WO1996020491A1 - Vakuumschalter - Google Patents

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WO1996020491A1
WO1996020491A1 PCT/DE1995/001802 DE9501802W WO9620491A1 WO 1996020491 A1 WO1996020491 A1 WO 1996020491A1 DE 9501802 W DE9501802 W DE 9501802W WO 9620491 A1 WO9620491 A1 WO 9620491A1
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WO
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contact
switching
vacuum
switch according
vacuum switch
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Application number
PCT/DE1995/001802
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Reiner Volkmar
Michael Gerhard Held
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/0203—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for interrupting dc

Definitions

  • the invention is in the field of electrical switches and can be used in the design of high-current switches, the contact pieces of which are arranged in an evacuated switching chamber and are also suitable for switching direct currents.
  • arc quenching devices are customary for this purpose, which consist of a quenching chamber which is arranged on the side of the switching path and is composed of so-called quenching plates.
  • the arc forming between the contact pieces is e.g. driven by a blow coil generating a magnetic field over the arc quenching plates or baffles.
  • the arc is divided by the quenching plates into a number of short partial arcs, which burn in a row and from which energy is withdrawn on the cold plate and wall surfaces of the quenching chamber; at the same time, the series arc of the partial arcs raises the arcing voltage to a multiple value.
  • the high arc arc resulting from the intensive deprivation of energy thus leads to the extinction of the arc.
  • Switches are also used for switching alternating currents in the low and medium voltage range, the actual switching element of which is formed by a vacuum interrupter, which essentially consists of an evacuated housing with two contacts arranged inside the housing; one of these contacts is movably arranged using a bellows. With such a Switching element the switching arc is extinguished predominantly by the periodically recurring current zero crossing, the electrical insulation strength of the vacuum preventing the switching arc from re-igniting over the switching path with a recurring voltage.
  • a vacuum interrupter which essentially consists of an evacuated housing with two contacts arranged inside the housing; one of these contacts is movably arranged using a bellows.
  • vacuum interrupter as the actual switching element is connected in series with a capacitor circuit and another switching element in parallel.
  • a discharge of the capacitor circuit is initiated during the switching process via the open switching path of the vacuum switching chamber and forces a synthetic current zero crossing via the switching path of the vacuum switching chamber (forced commutation).
  • capacitor batteries are required whose capacities are in the order of magnitude of several ⁇ F (DE 26 08 264 AI, EP 0 178 733 A2, article “DC Braking Tests up to 55 kgA in a Single Vacuum Interrupter", IEEE Trans-actions on power delivery, Vol. 3, No. 4, 1988, pages 1732 to 1738, US 3 548 256-A).
  • a switch For switching direct currents with a current of up to about 100 A by means of a vacuum tube without a capacitor circuit battery arranged parallel to the switching path, a switch is also known which has a housing containing the switching drive for the actual switching element in the usual manner and in which the switching element is formed
  • Vacuum holding tube also has a switching path in the usual way, which is formed by a fixed contact piece and a contact piece axially movable therefor.
  • the contact surfaces of the two contact pieces are arranged in two mutually parallel planes. The two contact pieces are also beyond designed differently in order to influence the arc occurring during the switching process.
  • a cylindrical contact piece which is designed as a cathode and is connected as a cathode, is provided on its end face with a cylindrical recess, in the bottom region of which bores running radially outwards or a flat backward rotation are arranged.
  • the other contact piece which is also cylindrical and is connected as an anode, is provided on its end face with a cylindrical elevation, the diameter of which is selected to be smaller than the diameter of the cylindrical recess in the contact piece connected as the cathode.
  • a vacuum interrupter is also known per se, the contact pieces of which are each made of a contact carrier made of a material with a good current and an attached one
  • the contact surfaces of the contact elements are arranged in two mutually parallel planes and the two contact elements are additionally provided with two concentrically arranged, cage-like current-carrying elements, between which an arc can be guided (JP 56-63 723-A).
  • the invention has for its object to form the Va uu sehaltkarmmer so that with it also direct currents also above 100 A. can be safely interrupted without the use of a forced commutation.
  • the contact elements consist of a material with a melting point above 1200 ° C. and with positive magnetic susceptibility; furthermore, the current path formed by the contact carriers and the contact elements for generating a magnetic field oriented both axially and radially and also in the circumferential direction has two radially extending sections in the region of the switching path, the axial distance of which is different from the arc-burning path located between the contact elements; finally, one or more capacitors are arranged electrically parallel to the switching path, the total capacitance of which is at least 10 ⁇ times and at most 10 ⁇ times the capacitance of the two contact elements located at a distance from one another from the switching stroke.
  • the measures provided according to the invention are therefore aimed at frequency-decoupling these two different but electrically coupled oscillation processes, damping their individual amplitudes and thus reducing the overall amplitude between the two contacts.
  • the frequency of the oscillation processes caused by the arc and the amplitude thereof are reduced on the one hand by using high-melting and therefore erosion-resistant contact material with positive magnetic susceptibility and by generating magnetic fields influencing the arc decreased; on the other hand, by connecting one or more capacitors in parallel to the switching path, the frequency and the amplitude of the circuit-related oscillation process are reduced in such a way that the frequencies of the two oscillation processes differ by one or more orders of magnitude.
  • Such a constructive measure consists in arranging a hollow-cylindrical vapor screen concentrically with the two contact pieces, the radial distance from the contact pieces corresponding approximately to the axial distance of the contact elements when the switching path is open and which is electrically fixed with the - when switching direct currents - as Cathode connected Kon ⁇ piece is connected.
  • a uniform electric field strength is established in the vicinity of the contact piece connected as an anode, which causes the arc to be blown out due to the generated magnetic field when the visual arc is radially emitted from the switching gap.
  • this steam shield forms, together with the contact piece connected as an anode, a capacitor whose capacitance increases the basic capacitance of the switching path.
  • the steam shield expediently also consists - in the sense of the choice of material for the contact elements - of a material whose melting point is above 1200 ° C. and which has a positive magnetic susceptibility.
  • the contact conductors made of, for example, copper, which conduct electricity well, be at least in the area of the switching gap on the outer circumference Cover materials of positive magnetic susceptibility. This can be achieved - in particular when the contact elements are designed as contact plates - with an apron which extends in the axial direction and runs around the outer contact element. Evaporation of copper material of the contact carrier and evaporation of solder material containing silver and / or copper, with which the respective contact element and the contact carrier are soldered, are prevented and a corresponding precipitation on the contact elements is prevented.
  • the high melting and boiling temperature, the presence of a positive magnetic susceptibility and the high atomic weight inherent in these materials are characteristic of the selection of materials according to the invention for the contact elements placed on the contact pieces.
  • Suitable materials of this type which can be used alone or in combination with other suitable materials, are in particular tungsten and molybdenum, the melting temperature of which is above 2500 ° C. and the boiling point of which is above 5500 ° C., the specific susceptibility of which is approximately +3 or about +9 gx cm ⁇ 3 x 10 ⁇ 6.
  • the materials must have the lowest possible content of gaseous materials or of materials with a boiling point lower than 1200 ° C., since such materials also have a negative influence on the switching capacity due to their negative magnetic susceptibility and their low atomic weight.
  • the materials mentioned can be combined in the form of a sintered composite or in the form of an alloy with materials such as cobalt, iron, nickel, chromium, rhenium or vanadium, the magnetic susceptibility of which is higher than that of tungsten and molybdenum, so that the specific susceptibility of the composite or the alloy is higher than that of the base material tungsten or molybdenum.
  • Combination materials also include tantalum, niobium, platinum, rhodium and palladium, and possibly zirconium, titanium and manganese into consideration. Furthermore, the material of the contact element can have admixtures of lantanoids or actinides, the specific magnetic susceptibility of which is even higher.
  • the contact element of the movable contact piece made of tantalum or a tantalum alloy and the contact element of the fixed contact piece are made of Molybdenum or a molybdenum alloy manufactured (DE 1 025 042 A).
  • a sintered metal matrix is known as the contact material for vacuum switches, the main component of which consists of tungsten, molybdenum, chromium, nickel or iron and contains aluminum or tin as an embrittlement additive.
  • This metal matrix is then impregnated with an impregnating substance made of copper, silver or alloys of these metals (DE 23 57 333 AI). It is also known to use a contact material for vacuum circuit breakers which contains molybdenum and tungsten as the erosion-resistant components and copper as the electrically conductive component (DE 35 05 303 AI). In addition, it is known to produce the electrodes of a vacuum interrupter from an iron material, the hardness, yield strength, ductility and gaseous or gas-forming impurities of which satisfy certain boundary conditions.
  • the iron material can be a temperature-hardened carbon alloy steel which, in addition to about 0.4% carbon, contains 5% chromium, 3% molybdenum and 0.5% vanadium (DE 24 31 058 AI).
  • materials are used at least partially as contact material, whose melting temperature is above 1200 ° C. and which have a positive magnetic susceptibility.
  • the different design of the two contact pieces intended to generate the aforementioned magnetic field which consists in the fact that the current path formed by the contact pieces has two radially running sections, the axial distance of which from the discharge or switching path is different, ensures that the in the radial direction outwardly extending sections and the inwardly extending portions of the current path in the radial direction do not cancel each other out due to the opposite current direction in their effect, namely also to generate an axial magnetic field in the region of the switching path or the switching gap.
  • the contact elements as contact plates - preferably as contact plates with the same diameter. knives - are trained; in this case, radially extending sections of the current path can be formed by assigning a pot-like contact carrier to one contact plate, which has approximately the same outer diameter as the associated contact plate, and by essentially making the contact carrier of the other contact plate a full cylinder forms, whose diameter is significantly smaller than the diameter of the contact plate.
  • a radially extending section of the current path is formed from the bottom of the pot-like contact carrier and another radially extending section of the current path is formed by one or both contact plates.
  • the distance of the bottom of the pot-like contact carrier from the associated contact plate should be chosen to be as large as possible in terms of construction in order to reduce the desired axial magnetic field due to the opposite current directions between the opened contact plates as small as possible.
  • the formation of the radially extending section of the current path in the region of the contact plates is favored if the fully cylindrical contact carrier is provided with a central, cylindrical recess directly below the contact plate. -
  • the diameter of the contact carrier designed as a solid cylinder should preferably be approximately 25 to 60% of the diameter of the associated contact plate.
