DE1298598B - Vakuumschalter - Google Patents
VakuumschalterInfo
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- DE1298598B DE1298598B DEG45201A DEG0045201A DE1298598B DE 1298598 B DE1298598 B DE 1298598B DE G45201 A DEG45201 A DE G45201A DE G0045201 A DEG0045201 A DE G0045201A DE 1298598 B DE1298598 B DE 1298598B
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- H01H33/6646—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings having non flat disc-like contact surface
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- H01H33/20—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts using arcing horns
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Description
aufweisenden Kontaktfinger jedes Kontaktstückes ge- ίο sehen benachbarten Kontaktfingern gleich groß ist
gen die des anderen Kontaktstückes in Umfangsrich- und kleiner oder höchstens gleich dem Abstand zwischen
den zur Führung des Dauerstromes bestimmten Kontaktflächen.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß diese par-
tung versetzt sind.
Bei der Unterbrechung niedriger Ströme hat der Schalter im allgemeinen keine Schwierigkeit, die
Lichtbogenprodukte schnell und vollständig genug zu 15 allel geschalteten Lichtbögen mit einer relativ niedrikondensieren,
um der wiederkehrenden Spannung gen Lichtbogenspannung brennen, selbst wenn der standzuhalten. Je höher jedoch der geschaltete Strom Momentanstrom durch den Schalter hoch ist, z. B.
ist, um so größer ist im allgemeinen auch die Menge 35 kA oder auch mehr beträgt,
der erzeugten Bogenprodukte und um so schwieriger Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbei-
der erzeugten Bogenprodukte und um so schwieriger Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbei-
wird es, in der zur Verfügung stehenden Zeit eine 20 spielen in Verbindung mit der Zeichnung näher bevollständige
Kondensation der Lichtbogenprodukte schrieben, es zeigt
zu erreichen.
zu erreichen.
Einer der Faktoren, der die Fähigkeit des Schalters, beim Stromnulldurchgang einer Periode hohen
Stroms die Lichtbogenprodukte vollkommen zu kondensieren, vermindert, ist die hohe Lichtbogenspannung,
die bekannte Schaltertypen beim Abschalten hoher Ströme entwickeln. Der Ausdruck »Lichtbogenspannung«
bezeichnet die Spannung, die am Lichtbogen zu irgendeinem Augenblick auftritt. Es hat sich
gezeigt, daß für Ströme bis zu einigen tausend Ampere die Lichtbogenspannung verhältnismäßig niedrig
und im wesentlichen vom Gesamt-Lichtbogenstrom unabhängig ist. Jedoch erwies sich bei höheren Strömen
als einige tausend Ampere, daß die Lichtbogenspannung mit dem Lichtbogenstrom wächst und
150 Volt oder mehr erreichen kann.
Je höher diese Lichtbogenspannung ist, um so höher ist auch die im Schalter auftretende Energie
(Schaltarbeit). Diese höhere Energie hat eine größere 40 Fig. 6,
Menge von Dämpfen zur Folge, die vom Lichtbogen Fig. 8 einen Querschnitt einer weiteren abgewan-
erzeugt werden, und eine stärkere Aufheizung der dampfkondensierenden Teile in der Nachbarschaft
der Lichtbogenstrecke. Diese beiden letzteren Faktoren vermindern die Fähigkeit des Schalters, eine im
wesentlichen vollständige Kondensation des bogenerzeugten Dampfes bei einem Stromnulldurchgang zu
bewirken, und vermindern somit die Schaltfähigkeit des Schalters.
Bei einem bekannten Vakuumschalter sind Hilfskontaktpaare
symmetrisch in Form eines Ringes um ein Hauptkontaktpaar herum angeordnet (deutsche
Patentschrift 1074119). Die stiftförmigen Hilfselektroden
berühren sich im eingeschalteten Zustand mit
ihren halbkugelförmigen Enden. Während des Aus- 55 male Druck im Kolben 10 niedriger als 10~4 Torr, so
schaltvorganges entstehen zuerst zwischen Hilfskon- daß eine vernünftige Sicherheit dafür besteht, daß die
taktpaaren Lichtbögen und anschließend ein Bogen
zwischen den Hauptkontakten, wobei die zuerst entstandenen Bögen das Bilden weiterer Bögen an den
übrigen Kontaktpaaren begünstigen. Durch die Aus- 60
bildung mehrerer paralleler Lichtbögen wird zwar
zwischen den Hauptkontakten, wobei die zuerst entstandenen Bögen das Bilden weiterer Bögen an den
übrigen Kontaktpaaren begünstigen. Durch die Aus- 60
bildung mehrerer paralleler Lichtbögen wird zwar
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Vakuumschalters gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung,
F i g. 2 einen Querschnitt in einer Ebene 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Kontaktstücke des in den F i g. 1 und 2 dargestellten
Vakuumschalters,
F i g. 4 einen Querschnitt entsprechend F i g. 2 mit der Darstellung bestimmter magnetischer Feldbeziehungen,
Fig.5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines bekannten Schalters,
F i g. 5 a einen Querschnitt in einer Ebene 5 a-5 a in Fig. 5,
Fig. 6 eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 7 einen Querschnitt in einer Ebene 7-7 in
delten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 9 eine Axialschnittansicht der wesentlichen Teile einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 10 einen Querschnitt durch die Kontaktstückanordnung
der Ausführungsform gemäß F i g. 9 in einer Ebene 10-10.
