EP0070469A2 - Vacuum switch - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a vacuum switch with relatively movable contacts and a steam shield.
- the current generally flows via contacts which are arranged coaxially to one another and which are arranged in the high vacuum of a rotationally symmetrical housing which, for example, essentially consist of an electrically insulating material, in particular ceramic,.
- a rotationally symmetrical housing which, for example, essentially consist of an electrically insulating material, in particular ceramic,.
- the contacts are pulled apart and an arc is formed in the area between the contacts, the base points of which vaporize metal on the surface of the contacts.
- the metal vapor flowing outward condenses again on a so-called steam screen, which is essentially hollow-cylindrical and is arranged at a predetermined distance from the inner wall of the housing.
- the housing of the vacuum switch in the area between the opened contacts can also consist of metal, for example of stainless steel.
- This essentially hollow cylindrical middle part of the housing is then connected to the electrodes via housing parts made of electrically insulating material. These electrically insulating parts are then also provided with a shield (US Pat. No. 3,764,764).
- a shield US Pat. No. 3,764,764
- the arc starts more at the outer edge of the contacts and at the same time passes over to the steam shield.
- the plasma flame emanating from the center of the arc is directed towards the steam screen and is slightly inclined towards the cathode of the electrodes, so that heavy loads on the steam screen occur approximately at the level of the cathode surface and the screen can melt there.
- the invention has for its object to improve the known embodiments of vacuum switches with an insulating or metal housing, in particular to increase the resistance of the steam shield against melting and thus to extend the life of the switch accordingly.
- the housing itself can be provided with the curvature in this area.
- the inner wall of the housing can also be provided with an annular insert made of a rotationally symmetrical profile body, which contains the curvature approximately in the central plane between the opened contacts. The falling flanks of the arch are thus against the median plane between the open contacts inclined that the plasma flow is deflected in the axial direction up or down or on both sides. The load on the steam screen is accordingly reduced in this area.
- two coaxially arranged and relatively movable electrodes 2 and 4 which can be designed, for example, as pot contacts and are each connected to a power supply 3 or 5, are surrounded by a housing 6, of which at least the Area of the opened contacts 2 and 4 surrounding, at least approximately cylindrical part made of metal, preferably made of stainless steel.
- the contacts 2 and 4 are pulled apart and an annular gap is formed between their contact contact surfaces, which are not shown in the figure, in which an arc is formed.
- the arc attaches more to the outer edge of the contacts and a plasma flame emanating approximately from the center of this arc 10 is aimed at the housing 6, which is heated accordingly in this surface area.
- the plasma flame is dependent on the direction of the semi-oscillations of the one to be extinguished Alternating current, for example as anode A electrode 2 inclined to the electrode 4 acting as cathode K, so that the increased load on the housing 6 occurs approximately at the level of the contact contact surface of the cathode K.
- the load on the housing 6 acting as a steam screen is now reduced by the fact that the inner wall of the housing 6 is provided with an annular insert 12 which forms a rotationally symmetrical profile body which surrounds the area between the opened contacts 2 and 4.
- the insert 12 is provided with a radially inward curvature which is arranged approximately in the middle plane between the opened contacts 2 and 4.
- the plasma flame emanating from the arc 10 is then deflected downward on the falling flank of the curvature of the insert 12 depending on the direction of the semi-oscillation of the alternating current, as indicated in the figure.
- the load on the housing 6 is reduced and the life of the vacuum switch is increased accordingly.
- the insert 12 serves not only to deflect the plasma flow; it also represents a material reserve for the erosion.
- the insert 12 can preferably consist of stainless steel, in particular of chromium steel, or, because of the better thermal conductivity, also of essentially oxygen-free copper. It is easy to manufacture in the form shown as a profile body in the pressing process and can be soldered to the inside wall of the housing 6 in a punctiform manner or welded on.
- the special insert 12 is provided.
- the housing 6 may be expedient to provide the housing 6 with a radially inward curvature in the middle plane between the opened electrodes 2 and 4, which deflects the plasma flow and thereby reduces the load on the housing 6 accordingly.
- this steam screen is provided with a curvature in the middle plane between the opened electrodes 2 and 4 or on its inner wall it becomes in the area between the opened electrodes 2 and 4 with the insert 12.
- the rounding on the end face of the curvature is chosen so that no significant increase in field strength can occur which would significantly reduce the dielectric strength.