  • the pot-like contact carrier can furthermore be provided with a support flange protruding radially inwards from the edge and the fully cylindrical contact carrier can be provided with a support flange protruding radially outwards for the respective contact plate.
  • the support flanges are at the same time part of the radially extending sections of the current path.
  • at least one of the two contact carriers can also be slotted and / or the current supply bolt of a contact piece can be provided with a helically extending groove and in the region of the groove with a central axial bore. as is known per se for so-called axial magnetic field contacts.
  • the arrangement of one or more capacitors, which are electrically connected in parallel to the switching path is also provided within the scope of the invention.
  • This can be a capacitor arranged separately from the switching path, the connections of which are connected directly to the two connections of the vacuum interrupter, or a capacitor completely integrated into the vacuum interrupter or a combination of both.
  • the complete or partial integration of the capacitor into the vacuum interrupter can be achieved by arranging the charge surfaces concentrically with the contact pieces.
  • the capacitor can consist, for example, of at least two hollow hollow cylinders arranged concentrically to one another within the vacuum interrupter chamber, which are alternately electrically connected to one and the other contact piece.
  • the metal hollow cylinders are formed by metallizations which are applied to the outer surfaces of a ceramic hollow cylinder.
  • the capacitor can, however, also be formed by a hollow cylindrical insulating body of the vacuum holding chambers provided on the outside and inside with a partial metallization.
  • the capacitance of the opened switching path is approximately 1 to 5 pF and the capacitance of the vacuum interrupter is approximately 15 to 40 pF
  • the capacitance of the additionally arranged capacitors should be at least 200 to 500 pF, advantageously approximately 1 to 20 ⁇ 10 3 pF .
  • this then leads to a configuration in which the further switching path, likewise consisting of a fixed contact piece and an axially movable contact piece, is arranged concentrically or axially symmetrically to the switching path consisting of the two contact pieces which are present per se and is electrically connected in series therewith, the axially movable contact pieces of the two switching paths being combined into a single movable contact piece.
  • the contact elements of the first switching path it is advisable to design the contact elements of the first switching path as contact plates of the same diameter and the contact elements of the further switching path as circular rings of the same diameter, where the current supply element for the contact carrier of the fixed switching element of the further switching section consists essentially of a cylindrical wall.
  • a further capacitor can also be arranged electrically in parallel with the further switching path and coaxially with its contact pieces. Furthermore, one can additionally arrange a capacitor electrically in parallel with the series connection of the two switching paths, said capacitor consisting of two circular ring plates arranged axially offset from the annular contact elements of the further switching path.
  • FIGS. 1 to 12. 1 shows a view of a vacuum switch with housing, switching drive and the switching element consisting of a vacuum switching tube and a capacitor arranged electrically parallel to the switching element,
  • Figures 2 and 3 a first embodiment of a
  • FIGS. 4 to 7 show several variants for the integration of a capacitor in the vacuum interrupter and FIGS. 8 to 12 show several exemplary embodiments for one
  • Vacuum interrupter with two switching sections arranged one behind the other within the chamber.
  • the vacuum switch according to FIG. 1 has a housing 1 made of an insulating material, which is provided with ribs and chambers for receiving the electrical components.
  • the switching drive 2 is arranged, which consists of the drive magnet 3, which as a two-arm Ger lever formed armature 4 with the lever arm 5 acting on the switching element and from the drive pin 6 for coupling the switching drive to the switching element 10 is.
  • the switching element 10 designed as a vacuum switching tube is arranged in the right part of the housing. Under the chamber for the switching element 10 there is a chamber 7 which receives a capacitor 8 which is electrically connected in parallel to the switching element 10 via feed lines 9.
  • the capacitance of this ceramic disc capacitor is 10 4 pF.
  • the switching element 10 is designed as a vacuum interrupter, the housing of which consists of the two cap-like metal parts 11 and 12 and the annular insulator 13 arranged between them.
  • the fixed contact piece 14 is soldered into the cap-like metal part 11, which is connected as the cathode when switching direct current and which consists of the current supply pin 15 with the contact carrier 16 and the contact element 17 designed as a flat disk or plate.
  • the cap-like metal part 12 is provided with a bearing 27 for the movable contact piece 18, which consists of the power supply pin 19, the cup-shaped contact carrier 20 and the contact element 21, which is also designed as a flat disk or plate.
  • a steam screen 24 designed as a hollow cylinder, which is mechanically connected to the cap-like metal part 11 and thus electrically to the fixed contact piece 14.
  • This steam shield surrounds the two contact pieces with a radial distance r, which corresponds approximately to the contact stroke of the movable contact piece 18.
  • the two power supply bolts 15 and 19 and the contact carriers 16 and 20 are made of a material that conducts electricity, such as copper in particular.
  • the pot-shaped contact carrier 20 of the movable contact piece 18 has the same diameter.
  • the contact carrier 16 of the fixed contact piece 14 designed as a solid cylinder, on the other hand, has only a diameter d which is approximately 40% of the diameter of the contact element 17. Furthermore, the contact carrier 16 is provided centrally with a cylindrical recess 28. This ensures that during operation of the vacuum interrupter, the current flowing through the fixed contact piece 14 flows directly axially through the
  • the configuration of the contact carrier 20 of the movable contact piece 18 as a pot means that the current flowing through the movable contact piece forms a current loop which extends through radially running sections in the region of the bottom of the pot-shaped contact carrier 20 and in the region of the contact elements 17 and 21 is characterized. Since the two current directions of these radial current path sections are directed opposite one another, it is expedient to choose the height H of the cup-shaped contact carrier 20 as large as possible in order to have the effects of the current path in the bottom of the contact carrier 20 on the one that forms in the region of the switching path to keep the axial magnetic field as low as possible. According to FIG.
  • both the pot-like contact carrier 30 and the fully cylindrical contact carrier 32 can be provided with a radially inwardly projecting support flange 31 or with a radially outwardly projecting support flange 33 in order to provide a mechanically more secure contact surface for the respective contact element 17 or 21 to form.
  • two further hollow cylindrical metal parts 37 and 38 are arranged concentrically to the steam screen 36 with a small radial distance, which are alternately mechanically and electrically connected to the cap-like metal parts 34 and 35 of the housing of the vacuum interrupter.
  • the hollow cylindrical vapor shield 36 and the two further hollow cylinders 37 and 38 form a capacitor, the capacitance of which is determined in a known manner from the distance between the cylinder surfaces, the length of the mutual overlap and the dielectric constant of the vacuum generated in the vacuum interrupter.
  • the capacitance of the vacuum interrupter can be at least 10 ⁇ times the capacitance of the opened contact elements, for example 250 pF with a capacitance of the opened switching elements of 2.5 pF.
  • the capacitor integrated in the vacuum holding tube can also be formed by a ceramic hollow cylinder 40, which is provided on its inside and outside with a metallization 41 or 42 and which is in each case connected to the cap-like measurement by means of support rings 43 and 44 - Tall parts of the housing of the vacuum holding tube is supported and at the same time electrically contacted via these support rings.
  • This capacitor can also be arranged so that the inner metallization 41 also forms the steam shield for the contact pieces.
  • the capacitor integrated in the vacuum interrupter is formed by a hollow cylindrical ceramic insulator 45, which at the same time insulates the two cap-like metal parts of the housing of the vacuum interrupter from one another.
  • the ceramic insulator 45 is provided with a metallization 46 and 47 only on part of its axial length on the outside and inside, while the remaining part of the length together with a radial groove forms the inner and outer insulating strength of the vacuum interrupter.
  • the two metallizations 46 and 47 are electrically contacted by the solder connection with the cap-like metal parts 48 and 49.
  • two metal hollow cylinders 50 and 51 are arranged concentrically with the contact pieces, not shown, one of which is connected to the upper cap 52 and the other to the lower cap 53 of the housing of the vacuum holding tube.
  • a plurality of annular disks 54 and 55 are connected to each hollow cylinder, which protrude radially into the gap between the two hollow cylinders 50 and 51 and engage alternately, the annular disks of the two hollow cylinders being arranged insulated from one another by means of ceramic, annular spacers 56.
  • the vacuum interrupter according to FIG. 8 has a housing which consists of the lower plate 60, the upper plate 61, the lower cylindrical side wall 62, the upper cylindrical side wall 63 and the annular ceramic insulator 64 which insulates the two upper and lower parts from one another stands.
  • a bearing 74 is inserted into the upper plate 61 by means of the holding plate 75, through which a plunger 73 is guided, which carries the movable contact piece 72. Between that movable contact piece 72 and the ceramic bearing 74, the bellows 76 is soldered.
  • a first fixed contact piece 65 is soldered into the lower power supply plate 60, the contact carrier 66 of which is designed as a solid cylinder and which bears a disk-shaped contact element 67 provided with a circumferential skirt.
  • a second fixed contact piece 68 is electrically connected to the upper power supply plate 61 and is carried by the hollow cylindrical S romzuschreib 69.
  • the contact element 71 is arranged on the contact carrier 70, which is designed as an annular disk, which is also of annular design and has a flat U-profile in cross section.
  • the movable contact piece 72 is pot-shaped and provided with two contact carriers, one of which is from the inner hollow cylindrical wall 78 and the other of the outer hollow cylindrical wall which is arranged concentrically therewith
  • the inner contact element 80 is seated on the inner wall 78 and is disc-shaped with a circumferential skirt, while an annular contact element 81 is seated on the outer hollow cylindrical wall 79, which is also formed like the contact element 71 as a flat U-profile.
  • the contact piece 72 can be designed to be resilient in the region of the wall 79 and the associated base part in the axial direction.
  • the contact elements can e.g. consist of a commercially available W3Fe6, 5Ni alloy or a W4, 85Ni2, 4Fe0.25Co alloy.
  • Metallic hollow cylinders 82, 83, 84 and 85 are arranged concentrically to the two switching sections formed by the contact elements 67 and 80 or 71 and 81 and electrically connected in series, which act as steam screens and / or as a guide. Sheets are used to blow out the arcs generated during the switching process and are each connected to one of the fixed contact pieces or the movable contact piece.
