden Gases, das im gasdichten Raum 18 eingeschlossen ist, erfüllt sein müssen. Zuerst wurde die Beziehung zwischen der thermischen Leitfähigkeit des Gases und der Lichtbogenstandzeit mit unterschiedlichen Mischungs verhältnissen von Argon Ar und Helium He bei Änderung der thermischen Leitfähigkeit des Gases experimentell untersucht. Das zeigte, daß bei 0°C und einem gewählten Argonanteil von 50%, 25% und 0% die thermische Leitfähigkeit des Gases 20,6×10^-4, 32,8×10^-4 bzw. 58,4×10^-4 W/cm²sec beträgt. Die Lichtbogenstandzeit wurde mit einem Strom von 3 kA (Spitzenwert einer Halbwelle kommerziellen Wechselstroms) durch die beiden Kontakte 14 und 21, bei einer Elektroden-Öffnungs zeit von 0,94 msec und einer erforderlichen Zeit, um den beweglichen Kontakt 21 um 2 mm zu bewegen, von 0,43 msec ermittelt. Die Ergebnisse sind im Diagramm in Fig. 4 darge stellt, bei dem die thermische Leitfähigkeit des Gases auf der Abszisse und die Lichtbogenstandzeit auf der Ordinate aufgetragen ist. Aus dem Diagramm wird deutlich, daß die Lichtbogenstandzeit um so mehr verkürzt wird, je mehr die thermische Leitfähigkeit des Gases anwächst, wie es die Kurve V zeigt; im Hinblick darauf wurde gefunden, daß die höhere thermische Leitfähigkeit dahingehend wirksam ist, daß sie die Unterdrückung des Lichtbogens unterstützt und einen Beitrag zur schnellen Kühlung liefert. Als nächstes ist im Diagramm in Fig. 5 die thermische Leitfähigkeit einer Aus wahl elektrisch isolierender Gase dargestellt, und zwar als Abszisse die Gastemperatur und als Ordinate die thermische Leitfähigkeit des Gases. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, sollte speziell die Verwendung von Wasserstoffen erlauben, die Kühlintensität für den Lichtbogen groß zu machen, wenn die Lichtbogentemperatur in Betracht gezogen wird.

Schließlich werden die Lichtbogenspannungen bei verschiedenen isolierenden Gasen im Diagramm in Fig. 6 gezeigt, in dem der Strom der positiven Säule des Lichtbogens auf der Abszisse und die elektrische Feldstärke der positiven Säule des Lichtbogens auf der Orinate aufgetragen ist, wobei der Radius R eines Rohres, in dem sich die positive Säule des Lichtbogens befindet, 2 cm beträgt. Es wurde aus dem Diagramm gefunden, daß unter den verschiedenen Gasen das Wasserstoff gas wiederum ein Optimum darstellt, und zwar durch eine hohe elektrische Feldstärke (V/cm), die proportional zum Gasdruck ist und dadurch auch mit der hohen Lichtbogenspannung ver gleichbar ist. Wenn so gefunden wurde, daß das Wasserstoff gas einerseits günstig bezüglich der Lichtbogenspannung ist, wird andererseits die dielektrische Durchbruchsspannung erniedrigt, so daß eine Lichtbogenentstehung im Wasserstoff gas dazu neigt, einen Lichtbogenüberschlag zu ermöglichen. Durch Zugabe von z. B. Stickstoffgas N₂ bis zu einem Anteil von höchstens 40 Vol.-% zum Wasserstoffgas wird es möglich, eine sehr günstige Lichtbogenspannung zu erhalten und eine dielektrische Durchbruchsspannung mit dem Wert von Stick stoffgas N₂ zu erreichen. Bezüglich des Druckes des Wasser stoffgases oder der Gasmischung, die im gasdichten Raum 18 eingeschlossen wird, wurde experimentell ermittelt, daß der Druck vorzugsweise 2 atm betragen sollte, aber nicht notwen digerweise darauf beschränkt ist.

