DE10027198A1 - Vakkumschalter mit windmühlenradförmigen Elektroden - Google Patents
Vakkumschalter mit windmühlenradförmigen ElektrodenInfo
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Abstract
Es wird ein Vakuumschalter angegeben, der ein Paar von windmühlenradförmigen Elektroden (1) innerhalb eines Vakuumrohres (21) aufweist, die windmühlenradförmige Bereiche (4) und Kontaktbereiche (3) besitzen. Die windmühlenradförmigen Elektroden (1) sind jeweils so angeordnet, daß eine Komponente des Magnetflusses, die parallel zu einer Kontaktoberfläche liegt und als Lichtbogenantriebskraft bezüglich eines Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient, die mit dem Kontaktbereich des Schenkelbereiches des Lichtbogens in Kontakt steht, eine Magnetflußdichte besitzt, die größer oder gleich 0,01 Tesla bezüglich einer elektrischen Stromstärke von 1 kA an jeder Stelle auf der Kontaktoberfläche ist. Das Verhältnis des Innendurchmesers (Di) des Kontaktbereiches (3) zu dem Außendurchmesser (D) der windmühlenradförmigen Elektroden (1) kann größer oder gleich 0,4 sein. Die Differenz (h) der Dicke zwischen den windmühlenradförmigen Bereichen (4) und den Kontaktbereichen (3) kann kleiner oder gleich 5 mm sein; jede der windmühlenradförmigen Elektroden (1) kann mit einer jeweiligen Elektrodenstange eines Paares von Elektrodenstangen (6) verbunden sein. Das Verhältnis des Durchmessers (d) des Verbindungsbereiches (7) der Elektrodenstange (6) zum Innendurchmesser (Di) des Kontaktbereiches (3) kann kleiner oder gleich 0,6 sein. Die windmühlenradförmigen Elektroden (1) bestehen aus einem Cu-Cr-Material, das 20 bis 60 Gewichtsprozent Cr enthält.
Description
Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit darin angeord
neten windmühlenradförmigen Elektroden.
Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung des Gesamt
aufbaus eines Vakuumschalters, der ein Paar von Kontakten auf
weist, die hermetisch dicht abgeschlossen in einem Vakuumbe
hälter mit Hochvakuum angeordnet sind. An einem Isolierzylin
der 21 sind an den gegenüberliegenden Enden stirnseitige Plat
ten 22a und 22b angebracht, um einen Vakuumbehälter 23 zu bil
den, in dessen Innenraum ein Hochvakuum ausgebildet ist.
Innerhalb des Vakuumbehälters 23 sind einander gegenüberlie
gend eine stationäre Elektrode 1a und eine bewegliche Elek
trode 1b angeordnet. Die stationäre Elektrode 1a ist an der
Spitze einer stationären Elektrodenstange 24a befestigt, die
sich durch eine stirnseitige Platte 22a erstreckt, während die
bewegliche Elektrode 1b an der Spitze einer beweglichen Elek
trodenstange 24b befestigt ist, die sich durch die ander
stirnseitige Platte 22b erstreckt.
Ein Federbalg 25 ist um die bewegliche Elektrodenstange 24b
und die stirnseitige Platte 22b herum angeordnet. Der Feder
balg 25 ermöglicht es der beweglichen Elektrodenstange 24b,
die mit einer nicht dargestellten Betätigungseinrichtung ver
bunden ist, daß sie angetrieben werden kann, um die bewegliche
Elektrodenstange 24b in axialer Richtung zu bewegen.
Diese Bewegung der beweglichen Elektrodenstange 24b bewirkt,
daß die Elektrode 1a auf der stationären Seite und die Elek
trode 1b auf der beweglichen Seite in und außer elektrischen
Kontakt miteinander gebracht werden können.
Um zu verhindern, daß Metalldampf, der von dem Lichtbogen ver
teilt wird, welcher zwischen den Elektroden 1a und 1b erzeugt
wird, sich auf der Innenwandoberfläche des Vakuumbehälters 23
abscheidet, ist eine Abschirmung 26 an der Innenwandoberfläche
des Isolierzylinders 21 mit einem Abschirmungsträger 27 ange
bracht.
Die Elektroden 1a und 1b eines derartigen Vakuumschalters ha
ben die gleiche Konfiguration und sind von einem windmühlen
radförmigen Typ mit Nuten, die in der Elektrode ausgebildet
sind. Durch das Vorsehen dieser Nuten ist die elektrische Bahn
in der Elektrode begrenzt, um einen elektrischen Pfad mit
einer hin- und hergehenden schleifenförmigen Gestalt zu bil
den, der sich in Umfangsrichtung erstreckt.
Dadurch wird der Lichtbogen von einem Magnetfeld angetrieben
und bewegt sich längs des Umfanges der Elektrode. Somit wird
der Lichtbogen daran gehindert, daß er an einer Stelle bleibt,
so daß man ein lokales Schmelzen der Elektrode vermeidet. Da
durch wird das Leistungsvermögen bei der Stromunterbrechung
verbessert.
Um eine starke magnetische Antriebskraft zu erhalten, unmit
telbar nach dem die Lichtbogenerzeugung erfolgt ist, wird eine
Struktur verwendet, bei der die Lichtbogenlauffläche und die
Kontaktfläche einander entsprechend ausgebildet sind.
