DE3817361C2 - - Google Patents
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- DE3817361C2 DE3817361C2 DE3817361A DE3817361A DE3817361C2 DE 3817361 C2 DE3817361 C2 DE 3817361C2 DE 3817361 A DE3817361 A DE 3817361A DE 3817361 A DE3817361 A DE 3817361A DE 3817361 C2 DE3817361 C2 DE 3817361C2
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Description
Die Erfindung betrifft eine gasdichte Schaltkammer nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gasdichte Schaltkammern können als Leistungsschalter, Relais
und dgl. verwendet werden. Grundsätzlich können Schalter nach
ihrem Schaltstrombereich eingestuft werden: Schalter für sehr
geringe Ströme unter 1 A (sogenannte trockene Stromkreise),
solche zur Schaltung von ohmscher Last von etwa 1 bis 5 A,
Hochlastschalter für Ströme von etwa 5 bis 30 A bei kleiner
kapazitiver und induktiver Last und Schalter zur Verwendung
bei mittleren und großen kapazitiven oder sonstigen speziellen
Lasten. Bei diesen Schaltern liegt die größte Anforderung in
der Leistungsbelastung, womit verschiedene Probleme hinsichtlich
der Standfestigkeit und der Betriebssicherheit auftreten,
z. B. wegen des Lichtbogens, der bei Schaltvorgängen entsteht
und die Kontakte zusammenschweißt oder einen hohen Verschleiß
der Kontakte verursacht.
Zur Verbesserung der Lichtbogenunterdrückung ist ein Quecksilberrelais
in der US-PS 34 31 377 und in der US-PS 38 31 118
vorgeschlagen. Bei diesen Relais wird eine Anordnung verwendet,
bei der die Kontakte mit Quecksilber durch die Kapillarkräfte
benetzt werden. Die Lichtbogenunterdrückung kann durch
die Verwendung von Wasserstoffgas hoher Reinheit bei einem
Druck von 13,6 bis 17,0 bar verbessert werden. Mit diesem
Quecksilberrelais kann zwar das Vermögen der Lichtbogenunterdrückung
zur Erzielung einer längeren Lebensdauer verbessert
werden, aber wenn der Schaltstrom 5 A übersteigt, vergrößert
sich die Verdunstungsmenge des Quecksilbers beim Schließen und
Öffnen der Kontakte und verursacht dadurch eine ungenügende
Quecksilberbenetzung der Kontakte. Außerdem besteht noch das
Problem des Kontaktverschleißes fort, und auch ein Zusammenschweißen
der Kontakte kann auftreten. Die Lebensdauer wird
merklich verkürzt, wenn das Quecksilberrelais als Schaltglied
im Bereich von 5 bis 30 A eingesetzt wird.
Zur Behebung der oben genannten Probleme ist in der JP-OS
61-78016 eine gasdichte Schaltkammer empfohlen, bei der ein
elektrisch isolierendes Gas, wie Wasserstoffgas, mit hohem
Druck in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter enthalten
ist. In diesem Behälter befinden sich der feste und der bewegliche
Kontakt. Ein Permanentmagnet ist außen am Behälter befestigt,
um eine magnetische Kraft auf den Lichtbogen einwirken
zu lassen, der im Behälter beim Schließen und Öffnen der Kontakte
entsteht. Bei dieser gasdichten Schaltkammer wird der
erzeugte Lichtbogen schnell abgekühlt und gelöscht. Die
Schaltkammer hat ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der
Lichtbogenunterdrückung.
Aus der US-PS 34 46 927 ist ferner eine gasdicht abgeschlossene
Schaltkammer bekannt, bei der an die bewegliche Elektrode
ein gewellter Faltenbalg angekoppelt ist, der die Abdichtung
der Schaltkammer um die bewegliche Elektrode herum gewährleistet
und zugleich deren Öffnungs- und Schließhub zuläßt. Die
Schaltkammer ist mit Wasserstoff als Isoliergas gefüllt und
mit einem Stutzen versehen, durch den das Isoliergas eingefüllt
werden kann.
