EP1344237B1 - Kontaktanordnung für eine vakuumschaltröhre - Google Patents

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EP1344237B1
EP1344237B1 EP01271643A EP01271643A EP1344237B1 EP 1344237 B1 EP1344237 B1 EP 1344237B1 EP 01271643 A EP01271643 A EP 01271643A EP 01271643 A EP01271643 A EP 01271643A EP 1344237 B1 EP1344237 B1 EP 1344237B1
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upper layer
contact arrangement
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Michael Hahn
Werner Hartmann
Roman Renz
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Siemens AG
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    • H01H33/6643—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having disc-shaped contacts subdivided in petal-like segments, e.g. by helical grooves
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    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H2033/6648—Contacts containing flexible parts, e.g. to improve contact pressure

Definitions

  • the invention is in the field of electrical components and is in the structural design of vacuum interrupters apply, the contact arrangement of two coaxial arranged contacts with facing contact surfaces exists, with each contact as a flat, Mobilear-miger Spiral contact formed and at least one contact is axially movable.
  • Such contacts have in all Usually four arms, but can also be formed six-armed be (DE 196 24'920 A1).
  • Embodiments of the spiral contacts is the inner one Area of the contact surface formed as a recess, so that the intended for the switching of operating currents contact area with that for switching off short-circuit currents provided contact area is identical (EP 0 532 513 B1, DE 198 02 893 A1, DE 199 10 148 A1).
  • the object of the invention is to design the contact arrangement in such a way that the mechanical contact point between the two contacts on several separate individual contacts with a defined spring constant is distributed and that nevertheless the rotation of a Arc is possible.
  • each contact as at least two-layer contact body with a lower layer of a highly elastic material and an upper layer of a good electrical conductivity Material exists, with both layers cohesively connected to each other, and that in the outer area each Needlesarmes arranged a pad of a contact material is.
  • the contact arrangement are through a layer structure of the individual contacts the functions mechanical stability and electrical conductivity separated, wherein in the mechanical Stability-ensuring layer additionally spring properties integrated by the electrically conductive Layer are attenuated only slightly.
  • the mechanical Stability-ensuring layer additionally spring properties integrated by the electrically conductive Layer are attenuated only slightly.
  • the individual spiral contacts can from a electrically well conductive, relatively expensive Material existing layer can be kept as thin as it which require electrical requirements.
  • By the back feeding this layer with a resilient layer is a premature fatigue break the - usually - made of a brittle contact material existing electrically avoided conductive layer.
  • Suitable for these purposes preferably materials from the group of stainless steels while high-purity copper for the electrically conductive layer should be used. It is useful for the lower and the top layer has a thickness of about 3 to 5 mm each and for the edition a thickness of about 2 mm is selected.
  • This edition is suitably made of a material that copper and Contains chromium, preferably from a proven copper-chromium sintered material. Optionally, this material can also be used for the electrically conductive layer. In this Case can be to ensure the required electrical Properties between the two layers a copper layer be arranged.
  • the contacts As 5-, preferably Form 6-arm spiral contacts.
  • the two contacts 1 and 2 of the contact arrangement according to FIG 1 are formed according to Figure 2 as dearmige (10) spiral contacts and consist of a contact carrier 3 and the actual Contact body 4.
  • each disc-shaped contact body 4 has a lower Layer 6 and an upper layer 7; the layers 6 and 7 are materially interconnected, in particular soldered. On the upper layer 7 contact pads 9 are arranged.
  • the contact body 4 sits on a contact carrier. 3 on, which is provided with a gradation 8 and by a Drill hole in the lower layer 6 directly with the upper Layer 7 is connected.
  • the contact carrier 3 made of high-purity copper
  • the lower layer 6 made of a stainless steel
  • the top layer 7 of high purity copper and the contact pads 9 made of a copper-chromium sintered material.
  • the contact arms 10 of the two spiral contacts 1 and 2 formed by special slots 11, similar the arrangement known from EP 0 532 513 B1.
  • pie slots are worked out of the disk-shaped contact body 4, having a central recess 5, so that at Switch the insertion of the arc in the area of the arms is guaranteed.
  • Each contact support 9 is at the Ends of the contact arms 10, ie in the outer region of the contact arms, arranged.
  • FIG. 3 shows a contact body 12, which has six arms is, being at the ends of the spiraling Contact arms 13 each a contact pad 14 is arranged.

