EP0906634B1 - Kontaktanordnung für vakuumschalter - Google Patents

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EP0906634B1
EP0906634B1 EP97931617A EP97931617A EP0906634B1 EP 0906634 B1 EP0906634 B1 EP 0906634B1 EP 97931617 A EP97931617 A EP 97931617A EP 97931617 A EP97931617 A EP 97931617A EP 0906634 B1 EP0906634 B1 EP 0906634B1
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slots
slot
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01H33/6643—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having disc-shaped contacts subdivided in petal-like segments, e.g. by helical grooves

Definitions

  • the invention relates to a contact arrangement for vacuum switches, consisting of two opposite one another Switch pieces with a circular base of a predetermined Radius and central circular recess, each Switch three to six starting from a center, after has slots running outside, so that a spiral contact is formed, the contours of the slots being variable Have radius, and being the base point of the radius of the slot contours with the center of the Contact piece with a given radius coincides.
  • Such Contact arrangement is known from US-A-4 999 463.
  • Vacuum switches have become increasingly popular nowadays.
  • the contact arrangements are in the vacuum interrupters mainly designed so that a radial Magnetic field for influencing the arc arises.
  • Such an arc behavior is achieved with spiral contacts for example by making slots in the contact pieces. By designing these slots you can such a direction of current flow is forced in the contacts that the magnetic field or the Lorentz force associated with it the arc in his Movement and plasma outflow behavior influenced accordingly.
  • the object of the invention is the spiral contacts to further improve their efficiency.
  • the slots in radians have a length between 5 / 12 ⁇ and 2/3 ⁇ and the angle formed by the slot with the extent of the turn is ⁇ > ⁇ / 3.
  • the slots preferably end at the recess in the middle of the contact piece with a predetermined radius (R I ) or slightly overlap, where R I ⁇ 0.25-0.33 R K.
  • the slots can end in a circular bore before being screwed in.
  • FIG 1 and FIG 2 1 mean a contact piece that is part of a Contact arrangement for a vacuum switch is and in one associated switching tube is arranged.
  • the switching piece 1 is circularly symmetrical and has one in the center Turning 2. Starting from the turning 2 are shown in FIG. 1 four slots 3 to 6 can be seen, each spiral run and define the contact to a spiral contact.
  • slots 3 to 6 and 3 to 8 respectively the central recess 2 in circular holes 13 to 16 or 13 to 18 end.
  • the geometric configuration of the slots 3 to 6 or 3 to 8 is essential. With regard to a polar coordinate system, the origin of which coincides with the contact center, such slots have a variable radius r ( ⁇ ), the center of which coincides with the contact center.
  • the slots 3 to 8 end at the so-called recess in the middle of the contact pieces with the radius R I or slightly overlap them.
  • a rapid start and commutation of the arc is achieved by means of slot contours, which are screwed in at the largest possible angle ⁇ > ⁇ 3rd cut and the extent of the contact at the smallest possible angle ⁇ ⁇ ⁇ 6 .
  • the form factors a and f can be within certain Limits can be varied. It has a downsizing of parameter a itself by a factor of 100 in all cases only a very slight influence on the slot contour.
  • magnification is up in the first two cases 100 or 50%, in the remaining cases limited to 75%, if the contact splitting can be realized in practice should.
  • the change is part of a sensible interpretation of the contacts of the parameter f up and down to the factor 2 limited.
  • FIG. 3 shows the slot contours resulting in the given five cases together with the limits within which they can change with the indicated variations of a and f.
  • Other mathematical descriptions of the slot contours given here or those that differ only slightly from this are also possible. This is e.g. B. by series developments or linear combinations of the relationships given here, but also linking the expressions in square brackets in cases 1 to 5 according to possible. Common features are the properties according to 6.1 - 6.5 and the fact that the base point of the radius of the slot contour coincides with the contact center.
  • the slot in this area can be replaced by a bore 13 to 18 with the diameter d according to FIG.
  • the holes 13 to 18 should either touch the recess or overlap slightly.
  • the diameter is appropriately upwards d ⁇ 3 * b . limited.
  • the distance e of the center of this hole from the slot contour is in the range 0 ⁇ e ⁇ d - b 2nd .
  • Appendix 5 shows an example of holes, their centers do not lie on the slot contour.

