EP3639286A1 - Doppelkontakt-schalter mit vakuumschaltkammern - Google Patents

Doppelkontakt-schalter mit vakuumschaltkammern

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EP3639286A1
EP3639286A1 EP18732274.8A EP18732274A EP3639286A1 EP 3639286 A1 EP3639286 A1 EP 3639286A1 EP 18732274 A EP18732274 A EP 18732274A EP 3639286 A1 EP3639286 A1 EP 3639286A1
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EP
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electrode
interrupter
vacuum
contact
switching
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EP18732274.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3639286B1 (de
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Johannes Meissner
Gerd Schmitz
Marcel Uedelhoven
Oliver Kreft
Michael Wohlang
Kai Schroeder
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Eaton Intelligent Power Ltd
Original Assignee
Eaton Intelligent Power Ltd
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Publication date
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Publication of EP3639286A1 publication Critical patent/EP3639286A1/de
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Publication of EP3639286B1 publication Critical patent/EP3639286B1/de
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    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66261—Specific screen details, e.g. mounting, materials, multiple screens or specific electrical field considerations
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Definitions

  • the invention relates to a double-contact switch with vacuum interrupters, which is particularly suitable for use in a hybrid switching arrangement and a hybrid switching device.
  • a hybrid switching arrangement for a hybrid switching device is known, see Fig. 1.
  • two serially arranged contact pairs are connected via two independently actuated movable switching electrodes (see therein FIG. 2).
  • commutation In a switching operation of one of the two pairs of contacts (“commutation”) is a commutation of the load current to a semiconductor switch, preferably in the form of an IGBT, where this is then performed within a very short time to zero, while the second contact pair (“Disconnect”) Finally, the galvanic isolation of the parallel arrangement responsible for the current shutdown ensures commutation contact - semiconductor switch.
  • a welding of switch contacts can v. A. be effected during the mechanical bounce at the moment of re-contacting.
  • welding of the commutation contacts in particular, can be successfully prevented by the fact that the load current exclusively flows through the latter during the phase of switching on by short-time activation of the power semiconductor arranged in parallel. Of the Commutation remains thereby load-free during this critical for the welding of contacts phase.
  • the object of the present invention is now to further improve the double-contact switch with vacuum interrupters known from WO 2015/091096 A1.
  • the axial movement of the movable electrode is limited by the stop means so far that it comes to a stop and a mechanical impulse associated therewith in a normal opening movement in which the movable electrode is moved by a predetermined path the interrupter acts.
  • the mechanical impulse is in this case be dimensioned so that any existing welding of the contacts, for example, between a in the interrupter electrode and a fixed electrode can be broken.
  • the invention now relates to a double-contact switch having a first and a second tubular vacuum interrupter chamber, which are formed as Operaschalthuntn a interrupter, fixed in the interrupter, disposed between the first and second vacuum interrupter electrode with a first, in the first Vacuum interrupter protruding fixed contact and a second, projecting into the second vacuum interrupter fixed contact, arranged in the first vacuum interrupter and movable in the axial direction of the first electrode with a contact-carrying area which is sealed gas-tight relative to the exterior of the first vacuum interrupter, a in the second vacuum interrupter arranged and movable in this in the axial direction of the second electrode, having a, a contact-carrying area, which is shut off gas-tight relative to the exterior of the second vacuum interrupter chamber.
  • the second electrode is fixed with respect to the interrupter, and the first electrode is movable to open and close the contacts with respect to the interrupter.
  • the switch stop means are provided such that the axial movement of the first electrode for opening the switch contacts in the vacuum interrupters with respect to the interrupter is limited to a predetermined distance and the collision of the abutment means acting on the interrupter mechanical impulse in the direction of axial movement to break up any existing welding of the contacts is generated.
  • the predetermined distance is in particular smaller than a maximum possible switching stroke of the first electrode for opening the switching contacts in the vacuum interrupters. In this way it can be ensured that a sufficiently strong mechanical impulse for breaking up welds is produced when the stop means meet.
  • the switch may in particular comprise a housing in which the second electrode is fixed and which has an opening for movably supporting the first electrode.
  • the maximum possible switching stroke is in this case by a stop of an upper Front side of the interrupter on the housing defined.
  • the housing may also serve to secure an electromechanical drive for the first movable electrode.
  • the abutment means may comprise a step in the shaft of the first electrode and a stop surface for the step formed by a cover of the interrupter. In this case, the step abuts the inside of the cover of the interrupter when the first electrode is moved out of the interrupter.
  • the abutment means may also comprise a step in the shaft of the first electrode and a stop surface for the step formed by the inside end face of a guide sleeve for the first electrode.
  • a guide sleeve has the advantage that shock loads at the meeting of the stop means with a suitable choice of material to no or a much lower impairment of the other, sometimes more sensitive components of the interrupter, since the stage does not impinge directly on these components.
  • the step may be incorporated in the shaft of the first electrode.
  • the step can also be formed by a separate, fixed to the shaft of the first electrode device.
  • the outer diameter of the step is particularly dimensioned such that it can come with an axial movement of the first electrode to no contact with the inside of the gas-tight barrier.
  • the distance between the step and the stop surface may be dimensioned in the closed state of the contacts so that it substantially corresponds to a predetermined nominal opening distance of the first fixed contact and the contact-carrying portion of the first electrode.
