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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Vakuumschalter, der dazu dient,
die Abschaltung in einem elektrischen Stromkreis, insbesondere im
Niederspannungs- oder Mittelspannungsbereich zu gewährleisten.
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Es
sind Leistungsschalter, z. B. gemäß der Beschreibung der Patentanmeldung
FR-2.682.808 der Anmelderin bekannt, die eine Vakuumröhre mit zwei
darin angeordneten Lichtbogenkontakten umfassen, wobei der eine,
feststehend ausgeführte Lichtbogenkontakt
mit einem der Böden
verbunden ist, während
der andere, beweglich ausgeführte
Kontakt im Inneren der Röhre
zwischen einer Einschaltstellung und einer Trennstellung der Kontakte,
in der ein Lichtbogen gezogen wird, axial verschoben werden kann.
Ein solcher Leistungsschalter umfaßt darüber hinaus eine außerhalb
der Röhre,
in Höhe
der Trennstrecke der Lichtbogenkontakte koaxial angeordnete Spule,
welche Spule dazu dient, eine axiales Magnetfeld in der Lichtbogenzone
zu erzeugen. Einer der Nachteile dieser Art von Leistungsschalter liegt
darin, daß die
Spule vom gesamten Hauptstrom durchflossen wird, da sie in Reihe
zu den Lichtbogenkontakten liegt. Es muß daher eine Spule mit großem Leiterquerschnitt
und großen
Abmessungen verwendet werden, in der entsprechende Verlustleistungen entstehen.
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Eine
der Lösungen
für dieses
Problem besteht gemäß der Beschreibung
in der Patentanmeldung 9413408 der Anmelderin darin, ein Nebenschlußmittel
zwischen die beiden Enden der Spule zu schalten, welches Mittel
dazu dient, einen Teil des während
der Abschaltung über
die Spule fließenden Hauptstromes
abzuleiten, um ein schwächeres
axiales Magnetfeld und somit geringere Verluste zu erzeugen. Trotzdem
sind die Wärmeverluste
bei einer solchen Ausgestaltung nach wie vor hoch.
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Weiterhin
ist aus der Druckschrift
DE 39
14 967 eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und
2 bekannt, bei der das Mittel zur Erzeugung des axialen Magnetfelds
mindestens zwei Windungen umfaßt,
die jeweils vollständig
um das Gehäuse
des Schalters geführt
sind, so daß sich
große
Abmessungen und damit hohe Verlustleistungen ergeben.
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Die
vorliegende Erfindung löst
die beschriebenen Probleme durch einen besonders einfach aufgebauten
Vakuum-Lastschalter oder -Leistungsschalter, der zusätzlich eine
Verringerung der Verlustleistung erlaubt.
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Zu
diesem Zweck liegt der Erfindung ein elektrischer Schalter zugrunde,
der dazu dient, die Abschaltung in einem Stromkreis zu gewährleisten, und
der gattungsgemäß eine längliche
Vakuumröhre mit
einem durch zwei Böden
verschlossenen zylindrischen Gehäuse
umfaßt,
in dem zwei Lichtbogenkontakte angeordnet sind, die dazu dienen,
mit je einem Stromzuführungsanschluß elektrisch
verbunden zu werden, und von denen einer als feststehender Kontakt
ausgeführt
sowie an einem der Böden
befestigt ist, während
der andere als beweglicher Kontakt ausgeführt und in der Röhre axial
verschiebbar gelagert ist, sowie mindestens ein Mittel zur Erzeugung
eines axialen Magnetfelds in der Lichtbogenzone umfaßt, welcher
Schalter dadurch gekennzeichnet ist, daß das genannte Mittel mindestens
zwei parallel angeordnete, um die Kontakte geführte Windungssegmente umfaßt, wobei
jedes Windungssegment eine Teilwindung bildet, die kürzer ist
als eine vollständige Windungsschleife
und je ein, mit einem der Lichtbogenkontakte elektrisch verbundenes
erstes Ende sowie ein mit dem Stromzuführungsanschluß des genannten
Kontakts elektrisch verbundenes zweites Ende aufweist und die genannten
Windungssegmente außerhalb
der Röhre,
in Höhe
der Trennstrecke der Lichtbogenkontakte angeordnet sind.