Der in Fig. 1 dargestellte Schalter enthält einen weitestgehend evakuierten Kolben 10 mit einem Mittelteil
11 aus isolierendem Werkstoff und zwei dessen Enden abschließende Metallkappen (Endkappen) 12,
13. Um den Kolben vakuumdicht abzuschließen, sind der Mittelteil und die Endkappen bei 14 geeignet
verbunden. Unter statischen Bedingungen ist der nor-
eine Verringerung des Kontaktverschleißes erzielt, doch brennen die Bögen im wesentlichen parallel zur
Schalterlängsachse mit üblicher Lichtbogenspannung, und die dabei auftretende Schaltarbeit ist entsprechend
hoch.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Vakuumschalter der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem
65 mittlere freie Weglänge der Elektronen länger ist als
die maximale Durchschlagstrecke im Kolben.
Innerhalb des Kolbens 10 sind zwei relativ zueinander bewegliche Kontaktstücke oder Elektroden 17,
18 angeordnet, die in F i g. 1 in der getrennten oder offenen Stellung gezeigt sind. Das obere, feste Kontaktstück
17 ist an einem leitenden Stab 17 α befestigt, dessen oberes Ende mit der oberen Endkappe 12 verbunden
ist. Das untere Kontaktstück 18 ist beweglich und an einem leitenden Betätigungsstab 18« befestigt,
der in Vertikalrichtung verschiebbar ist. Der Betätigungsstab 18 a reicht durch eine Öffnung in der unte-
ren Endkappe 13, und ein flexibler Metallbalg 20 dichtet den Stab 18 a bezüglich der Endkappe 13 ab
und erlaubt ein vertikales Verschieben des Stabes, ohne daß das Vakuum im Kolben 10 dadurch beeinträchtigt
wird. Wie F i g. 1 zeigt, ist der Balg 20 an seinen Enden vakuumdicht mit dem Betätigungsstab 18 a bzw. der Endkappe 13 verbunden.
Mit dem unteren Ende des Betätigungsstabes 18 a wird eine geeignete, nicht dargestellte Betätigungsanordnung gekuppelt, die das bewegliche untere Kon-
taktstück 18 aufwärts in Berührung mit dem feststehenden Kontaktstück 17 zu bewegen gestattet, um
den Schalter zu schließen. Die Betätigungsvorrichtung gestattet weiterhin, das untere Kontaktstück 18 in die
gezeichnete Stellung zurückzubringen und so den Schalter zu öffnen. Auf die Vorgänge beim öffnen
des Schalters wird noch näher eingegangen.
Wenn die Kontaktstücke 17 und 18 während des öffnens des Schalters getrennt werden, entsteht zwischen
ihnen ein Lichtbogen. Der Lichtbogen ver- ao dampft etwas Kontaktstückmaterial, und die resultierenden
Dämpfe breiten sich aus dem Bereich zwischen den Kontaktstücken zum Kolben 10 hin. Im dargegestellten
Schalter sind die inneren Isolierstoffoberfiächen des Mittelteils 11 in an sich bekannter Weise as
mittels eines rohrförmigen Metallschirms 15, der am Mittelteil 11 befestigt und vorzugsweise von beiden
Endkappen 12 und 13 elektrisch getrennt ist, vor der Kondensation von vom Lichtbogen erzeugten Metallpartikeln
geschützt. Dieser Schirm 15 fängt die vom Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe ab und kondensiert
sie, bevor sie den Mittelteil 11 erreichen können. Um die Möglichkeit des Dampfes, den Schirm 15 zu
umgehen, zu vermindern, werden an den entgegengesetzten Enden des mittleren Schirms zwei Endschirme
16 und 16 a in an sich bekannter Weise vorgesehen.
Alle Innenflächen des Schalters sind im wesentlichen frei von Verunreinigungen. Obendrein sind die
Kontaktstücke 17 und 18 praktisch frei von im Elektrodenkörper absorbierten Gasen, so daß die Entwicklung
solcher Gase während der Unterbrechung hoher Ströme verhindert wird. Die Kontaktstücke bestehen
aus einem nicht warmfesten Leitermaterial, vorzugsweise Kupfer.
Das obere Kontaktstück 17 umfaßt einen im wesentlichen ringförmigen Hauptteil 25 und eine Mehrzahl
von Vorsprüngen 26, die vom Hauptteil 25 im wesentlichen parallel zu der Längsachse 28 (F i g. 3)
des Kontaktstückes vorstehen. Die Vorsprünge 26 sind im Abstand voneinander längs des Umfanges
eines gedachten Kreises 29 angeordnet, der die Längsachse 28 konzentrisch umgibt, wie F i g. 2
zeigt.
Das untere Kontaktstück 18 hat im wesentlichen dieselbe Konstruktion wie das obere Kontaktstück 17
und umfaßt demnach einen im wesentlichen ringförmigen Hauptteil 25 α und eine Mehrzahl von Vorsprüngen
26 a, die vom Hauptteil etwa parallel zur Längsachse 28 a des unteren Kontaktstückes vorstehen.
Die Vorsprünge 26 α sind ebenfalls längs des Umfanges eines Kreises angeordnet, der die Längsachse
28 α des unteren Kontaktstücks 18 konzentrisch umgibt.
Die beiden Kontaktstücke sind so zueinander angeordnet, daß die Vorsprünge 26 α des unteren Kontaktstückes
jeweils zwischen den Vorsprüngen 26 des oberen Kontaktstückes liegen und derart in Umfangsrichtung
gegeneinander versetzt, daß eine Mehrzahl von Überschlag- oder Entladungsstrecken 30 zwischen
den Vorsprüngen der beiden Kontaktstücke gebildet werden. Die beiden Kontaktstücke werden so angeordnet,
daß ihre Längsachsen 28 und 28 a zusammenfallen.