  • a capacitor which consists of the two annular disk-shaped plates 86 and 87, one of which is electrically connected to the lower power supply plate 60 and the other via the hollow cylindrical power supply 69 to the upper power supply plate 61 is.
  • FIG. 9 shows a vacuum relay, which is constructed as an on / off switch.
  • the vacuum relay consists of two fixed contact pieces 101 and 102, which are insulated from one another by means of a hollow cylindrical insulator 103.
  • a second hollow cylindrical insulator 104 soldered to the fixed contact piece 102 carries the drive system 105, the housing 106 of which is connected to the insulator 104 in a vacuum-tight manner and i.a. has a chamber 107 for receiving a magnetization coil, part of the magnetic path being the armature 108, on which the switching rod 110 is supported via an insulating ring 109.
  • the switching rod carries at its free end a multi-arm contact bridge 111, the arms of which are arranged radially, are U-shaped and resilient and carry contact elements 112 at their free ends.
  • Each of the two axially symmetrically arranged contact pieces 101 and 102 consists of an annular current supply part 121, a hollow cylindrical wall part 122 with a subsequent annular bottom part 123 and an annular contact element 124 also placed on the bottom part, the hollow z ⁇ cylindrical wall part, the annular base part and the contact element each extend over a circumferential angle of about 120.
  • Two hollow cylindrical screens 125 and 126 are arranged, which are alternately electrically connected to the two contact pieces 101 and 102 and form a capacitor.
  • cap-shaped cover 127 is soldered onto the circular-shaped support part 121 and closes the vacuum switch chamber at the top.
  • FIG. 10 shows a vacuum holding combs without an integrated drive system for the movable switching element.
  • the housing of the switching chamber is formed by a lower flat cap 140, an upper hat-like cap 141, the upper contact ring 131 arranged therebetween, the lower contact ring 134, the adjoining support rings 137 and 138 and the hollow cylindrical insulator 139.
  • the upper fixed contact ring 131 merges into an annular contact carrier 132 which extends over a circumferential angle of approximately 120 °.
  • the likewise annular contact element 133 is arranged on this contact carrier 132.
  • the hollow cylindrical contact carrier 135 is connected, which also extends over a circumferential angle of approximately 120 ° and is arranged axially opposite to the contact carrier 132.
  • the contact carrier 135 carries the annular contact element 136.
  • the two fixed contact elements 133 and 136 are assigned the movable contact piece 142, which has a cup-shaped contact carrier 143 with a radially inwardly projecting edge onto which the annular contact element 144 is soldered.
  • the guide pin 146 which is made of an insulating material and is guided through the upper cap 141 to the outside, is also attached to the movable contact piece.
  • the bellows 145 is arranged between the contact carrier 143 and the upper cap 141.
  • the current path running from the upper fixed contact ring 133 to the lower fixed contact ring 134 has sections running both in the axial direction and in the radial direction, the sections running in the radial direction extending from that between the contact element 144 and the contact elements 133 and 135 formed switching distance are different distances in the axial direction.
  • the shielding cylinder 147 is also arranged concentrically to the switching path, while the hollow cylinders 148 and 149, which are arranged coaxially with the switching path and alternately mechanically and electrically connected to the upper fixed contact ring 131 and the lower fixed contact ring 134, form a capacitor.
  • the vacuum interrupter according to FIG. 11 differs from the vacuum interrupter according to FIG. 10 essentially in that similar components are used for the configuration of the two fixed contacts, so that the
  • each fixed contact piece consists of an annular current lead 151, to which a hollow cylindrical part 152 and an annular part 153 of the contact carrier are connected.
  • the likewise annular contact element 154 is arranged on the annular part of the contact carrier, the contact carrier and contact element each extending over a circumferential angle of 120 °.
  • the hollow cylinders 155 and 156 arranged concentrically to the contact arrangement form a capacitor.
  • Both the hollow cylindrical parts 152 of the contact carrier and the cup-shaped contact carrier of the movable contact piece can be provided with slots 157 and 158, respectively, in order to force a specific current direction in the region of the contact carrier and thus the configuration of a desired magnetic field.
  • both the two contact elements 161 and 162 of the outer switching path and the two contact elements 163 and 164 of the inner switching path are of circular design;
  • the contact carrier 165 of the fixed contact piece of the inner switching path which is designed as a cylindrical bolt, is provided with a helical groove 166 and a central bore 167 in order to force a specific current supply path in the region of the contact carrier.

Landscapes

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Abstract

Elektrischer Schalter mit einer Vakuumschaltkammer als Schaltelement zum Schalten von Gleich- und/oder Wechselströmen. Um mit einem elektrischen Schalter, dessen Schaltelement aus einer Vakuumschaltkammer (10) besteht, auch Gleichströme schalten zu können, sind folgende Maßnahmen vorgesehen: Als Kontaktmaterial (17, 21) wird ein hochschmelzender Werkstoff mit positiver magnetischer Suszeptibilität verwendet; zur Erzeugung sowohl eines axialen als auch radial gerichteten Magnetfeldes im Bereich der Schaltstrecke weist der von den beiden Schaltstücken (15, 16, 17, 19, 20, 21) gebildete Strompfad radial verlaufende Abschnitte auf, deren axialer Abstand von der Schaltstrecke unterschiedlich ist. Außerdem ist elektrisch parallel zur Schaltstrecke ein Kondensator (8) angeordnet, dessen Kapazität das 102- bis 105-fache der Kapazität der geöffneten Kontaktelemente beträgt. Eine derart ausgebildete Vakuumschaltkammer eignet sich zum Schalten von Gleichströmen im Nieder- und Mittelspannungsbereich und kann auch zum Schalten von nieder- und hochfrequenten Wechselströmen verwendet werden.

Description

Beschreibung
Vakuumschalter
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Schalter und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung von Hochstrom¬ schaltern anzuwenden, deren Kontaktstücke in einer evakuier¬ ten Schaltkammer angeordnet und auch zum Schalten von Gleich¬ strömen geeignet sind.
Die beim Schalten von Gleich- und nieder- oder hochfrequenten Wechselströmen zwischen den geöffneten Kontaktstücken auftre¬ tenden Lichtbögen müssen durch geeignete Maßnahmen zum Erlö¬ schen gebracht werden. Im Niederspannungsbereich sind hierzu Lichtbogen-Löscheinrichtungen gebräuchlich, die aus einer seitlich der Schaltstrecke angeordneten Löschkammer bestehen, die aus sogenannten Löschblechen aufgebaut ist. In diese Löschkammer wird der sich zwischen den Kontaktstücken ausbil¬ dende Lichtbogen z.B. mittels einer ein Magnetfeld erzeugen- den Blasspule über die Lichtbogen-Löschbleche bzw. Leitbleche getrieben. Hierbei erfährt der Lichtbogen durch die Lösch¬ bleche eine Aufteilung in mehrere kurze, in Reihe brennende Teillichtbögen, denen an den kalten Blech- und Wandoberflä¬ chen der Löschkammer Energie entzogen wird; gleichzeitig wird durch die Reihenschaltung der Teillichtbögen die Lichtbogen¬ brennspannung auf einen mehrfachen Wert angehoben. Der durch den intensiven Energieentzug entstehende hohe Lichtbogengra¬ dient führt somit zum Erlöschen des Lichtbogens.
Zum Schalten von Wechselströmen im Nieder- und Mittelspan¬ nungsbereich sind darüber hinaus Schalter in Gebrauch, deren eigentliches Schaltelement von einer Vakuumschaltkammer gebildet wird, die im wesentlichen aus einem evakuierten Gehäuse mit zwei innerhalb des Gehäuse angeordneten Kontakten besteht; von diesen Kontakten ist der eine unter Verwendung eines Faltenbalges bewegbar angeordnet. Bei einem derartigen Schaltelement wird das Erlöschen des Schaltlichtogens über¬ wiegend durch den periodisch wiederkehrenden Stromnulldurch¬ gang bewirkt, wobei die elektrische Isolierfestigkeit des Vakuums das Wiederzünden des Schaltlichtbogens über die Schaltstrecke bei wiederkehrender Spannung verhinder .
Man hat bereits versucht, Vakuumschaltkammern bzw. -röhren auch zum Schalten von Gleichströmen einzusetzen. Hierbei wird der Vakuumschaltkammer als eigentlichem Schaltelement eine Reihenschaltung aus einem Kondensatorkreis und einem weiteren Schaltelement parallel geschaltet. Mit Hilfe des weiteren Schaltelementes wird beim Schaltvorgang über die geöffnete Schaltstrecke der Vakuumschaltkammer eine dem zu unterbre¬ chenden Strom entgegengesetzt gerichtete Entladung des Kon- densatorkreises eingeleitet, die über die Schaltstrecke der Vakuumschaltkammer einen synthetischen Stromnulldurchgang erzwingt (Zwangskommutierung) . Für die hierbei verwendeten Kondensatorkreise sind Kondensator-Batterien erforderlich, deren Kapazitäten in der Größenordnung von mehreren μF liegen (DE 26 08 264 AI, EP 0 178 733 A2, Aufsatz "DC Braking Tests up to 55 kgA in a Single vacuum interrupter", IEEE Trans- actions on power delivery, Vol. 3, No. 4, 1988, Pages 1732 bis 1738, US 3 548 256-A) .
