JP2008130567A - 電気的スイッチング・デバイスのための電気的コンタクト・システム - Google Patents

Abstract

【課題】 電気的スイッチング・デバイスのための電気的コンタクト・システム（１）を提供する。
【解決手段】 このシステムは、二つのコンタクト・ユニット（１０，２０）を有しており、このシステムにおいて、電気的接触が形成されるときに、コンタクト・ユニット（１０）とコンタクト・ユニット（２０）の間に、接触力が作用する。ここで、手段（１３，１４，１５，１８）が、接触力を作用させるために設けられ、また、第一のコンタクト・ユニット（１０）が、第二のコンタクト・ユニット（２０）から切り離されることが可能である。前記手段（１４，１５，１８）は、それらが、前記手段（１４，１５，１８）の温度の上昇につれて接触力の増大をもたらす熱膨張効果を有することにより、区別される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、スイッチ・ギアの分野に係り、特に、電気的スイッチング・デバイスの中で電気的接触を形成するための電気的コンタクト・システム、及び独立特許請求項の前提書き部分に規定されている電気的スイッチング・デバイスに係る。

電気的コンタクト・システムを備えた電気的スイッチが、電力供給システムにおいて、エネルギー・フローを遮断するため及びそれを再び作り出すために一般的に使用されている。このようなスイッチは、電力供給システムにおいて、全ての電圧レベルで使用されている。正常運転の間、対応する電力損失を低く維持するために、スイッチの抵抗は可能な限り低くなければならない。スイッチングの間、スイッチは、正常運転の間の高い電流の入り切りが可能でなければならず、短絡の場合には、より一層大きい電流を遮断しなければならない。

先行技術から知られているスイッチによれば、接触表面が薄い銀の層でコーティングされ、接触領域の電気伝導度を増大させるために、スイッチの接触と接合コンタクトが弾性的に互いに押し付けられる。

欧州特許第 EP 0844631 号明細書には、接地スイッチのための入り切り可能な電気的コンタクト・システムが開示されている。このシステムは、チューリップの形態のコンタクト・ピン及び接合コンタクトを有している。電気的接触を作り出すために、接合コンタクトの弾性コンタクト・フィンガーが、コンタクト・ピンに押し付けられ、個々のコンタクト・フィンガーが、コンタクト・ピンを弾性的に押圧する。

接触及び接合コンタクトの間の電気的接触は、この及び他の電気的コンタクト・システムにおいて、改善の余地がある。例えば、もしコンタクトが汚れたり酸化されたりした場合、接触抵抗が増大し、そしてその結果として電気伝導度が最適ではなくなり、その結果、磨耗現象やコンタクトの望ましくない加熱をもたらす。スイッチの運転はまた、しばしば、コンタクトがその表面領域で侵食される結果をもたらし、それは、例えば、表面がコーティグされたコンタクトの場合やＳＦ６ガス雰囲気中で動作するコンタクトの場合に、電気伝導度の減少を招き、かくして、同様に、接触領域の好ましくない加熱をもたらす。このことは、寿命の短縮やスイッチング・デバイスのためのメインテナンスの手間を増大させることをもたらす。
欧州特許第 EP 0844631 号明細書

本発明の目的は、上述の問題の少なくとも一部を軽減することにある。この目的は、独立特許請求項の特徴を有する電気的コンタクト・システム及び電気的スイッチング・デバイスにより、実現される。

本発明の一つのアスペクトによれば、電気的スイッチング・デバイスのための電気的コンタクト・システムが提案される。このシステムは、第一及び第二のコンタクト・ユニットを有しており、ここで、電気的接触が形成されるときに、接触力が第一及び第二のコンタクト・ユニットの間に作用する。

更に、接触力を作用させるための手段が設けられている。換言すれば、電気的接触が形成されるとき、この手段は、第二のコンタクト・ユニット上の第一のコンタクト・ユニットから、または、第一のコンタクト・ユニット上の第二のコンタクト・ユニットから、または、互いに両方のコンタクト・ユニットから、力を作用させる。第一のコンタクト・ユニットは、第二のコンタクト・ユニットから、二つのコンタクト・ユニットの間の距離を増大させることにより、切り離されることが可能である。この場合、それらのコンタクトは、接触力を作用させるための手段によっては、切り離されない。切り離されたとき、第一のコンタクト・ユニットと第二のコンタクト・ユニットの間に、電気的接触は無い。

