CH648152A5 - Leistungsschalter. - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lei-stungsschaiter der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem keine Hilfseinrichtungen erforderlich sind, um die Unterbrechung bei niedrigen Strömen und hohen Stossaus-gleichsspannungsfrequenzen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil vom Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemässe Leistungsschalter weist einen Lichtbogenlaufkontakt auf, der aus einer Chrom-Kupfer-Legierung bestehen kann, die vorzugsweise ungefähr 0,9 Gewichtsprozente Chrom enthält. Es wurde festgestellt, dass dieses Material eine relative hohe Leitfähigkeit bezogen auf Kupfer (ungefähr 85% der Leitfähigkeit von Kupfer) aufweist und dass es weiterhin eine relativ niedrige Lichtbogenerosion zeigt und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Stossaus-gleichsspannungen aufweist. Daher kann der Lichtbogenlaufkontakt für die Unterbrechung sowohl bei rotierendem als auch bei stillstehendem Lichtbogen verwendet werden, ohne dass Hilfseinrichtungen erforderlich sind, um die Unterbrechung bei niedrigen Strömen zu unterstützen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. I eine Seitenansicht einer dreipoligen Ausführungsform des Leistungsschalters nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Leistungsschalters nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Leistungsschalter nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Achse eines Schalterpols des Leistungsschalters nach den Fig. 1, 2 und 3, wobei ein Pol mit einem in der Mitte gespeisten Lichtbogenlaufkontakt gezeigt ist, und dieser Pol oberhalb der Mittelachse geöffnet und unterhalb der Mittelachse geschlossen dargestellt ist,

Fig. 4a ein elektrisches Schaltbild des Pols nach Fig. 4 bei geöffneten Schaltstücken,

Fig. 4b eine vergrösserte Querschnittsansicht eines feststehenden Schaltstücks des Pols nach Fig. 4,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines feststehenden Schaltstückes des Pols nach Fig. 4,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des beweglichen Schaltstückes des Pols nach Fig. 4,

Fig. 7 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie

7-7 nach Fig. 4,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie

8-8 nach Fig. 4,

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Fig. 9 eine Endansicht des rechten Endes nach Fig. 4, Fig. 10 eine vergrösserte Ansicht des Feststehenden Schaltstückes des Pols nach Fig. 4, bei der der Strom einem Lichtbogenlaufkontakt am Aussendurchmesser zugeführt wird,

Fig. 11 eine schematische Darstellung des Lichtbogenstromes zwischen dem Lichtbogenlaufkontakt und einen beweglichen Lichtbogenabreisskontakt für verschiedene Bedingungen der Stromzuführung an die Innenseite und Aussenseite des Lichtbogenlaufkontaktes, wobei weiterhin verschiedene Bedingungen des Stromflusses für eine nach innen gerichtete Stromführung und eine nach aussen gerichtete Stromführung an den Lichtbogenabreisskontakt gezeigt sind,

Fig. 12 Versuchsergebnisse mit dem feststehenden Schaltstück gemäss Fig. 10, und zwar unter Verwendung eines Lichtbogenlaufkontaktes aus einer Chrom-Kupfer-Legierung im Vergleich zu einem Lichtbogenlaufkontakt aus Kupfer,

Fig. 13 Testergebnisse zum Vergleich der Verwendung von Kupfer-, Kupferwolfram- und Chromkupfer-Materialien bei hohen Stossausgleichsspannungsfrequenzen.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen erfindungsgemäss ausgebildeten Leistungsschalter. Dieser Schalter ist auf einem Stahltragrahmen 20 befestigt und weist drei jeweils einer Phase zugeordnete Schalterpole 21, 22 und 23 auf. Die Pole 21, 22 und 23 sind identisch und weisen Gehäuse 24, 25, 26 aus Aluminium auf, welche von Durchführungsisolatoren 27-28, 29-30 bzw. 31-32 für Stromanschlüsse durchdrungen sind. Jedes Gehäuse 24, 25 und 26 ist am rechten Ende verschlossen und steht mit einem Gehäuse 35 für einen Betätigungsmechanismus in Verbindung, derein Übersetzungswellengestänge einschliessen kann, das mit den Polen innerhalb jedes der Gehäuse 24, 25 und 26 gekuppelt ist. Der Betätigungsmechanismus ist derart betätigbar, dass er die drei Pole gleichzeitig öffnet und schliesst. Ein geeigneter Feder-Schliessme-chanismus oder ähnliches, der als Feder-Schliessmechanis-mus 36 dargestellt ist, kann zur Zuführung der Antriebsenergie für das Übersetzungswellengestänge in dem Gehäuse 35 verwendet werden. Entsprechend ist ein Betätigungsgestängeglied 37, das sich von dem Federmechanismus 36 aus erstreckt, mit einem Betätigungsgestänge 38 (Fig. 1), verbunden, das seinerseits eine Welle 39 in Drehung versetzt, die mit den Polen gekuppelt ist, wie dies im folgenden noch näher erläutert wird.

Es ist erforderlich, dass das Gehäuse 35 abgedichtet ist, weil es mit einem geeigneten dielektrischen Gas, wie z.B. Schwefelhexafluorid, gefüllt wird und weil es weiterhin die mit isolierendem Gas gefüllten Räume aller Gehäuse 24, 25, 26 miteinander verbindet.

Der vorstehend beschriebene Leistungsschalter ist als 15 kV/25 kA-Dreiphasen-Leistungsschalter verwendbar und er kann eine Gesamthöhe von ungefähr 210 cm und eine Gesamtbreite gemäss Fig. 1 von ungefähr 1 m aufweisen.

Das Innere des Leistungsschalters ist in Fig. 4 für den Fall des Pols 23 dargestellt, der in dem Gehäuse 26 eingeschlossen ist. Das Gehäuse 26 kann auch aus Stahl oder irgendeinem anderen gewünschten Material bestehen und weist zwei Öffnungen 40 und 41 zur Aufnahme der Durchführungsisolatoren 31 und 32 auf. An den Öffnungen 40 und 41 sind kurze Rohre 42 bzw. 43 angeschweisst, und diese Rohre nehmen geeignete Anschlussdurchführungsisolatoren 31 und 32 in gewünschter Weise auf.