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Außerdem liegt
der Erfindung ein elektrischer Schalter zugrunde, der dazu dient,
die Abschaltung in einem Stromkreis zu gewährleisten, und der gattungsgemäß eine längliche
Vakuumröhre
mit einem durch zwei Böden
verschlossenen zylindrischen Gehäuse
umfaßt,
in dem zwei Lichtbogenkontakte angeordnet sind, die dazu dienen,
mit je einem Stromzuführungsanschluß elektrisch
verbunden zu werden, und von denen einer als feststehender Kontakt
ausgeführt
sowie an einem der Böden
befestigt ist, während
der andere als beweglicher Kontakt ausgeführt und in der Röhre axial
verschiebbar gelagert ist, sowie mindestens ein Mittel zur Erzeugung
eines axialen Magnetfelds in der Lichtbogenzone umfaßt, welcher
Schalter dadurch gekennzeichnet ist, daß das genannte Mittel mindestens
zwei parallel angeordnete, um die Kontakte geführte Windungssegmente umfaßt, wobei
jedes Windungssegment eine Teilwindung bildet, die kürzer als
eine vollständige Windungsschleife
ist, und je ein, mit einem der Lichtbogenkontakte elektrisch verbundenes
erstes Ende sowie ein mit dem Stromzuführungsanschluß des genannten
Kontakts elektrisch verbundenes zweites Ende aufweist, und daß das genannte
erste Ende und das genannte zweite Ende jedes Windungssegments über ein
Nebenschlußmittel
miteinander verbunden sind, das dazu dient, während der Abschaltung einen
Teil des Hauptstroms über
die Windungssegmente abzuleiten.
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Nach
einem anderen kennzeichnenden Merkmal der Erfindung bildet die Anordnung
aller miteinander verbundenen Windungssegmente eine vollständige Windungsschleife.
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Nach
einem besonderen kennzeichnenden Merkmal beträgt die Anzahl der Windungssegmente zwei.
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Nach
einer besonderen Ausgestaltung sind die Windungssegmente sowie das
Nebenschlußmittel
M außerhalb
der Röhre
koaxial angeordnet.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung sind die Windungssegmente sowie das
Nebenschlußmittel
innerhalb der Röhre
koaxial angeordnet.
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Nach
einem anderen kennzeichnenden Merkmal sind die Windungssegmente
und das Nebenschlußmittel
zwischen dem feststehenden Lichtbogenkontakt und dem zugehörigen Stromzuführungsanschluß angeordnet.
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Nach
einer besonderen Ausgestaltung sind die Windungssegmente sowie das
Nebenschlußmittel
Teil eines der beiden oder beider Lichtbogenkontakte.
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Bei
der Anordnung mit zwei Windungssegmenten ist das zweite Ende eines
der Windungssegmente vorzugsweise über dem ersten Ende des jeweils
anderen Windungssegment angeordnet.
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Nach
einer anderen besonderen Ausgestaltung umfaßt der Schalter eine erste
Glocke mit mehreren Windungssegmenten, die über eines ihrer Enden mit dem
genannten Anschluß (bzw.
dem Lichtbogenkontakt) und über
ihre gegenüberliegenden
Enden mit einer zweiten leitenden Glocke elektrisch verbunden sind,
welche koaxial zur Röhre
angeordnet und mit dem Lichtbogenkontakt (bzw. dem genannten Stromzuführungsanschluß) elektrisch
verbunden ist.
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Die
zweite Glocke umfaßt
vorteilhaft ebenfalls Windungssegmente in der gleichen Anzahl wie die
erste Glocke, welche Windungssegmente über eines ihrer Enden mit den
Windungssegmenten der ersten Glocke bzw. über ihre gegenüberliegenden Enden
mit dem genannten Lichtbogenkontakt elektrisch verbunden sind, wobei
die der ersten und der zweiten Glocke zugeordneten Windungssegmente so
zueinander angeordnet sind, daß sie
die Axialanteile der über
die Windungssegmente fließenden Ströme aufheben.
