DE4119706A1 - Kontaktanordnung fuer vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Va­ kuumschalter mit koaxial zueinander angeordneten Kontakten, die ein axiales Magnetfeld erzeugen und jeweils mit einer Stromzuführung sowie einer Kontaktplatte versehen sind.

Es ist bekannt, daß ein Ansteigen der Lichtbogenspannung und ein damit verbundener hoher Leistungsumsatz in Vakuumschaltern durch ein koaxiales Magnetfeld im Spalt zwischen den geöffne­ ten Kontakten verhindert werden kann. In einer Ausführungsform solcher Vakuumschalter für verhältnismäßig geringe Spannungen und Ströme können diese Kontakte als sogenannte Flachkontakte ausgebildet sein, deren Kontaktplatte mit einer Stromzuführung verbunden ist und die im Bereich ihrer Kontaktauflageflächen mit einem Einsatz aus sogenanntem Kontaktmaterial versehen sein kann (US-Patentschrift 40 79 217).

In einer weiteren bekannten Ausführungsform für höhere Ströme und höhere Spannung sind Topfkontakte vorgesehen, deren Kon­ taktträger eine zylindrische Kammer als Seitenwände umgeben und durch eine Kontaktscheibe abgedeckt sind. Das Axialfeld erhält man durch gegenüber der Achse geneigte schräge Schlitze in den Kontaktträgern mit in den beiden Kontakten gleichsin­ niger Drehrichtung. Zwischen der Kontaktscheibe und dem Kon­ taktboden ist ein Stützkörper angeordnet, der beispielsweise aus einem Hohlzylinder bestehen kann (DE-OS 32 27 482).

Schaltkontakte von Leistungsschaltern, insbesondere von Schaltschützen, neigen bekanntlich zum Verschweißen, wenn sie unter Last geschlossen werden müssen. Dadurch wird die spätere Kontakttrennung behindert und die Funktionsfähigkeit dieser Schalter entsprechend beeinträchtigt. Ursache dieses uner­ wünschten Effektes sind Lichtbögen, die bei sehr kleinen Kon­ taktabständen zünden und insbesondere wiederholt neu zünden und zu einer Kontaktverschweißung führen können, wenn die Kontakte beim Schließen prellen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Problem der Kontaktverschweißung dadurch zu lösen, daß ein Prellen der Kontakte verhindert wird.

Das Problem dieser Kontaktverschweißung wurde bisher einer­ seits direkt angegangen, indem man nicht legierungsfähiges Material oder Materialzusätze für den Oberflächenbereich der Kontaktplatte an der Kontaktauflagefläche verwendete. Diese gesinterten oder im Lichtbogen erschmolzenen Materialmischun­ gen, die im wesentlichen aus Kupfer und Chrom bestehen und im allgemeinen noch vorbestimmte Zusätze enthalten, erfordern jedoch einen verhältnismäßig großen Aufwand. Ferner kann durch sorgfältige Abstimmung der beim Schließvorgang bewegten Mas­ sen, der auf sie wirkenden Kräfte und der Hubwege ein an­ nähernd prellfreies Schließen ermöglicht werden. Dabei stehen sich jedoch die beiden Forderungen nach schnellem Schließen und Prellfreiheit gegenseitig im Wege.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß auch bei großer Geschwindigkeit der beim Schließvorgang bewegten Kon­ takte und entsprechend großem Impuls der aufeinandertreffenden Massen ein Prellen verhindert werden kann, wenn an mindestens einer der aufeinanderfolgenden Massen eine unelastisch defor­ mierbare und allseitig geschlossene Zusatzmasse vorgesehen ist und sie besteht in den Gestaltungsmerkmalen des Anspruchs 1. Diese Zusatzmasse ist im Kontakt in eine elastische Hülle ein­ geschlossen, deren zulässige Zugspannung über der bei der De­ formation der Zusatzmasse erzeugten Druckspannung liegt.

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der verschiedene Ausführungsbeispiele für eine Kontaktanordnung gemäß der Erfindung schematisch veran­ schaulicht sind. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform mit einem sogenannten Flachkontakt. In den Fig. 2 und 3 ist jeweils eine Ausführungsform eines Kontaktes als Hohlkontakt für größere Ströme und höhere Spannung veranschaulicht. In den Fig. 4 und 5 ist jeweils eine Bewegungskurve für einen Kon­ takt mit einer Zusatzmasse bzw. ohne Zusatzmasse veranschau­ licht.