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

Abstract

Um bei Vakuumschaltröhren für Niederspannungs-Leistungsschalter die zur Beherrschung von Kurzschlussströmen erforderliche Kontaktkraft zu reduzieren, wird eine aus zwei Kontakten bestehende Kontaktanordnung gewählt, bei der jeder Kontakt mehrere separate Einzelkontakte mit definierter Federkonstante aufweist. Hierzu ist wenigstens einer der Kontaktkörper (4) als zweischichtiger Spiralkontakt mit einer unteren Schicht aus einem hochelastischen Werkstoff und einer oberen Schicht (7) aus einem elektrisch gut leitendem Material ausgebildet; auf der oberen Schicht ist im äußeren Bereich jedes Kontaktarmes (10) eine Kontaktauflage (9) aus einem Kontaktwerkstoff vorgesehen.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauelemente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung von Vakuumschaltröhren anzuwenden, deren Kontaktanordnung aus zwei koaxial angeordneten Kontakten mit einander zugewandten Kontaktflächen besteht, wobei jeder Kontakt als flacher, mehrar-miger Spiralkontakt ausgebildet und wenigstens der eine Kontakt axial bewegbar ist. Derartige Kontakte weisen in aller Regel vier Arme auf, können aber auch sechsarmig ausgebildet sein (DE 196 24'920 A1).
In US 4 695 689 A ist eine Kontaktanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart.
Kontaktanordnungen der genannten Art für Vakuumschaltröhren sind als sogenannte "Flügelradelektroden" oder "Spiralkontakt" bekannt und weisen häufig 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). Bei anderen bekannten Ausführungsformen der Spiralkontakte ist der innere Bereich der Kontaktfläche als Vertiefung ausgebildet, so dass der für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehene Kontaktbereich mit dem für das Ausschalten von Kurzschlussströmen vorgesehenen Kontaktbereich identisch ist (EP 0 532 513 B1, DE 198 02 893 A1, DE 199 10 148 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 zueinander angeordnete Kontaktfinger aufzuteilen, um die Kontaktandruckkraft zu verringern (US 5,210,385 A).
Bei Vakuumschaltröhren für Leistungsschalter, insbesondere für Leistungsschalter im Niederspannungsbereich (DE 199 10 148 A1), treten aufgrund der hohen Ströme hohe Kräfte an den Kontakten auf, die die Kontakte voneinander abzuheben versuchen. Diese Stromkräfte müssen durch geeignete 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 die Aufgabe zugrunde, die Kontaktanordnung so auszubilden, dass die mechanische Kontaktstelle zwischen den beiden Kontakten 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 jeder Kontakt als wenigstens zweischichtiger Kontaktkörper mit einer unteren Schicht aus einem hochelastischen Werkstoff und einer oberen Schicht aus einem elektrisch gut leitendem Material besteht, wobei beide Schichten stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und dass im äußeren Bereich jedes Kontaktarmes eine Auflage aus einem Kontaktwerkstoff angeordnet ist.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Kontaktanordnung sind durch einen Schichtaufbau der einzelnen Kontakte die Funktionen der mechanischen Stabilität und der elektrischen Leitfähigkeit voneinander getrennt, wobei in die die mechanische Stabilität gewährleistende Schicht zusätzlich Federeigenschaften integriert sind, die durch die elektrische leitende Schicht nur unwesentlich gedämpft werden. Durch die Auflagen aus einem Kontaktwerkstoff sind dabei erhabene Kontaktstellen vorgegeben, die zur einer federnden Biegebeanspruchung der Arme der Spiralkontakte führen. - Bei einer derartigen Ausgestaltung der einzelnen Spiralkontakte kann die aus einem elektrisch gut leitenden, vergleichsweise kostenaufwendigen Material bestehende Schicht so dünn gehalten werden, wie es die elektrischen Anforderungen erfordern. Durch die Hinterfütterung dieser Schicht mit einer federelastischen Schicht wird ein vorzeitiger Ermüdungsbruch der - in aller Regel - aus einem spröden Kontaktwerkstoff bestehenden elektrisch leitenden Schicht vermieden. Für diese Zwecke eignen sich vorzugsweise Werkstoffe aus der Gruppe der Edelstähle, während für die elektrisch leitende Schicht hochreines Kupfer zum Einsatz kommen sollte. Zweckmäßig wird für die untere und die obere Schicht eine Dicke von jeweils etwa 3 bis 5 mm und für die Auflage eine Dicke von etwa 2 mm gewählt. Diese Auflage besteht zweckmäßig aus einem Werkstoff, der Kupfer und Chrom enthält, vorzugsweise aus einem bewährten Kupfer-Chrom-Sinterwerkstoff. Gegebenenfalls kann dieser Werkstoff auch für die elektrisch leitende Schicht verwendet werden. In diesem Fall kann zur Gewährleistung der erforderlichen elektrischen Eigenschaften zwischen den beiden Schichten eine Kupferschicht angeordnet sein.
Um die mechanische Kontaktstelle zwischen den beiden Spiralkontakten auf möglichst viele separate Einzelkontakte zu verteilen, empfiehlt es sich, die Kontakte als 5-, vorzugsweise 6-armige Spiralkontakte auszubilden.
Zwei Ausführungsbeispiele der neuen Kontaktanordnung sind in den Figuren 1 bis 3 dargestellt. Dabei zeigt Figur 1 eine erste Kontaktanordnung mit vierarmigen Spiralkontakten im Querschnitt,
  • Figur 2 eine Draufsicht auf einen Kontakt der Anordnung gemäß Figur 1 und
  • Figur 3 eine Draufsicht auf einen Kontakt einer zweiten Kontaktanordnung mit sechsarmigen Spiralkontakten.
    • Die beiden Kontakte 1 und 2 der Kontaktanordnung gemäß Figur 1 sind gemäß Figur 2 als vierarmige (10) Spiralkontakte ausgebildet und bestehen aus einem Kontaktträger 3 und dem eigentlichen Kontaktkörper 4.
    Dabei weist jeder scheibenförmige Kontaktkörper 4 eine untere Schicht 6 und eine obere Schicht 7 auf; die Schichten 6 und 7 sind stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere verlötet. Auf der oberen Schicht 7 sind Kontaktauflagen 9 angeordnet. Der Kontaktkörper 4 sitzt auf einem Kontaktträger 3 auf, der mit einer Abstufung 8 versehen ist und durch eine Bohrung in der unteren Schicht 6 hindurch direkt mit der oberen Schicht 7 verbunden ist. Dabei bestehen der Kontaktträger 3 aus hochreinem Kupfer, die untere Schicht 6 aus einem Edelstahl, die obere Schicht 7 aus hochreinem Kupfer und die Kontaktauflagen 9 aus einem Kupfer-Chrom-Sinterwerkstoff.
    Gemäß Figur 2 sind die Kontaktarme 10 der beiden Spiralkontakte 1 und 2 durch spezielle Schlitze 11 gebildet, ähnlich der aus der EP 0 532 513 B1 bekannten Anordnung. pie Schlitze sind aus dem scheibenförmigen Kontaktkörper 4 herausgearbeitet, der eine mittige Vertiefung 5 aufweist, damit beim Schalten das Einsetzen des Lichtbogens im Bereich der Arme gewährleistet ist. Jeweils eine Kontaktauflage 9 ist an den Enden der Kontaktarme 10, also im äußeren Bereich der Kontaktarme, angeordnet.
    Figur 3 zeigt einen Kontaktkörper 12, der sechsarmig ausgebildet ist, wobei an den Enden der spiralförmig verlaufenden Kontaktarme 13 jeweils eine Kontaktauflage 14 angeordnet ist.