Die Anschluss-Durchführungsisolatoren 31 und 32 weisen Mittelleiter 44 bzw. 45 auf, die in zangenförmigen Kontakten 46 bzw. 47 enden, die das bewegliche Schaltstück 48 bzw. das feststehende Schaltstück 49 aufnehmen, wie dies noch näher erläutert wird.

Das rechte Ende des Gehäuses 26 ist durch eine Endbaugruppe verschlossen, die einen Dichtungsring 50 (Fig. 4), der eine Dichtungspackung 51 enthält, eine Aluminiumtragplatte

52 (Fig. 4 und 5) und eine Verschlussplatte 53 einschliesst, die aus Stahl bestehen kann. Der Dichtungsring 50 ist mit dem rechten Ende des Rohres 26 verschweisst und bildet einen Schraubenlochflansch. Die Aluminiumplatte 52 wird durch die Verschlussplatte 53 an ihrem Platz gehalten, wenn diese Platte mit dem Schraubenlochflansch 50, beispielsweise durch die Schrauben 54 und 55 nach Fig. 4 verschraubt ist. Es ist zu erkennen, dass die Verschlussplatte 53 sowohl in Fig. 4 als auch in Fig. 9 gezeigt ist und dass, wenn diese Verschlussplatte 53 gegen den Schraubenlochflansch 50 verschraubt ist, eine gasdichte Abdichtung gegenüber der Dichtungspackung 51 gebildet wird.

Mit dem gegenüberliegenden Ende des Rohres 26 ist ein Schraubenlochflansch 60 verschweisst, der eine dreiflügelige Öffnung aufweist, deren Form am besten aus Fig. 7 zu erkennen ist. Ein kurzer Rohrabschnitt 61 ist mit einem Dichtungsring 62 versehen, der mit einem Ende dieses Rohres verbunden ist und eine Dichtungspackung 63 aufnimmt. Der Aussendurchmesser des Dichtungsringes 62 weist einen Schrau-benlochkreis mit Schraubenlöchern auf, die mit den Schraubenöffnungen im Schraubenlochflansch 60 ausgerichtet sind, so dass Schrauben, wie z.B. die Schrauben 65 und 66 nach den Fig. 4 und 7, die Gehäuseabschnitte 26 und 61 miteinander verbinden können, wobei sich eine gute gasdichte Abdichtung durch die Dichtungspackung 63 ergibt.

Das linke Ende des Rohrabschnittes 61 ist in eine Öffnung des Tanks 35 eingeschweisst, wie dies gezeigt ist. Damit ist das Innere des Rohres 26 und der Innenraum der verschiedenen Elemente, mit denen dieses Rohr in Verbindung steht, gegenüber der Aussenatmosphäre abgedichtet, und das Innere des Rohres ist mit Schwefelhexafluorid mit einem Druck von ungefähr 3 at (Absolutdruck) gefüllt. Es sei jedoch daraufhingewiesen, dass irgendein gewünschter Druck verwendet werden könnte und dass irgendein anderes dielektrisches oder isolierendes Gas als Schwefelhexafluorid oder Kombinationen von isolierenden Gasen anstelle von Schwefelhexafluorid verwendet werden kann, falls dies erwünscht ist.

Das bewegliche Schaltstück 48 ist am besten aus den Fig. 4 und 6 zu erkennen. Dieses Schaltstück ist mit der Betätigungskurbel 38 nach Fig. 4 verbunden, die von dem Betätigungsmechanismus angetrieben wird und die über ein Verbindungsgestänge 70 schwenkbar mit dem Ende eines langgestreckten in Axialrichtung bewegliches leitenden Bauteils 71 verbunden ist. Das bewegliche Bauteil 71 ist durch eine leitende langgestreckte Hohlstange gebildet, die an ihrem linken Ende verschlossen ist, und dieser geschlossene Endteil am linken Ende ist mit einer Anzahl von Lüftungsbohrungen, wie z.B. Lüftungsbohrungen 72 und 73, versehen, die in der im folgenden beschriebenen Weise das Ausströmen von Gas und Lichtbogenplasma durch das bewegliche Schaltstück und durch diese Lüftungsbohrungen hindurch bei einem Unterbrechungsvorgang ermöglichen.

Das bewegliche Bauteil 71 ist in einem stationären leitenden Tragteil 74 beweglich geführt, das ein Schiebekontaktele-ment 75 (Fig. 4) enthält, das einen elektrischen Gleitkontakt mit dem beweglichen Bauteil oder leitenden Rohr 71 aufrechterhält. Eine geeignete Isolierschicht 76 (Fig. 4) kann an dem Tragteil 74 befestigt sein, um eine Führung des beweglichen Bauteils 71 mit relativ niedriger Reibung zu erzielen. Das Gleitkontaktteil 75 wird durch eine geeignete leitende Abstützplatte, wie z.B. eine Platte 77, an seinem Platz gehalten, wobei diese Platte durch geeignete Schrauben an ihrem Platz gehalten wird.

Das leitende stationäre Tragteil 74 ist weiterhin mit einem sich nach oben erstreckenden leitenden Ansatz 78 versehen, der an dem Tragteil 74 durch Schrauben 79 und 80 (Fig. 6) befestigt ist und der mit dem zangenförmigen Kontakt 46 in

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Eingriff steht, wenn der Leistungsschalter zusammengebaut ist. Das Tragteil 74 ist an dem Schraubenlochflansch 60 durch drei Isolator-Stützteile 81 und 82 (Fig. 6) und 83 (Fig. 4) befestigt, die durch Epoxy-Formstücke gebildet sein können. Das rechte Ende dieser Isolier-Stützteile ist mit dem Tragteil 74 durch Schrauben 85, 86 bzw. 87 verschraubt, während die gegenüberliegenden Enden mit dem Schraubenlochflansch 60, beispielsweise durch die Schraube 88 nach Fig. 4 für den Fall des Isolier-Stützteils 83, verschraubt sind. Gleiche Schrauben verbinden die anderen Isolier-Stützteile mit dem Schraubenlochflansch 60, doch sind sie nicht in der Zeichnung gezeigt. Damit ist das bewegliche Schaltstück isoliert an dem Gehäuse 26 gehaltert.