In dem genannten gasdichten Schaltglied 10 verhindert die Abdeckung des feststehenden Schaftes 15 mit der isolierenden Hülse 16, daß der beim Öffnen der Kontakte entstehende Licht bogen sich über die Oberfläche des feststehenden Schaftes 15 entwickelt und die Endscheibe 13 erreicht. Außerdem bewirkt die nach unten offene Aussparung 20 b im Isolierteil 20, das den Boden des gasdichten Raumes 18 bildet und sich im zentrischen Durchgangsloch 20 a fortsetzt, eine wirksame Vergrößerung der Oberfläche des Isolierteils 20, so daß eine ausgezeichnete elektrische Isolation des Teils 20 gewährleistet ist, auch wenn Metallpulver, das durch die Licht bogenhitze verstäubt wird, sich am Teil 20 festsetzt.

Als nächstes wird über Fig. 7 bis 9 gesprochen, die eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigen, und in denen die gleichen Bestandteile wie bei der Ausführungsform des gasdichten Schaltgliedes nach Fig. 1 bis 3 mit den gleichen Referenzzahlen wie in Fig. 1 bis 3, jedoch um 40 erhöht, bezeichnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine kontakttrennende Feder 73 nicht an der oberen Wand des den beweglichen Schaft haltenden Zylinders 66, sondern an dessen Peripherie angebracht, und am besten wird die Feder 73 so gewählt, daß ihre Höhe im entspannten Zustand etwas größer ist als die des Führungszylinders 66. Am anderen äußeren Ende des beweglichen Schaftes 63, an dem ein Anschlußglied 64 befestigt ist, ist ein Haltebügel 74 drehbar auf dem Schaft 63 angeordnet, der sich senkrecht zur Schaft achse ausdehnt und die Feder 73 mit Vorspannung zwischen diesem Bügel 74 und einer oberen Endscheibe des Zylinderteils 51 des Schaltgliedes 50 einspannt. Am oberen Ende des beweg lichen Schaftes 63 befindet sich ein umgedrehter U-förmiger Halter mit seitlicher Verlängerung, der in der Mitte ein scheibenförmiges Teil besitzt, das den Schaft 63 frei durch eine Öffnung im scheibenförmigen Teil gleiten läßt, und der mit beiden unteren Enden seiner Schenkel auf der oberen Endscheibe des Führungszylinders 66 befestigt ist. Am oberen Ende des beweglichen Schaftes 63 ist eine Endhülse 76 befe stigt, die das Anschlußteil 64 bedeckt, das durch die zentrale Öffnung des Halters 75 kommt und sich mit dem Schaft 63 deckt, wobei diese Endhülse 76 vorzugsweise aus elektrisch isolierendem und verschleißfestem Material wie Teflon (Tetra fluoräthylen) oder ähnlichem bestehen sollte, wenn man in Betracht zieht, daß eine treibende Kraft eines Antriebsmittels hier direkt angreift, wie später im einzelnen ausge führt wird. In dieser Anordnung bewirkt der Halter 75, daß der Haltebügel 74 einen gleichförmigen Hub beim Öffnen und Schließen des gesamten beweglichen Schaftes 63 einschließlich seiner Endhülse 76, die das Anschlußteil 64 bedeckt, ausführt und außerdem keine weitere Bewegung des Haltebügels 74 stattfindet, wenn die kontakttrennende Feder 73 vom Bügel 74 darin gehindert wird, sich mehr als vorgesehen auszudehnen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher die erforderliche Raumlänge für die kontakttrennende Feder mit der des Führungszylinders 66 überlappt, so daß der bewegliche Schaft 63 kürzer gestaltet und das gesamte Schaltglied in den Abmessungen verkleinert werden und das axiale Ende des beweglichen Schaftes 63 verstärkt werden kann. In der vor liegenden Ausführungsform sind, einschließlich der Tatsache, daß eine zusammengesetzte Kraft aus dem Druck des isolierenden Gases auf den Faltenbalg 67 und der Federkraft der kontakttrennenden Feder 73 auf den beweglichen Schaft 63 wirkt, die sonstige Ausbildung und die Wirkungsweise dieselben wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3.

