DK146549B - Elektrisk vakuumafbryder - Google Patents

Description

o i 146549

Opfindelsen angår en elektrisk vakuumafbryder af den i indledning til krav 1 angivne art.

Pra DE-OS 19 65 827 kendes en således koaksi-alt opbygget vakuumafbryder, hvis om en fælles akse 5 liggende kontaktstænger på deres mod hinanden vendende sider bærer tallerkenformede kontaktelementer, som ved aksial forskydning af den ene af de to kontaktstænger kan bevæges sammen til slutning af afbryderen og fra hinanden til åbning af afbryderen. På forsiden er hvert 10 af de to kontaktelementer udformet med en opstående, rundtgående rand, over hvilken kontaktslutningen finder sted. På bagsiden af hvert kontaktelement er anbragt flere spiralformede ferromagnetiske legemer rundt om den pågældende kontaktstang, hvilke legemer 15 ved adskillelse af kontaktelementerne (åbning af vakuumafbryderen) deformerer det af afbryderstrømmen fremkaldte magnetfelt således, at det forløber på tværs af lysbueaksen og afleder lysbuen, som danner sig mellem kontaktelementerne, udad til kontaktele- 20 menternes forstærkede rende.

En vakuumafbryder af noget tilsvarende art er kendt fra beskrivelsen til dansk patentansøgning nr.

434/77. Her frembringes der dog intet radialt men et aksialt magnetfelt i adskillelsesområdet mellem kontakt- ne elementerne, hvilket magnetfelt giver en væsentlig forbedring af afbryderevnen. Det aksiale magnetfelt frembringes ved hjælp af to spiralformede spoler, som er elektrisk serieforbundne med kontaktelementerne. Spolerne ligger på begge sider af kontaktelementernes berøringsplan og 30 er med henblik på frembringelsen af det ønskede aksiale magnetfelt viklet i dette berøringsplan, når de gennemstrømmes af afbryderstrømmen. Denne afbryderstrøm frembringer imidlertid til stadighed varme som følge af spolemodstanden, og på grund af denne varme er den maksimalt 35 tilladelige permanente strøm, som kan strømme gennem

O

2 146549 afbryderen, begrænset.

Det er fomålet med opfindelsen at tilvejebringe midler til udformningen af et aksialt magnetfelt mellem kontaktelementerne i en sådan afbryder, ved 5 hjælp af hvilke, der ikke frembringes noget uønsket varmetab på grund af afbryderstrømmen.

Dette er opnået ved at udforme vakuumafbryderen, som angivet i krav l's kendetegnende del.

Underkravene omhandler hensigtsmæssige udførel-10 sesformer og videre udviklinger af denne vakuumafbryder.

I vakuumafbryderen ifølge opfindelsen er altså hver kontaktstang, som bærer et af kontaktelementerne, på hver sin side af berøringsplanet mellem kontaktele-15 menterne og i nærheden af berøringsplanet delvis omgivet af mindst ét omtrent ringformet legeme af materiale med høj magnetisk.permeabilitet. Hvert af disse legemer har desuden et parti med mindre magnetisk permeabilitet, og de to legemer er orienteret således, at disse dele 20 netop befinder sig på modsat hinanden liggende steder. Arrangementet er specielt indrettet således, at hvert legeme ved gennemstrømning af en strøm gennem afbryderen bliver magnetiseret, og således at de ud fra hvert legeme i retning mod berøringsplanet mellem kon-25 taktelementerne udtrædende flukslinier i hovedsagen forløber over til det overfor liggende legeme. Når en strøm løber gennem kontaktelementerne og frembringer et magnetfelt omkring sig, så strømmer en stor del af dette magnetfelt som magnetfluks gennem de højperme-30 able legemer. På grund af partiet med lav permeabilitet i hvert ved hjælp af et af legemerne om et kontaktelement dannet magnetfelt går så en stor del af flukslinierne over til det på den modsatte side af berøringsplanet mellem kontaktelementerne liggende legeme, 35 når afstanden mellem disse legemer er tilstrækkelig lille. Mellem kontaktelementerne frembringes der derfor 3

O

166549 på denne måde et i hovedsagen aksialt rettet magnetfelt, som har samme virkning, som det i den kendte afbryder ved hjælp af spoler frembragte aksiale magnetfelt.