- the slope of the slope of the curvature is chosen so that a good deflection of the plasma flow is obtained, as indicated by the arrow in the figure. A favorable deflection is obtained at an angle of inclination ⁇ of, for example, approximately 30 to 60 °, preferably approximately 40 to 55 °.
Abstract
Erfindungsgemäß ist der Dampfschirm in der Mittelebene zwischen den geöffneten Kontakten (2, 4) mit einer radial nach innen gerichteten Wölbung versehen. In einer Ausführungsform des Vakuumschalters mit metallischem Gehäuse (6) kann das Gehäuse selbst die Wölbung enthalten oder auch mit einer zusätzlichen, entsprechend gestalteten Einlage (12) versehen sein. Die Neigung der abfallenden Flanken der Wölbung ist so gewählt, daß die vom Lichtbogen ausgehende Plasmaströmung in axialer Richtung abgelenkt wird. Damit wird insbesondere bei einpoligen Schaltern mit verhältnismäßig langen Bogenzeiten die Belastung des Dampfschirmes vermindert.According to the invention, the steam screen is provided with a radially inward curvature in the middle plane between the opened contacts (2, 4). In one embodiment of the vacuum switch with a metallic housing (6), the housing itself can contain the curvature or can also be provided with an additional, appropriately designed insert (12). The inclination of the falling flanks of the curvature is chosen so that the plasma flow emanating from the arc is deflected in the axial direction. This reduces the load on the steam shield, in particular in the case of single-pole switches with relatively long arc times.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumschalter mit relativ zueinander beweglichen Kontakten und einem Dampfschirm.The invention relates to a vacuum switch with relatively movable contacts and a steam shield.
In Vakuumschaltern fließt der Strom im allgemeinen über koaxial zueinander angeordnete Kontakte, die im Hochvakuum eines rotationssymmetrischen Gehäuses angeordnet sind, das beispielsweise im wesentlichen aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere Keramik, bestehen -kann-. Zum Ausschalten eines Stromes werden die Kontakte auseinandergezogen und es bildet sich im Bereich zwischen den Kontakten ein Lichtbogen, dessen Fußpunkte an der Oberfläche der Kontakte Metall verdampfen. Der nach außen abströmende Metalldampf kondensiert wieder an einem sogenannten Dampfschirm, der im wesentlichen hohlzylindrisch gestaltet und in einem vorbestimmten Abstand von der Innenwand des Gehäuses angeordnet ist. Beim Ausschalten von Strömen mit hoher Stromstärke, insbesondere von Kurzschlußströmen mit beispielsweise 40 kA und mehr, mit verhältnismäßig langer Lichtbogenbrenndauer von insbesondere mehr als etwa 10 ms kann die Bogenentladung sowohl an den beiden Elektroden als auch am Dampfschirm ansetzen und diesen durchschmelzen (DE-OS 25 57 174 = US-PS 4 149 050).In vacuum switches, the current generally flows via contacts which are arranged coaxially to one another and which are arranged in the high vacuum of a rotationally symmetrical housing which, for example, essentially consist of an electrically insulating material, in particular ceramic,. To switch off a current, the contacts are pulled apart and an arc is formed in the area between the contacts, the base points of which vaporize metal on the surface of the contacts. The metal vapor flowing outward condenses again on a so-called steam screen, which is essentially hollow-cylindrical and is arranged at a predetermined distance from the inner wall of the housing. When switching off currents with high amperage, in particular short-circuit currents with, for example, 40 kA and more, with a relatively long arc burning time of in particular more than about 10 ms, the arc discharge can start both on the two electrodes and on the steam shield and melt it (DE-OS 25 57,174 = U.S. Patent 4,149,050).
Ferner kann das Gehäuse des Vakuumschalters im Bereich zwischen den geöffneten Kontakten auch aus Metall, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, bestehen. Dieser im wesentlichen hohlzylindrische mittlere Teil des Gehäuses ist dann über Gehäuseteile aus elektrisch isolierendem Material mit den Elektroden verbunden. Diese elektrisch isolierenden Teile sind dann ebenfalls mit einer Abschirmung versehen (US-PS 3 764 764). Die Wirkung eines Dampfschirmes übernimmt in dieser Ausführungsform der den Bereich zwischen den geöffneten Kontakten umgebende metallische Teil des Gehäuses.Furthermore, the housing of the vacuum switch in the area between the opened contacts can also consist of metal, for example of stainless steel. This essentially hollow cylindrical middle part of the housing is then connected to the electrodes via housing parts made of electrically insulating material. These electrically insulating parts are then also provided with a shield (US Pat. No. 3,764,764). In this embodiment, the effect of a steam screen is taken over by the metallic part of the housing surrounding the area between the opened contacts.