本発明に基づく電気的コンタクト・システムの特徴は、接触力を作用させるための手段が、手段の温度の上昇につれて接触力の増大をもたらす熱膨張効果を有していることにある。換言すれば、もし加熱が生じた場合に、このことは、当該手段の熱膨張をもたらし、それは、当該手段の熱膨張率及び当該手段の温度変化により、表現されることが可能である。この場合、如何にして熱が当該手段に供給されるかは、全く関係が無い。

接触領域における電気的及び機械的な接触についての改善は、高い接触力及び低い接触力のために、広範囲にわたる様々な条件で、実現されることが可能である。スイッチの運転の間の、温度の上昇につれての接触力の自動的な増大は、好ましくも、接触抵抗の減少を、そしてそれ故に接触領域の伝道性の増大を、もたらす。更に、接続の間、スイッチのコンタクト・ユニットの接触領域でのエロージョンが、より低い接触力により、好ましくも減少し、かくして、スイッチの中のコンタクト・ユニットの寿命をかなり増大させる。

本発明の更なるアスペクトによれば、電気的スイッチング・デバイス、特にサーキット・ブレーカが、提案される。この電気的スイッチング・デバイスは、電気的コンタクト・システムを有し、そして、以上の部分において説明した特徴及び請求項１における特徴を有している。

更なる利点、特徴、アスペクト及び本発明の詳細は、従属請求項、明細書及び図から明らかになるであろう。

本発明の主題は、以下のテキストにおいて、添付図面に示された好ましい実施形態の例を参照しながら、より詳細に説明される。

図面の中で使用されている参照符号及びそれらの意味は、参照符号のリストの中に、まとめの形で挙げられている。原則として、これらの図において、同一の部分または同じ効果を有する部分には、同じまたは同様な参照符号が付けられている。本発明の理解のために重要でない部分は、場合により示されていない。ここに記載された実施形態の例は、本発明の主題の例を表しており、本発明を限定するものではない。

図１に、コンタクト・ユニット１０，２０の、コンタクト・フィンガー１２、リーフ・スプリング１３及び膨張体１５の概略図を示す。これらは、電気的コンタクト・システム（より詳細には図示されていない）の一部である。リーフ・スプリング１３は、コンタクト・フィンガー１２の長さに実質的に沿って伸び、その一端でコンタクト・フィンガー１２の一端にしっかり接続されている。膨張体１５は、リーフ・スプリング１３とコンタクト・フィンガー１２の間に配置され、例えば、リーフ・スプリング１３とコンタクト・フィンガー１２の間にクランプされていても良い。

熱が、例えば電流によりあるいはコンタクト・ユニットの周りを取り囲む媒体により発生して、コンタクト・ユニット１０，２０に供給されたとき、このことは、膨張体の体積の膨張を、特定の大きさでもたらす。その膨張体は、例えば、アルミニウム−ブロンズ合金からなり、コンタクト・フィンガー１２の材料及びリーフ・スプリング１３の材料（例えば、鋼合金からなる）と比べて、比較的高い熱膨張率を有している。熱の供給、それ故に膨張体の温度の増大は、それ故に、コンタクト・フィンガー１２及びリーフ・スプリング１３（斜線と破線で示されている）の拡がりをもたらす。熱の供給により生ずる拡がりは、コンタクト・フィンガー１２により、接合コンタクト（より詳細には図示されていない）上に作用する接触力を増大させる。

