DE565530C - Vakuumschalter - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
1.DEZEFÄBERI932

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE

21C- S I!?2.

Vakuumschalter

Patentiert im Deutschen Reiche vom 7. September 1930 ab

Schalter, deren Kontakte sich in einem Raum von so geringer Gasdichte befinden, daß eine selbständige Entladung zwischen den geöffneten Kontakten nicht zünden kann, und daß der während des Öft'nens der Kontakte noch bestehende Lichtbogen beim Stromnulldurchgang oder bei Unterschreitung einer Alindeststromstärke erlöschen muß, nennt man Vakuumschalter. Mit dem Vakuumschalter werden hohe Leistungen namentlich beim Schalten von Wechselstromkreisen hoher Spannung bewältigt.

Bei einer gegebenen Spannung ist die durch den Vakuumschalter abschaltbare Leistung in erster Linie durch die Menge der vom Öffnungslichtbogen in Freiheit gesetzten Gase begrenzt. Die Beseitigung dieser Gase, etwa durch Pumpen, beansprucht immer eine gewisse Zeit, die im Vergleich zum Zeitintervall einer Wechselstromperiode verhältnismäßig lang ist. Die frei werdende Gasmenge steigt mit wachsender Ausschaltstromstärke; der Abbrand der Kontakte verhält sich dementsprechend.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, durch Einfügung eines nach Art eines Stromwandlers geschalteten Transformators an Stelle des stärkeren primären Stromes einen schwächeren, dafür höher gespannten sekundären Strom abzuschalten. Nach Unterbrechung des sekundären Stromkreises wirkt der eingefügte Transformator dann als Drosselspule hoher Induktivität. Hierdurch wird bereits eine Steigerung der Schaltleistung namentlich auch im Kurzschlußfalle erreicht.

Die mit dieser Steigerung verbundene Erhöhung der vom Schalter noch zu ertragenden Ausschaltspannung findet jedoch eine Grenze dadurch, daß an den Schalterkontakten, und zwar an den scharf gekrümmten Oberflächenteilen, die elektrische Feldstärke sich konzentriert und hohe Werte annimmt, so daß aus dem an sich kalten Kontaktmaterial Elektronen auszutreten vermögen. Man nennt diese Erscheinung autoelektrische Entladung; sie beginnt bei einer Feldstärke von etwa io⁶ Volt/cm. Die auf solche Weise ausgelösten Elektronen vermögen die im Vakuumraum vorhandenen Restgase zu ionisieren und dadurch Wiederzündungen des Lichtbogens zu begünstigen, welche das Vakuum wiederum verschlechtern und zum völligen Versagen des Schalters führen. Es ist bereits vorgeschlagen worden, diesem Übelstand durch Unterteilung des Schaltraums mittels eingelegter isolierter Schirme abzuhelfen. Diese Schirme sollen die Bewegung der freien Ladungsträger behindern und sie absorbieren. Hierdurch wird jedoch vorwiegend nur eine schnellere Entionisierung des Raumes erreicht, die Auslösung neuer Elektronen ist dagegen kaum merklich verhindert, sofern nicht ganz besondere elektrostatische Bedingungen hinsichtlich der Anwendung der Schirme erfüllt sind.

Der Grundgedanke der Erfindung ist nun,

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben -worden:

Dipl.-Ing. Dr. Jürgen von Issendorff in Berlin-Siemenssladt.

