DE3818510A1 - Vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter mit verbesserten Elektroden zum magnetischen Steuern eines Lichtbogens, der während des Ausschaltvorganges erzeugt wird.

In Vakuumschaltern, die zum Schalten großer Ströme vorge­ sehen sind, werden herkömmlich Axialmagnetfeld-Elektroden verwendet. Diese Elektroden enthalten Elektrodenspulen, die jeweils am äußeren Ende eines Paares von Lichtbogenelektro­ den vorgesehen sind. Wenn zur Unterbrechung des Stromes eine der Lichtbogenelektroden von der anderen Lichtbogenelektrode weggezogen wird, entsteht ein Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden. Durch die Elektrodenspulen fließt ein Lichtbo­ genstrom, der den Lichtbogen unterhält, in Stäbe, die mit den Elektrodenspulen verbunden sind, wobei der durch die Elektrodenspulen fließende Strom ein paralleles (axiales) Magnetfeld erzeugt. Durch die Einwirkung dieses parallelen Magnetfeldes auf den Lichtbogen wird dieser in zahlreiche fadenförmige Lichtbögen aufgeteilt und schließlich gelöscht. Die Elektrodenspulen, die bisher bei solchen Elektrodenan­ ordnungen verwendet wurden, haben jedoch lange Strompfade und weisen damit große elektrische Widerstände auf, so daß sogar im normalen stromleitenden Zustand in den Elektroden­ spulen viel Wärme erzeugt wird. Solche Elektrodenanordnungen haben daher den Nachteil, daß um so mehr Wärme erzeugt wird, je mehr Strom geleitet wird.

In der JP-A-56-63 723 und der JP-A-56-1 18 227 wird eine Ver­ besserung dieser Axialmagnetfeld-Elektroden vorgeschlagen. Demnach wird während des normalen leitenden Zustandes der Strom durch die Lichtbogenelektroden hindurchgeführt, wäh­ rend durch die Elektrodenspulen nur beim Ausschaltvorgang Strom fließt.

Diese bekannte Elektrodenanordnung enthält eine becherförmi­ ge äußere Elektrode, die an einem feststehenden Stab ange­ bracht ist, einen beweglichen Stab, der in der äußeren Elek­ trode untergebracht ist, eine becherförmige innere Elektrode am inneren Ende des beweglichen Stabes, einen Kontakt und eine Elektrodenspule, der bzw. die jeweils an dem einen bzw. dem anderen Ende der inneren Elektrode angeordnet ist. Zwischen der inneren und der äußeren Elektrode ist ein Lichtbogenspalt ausgebildet. Wenn der bewegliche Stab auf den festen Stab zu bewegt wird, um den Kontakt in Anlage an der äußeren Elektrode zu bringen und dadurch den Schaltkreis zu schließen, fließt im Zustand der normalen Stromleitung der Strom entlang des beweglichen Stabes, der inneren Elek­ trode, dem Kontakt, der äußeren Elektrode und dem festen Stab. Wenn andererseits der bewegliche Stab in die Gegen­ richtung bewegt wird, um den Stromkreis zu unterbrechen, fließt Strom über den festen Stab, die äußere Elektrode, einem Lichtbogen über den Lichtbogenspalt zwischen der äußeren und inneren Elektrode, die innere Elektrode und die Elektrodenspule, und ein durch die Elektrodenspule erzeugtes paralleles magnetisches Feld wirkt auf den Lichtbogen paral­ lel zum Lichtbogen ein.

Diese bekannte Elektrodenanordnung hat jedoch den Nachteil, daß ihr Aufbau wegen der becherförmigen inneren und äußeren Elektroden sehr kompliziert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vakuumschalter zu schaf­ fen, dessen Aufbau einfach ist und der nur eine einzige Elektrodenspule enthält, die nur während des Ausschaltvor­ ganges Strom führt.

