SE440568B - Elektrisk vakuumstromstellare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 7812519-2 serie med kontaktelementen. Dessa spolar är monterade på var- dera sidan av tangentplanet av kontaktelementen och spolarnas lindningsriktning är sådan att ett axiellt magnetfält alstras vid platsen för tangentplanet när spolarna matas med elektrisk ström. Det sätt på vilket det axiella magnetfältet alstras i denna kända strömbrytare innebär den nackdelen att den elektris- ka strömmen alstrar kontinuerlig värme i spolarna till följd av spolarnas elektriska resistans vilket i negativ riktning påver- kar den tillåtna strömstyrka som kontinuerligt kan gå genom vakuumströmbrytaren.

Uppfinningen har till syfte att vid en vakuumströmställare av inledningsvis angivet slag åstadkomma ett axiellt magnetfält smellan kontaktelementen som ej ger upphov till skadligt för- lustvärme på grund av brytströmmen. Detta syfte uppnås genom kännetecken av åtföljande patentkrav l.

Enligt uppfinningen är sålunda varje kontaktstav på ömse sidor om tangeringsplanet delvis omgiven av en ringformad ferromag- netisk kropp. Denna kropp har ett parti med lägre permeabilitet och de båda kropparna är så orienterade att nämnda partier be- finner sig på motsatta sidor i avseende på strömställarens axel.

När ström flyter genom strömställaren kommer ett magnetfält att alstras kring kontaktelementen. På grund av partiet med lägre permeabilitet i varje magnetkrets som bildas av den kontaktsta- ven omgivande ferromagnetiska kroppen kommer en stor del av mag~ netfältet att gå till den ferromagnetiska kropp som befinner sig på motsatt sida av tangeringsplanet, om avståndet mellan de fer- romagnetiska kropparna är tillräckligt litet. Därigenom kommer ett väsentligen axiellt magnetfält att alstras mellan kontakt- elementen med samma verkan som det av spolarna i strömställaren enligt SE patentskriften 7701070-0 alstrade magnetfältet.

Företrädesvis är de ferromagnetiska kropparna utförda i form av U-formade gafflar, så att gaffeln kan trädas på strömställarens kontaktstavar. Avståndet mellan gaffelskänklarna är företrädes- vis lika med ytterdiametern av kontaktstavarna. f* 10 15 20 fa* 25 30 35 7812519-2 Den del av gaffeln som har låg permeabilitet bildas av luft- gapet mellan de öppna ändarna av benen. Denna del kan även vara fylld med ett material med god elektrisk ledningsförmåga varvid bågsläckningseffekten ytterligare förbättras.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritningarna, i vilka fig. 1 är en perspek- tivvy av en vakuumströmbrytare enligt föreliggande uppfinning, varvid brytaren visas partiellt öppnad, fig. 2 är en sidovy av de med U-formade gafflar försedda kontaktelementen, fig. 3 visar en kontaktskiva sedd från kontaktytan utmed linjen III-III i fig. 2, fig. 4 är ett diagram som visar styrkan av magnetfältet mellan kontaktstavarna i relation till avståndet mellan centrum för dessa skivor, och fig. 5 är ett diagram som visar hur strömbrytaren enligt föreliggande uppfinning fungerar.

Vakuumströmbrytaren i fig. l innefattar ett evakuerat hus bestående av en metallcylinder 5 och skivliknande isolator- delar 6 och 7 vilka tillsluter metallcylindrarna vid dess båda ändar. Inuti det evakuerade huset finns två kontaktele- ment, vilka vardera innefattar kontaktskivor l resp. 2 mon- terade på kontaktstavar 3 resp. 4. Kontaktstaven 3 är statio- närt fastsatt vid isolatordelen 7 medan kontaktstaven 4 och den därpå monterade kontaktskivan 2 kan förflyttas mot och från kontaktskivan 1 för vilket ändamål kontaktstaven 4 är förbunden med isolatordelen 6 med hjälp av en flexibel bälg 8. I fig. l möter kontaktskivorna l och 2 varandra i tangent- planet 9.

På ett förhållandevis litet avstånd från detta tangentplan 9 och på vardera sidan om detta tangentplan har U-formade gaff- lar 10, ll monterats runt kontaktstavarna 3 och 4. Gafflarna består av ett material med god magnetisk permeabilitet. I den visade utföringsformen har var och en av gafflarna formats till en bred ring av t.ex. mjukjärn. Gafflarna kan vara mas- siva men de kan även vara laminerade, vilket naturligtvis __._._.._,... , . .... .__-. fa 10 15 20 25 30 35 7812519-2 föredras i det fall det gäller växelström. vardera gaffel- ringen har en innerdiameter som är något större än storleken av ifrågavarande kontaktstavar 3 och 4. I den föreliggande ut- föringsformen har den yttre diametern valts vara lika med p den yttre diametern av kontaktskivorna l och 2. Vidare har vardera gaffeln 10 och ll försetts med ett luftgap 12 resp. 13 mellan benen. Luftgapet har konstant bredd från utsidan mot insidan och denna bredd är lika med innerdiametern av ringen. vardera gaffeln har således trätts över motsvarande kontaktstav tills gaffeln har kommit till anslag mot kontakt- staven.