  • the stop means may also have a screen of a gas-tight barrier of the first vacuum switch chamber and a stop surface formed by the inside of a cover of the interrupter for the screen.
  • Figs. 2 to 4 are sectional views of double-contact switches with vacuum interrupters according to three different embodiments of the invention.
  • identical, functionally identical and functionally connected elements may be provided with the same reference numerals. Absolute values are given below by way of example only and are not to be construed as limiting the invention.
  • FIGS. 1a to 1c illustrate the double-contact switch during a switch-off sequence with previously welded isolating contacts.
  • Fig. La shows the double-contact switch 10 and the state of the interrupter 16 in the switched-case.
  • the interrupter 16 has a first vacuum interrupter chamber 12 and a second vacuum interrupter chamber 14, both of which are designed as partial interrupters of the interrupter 16.
  • a fixed electrode 18 is arranged approximately centrally, which separates the interrupter 16 in the two sub-switching chambers 12 and 14.
  • the fixed electrode 18 has a first fixed contact 20 and a second fixed contact 22.
  • the two fixed contacts 20 and 22 can be implemented, for example, by the two end faces of the fixed electrode 18.
  • the first fixed contact 20 protrudes into the first vacuum interrupter chamber 12 and the second fixed contact into the second vacuum interrupter chamber 14.
  • a first electrode 24 which is movable in the axial direction is arranged.
  • the electrode 24 has a portion 26 which carries a contact which serves to contact the first fixed contact 20 of the electrode 18 and a first isolating contact, which may serve as a commutation in a hybrid switching arrangement, the switch 10 forms.
  • the region 26 and a part of the electrode 24 are shut off gas-tight by means of a metal bellows 28.
  • the metal bellows 28 is connected on the one hand to the shaft of the electrode 24 and on the other hand to the front end of the first vacuum interrupter chamber 12.
  • a second electrode 30 is disposed with a portion 32 carrying a contact, which in principle is movable in the axial direction as the first electrode 24, but is fixed in the illustrated switch 10 with respect to the interrupter 16 ,
  • the fixing of the second electrode 30 can take place in different ways, in the case of the switch 10 shown in FIG. 1 a, the second electrode 30 is fixed to a housing 42 of the switch 10.
  • a partial region 32 of the second electrode 30, like the first electrode 24, is closed in a gastight manner by a metal bellows 34.
  • the contacts 22 and 32 in this case form a second isolating contact of the switch 10.
  • the interrupter 16 is movably mounted with respect to the fixed second electrode 30 and the first electrode 24 is also movably mounted with respect to the interrupter 16 and the second electrode 30.
  • the possible axial direction of movement of the first electrode 24 is indicated by the double arrow 40.
  • the first electrode 24 In order to open the switching contacts 20, 26 and 22, 32 located in the closed state in FIG. 1a, the first electrode 24 is moved upwards out of the housing 42, as shown in FIG. 1b.
  • the axial movement of the first electrode 24 is typically generated by an electromechanical switching drive of a switching device in which the switch 10 is mounted to the housing 42.
  • the switching drive can, for example via a clamping connection directly with the shaft of the first Electrode 24 be connected.
  • the first contact pair 20, 26 or the first isolating contact of the switch 10 is opened, while the contact pair 22, 32 or the second isolating contact initially remains firmly closed, for example because of a previous welding.
  • no movement of the interrupter 16 takes place.
  • the axial movement of the first electrode 24 with respect to the interrupter 16 is limited by stop means 36, 38.
  • the stop means comprise a step 36 in the shaft of the first electrode 24 and a stop surface 38 formed by the upper cover of the interrupter 16.
  • the step 36 when moving out or axial movement of the first electrode 24 to open the contacts 20 and 26 comprehensive release contact after a predetermined distance D on the abutment surface 38 and the cover of the interrupter 16.
  • FIG 2 shows a double contact switch 10 ', which is structurally similar to the switch 10 shown in FIGS. 1 a to 1 c, and in which the stop means are likewise formed by a step 36' and the upper cover 38 'of the interrupter 16.
  • the step 36 ' may be incorporated into the shaft of the first electrode 24', for example by rotation.
  • the step 36 ' may also be formed as a separate component, for example by a spring ring, which is mounted in a groove surrounding the shaft of the first electrode 24'.
  • the outer diameter of the step 36 ' is generally selected so that there is no contact with the sensitive metal bellows 28 upon movement of the first electrode 24'.
  • the relative movement of the first electrode 24 'with respect to the interrupter 16 is limited by the stop means 36', 38 'to the predetermined distance D', which is in particular smaller than a maximum possible switching stroke of the first electrode 24 '.
  • the predetermined distance D ' corresponds to the distance between the step 36' and the inside of the upper cover 38 ', when the contacts 20 and 26 are closed, so the first electrode 24' is not moved out of the interrupter 16, ie in the closed State of the two isolating contacts 20, 26 of the switch 10 '.
  • the predetermined distance D ' corresponds to a nominal opening distance of the two contacts 20, 26.
  • FIG. 3 shows a double-contact switch 10 "in which, unlike the switch 10 'shown in FIG. 2, the upper cover 38" of the interrupter 16 is not used as a stop surface for a step 36 "of the shaft of the first electrode 24" a guide sleeve 39 ", which is in the upper lid 38" used and in particular made of a plastic.
