WO2013139870A1 - Dc-schalter ohne loeschkammern - Google Patents

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WO2013139870A1
WO2013139870A1 PCT/EP2013/055856 EP2013055856W WO2013139870A1 WO 2013139870 A1 WO2013139870 A1 WO 2013139870A1 EP 2013055856 W EP2013055856 W EP 2013055856W WO 2013139870 A1 WO2013139870 A1 WO 2013139870A1
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switch according
current
arc
conductors
switch
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PCT/EP2013/055856
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Karsten Gerving
Volker Lang
Johannes Meissner
Ralf Thar
Original Assignee
Eaton Electrical Ip Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts

Definitions

  • the invention relates to a switch, in particular with extinguishing chamber-free
  • the switch which is provided in particular for a DC operation comprises two current partial conductor for guiding a load current, wherein in an on state, an electrically conductive connection between the two current part conductors is provided, which is interrupted in an off state is.
  • a magnetic field is for influencing a caused by the interruption of the electrically conductive connection between the two current divider conductors
  • Electrical switches are components in a circuit that establish or disconnect an electrically conductive connection by means of internal, electrically conductive contacts. With a live connection to be cut, current flows through the contacts until they are separated. When a circuit is disconnected by a switch, the current flow does not immediately decrease to zero, so that an arc can form between the contacts.
  • the arc is a gas discharge by a per se non-conductive medium, such as air.
  • AC alternating current
  • arcs usually erase at the zero crossing of the alternating current. Since such a zero crossing of the current in switches with DC operation (DC) is missing, stable arcing can occur when disconnecting the contacts. If the circuit is operated with sufficient current and voltage, for example, more than about one ampere and more than 50 volts, the arc does not automatically go out. For this reason, in such switches, the extinction of the arc by the
  • Magnetic blow field is generated either externally via a permanent magnet system or via a self-magnetic field generated in the switch, caused by suitable structural design of the current paths in the switching device, and drives the switching arc in an extinguishing system,
  • Object of the present invention is to realize a switch, preferably for DC currents, in which it by continuous energy extraction at At the same time only low thermal load of the switch components to a fast extinction of the switching arcs comes.
  • the switch according to the invention has two current sub-conductors for guiding a
  • a coil is arranged around at least one of the current partial conductors, wherein the coil is provided as a guide device for the arc.
  • a coil in the sense of the invention is to be understood as meaning a device made of material which is conductive at least on the surface and which is suitable for guiding the arc along and simultaneously around the current conductor.
  • the coil consists of a single layer turns, the turns do not touch. Alternatively, a designation would be a helical or spiral helix for the
  • the magnetic field acts on the arc in such a way that it is conducted along the coil.
  • Bridge switching piece for the preparation and interruption of the electrically conductive connection between the two current divider conductors provided, wherein a coil is arranged around each of the two Stromteilleiter as an arc guiding device.
  • Stromteilleiter have a substantially cylindrical shape and are arranged along a longitudinal axis. At mutually facing ends have the
  • Peripheral contact area in particular of erosion-resistant contact material, for contacting corresponding contact pieces of a bridge contact piece on.
  • the contacting takes place on the circumference of the power conductor, where the
  • Arcs initially arise, which are also performed over the circumference of the current conductor.
  • the current partial conductors have a bead-like thickening, which in each case extends helically around a longitudinal axis on the circumference.
  • Thickening corresponds to a slope of the helical coils, so that the thickening is facing the arc conductor everywhere.
  • Arrangement extend the arc bases advantageously along the apex line of the bead-like thickening.
  • Mutually facing dropouts of the coils preferably extend into the interior of the coil such that the bridge contact is located between the current dividers and the dropouts, thereby facilitating passage of the arc from the bridge contact to the coils. This further assists in when the bridge switch is positioned in the off state immediately adjacent to the dropouts, and more particularly when the bridge switch has recesses that partially surround the dropouts in the off state.
  • Another variant is that the remotely located ends of the coils are not connected to each other and instead in the off state, an electrically conductive contact by physical contact between the dropouts and the
  • Going out of at least one of the arcs is interrupted.
  • Permanent magnet arrangement provided with two sub-assemblies, in each case two substantially parallel to each other aligned permanent magnets form a subassembly, wherein a first sub-array substantially parallel to the current dividing conductors extending field lines generated, ie at the front ends the deflection coils is arranged, and wherein a second subassembly in
  • Permanent magnet arrangement are the result of a superposition of
  • the permanent magnet arrangement is preferably equipped with permanent magnets made of rare earth materials, for example Nd-Fe-B or Sa-Co, for obtaining a high magnetic field strength.
  • the magnetic poles of the permanent magnets are suitably connected to U-shaped pole plates to obtain a magnetic field of high homogeneity.
  • the switch each has a plate made of insulating material, preferably of ceramic or thermosetting plastic, which between the located at the front ends of the deflection coils permanent magnets or their pole plates and the outer ends of the deflection coils to protect the
  • cylindrical shape causes a faster extinction of the switching arc.
  • Coils of metal U-profile can be used particularly advantageously, wherein a rounded web portion of the U-profile faces the coil interior.