Wenn der Schalter unter Last geöffnet wird, entstehen in den Strecken 30 Lichtbogen 32, 33, 34 und
35. Es sei angenommen, daß zu dem in F i g. 2 dargestellten Zeitpunkt das obere Kontaktstück 17 mit
seinen beiden Vorsprüngen 26 als Anode und das untere Kontaktstück 18 mit seinen beiden Vorsprüngen
26 α als Kathode arbeitet. Die Vorsprünge 26 sind deshalb mit einem Pluszeichen (+) und die Vorsprünge
26 α mit einem Minuszeichen (—) bezeichnet. Von der Anode 17 zur Kathode 18 kann der
Strom über einen Vorsprung 26 und einen der Bögen 32 oder 33 fließen oder über den anderen Vorsprung
26 und einen der Bögen 34 oder 35. Hieraus ist ersichtlich, daß die Bögen 32, 33, 34 und 35 elektrisch
parallel geschaltet sind bzw. die Strecken 30 elektrisch parallel liegen.
Aus F i g. 2 ist auch ersichtlich, daß die Längsrichtung der Strecken 30, wenn man diese mit der Längsrichtung
der entsprechenden Lichtbogen gleichsetzt, im wesentlichen parallel zum Umfang des Kreises 29
und quer zur Längsachse 28 des Kontaktstückes 17 verläuft.
Wenn zum Schließen des Schalters das untere Kontaktstück 18 aus seiner Stellung in F i g. 1 nach oben
bewegt wird, berühren die obersten Flächen der Vorsprünge 26a die Unterseite 43 des Hauptteils des
oberen Kontaktstückes 17. Der tatsächliche Kontakt zwischen den beiden Kontaktstücken wird vorzugsweise
an der obersten Oberfläche der Vorsprünge 26 α in den Gegenden 42 an ihrem radial innersten Rand
bewerkstelligt, so daß der Strom zwischen den beiden Kontaktstücken durch diesen Oberflächenbereich 42
fließt, wenn der Schalter geschlossen ist. Die Kontaktflächen 42 auf jedem Kontaktstück bestehen vorzugsweise
aus einem geeigneten nicht warmfesten verschweißsicheren
Metall, z. B. in bekannter Weise aus einer Legierung von Kupfer und einigen Prozent
Wismut; der Rest eines jeden Kontaktstückes besteht vorteilhafterweise aus reinem Kupfer.
Wenn das untere Kontaktstück 18 zur Unterbrechung eines Stromkreises in der Richtung von der
geschlossenen Stellung nach unten bewegt wird, bildet sich ein Lichtbogen zwischen den Flächen 42 und 43
der beiden Kontaktstücke. Wenn es sich um einen Hochstrombogen handelt, verdampft eine erhebliche
Menge des Kontaktstückmaterials, und die resultierenden Metalldämpfe breiten sich aus dem Bereich
des Bogens nach allen Richtungen aus. Da die Strecken 30 mit dem Bereich, in dem der Bogen anfänglich
entsteht, in freier Verbindung stehen, gelangt eine beachtliche Menge dieser Metalldämpfe in die
Strecken 30. Vor diesem Zeitpunkt existieren keine Bögen in den Strecken 30, aber sobald die Dämpfe
die Strecken 30 erreichen, bildet sich in mindestens einer dieser Strecken ein Bogen, wie er in F i g. 2 bei
32, 33, 34 oder 35 gezeichnet ist. Aus noch zu erläuternden Gründen wird, wenn der Strom 10 kA
übersteigt, jeder Bogen in einer Strecke 30 mit einer viel niedrigeren Bogenspannung als der Anfangsbogen
am Ende der Vorsprünge 26 brennen. Der durch den Anfangsbogen fließende Strom neigt also dazu, in
einen oder mehrere Bögen in den Strecken 30 über-
zugehen, wodurch der Anfangsbogen zum Verlöschen
gebracht wird oder nur den Teil des Gesamtstroms führt, der im niedrigen Bogenspannungsbereich
der Bögen in den Strecken 30 geführt werden kann.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, stehen die Strecken 30 in freier Verbindung miteinander. Als Folge hiervon
werden in eine Strecke 30, die noch keinen Bogen führt, Metalldämpfe aus dem Lichtbogen einer oder
Strecke 30 mit dem Bogen 32 (F i g. 4) betrachtet. Die Stromrichtung durch die Lichtbogen zum dargestellten
Zeitpunkt ist jeweils durch einen kleinen Pfeil neben dem Bogen angedeutet. Bei Anwendung der
5 Rechte-Hand-Regel für die Bestimmung der Magnetfeldrichtung ergibt sich, daß das vom Strom im Bogen
33 erzeugte Magnetfeld in der den Bogen 32 enthaltenden
Strecke nach unten (d. h. in die Papierebene hinein) gerichtet ist. Dies wird durch die Kreuze 33 M ange-
mehrerer anderer Strecken gelangen. Dies läßt in der io deutet. Das vom Strom durch den Bogen 34 erzeugte
ursprünglich noch nicht gezündeten Strecke 30 einen Magnetfeld in der den Bogen 32 enthaltenden Strecke
Lichtbogen entstehen, der dann ebenfalls Metall- ist dagegen nach oben gerichtet (d. h. aus der Papierdämpfe
erzeugt, und so irgendeiner weiteren Strecke, ebene heraus), wie durch die Punkte 34 M angedeutet
die immer noch keinen Bogen führt, zur Zündung ist. Da das Magnetfeld 34 M dem Magnetfeld 33 M
verhelfen wird. Schließlich werden an allen Strecken 15 entgegengerichtet ist, schwächen sich diese Felder ge-Lichtbögen
brennen, so daß sich der Gesamtstrom genseitig. Sie heben sich jedoch nicht vollkommen
auf die parallelen Bögen 32, 33, 34 und 35 und even- auf, da die Feldstärke des Feldes 33 M im Vergleich
tuell den als erstes gezogenen Bogen aufteilt. In be- zu der des Feldes 34 M etwas geringer ist, was seinen
stimmten Fällen wird sich jeder der Bögen 32 bis 35 Grund darin hat, daß die betrachtete Strecke richin
viele kleinere parallele Bögen aufteilen, und der 20 tungsmäßig zwar mit dem Bogen 34 übereinstimmt,
Strom in der betreffenden Strecke wird sich dann auf hinsichtlich des Bogens 33 jedoch etwas versetzt ist.
