DE3501603A1

DE3501603A1 - Niederspannung-hochfrequenz-vakuumschalter

Info

Publication number: DE3501603A1
Application number: DE19853501603
Authority: DE
Inventors: Roy Edward Monroeville Pa. Voshall
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1984-02-02
Filing date: 1985-01-18
Publication date: 1985-08-01
Also published as: GB2154065A; GB8501898D0

Description

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WS423P-2891

WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION

Westinghouse Building

Gateway Center

Pittsburgh, Pennsylvania 15222, U.S.A.

Niederspannung-Hochfrequenz-Vakuumsehalter

Die Erfindung betrifft einen Niederspannung-Hochfrequenz-Vakuumschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere einen derartigen Vakuumschalter, welcher in einer Druckdose angeordnet ist.

Schalter, die auf die Verwendung für Gleichspannungen beschränkt sind, sind durch die US-PS 4 216 360 und 4 216 361 bekannt.

Der Erfindung liegt jedoch die Aufgabe zugrunde, derartige Schalter für niedergespannte hochfrequente Ströme vorzusehen.

Dieses Ziel wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 erreicht.

Die Maßnahmen der Erfindung sind besonders vorteilhaft bei einem Vakuumschalter verwirklicht, bei welchem ein Keramikmantel an gegenüberliegenden Enden mit als Balg ausgebildeten Deckeln versehen ist, die mit dem Keramikmantel zusammen eine Vakuumkammer begrenzen. Innerhalb der Vakuumkammer sind Elektroden einander gegenüberliegend angeordnet und jeweils an

einem

einem Schaft befestigt, mit welchem die Elektroden relativ zueinander verschiebbar sind. Die aufeinander ausgerichteten Kontaktflächen haben zentrale, flache Bereiche und sind zum Umfang hin konisch verjüngt. In Kontaktlage liegen die flachen Bereiche aneinander an. In dem flachen Bereich ist eine topfartige Ausnehmung angebracht. Innerhalb der Vakuumkammer sind zwischen den Elektroden und dem Keramikmantel einerseits und andererseits zwischen den Elektroden und dem jeweils zugeordneten Balgdeckel Schirmbleche vorgesehen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-3 Schnitte durch drei verschiedene Ausführungsformen von Vakuumschaltern gemäß der Erfindung.

Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Vakuumschalter 10 besitzt einen Keramikmantel 12, an welchem durch Hartlöten Balgdeckel 14 und 16 über Zwischenstücke 18 hart angelötet sind. Die Balgdeckel 14 und 16 bestehen üblicherweise aus rostfreiem Stahl.

Diese Balgdeckel 14 und 16 sind ferner an mit Elektroden 24 und 26 verbundenen Schäften 20 und 22 hart verlötet und tragen die im Innern des Vakuumschalters angeordneten Elektroden, wobei in Fig. 1 diese Elektroden in geöffnetem Zustand dargestellt sind.

Die Elektroden 24 und 26 bestehen aus etwa 50 bis 80 Gewichtprozent Kupfer und etwa 20 bis 50 Gewichtprozent Chrom. Eine andere Ausführungsform der Elektroden kann aus 99,5 Gewichtprozent Kupfer und 0,5 Gewichtprozent Wismut bestehen.

In ihrer Form verlaufen die Elektroden von einem Mittelbereich, der etwa im Punkt A endet und etwa den Durchmesser des Schaftes 20 bzw. 22 hat, konisch zum äußeren Randabschnitt 34 bzw. 36.

Der Neigungswinkel WS423P-2891

Der Neigungswinkel beträgt zu der gestrichelt angedeuteten, durch die Frontfläche 30 bzw. 32 verlaufenden Ebene etwa 3° bis 5°. Dadurch wird erreicht, daß die Lichtbogenbildung, welche beim Auseinanderziehen der Elektroden entsteht, vom zentralen Bereich 38 der Elektroden weg wandert.

