Kontaktanordnung für Vakuumschalter

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial einander gegenüber angeordneten Axialfeldkontakten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Eine derartige Anordnung ist aus der US-A-4117 238 bekannt.

[0003] Die maximale Abschaltleistung von Vakuumschaltern ist bekanntlich gegeben durch die maximalen Werte des Stromes während der Lichtbogenphase und der wiederkehrenden Spannung nach dem Abreißen des Lichtbogens und kann durch ein zur Richtung des Lichtbogenstromes paralleles Magnetfeld günstig beeinflußt werden. Eine Kontraktion des Lichtbogens, die zum Ansteigen der Lichtbogenspannung und des mit dieser Spannung verbundenen Leistungsumsatzes führt, kann durch ein koaxiales Magnetfeld im Bereich des Lichtbogens zwischen den geöffneten Kontakten verhindert werden. Zu diesem Zweck kann bei diesen sogenannten Axialfeldkontakten eine die Schaltkammer zylindrisch umschliessende Spule vorgesehen sein. Sie liegt mit den Schaltkontakten elektrisch in Reihe und baut ein vom Strom abhängiges axiales Magnetfeld auf, das den Spalt zwischen den koaxialen Kontakten in Achsrichtung durchsetzt. Zur Erhöhung der Feldstärke im Kontaktspalt kann die Spule auch doppellagig aufgebaut und die Windungen können schraubenlinienförmig hin- und rückläufig ausgeführt sein.

[0004] Zum Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) und (4) EPÜ gehören Kontaktanordnungen für Vakuumschalter mit koaxial einander gegenüber angeordneten Axialfeldkontakten, bei denen eine in den beiden Kontakten gleichsinnige Schlitzung der Kontaktträger nach dem Öffnen der Kontakte das Axialfeld erzeugt und die mit einem Deckel versehen sind und bei denen die Stromzuführung einen Stützkörper bildet. Das Ende des Stützkörpers ist im geöffneten Zustand der Kontakte vom Deckel durch einen Luftspalt getrennt. Dieser Gestaltung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die Konzentration des axialen Magnetfeldes zwischen den geöffneten Kontakten einen diffusen Lichtbogen zu erzeugen. Dazu ist erforderlich, daß durch federndes Material nach dem Öffnen der Kontakte ein Luftspalt entsteht (EP-A-0 073 925).

[0005] Die aus der US-A-4 117 288 bekannte Kontaktanordnung für Vakuumschalter enthält Axialfeldkontakte, deren Kontaktboden über im wesentlichen hohlzylindrische Kontaktträger mit einer Kontaktscheibe verbunden sind, deren freie Flachseite als Kontaktauflagefläche dient. Jeweils die am Kontaktumfang etwa einander gegenüberliegenden Enden einer Windung sind mit dem Kontaktboden bzw. der Kontaktscheibe verbunden. Der Kontaktträger wird gebildet durch zwei Halbwindungen einer Feldspule, die das axiale Magnetfeld erzeugt. Zwischen dem Kontaktboden und der Kontaktscheibe ist zentrisch ein hohlzylindrischer Stützkörper angeordnet, der im wesentlichen aus einem ringförmen Keramikkörper besteht, der mit dem Kontaktboden und der Kontaktscheibe verlötet ist. Dieser Stützkörper ist jedoch im achsnahen Bereich des Kontakts praktisch unwirksam und nicht geeignet für einen hohen Kontaktdruck. Außerdem haben die Halbwindungen der Feldspule einen verhältnismäßig großen Widerstand.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktanordnung mit Axialfeldkontakten anzugeben, die zwischen den geöffneten Kontakten eine derartige Flußdichte erzeugen, daß eine Kontraktion des Lichtbogens und damit eine thermische Überlastung, insbesondere der jeweiligen Anode, vermieden und die Schaltleistung entsprechend erhöht wird. Insbesondere sollen die Kontakte niederohmig, induktionsarm und unempfindlich gegen einen hohen Kontaktdruck im geschlossenen Zustand des Vakuumschalters sein.