図２ａ及び２ｂはそれぞれ、コンタクト・システムのコンタクト・ユニット１０，２０の図を示している。但し、ここでは、バイメタルのスプリング１４及びコンタクト・フィンガー１２のみしか示されていない。その一端で、バイメタルのスプリング１４が、半円形状に湾曲し、そして、この一端で、コンタクト・フィンガー１２を押圧している。例を挙げると、コンタクト・フィンガー１２は、金属の積層体で構成され、それ故に弾性的に変形されることが可能である、しかしながら、コンタクト・フィンガー１２が、一体的に形成され且つ弾性を有していても良い。

図２ｂは、熱が供給された後のコンタクト・ユニット１０，２０を示している。バイメタルのスプリング１４の中の二つの金属の異なる膨張率が、スプリング１４の形状の変化をもたらす。スプリング１４の湾曲領域が広げられ、そしてそれ故に、スプリング１４が、コンタクト・フィンガー１２を接合コンタクト（図示せず）に対して押圧するスプリング力を増大させる。吸収された熱が、コンタクト・ユニット１０，２０から放出されたとき、バイメタルのスプリング１４のスプリング力が減少し、コンタクト・フィンガー１２及びスプリング１４は、図２ａに示されているように、それらの当初の状態へ戻る。

図２ａ，２ｂに示されたコンタクト・ユニット１０は、それ故に、手段１４（バイメタルのスプリングである）が、接触力の増大をもたらす熱膨張効果を有している点で、区別される。

図３に、コンタクト・ユニット１０，２０の更なる実施形態を示す。ここでは、それ自体がバネからなるコンタクト・フィンガー１８は、バイメタルのストリップから構成されている。結果として、バイメタルのスプリングによる二つの機能、即ち、電気的接触を作り出す機能と接触力を増大させる機能が、単一要素（即ちコンタクト・フィンガー１８）の中に結合されている。バイメタルのコンタクト・フィンガー１８は、それ故に、それ自体で接触力を増大させるための手段である。

もし、それ自体がバネからなるコンタクト・フィンガー１８が、一端でクランプされるバーとみなされる場合には、フィンガーにより作り出される力Ｆ及び静止位置からのその変形Ｓは、与えられた幾何学形状に対して、容易に計算されることが可能である。

静止位置からのフィンガーの変形Ｓは、バイメタルのストリップの異なる熱膨張に基づいて、下記のように得られる：

ここで、αは熱膨張率（例えば銅、アルミニウム／ブロンズ、及び亜鉛の膨張率）である；

そして、Ｌｏはバイメタルのバーの長さであり、ΔＴはＳその温度差である。

ΔＴ＝６０Ｋ、及び、Ｌｏ＝７２ｍｍ と仮定すると、長さＬの変化またはバーの変形Ｓは、以下のようになる：

図３に示されているように、一端でクランプされているバイメタルのバーの上に作用する力Ｆは、その弾性率Ｅと、軸方向面積慣性モーメントＪａと、その変形Ｓの積、並びにその長さＬｏによる商から得られる：

フィンガーの矩形の形状の面積慣性モーメントＪａは、以下のように与えられる：

以下の値が、弾性率に対して仮定される：

これからもたらされる Ｐａ＝８＊１０^４Ｎ／ｍｍ^２ の平均値は、６０Ｋの温度差を備えた銅／亜鉛バイメタルのストリップに対して次式の力をもたらす：

これと比較して、一端でクランプされたコンタクト・フィンガーに対する、バイメタル効果を全て無視した純粋なスプリング力は、上記のパラメータを考慮に入れたとき、３４Ｎである。

それ故に、フィンガーの接触力は、フィンガーが６０Ｋの温度差に曝されたとき、一端でクランプされたバイメタルのストリップからなり上述のパラメータを有するコンタクト・フィンガー１２，１８により、バイメタル効果の無いコンタクト・フィンガーと比べて５０％以上、増大されまたは減少されることが可能である。

図６に示されているように、両端において突き当たるバイメタルのスプリング１４により支持されたコンタクト・フィンガー１２に対して、フィンガーの中心に作用する力は、以下のように計算される：

先に仮定されたパラメータを考慮に入れると、接合コンタクトに作用する力は、それ故に、次式で与えられる：

コンタクト・フィンガー１２及びバイメタルのスプリング１４により作り出される接触力は、それ故に、バイメタルのストリップによって、スプリング効果は有るが更なる力は無いコンタクト・フィンガーにより作り出されるものと比べて３００％以上、増大される。

