EP1198812B1 - Kontaktanordnung für eine vakuumschaltröhre - Google Patents

Kontaktanordnung für eine vakuumschaltröhre Download PDF

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EP1198812B1
EP1198812B1 EP00958175A EP00958175A EP1198812B1 EP 1198812 B1 EP1198812 B1 EP 1198812B1 EP 00958175 A EP00958175 A EP 00958175A EP 00958175 A EP00958175 A EP 00958175A EP 1198812 B1 EP1198812 B1 EP 1198812B1
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EP
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contact
contact region
arrangement according
contact arrangement
contact area
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Klemens Fieberg
Michael Hahn
Roman Renz
Werner Hartmann
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • 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
    • 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
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    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H2033/6648—Contacts containing flexible parts, e.g. to improve contact pressure
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/12—Auxiliary contacts on to which the arc is transferred from the main contacts

Definitions

  • the invention is in the field of electrical components and is in the design of vacuum interrupters apply where at least one of the two Contacts has an inner contact area that one outer contact area serving to extinguish the arc axially dominated.
  • Vacuum interrupters with contact arrangements of the type mentioned are known.
  • the two contacts of which in usually only one is axially movable to another with circular or slightly conical contact surfaces, facing each other.
  • Contacts called as “Impeller electrodes” or “spiral contacts” are formed, have an inner, for switching operating currents provided contact area and an outer, the inner Contact area concentrically surrounding, for switching off provided by short-circuit currents and as a tread for one rotating arc serving contact area.
  • there the inner contact area projects beyond the outer contact area by a certain, not very large amount (US 3,158,719 A, US 3,809,836 A).
  • Vacuum interrupters are also known, in which the for switching of operating currents provided contact area identical to that for switching off short-circuit currents
  • the intended contact area is.
  • These contacts are pot-like formed, the wall of the pot and optionally also the contact ring with several on the rim of the pot Slits are provided that are oblique to the longitudinal axis of the Contact arrangement run. Through these slots the Contact area can be divided into several contact sub-areas (DE 23 21 753 A1, DE 29 12 823 A1).
  • the invention provides that the inner contact area consists of several, on a pitch circle there are adjacent contact sub-areas, each contact portion from the free end a resilient, inclined against the axis of the contact arrangement Contact tongue is formed.
  • Such a configuration of the contact arrangement enables it, the one intended for switching operating currents Contact area in a larger number of about three to ten Subdivide areas, these areas as resilient Form contact tongues, each with a counter contact piece faces and the contact tongues by appropriate Dimensioning of the spring constant as far from each other mechanically to decouple that in the closed state of the contact arrangement all sections have the same contact pressure Experienced.
  • the resilient contact tongues can be arrange so that when opening and closing the contact system a rubbing movement and thus an abrasion in shape of metal chips is avoided.
  • the contact tongues can have enough design space worked out of a flat, conical shell be by axially slitting the shell wall several times.
  • the spring constant is particularly due to the thickness of the Shell wall and the number of slots or the width of the Variable contact tongues. Similar conditions exist, if the contact blades come from a flat, hollow truncated cone due to multiple axial slits in the cone shell are worked out.
  • pot contacts can also be used be worked out of a piece of pipe by its wall is provided with several oblique slots.
  • the described design of the contact tongues can be used with spiral contacts as well as with pot contacts apply.
  • the body used for the reeds can be made of dispersion-hardened copper, a special Copper alloy or from a copper-chrome material with small chromium content. It is manufactured separately and in the middle of each contact in a corresponding Arranged recess and soldered to the rest of the contact body.
  • the contact arrangement according to FIG. 1 consists of an upper one Contact 1 and a lower contact 2 along an axis A with mutually facing contact surfaces axially assigned to each other are.
  • One contact is there - not closer shown, but known way - axially movable.
  • everyone of the two contacts 1 and 2 is with a power supply 3 or 4 provided.
  • each contact is a so-called "spiral contact" trained according to European patent 0 532 513 B1
  • each slot 5 consists of two sections, of which the first section runs parallel to one to the circumference a circular recess 6 tangent and the second section of which consists of a hole, those in the area of the inner end of the first section Contact area between the first section and the circular Recess 6 breaks through.
  • the outside of the recess 6 lying area of the contact forms an outer contact area 7, for switching off short-circuit currents is provided and as a tread for a rotating Arc serves.
  • the recess 6 is so deep that it has an additional Contact body 8 can accommodate an inner Contact area 9 forms.
  • This inner contact area 9, the is intended for switching operating currents the outer, arranged concentrically to the inner contact area Contact area 7 axially by a certain length a for example 2 mm.
  • the contact body 8 has the shape of a flat, conical shell, the shell wall in axial Direction is slit several times. Through this slit 12th a plurality of contact subregions 10 are formed.
  • the one with the Contact piece 1 or 2 soldered bottom of the bowl-shaped Contact body 8 is not slotted, so that by the Slitting several inclined against the axis A of the contact arrangement, resilient contact tongues 11 are formed, the free Each end forms a contact portion 10.
  • contact area 13 is the inner one Contact area forming contact area 13 as a flat, hollow Truncated cone formed, the shell of which is axially slit several times is. However, this slit does not go to the base of the truncated cone to the contact body as a whole to be able to solder the respective contact piece.
  • a hollow cylinder in the form of a pipe section 14 used, according to Figure 5 with oblique to the axis of the contact arrangement extending slots 15 is provided, whereby resilient contact tongues 16 are formed.
  • At the top contact 1 is a contact piece within the pipe section 14 17 arranged, the 1 and 2 forms a mechanical support. With operating currents this contact piece also carries the current, which results in the least Let contact resistances be achieved. In the case of short-circuit currents take over at the beginning of the withdrawal of the additional Contact piece 17, i.e. with a slight increase in Contact resistance, the resilient contact areas of the tubular Contact body 14 and prevent current flow such a complete lifting and welding of the contact system.
  • FIGS. 6 and 7 shows one Pot contact 18, the slotted wall at the edge of the pot with an annular contact disc 19 is covered, wherein this contact disk the outer contact area of the contact forms.
  • a contact body 20 within the pot contact arranged, which is similar to the contact body 14 according to the figures 4 and 5 is formed and consists of a tube piece, the wall of which has a plurality of sloping slots 21 is provided.