Das gasdichte Schaltglied 10 oder 50 gemäß der Erfindung kann verbunden mit einem Antriebsmittel nach Fig. 10 in Form z. B. einer elektromagnetischen Anordnung verwendet werden (mit dem Schaltglied 50 nach Fig. 7 bis 9 nur als Beispiel, in gleicher Weise mit Schaltglied 10 nach Fig. 1 bis 3 ver wendbar). Im einzelnen besteht das Antriebsmittel aus einer Grundplatte 81, einem Spulenkern 82, einer Spule 83 und dem Spulenkern und einem Joch 84, das zusammen mit dem gasdichten Schaltglied 50 auf der Grundplatte 81 befestigt ist. Das Joch 84 hat eine L-Form, und ein Anker 85 ist mit einem Ende am oberen Endstück des Joches 84 drehbar so gelagert, daß das andere Ende des Ankers vom oberen Ende des Spulenkerns 82 angezogen wird, wenn die Spule 83 erregt ist. Ein Betätigungs hebel 86 ist so am Anker 85 angebracht, daß er sich, relativ zu diesem beweglich, mit der anziehenden Bewegung des Ankers 85 gekoppelt bewegen kann, so daß der Hebel 86 den beweglichen Schaft 63 des Schaltgliedes 50 treiben kann, das über die Endhülse 76 angekoppelt ist, um den Schaft abwärts zu drücken. Der Hebel 86 sollte hier vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunstharzmaterial wie Polykarbonat oder ähnlichem bestehen.

Eine Federhaltevorrichtung 87 ist am einen Ende des Ankers 85 so befestigt, daß das andere Ende der Haltevorrichtung sich oberhalb des Betätigungshebels 86 und in einem gewissen Abstand von diesem befindet, und eine Schraubenfeder 88 wird von der Haltevorrichtung 87 gehalten, indem sie mit dem einen Ende am Ende der Haltevorrichtung befestigt und mit dem anderen Ende in einer Aussparung gelagert ist, die vor nehmlich auf der oberen Seite des Betätigungshebels 86 zur gekoppelten Bewegung des Ankers 85 und des Betätigungsarms 86 vorgesehen ist.

Im Ruhezustand des Antriebsmittels 80 gemäß Fig. 10 wird die bewegliche Elektrode, bestehend aus dem beweglichen Schaft 63 und dem beweglichen Kontakt 61, vom Halter 75 daran ge hindert, sich über eine vorgegebene Wegstrecke zu bewegen, und mit der kontakttrennenden Feder 73 vom Haltebügel 74 vermieden, daß die den Kontakt trennende Kraft der beweglichen Elektrode in einen etwas geringeren Bereich als den des Kontakthubes gelangt, und die bewegliche Elektrode wird zur Trennung von der feststehenden Elektrode nur durch den Druck des elektrisch isolierenden Gases im gasdichten Raum 58 aufwärts gedrückt.

Gleichzeitig mit der Erregung der Spule 83 im Antriebsmittel 80 bewegt sich andererseits der Anker 85 und der Betätigungs hebel 86 abwärts in Richtung der Pfeile O und Q, um den beweglichen Schaft 63 abwärts zu drücken. Die auf den beweg lichen Schaft 63 im ersten Moment des Abwärtsdrückens wirkende Kraft geht nur auf den Druck des im gasdichten Raum 58 eingeschlossenen Gases, wie oben erläutert, und der bewegliche Schaft 63 kann bereits mit einer anfangs sehr leichten Erregung der Spule 83 bewegt werden. Sobald der bewegliche Schaft 63 weiter abwärts gedrückt wird, kommt die Vorspannungs kraft der kontakttrennenden Feder 73 zum Gasdruck hinzu, wobei der Anker 85 sich beträchtlich weit dem Spulenkern 82 nähert und diese eine große Anziehungskraft auf den Anker ausübt, so daß die bewegliche Elektrode gleichmäßig und verläßlich in die geschlossene Kontaktposition gebracht wird. Es soll sogleich betont werden, daß ein ausreichender Kontaktdruck durch die Feder 88 auf die bewegliche Elektrode in der geschlossenen Position gewährleistet ist.