Landscapes

  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter, bestehend aus zwei einander gegenüberliegenden Schaltstücken mit kreisförmiger Grundfläche von vorgegebenem Radius und zentraler kreisförmiger Eindrehung, wobei jedes Schaltstück drei bis sechs von einem Zentrum ausgehende, nach außen verlaufende Schlitze aufweist, so daß ein Spiralkontakt gebildet ist, wobei die Konturen der Schlitze einen variablen Radius aufweisen, und wobei der Fußpunkt des Radius der Schlitzkonturen mit dem Mittelpunkt des Kontaktstückes mit vorgegebenem Radius zusammenfällt. Eine derartige Kontaktanordnung ist aus US-A-4 999 463 bekannt. Vakuumschalter haben sich in letzter Zeit zunehmend durchgesetzt. Neben dem Mittelspannungsbereich werden auch Anwendungen im Hochspannungs- bzw. Niederspannungsbereich vorgeschlagen. Bei letzterem sind die Kontaktanordnungen in den Vakuumschaltröhren hauptsächlich so konzipiert, daß ein radiales Magnetfeld zur Beeinflussung des Lichtbogens entsteht.
Der bei Kurzschlußabschaltungen in Vakuumschaltröhren mit Radialmagnetfeldkontakten entstehende kontrahierte Metalldampflichtbogen soll sich möglichst rasch von seinem Entstehungsort im Zentralbereich der Kontakte wegbewegen. Dadurch werden lokale thermische Überlastungen der Kontaktoberflächen vermieden. Auch im weiteren zeitlichen Verlauf der Abschaltung soll eine große Wärmebeanspruchung durch ein rasches kontinuierliches Bogenlaufen in den Randzonen der Schaltstücke verhindert werden. Zudem soll die nach außen gerichtete Plasmaströmung aus dem Lichtbogen möglichst klein sein, um die Schirmbelastung niedrig zu halten.
Bei Spiralkontakten erreicht man ein solches Lichtbogenverhalten beispielsweise durch das Anbringen von Schlitzen in den Schaltstücken. Durch die Gestaltung dieser Schlitze kann in den Kontakten eine solche Richtung des Stromflusses erzwungen werden, daß das dadurch verursachte Magnetfeld bzw. die damit verknüpfte Lorentzkraft den Lichtbogen in seinem Bewegungs- und Plasma-Abströmverhalten entsprechend beeinflußt.
Bei bekannten Spiralkontakten, die in kommerziellen Vakuumschaltröhren eingesetzt werden, treten entweder beim Loslaufen des Lichtbogens oder beim nachfolgenden Umlaufen in den Kontaktrandzonen aber auch beim Übergang zwischen beiden Bewegungsphasen Schwierigkeiten auf. Außerdem kann das Kommutieren des Lichtbogens über die Schlitze hinweg erschwert sein, wenn der Betrag der antreibenden Magnetkraft zwar groß ist, aber die den Lichtbogen bewegende Azimutalkomponente zu klein und die die Plasmaströmung auf den Schirm antreibende Radialkomponente zu groß ist. Bei diesen Beispielen verlaufen die Schlitze entweder geradlinig, oder ihre Kontur zeichnet sich durch einen konstanten Krümmungsradius aus.
Im US-Patent 4 999 463 wird eine Schlitzkontur mathematisch beschrieben, welche einen variablen Radius besitzt, dessen Fußpunkt nicht mit dem Schaltstückmittelpunkt zusammenfällt. Dadurch kann der Schlitz bis an die Eindrehung der Kontakte heranreichen, und so ein Verharren des Lichtbogens beim Loslaufen vermieden werden. In diesem Fall scheint aber die Radial- und Azimutalkomponenten der auf den Lichtbogen wirkenden Lorentzkraft am äußeren Ende des Spiralflügels so groß bzw. so