EP0615652B1

EP0615652B1 - Vakuumschalter

Info

Publication number: EP0615652B1
Application number: EP92923684A
Authority: EP
Inventors: Günter LINS
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-12-03
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1995-05-17
Anticipated expiration: 2012-11-27
Also published as: WO1993011552A1; EP0615652A1; DE59202269D1; DE4139834A1

Abstract

Zwischen den geöffneten Kontakten ist eine Bewegung des Lichtbogens durch Magnetkräfte eines Magnetsystems (20) vorgesehen, das außerhalb des Gehäuses (10) am Ende der Stromzuführung (14) zum Festkontakt (2) angeordnet ist. Erfindungsgemäß bildet ein im wesentlichen scheibenförmiger Festkontakt (2) den Boden oder Deckel des hohlzylindrischen Gehäuses (10). Das Magnetsystem (20) erzeugt ein Magnetfeld (6), das den Festkontakt (2) durchsetzt und dessen Feldlinien ein toroidales Gewölbe bilden, dessen kreisförmige Scheitellinie einen Radius rs hat, der höchstens so groß ist wie der Radius r1 des kleineren der beiden Kontakte (2, 4). Durch die Bewegung des Kathodenflecks im Magnetfeld (6) wird der Kontaktabbrand entsprechend vermindert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumschalter mit Schaltkontakten, die im Gehäuse einer im wesentlichen zylindrischen Vakuumkammer angeordnet sind und von denen einer als Festkontakt und der andere als beweglicher Kontakt ausgebildet ist, und denen ein Magnetsystem zugeordnet ist, das außerhalb des Gehäuses am Ende der Stromzuführung zum Festkontakt angeordnet ist.
Bei Vakuumschaltern mit sogenannten Flach- oder Scheibenkontakten, die vorzugsweise im Niederspannungsbereich und für verhältnismäßig geringe Stromstärken verwendet werden, kann bekanntlich der Kontaktabbrand dadurch vermindert werden, daß bei einem Ausschaltvorgang nach dem Öffnen der Kontakte die Kathodenflecken des Lichtbogens in einem Magnetfeld bewegt werden. Zwischen der Kontaktauflagefläche und der Stromzuführung kann beispielsweise eine metallische Einlage mit verhältnismäßig hohem Widerstand vorgesehen sein, die aus Eisen oder Nickel bestehen kann. Diese Einlage bewirkt Stromkomponenten in radialer Richtung, die den Lichtbogen vom zentralen Kontaktbereich radial nach außen zu einem die Kontaktfläche konzentrisch umgebenden Abbrandbereich treiben. In dieser Ausführungsform werden jedoch nur verhältnismäßig schwache Magnetkräfte gebildet (DE-A- 22 07 242).
In einer weiteren bekannten Ausführungsform eines Vakuumschalters mit Topfkontakten erhält man nach dem Öffnen der Kontakte zwischen den ringförmigen Kontaktauflageflächen eine Lichtbogenrotation durch ein radiales Magnetfeld. Diese Rotationsbewegung kann durch ein Magnetsystem erhöht werden, das mehrere Permanentmagnete enthält, die innerhalb der Vakuumkammer in den Schaltkontakten angeordnet sind. Dieses Magnetsystem hat einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau und ist verhältnismäßig schwer zugänglich (DE-B- 31 15 783).
