EP0149061B1 - Vakuumschalter für den Niederspannungsbereich, insbesondere Niederspannungsschütz - Google Patents

Vakuumschalter für den Niederspannungsbereich, insbesondere Niederspannungsschütz Download PDF

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EP0149061B1
EP0149061B1 EP84114144A EP84114144A EP0149061B1 EP 0149061 B1 EP0149061 B1 EP 0149061B1 EP 84114144 A EP84114144 A EP 84114144A EP 84114144 A EP84114144 A EP 84114144A EP 0149061 B1 EP0149061 B1 EP 0149061B1
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vacuum switch
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vacuum
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insulator
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Edwin Gemmel
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66Vacuum switches
    • H01H33/662Housings or protective screens
    • H01H33/66261Specific screen details, e.g. mounting, materials, multiple screens or specific electrical field considerations

Definitions

  • the invention relates to a vacuum switch for the low-voltage range, in particular a low-voltage contactor, consisting of a vacuum interrupter with a switching chamber and a first contact piece fixed therein, and a movable power supply bolt with a second contact piece, the vacuum interrupter having an annular insulator and this on the vacuum side opposite the contact pieces is covered by a shield designed as a concentric hollow cylinder, the axial length of which is at least 1.5 times the length of the annular insulator.
  • a vacuum switch is known from SU-A-153 318.
  • Each switch contains a high-resistance insulating section that should not change during the entire life of the switch.
  • dust and water vapor and the like can deposit on the insulator on the outside, while metal vapor from the evaporating contact material can deposit on the vacuum-side surface and thus impair the insulating ability of the insulator.
  • Shields are therefore required on the vacuum side of the insulators to prevent metal vapor condensation; Depending on the applied voltage, such shields can sometimes be structurally complex.
  • Low-voltage switches require only comparatively small insulation paths for electrical isolation due to the low nominal voltage;
  • isolator shapes that have a radial isolating section are therefore used.
  • DE-B-1 957 829 describes a low-voltage vacuum switch in which a circular disk-shaped insulator is arranged between the fixed contact and the cylindrical housing, which is provided on the vacuum side with a lid-shaped, conically extending shield.
  • the insulator forms part of the switching chamber as the entire hollow cylinder and the shield is formed by a further concentric hollow cylinder arranged therein.
  • This hollow cylinder which has a smaller height than the insulator, largely encloses the contact area with the rigid and the movable contact bolt.
  • Other vacuum switches also have shields made up of several individual parts.
  • the aim is to make the isolator section as short as possible.
  • only a partial area of the switching tube is made of ceramic, for which purpose essentially annular elements can be used, as can be seen, for example, from SU-A-153 318.
  • the object of the invention is therefore to provide a simple shield in vacuum switches with short insulator distances, which has sufficient effectiveness over the entire life of the switch.
  • the annular insulator is made of ceramic material and is connected on one side to a bellows surrounding the movable current-carrying pin and extending the vacuum switching tube, and in that the outer circumference of the shielding cylinder has a radial distance from the inner circumference of the annular insulator and from the inner one Has circumference of the bellows, which is between 0.5 and 3 mm.
  • the shielding cylinder is advantageously attached to the side of the annular insulator facing the switching chamber and has a tubular extension in order to adapt to the diameter of the switching chamber.
  • the length of the shielding cylinder is dimensioned so that the distance to the base plate of the switching tube, which is at electrical counter potential, is at least as large as the burn-off to be expected during the entire service life of the contact pieces, which causes an axial reduction in the length of the switching tubes.
  • the distance between the shielding cylinder and the base plate is greater than the change in length resulting from the erosion.
  • the shielding cylinder is thus arranged as close as possible to the annular insulator and associated bellows within the vacuum switching tube, but the outer circumference of the shielding cylinder is still at a sufficient distance from the inner periphery of the annular insulator. This ensures that, on the one hand, no contact can occur even when the manufacturing tolerances are taken into account and that, on the other hand, the gap is smaller than the expected free path lengths of the evaporation particles from the switching path between the contact pieces. It is therefore possible to use an insulator which is comparatively short for the low-voltage application, the axial length of the shield in conjunction with the narrow gap ensuring that the ceramic ring is not vaporized during the entire service life of the switch and thus the switching capacity is not impaired.
  • a vacuum switch for low-voltage systems can be constructed comparatively easily with the shielding according to the invention, so that production is inexpensive.
  • the figure shows a sectional view of a vacuum switch constructed according to the invention.
  • 1 denotes the entire vacuum switching tube. It consists in particular of a pot-like part 2 as a switching chamber, to which a first power supply bolt 3 with a contact piece 4 lying in the switching chamber 2 is fixedly attached.
  • a metallic bellows 6 which can be moved in the axial direction, is vacuum-tightly attached to a base plate 5 and is connected to the switching chamber 2 via an annular insulator 8.
  • attachment rings 7 made of such material are used, which have thermal expansion properties that they can be vacuum-tightly connected on the one hand to metal and on the other hand to ceramic.
  • a contact pin 9 is inserted, which carries a switching piece 10 at its upper end.
  • the hollow cylinder 11 Concentric to the annular insulator 8 with the length s; there is a hollow cylinder 11 in the switching chamber with which the insulator is shielded from the switching contacts.
  • the hollow cylinder 11 has on its upper, i.e. in the figure, the end facing the switching contacts, a tubular extension, so that a cap 12 is formed, which enables attachment to the switching chamber 2.
  • the cap 12 is soldered to parts 2 and 7.
  • the shield cylinder 11 1 compared to the length s; of the annular insulator, for example, three times the length. However, it must have at least 1.5 times the length of the annular insulator 8, the upper limit of the length being such that the distance s a to the base plate 5 of the switching tube is at least as great as that to be expected during the entire service life of the contact pieces axial erosion.
  • gap d that is as narrow as possible, which is smaller than the free path lengths of the evaporating particles.
  • the manufacturing tolerances must be taken into account, so that due to the expected out-of-roundness, e.g. in the case of the ring-shaped insulators, no electrically conductive connection can arise through the shielding cylinder.
  • a gap width d in the range of 0.5 mm has proven to be practical and suitable.