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durch Schaffung eines homogenen Feldes zwischen den geöffneten Kontakten die autoelektronische Entladung auch bei den höchsten, in der Elektrotechnik üblichen Spannungen zu vermeiden. Es wird dies erfindungsgemäß durch Anordnung von Schutzringflächen an den Kontakten mit jeweils übereinstimmendem Potential erreicht. Auch die Schutzringflächen dürfen an ihren Ränto dem keine erhöhte Feldstärke aufweisen und müssen dort gegeneinander konvex gekrümmt sein, etwa so wie die Ränder eines Rogowskischen Plattenkondensators. Die von dem einen Schutzring zum anderen verlaufenden elektrostatischen Kraftlinien drängen sich dann nicht mehr an den äußeren Rändern der Schutzringe zusammen, sondern krümmen sich mehr und mehr nach außen. Da hierbei auch der KraftHnienweg sich im freien Raum ausdehnt und sich schließlich über viele freie Weglängen erstreckt, entsteht eine neue Gefährdung der Schaltwirkung durch die Möglichkeit der Ausbildung von Ionenlawinen auf diesen \^rerlängerten Wegen. Gemäß der Erfindung werden daher Füllkörper angeordnet, welche den Weg der Randkraftlinien im freien Raum unterbrechen und solche Eigenpotentiale besitzen, daß die Feldstärke in, den verbleibenden freien Zwischenräumen (zwischen den Füllkörpern und den Ringschutzflächen) nicht höher ansteigt als in dem Raum zwischen den geöffneten Kontakten. Um die einzelnen freien Wegstrecken der Kraftlinien zwischen den Füllkörpern trotzdem möglichst klein halten zu können, muß die Bedingung erfüllt sein, daß die gegenseitigen Kapazitäten der einander benachbarten Füllkörper sich umgekehrt proportional verhalten wie ihre Abstände. Diese Bedingung kann dadurch erfüllt werden, daß die als Kondensatorbeläge wirkenden Flächen alle untereinander gleich groß sind. Ferner müssen auch die nicht einander gegenüberstehenden Oberflächenteile so bemessen und angeordnet sein, daß sie die geforderte Potentialverteilung der Füllkörper nicht merklich stören, daß also ihre Teilkapazitäten gegen Teile stark abweichenden Potentials verschwinden. Zu diesem Zweck kann außerhalb des Vakuumraums ein gleichgerichtetes elektrisches Feld erzeugt werden, um eine feldverzerrende Einwirkung der äußeren Umgebung, beispielsweise der Erde, durch die isolierenden Wände der Vakuumkammer hindurch zu vermeiden. Die Zahl der solcherart kapazitiv in Reihe geschalteten Füllkörper wird im allgemeinen mit steigender Betriebsspannung zu erhöhen sein, und zwar derart, daß die zur Halterung der Füllkörper dienenden isolierenden Wände an keiner Stelle einer elektrischen Feldstärke von gefährlicher Höhe ausgesetzt wird. Eine solche Schaltung wird auch· bei weitgehender Unterteilung der Füllkörper keine Schwierigkeiten bereiten, weil bei hohen Spannungen auch die isolierende Wand zur Erzielung größerer Bauhöhen unterteilt wird. Die Füllkörper werden vorteilhaft aus leitendem Material bestehen. Es kann jedoch auch halb- oder nichtleitendes AIaterial hierfür Verwendung finden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Figur zeigt einen axialen Schnitt durch einen der neuen Vakuumschalter.

Die in der Mitte gekröpften Metallplatten 1 und 2 liegen im Zuge der zu unterbrechenden Leitung 3 und 4. Zwischen 1 und 2 befinden sich Ringe 5 und 18 aus Isoliermaterial, die mit den Platten zusammen eine luft- und vakuumdicht verschlossene Kapsel bilden. Diese Kapsel wird durch Bolzen 6 aus zugfestem Isoliermaterial zusammengehalten, die an den verdickten Enden aufgekittete Gewindestücke 7 tragen und durch die Überwurfmuttern 8 angespannt werden. Die Platte 1 ist in ihrem gekröpften Teil durchbohrt zwecks Aufnahme des beweglichen Schaltkontaktes 9, der beispielsweise durch eine Wendelfeder 10 in der Einschaltstellung gehalten wird. Die Ausschaltbewegung kann dann bewirkt werden durch Erregung einer Magnetspule 12, die einen mit dem Kontakt 9 mechanisch verbundenen Eisenkern 11 entgegen der Kraft der Feder 10 anzieht. Der Eisenkern ist in einem unmagnetischen Rohr 13 geführt. Die Kröpfung der Platte 1 ist durch eine Deckelplatte 14 luft- und vakuumdicht verschlossen. An den Innenflächen der isolierenden Ringe 5 sind ringförmige Füllkörper 15, 16 und 17, die aus leitendem Material bestehen, konzentrisch befestigt. Der mittlere Körper 16 ist in bezug auf die zu den Metallplatten 1 und 2 parallel verlaufende Mittelebene symmetrisch angeordnet und findet seinen Halt in der Trennfuge zwischen den Ringen 5 und 18. Die Teilkapazitäten 1/16 und 16/2 sind infolgedessen gleich groß. Nicht ohne weiteres, aber annähernd gleich groß sind die Teilkapazitäten 1/15 und 15/16 sowie 16/17 und 17/2. Hier wird ein Ausgleich dadurch geschaffen, daß die einander zugekehrten Flächen zwischen den Körpern 15 und 16 sowie 16 und 17 durch eine geschwungene Führung dieser Spalten vergrößert und den Flächen zwischen den Körpern 1 und 15 sowie 17 und 2 angeglichen werden. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die durch die Füllkörper verlaufenden elektrischen Kraftlinien in allen Spalten etwa die gleiche Flächendichte behalten, und die Bildung ge-