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

Bei einer Vakuumschaltröhre für Leistungsschalter soll die Kontaktandruckkraft reduziert werden. Hierzu werden die Kontakte (1, 2) der Vakuumschaltröhre so ausgestaltet, daß innerhalb eines äußeren, der Lichtbogenlöschung dienenden Kontaktbereiches (7) ein innerer Kontaktbereich (9) angeordnet ist, der aus mehreren auf einem Teilkreis nebeneinander angeordneten, federnden Kontaktzungen (11) besteht.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauelemente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung von Vakuumschaltröhren anzuwenden, bei denen wenigstens einer der beiden Kontakte einen inneren Kontaktbereich aufweist, der einen äußeren, der Lichtbogenlöschung dienenden Kontaktbereich axial überragt.
Vakuumschaltröhren mit Kontaktanordnungen der genannten Art sind bekannt. Hierbei sind die beiden Kontakte, von denen in aller Regel nur der eine axial zum anderen bewegbar ist, mit kreis- oder leicht kegelförmigen Kontaktflächen ausgestattet, die einander zugewandt sind. Kontakte, die als sogenannte "Flügelradelektroden" bzw. "Spiralkontakte" ausgebildet sind, weisen einen inneren, für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehenen Kontaktbereich und einen äußeren, den inneren Kontaktbereich konzentrisch umgebenden, für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehenen und als Lauffläche für einen rotierenden Lichtbogen dienenden Kontaktbereich auf. Dabei überragt der innere Kontaktbereich den äußeren Kontaktbereich um einen gewissen, nicht sehr großen Betrag (US 3,158,719 A, US 3,809,836 A).
Es sind auch Vakuumschaltröhren bekannt, bei denen der für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehene Kontaktbereich identisch mit dem für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehene Kontaktbereich ist. Diese Kontakte sind topfartig ausgebildet, wobei die Wandung des Topfes und gegebenenfalls auch der auf dem Topfrand aufgebrachte Kontaktring mit mehreren Schlitzen versehen sind, die schräg zur Längsachse der Kontaktanordnung verlaufen. Durch diese Schlitze kann die Kontaktfläche in mehrere Kontakt-Teilflächen unterteilt sein (DE 23 21 753 A1, DE 29 12 823 A1).
Um bei Vakuumschaltröhren verschweißte Kontaktbereiche leichter voneinander trennen zu können, ist es bekannt, jedem Kontakt eine größere Anzahl von Kontaktflächen zu geben und diese elastisch an einem Hauptkontaktkörper zu haltern. Hierzu kann man einen rohrförmigen Hauptkontaktkörper mit radial nach innen ragenden Tragarmen für die Kontaktflächen versehen (US 3,869,589 A).
Für in Luft schaltende Leistungsschalter im Niederspannungsbereich ist es weiterhin an sich bekannt, den bewegbaren Kontakt in mehrere parallel zu einander angeordnete Kontaktfinger aufzuteilen, um die Kontaktandruckkraft zu verringern (US 5,210,385 A).
Bei Vakuumschaltröhren für Leistungsschalter, insbesondere für Leistungsschalter im Niederspannungsbereich (z.B. US 5,661,281), treten aufgrund der hohen Ströme hohe Kräfte an den Kontakten auf, die die Kontakte voneinander abzuheben versuchen. Diese Stromkräfte müssen durch geeigente Maßnahmen kompensiert werden, um ein Abheben der Kontakte mit der Gefahr der Verschweißung der Kontakte untereinander zu vermeiden. Bei mit Vakuumschaltröhren ausgestatteten Schaltern hat man dieses Problem bisher dadurch gelöst, daß zusätzlich zu einer permanent aufgebrachten statischen Kontaktandruckkraft eine zusätzliche Stromschleife eingesetzt wird, mit deren Hilfe kurzzeitig, d.h. insbesondere während des Auftretens von Kurzschlußströmen, hohe dynamische Magnetfeldkräfte erzeugt werden, die kontaktkraftverstärkend wirken. Dadurch muß nicht die gesamte, nur kurzzeitig benötigte Kontaktandruckkraft mechanisch aufgebracht werden. Wegen der relativ hohen Kosten solcher Stromschleifen ist die permanent mechanisch aufzubringende Kontaktkraft jedoch nach wie vor relativ groß und kann insbesondere bei hohen Strömen von mehr als 50 kA mehrere kN pro Schaltpol betragen. Dies erfordert einen entsprechend hohen mechanischen Aufwand im Schaltgerät.
