DE3532963A1 - Elektrischer schalter - Google Patents

Elektrischer schalter

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DE3532963A1 DE19853532963 DE3532963A DE3532963A1 DE 3532963 A1 DE3532963 A1 DE 3532963A1 DE 19853532963 DE19853532963 DE 19853532963 DE 3532963 A DE3532963 A DE 3532963A DE 3532963 A1 DE3532963 A1 DE 3532963A1
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Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Schalter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von elektrischen Schaltern Bezug, wie er etwa in der DE-A-25 27 326 beschrieben ist. Ein nach dem Stand der Technik ausgeführter, elektrischer Schalter weist zwei längs einer Achse miteinander in oder ausser Eingriff bringbare Abbrandkontaktstücke auf, von denen zumindest eines in koaxialer Anordnung einen längs der Achse erstreckten Kontaktträger mit einer auf dem Kontakt­ träger befestigten, kohlenstoffhaltigen Lichtbogenelek­ trode enthält. Durch eine solche kohlenstoffhaltige Licht­ bogenelektrode wird der Kontaktabbrand des betreffenden Abbrandkontaktstückes gegenüber einem metallischen Ab­ brandkontaktstück verringert. Die beim Ein- und Ausschal­ ten eines elektrischen Schalters auftretenden mechanischen Kräfte vermag ein Abbrandkontaktstück mit einer kohlen­ stoffhaltigen Lichtbogenelektrode jedoch nur sehr bedingt aufzunehmen.
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen elektrischen Schalter der gattungsgemässen Art anzugeben, dessen Abbrandkontakt­ stücke unter Beibehaltung eines geringen Kontaktabbrandes eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen.
Der erfindungsgemässe elektrische Schalter zeichnet sich bei einem geringen Kontaktabbrand durch eine hohe Schlag­ festigkeit und ein pseudoplastisches Bruchverhalten seiner Abbrandkontaktstücke aus. Hierdurch ist es möglich, die Abbrandkontaktstücke mit hoher Geschwindigkeit miteinander in oder ausser Eingriff zu bringen, ohne dass Beschädi­ gungen der miteinander kontaktierten oder voneinander getrennten, lichtbogentragenden Teile der Abbrandkontakt­ stücke zu befürchten sind.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten und die Erfindung nicht beschränkenden Ausführungsbei­ spiels näher erläutert.
Hierbei zeigt die einzige Figur eine Aufsicht auf eine axial geschnittene Ausführungsform eines als Druckgas­ schalter ausgeführten und in Hochspannungsschaltanlagen verwendeten, erfindungsgemässen elektrischen Schalters, wobei in der linken Hälfte der Zustand in der Einschalt­ position und in der rechten Hälfte der Zustand während des Ausschaltens dargestellt sind.
In Fig. 1 bezeichnet 1 ein im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildetes und etwa aus Isolierstoff bestehendes Ge­ häuse. Dieses Gehäuse 1 ist mit einem Isoliergas, wie etwa Schwefelhexafluorid von einigen bar Druck gefüllt. Es enthält zwei längs einer Achse 2 miteinander in oder ausser Eingriff bringbare Schaltstücke 3 und 4. Das Schalt­ stück 3 ist in elektrisch leitender Weise mit einem nicht dargestellten Stromanschluss verbunden und enthält einen feststehenden Nennstromkontakt 5 sowie ein feststehendes, beispielsweise vollzylindrisch ausgebildetes, Abbrand­ kontaktstück 6. Das Schaltstück 4 ist ebenfalls in elek­ trischer leitender Weise mit einem ebenfalls nicht dar­ gestellten weiteren Stromanschluss verbunden und ent­ hält einen beweglichen Nennstromkontakt 7 sowie ein be­ wegliches, beispielsweise hohlzylindrisch ausgebildetes, Abbrandkontaktstück 8. Der bewegliche Nennstromkontakt 7 trägt auf einem Teil seiner Innenfläche eine Isolierdüse 9, welche die Abbrandkontaktstücke 6 und 8 koaxial um­ gibt und welche zusammen mit dem beweglichen Abbrand­ kontaktstück 8 einen Ringkanal 10 begrenzt, durch den beim Ausschalten in einem Druckgasspeicher 11 befindli­ ches und beispielsweise durch Lichtbogenaufheizung oder mechanische Arbeit komprimiertes Isoliergas in die beim Ausschalten zwischen den beiden Abbrandkontaktstücken 6, 8 gebildete Lichtbogenzone 12 (Strömungspfeile in der rechten Hälfte der Figur) gelangt.