Ebenfalls verhältnismäßig schwer zugänglich ist in einer bekannten Ausführungsform eines Vakuumschalters mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse ein Magnetsystem, das zur Erhöhung der Lichtbogenbewegung dient und am Ende einer Stromzuführung für den Festkontakt außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dieser Vakuumschalter enthält flache Topfkontakte mit ringförmigen Bogenlaufflächen. Der Deckel oder der Boden des Gehäuses ist mit einer Ausnehmung versehen, in die der Magnet eingesetzt ist. Eine Polfläche des Magneten befindet sich am Boden unterhalb des Festkontaktes und die andere Polfläche liegt vom Festkontakt verhältnismäßig weit entfernt. Durch die besondere Gestaltungsform des Bodens oder Deckels mit dem Magnetsystem entstehen zusätzliche Schweiß- oder Lötstellen, die Probleme hinsichtlich der Dichtheit der Vakuumkammer ergeben können (US-A- 3 082 307).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Ausführungsform eines Vakuumschalters zu vereinfachen und zu verbessern, insbesondere soll die Wirkung des Magnetfeldes auf die Kathodenflecken des Lichtbogens erhöht und der Aufbau des Schalters vereinfacht werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Durch eine Anordnung des Festkontakts in Verbindung mit der angegebenen Feldverteilung erhält man einen Vakuumschalter mit besonders einfachem Aufbau, hohem Schaltvermögen und langer Lebensdauer.
Es sind zwar bereits Magnetsysteme zur Bewegung des Kathodenflecks eines Lichtbogens mit einem im wesentlichen zylindrischen Magnetkreis bekannt, dessen eine zentrale Polfläche von einer ringscheibenförmigen Polfläche des anderen Pols konzentrisch umgeben ist. Dieses Magnetsystem bildet ein Magnetfeld, das in einem zentralen, in axialer Richtung verlaufenden Teil konzentriert ist und dessen Streufeld in einem als Konzentrator wirkenden, ringförmigen, den zentralen Teil konzentrisch umgebenden Teil geführt wird. Die Feldlinien bilden ein toroidales Gewölbe, dessen Rotationsachse in der Zylinderachse liegt und dessen kreisförmige Scheitellinien koaxial zur Zylinderachse verlaufen. Unter dem Einfluß eines ausreichend starken Magnetfeldes nimmt der Kathodenfleck eines Lichtbogens eine Position unterhalb der Scheitellinie dieses Gewölbes ein. Die radiale Feldkomponente bewirkt ferner, daß die Kathodenflecken auf kreisförmigen Bahnen bewegt werden. Das Magnetsystem kann mit einem Permanentmagneten (US-A- 4 673 477) oder auch mit einem Elektromagneten (US-A- 4 724 058) versehen sein. Allerdings werden derartige Magnetsysteme beim Stand der Technik bei Lichtbogen-Verdampfungsanlagen zur Erzeugung und Abscheidung von Metalldämpfen, nicht aber im Zusammenhang mit Schaltern verwendet.
Beim erfindungsgemäßen Vakuumschalter befindet sich das Magnetsystem am Ende der Stromzuführungen und wenigstens mittelbar, vorzugsweise unmittelbar am Festkontakt, der den Boden oder Deckel des Gehäuses bildet und wenigstens in seinem zentralen Teil als Flach- oder Scheibenkontakt ausgebildet ist. Er kann gegebenenfalls mit einem etwas erhöhten zentralen Kontaktbereich versehen sein kann, der dann von einem Abbrandbereich konzentrisch umgeben ist. Das Magnetsystem befindet sich somit in unmittelbarer Nähe der Kontaktstelle und ist vorzugsweise so gestaltet, daß eine zentrale Polfläche von einer kreisringförmigen Polfläche des anderen Pols konzentrisch umgeben ist.
Das Magnetsystem kann sowohl einen Permanentmagneten als auch einen Elektromagneten enthalten. Ferner kann die Stromzuführung selbst als Magnetspule ausgebildet sein, die dann von einem Konzentrator konzentrisch umgeben ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Vakuumschalter gemäß der Erfindung mit einem Magnetsystem, das einen Permanentmagneten enthält, schematisch veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt eine Ausführungsform mit einer Magnetspule, welche durch die Stromzuführung gebildet wird, deren Schnitt in Figur 3 dargestellt ist. Ein Schalter mit einem Elektromagneten ist in Figur 4 dargestellt.