  • the arc bases advantageously extend along the apex line of the U-profile.
  • the switch is hermetically sealed and with a switching gas of hydrogen or a strong filled hydrogen-containing gas mixture. Due to the considerably improved compared to the conventional atmospheric air arc cooling the arc burning time is considerably shortened, resulting in a comparatively compact design of
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the switch according to the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of the switch according to the invention
  • FIGs 3 and 4 details of the embodiments of Figures 1 and 2.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a first embodiment of the switch according to the invention. It is shown a largely concentric switching arrangement, in the longitudinal axis X, two axially aligned, cylindrical current partial conductor 10, 11 are arranged to guide a load current. in the
  • the switched case is between the two sub-conductors 10, 11 an electrical connection, preferably by contacting with an electrically conductive bridge contact piece 20 which is mounted in a movable switching bridge 25, with two contact pieces 21 made of a preferably burned and welded solid contact material at the end ,
  • the bridge switch piece 20 is, for example, mechanically connected to a magnetic drive (not shown), which causes movement of the bridge switch piece 20 perpendicular to the longitudinal axis X of the cylindrical current conductor 10, 11, which is represented by the double arrow P.
  • Bridge switching piece 20 the facing ends of the cylindrical Stromteilleiter 10, 11 on the circumference, in particular directly in a region behind the end faces.
  • the peripheral region 12 affected by the contacting likewise consists, analogously to the bridge contacts 21, of a contact material that is preferably burnt and welded.
  • the two cylindrical current partial conductors 10, 11 are coaxially surrounded by two axially aligned in the axial direction X arranged coils 31, 32, which consist at least on the surface of electrically conductive material and which further consist of a single layer turns, which do not touch mechanically.
  • the two outer ends of these so-called deflection coils are electrically connected to each other.
  • Two inside dropouts 35, 36 of these coils 31, 32 are each angled towards the inside of the coil, wherein the bridge switching piece 20 is positioned in each case between the dropout 35, 36 and the peripheral region 12 of the current partial conductor 10, 11. Further preferably, the two dropouts 35, 36 parallel to each other, offset in the axial direction X, wherein the offset in
  • Bridge switch piece 20 is positioned in the off state immediately adjacent to the dropouts 35, 36 and in particular has a recess which partially surrounds the dropouts 35, 36 in the off state.
  • An unillustrated variant is that the remotely located ends of the coils are separated and instead, in the off state, an electrically conductive contact is made by physical contact between the dropouts 35, 36 and the bridge contactor 20. The arrangement thus described is located inside a
  • Permanent magnet arrangement consisting of two individual sub-assemblies, each with two mutually parallel permanent magnets.
  • one of these two sub-assemblies consists of two individual, located behind the outer end faces of the deflection and arranged parallel to each other, plate-shaped permanent magnets 41, 42 which build up an approximately homogeneous magnetic field inside the deflection coils 31, 32, wherein the field lines parallel to the two axially oriented cylindrical flow part conductors 10, 11 extend.
  • this magnetic field can also be formed by a system of two plane-parallel, magnetically highly conductive sheets, which are connected to a permanent magnet in such a way that between them
  • a second permanent magnetic subassembly is formed in such a way that outside the scope of the deflection coils 31, 32 in height of the two
  • Dropouts 35, 36 two further permanent magnets 45, 46 are formed in the direction perpendicular to the longitudinal axis X in the region of the switch contacts, in particular parallel to the dropouts 35, 36 form an approximately homogeneous magnetic field perpendicular to the magnetic field of the first subassembly 41, 42nd stands.
  • the two axially aligned current partial conductors 10, 11 are connected to one another by the bridge contact piece 20, so that the load current flows through the two current partial conductors 10, 11 and the bridge contact piece 20 in full length.
  • Bridge switching piece 20 and the two peripheral regions 12 at the ends of the current partial conductor 10, 11 two parallel switching arcs with opposite
  • Arcs make the same spiral motion on the cylindrical surface.
  • the arc column undergoes a permanent spiral rotary motion, which is through that of the located at the end faces of the deflection coils
  • Permanent magnet 41, 42 generated magnetic field is effected.
  • the magnetic field generated by the two other permanent magnets 45, 46 causes a
  • the dimensions of the described switching arrangement and the magnetic field strengths of the permanent magnetic arrangements are dimensioned so that the switching arcs always extinguish in the rated current operation before they reach outer ends of the deflection coil 31, 32.
  • To protect the permanent magnetic assembly 41, 42 at the end faces of the deflection coils 31, 32 against arcing in the case of overcurrents is located between the permanent magnets 41, 42 or their pole plates and the outer ends of the
  • Deflection coils 31, 32 each have a plate of insulating material 50, preferably made of ceramic or a thermosetting plastic.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the switch according to the invention with deflection coils 31, 32 of conical shape 60, wherein a
  • Outer diameter of the coils 31, 32, starting from the dropouts 35, 36 increases continuously in the axial direction in each case to the outside. In this way, the switching arcs during their spiral rotational movement
  • the current partial conductor 10 has the bead-like thickening 15, which is
  • Increase of the helices of the bead-like thickenings 15 corresponds to a slope of the helical coils 31, 32, so that the thickening 15 faces the arc conductor everywhere.
