DE3941388A1 - Elektrischer schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Es ist bei elektrischen Schaltern ganz allgemein bekannt, daß sich die Kontaktstücke bei Stromdurchfluß und auch bei Lichtbogenausbildung auf relativ hohe Temperaturen erwärmen. Das ist insbesondere bei Vakuumschaltern der Fall, nachdem dort die Kontaktstücke nur Strahlungswärme abgeben und nicht durch konvektive oder erzwungene Gasströmung gekühlt werden können. Durch die im Betrieb auftretende Erwärmung wird demnach die Strombelastbarkeit des Schalters begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektrischen Schalter gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs Maßnahmen zu treffen, durch welche eine Erhöhung der Dauerstrombelastbarkeit erzielt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.

Bei einer Ausgestaltung eines elektrischen Schalters gemäß der Erfindung wird durch die Anwendung einer Siedekühlvorrichtung, also des Prinzips des Wärmerohres eine Einrichtung zur wirksamen Wärmeabfuhr von den Kontaktstücken bereitgestellt. Dabei kann die Siedekühlvorrichtung, insbesondere bei Leistungsschaltern, unmittelbar in ein Kontaktstück integriert oder das Kontaktstück über einen dasselbe tragenden Kontaktbolzen gekühlt werden. Die Anwendung des Siedekühlprinzips ist dabei besonders für einen Vakuumschalter vorteilhaft. Die Siedekammer der Siedekühlvorrichtung ist vorzugsweise am Kontaktstück vorgesehen, wobei von der Siedekammer wenigstens ein Leitkanal für Siedekühlmittel in den Bereich eines Kühlkörpers führt. Der Leitkanal kann dabei innerhalb des das jeweilige Kontaktstück tragenden Kontaktbolzens geführt sein. Es ist jedoch auch möglich, die Siedekammer durch beispielsweise auf die Oberfläche des jeweiligen Kontaktstücks aufgelötete Rohrstücke auszubilden, die insbesondere bei als Topfkontakt eines Vakuumschalters ausgebildeten Kontaktstücken auch auf die den Kontaktflächen abgewandte Seite aufgebracht sein können. Die Siedekammer kann jedoch auch ganz oder teilweise in einem Stützkörper ausgebildet sein, der im Hohlraum des Topfkontaktes die Kontaktplatte unterstützt. Abschnitte der Siedekammer können sich aber auch entlang von Windungsabschnitten erstrecken, die durch Schlitzung der Mantelfläche des Topfkontaktes gebildet sind. Die Wärmeabfuhr vom Kontaktstück kann daneben auch in verstärkter Form über den Kontaktbolzen erfolgen, wenn derselbe mit einer äußeren Siedekühlvorrichtung in Wärmekopplung steht. Das ist insbesondere für den beweglichen Kontakt einer Vakuumschaltkammer zweckmäßig, bei welcher der zugehörige bewegliche Kontaktbolzen über einen Ringgleitkontakt mit einem äußeren Stromleiter verbunden ist. Der aus Metall bestehende Ringgleitkontakt übernimmt dann nicht nur die elektrische Stromübertragung sondern auch den notwendigen thermischen Kontakt und kann über die Siedekühlvorrichtung gekühlt werden. Die dadurch erzeugte Wärmesenke am Kontaktbolzen läßt die am Kontaktstück entstehende Wärme verstärkt abfließen. Dabei kann die in den Kontakt integrierte Siedekühlvorrichtung und die äußere Siedekühlvorrichtung gemeinsam angewandt werden. Der den Kontaktbolzen umgreifende Teil der äußeren Siedekühlvorrichtung nimmt hierbei die Siedekammer auf, an die ein Leitkanal mit einem Kühlkörper angeschlossen ist. Wird dabei dem Leitkanal ein leistungsfähiges Kapillarenrohrsystem zugeordnet, dann braucht die Siedekammer nicht identisch mit dem Sammelraum des flüssigen Siedekühlmittels zu sein. Vielmehr kann dann die Siedekühlflüssigkeit über die Kapillaren nach oben in die Siedekammer strömen und dort unter Aufnahme von Wärmeenergie verdampfen. Es können dann auch direkt untere Kontaktstücke von senkrecht übereinander angeordneten Kontaktbolzen wirkungsvoll gekühlt werden. Die Siedekammer braucht also nicht unterhalb des Kühlkörpers zu liegen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Vakuumschalter mit einer Vakuumschaltkammer, deren Kontaktstücken Siedekühlvorrichtungen zugeordnet sind,

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung durch einen Leitkanal mit Kühlkörper und

Fig. 3 einen Vakuumschalter mit einer abgeänderten Siedekühlvorrichtung.