In der Ausführungsform eines Vakuumschalters gemäß Figur 1 für eine Nennspannung von beispielsweise U_n = 1000 V und einen Nennstrom von beispielsweise I_n = 630 A sind ein Festkontakt mit 2, ein beweglicher Kontakt mit 4, ein Magnetfeld mit 6 und ein Gehäuse mit 10 bezeichnet. Der Festkontakt 2 bildet den Boden oder den Deckel in der dargestellten Ausführungsform des Gehäuses 10, das aus einem im wesentlichen zylindrischen metallischen Profilteil 7 und einem als Deckel dienenden, weiteren metallischen Profilteil 8 besteht, die durch einen hohlzylindrischen Isolator 9 miteinander verbunden sind. Der Festkontakt 2 ist mit einem im wesentlichen topfförmigen metallischen Zwischenstück 12 formschlüssig verbunden, das als elektrisch leitende Verbindung dient und mit einer Stromzuführung 14 verbunden ist. Der bewegliche Kontakt 4 ist mit Hilfe eines Faltenbalges mit dem Profilteil 8 vakuumdicht verbunden und ferner an einer Stromzuführung 18 befestigt, die in einer zentralen Öffnung des Profilteiles 8 in Richtung der in der Figur strichpunktiert angedeuteten, aber nicht näher bezeichneten Rotationsachse des Vakuumschalters beweglich gelagert ist. Das freie Ende der Stromzuführung 18 ist mit einem in der Figur nicht dargestellten Antrieb für den beweglichen Kontakt 4 des Vakuumschalters kraftschlüssig verbunden.
Das Zwischenstück 12 dient zur Aufnahme eines Magnetsystems 20, das einen in der Rotationsachse des Schalters angeordneten Stabmagneten 21 enthält, der von einem Konzentrator 22 für das Magnetfeld 6 konzentrisch umgeben ist, der auf einer im wesentlichen scheibenförmigen Flußplatte 23 angeordnet ist, die ebenfalls einen Teil des Magnetkreises bildet und zur radialen Führung des Magnetfeldes 6 dient. Diese Flußplatte 23 bildet mit dem Konzentrator 22 ein topfförmiges Joch, das den Stabmagneten 21 derart umgibt, daß ein Magnetsystem 20 mit E-förmigem Querschnitt, ein sogenannter E-Magnet entsteht, der in dieser Ausführungsform mit seinen Polflächen unmittelbar an der Außenseite des Festkontaktes 2 anliegt. Dieses Magnetsystem 20 liefert ein magnetisches Feld 6, dessen Feldlinien in der Figur strichpunktiert angedeutet sind und die zwischen dem Festkontakt 2 und dem beweglichen Kontakt 4 ein toroidales Gewölbe bilden. Bei einem Vakuumschalter für eine Netzspannung von beispielsweise 1000 V und einen Nennstrom von beispielsweise 630 A werden die Kontakte 2 und 4 geöffnet bis zu einem Kontaktabstand d, der in der Figur nur zur Verdeutlichung vergrößert dargestellt ist. Durch die radiale Komponente des Magnetfeldes 6 entsteht zwischen den Kontakten eine Magnetkraft auf die Kathodenflecken eines in der Figur nicht dargestellten Lichtbogens, die diese Kathodenflecken auf dem Festkontakt 2 rotieren läßt und damit eine entsprechend geringe Erosion der Kontakte bewirkt.
In der dargestellten, besonders einfachen Bauform des Magnetsystems 20 in der Ausführungsform eines sogenannten E-Magneten ist ein zentraler Stabmagnet 21 auf der kreisscheibenförmigen Flußplatte angeordnet und von dem hohlzylindrischen Konzentrator 22 konzentrisch umgeben. Es kann jedoch auch der Stabmagnet 21 von einem topfförmigen Joch konzentrisch umgeben sein. Der E-Magnet kann auch aus einem einzigen Magneten bestehen, der derart magnetisiert ist, daß am oberen Ende des zentralen Stabes ein Pol entsteht, der von dem anderen Pol mit ringscheibenförmiger Polfläche konzentrisch umgeben ist. Ferner kann ein zentraler Stabmagnet 21 von einer größeren Anzahl weiterer Stabmagneten konzentrisch umgeben sein, deren Magnetisierungsrichtung derjenigen des zentralen Magneten 21 entgegengerichtet ist.