[0007] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Damit erhält man Kontakte, deren Widerstand ein f.LOhm nicht wesentlich überschreitet. Im geschlossenen Zustand des Schalters kann ein hoher mechanischer Druck von dem als Stromzuführung dienenden Kontaktbolzen über den Kontaktboden und den vollzylindrischen Stützkörper sowie die Kontaktscheibe auf geradem Weg an den gegenüberliegenden Kontakt übertragen werden, während der Strom sowohl im geschlossenen Zustand des Schalters als auch während der Lichtbogenphase im wesentlichen durch den Kontaktträger fließt. Er erzeugt im Raum zwischen den Elektroden ein axiales Magnetfeld in der Größenordnung von etwa 5 _WT/A. Diese Kontaktanordnung kann in einfacher Weise hergestellt und ohne zusätzliche konstruktive Änderungen in übliche Vakuumschaltröhren eingesetzt werden.

[0008] Die Kontakte bestehen im wesentlichen aus drei Teilen, erstens dem auf den Kontaktboden aufgesetzten Kontaktträger aus elektrisch gut leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, der mit zur Achse in beiden Kontakten gleichsinnig geneigten, vorzugsweise schraubenlinienförmig verlaufenden Schlitzen versehen ist und damit den Spulenteil für das axiale Magnetfeld darstellt, und dem im wesentlichen säulenförmigen Stützkörper aus elektrisch schlecht leitendem Material, beispielsweise einem Chrom-Nickel-Stahl, der wenigstens an seinem dem anderen Kontakt zugewandten Ende vorzugsweise bis auf etwa den Innenduchmesser des Kontaktträgers erweitert ist und somit in dieser Ausführungsform den Hohlraum an der Stirnfläche des Kontakts abschließt, drittens der mit ihrem Randbereich auf dem Kontaktträger und mit ihrem zentralen Bereich auf dem Stützkörper aufliegenden Kontaktscheibe, die vorzugsweise mit der Stirnfläche des Kontaktträgers unlösbar verbunden, insbesondere verlötet. sein kann.

[0009] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 eine Kontaktanordnung nach der Erfindung in einer zum Teil geschnittenen Seitenansicht dargestellt ist. Figur 2 zeigt eine besondere Ausführungsform der Kontaktscheibe.

[0010] In der Kontaktanordnung gemäß Figur 1 sind zwei Kontakte 2 und 4 mit einander zugewandten Stirnflächen koaxial zueinander angeordnet. Diese Kontakte bestehen jeweils aus einem hohlzylindrischen Kontaktträger 6 bzw. 8, der über einen Kontaktboden 10 bzw. 12 mit Stromzuführungsbolzen 14 bzw. 16 verbunden ist. Die Stirnflächen der Kontaktträger 6 und 8 sowie jeweils eines vollzylindrischen Stützkörpers 18 bzw. 22 sind jeweils mit einer Kontaktscheibe 26 bzw. 28 versehen. die an ihren Rändern jeweils mit einer Abschrägung 27 bzw. 29 versehen sind, so daß jeweils ein zentraler Teil der Kontaktscheiben 26 und 28 die Kontaktauflagefläche der Kontakte 2 und 4 bildet.

[0011] Die Stützkörper 18 und 22 können an ihrer der Kontaktscheibe 26 bzw. 28 zugewandten Stirnfläche jeweils mit einem zur Zentrierung der Kontaktscheibe 26 bzw. 28 dienenden Fortsatz 19 bzw. 23 versehen sein. In einer besonderen Ausführungsform der Kontaktanordnung sind auch die jeweils dem Kontaktboden 10 und 12 zugewandten Stirnflächen der Stützkörper 18 bzw. 22 jeweils mit einem Fortsatz 20 bzw. 24 versehen. Diese Fortsätze 20 und 24 sind vorzugsweise wesentlich größer als die Fortsätze 19 und 23, damit sie eine günstige Wirkung auf den Stromübergang von der Stromzuführung 14 bzw. 16 über den Kontaktboden 10 bzw. 12 auf den zugeordneten Kontaktträger 6 bzw. 8 ausüben. Die Stützkörper 18 und 22 sind jeweils als Rotationskörper gestaltet, deren Enden in einer besonderen Ausführungsform der Kontaktanordnung zweckmäßigerweise derart erweitert werden, daß der Querschnitt der Stützkörper 18 und 22 jeweils etwa das Profil eines Doppel-T-Trägers bildet. Die Enden sind dabei zweckmäßigerweise soweit erweitert, daß der Durchmesser der Stirnflächen der Stützkörper 18 und 22 etwa gleich dem inneren Durchmesser d_; der Kontaktträger 6 und 8 ist.