Bei hoher Stromstärke des Lichtbogens und größerer Brenndauer setzt der Lichtbogen mehr am Außenrand der Kontakte an und tritt zugleich zum Dampfschirm über. Die von der Mitte des Lichtbogens ausgehende Plasmaflamme ist auf den Dampfschirm gerichtet und etwas zur Kathode der Elektroden hin geneigt, so daß starke Belastungen des Dampfschirmes etwa in Höhe der Kathodenoberfläche auftreten und dort der Schirm durchschmelzen kann.With a high current intensity of the arc and a longer burning time, the arc starts more at the outer edge of the contacts and at the same time passes over to the steam shield. The plasma flame emanating from the center of the arc is directed towards the steam screen and is slightly inclined towards the cathode of the electrodes, so that heavy loads on the steam screen occur approximately at the level of the cathode surface and the screen can melt there.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ausführungsformen von Vakuumschaltern mit einem Isolierstoff- oder Metallgehäuse zu verbessern, insbesondere soll die Widerstandsfähigkeit des Dampfschirmes gegen Durchschmelzen erhöht und damit die Lebensdauer des Schalters entsprechend verlängert werden.The invention has for its object to improve the known embodiments of vacuum switches with an insulating or metal housing, in particular to increase the resistance of the steam shield against melting and thus to extend the life of the switch accordingly.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Bei einem Vakuumschalter mit einem metallischen Gehäuse, das den Bereich zwischen den geöffneten Elektroden umgibt, kann das Gehäuse selbst in diesem Bereich mit der Wölbung versehen sein. Die Innenwand des Gehäuses kann aber auch mit einer ringförmigen Einlage aus einem rotationssymmetrischen Profilkörper versehen sein, der etwa in der Mittelebene zwischen den geöffneten Kontakten die Wölbung enthält. Die abfallenden Flanken der Wölbung werden derart gegen die Mittelebene zwischen den geöffneten Kontakten geneigt, daß die Plasmaströmung in axialer Richtung nach oben oder unten oder nach beiden Seiten abgelenkt wird. Die Belastung des Dampfschirmes wird somit in diesem Bereich entsprechend vermindert.This object is achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1. In the case of a vacuum switch with a metallic housing, which surrounds the area between the opened electrodes, the housing itself can be provided with the curvature in this area. The inner wall of the housing can also be provided with an annular insert made of a rotationally symmetrical profile body, which contains the curvature approximately in the central plane between the opened contacts. The falling flanks of the arch are thus against the median plane between the open contacts inclined that the plasma flow is deflected in the axial direction up or down or on both sides. The load on the steam screen is accordingly reduced in this area.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Vakuumschalters nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which an embodiment of a vacuum switch according to the invention is schematically illustrated.
In der dargestellten Ausführungsform eines Vakuumschalters sind zwei koaxial zueinander angeordnete und relativ zueinander bewegliche Elektroden 2 und 4, die beispielsweise als Topfkontakte ausgebildet sein können und jeweils mit einer Stromzufuhrung 3 bzw. 5 verbunden sind, von einem Gehäuse 6 umgeben, von dem wenigstens der den Bereich der geöffneten Kontakte 2 und 4 umgebende, wenigstens annähernd zylinderförmig gestaltete Teil aus Metall, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, besteht. Das Gehäuse 6 bildet mit in der Figur nicht dargestellten Teilen aus elektrisch isolierendem Material unmittelbar oder mittelbar eine vakuumdichte Verbindung mit den Stromzuführungen 3 und 5 der Elektroden 2 und 4.In the illustrated embodiment of a vacuum switch, two coaxially arranged and relatively