Legemerne er fortrinsvis U-formede, således 5 at de kan skydes ind på afbryderens kontakt- eller tilslutningsstænger. Afstanden mellem benene i et sådant U-formet legeme, er så hensigtsmæssigt lig med yderdiameteren af kontaktstængerne.

Den del af disse legemer, som har lav perme-10 abilitet, kan dannes af en luftspalte mellem de fri ender af benene i det U-formede legeme. Denne del kan også hensigtsmæssigt være fyldt med et godt ledende, umagnetisk materiale såsom kobber, hvilket yderligere forbedrer evnen til slukning af lysbuen. Dette kan 15 forklares med magnetstrømme, som frembringes af magnetfeltet i kobberstykket, og som atter fremkalder et magnetfelt, som er modsat rettet det oprindelige felt.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken 20 fig. 1 viser en i overensstemmelse med opfindelsen udformet vakuumafbryder i skrå afbildning og med afbryderhuset delvis bortskåret, fig. 2 afbryderens kontaktelementer set fra siden og forsynet med U-formede åg, 25 fig. 3 en afbildning af en kontaktskive set fra kontaktfladen langs linien III-III i fig. 2, fig. 4 en grafisk afbildning af styrken af magnetfeltet mellem kontaktskiverne som funktion af afstanden målt mellem skivernes midtpunkter, og 30 fig. 5 en grafisk afbildning af virkemåden for en vakuumafbryder ifølge opfindelsen.

Den i fig. 1 viste vakuumafbryder består af et luftevakueret hus, der omfatter en cylindrisk del 5 af metal og skivelignende isolatorer 6 og 7 til aflukning 35 af begge husets ender. Inde i det luftudpumpede hus er der anbragt to kontaktelementer, der består af kontakt-

O

4 146549 skiver 1 og 2, som er anbragt på kontaktstænger henholdsvis 3 og 4. Kontaktstangen 3 er stationært fastgjort til isolatoren 7, medens kontaktstangen 4 med kontaktskiven 2 kan føres mod og bort fra kontaktskiven 1, idet kon- 5 taktstangen 4 er forbundet med isolatoren 6 ved hjælp af en fleksibel bælg 8. I fig. 1 er kontaktskiverne 1 og 2 i anlæg mod hinanden i tangentplanet 9.

Ved en forholdsvis ringe afstand fra dette tangentplan 9 og på begge sider af tangentplanet er der 10 anbragt U-formede åg 10 og 11 omkring kontaktstængerne 3 og 4. Ågene består af et materiale, der har god magnetisk permeabilitet. Ved den viste udførelsesform er begge ågene udformet som en bred ring af f.eks. blødjern.

Ågene kan være massive eller eventuelt laminerede, hvil- 15 ken sidstnævnte mulighed foretrækkes ved anvendelser i forbindelse med vekselstrøm. Hver af ågringene har en indvendig diameter, der er en smule større end størrelsen af de nævnte kontaktstænger 3 og 4. Ved den på tegningen viste udførelsesform er den udvendige diameter 20 valgt til at være lig med kontaktskiverne 1 og 2's ydre diameter. Desuden er der ved hvert af ågene 10 og 11 tilvejebragt en luftspalte henholdsvis 12 og 13 mellem benene. Luftspalten har en konstant bredde målt fra den ene side til den anden og lig med ringens indvendige diameter.

25 Hvert af ågene er således skudt ned over den tilhørende kontaktstang, indtil åget ligger an mod kontaktstangen.

Som det fremgår af fig. 2 er ågene anbragt i i hovedsagen parallelle planer og så tæt som muligt ved tangentplanet 9 og i anlæg mod kontaktskiverne 1 og 2.

30 I retning af ågets frie ender er benene hørende til det første åg anbragt over for benene hørende til det hermed samvirkende, andet åg. En aksial projektion af det første åg mod det andet åg vil medføre, at det første ågs faste del vil i det mindste delvis overlappe åbningen mellem 35 enderne af det andet ågs ben.