  • the arc root points advantageously extend along the apex line of the bead-like thickening 15.

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  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

Schalter, insbesondere mit löschkammerfreier Schaltkammer zur Erzielung einer hohen elektrischen Lebensdauer, wobei der Schalter, der insbesondere für einen Gleichstrombetrieb vorgesehen ist, zwei Stromteilleiter zur Führung eines Laststroms umfasst, wobei in einem eingeschalteten Zustand eine elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern vorgesehen ist, welche in einem ausgeschalteten Zustand unterbrochen ist. Ein Magnetfeld ist zur Beeinflussung eines durch die Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern hervorgerufenen Lichtbogens vorgesehen.

Description

DC-SCHALTER OHNE LOESCHKAMMERN
Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere mit löschkammerfreier
Schaltkammer zur Erzielung einer hohen elektrischen Lebensdauer, wobei der Schalter, der insbesondere für einen Gleichstrombetrieb vorgesehen ist, zwei Stromteilleiter zur Führung eines Laststroms umfasst, wobei in einem eingeschalteten Zustand eine elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern vorgesehen ist, welche in einem ausgeschalteten Zustand unterbrochen ist. Ein Magnetfeld ist zur Beeinflussung eines durch die Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern hervorgerufenen
Lichtbogens vorgesehen.
Elektrische Schalter sind Komponenten in einem Stromkreis, die mittels interner, elektrisch leitender Kontakte eine elektrisch leitende Verbindung herstellen oder trennen. Bei einer zu trennenden, stromführenden Verbindung fließt Strom durch die Kontakte, bis diese voreinander getrennt werden. Wenn ein Stromkreis durch einen Schalter getrennt wird, reduziert sich der Stromf uss nicht unmittelbar auf Null, so dass es zur Bildung eines Lichtbogens zwischen den Kontakten kommen kann. Der Lichtbogen ist eine Gasentladung durch ein an sich nichtleitendes Medium, wie beispielsweise Luft. In Schaltern mit Wechselstrombetrieb (AC) löschen Lichtbögen in der Regel beim Nulldurchgang des Wechselstroms. Da ein solcher Nulldurchgang des Stroms in Schaltern mit Gleichstrombetrieb (DC) fehlt, können beim Trennen der Kontakte stabile Lichtbögen entstehen. Sofern der Stromkreis bei ausreichender Stromstärke und Spannung betrieben wird, beispielsweise bei mehr als etwa ein Ampere und mehr als 50 Volt, verlischt der Lichtbogen nicht selbsttätig. Aus diesem Grund wird bei derartigen Schaltern die Löschung des Lichtbogens durch die
Verwendung eines magnetischen Felds beschleunigt, das so gepolt ist, dass es eine treibende Kraft auf den Lichtbogen in Richtung einer Löschkammer ausübt. Zur Erzeugung eines starken Magnetfelds werden in der Regel Permanentmagnete verwendet. Das sogenannte magnetische Blasfeld wird entweder extern über ein Permanentmagnetsystem oder auch über ein im Schalter erzeugtes Eigenmagnetfeld, hervorgerufen durch geeignete konstruktive Ausgestaltung der Strombahnen im Schaltgerät, erzeugt und treibt den Schaltlichtbogen in ein Löschsystem,
beispielsweise in Form einer sogenannten Deion- Kammer, wo durch Aufteilung in mehrere Teillichtbögen bei gleichzeitiger Kühlung durch die Kammerwände eine schnelle Erhöhung der Lichtbogenspannung erfolgt, so dass der Schaltlichtbogen spätestens bei Erreichen der treibenden Spannung verlischt und damit eine dauerhafte Unterbrechung des elektrischen Stroms bewirkt wird. Ein solcher Schalter ist beispielsweise in der Druckschrift EP 2 061 053 A2 beschrieben.
Je nach Energiegehalt des Lichtbogens kommt es hierbei zu einer unterschiedlich hohen thermischen Belastung zum einen der Kontaktanordnung, verbunden mit einem gewissen Abbrand an Kontaktwerkstoffs durch Verdampfen oder Verspratzen;
thermisch belastet werden weiterhin die Schaltkammerwände sowie die
Löschkammern, was im Ergebnis zu einer zusätzlichen Begrenzung der elektrischen Lebensdauer des Schaltgeräts führt. Die thermische Beanspruchung des Schalters während des Schaltvorgangs ist besonders hoch im Fall großer Lichtbogenleistungen sowie bei fehlender oder geringer Mobilität des Lichtbogens, was einen
vergleichsweise hohen Kontaktabbrand sowie örtlich hohe thermische Belastungen der Materialien im Bereich der Kontakte und der Schaltkammer zur Folge hat. Ebenso kommt es bei Schaltlichtbögen mit hohem Energiegehalt häufig zu Rückzündungen. Hierbei kommt es in einem Volumenbereich der Schaltstrecke, deren elektrische Leitfähigkeit sich durch Deionisierung der umgebenden Gase bereits deutlich vermindert hat, zu einer erneuten Durchzündung des Lichtbogens, verbunden mit einem abrupten Einbruch der Lichtbogenspannung. Wiederholte Rückzündungen können die Gesamtbrenndauer des Schaltlichtbogens erheblich verlängern, was mit einer erhöhten thermischen Belastung des Schaltgeräts einher geht. Über viele Schaltungen betrachtet, bedeutet dies eine Verkürzung der elektrischen Lebensdauer des Schalters.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schalter, vorzugsweise für DC- Ströme zu realisieren, bei dem es durch kontinuierlichen Energieentzug bei gleichzeitig nur geringer thermischer Belastung der Schalterkomponenten zu einem schnellen Verlöschen der Schaltlichtbögen kommt.