  • the guide sleeve 39 "thus fulfills two functions: on the one hand, it serves as an exact guide for the first movable electrode 24", on the other hand, its inside end face forms a stop surface for the step 36.
  • the switch 10 is shown in Figure 3 with both isolating contacts in the closed state 4, in which the predetermined distance D "corresponds to the distance between the step 36" and the inside end face of the guide sleeve 39 "used as the abutment surface,
  • the guide sleeve 39" may be made of a special plastic, for example, with the vacuum interrupters usually in order to ensure a centered axial guidance of the movable electrode 24 "during the switching operation
  • a permanent fixation of the guide sleeve 39" on the interrupter 16 also for Additional impact stresses can be achieved, for example, by means of a suitable screw connection on the cover 38 "of the interrupter 16.
  • a shield 36"' which at least partially surrounds the metal bellows 28, is provided as a stop means.
  • the shield 36 "' is attached to the end of the metal bellows 28 attached to the shaft of the first electrode 24"' and is moved by movement of the first electrode 24 "'while simultaneously moving the metal bellows 28 by moving the electrode 24 '' From the interrupter 16 is compressed.
  • the abutment surface for the screen 36 '' is the inside of the upper lid 38 '' of the interrupter 16.
  • the screen 36 '' (also called “bellows shield”) serves primarily to shield the very delicate due to its small wall thickness bellows 28 against the vacuum arc Affected shutdown usually emitted metal vapor and hot contact particles.
  • the screen 36 "'extended so far that the frontal distance of the screen to the inside of the lid 38"' in the closed state of the isolating contacts 20, 26 of the switch 10 "'of the nominal opening distance of the contacts 20, 26 or the predetermined distance D '"corresponds.
  • the face of the screen 36 '' may be crimped parallel to the lid 38 ''.
  • a guide collar 39 "'for exact guidance of the first electrode 24"' is provided in this switch 10 "'.
  • the upper cover of the interrupter in view of repetitive shock loads in the case of welded contacts, the upper cover of the interrupter, if it serves as a stop surface for a step or screen, for example, from a Stainless steel can be made of sufficient wall thickness.
  • the edge surface of the cover facing the first vacuum interrupter chamber can be soldered to it via a special metallization layer of a ceramic ring 16 'serving as an electrical insulator, which in practice can ensure a sufficiently high strength of this vacuum-tight solder connection even at high switching speeds, as in the case of contactors.

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Doppelkontakt-Schalter (10) mit einer ersten und einer zweiten röhrenförmig ausgebildeten Vakuumschaltkammer (12, 14), die als Teilschaltkammern einer Schaltröhre (16) ausgebildet sind, einer in der Schaltröhre (16) feststehenden, zwischen der ersten und zweiten Vakuumschaltkammer (12, 14) angeordneten Elektrode (18) mit einem ersten, in die erste Vakuumschaltkammer (12) hineinragenden Festkontakt (20) und einem zweiten, in die zweite Vakuumschaltkammer (14) hineinragenden Festkontakt (22), einer in der ersten Vakuumschaltkammer (12) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen ersten Elektrode (24) mit einem, einen Kontakt tragenden Bereich (26), der gegenüber dem Äußeren der ersten Vakuumschaltkammer gasdicht abgesperrt ist (28), einer in der zweiten Vakuumschaltkammer (14) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen zweiten Elektrode (30), mit einem, einen Kontakt tragenden Bereich (32), der gegenüber dem Äußeren der zweiten Vakuumschaltkammer gasdicht abgesperrt ist (34), wobei die zweite Elektrode (30) in Bezug auf die Schaltröhre (16) fixiert ist und die erste Elektrode (24) zum Öffnen und Schließen der Kontakte in Bezug auf die Schaltröhre (16) beweglich ist, und wobei Anschlagsmittel (36, 38) derart vorgesehen sind, dass die axiale Bewegung (40) der ersten Elektrode (24) zum Öffnen der Schaltkontakte in den Vakuumschaltkammern (12, 14) in Bezug auf die Schaltröhre (16) auf eine vorgegebene Distanz begrenzt wird und beim Aufeinandertreffen der Anschlagsmittel (36, 38) ein auf die Schaltröhre (16) wirkender mechanischer Impuls in Richtung der axialen Bewegung (40) zum Aufbrechen eventuell bestehender Verschweißungen der Kontakte erzeugt wird.

Description

Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern
Die Erfindung betrifft einen Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern, der insbesondere für den Einsatz in einer hybriden Schaltanordnung und ein Hybrid- Schaltgerät geeignet ist. Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2015/091105 AI ist eine hybride Schaltanordnung für ein Hybrid-Schaltgerät bekannt, siehe darin Fig. 1. Zum Schalten hoher DC-Ströme im Bereich oberhalb von 500 Ampere, bei gleichzeitiger Sicherstellung der galvanischen Trennung nach Ausschaltvorgängen, bietet sich ein Hybridschalter mit einer mechanischen Kontaktanordnung in Form einer speziellen Vakuumschaltkammer an, wie sie in der WO 2015/091096 AI vorgestellt wurde. In dieser vorteilhaften Schaltanordnung werden über zwei unabhängig voneinander betätigte bewegliche Schaltelektroden zwei seriell angeordnete Kontaktpaare geschaltet (siehe darin Fig. 2). Bei einer Schalthandlung erfolgt von einem der beiden Kontaktpaare („Kommutierungskontakt") eine Kommutierung des Laststroms auf einen Halbleiterschalter, vorzugsweise in Form eines IGBTs, wo dieser dann innerhalb einer sehr kurzen Zeit zu Null geführt wird, während das zweite Kontaktpaar („Trennkontakt") abschließend die galvanische Trennung der für die Stromabschaltung zuständigen Parallelanordnung Kommutierungskontakt - Halbleiterschalter sicherstellt.