O

5 146549 I fig. 1-3 er de magnetiske fluksliniers forløb antydet i den situation, hvor der ledes en elektrisk strøm gennem afbryderen. Det ved virkning af denne strøm frembragte magnetfelt er i hovedsagen koncentreret i ågene 5 10 og 11 som følge af ågenes forholdsvis gode magnetiske permeabilitet. I forening med de mellem benenes åbne ender anbragte luftspalter 12 og 13 danner ågene 10 og 11 på begge sider af tangentplanet et magnetiske kredsløb, der forløber rundt langs en del af kontaktstangen. Luftspalterne 10 12 og 13 har - i det mindste så længe kontaktelementerne ligger an mod hinanden - en bredde, der er større end afstanden mellem ågene på begge sider af tangentplanet 9 set i kontaktstængernes aksialretning. Magnetflukslinierne vil således søge at forløbe frem til åget på den modsatte side 15 af tangentplanet i stedet for til det modsatte ben i det samme åg. I fig. 1 er dette tilfælde tydeligt vist. Overførslen af flukslinier indtræder ikke alene ved luftspalten, men hovedparten af flukslinierne vil forløbe mellem de to åg henholdsvis 10 og 11's parallelle ben, som er 20 anbragt over for hinanden og vendende mod hinanden, på grund af den indledningsvis forholdsvis korte afstand mellem ågene. Dette flukslinieforløb er antydet i fig. 3. Prikkerne og krydsene repræsenterer flukslinier, der forløber vinkelret på tegneplanet. Det indses, at en overførsel af 25 kun en mindre del af flukslinierne indtræder i området ved luftspalten, således som det er antydet ved den brudte akse.

I den højre del af fig. 2 forsvinder flukslinierne ind i tegneplanet, hvorimod flukslinierne kommer frem fra tegneplanet i den venstre del af fig. 3. Flukslinier-30 nes retninger er ligeledes antydet i fig. 2, der illustrere den situation, hvori kontaktskiverne efter åbning af kontaktelementerne allerede er anbragt i en hvis indbyrdes afstand.

Fig. 4 viser en grafisk afbildning af intensi-35 teten i magnetfeltet frembragt af ågene i en sideafstand fra tangentplanet ved elektrisk strømning i retning af de

O

6 146549 i fig. 3 viste pile I, II og III. I fig. 4 er afstanden fra kontaktskivernes midtpunkter afsat i millimeter abscissen, medens styrken af det inducerede magnetfelt udtrykt i Tesla-enheder er afsat langs ordinaten. Det fremgår af 5 fig. 4, at intensiteten af magnetfeltet er størst i nærheden af pilen 1. Dette resultat er forudsigeligt, idet påvirkningen fra de dele, der har en lav permeabilitet, vil være af mest betydning i dette område.

Den ved disse forsøg anvendte vekselstrøm havde 10 en styrke på 1800 ampere. De ved kurverne anbragte romertal uden accent vedrører en måling på en kontaktskive, der har en tykkelse på 3 mm, medens romertallene med accent vedrører en måling på en kontaktskive med en tykkelse på 1 mm. Skivernes tykkelse har således en betyde-15 lig indvirkning på magnetfeltets styrke. Maksimumets placering påvirkes ligeledes af tykkelsen.

De målinger, der har være foretaget for opnåelse af kurverne i fig. 4, er blevet udført ved åg, der har en ydre cirkulær form. Opfindelsen er imidlertid selvsagt 20 ikke begrænset til den art åg. Der kan som tidligere nævnt anvendes U-formede åg, hvilket vil påvirke kurvernes forløb .

Af fig. 4 fremgår det yderligere, at et svagt magnetfelt ikke alene findes i området ved pilen III, dvs.

25 i området ved tangentplanet mellem kontaktskiverne, der forløber parallelt med rummet mellem ågenes ben. I hovedparten af tangentplanet og rummet mellem kontaktskiverne, forekommer der flukslinier og som følge heraf et mere eller mindre kraftigt magnetfelt ved forskydning af kontakt-30 skiverne i forhold til hinanden. På samme måde som ved afbryderen ifølge den førnævnte danske patentansøgning nr. 434/77, giver dette anledning til en betydlig forbedring af brydeegenskaberne ved en afbryder ifølge opfindelsen.

35 . Efter en yderligere forskydning af kontaktskiverne 1 og 2 og dermed ågene 10 og 11 i forhold til hinanden.