Zum Einleiten einer Stromunterbrechung werden die Kontakte 2 und 4 auseinandergezogen und zwischen ihren in der Figur nicht näher bezeichneten Kbntaktauflageflächen ein ringförmiger Spalt gebildet, in dem ein Lichtbogen entsteht. Bei größerer Brenndauer setzt der Lichtbogen mehr am Außenrand der Kontakte an und eine etwa von der Mitte dieses Lichtbogens 10 ausgehende Plasmaflamme ist auf das Gehäuse 6 gerichtet, das in diesem Oberflächenbereich entsprechend erwärmt wird. Die Plasmaflamme ist von der in Abhängigkeit von der Richtung der Halbschwingungen des zu löschenden Wechselstromes beispielsweise als Anode A wirkenden Elektrode 2 zu der als Kathode K wirkenden Elektrode 4 geneigt, so daß die erhöhte Belastung des Gehäuses 6 etwa in der Höhe der Kontaktauflagefläche der Kathode K auftritt.To initiate a power interruption, the
Die Belastung des als Dampfschirm wirkenden Gehäuses 6 wird nun dadurch vermindert, daß die Innenwand des Gehäuses 6 mit einer ringförmigen Einlage 12 versehen ist, die einen rotationssymmetrischen Profilkörper bildet, der den Bereich zwischen den geöffneten Kontakten 2 und 4 umgibt. Die Einlage 12 ist mit einer radial nach innen gerichteten Wölbung versehen, die etwa in der Mittelebene zwischen, den geöffneten_ Kontakten 2 und 4 angeordnet ist. Die vom Lichtbogen 10 ausgehende Plasmaflamme wird dann an der abfallenden Flanke der Wölbung der Einlage 12 in Abhängigkeit von der Richtung der Halbschwingung des Wechselstromes beispielsweise nach unten abgelenkt, wie es in der Figur angedeutet ist. Die Belastung des Gehäuses 6 wird vermindert und die Lebensdauer des Vakuumschalters entsprechend erhöht. Die Einlage 12 dient nicht nur zur Ablenkung der Plasmaströmung; sie stellt auch eine Materialreserve für den Abbrand dar. Die Einlage 12 kann vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, insbesondere aus Chromstahl, oder wegen der besseren Wärmeleitfähigkeit auch aus im wesentlichen sauerstofffreiem Kupfer bestehen. Sie ist in der dargestellten Form als Profilkörper im Preßverfahren leicht herstellbar und kann an der Innenwand des Gehäuses 6 punktförmig angelötet oder auch angeschweißt werden.The load on the
Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, innerhalb des Gehäuses 6 in der Richtung der durch einen nicht näher bezeichneten Pfeil angedeuteten Plasmaströmung Materialauffangbleche 14 und 15 anzubringen. Durch diese Auffangbleche 14 und 15 wird das seitlich weggeführte abgeschmolzene Schirmmaterial aufgefangen und eine Materialbrückenbildung zwischen elektrisch leitenden Gehäuseteilen und den Stromzuführungen 3 und 5 wird verhindert.Under certain circumstances, it may be expedient for material inside the
In der dargestellten Ausführungsform des Vakuumschalters mit einem den Bereich der geöffneten Elektroden 2 und 4 umgebenden elektrisch leitenden Teil des Gehäuses 6 ist die besondere Einlage 12 vorgesehen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, das Gehäuse 6 in der Mittelebene zwischen den geöffneten Elektroden 2 und 4 mit einer radial nach innen gerichteten Wölbung zu versehen, welche die Plasmaströmung ableitet und dadurch die Belastung des Gehäuses 6 entsprechend vermindert.In the illustrated embodiment of the vacuum switch with an electrically conductive part of the
In der Ausführungsform eines Vakuumschalters, der im Bereich zwischen den geöffneten Elektroden mit einem zusätzlichen Dampfschirm versehen ist, wird dieser Dampfschirm in der Mittelebene zwischen den geöffneten Elektroden 2 und 4 mit einer Wölbung versehen oder an seiner Innenwand wird er in dem Bereich zwischen den geöffneten Elektroden 2 und 4 mit der Einlage 12 versehen. Die Abrundung an der.Stirnfläche der Wölbung wird so gewählt, daß keine wesentliche Feldstärkeerhöhung auftreten kann, welche die dielektrische Festigkeit wesentlich vermindern würde. Die Neigung der Abfallflanken der Wölbung wird so gewählt, daß man eine gute Ablenkung der Plasmaströmung erhält, wie es in der Figur durch den Pfeil angedeutet ist. Eine günstige Ablenkung erhält man bei einem Neigungswinkel α von beispielsweise etwa 30 bis 60°, vorzugsweise etwa 40 bis 55°.In the embodiment of a vacuum switch which is provided with an additional steam screen in the area between the opened electrodes, this steam screen is provided with a curvature in the middle plane between the opened
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