Zum Schalten von Gleichströmen mit einer Stromstärke bis zu etwa 100 A mittels einer Vakuumsehal röhre ohne eine parallel zur Schaltstrecke angeordnete Kondensatorkreisbatterie ist weiterhin ein Schalter bekannt, der in üblicher Weise ein den Schaltantrieb für das eigentliche Schaltelement enthaltendes Gehäuse aufweist und bei dem die das Schaltelement bildende Vakuumsehaltröhre in ebenfalls üblicher Weise eine Schalt¬ strecke aufweist, die von einem feststehenden Kontaktstück und einem dazu axial bewegbaren Kontaktstück gebildet ist. Bei dieser Vakuumschaltröhre sind die Kontaktflächen der beiden Kontaktstücke in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet. Die beiden Kontaktstücke sind darüber hinaus unterschiedlich ausgebildet, um den beim Schaltvorgang auf¬ tretenden Lichtbogen zu beeinflussen. So ist das eine zylin¬ drisch ausgebildete und als Kathode geschaltete Kontaktstück an seiner Stirnfläche mit einer zylindrischen Ausnehmung versehen, in deren Bodenbereich radial nach außen verlaufende Bohrungen oder eine flache Hinterdrehung angeordnet sind. Das andere, ebenfalls zylindrisch ausgebildete und als Anode geschaltete Kontaktstück ist an seiner Stirnseite mit einer zylindrischen Erhebung versehen, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Ausnehmung in dem als Kathode geschalteten Kontaktstück gewählt ist. Durch das vom Lichtbogen erzeugte Magnetfeld sollen die Lichtbogenpfade in die radial verlaufenden Bohrungen bzw. in die Hinterdrehung hineingetrieben werden, wobei die Lichtbogenfußpunkte zum Erlöschen kommen und somit der Lichtbogen-Entladungsstrom zu fließen aufhört. Zur Verstärkung der Wirkung des erzeugten Magnetfeldes können in den zylindrischen Kontaktstücken zentrisch angeordnete Permanentmagnete vorgesehen sein (US 3 131 276 A) . - Diese theoretisch bekannte Ausgestaltung eines Vakuumschalters hat zu keiner allgemein praktizierten Anwendung geführt.
An sich ist weiterhin eine Vakuumschaltröhre bekannt, deren Kontaktstücke jeweils aus einem Kontaktträger aus einem gut stromlei enden Material und aus einem aufgesetzten
Kontaktelement bestehen, wobei die Kontaktflächen der Kontaktelemente in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind und die beiden Kontaktelemente zusätzlich mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten, käfigartigen Stromführungselementen versehen sind, zwischen denen ein Lichtbogen geführt werden kann (JP 56-63 723-A) .
Ausgehend von einem elektrischen Schalter mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Va uu sehaltkämmer so auszubilden, daß mit ihr ebenfalls Gleichströme auch oberhalb von 100 A ohne Einsatz einer Zwangskommutierung sicher unterbrochen werden können.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sind gemäß der Erfindung folgende Maßnahmen vorgesehen: Die Kontaktelemente bestehen aus einem Material mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1200 °C und mit positiver magnetischer Suszeptibilitat; weiterhin weist der von den Kontaktträgern und den Kontaktelementen gebildete Strompfad zur Erzeugung eines sowohl axial als auch radial als auch in Umfangsrichtung ausgerichteten Magnetfel¬ des im Bereich der Schaltstrecke zwei radial verlaufende Abschnitte auf, deren axiale Entferung von der zwischen den Kontaktelementen befindlichen Lichtbogenbrennstrecke unterschiedlich ist; schließlich sind elektrisch parallel zur Schaltstrecke ein oder mehrere Kondensatoren angeordnet, deren Gesamtkapazität wenigstens das lO^-Fache und höchstens das 10^-Fache der Kapazität der beiden im Abstand des Schalthubes zueinander befindlichen Kontaktelemente beträgt.
Zum Auffinden dieser Losung wurde zunächst ein theoretisches Erklärungsmodell erstellt, das die bislang bestehenden Hinde¬ rungen und Schwierigkeiten beim Schalten von Gleichstromen mittels Vakuumschaltkammern erklaren kann. Danach fuhren die beim Offnen der Kontaktstelle auftretenden plötzlichen Ande- rungen der Strom- und Spannungsverhaltnisse zu hochfrequenten elektrischen Schwmgvorgangen (Ausgleichsschwingungen) . Frequenzen und Amplituden dieser Ausgleichsschwmgungen werden von den elektrischen Kenngroßen aller einzelnen Ele¬ mente des gesamten Schaltkreises bzw. aller am Ausschaltvor- gang beteiligten Stromkreise bestimmt, wobei sich die einzel¬ nen Ausgleichsvorgänge zu einem Gesamtausgleichsvorgang überlagern. Von den einzelnen Ausgleichsvorgangen sind die des Schaltelementes mit geöffneten Kontakten und die des sich zwischen den Kontaktelementen ausbildenden Lichtbogens von besonderer Bedeutung. Beide Ausgleichsvorgänge liegen in einem relativ hohen Frequenzbereich (MHz-Bereich) , überlagern sich resonanzartig und führen zu lokalen WiederZündungen von Lichtbögen. Die gemäß der Erfindung vorgesehenen Maßnahmen zielen daher darauf ab, diese beiden verschiedenen, jedoch elektrisch gekoppelten Schwingungsvorgänge frequenzmäßig zu entkoppeln, ihre Einzel-Amplituden zu dämpfen und damit insgesamt die zwischen den beiden Kontakten anstehende Ge¬ samtamplitude zu verringern.
Bei einer gemäß der Erfindung ausgestalteten Vakuumschaltkam- mer wird somit einerseits durch die Verwendung von hoch¬ schmelzendem und damit abbrandfestem Kontaktmaterial mit positiver magnetischer Suszeptibilität und durch die Erzeu¬ gung von den Lichtbogen beeinflussenden Magnetfeldern die Frequenz der durch den Lichtbogen bedingten Schwingvorgänge herabgesetzt und deren Amplitude verringert; andererseits werden durch die Parallelschaltung eines oder mehrerer Kon¬ densatoren zur Schaltstrecke die Frequenz und die Amplitude des schaltkreisbedingten Schwingvorganges derart reduziert, daß sich die Frequenzen der beiden Schwingvorgänge um eine oder mehrere Größenordnungen voneinander unterscheiden. Auf diese Weise werden die Möglichkeit zur Ausbildung hoher Schwingungsamplituden, die eine lokale Wiederzündung von Lichtbogenpfaden herbeiführen können, erheblich reduziert und damit die energetischen Bedingungen herbeigeführt, welche ein sicheres Erlöschen des Lichtbogens innerhalb von wenigen ms (kleiner 30 ms) ermöglichen.
Mit Versuchsanordnungen, die nur eine begrenzte Belastung zuließen, wurden bereits Gleichströme von 1600 A bei 50 V, von 340 A bei 370 V und von 300 A bei 440 V zuverlässig geschaltet. Bei entsprechender Dimensionierung der Vakuum¬ schaltkammer können auch größere Ströme bei ebenfalls größe¬ ren Spannungen geschaltet werden. - Da sich beim Schalten von Standard-Wechselströmen periodisch ein Nulldurchgang ergibt, der das Erlöschen des Lichtbogens begünstigt bzw. herbeifüh¬ ren kann, können mit der neuen Vakuumsehaltkammer auch Wech- seiströme geschaltet werden. Weiterhin können auch hochfre¬ quente Wechsel- oder Impulsstrome mit Frequenzen bis in den 100 kHz-Bereich geschaltet werden.
Die im Rahmen der Erfindung vorgesehene Ausgestaltung des
Strompfades im Bereich der Kontaktstucke fuhrt mit der Erzeu¬ gung sowohl eines axialen als auch radialen als auch in Umfangsrichtung gerichteten Magnetfeldes im Bereich der Schaltstrecke einerseits zu einer möglichst diffusen Ausbil- d ng des Lichtbogens und andererseits zu einer Verdrängung des diffusen Lichtbogens auf den Randbereich der Kontaktele¬ mente. Dort kann durch weitere konstruktive Maßnahmen eine Blaswirkung auf den Lichtbogen ausgeübt werden und demzufolge der Lichtbogengradient erhöht und damit eine weitere Erhöhung der Schaltleistung erreicht werden. Eine solche konstruktive Maßnahme besteht darin, konzentrisch zu den beiden Kontakt- stücken einen hohlzylmdπschen Dampfschirm anzuordnen, dessen radialer Abstand von den Kontaktstucken etwa dem axialen Abstand der Kontaktelemente bei geöffneter Schalt- strecke entspricht und der elektrisch fest mit dem - beim Schalten von Gleichströmen - als Kathode geschalteten Kon¬ taktstück verbunden ist. Durch diese Maßnahme stellt sich im Umfeld des als Anode geschalteten Kontaktstuckes eine gleich¬ mäßige elektrische Feldstarke ein, die beim radialen Auswan- dern des Sehaltliehtbogens aus dem Schaltspalt aufgrund des erzeugten Magnetfeldes eine Ausblasung des Lichtbogens be¬ wirkt. Im übrigen bildet dieser Dampfschirm zusammen mit dem als Anode geschalteten Kontaktstuck einen Kondensator, dessen Kapazität die Grundkapazitat der Schaltstrecke erhöht. - Der Dampfschirm besteht zweckmäßig - im Sinne der Werkstoffaus¬ wahl für die Kontaktelemente - ebenfalls aus einem Werkstoff, dessen Schmelzpunkt oberhalb von 1200 °C liegt und der eine positive magnetische Suszeptibilität aufweist. Weiterhin empfiehlt es sich, bei Verwendung eines Dampfschirmes die gut stromleitenden Kontakttrager aus beispielsweise Kupfer wenig¬ stens im Bereich des Schaltspaltes am äußeren Umfang mit Werkstoffen positiver magnetischer Suszeptibilität abzu¬ decken. Dies kann - insbesondere bei Ausgestaltung der Kon¬ taktelemente als Kontaktplatten - mit einer sich in Achsrich¬ tung erstreckenden am äußeren Kontaktelement umlaufenden Schürze realisiert werden. Dadurch wird ein Verdampfen von Kupferwerkstoff des Kontaktträgers sowie ein Verdampfen von silber- und /oder kupferhaltigern Lötmaterial, mit welchem das jeweilige Kontaktelement und der Kontaktträger verlötet sind, verhindert und ein entsprechender Niederschlag auf den Kon- taktelementen unterbunden.
