WO2001008186A1 - Kontaktanordnung für eine vakuumschaltröhre - Google Patents

Kontaktanordnung für eine vakuumschaltröhre Download PDF

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Johannes-Gerhard Banghard
Klemens Fieberg
Michael Hahn
Roman Renz
Werner Hartmann
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    • 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
    • H01H33/6642—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having cup-shaped contacts, the cylindrical wall of which being provided with inclined slits to form a coil
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • H01H2033/6648—Contacts containing flexible parts, e.g. to improve contact pressure
    • 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
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/12—Auxiliary contacts on to which the arc is transferred from the main contacts

Definitions

  • the invention is in the field of electrical components and can be used in the structural design of vacuum interrupters in which at least one of the two contacts has an inner contact area which axially projects beyond an outer contact area serving for arc quenching.
  • Vacuum interrupters with contact arrangements of the type mentioned are known.
  • the two contacts of which usually only one is axially movable to the other, are equipped with circular or slightly conical contact surfaces which face one another.
  • Contacts which are designed as so-called “impeller electrodes” or “spiral contacts”, have an inner contact area intended for switching operating currents and an outer contact area concentrically surrounding the inner contact area, intended for switching off short-circuit currents and as a running surface for a rotating arc serving contact area.
  • the inner contact area projects beyond the outer contact area by a certain, not very large amount (US 3,158,719 A, US 3,809,836 A).
  • Vacuum interrupters are also known in which the contact area provided for switching operating currents is identical to the contact area provided for switching off short-circuit currents.
  • These contacts are pot-shaped, the wall of the pot and possibly also the contact ring applied to the pot rim being provided with a plurality of slots which are oblique to the longitudinal axis of the Contact arrangement run. Through these slots the
  • Contact area can be divided into several contact sub-areas
  • the contact force to be applied permanently mechanically is still relatively large and can be several kN per switching pole, in particular at high currents of more than 50 kA. This requires a correspondingly high mechanical outlay in the switching device.
  • the invention is therefore based on the object of designing the contact arrangement in such a way that the mechanical contact point is distributed over a plurality of separate individual contacts with a defined spring constant and that nevertheless the rotation of an arc is possible.
  • the inner contact area consists of a plurality of contact partial areas arranged next to one another on a pitch circle, each contact partial area being formed by the free end of a resilient contact tongue inclined against the axis of the contact arrangement ,
  • Such a configuration of the contact arrangement makes it possible to divide the contact area provided for switching operating currents into a larger number of about three to ten partial areas, to form these partial areas as resilient contact tongues, each of which is opposed by a mating contact piece, and the contact tongues by appropriate dimensioning of the spring constant to be decoupled mechanically from one another to the extent that in the closed state of the contact arrangement all subregions experience an equally large contact pressure force.
  • the resilient contact tongues can be arranged so that when opening and closing the contact System a rubbing movement and thus an abrasion in the form of metallic chips is avoided.
  • the contact tongues can be machined out of a flat, conical shell by axially slitting the shell wall several times.
  • the spring constant can be varied in particular by the thickness of the shell wall and the number of slots or the width of the contact tongues. Similar conditions exist when the contact tongues are worked out of a flat, hollow truncated cone by multiple axially running slits in the cone shell.
  • the contact tongues can also be machined out of a piece of pipe by providing the wall with several obliquely running slots.
  • the constructive design of the contact tongues described can be used both with spiral contacts and with pot contacts.
  • the body used for the contact tongues can consist of dispersion-hardened copper, a special copper alloy or a copper-chrome material with a small chromium content. It is manufactured separately and arranged in the middle of the respective contact in a corresponding recess and soldered to the rest of the contact body.
  • FIGS. 1 to 7 Several exemplary embodiments of contact arrangements designed according to the invention are shown in FIGS. 1 to 7. It shows 1 shows a first exemplary embodiment of a contact arrangement in which the inner contact region is formed by a shell-shaped contact body, FIG. 2 shows a top view of a contact arrangement according to FIG. 1, FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a contact arrangement with an inner contact region designed as a hollow truncated cone, FIG third exemplary embodiment with an inner contact area designed as a slotted tube piece, FIG. 5 a schematic representation of the inner one
  • Figures 6 and 7 a fourth embodiment with an inner contact area also formed as a slotted tube piece.
  • the contact arrangement according to FIG. 1 consists of an upper contact 1 and a lower contact 2, which are axially assigned to one another along an axis A with mutually facing contact surfaces.
  • One contact is axially movable in a manner which is not shown but is known.
  • Each of the two contacts 1 and 2 is provided with a power supply 3 and 4, respectively.
  • each contact is designed as a so-called “spiral contact” according to European Patent 0 -332 513 B1, each slot 5 consisting of two sections, the first section of which is parallel to a tangent placed on the circumference of a circular recess 6 runs and of which the second section consists of a bore, those in the area of the inner end of the first section
  • the area of the contact lying outside the recess 6 forms an outer contact area 7 which is provided for switching off short-circuit currents and serves as a running surface for a rotating arc.
  • the recess 6 is made so deep that it can accommodate an additional contact body 8, which forms an inner contact area 9.
  • This inner contact area 9, which is provided for switching operating currents, projects axially beyond the outer contact area 7, which is arranged concentrically to the inner contact area, by a certain length a, which is, for example, 2 mm.
  • the contact body 8 has the shape of a flat, conical shell, the shell wall of which is slit several times in the axial direction. A plurality of contact subregions 10 are formed through this slit 12.
  • the bottom of the cup-shaped contact body 8, which is soldered to the contact piece 1 or 2, is not slotted, so that a plurality of resilient contact tongues 11 inclined against the axis A of the contact arrangement are formed by the slit, the free end of which in each case forms a contact partial area 10.
  • the contact body 13 forming the inner contact region is designed as a flat, hollow truncated cone, the jacket of which is axially slit several times.
  • this slot does not go to the base of the truncated cone in order to be able to solder the contact body as a whole to the respective contact piece.
  • a hollow cylinder in the form of a tube piece 14 is used in the recess 6 of the contacts 1 and 2 as the contact body for the inner contact area, which is provided according to FIG. 5 with slots 15 which run obliquely to the axis of the contact arrangement, as a result of which resilient contact tongues 16 are formed.
  • a contact piece 17 is additionally arranged within the tube piece 14, which forms a mechanical support in the closed state of the contacts 1 and 2. In the case of operating currents, this contact piece also carries the current, as a result of which the lowest contact resistances can be achieved. In the case of short-circuit currents, when the additional contact piece 17 begins to be lifted, ie when the contact resistance rises slightly, the resilient contact areas of the tubular contact body 14 carry the current and thus prevent the contact system from being completely lifted and welded.
  • the exemplary embodiment according to FIGS. 6 and 7 shows a pot contact 18, the slotted wall of which at the pot edge is covered with an annular contact disk 19, this contact disk forming the outer contact area of the contact.
  • a contact body 20 Arranged within the pot contact is a contact body 20, which is similar to the contact body 14 according to FIGS. 4 and 5 and consists of a piece of pipe, the wall of which is provided with several obliquely running slots 21.
  • the contact body 20, which forms the inner contact area of the cup contact 18, projects axially beyond the contact disk 19 by the length b, which is approximately 2 mm.