Die Aufgabe wird durch den Schalter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. In den
Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte
Weiterbildungen angegeben.
Der erfindungsgemäße Schalter weist zwei Stromteilleiter zur Führung eines
Laststroms auf, wobei in einem eingeschalteten Zustand eine elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern vorgesehen ist, welche in einem ausgeschalteten Zustand unterbrochen ist. Ein Magnetfeld ist zur Beeinflussung eines durch die Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern hervorgerufenen Lichtbogens vorgesehen. Erfindungsgemäß ist mindestens um einen der Stromteilleiter herum eine Spule angeordnet, wobei die Spule als Leitvorrichtung für den Lichtbogen vorgesehen ist. Als Spule im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung aus zumindest an der Oberfläche leitfähigem Material zu verstehen, die geeignet ist, den Lichtbogen entlang des Stromteilleiters und gleichzeitig um diesen herum zu leiten. Die Spule besteht dazu aus einer einzelnen Lage Windungen, wobei die Windungen sich nicht berühren. Alternativ wäre eine Bezeichnung als schraubenlinienförmige oder spiralförmige Wendel für die
Lichtbogenleitvorrichtung zutreffend.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Magnetfeld derart auf den Lichtbogen wirkt, das dieser entlang der Spule geleitet wird. Durch die so erzielte kontinuierliche Bewegung des Schaltlichtbogens wird die thermische Belastung des Schalters minimiert. Zum einen wird durch das schnelle magnetische„Wegblasen" der Lichtbögen von den Kontakten nur ein vergleichsweise geringer Anteil an
Kontaktwerkstoff aufgeschmolzen und verdampft, der Kontaktabbrand ist dementsprechend gering. Zum anderen haben die Lichtbögen aufgrund der wirkenden Blaskräfte keine Möglichkeit, auf der gleichen Stelle zu verharren und dabei die Schalterkomponenten durch Hitzeeinwirkung zu schädigen. Weiterhin bewegt sich die Lichtbogenfront auf diese Weise kontinuierlich durch eine Gasumgebung, die sich noch im kalten Zustand befindet und in der zuvor noch keine Ionisierung von Gaspartikeln erfolgt ist. Dadurch erfährt der Lichtbogen einen ständigen
Energieentzug durch Kühlung und zusätzlich eine deutlich reduzierte Neigung zu Rückzündungen. Durch den kontinuierlichen Energieentzug nimmt der
Lichtbogenstrom stetig ab, gleichzeitig erfährt die Brennspannung einen raschen Anstieg, was spätestens beim Erreichen der treibenden Spannung zum Erlöschen des Lichtbogens und damit zur dauerhaften Unterbrechung der Schaltstrecke führt. Durch die vorliegende Erfindung wird eine Verringerung der thermischen
Lichtbogeneinwirkung auf die Komponenten der Schaltkammer realisiert. Dies führt im Ergebnis zu einer Erhöhung der elektrischen Lebensdauer des Schalters.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein doppeltunterbrechendes
Brückenschaltstück zur Herstellung und Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern vorgesehen, wobei um jeden der zwei Stromteilleiter herum eine Spule als Lichtbogenleitvorrichtung angeordnet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung vorwiegend mit Bezug auf diese
doppeltunterbrechende Version des Schalters mit zwei Spulen beschrieben. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch eine Anwendung auf eine einzelne Spule möglich ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Stromteilleiter eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen und entlang einer Längsachse angeordnet sind. An einander zugewandten Enden weisen die
Stromteilleiter auf dem Umfang jeweils bevorzugt einen
Umfangskontaktbereich, insbesondere aus abbrandfestem Kontaktwerkstoff, zur Kontaktierung entsprechender Kontaktstücke eines Brückenschaltstücks auf. So erfolgt die Kontaktierung auf dem Umfang der Stromteilleiter, wo auch die
Lichtbögen zunächst entstehen, die ebenfalls über den Umfang der Stromteilleiter geführt werden. Die Stromteilleiter weisen dazu insbesondere eine wulstartige Verdickung auf, welche sich jeweils schraubenlinienförmig um eine Längsachse auf dem Umfang erstreckt. Eine Steigung der Schraubenlinien der wulstartigen
Verdickungen entspricht dabei einer Steigung der schraubenlinienförmigen Spulen, so dass die Verdickung überall dem Lichtbogenleiter zugewandt ist. Bei einer solchen Anordnung verlaufen die Lichtbogenfußpunkte vorteilhaft entlang der Scheitellinie der wulstartigen Verdickung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass entfernt voneinander angeordnete Enden der Spulen miteinander verbunden sind. Dadurch lässt sich bei einer doppelt unterbrechenden Schaltbrücke der Stromfluss durch die zwei antiparallelen Lichtbögen und über die verbundenen Spulen führen. Alternativ bei nur einer Spule deren Ende mit dem Stromteilleiter des Gegenpols leitend verbunden sein. Auch bei zwei Spulen besteht diese alternative
Ausgestaltungsmöglichkeit, wobei die entfernten Enden der zwei Spulen jeweils mit dem Stromteilleiter des Gegenpols leitend verbunden sind.