Die Fig. 13 bis 16 zeigen den Aufbau einer windmühlenrad
förmigen Elektrode eines herkömmlichen Vakuumschalterrohres,
wie es beispielsweise in der JP-OS-4-368734 angegeben ist. Da
bei zeigen die Fig. 13 und 15 Draufsichten, während die
Fig. 14 und 16 Seitenansichten zeigen.
Gemäß diesen Fig. 13 bis 16 sind in der Elektrodenstange
24, also der stationären Elektrodenstange 24a oder der beweg
lichen Elektrodenstange 24b windmühlenradförmige Elektroden 1
ausgebildet, nämlich die Elektrode 1a auf der stationären
Seite oder die Elektrode 1b auf der beweglichen Seite.
Die windmühlenradförmige Elektrode 1 besteht integral aus
einer Hilfselektrode 31 und einer ringförmigen Elektrode 32.
Die Hilfselektrode 31 weist folgendes auf: einen mittleren Be
reich 33, der an einem Endbereich der Elektrode 24 angebracht
ist, eine Vielzahl von Armen 34, die an dem mittleren Bereich
33 in einer windmühlenradartigen Weise oder nach Art eines
Buddhistenkreuzes angeordnet sind und sich in einem Bogen von
dem mittleren Bereich 33 zu dem äußeren Umfangsbereich hin er
strecken; und einen Verbindungsbereich 35, der an den jeweili
gen Enden oder Spitzen der Vielzahl von Armen 34 ausgebildet
ist.
Die ringförmige Elektrode 32 hat eine anulusförmige Gestalt,
wobei ihre Breite im wesentlichen gleich der Breite der Arme
34 der Hilfselektrode 31 ist und wobei die ringförmige Elek
trode 32 mit den Verbindungsbereichen 35 verbunden ist.
Wenn bei einer derartigen Anordnung die windmühlenradförmigen
Elektroden 1, also die Elektrode 1a auf der stationären Seite
und die Elektrode 1b auf der beweglichen Seite voneinander ge
trennt werden, dann wird ein elektrischer Lichtbogen an der
Kontaktfläche der ringförmigen Elektrode 32 erzeugt.
Wenn der Lichtbogen an der Stelle A in Fig. 15 und 16 erzeugt
wird, dann fließt beispielsweise ein elektrischer Strom I1
durch die Arme 34 der Hilfselektrode 31 und erzeugt eine ma
gnetische Antriebskraft F in der Umfangsrichtung der ringför
migen Elektrode 32, so daß der Lichtbogen angetrieben wird, um
entlang dem Außenumfang der ringförmigen Elektrode 32 zu ro
tieren.
Wenn ferner der Lichtbogen an einer Stelle erzeugt wird, die
nicht auf den Verbindungsbereichen 34 liegt, beispielsweise an
der Stelle E in den Fig. 16 und 17, dann wird beispiels
weise auch eine magnetische Antriebskraft in der Umfangsrich
tung der ringförmigen Elektrode 32 erzeugt, und zwar von einem
elektrischen Strom I2, der von den Armen 34 der Hilfselektrode
31 in die ringförmige Elektrode 32 fließt. Somit wird der
Lichtbogen längs der ringförmigen Elektrode 32 zum Rotieren
gebracht.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, wird bei
der herkömmlichen windmühlenradförmigen Elektrode 1 ein Licht
bogen an der ringförmigen Elektrode 32 erzeugt, und der Licht
bogen wird unmittelbar nach der Lichtbogenerzeugung magnetisch
angetrieben. Infolgedessen steigen die lokalen Temperaturen an
den windmühlenradförmigen Elektroden 1 aufgrund der Tatsache,
daß der Lichtbogen an dieser Stelle bleibt, bevor er nach der
Lichtbogenerzeugung magnetisch angetrieben wird, um dadurch
das Unterbrechungs-Leistungsvermögen zu verbessern.
Bei der windmühlenradförmigen Elektrode 1 des oben beschriebe
nen herkömmlichen Vakuumschalterrohres tritt folgende Situa
tion auf: wenn ein elektrischer Lichtbogen beispielsweise an
einer Stelle E1 in Fig. 17 erzeugt wird, also zwischen den be
nachbarten Verbindungsbereichen 35, fließt zusätzlich zu dem
Strom I2, der durch die Arme 34a in den Bogen fließt, ein
elektrischer Strom I3 aus dem Arm 34b.
Dieser Strom I3 erzeugt eine Kraft F3 in der Richtung, die
eine Rotation des Lichtbogens verhindert, so daß die Zeit von
der Lichtbogenerzeugung bis zu der Entstehung des magnetischen
Antriebs des Lichtbogens nicht klein gemacht werden kann, so
daß das Stromunterbrechungsvermögen nicht verbessert werden
kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Vakuum
schalter anzugeben, bei dem die oben erörterten Probleme des
herkömmlichen Vakuumschalters nicht auftreten. Aufgabe der Er
findung ist es daher, einen Vakuumschalter anzugeben, bei dem
ein elektrischer Lichtbogen unmittelbar nach der Erzeugung des
Lichtbogens in starkem Maße magnetisch angetrieben werden
kann, und zwar unabhängig von der Position auf der Kontaktflä
che zwischen der Elektrode auf der stationären Seite und der
Elektrode auf der beweglichen Seite, an der der Lichtbogen er
zeugt wird, so daß das Unterbrechungs-Leistungsvermögen in ho
hem Maße verbessert wird.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe in zufriedenstellender
und vorteilhafter Weise gelöst.