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Nach
einem anderen kennzeichnenden Merkmal umfaßt das genannte Nebenschlußmittel ein
ohmsches Widerstandselement und/oder ein induktives Widerstandselement,
das jeweils parallel zu den Windungssegmenten geschaltet ist.
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Zum
besseren Verständnis
ist ein Ausführungsbeispiel
der 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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1 eine perspektivische Ansicht
einer Vakuumröhre
gemäß einer
besonderen Ausgestaltung der Erfindung;
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2 eine perspektivische Ansicht
mit Darstellung eines der in der Ausgestaltung der Röhre gemäß 1 verwendeten Windungssegments;
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3 eine perspektivische Ansicht
mit Darstellung der zwei in der gleichen Ausgestaltung verwendeten
und das Mittel zur Erzeugung des Axialmagnetfelds bildenden Windungssegmente;
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4 eine perspektivische Ansicht
mit Darstellung eines der Kontakte einer Röhre gemäß einer anderen Ausgestaltung
der Erfindung;
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5 und 6 Teilansichten von zwei anderen im Schnitt
darstellten Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Vakuumschalters;
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7 und 8 eine Vakuumröhre mit drei parallel angeordneten
Windungssegmenten bzw. eine Drittelwindung.
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1 zeigt einen Vakuumschalter
I mit einer Vakuumschaltröhre
C, die im wesentlichen aus einem zylindrischen, durch zwei einander
gegenüberliegende
Böden verschlossenen
Gehäuse 1 besteht, in
dem zwei Lichtbogenkontakte, und zwar ein feststehender Kontakt 4 und
ein beweglicher Kontakt 5 (in 1 nicht, jedoch in 5 sichtbar) angeordnet sind. Der feststehende
Lichtbogenkontakt 4 ist fest mit dem an der Oberseite des
Gehäuses 1 angeordneten
Boden verbunden, während
der bewegliche Lichtbogenkontakt 5 den anderen der beiden
Böden verschiebbar
durchragt.
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Dieser
Schalter 1 umfaßt
darüber
hinaus ein Mittel zur Erzeugung eines axialen Magnetfelds zwischen
den Kontakten 4, 5, um eine Diffusion des Lichtbogens
zu bewirken. Gemäß der in
der Figur gezeigten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt dieses Mittel
zwei symmetrische Halbwindungen 2, 20, von denen
die Halbwindung 2 in 2 dargestellt
ist. Diese zwei Halbwindungen 2, 20 sind außerhalb
der Röhre
C, in Höhe
der Trennstrecke zwischen den Lichtbogenkontakten 4, 5 montiert,
derart daß sie
zusammen eine vollständige
Windungsschleife bilden. Jedes Windungssegment 2, 20 besteht
aus einer Halbwindung mit zwei Enden 2a, 20a bzw. 2b, 20b umfaßt, die
parallel zu den Böden
der Röhre
C verlaufen.
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Diese
Enden umfassen ein erstes Ende 2a, 20a, das dazu
dient, mit dem feststehenden Kontakt 4 elektrisch verbunden
zu werden, sowie ein zweites Ende 2b, 20b, das
dazu dient, mit dem Stromzuführungsanschluß 19 (in
der Figur nicht dargestellt) des feststehenden Lichtbogenkontakts 4 elektrisch
verbunden zu werden. Wie dies insbesondere aus 3 hervorgeht, sind die zwei, den beiden
Windungssegmenten zugeordneten ersten Enden 2a, 20a,
komplementär
geformt und aneinandergeführt,
was analog genauso für
die beiden Enden 2b, 20b gilt. Vorteilhaft ist
zwischen den ersten Enden 2a, 20a und den zweiten
Enden 2b, 20b eine Isolierstoffschicht 22 mit
einer Dicke von etwa 1 mm angeordnet, welche Schicht 22 bis
in den unteren Bereich der Windungssegmente 2, 20 verläuft. Die
ersten Enden 2a, 20a der Windungssegmente sind
elektrisch mit den zweiten Enden 2b, 20b über ein,
parallel zu den Windungssegmenten liegendes Nebenschlußmittel
M verbunden, das in dieser besonderen Ausgestaltung als Zapfen 23 aus
Edelstahl ausgebildet ist. Dieses Mittel dient dazu, einen ausreichend
hohen Teilstrom über
die Windungssegmente 2, 20 zu leiten.