Bei einem Vakuumschalter ist eine Vakuumschaltkammer 1 vorgesehen, in der sich zwei zylindrische, achsengleich angeordnete Kontaktstücke 2 befinden, die an ihren einander zugewandten Stirnseiten mit je einer Kontaktplatte 3 versehen sind. Im dargestellten geschlossenen Zustand der Kontaktstücke 2 liegen die Kontaktplatten 3 plan aufeinander. Die Kontaktstücke 2 sind als Topfkontakte ausgebildet, wobei die offene Topfseite jeweils mit der Kontaktplatte 3 abgedeckt ist. Der gegenüberliegende Boden 4 der Kontaktstücke ist mit je einem Kontaktbolzen 5 verbunden, wobei die Kontaktbolzen an gegenüberliegenden Seiten aus dem Gehäuse 6 der Vakuumschaltkammer 1 herausgeführt sind. Das Gehäuse 6 ist üblicherweise an beiden Enden mit Isolatoren 22a, 22b versehen. Es kann aber auch der unter Teil 22b entfallen bzw. aus Metall bestehen. Der nach oben gerichtete Kontaktbolzen 5 ist im Gehäuse 6 feststehend gehalten und an einem Anschlußstück 7 eines oberen Isolierstützers 8 befestigt. Das Anschlußstück 7 dient zur Verbindung mit einem elektrischen Leiter. Der nach unten gerichtete zweite Kontaktbolzen 5 ist über einen Faltenbalg 9 mit dem Gehäuse 6 verbunden, so daß durch äußere Krafteinwirkung die Kontaktstücke 2 in der geschlossenen Lage gehalten oder zum Unterbrechen eines Stromes voneinander getrennt werden können. Zur Stromübertragung greift am Mantel des nach unten weisenden Kontaktbolzens 5 ein Ringgleitkontakt 10 an, der mit einem weiteren, nicht dargestellten elektrischen Leiter verbunden ist. Außerdem steht dieser Ringgleitkontakt in wärmeleitender Verbindung mit einer Siedekühleinrichtung. Diese Siedekühleinrichtung umgreift wärmeleitend den nach außen geführten Abschnitt des zugehörigen Kontaktbolzens 5 und ist mit einer Siedekammer 11 versehen, in welcher sich Siedekühlflüssigkeit sammelt. Die Siedekühlkammer 11 ist in ihrem oberen Abschnitt mit einem dampfförmiges Siedekühlmittel sammelnden Sammelkanal 12 versehen, von dem ein endseitig geschlossenes Leitrohr 13 mit innerem Leitkanal 14 wegführt. Das Leitrohr 13 ist mit einem darauf festgesetzten Kühlkörper 15 wärmeleitend verbunden. Dabei kann das Leitrohr 13 parallel zur Achse 18 des Kontaktbolzens 5 verlaufen und so angeordnet sein, daß zumindest ein Abschnitt des Kühlkörpers 15 unter einen radial ausladenden Abschnitt des Gehäuses 6 greift. Es ist dadurch eine besonders platzsparende Anordnung erzielt. Die Siedekammer 11 ist im übrigen in einem Kontaktträger 16 integriert und steht damit in gutem Wärmeleitkontakt mit dem Ringgleitkontakt. Der Kontaktträger 16 ist an einem unteren Isolierstützer 17 ortsfest gehalten und kann auch das Gehäuse 6 der Vakuumschaltkammer 1 abstützen. Der Leitkanal 14 mit dem Kühlkörper 15 kann jedoch auch gemäß der in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Lage radial zur gemeinsamen Längsachse 18 der Kontaktbolzen 5 stehen. Es ist dabei zweckmäßig, den Leitkanal 14 zu seinem freien Ende hin zumindest leicht zu neigen oder mit Kapillaren 19 zu versehen, um kondensiertes Siedekühlmittel in die Siedekammer 11 zurücklaufen zu lassen.

Soll kondensiertes Siedekühlmittel entgegen der Schwerkraft in die Siedekammer zurückbefördert werden, dann ist zweckmäßig der Innenmantel des Leitkanals 14 mit Kapillareinschnitten 19 versehen, über die kondensiertes Siedekühlmittel selbsttätig zur Siedekammer zurückströmt. Das Siedekühlmittel wird dann entgegen der Schwerkraft in die Siedekammer geführt, wo es fortlaufend verdampft und dadurch in den kühleren Bereich gedrückt wird, wo es kondensiert und zum Sammelraum frei zurückfließt bzw. durch die seitlich offenen Kapillaren 19 zur Siedekammer wandert.

Der Leitkanal 14 ist an seiner Verbindungsstelle mit dem Siedegehäuse 16, das zugleich als Anschlußstelle für äußere elektrische Leiter dienen kann, in dem Bereich, in dem es mit dem Kühlkörper 15 versehen ist, zweckmäßig durch einen zwischengefügten rohrförmigen Isolierkörper 20 elektrisch vom übrigen Teil der Siedekühlvorrichtung bzw. stromführender Teile isoliert. Dadurch kann der Kühlkörper 15 ein anderes elektrisches Potential annehmen als die Siedekammer.