Einander zugewandte Ausfallenden der Spulen erstrecken sich vorzugsweise derart in das Spuleninnere hinein, dass das Brückenschaltstück zwischen den Stromteilleitern und den Ausfallenden angeordnet ist, wodurch ein Übergang des Lichtbogens von dem Brückenschaltstück auf die Spulen erleichtert wird. Dazu trägt weiterhin unterstützend bei, wenn das Brückenschaltstück in dem ausgeschalteten Zustand unmittelbar benachbart zu den Ausfallenden positioniert ist und insbesondere, wenn das Brückenschaltstück Ausnehmungen aufweist, welche die Ausfallenden in dem ausgeschalteten Zustand teilweise umfangen. Eine weitere Variante besteht darin, dass die entfernt voneinander angeordnete Enden der Spulen nicht miteinander verbunden sind und statt dessen im ausgeschalteten Zustand ein elektrisch leitender Kontakt durch physische Berührung zwischen den Ausfallenden und dem
Brückenschaltstück hergestellt ist. Der Fachmann erkennt, dass auch bei
Lichtbogenpräsenz immer eine durchgehend elektrisch leitende Verbindung zwischen den Stromanschlüssen realisiert sein muss - solange, bis der Strom durch das
Erlöschen mindestens eines der Lichtbögen unterbrochen wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine
Permanentmagnetanordnung mit jeweils zwei Teilanordnungen vorgesehen, wobei jeweils zwei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Permanentmagneten eine Teilanordnung bilden, wobei eine erste Teilanordnung im Wesentlichen parallel zu den Stromteilleitern verlaufende Feldlinien erzeugt, also an den stirnseitigen Enden der Ablenkspulen angeordnet ist, und wobei eine zweite Teilanordnung im
Wesentlichen orthogonal zu den Stromteilleitern verlaufende Feldlinien erzeugt. Insbesondere erzeugt die zweite Teilanordnung parallel zu den Ausfallenden verlaufende Feldlinien. Die tatsächlich sich ergebenden Feldlinien der
Permanentmagnetanordnung sind das Ergebnis einer Überlagerung von
Magnetfeldern, so dass die zuvor genannten parallelen Feldlinien für sich nicht auftreten. Die Permanentmagnetanordnung ist vorzugsweise mit Permanentmagneten aus Materialien mit Anteilen seltener Erden, zum Beispiel Nd-Fe-B oder Sa-Co zur Erzielung einer hohen Magnetfeldstärke ausgestattet. Besonders bevorzugt sind die magnetischen Polen der Permanentmagnete geeignet mit U-förmigen Polblechen zur Erzielung eines Magnetfeldes von hoher Homogenität verbunden. Weiterhin bevorzugt weist der Schalter jeweils eine Platte aus Isolierstoff, vorzugsweise aus Keramik oder duroplastischem Kunststoff, auf, welche zwischen den an den stirnseitigen Enden der Ablenkspulen befindlichen Permanentmagneten oder deren Polplatten und den äußeren Enden der Ablenkspulen zum Schutz der
permanentmagnetischen Anordnung vor Lichtbogeneinwirkung angeordnet ist, insbesondere im Fall von Überströmen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein
Durchmesser der Spulen sich von den Ausfallenden ausgehend spiralförmig erweitert. Auf diese Weise werden die Schaltlichtbögen während ihrer spiraligen
Rotationsbewegung kontinuierlich verlängert, was den Widerstand der
Lichtbogensäule und damit auch die Bogenspannung stetig vergrößert. Im Vergleich zu einer ähnlich dimensionierten Schaltanordnung mit Ablenkspulen von
zylindrischer Gestalt wird ein schnelleres Erlöschen des Schaltlichtbogens bewirkt.
Besonders vorteilhaft können Spulen aus metallenem U-Profil verwendet werden, wobei ein gerundeter Stegbereich des U-Profils dem Spuleninneren zugewandt ist. Bei einer solchen Anordnung verlaufen die Lichtbogenfußpunkte vorteilhaft entlang der Scheitellinie des U-Profils.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, ist der Schalter hermetisch gekapselt und mit einem Schaltgas aus Wasserstoff oder einem stark wasserstoffhaltigen Gasgemisch gefüllt. Durch die im Vergleich zur konventionellen Atmosphärenluft erheblich verbesserte Lichtbogenkühlung wird die Bogenbrenndauer erheblich verkürzt, was eine vergleichsweise kompakte Auslegung der
Schaltanordnung ermöglicht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Ausführungen sind beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
Es zeigen
Figur 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters, Figur 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters,
Figuren 3 und 4 Details der Ausführungsbeispiele aus den Figuren 1 und 2.