Landscapes

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

Abstract

Bei einer Vakuumschaltröhre für Leistungsschalter soll die Kontaktandruckkraft reduziert werden. Hierzu werden die Kontakte (1, 2) der Vakuumschaltröhre so ausgestaltet, daß innerhalb eines äußeren, der Lichtbogenlöschung dienenden Kontaktbereiches (7) ein innerer Kontaktbereich (9) angeordnet ist, der aus mehreren auf einem Teilkreis nebeneinander angeordneten, federnden Kontaktzungen (11) besteht.

Description

Beschreibung
Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltröhre
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauelemente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung von Vakuumschaltröhren anzuwenden, bei denen wenigstens einer der beiden Kontakte einen inneren Kontaktbereich aufweist, der einen äußeren, der Lichtbogenlöschung dienenden Kontaktbereich axial überragt.
Vakuumschaltröhren mit Kontaktanordnungen der genannten Art sind bekannt. Hierbei sind die beiden Kontakte, von denen in aller Regel nur der eine axial zum anderen bewegbar ist, mit kreis- oder leicht kegelförmigen Kontaktflächen ausgestattet, die einander zugewandt sind. Kontakte, die als sogenannte "Flügelradelektroden" bzw. "Spiralkontakte" ausgebildet sind, weisen einen inneren, für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehenen Kontaktbereich und einen äußeren, den inneren Kontaktbereich konzentrisch umgebenden, für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehenen und als Lauffläche für einen rotierenden Lichtbogen dienenden Kontaktbereich auf. Dabei überragt der innere Kontaktbereich den äußeren Kontaktbereich um einen gewissen, nicht sehr großen Betrag (US 3,158,719 A, US 3,809,836 A) .
Es sind auch Vakuumschaltröhren bekannt, bei denen der für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehene Kontaktbereich identisch mit dem für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehene Kontaktbereich ist. Diese Kontakte sind topfartig ausgebildet, wobei die Wandung des Topfes und gegebenenfalls auch der auf dem Topfrand aufgebrachte Kontaktring mit mehreren Schlitzen versehen sind, die schräg zur Längsachse der Kontaktanordnung verlaufen. Durch diese Schlitze kann die
Kontaktfläche in mehrere Kontakt-Teilflächen unterteilt sein
(DE 23 21 753 AI, DE 29 12 823 AI) .
Um bei Vakuumschaltröhren verschweißte Kontaktbereiche leichter voneinander trennen zu können, ist es bekannt, jedem Kontakt eine größere Anzahl von Kontaktflächen zu geben und diese elastisch an einem Hauptkontaktkörper zu haltern. Hierzu kann man einen rohrförmigen Hauptkontaktkörper mit radial nach innen ragenden Tragarmen für die Kontaktflächen versehen (US 3,869,589 A) .
Für in Luft schaltende Leistungsschalter im Niederspannungs- bereich ist es weiterhin an sich bekannt, den bewegbaren Kon- takt in mehrere parallel zu einander angeordnete Kontaktfinger aufzuteilen, um die Kontaktandruckkraft zu verringern (US 5,210,385 A) .
Bei Vakuumschaltröhren für Leistungsschalter, insbesondere für Leistungsschalter im Niederspannungsbereich (z.B.
US 5,661,281), treten aufgrund der hohen Ströme hohe Kräfte an den Kontakten auf, die die Kontakte voneinander abzuheben versuchen. Diese Stromkräfte müssen durch geeigente Maßnahmen kompensiert werden, um ein Abheben der Kontakte mit der Ge- fahr der Verschweißung der Kontakte untereinander zu vermeiden. Bei mit Vakuumschaltröhren ausgestatteten Schaltern hat man dieses Problem bisher dadurch gelöst, daß zusätzlich zu einer permanent aufgebrachten statischen Kontaktandruckkraft eine zusätzliche Stromschleife eingesetzt wird, mit deren Hilfe kurzzeitig, d.h. insbesondere während des Auftretens von Kurzschlußströmen, hohe dynamische Magnetfeldkräfte erzeugt werden, die kontaktkraftverstärkend wirken. Dadurch muß nicht die gesamte, nur kurzzeitig benötigte Kontaktandruck- kraft mechanisch aufgebracht werden. Wegen der relativ hohen