Ausgehend von einer Kontaktanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, die Kontaktanordnung so auszubilden, daß die mechanische Kontaktstelle auf mehrere separate Einzelkontakte mit definierter Federkonstante verteilt ist und daß dennoch die Rotation eines Lichtbogens möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der innere Kontaktbereich aus mehreren, auf einem Teilkreis nebeneinander angeordneten Kontakt-Teilbereichen besteht, wobei jeder Kontakt-Teilbereich von dem freien Ende einer federnden, gegen die Achse der Kontaktanordnung geneigten Kontaktzunge gebildet ist.
Eine derartige Ausgestaltung der Kontaktanordnung ermöglicht es, den für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehenen Kontaktbereich in eine größere Anzahl von etwa drei bis zehn Teilbereichen aufzugliedern, diese Teilbereiche als federnde Kontaktzungen auszubilden, denen jeweils ein Gegenkontaktstück gegenübersteht und die Kontaktzungen durch entsprechende Dimensionierung der Federkonstante soweit voneinander mechanisch zu entkoppeln, daß im geschlossenen Zustand der Kontaktanordnung alle Teilbereiche eine gleich große Kontaktandruckkraft erfahren. Die federnden Kontaktzungen lassen sich dabei so anordnen, daß beim Öffnen und Schließen das Kontaktsystem eine reibende Bewegung und damit ein Abrieb in Form von metallischen Spänen vermieden wird.
Um für die Dimensionierung der Federkonstanten der Kontaktzungen genügend Gestaltungsraum zu haben, können die Kontaktzungen aus einer flachen, konischen Schale herausgearbeitet sein, indem die Schalenwand mehrfach axial geschlitzt ist. Dabei ist die Federkonstante insbesondere durch die Dicke der Schalenwand und die Anzahl der Schlitze bzw. die Breite der Kontaktzungen variierbar. Ähnliche Verhältnisse sind gegeben, wenn die Kontaktzungen aus einem flachen, hohlen Kegelstumpf durch mehrfache axial verlaufende Schlitzung des Kegelmantels herausgearbeitet sind.
In Anlehnung an die Gestaltung der geschlitzten Kontaktträger von sogenannten Topfkontakten können die Kontaktzungen auch aus einem Rohrstück herausgearbeitet sein, indem dessen Wandung mit mehreren schräg verlaufenden Schlitzen versehen ist.
Die beschriebene konstruktive Gestaltung der Kontaktzungen läßt sich sowohl bei Spiralkontakten als auch bei Topfkontakten anwenden. Der für die Kontaktzungen verwendete Körper kann dabei aus dispersionsgehärtetem Kupfer, einer speziellen Kupferlegierung oder aus einem Kupfer-Chrom-Werkstoff mit kleinem Chromanteil bestehen. Er wird gesondert gefertigt und in der Mitte des jeweiligen Kontaktes in einer entsprechenden Ausnehmung angeordnet und mit dem übrigen Kontaktkörper verlötet.
Mehrere Ausführungsbeispiele von gemäß der Erfindung ausgebildeten Kontaktanordnungen sind in den Figuren 1 bis 7 dargestellt. Dabei zeigt
Figur 1
ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kontaktanordnung, bei der der innere Kontaktbereich von einem schalenförmigen Kontaktkörper gebildet ist,
Figur 2
eine Draufsicht auf eine Kontaktanordnung gemäß Figur 1,
Figur 3
ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kontaktanordnung mit einem als hohler Kegelstumpf ausgebildeten inneren Kontaktbereich,
Figur 4
ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem als geschlitztes Rohrstück ausgebildeten inneren Kontaktbereich,
Figur 5
eine schematische Darstellung des inneren Kontaktbereiches gemäß Figur 4 in Seitenansicht und
Figuren 6 und 7
ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem ebenfalls als geschlitztes Rohrstück ausgebildeten inneren Kontaktbereich.