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Während durch
die Windungssegmente Teilströme
(1/2, 1/3, 1/4 usw.) erzielt werden können, die ein Magnetfeld erzeugen,
läßt sich
mit Hilfe des Nebenschlußmittels
der Strom auf genaue Werte einstellen, so daß genau die benötigte Stärke des
Magnetfelds erzeugt werden kann und sich die Verlustleistungen so
auf ein Minimum reduzieren lassen.
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Bei
der Ausführung
gemäß 7 ist die Röhre mit
drei Drittelwindungen ausgerüstet,
die auch hier symmetrisch ausgebildet sind. Auf diese Weise läßt sich
ein einheitliches Teil (siehe 8) verwenden
und nach Montage mehrerer Segmente eine komplette Windung bilden.
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Des
weiteren sei auf den Effekt der Selbstverriegelung der einzelnen
Segmente nach Montage des Zapfens 23 hingewiesen, welcher
Effekt aufgrund der besonderen Formgebung der Enden der Windungssegmente
erzielt wird.
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Aus 4 geht hervor, daß gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung die beiden genannten Halbwindungen 2, 20 im
Innern eines 4 der Lichtbogenkontaktstücke ausgebildet sind. Es sei darauf
hingewiesen, daß bei
dieser Ausgestaltung beide Lichtbogenkontakte 4, 5 vorteilhaft
mit solchen Windungssegmenten ausgerüstet werden können.
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Die
Vakuumröhre
C wird erfindungsgemäß von mehreren
Windungssegmenten umgeben. Daraus folgt, daß Ströme erzeugt werden können, deren Axialanteil
unerwünschte
Magnetfelder in Radialrichtung erzeugen kann, welche Felder den
Lichtbogen aus dem zwischen den Lichtbogenkontakten ausgebildeten
Raum herausdrücken.
Um diese Axialanteile zu kompensieren, sind bei den zwei zuvor beschriebenen
Ausgestaltungen die beiden Enden 2a, 2b bzw. 20a, 20b jedes
Windungssegments 2, 20 axial gegeneinander versetzt
ausgebildet und die beiden zweiten Enden 2b, 20b über den
beiden ersten Enden 2a, 20a angeordnet.
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Nach
einer anderen, mit bezug auf 5 beschriebenen
Ausgestaltung umfaßt
der Schalter I eine erste Glocke 14 mit einer bestimmten
Anzahl von Windungssegmenten 18, die beispielsweise sieben
betragen kann.
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Diese
Windungssegmente umfassen ein mit einem Stromzuführungsanschluß 19 des
feststehenden Kontakts 4 elektrisch verbundenes Ende sowie ein
Ende, das mit einer zweiten leitenden Glocke 15 elektrisch
verbunden ist, welche im Innern der ersten Glocke 14 angeordnet
und elektrisch mit dem feststehenden Lichtbogenkontakt 4 verbunden
ist, wobei die genannte zweite Glocke 15 die Kompensation
der genannten Axialstromanteile gewährleistet. Es sei darauf hingewiesen,
daß diese
zweite Glocke 15 gemäß der Darstellung
in 5 vorteilhaft als
Teil des Gehäuses 1 der
Röhre ausgebildet
und durch Löten an
der ersten Glocke befestigt sein kann. Des weiteren sei darauf hingewiesen,
daß die
zweite Glocke 15 auch außerhalb der ersten Glocke angeordnet
sein kann. Bei einer solchen Ausgestaltung ist das Nebenschlußmittel
M als ohmsches Widerstandselement 6 in Form einer zwischen
den beiden genannten Glocken 14, 15 angeordneten
Scheibe ausgebildet.
