DE2658091A1 - Vakuumschalter - Google Patents

Description

"Vakuumschalter"

Die Efindung bezieht sich auf einen Vakuumschalter und insbesondere auf einen derartigen Vakuumschalter, der scheibenförmige Kontaktstücke vorwiegend aus Beryllium aufweist und ein hohes Stromführungsvermögen für kontinuierliche Ströme hat, das dicke dicke Kontaktstäbe erfordert, um die scheibenförmigen Beryllium-Kontakte zu haltern.

Ein Vakuumschalter mit scheibenförmigen Kontaktstücken aus Beryllium kann außergewöhnlich hohe Ströme unterbrechen. Aber Beryllium, das für eine derartige Belastung geeignet ist, ist äußerst teuer und es ist deshalb wichtig, daß aie scheibenförmigen Kontaktstücke so klein wie möglich sind, um deren Kosten auf einen vernünftigen Wert zu begrenzen. Deshalb sollte jedes Kontaktstück dünn sein und einen relativ kleinen Durchmesser aufweisen. Damit stellt sich ein Problem bei einem Vakuumschalter für hohe kontinuierliche Ströme (beispielsweise in der Nähe von J 000 Ampere), die dicke Kontaktstäbe zur Halterung der scheiben füfrniisen K&nfeakfcstUpfco haben. Di&se diäk&n KootfcfctBfciibe Können

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einen Durchmesser haben, eier größer als die hälfte des Durcnmessers der zugehörigen scheibenförmigen Kontaktstücke ist.

Dieses Problem besteht darin, daß, wenn zwischen den Kontaktstücken während der Unterbrechung eines hohen Stromes ein Lichtbogen gebildet wird, eine Tendenz für einen Lichtbogenfußpunkt besteht, von seinem zugehörigen Kontaktstück wegzulaufen und auf den dicken, das Kontaktstück tragenden Kontaktstab überzuspringen, der üblicherweise als einem anderen Metall als Beryllium besteht. Ein derartiger Fall kann aas Unterbrechungsvermögen aes Schalters ernsthaft beeinträchtigen, da der Lichtbogenfußpunkt Material des Kontaktstabes veraampft, wodurch andere Metalldämpfe als Berylliumuampf in das Lichtbogenplasma eintreten. Die Gegenwart von derartigen Fremddämpfen verkleinert das Unterbrechungsvermögen des Berylliumkontaktstücke aufweisenden Schalters .

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vakuumschalter für Nenngleichstrorr. von mehreren Tausend Ampere zu schaffen, bei dem das überspringen aes Lichtbogens vom Kontaktstück auf aen Kontaktstab verhindert ist.

Der Schalter gemäß aer Erfindung umfaßt ein Paar scheibenförmige Kontaktstücke, die vorwiegend aus Beryllium bestehen und für einen Eingriff miteinander relativ zu_einander bewegbar sina, und ein Paar leitfähige Kontaktstäbe, auf deren Innenenaen die Kontaktstücke auf entsprechende Weise angebracht sind. Die Befestigung für jedes Kontaktstück umfaßt ein Stützteil mit kegelstumpfförmiger, im allgemeinen konischer Form, die erstens eine Basis mit einem vorbestimmten Durchmesser, die an dem Innenende des zugehörigen Kontaktstabes befestigt ist, und zweitens ein gegenüberliegendes Ende mit einem im Vergleich zum Basisaurchmesser relativ kleinen Durchmesser aufweist, der an dem scheibenförmigen Kontaktstück befestigt ist. Jedes scheibenförmige Kontaktstück ragt radial nach außen über den Außenumfang des gegenüberliegenden Endes aes zugehörigen Stützteiles hinaus.

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Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 ist eine weitgehend im Schnitt dargestellte Seitenansicht und zeigt einen Vakuumschalter gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfi idung.

Figur 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Figur 1.

In Figur 1 ist ein Vakuumschalter gezeigt, der eine stark evakuierte Ummantelung 10 mit einem rohrförmigen Gehäuse 12, das vorwiegend aus Isoliermaterial besteht₃ und zwei metallischen Endkappen 14 und 15 'aufweist, ale an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses angeordnet und durch eine vakuumdichte Dichtung 16 mit diesem verbunden sind. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel umfaßt das rohrfürmige Genäuse 12 zwei rohrförmige Abschnitte 20a und 20b, die vorwiegend aus Isoliermaterial bestehen und durch ein rohrförmiges metallisches Mittelband 21 miteinander verbunden sind, dessen gegenüberliegenden Enden mit den rohrförmigen Abschnitten 20a und 20b abgedichtet sind.