[0012] Die Kontaktträger 6 und 8 sind jeweils mit gegenüber der in der Figur 1 strichpunktiert gezeichneten Rotationsachse der Kontaktanordnung geneigten Schlitzen 7 bzw. 9 versehen, die in den beiden Kontakten 2 und 4 gleichsinnig verlaufen, so daß sich die zwischen den einzelnen Schlitzen 7 und 9 gebildeten Stege jeweils in dem gegenüberstehenden Kontakt in gleichem Drehsinn wiederholen. Die Schlitze 7 und 9 können vorzugsweise eine Schraubenlinie bilden. Solche Schlitze können in einfacher Weise mit einem zylindrischen Fräser hergestellt werden, dessen Durchmesser gleich der Schlitzbreite ist und der wenigstens so lang wie die Wandstärke der Kontaktträger 6 und 8 ist und der radial zur Rotationsachse der Kontakte 2 und 8 mit einem vorbestimmten Steigungswinkel schraubenlinienförmig geführt wird. Durch diese Schneidetechnik lassen sich wesentlich größere Neigungswinkel als mit ebenen Sägeschnitten herstellen, was zu einer größeren effektiven Windungszahl der hierdurch erzeugten Quasi-Spulenanordnung und damit zu einer höheren magnetischen Flußdichte zwischen den geöffneten Kontakten 2 und 4 während der Lichtbogenphase führt. Der Neigungswinkel der Schhraubenlinie der Schlitze 7 und 9 wird vorzugsweise im Bereich von etwa 60 bis 76° gewählt, ein Vorzugswert für den Neigungswinkel ist etwa 70°.

[0013] Wie in der Draufsicht nach Figur 2 veranschaulicht, können die Kontaktscheiben jeweils mit radial verlaufenden Schlitzen 32 versehen sein, die Wirbelströme verhindern.

[0014] Für einen Außendurchmesser d_a = 75 mm der Kontakte 2 und 4 und mit Kontaktträgern 6 und 8 aus OFHC-Kupfer (oxigen-free high-purity copper) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 1.76 10-6 Qcm und Stützkörpern 18 und 22 aus Chrom-Nickel-Stahl mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 7,3- 10-⁵ Qcm erhält man mit einer Kontaktscheibendicke h_D von beispielsweise 4,4 mm bei einem Kontaktabstand a_K von 10 mm nach dem Diagramm der Figur 3 eine spezifische axiale magnetische Flußdichte im Bereich der Rotationsachse von B/I = 4,9 µT/A. Nach diesem Diagramm in dem die spezifische axiale magnetische Flußdichte B/I in Abhängigkeit vom Kontaktabstand a_K aufgetragen ist, wird ersichtlich, daß bis zu einem in der Praxis maximal angewandten Kontaktabstand von 20 mm die spezifische axiale magnetische Flußdichte im Bereich der Rotationsachse mindestens 4 µT/A erreicht. Das von den Kontaktträgern 6 und 8 bei geöffneten Kontakten 2 und 4 zwischen den Kontakten erzeugte Magnetfeld ist im wesentlichen homogen über den gesamten Kontaktabstand a_K. Dies ist dadurch begründet, daß bei den angegebenen Abmessungen die geschlitzten Kontaktträger wie ein dickes Spulenpaar mit rechteckigem Wicklungsquerschnitt wirken, das so bemessen ist, daß bei einem Kontaktabstand a_K = 9,8 mm, der einem Spulenabstand a_K + 2 h_D = 17,8 mm entspricht, die Helmholtz-Bedingung für optimale Feldhomogenität, nämlich das Verschwinden der zweiten Ableitung d²H/dz² der axialen Feldstärke in der Achsenmitte z = 0 des Spulenpaares, erfüllt ist. Im Diagramm der Figur 3 ist dieser spezielle Kontaktabstand durch einen mit H gekennzeichneten Pfeil angedeutet. Die ausgezogene Linie kennzeichnet die Flußdichte in Achsenmitte bei z = 0, d. h. in der Mitte zwischen beiden Kontakten 2 und 4. Bei größerem Kontaktabstand a_K ergibt sich eine geringe Abweichung des Feldes an den Kontaktoberflächen bei z = a_K/2 gegenüber dem Feld bei z = 0, wie es im Diagramm gestrichelt angedeutet ist.

