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Die Erfindung betrifft eine Vakuumschaltröhre, insbesondere zur Unterbrechung eines
Stromkreises in einem Leistungsschalter oder Lastschalter sowie einen, mit einer solchen
Schaltröhre ausgerüsteten Schalter.
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Aus der französischen Patentschrift 2.655.766 der Anmelderin ist ein
Mittelspannungsschalter bekannt, der im wesentlichen ein mit einem Gas hoher
dielektrischer Festigkeit gefülltes gasdichtes Gehäuse umfaßt, in dem eine
Vakuumschaltröhre, die einen beweglichen und einen feststehenden Lichtbogenkontakt
enthält, zwei parallel zu den genannten Lichtbogenkontakten geschaltete Hauptkontakte
sowie ein auf die genannten Kontakte wirkender Antriebsmechanismus angeordnet sind, der
dazu dient, die Lichtbogenkontakte nach den Hauptkontakten zu öffnen und vor den
Hauptkontakten zu schließen. An den beiden genannten Lichtbogenkontakten ist jeweils ein
kontaktgebender Teil in Form einer Scheibe ausgebildet. Der feststehende Kontakt ist mit
einem der genannten Böden fest verbunden, während der bewegliche Kontakt im anderen
Boden der Umhüllung verschiebbar gelagert sowie mit dem genannten
Antriebsmechanismus verbunden ist, der die Kontaktgebung und -trennung zur Abschaltung
des Stromkreises gewährleistet.
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Eine solche Vakuumschaltröhre ist zwar allgemein für den Einsatz in einem Schalter
geeignet, bringt jedoch bestimmte Nachteile mit sich. Einer dieser Nachteile liegt darin, daß
beim Schließen der Kontakte die beiden Kontaktscheiben selten genau parallel zueinander
liegen. Daraus resultiert, daß eine sofortige Kontaktgebung mit der gesamten
Scheibenoberfläche schwer zu erreichen ist, so daß sich der Lichtbogen auf den
Randbereich der Scheiben konzentriert und dadurch das Ausschaltvermögen herabgesetzt
wird. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die zur Kontakthaltung auf die beiden Scheiben
aufzubringende Kraft hoch und daher ein Antriebsmechanismus erforderlich ist.
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Aus der Druckschrift US-A-4.171.474, die dem nächstliegenden Stand der Technik
entspricht, ist ebenfalls eine Schaltröhre oben beschriebenen Art bekannt, die zusätzlich
einen mit dem genannten zweiten Boden verbundenen, zweiten feststehenden Kontakt
aufweist, in dem eine den genannten beweglichen Kontakt bildende Stange verschiebbar
gelagert ist.
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Die vorliegende Erfindung behebt die genannten Nachteile und schlägt eine einfach
aufgebaute Vakuumschaltröhre vor, die insbesondere für einen Mittelspannungs-
Lastschalter oder -Leistungsschalter geeignet ist und durch eine homogenere Verteilung des
zwischen den beiden Lichtbogenkontakten abbrennenden Lichtbogens die Erzielung eines
höheren Schaltvermögens bei geringen Herstellungskosten erlaubt.
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Hierzu liegt der Erfindung eine Vakuumschaltröhre gemäß dem Patentanspruch 1 zugrunde.
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Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung umfassen der genannte erste und der
genannte zweite feststehende Kontakt jeweils einen kontaktgebenden Teil in Form einer
Scheibe, wobei die beiden Scheiben annähernd den gleichen Durchmesser aufweisen und
einander gegenüberliegen.
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Nach einem besonderen kennzeichnenden Merkmal besteht der zweite feststehende Kontakt
im wesentlichen aus zwei zylindrischen Abschnitten, und zwar einem oberen und einem
unteren Abschnitt, wobei der einen größeren Durchmesser aufweisende obere Abschnitt den
genannten kontaktgebenden Teil bildet.
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Nach einem anderen kennzeichnenden Merkmal ist im genannten oberen Abschnitt eine
Öffnung ausgebildet, die dazu dient, die genannte Stange bei ihrer Translationsbewegung zu
führen, während der genannte untere Abschnitt eine Ausnehmung zur Aufnahme eines um
die Stange geführten Dichtungsbalgs aufweist.