Für die gemäß der Erfindung vorgesehene Werkstoffauswahl für die auf die Kontaktstücke gesetzten Kontaktelemente sind die hohe Schmelz- und Siedetemperatur, das Vorliegen einer posi- tiven magnetischen Suszeptibilität und das diesen Werkstoffen eigene hohe Atomgewicht charakteristisch. Geeignete derartige Werkstoffe, die allein oder in Kombination mit anderen geeig¬ neten Werkstoffen verwendet werden können, sind insbesondere Wolfram und Molybdän, deren Schmelztemperatur über 2500 °C und deren Siedetemperatur über 5500 °C liegt, wobei deren spezifische Suszeptibilität bei etwa +3 bzw. etwa +9 g x cm~3 x 10~6 liegt. Die Werkstoffe müssen dabei einen möglichst geringen Gehalt an gasförmigen Materialien bzw. an Materia¬ lien mit geringerem Siedepunkt als 1200 °C aufweisen, da solche Materalien das Schaltvermögen auch aufgrund ihrer negativen magnetischen Suszeptibilität und ihres geringen Atomgewichtes negativ beeinflussen. Die genannten Werkstoffe können in Form eines gesinterten Verbundwerkstoffes oder in Form einer Legierung mit Werkstoffen wie Kobalt, Eisen, Nickel, Chrom, Rhenium oder Vanadium kombiniert werden, deren magnetische Suszeptibilität höher als die von Wolfram und Molybdän ist, sodaß die spezifische Suszeptibilität des Verbundwerkstoffes bzw. der Legierung gegenüber der des Grundwerkstoffes Wolfram bzw. Molybdän erhöht ist. Als Kombi- nationswerkstoffe kommen auch Tantal, Niob, Platin, Rhodium und Palladium sowie gegebenenfalls Zirkon, Titan und Mangan in Betracht. Weiterhin kann der Werkstoff des Kontaktelemen¬ tes Beimengungen von Lantanoiden oder Aktinoiden aufweisen, deren spezifische magnetische Suszeptibilität noch höher liegt.
Die Verwendung von Werkstoffen mit einem Schmelzpunkt ober¬ halb 1200°C zur Herstellung von Kontaktelementen für Vakuum¬ schaltkammern ist an sich bekannt.So hat man beispielsweise bei einem Vakuumrelais das Kontaktelement des beweglichen Schaltstückes aus Tantal oder einer Tantallegierung und das Kontaktelement des feststehenden Schaltstuckes aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung gefertigt (DE 1 025 042 A) . Weiterhin ist als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter eine gesinterte Metallmatrix bekannt, deren Hauptkomponente aus Wolfram, Molybdän, Chrom, Nickel oder Eisen besteht und als Versprödungszusatz Aluminium oder Zinn enthält. Diese Metall¬ matrix wird anschließend mit einer Tränksubstanz aus Kupfer, Silber oder Legierungen dieser Metalle getränkt (DE 23 57 333 AI). Es ist weiterhin bekannt, für Vakuum-Leistungsschalter ein Kontaktmaterial einzusetzen, das als abbrandfeste Be¬ standteile Molybdän und Wolfram und als elektrisch leitfähige Komponente Kupfer enthält (DE 35 05 303 AI). Darüber hinaus ist es bekannt, die Elektroden einer Vakuumschaltröhre aus einem Eisenwerkstoff herzustellen, dessen Härte, Streck- grenze, Duktilität und gasförmige bzw. gasbildende Verunrei¬ nigungen gewissen Randbedingungen genügen. Beispielsweise kann es sich bei dem Eisenwerkstoff um einen temperaturgehär¬ teten Kohlenstofflegierungsstahl handeln, der neben etwa 0,4 % Kohlenstoff 5 % Chrom, 3 % Molybdän und 0,5 % Vanadium enthält (DE 24 31 058 AI) . Bei allen diesen bekannten Kon¬ taktstücken bzw. Kontaktelementen werden als Kontaktmaterial wenigstens teilweise Werkstoffe verwendet, deren Schmelztem¬ peratur über 1200 °C liegt und die eine positive magnetische Suszeptibilität aufweisen. Dabei ist jedoch unbekannt geblie- ben, daß das Vorliegen einer ausschließlich positiven magne¬ tischen Suszeptibilität - Kupfer und Silber weisen beispiels- weise eine negative magnetische Suszeptibilität auf - für die erfolgreiche Konstruktion von Vakuumschaltkammern zum Schal¬ ten von Gleichströmen eine wesentliche Voraussetzung ist.
Es ist im übrigen weiterhin allgemein bekannt, hochschmel¬ zende Werkstoffe wie Platin, Wolfram, Molybdän, Rhodium und Rhenium für Kontaktzwecke zu verwenden („Werkstoffe für elek¬ trische Kontakte" A. Keil, Springerverlag, 1960, Seiten 170 bis 177; "Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe", A. Keil u. a., Springerverlag, 1984, Seiten 166 bis 186), für die Elektroden von Glühkatodenröhren eine Eisenlegierung mit Nickel, Chrom oder Kobalt als Legierungskomponenten (DE 33 14 14) , für Vakuumschalterkontakte Legierungen auf der Basis von Lanthan oder Cer oder Mangan mit Aluminium, Kupfer, Zinn oder Wismut, als Kontaktwerkstoff für Vakuumschaltröhren zusätzliche .zu Kupfer und Tellur, Wismut oder Blei als Hilfsmetall Cer, Lanthan, Titan und Zirkon (DE 21 24 707) oder einen reinen Chrom-Nickel-Stahl (DE 38 32 493) zu verwenden.
Die zur Erzeugung des erwähnten Magnetfeldes vorgesehene unterschiedliche Ausgestaltung der beiden Kontaktstücke, die darin besteht, daß der von den Kontaktstücken gebildete Strompfad zwei radial verlaufende Abschnitte aufweist, deren axiale Entfernung von der Entladungs- bzw. Schaltstrecke unterschiedlich ist, gewährleistet, daß die in radialer Richtung nach außen verlaufenden Abschnitte und die in radialer Richtung nach innen verlaufenden Abschnitte des Strompfades sich infolge der entgegengesetzten Stromrichtung in ihrer Wirkung, nämlich im Bereich der Schaltstrecke bzw. des Schaltspaltes auch ein axiales Magnetfeld zu erzeugen, nicht gegenseitig aufheben.
Für die konstruktive Ausgestaltung der Kontaktstücke erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kontaktelemente als Kon¬ taktplatten - vorzugsweise als Kontaktplatten gleichen Durch- messers - ausgebildet sind; in diesem Fall lassen sich radial verlaufende Abschnitte des Strompfades dadurch ausbilden, daß man der einen Kontaktplatte einen topfartigen Kontaktträger zuordnet, der etwa den gleichen Außendurchmesser wie die zugehörige Kontaktplatte aufweist, und daß man den Kontakt- träger der anderen Kontaktplatte im wesentlichen als Vollzy- linder ausbildet, dessen Durchmesser wesentlich kleiner als der Durchmesser der Kontaktplatte is . Bei einer derartigen Ausgestaltung wird ein radial verlaufender Abschnitt des Strompfades vom Boden des topfartigen Kontaktträgers und ein anderer radial verlaufender Abschnitt des Strompfades von einer oder beiden Kontaktplatten gebildet. Da die Stromrich¬ tung in den beiden radial verlaufenden Abschnitten des Strom¬ pfades entgegengesetzt ist, sollte der Abstand des Bodens des topfartigen Kontaktträgers von der zugehörigen Kontaktplatte so groß wie konstruktiv möglich gewählt werden, um die durch die gegenläufigen Stromrichtungen bedingte Minderung des erwünschten axialen Magnetfeldes zwischen den geöffneten Kontaktplatten so gering wie möglich zu halten . - Die Aus- bildung des radial verlaufenden Abschnittes des Strompfades im Bereich der Kontaktplatten wird begünstigt, wenn der vollzylindrische Kontaktträger unmittelbar unterhalb der Kontaktplatte mit einer zentrischen, zylindrischen Ausnehmung versehen ist. - Der Durchmesser des als Vollzylinder ausge- bildeten Kontaktträgers sollte vorzugsweise etwa 25 bis 60 % des Durchmessers der zugehörigen Kontaktplatte betragen.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der Schaltstücke können weiterhin der topfartige Kontaktträger mit einem vom Rand radial nach innen ragenden Stützflansch und der vollzylin¬ drische Kontaktträger mit einem radial nach außen ragenden Stützflansch für die jeweilige Kontaktplatte versehen sein. Dies erhöht die mechanische Stabilität der Kontaktanordnung. Bei einer solchen Ausgestaltung sind die Stützflansche gleichzeitig Bestandteil der radial verlaufenden Abschnitte des Strompfades . Zur Erzeugung und/oder Verstärkung des erwünschten axialen Magnetfeldes kann im übrigen auch wenigstens einer der beiden Kontaktträger geschlitzt sein und/oder der Stromzuführungs- bolzen eines Kontaktstückes mit einer wendeiförmig verlaufen¬ den Nut und im Bereich der Nut mit einer mittigen axialen Bohrung versehen sein, wie es für sogenannte Axial-Magnet- feldkontakte an sich bekannt ist.
Wie bereits erwähnt, ist im Rahmen der Erfindung auch die Anordnung eines oder mehrerer Kondensatoren vorgesehen, die elektrisch parallel zur Schaltstrecke geschaltet sind. Hier¬ bei kann es sich um einen getrennt zur Schaltstrecke angeord¬ neten Kondensator handeln, dessen Anschlüsse direkt mit den beiden Anschlüssen der Vakuumschaltkammer verbunden sind, oder um einen vollständig in die Vakuumschaltkammer inte¬ grierten Kondensator oder um eine Kombination von beiden. Die vollständige oder teilweise Integration des Kondensators in die Vakuumschaltkammer kann dadurch erreicht werden, daß man die Ladungsflächen konzentrisch zu den Kontaktstücken anord¬ net. Hierzu kann der Kondensator beispielsweise aus wenig¬ stens zwei innerhalb der Vakuumschaltkammer mit möglichst geringem Abstand konzentrisch zueinander angeordneten metal¬ lenen Hohlzylindern bestehen, die abwechselnd mit dem einen und dem anderen Kontaktstück elektrisch verbunden sind. Hierbei besteht auch die Möglichkeit, daß die metallenen Hohlzylinder von Metallisierungen gebildet werden, die auf die Mantelflächen eines keramischen Hohlzylinders aufgebracht sind. Der Kondensator kann aber auch von einem hohlzylindri- sehen, außen und innen mit einer teilweisen Metallisierung versehenen Isolierkörper der Vakuumsehaltkämmer gebildet sein. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, konzentrisch zu den Kontaktstücken mehrere kreisringförmige Plattenkondensa¬ toren in Achsrichtung gestaffelt und elektrisch parallel geschaltet anzuordnen-. - Die Gesamtkapazität der parallel geschalteten Kondensatoren hängt von der Kapazität der Kon- taktelemente bei geöffneter Schaltstrecke ab. Wenn die Kapa¬ zität der geöffneten Schaltstrecke bei etwa 1 bis 5 pF liegt und die Kapazität der Vakuumschaltkammer etwa 15 bis 40 pF beträgt, sollte die Kapazität der zusätzlich angeordneten Kondensatoren wenigstens 200 bis 500 pF, zweckmäßig etwa 1 bis 20 x 103 pF betragen.
