EP2642500A1 - DC-Schalter ohne Löschkammern - Google Patents

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EP2642500A1
EP2642500A1 EP12160540.6A EP12160540A EP2642500A1 EP 2642500 A1 EP2642500 A1 EP 2642500A1 EP 12160540 A EP12160540 A EP 12160540A EP 2642500 A1 EP2642500 A1 EP 2642500A1
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EP
European Patent Office
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switch according
current
conductors
arc
dropouts
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12160540.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Gerving
Volker Lang
Johannes Meissner
Ralf Thar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eaton Industries GmbH
Original Assignee
Eaton Industries GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eaton Industries GmbH filed Critical Eaton Industries GmbH
Priority to EP12160540.6A priority Critical patent/EP2642500A1/de
Priority to PCT/EP2013/055856 priority patent/WO2013139870A1/de
Priority to DE112013001624.9T priority patent/DE112013001624A5/de
Publication of EP2642500A1 publication Critical patent/EP2642500A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/46—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using arcing horns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/44—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/44—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet
    • H01H9/443—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using blow-out magnet using permanent magnets
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts

Definitions

  • the invention relates to a switch, in particular with extinguishing chamber-free switching chamber to achieve a high electrical life, wherein the switch, which is provided in particular for a DC operation, two current partial conductor for guiding a load current, wherein in an on state, an electrically conductive connection between the two current divider conductors is provided, which is interrupted in an off state.
  • a magnetic field is provided for influencing an arc caused by the interruption of the electrically conductive connection between the two current dividing conductors.
  • Electrical switches are components in a circuit that establish or disconnect an electrically conductive connection by means of internal, electrically conductive contacts. With a live connection to be cut, current flows through the contacts until they are separated. When a circuit is disconnected by a switch, the current flow does not reduce immediately to zero, so that an arc can form between the contacts.
  • the arc is a gas discharge by a per se non-conductive medium, such as air.
  • AC alternating current
  • arcs usually erase at the zero crossing of the alternating current. Since such a zero crossing of the current in switches with DC operation (DC) is missing, stable arcing can occur when disconnecting the contacts.
  • the circuit If the circuit is operated with sufficient current and voltage, for example, more than about one ampere and more than 50 volts, the arc does not automatically go out. For this reason, in such switches, the extinction of the arc is accelerated by the use of a magnetic field that is poled to exert a driving force on the arc toward a quenching chamber. To generate a strong magnetic field permanent magnets are used as a rule.
  • the so-called magnetic blowing field is either externally over Permanent magnet system or via a generated in the switch own magnetic field, caused by suitable structural design of the current paths in the switching device, generates and drives the switching arc in an extinguishing system, for example in the form of a so-called Deion chamber, where by dividing into several partial arcs with simultaneous cooling through the chamber walls a rapid increase in the arc voltage occurs, so that the switching arc extinguished at the latest when reaching the driving voltage and thus a permanent interruption of the electrical current is effected.
  • a switch is for example in the document EP 2 061 053 A2 described.
  • the contact arrangement associated with a certain burnup of contact material by evaporation or Verspratzen;
  • the switching chamber walls and the extinguishing chambers continue to be thermally stressed, which results in an additional limitation of the electrical life of the switching device.
  • the thermal stress of the switch during the switching process is particularly high in the case of high arc performance and in the absence or low mobility of the arc, which has a comparatively high contact erosion and locally high thermal loads on the materials in the area of the contacts and the switching chamber result.
  • switching arcs with a high energy content often cause flashbacks.
  • Object of the present invention is to realize a switch, preferably for DC currents, in which it by continuous energy extraction at At the same time only low thermal load of the switch components to a fast extinction of the switching arcs comes.
  • the switch according to the invention has two current part conductors for guiding a load current, wherein in an on state an electrically conductive connection between the two current part conductors is provided, which is interrupted in an off state.
  • a magnetic field is provided for influencing an arc caused by the interruption of the electrically conductive connection between the two current dividing conductors.
  • a coil is arranged around at least one of the current partial conductors, wherein the coil is provided as a guide device for the arc.
  • a coil in the sense of the invention is to be understood as meaning a device made of material which is conductive at least on the surface and which is suitable for guiding the arc along and simultaneously around the current conductor.
  • the coil consists of a single layer turns, the turns do not touch. Alternatively, a designation as a helical or helical coil would be appropriate for the arc guide device.
  • the magnetic field acts on the arc in such a way that it is conducted along the coil.
  • the thermal load of the switch is minimized.
  • only a comparatively small proportion of contact material is melted and evaporated by the rapid magnetic "blowing away" of the arcs from the contacts, the contact erosion is correspondingly low.
  • the arcs have due to the blowing forces acting no way to remain in the same place and thereby damage the switch components by heat.
  • the arc front moves in this way continuously through a gas environment that is still in the cold state and in the previously no ionization of Gas particles is done.
  • the arc undergoes a constant energy withdrawal by cooling and in addition a significantly reduced tendency to reignition. Due to the continuous energy withdrawal, the arc current decreases steadily, at the same time the burning voltage experiences a rapid increase, which at the latest when reaching the driving voltage to extinguish the arc and thus leads to permanent interruption of the switching path.
  • a reduction of the thermal arc effect on the components of the switching chamber is realized. As a result, this leads to an increase in the electrical life of the switch.
  • a double-breaking bridge contact piece is provided for making and interrupting the electrically conductive connection between the two current divider conductors, wherein a coil is arranged around each of the two current divider conductors as an arc guiding device.
  • the current partial conductors have a substantially cylindrical shape and are arranged along a longitudinal axis.