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  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumschalter, für den Niederspannungsbereich, insbesondere Niederspannungsschütz, bestehend aus einem Vakuumschaltrohr mit Schaltkammer und einem darin fest angeordneten ersten Kontaktstück sowie einem demgegenüber beweglichen Stromzuführungsbolzen mit zweitem Kontaktstück, wobei das Vakuumschaltrohr einen ringförmigen Isolator aufweist und dieser vakuumseitig gegenüber den Kontaktstücken von einer als konzentrischer Hohlzylinder ausgebildeten Abschirmung abgedeckt ist, deren axiale Länge wenigstens das 1, 5fache der Länge des ringförmigen Isolators beträgt. Ein derartiger Vakuumschalter ist aus der SU-A-153 318 bekannt.
  • Jeder Schalter enthält eine hochohmige Isolierstrecke, die sich während der gesamten Lebensdauer des Schalters nicht verändern soll. Bei Vakuumschaltern kann sich am Isolator auf der Aussenseite Staub und Wasserdampf und dergleichen, dagegen auf der vakuumseitigen Oberfläche Metalldampf aus dem verdampfenden Kontaktmaterial niederschlagen und somit die Isolierfähigkeit des Isolators beeinträchtigen. Es werden deshalb Abschirmungen auf der Vakuumseite der Isolatoren benötigt, um die Metalldampfkondensation zu verhindern; solche Abschirmungen können je nach angewendeter Spannung teilweise konstruktiv recht aufwendig sein.
  • Bei Niederspannungsschaltern werden wegen der niedrigen Nennspannung nur vergleichsweise kleine Isolierwege für die Potentialtrennung benötigt; in der Praxis werden daher neben koaxialen Isolatoren auch solche Isolatorformen verwendet, die eine radiale Isolierstrecke aufweisen. Beispielsweise wird in der DE-B-1 957 829 ein Niederspannungs-Vakuumschalter beschrieben, bei dem zwischen dem feststehenden Kontakt und dem zylinderischen Gehäuse ein kreisscheibenförmiger lsolatorangeordnet ist, welcher vakuumseitig mit einer deckelförmigen, konisch verlaufenden Abschirmung versehen ist. Bei dem aus der DE-B-2 612 129 bekannten Vakuumschalter bildet der Isolator als Teil der Schaltkammer den gesamten Hohlzylinder und die Abschirmung wird durch einen darin angeordneten weiteren konzentrischen Hohlzylinder gebildet. Durch diesen, eine kleinere Höhe als der Isolator aufweisenden Hohlzylinder wird der Kontaktbereich mit dem starren und dem demgegenüber beweglichen Kontaktbolzen weitgehend umschlossen. Andere Vakuumschalter weisen auch aus mehreren Einzelteilen aufgebaute Abschirmungen auf.
  • Aus Kostengründen wird angestrebt, die Isolatorstrecke möglichst kurz auszubilden. In Abweichung vom beschriebenen Stand der Technik wird nur ein Teilbereich des Schaltrohres aus Keramik ausgebildet, wozu sich im wesentlichen ringförmige Elemente verwenden lassen, wie sie beispielsweise aus der SU-A-153 318 ersichtlich sind.
  • Wenn auch kurze Isolatoren elektrisch für den Niederspannungsbereich ausreichen, so sind trotzdem bestimmte Anforderungern bezüglich der Abschirmungen zu erfüllen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass insbesondere bei Anwendung von Schaltröhren als Schütze für den Niederspannungsbereich besonders hohe Schaltzahlen von beispielweise einigen Millionen Schaltspielen gefordert werden. Dabei können bei den bisher üblichen Abschirmungen im Laufe der Zeit immer noch einzelne Metalldampf-Moleküle durch mehrfache Reflexionen zum Isolator gelangen, dort kondensieren und somit einen elektrisch leitenden Belag bilden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei Vakuumschaltern mit kurzen Isolatorstrecken eine einfache Abschirmung zu schaffen, die über die gesamte Lebensdauer des Schalters eine hinreichende Wirksamkeit hat.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der ringförmige Isolator aus Keramikmaterial besteht und an einer Seite mit einem den beweglichen Stromführungsbolzen umgebenden, das Vakuumschaltrohr verlängernden Federbalg verbunden ist und dass der äussere Umfang des Abschirmzylinders einen radialen Abstand vom inneren Umfang des ringförmigen Isolators und vom inneren Umfang des Federbalges aufweist, der zwischen 0,5 und 3 mm beträgt.