Die Kontaktanordnung gemäß Figur 1 besteht aus einem oberen Kontakt 1 und einem unteren Kontakt 2, die längs einer Achse A mit einander zugewandten Kontaktflächen einander axial zugeordnet sind. Der eine Kontakt ist dabei - in nicht näher dargestellter, aber bekannter Weise - axial bewegbar. Jeder der beiden Kontakte 1 und 2 ist mit einer Stromzuführung 3 bzw. 4 versehen.
Gemäß Figur 2 ist jeder Kontakt als sogenannter "Spiralkontakt" gemäß der europäischen Patentschrift 0 532 513 B1 ausgebildet, wobei jeder Schlitz 5 aus zwei Abschnitten besteht, von denen der erste Abschnitt parallel zu einer an den Umfang einer kreisförmigen Ausnehmung 6 gelegten Tangente verläuft und von denen der zweite Abschnitt aus einer Bohrung besteht, die im Bereich des inneren Endes des ersten Abschnittes die Kontaktfläche zwischen dem ersten Abschnitt und der kreisförmigen Ausnehmung 6 durchbricht. Der außerhalb der Ausnehmung 6 liegende Bereich des Kontaktes bildet einen äußeren Kontaktbereich 7, der für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehen ist und als Lauffläche für einen rotierenden Lichtbogen dient.
Die Ausnehmung 6 ist so tief ausgeführt, daß sie einen zusätzlichen Kontaktkörper 8 aufnehmen kann, der einen inneren Kontaktbereich 9 bildet. Dieser innere Kontaktbereich 9, der für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehen ist, überragt den äußeren, konzentrisch zum inneren Kontaktbereich angeordneten Kontaktbereich 7 axial um eine gewisse Länge a, die beispielsweise 2 mm beträgt.
Gemäß Figur 1 und 2 weist der Kontaktkörper 8 die Form einer flachen, konischen Schale auf, deren Schalenwand in axialer Richtung mehrfach geschlitzt ist. Durch diese Schlitzung 12 sind mehrere Kontakt-Teilbereiche 10 gebildet. Der mit dem Kontaktstück 1 bzw. 2 verlötete Boden des schalenförmigen Kontaktkörpers 8 ist nicht geschlitzt, so daß durch die Schlitzung mehrere gegen die Achse A der Kontaktanordnung geneigte, federnde Kontaktzungen 11 gebildet sind, deren freies Ende jeweils einen Kontakt-Teilbereich 10 bildet.
Bei der Kontaktanordnung gemäß Figur 3 ist der den inneren Kontaktbereich bildende Kontaktkörper 13 als flacher, hohler Kegelstumpf ausgebildet, dessen Mantel mehrfach axial geschlitzt ist. Diese Schlitzung geht jedoch nicht bis zur Basis des Kegelstumpfes, um den Kontaktkörper als ganzes mit dem jeweiligen Kontaktstück verlöten zu können.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist in die Ausnehmung 6 der Kontakte 1 und 2 als Kontaktkörper für den inneren Kontaktbereich ein Hohlzylinder in Form eines Rohrstückes 14 verwendet, der gemäß Figur 5 mit schräg zur Achse der Kontaktanordnung verlaufenden Schlitzen 15 versehen ist, wodurch federnde Kontaktzungen 16 gebildet sind. Am oberen Kontakt 1 ist innerhalb des Rohrstückes 14 zusätzlich ein Kontaktstück 17 angeordnet, das im geschlossenen Zustand der Kontakte 1 und 2 eine mechanische Auflage bildet. Bei Betriebsströmen führt dieses Kontaktstück auch den Strom, wodurch sich geringste Kontaktwiderstände erzielen lassen. Im Fall von Kurzschlußströmen übernehmen bei beginnender Abhebung des zusätzlichen Kontaktstückes 17, d.h. bei geringfügigem Anstieg des Kontaktwiderstandes, die federnden Kontaktbereiche des rohrstückartigen Kontaktkörpers 14 die Stromführung und verhindern so ein vollständiges Abheben und Verschweißen des Kontaktsystems.
Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 6 und 7 zeigt einen Topfkontakt 18, dessen geschlitzte Wandung am Topfrand mit einer ringförmigen Kontaktscheibe 19 abgedeckt ist, wobei diese Kontaktscheibe den äußeren Kontaktbereich des Kontaktes bildet. Innerhalb des Topfkontaktes ist ein Kontakkörper 20 angeordnet, der ähnlich dem Kontaktkörper 14 gemäß den Figuren 4 und 5 ausgebildet ist und aus einem Rohrstück besteht, dessen Wandung mit mehreren schräg verlaufenden Schlitzen 21 versehen ist. Der Kontaktkörper 20, der den inneren Kontaktbereich des Topfkontaktes 18 bildet, überragt die Kontaktscheibe 19 axial um die Länge b, die etwa 2 mm beträgt.