  • the current partial conductors on the circumference in each case preferably have a peripheral contact region, in particular of erosion-resistant contact material, for contacting corresponding contact pieces of a bridge contact element.
  • the contacting takes place on the circumference of the current partial conductor, where the arcs initially arise, which are also performed over the circumference of the current partial conductor.
  • the current partial conductors have a bead-like thickening, which in each case extends helically around a longitudinal axis on the circumference.
  • a slope of the helices of the bead-like thickening corresponds to a slope of the helical coils, so that the thickening faces the arc conductor everywhere.
  • extend the arc bases advantageously along the apex line of the bead-like thickening.
  • Mutually facing dropouts of the coils preferably extend into the interior of the coil such that the bridge contact is located between the current dividers and the dropouts, thereby facilitating passage of the arc from the bridge contact to the coils. This further assists in when the bridge switch is positioned in the off state immediately adjacent to the dropouts, and more particularly when the bridge switch has recesses that partially surround the dropouts in the off state.
  • Another variant is that the remotely located ends of the coils are not interconnected and instead in the off state, an electrically conductive contact is made by physical contact between the dropouts and the bridge contactor. The person skilled in the art recognizes that, even with an arc presence, a continuous electrically conductive connection between the power connections always has to be realized - until the current is interrupted by the extinction of at least one of the arcs.
  • a permanent magnet arrangement is provided, each with two subassemblies, wherein each two substantially parallel aligned permanent magnets form a subassembly, wherein a first subassembly generates substantially parallel to the current part conductors extending field lines, ie at the front ends the deflection coils is arranged, and wherein a second subassembly generates field lines extending substantially orthogonal to the current subconductors.
  • the second subassembly generates field lines parallel to the dropouts.
  • the actually resulting field lines of the permanent magnet arrangement are the result of a superposition of magnetic fields, so that the aforementioned parallel field lines do not occur on their own.
  • the permanent magnet arrangement is preferably equipped with permanent magnets made of rare earth materials, for example Nd-Fe-B or Sa-Co, for obtaining a high magnetic field strength.
  • the magnetic poles of the permanent magnets are suitably connected to U-shaped pole plates to obtain a magnetic field of high homogeneity.
  • the switch in each case has a plate of insulating material, preferably of ceramic or thermosetting plastic, which is arranged between the located at the front ends of the deflection coils permanent magnets or their pole plates and the outer ends of the deflection coils to protect the permanent magnetic assembly from arcing, especially in the case of overcurrents.
  • a diameter of the coils expands spirally starting from the dropouts.
  • the switching arcs are continuously extended during their spiral rotation, which increases the resistance of the arc column and thus the arc voltage steadily.
  • a faster extinction of the switching arc is effected.
  • Coils of metal U-profile can be used particularly advantageously, wherein a rounded web portion of the U-profile faces the coil interior.
  • the arc bases advantageously extend along the apex line of the U-profile.
  • the switch is hermetically sealed and with a switching gas of hydrogen or a strong filled hydrogen-containing gas mixture.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a first embodiment of the switch according to the invention. It is shown a largely concentric switching arrangement, in the longitudinal axis X, two axially aligned, cylindrical current partial conductor 10, 11 are arranged to guide a load current.
  • an electrical connection preferably by contacting with an electrically conductive bridge contact piece 20, which is mounted in a movable switching bridge 25, made with two contact pieces 21 of a preferably burn-and welded contact material at the end between the two sub-conductors 10, 11 .
  • the bridge switch piece 20 is, for example, mechanically connected to a magnetic drive (not shown), which causes movement of the bridge switch piece 20 perpendicular to the longitudinal axis X of the cylindrical current conductor 10, 11, which is represented by the double arrow P.
  • the two contact pieces 21 of the bridge contact piece 20 contact the mutually facing ends of the cylindrical Stromteilleiter 10, 11 on the circumference, in particular directly in a region behind the end faces.
  • the peripheral region 12 affected by the contacting likewise consists, analogously to the bridge contacts 21, of a preferably burn-off and welded contact material.
  • the two cylindrical current partial conductors 10, 11 are coaxially surrounded by two axially aligned in the axial direction X arranged coils 31, 32, which consist at least on the surface of electrically conductive material and which further consist of a single layer turns, which do not touch mechanically.
  • the two outer ends of these so-called deflection coils are electrically connected to each other.
  • Two inside dropouts 35, 36 of these coils 31, 32 are each angled towards the inside of the coil, wherein the bridge switching piece 20 is positioned in each case between the dropout 35, 36 and the peripheral region 12 of the current partial conductor 10, 11.
  • the two dropouts 35, 36 parallel to each other, offset in the axial direction X, wherein the offset substantially corresponds to a length of the bridge contact piece 20.
  • An unillustrated variant is that the remotely located ends of the coils are separated and instead, in the off state, an electrically conductive contact is made by physical contact between the dropouts 35, 36 and the bridge contactor 20.
  • a permanent magnet arrangement consisting of two individual sub-assemblies, each with two mutually parallel permanent magnets.
  • one of these two sub-assemblies consists of two individual, located behind the outer end faces of the deflection and arranged parallel to each other, plate-shaped permanent magnets 41, 42 which build up an approximately homogeneous magnetic field inside the deflection coils 31, 32, wherein the field lines parallel to the two axially oriented cylindrical flow part conductors 10, 11 extend.
  • this magnetic field can also be formed by a system of two plane-parallel, magnetically highly conductive sheets, which are connected to a permanent magnet in such a way that there is an approximately homogeneous magnetic field between these pole plates.