  • Bei der Erfindung ist der Abschirmzylinder vorteilhafterweise an der zur Schaltkammer weisenden Seite des ringförmigen Isolators angebracht und weist zur Anpassung an den Durchmesser der Schaltkammer eine rohrstückförmige Erweiterung auf. Die Länge des Abschirmzylinders ist dabei so bemessen, dass der Abstand zur Grundplatte des Schaltrohres, die auf elektrischem Gegenpotential liegt, wenigstens so gross ist wie der während der gesamten Lebensdauer der Kontaktstücke zu erwartende Abbrand, der eine axiale Längenverkürzung der Schaltrohre bewirkt. Dadurch ist der Abstand des Abschirmzylinders zur Grundplatte grösser als die sich durch den Abbrand ergebende Längenänderung.
  • Der Abschirmzylinder ist also innerhalb des Vakuumschaltrohres möglichst nah am ringförmigen Isolator und zugehörigem Federbalg angeordnet, wobei aber der äussere Umfang des Abschirmzylinders noch einen ausreichenden Abstand vom inneren Umfang des ringförmigen Isolators hat. Somit ist gewährleistet, dass einerseits auch bei Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen kein Berührungsschluss entstehen kann und dass andererseits der Spalt kleiner als die zu erwartenden freien Wegelängen der Verdampfungsteilchen aus der Schaltstrecke zwischen den Kontaktstücken ist. Es kann daher ein für die Niederspannungsanwendung vergleichsweise kurzer Isolator verwendet werden, wobei durch die axiale Länge der Abschirmung in Verbindung mit dem engen Spalt sichergestellt ist, dass während der gesamten Lebensdauer des Schalters der Keramikring nicht bedampft und damit das Schaltvermögen nicht beeinträchtigt wird.
  • Insgesamt lässt sich ein Vakuumschalter für Niederspannungsanlagen mit der erfindungsgemässen Abschirmung vergleichsweise einfach aufbauen, so dass die Herstellung kostengünstig ist.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbin- dung mit den Ansprüchen.
  • Die Figur zeigt in Schnittdarstellung einen gemäss der Erfindung aufgebauten Vakuumschalter.
  • In der Figur bezeichnet 1 das gesamte Vakuumschaltrohr. Es besteht im einzelnen aus einem topfartigen Teil 2 als Schaltkammer, an dem ein erster Stromzuführungsbolzen 3 mit in der Schaltkammer 2 liegenden Kontaktstück 4 fest angebracht ist. Gegenüberliegend ist an einer Grundplatte 5 ein in axialer Richtung bewegbarer metallischer Federbalg 6 vakuumdicht angebracht, welcher mit der Schaltkammer 2 über einen ringförmigen Isolator 8 verbunden ist. Zur Herstellung der vakuumdichten Verbindung zwischen Metall- und Isolatorteilen werden dabei jeweils Ansatzringe 7 aus solchem Werkstoff verwendet, welche thermische Ausdehnungseigenschaften haben, dass sie sich einerseits mit Metall und andererseits mit Keramik vakuumdicht verbinden lassen. In der Grundplatte 5 ist ein Kontaktbolzen 9 eingefügt, der an seinem oberen Ende ein Schaltstück 10 trägt.
  • In der Figur ist der Schalter im geschlossenen Zustand dargestellt.
  • Konzentrisch zum ringförmigen Isolator 8 mit der Länge s; befindet sich in der Schaltkammer ein Hohlzylinder 11, mit dem der Isolator gegenüber den Schaltkontakten abgeschirmt ist. Dabei weist der Hohlzylinder 11 an seinem oberen, d.h. in der Figur den Schaltkontakten zugewandten Ende, eine rohrförmige Erweiterung auf, so dass eine Kappe 12 gebildet wird, welche die Befestigung an der Schaltkammer 2 ermöglicht. Die Kappe 12 ist mit den Teilen 2 und 7 verlötet.
  • Der Abschirmzylinder 11 1 hat gegenüber der Länge s; des ringförmigen Isolators beispielsweise die dreifache Länge. Er muss jedoch wenigstens die 1,5fache Länge des ringförmigen Isolators 8 haben, wobei der obere Grenzwert der Länge so bemessen ist, dass der Abstand sa zur Grundplatte 5 des Schaltrohres wenigstens so gross ist, wie der während der gesamten Lebensdauer der Kontaktstücke zu erwartende axiale Abbrand beträgt.
  • Zwischen der Aussenwand des Abschirmzylinders 11 und der Innenwand des ringförmigen Isolators 8 bzw. des Metallbalges 6 soll ein möglichst enger Spalt d bestehen, der kleiner ist als die freien Weglängen der verdampfenden Teilchen. Allerdings sind die Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen, so dass durch die zu erwartenden Unrundheiten, z.B. bei den ringförmigen Isolatoren, keine elektrische leitende Verbindung durch den Abschirmzylinder entstehen kann. Eine Spaltbreite d im Bereich von 0,5 mm hat sich als praktikabel und geeignet erwiesen.
  • Dauerversuche haben ergeben, dass mit dem vergleichsweise einfachen Aufbau der Abschirmung bereits alle Anforderungen der Praxis erfüllt sind. Auch bei Schaltspielen von mehreren Millionen war die Keramik nicht bedampft und das Schaltvermögen noch voll gewährleistet. Es lässt sich somit ein kostengünstiger Vakuumschalter für Niederspannung aufbauen.