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Nach einem besonderen kennzeichnenden Merkmal weist die Schaltröhre eine annähernd
zylindrische Keramikumhüllung auf, die durch zwei, elektrisch mit den beiden
Schalterkontakten verbundene Metallböden verschlossen ist.
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Gemäß einer Ausführungsvariante umfaßt die Vakuumschaltröhre eine aus Keramik oder
einem ähnlichen Werkstoff bestehende Platte, auf der der zweite feststehende Kontakt sowie
ein durch eine Abdeckung verschlossener Napf befestigt sind, wobei der genannte erste
feststehende Kontakt auf der Abdeckung befestigt ist, der Napf und die Abdeckung aus
einem Leitermaterial bestehen und die beiden feststehenden Kontakte jeweils mit dem
zugeordneten Kontakt des Schalters elektrisch verbunden sind.
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Der erste und der zweite feststehende Kontakt sowie die genannte Stange bestehen
vorteilhaft aus einem Hochtemperaturwerkstoff.
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Des weiteren liegt der Erfindung ein elektrischer Schalter mit einem gasdichten, mit
Schwefelhexafluorid gefüllten Gehäuse zugrunde, in dem eine Vakuumschaltröhre mit den
beschriebenen, einzelnen oder kombinierten kennzeichnenden Merkmalen, zwei parallel zu
den genannten Lichtbogenkontakten geschaltete Hauptkontakte sowie ein
Antriebsmechanismus angeordnet sind, der dazu dient, die Lichtbogenkontakte nach den
Hauptkontakten zu öffnen und vor den Hauptkontakten zu schließen.
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Zum besseren Verständnis ist die Erfindung in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher
erläutert. Dabei zeigen
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Fig. 1 eine schematische axiale Schnittansicht eines Leistungsschalters mit einer
Vakuumschaltröhre gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung;
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Fig. 2 eine schematische axiale Schnittansicht einer Ausführungsvariante der
Vakuumschaltröhre.
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Fig. 1 zeigt eine, in einen Leistungsschalter eingesetzte Vakuumschaltröhre 38 gemäß
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Die Darstellung entspricht der Ansicht aus der
genannten französischen Patentschrift und zeigt den Mittelspannungs-Leistungsschalter mit
gasdichtem Gehäuse 10, dessen aus Metall oder Isolierstoff bestehende Wand 12 die
Gehäusewand einer gasisolierten Schaltanlage oder Netzstation oder auch die Wand eines
Pols bzw. der drei Pole des Leistungsschalters sein kann. Der in Fig. 1 dargestellte Pol weist
zwei gasdichte Durchführungen 14, 16 eines Eingangsleiters 18 bzw. eines Ausgangsleiters 20
auf, deren außerhalb des Gehäuses 10 liegende Enden als Anschlußklemmen 22 und deren
innerhalb des Gehäuses liegende Enden als Träger 24 eines feststehenden Hauptkontakts 26
bzw. als Träger 28 eines beweglichen Hauptkontakts 30 ausgebildet sind, wobei der
bewegliche Kontakt als schwenkbar auf einer ortsfesten Welle 32 gelagerter Messerkontakt
ausgeführt ist. In der Einschaltstellung fluchtet der bewegliche Hauptkontakt 30 mit dem
feststehenden Hauptkontakt 26 und steht mit diesem in Kontakt, um den aus dem
Eingangsleiter 18, dem Träger 24, dem feststehenden Hauptkontakt 26, dem beweglichen
Hauptkontakt 30, dem Träger 28 und dem Ausgangsleiter 20 bestehenden Hauptstromkreis zu
schließen. Die Träger 24, 28 sind durch Stützarme 34, 36 verlängert, die quer in das
Schaltergehäuse hineinragen und mit ihren freien Enden die Vakuumschaltröhre 38 umfassen.