Zur Verbesserung der Spannungsfestigkeit von Vakuumschaltröh¬ ren ist es an sich bekannt, innerhalb einer Vakuumsehaltröhre wenigstens zwei Kontaktpaare elektrisch in Reihe zu schalten (DE 33 44 376 AI, US 3 178 541 A, US 3 283 101 A) . Bei einer derartigen Anordnung sind im einfachsten Fall zwei ortsfest angeordnete Kontaktstücke und ein diesen beiden Kontakt¬ stücken zugeordnetes bewegliches isoliert angeordnetes Kon- taktstück vorgesehen. Die beiden fest angeordneten Kontakt¬ stücke können dabei radial symmetrisch zur Achse der Vakuum¬ schaltröhre angeordnet sein, während für das bewegliche Kontaktstück eine kreis- oder kreisringförmige Ausgestaltung in Betracht kommt. - Eine solche Maßnahme, die im wesent- liehen zu zwei elektrisch hintereinander angeordneten Schalt¬ strecken führt, kann auch bei einem gemäß der Erfindung ausgebildeten elektrischen Schalter vorgesehen werden. Dies führt dann in Weiterbildung der Erfindung zu einer Ausgestal¬ tung, bei der die weitere, ebenfalls aus je einem feststehen- den und einem dazu axial bewegbaren Kontaktstück bestehende Schaltstrecke konzentrisch oder axial symmetrisch zu der aus den beiden, an sich vorhandenen Kontaktstücken bestehenden Schaltstrecke angeordnet und mit dieser elektrisch in Reihe geschaltet ist, wobei die axial bewegbaren Kontaktstücke der beiden Schaltstrecken zu einem einzigen bewegbaren Kontakt- stück vereinigt sind. Bei konzentrischer Anordnung der weite¬ ren Schaltstrecke empfiehlt es sich dabei, die Kontaktelemen¬ te der ersten Schaltstrecke als Kontaktplatten gleichen Durchmessers und die Kontaktelemente der weiteren Schalt strecke als Kreisringe gleicher Durchmesser auszubilden, wo bei das Stromzuführungselement für den Kontaktträger des feststehenden Schaltelementes der weiteren Schaltstrecke im wesentlichen aus einer zylindrischen Wandung besteht. Um bei einer solchen Ausgestaltung die gewünschte Kondensatorkapazi¬ tät zur Verfügung zu stellen, kann auch elektrisch parallel zur weiteren Schaltstrecke und koaxial zu deren Kontaktstük ken ein weiterer Kondensator angeordnet sein. Weiterhin kann man elektrisch parallel zur Reihenschaltung der beiden Schaltstrecken zusätzlich einen Kondensator anordnen, der aus zwei axial versetzt zu den kreisringförmigen Kontaktelementen der weiteren Schaltstrecke angeordneten Kreisringplatten besteht .
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 12 dargestellt. Dabei zeigt Figur 1 eine Ansicht eines Vakuumschalters mit Gehäuse, Schaltantrieb und dem aus einer Vakuumschaltröhre bestehenden Schaltelement sowie einem elektrisch parallel zum Schaltelement angeordneten Kondensator,
Figuren 2 und 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Vakuumsehaltröhre mit einer alternativen Ausführungsform der Kontaktstücke, Figuren 4 bis 7 mehrere Varianten für die Integration eines Kondensators in die Vakuumschalt- röhre und Figuren 8 bis 12 mehrere Ausführungsbeispiele für eine
Vakuumschaltkammer mit jeweils zwei innerhalb der Kammer elektrisch hinter- einander angeordneten Schaltstrecken.
Der Vakuumschalter gemäß Figur 1 weist ein aus einem Isolierstoff hergestelltes Gehäuse 1 auf, das mit Rippen und Kammern zur Aufnahme der elektrischen Bauelemente versehen ist. Im linken Teil des Gehäuses ist der Schaltantrieb 2 angeordnet, der aus dem Antriebsmagneten 3, dem als zweiarmi- ger Hebel ausgebildeten Anker 4 mit dem auf das Schaltelement einwirkenden Hebelarm 5 und aus dem Antriebsbolzen 6 zur Ankopplung des Schaltantriebes an das Schaltelement 10 be¬ steht. Im rechten Teil des Gehäuses ist das als Vakuumschalt- röhre ausgebildete Schaltelement 10 angeordnet. Unter der Kammer für das Schaltelement 10 befindet sich eine Kammer 7, die einen Kondensator 8 aufnimmt, der über Zuleitungen 9 elektrisch parallel zum Schaltelement 10 geschaltet ist. Die Kapazität dieses keramischen Scheibenkondensators beträgt 104 pF.
Gemäß Figur 2 ist das Schaltelement 10 als Vakuumschaltröhre ausgebildet, deren Gehäuse aus den beiden kappenartigen Metallteilen 11 und 12 und dem dazwischen angeordneten ring- förmigen Isolator 13 besteht. In das kappenartige Metallteil 11 ist das feststehende Kontaktstück 14 eingelötet, das beim Schalten von Gleichstrom als Kathode geschaltet ist und das aus dem Stromzuführungsbolzen 15 mit dem Kontaktträger 16 un dem als ebene Scheibe bzw. Platte ausgebildeten Kontaktele- ment 17 besteht. - Das kappenartige Metallteil 12 ist mit einem Lager 27 für das bewegbare Kontaktstück 18 versehen, das aus dem Stromzuführungsbolzen 19, dem topfförmigen Kon¬ taktträger 20 und dem ebenfalls dem als ebene Scheibe bzw. Platte ausgebildeten Kontaktelement 21 besteht. Zwischen dem bewegbaren Kontaktstück und dem kappenartigen Metallteil 12 ist der Faltenbalg 22 angeordnet, der mittels einer Abschir¬ mung 23 geschützt ist. - Konzentrisch zu den beiden Kontakt¬ stücken 14 und 18 ist ein als Hohlzylinder ausgebildeter Dampfschirm 24 angeordnet, der mechanisch mit dem kappenarti- gen Metallteil 11 und damit elektrisch mit dem feststehenden Kontaktstück 14 verbunden ist. Dieser Dampfschirm umgibt die beiden Kontaktstücke mit einem radialen Abstand r, der etwa dem Kontakthub des bewegbaren Kontaktstückes 18 entspricht.- Im geöffneten Zustand der von den Kontaktstücken 14 und 18 gebildeten Schaltstrecke bilden die beiden Kontaktelemente 17 und 21 einen Kondensator, dessen Kapazität etwa 2, 5 pF be¬ trägt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die beiden Stromzuführungsbolzen 15 und 19 sowie die Kontaktträger 16 und 20 aus einem gut stromleitenden Material wie insbesondere Kupfer. Die beiden als ebene Platten bzw. Scheiben ausgebil¬ deten Kontaktelemente 17 und 21 bestehen aus reinem Molybdän oder auch aus einer handelsüblichen Mo5Re- oder Mo41Re-Legie- rung und sind jeweils mit einer am Rand umlaufenden Schürze 25 bzw. 26 versehen und haben insgesamt einen Durchmesser D. Den gleichen Durchmesser weist der topfförmige Kontaktträger 20 des bewegbaren Kontaktstückes 18 auf. Der als Vollzylinder ausgebildete Kontaktträger 16 des feststehenden Kontakt- Stückes 14 weist dagegen nur einen Durchmesser d auf, der etwa 40 % des Durchmessers des Kontaktelementes 17 beträgt. Weiterhin ist der Kontaktträger 16 zentrisch mit einer zylin¬ drischen Ausnehmung 28 versehen. Dadurch ist gewährleistet, daß beim Betrieb der Vakuumschaltröhre der durch das festste- hende Kontaktstück 14 fließende Strom direkt axial durch den
Kontaktträger 16 in das Kontaktelement 17 fließt.
Durch die Ausgestaltung des Kontaktträgers 20 des bewegbaren Kontaktstückes 18 als Topf wird erreicht, daß der durch das bewegbare Kontaktstück fließende Strom eine Stromschleife bildet, die durch radial verlaufende Abschnitte im Bereich des Bodens des topfförmigen Kontaktträgers 20 sowie im Be¬ reich der Kontaktelemente 17 und 21 charakterisiert ist. Da die beiden Stromrichtungen dieser radialen Strombahnabschnit- te einander entgegengesetzt gerichtet sind, ist es zweckmä¬ ßig, die Höhe H des topfförmigen Kontaktträgers 20 möglichst groß zu wählen, um die Auswirkungen des Strompfades im Boden des Kontaktträgers 20 auf das im Bereich der Schaltstrecke sich ausbildende axiale Magnetfeld so gering wie möglich zu halten. Gemäß Figur 3 kann sowohl der topfartige Kontaktträger 30 als auch der vollzylindrische Kontaktträger 32 mit einem radial nach innen ragenden Stützflansch 31 bzw. mit einem radial nach außen ragenden Stützflansch 33 versehen sein, um eine mechanisch sicherere Auflagefläche für das jeweilige Kontakt¬ element 17 bzw. 21 zu bilden.
Gemäß der Darstellung in Figur 4 sind konzentrisch zu dem Dampfschirm 36 mit geringem radialen Abstand zwei weitere hohlzylindrische Metallteile 37 und 38 angeordnet, die je¬ weils abwechselnd mit dem kappenartigen Metallteilen 34 bzw. 35 des Gehäuses der Vakuumschaltröhre mechanisch und elek¬ trisch verbunden sind. Der hohlzylindrische Dampfschirm 36 und die beiden weiteren Hohlzylinder 37 und 38 bilden einen Kondensator, dessen Kapazität in bekannter Weise vom Abstand der Zylinderflächen, der Länge der gegenseitigen Überlappung und der Dielektrizitätskonstante des in der Vakuumschaltröhre erzeugten Vakuums bestimmt wird. Bei entsprechender Dimensio¬ nierung der hohlzylindrischen Metallteile kann die Kapazität der Vakuumschaltröhre wenigstens das 10^-fache der Kapazität der geöffneten Kontaktelemente betragen, also beispielsweise 250 pF bei einer Kapazität der geöffneten Schaltelemente von 2,5 pF.