Das Magnetsystem 20 ist so dimensioniert, daß der Radius r_s der Scheitellinien des Magnetfeldes 6 höchstens so groß ist wie der Radius r₁ des kleineren Kontaktes, das ist in der dargestellten Ausführungsform der bewegliche Kontakt 4. Der Kontaktabstand d bei vollständig geöffneten Kontakten ist so bemessen, daß das Magnetfeld 6 an der Oberfläche des bewegten Kontaktes 4 nicht wesentlich kleiner ist als an der Oberfläche des Festkontaktes 2.
In der Ausführungsform eines Vakuumschalters gemäß Figur 2 sind der Festkontakt 2 und der bewegliche Kontakt 4 jeweils mit einem zentralen Kontaktbereich 24 bzw. 25 versehen, die jeweils von einem Abbrandbereich 26 bzw. 27 konzentrisch umgeben sind. Das Magnetsystem 20 besteht in dieser Ausführungsform des Schalters aus einer Magnetspule mit einer einzigen Windung 28, deren Verlauf aus dem Schnitt der Figur 3 zu entnehmen ist. Ein Ende dieser Windung 28 ist über eine Abzweigung 29 mit der Stromzuführung 14 und das andere über eine radiale Verbindung 30 mit dem Festkontakt 2 verbunden. Diese Windung 28 ist in geringem Abstand, welcher in der Figur zur Verdeutlichung vergrößert dargestellt ist, unterhalb des Festkontaktes 2 angeordnet. Zur Konzentration des Magnetfeldes ist die Windung 28 von einem Polring aus magnetisch permeablem Material konzentrisch umgeben. Das in der Figur nicht näher dargestellte Magnetfeld verläuft derart, daß der Radius der Scheitellinie des Magnetfeldes nicht kleiner ist als der Radius r₂ der Kontaktbereiche 24 und 25 und nicht größer ist als der Radius r₁ des beweglichen Kontaktes 4. Die Rotation des Lichtbogens findet dann zwischen den Abbrandbereichen 26 und 27 statt.
Mit einer elektrischen Isolierung 31 zwischen der Windung 28 und dem Festkontakt 2 liegt das Magnetsystem 20 mittelbar am Festkontakt 2.
In der Ausführungsform eines Vakuumschalters gemäß Figur 4 ist dem Festkontakt 2 und dem beweglichen Kontakt 4 ein Magnetsystem 20 zugeordnet, das eine auf einen Spulenkörper 33 gewickelte Magnetspule 32 enthält, die konzentrisch zum Ende der Stromzuführung 14 unmittelbar an der Unterseite des Festkontaktes 2 angeordnet und von dem Konzentrator 22 umgeben ist und an eine externe Stromquelle 34 angeschlossen ist. In dieser Ausführungsform mit einer Magnetspule 32 mit einer größeren Anzahl von Windungen erhält man eine entsprechend erhöhte Magnetkraft auf einen zwischen den geöffneten Kontakten entstehenden Lichtbogen. In dieser Ausführungsform wird ein zentraler Kontaktbereich durch eine entsprechende Verdickung des beweglichen Kontaktes 4 gebildet.
Wenn der Vakuumschalter während einer sinusförmigen Stromhalbwelle geöffnet wird, entsteht an einer im allgemeinen nicht vorhersehbaren Stelle oder bei einem Schalter, bei dem wenigstens einer der Kontakte mit einem Kontaktbereich versehen ist, beispielsweise in Figur 2 Kontaktbereiche 24 und 25 und in Figur 4 ein Kontaktbereich 25, in diesem Kontaktbereich ein Metalldampflichtbogen, dessen Kathodenflecken unter dem Einfluß des Magnetfeldes 6 radiale Positionen r_k in der Nähe der radialen Position r_s des Scheitels des Magnetfeldes 6 einnehmen. Zugleich bewegen sich die Kathodenflecken auf einer Kreisbahn um den Mittelpunkt der Kathode, und die Erosion der Kontakte 2 und 4 wird somit entsprechend vermindert.