Im zentralen Bereich 38 der Elektroden 24 und 26 ist jeweils eine topfartige Ausnehmung 40 vorgesehen, die in die Frontflächen 30, 32 hinein verläuft. Dadurch wird erreicht, daß der Lichtbogen außerhalb des Zentrums entsteht und eine magnetische Stromschleife diesen Lichtbogen vom Zentrum weg nach außen verschiebt. Die Tiefe der Ausnehmung kann zwischen 1,6 und 3,2 mm betragen und hat einen Durchmesser von etwa 12,5 bis 25,5 mm.

In den Elektroden sind entweder spiralförmige oder blattförmige Einschnitte vorgesehen, um sicherzustellen, daß sich der Lichtbogen aufgrund der Magnetfelder verschiebt.

Die Elektroden 24 und 26 sind relativ zueinander verschiebbar, wobei üblicherweise die obere Elektrode 26 stationär und die untere Elektrode 24 mit dem Schaft 20 verschiebbar angeordnet ist und die Verschiebung durch eine auf den Schaft 20 einwirkende Vorrichtung bewirkt wird.

Wenn die Elektroden 24 und 26 auseinandergezogen werden, entsteht ein Lichtbogen im freien Spalt, der bei der beschriebenen Art von Vakuumschalter etwa 3 mm breit sein kann.

Wenn der Druck im Vakuumschalter etwa 10~³ bis 10~2 Torr beträgt und der Elektrodenhub eine Größe von etwa 3 mm hat, ergibt sich für das Produkt Druck χ Abstand ein Betrag von 3 χ 10~³ bis 3 χ 10~² mm Torr, was einer Größe entspricht, die auf der linken Seite der Paschen-Kurve liegt, so daß die Durchbruchspannung viel größer als einige kV ist. In der Tat sollte bei diesem Druckbereich und der vorgegebenen Geometrie lediglich ein Durchbruch wie in einem Vakuum entstehen.

Mit dem WS423P-2891 e,·.,, _ '~ ■— *

Mit dem Schaft 20 der Elektrode 24 ist ein Schirmblech 42 fest verbunden, das einen horizontalen Abschnitt 44 und einen vertikalen 46 hat. Entsprechend ist an dem Schaft 22 der Elektrode 26 ein zweites Schirmblech 48 befestigt, welches einen horizontalen Abschnitt 50 und einen vertikalen Abschnitt 52 umfaßt. Die Schirmbleche befinden sich jeweils auf dem selben elektrischen Potential wie der Schaft, an welchem sie befestigt sind, d.h., auf dem selben elektrischen Potential wie die zugeordnete Elektrode.

Die Schirmbleche dienen dem Zweck, von den Elektroden verdampftes Material an einer Ablagerung auf Oberflächen im Innern des Schalters, insbesondere auf dem Keramikmantel 12 und dem Balgdeckel 14 und 16 zu verhindern, wenn beim Öffnen und Schließen Lichtbogen entstehen. Ferner sollen die Schirmbleche davor schützen, daß der Lichtbogen selbst irgendwelche Teile des Schalters beschädigt.

Der vertikale Abschnitt 46 des Schirmbleches 42 erstreckt sich vom horizontalen Abschnitt 44 aus bis zu einer Ebene 51 nach oben, die zumindest in der Ebene 52 liegt, welche durch die Kante des Randabschnittes der oberen Elektrode 26 verläuft, wenn diese die Öffnungsposition einnimmt. Entsprechend gilt für die Ebene 54 am vorderen Ende des vertikalen Abschnittes 52 des zweiten Schirmes 48, daß diese zumindest in einer horizontalen Ebene 46 verläuft, die von der Elektrode 24 mit dem äußeren Randabschnitt im geöffneten Zustand der Elektroden eingenommen wird.

Aus Fig. 1 kann man entnehmen, daß sich aufgrund dieser Anordnung die vertikalen Abschnitte der beiden Schirmbleche überlappen. Unabhängig von der Position der Elektroden und unabhängig davon, ob sie geöffnet oder geschlossen sind. Dadurch muß ein Lichtbogen, wenn er sich horizontal nach außen verschiebt, einen etwa S-förmigen Pfad durchlaufen, bevor er den Außenbereich der Abschirmung und damit den Keramikmantel 12 oder die Balgdeckel 14, 16 erreichen würde. Der Abstand des Randabschnittes 34 der Elektrode 24 zum vertikalen Abschnitt 46 der Abschirmung 42 ist etwa gleich dem Elektrodenhub oder größer als zwei mal dem Elektrodenhub entspricht, wobei man unter dem Elektrodenhub denjenigen Abstand versteht, der sich als Spalt zwischen den Elektroden im völlig geöffneten Zustand einstellt.