Kosten solcher Stromschleifen ist die permanent mechanisch aufzubringende Kontaktkraft jedoch nach wie vor relativ groß und kann insbesondere bei hohen Strömen von mehr als 50 kA mehrere kN pro Schaltpol betragen. Dies erfordert einen entsprechend hohen mechanischen Aufwand im Schaltgerät.
Ausgehend von einer Kontaktanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung da- her die Aufgabe zugrunde, die Kontaktanordnung so auszubilden, daß die mechanische Kontaktstelle auf mehrere separate Einzelkontakte mit definierter Federkonstante verteilt ist und daß dennoch die Rotation eines Lichtbogens möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der innere Kontaktbereich aus mehreren, auf einem Teilkreis nebeneinander angeordneten Kontakt-Teilbereichen besteht, wobei jeder Kontakt-Teilbereich von dem freien Ende einer federnden, gegen die Achse der Kontaktanordnung geneig- ten Kontaktzunge gebildet ist.
Eine derartige Ausgestaltung der Kontaktanordnung ermöglicht es, den für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehenen Kontaktbereich in eine größere Anzahl von etwa drei bis zehn Teilbereichen aufzugliedern, diese Teilbereiche als federnde Kontaktzungen auszubilden, denen jeweils ein Gegenkontakt- stück gegenübersteht und die Kontaktzungen durch entsprechende Dimensionierung der Federkonstante soweit voneinander mechanisch zu entkoppeln, daß im geschlossenen Zustand der Kon- taktanordnung alle Teilbereiche eine gleich große Kontaktandruckkraft erfahren. Die federnden Kontaktzungen lassen sich dabei so anordnen, daß beim Öffnen und Schließen das Kontakt- System eine reibende Bewegung und damit ein Abrieb in Form von metallischen Spänen vermieden wird.
Um für die Dimensionierung der Federkonstanten der Kontakt- zungen genügend Gestaltungsraum zu haben, können die Kontaktzungen aus einer flachen, konischen Schale herausgearbeitet sein, indem die Schalenwand mehrfach axial geschlitzt ist. Dabei ist die Federkonstante insbesondere durch die Dicke der Schalenwand und die Anzahl der Schlitze bzw. die Breite der Kontaktzungen variierbar. Ähnliche Verhältnisse sind gegeben, wenn die Kontaktzungen aus einem flachen, hohlen Kegelstumpf durch mehrfache axial verlaufende Schlitzung des Kegelmantels herausgearbeitet sind.
In Anlehnung an die Gestaltung der geschlitzten Kontaktträger von sogenannten Topfkontakten können die Kontaktzungen auch aus einem Rohrstück herausgearbeitet sein, indem dessen Wandung mit mehreren schräg verlaufenden Schlitzen versehen ist.
Die beschriebene konstruktive Gestaltung der Kontaktzungen läßt sich sowohl bei Spiralkontakten als auch bei Topfkontakten anwenden. Der für die Kontaktzungen verwendete Körper kann dabei aus dispersionsgehärtetem Kupfer, einer speziellen Kupferlegierung oder aus einem Kupfer-Chrom-Werkstoff mit kleinem Chromanteil bestehen. Er wird gesondert gefertigt und in der Mitte des jeweiligen Kontaktes in einer entsprechenden Ausnehmung angeordnet und mit dem übrigen Kontaktkörper verlötet .
Mehrere Ausführungsbeispiele von gemäß der Erfindung ausgebildeten Kontaktanordnungen sind in den Figuren 1 bis 7 dargestellt. Dabei zeigt Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kontaktanordnung, bei der der innere Kontaktbereich von einem schalenförmigen Kontaktkörper gebildet ist, Figur 2 eine Draufsicht auf eine Kontaktanordnung gemäß Figur 1, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kontaktanordnung mit einem als hohler Kegelstumpf ausgebildeten inneren Kontaktbereich, Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem als geschlitztes Rohrstück ausgebildeten inneren Kontaktbereich, Figur 5 eine schematische Darstellung des inneren
Kontaktbereiches gemäß Figur 4 in Seitenan- sieht und
Figuren 6 und 7 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem ebenfalls als geschlitztes Rohrstück ausgebildeten inneren Kontaktbereich.