Innerhalb des Gehäuses 12 sind zwei trennbare scheibenförmige Kontaktstücke 22 und 2*1 angeordnet. Das Kontaktstück 22 ist ein feststehendes Kontaktstück, das an einem feststehenden leitfähigen Kontaktstab 25 befestigt ist, der in abgedichteter Relation durch die obere Endkappe 15 hindurchführt. Das Kontaktstück 24 ist ein bewegbares Kontaktstück, das auf einem bewegbaren Kontaktstab 26 gehaltert ist, der frei durch die untere Endkappe 14 hindurchführt. EinjTlexibler Faltenbalg 28 aus Metall ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit der Endkappe 14 und dem Kontaktstab 26 verbunden und bildet eine vakuumdichte Dichtung um den bewegbaren Kontaktstab 26 herum, so daß dieser axial bewegbar ist, ohne das Vakuum innerhalb der evakuierten Ummantelung 10 zu beeinträchtigen.

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Line kappenfüradge Abschirmung 29 aus Metall, die an dem bewegbaren Kontaktstab 25 befestigt ist, umgibt den Faltenbalg 28, um diesen vor aen heißen Lichtbogenprodukten zu schützen, und sie bilaet auch eine elektrostatische Abschirmung für den Faltenbalg.

Die zwei metallischen Lndkappen sind elektrisch mit den Kontaktstäben verbunden, die auf entsprechende Weise durch die Kappen hindurchführen. Die·Verbindung zwischen der Endkappe und dem Kentaktstab 25 ist eine gelötete Verbindung, und die Verbindung zwischen der Endkappe 14 und dem bewegbaren Kontaktstab 26 erfolgt durch eine geeignete flexible Litze, die schematisch bei 31 gezeigt ist.

Die öffnung des Schalters wird dadurch herbeigeführt, daß der bewegbare Kontaktstab 26 nach unten gedrückt wird, um die Kontaktstücke 24 und 22 zu trennen. Dies bildet einen Lichtbogenspalt zwischen den Kontaktstücken, über eiern ein Lichtbogen gezogen wird. Über diesen Lichtbogen fließt ein Strom bis zu

etwa dem Zeitpunkt, zu dem ein natürlicher Strom-Nul] durch-

gang auftritt, und dann wird der Lientbogen durch die hohe dÜLektrische Festigkeit des Vakuums an einer Rückzündung gehindert.

Um die durch den Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe zu kondensieren, ist eine rohrförmige Mittelabschirmung 30 aus Metall um die Lichtbogenstrecke herum vorgesehen. Dise Abschirmung 30 ist normalerweise von beiden Kotaktstücken 22 und 24 elektrisch isoliert. Sie weist einen radial nach außen verlaufenden Befestigungsflansch 32 auf, der auf geeigneter Weise auf dem metallischen Mittelband 21 gehaltert ist. Die durch den Lichtbogen aus der Funkenstrecke emittierten Metalldämpfe werden aufgefangen und durch die Abschirmung 30 kondensiert. Dies ist eine Hilfe für den Schalter bei der Wiedergewinnung seiner dielektrischen Festigkeit bei einem Nulldurchgang des Stromes und schützt weiterhin das Isoliergehäuse davor, von

die

Metallpartikelchen überzogen zu werden., sich aus dem Metalldämpfen abscheiden.

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Um die Kondensierung von Metallaämpfen weiter zu unterstützen, die durch den Lichtbogen zwischen den Kontaktstücken erzeugt werden, sind ein Paar Endabschirmungen 34 und 3b an aen entgegengesetzten Enden der Ummantelung 10 vorgesehen. Jede dieser Abschirmungen ist ein rohrformiges Metallteil, das auf geeignete Weise mit seiner zugehörigen Endkappe 14 oder 15 mechanisch und elektrisch verbunden ist.

Um die elektrischen Beanspruchungen am Ende der Abschirmungen 30, 34 und 36 zu vermindern, sind übliche Entlastungsringe 38,39 und 40 an den Enden der Abschirmungen vorgesehen. Diese Ringe können dadurch gebildet werden, daß sie an den Enden umgewalzt werden, um Ringwulste mit im allgemeinen kreisförmigem Querschnitt zu bilden.

Der Vakuumschalter gemäß Figur 1 hat ein hohes Stromunterbrechungsvermögen von beispielsweise mehr als 35 000 Ampere (effektiver Unterbrechungsstrom mit einem Asymmetrie faktor bis zu maximal l,3)^Damit der Schalter derartig hohe Ströme unterbrechen kann, sind die scheibenförmigen Kontaktstücke 22 und 24 aus Beryllium hergestellt,einem Material, das ein außergewöhnliches Stromunterbrechungsvermögen aufweist.