Der Radius der Umlaufbahn der Kathodenflecken hängt ab von der momentanen Stromstärke, weil sich das Eigenmagnetfeld des Lichtbogens dem vom Magnetsystem 20 erzeugten äußeren Magnetfeld 6 überlagert. Ferner ist der Kreisbewegung der Kathodenflecken eine statistische radiale Bewegung überlagert, deren Amplitude von der Stärke des Magnetfeldes 6 abhängt. Beide Effekte bewirken, daß die Kathodenflecken während einer sinusförmigen Stromhalbwelle einen kreisringförmigen Bereich der Kathode beanspruchen, so daß die Kontakterosion gleichmäßig verteilt wird. Die Größe dieser kreisringförmigen Erosionsfläche hängt vom Maximalwert des Lichtbogenstromes und von der Feldstärke des Magnetfeldes 6 ab.
Die Wirkung des Magnetfeldes 6 ist nicht auf den Festkontakt 2 beschränkt; sie tritt auch ein, wenn der bewegliche Kontakt 4 als Kathode wirkt, vorausgesetzt, der Kontaktabstand d ist so klein, daß sich das Magnetfeld über diesen Kontaktabstand d nicht wesentlich ändert. Dies ist der Fall, solange der Kontaktabstand d wenige Millimeter nicht wesentlich überschreitet.
In der praktischen Ausführungsform des Vakuumschalters gemäß der Erfindung werden im allgemeinen wenigstens die Kontaktbereiche 24 und 25 der beiden Kontakte 2 bzw. 4 mit einer in der Figur nicht dargestellten Auflage aus sogenanntem Kontaktmaterial versehen sein, die beispielsweise im wesentlichen aus Chrom-Kupfer, gegebenenfalls mit Zusätzen bestehen kann.

Claims

Vakuumschalter mit Schaltkontakten, die im Gehäuse einer im wesentlichen hohlzylindrischen Vakuumkammer angeordnet sind und von denen einer als Festkontakt und der andere als beweglicher Kontakt ausgebildet ist, und denen ein Magnetsystem zugeordnet ist, das außerhalb des Gehäuses am Ende der Stromzuführung zum Festkontakt angeordnet ist, dadurch gekennzeich net, daß der als Flach- oder Scheibenkontakt ausgebildete Festkontakt (2) den Boden oder den Deckel des Gehäuses (10) bildet und vom Magnetfeld (6) durchsetzt wird, dessen Feldlinien ein toroidales Gewölbe bilden, dessen Rotationsachse in der Zylinderachse der Vakuumkammer liegt und dessen kreisförmige Scheitellinien einen Radius r_s haben, der höchstens so groß ist wie der Radius r₁ des kleineren der beiden Kontakte (2, 4).
Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Magnetsystem (20) vorgesehen ist, bei dem eine zentrale Polfläche von einer ringscheibenförmigen anderen Polfläche konzentrisch umgeben ist und daß diese Polflächen wenigstens mittelbar an der Außenseite des Festkontakts (2) anliegen.
Vakuumschalter nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Magnetsystem (20) mit einem Magnetkreis vorgesehen ist, der einen zentralen, in axialer Richtung verlaufenden Teil enthält, der von einem ringförmigen Konzentrator (22) konzentrisch umgeben ist.
Vakuumschalter nach Anspruch 1 mit Schaltkontakten, von denen wenigstens einer mit einem zentralen Kontaktbereich (24, 25) versehen ist, der von einem Abbrandbereich (26 bzw. 27) umgeben ist, dadurch gekenn zeichnet, daß der Radius r_s der Scheitellinie mindestens so groß ist wie der Radius r₂ des Kontaktbereiches (24, 25).
Vakuumschalter nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das Magnetsystem (20) wenigstens eine Windung (28) der Stromzuführung (14) zum Festkontakt (2) enthält, die vom Konzentrator (22) konzentrisch umgeben ist.
Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Stromzuführung (14) zum Festkontakt (2) von einer Magnetspule (32) und einem ringförmigen Konzentrator (22) konzentrisch umgeben ist.