Ein kleiner Bruchteil des Feldes 34 M wird daher nicht vom Feld 33 M kompensiert. Dieser kleine
übrigbleibende Bruchteil, der aus der Papierebene stücke fließt, wenn zwischen ihnen ein Bogen brennt, 35 herausgerichtet ist, steht zur Verfügung, um einen
ein Magnetfeld entstehen, dessen Hauptrichtung im Teil des Feldes 35 M aufzuheben, welches vom Strom
wesentlichen senkrecht auf dem Bogen steht. Die Er- durch den Bogen 35 erzeugt wird und in die Papierfindung
beruht auf dem Prinzip, daß die Bogenspan- ebene hineingerichtet ist.
nung eines im Vakuum brennenden Hochstrombogens Die Flußkompensation ist bei der in F i g. 4 darge-
wesentlich verkleinert werden kann, wenn die Korn- 30 stellten Anordnung nicht vollständig, aber sie ist erponente
der magnetischen Feldstärke, die sich senk- heblich und hat eine beachtenswerte Verminderung
recht zum Bogen erstreckt, ausreichend unter die
Werte vermindert wird, die normalerweise bei diesem
hohen Strom auftreten, wenn dieser durch eine übliche Kontaktstückanordnung fließt. Dieses Prinzip 35 kann gezeigt werden, daß sich die von den Strömen ist durch die besondere Anordnung der Strecken 30 durch die Bögen in den anderen Strecken 30 erzeug-
Werte vermindert wird, die normalerweise bei diesem
hohen Strom auftreten, wenn dieser durch eine übliche Kontaktstückanordnung fließt. Dieses Prinzip 35 kann gezeigt werden, daß sich die von den Strömen ist durch die besondere Anordnung der Strecken 30 durch die Bögen in den anderen Strecken 30 erzeug-
die kleineren Bögen verteilen.
Bei den bekannten Vakuumschalter-Kontaktstückanordnungen läßt der Strom, der durch die Kontakt-
des resultierenden senkrechten Feldes, das von den Strömen durch die anderen Bögen 33 bis 35 erzeugt
wird, zur Folge. Mit Hilfe derselben Überlegungen
verwirklicht, bei der der durch die Kontaktstücke fließende Strom ein Magnetfeld erzeugt, dessen senkrecht
zu den Bögen und Strecken verlaufende Komponente klein ist.
Einer der für die Begrenzung der senkrechten Komponente des Magnetfeldes auf sehr niedrige
Werte veranwortlichen Faktoren besteht darin, daß das Magnetfeld, das von dem durch irgendwelche in
ten Magnetfelder in jeder beliebigen gegebenen Strecke 30 in erheblichem Umfange aufheben. Es tritt
auch im wesentlichen dieselbe Magnetflußkompen-40
sation auf, wenn die Polarität der beiden Kontaktstücke umgekehrt wird. Offensichtlich ist also die
Tatsache ein wichtiger Faktor für die Aufhebung der Flüsse, daß in irgendeiner Strecke 30 (z. B. der Strecke
mit dem Bogen 32) der Fluß, der vom Strom durch
indirekter Nähe liegende Teile fließenden Gesamt- 45 den Bogen (z. B. 34) in irgendeiner gegebenen andestrom
erzeugt wird, im wesentlichen parallel zu den ren Strecke 30 erzeugt wird, die entgegengesetzte
Bögen in den Strecken 30 und nicht senkrecht zu den Richtung hat wie der Fluß, der vom Strom durch den
Bögen verläuft. Zum Beispiel hat das Magnetfeld, das Bogen (z, B. 33 oder 35) in einer der anderen unvon
dem durch den leitenden Stab 17« und den Be- mittelbar zu jener gegebenen anderen Strecke betätigungsstab
18 a fließenden Gesamtstrom erzeugt 50 nachbarten Strecke erzeugt wird,
wird, den bei 45 in F i g. 2 dargestellten Verlauf. Die In jeder Strecke 30 existiert ein schwaches senkkreisförmig
um die Mittelachse 28 liegenden gepunk- rechtes Magnetfeld, das vom Strom durch die Vorteten
Linien stellen die typischen magnetischen Kraft- Sprünge 26 und 26 α herrührt, welche unmittelbar
linien dar, welche das Feld 45 bilden. Man beachte, neben den betreffenden Strecken angeordnet sind,
daß diese Kraftlinien im wesentlichen parallel zu den 55 aber dieses senkrechte Magnetfeld ist so klein, daß es
Bögen in den Strecken 30 verlaufen und nur eine die erhebliche Verminderung des senkrechten Makleine
Komponente senkrecht zu den Bögen aufwei- gnetfeldes, die von den anderen oben beschriebenen
sen. Der durch die benachbarten Teile (17 α und 18 α), Faktoren verursacht wird, nicht wesentlich beeindie
den gesamten Schalterstrom führen, fließende trächtigt. Hinsichtlich dieses vom Strom durch die
Strom erzeugt also nur ein sehr schwaches senkrech- 60 unmittelbar angrenzenden Vorsprünge 26 und 26 a in
tes Feld in den Strecken 30. einer gegebenen Strecke erzeugten senkrechten Ma-
Ein weiterer Faktor für die Begrenzung des senk- gnetfeldes ist zu beachten, daß nur ein kleiner Bruchrechten Feldes in den Strecken 30 auf einen sehr teil des Gesamtstromes dieses Magnetfeld erzeugt, da
niedrigen Wert besteht darin, daß sich die vom Strom sich der Gesamtstrom in viele parallele Teilströme
durch die Bögen in den anderen Strecken 30, erzeug- 65 auf parallelen Stromwegen durch die Vorsprünge auften
Magnetfelder in einer gegebenen Strecke 30 in teilt. Der Strom auf den anderen Wegen durch die
erheblichem Umfang aufheben. Zur Veranschau- Vorsprünge erzeugt hinsichtlich des betrachteten
lichung dieser Tatsache sei das Magnetfeld in der Bogens ein vorwiegend axiales Magnetfeld und er-
höht deshalb das schwache senkrechte Magnetfeld, das vorhanden ist, nicht wesentlich.