Die zylindrische Umhüllung 40 der Vakuumschaltröhre 38 ist an beiden Enden durch zwei
Metallböden 42, 44 gasdicht verschlossen, die mechanisch und elektrisch mit dem freien Ende
des jeweils zugeordneten Stützarms 34, 36 verbunden sind. Die Längsachse der Schaltröhre
verläuft annähernd parallel zu den in der Einschaltstellung miteinander fluchtenden
Hauptkontakten 26, 30, und die Schaltröhre 38 enthält drei koaxial zueinander angeordnete
Kontakte 46, 47, 48.
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Der erste 46 dieser Kontakte ist als Festkontakt ausgebildet und besteht aus einem
kontaktgebenden Teil in Form einer Scheibe 51, die von einer am oberen Boden 42 der
Umhüllung 40 befestigten Stange 51a getragen wird. Im Innern der Umhüllung 40 ist
außerdem ein zweiter feststehender Kontakt 47 angeordnet, der aus zwei zylindrischen
Abschnitten mit unterschiedlichen Durchmessern, und zwar einem oberen Abschnitt 45 und
einem unteren Abschnitt 43 besteht. Der obere Abschnitt 45 bildet einen weiteren
kontaktgebenden Teil in Form einer Scheibe 53, die den gleichen Durchmesser aufweist wie
die Scheibe 51 des ersten feststehenden Kontakts, und der untere Abschnitt 43 ist mit der
Unterseite am unteren Boden 44 der genannten Umhüllung 40 befestigt. Der obere Abschnitt
45 weist eine zylindrische Öffnung 50 auf, in der eine den dritten Kontakt bildende Stange 48
verschiebbar angeordnet ist. Im unteren Abschnitt 43 des zweiten feststehenden Kontakts 47
ist eine Ausnehmung 41 ausgebildet, die zur Aufnahme eines um die Stange 48 geführten
Dichtungsbalgs 49 dient. Es ist leicht erkennbar, daß die Stützarme 34, 36, die Böden 42, 44
und die Lichtbogenkontakte 46, 48 einen Lichtbogen-Hilfsstromkreis bilden, der parallel zu
den Hauptkontakten 26, 30 geschaltet ist.
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Durch die Wand 12 ist eine Antriebswelle 52 hindurchgeführt, an deren innenliegendem Ende
ein Schwenkhebel 54 montiert ist, der einerseits über einen Gelenkarm 56 mit dem Messer des
Hauptkontakts 30 und andererseits über ein Kuppelglied 58 mit einem darin ausgebildeten
Langloch 60 mit der Stange 48 verbunden ist. In dem im Kuppelglied 58 ausgebildeten
Langloch 60 ist ein am Schwenkhebel 54 befestigter Zapfen 62 gleitend gelagert, derart daß
eine Freilaufverbindung gebildet wird, die in Streckrichtung durch eine Feder 64 beaufschlagt
wird. Der Mechanismus ist so ausgeführt, daß sich während einer durch die Drehung der
Welle 52 im Uhrzeigersinn gesteuerten Ausschalthandlung des Leistungsschalters der
Hauptkontakt 30 zuerst öffnet und die Lichtbogenkontakte 46, 48 aufgrund des Freilaufs von
60, 62 zunächst geschlossen bleiben. Anschließend wird der über die Hauptkontakte 26, 30
fließende Strom auf den Lichtbogenkreis umgeschaltet, ohne daß es zur Zündung eines
Lichtbogens zwischen den Hauptkontakten 26, 30 kommt. Eine fortgesetzte Drehung der
Welle 52 bewirkt das Öffnen der Lichtbogenkontakte 46, 48 und die endgültige Abschaltung
des Leistungsschalters. Im Verlauf der durch die Drehung der Welle 52 in entgegengesetzter
Richtung gesteuerten Einschalthandlung werden zunächst die Lichtbogenkontakte 46, 48 und
danach die Hauptkontakte 26, 30 geschlossen.
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Die zylindrische Umhüllung 40 der Vakuumschaltröhre 38 besteht aus einem Keramik- oder
Glaskörper mit glatter äußerer Oberfläche, deren axiale Länge die kritische Kriechstrecke der
Vakuumschaltröhre 38 bestimmt. Diese spannungsabhängige axiale Länge wird so bemessen,
daß sie eine ausreichende Durchschlagfestigkeit gewährleistet, und ihr Wert ist wesentlich
kleiner als bei einer von Luft umgebenen Schaltröhre. Im Mittelspannungsbereich beträgt
diese Länge weniger als oder etwa 15 cm, und die geringe Größe der Vakuumschaltröhre 38
erleichtert ihren Einbau.