Das Hauptkontaktelement besteht dann aus einem aufgeweiteten oder glockenförmigen beweglichen Kontaktelement 90, das in einer Anzahl von in Segmente unterteilten Kontaktfingern 91 endet.

Das Kontaktelement 90 bildet einen schleifenförmig nach aussen verlaufenden Strompfad von dem in der Mitte angeordneten leitenden Bauteil 71 und es kann in geeigneter Weise elektrisch mit dem Ende des leitenden Bauteils 71 verbunden sein, beispielsweise durch eine Gewindeverbindung mit einem leitenden Zwischenring 92, der seinerseits auf das Ende des leitenden Bauteils 71 aufgeschraubt ist. Der Zwischenring 92 dient weiterhin als Sitz für eine Druckfeder 93, die gegen den Innendurchmesser des im Inneren des Kontaktelementes 90 gleitenden Lichtbogenabreisskontaktes 95 drückt. Der Lichtbogenabreisskontakt 95 weist eine Mittelöffnung 96 an seinem äusseren Ende auf, und er nimmt einen geeigneten nicht-leitenden Ring 97 auf, der eine relativ leichte Verschiebbarkeit des Lichtbogenabreisskontaktes 95 gegenüber den Fingern 91 ermöglicht. Es ist zu erkennen, dass die Enden der Finger 91 nach innen gebogen sind, so dass sie eine Schulter 99 bilden, die mit einer Schulter 100 des Lichtbogenabreisskontaktes 95 in Eingriff kommt, wenn sich die Finger nach links bewegen, während sich der Schalter öffnet.

Das feststehende Schaltstück 49 ist am besten aus den Fig. 4 und 8 zu erkennen. Es weist ein Tragteil 110 auf, das aus Aluminim bestehen kann und einen Ansatz 111 aufweist, der sich von dem Tragteil aus erstreckt und mit diesem beispielsweise durch Schrauben 112 und 113 verschraubt ist. Der Ansatz 111 wird dann von dem zangenartigen Kontakt 47 aufgenommen, um eine Verbindung zwischen dem festehenden Schaltstück und dem Leiter 45 des Durchführungsisolators 32 herzustellen.

Das Tragteil 110 weist drei Epoxy-Stützelemente 114, 115 und 116 auf, die an dem Tragteil durch Schrauben, wie z.B. die Schraube 117 nach Fig. 4 für den Fall des Stützelementes 114, befestigt sind. Die Stützteile 114 bis 116 sind ihrerseits durch Schrauben, wie z.B. die Schraube 118 nach Fig. 4 für den Fall des Stützteils 114, an der Aluminiumscheibe 52 befestigt. Daher ist das gesamte feststehende Schaltstück isoliert an dem Gehäuse 26 befestigt.

Das Tragteil 110 ist mit einem Zwischentragteil 120 (Fig. 4 und 4b) verschraubt, beispielsweise durch eine Schraube 121 nach Fig. 4, und eine stationäre Hauptkontakthülse 122 ist durch eine Gewindeverbindung oder durch eine andere Verbindung mit dem Zwischentragteil 120 verbunden. Das Ende der Hauptkontakthülse 122 kann einen Kontaktringeinsatz 123 aufweisen, der aus einem Material bestehen kann, das einer Lichtbogenerosion widerstehen kann, wie z.B. Kupfer-Wolfram oder ähnliches, und der die inneren Enden der Kontaktfinger 91 des beweglichen Kontaktes aufnimmt, wenn der Schalter geschlossen wird. Auf diese Weise soll ein guter, fester, einen niedrigen Widerstand aufweisender Stromleitungspfad zwischen den Kontaktbaugruppen 48 und 49 gebildet werden. Es sei bemerkt, dass die Finger 91 elastisch nach aussen gedrückt werden, wenn sie mit der Kontakthülse 122

in Eingriff kommen, um einen hohen Kontaktdruck zu erzielen. Das Ende der Kontakthülse 122 ist durch einen Teflon-Ring 130 abgeschlossen, der allgemein das äussere Ende der stationären Kontaktgruppe abdeckt und eine allgemein trapezförmige Querschnittsform aufweist, wie dies insbesondere aus Fig. 4b zu erkennen ist. Der Teflon-Ring 130 kann an der Kontakthülse 122 beispielsweise durch eine Gewindeverbindung oder ähnliches befestigt sein.

Das feststehende Schaltstück des Schalterpols nach Fig. 4 weist weiterhin einen aus Kupfer bestehenden Spulenträger 140 (siehe Fig. 4b) auf, der aus einem in der Mitte angeordneten Kernabschnitt 141 mit einer Mittelöffnung 142 und zwei einstückigen im Abstand angeordneten Flanschen besteht, die sich von dem Kernabschnitt 141 aus erstrecken. Der eine Flansch ist ein Lichtbogenlaufkontakt 143 und ist durch eine scheibenförmige leitende Platte gebildet, die aus Chromkupfermaterial bestehen kann. Der andere Flansch 143a ist vorzugsweise geschlitzt, um umlaufende Ströme zu unterdrük-ken. Der Spulenträger 140 sollte eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um Abstossungskräften zu widerstehen, die im Sinne einer Abstossung und eines Zurückstossens der Spulenentwicklung und des Lichtbogenlaufkontaktes 143 wirken. Eine aus Teflon oder einem anderen Isoliermaterial bestehende Mutter 145 deckt die innere Oberfläche des Lichtbogenlaufkontaktes 143 ab und bildet eine kreisringförmige freiliegende Kontaktfläche für den Lichtbogenlaufkontakt 143.