[0015] In radialer Richtung bleibt das spezifische Axialfeld bis zu einem Durchmesser von etwa (d_a + d_;)/4 näherungsweise konstant und fällt dann nach außen ab. Es ist somit bevorzugt im zentralen Bereich zwischen den geöffneten Kontakten 2 und 4 wirksam, in dem beim Trennen unter Laststrom der Lichtbogen gezündet wird.

[0016] Die elektrische Parallelschaltung von geschlitztem Kontaktträger 6 bzw. 8 und Stützkörper 18 bzw. 22 ergibt zwischen den als Äquipotentialflächen angenommenen Schnittflächen beispielsweise im gegenseitigen Abstand h_s = d_af4 = 18,75 mm für einen der Kontakte 2 oder 4 einen elektrischen Widerstand R = 0,76 _fLÜ. Daraus folgt mit gleichem Zahlenwert eine normierte Verlustleistung für jeden der Kontakte 2 und 4 im Bereich seiner Kontaktträger 6 bzw. 8 und der Stützkörper 18 bzw. 22 mit der Höhe h_s von P/_leff²= 0,76 W/(kA)². Das ergibt eine Verlustleistung bei einer effektiven Stromstärke fei, = 2 500 A für jeden der Kontakte 2 und 4 von P = 4,75 W.

[0017] Der ringförmige Hohlraum zwischen dem Stützkörper 18 bzw. 22 und dem Kontaktträger 6 bzw. 8 ist jeweils durch die Kontaktscheibe 26 bzw. 28 oder durch die erweiterten Stirnflächen der Stützkörper 18 bzw. 22 gegen das elektrische Feld zwischen den Kontakten abgeschirmt, so daß eine Hohlkathodenentladung in diesem Raum nicht brennen kann. Die Stützkörper 18 und 22 entlasten außerdem die geschlitzten Kontaktträger 6 und 8, so daß die Schlitze 7 und 9 nicht zusammengequetscht werden können. Da für den Lichtbogen die gesamte Stirnfläche der Kontaktscheiben 26 und 28 zur Verfügung steht, ist die thermische Belastung der Kontakte 2 und 4 entsprechend gering. Ferner ist der mittlere Raumwinkel, unter dem das Plasma des Lichtbogens aus dem Spalt zwischen den geöffneten Elektroden 2 und 4 herausdiffundieren kann, verhältnismäßig klein. Es wird somit der Schirmstrom weiter vermindert und die Spannungserniedrigende Wirkung des Magnetfeldes entsprechend unterstützt.

[0018] Die Schlitze 32 teilen die Kontaktscheiben 26 und 28 in Scheibensegmente auf, die jeweils eine der Stirnflächen der Stege bedecken, welche durch die Schlitze 7 und 9 in den Kontaktträgern 6 bzw. 8 gebildet werden. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, auch die Kontaktböden 10 und 12 der Kontakte 2 bzw. 4 mit radialen Schlitzen zu versehen wie es in Figur 1 angedeutet ist. Durch solche Schlitze werden Wirbelströme auch im Kontaktboden begrenzt.

Ansprüche

1. Kontaktanordnung für Vakuumschalter mit koaxial einander gegenüber angeordneten Axialfeldkontakten (2, 4) mit folgenden Merkmalen :

die Kontakte enthalten jeweils einen Kontaktboden (10, 12), mit dem ein hohlzylindrischer Kontaktträger verbunden ist, der mit Mitteln zur Erzeugung des axialen Magnetfeldes versehen ist ;

die Kontakte (2, 4) sind jeweils mit einer Kontaktscheibe (26, 28) versehen, welche die Kontaktauflagefläche bilden ;