図７は、力／温度の図を、一端でクランプされた銅−ブロンズ・バイメタルのコンタクト・フィンガー及び銅−亜鉛バイメタルのコンタクト・フィンガーに対して計算された力／接触温度曲線を用いて示している。

これは更なる実施形態の中には示されていないが、接触力を増大させるための手段、即ち、スプリング要素１４及びそれ自体がバネからなる・コンタクト要素１８は、第一のコンタクト・ユニット１０を第二のコンタクト・ユニット２０に対して押圧するために使用されるものと、同じ手段である。スプリング要素１４とコンタクト要素１８の両方は、この場合、バイメタル効果を有している。他の実施形態において、接触力は、スプリング要素１４及びそれ自体がバネからなる・コンタクト要素１８を、バイメタルのストリップで完全に構成するのではなく、部分的にのみ構成することにより、換言すれば、スプリング要素および／またはコンタクト要素の一部分のみをバイメタルのストリップから構成すれば、増大される。

しかしながら、温度の上昇につれての接触力の増大は、適切な熱膨張率を備えた材料を、弾性コンタクト要素１７および／またはスプリング要素１２に使用することにより、このようにバイメタル効果を実現して、実現されることもまた可能である。

電気的スイッチング・デバイスのための、本発明に基づく且つ図４に示されたコンタクト・システム１は、それぞれジェネレータ・スイッチの一つのスイッチ極のためのコンタクト・システム１である。ディスコネクター・コンタクト・システム１は、円筒状の接合コンタクトの形態の、円筒状のコンタクト・ユニット１０及びコンタクト・ユニット２０を有していて、それらは、長手方向の軸Ａの上に、軸方向に配置されている。接合コンタクト・ユニット２０のための電気的接触は、コンタクト・ユニット１０のコンタクト・フィンガー１２を介して作り出され、それらのコンタクト・フィンガー１２は、コンタクト・ユニット１０の外表面の上に環状に配置され、且つ、ネジ接続１９により取り付けられている。電気伝導度を改善するために、接合コンタクト・ユニット２０の接触表面２３は、銀でコーティングされる。

ジェネレータ・スイッチの運転の間、コンタクト・システム１が閉じられ、そして、コンタクト・フィンガー１２が、コンタクト・ユニット２０と電気的に接触する。その目的のために、コンタクト・フィンガー１２が、コンタクト・ユニット２０の接触表面２３の上に押し付けられる。このプロセスの間、コンタクト・フィンガー１２のバイメタルのスプリング１４は、コンタクト・フィンガー１２を押圧する接触力を、接合コンタクト・ユニット２０の接触表面２３に作用させる。ジェネレータ・スイッチの運転の間、バイメタルのスプリング１４の接触力は、コンタクト・ユニット１０，２０の中を流れる電流により加熱されたコンタクト・システム１により、そして、コンタクト・ユニット１０，２０の間の接触抵抗の結果として、増大される。

この増大した接触力は、次に、より良い電気伝導度をもたらし、換言すれば、二つのコンタクト・ユニット１０，２０の間の接触抵抗の減少をもたらし、そしてそれ故に、コンタクト・システム１の中の温度の減少をもたらす。結果として、このコンタクト・システム１は、より安定な運転状態を呈し、そして自動的に安定化される。更に、自己加熱プロセスが、接触表面１６，２３で生ずる。この自己加熱プロセスは、酸化またはエージング効果に起因する接触抵抗の増大が、自動的に減少されることに有る。

接触表面１６，２３での増大した接触抵抗は、コンタクト・ユニット１０，２０の温度の増大をもたらし、そしてそれ故に、コンタクト・フィンガー１２のコンタクト・ユニット２０に対する増大した接触力をもたらす。この増大した接触力は、次に、接触表面１６，２３の間の電気的接触を改善し、そしてそれ故に、接触抵抗を減少させる。接触表面１６，２３での、この電気伝導度の改良は、自己加熱効果とみなされることが可能であり、それ故に、コンタクト・システム１のためのより安定した運転条件を、同様にもたらす。