klein zu sein, daß zum einen dessen Kommutierung erschwert ist, zum anderen die thermische Schirmbelastung zu groß wird. Außerdem wird durch den kleinen Schnittwinkel zwischen Schlitzkontur und Umfang der Eindrehung das Loslaufen des Lichtbogens erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Spiralkontakte in ihrem Wirkungsgrad weiter zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei der eingangs genannten Kontaktanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schlitze im Bogenmaß eine Länge zwischen 5/12π and 2/3 π haben und der vom Schlitz mit dem umfang der Eindrehung gebildete Winkel > π / 3 ist. Vorzugsweise enden die Schlitze an der in der Mitte des Schaltstückes liegenden Eindrehung mit vorgegebenem Radius (RI) oder überschneiden diese geringfügig, wobei RI ≈ 0,25 - 0,33 RK ist. Insbesondere können die Schlitze vor der Eindrehung in einer kreisförmigen Bohrung enden.
Mit der Erfindung sind Schaltstücke mit drei bis sechs, vorzugsweise mit vier Schlitzen, so gestaltet, daß die auf den Lichtbogen wirkende Magnetkraft sowohl in den zentralen als auch in den peripheren Kontaktbereichen ein optimales Verhalten aufweist. Damit ist gegenüber dem Stand der Technik eine beachtliche Verbesserung bewirkt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen
FIG 1
die Draufsicht auf einen neuen Spiralkontakt als Teil der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung,
FIG 2
einen Schnitt durch FIG 1 längs der Linie II-II,
FIG 3
verschiedene Varianten der Schlitzkonturführung,
FIG 4
einen Spiralkontakt mit vier Schlitzen, die vor der Eindrehung in Kreisbohrungen enden, und
FIG 5
einen solchen Spiralkontakt mit sechs Schlitzen.
Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben. Gleiche und gleich wirkende Teile haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen.
In FIG 1 und FIG 2 bedeuten 1 ein Schaltstück, das Teil einer Kontaktanordnung für einen Vakuumschalter ist und dazu in einer zugehörigen Schaltröhre angeordnet wird. Das Schaltstück 1 ist kreissymmetrisch ausgebildet und hat im Zentrum eine Eindrehung 2. Von der Eindrehung 2 ausgehend sind in FIG 1 vier Schlitze 3 bis 6 ersichtlich, die jeweils spiralförmig verlaufen und das Schaltstück zu einem Spiralkontakt definieren.
Werden zwei solcher Spiralkontakte einander gegenüber gestellt, entsteht durch den Stromfluß ein radiales Magnetfeld, das einen kontrahierten Lichtbogen in eine azimutale, durch die Geometrie des Spiralkontaktes vorgegebene Bewegung versetzt.
Statt vier Schlitze können ebenso gut sechs Schlitze vorhanden sein. Für die Praxis kann es sich empfehlen wie in FIG 4 und 5 dargestellt, daß die Schlitze 3 bis 6 bzw. 3 bis 8 vor der zentralen Eindrehung 2 in kreisförmigen Bohrungen 13 bis 16 bzw. 13 bis 18 enden.
Wesentlich ist die geometrische Ausbildung der Schlitze 3 bis 6 bzw. 3 bis 8. Bezüglich eines Polarkoordinatensystems, dessen Ursprung mit dem Kontaktmittelpunkt zusammenfällt, weisen solche Schlitze einen variablen Radius r(ϕ) auf, dessen Mittelpunkt mit dem Kontaktmittelpunkt zusammenfällt. Die Schlitze 3 bis 8 enden an der in der Mitte der Schaltstücke liegende sog. Eindrehung mit dem Radius RI oder überschneiden diese geringfügig. Mit RK als Kontaktradius gilt RI ≤ r(ϕ) ≤ RK und RI = 0,25 ... 0,33 * RK