  • a second permanent magnetic subassembly is formed in such a way that outside the circumference of the deflection coils 31, 32 at the level of the two dropouts 35, 36 there are two further permanent magnets 45, 46 which are perpendicular to the longitudinal axis X in the area of the switching contacts, in particular parallel to the dropouts 35, 36 form an approximately homogeneous magnetic field, which is perpendicular to the magnetic field of the first subassembly 41, 42.
  • the two axially aligned current partial conductors 10, 11 are connected to one another by the bridge contact piece 20, so that the load current flows through the two current partial conductors 10, 11 and the bridge contact piece 20 in full length.
  • the bridge contact piece 20 When switching off, between the opening bridge contact piece 20 and the two peripheral regions 12 at the ends of the current partial conductors 10, 11, two parallel switching arcs with opposite current flow direction are formed.
  • the magnetic field generated by the two other permanent magnets 45, 46 causes a force component, which moves the two partial arcs in each case along the longitudinal axis X from each other to the outside.
  • a very fast commutation of the two arc base points of the bridge contact piece 20 on the dropouts 35, 36 of the deflection coils 31, 32 achieved is determined by this Lorentz force component of the spiral structure of the deflection coils 31, 32, in the direction of the outer End faces directed movement supported.
  • the thermal load of the switch is minimized.
  • the contact erosion is correspondingly low.
  • the arcs have due to the blowing forces acting no way to remain in the same place and thereby damage the switch components by heat.
  • the arc front moves in this way continuously through a gas environment that is still in the cold state and in the previously no ionization of gas particles is done.
  • the arc undergoes a constant energy withdrawal by cooling and in addition a significantly reduced tendency to reignition. Due to the continuous withdrawal of energy, the arc current decreases steadily, at the same time the burning voltage experiences a rapid increase, which at the latest when reaching the driving voltage leads to the extinction of the arc and thus to a permanent interruption of the switching path.
  • the dimensions of the described switching arrangement and the magnetic field strengths of the permanent magnetic arrangements are dimensioned so that the switching arcs always extinguish in the rated current operation before they reach outer ends of the deflection coil 31, 32.
  • To protect the permanent magnetic arrangement 41, 42 at the end faces of the deflection coils 31, 32 against arcing in the case of overcurrents is between the permanent magnet 41, 42 or the pole plates and the outer ends of the deflection coils 31, 32 each have a plate of insulating material 50, preferably made of ceramic or a thermosetting plastic.
  • FIG. 2 a second embodiment of the switch according to the invention with deflection coils 31, 32 is shown of conical shape 60, wherein an outer diameter of the coils 31, 32 increases continuously from the dropouts 35, 36 in the axial direction in each case towards the outside.
  • the switching arcs are continuously extended during their spiral rotation, which increases the resistance of the arc column and thus the arc voltage steadily.
  • a faster extinction of the switching arc is effected.
  • the in the FIGS. 1 and 2 recognizable bead-like thickening 15 along the power dividers 10, 11 are in the FIG. 3 shown schematically in detail.
  • the current partial conductor 10 has the bead-like thickening 15, which extends helically around the longitudinal axis X on the circumference.
  • a pitch of the helices of the bead-like thickenings 15 corresponds to a pitch of the helical coils 31, 32, so that the thickening 15 faces the arc conductor everywhere.
  • the arc root points advantageously extend along the apex line of the bead-like thickening 15.

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  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

Schalter, insbesondere mit löschkammerfreier Schaltkammer zur Erzielung einer hohen elektrischen Lebensdauer, wobei der Schalter, der insbesondere für einen Gleichstrombetrieb vorgesehen ist, zwei Stromteilleiter zur Führung eines Laststroms umfasst, wobei in einem eingeschalteten Zustand eine elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern vorgesehen ist, welche in einem ausgeschalteten Zustand unterbrochen ist. Ein Magnetfeld ist zur Beeinflussung eines durch die Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern hervorgerufenen Lichtbogens vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere mit löschkammerfreier Schaltkammer zur Erzielung einer hohen elektrischen Lebensdauer, wobei der Schalter, der insbesondere für einen Gleichstrombetrieb vorgesehen ist, zwei Stromteilleiter zur Führung eines Laststroms umfasst, wobei in einem eingeschalteten Zustand eine elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern vorgesehen ist, welche in einem ausgeschalteten Zustand unterbrochen ist. Ein Magnetfeld ist zur Beeinflussung eines durch die Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern hervorgerufenen Lichtbogens vorgesehen.