図５に示された実施形態において、バイメタルのスプリング１４，２２を備えたフィンガー・コンタクト１２，２１は、コンタクト・ユニット１０及び接合コンタクト・ユニット２０の両方のために、電気的接触を作り出すために使用される。図４に示された実施形態とは異なり、両方のバイメタルのスプリング１４，２２が、バイメタルのスプリングに起因する接触力の増大をもたらし、それにより、二つのスプリング１４，２２のスプリング力が付け加えられることになる。

図６は、ジェネレータ・スイッチの定格電流コンタクト・システム１を示し、このシステムは、円筒状のコンタクト・ユニット１０、円筒状の接合コンタクト・ユニット２０、及び複数のコンタクト・フィンガー１２を備えていて、それらのコンタクト・フィンガーは、コンタクト・ユニット２０の周りに環状に配置され、周方向のリセス２５の中に、バイメタルのスプリング１４により保持されている。各コンタクト・フィンガー１２は、一つのバイメタルのスプリング１４を有している。バイメタルのスプリング１４は、両端でリセス２５の中に配置され、スプリング１４の中心の突出部が、コンタクト・フィンガー１２の切除部２６の中に噛み合うように形成されている。スプリング１４とコンタクト・フィンガー１２の、一点での相互の噛み合いは、コンタクト・フィンガー１２が、その取り付けポイントの回りで傾斜する動きを行うことを可能にする。

スイッチが閉じられたとき、コンタクト・フィンガー１２の一端は、それぞれ、コンタクト・ユニット１０の上及び接合コンタクト・ユニット２０の上に留まる。このコンタクト・システム１が加熱され、そして結果としてバイメタルのスプリング１４が加熱されたとき、スプリング１４のバイメタル効果が、コンタクト・フィンガー１２とコンタクト・ユニット１０，２０の間の接触力の増大をもたらす。

示された実施形態は、請求項により規定される保護範囲から逸脱することなく、更に変更されることが可能である。例えば、図６の中のコンタクト・フィンガー１２及びバイメタルのスプリング１４は、一体的に形成されてバイメタルのスプリングの特徴を有していて良い。更に、スプリング要素１４またはコンタクト・フィンガー１２，１８がバイメタルのストリップから構成される必要も無い。コンタクト・フィンガー１２，１８とスプリング要素１４の両方が、非金属物質から構成されても、あるいはバイメタル効果を有する何か他の複合材料であっても良い。

図１は、本発明に基づくコンタクト・ユニットの、異なる温度での二つの図を概略的に示しており、増大した温度でのコンタクト・ユニットは、破線で示された図で示されている。 図２ａは、バイメタルのスプリングを備えたコンタクト・ユニットの、異なる温度での図を概略的に示している。 図２ｂは、バイメタルのスプリングを備えたコンタクト・ユニットの、異なる温度での図を概略的に示している。 図３は、コンタクト・フィンガーがバイメタルのコンタクト・フィンガーであるコンタクト・ユニットの図を概略的に示している。 図４は、本発明に基づく環状に配置されたコンタクト・フィンガー及び円筒状の接合コンタクトを備えたコンタクト・システムの図を概略的に示している。 図５は、バイメタルのコンタクト・スプリング及びバイメタルの接合コンタクト・スプリングを備えたコンタクト・ユニットの図を概略的に示している。 図６は、コンタクト・システムの図を概略的に示し、このシステムにおいて、コンタクト（環状に配置されている）がバイメタルのスプリングにより保持されている。 図７は、異なるバイメタル材料からなる二つのコンタクト・フィンガーに対して計算された接触温度／力曲線を概略的に示している。

符号の説明

１…コンタクト・システム、１０…コンタクト・ユニット、１２，２１…コンタクト・フィンガー，コンタクト要素、１３，２２…スプリング，リーフ・スプリング，スプリング要素、１４…バイメタルのスプリング、１５…膨張体、１６，２３，２７…接触表面、１８…バイメタルのコンタクト・フィンガー、１９…ネジ接続、２０…コンタクト・ユニット，接合コンタクト・ユニット、２５…リセス、２６…切除部、Ａ…軸。