Die Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters. Es ist eine weitgehend konzentrische Schaltanordnung dargestellt, in deren Längsachse X zwei axial fluchtend angeordnete, zylindrische Stromteilleiter 10, 11 zur Führung eines Laststroms angeordnet sind. Im
eingeschalteten Fall wird zwischen den beiden Teilleitern 10, 11 eine elektrische Verbindung, vorzugsweise durch Kontaktierung mit einem elektrisch leitenden Brückenschaltstück 20, das in einer beweglichen Schaltbrücke 25 gelagert ist, mit zwei Kontaktstücken 21 aus einem vorzugsweise abbrand- und verschweiß festen Kontaktwerkstoff an dessen Ende hergestellt. Das Brückenschaltstück 20 ist beispielsweise mechanisch mit einem Magnetantrieb (nicht dargestellt) verbunden, welcher eine Bewegung des Brückenschaltstücks 20 senkrecht zur Längsachse X der zylindrischen Stromteilleiter 10, 11 bewirkt, was durch den Doppelpfeil P dargestellt ist. Im Einschaltfall kontaktieren die beiden Kontaktstücke 21 des
Brückenschaltstücks 20 die einander zugewandten Enden der zylindrischen Stromteilleiter 10, 11 auf deren Umfang, insbesondere unmittelbar in einem Bereich hinter deren Stirnflächen. Der von der Kontaktierung betroffene Umfangsbereich 12 besteht dabei analog zu den Brückenkontakten 21 ebenfalls aus einem vorzugsweise abbrand- und verschweiß festen Kontaktwerkstoff.
Die beiden zylindrischen Stromteilleiter 10, 11 sind koaxial von zwei in axialer Richtung X fluchtend angeordneten Spulen 31, 32 umgeben, die zumindest an der Oberfläche aus elektrisch leitendem Material bestehen und die weiterhin aus einer einzelnen Lage Windungen bestehen, die sich mechanisch nicht berühren. Die beiden äußeren Enden dieser sogenannten Ablenkspulen sind dabei elektrisch miteinander verbunden. Zwei innenseitige Ausfallenden 35, 36 dieser Spulen 31, 32 sind dabei jeweils ins Spuleninnere hin abgewinkelt, wobei das Brückenschaltstück 20 jeweils zwischen dem Ausfallende 35, 36 und dem Umfangsbereich 12 der Stromteilleiter 10, 11 positioniert ist. Weiterhin bevorzugt verlaufen die beiden Ausfallenden 35, 36 parallel zueinander, in axialer Richtung X versetzt, wobei der Versatz im
Wesentlichen einer Länge des Brückenschaltstücks 20 entspricht. Durch die beschriebene Anordnung kommt es im geöffneten Schaltzustand zu einer Beinahe- Kontaktierung zwischen den Ausfallenden 35, 36 der Ablenkspulen 31, 32 und den beiden Enden des Brückenschaltstücks 20 auf der den Brückenkontakten 21 abgewandten Seite, welche in der Figur 4 im Detail dargestellt ist. Das
Brückenschaltstück 20 ist in dem ausgeschalteten Zustand unmittelbar benachbart zu den Ausfallenden 35, 36 positioniert und weist insbesondere eine Ausnehmung auf, welche die Ausfallenden 35, 36 in dem ausgeschalteten Zustand teilweise umfängt. Eine nicht abgebildete Variante besteht darin, dass die entfernt voneinander angeordnete Enden der Spulen getrennt sind und statt dessen im ausgeschalteten Zustand ein elektrisch leitender Kontakt durch physische Berührung zwischen den Ausfallenden 35, 36 und dem Brückenschaltstück 20 hergestellt ist. Die so beschriebene Anordnung befindet sich im Innern einer
Permanentmagnetanordnung, bestehend aus zwei einzelnen Teilanordnungen mit jeweils zwei parallel zueinander stehenden Permanentmagneten. In der in Fig.l dargestellten Ausführungsform besteht eine dieser beiden Teilanordnungen aus zwei einzelnen, hinter den äußeren Stirnflächen der Ablenkspule befindlichen und parallel zueinander angeordneten, plattenförmigen Permanentmagneten 41, 42, die im Inneren der Ablenkspulen 31 , 32 ein angenähert homogenes Magnetfeld aufbauen, wobei die Feldlinien parallel zu den beiden axial ausgerichteten zylindrischen Stromteilleitern 10, 11 verlaufen. Alternativ kann dieses Magnetfeld auch durch ein System aus zwei planparallelen, magnetisch gut leitenden Blechen gebildet werden, welche mit einem Permanentmagneten in der Weise verbunden sind, dass sich zwischen diesen
Polplatten ein angenähert homogenes Magnetfeld befindet. Ein zweite permanentmagnetische Teilanordnung ist in der Weise ausgebildet, dass sich außerhalb des Umfangs der Ablenkspulen 31 , 32 in Höhe der beiden
Ausfallenden 35, 36 zwei weitere Permanentmagnete 45, 46 befinden, die in Richtung senkrecht zu der Längsachse X im Bereich der Schaltkontakte, insbesondere parallel zu den Ausfallenden 35, 36 ein angenähert homogenes Magnetfeld ausbilden, das senkrecht zu dem Magnetfeld der ersten Teilanordnung 41, 42 steht.