Claims (3)

1. Vakuumschalter für den Niederspannungsbereich, insbesondere Niederspannungsschütz, bestehend aus einem Vakuumschaltrohr (1) mit Schaltkammer (2) und einem darin fest angeordneten ersten Kontaktstück (4) sowie einem demgegenüber beweglichen Stromführungsbolzen (9) mit zweitem Kontaktstück (10), wobei das Vakuumschaltrohr (1) einen ringförmigen Isolator (8) aufweist und dieser vakuumseitig gegenüber den Kontaktstücken (4, 10) von einer als konzentrischer Hohlzylinder (11) ausgebildeten Abschirmung abgedeckt ist, deren axiale Länge wenigstens das 1,5fache der Länge (Sj) des ringförmigen Isolators beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Isolator (8) aus Keramikmaterial besteht und an einer Seite mit einem den beweglichen Stromführungsbolzen (9) umgebenden, das Vakuumschaltrohr (1) verlängernden Federbalg (6) verbunden ist und dass der äussere Umfang des Abschirmzylinders (11) einen radialen Abstand (d) vom inneren Umfang des ringförmigen Isolators (8) und vom inneren Umfang des Federbalges (6) aufweist, der zwischen 0,5 und 3 mm beträgt.
2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmzylinder (11) an der zur Schaltkammer (2) weisenden Seite des ringförmigen Isolators (8) angebracht ist und zur Anpassung an den Durchmesser der Schaltkammer (27 eine rohrstückförmige Erweiterung (12) aufweist.
3. Vakuumschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Abschirmzylinders (11) von der Befestigungsseite am ringförmigen Isolator (8) ausgehend parallel zum Federbalg (6), der durch eine Grundplatte (5) abgeschlossen ist, so bemessen ist, dass der Abstand (Sa) zur Grundplatte (5) wenigstens so gross ist wie die sich während der gesamten Lebensdauer der Kontaktstücke (4, 10) durch den Abbrand ergebende Längenänderung.
EP84114144A 1983-12-05 1984-11-22 Vakuumschalter für den Niederspannungsbereich, insbesondere Niederspannungsschütz Expired EP0149061B1 (de)

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EP0149061A1 EP0149061A1 (de) 1985-07-24
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