Zur Gewährleistung einer möglichst hohen Funktionssicherheit, insbesondere beim Schalten von Strömen im Bereich einiger hundert Ampere muss bei der konstruktiven Auslegung solcher Schalter bzw. Schaltanordnungen unter anderem dafür Sorge getragen werden, dass es beim Einschalten solch hoher Ströme nicht zu einer dauerhaften Verschweißung der Schaltkontakte kommt. Eine Verschweißung von Schaltkontakten kann v.a. während des mechanischen Prellvorgangs im Moment der Re- Kontaktierung bewirkt werden.
Bei den oben erwähnten hybriden Schaltanordnungen lässt sich eine Verschweißung speziell der Kommutierungskontakte dadurch erfolgreich verhindern, dass der Laststrom während der Phase des Einschaltens durch kurzzeitige Aktivierung des parallel angeordneten Leistungshalbleiters ausschließlich durch diesen fließt. Der Kommutierungskontakt bleibt dadurch während dieser für das Verschweißen von Kontakten kritischen Phase lastfrei.
Unter bestimmten Umständen kann es zu einem Verschweißen des Kontaktpaars des ersten Trennschalters kommen, zu dem kein Halbleiterschalter parallelgeschaltet ist, beispielsweise, wenn dessen Schließen etwa zeitgleich mit dem Schließen des Kommutierungskontakts erfolgt. Dadurch, dass der Trennkontakt und der Kommutierungskontakt elektrisch wie mechanisch in Serie angeordnet sind, ist in der Phase des Einschaltprellens eine Verschweißung des Trennkontakts grundsätzlich dann möglich, wenn im Augenblick von dessen kurzzeitigen Abheben ein Laststrom bereits durch den Kommentierungskontakt oder auch durch den Halbleiterschalter fließt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, den aus der WO 2015/091096 AI bekannten Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegender Gedanke besteht darin, den aus der WO 2015/091096 AI bekannten Doppelkontakt-Schalter derart konstruktiv zu modifizieren, dass Anschlagsmittel vorgesehen sind, welche die axiale Bewegung einer beweglichen Elektrode des Schalters beim Öffnen der Schaltkontakte in Bezug auf eine Schaltröhre des Schalters so begrenzen, dass beim Aufeinandertreffen der Anschlagsmittel ein auf die Schaltröhre wirkender mechanischer Impuls in Richtung der axialen Bewegung der beweglichen Elektrode zum Aufbrechen eventuell bestehender Verschweißungen der Kontakte erzeugt wird. Mit anderen Worten wird also erfindungsgemäß die axiale Bewegung der beweglichen Elektrode durch die Anschlagsmittel soweit begrenzt, dass es bei einer normalen Öffnungsbewegung, bei welcher die bewegliche Elektrode um einen vorgegebenen Weg bewegt wird, zu einem Anschlag und einem damit einhergehenden mechanischen Impuls kommt, welcher auf die Schaltröhre wirkt. Der mechanische Impuls ist hierbei so bemessen sein, dass eventuell bestehende Verschweißungen der Kontakte, beispielsweise zwischen einer in der Schaltröhre vorgesehenen Elektrode und einer fixierten Elektrode aufgebrochen werden können.
Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung nun einen Doppelkontakt-Schalter mit einer ersten und einer zweiten röhrenförmig ausgebildeten Vakuumschaltkammer, die als Teilschaltkammern einer Schaltröhre ausgebildet sind, einer in der Schaltröhre feststehenden, zwischen der ersten und zweiten Vakuumschaltkammer angeordneten Elektrode mit einem ersten, in die erste Vakuumschaltkammer hineinragenden Festkontakt und einem zweiten, in die zweite Vakuumschaltkammer hineinragenden Festkontakt, einer in der ersten Vakuumschaltkammer angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen ersten Elektrode mit einem, einen Kontakt tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der ersten Vakuumschaltkammer gasdicht abgesperrt ist, einer in der zweiten Vakuumschaltkammer angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen zweiten Elektrode, mit einem, einen Kontakt tragenden Bereich, der gegenüber dem Äußeren der zweiten Vakuumschaltkammer gasdicht abgesperrt ist. Die zweite Elektrode ist in Bezug auf die Schaltröhre fixiert und die erste Elektrode ist zum Öffnen und Schließen der Kontakte in Bezug auf die Schaltröhre beweglich. Bei dem Schalter sind Anschlagsmittel derart vorgesehen, dass die axiale Bewegung der ersten Elektrode zum Öffnen der Schaltkontakte in den Vakuumschaltkammern in Bezug auf die Schaltröhre auf eine vorgegebene Distanz begrenzt wird und beim Aufeinandertreffen der Anschlagsmittel ein auf die Schaltröhre wirkender mechanischer Impuls in Richtung der axialen Bewegung zum Aufbrechen eventuell bestehender Verschweißungen der Kontakte erzeugt wird.