Eine besonders intensive Abfuhr von an einem Kontaktstück entstehender Wärme wird erreicht, wenn die Siedekammer 11 unmittelbar einem Kontaktstück 2 zugeordnet wird, wie es in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist. Gemäß Fig. 1 ist dabei die Siedekammer 11 in die Wandung, insbesondere im Bereich am Übergang vom Boden 4 in den nach oben weisenden Kontaktbolzen 5 eingearbeitet. Der Kontaktbolzen 5 dient zugleich als Leitrohr, in dem der Leitkanal 14 als Bohrung nach oben führt und an dessen freies Ende ebenfalls ein Leitrohr 13 mit dem sich darin fortsetzenden Leitkanal 14 und dem äußeren Kühlkörper 15 anschließt. Diese besonders für den oberen Kontakt einer senkrecht eingebauten Vakuumschaltkammer geeignete Ausgestaltung weist eine Wirkungsweise auf, gemäß welcher das sich in der unten angeordneten Siedekammer 11 sammelnde Siedekühlmittel durch die im zugehörigen oberen Kontakt 2 auftretende Wärme verdampft wird, das dadurch im Leitkanal 14 nach oben getrieben und zumindest im außerhalb der Vakuumschaltkammer 1 angeordneten gekühlten Leitrohr 13 kondensiert und als Flüssigkeit durch die Schwerkraft in die Siedekammer 11 fließt. Da das Wärmeleitvermögen von als Wärmerohr ausgebildeten Siedekühlvorrichtungen um Zehnerpotenzen höher liegt als das von Kupfer, aus welchem die Kontaktbolzen 5 und die Kontaktstücke 2 hauptsächlich bestehen, wird bei dem aufgezeigten Aufbau eine sehr wirkungsvolle Wärmeabfuhr von den Kontaktstücken 2 erreicht und dadurch das Stromübertragungsvermögen wesentlich erhöht. Die Verminderung des Querschnitts am jeweiligen Kontaktstück und Kontaktbolzen ist durch die Anordnung der Siedekühlvorrichtung relativ gering und wird durch das erhöhte Wärmeleitvermögen der Siedekühlvorrichtung bei weitem ausgeglichen. Mit einem Leitkanal von 5 mm Durchmesser in einem Kontaktbolzen von 36 mm Durchmesser kann im übrigen der dadurch erhöhte Widerstandswert durch eine geringfügige Vergrößerung des Außen-Durchmessers des Kontaktbolzens 5 ausgeglichen werden. Mit einem so integrierten Wärmerohr kann jedoch eine Leistung von etwa 60 Watt vom jeweiligen Kontaktstück 2 abgeführt werden. Dabei kann eine integrierte Siedekühlvorrichtung 11, 14, wie sie dem oberen Kontaktstück 2 zugeordnet ist, auch in das untere Kontaktstück 2 eingebaut werden. Wenn dabei das freie Ende des unteren Kontaktbolzens 5 nicht für ein Leitrohr mit Kühlvorrichtung zur Verfügung steht, dann kann der Leitkanal 14 innerhalb des Kontaktbolzens 5 enden. Die in den Fig. 1 und 3 dem unteren Kontaktbolzen 5 zugeordnete äußere Siedekühlvorrichtung oder eine andere Kühlvorrichtung überträgt dann die in deren Bereich transportierte Wärme vom Kontaktbolzen 5 ab. In diesem Fall wird im Leitkanal 14 das System der Kapillareinschnitte 19 angewandt. Auch das bewegliche untere Kontaktstück 2 wird dann unmittelbar durch eine integrierte Siedekühlvorrichtung zusätzlich gekühlt.

Zusätzlich oder alternativ kann dem oder den Kontaktstücken 2 an der Oberfläche gemäß Fig. 3 zumindest ein Teil 14a der Siedekammer 14 zugeordnet sein. Wenn dabei das jeweilige Kontaktstück 2 ein Topfkontakt einer Vakuumschaltkammer 1 ist, dann können Teile der Siedekammer auch im Hohlraum zwischen der jeweiligen Kontaktplatte 3 und dem Boden 4 angeordnet sein. Die Siedekammer kann sich dabei auch auf die der jeweiligen Kontaktfläche gegenüberliegende Seite der betreffenden Kontaktplatte 3 erstrecken und gegebenenfalls auch in einem zwischen dem Boden 4 und der Kontaktplatte 3 angeordneten Stützkörper fortsetzen. Die Siedekammer 11 kann jedoch auch nur Teilen der Oberfläche bzw. dem Stützkörper 21 zugeordnet sein. Die Siedekammer 11 kann sich auch entlang von durch Schlitze gebildeten Windungsabschnitten des jeweiligen Kontaktstücks ausgebildet sein. Dabei kommunizieren äußere Abschnitte der Siedekammer vorzugsweise mit innenliegenden Abschnitten unterhalb des Flüssigkeitsspiegels, der sich im Betrieb ausbildet, um eine gleichmäßige Verteilung der Siedekühlflüssigkeit sicherzustellen. Die außenliegenden Abschnitte der Siedekammer gehen vorzugsweise in einen den jeweiligen Kontaktbolzen 5 außen umgebenden Leitkanal 14 über, der in einen in den Kontaktbolzen 5 integrierten Leitkanal mündet und zu einem äußeren Kühlkörper 15 führt.