Im eingeschalteten Zustand sind die beiden axial fluchtenden Stromteilleiter 10, 11 durch das Brückenschaltstück 20 miteinander verbunden, so dass der Laststrom die beiden Stromteilleiter 10, 11 und das Brückenschaltstück 20 in voller Länge durchfließt. Beim Ausschaltvorgang entstehen zwischen dem sich öffnenden
Brückenschaltstück 20 und den beiden Umfangsbereichen 12 an den Enden der Stromteilleiter 10, 11 zwei parallele Schaltlichtbögen mit gegenläufiger
Stromflussrichtung. Aufgrund der beiden permanentmagnetischen Anordnungen 41, 42, 45, 46 wirken auf beide Teillichtbögen am Ort ihres Entstehens magnetische Felder mit vektoriellen Komponenten sowohl in Richtung parallel zur Längsachse X der Stromteilleiter 10, 11, als auch orthogonal dazu, parallel zu den Ausfallenden 35, 36. Hierdurch entsteht aufgrund der wirkenden Lorentzkräfte eine magnetische Blaswirkung, die bei korrekter Polung des Schalters beide Teillichtbögen jeweils in eine spiralige, entgegengesetzt nach außen gerichtete Drehbewegung versetzt. Hierbei kommutieren zunächst die auf den Brückenkontakten 21 ruhenden Fußpunkte der beiden Teillichtbögen auf die unmittelbar benachbart angeordneten inneren
Ausfallenden 35, 36 der Ablenkspulen 31 , 32, um sich sodann aufgrund der magnetischen Blaswirkung diametral entgegengesetzt auf den Innenseiten der Ablenkspulen 31 , 32, der Spiralstruktur folgend, nach außen, von einander fort zu bewegen. Die auf den Stromteilleitern 10, 11 fortschreitenden Fußpunkte der
Lichtbögen vollziehen auf der zylindrischen Oberfläche die gleiche Spiralbewegung. Im Ergebnis erfährt die Lichtbogensäule eine permanente spiralige Drehbewegung, die durch das von den an den Stirnseiten der Ablenkspulen befindlichen
Permanentmagneten 41, 42 erzeugte Magnetfeld bewirkt wird. Zusätzlich bewirkt das von den beiden anderen Permanentmagneten 45, 46 erzeugte Magnetfeld eine
Kraftkomponente, die die beiden Teillichtbögen jeweils entlang der Längsachse X von einander fort nach außen bewegt. Hierdurch wird zum einen ein sehr schnelles Kommutieren der beiden Lichtbogenfußpunkte vom Brückenschaltstück 20 auf die Ausfallenden 35, 36 der Ablenkspulen 31, 32 erzielt, zum anderen wird durch diese Lorentzkraft-Komponente die von der Spiralstruktur der Ablenkspulen 31, 32 vorgegebene, in Richtung deren äußerer Stirnflächen gerichtete Bewegung unterstützt. Durch die so erzielte kontinuierliche Bewegung der beiden Schaltlichtbögen wird die thermische Belastung des Schalters minimiert. Zum einen wird durch das schnelle magnetische„Wegblasen" der Lichtbögen von den Kontakten nur ein vergleichsweise geringer Anteil an Kontaktwerkstoff aufgeschmolzen und verdampft, der
Kontaktabbrand ist dementsprechend gering. Zum anderen haben die Lichtbögen aufgrund der wirkenden Blaskräfte keine Möglichkeit, auf der gleichen Stelle zu verharren und dabei die Schalterkomponenten durch Hitzeeinwirkung zu schädigen. Weiterhin bewegt sich die Lichtbogenfront auf diese Weise kontinuierlich durch eine Gasumgebung, die sich noch im kalten Zustand befindet und in der zuvor noch keine Ionisierung von Gaspartikeln erfolgt ist. Dadurch erfährt der Lichtbogen einen ständigen Energieentzug durch Kühlung und zusätzlich eine deutlich reduzierte
Neigung zu Rückzündungen. Durch den kontinuierlichen Energieentzug nimmt der Lichtbogenstrom stetig ab, gleichzeitig erfährt die Brennspannung einen raschen Anstieg, was spätestens beim Erreichen der treibenden Spannung zum Erlöschen des Lichtbogens und damit zur dauerhaften Unterbrechung der Schaltstrecke führt.
Die Abmessungen der beschriebenen Schaltanordnung sowie die magnetischen Feldstärken der permanentmagnetischen Anordnungen sind so bemessen, dass die Schaltlichtbögen im Nennstrombetrieb immer bereits verlöschen, bevor sie die äußeren Enden der Ablenkspule 31, 32 erreichen. Zum Schutz der permanentmagnetischen Anordnung 41, 42 an den Stirnseiten der Ablenkspulen 31, 32 vor Lichtbogeneinwirkung im Fall von Überströmen befindet sich zwischen den Permanentmagneten 41, 42 oder deren Polplatten und den äußeren Enden der
Ablenkspulen 31, 32 jeweils eine Platte aus Isolierstoff 50, vorzugsweise aus Keramik oder einem duroplastischen Kunststoff.