Gemäß Figur 5 kann der in die Vakuumsehaltröhre integrierte Kondensator auch von einem keramischen Hohlzylinder 40 gebil¬ det sein, der auf seiner Innenseite und seiner Außenseite mit einer Metallisierung 41 bzw. 42 versehen ist und der sich jeweils über Stützringe 43 und 44 an den kappenartigen Me- tallteilen des Gehäuses der Vakuumsehaltröhre abstützt und über diese Stützringe zugleich elektrisch kontaktiert wird. Dieser Kondensator kann auch so angeordnet werden, daß die innere Metallisierung 41 zugleich den Dampfschirm für die Kontaktstücke bildet. Mit einer solchen Anordnung können - je nach verwendetem Keramikwerkstoff - Kapazitäten realisiert werden, die das 10^- bis 104-fache der Kapazität der geöffne¬ ten Kontaktelemente betragen.
Gemäß Figur 6 wird der in die Vakuumschaltröhre integrierte Kondensator von einem hohlzylindrischen Keramikisolator 45 gebildet, der zugleich die beiden kappenartigen Metallteile des Gehäuses der Vakuumschaltröhre gegeneinander isoliert. Hierzu ist der Keramikisolator 45 jeweils nur auf einem Teil seiner axialen Länge außen und innen mit einer Metallisierung 46 bzw. 47 versehen, während der übrige Teil der Länge zusam¬ men mit einer radialen Nut die innere bzw. äußere Isolier¬ festigkeit der Vakuumschaltröhre bildet. Die beiden Metalli¬ sierungen 46 und 47 werden dabei durch die Lötverbindung mit den kappenartigen Metallteilen 48 und 49 elektrisch kontak- tiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 sind konzentrisch zu den nicht näher dargestellten Kontaktstücken zwei metal¬ lene Hohlzylinder 50 und 51 angeordnet, von denen der eine mit der oberen Kappe 52 und der andere mit der unteren Kappe 53 des Gehäuse der Vakuumsehaltröhre verbunden ist. Mit jedem Hohlzylinder sind mehrere Ringscheiben 54 bzw. 55 verbunden, die radial in den zwischen den beiden Hohlzylindern 50 und 51 bestehenden Spalt hineinragen und abwechselnd ineinander greifen, wobei die Ringscheiben der beiden Hohlzylinder mittels keramischer, ringförmiger Abstandhalter 56 gegenein¬ ander isoliert angeordnet sind.
Die Vakuumschaltkammer gemäß Figur 8 weist ein Gehäuse auf, das aus der unteren Platte 60, der oberen Platte 61, der unteren zylindrischen Seitenwand 62, der oberen zylindrischen Seitenwand 63 und dem die beiden Ober- und Unterteile gegen¬ einander isolierenden ringförmigen Keramikisolator 64 be¬ steht. In die obere Platte 61 ist mittels des Haltebleches 75 ein Lager 74 eingelassen, durch das ein Stößel 73 geführt ist, der das bewegliche Kontaktstück 72 trägt. Zwischen das bewegliche Kontaktstück 72 und das aus Keramik bestehende Lager 74 ist der Faltenbalg 76 eingelötet.
In die untere Stromzuführungsplatte 60 ist ein erstes fest- stehendes Kontaktstück 65 eingelötet, dessen Kontaktträger 66 als Vollzylinder ausgebildet ist und das ein scheibenförmi¬ ges, mit einer umlaufenden Schürze versehenes Kontaktelement 67 trägt.
Ein zweites feststehendes Kontaktstück 68 ist elektrisch mit der oberen Stromzuführungsplatte 61 verbunden und wird von der hohlzylindrischen S romzuführung 69 getragen. Auf dem als Ringscheibe ausgebildeten Kontaktträger 70 ist das Kontakt¬ element 71 angeordnet, das ebenfalls kreisringförmig ausge- bildet ist und im Querschnitt ein flaches U-Profil aufweist.
Das bewegliche Kontaktstück 72 ist topfförmig gestaltet und mit zwei Kontaktträgern versehen, von denen das eine von der inneren hohlzylindrischen Wandung 78 und das andere von der konzentrisch dazu angeordneten äußeren hohlzylindrischen
Wandung 79 gebildet wird. Auf der inneren Wandung 78 sitzt das innere Kontaktelement 80 auf, das scheibenförmig mit einer umlaufenden Schürze ausgebildet ist, während auf der äußeren hohlzylindrischen Wandung 79 ein kreisringförmiges Kontaktelement 81 aufsitzt, das ebenfalls wie das Kontaktele¬ ment 71 als flaches U-Profil ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann das Kontaktstück 72 im Bereich der Wandung 79 und des zugehörigen Bodenteiles in Achsrichtung federnd ausgebildet sein. Die Kontaktelemente können hierbei z.B. aus einer handelsüblichen W3Fe6, 5Ni-Legierung oder einer W4, 85Ni2, 4Fe0,25Co-Legierung bestehen.
Konzentrisch zu den beiden von den Kontaktelementen 67 und 80 bzw. 71 und 81 gebildeten und elektrisch in Reihe geschalte- ten Schaltstrecken sind metallische Hohlzylinder 82, 83, 84 und 85 angeordnet, die als Dampfschirme und/oder als Leit- bleche zum Ausblasen der beim Schaltvorgang entstehenden Lichtbögen dienen und jeweils mit einem der feststehenden Kontaktstücke bzw. dem beweglichen Kontaktstück verbunden sind.
Weiterhin konzentrisch zum feststehenden Konträger 66 ist ein Kondensator angeordnet, der aus den beiden ringscheibenförmi¬ gen Platten 86 und 87 besteht, von denen die eine an die untere Stromzuführungsplatte 60 und die andere über die hohlzylindrische Stromzuführung 69 an die obere Stromzufüh¬ rungsplatte 61 elektrisch angebunden ist.
Figur 9 zeigt ein Vakuumrelais, das als Ein-/Ausschalter aufgebaut ist. Das Vakuumrelais besteht aus zwei feststehen- den Kontaktstücken 101 und 102, die mittels eines hohlzylin¬ drischen Isolators 103 gegeneinander isoliert sind. Ein zweiter, mit dem feststehenden Kontaktstück 102 verlöteter hohlzylindrischer Isolator 104 trägt das Antriebssystem 105, dessen Gehäuse 106 vakuumdicht mit dem Isolator 104 verbunden ist und u.a. eine Kammer 107 zur Aufnahme einer Magnetisie¬ rungsspule aufweist, wobei Teil des magnetischen Pfades der Anker 108 ist, auf dem sich über einen Isolierring 109 der Schaltstab 110 abstützt. Der Schaltstab trägt an seinem freien Ende eine mehrarmige Kontaktbrücke 111, deren Arme radial angeordnet, U-förmig und federnd ausgebildet sind und an ihren freien Enden Kontaktelemente 112 tragen.
Jedes der beiden in gewisser Weise axial symmetrisch angeord¬ neten Kontaktstücke 101 und 102 besteht aus einem kreisring- förmigen Stromzuführungsteil 121, einem hohlzylindrischen Wandteil 122 mit einem anschließenden kreisringförmigen Bodenteil 123 und einem auf das Bodenteil aufgesetzten eben¬ falls kreisringförmigen Kontaktelement 124, wobei das hohlzy¬ lindrische Wandteil, das kreisringförmige Bodenteil und das Kontaktelement sich jeweils über einen Umfangswinkel von etwa 120 erstrecken. - Konzentrisch zu der Kontaktanordnung sind zwei hohlzylindrische Schirme 125 und 126 angeordnet, die abwechselnd mit den beiden Kontaktstucken 101 und 102 elek¬ trisch verbunden sind und einen Kondensator bilden.
Auf das kreisπngformige Tragteil 121 ist im übrigen der kappenförmige Deckel 127 aufgelötet, der die Vakuumschaltkam¬ mer nach oben hin abschließt.
Figur 10 zeigt eine Vakuumsehaltkämme ohne integriertes Antriebssystem für das bewegliche Schaltglied. Das Gehäuse der Schaltkammer wird von einer unteren flachen Kappe 140, einer oberen hutartigen Kappe 141, dem dazwischen angeordne¬ ten oberen Kontaktring 131, dem unteren Kontaktring 134, den sich jeweils anschließenden Stutzringen 137 und 138 und dem hohlzylindrischen Isolator 139 gebildet. Der obere festste¬ hende Kontaktring 131 geht in einen kreisringförmigen Kon¬ takttrager 132 über, der sich über einen Umfangswinkel von etwa 120 ° erstreckt. Auf diesem Kontakttrager 132 ist das ebenfalls kreisringförmige Kontaktelement 133 angeordnet. - Mit dem unteren feststehenden Kontaktring 134 ist der hohlzy¬ lindrische Kontaktrager 135 verbunden, der sich ebenfalls über einen Umfangswinkel von etwa 120 ° erstreckt und axial gegenüberliegend zum Kontakttrager 132 angeordnet ist. Der Kontakttrager 135 tragt das kreisringformige Kontaktelement 136.
Den beiden feststehenden Kontaktelementen 133 und 136 ist das bewegliche Kontaktstück 142 zugeordnet, das einen topfförmi¬ gen Kontakttrager 143 mit radial nach innen ragendem Rand aufweist, auf den das kreisringförmige Kontaktelement 144 aufgelötet ist. .Am beweglichen Kontaktstück ist weiterhin der Führungsbolzen 146 befestigt, der aus einem isolierenden Werkstoff besteht und durch die obere Kappe 141 nach außen geführt ist. Zwischen dem Kontakttrager 143 und der oberen Kappe 141 ist der Faltenbalg 145 angeordnet. - Auch bei diesem Ausführungsbeispiel weist der von dem oberen feststehenden Kontaktring 133 zum unteren feststehenden Kontaktring 134 verlaufende Strompfad sowohl in Achsrichtung als auch in radialer Richtung verlaufende Abschnitte auf, wobei die in radialer Richtung verlaufenden Abschnitte des Strompfades von der zwischen dem Kontaktelement 144 und den Kontaktelementen 133 und 135 gebildeten Schaltstrecke in Achsrichtung unterschiedlich weit entfernt sind.