Mit zwei bekannten und üblichen stumpfen Kontaktstücken wurden bei der Unterbrechung von Bogenströmen
mit 35 kA Scheitelwert typische Bogenspannungen von etwa 100 Volt gemessen. Bei der
dargestellten Kontaktanordnung mit kleiner Magnetfeldkomponente in senkrechter Richtung zum Bogen
und ebenfalls Kupferkontakten wurden dagegen bei der Unterbrechung von Bogenströmen mit 40 kA
Scheitelwert typische Bogenspannungen von etwa 40 Volt gemessen. Bei den bekannten Kontakten stiegen
mit wachsenden Strömen die Bogenspannungen noch weiter an, z. B. auf etwa 120 Volt bei 50 kA
Spitzenstrom und auf etwa 130 Volt bei 60 kA Spitzenstrom. Bei der abgebildeten Anordnung traten
typische Bogenspannungen von nur 45 Volt bei 50 kA Spitzenstrom auf.
Wie erwähnt, entsteht der Lichtbogen zwischen den Kontaktstücken gemäß F i g. 1 bis 4 ursprünglich an
den Flächen 42 und 43. Solange der Bogen in diesem Bereich verbleibt, verläuft das von dem durch die
Kontaktstücke fließenden Strom erzeugte Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zum Bogen. Solange also
der Bogen in dieser Stellung bleibt, kann die Bogenspannung auf die gleichen Werte wie bei den bekannten
Schaltern ansteigen. Sobald jedoch einer oder mehrere Bögen in den Strecken 30 entstehen,
verlöscht der ursprüngliche Bogen zwischen den Flächen 42 und 43 oder vermindert seine Stromstärke
und die zwischen den beiden Kontaktstücken entwickelte Bogenspannung fällt plötzlich auf die niedrigen,
oben beschriebenen Werte ab.
Um das Entstehen von Bögen in den Strecken 30 zu beschleunigen, werden die Endflächen 42 der Vorsprünge
26a vorteilhafterweise so geformt, daß der Kontakt an der Fläche nahe der radial am weitesten
innen gelegenen Gegend der Vorsprünge zustande kommt. In dieser Gegend ist die magnetische Kraft
kleiner, die den ursprünglichen Bogen und seine Bogenprodukte radial nach außen zu treiben sucht.
Durch die Verringerung dieser radial nach außen gerichteten Kraft neigen die Bogenprodukte mehr dazu,
sich radial zum Inneren der Kontaktstücke zu den Strecken 30 auszubreiten, wo sie die Zündung der
Strecken 30 verursachen können.
Das Magnetfeld in einem Schalter mit bekannten Kontaktstückanordnungen ist in den F i g. 5 und 5 a
dargestellt. Jedes Kontaktstück nach F i g. 5 enthält eine sich radial erstreckende Scheibe 100 mit einem
in der Nähe ihres Umfanges axial vorspringenden Ringteil 101, der den Bogenansatz begrenzt. Bei geschlossenem
Schalter berühren sich die Kontaktstücke normalerweise an den Ringteilen 101. Wenn die Kontaktstücke
getrennt werden, entsteht zwischen den Ringteilen 101 ein Bogen oder Bögen 102. Diese
Bögen 102 befinden sich in einer Gegend, wo das Magnetfeld vorwiegend senkrecht zu den Bögen verläuft.
Das vom Gesamtstrom durch die mittleren, die Kontaktstücke tragenden Leiterstäbe 104 und 105
erzeugte Magnetfeld verläuft beispielsweise entlang eines im wesentlichen kreisförmigen Weges in Richtung
von Pfeilen 107 in F i g. 5 um die Mittelachse 108 der Elektroden. Die Pfeile 107 verlaufen nahezu
rechtwinklig zur Längsachse eines jeden Bogens. Unter der Annahme, daß die Bögen 102 symmetrisch
um die Mittelachse 108 verteilt sind, kann die Feldstärke H der Magnetfeldkomponente, die senkrecht
zu jedem Bogen der F i g. 5 und 5 a verläuft, durch die folgende Gleichung angegeben werden:
TT
2nr
wobei H die Feldstärke in Praoersted (1010 Oe), / den
durch die Elektroden fließenden Gesamtstrom in Ampere und r den radialen Abstand in Metern zwischen
ίο dem Bogen und der Stromachse des axial gerichteten
Stroms in der Elektrode bedeutet.