Für diese Belastung geeignetes Beryllium ist recht teuer. Es ist deshalb wichtig, daß die scheibenförmigen Kontaktstücke möglichst klein sind, um ihre Kosten auf einen vernünftigen Wert zu begrenzen. Zu diesem Zweck wird jedes scheibenförmige Kontaktstück recht dünn gemacht und mit einem relativ kleinen Durchmesser versehen, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Um das Unterbrechungsvermögen zu erhöhen, sind in jedem Kontaktstück geeignete den Lichtbogen drehende Schlitze 45 ausgebildet, die zum Teil in Umfangsrichtung des Kontaktstückes verlaufen, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Diese Schlitze haben eine Magnetkraft zur Folge, die den Lichtbogen dreht, der bei der Trennung der Kontaktstücke gebildet wird. Diese Schlitze sollen im allgemeinen in der Weise arbeiten, wie es in den US-Patentschriften 2 949 520 und 3 522 399 beschrieben 1st. Wie aus Figur 2 deutlich wird, teilen die Schlitze 45 das Kontaktstück in Finger 46, die radial außen von den Schlitzen angeordnet sind. 7 q π ο 2 7/0294

Der Schalter mit diesen kleinen Beryllium-Kontaktstücken ist in der Lage, die erforderlichen hohen Ströme trotz der Kleinheit seiner scheibenförmigen Kontaktstücke zu unterbrechen. Aber diese Kleinheit ruft ein Problem hervor, wenn es sich um einen Vakuumschalter handelt, der für hohe kontinuierliche Netzströme von beispielsweise 3 000 Ampere vorgesehen ist. Dieses Problem hängt mit der Tatsache zusammen, daß der Schalter zum kontinuierlichen Führen derartig hoher Ströme dicke Kontaktstäbe haben muß, die einen Durchmesser haben können, der wesentlich größer als die Hälfte des Durchmessers der scheibenförmigen Kontaktstücke ist. Bei einem Ausführungsbeispiel haben die Kontaktstäbe einen Durchmesser von etwa 5 cm (2 Zoll) und die Kontaktstücke einen Durchmesser von etwa 7,5 cm (3 Zoll).

Wenn sehr hohe Ströme mit Kontaktstrukturen der hier beschriebenen Art unterbrochen werden (d.h. mit dünnen Kontaktstücken, deren Durchmesser nur wenig größer als derjenige der Kontaktstäbe ist), besteht eine Tendenz für einen Lichtbogenfußpunkt, sein zugehöriges Kontaktstück zu verlassen und von dem Kontaktstück auf den dicken Kontaktstab zu laufen. Diese Tendenz scheint durch das Vorhandensein der Schlitze 45 verstärkt zu sein, die gestatten, daß einige der heißen Lichtbogenprodukte axial zur Lichtbogenstrecke zwischen den Kontaktstücken durch die Schlitze hindurch austreten und sich entlang dem Außenumfang des Kontaktstabes bewegen. Die Schlitze 45 bilden einen relativ kleinen Widerstand für einen derartigen Austritt, da sie recht weit sind. Beispielsweise können sie bei einem Kontaktstück mit einem Durchmesser von 7/5 cm mit Fingern 46 mit einer Breite von etwa 8 mm (5/16 Zoll) etwa 5fnm (3/16 Zoll breit sein, d.h. mit anderen Worten beträgt ihre Breite mehr als die Hälfte der Breite der Finger.

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Λ-

Wenn ein Lichtbogenfußpunkt an dem Kontaktstab anhaftet, kann das Unterbrechungsvermögeη des Schalters wesentlich beeinträchtigt werden, da der Lichtbogenfußpunkt Material des Kontaktstabes verdampft, wodurch andere Metalldämpfe als Berylliumdampf in das Lichtbogenplasma eintreten. Die Gegenwart derartiger Dämpfe verkleinert das Unterbrechungsvermögen des KontaktStückes aus Beryllium aufweisenden Vakuumschalters .

Um die Chancen zu verkleinern, daß ein Lichtbogenfußpunkt einen zugehörigen Kontaktstab erreicht, sind die Kontaktstücke 22 und 24 auf ihren entsprechenden Kontaktstäben in spezieller Weise angebracht, die in der Zeichnung gezeigt ist (die zwei Befestigungen sind im wesentlichen identisch). Genauer gesagt, ist zwischen dem Innenende von jedem Kontaktstab und seinem zugehörigen Kontaktstück ein Stützteil 50 vorgesehen, das eine im wesentlichen kegelstumpfförmige, im allgemeinen konische Form hat. Das im allgemeinen konische Stützteil 50 für das Kontaktstück 24 hat eine Basis 52 mit einem relativ großen Durchmesser, die an dem Innenende des Kontaktstabes 26 befestigt ist, und ein entgegengesetztes Ende 54 mit einem relativ kleinen Durchmesser, das an dem Kontaktstück 24 befestigt ist. In dem Bereich zwischen den Enden 52 und 54 nimmt der Durchmesser des Stützteiles in Richtung auf das Innenende 54 graduell ab.