Die vorgegebene Distanz ist insbesondere kleiner als ein maximal möglicher Schalthub der ersten Elektrode zum Öffnen der Schaltkontakte in den Vakuumschaltkammern. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass ein zum Aufbrechen von Verschweißungen ausreichend starker mechanischer Impuls beim Aufeinandertreffen der Anschlagmittel erzeugt wird.
Der Schalter kann insbesondere ein Gehäuse aufweisen, in dem die zweite Elektrode fixiert ist und das eine Öffnung zum beweglichen Lagern der ersten Elektrode aufweist. Der maximal mögliche Schalthub ist hierbei durch einen Anschlag einer oberen Stirnseite der Schaltröhre am Gehäuse definiert. Das Gehäuse kann auch zur Befestigung eines elektromechanischen Antriebs für die erste bewegliche Elektrode dienen.
Die Anschlagsmittel können eine Stufe im Schaft der ersten Elektrode und eine durch einen Deckel der Schaltröhre gebildete Anschlagfläche für die Stufe aufweisen. In diesem Fall stößt die Stufe an die Innenseite des Deckels der Schaltröhre an, wenn die erste Elektrode aus der Schaltröhre herausbewegt wird.
Die Anschlagsmittel können auch eine Stufe im Schaft der ersten Elektrode und eine durch die innenseitige Stirnfläche einer Führungsmanschette für die erste Elektrode gebildete Anschlagfläche für die Stufe aufweisen. Eine Führungsmanschette besitzt den Vorteil, dass Stoßbelastungen beim Aufeinandertreffen der Anschlagmittel bei geeigneter Materialwahl zu keiner oder einer wesentlich geringeren Beeinträchtigung der anderen, zum Teil empfindlicheren Bauelemente der Schaltröhre führen, da die Stufe nicht direkt auf diese Bauelemente auftrifft.
Die Stufe kann in den Schaft der ersten Elektrode eingearbeitet sein. Die Stufe kann aber auch durch ein gesondertes, am Schaft der ersten Elektrode fixiertes Bauelement gebildet sein.
Der Außendurchmesser der Stufe ist insbesondere derart bemessen, dass es bei einer axialen Bewegung der ersten Elektrode zu keiner Berührung der Innenseite der gasdichten Absperrung kommen kann. Der Abstand zwischen der Stufe und der Anschlagfläche kann im geschlossenen Zustand der Kontakte so bemessen sein, dass er im Wesentlichen einer vorgegebenen Nennöffnungsstrecke des ersten Festkontakts und des einen Kontakt tragenden Bereichs der ersten Elektrode entspricht.
Die Anschlagsmittel können auch einen Schirm einer gasdichten Absperrung der ersten Vakuumschalterkammer und eine durch die Innenseite eines Deckels der Schaltröhre gebildete Anschlagfläche für den Schirm aufweisen. Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
Die Zeichnungen zeigen in Fig. la bis lc verschiedene Phasen eines Abschaltvorgangs bei einem Doppelkontakt- Schalter mit Vakuumschaltkammern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 2 bis 4 Schnittansichten von Doppelkontakt-Schaltern mit Vakuumschaltkammern gemäß drei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung. In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
Die prinzipielle Funktionsweise des erfindungsgemäßen Doppelkontakt-Schalters wird nun anhand der Fig. la bis lc erläutert, welche den Doppelkontakt-Schalter während einer Ausschaltsequenz mit zuvor verschweißten Trennkontakten dargestellt.
Fig. la zeigt den Doppelkontakt-Schalter 10 und den Zustand von dessen Schaltröhre 16 im eingeschalteten Fall. Die Schaltröhre 16 weist eine erste Vakuumschaltkammer 12 und eine zweite Vakuumschaltkammer 14 auf, die beide als Teilschaltkammern der Schaltröhre 16 ausgebildet sind.
In der Schaltröhre 16 ist etwa mittig eine feststehende Elektrode 18 angeordnet, welche die Schaltröhre 16 in die beiden Teilschaltkammern 12 und 14 trennt. Die feststehende Elektrode 18 weist einen ersten Festkontakt 20 und einen zweiten Festkontakt 22 auf. Die beiden Festkontakte 20 und 22 können beispielsweise durch die beiden Stirnflächen der feststehenden Elektrode 18 implementiert sein. Der erste Festkontakt 20 ragt in die erste Vakuumschaltkammer 12 und der zweite Festkontakt in die zweite Vakuumschaltkammer 14 hinein. In der ersten Vakuumschaltkammer 12 ist eine in axialer Richtung bewegliche erste Elektrode 24 angeordnet. Die Elektrode 24 weist einen Bereich 26 auf, der einen Kontakt trägt, der zum Kontaktieren mit dem ersten Festkontakt 20 der Elektrode 18 dient und einen ersten Trennkontakt, der beispielsweise als Kommutierungskontakt in einer Hybrid-Schaltanordnung dienen kann, des Schalters 10 bildet. Der Bereich 26 sowie ein Teil der Elektrode 24 sind gasdicht mittels eines Metallfaltenbalges 28 abgesperrt. Hierzu ist der Metallfaltenbalg 28 einerseits mit dem Schaft der Elektrode 24 und andererseits mit dem stirnseitigen Ende der ersten Vakuumschaltkammer 12 verbunden.