Gemäß der Erfindung wird ein Vakuumschalter angegeben, der
folgendes aufweist: ein Paar von windmühlenradförmigen Elek
troden, die in einem Vakuumrohr angeordnet sind und in denen
jeweils eine Vielzahl von spiralförmigen Nuten ausgebildet
sind, die sich von einem mittleren Bereich zu einem Umfangsbe
reich erstrecken, und die windmühlenradförmige Bereiche, die
voneinander durch die Nuten getrennt sind, sowie eine Vielzahl
von Kontaktbereichen aufweisen, die von den Nuten getrennt
sind und die eine Dicke aufweisen, die größer als die des
windmühlenradförmigen Bereiches ist.
Die windmühlenradförmigen Elektroden sind dabei derart ange
ordnet, daß die Kontaktbereiche in Kontakt miteinander ge
bracht werden, wenn das Paar von windmühlenradförmigen Elek
troden geschlossen wird. Ein elektrischer Lichtbogen wird auf
den Kontaktbereichen erzeugt, wenn das Paar von windmühlenrad
förmigen Elektroden voneinander getrennt wird. Ein magneti
scher Fluß wird von einem elektrischen Strom erzeugt, der aus
dem windmühlenradförmigen Bereich in den elektrischen Lichtbo
gen fließt.
Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß eine Komponente des
Magnetflusses, die parallel zu einer Kontaktfläche verläuft
und die als Lichtbogenantriebskraft bezüglich eines Bereiches
von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient, die mit dem Kon
taktbereich des Schenkelbereiches des Bogens in Kontakt steht,
eine Magnetflußdichte besitzt, die größer oder gleich 0,01
Tesla bezüglich einer elektrischen Stromstärke von 1 kA ist.
Das Verhältnis des Innendurchmessers Di des Kontaktbereiches
zu dem Außendurchmesser D der windmühlenradförmigen Elektroden
kann zweckmäßigerweise größer oder gleich 0,4 sein.
Die Differenz zwischen der Dicke der windmühlenradförmigen Be
reiche und der Dicke der Kontaktbereiche kann zweckmäßiger
weise kleiner oder gleich 5 mm sein.
Jede von den windmühlenradförmigen Elektroden kann mit der je
weiligen Elektrodenstange von dem Paar von Elektrodenstangen
verbunden sein, wobei das Verhältnis des Durchmessers d des
Verbindungsbereiches der Elektrodenstange zu dem Innendurch
messer Di des Kontaktbereiches zweckmäßigerweise kleiner oder
gleich 0,6 sein kann. Die windmühlenradförmigen Elektroden
können zweckmäßigerweise aus einem Cu-Cr-Material bestehen,
das 20 bis 60 Gewichtsprozent Cr enthält.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh
rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der
Struktur einer windmühlenradförmigen Elektrode des
erfindungsgemäßen Vakuumschalters;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Struktur der windmühlenrad
förmigen Elektrode des erfindungsgemäßen Vakuum
schalters;
Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Line A-A' in Fig. 2;
Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu
sammenhanges zwischen der erzeugten Magnetflußdichte
B und der Zeit t, zu der der Lichtbogen eine Rota
tion mit hoher Geschwindigkeit einleitet;
Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu
sammenhanges zwischen der erzeugten Magnetflußdichte
B und dem Stromunterbrechungsvermögen Ip;
Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu
sammenhanges zwischen dem Wert von Di/D
(Di = Innendurchmesser des Kontaktbereiches,
D = Außendurchmesser der Elektrode) und dem Strom
unterbrechungsvermögen Ip;
Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu
sammenhanges zwischen der Differenz h zwischen der
Dicke des Kontaktbereiches und der Dicke des wind
mühlenradförmigen Bereiches (vorstehende Höhe des
Kontaktbereiches) und dem Stromunterbrechungsvermö
gen Ip;
Fig. 8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zu
sammenhanges zwischen dem Wert d/Di
(d = Durchmesser des Verbindungsloches,
Di = Innendurchmesser des Kontaktbereiches) und dem
Stromunterbrechungsvermögen Ip;
Fig. 9 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Struktur
einer windmühlenradförmigen Elektrode eines Vakuum
schalters gemäß einer anderen Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 10 eine Draufsicht zur Erläuterung des Aufbaus einer
windmühlenradförmigen Elektrode eines Vakuumschal
ters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin
dung;
Fig. 11 eine Schnittansicht längs der Linie A-A' in Fig. 10;
Fig. 12 eine Darstellung zur Erläuterung des Gesamtaufbaus
eines Vakuumschalters;
Fig. 13 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des
Aufbaus einer windmühlenradförmigen Elektrode bei
einem herkömmlichen Vakuumschalter;
Fig. 14 eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung des
Aufbaus einer windmühlenradförmigen Elektrode bei
einem herkömmlichen Vakuumschalter;
Fig. 16 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung der
Wirkungsweise der windmühlenradförmigen Elektrode
des herkömmlichen Vakuumschalters;
Fig. 17 eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung der
Probleme bei einer windmühlenradförmigen Elektrode
eines herkömmlichen Vakuumschalters; und in
Fig. 18 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Ab
hängigkeit der Magnetflußdichte von dem Abstand von
der Elektrodenoberfläche.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung
des Aufbaus einer windmühlenradförmigen Elektrode eines Vaku
umschalters gemäß der Erfindung; Fig. 2 zeigt eine Draufsicht
davon, und Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht längs der Linie
A-A' in Fig. 2.