Das Stützteil 50 und der Kontaktstab 26 bestehen vorzugsweise aus Kupfer und sind an der Basis des Stützteiles durch eine geeignete Kupfer/Kupfer-Lötverbindung miteinander verbunden. Am gegenüberliegenden Ende des Stützteiles 50 wird eine andere Verbindung 53, die entweder eine Lot- oder eine Schweißverbindung sein kann, zur Befestigung des Kontaktstückes 24 an dem Stützteil verwendet. Diese Verbindung 53, von der ein spezielles Beispiel in der US-PS 3 8θ8 395 näher beschrieben ist, umfaßt einen vorwiegend aus Silber bestehenden Einsatz 57 zwischen dem Stütäeil 50 und dem Kontaktstück 24. Diese Verbindung überdeckt einen vorbestimmten Bereich auf der Rückfläche des Kontaktstückes 24, der kleiner als die Querschnittsfläche ist, die durch den Außenumfang des KontaktStabes 26 umgrenzt ist. Dies

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* 40.

ist besonders deutlich in Figur 2 gezeigt, wo der Außenumfang der Verbindung 53 durch den gestrichelten Kreis 60 und der Außenumfang des Kontaktstabes 26 durch einen viel größeren, zum Kreis 60 konzentrischen Kreis angegeben ist.

Ganz allgemein läßt sich sagen, daß, je entfernter irgendein Metall vom Außenumfang des Kontaktstückes ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein Lichtbogenfußpunkt auf dem Metall auf der Rückseite des Kontaktstückes gebildet wird oder seinen Weg um den Außenumfang des Kontaktstückes herum und zu diesem Metall seinen Weg finden wird. Die Entfernung von den Schlitzen 45 hilft also, die Wahrscheinlichkeit zu senken, daß sich ein Lichtbogenfußpunkt auf dem Stützteil befindet, da einige der heißen Lichtbogenprodukte während des Bestehens des Lichtbogens durch diese Schlitze hindurch austreten, und diese Lichtbogenprodukte, die unmittelbar benachbart zu den Schlitzen auf Metall aufprallen, fördern die Lichtbogenbildung auf dem Metall. Bezüglich der Entfernung von den Schlitzen sei bemerkt, daß der Außenumfang 60 der Verbindung 53 in einem wesentlichen Abstand radial innen von den Schlitzen angeordnet ist, wie es in Figur 2 gezeigt ist.

Wie aus E¹IgUr 2 deutlich wird, würde, wenn das Kontaktstück 24 direkt auf der Kontaktstange 26 ohne Zwischenfügung des Stützteiles 5Ü angeordnet wäre, der Außenumfang der Stange 26 viel näher am Außenumfang des Kontaktstückes 24 und den Schlitzen 45 sein, als es für den Außenumfang 60 des oberen Endes des Stützteiles 50 der Fall ist. Somit besteht eine kleinere Chance, daß ein Lichtbogenfußpunkt seinen Weg auf den Außenumfang des oberen Endes des Stützteiles findet oder auf andere Weise darauf gebildet wird. Zwar vergrößert sich das konische Stützteil 50 in Richtung auf sein unteres Ende 52, aber dieses untere Ende befindet sich In einem wesentlichen axialen Abstand von dem Kontaktstück 24. Dieser wesentliche axiale Abstand vermindert die Chancen, daß sich ein Lichtbogen auf dem unteren Ende 52 festsetzt.