Die Stromachse in der Elektrodenanordnung von F i g. 5 und 5 a ist die Längsachse 108 der Leiterstäbe
104 und 105, und der radiale Abstand r ist in Fig. 5 a
von dieser Achse aus gerechnet dargestellt. In der Elektronenanordnung gemäß F i g. 1 bis 4 ist die
Stromachse die Mittelachse 28. Mit der Bezeichnung Stromachse ist eine imaginäre Linie gemeint, in der
der gesamte axial gerichtete Strom konzentriert gedacht werden kann, und seine Lage kann mittels bekannter
Methoden bestimmt werden. Wenn die Bögen 102 nicht symmetrisch um die Mittellinie 108 der
F i g. 5 und 5 a verteilt sind oder wenn nur ein einziger Bogen existiert, ist die Feldstärke der auf dem
as Bogen senkrecht stehenden Magnetfeldkomponente
noch höher als der erwähnte Wert
2jrr
der bei symmetrisch verteilten Bögen auftritt.
Bei den erfindungsgemäßen Schaltern ist dagegen die magnetische Feldstärkekomponente senkrecht zu
einem Bogen in den Strecken 30 oder 60 bei gegebenem radialem Abstand von der Stromachse (28 in
den F i g. 1 bis 4) viel kleiner als die Hälfte der entsprechenden Größe bei einem Bogen, der im Schalter
von F i g. 5 und 5 a im selben radialen Abstand von der Stromachse 108 brennt, selbst wenn für die
Fig. 5 und 5a eine symmetrische Verteilung der Bögen um die Längsachse 108 angenommen wird. Im
Schalter gemäß F i g. 5 und 5 a sind die lichtbogentragenden Ringteile 101 als zusammenhängende Ringe
gezeigt, aber die senkrecht zum Bogen 102 verlaufende Komponente des Magnetfelds hat mindestens
die durch obigen Ausdruck bestimmte Größe, ob nun diese Ringteile 101 aus einem zusammenhängenden
Ring oder aus einer Reihe von am Umfang verteilten axial herausstehenden Vorsprüngen bestehen.
In den F i g. 6 und 7 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher
schon der erste Lichtbogen in einer der Strecken 30 gezogen wird, wodurch die Notwendigkeit entfällt,
ihn von einer Stelle mit großer senkrechter Magnetfeldkomponente wegtreiben zu müssen, wie es bei der
Anordnung gemäß Fig. 1 bis 4 der Fall war. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform nach F i g. 6
und 7 sind das untere Kontaktstück 18 und sein Betätigungsstab 18 a nicht vertikal beweglich, sondern
um einen feststehenden Drehzapfen 55 drehbar. In der offenen Stellung des Schalters nimmt der Betätigungsstab
18a die in Fig. 1 gezeigte vertikale Stellung ein. Das Schließen des Schalters geschieht durch
Drehen des Betätigungsstabes 18 α im Uhrzeigersinn entsprechend F i g. 6 um den Drehzapfen 55, bis die
in F i g. 6 dargestellte geschlossene Stellung erreicht ist. Hier berührt einer der Vorsprünge 26 a des unte-
909527/124
9 10
ren Kontaktstückes mit seinen Kontaktflächen 26 α' nung, die unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang
die Kontaktflächen 26' der zwei Vorsprünge 26 des auftritt, zu widerstehen.
oberen Kontaktstückes, wie in F i g. 7 gezeigt ist. Bei den bisher beschriebenen Schaltern wurde ein
Die Öffnung des Schalters geschieht durch Zurück- Satz der ineinandergreifenden Vorsprünge relataiv
drehen des Betätigungsstabes 18 a in die vertikale 5 zum anderen bewegt. Die Notwendigkeit dieser Bestellung.
Bei dieser Bewegung wird ein Lichtbogen wegung kann durch eine Schalterkonstruktion nach
an einer der Strecken 30 zwischen den Vorsprüngen F i g. 9 und 10 vermieden werden. Hier enthält das
26 und 26 a gezogen, und bald darauf entstehen obere Kontaktstück 17 ein becherförmiges Glied mit
Bögen in den übrigen Strecken 30 aus denselben Vorsprüngen 26, die von seinem Hauptteil 25 nach
Gründen, wie sie oben beschrieben wurden. In der io unten vorstehen. Das untere Kontaktstück 18 enthält
Ausführungsform gemäß Fig. 6 und 7 brennen also ein becherförmiges Glied mit Vorsprüngen26α, die
alle Bögen in einer Gegend mit sehr niedrigem senk- von seinem Hauptteil 25 a nach oben vorstehen. Die
rechtem Magnetfeld, so daß nicht einmal für sehr Vorsprünge 26 des einen Kontaktstückes sind zwikurze
Zeitspannen hohe Bogenspannungen auftreten sehen den Vorsprüngen 26 a des anderen Kontaktkönnen,
wie sie mit hohen senkrechten Magnetfeldern 15 Stückes in der gleichen Weise angeordnet wie bei den
verbunden sind. anderen Ausführungsformen. Die Vorsprünge 26 und
Wie oben beschrieben, können sich in einer gege- 26 a sind voneinander mit Abstand angeordnet und
benen Strecke 30 die Magnetfelder der Ströme von begrenzen zwischen sich am Umfang verteilte Strek-Bögen,
die in anderen Strecken 30 brennen, in erheb- ken 60 in der im wesentlichen gleichen Art wie in
lichem Umfang kompensieren. Diese Flußkompen- ao F i g. 8. Diese Strecken 60 sind am besten in F i g. 10
sation kann dadurch noch vollständiger gemacht ersichtlich. Beide Kontaktstücke 17 und 18 der Fig.9
werden, daß die Kontaktstücke mit einer größeren sind durch geeignete Mittel am Schaltergehäuse be-Zahl
von Zwischenvorsprüngen, als in F i g. 1 bis 4 festigt, z. B. durch axial erstreckende Leiterstäbe 86
gezeigt ist, versehen werden. F i g. 8 zeigt einen Quer- und 87, so daß sich feststehende Strecken 60 der geschnitt
durch ein derart abgewandeltes Kontaktstück- 25 wünschten Länge ergeben.