Isolierteile 148, 149 und 149a sind zwischen dem aus Kupfer bestehenden Spulenträger 140 und der Hülse 122 angeordnet, um einen unerwünschten Kontakt zwischen diesen Teilen zu verhindern. Der Raum zwischen dem Lichtbogenlaufkontakt 143 und dem Flansch I43a nimmt eine Wicklung 150 auf, die beispielsweise eine spiralförmige Wicklung ist, die aus elf konzentrischen flachen Windungen besteht, die voneinander isoliert sind. Wenn dies erwünscht ist, können die Windungen der Wicklung 150 aus einem anderen Querschnitt hergestellt sein, sie könnten beispielsweise einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Die innerste Windung der Wicklung 150 ist elektrisch mit der in der Mitte angeordneten Nabe 141 verbunden, während die äusserste Windung der Wicklung 150 elektrisch mit dem Zwischenstützteil 120 durch eine leitende Verbindung oder einen Bügel 151 verbunden ist. Daher wird eine elektrische Verbindung vom Ansatz 111 (Fig. 4) über das Tragteil 110, das Zwischentragteil 120, den leitenden Bügel 151, die Wicklung 150 und die Nabe 141 des Spulenträgers 140 hergestellt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird der Strom dem Lichtbogenlaufkontakt 143 von innen her zugeführt. Der Strom wird von der Wicklung 140 zur Nabe 141 und damit direkt an den Innendurchmesser des Lichtbogenlaufkontaktes 143 angelegt.

Der Strom an den Lichtbogenlaufkontakt 143 kann von aussen zugeführt werden, wobei der Aussendurchmesser des Flansches 143a mit dem Aussendurchmesser des Lichtbogenlaufkontaktes verbunden ist. Der Strompfad für die von innen oder von aussen erfolgende Stromzuführung an den Lichtbogenlaufkontakt 143 ist schematisch in Fig. 4a gezeigt. Es sind geeignete Isolierschichten vorgesehen, wie dies erforderlich ist, um die von innen oder von aussen erfolgende Verbindung an den Lichtbogenlaufkontakt 143 zu bilden. Die Fig. 10, die weiter unten erläutert wird, zeigt ausführlich die Stromzuführung von aussen.

Die so weit beschriebene Konstruktion des Leistungsschalters lässt erkennen, dass der Zusammenbau dieses Leistungsschalters wesentlich durch die lösbare Verbindung zwischen dem beweglichen 48 und dem freistehendem Schaltstück 49 mit den zangenförmigen Kontakten 46 und 47 der Innenleiter der Durchführungsisolatoren 31 und 32 vereinfacht ist.

Der Strompfad durch den Schalter verläuft, wenn dieser

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sich in der geschlossenen Stellung befindet, wie unterhalb der Mittellinie in Fig. 4 gezeigt ist, wie folgt: Der Strom tritt in den Mittelleiter des Durchführungsisolators 31 ein, fliesst durch den zangenförmigen Kontakt 46 und den Ansatz 48 und wird dann dem leitenden Bauteil 71 über den Gleitkontakt 75 zugeführt. Der Strom fliesst dann in Axialrichtung nach aussen in das bewegliche Hauptkontaktelement 90 und dann durch die Kontaktfinger 91 zum Kontakteinsatz 123 und zur Kontakthülse 122. Der Strom fliesst dann über das Zwischentragteil 120 und das Tragteil 110 und durch den Ansatz 111 zum zangenförmigen Kontakt 47 und damit durch den Mittelleiter des Durchführungsisolators 32 hindurch aus dem Leistungstrennschalter heraus.

Um die Kontakte des Leistungsschalters zu öffnen,

bewirkt der Betätigungsmechanismus eine Drehung der Kurbel 38 im Gegenuhrzeigersinn gemäss Fig. 4, wodurch das leitende Bauteil 71 nach links bewegt wird. Während der anfänglichen Öffnungsbewegung bewegen sich die Kontaktfinger 91 nach links in Fig. 4, so dass die Hauptkontakte öffnen und der Stromfluss von dem Hauptkontakt auf den Lichtbogenabreisskontakt 95 übertragen wird, der noch mit dem Lichtbogenlaufkontakt 143 und damit über die Wicklung 150 und das Zwischentragteil 120 und das Tragteil 110 mit dem Ansatz 111 verbunden ist.

Der Lichtbogenabreisskontakt 95 kann aus Kupferchrommaterial oder irgendeinem anderen Material bestehen, das einer Lichtbogenbelastung widerstehen kann. Der Lichtbogenabreisskontakt 95 wird zu Anfang unter der Wirkung der Feder 93 fest gegen den Lichtbogenlaufkontakt 143 gehalten. Sobald sich die beweglichen Kontaktfinger 91 ausreichend weit nach links bewegt haben, kommt die Schulter 99 der Finger 91 jedoch mit der Schulter 100 des Lichtbogenabreisskontaktes 95 in Eingriff und der Lichtbogenabreisskontakt 95 beginnt sich dann erstmals nach links und ausser Kontakt mit dem Lichtbogenlaufkontakt 143 zu bewegen. Ein Lichtbogen wird dann zwischen der Oberfläche des Lichtbogenlaufkontaktes 143 und dem Lichtbogenabreisskontakt 95 gezogen, wobei der Lichtbogenstrom in Serie durch die Wicklung 150 hindurchfliesst.