Claims (7)

1. fährlicher Feldkonzeiitrationen wird vermieden. Durch reichliche Bemessung des Durchmessers der Platten ι und 2 im Vergleich zu demjenigen der Isolierringe 5 und 18 ist eine annähernd homogene Feldverteilung auch in der durch die Isolationsringe gebildeten Wand angestrebt, so daß eine Störung der Potentialverteilung der Füllkörper 15, 16 und i~ vermieden wird. Die Isolationsringe 5 und iS können noch nach außen wie nach innen mit Rippen 19 versehen sein, um die sogenannten Kriechwege auf ihrer Oberfläche möglichst zu vergrößern. Die gesamte Höhe der isolierenden Wand 5 wird für eine bestimmte Betriebsspannung so groß zu wählen sein, daß unmittelbare Überschläge in Luft zwischen den Platten 1 und 2 unmöglich sind. Vorteilhaft wird der Mindestabstand zwischen den Kröpfungen der beiden Platten 1 und 2 in der Nähe des Kontakts 9 so bemessen, daß die Höchstfeldstärke io⁵ Volt/cm nicht wesentlich überstiegen wird.

   Zur Erhöhung der normalen durch den Schalter fließenden Stromstärke kann in der Platte 2 noch ein Gegenkontakt vorgesehen sein. Es müssen dann natürlich die dadurch entstehenden Hohlräume während des Ausschalt Vorgangs vorzugsweise durch elastisch bewegte Füllstücke geschlossen werden. Selbstverständlich erhält der neue Vakuumschalter einen Anschluß an eine Vakuumpumpe, und es werden gegebenenfalls gasabsorbierende Mittel vorgesehen, die die erforderliche Reinhaltung des Vakuums gewährleisten.

   Ρ-Λ T E N T A N S P R Ü C H E :

   i. Vakuumschalter, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkontakte zur Erzeugung eines angenähert homogenen elektrischen Feldes in der Umgebung der geöffneten Kontakte in ihrer Ausschaltstellung von elektrostatischen Schutzringflächen jeweils übereinstimmenden Potentials umgeben sind, die eine Fortsetzung der zueinander parallelen Stirnflächen der Schaltkontakte bilden.
2. 2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch,gekennzeichnet, daß die Entfernung der geöffneten Schalterkontakte sowie der zugehörigen Schutzringflächen voneinander kleiner ist als die Schichtdicke des Kathodendunkel raums der Glimmentladung bei der betriebsmäßig im Schalter auftretenden Restgasdichte, jedoch grüßer als diejenige für die jeweilige Betriebsspannung kritische Entfernung, bei der eine durch extrem hohe Feldstärken bedingte, sogenannte autoelektronische Entladung zu fließen beginnt.
3. 3. Vakuumschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander parallelen Schutzringflächen zur Vermeidung einer nachteiligen Feldkonzentration an den sich gegenüberliegenden Rändern konvex gekrümmt sind.
4. 4. Vakuumschalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den erweiterten Zwischenraum zwischen den abgebogenen Rändern der Schutzringflächen besondere, den verlängerten Weg der elektrischen Kraftlinien im freien Raum unterbrechende, ringförmige Füllkörper voneinander isoliert eingesetzt sind.
5. 5. Vakuumschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung annähernd homogener und untereinander übereinstimmender elektrischer Feldstärken der zwischen einer Schutzringfläche und dem angrenzenden Füllkörper gebildete Spalt annähernd parallele Begrenzungsflächen aufweist, und daß die Begrenzungsflächen aller Spalten unter sich gleichen Flächeninhalt besitzen, während die restlichen Oberflächenteile der Füllkörper in einer möglichst symmetrischen, die Teilkapazitäten der Füllkörper wenig verändernden Weise angeordnet sind.
6. 6. Vakuumschalter nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der von den Füllkörpern zwischen den Schutzringflächen gebildeten Spalten kleiner ist als die Schichtdicke des Kathodendunkel raums der Glimmentladung bei der betriebsmäßig im Schalter auftretenden Restgasdichte, jedoch größer als diejenige für die jeweilige Betriebsspannung kritische Entfernung, bei der eine durch extrem hohe Feldstärken bedingte, sogenannte autoelektronische Entladung zu fließen beginnt.
7. 7. Vakuumschalter nach Anspruch 1 bis 6 mit in der Einschaltstellung ineinander eingreifenden Kontakten, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem einen Kontakt in dem Gegenkontakt in der A.usschaltstellung etwa hinterlassenen Hohlräume sich selbständig insbesondere durch elastisch bewegte Füllkörper schließen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen