EP0155376A1 - Kontaktanordnung für Vakuumschalter - Google Patents
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- EP0155376A1 EP0155376A1 EP84115139A EP84115139A EP0155376A1 EP 0155376 A1 EP0155376 A1 EP 0155376A1 EP 84115139 A EP84115139 A EP 84115139A EP 84115139 A EP84115139 A EP 84115139A EP 0155376 A1 EP0155376 A1 EP 0155376A1
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
- H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
- H01H33/66—Vacuum switches
- H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
- H01H33/6642—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having cup-shaped contacts, the cylindrical wall of which being provided with inclined slits to form a coil
Definitions
- the invention relates to a contact arrangement for vacuum switches with coaxially opposite and in their axial direction relatively movable pot contacts, the hollow cylindrical contact carrier contain slots inclined in the same direction to the axis and each provided with a contact plate sinc.
- the maximum breaking capacity of vacuum switches is given by the maximum values of the current that can be safely switched off and the recurring voltage after the arc is broken off and can be favorably influenced by a magnetic field parallel to the direction of the arc current.
- a contraction of the Licntboaens which leads to an increase in the arc voltage and the power consumption associated with this voltage, can be prevented by a coaxial magnetic field in the area of the arc between the opened contacts.
- a coil which encloses the switching chamber cylindrically can be provided in these so-called axial field contacts. It is electrically in series with the switch contacts and builds up an axial magnetic field that is dependent on the current and penetrates the gap between the coaxial contacts in the axial direction.
- the coil can also be constructed in two layers and the turns can be made helically back and forth. The manufacture of such vacuum switches requires but a relatively large effort.
- the axial magnetic field between the open contacts is generated by coil windings, which are created by slots in the two contact carriers. These slots have the same direction of rotation for two contacts.
- the mutually facing end faces of the contact carriers are each covered by the edge of an essentially disk-shaped contact plate. A central area of the contact plate forms the contact contact surface.
- a support body made of mechanically strong and electrically poorly conductive material can also be provided.
- the contact plates are generally provided with radial slots to suppress eddy currents (DE-OS 32 27 482).
- the invention is based on the object of designing a contact arrangement of the type mentioned at the outset so that, on the one hand, a large current carrying capacity is ensured, so that the temperature increase due to the nominal current remains low. At the same time, a homogeneous magnetic field sufficient to extinguish large short-circuit currents is to be generated in the gap between the open contacts during the arc phase. A sufficient effective number of turns is required for this; at the same time, however, the resistance of the segments of the contact carrier acting as a coil formed between the slots must be limited accordingly. In addition, the contact should also be able to be made in a simple manner.
- the invention is based on the knowledge that the generation of the required magnetic field is only possible within certain ranges of different relationships between the influencing variables determining the magnetic field. Even with a larger contact diameter, such a large and sufficiently homogeneous magnetic field must be ensured that a diffuse arc is obtained and at the same time the arc operating voltage is as small as possible.
- the wall thickness W of the contact carriers is preferably matched to the diameter D and the pot depth H T in such a way that the contact carriers act like a pair of Helmholtz coils at a medium contact spacing. This creates a particularly homogeneous axial magnetic field in the middle between the contacts.
- the wall thickness W of the contact carriers acting as coils is preferably chosen to be at least 7 mm and generally not significantly exceed 10 mm.
- FIGS. 1 and 2 serve to explain the design of the slots of the contact carrier.
- FIGS. 1 and 2 serve to explain the design of the slots of the contact carrier.
- two contacts 2 and 4 are arranged coaxially opposite one another with their end faces at a distance A of, for example, 15 mm.
- Their common axis is indicated by dash-dotted lines in the figure and labeled 5.
- They each consist of a hollow cylindrical contact carrier 6 or 8 which is connected via a contact base 10 or 12 to a power supply 14 or 16 designed as a bolt.
- the contacts 2 and 4 each contain a support body 18 or 20 and are each covered with a contact plate 26 or 28. These contact plates are each provided at their edges with a chamfer, not shown in the figure, so that a central part of them forms the contact support surface.
- the supporting bodies 18 and 20 are each designed as a rotating body, the ends of which are widened in such a way that a cross section results approximately in the shape of a double-T beam.
- the contact carriers 6 and 8 the outer diameter of which is equal to the diameter D of, for example, 90 mm of the contacts 2 and 4, each contain slots 22 and 24 which are inclined relative to the axis 5 of the contact arrangement and which are in the two contacts 2 and 4 run in the same direction, so that the respective between adjacent slots 22nd or 24 webs 32 or 34 formed continue in the other contact in the same direction.
- the height H of the contact carriers, insofar as they are provided with slots, forms the pot depth, that is, in the illustrated embodiment of the contacts 2 and 4, the total height H T of the contact carriers 6 and 8, respectively.
- the slots 22 and 24 can be helical with a constant angle of inclination x.
- Such slots can be produced with a cylindrical milling cutter, the diameter of which is equal to the slot width and which is at least as long as the wall thickness W of the contact carriers 6 and 8.
- the contact carrier 6 or 8 is guided helically about its axis 5.
- the angle of inclination of such helical slots with the azimuth ⁇ that sweeps over each of the slots 22 and 24 is by the relationship connected.
- Slots with a flat cut surface can be produced in a particularly simple manner, for example by sawing.
- Such slots with an angle of inclination ⁇ E of the sectional plane 36 against the axis 5 are illustrated in the side view according to FIG. 2, in which only a single plane section 22 is indicated for the sake of simplicity.
- the angle of inclination ⁇ E of the sectional plane 36 against the axis 5 of the contacts 2 and 4 with an azimuth ⁇ according to FIG. 3 results from the relationship B is the distance which the straight line 30 formed by the cutting plane 36 of the slot 22 and the end face 27 of the contact carrier 6 is from the axis 5.
- tan ⁇ E becomes a maximum if distance b, diameter D and pot depth H T are specified.
- the pot depth H T is plotted as a function of the diameter D.
- the pot depth can be in a range can be chosen, which is given by a lower limit H Tu and an upper limit H To .
- the pot depth H T can be approximately between 13.5 and 27 mm, as indicated in dashed lines in the diagram.
- the azimuth ⁇ of the slots 22 and 24 is plotted as a function of the diameter D.
- An azimuth ⁇ for generating the required specific magnetic induction B z / I 3.5 ⁇ T / A in the middle between the two contacts 2 and 4 is plotted by a family of curves. This specific induction is sufficient to generate a diffuse arc shape even with a high switching current.
- the parameter of the curves running in a good approximation as a straight line is the number of slots s in each of the contact carriers 6 and 8.
- the value h T 0.15 D which was preferably still usable and a relatively large slot width of, for example, 2.6 mm was assumed .
- Corresponding dash-dotted limit line ⁇ u indicates the lower limit of the range for the azimuth ⁇ , which, with suitable values for the number of slots s, the depth of the pot H T and the slot width, enables the generation of the minimum axial field required to increase the switching capacity of the contact arrangement.
- Corresponding dashed limit line ⁇ o indicates the upper limit of the range for the azimuth ⁇ , which, with suitable values for the number of slots s, the depth of the pot H T and the slot width 2.6 mm, enables the generation of an axial field to be used to increase the switching power.
- the range to be used for the angle of inclination ⁇ E is obtained from equation (II) by using the range limits specified for the azimuth ⁇ . This gives you the area
- This slot angle ⁇ lies approximately in the middle of the range which is determined by the limits 66.2 ° for the smallest and 82.2 ° for the largest slot angle.
- contacts 2 and 4 act at a mutual distance like a pair of Helmholtz coils and thus generate a homogeneous field on axis 5 between contacts 2 and 4.
Landscapes
- High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial einander gegenüber angeordneten und in ihrer Achsrichtung relativ zueinander beweglichen Topfkontakten, deren hohlzylindrische Kontaktträger gleichsinnig zur Achse geneigte Schlitze enthalten und jeweils mit einer Kontaktplatte versehen sinc.
- Die maximale Abschaltleistung von Vakuumschaltern ist bekanntlich gegeben durch die maximalen Werte des sicher abschaltbaren Stromes und der wiederkehrenden Spannung nach dem Abreißen des Lichtbogens und kann durch ein zur Richtung des Lichtbogenstromes paralleles Magnetfeld günstig beeinflußt werden. Eine Kontraktion des Licntboaens, die zum Ansteigen der Lichtbogenspannung und des mit dieser Spannung verbundenen Leistungsumsatzes führt, kann durch ein koaxiales Magnetfeld im Bereich des Lichtbogens zwischen den geöffneten Kontakten verhindert werden. Zu diesem Zweck kann bei diesen sogenannten Axialfeldkontakten eine die Schaltkammer zylindrisch umschliessende Spule vorgesehen sein. Sie liegt mit den Schaltkontakten elektrisch in Reihe und baut ein vom Strom abhängiges axiales Magnetfeld auf, das den Spalt zwischen den koaxialen Kontakten in Achsrichtung durchsetzt. Zur Erhöhung der Feldstärke im Kontaktspalt kann die Spule auch doppellagig aufgebaut und die Windungen können schraubenförmig hin- und rückläufig ausgeführt sein. Die Herstellung solcher Vakuumschalter erfordert aber einen verhältnismäßig großen Aufwand.
- Bei einer bekannten Ausführungsform einer Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial einander gegenüber angeordneten und in ihrer Achsrichtung relativ zueinander beweglichen Topfkontakten wird das axiale Magnetfeld zwischen den geöffneten Kontakten durch Spulenwindungen erzeugt, die durch Schlitze in den beiden Kontaktträgern entstehen. Diese Schlitze haben bei beiaen Kontakten den gleichen Drehsinn. Die einander zugewandten Stirnflächen der Kontaktträger sind jeweils curch den Rand einer im wesentlichen scheibenförmigen Kontaktplatte bedeckt. Ein zentraler Bereich der Kontaktplatte bildet die Kontaktauflagefläche. Zwischen der Kontaktplatte und dem Boden des Kontakts kann noch ein Stützkörper aus mechanisch festem und elektrisch schlecht leitendem Material vorgesehen sein. Die Kontaktplatten sind zur Unterdrückung von Wirbelströmen im allgemeinen mit radialen Schlitzen versehen (DE-OS 32 27 482).
- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktanordnung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß einerseits eine große Stromtragfähigkeit sichergestellt ist, damit die Temperaturerhöhung durch den Nennstrom niedrig bleibt. Zugleich soll während der Lichtbogenphase im Spalt zwischen den geöffneten Kontakten ein zur Löschung großer Kurzschlußströme ausreichendes homogenes Magnetfeld erzeugt werden. Dazu ist eine hinreichende effektive Windungszahl erforderlich; zugleich muß aber der Widerstand der zwischen den Schlitzen gebildeten Segmente des als Spule wirkenden Kontaktträgers entsprechend begrenzt werden. Außerdem soll der Kontakt auch noch in einfacher Weise hergestellt werden können.. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes nur innerhalb bestimmter Bereiche von verschiedenen Beziehungen der das Magnetfeld bestimmenden Einflußgrößen zueinander möglich ist. Auch bei größerem Kontaktdurchmesser muß ein so großes und hinreichend homogenes Magnetfeld sichergestellt werden, daß man einen diffusen Lichtbogen erhält und zugleich die Bogenbrennspannung möglichst klein wird.
- Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Mit dieser Gestaltung der Kontakte erhält man im Luftspalt zwischen oen geöffneten Kontakten eine spezifische magnetische Induktion Bz/I von wenigstens 3,5 pT/A, vorzugsweise wenigstens 4 pT/A. Weitere besonders vorteilhafte Gestaltungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Es ist zwar bei einem vorbestimmten Durchmesser D der Kontakte eine Topftiefe HT > 0,1 D ausreichend; sie wird jedoch vorzugsweise wenigstens 0,15 D, insbesondere wenigstens 0,2 D, gewählt. Bei verhältnismäßig großer Topftiefe HT bis zu etwa 0,5 D kann ein entsprechend geringer Neigungswinkel α der Schlitze gegenüber der Achse der Kontakte gewählt werden. Die Wandstärke W der Kontaktträger wird vorzugsweise so auf den Durchmesser D und die Topftiefe HT abgestimmt, daß die Kontaktträger bei einem mittleren Kontaktabstand wie ein Helmholtz-Spulenpaar wirken. Dadurch wird ein besonders homogenes axiales Magnetfeld in der Mitte zwischen den Kontakten erzeugt. Die Wandstärke W der als Spulen wirkenden Kontaktträger wird vorzugsweise wenigstens 7 mm gewählt und im allgemeinen 10 mm nicht wesentlich überschreiten.
- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Kontaktanordnung für Vakuumschalter nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In Figur 1 sind zwei Kontakte in einer jeweils teilweise geschnittenen Seitenansicht dargestellt. Die Figuren 2 und 3 dienen zur Erläuterung der Gestaltung der Schlitze des Kontaktträgers. In den Figuren 4 bis 7 sind verschiedene Grenzwerte für die Gestaltung der Kontakte jeweils in einem Diagramm veranschaulicht.
- In der Ausführungsform nach Figur 1 sind zwei Kontakte 2 und 4 mit ihren Stirnflächen in einem Abstand A von beispielsweise 15 mm koaxial einander gegenüber angeordnet. Ihre gemeinsame Achse ist in der Figur strichpunktiert angedeutet und mit 5 bezeichnet. Sie bestehen jeweils aus einem hohlzylindrischen Kontaktträger 6 bzw. 8, der über einen Kontaktboden 10 bzw. 12 mit einer als Bolzen gestalteten Stromzuführung 14 bzw. 16 verbunden ist. Die Kontakte 2 und 4 enthalten jeweils einen Stützkörper 18 bzw. 20 und sind jeweils mit einer Kontaktplatte 26 bzw. 28 abgedeckt. Diese Kontaktplatten sind an ihren Rändern jeweils mit einer in der Figur nicht näher bezeichneten Abschrägung versehen, so daß von ihnen jeweils ein zentraler Teil die Kontaktauflagefläche bildet. Die Stützkörper 18 und 20 sind jeweils als Rotationskörper gestaltet, deren Enden derart erweitert sind, daß sich ein Querschnitt etwa in der Form eines Doppel-T-Trägers ergibt.
- Die Kontaktträger 6 und 8, deren Außendurchmesser gleich dem Durchmesser D von beispielsweise 90 mm der Kontakte 2 und 4 ist, enthalten jeweils mit einem heigungswinkel a.gegenüber der Achse 5 der Kontaktanordnung geneigte Schlitze 22 bzw. 24, die in den beiden Kontakten 2 und 4 gleichsinnig verlaufen, so daß sich die jeweils zwischen benachbarten Schlitzen 22 oder 24 gebildeten Stege 32 bzw. 34 in dem anderen Kontakt im gleichen Drehsinn fortsetzen. Die Höhe H der Kontaktträger, soweit sie mit Schlitzen versehen sind, bildet jeweils die Topftiefe, das ist in der dargestellten Ausführungsform der Kontakte 2 und 4 die gesamte Höhe HT der Kontaktträger 6 bzw. 8.