  • Elektrische Schalter sind Komponenten in einem Stromkreis, die mittels interner, elektrisch leitender Kontakte eine elektrisch leitende Verbindung herstellen oder trennen. Bei einer zu trennenden, stromführenden Verbindung fließt Strom durch die Kontakte, bis diese voreinander getrennt werden. Wenn ein Stromkreis durch einen Schalter getrennt wird, reduziert sich der Stromfluss nicht unmittelbar auf Null, so dass es zur Bildung eines Lichtbogens zwischen den Kontakten kommen kann. Der Lichtbogen ist eine Gasentladung durch ein an sich nichtleitendes Medium, wie beispielsweise Luft. In Schaltern mit Wechselstrombetrieb (AC) löschen Lichtbögen in der Regel beim Nulldurchgang des Wechselstroms. Da ein solcher Nulldurchgang des Stroms in Schaltern mit Gleichstrombetrieb (DC) fehlt, können beim Trennen der Kontakte stabile Lichtbögen entstehen. Sofern der Stromkreis bei ausreichender Stromstärke und Spannung betrieben wird, beispielsweise bei mehr als etwa ein Ampere und mehr als 50 Volt, verlischt der Lichtbogen nicht selbsttätig. Aus diesem Grund wird bei derartigen Schaltern die Löschung des Lichtbogens durch die Verwendung eines magnetischen Felds beschleunigt, das so gepolt ist, dass es eine treibende Kraft auf den Lichtbogen in Richtung einer Löschkammer ausübt. Zur Erzeugung eines starken Magnetfelds werden in der Regel Permanentmagnete verwendet. Das sogenannte magnetische Blasfeld wird entweder extern über ein Permanentmagnetsystem oder auch über ein im Schalter erzeugtes Eigenmagnetfeld, hervorgerufen durch geeignete konstruktive Ausgestaltung der Strombahnen im Schaltgerät, erzeugt und treibt den Schaltlichtbogen in ein Löschsystem, beispielsweise in Form einer sogenannten Deion-Kammer, wo durch Aufteilung in mehrere Teillichtbögen bei gleichzeitiger Kühlung durch die Kammerwände eine schnelle Erhöhung der Lichtbogenspannung erfolgt, so dass der Schaltlichtbogen spätestens bei Erreichen der treibenden Spannung verlischt und damit eine dauerhafte Unterbrechung des elektrischen Stroms bewirkt wird. Ein solcher Schalter ist beispielsweise in der Druckschrift EP 2 061 053 A2 beschrieben.
  • Je nach Energiegehalt des Lichtbogens kommt es hierbei zu einer unterschiedlich hohen thermischen Belastung zum einen der Kontaktanordnung, verbunden mit einem gewissen Abbrand an Kontaktwerkstoffs durch Verdampfen oder Verspratzen; thermisch belastet werden weiterhin die Schaltkammerwände sowie die Löschkammern, was im Ergebnis zu einer zusätzlichen Begrenzung der elektrischen Lebensdauer des Schaltgeräts führt. Die thermische Beanspruchung des Schalters während des Schaltvorgangs ist besonders hoch im Fall großer Lichtbogenleistungen sowie bei fehlender oder geringer Mobilität des Lichtbogens, was einen vergleichsweise hohen Kontaktabbrand sowie örtlich hohe thermische Belastungen der Materialien im Bereich der Kontakte und der Schaltkammer zur Folge hat. Ebenso kommt es bei Schaltlichtbögen mit hohem Energiegehalt häufig zu Rückzündungen. Hierbei kommt es in einem Volumenbereich der Schaltstrecke, deren elektrische Leitfähigkeit sich durch Deionisierung der umgebenden Gase bereits deutlich vermindert hat, zu einer erneuten Durchzündung des Lichtbogens, verbunden mit einem abrupten Einbruch der Lichtbogenspannung. Wiederholte Rückzündungen können die Gesamtbrenndauer des Schaltlichtbogens erheblich verlängern, was mit einer erhöhten thermischen Belastung des Schaltgeräts einher geht. Über viele Schaltungen betrachtet, bedeutet dies eine Verkürzung der elektrischen Lebensdauer des Schalters.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schalter, vorzugsweise für DC-Ströme zu realisieren, bei dem es durch kontinuierlichen Energieentzug bei gleichzeitig nur geringer thermischer Belastung der Schalterkomponenten zu einem schnellen Verlöschen der Schaltlichtbögen kommt.
  • Die Aufgabe wird durch den Schalter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
  • Der erfindungsgemäße Schalter weist zwei Stromteilleiter zur Führung eines Laststroms auf, wobei in einem eingeschalteten Zustand eine elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern vorgesehen ist, welche in einem ausgeschalteten Zustand unterbrochen ist. Ein Magnetfeld ist zur Beeinflussung eines durch die Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern hervorgerufenen Lichtbogens vorgesehen. Erfindungsgemäß ist mindestens um einen der Stromteilleiter herum eine Spule angeordnet, wobei die Spule als Leitvorrichtung für den Lichtbogen vorgesehen ist. Als Spule im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung aus zumindest an der Oberfläche leitfähigem Material zu verstehen, die geeignet ist, den Lichtbogen entlang des Stromteilleiters und gleichzeitig um diesen herum zu leiten. Die Spule besteht dazu aus einer einzelnen Lage Windungen, wobei die Windungen sich nicht berühren. Alternativ wäre eine Bezeichnung als schraubenlinienförmige oder spiralförmige Wendel für die Lichtbogenleitvorrichtung zutreffend.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Magnetfeld derart auf den Lichtbogen wirkt, das dieser entlang der Spule geleitet wird. Durch die so erzielte kontinuierliche Bewegung des Schaltlichtbogens wird die thermische Belastung des Schalters minimiert. Zum einen wird durch das schnelle magnetische "Wegblasen" der Lichtbögen von den Kontakten nur ein vergleichsweise geringer Anteil an Kontaktwerkstoff aufgeschmolzen und verdampft, der Kontaktabbrand ist dementsprechend gering. Zum anderen haben die Lichtbögen aufgrund der wirkenden Blaskräfte keine Möglichkeit, auf der gleichen Stelle zu verharren und dabei die Schalterkomponenten durch Hitzeeinwirkung zu schädigen. Weiterhin bewegt sich die Lichtbogenfront auf diese Weise kontinuierlich durch eine Gasumgebung, die sich noch im kalten Zustand befindet und in der zuvor noch keine Ionisierung von Gaspartikeln erfolgt ist. Dadurch erfährt der Lichtbogen einen ständigen Energieentzug durch Kühlung und zusätzlich eine deutlich reduzierte Neigung zu Rückzündungen. Durch den kontinuierlichen Energieentzug nimmt der Lichtbogenstrom stetig ab, gleichzeitig erfährt die Brennspannung einen raschen Anstieg, was spätestens beim Erreichen der treibenden Spannung zum Erlöschen des Lichtbogens und damit zur dauerhaften Unterbrechung der Schaltstrecke führt. Durch die vorliegende Erfindung wird eine Verringerung der thermischen Lichtbogeneinwirkung auf die Komponenten der Schaltkammer realisiert. Dies führt im Ergebnis zu einer Erhöhung der elektrischen Lebensdauer des Schalters.