Es wird außerdem darauf hingewiesen, daß das Kontakttrennen des beweglichen Kontaktes 61 vom feststehenden Kontakt 54 durch einen Funktionsablauf erreicht wird, der in umgekehrter Folge zum obengenannten abläuft.

Der Funktionsablauf des gasdichten Schaltgliedes für diesen Fall soll ebenfalls dargestellt werden. Unter Bezug auf Fig. 11, in der der Abstand der Trennung zwischen dem fest stehenden und dem beweglichen Kontakt 54 und 61 auf der Abszisse und die Gegenkraft vom beweglichen Schaft 63 auf den Betätigungsarm 86 auf der Ordinate aufgetragen ist, wird der Abstand d in der geöffneten Position der beiden Kontakte durch d 1 gegeben und beispielsweise mit 0,75 mm angenommen, wobei die Gegenkraft, die der Betätigungsarm 86 erhält, F 1 ist. Wenn die Spule 83 in der Lage dieser Gegenkraft F 1 erregt wird, nimmt der Abstand d ab, die Gegenkraft dagegen wächst. In einer Position, wo der Haltearm 74 an das obere Ende der Feder 73 anstößt, wird der Abstand zwischen beiden Kontakten d 2 und die Gegenkraft F 2 sein, und unmittelbar danach kommt die Vorspannung der Feder 73 zum Druck des isolierenden Gases hinzu, so daß der Betätigungsarm 86 eine größere Gegenkraft F 3 empfängt, wobei diese solange wächst, bis der Abstand d zu Null wird, und die größte Gegenkraft F 4 drückt auf den schließenden Kontakt. Die Gegenkraft wird deshalb, wie gezeigt ist, entlang einer strichpunktierten Linie l 1 verlaufen. Unter der Annahme, daß die kontakttrennende Feder 73 fehlt, wird andererseits die Gegenkraft entlang der strichpunktierten Linie l 2 verlaufen, die eine Verlängerung einer Linie ist, die die Punkte F 4 und k 1 für die Kraft F 3 miteinander verbindet, wobei die für diesen Fall erforderliche magnetische Kraft eine strichpunktierte Linie l 0 darstellt, die durch einen Punkt k 2 auf der Linie 12 verläuft, so daß eine magnetische Energie entsprechend der doppelt schraffierten dreieckigen Zone S 3 im Anfangsstadium des Kontaktschließvorgangs verlorengeht.

Die für den gesamten Vorgang am Schaltglied 50 erforderliche elektromagnetische Kraft ist durch eine strichpunktierte Linie l 3 gekennzeichnet, die durch den Punkt k 1 und parallel zur Linie l 0 verläuft. Alles in allem kann die elektromagnetische Kraft entsprechend einer gestrichelten Zone S 2 einge spart und dementsprechend die Antriebsmittel 80 in der Abmessung verkleinert werden.