Als Siedekühlmittel eignen sich insbesondere reines Wasser bzw. ein Fluorkohlenwasserstoff, die für Arbeitstemperaturen bis etwa 200°C geeignet sind und damit die im Betrieb von Kontaktstücken auftretenden Temperaturbereiche überdecken. Der Leitkanal und die Siedekammer müssen dabei vor dem Einfüllen des Siedekühlmittels evakuiert werden. Dadurch werden auch Oxydationen oder andere nachteilige Wirkungen unterbunden.

Claims (19)

1. Elektrischer Schalter, insbesondere Leistungsschalter, mit Kontaktstücken, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem Kontaktstück (2) eine Siedekühlvorrichtung (5, 11, 13, 14, 14a, 16) zugeordnet ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktstück (2) an einem Kontaktbolzen (5) gehalten ist und daß dem Kontaktbolzen (5) mindestens ein Teil (11, 14) der Siedekühlvorrichtung zugeordnet ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Kontaktstück (5) eine Siedekammer (11) vorgesehen ist.

4. Schalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Wandstärke des Kontaktstücks (5) die Siedekammer (11) angeordnet und innerhalb des Kontaktbolzens (5) mindestens ein Leitkanal (14) für Siedekühlmittel vorgesehen ist, der in den Bereich eines Kühlkörpers (15) führt.

5. Schalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke (2) in einer geschlossenen Schaltkammer (1) angeordnet sind, aus der die freien Enden der Kontaktbolzen (5) nach außen geführt sind.

6. Schalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktstück (2) an seiner Oberfläche außerhalb der Kontaktflächen zumindest Teile der Siedekammer (11) trägt.

7. Schalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktstück (2) ein Topfkontakt eines Vakuumschalters ist.

8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Topfkontakt auf seiner offenen Topfseite eine Kontaktplatte (3) trägt und daß an der Kontaktplatte (3) auf der dem Topfhohlraum zugewandten Seite zumindest ein Teil der Siedekammer (11) angeordnet ist.

9. Schalter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum des Topfkontaktes ein die Kontaktplatte (3) unterstützender Stützkörper (21) angeordnet ist, in oder an dem zumindest ein Teil der Siedekammer vorgesehen ist.

10. Schalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an das freie Ende des das Kontaktstück (2) tragenden Kontaktbolzens (5) die oder eine weitere getrennte Siedekühlvorrichtung thermisch angekoppelt ist.

11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Siedekühlvorrichtung (14a) den Mantel des Kontaktbolzens (5) umschließt.

12. Schalter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktbolzen (5) in Achsrichtung verschiebbar und die Siedekühlvorrichtung demgegenüber ortsfest angeordnet ist und daß ein den Mantel des Kontaktbolzens (5) dicht umschließender elektrischer Gleitkontakt (10) vorgesehen ist, der in wärmeleitendem Kontakt mit der Siedekühlvorrichtung steht.

13. Schalter nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kontaktbolzen (5) umgreifende Teil der Siedekühlvorrichtung die Siedekammer (11) aufnimmt, an die ein Leitkanal (14) mit einem Kühlkörper (15) angeschlossen ist.

14. Schalter nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkanal (14) parallel oder schräg zur Längsachse des Kontaktbolzens (5) nach oben gerichtet ist.

15. Schalter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (15) unter eine radiale Ausladung des Schaltergehäuses (6) greift.

16. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkanal (14) annähernd radial zum Kontaktbolzen (5) steht.

17. Schalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkanal (14) zumindest im Bereich des Kühlkörpers (15) vom übrigen Teil der Siedekühlvorrichtung elektrisch isoliert ist.

18. Schalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Leitkanal (14) Kapillaren (19) zugeordnet sind.

19. Schalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Isolator (22b) der Vakuumschaltkammer (1) nicht vorhanden ist oder durch Metall ersetzt ist, so daß der Kühlkörper (15) ohne Isolierzwischenstück (20) in der Nähe der Vakuumschaltkammer (1) angebracht werden kann.