- Die Schlitze 22 und 24 können schraubenförmig mit einem konstanten Neigungswinkel x ausgebildet sein. Solche Schlitze können mit einem zylindrischen Fräser hergestellt werden, dessen Durchmesser gleich der Schlitzbreite ist und der wenigstens so lang wie die Wandstärke W der Kontaktträger 6 und 8 ist. Der Kontaktträger 6 bzw. 8 wird dabei schraubenförmig um seine Achse 5 geführt. Bei einem vorbestimmten Durchmesser D und einer Topf tiefe HT ist der Neigungswinkel solcher schraubenförmiger Schlitze mit dem Azimut ß, das jeder der Schlitze 22 und 24 überstreicht, durch die Beziehung
- In besonders einfacher Weise können Schlitze mit ebener Schnittfläche hergestellt werden, beispielsweise durch Sägen. Solche Schlitze mit einem Neigungswinkel αE der Schnittebene 36 gegen die Achse 5 sind in der Seitenansicht nach Figur 2 veranschaulicht, in der zur Vereinfachung nur ein einziger ebener Schnitt 22 angedeutet ist. Der Neigungwinkel αE der Schnittebene 36 gegen die Achse 5 der Kontakte 2 und 4 mit einem Azimut ß nach Figur 3 ergibt sich aus der Beziehung
- Im Diagramm nach Figur 4 ist die Topftiefe HT in Abhängigkeit vom Durchmesser D aufgetragen. Für einen Durchmesser D von 60 bis 150 mm und mit einem vorzugsweise einzuhaltencen unteren Grenzwert für die Topftiefe HT = 0,15 D und einem oberen Grenzwert, der vorzugsweise HT = 0,3 D nicht wesentlich überschreitet, kann die Topftiefe in einem Bereich gewählt werden, der durch eine untere Grenze HTu und eine obere Grenze HTo gegeben ist. Für Kontakte 2 und 4 mit einem Durchmesser von beispielsweise D = 90 mm kann die Topftiefe HT etwa zwischen 13,5 und 27 mm betragen, wie es in dem Diagramm gestrichelt angedeutet ist.
- Entsprechend dem Diagramm nach Figur 5, in dem die Schlitzzahl s in Abhängigkeit vom Durchmesser D aufgetragen ist, in einem Bereich gewählt, dessen untere und obere Grenze jeweils etwa durch eine strichpunktierte Gerade festgelegt sind. Da sich für die Schlitzzahl s jeweils nur ganze Zahlen ergeben, erhält man als untere und obere Begrenzung jeweils eine Treppenkurve. Für einen Durchmesser von beispielsweise D = 90 mm können zwischen 3 und 9 Schlitze gewählt werden, wie es in dem Diagramm gestrichelt angedeutet ist.
- Im Diagramm nach Figur 6 ist das Azimut ß der Schlitze 22 und 24 in Abhängigkeit vom Durchmesser D aufgetragen. Ein Azimut ß zur Erzeugung der erforderlichen spezifischen magnetischen Induktion Bz/I = 3,5 µT/A in der Mitte zwischen den beiden Kontakten 2 und 4 ist durch eine Kurvenschar aufgetragen. Diese spezifische Induktion ist ausreichend zur Erzeugung einer diffusen Lichtbogenform auch bei hohem Schaltstrom. Parameter der in guter Näherung als Geraden verlaufenden Kurven ist die Schlitzzahl s in jeoem der Kontaktträger 6 und 8. Für oie Topftiefe h wurde oer vorzugsweise noch verwendbare wert hT = 0,15 D und eine verhältnismäßig große Schlitzbreite von beispielsweise 2,6 mm angenommen. Die der Beziehung
- Die der Beziehung
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- Dieser Schlitzwinkel α liegt etwa in der Mitte des Bereichs, der durch die Grenzen 66,2° für den kleinsten und 82,2° für den größten Schlitzwinkel bestimmt ist.
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- Mit der Kontaktanordnung gemäß der Erfindung mit ebenem Schlitzprofil und mit einem Durchmesser D von 90 mm erhält man eine Abschaltleistung entsprechend einem abschaltbaren Strom Ieff > 50 kA bei einer Nennspannung von 15 kV und einem abschaltbaren Strom Ieff > 31,5 kA bei einer Nennspannung von 36 kV.
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