Betrachtet man nun den Vorgang am Schaltglied 50 gemäß der Erfindung von einem anderen Standpunkt, und zwar unter der Annahme, daß bei einer Temperatur T 0(K) der Druck des einge schlossenen Gases P (kg/cm²), wenn P<1, hier P=1 entsprechend dem Atmosphärendruck) ist, die zur Kontaktöffnung erforderliche Kraft F (kg f) ist, die mit Druck beaufschlagte Fläche des Faltenbalges 67 bei Abwesenheit der kontakt trennenden Feder S 1 (cm²) ist, die mit Druck beaufschlagte Fläche des Faltenbalges 67 im Schaltglied 50 S 21 (cm²) ist, die Vorspannungskraft der kontakttrennenden Feder 73 f ist und eine gleiche kontakttrennende Kraft F sowohl bei Anwesenheit als auch bei Abwesenheit der Feder 73 erhalten wird, dann gilt die folgende Formel:

F = (P-1) S 1 = (P-1) S 21+f (1)

wobei (P 1) die Differenz der Drucke des Gases im hermetischen Behälter und in der Atmosphäre ist und den auf den Falten balg 67 wirkenden Gasdruck bezeichnet.

Um nun die gleiche kontakttrennende Kraft F zu erhalten, kann die druckaufnehmende Fläche S 21 des Faltenbalges 67 im gas dichten Schaltglied gemäß der Erfindung durch eine Komponente für die kontakttrennende Federkraft f kleiner gemacht werden, dann kann die Fläche S 1 bei Abwesenheit der Feder 73 und der Faltenbalg 67 als auch das gesamte Schaltglied 50 in den Abmessungen verkleinert werden, um die Herstellungskosten des Schaltgliedes reduzieren zu können, was sogleich zu würdigen ist.

Nimmt man als nächstes an, daß die kontakttrennende Kraft bei einer Temperatur T 1(K) bei Abwesenheit der kontakt trennenden Feder 73 F 1 und in dem Schaltglied 50 F 21 ist, dann wird F 1 bei Abwesenheit der Feder 73

F 1 = [(T 1/T 0)(P-1)]S 1 (2)

und eine Veränderung Δ F 1 der trennenden Kraft F 1 bei einer Temperaturänderung (T 0 nach T 1) wird mit den vorangegangenen Formeln (1) und (2) zu

Δ F 1 = F 1-F = [(T 1/T 0)-1](P-1) · S 1 (3)

Andererseits gilt für Schaltglied 50

F 21 = [(T 1/T 0)(P-1)S 21]+f (4)

Entsprechend gilt

Δ F 21 = F 21-F = [(T 1/T 0)-1](P-1) · S 21 (5)

Unter Annahme, daß die Temperaturänderung gleich ist, wird dann die Änderung der trennenden Kraft im Schaltglied 50 im Fall der Abwesenheit der Feder 73 kleiner um

[(T 1/T 0)-1] · f (6)

Versieht man das Obengenannte mit konkreten Zahlen, dann wird bei einer Temperatur von 293 K (=20°C), einem eingeschlossenen Gasdruck von P=2 kg f/cm², einer erforderlichen trennenden Kraft von F=0,2 kg f und einer Federkraft der Feder 73 von f=0,1 kg f, die druckempfangende Fläche S 1 des Faltenbalges bei Abwesenheit der Feder 73 0,2 cm² und die druck empfangende Fläche S 21 des Faltenbalges 67 im Schaltglied 50 0,2 cm², und der Zweck wird ausreichend erfüllt, wenn man die druckempfangende Fläche halbiert.

Die Änderung der trennenden Kraft aufgrund einer Temperatur änderung von T 0=293 K (=20°C) auf T 1=373 K (=100°C) wird zwischen 0,2 kg f und 0,255 kg f bei Abwesenheit der Feder 73, und zwischen 0,2 kg f und 0,227 kg f beim Schalt glied 50 liegen. D. h., daß beim Schaltglied die Änderung mit 28 g f klein ist und ein stabiler Betrieb bei jeder Temperatur änderung gewährleistet ist. Das bedeutet, daß auch bei anomalem Anwachsen der Trennkraft durch einen Temperatur anstieg die Kontakte zuverlässig geschlossen werden können.