Die Kontaktanordnung gemäß Figur 1 besteht aus einem oberen Kontakt 1 und einem unteren Kontakt 2 , die längs einer Achse A mit einander zugewandten Kontaktflächen einander axial zugeordnet sind. Der eine Kontakt ist dabei - in nicht näher dargestellter, aber bekannter Weise - axial bewegbar. Jeder der beiden Kontakte 1 und 2 ist mit einer Stromzuführung 3 bzw. 4 versehen.
Gemäß Figur 2 ist jeder Kontakt als sogenannter "Spiralkontakt" gemäß der europäischen Patentschrift 0 -332 513 Bl aus- gebildet, wobei jeder Schlitz 5 aus zwei Abschnitten besteht, von denen der erste Abschnitt parallel zu einer an den Umfang einer kreisförmigen Ausnehmung 6 gelegten Tangente verläuft und von denen der zweite Abschnitt aus einer Bohrung besteht, die im Bereich des inneren Endes des ersten Abschnittes die
Kontaktfläche zwischen dem ersten Abschnitt und der kreisförmigen Ausnehmung 6 durchbricht. Der außerhalb der Ausnehmung 6 liegende Bereich des Kontaktes bildet einen äußeren Kon- taktbereich 7, der für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehen ist und als Lauffläche für einen rotierenden Lichtbogen dient.
Die Ausnehmung 6 ist so tief ausgeführt, daß sie einen zu- sätzlichen Kontaktkörper 8 aufnehmen kann, der einen inneren Kontaktbereich 9 bildet. Dieser innere Kontaktbereich 9, der für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehen ist, überragt den äußeren, konzentrisch zum inneren Kontaktbereich angeordneten Kontaktbereich 7 axial um eine gewisse Länge a, die beispielsweise 2 mm beträgt.
Gemäß Figur 1 und 2 weist der Kontaktkörper 8 die Form einer flachen, konischen Schale auf, deren Schalenwand in axialer Richtung mehrfach geschlitzt ist. Durch diese Schlitzung 12 sind mehrere Kontakt-Teilbereiche 10 gebildet. Der mit dem Kontaktstück 1 bzw. 2 verlötete Boden des schalenförmigen Kontaktkörpers 8 ist nicht geschlitzt, so daß durch die Schlitzung mehrere gegen die Achse A der Kontaktanordnung geneigte, federnde Kontaktzungen 11 gebildet sind, deren freies Ende jeweils einen Kontakt-Teilbereich 10 bildet.
Bei der Kontaktanordnung gemäß Figur 3 ist der den inneren Kontaktbereich bildende Kontaktkörper 13 als flacher, hohler Kegelstumpf ausgebildet, dessen Mantel mehrfach axial ge- schlitzt ist. Diese Schlitzung geht jedoch nicht bis zur Basis des Kegelstumpfes, um den Kontaktkörper als ganzes mit dem jeweiligen Kontaktstück verlöten zu können. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist in die Ausnehmung 6 der Kontakte 1 und 2 als Kontaktkörper für den inneren Kontaktbereich ein Hohlzylinder in Form eines Rohrstückes 14 verwendet, der gemäß Figur 5 mit schräg zur Achse der Kontak- tanordnung verlaufenden Schlitzen 15 versehen ist, wodurch federnde Kontaktzungen 16 gebildet sind. Am oberen Kontakt 1 ist innerhalb des Rohrstückes 14 zusätzlich ein Kontaktstück 17 angeordnet, das im geschlossenen Zustand der Kontakte 1 und 2 eine mechanische Auflage bildet. Bei Betriebsströmen führt dieses Kontaktstück auch den Strom, wodurch sich geringste Kontaktwiderstände erzielen lassen. Im Fall von Kurzschlußströmen übernehmen bei beginnender Abhebung des zusätzlichen Kontaktstückes 17, d.h. bei geringfügigem Anstieg des Kontaktwiderstandes, die federnden Kontaktbereiche des rohr- stückartigen Kontaktkörpers 14 die Stromführung und verhindern so ein vollständiges Abheben und Verschweißen des Kontaktsystems.
Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 6 und 7 zeigt einen Topfkontakt 18, dessen geschlitzte Wandung am Topfrand mit einer ringförmigen Kontaktscheibe 19 abgedeckt ist, wobei diese Kontaktscheibe den äußeren Kontaktbereich des Kontaktes bildet. Innerhalb des Topfkontaktes ist ein Kontakkörper 20 angeordnet, der ähnlich dem Kontaktkörper 14 gemäß den Figu- ren 4 und 5 ausgebildet ist und aus einem Rohrstück besteht, dessen Wandung mit mehreren schräg verlaufenden Schlitzen 21 versehen ist. Der Kontaktkörper 20, der den inneren Kontaktbereich des Topfkontaktes 18 bildet, überragt die Kontaktscheibe 19 axial um die Länge b, die etwa 2 mm beträgt.