paar. Es sind hier wiederum die Vorsprünge des einen In der Mitte des oberen Kontaktstückes 17 befindet
Kontaktstückes mit dem Bezugszeichen 26 und die- sich ein feststehender Kontaktteil 90, der mit dem
jenigen des anderen Kontaktstückes mit dem Bezugs- Rest des oberen Kontaktstückes 17 hart verlötet ist.
zeichen 26 a versehen. Die Strecken zwischen den In der Mitte des unteren Kontaktstückes 18 befindet
Vorsprüngen sind mit 60 und die elektrisch parallel- 30 sich ein beweglicher Kontaktteil 92, der relativ zum
liegenden Bögen mit 61 bis 68 bezeichnet. Auch hier Rest des unteren Kontaktstückes 18 beweglich ist.
sind die Ströme in benachbarten Strecken entgegen- Der bewegliche Kontaktteil 92 ist mit dem oberen
gesetzt gerichtet, und deshalb ist das in einer ersten Ende eines Leiterstabes 93 verbunden, der sich frei
Strecke vom Stromfluß durch einen Bogen in irgend- durch den Hauptteil 25 a des unteren Kontaktstückes
einer gegebenen anderen Strecke erzeugte Feld dem 35 18 bis zu einem Ort außerhalb des evakuierten Schal-Feld,
das vom Strom durch einen Bogen in irgend- tergehäuses erstreckt. Ein Balg 20 dichtet den Leitereiner
der anderen Strecken, die unmittelbar an die stab 93 ab und ermöglicht eine Bewegung des Stabes
gegebene andere Strecke anschließt, entgegengerich- in bezug auf den Rest des Kontaktstückes 18. Der
tet. Leiterstab 93 und der becherförmige Teil des unteren
Man kann die Magnetflußkompensation in den 40 Kontaktstückes 18 sind durch eine nur schematisch
Strecken auch durch die Betrachtung des resultieren- dargestellte Leiteranordnung 94 elektrisch verbunden,
den Stromes, der um die von den Bögen und den Der untere Kontaktteil 92 · hat einen Ringteil 95,
leitenden Teilen, die die Bögen verbinden, gebildete der sich zum anderen Kontaktteil 90 hin erstreckt
Schleife 70 (Fig. 8) verläuft, erklären. Da sich die und bei geschlossenem Schalter einen ähnlichen Ring-Ströme
durch benachbarte Bögen auf Grund ihrer 45 teil 96 des anderen Kontaktteils 90 berührt. Wenn der
entgegengesetzten Richtung aufzuheben streben, gibt untere Kontaktteil 92 vom oberen Kontaktteil 90
es einen nicht kompensierten Stromfluß nur in einer wegbewegt wird, entsteht ein Lichtbogen zwischen
Strecke außer der Strecke, in der der Fluß betrachtet den Teilen 95 und 96. Da der Strompfad L durch die
wird. Dieser Strom durchfließt nur einen kleinen Teil Kontaktteile in bekannter Weise radial nach außen
der Schleife und ist außerdem verhältnismäßig klein. 50 gebogen ist, wirkt auf den Bogen eine radial nach
Er läßt deshalb senkrecht zu dem Bogen in der be- außen gerichtete magnetische Kraft. Diese magnetrachteten
Strecke nur eine schwache Magnetfeld- tische Kraft treibt die Enden des Bogens entlang der
komponente entstehen. benachbarten Oberfläche der Kontaktteile 90 und 91
Dadurch, daß die Bogenspannung während Hoch- radial nach außen und befördert auch die Bogenstromunterbrechungen
in der oben beschriebenen -55 produkte in die Strecken 60 zwischen den zwischen-Weise
klein gehalten wird, läßt sich auch die im einander angeordneten Vorsprüngen 26 und 26 a.
Schalter während solcher Abschaltungen auftretende Hierdurch entstehen Bögen in den Strecken 60. AnEnergie
entsprechend klein halten. Dies ist sehr genommen, es werde ein hoher Strom (z. B. über
wünschenswert, da die verminderte Schaltarbeit eine 10 kA) unterbrochen, dann wird jeder Bogen in einer
entsprechende Herabsetzung der während der Strom- 60 Strecke 60 mit einer viel niedrigeren Bogenspannung
unterbrechung frei werdenden Dampfmenge und eine brennen als der ursprüngliche Bogen zwischen den
geringere Erwärmung der dampfkondensierenden Kontaktteilen 90 und 92. Der anfangs durch den
Teile, wie z. B. des Schirms 15, zur Folge hat. Diese ursprünglichen Bogen fließende Strom wird also in
beiden Faktoren erleichtern eine möglichst vollstän- den Bogen oder die Bögen der Strecke 60 abgeleitet,
dige Kondensation der Bogenprodukte bei einem 65 wodurch der ursprüngliche Bogen verlöscht oder, in
Stromnulldurchgang, so daß die Fähigkeit des Schal- einigen Fällen, nur noch einen so geringen Anteil
ters verbessert wird, seine Spannungsfestigkeit schnell am Gesamtstrom führt, wie er der niedrigen Bogenwieder
zu erlangen und der wiederkehrenden Span- spannung der Bögen in den Strecken 60 entspricht.