An den einander zugewandten und in der Einschaltposition (linke Hälfte der Figur) miteinander in Eingriff befind­ lichen freien Enden der Abbrandkontakte 6 bzw. 8 sind auf Kontaktträgern 13 bzw. 14 Lichtbogenelektroden 15 bzw. 16 angebracht.
Die Lichtbogenelektrode 15 ist als massives zylindrisches Teil ausgebildet und enthält zumindest teilweise Kohlen­ stoffasern und eine Kohlenstoffmatrix, in welche die Kohlenstoffasern eingebettet sind. Die Lichtbogenelek­ trode 15 weist eine hohe mechanische Festigkeit auf, wenn die Kohlenstoffasern in alle Raumrichtungen orien­ tiert sind oder wenn eine Schicht 17 von Kohlenstoff­ fasern vorwiegend in Umfangsrichtung um die Achse 2 auf einen Graphitkern 18 gewickelt ist. Die Lichtbogenelek­ trode 15 kann beispielsweise mittels eines Kupfer- und/ oder Silber-Hochtemperaturlotes mit einem zwischen 1 bis 10 Gewichtsprozent betragenden Gehalt mindestens eines der karbidbildenden Elemente Chrom (Co), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Vanadium (V), Niob (Nb), Tantal (Ta), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf) auf dem Kon­ taktträger 13 befestigt werden. Die Lichtbogenelektrode 15 und der Kontaktträger 13 können auch hohlzylindrisch ausgebildet sein. In diesem Fall enthält die Lichtbogen­ elektrode 15 vorzugsweise lediglich die Schicht 17 aus gewickelten und in eine Kohlenstoffmatrix eingebetteten Kohlenstoffasern. Solche Schichten 17 lassen sich bei­ spielsweise durch Wickeln nach dem filament winding-Ver­ fahren oder durch Aufwickeln eines Kohlenstoffaser-Gewebes herstellen.
Die Lichtbogenelektrode 16 ist ringförmig ausgebildet und enthält längs der Achse 2 erstreckte Kontaktfinger 19. Die Kontaktfinger 19 enthalten ebenfalls jeweils Kohlenstoffasern und eine Kohlenstoffmatrix, in welche die Kohlenstoffasern eingebettet sind. Hierbei sind die Kohlenstoffasern der Kontaktfinger 19 vorzugsweise zu­ mindest teilweise radial ausgerichtet, da hierdurch eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit zwecks leichter Abfuhr des Lichtbogenstroms und der Lichtbogen­ wärme sowie eine besonders hohe mechanische Stabilität der Lichtbogenelektrode 16, insbesondere beim Aufprall während des Einschaltens auf die Lichtbogenelektrode 15, erreicht wird. Solche radial verlaufende Kohlenstoffasern sind beispielsweise in einem Material mit dreidimensional ausgerichteten Kohlenstoffasern vorhanden, können aber auch durch Verwendung eines zweidimensionalen Kohlen­ stoffaser-Gewebes, dessen erste Faserrichtung radial zur Achse 2 und dessen zweite Faserrichtung axial oder in Umfangsrichtung verläuft, erzielt werden.
Jeder der Kontaktfinger ist auf federnd ausgebildeten Endabschnitten 20 des Kontaktträgers 14 befestigt, so dass in der Einschaltposition (linke Hälfte der Figur) eine gute Kontaktkraft zwischen den Lichtbogenelektroden 15 und 16 besteht. Die Befestigung der Kontaktfinger 19 kann entsprechend der Lichtbogenelektrode 15 durch Hochtemperaturlöten erfolgen, kann aber auch durch Lage­ rung der Kontaktfinger 19 auf Absätzen 21 bewirkt werden, welche jeweils auf einer der der Achse 2 zugewandten Innenflächen der Endabschnitte 20 des Kontaktträgers 14 angebracht sind. Die Halterung eines Kontaktfingers 19 auf einem der Absätze 21 kann, wie in der linken Hälfte der Figur angegeben ist, beispielsweise durch eine U-förmig gebogene Blattfeder 22 erfolgen, deren einer Schenkel in eine auf der Aussenseite eines der Endabschnitte 20 angebrachten Vertiefung eingeschnappt ist, und deren anderer Schenkel das dem feststehenden Abbrandkontakt 6 zugewandte freie und in Richtung auf die Achse 2 ange­ schrägte Ende des Kontaktfingers 19 hintergreift. Wie in der rechten Hälfte der Figur angegeben ist, kann die Halterung eines Kontaktfingers 19 auf einem der Absätze 21 aber auch mittels einer Schraube 23 erfolgen, welche etwa in axialer Richtung vom freien Ende des Kontakt­ fingers 19 in den Absatz 21 geführt ist.