Aus der DE-PS 3 51 809 ist ferner eine gasdicht abgeschlossene
Schaltkammer bekannt, deren bewegliche Elektrode in Trennrichtung
mittels einer äußeren Zugfeder vorgespannt ist. Bei einem
aus der US-PS 29 84 726 bekannten Schalter wird der bewegliche
Kontakt mittels einer Druckfeder in Trennrichtung vorbelastet.
Der Einfluß verschiedener Isoliergase auf den Lichtbogen in
Schaltkammern ist in dem Buch "Grundlagen der Schaltgerätetechnik",
A. Erk, M. Schmelzle, Springer-Verlag 1974,
Seiten 48 bis 53 sowie 248 bis 256 untersucht. Aus der DD-PS
52 446 ist weiterhin die Eignung von Wasserstoffgas unter höherem
Druck im Bereich von einigen Atmosphären als Isoliergas
in einem Leistungsschalter bekannt. Weiterhin ist aus der EP-
PS 01 64 276 die Eignung von Stickstoff und Wasserstoff als
Füllgas einer gasdicht abgeschlossenen Schaltkammer bekannt.
Aus der DE-OS 28 52 471 ist ein Niederspannungs-Kurzschlußschalter
bekannt, bei welchem der Antrieb mit einem Vorlauf
gegenüber dem Hub der in einer hermetisch abgeschlossenen
Schaltkammer angeordneten Kontakte ausgestattet ist.
Aus dem Buch "Werkstoffe für elektrische Kontakte", A.
Keil, Springer-Verlag 1960, Seiten 177 bis 181 ist die Verwendung
von Wolfram als Kontaktmaterial bekannt.
Weiterhin ist es aus der DE-OS 28 30 715 bekannt, die Kontakte
eines Gleichstrom-Hochleistungsschalters scheibenförmig auszubilden.
Die Kontaktgabe erfolgt am Scheibenumfang, wobei eine
linienförmige Berührung auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gasdichten
Schaltkammer der aus der JP-OS 61-78016 bekannten Gattung die
Lichtbogenunterdrückung und die Standfestigkeit weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen, gasdichten
Schaltkammer erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die Zeichnung stellt bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
dar. Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht der gasdichten Schaltkammer in
einer ersten Ausführungsform, geschnitten entlang der
Linie I-I in Fig. 2,
Fig. 2 eine Schnittansicht der Schaltkammer 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
in der Schaltkammer nach Fig. 1,
Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem elektrisch
isolierenden Gas und der Lichtbogenstandzeit
in der Schaltkammer nach Fig. 1 darstellt,
Fig. 5 ein Diagramm, das das Verhalten verschiedener in der
Schaltkammer nach Fig. 1 verwendbarer Gase hinsichtlich
ihrer thermischen Leitfähigkeit darstellt,
Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
elektrischen Strom und der elektrischen Feldstärke
der positiven Lichtbogensäule in den verschiedenen
Gasen bei Atmosphärendruck darstellt,
Fig. 7 eine Schnittansicht der Schaltkammer in einem
anderen Ausführungsbeispiel, geschnitten
entlang der Linie VII-VII in Fig. 8,
Fig. 8 eine Schnittansicht der Schaltkammer von Fig. 7,
geschnitten entlang der Linie VIII-VIII,
Fig. 9 eine perspektivische, leicht vergrößerte Teilansicht
der beweglichen Elektrode außerhalb der Kammer
nach Fig. 7,
Fig. 10 eine Seitenansicht einer Anordnung, bei der die
Schaltkammer nach Fig. 7 und 8 einem diesbezüglichen
Betätigungsmittel zugeordnet ist,
Fig. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
Kontaktabstand in der Schaltkammer in der Lage von
Fig. 10 und der Gegenkraft darstellt,
Fig. 12 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
Stickstoffanteil und der Lichtbogenstandzeit in der
Schaltkammer nach Fig. 10 wiedergibt,
Fig. 13 einen Plan einer Versuchsschaltung, der für die
gasdichte Schaltkammer verwendbar
ist,
Fig. 14 ein Diagramm, das die mit der Schaltkammer 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 elektrischen
Spannung zeigt und
Fig. 16 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zahl
der Kontaktspiele und der Durchbruchsspannung bei
der Schaltkammer in der Ausführung nach Fig. 11 darstellt.
In Fig. 1 ist eine gasdichte Schaltkammer 10 in einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, bei dem die Schaltkammer
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 Zylinderteil 11 und ist mit dem unteren
Ende des festen Schaftes 15 in der Führungsöffnung 13 a geführt.
Der feststehende Kontakt 14 ist aus Wolfram
in Scheibenform gefertigt, mit Ausnahme eines abgeflachten
Teils am Umfang, der die Oberfläche des festen Kontaktes
14 bildet. Der feststehende Schaft 15 ist aus einem metallischen
Material wie z. B. sauerstofffreiem Kupfer, einer
Kupferlegierung oder ähnlichem 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 z. B. Wasserstoffgas oder eine
Gasmischung aus Wasserstoff- und Stickstoffgas in den hermetischen
Behälter über die kleinen Öffnungen 13 b rund um die
zentrale Führungsöffnung 13 a eingebracht und eingeschlossen
wird, nachdem ein gasdichter Raum 18 darin abgegrenzt wurde.
Der Fülldruck liegt bei 2 bis 3 bar 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. Innerhalb 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 Gehäuseteil 11, dem Isolierteil 20 und der Isolierscheibe
22 eingeschlossen. Der bewegliche Kontakt 21 ist am
Ende eines beweglichen Schaftes 23 befestigt, der sich vorwärts
und zurück aus dem luftdichten Raum 18 durch die Öffnungen
12 a und 22 a der entsprechenden Endscheibe 12 und Isolierscheibe
22 bewegt. Dieser bewegliche Kontakt 21 ist aus
Wolfram hergestellt, während der
Schaft 23 aus einem metallischen Material wie z. B. sauerstofffreiem
Kupfer oder Kupferlegierungen hergestellt ist, und
der Kontakt 21 und der Schaft 23 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.
Einer der scheibenförmigen, feststehenden bzw. beweglichen
Kontakte 14 und 21 kann an einem Teil seines Umfangs, welcher
den anderen Kontakt berührt, abgeflacht sein, aber auf alle
Fälle müssen die beiden Kontakte 14 und 21 so geformt sein,
daß sie einen linienförmigen Kontakt bilden. Am anderen Ende
des beweglichen Schaftes 23 ist ein Anschlußglied 24 befestigt
und ein Verbindungsdraht 25 mit diesem Anschlußglied 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 dieses 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 Anschlußglied
24 vorgesehen, das die bewegliche Elektrode 23 in die
trennende Richtung von der feststehenden Elektrode 15 vorspannt.
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 Faltenbalges 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 Mischungsverhältnissen
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/cm² sec 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-Öffnungszeit
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 dargestellt,
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 Auswahl
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 Wasserstoff erlauben,
die Kühlwirksamkeit 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 Ordinate 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 Wasserstoffgas
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 vergleichbar
ist. Wenn so gefunden wurde, daß das Wasserstoffgas
einerseits günstig bezüglich der Lichtbogenspannung ist,
wird andererseits die dielektrische Durchbruchsspannung
erniedrigt, so daß eine Lichtbogenentstehung im Wasserstoffgas
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 Stickstoffgas
N₂ zu erreichen. Bezüglich des Druckes des Wasserstoffgases
oder der Gasmischung, die im gasdichten Raum 18
eingeschlossen wird, wurde experimentell ermittelt, daß der
Druck vorzugsweise 2 bar betragen sollte, aber nicht notwendigerweise
darauf beschränkt ist.
In der gasdichten Schaltkammer 10 verhindert die
Abdeckung des feststehenden Schaftes 15 mit der isolierenden
Hülse 16, daß der beim Öffnen der Kontakte entstehende Lichtbogen
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 Lichtbogenhitze
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
der gasdichten Schaltkammer 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 Schaftachse
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 beweglichen
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 befestigt,
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 (Tetrafluoräthylen)
oder ähnlichem bestehen sollte, wenn man in
Betracht zieht, daß eine treibende Kraft eines Antriebsmittels
hier direkt angreift, wie später im einzelnen ausgeführt
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 daran 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 vorliegenden
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.
Die gasdichte Schaltkammer 10 oder 50 gemäß der Erfindung
kann verbunden mit einem Antriebsmittel nach Fig. 10 in Form
z. B. einer elektromagnetischen Anordnung verwendet werden
(mit der Schaltkammer 50 nach Fig. 7 bis 9 nur als Beispiel,
in gleicher Weise mit Schaltkammer 10 nach Fig. 1 bis 3 verwendbar).
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 Betätigungshebel
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 der Schaltkammer 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 befinden, 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 vornehmlich
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 gehindert,
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 Betätigungshebel
86 abwärts in Richtung der Pfeile O und Q, um den
beweglichen Schaft 63 abwärts zu drücken. Die auf den beweglichen
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 Vorspannungskraft
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 der gasdichten Schaltkammer für diesen
Fall soll ebenfalls dargestellt werden. Unter Bezug auf
Fig. 11, in der der Abstand der Trennung zwischen dem feststehenden
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
11 verlaufen. Unter der Annahme, daß die kontakttrennende
Feder 73 fehlt, wird andererseits die Gegenkraft entlang der
strichpunktierten Linie 12 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 10 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 an der Schaltkammer 50 erforderliche
elektromagnetische Kraft ist durch eine strichpunktierte
Linie 13 gekennzeichnet, die durch den Punkt k 1 und parallel
zur Linie 10 verläuft. Alles in allem kann die elektromagnetische
Kraft entsprechend einer gestrichelten Zone S 2 eingespart
und dementsprechend die Antriebsmittel 80 in der Abmessung
verkleinert werden.
Betrachtet man nun den Vorgang an der Schaltkammer 50 gemäß der
Erfindung von einem anderen Standpunkt, und zwar unter der
Annahme, daß bei einer Temperatur TO (K) der Druck des eingeschlossenen
Gases P (bar, wenn P < 1, hier P = 1 entsprechend
dem Atmosphärendruck) ist, die zur Kontaktöffnung erforderliche
Kraft F (in Einheiten 10 N) ist, die mit Druck beaufschlagte
Fläche des Faltenbalges 67 bei Abwesenheit der kontakttrennenden
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 mit f
bezeichnet wird 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 Faltenbalg
67 wirkenden Gasdruck bezeichnet.
Um nun die gleiche kontakttrennende Kraft F zu erhalten, kann
die druckaufnehmende Fläche S 21 des Faltenbalges 67 in der gasdichten
Schaltkammer 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
der Schaltkammer reduzieren zu können.
Nimmt man als nächstes an, daß die kontakttrennende Kraft
bei einer Temperatur T 1 (K) bei Abwesenheit der kontakttrennenden
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 der 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, einem eingeschlossenen
Gasdruck von P = 2 bar, einer erforderlichen trennenden
Kraft von F = 2 N und einer Federkraft der Feder
73 von f = 1 N, die druckempfangende Fläche S 1 des Faltenbalges
bei Abwesenheit der Feder 73 0,2 cm² und die druckempfangende
Fläche S 21 des Faltenbalges 67 in der Schaltkammer 50
0,2 cm², und der Zweck wird ausreichend erfüllt, wenn man
die druckbeaufschlagte Fläche halbiert.
Die Änderung der trennenden Kraft aufgrund einer Temperaturänderung
von T 0 = 293 K auf T 1 = 373 K
wird zwischen 2 N und 2,55 N bei Abwesenheit der
Feder 73, und zwischen 2 N und 2,27 N f beim Schaltglied
50 liegen. Das heißt, daß beim Schaltglied die Änderung mit
0,28 N klein ist und ein stabiler Betrieb bei jeder Temperaturänderung
gewährleistet ist. Das bedeutet, daß auch bei
anomalem Anwachsen der Trennkraft durch einen Temperaturanstieg
die Kontakte zuverlässig geschlossen werden können.
Bei der gasdichten Schaltkammer 50 wird die
trennende KraftF 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 Schaltglied
noch betriebsfähig bleibt und dadurch die Betriebssicherheit
entscheidend 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 bar (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 die 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 Kontaktverbrauch
tritt natürlich ein, und die Durchbruchsspannungscharakteristik
der Kontakte wird bis zu einem hohen Maße
verschlechtert. Betrachtet man den Druck des eingeschlossenen
Gases, so wird die Lichtbogenverschiebung um so mehr
gefördert, je höher der Druck über 1 bar liegt, aber ein
Druck über 10 bar 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 Hörnerblitzableiter
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 Schutzwiderstand
R, eine Gleichstromquelle DC, ein Strommesser A und
die feststehende und die bewegliche Elektrode mit dem feststehenden
und dem beweglichen Kontakt 14 und 21 der Schaltkammer
10 in Serie mit einem Parallelkreis
aus der Last L und der stoßspannungsabsorbierenden
Schaltung Z liegen und ein Voltmeter VM an beiden Elektroden
liegt. In dieser Schaltung wurde die Schaltkammer 10 betrieben,
um die Kontaktöffnungs- und -schließvorgänge zu untersuchen,
und so wurden das Verhältnis zwischen Strom und Spannung
beim Öffnen und Schließen des Kontaktes und die Lichtbogenstandzeit
gemessen. Als Last wurde in der Praxis ein
Gleichstrommotor (200 V, 20 A) benutzt, und als unterer
Grenzwert für eine Verschlechterung der Kontaktdurchbruchsspannung
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)
in der Schaltkammer 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 (6)
1. Gasdichte Schaltkammer, bei welcher ein elektrisch isolierendes
Gas in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter eingeschlossen
ist, mit einer im Behälter feststehend angebrachten
Elektrode, die einen festen Kontakt aufweist, mit einer beweglichen
Elektrode, die sich mindestens teilweise in den Behälter
hinein erstreckt und die in bezug auf die feststehende
Elektrode 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 bringbar 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 den Magnetfluß führenden Bügel, der den Dauermagnet außen
umschließt, wobei an die bewegliche Elektrode eine zumindest
teilweise dehnbare Dichteinrichtung angeschlossen ist,
die eine erzwungene Bewegung unter Wahrung des gasdichten Einschlusses
zuläßt, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch
isolierende Gas Wasserstoffgas mit einem absoluten Druck im
Bereich von 1 bis 10 bar enthält, daß der bewegliche Kontakt
(21; 61) und der feste Kontakt (14; 54) aus Wolfram bestehen und jeweils die Form einer
Scheibe aufweisen, an deren Umfang
die Kontaktgabe linienförmig erfolgt.
2. Schaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die bewegliche Elektrode (21; 61) in Richtung von dem festen
Kontakt (14; 54) fort vorgespannt ist.
3. Schaltkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
eine spulenförmige Druckfeder (32; 73) am einen Ende der beweglichen
Elektrode (21; 61) angreift, das aus dem hermetisch
abgeschlossenen Behälter herausragt.
4. Schaltkammer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektrisch isolierende Gas eine Mischung aus Wasserstoffgas
und Stickstoffgas ist.
5. Schaltkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Anteil des Stickstoffgases weniger als 40 Vol.-% ausmacht.
6. Schaltkammer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hubstrecke, über welche die bewegliche Elektrode
(61) in Trennrichtung vorgespannt ist, kleiner ist als die
Größe des Öffnungs- und Schließhubes der beweglichen Elektrode
(61).
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