Die im Bogenmaß angegebene Länge der Schlitze liegt typischerweise bei Ψ = 512 ···23 π
Die Breite b der Schlitze beträgt etwa 4-10 % des Kontaktdurchmessers D = 2*RK, d. h. b = 0.04...0.1*D
Ein rasches Loslaufen und Kommutieren des Lichtbogens wird durch Schlitzkonturen erreicht, die die Eindrehung unter einem möglichst großen Winkel  > π3 schneiden und den Umfang des Kontaktes unter einem möglichst kleinen Winkel  < π6 .
Magnetfelder, die die Lichtbogenbewegung in ihrer Gesamtphase günstig beeinflussen, werden beispielsweise durch solche Schlitzkonturen erreicht, die in fünf Fällen analytisch beschrieben werden:
  • 1. Fall
    Figure 00050001
  • 2. Fall
    Figure 00050002
  • 3. Fall
    Figure 00060001
  • 4. Fall
    Figure 00060002
  • 5. Fall
    Figure 00060003
    • Für eine Feinabstimmung der Kontur der Schlitze 3 bis 8 hinsichtlich des Magnetfeldes oder auch aus fertigungstechnischen Gründen können die Formfaktoren a und f innerhalb bestimmter Grenzen variiert werden. Dabei hat eine Verkleinerung des Parameters a selbst um den Faktor 100 in allen Fällen nur einen sehr geringen Einfluß auf die Schlitzkontur.
    Dagegen ist die Vergrößerung in den ersten beiden Fällen auf 100 bzw. 50 %, in den restlichen Fällen auf 75 % beschränkt, wenn die Kontaktschitzung in der Praxis realisierbar sein soll.
    Im Rahmen einer sinnvollen Auslegung der Kontakte ist die Änderung des Parameters f nach oben und unten auf den Faktor 2 beschränkt.
    FIG 3 zeigt die sich in den angegebenen fünf Fällen ergebenden Schlitzkonturen zusammen mit den Grenzen, innerhalb der sie sich bei den angegebenen Variationen von a und f ändern können. Ganz entsprechend sind auch andere mathematische Beschreibungen der hier angegebenen Schlitzkonturen oder solcher, die nur geringfügig davon abweichen möglich. Dies ist z. B. durch Reihenentwicklungen oder Linearkombinationen der hier angegebenen Beziehungen, aber auch Verknüpfung der bei den Fällen 1 bis 5 in eckiger Klammer stehenden Ausdrücke gemäß
    Figure 00070001
    möglich. Gemeinsames Merkmal sind dabei die Eigenschaften nach 6.1 - 6.5 und die Tatsache, daß der Fußpunkt des Radius der Schlitzkontur mit dem Kontaktmittelpunkt zusammenfällt.
    Da beim Fräsen der Kontaktschlitze 3 bis 8 in der Nähe der Eindrehung, wegen des hier vorkommenden kleinen Krümmungsradius, aus maschinentechnischen Gründen Schwierigkeiten auftreten können, kann gemäß FIG 4 der Schlitz in diesem Bereich durch eine Bohrung 13 bis 18 mit dem Durchmesser d ersetzt werden. Die Bohrungen 13 bis 18 sollten die Eindrehung entweder berühren oder geringfügig überlappen. Der Durchmesser ist sinnvollerweise nach oben gemäß d ≤ 3*b . begrenzt.
    Die Entfernung e des Mittelpunktes dieser Bohrung von der Schlitzkontur liegt im Bereich 0 ≤ e ≤ d - b 2 .
    Anlage 5 zeigt ein Beispiel für Bohrungen, deren Mittelpunkte nicht auf der Schlitzkontur liegen.
    Es ist möglich, die in FIG. 4 aufgeführten scharfen Kanten bei den Übergängen Flügel-Schlitz oder Bohrung-Schlitz ebenso wie Flügelspitzen durch Rundungen mit einem Krümmungsradius RS = 0.25···1.0*b zu ersetzen, wenn die Wiederzündungswahrscheinlichkeit reduziert werden muß.