Beim gasdichten Schaltglied 50 gemäß der Erfindung wird die trennende Kraft F nicht Null, selbst wenn der Druck des eingeschlossenen Gases P=1 ist, d. h. wenn das eingeschlossene Gas ganz entwichen ist, denn die vorspannende Kraft f der trennenden Feder 73 ist immer vorhanden, so daß das Schalt glied noch betriebsfähig bleibt und dadurch die Betriebs sicherheit entsprechend verbessert ist.

In den vorangehenden Betrachtungen wurde davon ausgegangen, daß das isolierende Gas vorzugsweise Wasserstoffgas oder eine Mischung desselben mit bis zu 40 Vol.-% Stickstoffgas ist und dessen Druckbereich im eingeschlossenen Zustand am günstigsten bei 1 bis 10 atm (absoluter Druck) liegt. Betrachtet man das Vorangegangene, so zeigt Fig. 12, in der das Mischungsverhältnis von Stickstoff auf der Abszisse und die Lichtbogenstandzeit auf der Ordinate aufgetragen ist, um mit einer Kurve W wie Änderung der Lichtbogenstandzeit in Abhängigkeit vom Stickstoffanteil zu demonstrieren, daß ein Stickstoffanteil von mehr als 40% die Lichtbogenstandzeit plötzlich ansteigen läßt.

Je länger die Lichtbogenstandzeit ist, um so mehr Kontakt verbrauch tritt natürlich ein, und die Durchbruchsspannungs charakteristik der Kontakte wird bis zu einem hohe Maße verschlechtert. Betrachtet man den Druck des eingeschlossenen Gases, so wird die Lichtbogenverschiebung um so mehr gefördert, je höher der Druck über 1 atm liegt, aber ein Druck über 10 atm läßt ein Problem entstehen hinsichtlich der Druckfestigkeit des Faltenbalges 67 und seiner Umgebung, wie empirisch ermittelt wurde.

Außerdem wurde gefunden, daß der feste und der bewegliche Kontakt in Scheibenform wie ein sogenannter Hörnerblitzab leiter mit dem kreisförmigen Umfang der Scheibenform wirken, so daß der Lichtbogen weich verlagert werden kann, um den Verschleiß der Kontakte zu verringern, und es wurde auch empirisch gefunden, daß der Gebrauch von Wolfram W als Kontaktmaterial günstig ist. Für dieses Experiment wurde eine Schaltung gemäß Fig. 13 verwendet, bei der ein Schutzwider stand R, eine Gleichstromquelle DC, ein Strommesser A und die feststehende und die bewegliche Elektrode mit dem fest stehenden und dem beweglichen Kontakt 14 und 21 des Schalt gliedes 10 gemäß der Erfindung in Serie mit einem Parallel kreis aus der Last L und der stoßspannungsabsorbierenden Schaltung Z liegen und ein Voltmeter VM an beiden Elektroden liegt. In dieser Schaltung wurde das Schaltglied 10 betrieben, um die Kontaktöffnungs- und -schließvorgänge zu unter suchen, und so wurde das Verhältnis zwischen Strom und Spannung beim Öffnen und Schließen des Kontaktes und die Licht bogenstandzeit gemessen. Als Last wurde in der Praxis ein Gleichstrommotor (200 V, 20 A) benutzt, und als unterer Grenzwert für eine Verschlechterung der Kontaktdurchbruchs spannung wurde eine Wechselspannung von 2 kV angesetzt. Ergebnisse dieser experimentellen Untersuchungen sind als Kurven Y und Z in Fig. 14 bzw. 15 dargestellt, wobei der Strom als Ordinate in Fig. 14 und die Spannung als Ordinate in Fig. 15 und in beiden Diagrammen die Lichtbogenstandzeit als Abszisse aufgetragen ist. Wie aus Fig. 14 ersichtlich ist, wird der Strom zum Unterbrechungszeitpunkt t 1 sofort Null, wogegen nach Fig. 15 die Lichtbogenspannung während der Lichtbogenstandzeit α 1 etwa 30 V erreicht und dadurch die höchste Lichtbogenspannung (z. B. 400 V) zum Zeitpunkt t 1 auftritt, und schließlich die Spannung über den Kontakten nach einer weiteren Standzeit α 2 (z. B. 2 ms) auf den Wert der Quellenspannung sinkt. In Fig. 15 gehört der Teil der Kurve Z bis zum Zeitpunkt t 1 zum Lichtbogen, der Teil von t 1 bis t 2 (bei letzterem beginnt der Spannungsabfall) wird als Spannung Znr bezeichnet und der letzte Teil ab t 2 stellt die Spannung der Stromquelle dar.