Der Strom durch die Wicklung 150 ruft dann ein Magnetfeld hervor, das eine Komponente aufweist, die sich senkrecht durch den Lichtbogenstrom hindurcherstreckt, der zwischen dem Lichtbogenlaufkontakt 143 und dem Lichtbogenabreisskontakt 95 fliesst. Weil die Wicklung 150 sehr eng mit dem Lichtbogenlaufkontakt 143 gekoppelt ist (der eine Kurz-schlusswindung bildet), wird gleichzeitig ein umlaufender Strom in dem Lichtbogenlaufkontakt 143 induziert. Dieser umlaufende Strom ist gegenüber dem Lichtbogenstrom und dem Strom in der Wicklung 150 phasenverschoben. Der Strom in der Wicklung 150 und der umlaufende Strom in dem Lichtbogenlaufkontakt 143 rufen ein Magnetfeld in dem Lichtbogenraum hervor und dieses Feld weist eine Komponente auf, die senkrecht zum Lichtbogenstrom verläuft. Der Lichtbogenstrom und das Magnetfeld treten in Wechselwirkung, um eine Lorentz-Kraft auf den Lichtbogen hervorzurufen, so dass sich der Lichtbogen schnell um die Achse des Lichtbogenlaufkontaktes 143 und des Lichtbogenabreisskontaktes 95 herum dreht. Entsprechend dreht sich der Lichtbogen sehr schnell durch das relativ stationäre Isoliergas, wodurch der Lichtbogen abgekühlt und entionisiert wird und er beim Stromnulldurchgang gelöscht wird.

Eine verbesserte Betriebsweise wird erzielt, wenn der dem Lichtbogenlaufkontakt 143 zugeführte Strom an dessen Aussendurchmesser zugeführt wird, so dass eine magnetische Einblaskraft auf den Lichtbogenstrom ausgeübt wird,

wodurch sich dieser in Richtung auf die Rotationsachse des Leistungstrennschalters durchbiegt.

Die Wirkung der Speisung des Lichtbogenlaufkontaktes von aussen her wird am besten anhand der Betrachtung der Fig. 10 und: 11 verständlich. Die Fig. 11 zeigt schematisch einige der Bauteile des feststehendem Schaltstückes.

Fig. 10 zeigt das bewegliche Schaltstück 48 zusammen mit. dem feststehenden Schaltstück 49, wobei das erstere für eine Zuführung des Stromes von aussen her abgeändert ist. Daher ist in Fig. 10 der Lichtbogenlaufkontakt 143 so abgeändert, dass er eine Schalenform aufweist und mit einer zylindrischen Wand 200 versehen ist, die sich koaxial über die Wicklung 150 erstreckt und in Gewindeeingriff mit dem Aussenumfang des Flansches 143a steht. Geeignete Isolierscheiben 201 und 202 und ein Isolierzylinder 203 isolieren die Wicklung 150 gegenüber der zylindrischen Wand 200, dem Lichtbogenlaufkontakt 143 und dem Flansch 143a. Die Isolierhülse 204 isoliert die Kontakthülse 122 gegenüber der leitenden zylindrischen Wand 200.

Die Leitung 151 ist mit der äussersten Windung der Wicklung 150 verbunden, während die innerste Windung dieser Wicklung mit der Nabe 141 verbunden ist. Der Lichtbogen-laufkontakt 143 wird mechanisch in enger Kopplung mit der Wicklung 150 durch eine Stahlschraube 205 gehalten, die mit einer Isolation abgedeckt ist, wie z.B. durch einen Teflon-Zylinder 206 und eine Teflon-Kappe 207. Die Schraube 205 drückt gegen eine Platte 208 und eine Isolierscheibe 209, wie dies gezeigt ist.

Der Kontakt 122 nach Fig. 10 ist auf einen leitenden Träger 210 aufgeschraubt, der wie in Fig. 4 in geeigneter Weise mit dem Tragteil 110 und dem Mittelleiter des Anschluss-Durchführungsisolators 32 verbunden ist.

Es sei bemerkt, dass der Flansch 143a an einer oder mehreren Stellen an seinem Umfang geschlitzt ist, beispielsweise durch einen Schlitz 211, um die Induktion eines umlaufenden Stromes um den Flansch 143a herum zu verhindern.

Es ist aus Fig. 10 zu erkennen, dass der Strompfad zum Lichtbogenlaufkontakt 143 dem Pfad der Pfeile folgt, so dass der Strom dem Lichtbogenlaufkontakt 143 um den vollen Aussenumfang dieses Kontaktes herum zugeführt wird. Die Wirkung dieser Zuführung des Stromes von aussen wird am besten anhand der Fig. 11 erkennbar, die schematisch den Lichtbogeniaufkontakt 143 für verschiedene Stromzuführungsbedingungen zeigt.

Fig. 11 zeigt durch stufenförmige Pfeile das Magnetflussdichtefeld B, das in den betreffenden Bereichen des Raumes aufgetragen ist, durch den sich der Lichtbogen zwischen dem Lichtbogenlaufkontakt 143 und dem beweglichen Lichtbogenabreisskontakt 95 bewegt. Es ist zunächst zu erkennen,

dass die Intensität des Magnetfeldes am Lichtbogenlaufkontakt 143 am grössten ist. Dies ergibt sich daraus, dass das Magnetfeld B durch den umlaufenden Strom in dem Lichtbogenlaufkontakt 143 und ausserdem durch die Wicklung 150 erzeugt wird, die hinter dem Lichtbogenlaufkontakt 143 angeordnet ist. Mit zunehmender Entfernung von der Wicklung 150 und dem Lichtbogenlaufkontakt 143 nimmt die Feldstärke ab. Gleichzeitig ändert sich die Richtung des Feldvektors über den Bereich und es ist zu erkennen, dass diese Richtung parallel zur Achse des Leistungsschalters in Bereichen entlang der Mittelachse des Lichtbogenlaufkontaktes 143 ist, worauf sich bei einer Bewegung in Radialrichtung nach aussen von dieser Achse diese Richtung der senkrechten Richtung zur Achse des Lichtbogenlaufkontaktes 143 annähert.

Die Kraft, die auf den Lichtbogenstrom zwischen dem Lichtbogenlaufkontakt 143 und dem beweglichen Lichtbogenabreisskontakt 95 ausgeübt wird, ist durch das äussere oder vektorielle Produkt zwischen dem Magnetfeld B und dem Lichtbogenstrom gegeben. Entsprechend ist die Kraft, die im Sinne einer Drehung des Lichtbogens um die kreis-ringförmige Lichtbogenlauffläche wirkt, umso grösser, je mehr der Lichtbogenstrom senkrecht zum Feidvektor steht.