    Claims (18)

    1. Kontaktanordnung für Vakuumschalter, bestehend aus zwei einander gegenüberliegenden Schaltstücken mit kreisförmiger Grundfläche von vorgegebenem Radius (RK) und zentraler kreisförmiger Eindrehung (2), wobei jedes Schaltstück (1) drei bis sechs von einem Zentrum ausgehende nach außen verlaufende Schlitze (3-8) aufweist, so daß ein Spiralkontakt gebildet ist, wobei die Konturen der Schlitze (3-8) einen variablen Radius (r(ϕ)) aufweisen, und wobei der Fußpunkt des Radius (r(ϕ)) der Schlitzkonturen mit dem Mittelpunkt (10) des Schaltstückes (1) mit vorgegebenem Radius (RK) zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (3-8) im Bogenmaß eine Länge zwischen 5/12π und 2/3 π haben und der vom einzelnen Schlitz (3-8) mit dem Umfang der Eindrehung (2) gebildete Winkel  > π / 3 ist.
    2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (3-8) an der Eindrehung (2) mit vorgegebenem Radius (RI) enden oder diese geringfügig überschneiden, wobei RI ≈ 0,25 ... 0,33 · RK ist.
    3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (3-8) vor der Eindrehung (2) in kreisförmigen Bohrungen (13-18) enden.
    4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Radius (r(ϕ)) der Schlitzkonturen gilt: RI ≤ r(ϕ) ≤ RK.
    5. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird:
      Figure 00100001
      mit 0,01 < a 1 < 2 und 0,15 < f 1 < 0,6
    6. Kontaktanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß a 1 = 1 und f 1 = 0.30 ist.
    7. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird:
      Figure 00100002
      mit 0,01 < a 2 < 1,5 und 0,25 < f 2 < 1
    8. Kontaktanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß a 2 = 1 f 2 = 0.50 ist.
    9. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird:
      Figure 00100003
      mit 0.01 < a 3 < 1.75 und 0.19 < f 3 < 0.76
    10. Kontaktanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß a 3 = 1 und f 3 = 0.38 ist.
    11. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird:
      Figure 00100004
      mit 0.01 < a 4 < 0.88 und 0.37 < f 4 < 1.5
    12. Kontaktanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß a 4 = 0.5 und f 4 = 0.75 ist.
    13. Kontaktanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird:
      Figure 00110001
      mit 0.34 < f 5 < 1.35
    14. Kontaktanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß f 5 = 0.67 ist.
    15. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch Linearkombinationen und/oder Reihenentwicklungen der angegebenen Beziehungen.
    16. Kontaktanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzkontur durch folgende Beziehung beschrieben wird:
      Figure 00110002
    17. Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) der Schlitze (3-8) kleiner als 1/10 des Durchmessers (D) ist.
    18. Kontaktanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß für die Breite (b) der Schlitze (3-8) gilt: 0,04 D ≤ b ≤ 0,1 D.
    EP97931617A 1996-06-21 1997-06-16 Kontaktanordnung für vakuumschalter Expired - Lifetime EP0906634B1 (de)

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    DE19624920 1996-06-21
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    PCT/DE1997/001221 WO1997050105A1 (de) 1996-06-21 1997-06-16 Kontaktanordnung für vakuumschalter

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    Publication Number Publication Date
    EP0906634A1 EP0906634A1 (de) 1999-04-07
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    US (1) US6140599A (de)
    EP (1) EP0906634B1 (de)
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