Diese Aufgabe wird durch einen Vakuumschalter gelöst, der zwei gegenüberliegende Stäbe, jeweils an den gegenüberlie­ genden Enden der Stäbe angebrachte Lichtbogenelektroden, eine an einem der Stäbe angebrachte und die Lichtbogenelek­ trode an diesem Stab umgebende becherförmige Elektrodenspule und einen ersten Spalt aufweist, der zwischen der Elektro­ denspule und der Lichtbogenelektrode an dem anderen Stab, der keine Elektrodenspule hat, ausgebildet ist, wobei die Größe des ersten Spaltes so gewählt ist, daß er kleiner ist als der Kontaktspalt zwischen den Lichtbogenelektroden, wenn eine der Lichtbogenelektroden zur Unterbrechung des Strom­ kreises von der anderen wegbewegt ist.

Die Größe des ersten Spaltes wird somit erfindungsgemäß der­ art gewählt, daß er kleiner ist als der Kontaktspalt zwi­ schen den Lichtbogenelektroden. Wenn eine der Lichtbogen­ elektroden von der anderen wegbewegt wird, bis der Kontakt­ spalt erreicht ist, fließt daher der Ausschaltstrom von der Elektrodenspule über den ersten Spalt zur ersten Lichtbogen­ elektrode und ruft einen Lichtbogen über den ersten Spalt hervor. Da die Richtung dieses Lichtbogens senkrecht zu der Richtung eines durch die Elektrodenspule hervorgerufenen Magnetfeldes ist, wird der Lichtbogen durch das Magnetfeld magnetisch in den ersten Spalt in der Umfangsrichtung der Lichtbogenelektrode getrieben, bis der Lichtbogen schließ­ lich gelöscht ist. Der erfindungsgemäße Vakuumschalter hat den Vorteil eines einfachen Aufbaus, da die Elektrodenspule nur an einem der Stäbe bzw. Schaltstücke vorgesehen ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Vakuumschalters wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform des Vakuumschalters;

Fig. 2 und 3 Schnittansichten der Elektrodenspule und dazu­ gehörender Teile der Ausführungsform der Fig. 1; und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 enthält der Vakuumschalter ein Vakuumgehäuse 20, das aus einem zylindrischen Teil 1 aus einem elek­ trischen Isolator, einer Abschlußplatte 2 an der festste­ henden Seite und einer Abschlußplatte 3 an der beweglichen Seite zusammengesetzt ist. Beide Abschlußplatten sind je­ weils an den Enden des zylindrischen Teils 1 befestigt. Die Abschlußplatte 3 weist eine zentrale Öffnung auf. Ein fest­ stehender Stab 5 und ein beweglicher Stab 7 sind einander gegenüber in dem Vakuumgehäuse 20 so angeordnet, daß der bewegliche Stab 7 auf den feststehenden Stab 5 zu und davon weg bewegbar ist. Eine Lichtbogenelektrode 6 der festste­ henden Seite und eine Lichtbogenelektrode 8 der beweglichen Seite sind an den einander gegenüberliegenden Enden dieser Stäbe 5 und 7 befestigt. Zwischen dem beweglichen Stab 7 und der Endplatte 3 der beweglichen Seite ist ein Balg 4 ange­ bracht, der eine axiale Bewegung des Stabes 7 erlaubt. Die axiale Bewegung des Stabes 7 relativ zu dem feststehenden Stab 5 bewirkt eine entsprechende Bewegung der Lichtbogen­ elektrode 8 auf die feststehende Lichtbogenelektrode 6 zu und davon weg, wodurch ein Stromkreis geschlossen und geöffnet wird. Eine dazwischenliegende Abschirmung 9 aus dünnem Blech ist im Vakuumgehäuse 20 vorgesehen. Am festste­ henden Stab 5 ist eine Elektrodenspule 10 angeordnet.

Die Elektrodenspule 10 hat die Form eines Bechers, so daß sowohl die feststehende Lichtbogenelektrode 6 als auch die bewegliche Lichtbogenelektrode 8 davon umgeben ist. Die Elektrodenspule 10 ist an der Oberseite der Becherform durch Hartlöten am feststehenden Stab 5 befestigt, und die beweg­ liche Lichtbogenelektrode 8 ist konzentrisch im Innenraum der becherförmigen Elektrodenspule 10 angeordnet. In der offenen oder Ausschaltstellung des Vakuumschalters besteht zwischen der feststehenden Lichtbogenelektrode 6 und der beweglichen Lichtbogenelektrode 8 ein axialer Kontaktspalt L, wie aus der Fig. 2 ersichtlich. Wie ebenfalls aus der Fig. 2 hervorgeht, ist zwischen der Elektrodenspule 10 und der beweglichen Lichtbogenelektrode 8 gegenüber der Elek­ trodenspule 10 ein erster Spalt l ausgebildet. Die Richtung dieses ersten Spaltes l ist senkrecht zu der des Kontakt­ spaltes L, und die Größen dieser Spalte L und l sind so gewählt, daß die Beziehung L<l erfüllt ist.