In der Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters mit Ablenkspulen 31, 32 von konischer Gestalt 60 dargestellt, wobei ein
Außendurchmesser der Spulen 31, 32 sich von den Ausfallenden 35, 36 ausgehend in axialer Richtung jeweils nach außen hin kontinuierlich vergrößert. Auf diese Weise werden die Schaltlichtbögen während ihrer spiraligen Rotationsbewegung
kontinuierlich verlängert, was den Widerstand der Lichtbogensäule und damit auch die Bogenspannung stetig vergrößert. Im Vergleich zu einer ähnlich dimensionierten Schaltanordnung mit Ablenkspulen von zylindrischer Gestalt wird ein schnelleres Erlöschen des Schaltlichtbogens bewirkt.
Die in den Figuren 1 und 2 erkennbaren wulstartigen Verdickungen 15 entlang den Stromteilleitern 10, 11 sind in der Figur 3 schematisch im Detail dargestellt. Der Stromteilleiter 10 weist die wulstartige Verdickung 15 auf, welche sich
schraubenlinienförmig um die Längsachse X auf dem Umfang erstreckt. Eine
Steigung der Schraubenlinien der wulstartigen Verdickungen 15 entspricht dabei einer Steigung der schraubenlinienförmigen Spulen 31, 32, so dass die Verdickung 15 überall dem Lichtbogenleiter zugewandt ist. Bei einer solchen Anordnung verlaufen die Lichtbogenfußpunkte vorteilhaft entlang der Scheitellinie der wulstartigen Verdickung 15.

Claims

Patentansprüche
1. Schalter mit zwei Stromteilleitern (10, 11) zur Führung eines Laststroms, wobei in einem eingeschalteten Zustand eine elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern (10, 11) vorgesehen ist, welche in einem ausgeschalteten Zustand unterbrochen ist, wobei ein Magnetfeld zur Beeinflussung eines durch die Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei Stromteilleitern (10, 11) hervorgerufenen Lichtbogens vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens um einen der Stromteilleiter (10) herum eine Spule (31) angeordnet ist, wobei die Spule (31) als Leitvorrichtung für den Lichtbogen vorgesehen ist, und dass das Magnetfeld derart auf den Lichtbogen wirkt, das dieser entlang der Spule (31) geleitet wird.
2. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein doppeltunterbrechendes Brückenschaltstück (20) zur Herstellung und
Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei
Stromteilleitern (10, 11) vorgesehen ist, wobei um jeden der zwei Stromteillei-ter (10, 11) herum eine Spule (31, 32) als Lichtbogenleitvorrichtung an-geordnet ist.
3. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromteilleiter (10, 11) eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen und entlang einer Längsachse angeordnet sind.
4. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromteilleiter (10, 11) an einander zugewandten Enden auf dem Umfang jeweils einen Umfangskontaktbereich (12) zur Kontaktierung entsprechender
Kontaktstücke (21) eines Brückenschaltstücks (20) aufweisen.
5. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromteilleiter (10, 11) eine wulstartige Verdickung (15) aufweisen, welche sich jeweils schraubenlinienförmig um eine Längsachse auf dem Umfang erstreckt.
6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steigung der Schraubenlinien der wulstartigen Verdickungen (15) einer Steigung der
schraubenlinienförmigen Spulen (31, 32) entspricht.
7. Schalter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass entfernt voneinander angeordnete Enden der Spulen (31, 32) miteinander verbunden sind.
8. Schalter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass einander zugewandte Ausfallenden (35, 36) der Spulen (31, 32) sich derart in das
Spuleninnere hinein erstrecken, dass das Brückenschaltstück (20) zwischen den Stromteilleitern (10, 11) und den Ausfallenden (35, 36) angeordnet ist.
9. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
Brückenschaltstück (20) in dem ausgeschalteten Zustand unmittelbar benachbart zu den Ausfallenden (35, 36) positioniert ist.
10. Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Brückenschaltstück (20) Ausnehmungen aufweist, welche die Ausfallenden (35, 36) in dem ausgeschalteten Zustand teilweise umfangen.
11. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Permanentmagnetanordnung mit jeweils zwei Teilanordnungen vorgesehen ist, wobei jeweils zwei parallel zueinander ausgerichtete Permanentmagneten eine Teilanordnung bilden, wobei eine erste Teilanordnung parallel zu den Stromteilleitern (10, 11) verlaufende Feldlinien erzeugt und eine zweite Teilanordnung orthogonal zu den Stromteilleitern (10, 11) verlaufende Feldlinien erzeugt.
12. Schalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite
Teilanordnung parallel zu den Ausfallenden (35, 36) verlaufende Feldlinien erzeugt.
13. Schalter nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der Spulen (31, 32) sich von den Ausfallenden (35, 36) ausgehend spiralförmig erweitert.
14. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spulen (31, 32) aus metallenem U-Profil verwendet werden, wobei ein gerundeter Stegbereich des U-Profils dem Spuleninneren zugewandt ist.
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