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Wenn der in den Lichtbogenlaufkontakt 143 fliessende Strom geradlinig und parallel zur Mittelachse des Lichtbogenlaufkontaktes 143 verlaufen würde und bei Fehlen anderer Störkräfte, würde der Strom den Pfad 159 annehmen. Daher würde der Lichtbogenstrom eine relativ grosse Komponente senkrecht zu den verschiedenen Feldvektoren B aufweisen, um eine ziemlich hohe Drehkraft zu erzeugen.

Bei bekannten Leistungsschaltern wird der Strom jedoch dem Lichtbogenlaufkontakt 143 am Innendurchmesser dieses Lichtbogenlaufkontaktes zugeführt. Der Strom nimmt damit den Weg, der durch die voll ausgezogene Linie 160 angedeutet ist. Aufgrund der Biegung in dem Strompfad 160 wird eine magnetische Ausblaskraft auf den Lichtbogenstrom ausgeübt und der Lichtbogenstrom folgt dem nach aussen ausgebogenen Pfad 161. Daher ist der Lichtbogenstrom in dem Bereich eines starken Feldes in der Nähe des Lichtbogenlaufkontaktes 143 stärker parallel zum Magnetfeldvektor B, so dass eine relativ geringe Drehkraft auf den Lichtbogenstrom wirkt. Weiterhin wird der Lichtbogenstrom 161 nach aussen geblasen, so dass sich die mögliche Gefahr ergibt, dass der Lichtbogen zurück auf den Hauptkontakt 122 überspringt.

Bei der erfindungsgemässen Stromführung erfolgt die Zuführung des Stromes an den Aussenumfang des Lichtbogenlaufkontaktes 143, wie dies durch die gestrichelte Linie oder die nach innen gerichtete Magnetkraft, auf den Lichtbogen gezeigt ist, wobei der Stromfluss in Richtung auf die Achse des Lichtbogenlaufkontaktes 143 gerichtet ist und eine nach innen gerichtete Verbiegung des Lichtbogenstromes hervorgerufen wird, der dem Strompfad 163 folgt. Es ist zu erkennen, dass die maximale, nach innen gerichtete Biegung an der dem Lichtbogenlaufkontakt 143 nächstliegenden Stelle erfolgt, an der das Magnetfeld B den höchsten Wert aufweist. Daher ist in diesen Bereichen sehr hoher Magnetfeldintensität der Lichtbogenstrom fast senkrecht zum Magnetfeld gerichtet, so dass äusserst hohe Drehkräfte auf den Lichtbogen ausgeübt werden. Weiterhin wird der Lichtbogenstrom 163 von der Aussenseite fort nach innen geblasen, so dass die Gefahreines Zurückspringens auf die Hauptkontaktelemente so weit wie möglich verringert wird.

Das gegenüberliegende Ende des Lichtbogenfusspunktes auf dem Lichtbogenabreisskontakt 95 ist in Fig. 11 gezeigt. Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemässen Leistungsschalter besteht darin, dass der Stromfluss durch den Lichtbogenabreisskontakt 95 in Radialrichtung nach aussen und über den gestrichelt dargestellten Pfad 170 erfolgt und nicht wie bei bekannten Leistungsschaltern, bei denen die Stromzuführung zum Lichtbogenabreisskontakt nach innen erfolgt, wie dies durch den mit voll ausgezogenen Linien dargestellten Strompfad 171 gezeigt ist.

Dadurch, dass der Stromweg durch den Lichtbogenabreisskontakt ein nach aussen gerichteter Strompfad ist, fliesst der Strom in dem sich bewegenden Stromabreisskontakt 95 auf dem radial nach aussen gerichteten Pfad von dem Lichtbogenfusspunktbereich und von der Achse des beweglichen Kontaktes aus fort. Damit ergibt sich eine nach innen gerichtete Ausblaskraft, die auf den Lichtbogenfusspunkt und auf den Lichtbogen im Bereich des Lichtbogenabreisskontaktes 95 wirkt. Das heisst, dass diese Kräfte im Sinne einer Bewe- " gung des Lichtbogens in Richtung auf die Achse des Lichtbogenabreisskontaktes 95 wirken und nicht nach aussen, wie dies für eine Zuführung des Stromes nach innen entlang des Pfades 171 der Fall sein würde, der bei bekannten Leistungsschaltern verwendet wurde. Die Stromführung wirkt damit im Sinne eines Festhaltens des Lichtbogenfusspunktes in dem äussersten radial inneren Teil des Lichtbogenabreisskontaktes, so dass die Lichtbogenposition und die Lichtbogenlänge aufrechterhalten wird und die Lichtbogenenergiezuführung an das Gas auf einem Minimum gehalten wird, während gleichzeitig ein Überspringen des Lichtbogens auf den Hauptkontakt verhindert wird.

Es wurde weiter oben anhand der Fig. 4 und 6 erläutert, dass das bewegliche Kontaktbauteil 71 Lüftungsöffnungen, wie z.B. die Öffnungen 72 und 73, aufweist. Weitere Öffnungen sind um das linke Ende des Bauteils 71 herum verteilt. Es wurde festgestellt, dass diese Lüftungsöffnungen zur Entfernung oder Verteilung des Lichtbogenplasmas beitragen, das während der Lichtbogenbildung erzeugt wird. Es wurde festgestellt, dass es wünschenswert ist, über Einrichtungen zu verfügen, die das Lichtbogenplasma von der Lichtbogenzone während des Unterbrechungsvorganges fortleiten, so dass das Lichtbogenplasma von dem feststehenden Schaltstück fortbewegt wird.

Durch Verwendung der Öffnungen 72 und 73 oder andere ähnliche Öffnungen entlang der Länge des beweglichen leitenden Bauteils 71 wirkt die intensive Wärme, die durch das Plasma in dem Bereich zwischen dem sich fortbewegenden Lichtbogenabreisskontakt 95 und dem Lichtbogenlaufkontakt 143 erzeugt wird, als Wärmequelle, die die Bewegung heisser Gase nach links entlang der Achse des Rohres 71 und dann aus den Lüftungsöffnungen dieses Rohres hinaus hervorruft. Das heisst, dass die Öffnungen, z.B. die Öffnungen 72 und 73, dazu beitragen, einen Strömungskanal entlang des Mittelpunktes des sich bewegenden Kontaktes auszubilden, entlang dessen die heissen Gase sich bewegen können, um überschüssige heisse Gase von dem Lichtbogenbereich fortzuführen.