Ein Strom I, der zum Beispiel über den feststehenden Stab 5 in den Vakuumschalter fließt, läuft durch die feststehende Lichtbogenelektrode 6, die bewegliche Lichtbogenelektrode 8 und den beweglichen Stab 7 zu einem mit dem beweglichen Stab 7 verbundenen äußeren Leiter.

Wenn ein Ausschaltsignal an den Vakuumschalter angelegt wird, während der Strom I über den beschriebenen Weg fließt, wird der bewegliche Stab 7 durch einen (nicht gezeigten) Betätigungsmechanismus gemäß Fig. 1 nach unten bewegt, und ein Lichtbogen 11 A bildet sich, wie in Fig. 2 gezeigt, über den Spalt aus, der zwischen der beweglichen Lichtbogenelek­ trode 8 und der feststehenden Lichtbogenelektrode 6 ent­ steht. Wenn sich die bewegliche Lichtbogenelektrode 8 weiter von der feststehenden Lichtbogenelektrode 6 weg bewegt, wird der Lichtbogen 11 A schließlich gelöscht. Der Spalt, der ent­ steht, wenn der Lichtbogen 11 A schließlich gelöscht ist, ist der Kontaktspalt L.

Der erste Spalt l ist kleiner als der Kontaktspalt L. Wenn der Kontaktspalt L erreicht ist, fließt daher der Abschalt­ strom I von der Elektrodenspule 10 in die bewegliche Licht­ bogenelektrode 8, wie es durch einen Pfeil in der Fig. 2 gezeigt ist, und es entsteht über den ersten Spalt l ein Lichtbogen 11 B. Der durch die Elektrodenspule 10 fließende Strom I erzeugt ein Magnetfeld H, dessen Richtung senkrecht zu der des Lichtbogens 11 B liegt, wie es in der Fig. 3 dar­ gestellt ist. Folglich wirkt eine elektromagnetische Kraft F (Fig. 4) auf den Lichtbogen 11 B, um den Lichtbogen 11 B aus­ zulöschen, der magnetisch in die Umfangsrichtung der beweg­ lichen Elektrode 8 im ersten Spalt l getrieben wird. Der Lichtbogen kann damit durch Anbringen nur einer Elektroden­ spule 10 am feststehenden Stab 5 gelöscht werden, wodurch der Aufbau des Vakuumschalters wesentlich vereinfacht ist. Außerdem wird der als Ergebnis des Ausschaltvorganges er­ zeugte Lichtbogen in den den Spalt zwischen der feststehen­ den Lichtbogenelektrode 6 und der zugehörigen Hauptfläche der beweglichen Lichtbogenelektrode 8 überspringenden Licht­ bogen 11 A und den die Lücke zwischen der Elektrodenspule 10 und der zugehörigen Seitenfläche der beweglichen Lichtbogen­ elektrode 8 überspringenden Lichtbogen 11 B aufgeteilt. Die Gefahr einer Beschädigung der beweglichen Lichtbogenelek­ trode 8 durch Aufschmelzen aufgrund der Hitze des Licht­ bogens ist dadurch herabgesetzt und die Lebensdauer der Lichtbogenelektrode 8 erhöht.