Ebenso ist in der zweiten Vakuumschaltkammer 14 eine zweite Elektrode 30 mit einem Bereich 32, der einen Kontakt trägt, angeordnet, die im Prinzip wie die erste Elektrode 24 in axialer Richtung beweglich ist, aber beim gezeigten Schalter 10 in Bezug auf die Schaltröhre 16 fixiert ist. Die Fixierung der zweiten Elektrode 30 kann auf unterschiedliche Arten erfolgen, bei dem in Fig. la gezeigten Schalter 10 ist die zweite Elektrode 30 an einem Gehäuse 42 des Schalters 10 fixiert. Ein Teilbereich 32 der zweiten Elektrode 30 ist wie die erste Elektrode 24 durch einen Metallfaltenbalg 34 gasdicht abgesperrt. Die Kontakte 22 und 32 bilden hierbei einen zweiten Trennkontakt des Schalters 10.
Bei dem in Fig. la gezeigten Schalter 10 mit Gehäuse 42 ist die Schaltröhre 16 in Bezug auf die fixierte zweite Elektrode 30 beweglich gelagert und die erste Elektrode 24 in Bezug auf die Schaltröhre 16 und die zweite Elektrode 30 ebenfalls beweglich gelagert. Die mögliche axiale Bewegungsrichtung der ersten Elektrode 24 ist durch den Doppelpfeil 40 angedeutet.
Zum Öffnen der in Fig. la im geschlossenen Zustand befindlichen Schaltkontakte 20, 26 und 22, 32 wird die erste Elektrode 24 nach oben aus dem Gehäuse 42 heraus bewegt, wie es in Fig. lb gezeigt ist. Die axiale Bewegung der ersten Elektrode 24 wird typischerweise durch einen elektromechanischen Schaltantrieb eines Schaltgeräts, in welches der Schalter 10 mit dem Gehäuse 42 eingebaut ist, erzeugt. Der Schaltantrieb kann beispielsweise über eine Klemmverbindung unmittelbar mit dem Schaft der ersten Elektrode 24 verbunden sein. Durch die Bewegung der ersten Elektrode 24 wird das erste Kontaktpaar 20, 26 bzw. der erste Trennkontakt des Schalters 10 geöffnet, während das Kontaktpaar 22, 32 bzw. der zweite Trennkontakt beispielsweise aufgrund einer vorausgegangenen Verschweißung zunächst noch fest verschlossen bleibt. Infolgedessen erfolgt in dieser Phase des Öffnungsvorgangs der Kontakte auch noch keine Bewegung der Schaltröhre 16.
Die axiale Bewegung der ersten Elektrode 24 in Bezug auf die Schaltröhre 16 ist durch Anschlagmittel 36, 38 begrenzt. Die Anschlagmittel weisen eine Stufe 36 im Schaft der ersten Elektrode 24 und eine durch den oberen Deckel der Schaltröhre 16 gebildete Anschlagsfläche 38 auf. Somit stößt also die Stufe 36 beim Herausbewegen bzw. axialen Bewegen der ersten Elektrode 24 zum Öffnen des die Kontakte 20 und 26 umfassenden Trennkontakts nach einer vorgegebenen Distanz D auf die Anschlagsfläche 38 bzw. den Deckel der Schaltröhre 16. Durch dieses Aufeinandertreffen bzw. Aufeinanderstoßen wird ein mechanischer Impuls erzeugt, insbesondere, wenn die mit dem Schaltantrieb verbundene erste Elektrode 24 noch nicht ihre Endposition erreicht hat. Durch den mechanischen Impuls erfährt die Schaltröhre 16 eine Stoßbeanspruchung, welches sich unmittelbar auf das Kontaktpaar 22,32 überträgt. Abhängig von der Kraftreserve und des elektromechanischen Schaltantriebs sowie des Kontaktwerkstoffs des Kontaktpaares sein 20,32 ist die Stoß-bzw. Impulsbeanspruchung im Allgemeinen ausreichend, um eine eventuelle Verschweißung der Kontakte 22 und 32 aufzubrechen. Mit dem Trennen der Kontakte 22 und 32 wird somit eine Bewegung der Schaltröhre 16 initiiert, in der Weise, dass sich diese ebenfalls in Wirkrichtung des elektromechanischen Antriebs in Bewegung setzt und dadurch das weitere Öffnen der Kontakte 22, 32 des zweiten Trennkontakts bewirkt, siehe Fig. lc. Die Öffnungsbewegung der Kontakte des Schalters 10 wird gestoppt, sobald die äußere Stirnseite des oberen Deckels der Schaltröhre 16 auf die als Anschlagfläche für die Schaltröhre 16 dienende innere Wandung des Gehäuses 42 trifft, woraus sich die Kontaktöffnungsstrecken der beiden Kontaktpaare des Schalters 10 nach erfolgter Abschaltung ergeben. Figur 2 zeigt einen Doppelkontakt-Schalter 10', der konstruktiv dem in den Fig. la bis lc gezeigten Schalter 10 ähnelt und bei dem die Anschlagmittel ebenfalls durch eine Stufe 36' und den oberen Deckel 38' der Schaltröhre 16 gebildet sind. Die Stufe 36' kann in den Schaft der ersten Elektrode 24' eingearbeitet sein, beispielsweise drehtechnisch. Alternativ kann die Stufe 36' auch als gesondertes Bauelement ausgebildet sein, beispielsweise durch einen Springring, der in einer den Schaft der ersten Elektrode 24' umlaufenden Nut gelagert ist. Der Außendurchmesser der Stufe 36' ist generell so gewählt, dass es zu keiner Berührung mit dem empfindlichen Metallfaltenbalg 28 bei einer Bewegung der ersten Elektrode 24' kommt. Die relative Bewegung der ersten Elektrode 24' in Bezug auf die Schaltröhre 16 ist durch die Anschlagmittel 36', 38' auf die vorgegebene Distanz D' begrenzt, die insbesondere kleiner als ein maximal möglicher Schalthub der ersten Elektrode 24' ist. Die vorgegebene Distanz D' entspricht hierbei dem Abstand zwischen der Stufe 36' und der Innenseite des oberen Deckels 38', wenn die Kontakte 20 und 26 geschlossen sind, also die erste Elektrode 24' nicht aus der Schaltröhre 16 heraus bewegt ist, also im geschlossenen Zustand der beiden Trennkontakte 20, 26 des Schalters 10'. Insbesondere entspricht die vorgegebene Distanz D' einer Nennöffnungsstrecke der beiden Kontakte 20,26.