Claims

Patentansprüche
1. Kontaktanordnung für eine Vakuumschaltröhre, bestehend aus zwei axial zueinander bewegbaren Kontakten mit einander zugewandten Kontaktflächen,
- wobei jeder Kontakt einen inneren, für das Schalten von Betriebsströmen vorgesehenen Kontaktbereich und einen äußeren, den inneren Kontaktbereich konzentrisch umgebenden, für das Ausschalten von Kurzschlußströmen vorgesehenen und als Lauf- fläche für einen rotierenden Lichtbogen dienenden Kontaktbereich aufweist
- und wobei der innere Kontaktbereich den äußeren Kontaktbereich axial überragt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der innere Kontaktbereich (9) aus mehreren, auf einem Teilkreis nebeneinander angeordneten Kontakt-Teilbereichen (10) besteht, wobei jeder Kontakt-Teilbereich von dem freien Ende einer federnden, gegen die Achse (A) der Kontaktanordnung geneigten Kontaktzunge (11) gebildet ist.
2. Kon taktanordnung nach Patentanspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der innere Kontaktbereich aus einer flachen, konischen Schale (8) besteht, deren Schalenwand mehrfach axial ge- schlitzt (12) ist.
3. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der innere Kontaktbereich aus einem flachen, hohlen Ke- gelstumpf (13) besteht, dessen Mantel mehrfach axial geschlitzt ist.
4. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der innere Kontaktbereich aus einem Rohrstück (14) besteht, dessen Wandung mit mehreren schräg verlaufenden Schlitzen (15) versehen ist.
5. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der äußere Kontaktbereich (7) aus den Armen eines Spiral- kontaktes (1,2) besteht.
6. Kontaktanordnung nach Patentanspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der äußere Kontaktbereich aus der Kontaktfläche (19) ei- nes Topfkontaktes (18) besteht.
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