Ein weiteres Experiment wurde durchgeführt, um gemäß Fig. 16 die Beziehung zwischen der Zahl der Kontaktspiele (auf der Abszisse) und der Kontaktdurchbruchsspannung (auf der Ordinate) im Schaltglied gemäß der Erfindung zu ermitteln, und wie in Kurve X dargestellt, wurde gefunden, daß mehr als 500 000 Kontaktspiele möglich sind, ehe der eingestellte untere Grenzwert von 2 kV für eine Verschlechterung der Kontaktdurchbruchsspannung erreicht wurde.

Claims

1. Gasdichtes abgeschlossenes Schaltglied, bei welchem ein elektrisch isolierendes Gas in einem gasdichten Raum inner halb eines hermetischen Behälters eingeschlossen ist, mit einer im gasdichten Raum feststehend angebrachten Elektrode, die einen festen Kontakt aufweist, mit einer beweglichen Elektrode, die sich mindestens teilweise im gasdichten Raum befindet und die vorwärts und rückwärts unter Wahrung des gasdichten Einschlusses beweglich ist und einen beweglichen Kontakt aufweist, der mit dem festen Kontakt in Berührung sowie außer Berührung mit diesem beweglich ist, mit einem Dauermagnet, der in einer Ebene angebracht ist, die die Richtung, in der die Kontakte öffnen und schließen, rechtwinklig schneidet, und mit einem Bügel, der den Dauermagnet außen umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß an die bewegliche Elektrode Mittel angekoppelt sind, die zumindest teilweise dehnbar sind und es ermöglichen, daß sie unter Wahrung des gasdichten Einschlusses eine erzwungene Bewegung ausführen kann.

2. Schaltglied gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die der beweglichen Elektrode eine erzwungene Bewegung ermöglichen, Mittel umfassen, die bezüglich der beweglichen Elektrode angeordnet sind, um diese in eine Richtung vorzuspannen, in welcher der bewegliche Kontakt von dem festen Kontakt getrennt wird.

3. Schaltglied gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspannenden Mittel eine spulenförmige Druckfeder sind, die am einen Ende der beweglichen Elektrode befestigt ist, die aus dem hermetisch geschlossenen Behälter heraus ragt.

4. Schaltglied gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Gas mindestens Wasserstoffgas enthält.

5. Schaltglied gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Gas eine Mischung aus Wasser stoffgas und Stickstoffgas ist.

6. Schaltglied gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Stickstoffgases weniger als 40 Vol.-% aus macht.

7. Schaltglied gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Gas in dem Behälter mit einem absoluten Druck im Bereich von 1 bis 10 atm gasdicht gehalten wird.

8. Schaltglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel enthält, um einen Bereich, in dem die Vorspann mittel die bewegliche Elektrode in Trennrichtung drucken, kleiner halten als die Größe des Öffnungs- und Schließhubes der beweglichen Elektrode.

9. Schaltglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche und der feste Kontakt aus Wolfram bestehen.

10. Schaltglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche und der feste Kontakt die Form einer Scheibe aufweisen.

11. Schaltglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der bewegliche oder der feste Kontakt einen abgeflachten Teil enthält, um einen linienförmigen Kontakt zwischen den beiden Kontakten herzustellen.