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein doppeltunterbrechendes Brückenschaltstück zur Herstellung und Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern vorgesehen, wobei um jeden der zwei Stromteilleiter herum eine Spule als Lichtbogenleitvorrichtung angeordnet ist. Nachfolgend wird die Erfindung vorwiegend mit Bezug auf diese doppeltunterbrechende Version des Schalters mit zwei Spulen beschrieben. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch eine Anwendung auf eine einzelne Spule möglich ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stromteilleiter eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen und entlang einer Längsachse angeordnet sind. An einander zugewandten Enden weisen die Stromteilleiter auf dem Umfang jeweils bevorzugt einen Umfangskontaktbereich, insbesondere aus abbrandfestem Kontaktwerkstoff, zur Kontaktierung entsprechender Kontaktstücke eines Brückenschaltstücks auf. So erfolgt die Kontaktierung auf dem Umfang der Stromteilleiter, wo auch die Lichtbögen zunächst entstehen, die ebenfalls über den Umfang der Stromteilleiter geführt werden. Die Stromteilleiter weisen dazu insbesondere eine wulstartige Verdickung auf, welche sich jeweils schraubenlinienförmig um eine Längsachse auf dem Umfang erstreckt. Eine Steigung der Schraubenlinien der wulstartigen Verdickungen entspricht dabei einer Steigung der schraubenlinienförmigen Spulen, so dass die Verdickung überall dem Lichtbogenleiter zugewandt ist. Bei einer solchen Anordnung verlaufen die Lichtbogenfußpunkte vorteilhaft entlang der Scheitellinie der wulstartigen Verdickung.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass entfernt voneinander angeordnete Enden der Spulen miteinander verbunden sind. Dadurch lässt sich bei einer doppelt unterbrechenden Schaltbrücke der Stromfluss durch die zwei antiparallelen Lichtbögen und über die verbundenen Spulen führen. Alternativ bei nur einer Spule deren Ende mit dem Stromteilleiter des Gegenpols leitend verbunden sein. Auch bei zwei Spulen besteht diese alternative Ausgestaltungsmöglichkeit, wobei die entfernten Enden der zwei Spulen jeweils mit dem Stromteilleiter des Gegenpols leitend verbunden sind.
  • Einander zugewandte Ausfallenden der Spulen erstrecken sich vorzugsweise derart in das Spuleninnere hinein, dass das Brückenschaltstück zwischen den Stromteilleitern und den Ausfallenden angeordnet ist, wodurch ein Übergang des Lichtbogens von dem Brückenschaltstück auf die Spulen erleichtert wird. Dazu trägt weiterhin unterstützend bei, wenn das Brückenschaltstück in dem ausgeschalteten Zustand unmittelbar benachbart zu den Ausfallenden positioniert ist und insbesondere, wenn das Brückenschaltstück Ausnehmungen aufweist, welche die Ausfallenden in dem ausgeschalteten Zustand teilweise umfangen. Eine weitere Variante besteht darin, dass die entfernt voneinander angeordnete Enden der Spulen nicht miteinander verbunden sind und statt dessen im ausgeschalteten Zustand ein elektrisch leitender Kontakt durch physische Berührung zwischen den Ausfallenden und dem Brückenschaltstück hergestellt ist. Der Fachmann erkennt, dass auch bei Lichtbogenpräsenz immer eine durchgehend elektrisch leitende Verbindung zwischen den Stromanschlüssen realisiert sein muss - solange, bis der Strom durch das Erlöschen mindestens eines der Lichtbögen unterbrochen wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Permanentmagnetanordnung mit jeweils zwei Teilanordnungen vorgesehen, wobei jeweils zwei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Permanentmagneten eine Teilanordnung bilden, wobei eine erste Teilanordnung im Wesentlichen parallel zu den Stromteilleitern verlaufende Feldlinien erzeugt, also an den stirnseitigen Enden der Ablenkspulen angeordnet ist, und wobei eine zweite Teilanordnung im Wesentlichen orthogonal zu den Stromteilleitern verlaufende Feldlinien erzeugt. Insbesondere erzeugt die zweite Teilanordnung parallel zu den Ausfallenden verlaufende Feldlinien. Die tatsächlich sich ergebenden Feldlinien der Permanentmagnetanordnung sind das Ergebnis einer Überlagerung von Magnetfeldern, so dass die zuvor genannten parallelen Feldlinien für sich nicht auftreten. Die Permanentmagnetanordnung ist vorzugsweise mit Permanentmagneten aus Materialien mit Anteilen seltener Erden, zum Beispiel Nd-Fe-B oder Sa-Co zur Erzielung einer hohen Magnetfeldstärke ausgestattet. Besonders bevorzugt sind die magnetischen Polen der Permanentmagnete geeignet mit U-förmigen Polblechen zur Erzielung eines Magnetfeldes von hoher Homogenität verbunden. Weiterhin bevorzugt weist der Schalter jeweils eine Platte aus Isolierstoff, vorzugsweise aus Keramik oder duroplastischem Kunststoff, auf, welche zwischen den an den stirnseitigen Enden der Ablenkspulen befindlichen Permanentmagneten oder deren Polplatten und den äußeren Enden der Ablenkspulen zum Schutz der permanentmagnetischen Anordnung vor Lichtbogeneinwirkung angeordnet ist, insbesondere im Fall von Überströmen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Durchmesser der Spulen sich von den Ausfallenden ausgehend spiralförmig erweitert. Auf diese Weise werden die Schaltlichtbögen während ihrer spiraligen Rotationsbewegung kontinuierlich verlängert, was den Widerstand der Lichtbogensäule und damit auch die Bogenspannung stetig vergrößert. Im Vergleich zu einer ähnlich dimensionierten Schaltanordnung mit Ablenkspulen von zylindrischer Gestalt wird ein schnelleres Erlöschen des Schaltlichtbogens bewirkt.