Figur 3 zeigt einen Doppelkontakt-Schalter 10", bei dem im Unterschied zu dem in Figur 2 gezeigten Schalter 10' nicht der obere Deckel 38" der Schaltröhre 16 als Anschlagfläche für eine Stufe 36" des Schafts der ersten Elektrode 24" eingesetzt wird, sondern eine Führungsmanschette 39", welche in den oberen Deckel 38" eingesetzt und insbesondere aus einem Kunststoff hergestellt ist. Die Führungsmanschette 39" erfüllt somit zwei Funktionen: einerseits dient sie als exakte Führung für die erste bewegliche Elektrode 24", andererseits bildet ihre innenseitige Stirnfläche eine Anschlagfläche für die Stufe 36". Der Schalter 10" ist in Figur 3 mit beiden Trennkontakten in geschlossenem Zustand gezeigt, in dem die vorgegebene Distanz D" dem Abstand zwischen der Stufe 36" und der innenseitigen Stirnfläche der Führungsmanschette 39", die als Anschlagfläche benutzt wird, entspricht. Die Führungsmanschette 39" kann insbesondere aus einem speziellen Kunststoff hergestellt sein, mit dem Vakuumschaltkammern üblicherweise ausgestattet sind, um eine zentrierte axiale Führung der beweglichen Elektrode 24" beim Schaltvorgang sicherzustellen. Eine dauerhafte Fixierung der Führungsmanschette 39" an der Schaltröhre 16 auch für zusätzliche Stoßbeanspruchungen kann beispielsweise durch eine geeignete Schraubverbindung auf dem Deckel 38" der Schaltröhre 16 erfolgen. Denkbar ist auch eine Fixierung der Führungsmanschette 39" über Schweißverbindungen oder auch durch in die Manschette integrierte Einrasthacken. Bei dem in Figur 4 gezeigten Schalter 10"' ist im Unterschied zu den in den Figuren 2 und 3 gezeigten Schaltern als Anschlagmittel ein Schirm 36"' vorgesehen, der den Metallfaltenbalg 28 zumindest teilweise umschließt. Der Schirm 36"' ist an dem Ende des Metallfaltenbalges 28 befestigt, das am Schaft der ersten Elektrode 24"' befestigt ist, und wird durch eine Bewegung der ersten Elektrode 24"' mitbewegt, während gleichzeitig der Metallfaltenbalg 28 durch das Herausbewegen der Elektrode 24"' aus der Schaltröhre 16 komprimiert wird. Als Anschlagfläche für den Schirm 36"' dient die Innenseite des oberen Deckels 38"' der Schaltröhre 16. Sobald die bewegliche Elektrode 24"' um die Nennöffnungsdistanz bzw. vorgegebenen Distanz D'" aus der Schaltröhre 16 heraus bewegt wird, kommt es zu einem Stoßvorgang zwischen dem Schirm 36"' und der Innenseite des oberen Deckels 38"' der Schaltröhre 16. Der Schirm 36"' (auch „Balgschirm" genannt) dient primär dem Abschirmen des aufgrund seiner geringen Wandstärke sehr empfindlichen Faltenbalgs 28 gegen den beim Vakuumbogen- behafteten Abschaltvorgang üblicherweise emittierten Metalldampf sowie heiße Kontaktpartikel. Um als Anschlagmittel eingesetzt werden zu können, ist der Schirm 36"' soweit verlängert, dass der stirnseitige Abstand des Schirms zur Innenseite des Deckels 38"' im geschlossenen Zustand der Trennkontakte 20, 26 des Schalters 10"' der Nennöffnungsstrecke der Kontakte 20, 26 bzw. der vorgegebenen Distanz D'" entspricht. Im Hinblick auf die Verteilung der Energie eines Stoßimpulses zum Aufbrechen einer Kontaktverschweißung auf eine größere Fläche kann die Stirnseite des Schirms 36"' parallel zum Deckel 38"' gebördelt sein. Ebenso wie bei dem in Figur 3 gezeigten Schalter ist bei diesem Schalter 10"' eine Führungsmanschette 39"' zur exakten Führung der ersten Elektrode 24"' vorgesehen.