Dies ist bei höheren Strompegeln äusserst zweckmässig, weil in diesem Fall grosse Mengen heisser Gase erzeugt werden. Dieses Merkmal weist auch eine gewisse Nützlichkeit in Verbindung mit der Unterbrechung niedriger Ströme auf, bei denen eine gewisse Menge von heissen Gasen erzeugt wird. Im Falle einer Unterbrechung niedriger Ströme ist es zweckmässig, Einrichtungen zur Erzeugung eines negativen Druckbereiches innerhalb des beweglichen Kontaktes 71 vorzusehen, um die Bewegung zumindest einer gewissen Gasmenge von der Lichtbogenzone fort zu ermöglichen. Dies könnte beispielsweise dadurch erreicht werden, dass im wesentlichen der gesamte Innenraum des rohrförmigen Bauteils 71 mit einem leichten Isolierfüllmaterial gefüllt würde, wobei ein relativ kleines Gasvolumen verbleibt, das lediglich ausreicht, um eine vollständige Bewegung des Lichtbogenabreisskontaktes 95 nach rechts gegenüber dem beweglichen Kontakt zu ermöglichen, wenn dieser Kontakt öffnet. Diese begrenzte Bewegung ruft dann einen proportional grossen Anstieg des Volumens links von dem Lichtbogenabreisskontakt 95 bei der Öffnungsbewegung hervor, so dass eine Zone negativen Drucks erzeugt wird, in die eine begrenzte Gasmenge bei Bedingungen einer Unterbrechung niedriger Ströme strömen könnte.

Wie dies weiter oben angegeben wurde, sind der Lichtbogenlaufkontakt 143 und andere Kontaktbauteile vorzugsweise aus einer Chrom-Kupfer-Legierung hergestellt, und zwar vorzugsweise aus einer Chrom-Kupfer-Legierung mit 0,9 Gewichtsprozenten Chrom. Es wurde festgestellt, dass dieses Material gute Eigenschaften bei der Betriebsart mit rotierendem Lichtbogen bei hohen Strömen aufweist, weil die Leitfähigkeit dieses Materials etwa 85% der Leitfähigkeit von elektrolytischem Kupfer beträgt. Erfindungsgemäss wurde weiterhin festgestellt, dass dieses Material bei niedrigen Strömen und hohen Stossausgleichsspannungsfrequenzen fast genausogute Eigenschaften aufweist, wie Kupferwolfram. Es sei daraufhingewiesen, dass Wolframkupfer nicht für den Lichtbogenlaufkontakt verwendet werden kann, weil der Widerstand dieses Materials für einen geeigneten Betrieb bei der Betriebsart mit Lichtbogendrehung zu hoch ist.

Fig. 12 zeigt Testergebnisse eines Schalters der in Fig. 10 gezeigten Art unter Verwendung eines Chrom-Kupfer-Materi-

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ils für den Lichtbogenlaufkontakt 143, wobei dieses Chrom-£upfer-Material 0,9 Gewichtsprozente Chrom enthielt. In -ig. 12 zeigt das schraffierte Band 200 die Begrenzung von :rfolgreichen Betätigungen (im Bereich links des Bandes 200), vobei der Schalter den Chromkupfer-Lichtbogenlaufkontakt 5 ,'erwendet. Zum Vergleich zeigt die gestrichelte Linie 201 die Frenze erfolgreicher Betätigungsvorgänge unter Verwendung :ines Lichtbogenlaufkontaktes aus Elektrolytkupfer. Hilfsun-erbrechungseinrichtungen sind für Unterbrechungen bei liedrigen Strömen und hohen Stossausgleichsspannungsfre- lu juenzen erforderlich, wie dies durch die Begrenzung 201 zu erkennen ist. Die sehr wesentliche Verbesserung zur Begrenzung 200 hin unter Verwendung des neuartigen Lichtbogenaufkontaktes mit einer Chrom-Kupfer-Legierung verringert lie Anforderungen an derartige Hilfsausrüstungen oder 15 :rmöglicht den vollständigen Fortfall dieser Hilfsausrüstung.

Wie weiter oben erwähnt wurde, verhält sich der aus Throm-Kupfer bestehende Lichtbogenlaufkontakt fast so gut wie Kupfer bei der Betriebsart mit rotierendem Lichtbogen and er weist fast gleich gute Eigenschaften wie Wolframkup- 20 'er in der Betriebsart ohne rotierenden Lichtbogen auf. Fig. 13 zeigt die Ergebnisse eines Experimentes, bei dem Kupfer, Wolframkupfer und Chromkupfer bei einem Betrieb mit niedrigen Strömen und hohen Stossausgleichsspannungsfre-quenzen verglichen wurden. Bei der Durchführung des Experimentes wurde ein Kupfer-Lichtbogenlaufkontakt verwendet, der auf einen geschlitzten festen Kontakt aus den verschiedenen Legierungen gerichtet war. Ein Spalt von 50,8 mm wurde zwischen dem Lichtbogenlaufkontakt und dem festen Kontakt hergestellt und eine Spannung mit einem Effektivwert von 15 kV wurde längs des Spaltes angelegt, worauf ein Lichtbogen künstlich eingeleitet wurde. Die Spule in Serie mit dem Lichtbogenlaufkontakt wies Vh Windungen auf.