  • Besonders vorteilhaft können Spulen aus metallenem U-Profil verwendet werden, wobei ein gerundeter Stegbereich des U-Profils dem Spuleninneren zugewandt ist. Bei einer solchen Anordnung verlaufen die Lichtbogenfußpunkte vorteilhaft entlang der Scheitellinie des U-Profils.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, ist der Schalter hermetisch gekapselt und mit einem Schaltgas aus Wasserstoff oder einem stark wasserstoffhaltigen Gasgemisch gefüllt. Durch die im Vergleich zur konventionellen Atmosphärenluft erheblich verbesserte Lichtbogenkühlung wird die Bogenbrenndauer erheblich verkürzt, was eine vergleichsweise kompakte Auslegung der Schaltanordnung ermöglicht.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Ausführungen sind beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
  • Es zeigen
    • Figur 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters,
    • Figur 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters,
    • Figuren 3 und 4 Details der Ausführungsbeispiele aus den Figuren 1 und 2.
  • Die Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters. Es ist eine weitgehend konzentrische Schaltanordnung dargestellt, in deren Längsachse X zwei axial fluchtend angeordnete, zylindrische Stromteilleiter 10, 11 zur Führung eines Laststroms angeordnet sind. Im eingeschalteten Fall wird zwischen den beiden Teilleitern 10, 11 eine elektrische Verbindung, vorzugsweise durch Kontaktierung mit einem elektrisch leitenden Brückenschaltstück 20, das in einer beweglichen Schaltbrücke 25 gelagert ist, mit zwei Kontaktstücken 21 aus einem vorzugsweise abbrand- und verschweißfesten Kontaktwerkstoff an dessen Ende hergestellt. Das Brückenschaltstück 20 ist beispielsweise mechanisch mit einem Magnetantrieb (nicht dargestellt) verbunden, welcher eine Bewegung des Brückenschaltstücks 20 senkrecht zur Längsachse X der zylindrischen Stromteilleiter 10, 11 bewirkt, was durch den Doppelpfeil P dargestellt ist. Im Einschaltfall kontaktieren die beiden Kontaktstücke 21 des Brückenschaltstücks 20 die einander zugewandten Enden der zylindrischen Stromteilleiter 10, 11 auf deren Umfang, insbesondere unmittelbar in einem Bereich hinter deren Stirnflächen. Der von der Kontaktierung betroffene Umfangsbereich 12 besteht dabei analog zu den Brückenkontakten 21 ebenfalls aus einem vorzugsweise abbrand- und verschweißfesten Kontaktwerkstoff.
  • Die beiden zylindrischen Stromteilleiter 10, 11 sind koaxial von zwei in axialer Richtung X fluchtend angeordneten Spulen 31, 32 umgeben, die zumindest an der Oberfläche aus elektrisch leitendem Material bestehen und die weiterhin aus einer einzelnen Lage Windungen bestehen, die sich mechanisch nicht berühren. Die beiden äußeren Enden dieser sogenannten Ablenkspulen sind dabei elektrisch miteinander verbunden. Zwei innenseitige Ausfallenden 35, 36 dieser Spulen 31, 32 sind dabei jeweils ins Spuleninnere hin abgewinkelt, wobei das Brückenschaltstück 20 jeweils zwischen dem Ausfallende 35, 36 und dem Umfangsbereich 12 der Stromteilleiter 10, 11 positioniert ist. Weiterhin bevorzugt verlaufen die beiden Ausfallenden 35, 36 parallel zueinander, in axialer Richtung X versetzt, wobei der Versatz im Wesentlichen einer Länge des Brückenschaltstücks 20 entspricht. Durch die beschriebene Anordnung kommt es im geöffneten Schaltzustand zu einer Beinahe-Kontaktierung zwischen den Ausfallenden 35, 36 der Ablenkspulen 31, 32 und den beiden Enden des Brückenschaltstücks 20 auf der den Brückenkontakten 21 abgewandten Seite, welche in der Figur 4 im Detail dargestellt ist. Das Brückenschaltstück 20 ist in dem ausgeschalteten Zustand unmittelbar benachbart zu den Ausfallenden 35, 36 positioniert und weist insbesondere eine Ausnehmung auf, welche die Ausfallenden 35, 36 in dem ausgeschalteten Zustand teilweise umfängt.
  • Eine nicht abgebildete Variante besteht darin, dass die entfernt voneinander angeordnete Enden der Spulen getrennt sind und statt dessen im ausgeschalteten Zustand ein elektrisch leitender Kontakt durch physische Berührung zwischen den Ausfallenden 35, 36 und dem Brückenschaltstück 20 hergestellt ist.