Konzentrisch zur Schaltstrecke ist noch der Abschirmzylinder 147 angeordnet, während die koaxial zur Schaltstrecke ange¬ ordneten und abwechselnd mit dem oberen feststehenden Kon¬ taktring 131 und dem unteren feststehenden Kontaktring 134 mechanisch und elektrisch verbundenen Hohlzylinder 148 und 149 einen Kondensator bilden.
Die Vakuumschaltkammer gemäß Figur 11 unterscheidet sich von der Vakuumschaltkammer gemäß Figur 10 im wesentlichen da¬ durch, daß für die Ausgestaltung der beiden feststehenden Kontakte gleichartige Bauteile verwendet sind, so daß die
Kontaktanordnung im wesentlichen axial symmetrisch aufgebaut ist. Jedes feststehende Kontaktstück besteht hierzu aus einer kreisringförmigen Stromzuführung 151, an die sich ein hohlzy- lindrisches Teil 152 und ein kreisringförmiges Teil 153 des Kontaktträgers anschließt. Auf dem kreisringförmigen Teil des Kontaktträgers ist das ebenfalls kreisringförmige Kontaktele¬ ment 154 angeordnet, wobei sich Kontaktträger und Kontaktele¬ ment jeweils über einen Umfangswinkel von 120 ° erstrecken. Die konzentrisch zur Kontaktanordnung angeordneten Hohlzylin- der 155 und 156 bilden einen Kondensator. - Sowohl die hohlzylindrischen Teile 152 der Kontaktträger als auch der topfförmige Kontaktträger des beweglichen Kontaktstückes können mit Schlitzen 157 bzw. 158 versehen sein, um im Be¬ reich des Kontaktträgers eine bestimmte Stromrichtung und damit die Ausgestaltung eines gewünschten Magnetfeldes zu erzwingen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 12 sind in ähnlicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 die beiden elektrisch hintereinander geschalteten Schaltstrecken konzentrisch zueinander angeordnet. Weiterhin ist für dieses Ausführungsbeispiel charakteristisch, daß sowohl die beiden Kontaktelemente 161 und 162 der äußeren Schaltstrecke als auch die beiden Kontaktelemente 163 und 164 der inneren Schaltstrecke kreisringförmig ausgebildet sind; weiterhin ist der Kontaktträger 165 des feststehenden Kontaktstückes der inneren Schaltstrecke, der an sich als zylindrischer Bolzen ausgebildet ist, mit einer wendeiförmigen Nut 166 und einer zentrischen Bohrung 167 versehen, um im Bereich des Kontakt¬ trägers eine bestimmte Stromzuführungsbahn zu erzwingen.

Claims

Patentansprüche
1. Vakuumschalter mit einer zylindrisch ausgebildeten Vakuum¬ schaltkammer und einem die Vakuumschaltkammer (10) und den Schaltantrieb aufnehmendem Gehäuse, bei dem die Vakuumschaltkammer (10) eine Schaltstrecke auf¬ weist, die von einem feststehenden Kontaktstück (14) und ei¬ nem dazu axial bewegbaren Kontaktstück (18) gebildet ist, bei dem die Kontaktflächen der beiden Kontaktstücke (14, 18) in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind und die beiden Kontaktstücke (14, 18) zur Beeinflussung des beim Schaltvorgang auftretenden Lichtbogens unterschiedlich ausge¬ bildet sind, und bei dem jedes Kontaktstück (14, 18) aus einem Kontaktträ- ger (16, 20) mit einem ausfgesetzten Kontaktelement (17, 21) besteht, wobei die Kontaktträger (16,20) aus einem gut stromleitenden Material bestehen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kontaktelemente ( 17 , 21 ) aus einem Material mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1200 °C und mit positiver magnetischer Suszeptibilität bestehen, daß der von den Kontaktträgern (16,20) und den Kontaktelemen¬ ten (17,21) gebildete Strompfad zur Erzeugung eines sowohl axial als auch radial als auch in Umfangsrichtung ausgerich- teten Magnetfeldes im Bereich der Schaltstrecke zwei radial verlaufende Abschnitte aufweist, deren axiale Entferung von der zwischen den Kontaktelementen (17, 21) befindlichen Lichtbogenbrennstrecke unterschiedlich ist, und daß elektrisch parallel zur Schaltstrecke ein oder meh- rere Kondensatoren (8,-36,37,38) angeordnet sind, deren Ge- samt-Kapazität wenigstens das lO^-Fache und höchstens das 10^-Fache der Kapazität der beiden im Abstand des Schalthubes zueinander befindlichen Kontaktelemente (17,21) beträgt.
2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kontaktelemente (17,21) aus einem Verbund oder einer Legierung aus wenigstens zwei Metallen mit jeweils positiver magnetischer Suszeptibilität bestehen.
3. Vakuumschalter nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kontaktelemente (17,21) aus Wolfram und/oder Molybdän in Kombination mit einem oder mehreren der Werkstoffe Kobalt, Eisen, Nickel, Chrom, Vanadium, Palladium, Platin, Rhenium, Rhodium, Niob oder Tantal bestehen.
4. Vakuumschalter nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kontaktwerkstoff zusätzlich mit Lantanoiden oder Actinoiden dotiert ist.
5. Vakuumschalter nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kontaktelemente als Kontaktplatten (17,21) ausgebil¬ det sind, daß der eine radial verlaufende Abschnitt des Strompfades vom Boden eines topfartigen Kontaktträgers (20) gebildet wird, der etwa den gleichen Außendurchmesser (D) wie die zugehörige Kontaktplatte (21) aufweist, und daß der andere radial verlaufende Abschnitt des Strompfa¬ des von einer oder beiden Kontaktplatten (17,21) gebildet wird, wobei der andere Kontaktträger (16) als Vollzylinder ausgebildet ist, dessen Durchmesser (d) wesentlich kleiner als der Durchmesser (D) der Kontaktplatte (17) ist.
6. Vakuumschalter nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kontaktelemente als Kontaktplatten (17,21) gleichen Durchmessers (D) ausgebildet sind.
7. Vakuumschalter nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der vollzylindrische Kontaktträger (16) unmittelbar un¬ terhalb der Kontaktplatte mit einer zentrischen, zylindri- sehen Ausnehmung (28) versehen ist. .
8. Vakuumschalter nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der topfartige Kontaktträger (30) mit einem vom Rand ra- dial nach innen ragenden Stützflansch (31) und der vollzylin¬ drische Kontaktträger (32) mit einem am Ende des Zylinders radial nach außen ragenden Stützflansch (33) versehen ist.
9. Vakuumschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß konzentrisch zu den beiden Kontaktstücken ein hohlzylin- drischer Dampfschirm (24) angeordnet ist, dessen radialer Ab¬ stand (r) von den Kontaktstücken etwa dem axialen Abstand der Kontaktstücke (14,18) bei geöffneter Schaltstrecke (Kontakthub) entspricht und der elektrisch mit dem beim
Schalten von Gleichstrom als Kathode geschalteten Kontakt¬ stück (14) verbunden ist, wobei der Dampfschirm (24) aus einem Material besteht, dessen Schmelzpunkt oberhalb von 1200 °C liegt und eine positive ma- gnetische Suszeptibilität aufweist.
10 Vakuumsehalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß einer oder mehrere der Kondensatoren (8) außerhalb der Vaku- umschaltröhre in dem Schaltgehäuse (1) angeordnet sind.
11. Vakuumschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß einer oder mehrere der elektrisch parallel zur Schalt- strecke angeordneten Kondensatoren (36,37,38; 40,41,42) kon¬ zentrisch zu den Kontaktstücken angeordnet sind.
12. Vakuumschalter nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kondensator aus wenigstens zwei innerhalb der Vakuum- schaltröhre mit Abstand konzentrisch zueinander angeordneten metallenen Hohlzylindern (36,37,38) besteht, die abwechselnd mit dem einen und dem anderen Kontaktstück elektrisch verbun¬ den sind.
13. Vakuumschalter nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die metallenen Hohlzylinder aus Metallisierungen (41,42) bestehen, die auf die Mantelflächen eines keramischen Hohlzy- linders (40) aufgebracht sind.
14. Vakuumschalter nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kondensator von dem hohlzylindrischen, außen und in¬ nen mit einer Metallisierung (46,47) versehenen Isolierkörper (45) der Vakuumschaltkammer gebildet wird.
15. Vakuumschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß konzentrisch oder axialsymmetrisch zu der aus den beiden Kontaktstücken bestehenden Schaltstrecke eine weitere, eben¬ falls aus je einem feststehenden und einem dazu axial beweg¬ baren Kontaktstück bestehende Schaltstrecke angeordnet und mit der erstgenannten Schaltstrecke elektrisch in Reihe ge¬ schaltet ist, wobei die axial bewegbaren Kontaktstücke (78,80; 79,81) der beiden Schaltstrecken zu einem einzigen bewegbaren Schaltstück (72) vereinigt sind.
16. Vakuumschalter nach Anspruch 15 mit axialsymmetrisch an- geordneter weiterer Schaltstrecke, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kontaktelemente der beiden festehenden Schaltstücke als halbkreisförmige Kontaktringe (133;136) und das Kon¬ taktelement des bewegbaren Schaltstückes als kreisförmiger Kontaktring (144) ausgebildet sind.
17. Vakuumschalter nach Anspruch 15 mit konzentrisch angeord¬ neter weiterer Schaltstrecke, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kontaktelemente der ersten Schaltstrecke als Kontakt- platten (67,80) gleichen Durchmessers und die Kontaktelemente der weiteren Schaltstrecke als Kreisringe (71,81) gleichen Durchmessers ausgebildet sind, wobei das Stromzuführungselement für den Kontaktträger des feststehenden Schaltelementes (81) der weiteren Schaltstrecke in wesentlichen aus einer zylindrischen Wandung (69) besteht (Figur 8) . .
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