Anhand der Testergebnisse wurden die Grenzlinien 210, 211 und 212 für Kupfer, Chromkupfer (0,9% Chrom) bzw. Wolframkupfer für den auf den Lichtbogenlaufkontakt gerichteten geschlitzten Kontakt gezeichnet, wobei diese Grenzlinien die Grenze für einen erfolgreichen bzw. nicht erfolgreichen Löschvorgang darstellen. Es ist zu erkennen, dass das Chromkupfermaterial im Betriebsbereich mit niedrigen Strömen und hohen Stossausgleichsspannungsfrequenzen sowie bei der Betriebsart ohne rotierenden Lichtbogen fast so wirksam ist wie das Kupferwolframmaterial. Es ist weiterhin zu erkennen, dass das Chromkupfermaterial im Niedrigstrombereich wesentlich bessere Eigenschaften aufweist als das Kupfermaterial (Grenzlinie 210).

3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

648 152 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Leistungsschalter mit einem feststehenden Schaltstück (49), mit einem beweglichen Schaltstück (48) und mit einem isoliergasgefüllten Gehäuse (26), das das feststehende (49) und das bewegliche Schaltstück (48) umgibt, bei dem das feststehende Schaltstück (49) einen Lichtbogenlaufkontakt (143) und eine elektrische Spule (150) sowie Schaltungsverbin-dungseinrichtungen zum Verbinden der elektrischen Spule (150) in Serie mit dem Lichtbogenlaufkontakt (143) ein-schliesst, der an zumindest einem seiner Teile eine ebene leitende Scheibe mit einer Achse aufweist, die koaxial zur Achse der Spule (150) ist, die benachbart zu einer Oberfläche des Lichtbogenlaufkontaktes (143) und in einer Ebene parallel zur Ebene des Lichtbogenlaufkontaktes (143) angeordnet ist, so dass sie mit dem Lichtbogenlaufkontakt (143) magnetisch eng gekoppelt ist, und bei dem das bewegliche Schaltstück (48) einen zylindrischen Lichtbogenabreisskontakt (95) ein-schliessst, der koaxial zu dem Lichtbogenlaufkontakt (143) angeordnet ist und der in und ausser Kontakt mit derjenigen Oberfläche des Lichtbogenlaufkontaktes (143) bringbar ist, die der genannten Oberfläche gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenlaufkontakt (143) und/ oder der bewegliche Lichtbogenabreisskontakt (95) aus einer Chrom-Kupfer-Legierung besteht.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Chrom-Kupfer-Legierung ungefährt 0,9 Gewichtsprozente Chrom enthält.

Leistungsschalter der vorgenannten Gattung sind beispielsweise aus den US-Patentschriften 4 052 577 und 4 052 576 bekannt.

Bei diesen Leistungsschaltern ist ein ebener leitender Ring vorgesehen, der im folgenden als Lichtbogenlaufkontakt bezeichnet wird und der in einer Ebene senkrecht zur Achse des Leistungsschalters und senkrecht zur Richtung des Lichtbogenstromflusses während der Öffnungsbewegung zum Trennen des Schaltkreises angeordnet ist. Dieser Lichtbogenlaufkontakt ist dann elektrisch in Serie mit einer Spule geschaltet, mit der er sehr eng gekoppelt ist. Ein beweglicher Kontakt ist so ausgebildet, dass er eine kreisringförmige Kontaktberührung und Kontakttrennung mit einer zusammenwirkenden kreisringförmigen Oberfläche des Lichtbogenlaufkontaktes ergibt, die von der Spule fort gerichtet ist. Wenn sich der Kontakt öffnet, wird ein Lichtbogen vom Lichtbogenlaufkontakt zum beweglichen Kontakt gezogen und der Lichtbogenstrom fliesst durch die Spule. Hierdurch wird ein umlaufender Strom in dem Lichtbogenlaufkontakt induziert, der eine Kurzschlusswindung darstellt und sowohl der Lichtbogenlaufkontakt als auch die Spule erzeugen dann ein resultierendes Magnetfeld im Bereich des Lichtbogens.

Die Magnetfeldkomponente des in dem Lichtbogenlaufkontakt umlaufenden Stromes ist gegenüber der Magnetfeldkomponente der Spule phasenverschoben, so dass ein recht erhebliches Feld gerade vor einem Intervall mit einem Stromnulldurchgang vorhanden ist. Die Wirkung des Lichtbogenstromes in dem durch den Lichtbogenlaufkontakt und die Spule erzeugten Magnetfeld ist derart, dass eine Lorentz-Kraft ausgebildet wird, die im Sinne einer Drehung des Lichtbogens um den Lichtbogenlaufkontakt herum wirkt. Diese Drehbewegung des Lichtbogenlaufkontaktes erfolgt durch ein relativ statisches dielektrisches oder isolierendes Gas, das den Lichtbogenraum füllt und dadurch im Sinne einer Entio-nisierung und Abkühlung des Lichtbogens wirkt, so dass der Lichtbogen bei dem ersten Stromnulldurchgang unterbrochen werden kann.

Bei derartigen Leistungstrennschaltern tritt ein Problem beim Zusammentreffen niedriger Ströme (unterhalb von etwa 3000 Ampere) mit hohen Stossausgleichsspannungsfrequen-zen von ungefähr 20 kHz auf. Daher wird in diesem Niedrigstrombereich der Lichtbogen direkt geradlinig unterbrochen und nicht während einer Drehung. Übliche lichtbogenbeständige Materialien, wie z.B. Kupfer-Wolfram-Legierungen weisen gute Eigenschaften bei der Unterbrechung des Lichtbogens ohne Drehung auf, doch arbeiten sie nicht gut in der Betriebsart mit rotierendem Lichtbogen. Übliches Elektrolytkupfer weist gute Eigenschaften bei der Unterbrechung bei rotierendem Lichtbogen auf, doch ergeben sich schlechte Betriebseigenschaften, wenn keine Rotation des Lichtbogens und damit eine geradlinige Unterbrechung auftritt. Daher war es bisher erforderlich, Hilfseinrichtungen, wie z.B. eine Blasunterstützung vorzusehen, damit elektrolytisches Kupfermaterial bei der Betriebsart mit rotierendem Lichtbogen verwendet werden kann und der Leistungsschalter gleichzeitig eine Abschaltung bei niedrigen Strömen und hohen Slossaus-gleichsspannungsfrequenzen ermöglicht.