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Der dem feststehenden Kontakt 46 zugewandte Boden 42 der Schaltröhre 38 trägt auf der im
Inneren der Schaltröhre 38 liegenden Seite eine koaxial zur Umhüllung 40 angeordnete und in
Reihe zu den Lichtbogenkontakten 46, 48 geschaltete Spule (nicht dargestellt), welche Spule
ein axiales Magnetfeld zwischen den Lichtbogenkontakten 46, 48 erzeugt, das dazu dient, den
Lichtbogen diffus zu halten und so das Ausschaltvermögen zu verbessern.
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Werden im Schalterbetrieb durch Drehung der Antriebswelle 52 im Uhrzeigersinn die
Hauptkontakte 26, 30 geöffnet, so werden der feststehende Kontakt 46 und der bewegliche
Kontakt 48 zunächst geschlossen und anschließend wieder geöffnet, damit ein Lichtbogen
zwischen den beiden Festkontakten 46, 47 überspringt und die Abschaltung des Stromkreises
erfolgen kann. Bei der beschriebenen Ausführung ist die Kontaktstelle zwischen dem
feststehenden Kontakt 46 und dem beweglichen Kontakt 48 annähernd punktförmig, und der
durch das Magnetfeld diffus gehaltene Lichtbogen wird gleichförmig zwischen den beiden
feststehenden Kontakten 46, 47 verteilt, wodurch sich das Ausschaltvermögen des
Leistungsschalters erhöht.
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Fig. 2 zeigt eine andere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Umhüllung der
Vakuumschaltröhre aus einer Flachkeramik 70 besteht, auf die ein Metallnapf aufgelötet 71
ist, der seinerseits durch eine ebenfalls metallische Abdeckung 72 verschlossen ist. In der
Keramikscheibe 70 ist eine Öffnung 70a ausgebildet, an deren Rand der untere Abschnitt 43
des zweiten feststehenden Kontakts 47 angeschweißt ist, welcher die gleiche Form aufweist
wie der oben beschriebene Kontakt. Der erste feststehende Kontakt 46 weist einen
scheibenförmigen kontaktgebenden Teil 51 sowie einen, auf den Rand einer in der genannten
Abdeckung 72 ausgebildeten Öffnung aufgeschweißten, gestuften Teil 51b auf, wobei eine
Spule 73 um die Abdeckung geführt ist. Des weiteren zeigt die Figur die Verwendung eines
Schirms 74, der dazu dient, die Keramikscheibe 70 gegen bei der Lichtbogenbildung
entstehende Plasmaspritzer zu schützen.
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In der Praxis ist bei Verwendung dieser Schaltröhre in einem Leistungsschalter gemäß obiger
Beschreibung einer der Hauptkontakte 26 des Leistungsschalters über den Stützarm 34 mit der
Spule 73 und der andere Hauptkontakt 30 über den Stützarm 36 mit dem, einen Boden 44 der
Schaltröhre bildenden, zweiten feststehenden Kontakt 47 elektrisch verbunden, wobei die
Stange 48 wie oben mit dem Kuppelglied 58 befestigt ist.
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Diese Schaltröhre weist die gleiche Funktionsweise auf wie die Röhre gemäß der ersten
Ausgestaltung und wird daher nicht weiter beschrieben.
So konnte durch die Erfindung eine einfach aufgebaute Vakuumschaltröhre sowie ein
Lastschalter bzw. Leistungsschalter mit einem durch die gleichförmigere Verteilung des
Lichtbogens zwischen den feststehenden Kontakten verbesserten Ausschaltvermögen
geschaffen werden. Die Schaltröhre zeichnet sich darüber hinaus durch geringe
Herstellungskosten aus, da sie aufgrund der Ausführung des beweglichen Kontakts als
einfache Stange mit einem kleineren Antriebsmechanismus auskommt.