In diesen Figuren der Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen
6 eine Elektrodenstange aus Kupfer auf der stationären Seite
oder auf der beweglichen Seite, und an der Elektrodenstange 6
ist eine windmühlenradförmige Elektrode befestigt, die nach
stehend einfach als Elektrode 1 bezeichnet ist.
Die Elektrode 1 ist ein flaches scheibenförmiges Teil mit
einem kreisförmigen Verbindungsloch 7, das sich durch ihren
mittleren Bereich erstreckt, wobei die Elektrode 1 an der
Elektrodenstange 6 in der Weise befestigt ist, daß der Spit
zenbereich oder Endbereich 6a mit reduziertem Durchmesser der
Elektrodenstange 6 in das Verbindungsloch 7 eingesetzt ist.
Ein elektrischer Strom wird von außen in die Elektrode 1 in
nerhalb des Vakuumbehälters (nicht dargestellt) durch die
Elektrodenstange 6 eingeleitet.
Die Elektrode 1 besteht aus einem Kontaktmaterial, nämlich
einem Cu-Cr-Material, das 20 bis 60 Gewichtsprozent Cr ent
hält. Das Kontaktmaterial in Form eines Cu-Cr-Materials, das
20 bis 60 Gewichstprozent Cr enthält, ist in seinem Strom
unterbrechungsvermögen herausragend und überlegen, und die
Verbesserungen des Stromunterbrechungsvermögens durch Verwen
dung dieses Materials sind beabsichtigt.
In der Elektrode 1 sind vier im wesentlichen spiralförmige
Schlitze 2 ausgebildet, die sich von ihrem mittleren Bereich
zu dem Umfangsbereich erstrecken und von ihrer vorderen Ober
fläche zu ihrer rückseitigen Oberfläche verlaufen. Es darf
darauf hingewiesen werden, daß die Anzahl der Schlitze nicht
auf vier begrenzt ist und daß auch eine andere größere Anzahl
von Schlitzen verwendet werden kann, solange die Flußdichte
die geforderte Bedingung erfüllt.
Die Elektrode 1 weist vier Kontaktbereiche 3 auf, die sich an
dem Peripheriebereich in Umfangsrichtung befinden und von den
Nuten 2 voneinander getrennt sind und eine große Dicke besit
zen; ferner weist die Elektrode 1 einen zentral angeordneten
Windmühlenradbereich 4 auf, der von den Nuten 2 in vier Berei
che geteilt ist und eine geringe Dicke besitzt. Die Anordnung
ist so getroffen, daß dann, wenn die Elektrodenstange 6 auf
der stationären Seite und die Elektrodenstange 6 auf der be
weglichen Seite dicht zueinander gebracht werden, ihre Kon
taktbereiche 3 in Kontakt miteinander gebracht werden.
Auf der rückseitigen Oberfläche der Elektrode 1 ist eine Ver
stärkungsplatte 5 aus rostfreiem Stahl vorgesehen, um die
Elektrode 1 mechanisch zu verstärken. Ferner ist ein Abstands
halter 8 aus rostfreiem Stahl zwischen dem Schulterbereich der
Elektrodenstange 6 und der Verstärkungsplatte 5 eingesetzt,
und die Elektrodenstange 6, die Verstärkungsplatte 5 und der
Abstandshalter 8 sind in einer integralen Struktur durch Hart
löten aneinander befestigt.
Der Abstandshalter 8 ist vorgesehen, um dem Verbindungsbereich
der Elektrode 1 und der Elektrodenstange 6 Festigkeit zu ver
leihen und besteht aus rostfreiem Stahl mit einem elektrischen
Widerstand, der größer als der der Elektrodenstange 6 ist, die
aus Kupfer besteht, um den Stromfluß innerhalb des Durchmes
sers des Verbindungsbereiches, also des Verbindungsloches 7 zu
begrenzen.
In Fig. 3 ist der Außendurchmesser der Elektrode 1 mit D be
zeichnet, der Innendurchmesser des Kontaktbereiches 3 ist
mit Di bezeichnet, die Höhe der Elektrode 1 ist mit H bezeich
net, die Differenz hinsichtlich der Dicke von dem Verbindungs
bereich 3 und dem windmühlenradförmigen Bereich 4, also der
Vorsprungshöhe des Kontaktbereiches 3, ist mit h bezeichnet,
und der Durchmesser des Verbindungsloches 7 ist mit d bezeich
net.
Wenn der Vakuumschalter geschlossen ist, dann stehen der Kon
taktbereich 3 der Elektrode 1 auf der stationären Seite und
der Kontaktbereich 3 der Elektrode 1 auf der beweglichen Seite
in Kontakt miteinander; wenn der Strom unterbrochen werden
soll, dann werden die Kontaktbereiche 3 der Elektroden 1 von
einander getrennt, so daß ein elektrischer Lichtbogen zwischen
den jeweiligen Kontaktbereichen 3 erzeugt wird. Dieser Licht
bogen kann an jeder Stelle auf den Kontaktbereichen 3 erzeugt
werden; Fig. 2 zeigt ein Beispiel, wo zwei Lichtbogen 9 und 9'
an zwei Stellen erzeugt werden.
Der elektrische Strom I1, der durch die Elektrode 6 fließt,
fließt in die Elektrode 1 durch den Spitzenbereich oder Endbe
reich 6a, der in das Verbindungsloch 7 eingesetzt ist, und
fließt in den Lichtbogen 9 auf dem Kontaktbereich 3 durch den
windmühlenradförmigen Bereich 4, welcher dem Kontaktbereich
entspricht, auf welchem der Lichtbogen sitzt.
Der Stromfluß ist als Strom I2 in Fig. 2 dargestellt. Der
Lichtbogen 9 ist einer Antriebskraft in der radialen Richtung
ausgesetzt, und zwar aufgrund der radialen Komponente des
Stromes I2, und der Lichtbogen 9 ist einer Antriebskraft in
der Umfangsrichtung ausgesetzt, und zwar wegen der Umfangs
richtungskomponente des Stromes I2.
Infolgedessen wird beispielsweise der Lichtbogen 9 zu der
Stelle des Lichtbogens 9' bewegt, und der Lichtbogen 9' wird
zu dem nächsten Kontaktbereich 3 im Uhrzeigersinn gemäß Fig. 2
bewegt. Daher wirkt die Antriebskraft auf den Lichtbogen so
fort nachdem er auf dem Kontaktbereich 3 erzeugt worden ist,
um die Rotation des Lichtbogens einzuleiten, und diese Rota
tion des Lichtbogens dauert an, während der Lichtbogen auf
rechterhalten bleibt.
Es wurde eine Vielzahl von Elektroden 1 hergestellt, die ver
schiedene Dimensionen für die Werte von D, Di, H, h und d be
sitzen, und es wurde die Zeit t gemessen, die benötigt wird,
damit bei dem erzeugten Lichtbogen die Hochgeschwindigkeitsro
tation eingeleitet wird; ferner wurde das Stromunterbrechungs
vermögen gemessen, und es wurde die Magnetflußdichte des ma
gnetischen Flusses berechnet, die von den Elektroden 1 erzeugt
wird.
Die Berechnung des Magnetflusses wurde unter Verwendung der
dreidimensionalen Stromanalyse-Software Eddy-TM von Pho
ton Co. Ltd. durchgeführt. Es darf darauf hingewiesen werden,
daß die Magnetflußdichte erhalten wurde als Komponente paral
lel zu der Kontaktfläche des Magnetflusses, die als Lichtbo
genantriebskraft bezüglich des Bereiches von 0,5 mm von der
Kontaktoberfläche der Elektrode dient, auf der der Lichtbogen
schenkelbereich außerhalb des Magnetflusses bleibt, der als
Antriebskraft im Hinblick auf den Lichtbogen dient, der von
einem Strom erzeugt wird, der durch den windmühlenradförmigen
Bereich von einer der Elektroden fließt.
Dabei wurde eine Leitfähigkeit von 5,0 × 107 Ohm-1 m-1 verwen
det. Als Ergebnis der Berechnung wurde bestimmt, daß die Ma
gnetflußdichte variiert, und zwar in Abhängigkeit von der Po
sition auf der Kontaktoberfläche, und daß sie am niedrigsten
an der Stelle ist, die dem Elektrodenzentrum am nächsten
liegt, also der Position 9 in Fig. 2, und daß sie am höchsten
an dem Endbereich ist, also der Position 9' in Fig. 2. Die An
triebseigenschaften des Lichtbogens wurden mit einer Hochge
schwindigkeitskamera untersucht.
Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Magnetflußdichte B
bei einem Strom von 1 kA, der in dem Schenkelbereich des
Lichtbogens 9 von dem Strom I1 und dem Strom I2 erzeugt wird
und als Lichtbogenantriebskraft bezüglich des Bereiches von
0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient.
Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Magnetflußdichte
hier ein Wert ist, der von dem Strom erzeugt wird, der durch
die Elektrode fließt, mit der der Schenkelbereich des zu mes
senden Lichtbogens in Kontakt gebracht wird, und die Zeit ist
die oben erläuterte Zeit t. Fig. 5 zeigt hierbei den Zusammen
hang zwischend der Magnetflußdichte B und dem Stromunterbre
chungsvermögen Ip.
Wie von dem japanischen Institute of Electic Engineering, Ge
neral Conference, 1998, 1501 angegeben worden ist, beginnt bei
der windmühlenförmigen Elektrode der elektrische Lichtbogen
sich langsam innerhalb von 1 ms nach dem Zünden an dem Kon
taktbereich zu bewegen (Stagnationsmodus) und wird rasch be
schleunigt (Beschleunigungsmodus) und dann mit hoher Geschwin
digkeit gedreht, während Metalldampf emittiert wird
(Hochgeschwindigkeitsmodus). Es ist auch bekannt, daß das Un
terbrechungsvermögen sehr stark von der Zeit abhängt, bis der
Eintritt in den Hochgeschwindigkeitsmodus erfolgt.
Aus den Fig. 4 und 5 läßt sich entnehmen, daß durch Verwen
dung der Position, an welcher die erzeugte Magnetflußdichte
pro 1 kA Stromstärke größer oder gleich 0,01 Tesla (100 Gauss)
am Kontaktbereich 3 ist, an welchem der Lichtbogen erzeugt
wird, die oben erwähnte Zeit t deutlich verkürzt werden kann
und dementsprechend das Stromunterbrechungsvermögen Ip größer
wird.
Wie bereits erläutert, ist gemäß der Erfindung die Anordnung
so getroffen, daß der Lichtbogen an dem Kontaktbereich 3 er
zeugt wird und die Magnetflußdichte des Magnetflusses, der
dazu beiträgt, den Schenkelbereich des Lichtbogens anzutreiben
(0,5 mm Bereich von der Kontaktoberfläche), größer oder gleich
0,01 Tesla pro 1 kA Stromstärke ist, so daß die Zeit, die der
Lichtbogen von seiner Erzeugung bis zur Einleitung der Hochge
schwindigkeitsdrehung benötigt, verkürzt werden kann und ein
hohes Stromunterbrechungsvermögen erzielt werden kann.
Ferner sind die Nuten 2 so ausgebildet, daß sie sich zu dem
äußeren Umfangsbereich der Elektrode 1 erstrecken, so daß kein
eintretender Strom von dem benachbarten Kontaktbereich vorhan
den ist und die Lichtbogenantriebskraft nicht verringert wird.
Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Magnetflußdichte,
die als Lichtbogenantriebskraft dient, größer ist an einer Po
sition, die näher bei der Elektrodenoberfläche liegt, und
kleiner ist an einer Position, die weniger nahe bei der Ober
fläche ist. Fig. 18 zeigt, wie die Magnetflußdichte, die an
der Position, die dem Elektrodenzentrum am nächsten liegt, von
dem durch eine der gegenüberliegenden Elektroden fließenden
Strom erzeugt wird, von dem vertikalen Abstand von der Elek
trodenoberfläche abhängt.
Daher ist die Flußdichte, die auf den Lichtbogen wirkt, wenn
die stationäre Elektrode und die bewegliche Elektrode in eine
gegenüberliegende Relation gebracht werden, größer als die Ma
gnetflußdichte von einer der Elektroden, und das Flußdichten-
Verteilungsprofil an dem Spalt zwischen den Elektroden ver
läuft konvex nach unten, wobei sich der kleinste Wert im Zen
trum des Spaltes befindet.
Da weiterhin die Spaltlänge zwischen der stationären Elektrode
und der beweglichen Elektrode sich während der Unterbrechung
mit dem Zeitablauf ändert, ändert sich auch die Magnetfluß
dichte, die an dem Schenkelbereich des Lichtbogens von dem
Strom erzeugt wird, der durch die beiden Elektroden fließt,
ebenfalls in Abhängigkeit von der Zeit.
Gemäß der Erfindung ist der Beitrag der Elektrode, mit der der
Lichtbogenschenkel in Kontakt gebracht wird, mit 0,01 Tesla
oder mehr pro 1 kA Stromstärke definiert, so daß eine klare
Definition der erforderlichen Magneflußdichte gegeben ist. So
mit kann unabhängig davon, wo der Lichtbogen auf der Kon
taktoberfläche erzeugt wird, die Funktion eines starken An
treibens des Lichtbogens unmittelbar nach dem Zünden erzielt
und eine Verkürzung der Lichtbogenstagnationszeitdauer er
reicht werden.
Es folgt nun eine Beschreibung der verschiedenen Dimensionen
der Elektrode 1, um ein gutes Stromunterbrechungsvermögen zu
erzielen, und zwar im Hinblick auf die Parameter D, Di, h
und d. Zunächst erfolgt die Betrachtung der Konstellation
Di ≧ 0,4 D. Fig. 6 zeigt einen Graphen zur Erläuterung des Zu
sammenhanges zwischen Di/D und dem Stromunterbrechungsvermögen
Ip, erhalten bei Experimenten mit einer Vielzahl von Elektro
den 1 mit zahlreichen verschiedenen Dimensionen.
Aus dem Graphen ergibt sich, daß dann, wenn man Di/D größer
oder gleich 0,4 macht, also Di ≧ 0,4 D gilt, das Stromunter
brechungsvermögen signifikant verbessert wird. Wenn diese Be
dingung erfüllt ist, dann ist die Magnetflußdichte des Magnet
flusses, der zum Antreiben des Lichtbogenschenkelbereiches
beiträgt (der 0,5 mm Bereich von der Kontaktoberfläche) größer
oder gleich 0,01 Tesla pro 1 kA Stromstärke.
Ferner ist h kleiner oder gleich 5 mm. Fig. 7 zeigt einen Gra
phen zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen h und dem
Stromunterbrechungsvermögen Ip, erhalten aus Testergebnissen
mit der vorstehend beschriebenen Vielzahl von Elektroden 1,
die zahlreiche unterschiedliche Dimensionen besitzen.
Man erkennt, daß durch Vorgeben von h mit einem Wert von 5 mm
oder weniger das Stromunterbrechungsvermögen signifikant ver
bessert wird. Auch wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann ist
die Magnetflußdichte des Magnetflusses, der zu dem Antreiben
des Lichtbogenschenkelbereiches beiträgt (der 0,5 mm Bereich
von der Kontaktoberfläche), größer oder gleich 0,1 Tesla pro
1 kA Stromstärke.
Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung des Aufbaus
der windmühlenradförmigen Elektrode des Vakuumschalters gemäß
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 9 sind
die Komponenten, welche die gleichen Bezugszeichen wie dieje
nigen in Fig. 3 tragen, identisch oder ähnlich zueinander.
Bei dieser zweiten Ausführungsform hat die Elektrode 1 kein
darin vorgesehenes Verbindungsloch, und der Spitzenbereich
oder Endbereich der Elektrodenstange 6, bei dem der Durchmes
ser reduziert ist, wird als Verbindungsbereich 10 verwendet,
der direkt an der Elektrode 1 oder deren Verstärkungsplatte 5
befestigt ist. Der Durchmesser d des Verbindungsbereiches 10
erfüllt die Bedingung, daß das Verhältnis von d zu Di kleiner
oder gleich 0,6 ist.
Andere Konfigurationen der Elektrode 1, wie z. B. die Gestalt
der Nuten 2, der Kontaktbereich 3 und der Windmühlenradberei
che 4 sind ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform; die
Kontaktbereiche 3 stehen vor, so daß eine Komponente des Ma
gnetflusses, der parallel zu der Kontaktoberfläche verläuft
und als Lichtbogenantriebskraft bezüglich des Bereiches von
0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient, die mit dem Kontaktbe
reich des Schenkelbereiches des Lichtbogens in Kontakt steht,
eine Magnetflußdichte hat, die größer oder gleich 0,01 Tesla
bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA ist.
Bei der zweiten Ausführungsform besteht kein Erfordernis, das
Verbindungsloch 7 und den Abstandshalter 8 gemäß der ersten
Ausführungsform zu bearbeiten und zu formen. Ferner ist die
Magnetflußdichte, die bei der zweiten Ausführungsform erzeugt
wird, im wesentlichen auf dem gleichen Pegel wie bei der er
sten Ausführungsform, bei der das Verbindungsloch 7 vorgesehen
ist, so daß ein ausreichendes Stromunterbrechungsvermögen ähn
lich wie bei der ersten Ausführungsform gewährleistet werden
kann. Somit kann bei der zweiten Ausführungsform die Herstel
lung der Elektrode in vorteilhafter Weise vereinfacht und zur
gleichen Zeit ein hohes Stromunterbrechungsvermögen in vor
teilhafter Weise erreicht werden.
Fig. 10 zeigt eine Draufsicht zur Erläuterung des Aufbaus der
windmühlenradförmigen Elektrode des Vakuumschalters gemäß
einer dritten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 11 zeigt
eine Schnittansicht längs der Line A-A' in Fig. 10. In Fig. 10
und 11 sind diejenigen Komponenten, welche die gleichen Be
zugszeichen wie diejenigen in Fig. 3 tragen, identisch oder
einander ähnlich. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch eine
Anzahl von 6 spiralförmigen Nuten 2 vorgesehen.
Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Kontaktbereiche 3
und die Windmühlenradbereiche 4 der Elektrode 1 die gleiche
Basiskonfiguration wie bei der ersten Ausführungsform haben,
mit der Ausnahme, daß die Anzahl von Sektionen oder geteilten
Bereichen sechs beträgt. Die Kontaktbereiche 3 stehen derart
vor, daß eine Komponente des Magnetflusses, die parallel zu
der Kontaktoberfläche verläuft und die als Lichtbogenantriebs
kraft bezüglich des Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktober
fläche dient, die mit dem Kontaktbereich des Schenkelbereiches
des Lichtbogens in Kontakt steht, eine Magnetflußdichte be
sitzt, die größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine
elektrische Stromstärke von 1 kA ist.
Wenn die Anordnung so getroffen ist, daß ein Lichtbogen an den
Kontaktbereichen 3 erzeugt wird und daß die Magnetflußdichte,
die zum Antreiben des Schenkelbereiches des Lichtbogens bei
trägt, größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektri
sche Stromstärke von 1 kA ist, dann kann die Zeit zwischen der
Lichtbogenerzeugung und der Einleitung der Rotation unabhängig
von der Anzahl von spiralförmigen Nuten verkürzt werden, so
daß dadurch ein hohes Stromunterbrechungsvermögen gewährlei
stet wird.
Wie vorstehend erläutert, weist der Vakuumschalter gemäß der
Erfindung folgendes auf: ein Paar von windmühlenförmigen Elek
troden, die in einem Vakuumrohr angeordnet sind und die je
weils eine darin ausgebildete Vielzahl von spiralförmigen Nu
ten besitzen, die sich von einem zentralen Bereich zu einem
Umfangsbereich erstrecken, und die windmühlenradförmige Berei
che, die voneinander durch die Nuten getrennt sind, sowie eine
Vielzahl von Kontaktbereichen aufweisen, die durch die Nuten
voneinander getrennt sind und die eine größere Dicke haben als
die windmühlenradförmigen Bereiche.
Die windmühlenradförmigen Elektroden sind so angeordnet, daß
die Kontaktbereiche in Kontakt miteinander gebracht werden,
wenn das Paar von windmühlenförmigen Elektroden geschlossen
ist; ein elektrischer Lichtbogen wird auf den Kontaktbereichen
erzeugt, wenn das Paar von windmühlenförmigen Elektroden von
einander getrennt wird, und ein Magnetfluß wird erzeugt von
einem elektrischen Strom, der von dem windmühlenförmigen Be
reich in den elektrischen Lichtbogen fließt.
Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß eine Komponente des
Magnetflusses, die parallel zu einer Kontaktfläche verläuft
und als Lichtbogenantriebskraft dient bezüglich eines Berei
ches von 0,5 mm von der Kontaktfläche, die mit dem Kontaktbe
reich des Schenkelbereiches des Lichtbogens in Kontakt steht,
eine Magnetflußdichte besitzt, die größer oder gleich
0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA
ist.
Daher kann die Zeit zwischen der Lichtbogenerzeugung und der
Einleitung der Rotation verkürzt werden, und zwar unabhängig
von der Anzahl von spiralförmigen Nuten 2, so daß ein hohes
Stromunterbrechungsvermögen erreicht werden kann.
Das Verhältnis von dem Innendurchmesser Di des Kontakbereiches
zu dem Außendurchmesser D der windmühlenradförmigen Elektroden
ist größer oder gleich 0,4, so daß die Magnetflußdichte, die
zum Antreiben des Schenkelbereiches des Lichtbogens beiträgt,
größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische
Stromstärke von 1 kA ist, so daß ein hohes Stromunterbre
chungsvermögen erreicht werden kann.
Die Differenz der Dicke zwischen den windmühlenradförmigen Be
reichen und den Kontaktbereichen ist kleiner oder gleich 5 mm,
so daß die Magnetflußdichte, die zum Antreiben des Schenkelbe
reiches des Lichtbogens beiträgt, größer oder gleich
0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA
ist, so daß ein großes Stromunterbrechungsvermögen erzielt
werden kann.
Das Verhältnis des Durchmessers d des Verbindungsbereiches der
Elektrodenstange zu dem Innendurchmesser Di des Kontaktberei
ches ist kleiner oder gleich 0,6, so daß die Magnetflußdichte,
die zum Antreiben des Schenkelbereiches des Lichtbogens bei
trägt, größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektri
sche Stromstärke von 1 kA ist, so daß ein hohes Stromunterbre
chungsvermögen erreicht werden kann.
Die windmühlenradförmigen Elektroden bestehen aus einem
Cu-Cr-Material, das 20 bis 60 Gewichtsprozent Cr enthält, wel
ches ein hohes Unterbrechungsvermögen besitzt, so daß ein ho
hes Stromunterbrechungsvermögen erzielt werden kann.
Claims (5)
1. Vakuumschalter, der folgendes aufweist:
daß ein elektrischer Lichtbogen (9, 9') auf den Kontakt bereich (3) erzeugt wird, wenn das Paar von windmühlen radförmigen Elektroden (1) voneinander getrennt wird,
daß ein Magnetfluß von einem elektrischen Strom (11, 12) erzeugt wird, der von einem windmühlenradförmigen Bereich (4) von einer der Elektroden (1) in den elektrischen Lichtbogen fließt,
und daß eine Komponente des Magnetflusses, die parallel zu einer Kontaktoberfläche verläuft und die als Lichtbo genantriebskräft bezüglich eines Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient, die mit dem Kontaktbereich des Schenkelbereiches des Lichtbogens in Kontakt steht, eine Magnetflußdichte besitzt, die größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA an jeder Stelle der Kontaktoberfläche ist.
- - ein Paar von windmühlenradförmigen Elektroden (1), die in einem Vakuumrohr (21) angeordnet sind und jeweils mit einer Vielzahl von spiralförmigen Nuten (2) ausgebildet sind, die sich von einem zentralen Bereich zu einem Um fangsbereich erstrecken;
- - wobei die windmühlenradförmigen Elektroden (1) wind mühlenradförmige Bereiche (4), die durch die Nuten (2) voneinander getrennt sind, und eine Vielzahl von Kontakt bereichen (3) aufweisen, die durch die Nuten (2) vonein ander getrennt sind und die eine größere Dicke (H) besit zen als die windmühlenradförmigen Bereiche (4);
- - wobei die windmühlenradförmigen Elektroden (1) derart angeordnet sind,
daß ein elektrischer Lichtbogen (9, 9') auf den Kontakt bereich (3) erzeugt wird, wenn das Paar von windmühlen radförmigen Elektroden (1) voneinander getrennt wird,
daß ein Magnetfluß von einem elektrischen Strom (11, 12) erzeugt wird, der von einem windmühlenradförmigen Bereich (4) von einer der Elektroden (1) in den elektrischen Lichtbogen fließt,
und daß eine Komponente des Magnetflusses, die parallel zu einer Kontaktoberfläche verläuft und die als Lichtbo genantriebskräft bezüglich eines Bereiches von 0,5 mm von der Kontaktoberfläche dient, die mit dem Kontaktbereich des Schenkelbereiches des Lichtbogens in Kontakt steht, eine Magnetflußdichte besitzt, die größer oder gleich 0,01 Tesla bezogen auf eine elektrische Stromstärke von 1 kA an jeder Stelle der Kontaktoberfläche ist.
2. Schalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis von dem Innendurchmesser (Di) des Kon
taktbereiches (3) zu dem Außendurchmesser (D) der wind
mühlenradförmigen Elektroden (1) größer oder gleich 0,4
ist.
3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Differenz (h) der Dicken von den windmühlenrad
förmigen Bereichen (4) und den Kontaktbereichen (3) klei
ner oder gleich 5 mm ist.
4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede von den windmühlenradförmigen Elektroden (1) mit
einer jeweiligen Elektrodenstange eines Paares von Elek
trodenstangen (6) verbunden ist, wobei das Verhältnis des
Durchmessers (d) des Verbindungsbereiches (6a, 7, 10) der
Elektrodenstange (6) zu dem Innendurchmesser (Di) des
Kontaktbereiches (3) kleiner oder gleich 0,6 ist.
5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die windmühlenradförmigen Elektroden (1) aus einem.
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