Gafflarna ligger i i huvudsak parallella plan (se vidare även fig. 2) så nära tangentplanet 9 som möjligt och de vilar mot kontaktskivorna 1 och 2. Företrädesvis i riktningen för den öppna änden av gaffeln är den första gaffelns ben oriente- rade i motsatt riktning mot den samverkande andra gaffelns ben. Vid axiell projektion av den första gaffeln på den andra kommer med andra ord den massiva delen av den första gaffeln åtminstone partiellt överlappa öppningen mellan ändarna av den andra gaffelns ben.

I figurerna 1-3 visas förloppet av magnetflödeslinjerna i det fall elektrisk ström går genom strömbrytaren. Det magnetfält som alstras av den genom brytaren gående strömmen koncentre- ras partiellt i gafflarna 10 och ll tack vare gafflarnas goda magnetiska permeabilitet. I kombination med luftgapet 12 och 13 som är belägna mellan benens öppna ändar, kommer gafflarna 10 och ll på vardera sidan av tangentplanet att vardera bilda en magnetkrets, som går partiellt runt kontaktstaven. Dessa luftgap 12 och 13 har - åtminstone medan kontaktelementen be- rör varandra - en bredd som är större än avståndet mellan gafflarna på vardera sidan av tangentplanet 9 räknat i axiell riktning. Således komer magnetflödeslinjerna att hellre gå över till gaffeln på den andra sidan av tangentplanet än till det motsatta benet på sin egen gaffel. I fig. l har detta för- hållande tydligt illustrerats. Detta att flödeslinjerna går över inträffar inte bara vid platsen för luftgapet utan huvud- 15 20 25 30 35 7812519-'2 delen av flödeslinjerna kommer att gå mellan de parallella benen av de två gafflarna l0 och ll vilka är orienterade åt motsatta håll och är vända mot varandra tack vare det inledningsvis korta avståndet mellan gafflarna. I fig. 3 har detta förhållande ytterligare åskådliggjorts. De i fig. visade punkterna och korsen representerar flödeslinjer som går vinkelrätt mot ritningens plan. Ur figuren framgår att endast en liten del av flödeslinjerna går över vid platsen för själva luftgapet vilket markeras med den streckade axeln.

I den högra delen av fig. 3 går flödeslinjerna in i planet för ritningen medan i den vänstra delen av samma figur flödeslinjerna kommer upp ur ritningens plan. Flödeslinjer- nas riktningar har även angetts i fig. 2 som visar det fall där efter öppning av kontaktelementen kontaktskivorna redan befinner sig på ett visst avstånd från varandra.

Fig. 4 är ett diagram som visar densiteten av det magnetfält, som alstras av gafflarna, anordnade vid sidan av tangentpla- net, vid strömmens passage. Tätheten av magnetfältet är upp- mätt i riktningarna I, II och III i fig. 3. I fig. 4 har av- ståndet i mm räknat från centrum av kontaktskivorna avsatts utmed abskissan, medan induktionen uttryckt i Tesla har av- satts utmed ordinatan. Det är tydligt att tätheten av magnet- fältet är högst i området för pilen I. Detta är även något som kan förväntas eftersom inverkningen av de delar som har låg permeabilitet kommer att märkas minst i detta område.

Den ström som utnyttjades för dessa mätningar uppgick till 1800 amper växelspänning. De icke prim-försedda romerska siffrorna vid kurvorna hänför sig till mätningar med en kon- taktskiva vars tjocklek var 3 mm medan de prim-försedda romerska siffrorna hänför sig till mätningar med en kontakt- skiva vars tjocklek var l mm. Tjockleken av skivorna har så- ledes avsevärd inverkan på styrkan av magnetfältet. Lika- ledes påverkas läget för maximumpunkten av denna tjocklek.

Mätningarna vid upptagandet av kurvorna i fig. 4 gjordes med g* 10 15 20 25 30 35 7812519-2 gafflar med yttre cirkulär form. Uppfinningen är emellertid inte begränsad till detta. Likaledes kommer formen av de U-formade gafflarna att påverka kurvornas utseende.

Ur fig. 4 framgår vidare att ett svagt magnetfält endast förefinns i omrâdet för pilen III, dvs. det område av tangent- planet mellan kontaktskivorna, vilket förlöper parallellt med mellanrummen mellan gafflarnas ben. I huvuddelen av tan- gentplanet och rummet mellan kontaktskivorna kommer flödes- linjer, och därmed även ett mer eller mindre kraftigt magnet- fält, att inträffa vid förskjutning av kontaktskivorna med. avseende på varandra. På samma sätt som vid strömbrytaren enligt ovannämnda holländska patentskrift medför detta en avsevärd förbättring av brytegenskaperna av strömbrytaren enligt föreliggande uppfinning.