zwischen dem Kontaktboden (10, 12) und der Kontaktscheibe (26, 28) ist zentrisch ein zylindrischer Stützkörper (18, 22) aus elektrisch schlecht leitendem Material angeordnet, welcher mit der Kontaktscheibe (26, 28) formschlüssig verbunden ist,

gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale :

die Mittel zum Erzeugen des axialen Magnetfeldes sind schräge Schlitze (7, 9) der Kontaktträger (6, 8), die in beiden Kontakten (2, 4) gegenüber der Rotationsachse der Axialfeldkontakte (2, 4) in der gleichen Richtung geneigt sind ;

der Stützkörper (18, 22) ist ein massiv ausgebildeter, in radialer Richtung nur einen Teil des Innenraumes des jeweiligen Kontaktträgers (6, 8) ausfüllender Körper, dessen Durchmesser an dem der Kontaktscheibe (26 bzw. 28) zugewandten Ende flanschartig erweitert ist.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (18, 22) auch an dem dem Kontaktboden (10, 12) zugewandten Ende flanschartig erweitert ist, derart, daß er etwa das Querschnittsprofil eines Doppel-T-Trägers hat.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (18, 22) aus unmagnetischem Stahl besteht.

Claims

1. A contact arrangement for vacuum switches comprising axial field contacts (2, 4) which are arranged coaxially opposite one another and which has the following features :

the contacts each include a contact base (10, 12) which is connected to a hollow-cylindrical contact carrier provided with means for generating the axial magnetic field ;

the contacts (2, 4) are each provided with a contact plate (26, 28) which form the contact su rface ;

a cylindrical support body (18, 22) consisting of an electrically poorly conducting material is arranged centrally between the contact base (10, 12) and the contact plate (26, 28), and is form- fitted to the contact plate (26, 28),

characterised by the following further features :

the means for generating the axial magnetic field consists of oblique slots (7, 9) provided in the contact carriers (6, 8) and which slope in the same direction in the two contacts (2, 4) relative to the axis of rotation of the axial field contacts (2, 4) ;

the support body (18, 22) is a solid body which fills only part of the interior of the respective contact carrier (6, 8) in the radial direction and the diameter of which is widened in flange-like fashion at the end facing towards the contact plate (26, 28).

2. A contact arrangement as claimed in Claim 1, characterised in that the support body (18, 22) is also widened in flange-like fashion at the end facing towards the contact base (10, 12), in such manner that its cross-sectional profile is approximately that of a double T-carrier.

3. A contact arrangement as claimed in Claim 2, characterised in that the support body (18, 22) consists of non-magnetic steel.

Revendications

1. Dispositif de contact pour un interrupteur à vide comportant des contacts à champ axial (2, 4) disposés coaxialement en vis-à-vis l'un de l'autre et comportant les caractéristiques suivantes :

les contacts comportent chacun une base (10, 12), à laquelle est relié un porte-contact cylindrique creux qui est pourvu de-moyens servant à produire le champ magnétique axial,

les contacts (2, 4) sont munis de disques respectifs de contact (26, 28), qui forment la surface d'appui du contact,

entre la base (10, 12) du contact et le disque de contact (26, 28) se trouve disposé un corps de support cylindrique (18, 22) constitué en un matériau conduisant mal le courant électrique et qui est relié selon une liaison par formes complémentaires au disque de contact (26, 28),

remarquable par les caractéristiques supplémentaires suivantes :

les moyens servant à produire le champ magnétique axial sont des fentes obliques (7, 9) des porte-contacts (6, 8), qui, dans les deux contacts (2, 4), sont inclinés dans la même direction par rapport à l'axe de rotation des contacts à champ axial (2, 4),

le corps de support (18, 22) est un corps massif remplissant, suivant la direction radiale, uniquement une partie de l'espace intérieur du porte-contact respectif (6, 8) et dont le diamètre s'élargit en formant une bride au niveau de l'extrémité tournée vers le disque de contact (26 ou 28).

2. Dispositif de contact suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps de support (18, 22) s'élargit également de manière à former une bride au niveau de l'extrémité tournée vers la base (10, 12) du contact, de telle sorte qu'il possède approximativement le profil en coupe transversale d'un support en double T.

3. Dispositif de contact suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le corps de support (18, 22) est constitué en un acier amagnétique.

Zeichnung