    Claims (5)

    1. Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltröhre, bestehend aus zwei koaxial angeordneten Kontakten (1,2) mit einander zugewandten Kontaktflächen,
      bei der jeder Kontakt als flacher, mehrere Kontaktarme (10,13) aufweisender Spiralkontakt (1) ausgebildet und wenigstens einer der Kontakte axial bewegbar ist und
      bei der wenigstens einer der beiden Kontakte als wenigstens zweischichtiger Kontaktkörpe (4) mit einer unteren Schicht (6) aus einem hochelastischen Werkstoff und einer oberen Schicht (7) aus einem elektrisch gut leitenden Material
      gebildet ist,
      wobei beide Schichten stoffschlüssig miteinander verbunden
      sind,
      dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der Kontaktarme (10,13) eine Auflage (9,14) aus einem Kontaktwerkstoff angeordnet ist.
    2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1
      dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schicht (6) aus Edelstahl, die obere Schicht (7) aus hochreinem Kupfer und die Auflagen (9,14) aus einem Werkstoff, der Kupfer und Chrom enthält, bestehen.
    3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2
      dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der unteren und der oberen Schicht (6, 7) jeweils etwa 3 bis 5 mm und die Dicke der Auflage (9,14) etwa 2 mm trägt.
    4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1
      dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schicht aus Edelstahl und die obere Schicht aus einem Werkstoff, der Kupfer und Chrom enthält, besteht und dass zwischen diesen beiden Schichten eine hochreine Kupfer-Schicht angeordnet ist.
    5. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4
      dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kontakt als sechsarmiger Spiralkontakt (12) ausgebildet ist.
    EP01271643A 2000-12-21 2001-11-27 Kontaktanordnung für eine vakuumschaltröhre Expired - Lifetime EP1344237B1 (de)

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    DE10065091 2000-12-21
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    Publication Number Publication Date
    EP1344237A1 EP1344237A1 (de) 2003-09-17
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    Inventor name: HARTMANN, WERNER

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