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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem sich Kontaktstücke mit einem Durchmesser von etwa 7>5 cm auf Kontaktstücken mit einem Durchmesser von etwa 5 cm befinden, hat das Stützteil einen Basisdurchmesser von etwa k cm (1 5/8 Zoll) einen Durchmesser am entgegengesetzten Ende von etwa 3 cm (1 l/k Zoll) und eine Länge von etwa 1,5 cm (5/8 Zoll). Diese Abmessungen gelten selbstverständlich nur für das beschriebene Ausführungsbeispiel und können den Bedürfnissen entsprechend abgewandelt werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht nur aus den oben genannten Gründen besonders vorteilhaft anwendbar für den Schalter mit Kontaktstücken aus Beryllium, sondern auch weil ein auf Beryllium brennender Starkstrom-Lichtbogen eine relativ hohe Bogenspannung entwickelt im Vergleich zu der Bogenspannung, die beim Brennen eines Lichtbogens auf einem Material wie Kupfer entwickelt wird, aas für das Stützteil 50 geeignet ist. Es ist zwar zu berücksichtigen, daß der Lichtbogen, wenn ähnliche Kontaktmaterialien einem Vakuum-Lichtbogen ausgesetzt sind, die Tendenz hat, auf dem Material mit der kleine ren Bogenspannung zu brennen, aber die vorstehend beschriebene physikalische Relation des Stützteiles gemäß der Erfindung in bezug auf das aus Beryllium bestehende Kontaktstück wirkt dieser Tendenz auf wirksame Weise entgegen.

Um das Kondensieren von Lichtbogenprodukten zu unterstützen, sind zwei hilfsabschirmungen 62 und ü3 mit Scheibenform auf den entsprechenden Kontaktstäben 25 und 26 vorgesehen. Die Hilfsabschirmung 62 ist an dem bewegbaren Kontaktstab 26 in einer Position unterhalb des unteren Stützteiles 50 befestigt, und die Hilfsabschirmung 63 ist an dem feststehenden Kontaktstab in einer Position oberhalb des oberen Stützteiles 50 befestigt. Diese Hilfsabschirmungen 62 und 63 fangen einen großen Teil de»r axial gerichteten Lichtbogenprodukte auf und kondensieren sie, bevor sie durch die offenen Enden der Mittelabschirmung 30 austreten können.

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Le e rs e i t e

Claims (7)

1. Ansprüche:

   Vakuumschalter mit einem kontinuierlichen Stromführungsvermögen von mehreren tausend Ampere, der eine stark evakuierte Ummantelung, zwei scheibenförmige Kontaktstücke, die vorwiegend aus Beryllium bestehen, in der Ummantelung angeordnet sind und relativ zueinander in Eingriff bringbar und trennbar sind, zwei leitfähige Kontaktstäbe, deren Innenende innerhalb der Ummantelung angeordnet sind, und Befestigungsmittel umfaßt zum Befestigen der Kontaktstücke auf den Innenenden der Kontaktstäbe, dadurch gekennzeichnet , daß die Befestigungsmittel für jedes Kontaktstück (22,24) ein stützteil (50) mit einer kegelstumpfförmigen, im allgemein konischen Form aufweisen, das eine Basis mit einem vorbestimmten Durchmesser, die an dem Innenende eines zugehörigen Kontaktstabes (25, 26) befestigt 1st, und ein gegenüberliegendes Ende mit einem relativ kleinen Durchmesser im Vergleich zu demjenigen der Basis aufweist, das etwa in der Mitte des zugehörigen scheibenförmigen Kontaktstückes (22,24) befestigt ist, wobei jedes scheibenförmige Kontaktstück (22,24) radial nach außen über den Außenumfang des entgegengesetzten Endes des zugehörigen Stützteiles (50) hinausragt.
2. 2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Stützteiles (50) von der Basis zum gegenüberliegenden Ende graduell abnimmt .
3. 3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Stützteil (50) vorwiegend aus Kupfer besteht.
4. 4. Schalter nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindung zwischen jedem Stützteil (50) und seinem zugehörigen Kontaktstück (22,24) aus Beryllium einen dünnen Einsatz (57) umfaßt, der vorwiegend aus Silber besteht und zwischen dem Stützteil und seinem zugehörigen Kontaktstück angeordnet ist.

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5. 5. Schalter nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet , daß jedes Kontaktstück (22,24) Schlitze (45) aufweist zur Erzeugung von den Lichtbogen drehenden Magnetkräften, wenn zwischen den Kontaktstücken ein Lichtbogen gebildet ist, sojlaß Lichtbogenprodukte in axialer Richtung zu den Kontaktstücken durch die Schlitze hindurch austreten können, wobei das gegenüberliegende Ende des Stützteiles (50) radial innen von den Schlitzen

   (45) angeordnet ist.
6. 6. Schalter nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet , daß die Schlitze (45) in jedem Kontaktstück dieselivin Umfangsrichtung verlaufende Finger

   (46) unterteilen, die radial außen von den Schlitzen angeordnet sind, wobei die Schlitze eine Breite aufweisen, die größer als die halbe Breite der Pinger ist.
7. 7. Schalter nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet , daß das Stützteil (50) eine Länge zwischen etwa 12,5 nun und 25 nun hat.

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