In der Ausführungsform eines Flachkontakts gemäß Fig. 1 sind eine Kontaktplatte mit 2 und eine Stromzuführung mit 8 be­ zeichnet. Zwischen der Kontaktplatte 2, die im allgemeinen wenigstens teilweise aus sogenanntem Kontaktmaterial besteht, und der Stromzuführung 8 ist eine Zusatzmasse 10 in der Form einer Scheibe oder Platte angeordnet, die vorzugsweise aus einem festen Körper, insbesondere aus Blei, bestehen kann. Ferner ist als Zusatzmasse auch eine zinnhaltige Legierung geeignet. Ferner kann eine Zusatzmasse 10 in Pulverform oder auch als Preßkörper vorgesehen sein. An ihrer Bodenfläche und an ihrer zylindrischen Seitenfläche ist die Zusatzmasse 10 von der Stromzuführung 8 umgeben, die im allgemeinen aus Kupfer besteht. Die Zusatzmasse 10 ist somit teilweise wie eine Dämpfungsflüssigkeit in eine elastische Hülle eingeschlossen. Nach einer Volumenverminderung durch eine Stoßbelastung beim Einschaltvorgang ist somit eine verhältnismäßig langsame ela­ stische Rückdeformation der Zusatzmasse 10 möglich.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ein als Axialfeldkon­ takt wirkender Hohlkontakt vorgesehen, dessen Kontaktplatte 2 in ihrem Randbereich mit einem ringzylindrischen, mit schrägen Schlitzen zur Erzeugung des Axialfeldes versehenen Trägerkör­ per 4 verbunden ist, der auf einem Kontaktboden 6 befestigt ist. Der Kontaktboden 6 ist mit der Stromzuführung 8 verbun­ den. Zwischen diesem Kontaktboden 8 und der Kontaktplatte 2 ist ein hohlzylindrischer Stützkörper 12 angeordnet, der an seinem der Kontaktplatte 2 zugewandten Ende flanschartig er­ weitert ist. Dieser Stützkörper 12 schließt die Zusatzmasse 10 ein.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ebenfalls ein Hohl­ kontakt mit einer Kontaktplatte 2, einem geschlitzten Träger­ körper 4, einem Kontaktboden 6 und einer Stromzuführung 8 vor­ gesehen, bei dem ein Stützkörper durch einen inneren Ringzy­ linder 14 gebildet wird, der von einem äußeren Ringzylinder 15 konzentrisch umgeben ist. Zwischen diesen beiden Ringzylindern ist die Zusatzmasse 10 eingeschlossen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kann als Material für die unelastisch verformbare Zusatzmasse 10 außer Blei oder einer bleihaltigen Legierung auch Zinn oder eine Zinn enthaltende Legierung, wie beispielsweise Weißmetall LgSn 80, sowie reines Aluminium oder eine Aluminiumlegierung vorgesehen sein. Diese Materialien haben eine Zugfestigkeit von höchstens 10⁸ Pa (etwa 10 kp/mm²). Für diese Ausführungsform mit in die Strom­ zuführung 8 zum Schaltkontakt integrierter Zusatzmasse 10 ist eine gute elektrische Leitfähigkeit vorteilhaft.

Bei Kontaktformen mit Stützkörpern wie die Axialfeldkontakte gemäß den Fig. 2 und 3 wird die Zusatzmasse 10 vorzugsweise in den Stützkörper 12 integriert. Hier ist eine möglichst geringe elektrische Leitfähigkeit vorteilhaft. Deshalb sind in dieser Ausführungsform Blei und Zinn in reiner Form oder auch als Legierungsbestandteil sowie Halbleiter, auch auf Mischkri­ stallbasis, und gepreßte Substanzen, wie beispielsweise Quarz­ sand, besonders geeignet.

Die Wandstärke des die Zusatzmasse 10 einschließenden Mate­ rials wird so bemessen, daß der durch den Kontaktaufprall und die anschließende Verformung der Zusatzmasse 10 entstehende Druck die Elastizitätsgrenze des einschließenden Materials nicht überschreitet. Der Mindestdurchmesser D_a des die Zusatz­ masse 10 umschließenden Materials sollte deshalb vorzugsweise

D_a = D₁ (1+2π p₁/σ₂)

betragen. Dabei ist D₁ der Außendurchmesser der Zusatzmasse, p₁ der bei der Verformung entstandene Druck auf die Grenzflä­ che von Zusatzmasse und einschließendem Material und σ₂ die zulässige Zugspannung im einschließenden Material. In analoger Weise wird der Innendurchmesser D_i des die innere Zylinder­ oberfläche der Zusatzmasse 10 gemäß Fig. 3 abstützenden Mate­ rials vorzugsweise höchstens

D_i = D₂ (1-2π p₁/σ₃)

gewählt, um die Deformation der Zusatzmasse 10 nach dem Kon­ taktaufprall elastisch rückgängig machen zu können. Dabei ist D₂ der innere Durchmesser der zylinderförmigen Zusatzmasse 10 und σ₃ ist die zulässige Zugspannung im inneren die Zusatzmas­ se 10 abstützenden Rohr.