Nachfolgend werden noch einige konstruktive Optionen für die oben beschriebenen Schalter erläutert: im Hinblick auf sich wiederholende Stoßbeanspruchungen im Fall verschweißter Kontakte kann der obere Deckel der Schaltröhre, wenn er als Anschlagsfläche für eine Stufe oder einen Schirm dient, beispielsweise aus einem Edelstahl von ausreichender Wandstärke gefertigt sein. Die der ersten Vakuumschaltkammer zugewandte Kantenfläche des Deckels kann über eine spezielle Metallisierungsschicht eines als elektrischer Isolator dienenden Keramikrings 16' mit diesem verlötet sein, was in der Praxis eine ausreichend hohe Festigkeit dieser vakuumdichten Lotverbindung auch bei hohen Schaltzahlen wie im Fall von Schützen gewährleisten kann.

Claims

Ansprüche
1. Doppelkontakt-Schalter (10; 10'; 10"; 10"') mit einer ersten und einer zweiten röhrenförmig ausgebildeten
Vakuumschaltkammer (12, 14), die als Teilschaltkammern einer Schaltröhre (16) ausgebildet sind, einer in der Schaltröhre (16) feststehenden, zwischen der ersten und zweiten Vakuumschaltkammer (12, 14) angeordneten Elektrode (18) mit einem ersten, in die erste Vakuumschaltkammer (12) hineinragenden Festkontakt (20) und einem zweiten, in die zweite Vakuumschaltkammer (14)
hineinragenden Festkontakt (22), einer in der ersten Vakuumschaltkammer (12) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen ersten Elektrode (24; 24'; 24"; 24"') mit einem, einen Kontakt tragenden Bereich (26), der gegenüber dem Äußeren der ersten Vakuumschaltkammer gasdicht abgesperrt ist (28), einer in der zweiten Vakuumschaltkammer (14) angeordneten und in dieser in axialer Richtung beweglichen zweiten Elektrode (30), mit einem, einen Kontakt tragenden Bereich (32), der gegenüber dem Äußeren der zweiten Vakuumschaltkammer gasdicht abgesperrt ist (34), wobei die zweite Elektrode (30) in Bezug auf die Schaltröhre (16) fixiert ist und die erste Elektrode (24; 24'; 24"; 24"') zum Öffnen und Schließen der Kontakte in Bezug auf die Schaltröhre (16) beweglich ist, und wobei
- Anschlagsmittel (36, 38; 36', 38'; 36", 38"; 39"; 36"', 38"') derart vorgesehen sind, dass die axiale Bewegung (40) der ersten Elektrode (24; 24'; 24"; 24"') zum Öffnen der Schaltkontakte in den Vakuumschaltkammern (12, 14) in Bezug auf die Schaltröhre (16) auf eine vorgegebene Distanz (D; D'; D"; D'") begrenzt wird und beim Aufeinandertreffen der Anschlagsmittel (36, 38; 36', 38'; 36", 38"; 39"; 36"', 38"') ein auf die Schaltröhre (16) wirkender mechanischer Impuls in Richtung der axialen Bewegung (40) zum Aufbrechen eventuell bestehender Verschweißungen der Kontakte erzeugt wird.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Distanz (D; D'; D"; D'") kleiner als ein maximal möglicher Schalthub der ersten Elektrode (24; 24'; 24"; 24"') zum Öffnen der
Schaltkontakte in den Vakuumschaltkammern (12, 14) ist.
3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gehäuse (42) aufweist, in dem die zweite Elektrode (30) fixiert ist und das eine Öffnung zum beweglichen Lagern der ersten Elektrode (24) aufweist, wobei der maximal mögliche Schalthub durch einen Anschlag einer oberen Stirnseite der Schaltröhre (16) am Gehäuse definiert ist.
4. Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagsmittel eine Stufe (36') im Schaft der ersten Elektrode (24') und eine durch einen Deckel der Schaltröhre gebildete Anschlagfläche (38') für die Stufe (36') aufweisen.
5. Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagsmittel eine Stufe (36") im Schaft der ersten Elektrode (24") und eine durch die innenseitige Stirnfläche einer Führungsmanschette (39") für die erste Elektrode (24") gebildete Anschlagfläche für die Stufe (36") aufweisen.
6. Schalter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe (36'; 36") in den Schaft der ersten Elektrode (24'; 24") eingearbeitet ist.
7. Schalter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe durch ein gesondertes, am Schaft der ersten Elektrode (24'; 24") fixiertes Bauelement gebildet ist.
8. Schalter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Stufe (36'; 36") derart bemessen ist, dass es bei einer axialen Bewegung der ersten Elektrode (24'; 24") zu keiner Berührung der Innenseite der gasdichten Absperrung (28) kommen kann.
9. Schalter nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Stufe (36'; 36") und der Anschlagfläche (39'; 39") im geschlossenen Zustand der Kontakte so bemessen ist, dass er im Wesentlichen einer vorgegebenen Nennöffnungsstrecke des ersten Festkontakts (20) und des einen Kontakt tragenden Bereichs (26) der ersten Elektrode (24'; 24") entspricht.
10. Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagsmittel einen Schirm (36"') einer gasdichten Absperrung (28) der ersten Vakuumschalterkammer (12) und eine durch die Innenseite eines Deckels der Schaltröhre gebildete Anschlagfläche (38"') für den Schirm (36"') aufweisen.
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