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Nach
einer anderen, in 6 gezeigten
Ausgestaltung umfaßt
der Schalter I wie bei der vorherigen Ausgestaltung zwei koaxial
angeordnete Glocken 14, 16, die an ihrer Unterseite
elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die äußere Glocke 14 Windungssegmente 18 umfaßt, die
mit dem Stromzuführungsanschluß 19 des
feststehenden Lichtbogenkontakts 4 elektrisch verbunden
sind. Allerdings wird bei dieser Ausgestaltung die Kompensation
der Axialstromanteile dadurch erreicht, daß die innere Glocke 16 ebenfalls
Windungssegmente 17 umfaßt, welche Segmente 17 in
der Verlängerung
der Windungssegmente 18 der äußeren Glocke 14 angeordnet
und elektrisch mit dem feststehenden Lichtbogenkontakt 4 verbunden
sind. In diesem Fall sind die den beiden Glocken zugeordneten Windungssegmente
so zueinander positioniert, daß der
Strom so verändert
wird, daß die
in Axialrichtung wirkenden Ströme
sich aufheben. Auf diese Weise läßt sich
das Verhältnis
zwischen Radialfeld und Axialfeld verringern, so daß die Wirkung
der genannten Axialstromanteile abgeschwächt wird.
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Die
Funktionsweise eines Schalters nach der einen oder der anderen der
genannten Ausgestaltungen wird nachstehend mit Bezug auf die Figuren
kurz beschrieben.
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Bei
der in 1 bis 4 gezeigten Ausgestaltung
erfolgt während
der Abschaltung eine Verzweigung des Stroms über die Windungssegmente 2, 20. Daraus
resultiert die Erzeugung eines axialen Magnetfelds in der Trennzone
der Lichtbogenkontakte 4, 5. Bei Verwendung von
zwei Windungssegmenten ergibt sich bei gegebenem Querschnitt und
Ausbildung jedes Windungssegments als halber Windungsschleife eine
Verlustleistung in Höhe
von 25% der Verlustleistung einer Anordnung, bei der der Gesamtstrom
eine vollständige
Windung durchfließen würde.
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Allgemein
ist es bei einem Ausschaltvermögen
von 25 kAeff vorteilhaft, ein axiales Magnetfeld zu erzeugen, das
einem Strom von 10 kA in einer Windung entspricht. Daraus ergibt
sich, daß nur
40% des verfügbaren
Stroms eine vollständig
um das Gehäuse
geführte
Windung durchfließen
muß.
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Bei
einer einzigen, vom gesamten Strom durchflossenen Windung ergibt
sich bei der Abschaltung ein viel zu starkes axiales Magnetfeld,
so daß bei
einem Dauerstrom von 1250 A eine Verlustleistung von 68 Watt entsteht.
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Bei
Verwendung einer vollständigen
Windung in Verbindung mit einem Nebenschlußmittel kann der über die
Windung fließende
Strom eingestellt werden, so daß sich
genau das gewünschte
axiale Magnetfeld erzeugen läßt. Die
Verlustleistung beim Dauerstrom von 1250 A beträgt dann 34 Watt.
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Bei
Verwendung eines Systems mit zwei parallelen Windungssegmenten und
einem Nebenschlußmittel
kann der Abzweigstrom ebenfalls (bis zu einem Anteil des über die
Windungssegmente fließenden
Strom von 40%) eingestellt werden. Dadurch werden die Verluste während des
Dauerstromflusses verringert und betragen nur noch 17 Watt. Im letzten Fall
kann das Nebenschlußmittel
als einfacher Zapfen ausgebildet sein, der die beiden Windungssegmente
und die Röhre
trägt,
wobei nur 20% des Stroms über
diesen Zapfen fließen
und eine solche Anordnung die Montage zusätzlich erleichtert.
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Nach
den in 5 und 6 gezeigten Ausgestaltungen
fließt
der verzweigte Strom zunächst über die
Windungssegmente 18 der ersten Glocke 14, danach über die
zweite Glocke 15, 16 und anschließend über die
Lichtbogenkontakte 4, 5.
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Es
sei darauf hingewiesen, daß anstelle
des ohmschen Nebenschlußwiderstands
auch ein induktiver Nebenschlußwiderstand
oder eine Kombination aus induktivem und ohmschem Nebenschlußwiderstand
verwendet werden kann.