Claims (12)

1. 電気的スイッチング・デバイスのための電気的コンタクト・システム（１）であって、
   第一のコンタクト・ユニット（１０）及び第二のコンタクト・ユニット（２０）を有し、
   電気的接触が形成されるときに、接触力が、第一のコンタクト・ユニット（１０）と第二のコンタクト・ユニット（２０）の間に作用し、
   接触力を作用させるための手段（１３，１４，１５，１８）が設けられ、
   第一のコンタクト・ユニット（１０）が、第二のコンタクト・ユニット（２０）から切り離されることが可能である、
   電気的コンタクト・システムにおいて、
   前記手段（１４，１５，１８）が、前記手段（１４，１５，１８）の温度が上昇したときに接触力の増大をもたらす熱膨張効果を有すること、を特徴とする電気的コンタクト・システム。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の電気的コンタクト・システム（１）：
   前記熱膨張効果は、バイメタル効果である。
3. 下記特徴を有する請求項１または２に記載の電気的コンタクト・システム（１）：
   バイメタル効果を有する前記手段（１３，１４；１５，１８）は、バイメタルのストリップである。
4. 下記特徴を有する請求項２または３に記載の電気的コンタクト・システム（１）：
   接触力を増大させるための前記手段（１３，１５；１４，１８）は、第一のコンタクト・ユニット（１０）の第一のコンタクト要素（１２）を第二のコンタクト・ユニット（２０）へ押し付けるための、熱膨張効果を有するバイメタルのスプリング要素（１４）を有している。
5. 下記特徴を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の電気的コンタクト・システム（１）：
   接触力を増大させるための前記手段（１３，１４；１５，１８）は、コンタクト・ユニット（１０，２０）のために、熱膨張効果を有するそれ自体がバネからなるコンタクト要素（１８）を、特にバイメタルのコンタクト要素（１８）を、有している。
6. 下記特徴を有する請求項４または５に記載の電気的コンタクト・システム（１）：
   接触力を増大させるための前記手段（１３，１４；１５，１８）は、請求項４にクレイムされたスプリング要素（１４）と、請求項５にクレイムされたそれ自体がバネからなるコンタクト要素（１８）の両方を有している。
7. 下記特徴を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の電気的コンタクト・システム（１）：
   接触力を増大させるための前記手段（１３，１４；１５，１８）は、第一のコンタクト・ユニット（１０）に、及び第二のコンタクト・ユニット（２０）に、設けられている。
8. 下記特徴を有する請求項１から７のいずれか１項に記載の電気的コンタクト・システム（１）：
   接触力を増大させるための前記手段（１３，１４；１５，１８）は、第一のコンタクト・ユニット（１０）および／または第二のコンタクト・ユニット（２０）のそれぞれのコンタクト要素（１２）に、設けられている。
9. 下記特徴を有する請求項１から８のいずれか１項に記載の電気的コンタクト・システム（１）：
   前記コンタクト・ユニット（１０，２０）は、定格電流コンタクト・ユニットおよび／または消耗型コンタクト・ユニットである。
10. 下記特徴を有する請求項１から９のいずれか１項に記載の電気的コンタクト・システム（１）：
    バイメタルのストリップが、コンタクト・ユニット（１０，２０）の、それ自体がバネからなる・コンタクト要素（１８）および／またはスプリング要素（１３）に取り付けられる。
11. 下記特徴を有する請求項４から６のいずれか１項に記載の電気的コンタクト・システム（１）：
    コンタクト・ユニット（１０，２０）の、それ自体がバネからなるバイメタルのコンタクト要素（１８）またはバイメタルのスプリング要素（１４；１３，１５）は、全体的にまたは部分的に、バイメタルのストリップで構成されている。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気的コンタクト・システム（１）を有する電気的スイッチング・デバイス、特にサーキット・ブレーカ。

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