Des weiteren ist die axiale Bewegung der beweglichen Licht­ bogenelektrode 8 auf den Bereich des Innenraumes der Elek­ trodenspule 10 beschränkt, so daß die Elektrode 8 nicht aus dem offenen Ende der Elektrodenspule 10 hervorsteht. Auch wenn der längs des Umfanges der beweglichen Lichtbogenelek­ trode 8 im ersten Spalt l magnetisch getriebene Lichtbogen 11 B von seinem Weg abweicht und aus dem ersten Spalt l nach außen läuft, fällt der Lichtbogen 11 B nicht auf die Abschir­ mung 9, da er davon durch die Elektrodenspule 10 abgehalten wird, so daß eine Beschädigung der Abschirmung 9 durch Aufschmelzen aufgrund der Hitze des Lichtbogens vermieden werden kann. Das heißt, daß die bewegliche Lichtbogenelek­ trode 8 vorzugsweise im Innenraum der Elektrodenspule 10 derart angeordnet ist, daß das äußere Ende der beweglichen Lichtbogenelektrode 8 nicht über das offene Ende der Elek­ trodenspule 10 nach außen vorsteht, so daß ein Entweichen des Lichtbogens 11 B aus dem ersten Spalt l in Richtung der Abschirmung 9 vermieden wird. Da die Elektrodenspule an dem feststehenden Stab 5 angeordnet ist, kann auch die Größe des Betätigungsmechanismusses zur Betätigung des beweglichen Stabes 7 verringert werden.

Eine Modifikation des Vakuumschalters enthält ein becherför­ miges elektrisch isolierendes Element aus zum Beispiel einem Keramikmaterial. Der feststehende Stab ist an seinem inneren Ende mit dem geschlossenen Ende dieses becherförmigen Ele­ mentes verbunden, und der der beweglichen Lichtbogenelek­ trode, die am inneren Ende des beweglichen Stabes angebracht ist, zugehörige Stromweg ist an der Innenfläche des offenen Endes des becherförmigen Elementes ausgebildet. Eine um das becherförmige Element gewickelte Spule ist mit ihrem einem Ende mit dem Stromweg verbunden und mit ihrem anderen Ende mit dem feststehenden Stab. In dieser Modifikation tritt auch dann kein Kurzschluß zwischen den Windungen der Spule auf, wenn von den Elektroden aufgrund wiederholter Schalt­ vorgänge abgegebener Metalldampf sich an der Innenfläche des becherförmigen Elementes niederschlägt.

Erfindungsgemäß ist somit eine einzige Elektrodenspule an einem der beiden Stäbe bzw. Schaltstücke vorgesehen, und durch diese Elektrodenspule fließt nur während des Abschalt­ vorganges ein Abschaltstrom. Der Aufbau des Schalters ist daher wesentlich vereinfacht.

Claims (2)

1. Vakuumschalter mit einem Vakuumgehäuse (20), einer fest­ stehenden Lichtbogenelektrode (6) und einer bewegbaren Lichtbogenelektrode (8), die einander gegenüber in dem Vakuumgehäuse angeordnet sind, mit einem feststehenden Stab (5) und einem bewegbaren Stab (7), an denen jeweils die zugehörigen Lichtbogenelektroden angeordnet sind und die sich von dem Vakuumgehäuse nach außen erstrecken, und mit einer Einrichtung zur Bewegung des bewegbaren Stabes relativ zu dem feststehenden Stab, um die bewegbare Lichtbogenelek­ trode zu der feststehenden Lichtbogenelektrode hin und davon weg zu bewegen, wodurch ein Stromkreis geschlossen und ge­ öffnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine becherförmige Elektrodenspule (10) am feststehenden Stab (5) angebracht ist, die die bewegbare Lichtbogenelek­ trode (8) umgibt, wodurch ein Spalt (l) zwischen der Spulen­ elektrode (10) und der bewegbaren Lichtbogenelektrode (8) ausgebildet wird, wobei die Größe des Spaltes (l) so gewählt ist, daß er kleiner ist als ein Kontaktspalt (L) zwischen den beiden Lichtbogenelektroden (6, 8), wenn die bewegbare Lichtbogenelektrode zum Öffnen des Stromkreises von der feststehenden Lichtbogenelektrode wegbewegt ist.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenspule (10) ein becherförmiges Element aus einem elektrischen Isolator aufweist, das mit seinem ge­ schlossenen Ende am feststehenden Stab (5) befestigt ist, wobei ein Stromweg an der Innenfläche des offenen Endes des becherförmigen Elementes ausgebildet ist und um die äußere Umfangsfläche des becherförmigen Elementes eine Spule ge­ wickelt ist, die mit ihrem einen Ende an dem Strompfad und mit ihrem anderen Ende an dem feststehenden Stab ange­ schlossen ist.