Claims (6)

  1. Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltröhre, bestehend aus zwei axial zueinander bewegbaren Kontakten (1,2) mit einander zugewandten Kontaktflächen,
    wobei jeder Kontakt einen inneren, für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehenen Kontaktbereich (9) und einen äußeren, den inneren Kontaktbereich konzentrisch umgebenden, für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehenen und als Lauffläche für einen rotierenden Lichtbogen dienenden Kontaktbereich (7) aufweist
    und wobei der innere Kontaktbereich (9) den äußeren Kontaktbereich (7) axial überragt,
    dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kontaktbereich (9) aus mehreren, auf einem Teilkreis nebeneinander angeordneten Kontakt-Teilbereichen (10) besteht, wobei jeder Kontakt-Teilbereich von dem freien Ende einer federnden, gegen die Achse (A) der Kontaktanordnung geneigten Kontaktzunge (11) gebildet ist.
  2. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kontaktbereich aus einer flachen, konischen Schale (8) besteht, deren Schalenwand mehrfach axial geschlitzt (12) ist.
  3. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kontaktbereich aus einem flachen, hohlen Kegelstumpf (13) besteht, dessen Mantel mehrfach axial geschlitzt ist.
  4. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kontaktbereich aus einem Rohrstück (14) besteht, dessen Wandung mit mehreren schräg verlaufenden Schlitzen (15) versehen ist.
  5. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kontaktbereich (7) aus den Armen eines Spiralkontaktes (1,2) besteht.
  6. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kontaktbereich aus der Kontaktfläche (19) eines Topfkontaktes (18) besteht.
EP00958175A 1999-07-21 2000-07-20 Kontaktanordnung für eine vakuumschaltröhre Expired - Lifetime EP1198812B1 (de)

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