  • Die so beschriebene Anordnung befindet sich im Innern einer Permanentmagnetanordnung, bestehend aus zwei einzelnen Teilanordnungen mit jeweils zwei parallel zueinander stehenden Permanentmagneten. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besteht eine dieser beiden Teilanordnungen aus zwei einzelnen, hinter den äußeren Stirnflächen der Ablenkspule befindlichen und parallel zueinander angeordneten, plattenförmigen Permanentmagneten 41, 42, die im Inneren der Ablenkspulen 31, 32 ein angenähert homogenes Magnetfeld aufbauen, wobei die Feldlinien parallel zu den beiden axial ausgerichteten zylindrischen Stromteilleitern 10, 11 verlaufen. Alternativ kann dieses Magnetfeld auch durch ein System aus zwei planparallelen, magnetisch gut leitenden Blechen gebildet werden, welche mit einem Permanentmagneten in der Weise verbunden sind, dass sich zwischen diesen Polplatten ein angenähert homogenes Magnetfeld befindet.
  • Ein zweite permanentmagnetische Teilanordnung ist in der Weise ausgebildet, dass sich außerhalb des Umfangs der Ablenkspulen 31, 32 in Höhe der beiden Ausfallenden 35, 36 zwei weitere Permanentmagnete 45, 46 befinden, die in Richtung senkrecht zu der Längsachse X im Bereich der Schaltkontakte, insbesondere parallel zu den Ausfallenden 35, 36 ein angenähert homogenes Magnetfeld ausbilden, das senkrecht zu dem Magnetfeld der ersten Teilanordnung 41, 42 steht.
  • Im eingeschalteten Zustand sind die beiden axial fluchtenden Stromteilleiter 10, 11 durch das Brückenschaltstück 20 miteinander verbunden, so dass der Laststrom die beiden Stromteilleiter 10, 11 und das Brückenschaltstück 20 in voller Länge durchfließt. Beim Ausschaltvorgang entstehen zwischen dem sich öffnenden Brückenschaltstück 20 und den beiden Umfangsbereichen 12 an den Enden der Stromteilleiter 10, 11 zwei parallele Schaltlichtbögen mit gegenläufiger Stromflussrichtung. Aufgrund der beiden permanentmagnetischen Anordnungen 41, 42, 45, 46 wirken auf beide Teillichtbögen am Ort ihres Entstehens magnetische Felder mit vektoriellen Komponenten sowohl in Richtung parallel zur Längsachse X der Stromteilleiter 10, 11, als auch orthogonal dazu, parallel zu den Ausfallenden 35, 36. Hierdurch entsteht aufgrund der wirkenden Lorentzkräfte eine magnetische Blaswirkung, die bei korrekter Polung des Schalters beide Teillichtbögen jeweils in eine spiralige, entgegengesetzt nach außen gerichtete Drehbewegung versetzt. Hierbei kommutieren zunächst die auf den Brückenkontakten 21 ruhenden Fußpunkte der beiden Teillichtbögen auf die unmittelbar benachbart angeordneten inneren Ausfallenden 35, 36 der Ablenkspulen 31, 32, um sich sodann aufgrund der magnetischen Blaswirkung diametral entgegengesetzt auf den Innenseiten der Ablenkspulen 31, 32, der Spiralstruktur folgend, nach außen, von einander fort zu bewegen. Die auf den Stromteilleitern 10, 11 fortschreitenden Fußpunkte der Lichtbögen vollziehen auf der zylindrischen Oberfläche die gleiche Spiralbewegung. Im Ergebnis erfährt die Lichtbogensäule eine permanente spiralige Drehbewegung, die durch das von den an den Stirnseiten der Ablenkspulen befindlichen Permanentmagneten 41, 42 erzeugte Magnetfeld bewirkt wird. Zusätzlich bewirkt das von den beiden anderen Permanentmagneten 45, 46 erzeugte Magnetfeld eine Kraftkomponente, die die beiden Teillichtbögen jeweils entlang der Längsachse X von einander fort nach außen bewegt. Hierdurch wird zum einen ein sehr schnelles Kommutieren der beiden Lichtbogenfußpunkte vom Brückenschaltstück 20 auf die Ausfallenden 35, 36 der Ablenkspulen 31, 32 erzielt, zum anderen wird durch diese Lorentzkraft-Komponente die von der Spiralstruktur der Ablenkspulen 31, 32 vorgegebene, in Richtung deren äußerer Stirnflächen gerichtete Bewegung unterstützt.
  • Durch die so erzielte kontinuierliche Bewegung der beiden Schaltlichtbögen wird die thermische Belastung des Schalters minimiert. Zum einen wird durch das schnelle magnetische "Wegblasen" der Lichtbögen von den Kontakten nur ein vergleichsweise geringer Anteil an Kontaktwerkstoff aufgeschmolzen und verdampft, der Kontaktabbrand ist dementsprechend gering. Zum anderen haben die Lichtbögen aufgrund der wirkenden Blaskräfte keine Möglichkeit, auf der gleichen Stelle zu verharren und dabei die Schalterkomponenten durch Hitzeeinwirkung zu schädigen. Weiterhin bewegt sich die Lichtbogenfront auf diese Weise kontinuierlich durch eine Gasumgebung, die sich noch im kalten Zustand befindet und in der zuvor noch keine Ionisierung von Gaspartikeln erfolgt ist. Dadurch erfährt der Lichtbogen einen ständigen Energieentzug durch Kühlung und zusätzlich eine deutlich reduzierte Neigung zu Rückzündungen. Durch den kontinuierlichen Energieentzug nimmt der Lichtbogenstrom stetig ab, gleichzeitig erfährt die Brennspannung einen raschen Anstieg, was spätestens beim Erreichen der treibenden Spannung zum Erlöschen des Lichtbogens und damit zur dauerhaften Unterbrechung der Schaltstrecke führt.