O

7 146549 vil styrken af det aksiale magnetfelt mellem ågene og som følge heraf mellem kontaktskiverne blive mindre som følge af den større afstand, medens styrken af feltet mellem de to ben i hver af ågene vil øges. Kontaktskiverne og 5 ågene kan imidlertid på enkel måde være konstrueret og monteret på en sådan måde, at der tilvejebringes et tilstrækkeligt kraftigt aksialt felt under den operative del af kredsløbsnedbrydningsproceduren. Dette er f.eks. tilfældet ved en afbryder som afbildet i fig. 2, der er vist 10 i en til en afbildning. Kontaktstængerne har en diameter på 25 mm, kontaktskiverne en diameter på 60 mm og en tykkelse på 2 mm. Selv om der efter åbningen er tale om en afstand mellem ågene på omkring 16 mm, opnås der et tilstrækkeligt stærkt aksialt magnetfelt mellem ågene 15 10 og 11.

Ved afprøvninger af afbrydere ifølge opfindelsen har det vist sig, at afbryderens buespænding øges betydeligt.

I fig. 5 er der vist en grafisk afbildning, hvor 20 den maksimale buespænding udtrykt i volt er afbilledet som funktion af den afbrudte strøm udtrykt i kiloampere.

Kurven A hidrører fra en afbryder, der ikke har et langsgående magnetfelt, medens kurven B hidrører fra en afbryder ifølge opfindelsen, hvori der er tilvejebragt et 25 langsgående magnetfelt ved hjælp af U-formede åg. Af denne grafiske afbildning fremgår det, at en afbryder ifølge opfindelsen kan anvendes til at afbryde strømme op til omkring 30 kiloampere, medens en konventionel afbryder kun kan afbryde strømme på op til 15 kiloampere på pålidelig 30 måde.

Luftspalterne 12 og 13 kan ligeledes være opfyldt med en blok af et elektrisk godt ledende materiale, f.eks. kobber.

Det har vist sig, at der ved en sådan foranstalt-35 ning opnås en endnu større magnetisk modstand. Dette kan forklares ved de hvirvelstrømme der af magnetfeltet dan-

O

8 146549 nes i kobberstykket, idet hvirvelstrømmene tillige frembringer et magnetfelt, der forløber i en retning modsat det oprindelige felt.

Denne effekt kan anvendes på to måder, idet enten 5 spaltebredden kan opretholdes, hvorved der selv ved en forøgelse af afstanden mellem ågene vil være tale om en magnetfluks, der vil forløbe fra det ene åg til det andet og derved danne et aksialfelt, eller til opretholdelse af den magnetiske modstand, hvorved spaltebredden kan 10 indsnævres, så at ågets operative del kan gøres bredere, hvorved de områder, der har et svagt magnetfelt, selvsagt reduceres.

I fig. 1 er de til opfyldning af luftspalterne 12 og 13 anvendte indsatsstykker antydet ved stiplede 15 linier.

Claims (6)

146549 O 9 Patentkrav ♦

1. Elektrisk vakuumafbryder med to på kontaktstænger med fælles akse anbragte kontaktelementer, der til slutning og åbning af kontakten er bevægelige 5. forhold til hinanden, og som i sluttestillingen definerer et berøringsplan vinkelret på kontaktstængernes akse, og med et på begge sider af dette berøringsplan ved det pågældende kontaktelement og omkring kon- / taktstangen anbragt ferromagnetisk højpermeabelt lege-10 me, som deformerer det af afbryderstrømmen fremkaldte magnetfelt til påvirkning af den mellem kontaktelementerne optrædende lysbue ved åbning, kendetegnet ved, at hvert kontaktelement (1,2) er forsynet med ét af de i hovedsagen ringformede og med en gennem-15 gående radial spalte (12) udformede ferromagnetiske legemer (10,11), som i området ved spalten har en lavere permeabilitet, og som er anbragt koaksialt ved den pågældende kontaktstangs akse og er således indstillet, at spalteområdet (12) for det ene legeme (10) 20 ligger over for et område med højere permeabilitet på det andet legeme (11).

2. Vakuumafbryder ifølge krav 1, kendetegnet ved, at spalten er udformet som en luftspalte .

3. Vakuumafbryder ifølge krav 2, kende tegnet ved, at spalten er opfyldt med et elektrisk godt ledende materiale (12,13).

4. Vakuumafbryder ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at ringen har et rektan- 30 gulært tværsnit.

5. Vakuumafbryder ifølge krav 4, kendetegnet ved, at afstanden mellem benene ved luftspalten er lig med ringens indvendige diameter.

6. Vakuumafbryder ifølge et af de foregående 35 krav, kendetegnet ved, at ågene (10,11) består af blødjern.