Für eine Zusatzmasse 10 aus Blei beträgt die Zugfestigkeit etwa 10⁷ Pa (ca. 1 kp/mm²). Besteht das einschließende Mate­ rial, beispielsweise das flanschartig auf der Seite der Kon­ taktscheibe erweiterte Stützkörperrohr in Fig. 2, aus Cr/Ni- Stahl mit einer zulässigen Zugspannung σ₂ = 5×10⁸ Pa (ca. 50 kp/mm²), und soll ein maximaler Druck p₁ = 5×10⁷ Pa, d. h. das 5fache der Zugfestigkeit in der Zusatzmasse, elastisch abgefangen werden, so wird ein Außendurchmesser Da des Stütz­ körpers

Da 1,63 D₁

gewählt. Dies entspricht etwa den in Fig. 2 dargestellten Proportionen.

Da die stoßdämpfende Wirkung der Zusatzmasse 10 im wesentli­ chen auf der Umwandlung von Bewegungsenergie in innere Rei­ bungsarbeit beruht, kann die Zusatzmasse 10 klein gegenüber der Masse des bewegten Kontaktes und der zunächst starr mit diesem verbundenen Teile, wie Kontaktträger 4 und Stromzu­ führung 8, gewählt werden. Dies wird an zwei für ein Modell aus mehreren Massenpunkten berechneten Bewegungsabläufen, Fig. 4 und 5, dargelegt. In diesen Figuren ist jeweils die Auslenkung A der Massen beim Schließen nach erster Kontaktbe­ rührung in mm über der Zeit t in ms in einem Diagramm aufge­ tragen. Fig. 4 zeigt einen typischen Schließvorgang eines Kontaktpaares ohne dämpfende Zusatzmasse, mit vielen, allmäh­ lich abklingenden Prellungen. In dem der Fig. 5 zugrundelie­ genden Rechenmodell wurde der Masse des bewegten Kontaktes eine elastisch deformierbare Zusatzmasse 10 hinzugefügt, die 1/26 der Masse der bewegten Kontaktteile und einen Reibungs­ koeffizienten von 1 kN/(m/s) besitzt. Beiden Modellen ist eine Anfangsgeschwindigkeit des bewegten Kontaktes im Zeitpunkt der ersten Kontaktberührung von -2,5 m/s zugrundegelegt. Die Ein­ führung der Zusatzmasse 10 bewirkt gemäß dem Diagramm der Fig. 5 ein weiches Ansteigen des Kontaktandruckes, erkennbar an der - bei den hier verwendeten Modellparametern bis etwa 0,3 mm - größeren Auslenkung des bewegten Kontaktes gegenüber dem festen Kontakt. Beide Kontakte gemeinsam durchlaufen le­ diglich eine abklingende Schwingungsbewegung infolge einer für das Rechenmodell eingesetzten federnden Aufhängung an einem starren und unbeweglichen Rahmen. Ein Prellvorgang ist hier nicht aufgetreten. Dementsprechend wird ein Schaltkontaktpaar mit diesen mechanischen Eigenschaften weitgehend gegen Ver­ schweißen gesichert sein.

Claims (12)

1. Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial zueinander angeordneten Kontakten, die ein axiales Magnetfeld erzeugen und jeweils mit einer Stromzuführung sowie einer Kontaktplatte versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei wenigstens einem der beiden Kontakte zwischen der Kontaktplatte (2) und der Stromzuführung (8) eine als Stoß­ dämpfung wirkende Zusatzmasse (10) angeordnet ist, die wenig­ stens teilweise wie eine Dämpfungsflüssigkeit in eine elasti­ sche Hülle eingeschlossen ist und nach einer Volumenverminde­ rung durch Stoßbelastung eine elastische Rückdeformation be­ wirkt.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch eine Zusatzmasse (10) in der Form einer Scheibe.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch eine Zusatzmasse (10) in der Form eines Zylin­ ders.

4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch eine Zusatzmasse (10) in der Form eines Hohl­ zylinders.

5. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zusatzmasse (10) aus einem festen Körper besteht.

6. Kontaktanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zusatzmasse (10) nach ei­ ner Volumenverminderung durch Stoßbelastung aus Blei besteht.

7. Kontaktanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zusatzmasse (10) wenig­ stens teilweise aus Zinn besteht.

8. Kontaktanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zusatzmasse (10) wenig­ stens teilweise aus Aluminium besteht.

9. Kontaktanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zusatzmasse aus Weichkup­ fer besteht.

10. Kontaktanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmasse (10) we­ nigstens in dem an der Kontaktplatte (2) anliegenden Oberflä­ chenbereich mit einer elektrischen Isolation versehen ist.

11. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine Zusatzmasse (10) in Pulverform.

12. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine Zusatzmasse (10), die aus einem Preßkörper besteht.