  • Die Abmessungen der beschriebenen Schaltanordnung sowie die magnetischen Feldstärken der permanentmagnetischen Anordnungen sind so bemessen, dass die Schaltlichtbögen im Nennstrombetrieb immer bereits verlöschen, bevor sie die äußeren Enden der Ablenkspule 31, 32 erreichen. Zum Schutz der permanentmagnetischen Anordnung 41, 42 an den Stirnseiten der Ablenkspulen 31, 32 vor Lichtbogeneinwirkung im Fall von Überströmen befindet sich zwischen den Permanentmagneten 41, 42 oder deren Polplatten und den äußeren Enden der Ablenkspulen 31, 32 jeweils eine Platte aus Isolierstoff 50, vorzugsweise aus Keramik oder einem duroplastischen Kunststoff.
  • In der Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters mit Ablenkspulen 31, 32 von konischer Gestalt 60 dargestellt, wobei ein Außendurchmesser der Spulen 31, 32 sich von den Ausfallenden 35, 36 ausgehend in axialer Richtung jeweils nach außen hin kontinuierlich vergrößert. Auf diese Weise werden die Schaltlichtbögen während ihrer spiraligen Rotationsbewegung kontinuierlich verlängert, was den Widerstand der Lichtbogensäule und damit auch die Bogenspannung stetig vergrößert. Im Vergleich zu einer ähnlich dimensionierten Schaltanordnung mit Ablenkspulen von zylindrischer Gestalt wird ein schnelleres Erlöschen des Schaltlichtbogens bewirkt.
  • Die in den Figuren 1 und 2 erkennbaren wulstartigen Verdickungen 15 entlang den Stromteilleitern 10, 11 sind in der Figur 3 schematisch im Detail dargestellt. Der Stromteilleiter 10 weist die wulstartige Verdickung 15 auf, welche sich schraubenlinienförmig um die Längsachse X auf dem Umfang erstreckt. Eine Steigung der Schraubenlinien der wulstartigen Verdickungen 15 entspricht dabei einer Steigung der schraubenlinienförmigen Spulen 31, 32, so dass die Verdickung 15 überall dem Lichtbogenleiter zugewandt ist. Bei einer solchen Anordnung verlaufen die Lichtbogenfußpunkte vorteilhaft entlang der Scheitellinie der wulstartigen Verdickung 15.

Claims (15)

  1. Schalter mit zwei Stromteilleitern (10, 11) zur Führung eines Laststroms, wobei in einem eingeschalteten Zustand eine elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern (10, 11) vorgesehen ist, welche in einem ausgeschalteten Zustand unterbrochen ist, wobei ein Magnetfeld zur Beeinflussung eines durch die Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern (10, 11) hervorgerufenen Lichtbogens vorgesehen ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens um einen der Stromteilleiter (10) herum eine Spule (31) angeordnet ist, wobei die Spule (31) als Leitvorrichtung für den Lichtbogen vorgesehen ist.
  2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld derart auf den Lichtbogen wirkt, das dieser entlang der Spule (31) geleitet wird.
  3. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein doppeltunterbrechendes Brückenschaltstück (20) zur Herstellung und Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern (10, 11) vorgesehen ist, wobei um jeden der zwei Stromteillei-ter (10, 11) herum eine Spule (31, 32) als Lichtbogenleitvorrichtung an-geordnet ist.
  4. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromteilleiter (10, 11) eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen und entlang einer Längsachse angeordnet sind.
  5. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromteilleiter (10, 11) an einander zugewandten Enden auf dem Umfang jeweils einen Umfangskontaktbereich (12) zur Kontaktierung entsprechender Kontaktstücke (21) eines Brückenschaltstücks (20) aufweisen.
  6. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromteilleiter (10, 11) eine wulstartige Verdickung (15) aufweisen, welche sich jeweils schraubenlinienförmig um eine Längsachse auf dem Umfang erstreckt.
  7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steigung der Schraubenlinien der wulstartigen Verdickungen (15) einer Steigung der schraubenlinienförmigen Spulen (31, 32) entspricht.
  8. Schalter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass entfernt voneinander angeordnete Enden der Spulen (31, 32) miteinander verbunden sind.
  9. Schalter nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass einander zugewandte Ausfallenden (35, 36) der Spulen (31, 32) sich derart in das Spuleninnere hinein erstrecken, dass das Brückenschaltstück (20) zwischen den Stromteilleitern (10, 11) und den Ausfallenden (35, 36) angeordnet ist.
  10. Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenschaltstück (20) in dem ausgeschalteten Zustand unmittelbar benachbart zu den Ausfallenden (35, 36) positioniert ist.
  11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenschaltstück (20) Ausnehmungen aufweist, welche die Ausfallenden (35, 36) in dem ausgeschalteten Zustand teilweise umfangen.
  12. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Permanentmagnetanordnung mit jeweils zwei Teilanordnungen vorgesehen ist, wobei jeweils zwei parallel zueinander ausgerichtete Permanentmagneten eine Teilanordnung bilden, wobei eine erste Teilanordnung parallel zu den Stromteilleitern (10, 11) verlaufende Feldlinien erzeugt und eine zweite Teilanordnung orthogonal zu den Stromteilleitern (10, 11) verlaufende Feldlinien erzeugt.
  13. Schalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilanordnung parallel zu den Ausfallenden (35, 36) verlaufende Feldlinien erzeugt.
  14. Schalter nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der Spulen (31, 32) sich von den Ausfallenden (35, 36) ausgehend spiralförmig erweitert.
  15. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spulen (31, 32) aus metallenem U-Profil verwendet werden, wobei ein gerundeter Stegbereich des U-Profils dem Spuleninneren zugewandt ist.
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