Wie in den anderen Ausführungsformen stehen auch die Strecken 60 in F i g. 9 und 10 in freier Verbindung
miteinander. Als Folge davon gelangen in eine Strecke 60, die noch nicht durchgeschlagen hat,
Metalldämpfe von den Bögen, die in einer oder mehreren anderen Strecken brennen. Hierdurch entsteht
auch ein Lichtbogen in dieser anfänglich nicht durchgebrochenen
Strecke 60, welche daraufhin Metalldämpfe erzeugen und so die Zündung irgendwelcher
weiterer eventuell immer noch nicht durchgebrochener Strecken 60 unterstützen wird. Schließlich werden
in allen Strecken 60 Lichtbogen brennen, wobei sich der Gesamtstrom auf die parallelen Bögen aufteilt.
Aus denselben Gründen wie bei den anderen Ausführungsformen brennt beim Schalter nach den
F i g. 9 und 10 jeder Lichtbogen in einer Strecke 60 in einem Gebiet, wo die senkrecht auf dem Bogen
stehende Komponente des Magnetfeldes sehr gering ist. Die Bogenspannung an einem Bogen in einer ao
Strecke 60 ist daher wie bei den anderen Ausführungsformen verhältnismäßig niedrig. Der erste Bogen
entsteht im Schalter der Fig. 9 und 10 in einem Gebiet, in dem die auf der Richtung des Bogens
senkrecht stehende Magnetfeldkomponente groß ist. Die schnelle Entstehung der Bögen in den Strecken
60 verhindert jedoch, daß am ursprünglichen Bogen eine hohe Bogenspannung auftritt.
Es hat sich gezeigt, daß bei einer Schalterkonstruktion nach den F i g. 9 und 10 die Übertragung des
Bogens vom Raum zwischen den relativ zueinander beweglichen Kontaktteilen 90 und 92 zum Raum
zwischen den relativ zueinander festehenden Schaltkontaktteilen (Strecken 60) sehr rasch vor sich geht.
Diesbezügliche Versuche haben gezeigt, daß bei einem Schalter nach F i g. 9 und 10 diese Übertragung
bei relativ niedrigen Stromwerten vor sich geht, verglichen mit den für eine solche Übertragung benötigten
Strömen bei einem Schalter, dessen äußere Kontaktstücke als zwei axial gegenüberliegende
Ringe oder Scheiben ausgebildet sind. Bei einem Schalter der letzterwähnten Art befindet sich die
Strecke zwischen den äußeren Kontaktstückteilen in einem Gebiet mit hohem senkrechten Magnetfeld,
und Hochstrombögen in solchen Strecken entwickeln typisch hohe Bogenspannungen. Es wird angenommen,
daß die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Schalters, die Bogenspannung über die Strecken 60
auf einen relativ niedrigen Wert zu begrenzen, ein wichtiger Faktor für die erhebliche Erhöhung der
Geschwindigkeit ist, mit welcher die oben beschriebene Bogenübertragung erfolgt.
Claims (4)
1. Vakuumschalter, dessen beide Kontaktstücke eine gemeinsame Achse haben und mit
derselben Anzahl von Kontaktfingern an jedem Kontaktstück ausgerüstet und derart angeordnet
sind, daß sie sich an den einander zugekehrten Seiten von senkrecht zu der genannten Achse liegenden
Scheiben befinden, daß sie parallel zu dieser Achse auf einem zu dieser konzentrischen
Kreis liegen und daß die denselben Abstand voneinander aufweisenden Kontaktfinger jedes Kontaktstückes
gegen die des anderen Kontaktstückes in Umfangsrichtung versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl im
eingeschalteten als auch im ausgeschalteten Zustand die Kontaktfinger (26, 27 a) ineinandergreifen,
daß im ausgeschalteten Zustand der seitliche Abstand (30) zwischen benachbarten Kontaktfingern
(26, 26 a) gleich groß ist und kleiner oder höchstens gleich dem Abstand zwischen den
zur Führung des Dauerstromes bestimmten Kontaktflächen (26', 26a'; 42, 43; 95, 96).
2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kontaktstücke
(17, 18) axial zueinander bewegbar sind, wobei zur Führung des Dauerstromes die Stirnflächen
(42) der Kontaktfinger (26 a) des einen Kontaktstückes (18) und die Innenseite (43) der Scheibe,
an der sich die Kontaktfinger des anderen Kontaktstückes (17) befinden, dienen (Fig. 1 bis 4).
3. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kontaktstücke
(17, 18) axial zueinander bewegbar sind, wobei zur Führung des Dauerstromes jeweils konzentrisch
zur Längsachse und innerhalb der Kontaktfingerkränze der beiden Kontaktstücke (17,
18) angeordnete, scheibenförmige Kontaktteile (95, 96) dienen (Fig. 9 und 10).
4. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Kontaktstück (18)
um eine zur gemeinsamen Längsachse der Kontaktstücke senkrechte Achse (55) schwenkbar ist
und daß im eingeschalteten Zustand Kontaktfinger (26, 26 a) der beiden Kontaktsücke (17,18)
miteinander in Berührung stehen (F i g. 6 und 7).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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