Der Abstand

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'BAD.

Der Abstand zwischen dem vertikalen Abschnitt 46 des Schirmbleches 42 und dem vertikalen Abschnitt 52 des Schirmbleches 48 ist etwa gleich oder größer als das 1,5-fache des Elektrodenhubs.

Der Abstand zwischen den Elektroden und den vertikalen Abschnitten der beiden Schirmbleche stellt sicher, daß die Lichtbogenbildung nur zwischen den Elektroden 24 und 26 auftritt und nicht zwischen den Abschirmungen, wenn die Elektroden geöffnet bzw. geschlossen werden.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform eines Vakuumschalters 110 für niedergespannte und hochfrequente Ströme gemäß der Erfindung dargestellt, lh diesen Vakuumschalter sind der Keramikmantel und die Balgdeckel sowie die Elektroden und ihre Schäfte in der selben Weise ausgeführt wie in Fig. 1, und daher auch mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der Vakuumschalter 110 hat eine abweichende Abschirmung, welche aus einem ersten Schirmblech 60 besteht, das mit dem Keramikmantel 12 über ein Zwischenstück 62 hart verlötet ist. Ferner ist ein zweites Schirmblech 64 vorgesehen, daß am Keramikmantel 12 über ein Zwischenstück 66 angelötet ist. Die beiden Schirmbleche 60 und 64 erstrecken sich von der Anlötstelle am Keramikmantel zu Innenbereichen 68 und 70, welche etwa in der Mitte zwischen dem Randabschnitt 34 bzw. 36 der Elektroden 24 und 26 und dem jeweils zugeordneten Schaft 20 bzw. 24 liegt. Diese Abschirmbleche 60 und 64 verhindern, daß Metalldampf oder von den Elektroden sich ablösende Teilchen während der Lichtbogenbildung die Balgdeckel 14 und 16 beschädigen bzw. auf diesen sich ablagern können.

Eine weitere Abschirmung 72 in Form eines umlaufenden Rohrabschnittes ist mit dem Schirmblech 60 verschweißt und erstreckt sich vertikal nach unten bis zu einem Bereich 74, der zumindest in der Ebene der Bodenfläche 76 der Elektrode 24 im geöffneten Zustand verläuft. Diese Abschirmung 72 soll den Keramikmantel 12 vor Beschädigungen und Metallablagerungen bzw. Metalldämpfen schützen.

Die Vakuumschalter WS423P-2891

Die Vakuumschalter gemäß den Fig. 1 und 2 sind in der Lage, Ströme bis in eine Größenordnung von über 7 kA zu schalten.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Vakuumschalters 210 dargestellt, der ebenfalls in der Lage ist, Ströme bis zumindest 7 kA zu handhaben. Bei dieser Ausführungsform des Vakuumschalters sind die Balgdeckel und der Keramikmantel sowie die Elektroden und die zugehörigen Schäfte wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ausgeführt und daher auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei den anderen Ausführungsformen unterscheidet sich dieser Vakuumschalter durch die Abschirmung. Diese besteht aus einem Schirmblech 80, das am Schaft 22 befestigt ist und horizontal nach außen verläuft und etwa den Durchmesser der Elektrode 26 hat. Dieses Schirmblech 80 schützt den Balgdeekel 16 vor den Metalldämpfen und Teilchen, welche durch Lichtbogen abgesprüht werden. Ein zweites Schirmblech 82 ist mit dem Schaft 20 fest verbunden und besteht aus einem horizontalen Abschnitt 84, an welchen ein vertikaler Abschnitt 86 anschließt. Dieser horizontale Abschnitt 84 erstreckt sich vom Schaft 20 aus nach außen, und zwar bis zu einem Bereich, der sieherstellt, daß der vertikale Abschnitt 26 zumindest zweimal dem Hubabstand zwischen den Randabschnitten 34 und 36 der Elektroden 24 und 26 entspricht. Dabei verläuft dieser vertikale Abschnitt senkrecht zum horizontalen Abschnitt und koaxial zum Keramikmantel.