Vid fortsatt inbördes förflyttning av kontaktskivorna l och 2 och därmed även av gafflarna l0 och ll kommer styrkan av det axiella magnetfältet mellan gafflarna och därmed även mellan kontaktskivorna att minska till följd av det ökande avståndet varvid styrkan av fältet mellan de tvâ benen av vardera gaffeln kommer att öka. Kontaktskivorna och gafflar- na kan emellertid enkelt konstrueras och monteras på sådant sätt att ett tillräckligt kraftigt axiellt riktat fält kommer att finnas under den verksamma delen av kretsbrytningspro- cessen. Ett sådant tillräckligt kraftigt axiellt riktat fält har strömställaren i fig. 2, vilken visas i naturlig skala.

Kontaktstavarna har en diameter på 25 mm. Kontaktskivorna har en diameter på 60 m och en tjocklek på 2 mm. Sedan brytaren öppnats och avståndet mellan gafflarna ökat till 16 mm komer fortfarande ett tillräckligt kraftigt axiellt magnetfält att förefinnas mellan gafflarna 10 och ll.

Experiment med strömbrytarna enligt föreliggande uppfinning visar att bågspänningen förbättras avsevärt. Fig. 5 är ett diagram som visar den maximala bågspänningen uttryckt i volt avsatt mot den brutna strömmen, vilken anges i kiloampere. ”lo 15 20 25 30 7812519-2 Kurvan A hänför sig till en strömbrytare utan längsgående magnetfält medan kurvan B avser en strömbrytare enligt före- liggande uppfinning, i vilken ett längsgående magnetfält alstras med hjälp av de U-formade gafflarna. Ur diagrammet framgår att strömbrytaren enligt föreliggande uppfinning fortfarande kan bryta strömmar på ca 30 kiloampere medan strömbrytaren utan något längsgående magnetfält på tillför- litligt sätt inte ampere. kan bryta strömmar på mer än l5 kilo- Luftgapen 12 och 13 kan även fyllas med ett massivt stycke av ett material som är en god elektrisk ledare t.ex. koppar.

Det har visat sig att i detta fall kan det magnetiska mot- ståndet ytterligare ökas. Detta kan förklaras av de virvel- strömmar som magnetfältet alstrar i nämnda kopparstycke, vilka virvelströmmar i sin tur även alstrar ett magnetfält vars riktning är motsatt det ursprungliga fältet.

Denna effekt kan utnyttjas på två sätt, dvs. antingen bibe- hålles gapbredden varvid även för ökande avstånd mellan gafflarna magnetflödet fortfarande kommer att passera tvärs över och således alstra ett axiellt fält, eller också bibe- hålles det magnetiska motståndet vilket betyder att gapbred- den kan minskas och således den verksamma delen av gaffeln kan breddas och således områdena med svagt magnetfält mins- kas.

I fig. l har insticksstycken för utfyllnad av luftgapen 12 och 13 markerats med punkt-streckade linjer.

Den ovan besrkivna utföringsformen av beskrivningen kan på många sätt modifieras och varieras inom ramen för uppfin- ningens grundtanke.

Claims (7)

l0 l5 20 30 35 7812519'2 ß Patentkrav

1. Elektriskt vakuumströmställare med två axiellt i linje med varandra liggande kontaktstavar (3,4) som är försedda med varsitt kontaktelement (1,2), vilka är rörliga relativt varandra för slutning och för öppning av vakuumströmställa- ren och vilka i vakuumströmställarens slutna ställning bil- dar ett tangeringsplan, som sträcker sig vinkelrätt mot kon- taktstavaranalsamt ferromagnetiska, högpermeabla kroppar (10, 11) som är anordnade runtom vardera kontaktstaven vid resp. kontaktelement på varsin sida av tangeringsplanet, vilka fer- romagnetiska, högpermeabla kroppar deformerar det av ström- ställarströmmen framkallade magnetfältet för att påverka den ljusbåge, som uppstår mellan kontaktelementen när vakuumström- ställaren öppnas, k ä n n e t e c k n a d av att vid varje kontaktstycke (1,2) är anordnad en i huvudsak ringformad, fer- romagnetisk kropp (10,11), som dels är utbildad med ett genom- gåendelradiellt förlöpande gap (12),smndelsi.gapområdet uppvi- sar lägre permeabilitet, som dels är anordnad koaxiell rela- tivt den ifrågavarande kontaktstaven och som dels är så rik- tad att den ena kroppens (10) gapområde (12) ligger mittför ett omrâde med hög permeabilitet i den andra kroppen (11).

2. Vakuumströmställare enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a d av att gapet är utfört som ett luftgap.

3. Vakuumströmställare enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a d av att gapet är fyllt med ett material (12,13) med god elektrisk ledningsförmåga .

4. Vakuumströmställare enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n - n e t e c k n a d av att den ferromagnetiska kroppen har formen av en öppen ring med rektangulär tvärsektion.

5. Vakuumströmställare enligt krav 4, k ä n n e t e c k - n a d av att bredden av gapet är lika med innerdiametern av ringen. 7812519-'2

6. Vakuumströmställare enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att kropparna (10,11) består av mjukjärn.

7. Vakuumströmställare enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att kropparna (10,11) är lamine- rade.