Beim Ausschalten des Druckgasschalters wird das bewegli­ che Schaltstück 4 durch einen nicht dargestellten An­ trieb nach unten geführt. Der Antrieb kann vergleichs­ weise schwach ausgebildet sein, da die zu überwindenden Reibungskräfte zwischen den beiden in der Einschaltposi­ tion ineinandergefahrenen Abbrandkontaktstücken 6, 8 wegen des geringen Reibungskoeffizienten von Kohlenstoff auch bei hohen Kontaktdrücken gering ist.
Nach Oeffnen der Nennstromkontaktstücke 5, 7 kommutiert der abzuschaltende Strom auf einen über die Abbrandkon­ taktstücke 6, 8 verlaufende Strompfad. Nach dem Trennen der Abbrandkontaktstücke 6, 8 wird ein Schaltlichtbogen gebildet, dessen Fusspunkte sich auf den Lichtbogenelek­ troden 15, 16 befinden. Wegen der gegenüber Metallelek­ troden vergleichsweise hohen Abbrandfestigkeit von Kohlen­ stoff entstehen nur kleine Mengen an schädlichen Zer­ setzungsprodukten in der Lichtbogenzone 12, wodurch eine Verschlechterung der Löscheigenschaften des Löschgases - wie etwa durch Metalldampf bei Verwendung von Metall­ elektroden - ausgeschlossen wird. Der geringe Abbrand der Kohlenstoffelektroden ermöglicht ausserdem eine grössere Anzahl von Kurzschlussabschaltungen ohne Revision des Schalters. Bei Annäherung des abzuschaltenden Stromes an einen Nulldurchgang wird dann der Lichtbogen bei ent­ sprechendem Kontaktabstand, wie durch Strömungspfeile angegeben ist, beblasen.
Beim Einschalten werden die voneinander getrennten Ab­ brandkontaktstücke 6, 8 durch den nicht dargestellten Antrieb gegeneinander geführt. Im Zuge der Einschalt­ bewegung können die beiden Lichtbogenelektroden 15, 16 aufeinanderprallen. Ein solches Kontaktprellen ist un­ schädlich, da wegen der geeigneten Ausrichtung der Koh­ lenstoffasern deren hohe mechanische Belastbarkeit voll zum Tragen kommt.

Claims (7)

1. Elektrischer Schalter mit zwei längs einer Achse (2) miteinander in oder ausser Eingriff bringbaren Ab­ brandkontaktstücken (6, 8), von denen mindestens eines beider Abbrandkontaktstücke (6, 8) in koaxialer Anord­ nung einen längs der Achse (2) erstreckten Kontakt­ träger (13, 14) und eine auf dem Kontaktträger (13, 14) befestigte, kohlenstoffhaltige Lichtbogenelektrode (15, 16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenelektrode (15, 16) Kohlenstoffasern und eine Kohlenstoffmatrix enthält, in welche die Kohlen­ stoffasern eingebettet sind.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein überwiegender Teil der Kohlenstoffasern vor­ wiegend in Umfangsrichtung um die Achse (2) gewickelt sind.
3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffasern auf einen Graphitkern ge­ wickelt sind.
4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenelektrode (z. B. 16) von Kontakt­ fingern (19) gebildet ist, die längs der Achse (2) erstreckt auf federnd ausgebildeten Endabschnitten (20) des Kontaktträgers (16) befestigt sind und über­ wiegend in radialer Richtung ausgerichtete Kohlen­ stoffasern aufweisen.
5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (20) des Kontaktträgers (16) auf ihren der Achse (2) zugewandten Innenfläche je­ weile einen Absatz (21) aufweisen, auf dem jeweils einer der Kontaktfinger (19) gelagert ist.
6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kontaktfinger (19) mittels einer Blattfeder (22) oder einer Schraube (23) am Absatz (21) gehaltert ist.
7. Schalter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Lichtbogenelektrode (z. B. 15) mit­ tels eines Kupfer- und/oder Silber-Hochtemperatur­ lotes mit einem zwischen 1 bis 10 Gewichtsprozent betragenden Gehalt mindestens eines der karbidbilden­ den Elemente Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf auf dem Kontaktträger (z. B. 13) befestigt ist.
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