Nach oben verläuft der vertikale Abschnitt 66 des Schirmbleches 62 etwa so weit, daß die vordere Kante in einer Ebene 90 endet, die zumindest durch den Mittelbereich 94 des Randabschnittes 36 der Elektrode 26 verläuft, wenn diese in völlig geöffneter Position ist. Der horizontale Abschnitt 84 des Schirm— bleches 82 schützt den Balgdeekel 14, und der vertikale Abschnitt 86 den Keramikmantel 12. Wie bereits erwähnt, kann mit einer derartigen Konfiguration der Abschirmung ein Wechselstrom von mindestens 7 kA geschaltet werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Vakuumschalter zum Schalten von niedergespannten und hochfrequenten Strömen mit einem Vakuumbehälter aus einem Keramikmantel und daran stirnseitig hart angelöteten Balgdeckel, durch welche Schäfte verlaufen, die im Innern des Vakuumbehälters angeordnete, axial aufeinander ausgerichtete und relativ zueinander verschiebbare Elektroden tragen, wobei die Elektroden aus einem flachen, zentralen Kontaktbereich aus konisch nach außen zu einem Randbereich verlaufen, und der zentrale Kontaktbereich mit einer topf artigen Ausnehmung versehen ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß innerhalb des Vakuumschalters (10, 110, 210) zwischen dem Keramikmantel (12) und den Balgdeckeln (14, 16) Schirmbleche (42, 48; 60, 64, 72; 80, 86) angeordnet sind.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ein erstes Schirmblech aus einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Abschnitt (44; 84) und einem im wesentlichen vertikal verlaufenden Abschnitt (46; 86) verläuft, die senkrecht zueinander angeordnet sind.

3. Vakuumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der horizontal verlaufende Abschnitt am die Elektrode (34) tragenden Schaft (20) befestigt ist und die Elektrode mit dem vertikal verlaufenden

Abschnitt in einem Abstand umfaßt der zumindest gleich dem Zweifachen des Öffnungshubs der beiden Elektroden ist.

4. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Schirmblech (48) mit einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Abschnitt (50) und einem vertikal verlaufenden Abschnitt (53) vorgesehen ist, dessen horizontal verlaufender Abschnitt mit dem die Elektrode (26) tragenden Schaft (22) fest verbunden ist und dessen vertikaler Abschnitt (33) ringförmig die Elektrode (26) koaxial zum Keramikmantel (12) umgreift, und daß der vertikale Abschnitt des zweiten Schirmbleches in den Freiraum zwischen dem vertikalen Abschnitt des ersten Schirmbleches und dem Keramikmantel eingreift, wobei der horizontale Abstand vom vertikalen Abschnitt des ersten Schirmbleches zumindest etwa das 1,5-fache des Öffnungshubs der Elektroden beträgt.

5. Vakuumschalter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Abschnitte (46, 53) des ersten und zweiten Schirmbleches (42, 48) in vertikaler Richtung miteinander überlappen.

6. Vakuumschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Schirmblech aus einem horizontalen und einem vertikalen Abschnitt (84, 86) besteht, wobei der vertikale Abschnitt die eine Elektrode und einen Teil der anderen Elektrode umfaßt,

und daß das zweite Schirmblech aus einem lediglich horizontal verlaufendem, mit dem Schaft der anderen Elektrode verbundenem Abschnitt besteht.

7. Vakuumschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schirmblech aus einem am Keramikmantel befestigten Abschnitt (64) besteht, der sich bis zu einem Innenbereich (70) in der Nähe des Schaftes (20) erstreckt;

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und daß das zweite Schirmblech aus einem vom Keramikmantel aus sich erstreckenden horizontalen Abschnitt (60) besteht, der bis zu einem Innenbereich (68) in der Nähe des Schaftes (22) der anderen Elektrode verläuft, und daß ein zum Keramikmantal koaxialer vertikaler Abschnitt die beiden Elektroden umgreift und mit dem zweiten horizontalen Abschnitt elektrisch verbunden ist.

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